計画研究
研究課題： 化学走性行動と連合学習の分子神経機構の解明
東京大学大学院理学系研究科 教授
飯野 雄一
線虫C.エレガンスは体の全構造が解明されているだけでなく、302個の神経細胞のすべてに名前がつけられており、それらが作る全神経回路の配線図も明らかになっている。また、行動異常の突然変異体を分離して重要な遺伝子をみつけることもできる。つまり、研究上「分子」から「行動」までの距離が近い生物である。線虫は化学物質を認識し、それに近寄ったりそれから逃げたりする（化学走性と呼ぶ）。また、学習によりこの行動が変化し、生存に最適な環境を求める機構が備わっている。本研究ではこれらの行動や学習が神経回路上のどの神経でどの分子が働くことによって達成されるかを解明する。複数の分子経路の機能的な関係についても明らかにする。さらに、単一の感覚入力から複数の行動が起こる機構や個体間の行動の差異の基盤などについても理解を深め、神経系が全体としてどう動いて協調的な行動を作り出しているかを探求する。
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研究課題： 神経回路における感覚情報処理の制御機構の解明
九州大学大学院理学研究院 教授
石原 健
動物は、外界から受容した情報を神経回路において適切に処理することによって、環境に適応した行動をしている。我々は、単純な神経回路を持つ線虫C. elegansの行動を指標にして、このような情報処理の基本メカニズムを明らかにすることを目指している。とくに、感覚情報の統合、記憶の形成、記憶の忘却や消去などに着目して研究を進め、高等動物の脳におけるの高度な情報処理の素過程の解明に結びつけたい。このために、線虫の行動を指標にした遺伝学的な解析に加え、高速共焦点顕微鏡を用いた4Dイメージング観察技術を導入し、線虫の中枢神経系全体での情報処理を可視化する。このことにより、行動の制御を担う分子の働きと神経回路の機能とを結びつけ、基本的な情報処理の全体像を明らかにする。
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左：感覚情報の統合を制御するグアニル酸シクラーゼGCY-28.DのAIAニューロンにおける発現
右：線虫の感覚情報の統合に関わる神経回路
研究課題： 複数感覚入力に対する行動選択の神経回路
岩手大学工学部 教授
新貝 鉚蔵
線虫に関する次の研究を行います。
（１）行動計測およびニューロンのカルシウム濃度変化の蛍光計測
2種類の刺激の同時提示に対する線虫の反応を、画像処理を用いた行動計測、およびニューロンのカルシウムイメージングを用いて調べます。匂物質と塩との同時刺激、および温度と塩刺激の同時提示に対する神経系内の情報処理を調べます。
（２）神経系モデル
匂感受性ニューロンの細胞内情報伝達経路のシミュレーションを行います。分担者岩崎唯史は、飯野班との共同研究として塩の刺激に対する神経系の反応に関する実験データを精確に反映する小規模神経回路モデルの開発を行っています。単純なニューロンモデルを用いた比較的大規模な回路のモデルにおいては、化学刺激に伴う前進・後退運動、移動運動中の首振り運動、次第に誘因物質に近づく行動（いわゆる「風見鶏行動」）、および行動選択を説明する回路モデルを目指しています。
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研究課題： ショウジョウバエの記憶形成回路の構造および機能発現の分子基盤
東京大学分子細胞生物学研究所 教授
多羽田 哲也
脳の機能発現を支える神経回路デザインは発生プログラムとしてゲノムに記載されている。神経回路の機能とそれを形成する発生メカニズムを総合的に理解することにより、脳機能を生み出すゲノム情報を読み解くことが可能になると考える。本研究は、主にショウジョウバエの嗅覚中枢を対象とする。特に匂い記憶中枢であるMushroom body（MB）の回路形成と記憶形成機構の統合的な理解をはかることを目的としている。MBを構成する主なKenyon神経細胞はγ、α’/β’、α/βの３種に分類され、それぞれ記憶形成に特有の役割を担っていると考えられている。この３種の神経細胞は発生過程においてこの順序で形成されることから、記憶形成メカニズムの素過程を神経回路の発生様式から理解することも可能であることを示唆している。γ、α’/β’、α/β各神経およびその周辺の神経群の働きとともに、発生メカニズムも明らかにすることで、記憶形成を可能たらしめるゲノム情報を理解することを目指す。また、視覚神経系形成メカニズムの解析も進めている。
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研究課題： 学習記憶とその障害の遺伝子経路解明と動態解析
東京都神経科学総合研究所 副参事研究員
齋藤 実
近年、学習記憶に関わる遺伝子の同定が進んでいる。次はこれら遺伝子産物がいつ、どこで働くのか？学習記憶の行動原理を分子レベルで理解するため、行動発現に関わる回路で、分子の活性動態を解析することが必要な段階となってきた。また、脳老化の表現型、加齢性記憶障害の分子･遺伝子経路や神経回路についても解決の糸口が見えつつある。本研究において我々は、(1)学習記憶や加齢性記憶障害に関わる分子・遺伝子経路を同定すると伴に、(2)学習記憶過程で働く分子遺伝子の動態を学習記憶過程で若齢脳、さらに加齢脳でリアルタイムに観察するためのイメージング解析系の開発に取り組む。ショウジョウバエの脳は光透過性が高く、神経回路での分子動態を可視化して解析することが可能である。本学術領域内で可視化プローブを共同開発し、学習記憶過程での2次メッセンジャー、リン酸化酵素、脱リン酸化酵素、転写因子などの活性動態を回路レベルで明らかにする。
研究課題： ゼブラフィッシュを用いた、脊椎動物脊髄運動系神経回路の動作原理の解明
岡崎統合バイオサイエンスセンター 准教授
東島 眞一
脊椎動物の脊髄神経回路がどのようにして行動パターンを作り出すかについては、詳細はまだ分かっていない点が多く、特に哺乳動物においてはそのほとんどが不明である。本研究では、ゼブラフィッシュ幼魚を用い、トランスジェニック技術により特定のクラスの神経細胞を可視化できる利点をフルに活かして、脊椎動物脊髄運動系神経回路の動作原理解明に取り組む。脊髄神経回路網の解剖学的解析を徹底して行い、また、シナプス結合様式を、ChR2を用いた光刺激法と電気生理学を駆使して詳細に調べる。そのうえで、おのおののクラスの神経細胞の、さまざまな行動時における活動パターンを詳細に調べ、脊髄内で、運動のアウトプットのパターンがどのように産生されているかについて、できるだけ完全な形での理解することを目指す。また、各クラスの神経細胞の運動パターン産生に対する役割を、毒素による機能阻害や、光刺激による神経活動誘発により検証する。
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左：脊髄発生期には、多くの転写因子がそれぞれ違ったパターンで発現する。それら転写因子のプロモーターを用いて蛍光タンパク質を発現するトランスジェニックフィッシュを作製することにより、特定のクラスの神経細胞を可視化する。
右：蛍光タンパク質を発現する神経細胞の詳しい解剖学的解析を行い、また、電気生理学的解析を行うことにより、それら神経細胞の機能を解析する。
研究課題： モデル小動物イメージングのための新しい遺伝子コード型プローブの開発
東京大学大学院総合文化研究科 准教授
佐藤 守俊
申請者は、生体脂質や生体小分子、タンパク質リン酸化など生命機能の理解に重要な細胞内の分子過程を可視化する蛍光プローブを開発し、それらが基礎生命科学研究において強力なツールを提供することを実証してきた。さらに、開発した蛍光プローブを駆使して、既存の研究手法では知り得なかった細胞内の分子過程の時空間動態を明らかにしてきた。本申請研究においては、「モデル小動物に基づくシステム分子行動学研究」に資する技術の創製を目的として、新しい分子プローブの開発研究を行う。この新しい分子プローブは領域内の線虫やショウジョウバエなどモデル小動物に導入し、既存の研究手法では明らかにできなかった動物行動の分子レベルでの理解を目指す。また、本領域研究者がフォーカスする分子過程についても、その動態を可視化計測する分子プローブの設計・開発を共同で行う。
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研究課題： 移動運動と学習記憶の確率モデルによる数理解析
東京大学大学院情報理工学系研究科 准教授
増田 直紀
我々は、確率論、統計物理学、微分方程式、計算機実験などの技術を用いて、他の計画班の実験の数理モデリングを行う。その目的は、実験結果を生み出す機構の説明と、実験結果の予測・実験計画への寄与である。次に、数理モデルの単純化・一般化を通じて、数理モデルのプロトタイプを作る。これによって、モデルが他の実験へ応用できる可能性が高まる。現時点で数理モデリングが対象とする実験は、以下の3つである。
(1) 記憶の時間スケジューリング: 例えば、刺激と刺激の間隔が長い方が、短いときよりもむしろ長期記憶形成が促進される実験を数理モデル化する。
(2) 線虫の移動行動: 実験データから、線虫の移動行動の統計的性質を定量的に決定し、数理モデルを建設し、数理モデルやその各項を除去・減弱した場合の理論予測を、細胞破壊実験の結果と照合する。
(3) 選択的注意: 側抑制機構に基づく選択的注意のモデルを、線虫の実験結果に適用する。
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研究課題： 生物行動のシステム工学的解釈とバイオミメティック・センサ・システムの提案
広島大学大学院工学研究院 教授
辻 敏夫
本研究では、線虫、マウス、ゼブラフィッシュを主な対象として、「生体システムに学ぶ」、「生体システムを利用する」という立場から、機械システムの設計や制御に有用な生物ベースの革新的技術の創出を目指す。生物の情報処理メカニズムの理解とその利用に関する以下の5項目を達成目標とする。
1.化学物質に対する生物行動のモデル化とシミュレーション
(1)線虫の神経-筋モデルによる刺激応答の神経情報処理メカニズムの探索
(2)マウスの嗅神経系モデルと行動実験とによる匂い識別における選択的注意メカニズムの探索
2.生物の情報処理メカニズムに基づくバイオミメティック・センサ・システムの開発
(1)線虫の刺激応答メカニズムを応用した移動ロボットの環境適応制御
(2)マウスの匂い識別アルゴリズムを実装した匂いセンサシステムの開発
(3)ゼブラフィッシュを「生きたセンサ」として用いたバイオアッセイシステムの開発
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