行動スイッチを引き起こす分子と神経回路の完全解明

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H06113
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 飯野 雄一 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (40192471)
• 研究分担者: 石原 健 九州大学, 理学研究院, 教授 (10249948)
• 研究期間 (年度): 2017-05-31 – 2022-03-31
• キーワード: 線虫C.elegans / 学習記憶 / シナプス伝達 / 神経回路 / 全脳イメージング

研究実績の概要

微小なモデル生物である線虫C. elegans では全神経回路の構造が既知であり、実際の生物における神経系の情報処理機構を明らかにできる可能性を秘めている。本研究では線虫を用い、神経回路が感覚入力を処理して行動を引き起こすまでの全神経回路を解明し、学習によりその行動が変化する分子・神経機構を明らかにすることを目的としている。このために以下を進めた。
1)飢餓により経験した塩濃度を避けるようになる学習の分子メカニズムとして、インスリン受容体Daf-2cの下流で二つのフォスフォリパーゼが働くことを見つけ、それぞれが高塩への移動、低塩への移動を制御することが示唆された。
2)CLCタイプの塩化物イオンチャネルCLH-1に特定の変異が入ると線虫の低塩濃度への走性が大きく減弱することを見出し、このチャネルの働きを機能解析した。この変異はセミドミナントであること、この変異が感覚神経で働くことにより感覚神経の塩化物イオンの動態が異常となり、同じ神経のカルシウム応答が鈍くなることを明らかにし発表した。
3)経験した塩の濃度に向かうようになる行動可塑性の機構を調べ、感覚神経ASERから介在神経AIBへのシナプス伝達が反転することを見出し、これに伝達物質グルタミン酸と興奮性抑制性双方の受容体が関与することを明らかにし発表した。
4)全脳の神経活動を同時に測定する全脳イメージングの系において、神経の名前づけを行うため、各神経の位置を系統的に共焦点顕微鏡で測定した「Neuron IDデータセット」を作成し発表した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

予定した研究項目のうち、1)細胞内シグナル伝達によるシナプス制御、2)シナプス反転の機構　の両者について進展があった。3)運動回路の同定、4)感覚運動相互作用もAIB-AVAを中心に知見が得られ論文発表を行った。

今後の研究の推進方策

シナプス反転により行動反転が起こることまではわかったので、反転に関わる分子の特定と性状解析に全力を上げる。

研究成果

• [雑誌論文] Different modes of stimuli delivery elicit changes in glutamate driven, experience-dependent interneuron response in C. elegans. (2023)
  • 著者名/発表者名: Mabardi, L., Sato, H., Toyoshima, Y., Iino, Y., and Kunitomo, H.
  • 雑誌名: Neurosci Res 巻: 186 ページ: 33-42
  • DOI: 10.1016/j.neures.2022.10.004.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Insulin/IGF signaling regulates presynaptic glutamate release in aversive (2022)
  • 著者名/発表者名: Cheng, D., Lee, JS., Brown, M., Ebert, MS., McGrath, PT., Tomioka, M., Iino, Y., Bargmann, CI.
  • 雑誌名: CELL REPORTS 巻: 41 ページ: (8)111685
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2022.111685
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Molecular encoding and synaptic decoding of context during salt chemotaxis in C. elegans (2022)
  • 著者名/発表者名: Hiroki, S., Yoshitane, H., Mitsui, H., Sato, H., Umatani, C., Kanda, S., Fukada, Y., and Iino, Y.
  • 雑誌名: NATURE COMMUNICATIONS 巻: 13 ページ: (1)2928
  • DOI: 10.1038/s41467-022-30279-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Loss of calsyntenin paralogs disrupts interneuron stability and mouse behavior (2022)
  • 著者名/発表者名: Mori, K., Koebis, M., Nakao, K., Kobayashi, S., Kiyama, Y., Watanabe, Ma., Manabe, T., Iino, Y., Aiba, A.
  • 雑誌名: MOLECULAR BRAIN 巻: 15 ページ: (1)23
  • DOI: 10.1186/s13041-022-00909-8
  • 査読あり
• [雑誌論文] Involvement of HECT-type E3 ubiquitin ligase genes in salt chemotaxis learning in Caenorhabditis elegans (2022)
  • 著者名/発表者名: Ike, Y., Tomioka, M., and Iino, Y
  • 雑誌名: GENETICS 巻: 220 ページ: Issue 4
  • DOI: 10.1093/genetics/iyac025
  • 査読あり
• [雑誌論文] The redundancy and diversity between two novel PKC isotypes that regulate learning in Caenorhabditis elegans (2022)
  • 著者名/発表者名: Hiroki, S., and Iino, Y.
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 巻: 119 ページ: (3)e2106974119
  • DOI: 10.1073/pnas.2106974119
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] DAF-2c signaling promotes taste avoidance after starvation in Caenorhabditis elegans by controlling distinct phospholipase C isozymes (2022)
  • 著者名/発表者名: Tomioka, M., Jang, M.S., and Iino, Y.
  • 雑誌名: Commun Biol 巻: 5 ページ: (1)30
  • DOI: 10.1038/s42003-021-02956-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Caenorhabditis Elegans Exhibits Morphine Addiction-like Behavior via the Opioid-like Receptor NPR-17 (2022)
  • 著者名/発表者名: Ide, S., Kunitomo, H., Iino, Y., and Ikeda, K.
  • 雑誌名: FRONTIERS IN PHARMACOLOGY 巻: 12 ページ: 802701
  • DOI: 10.3389/fphar.2021.802701
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Probabilistic generative modeling and reinforcement learning extract the intrinsic features of animal behavior (2022)
  • 著者名/発表者名: Mori, K., Yamauchi, N., Wang, H., Sato, K., Toyoshima, Y., and Iino, Y.
  • 雑誌名: Neural Netw 巻: 145 ページ: 107-120
  • DOI: 10.1016/j.neunet.2021.10.002
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Regulation of Diacylglycerol Content in Olfactory Neurons Determines Forgetting or Retrieval of Olfactory Memory in Caenorhabditis elegans (2022)
  • 著者名/発表者名: Arai, M., Kurokawa, I., Arakane, H., Kitazono, T., Ishihara, T
  • 雑誌名: Journal of Neuroscience 巻: 42 ページ: 8039-8053
  • DOI: 10.1523/JNEUROSCI.0090-22.2022
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Behavioral Forgetting of Olfactory Learning Is Mediated by Interneuron-Regulated Network Plasticity in Caenorhabditis elegans (2022)
  • 著者名/発表者名: Teo, J.H., Kurokawa, I., Onishi, Y., Sato, N., Kitazono, T., Tokunaga, T., Fujiwara, M., and Ishihara, T.
  • 雑誌名: eNeuro 巻: 9 ページ: 0084-22.2022
  • DOI: 10.1523/ENEURO.0084-22.2022
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Forward and backward locomotion patterns in C. elegans generated by a connectome-based model simulation (2021)
  • 著者名/発表者名: Sakamoto, K., Soh, Z., Suzuki, M., Iino, Y., and Tsuji, T.
  • 雑誌名: Sci Rep 巻: 11 ページ: (1)13737
  • DOI: 10.1038/s41598-021-92690-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Glutamate signaling from a single sensory neuron mediates experience-dependent bidirectional behavior in Caenorhabditis elegans (2021)
  • 著者名/発表者名: Sato, H., Kunitomo, H., Fei, X., Hashimoto, K., and Iino, Y.
  • 雑誌名: Cell Rep 巻: 35 ページ: (8)109177
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2021.109177
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Roles of the CIC chloride channel CLH-1 in food-associated salt chemotaxis behavior of C. eleagns (2021)
  • 著者名/発表者名: Park, C., Sakurai, Y., Sato, H., Kanda, S., Iino, Y., and Kunitomo, H.
  • 雑誌名: Elife 巻: 10 ページ: e55701
  • DOI: 10.7554/eLife.55701
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] EGL-4/PKG regulates the role of an interneuron in a chemotaxis circuit of C. elegans through mediating integration of sensory signals (2021)
  • 著者名/発表者名: Hino, T., Hirai, S., Ishihara, T., and Fujiwara, M.
  • 雑誌名: Genes to Cells 巻: 26 ページ: 411-425
  • DOI: 10.1111/gtc.12849
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 3DeeCellTracker, a deep learning-based pipeline for segmenting and tracking cells in 3D time lapse images (2021)
  • 著者名/発表者名: Wen, C., Miura, T., Voleti, V., Yamaguchi, K., Tsutsumi, M., Yamamoto, K., Otomo, K., Fujie, Y., Teramoto, T., Ishihara, T., et al.
  • 雑誌名: eLife 巻: 10 ページ: e59187
  • DOI: 10.7554/eLife.59187
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Green fluorescent protein-based lactate and pyruvate indicators suitable for biochemical assays and live cell imaging (2020)
  • 著者名/発表者名: Harada, K., Chihara, T., Hayasaka, Y., Mita, M., Takizawa, M., Ishida, K., Arai, M., Tsuno, S., Matsumoto, M., Ishihara, T., et al.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 ページ: 19562
  • DOI: 10.1038/s41598-020-76440-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Caenorhabditis elegans: a model to understand host-microbe interactions (2020)
  • 著者名/発表者名: Kumar, A., Baruah, A., Tomioka, M., Iino, Y., Kalita, MC., Khan, M.
  • 雑誌名: Cell. Mol. Life Sci. 巻: 77 ページ: (7)1229-1249
  • DOI: 10.1007/s00018-019-03319-7
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 線虫C. elegansにおける糖濃度学習の機能解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 富永 慶子、富岡 征大、飯野 雄一
  • 学会等名: 日本動物学会関東支部第75回大会
• [学会発表] p38 MAPK シグナル経路は複数の感覚神経においてC. elegansの塩走性学習を制御する (2022)
  • 著者名/発表者名: 黄 涛若、富岡 征大、飯野 雄一
  • 学会等名: 第45回 日本分子生物学会年会
• [学会発表] Investigating how worms integrate sensory and motor information in salt klinotaxis (2022)
  • 著者名/発表者名: Ayaka Matsumoto, Chenqi Zhang, Akihiro Isozaki, Keisuke Goda, Yu Toyoshima, Yuichi Iino
  • 学会等名: CeNeuro2022
  • 国際学会
• [学会発表] Molecules and neural network underlying salt preference (2022)
  • 著者名/発表者名: Shingo Hiroki, Hirofumi Sato, Yu Toyoshima, Llian Mabardi, Hikari Yoshitane, Hinako Mitsui, Manami Kanamori, Chie Umatani, Shinji Kanda, Mashiro Tomoioka, Koichi Hashimoto, Hirofumi Kunitomo, Yoshitaka Fukada, Takeshi Ishihara & Yuichi Iino
  • 学会等名: CeNeuro2022(C. elegans Topic Meeting: Neuronal Development, Synaptic Function and Behavior)
  • 国際学会
• [学会発表] FMRFamide-like neuropeptide FLP-2 and pigment dispersing factor-like neuropeptide PDF-1 may modulate salt chemotaxis of C. elegans by mediating food signals (2022)
  • 著者名/発表者名: Yucheng Xie, Koji Yamada, Takeshi Adachi, Hirofumi Kunitomo, Yuichi Iino
  • 学会等名: Ceneuro2022
  • 国際学会
• [学会発表] FMRFamide様神経ペプチドFLP-2は餌のシグナルを仲介してC.エレガンスの塩走性を調節する（FMRFamide-like neuropeptide FLP-2 may modulate salt chemotaxis of C. elegans by mediating food signals） (2022)
  • 著者名/発表者名: Yucheng Xie, Koji Yamada, Takeshi Adachi, Hirofumi Kunitomo, Yuichi Iino
  • 学会等名: NEURO2022
  • 国際学会
• [学会発表] Analysis of neural activity underlying turning movement by tracking-imaging of freely moving C. elegans. (2022)
  • 著者名/発表者名: Ukyo T. Tazawa, Koyo Kuze, Ayaka Matsumoto, Yu Toyoshima, Suzu Oe, Takayuki Teramoto, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino
  • 学会等名: NEURO2022
  • 国際学会
• [学会発表] 線虫が侵害受容から忌避応答を引き起こす神経回路の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 久世晃暢、田澤右京、豊島有、大江紗、寺本孝行、石原健、飯野雄一
  • 学会等名: NEURO2022
  • 国際学会
• [学会発表] 線虫C.elegansにおいて糖依存的に塩嗜好性を変化させる分子機構 (2022)
  • 著者名/発表者名: 梅村 悠介、上岡 雄太郎、内山 千紘、陳 立峻、片江 圭太、飯野 雄一、富岡 征大
  • 学会等名: 第99回日本生理学会大会
• [学会発表] 線_ C. elegans の介在神経における複数の嗅覚情報の統合機構 (2022)
  • 著者名/発表者名: 東亮太郎 石原健 藤原学
  • 学会等名: 分子生物学会
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 線虫の匂い識別行動を指標にした、嗅覚回路における匂い情報伝達経路の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 徳升太一 石原健 藤原学
  • 学会等名: 分子生物学会
• [学会発表] Regulation of diacylglycerol content in olfactory neurons determines forgetting or retrieval of olfactory memory in Caenorhabditis elegans (2022)
  • 著者名/発表者名: Mary Arai, Itsuki Kurokawa, Hoshinosuke Arakane, Tomohiro Kitazono, Takeshi Ishihara
  • 学会等名: 記憶研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Analyses of neuropeptides and receptors required for forgetting (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuuki Onishi Takeshi Ishihara
  • 学会等名: 記憶研究会
• [学会発表] Neuropeptide NLP-47 and its receptor GNRR-1 promote forgetting of olfactory memory in C. elegans (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuuki Onishi;Jamine Teo,Tomohiro Kitazono,Takeshi Ishihara
  • 学会等名: CeNeuro2022
  • 国際学会
• [学会発表] 神経ペプチドNLP-47とその受容体GNRR-1は、線虫C. elegansの嗅覚学習の忘却を促進する (2022)
  • 著者名/発表者名: 大西 湧己、Teo Jamine、北園 智弘、石原 健
  • 学会等名: 神経科学学会
• [学会発表] 線虫の塩走性における感覚運動統合と行動制御の神経機構の解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 松本朱加、豊島有、Zhang Chenqi、磯崎瑛宏、合田圭介、飯野雄一
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 線虫C. elegansの頭部全神経イメージングデータを用いた神経活動解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 永田大貴、豊島有、佐藤博文、久世晃暢、寺本孝行、石原健、飯野雄一
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 線虫C. elgansの塩走性におけるp38 MAPKの働き (2021)
  • 著者名/発表者名: 黄 涛若、富岡 征大、飯野 雄一
  • 学会等名: 第44回 日本分子生物学会年会
• [学会発表] Functions of insulin-like peptide signaling in the C. elegans nervous system (2021)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Tomioka
  • 学会等名: Kick-off Symposium of “International Research on Regulation of Insulin-Like Activities for Extension of Health Life Span”
• [学会発表] 線虫の味覚における記憶学習を制御する分子機構 (2021)
  • 著者名/発表者名: 富岡 征大
  • 学会等名: 生理研研究会2021 「記憶・学習の多角的理解に向けたアプローチ」
• [学会発表] 塩走性に働く神経ペプチドの同定と機能の解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: Yucheng Xie, Koji Yamada, Takeshi Adachi, Hirofumi Kunitomo, Yuichi Iino
  • 学会等名: 線虫研究の未来を創る会2021
• [学会発表] ASEL神経における塩応答機構の解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: Sayako Satomi, Hirofumi Kunitomo, Yuichi Iino
  • 学会等名: 線虫研究の未来を創る会2021
• [学会発表] Roles of the nlp-3 neuropeptide gene in salt chemotaxis in C. elegans (2021)
  • 著者名/発表者名: 児玉未来、安達健、山田康嗣、飯野雄一、國友博文
  • 学会等名: 線虫研究の未来を創る会2021
• [学会発表] 線虫の行動制御神経回路機構の強化学習による探索 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山内直寛、森啓太、飯野雄一、銅谷賢治
  • 学会等名: 第44回日本神経科学大会
• [学会発表] ’Molecular Encoding and Synaptic Decoding of Memory of Chemical Concentration in C. elegans’ (2021)
  • 著者名/発表者名: Shingo Hiroki, Hikari Yoshitane, Yoshitaka Fukada, Masahiro Tomioka, Muneki Ikeda, Ikue Mori, Yuichi Iino
  • 学会等名: International C. elegans Conference
  • 国際学会
• [学会発表] The regulation of olfactory circuit by EGL-4/PKG (2021)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Hino, Shota Hirai, Takeshi Ishihara,Manabi Fujiwara
  • 学会等名: International Worm Meeting 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Diacylglycerol content controls proper memory utilization through switching between forgetting and retrieving. (2021)
  • 著者名/発表者名: Mary Arai, Itsuki Kurokawa, Akitoshi Inoue, Takeshi Ishihara
  • 学会等名: International Worm Meeting 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Identification of neuropeptides accelerating forgetting in C. elegans with a reverse genetic apporach (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuuki Onishi, Jamine Teo, Tomohiro Kitazono Takeshi Ishihara
  • 学会等名: International Worm Meeting 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Simultaneous measurements of membrane voltage and intracellular Ca2+ of AWA neurons by a gene encoded voltage indicator and GCaMP (2021)
  • 著者名/発表者名: Noriko Sato, Takeshi Ishihara, Terumasa Tokunaga
  • 学会等名: International Worm Meeting 2021
  • 国際学会
• [学会発表] 線虫の嗅覚記憶の忘却におけるAIA介在神経の関与 (2021)
  • 著者名/発表者名: Jamine Teo, Tomohiro Kitazono,Takeshi Ishihara
  • 学会等名: 日本分子生物学会
• [学会発表] 神経ペプチドNLP-47は線虫のC. elegansの嗅覚学習の忘却を促進する (2021)
  • 著者名/発表者名: 大西 湧己、Teo Jamine、石原 健
  • 学会等名: 日本分子生物学会
• [学会発表] 線虫の脳における複数の情報処理の実行機構 (2021)
  • 著者名/発表者名: 藤原学 平井祥太 石原 健
  • 学会等名: 日本分子生物学会
• [学会発表] 線虫 C. elegans を用いて高精度な神経回路解析を行うことを目指し た実験系の改良 (2021)
  • 著者名/発表者名: 白井洸充 村上 悠子、豊島 有、大江 紗、Stephen Wu、金森 真奈実、寺本 孝行、Moon-Sun Jang、佐藤 博文、吉田 亮、飯野 雄一、石原 健
  • 学会等名: 日本分子生物学会
• [学会発表] 全脳イメージングを用いた線虫の機能的神経回路の同定に向けて (2020)
  • 著者名/発表者名: 遠藤 雄人,Chentao Wen、三浦 拓也、熊谷 里加子、石原 健、木村 幸太郎
  • 学会等名: 日本神経科学学会
• [学会発表] 3DeeCellTracker: 三次元時系列画像データから細胞活動を追跡・抽出する深層学習を用いたソフトウェア (2020)
  • 著者名/発表者名: 木村 幸太郎、三浦 拓也、Venkatakaushik Voleti、藤江 由香子、寺本 孝行、石原 健、Elizabeth M.C. Hillman、Chentao Wen
  • 学会等名: 日本神経科学学会
• [学会発表] 線虫の塩走性におけるnlp-3の役割の解明 (2020)
  • 著者名/発表者名: 児玉未来、安達健、山田康嗣、飯野雄一、國友博文
  • 学会等名: 第43回 日本分子生物学会年会
• [備考] 飯野研究室
  • URL: http://molecular-ethology.bs.s.u-tokyo.ac.jp/labHP/J/JTop.html