複数の神経情報の区別識別に関わる神経回路メカニズムNeural mechanisms underlying discrimination of complicated-neural signaling（日本遺伝学会推薦）代表研究者	 	 甲南大学	 

久原 篤Konan IniversityAtsushi KUHARA	 協同研究者	 	 甲南大学	 太田	  茜Konan IniversityAkane OHTA	 Behavior is the ultimate consequence of orchestrated computations in neural circuits in animal. However, how anindividual neuron discriminates and regulates complicated neural signaling remains to be fully determined. Thetemperature seeking behavior of nematode C. elegans is a good behavioral paradigm to understand the dynamics ofneural circuits. In this study, molecular genetics and control of neural activity using a light-driven channel led us topropose that a discrimination mechanisms of sensory signaling in the simplest neural circuit, and that thediscriminated-opposing neural signals direct opposite temperature-seeking behaviors. A combination of genetic analyseswith the halorhodopsin technique demonstrated that a threshold level of intra-neuronal calcium alternates the mode ofneural signaling onto the downstream neuron. Our observations provide a code for the discrimination of neural signalingbetween sensory- and inter-neurons, which can generate highly variable thermotactic behavior.

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研究目的	 したモデル動物といえる。	  線虫はわずか 302 個はじめに	 の神経細胞からなるシンプルな神経回路しか持た	  	  動物は、外界の膨大な情報を神経系で受容・ないが、化学物質、物理刺激、光、温度など様々処理することで、適切な応答行動をとる。この神な外部刺激を感知し、多様な応答行動をとること経情報処理の基本原理の解明は、現代神経科学のができる。その中でも、温度走性行動は、興味深重要な課題の１つである。神経情報処理の解明にい行動である。温度走性とは、例えば、20℃で、向けたアプローチとして、線虫 C.	 elegans	 が利餌の存在する条件で飼育された個体は、温度勾配用されている。線虫 C.	 elegans は体長約	 1mm の上で、飼育温度である 20℃へ移動し、20℃の温度土壌自活性線虫である。その体は 959 個の細胞か域に留まるように行動する行動である。この行動ら構成されており、そのうち約 1/3 を占める 302は 1975 年に Hedgecock と Russel により公表され個が神経細胞である。また、体が透明であることて以来、感覚受容や記憶学習といった神経情報処から、受精卵から成虫に至るまでの全細胞分裂の理の優れたモデル系として、主に分子遺伝学的手系譜と、全ての細胞の位置が明らかになっている。

法を用いて解析が進められてきた。さらに近年でさらに、電子顕微鏡を用いた解析により、約 5000は、神経活動の in	 vivo 光学イメージングや神経個の化学シナプスと約 600 個のギャップ結合から活動をリモートコントロールできる最新の光技術構成される全神経回路網が明らかにされている。

を用いた生理学的な解析も可能となってきたため、以上の特徴から、線虫は神経情報処理の解析に適従来の分子レベルおよび、個体行動レベルという各階層での解析に加えて、神経細胞レベル	 や	 神温度走性を成立させていると考えられている。AFD、経回路レベル	 での詳細な解析の進展が期待されAIY、AIZ については、Cameleon 遺伝子を用いたカていた。	 

ルシウムイメージングを行い、温度刺激に対して本研究の目的	 細胞内 Ca2+濃度の上昇が起こること、すなわち温	  脳の神経回路を流れる複雑な情報が、個々の神度に対して応答性を示すことが確認された。さら経細胞内でどのように混線することなく伝達され、 に、AFD の機能低下により AIY の温度刺激に対す複雑な行動や思考を調節しているかを解明するこる Ca2+濃度の変化がなくなることから、AIY の温とは重要な課題である。本研究では、神経情報処度に対する応答性が AFD の活性依存的であること理の解明に向けたアプローチとして、線虫 C.	 

が明らかとなった。	 

elegans	 の温度走性行動を実験系とした解析を行	 なった。温度走性とは、線虫を一定の温度下で、	  複 数 の 神 経 情 報 の 区 別 識 別 に 関 わ る 分 子 機餌の存在する条件で飼育すると、飼育温度と餌が構の探索	 豊富にあるという好ましい環境条件を関連づけて	  従来の本申請者らの解析から、単一の感覚ニュ記憶し、約 0.5℃/cm の温度勾配上で過去の飼育温ーロンが、温度と匂い物質という質的に異なる 2度に移動する行動である。この行動を解析するこつの感覚情報を受容する例が見つかっていたとで、温度受容や記憶学習といった神経機能を解(Kuhara	 Okumura	 et	 al.,	 Science,	 2008)。その析可能である。本研究では、特に神経情報処理のため、単一ニューロン内における複数の感覚情報区別や識別に関わる分子生理機構を解析することの識別は興味深い問題であった。その分子メカニを目的とした、分子遺伝学的手法と、神経活動のズムを明らかにするために、順遺伝学的解析をもin	 vivo 光学イメージングや神経活動をリモートちいた解析が行なわれた。その結果、従来、温度コントロールできる最新の光技術を融合した解析と匂いの両方の情報伝達に関わるカチオンチャネをおこなった。	 

ルの特定の部位に変異が入ることで、温度応答行。	 

動は正常であるが匂い応答行動が異常になるというケースが見つかった。この分子機構と生理的解

研究経過	 
結果と考察1.	 線 虫 の 温 度 走 性 を 制 御 す る 神 経 回 路 の 生理的動態	 	  	  外部環境の受容から適切な応答行動に至るまでの神経情報処理機構を理解するためには、まずその行動を制御する神経回路を捉える必要がある。
線虫の温度走性を制御する神経回路モデルは、1995 年に森と大島が行ったレーザーによるニューロン破壊実験により提唱された。このモデルでは、温度は線虫の頭部先端に軸索を伸長する AFDと呼ばれる温度受容ニューロンで受容され、その情報は、AFD とシナプス結合している介在ニューロン AIY と AIZ、RIA に伝達される。その後、筋肉行動を制御するモーターニューロンに伝達され、析から、複数の神経情報の識別に関わる機構が明らかになると考えられる。	 
	 	  温 度 受 容 ニ ュ ー ロ ン か ら 介 在 ニ ュ ー ロ ン へと伝達される神経情報の生理的コード	 	  	  従来の分子遺伝学的解析に加え、近年、神経活動をリモートコントロールできる最新の光技術として、特定の波長の光を当てることで開口するチャネル分子であるチャネルロドプシン２（ChR2）およびハロロドプシン（NpHR）が神経情報処理の解析に用いられている。ChR2 は青色光を照射すると開口し、Na+を細胞内に流入させることで神経細の活動を上昇させる。一方、NpHR は黄緑色光を照射すると開口し、Cl−を細胞内に流入させることで神経細胞の活動を低下させる。これらを使い神経活動と行動を人工的に操作するというこれまでにした変異体について行われた介在ニューロン AIYない解析を行うことにより、線虫の温度走性を制の Ca2+イメージングでは、AIY の温度刺激に対す御する神経回路において新たな神経機能が発見さる Ca2+濃度の変化が野生株よりも増加することれた。温度受容ニューロン AFD にハロロドプシンが示された。反対に、AFD で特異的に発現する(NpHR)遺伝子を発現させ、NpHR の励起光である黄eat-4cDNA を様々な濃度でこの変異体に導入した緑色光を照射し、AFD の神経活動を人工的に低下場合、導入濃度が増加するに従って	 AIY の温度刺させたところ、飼育温度よりも高温へ移動する好激に対する Ca2+濃度変化が低下することが明ら熱性異常を示した。これまで、温度受容ニューロかとなった。さらに、これらの AIY の応答性の変ン AFD の膜電位変化が欠損している変異体や AFD化は、AIY において機能する Cl−チャネル型グルタそのものを欠損した個体は、すべて好冷性もしくミン酸受容体（GluCl）GLC-3 依存的であった。以は温度無走性の行動異常を示すことが報告されて上の結果は、EAT-4 および GLC-3 依存的なグルタいたため、NpHR を用いた解析結果はこれまで考えミン酸を介した抑制性のシナプス伝達が、AFD—AIYられていた AFD の機能とは相反するものであった。	  間の情報伝達を担うことを示唆した。一方、他の	  AFD の活動低下が相反する行動異常を引き起こグループによる ChR２を用いた神経活動の光操作した原因を突き止めるために、AFD とそのシナプと電気生理学的手法を用いた解析から、AFD—AIYス後ニューロンである AIY の神経活動を細胞内カ間に興奮性のシナプス伝達が存在することも明らルシウムや膜電位のインディケーター遺伝子を使かとなった。この興奮性のシナプス伝達は Ca2+−った生理学的解析が行われた。その結果、温度受Dependent	  Activator	  Protein	  for	  Secretion容ニューロン AFD で NpHR を活性化させた個体では、 （CAPS）である UNC-31 依存的であった。UNC-31AFD の温度変化に対する Ca2+濃度の変化率が、野は神経ペプチドを内包する有芯小胞の分泌に関与生株に対して約 30%低下していた。その時の介在するため、この結果は神経ペプチドが AFD—AIY 間ニューロン AIY の活動を測定すると、AIY の活動の興奮性のシナプス伝達を担うことを示唆する。

はむしろ野生株より約 30%上昇していた。一方、これまで、単一のニューロンは、それと接続するAFD の膜電位変化が欠損している変異体では、AFD単一のニューロンに対して、主に興奮性か抑制性および AIY の温度変化に対する応答が強く低下しのどちらかの神経伝達しか行なわないと考えられていた。これらの解析から、AFD 温度受容ニューていた。しかし、AFD—AIY 間のシナプス伝達につロンの活動低下率に応じて、シナプス後ニューロいての神経活動の光操作技術、分子遺伝学的手法、ンの活動の逆転がおきる可能性が考えられた。こ生理学的手法を組み合わせた解析から、単一のニれは、これまでの神経の機能としては知られていューロン間で興奮性と抑制性の相反する神経伝達ないケースである。	 

を同時に利用するケースがあること、さらに細胞	 内 Ca2+濃度の変化パターンがこれらの神経伝達	  シ ナ プ ス に お け る 神 経 伝 達 を 区 別 伝 達 す るの使い分けに重要であることが明らかとなった。	 

分子機構	 	 	  	  温度受容ニューロン AFD の活動に応じたシナ

考察	 プス後ニューロン AIY の活動の逆転現象を引き起まとめ	 こすシステムの一端が、AFD と AIY 間のシナプス脳の神経回路を流れる複雑な情報が、伝達に注目した解析から明らかとなった。小胞性個々の神経細胞内でどのように混線することなくグルタミン酸トランスポーター（VGULT）である伝達され、複雑な行動や思考を調節しているかをEAT-4 の温度受容ニューロン AFD での機能を欠失解明することは重要な課題である。我々は、線虫

C.	 エレガンスをもちいて、従来の分子遺伝学と最Y.,	  Kuhara,	  A.,	  Mori,	  I. "Novel	  and	 新の光学技術を組み合わせた解析から、一対の感conserved	  protein	  TTX-8/Macoilin	  is	 覚ニューロンとそれと接続する一対の介在ニューrequired	
 for	 diverse	 neuronal	 functions	
 in	 ロンからなる神経回路において、異なる神経情報C.	 elegans" 	 が区別されせめぎ合うことで、行動の逆転を引き

PLoS	 Genetics ,	 	 7(5):	 e1001384,	 2011	 起こす機構を、分子神経回路レベルで明らかにした。	 
研究の発表	
 口頭発表1. Molecular physiological mechanismunderlyingneuralcircuitfortemperature sensing and memory in C.
elegans、第 83 回 日本動物学会年会、大阪、20122. 神経活動の光操作とイメージングによる神経伝達の暗号解読、平成 23 年度 遺伝学会年会、京都、20113. Neural coding in neural circuitcontrolling seeking sensory-behavior、第 49 回日本生物物理学会年会、シンポジウム、姫路、20114. 感覚行動をつかさどる神経回路の情報処理の暗号、第 49 回日本生物物理学会年会、姫路、20115. 線虫の温度感知にかかわる神経回路の光操作、神経組織の成長・再生・移植研究会 第 26 回学術集会、シンポジウム、
東京、2011誌上発表1. Kuhara,	
 A.,	 Ohnishi	
 N.,	 Shimowada	
 T.,	 Mori,	 I. "Neural	  coding	  in	  a	  single	  sensory	 neuron	  controlling	  opposite	  seeking	 behaviors	 in	 Caenorhabditis	 elegans" 	 Nature	 commun. ,	 2	 :	 355	 doi:	 10.1038/ncomms1352,	 2011	 	 2. Miyara,	
 A.,	 Ohta,	
 A.,	 Okochi,	
 Y.,	 Tsukada,