Toward understanding the principle of neuronal computation in learning behaviors: Pan-neuronal analysis in the central nervous system of the leech

理解学习行为中神经元计算的原理：水蛭中枢神经系统的泛神经元分析

基本信息

批准号：
18J00526
负责人：
冨菜雄介
金额：
$ 2.83万
依托单位：
Hokkaido University (2020)Keio University (2018-2019)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-25 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は中枢神経系の広域に分布するニューロン集団の活動ダイナミクスの役割という観点から、機械感覚を介した学習行動を担う神経回路網の動作原理の解明を目標とする。機械刺激による反射行動の誘導が簡便かつ、網羅的な細胞同定が可能なヒル(Hirudo verbana)の神経節を対象とした。胴体部への圧感覚刺激に対する局所湾曲反射を対象とし、鋭敏化学習を単離体節神経節標本において再現した。カリフォルニ工科大学で確立した網羅的膜電位イメージング法(Tomina&Wagenaar, 2017)を利用して、ヒル神経節腹側・背側に分布するニューロン群からの網羅的活動データを収集した。さらに、圧感覚刺激および侵害刺激を提示された際、どのニューロン群が動員されるのかを調べるため、コヒーレンス解析による網羅的マッピングを遂行した。特に接触・圧力・侵害感覚系のネットワークは構成要素の多くを共有し、その大多数は複数の運動ニューロン群に収斂した。本研究は論文として取りまとめ中である。同様のアプローチを接触・圧刺激の両方を対提示した試行にも適用した。これにより自然状態に近い機械刺激を与えた場合と、各刺激を単独で与えた場合とで比較を行った。その結果、刺激対提示した場合、単独の圧刺激で動員されるニューロン群のうち約10％が抑えられ、約7％のニューロンが新規動員された。これは、接触刺激と圧刺激により生じた異なる感覚入力の統合が複数のニューロンに渡って行われることを示唆する。これは短報として取りまとめる予定である。また、網羅的膜電位イメージング技術と連続ブロック表面透過型電子顕微鏡撮像によるコネクトームを組み合わせた機能的コネクトーム解析を行った。その成果は国際オープンアクセス誌eLifeに掲載された他、2020年の日本動物学会オンライン大会、２０２１年の日本動物学会北海道支部オンライン大会においても報告した。

本研究旨在从分布在中枢神经系统广泛区域的神经元群活动动力学的作用角度，阐明负责通过机械感觉学习行为的神经网络的工作原理。我们的目标是水蛭（Hirudo verbana）的神经节，该神经节很容易通过机械刺激诱导反射行为，并且可以全面识别细胞。在孤立的体神经节标本中再现了敏化学习，针对躯干压力感觉刺激的局部曲率反射。利用加州理工学院建立的综合膜电位成像方法（Tomina＆Wagenaar，2017），我们收集了分布在水蛭神经节腹侧和背侧的神经元群的综合活动数据。此外，为了研究哪些神经元组在受到压力感觉和有害刺激时被招募，我们使用一致性分析进行了全面的映射。特别是，触摸、压力和伤害感受系统的网络共享许多组件，其中大多数汇聚成多个运动神经元组。这项研究目前正在整理为论文。类似的方法也适用于触摸刺激和压力刺激成对出现的试验。结果，在施加与自然状态相似的机械刺激的情况和单独施加每种刺激的情况之间进行了比较。结果，当刺激成对出现时，由单一压力刺激招募的约 10% 的神经元群被抑制，约 7% 的神经元被新招募。这表明触摸和压力刺激产生的不同感觉输入的整合发生在多个神经元中。这将被总结为一份简短的报告。我们还结合综合膜电位成像技术和连续块表面透射电子显微镜成像进行功能连接组分析。该成果发表在国际开放获取期刊eLife上，并在2020年日本动物学会在线会议和2021年日本动物学会北海道分会在线会议上进行了报道。