線虫の温度走性を実現する行動戦略の同定およびその神経回路基盤の解析

本研究では線虫の温度走性行動をモデルとし、神経回路動作原理の解明を目指した。前年度までの研究において、温度走性を実現するのに重要であった、線虫の基本行動要素である”curve”および”reversal turn”を制御する神経回路を同定した。本年度の研究では、以下の2つの方策により、上記神経回路における情報処理機構に迫った。1) 同定した神経回路を単一神経細胞レベルで数理モデル化し、情報理論解析によって回路内における情報の流れを定量比較した。数理モデルの構築にあたっては、現実の温度走性データを再現するような複数のパラメータセットを遺伝的アルゴリズムにより取得した。温度走性中のこれらモデル回路における移動エントロピーを算出・比較したところ、神経回路上流に比べ回路下流における移動エントロピーが大きく、また上流から下流への情報伝達は第1層の介在神経細胞であるAIBから直接運動神経につながる経路が担う割合が大きいといったことが示唆された。これらの予測は今後の研究を通じて実験的に検証していく。2) 同定した神経回路中の複数の感覚・介在神経細胞に着目し、温度走性中の活動測定をおこなった。温度走性中の神経活動と温度入力、および神経活動とcurve, reversal turnとの相関解析を行ったところ、介在神経細胞の活動と温度入力との関係、および感覚神経細胞の活動と行動出力との関係は、線虫が記憶温度より低温域にいるか高温域にいるかによって逆転していた。このような、外界依存的な情報処理の切り替えにより、記憶温度より低温域では温度を上り、高温域では温度を下るという、記憶温度への恒常的な移動を実現することができ、温度走性行動が成立していることが明らかとなった。

本研究では線虫の温度走性行動をモデルとし、神経回路動作原理の解明を目指した。前年度までの研究において、温度走性を実現するのに重要であった、線虫の基本行動要素である”curve”および”reversal turn”を制御する神経回路を同定した。本年度の研究では、以下の2つの方策により、上記神経回路における情報処理機構に迫った。1) 同定した神経回路を単一神経細胞レベルで数理モデル化し、情報理論解析によって回路内における情報の流れを定量比較した。数理モデルの構築にあたっては、現実の温度走性データを再現するような複数のパラメータセットを遺伝的アルゴリズムにより取得した。温度走性中のこれらモデル回路における移動エントロピーを算出・比較したところ、神経回路上流に比べ回路下流における移動エントロピーが大きく、また上流から下流への情報伝達は第1層の介在神経細胞であるAIBから直接運動神経につながる経路が担う割合が大きいといったことが示唆された。これらの予測は今後の研究を通じて実験的に検証していく。2) 同定した神経回路中の複数の感覚・介在神経細胞に着目し、温度走性中の活動測定をおこなった。温度走性中の神経活動と温度入力、および神経活動とcurve, reversal turnとの相関解析を行ったところ、介在神経細胞の活動と温度入力との関係、および感覚神経細胞の活動と行動出力との関係は、線虫が記憶温度より低温域にいるか高温域にいるかによって逆転していた。このような、外界依存的な情報処理の切り替えにより、記憶温度より低温域では温度を上り、高温域では温度を下るという、記憶温度への恒常的な移動を実現することができ、温度走性行動が成立していることが明らかとなった。