○◎飯野　雄一、吉田　和史（東京大学・大学院理学系研究科生物化学専攻）

Journal of Neuroscience 29: 5370-5380, 2009

 　動物は外界からいろいろな感覚情報を受け取り、その情報をもとに目的を達成する行動を行います。線虫C.エレガンスはたった300個しか神経細胞がありませんが、その神経回路を駆使して餌の存在を示す味や匂いを感知し、そこへ近寄っていきます。線虫には目がないので、化学感覚だけを頼りに餌に到達しているのです。このような行動は化学走性と呼ばれています。私たちは、線虫を追尾して行動を測定する装置を用いて、どのような戦略により化学走性を行っているかを調べました。線虫の行動は一見デタラメですが、解析の結果、前後方向への濃度勾配に対しては一旦後退して急に方向を変え、横方向への濃度勾配に対してはゆっくりカーブして進む行動をとることがわかりました（図１A）。それぞれピルエット機構、風見鶏機構と呼びます。コンピューターシミュレーションを行うと、両方の機構を同時に使うことにより、はじめて実際の線虫と同じくらいにうまく化学走性を行えることがわかりました（図２）。神経回路上のそれぞれの神経をレーザーで破壊することにより、これらの行動に必要な神経を探したところ、ASER感覚神経とAIZ神経がNaClへの化学走性のピルエット機構と風見鶏機構に必要であることがわかりました（図１B）。AIZ神経が、急な方向転換を起こさせる神経とゆっくりしたカーブを起こさせる神経の両方に接続していると推定されました。

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図１　A：ピルエット機構と風見鶏機構の模式図。線虫の行動は非常にランダムであるが、行動を数値的に集計すると、二つの方向の濃度勾配に対してそれぞれ図のような応答をする場合が多いことがわかる。B：各神経をレーザーで破壊して行動を調べると、○で囲った神経を破壊すると風見鶏機構、ピルエット機構ともに起こらなくなり、化学走性ができなくなった。AIA, AIB, AIY, RIA, RIZのそれぞれを破壊しても目立った影響はない。

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図２　コンピューターシミュレーションの結果。ピルエット機構（pirouette）、風見鶏機構（weathervane）のいずれか一方では不十分であるが、両方の機構が働くと効率のよい化学走性ができる。・はNaClの位置（各４か所）。

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○ ◎林　悠1,4、広津　崇亮2、岩田　遼3、中臺　枝里子1,5、國友　博文3、石原　健2、飯野　雄一3、久保　健雄1（1東京大学・大学院理学系研究科生物科学専攻、2九州大学・大学院理学研究院生物科学専攻、3東京大学・大学院理学系研究科生物化学専攻、4（現）理化学研究所・脳科学総合研究センター行動遺伝学技術開発チーム、5（現）東京女子医科大学・第二生理学教室）

Nature Neuroscience 12: 981-987, 2009

　脳の成熟に伴い、ニューロン間を結ぶ不要な神経突起は削除されます。この現象は“刈り込み（pruning）”と呼ばれ、機能的な神経回路を構築する重要な過程として注目されています。しかしながら、刈り込みに関わる分子はまだほとんど知られておらず、どのようにして削除される神経突起と維持される神経突起が区別されるかはよく分かっていませんでした。私たちは以前、単純なモデル動物である線虫C.エレガンスでも、哺乳類と同様に刈り込みが起こることを発見しました。線虫の頭部にあるAIMと呼ばれる左右一対のニューロンは、ふ化直後には神経突起で互いにつながっていますが、成長に伴い多くの個体でこの神経突起は削除されます（図1）。今回私たちは、Wntという分泌タンパク質を過剰に作用させたトランスジェニック系統だと、多くの個体でAIM間の神経突起が削除されずに残ってしまうことを見出しました。逆にWnt遺伝子を破壊した変異体では、削除が起こる頻度が著しく増加していました。従って、神経突起がWntを捕えられると維持され、捕えられないと削除されることが判明しました（図2）。なお、その際に神経突起は、これまでWnt受容体としての役割がほとんど知られていなかったRorという膜タンパク質を介して、Wntを受容することも明らかになりました。

図１

図２

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図１：線虫C.エレガンスの頭部ニューロンAIMに見られる神経突起の刈り込み。AIMの細胞体および刈り込みを受ける神経突起をそれぞれ点線と矢頭で示す。野生株では9割程度の個体でこのような成長に伴うAIM間の刈り込みが起こる。スケールバーは5μmを表す。

図２：今回明らかとなった線虫におけるWntを介した刈り込みの制御機構。

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○若林篤光、木村由紀裕、大場祐介、安達良太、*佐藤洋一、◎新貝鉚蔵（岩手大学工学部、*岩手医科大学医学部）

Biochimica et Biophysica Acta 1790 (2009) 765-769

 　生き物を取りまく環境からもたらされる、光、音、味、匂いなどの感覚刺激は、神経系の働きにより、最終的には動物の様々な行動を引き起こします。このような感覚入力から行動出力に至る情報処理過程において、感覚神経細胞による感覚刺激の検出・受容は、情報の入り口となるきわめて重要なステップです。線虫（C. elegans）は、味、匂い、温度などの感覚刺激の大半を12種類の感覚神経細胞によって検出しています。私たちは今回、12種類の感覚神経細胞のうちASKと呼ばれる感覚神経細胞に特に注目し、この神経細胞の感覚刺激への応答性をカルシウムイメージングと呼ばれる方法で調べました。先行する研究によりASK神経は、アミノ酸のひとつであるリジンへの誘引行動に深く関与することが知られており、また神経細胞が興奮することによって線虫の後退運動が促進されることが示唆されていました。今回の研究において、野生型の線虫に対してリジンを投与したところ、ASK神経細胞内のカルシウム濃度が低下（すなわち神経の興奮性が抑えられた）し、一方、リジン刺激を除去したときにASK神経細胞内のカルシウム濃度が増加する(神経細胞が興奮した)ことがわかりました（図）。これは、線虫にとっての誘引刺激であるリジンが存在するときには前進運動を継続してより高い濃度のリジンに向かって移動し、リジンがなくなった、あるいは減少したときには後退運動とそれに伴う方向転換によって再びリジンのある方向へとむかうという走化性行動における線虫の動きともよく一致した結果であると言えます。

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図A：ASK神経細胞にカルシウムセンサー型蛍光タンパク質を発現している線虫。図中の矢印がASK感覚神経細胞 B： ASK神経のリジンに対する応答。Aの線虫に予めリジンを投与し（赤BOX）、その後除くと（水色BOX）、蛍光強度（神経細胞内のカルシウム濃度）が増加し、一方、予め刺激を与えていない線虫にリジン刺激を投与すると（赤BOX）、神経細胞内のカルシウム濃度が低下した。

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○ 上川内　あづさ（東京薬科大学・生命科学部）, ○ ◎Joerg T. Albert（The Ear Institute, University College London）, Martin C. Gopfert（University of Goettingen）

European Journal of Neuroscience31, pp697-703. 2010.

 　多くの動物は音を利用して外界の情報を得ています。しかし動物はただ受動的に音を受け入れているわけではなく、どのような音を聞くかを神経系の様々なレベルで調節しています。例えば哺乳類は、中枢神経から末梢受容器にシナプスを介したフィードバックをかけることで、受容器の感度を調節することが知られています。今回私たちはショウジョウバエの聴覚器において、同様の感度調節機構があるのかを調べました。その結果、末梢受容器には入力シナプスの分布は観察されず、中枢神経からの制御を受けていないことが示唆されました。さらに全ての神経細胞の伝達を遮断したショウジョウバエを作り、聴覚器の振動と神経活動を測定したところ、弱い音に対する選択的な振動増幅や音への神経応答は、野生型個体と同程度に保たれることが分かりました（図１）。このことから、遠心性神経から制御を受ける哺乳類の振動制御機構とは異なり、ショウジョウバエ聴覚器は中枢を介さない局所的な振動制御を受けていると推定されました。ショウジョウバエの聴覚器は、それ自体が能動的な感覚器としてどのような音を受け取るかを調節する自律性の高い器官であると考えられます。

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図1A：刺激がない時の聴覚器振動。聴覚器（触角）の周波数ごとの振動強度をパワースペクトル密度で示してある。対照群の個体（対照群）と全ての神経細胞の伝達を遮断した個体（実験群）において、聴覚器の振動特性には目立った差は見られない。青線は代表的な個体のパワースペクトル、黒線はそのパワースペクトルを関数近似したもの、灰色はその他の個体のパワースペクトルの関数近似を示す。挿入図は、神経伝達を遮断する毒素の発現をGFPで標識して確認したもの。矢印はGFPシグナルを示す。スケールバーは50 µmを示す。a2、触角第二節；a3、触角第三節。

B：音刺激を与えた時の聴覚器振動。平均値±標準偏差を示す。対照群個体（左図）において、音量（Stimulus particle velocity）が弱まると、聴覚器の振動は非線形的に増幅される（上図、赤線部分が非線形の領域を、オレンジ線部分が線形の領域を示す）。その増幅の度合いを、音量に対する聴覚器の感度として下図に示す。ごく弱い音に対する増幅の程度は、対照群と実験群でほぼ同等であることが分かる。

C：聴覚器の振動に関する主要なパラメータ。平均値±標準偏差を示す。最適周波数（Best frequency）、周波数スペクトルの尖鋭度合い（Quality factor）、自発振動力（Fluctuation power）、弱音に対する振動増幅の度合い（Sensitivity gain）のいずれのパラメータも、対照群（灰色）と実験群（白色）で有意差は検出されない。

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大阪バイオサイエンス研究所・神経機能学部門　研究員

小早川　高

　本研究計画では、特定の匂い分子が、嗅覚受容体センサータンパク質を介して、特異的な情動や行動を引き起こすメカニズムの解明を目指す。本研究計画の特徴は、匂い分子と嗅覚受容体との特異的な対応関係を解析するに当たって、末梢のレセプターによるリガンドの感知メカニズムの解明のみを目的とするのではなく、中枢において最終的に匂い情報の持つ意味や価値が判断されて、適切な情動や行動が引き起こされるまでの神経メカニズムの全貌の解明を目的にするという点にある。この目的を達成するために、分子生物学、生理学、行動学の手法を総合的に用いた実験計画を進める。本研究計画の成果によって、哺乳類の脳において特異的な情動や行動が生み出される原理を特異的な神経回路を単位として解明する新たな道筋が開かれることが期待できる。

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東京大学・大学院理学系研究科　教授

久保　健雄

　ミツバチは高い視覚情報処理能力をもち、その働き蜂は巣から餌場までの距離と方向をダンスコミュニケーションにより仲間に伝達する。しかしながら、ミツバチの視覚情報処理の基盤となる分子的・神経的基盤は明らかではない。私たちは最近、ミツバチの脳の「分子的解剖（＝領野・行動選択的な遺伝子の発現地図の作成）」を行う過程で、高次中枢（キノコ体）において、今まで未知であった領域に特異的に発現する新規な遺伝子を発見した。さらに、視覚中枢（視葉）において、神経細胞のサブタイプ選択的に発現する遺伝子を発見した。本研究では、これらの新しく発見された、或いは既知・未知のミツバチの脳の「モジュール構造」が視覚情報処理に果たす機能を解析するため、当該遺伝子を発現する神経回路を可視化すると共に、その機能を調べる。さらに脳のモジュール構造の成因を分子レベルで解析する。

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筑波大学・大学院生命環境科学研究科　准教授

古久保 - 徳永　克男

　ヒトにおけるフラッシュバルブ記憶や心的外傷に伴う記憶など、ある種の記憶は限られた経験により瞬時に獲得され、しかも長期にわたり維持される。我々は、このような記憶の安定度を左右する神経基盤の解明のために、単純な脳を持つショウジョウバエ幼虫に着目し、報酬記憶の形成機構について解析を行っている。幼虫では、ショ糖による報酬学習により２時間以上の安定度を示すCREB依存性中期記憶（MTM）が生成されるが、キニーネによる罰学習ではわずか２０分で消失する短期記憶しか形成されない。本研究では、ショウジョウバエをモデルとして報酬記憶を制御する新たな学習・記憶遺伝子の同定を行うと共に、我々が確立してきた幼虫パラダイムを基礎に、報酬記憶の獲得と固定を制御する神経回路の同定を行う。これにより、遺伝子のみならず、神経回路の機能的同定を含む分子行動学的解析を推進する。

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図：ショウジョウバエ幼虫の中枢神経におけるオクトパミン神経細胞。オクトパミンは脊椎動物のノルアドレナリンと類似する神経伝達物質であり、ショウジョウバエ幼虫の嗅覚連合学習において報酬情報の伝達を介在している。

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産業技術総合研究所・脳神経情報研究部門　研究員

戸井　基道

　線虫（C. elegans）では、300個の神経細胞が形成するほぼ全てのシナプスの位置やその標的細胞が推定されている。多くの神経は標的細胞と複数のシナプス（マルチシナプス）を形成するが、これらのマルチシナプス接続において個々のシナプスが生体の様々な情報処理にどの様に寄与しているのかは不明である。そこで本研究では、生体内で実際に機能しているシナプス接続パターンとシナプス伝達量を詳細に理解することを目指す。そのために様々な蛍光タンパク質によるプレシナプスからの小胞放出過程（量）と細胞間に特異的なシナプス接続を可視化する技術等を用い、生体内で行動や刺激に伴う神経活動変化を個々のシナプスレベルで解析することを試みる。また標的細胞特異的なシナプス接続が異常になった変異体を用い、シナプスの数・位置などの変化が回路における神経情報と最終的なアウトプットである行動にどの様に寄与するのかを明らかにする。

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東京大学・医科学研究所　助教

冨田　太一郎

　生体には環境変化を察知して、その情報を処理し、うまく適応するという一連の環境応答のしくみが備わっている。従来の遺伝学あるいは生化学的な解析からどのような分子が環境応答に関わるかという点は明らかにされつつあるが、実際に生きた動物体内でどのように情報伝達が生じているのかはほとんど理解がなされていない。本研究では酵母から哺乳類に至るまで幅広い真核生物種に保存されている代表的な環境応答シグナルであるストレス応答MAPキナーゼ経路に着目し、特に従来法では理解することが難しい「生きた動物個体」の中でのストレス応答キナーゼの活性化をリアルタイムに可視化する実験系を構築することで、環境変化を察知して行動を生み出す際のMAPKリン酸化シグナルの時間的、空間的な動態を明らかにし、動物が環境応答の行動をつくりだす過程へのMAPK分子の寄与を解明したい。

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九州大学・大学院理学研究院　准教授

谷村　禎一

　味覚によって生物は有用な化学物質を識別することができる。これまでの行動生理学的研究によって、ショウジョウバエの味覚受容細胞は糖、塩、水、苦味物質、フェロモンを受容し識別できることがわかっている。さて、ショウジョウバエの成虫の雌は卵の産生のためにアミノ酸の摂取が必要である。実際、糖だけを含む培地では雌は卵をほとんど産まない。しかし、ショウジョウバエのアミノ酸の味覚受容についてはほとんどわかっていなかった。本研究では、アミノ酸がどのように味覚受容されるのかを明らかにし、アミノ酸あるいは糖の摂食行動が体内の要求度、また学習によってどのように変化するのかを、行動解析、電気生理学、分子遺伝学の手法を用いて探求する。

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