Elucidation of neural mechanisms underlying behavioral variability in C. elegans

阐明线虫行为变异背后的神经机制

• 批准号: 22K15619
• 负责人: 松山 裕典
• 金额: $ 3万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K15619/
• 关键词: 神経科学; 動物行動; ばらつき; 線虫 C. elegans; オプトジェネティクス; 機械学習; 知覚; 神経回路; 光遺伝学

本研究では、線虫をモデルとして、「動物行動のばらつき」と「知覚のゆらぎ」の神経メカニズムを明らかにすることを目的としている。特に、単一の感覚入力が複数の異なる応答行動に変換される現象に着目する。まず、光遺伝学を用いて特定のニューロンの活性を操作し、それによる神経活動変化を計測するため、線虫の温度感覚ニューロンAFDに青色光駆動型カチオンチャネルCoChRとカルシウムインディケータXCaMP-Rを特異的に発現させた系統を作出した。また、光照射が行動に影響することを避けるため、短波長の光に対して応答を示さないlite-1変異体をバックグラウンドとする系統を作出した。この系統に青色光を照射し、AFDの神経活動をカルシウムイメージングで計測する実験を行い、青色光の照射によってAFDの活性をほぼ個体差なく操作できることを確認した。行動データをハイスループットに収集するため、青色光を任意のタイミングとパターンで照射しながら、同時に多個体の線虫の行動を計測するシステムを開発した。この計測系では、トランジスタによるスイッチング回路をRaspberry Piの制御下に置くことで、高輝度青色LEDの明滅パターンを自由にプログラムすることが可能となった。また、撮影された動画から線虫の形状を自動で検出するため、機械学習を用いて線虫の複雑な形状パターンを分析するプラットフォーム(WORMPOSE)を我々の実験系に適用し、現在はその改良と調整段階にある。また、線虫に温度刺激を与えながら行動を計測する実験から、主要な温度感覚ニューロンとして知られるAFDとは別のもうひとつの温度感覚ニューロンAWCが、行動のゆらぎや、下流のニューロンの活動パターンに個体差をもたらしていることを示唆する結果が得られ、その研究成果を論文 (Kano et al., Neurosci. Res., 2023) として発表した。

这项研究旨在阐明使用线虫作为模型的“动物行为变异性”和“感知波动”的神经机制。特别是，我们专注于将单个感觉输入转换为多种不同响应行为的现象。首先，为了使用光遗传学操纵特定神经元的活性，我们创建了一条线，其中神经感觉神经元的AFD在NeMatodes的AFD中特别表达了特异性表达的蓝光阳离子阳离子阳离子通道Cochr和钙指示器XCAMP-R。此外，为了避免光照射对行为的影响，我们用Lite-1突变体创建了一条线，该线路对短波长度无反应作为背景。该菌株用蓝光照射，并使用钙成像测量AFD的神经活性，并证实AFD的活性几乎可以通过用蓝光照射而没有个体差异来操纵。为了在高吞吐量中收集行为数据，我们开发了一个系统，该系统同时测量了多个线虫的行为，同时在任何给定的时机和模式下照射蓝光。在此测量系统中，通过使用晶体管在Raspberry Pi的控制下放置开关电路，就可以自由编程高光泽度蓝色LED的闪烁模式。此外，为了自动从拍摄的视频中检测线虫的形状，我们应用了一个平台（蠕虫），该平台使用机器学习将线虫（蠕虫）的复杂形状模式分析到我们的实验系统中，并且目前处于改进和调整阶段。此外，在获得刺激线虫时测量行为的实验表明，AWC，另一个温度感觉神经元与AFD分开（称为主要温度感觉神经元）导致行为波动的个性化差异，导致该研究的结果和下游神经元活性模式，以及该研究的结果，以及kano et a neurosc et a n neurosc and and neurosc et ass and n neurosc et a s n neurosc et ass and ar n neurosc。

项目成果

AWC thermosensory neuron interferes with information processing in a compact circuit regulating temperature-evoked posture dynamics in the nematode Caenorhabditis elegans

AWC热感神经元干扰线虫秀丽隐杆线虫中调节温度诱发姿势动态的紧凑电路中的信息处理

• DOI: 10.1016/j.neures.2022.11.001
• 发表时间: 2023
• 期刊: Neuroscience Research
• 影响因子: 2.9
• 作者: Amane Kano;Hironori J. Matsuyama;Shunji Nakano;Ikue Mori
• 通讯作者: Ikue Mori