【研究領域課題番号】20K21805 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

線虫 / C. elegans / オプトジェネティクス / 強化学習 / 走性行動 / MDN-RNN / 線虫C.elegans / 学習 / Brain-machine interface / 化学走性

【研究成果の概要】

本研究では動物の行動を強化学習によりコントロールすることを試みた。材料として、体制が簡単で神経科学の研究も進んでおり多くのリソースが利用できる線虫C. elegansを用いた。コントロールのための手がかりとしてオプトジェネティクスを用いることとし、侵害受容感覚神経であるASH神経にチャネルロドプシンChR2を発現させた線虫を用いた。まず、ASH神経への光刺激に対する線虫の行動応答を計算機に学習させることを試みた。このモデリングのために、線虫の姿勢を5つの主成分スコアで表現し、自己回帰ニューラルネットワーク（RNN）に、混合ガウス分布の確率モデルを組み合わせたMDN-RNNを用いた。このモデルでは、RNNが過去の姿勢の時系列の入力を受けて次の行動を出力するが、その際に混合ガウス分布で確率的予測を行う。線虫を含め動物行動は確率的要素を含むのため、このモデルは行動を非常にうまく再現できることがわかった。さらに、このモデルに対して強化学習を施した。光刺激のタイミングを計算機が学習する。報酬は特定の場所に線虫が向かい、近づくこととした。強化学習を繰り返すことにより、線虫を特定の場所に向かわせるために必要な刺激パターンが学習された。すでに実動物における化学走性の行動機構が研究されているが、そこで知られるピルエット機構と同一の刺激パターンが学習された。さらに、強化学習で学習した結果に基づき、実動物の位置に応じて計算機が司令を出し実際に光を当てるという実験を行い、線虫を特定の場所に向かわせることに成功した。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2020-07-30 - 2023-03-31

【配分額】6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)

【研究分野】神経生理学・神経科学一般

【研究領域課題番号】25870172 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

インスリン / 学習 / 記憶 / C. elegans / 選択的スプライシング / 化学感覚 / 飢餓応答 / 行動 / 記憶学習 / PI3キナーゼ / 化学走性

【研究成果の概要】

これまでの研究から、線虫の示す飢餓と化学物質とを結びつけて記憶する学習（飢餓学習）には外界の化学物質を受容する感覚神経におけるインスリンシグナル伝達経路の働きが重要であることが示唆されていた。本研究により、線虫の感覚神経内の異なる部位（細胞体と軸索）では異なるインスリン経路が協調的に働き、それらの間のクロストークが記憶の形成に必要であることが明らかになった。学習記憶の異なる過程において働くインスリン様ペプチドの同定、シナプス部位において記憶の呼び出しに関わる可能性があるユビキチンシステムの同定により、学習記憶をダイナミックに制御するインスリン経路の制御機構の一端が明らかになった。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究分野】神経化学・神経薬理学

【研究領域課題番号】18650100 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

線虫 / 行動アッセイ / 化学走性 / カルシンテニン / 神経回路 / MIP-T1 / Traf3ip1 / アルツハイマー病 / 化学走性行動 / 行動変異体 / 行動スクリーニング / RNAi / 学習

【研究成果の概要】

1)前年度までに確立した化学物質を格子状にスポットする系を用いて、化学走性に必須な神経回路を同定する作業を行った。各神経のレーザー破壊の結果、ASE感覚神経およびAIZ介在神経がNaCIへの走性に必要であるが、AIA,AIY,AIB,RIA介在神経は必須ではないことがわかった(論文1)。
2)当研究室で感覚神経に特異的に発現することのわかった哺乳類MIP-TI(TRAF3-interacting protein1)ホモログが、線虫のDYF-11と同一であることが明らかになった。DYFはdye-fillingの略であり、感覚神経の繊毛が壊れていることを示唆するものであった。この遺伝子を破壊したところ塩や匂いなど、さまざまな化学物質への走性が低下した。繊毛の異常はBardet-Biedl病やネフロン癆などの疾病に至る。解析の結果、DYF-11は繊毛内輸送、ひいては繊毛の維持に必須であることがわかった(論文2)。
3)NaCIへの化学走性の可塑性に異常のある変異体のスクリーニングで得られた変異体のひとつを解析したところ、その原因遺伝子casy-1が哺乳類のカルシンテニンのホモログであることがわかった。カルシンテニンはアルツハイマー病の主要な原因遺伝子であるアミロイド前駆蛋白質(APP)と三者複合体を形成する膜貫通蛋白質である。CASY-1蛋白質もAPPと同様プロセシングを受け、化学走性の可塑性に必要なのは細胞外ドメインの一部分であることがわかった(論文3)。
このように、行動スクリーニング系を用いて、化学走性の神経回路の決定と、化学走性やその可塑性に必須な遺伝子の同定がなされ、有効な系の開発に成功したといえるが、行動のコンピュータによる定量化と変異体解析とをリンクすることには未だ到らず、平成21年度以降に実施の予定としている。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】3,300千円 (直接経費: 3,300千円)

【研究分野】生体生命情報学

【研究領域課題番号】16650065 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

線虫 / 行動 / 化学走性 / 微小行動観察 / 突然変異体 / 行動データベース / 首振り運動 / 画像解析 / データベース / 温度走性 / 温度勾配 / Ωターン / 感覚情報

【研究成果の概要】

特定神経細胞を除去した線虫、または行動に変異がある線虫について、筋収縮などの微細な変化を検出する方法を開発した。具体的には、線虫の行動を顕微鏡視野中に拘束し、線虫部位ごとの動きを定量した。
線虫を固定方法として、試行錯誤の結果、線虫尾部を瞬間接着剤で固定した。瞬間接着剤自身の匂いが線虫行動に影響を与える可能性があるため、種々の接着剤についてChemotaxis Indexを調べた。その結果、忌避および誘引のいずれにも作用しない適切な接着剤を見出すことができた。この接着剤で尾部を固定した線虫について、前進と後退時における行動を、固定していない線虫と比較したところ差異は見出せなかった。このことは本線虫固定方法が適当であることを示している。
顕微鏡下で線虫を固定し、その行動を詳細に解析する手法を次に開発した。このために、顕微鏡下で観察・録画した線虫画像をコンピュータに取り込み、線虫体表の任意の点に標点を置き、その点を自動追尾する方法を用いた。現画像を2値化処理することにより、標点を連続追跡することが可能となった。
これら固定と標点自動追尾方法を、実際に野生型線虫に適用した。野生型線虫を顕微鏡下で固定し、2種類の異なる匂い(diacetylとbenzealdehyde)刺激をステップ状に与えた際の線虫挙動を微小解析した。この2種類の匂い物質は異なる感覚神経細胞を刺激することが知られているものであり、この刺激により線虫の頭部首振りの頻度低下が持続する時間が異なることを初めて明らかにすることができた。このことは、本開発手法が従来のマクロな行動観察とは異なる線虫行動の微細な、速い応答を検出することに利用できることを示したものである。今後は引き続き本方法により、感覚神経細胞に変異を持つ線虫を皮切りに、線虫行動データベースの整備を進める。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2004 - 2005

【配分額】2,800千円 (直接経費: 2,800千円)

【研究分野】分子生物学

【研究領域課題番号】13480224 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

線中 / 化学走性 / 行動可塑性 / Ras-MAPキナーゼ / シグナル伝達 / 嗅覚順応 / 線虫 / インシュリン

【研究成果の概要】

Ras-MAPキナーゼ(MAPK)シグナル伝達経路は細胞外からのシグナルを伝え、細胞の増殖、分化を制御する主要なシグナル伝達経路として有名である。しかし、近年、このシグナル伝達経路の神経系におけるこれとは異なった機能、特に、神経可塑性や学習における機能が注目されている。しかし、その機能の詳細は未だ明らかでない。本研究は、遺伝学的、解剖学的、行動学的な利点の多い線虫C.elegansを用いることにより、Ras-MAPK経路の神経系における機能を解明することを目指して行われた。
我々は以前に、線虫のMAPキナーゼ(MAPK)が匂い刺激により嗅覚神経内で迅速に活性化されること、また、Ras-MAPK経路の嗅覚神経における機能が効率よい嗅覚受容に必要であることを明らかにしている。本研究ではこの発見をさらに推し進め、Ras-MAPK経路が嗅覚順応にも重要な機能を果たすことを明らかにした。まず、新たな嗅覚順応のアッセイ系を開発し、これを早期順応と呼ぶこととした。早期順応においては、線虫を5分間、匂い物質に曝すことにより、線虫のその匂いへの応答(化学走性)が顕著に低下する。Ras-MAPK経路の複数の変異体が早期順応に著しい欠損を示した。興味深いことに、この順応現象は単一の嗅覚神経内でのダウンレギュレーションのメカニズムにより起こるものではなく、神経回路に依存した可塑性であった。すなわち、この順応には複数の嗅覚神経から入力を受ける介在神経である、AIY神経の機能が必須であった。5分間の匂い刺激により、嗅覚神経のみならずAIY介在神経においてもMAPKが活性化されることが確認された。さらに、Ras遺伝子の細胞特異的発現実験により、AIY神経におけるRasの機能が嗅覚順応に重要であることが分かった。これらの結果より、Ras-MAPK経路は嗅覚神経で働いて嗅覚受容に関わる一方、嗅覚刺激に対する線虫の可塑的な応答を介在神経レベルで調節していることが明らかとなった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2002

【配分額】16,900千円 (直接経費: 16,900千円)

【研究分野】分子生物学

【研究領域課題番号】11680672 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

線虫 / C.elegans / let-60 / 神経系 / 揮発性誘引物質 / Ras-MAPキナーゼ系 / 嗅覚 / 化学走性 / 環状ヌクレオチド依存性チャネル / 可塑性 / 嗅覚抑圧

【研究成果の概要】

線虫の化学走性とその可塑性についての研究を行った。平成11年度の本研究では、線虫のRas-MAPキナーゼ信号伝達系に異常のある突然変異体が揮発性物質への化学走性に異常を示すことを見いだした。Ras-MAPキナーゼシグナル伝達系は多くの真核生物で細胞の増殖や分化を制御することがよく知られている。一方、成熟した神経系におけるこのシグナル伝達系の機能が最近注目されているが、十分な理解には至っていない。線虫C.elegansのRasであるlet-60の機能欠失型変異、活性化型変異のいずれもが匂い物質に対する化学走性に欠損を示した。Rasの下流のMAPキナーゼ系の各因子の変異によっても同様の欠損が見られた。また、let-60の活性化型変異は下流のMAPキナーゼ系の因子の機能低下型変異によって抑圧された。ヒートショックプロモーターや細胞特異的プロモーターによるlet-60の発現実験により、発生の過程ではなく、成虫の嗅覚神経でRasが機能することが明らかとなった。また、活性化型MAPキナーゼに対する抗体を用いた組織染色により、匂い刺激により嗅覚神経でMAPキナーゼが活性化されることがわかった。この活性化は、匂い刺激後10秒という短時間で起こった。さらに、このMAPキナーゼの活性化は匂い刺激の受容に関わるGタンパク質ODR-3、サイクリックヌクレオチド依存チャネルTAX-2/TAX-4、電位感受性カルシウムチャネルUNC-2の各欠損変異では起こらなかった。これらのことから、Ras-MAPキナーゼ系はおそらく嗅覚神経の電気的興奮によって活性化され、嗅覚神経の機能に必須の役割を果たすものと考えられる。以上の結果は線虫のRasの神経系における働きを同定した始めての例である。また、あらゆる生物を通じて嗅覚におけるRas-MAPKの機能を示した最初の結果である。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】3,800千円 (直接経費: 3,800千円)