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ショウジョウバエの脳における記憶および自己の運動の情報を符号化する並列した神経回路

2017年9月20日

塩崎博史・風間北斗
(理化学研究所脳科学総合研究センター 知覚神経回路機構研究チーム)
email:塩崎博史風間北斗
DOI: 10.7875/first.author.2017.101

Parallel encoding of recent visual experience and self-motion during navigation in Drosophila.
Hiroshi M. Shiozaki, Hokto Kazama
Nature Neuroscience, 20, 1395-1403 (2017)

要 約

 生物は感覚,記憶,自分の動きなど,いろいろな情報を使い環境を探索する.この能力は哺乳類や昆虫を含む多くの生物に共通するが,探索行動を担う脳のしくみについてはよくわかっていない.筆者らは,小さな脳で巧みに飛びまわるショウジョウバエに着目し,探索行動にかかわる情報が脳においてどのように符号化されているかを解明した.バーチャルリアリティ装置を使い探索行動を解析したところ,ショウジョウバエはいま見えている物体だけでなく,数秒まえに見た物体の位置の記憶を使ってつぎにどこに飛ぶかを決めていた.飛行しているショウジョウバエの脳から神経活動を記録したところ,探索行動にかかわる中枢へ出力を送る領域において,見えている物体の位置,記憶した物体の位置,自己の運動といった,探索にかかわるさまざまな情報を表わす神経活動がみつかった.また,記憶を符号化するニューロンと自己の運動を符号化するニューロンは複数の領域を並行してとおる独立した神経回路を構成していた.この神経回路は視覚,記憶,自己の運動といった複数の情報を混線することなく探索行動の中枢へと伝達する伝送路の役割をはたすと考えられた.

はじめに

 食物や交配の相手を効率よくみつけるためには,さまざまな情報を組み合わせて環境を探索することが重要である.たとえば,目印となる建物,風景の記憶,また,自分がどの方向にどれくらい移動したかを考慮することにより,いまどこにいるか,つぎにどこを探すべきかを的確に判断することができる.視覚,記憶,自己の運動などの複数の情報を使った環境の探索は,哺乳類や昆虫を含む多くの生物に共通してみられる行動である1-3).哺乳類を対象とした研究において探索行動に関する情報を符号化するニューロンがみつかっているが3),これらの情報がどのように処理されることにより行動が生成されるのか,また,その情報処理が脳の神経回路においてどのように実装されているかについては,ほぼわかっていない.
 脳における情報処理のしくみを調べるためには,神経回路を構成するおのおのの素子の形態や活動を個別に解析することが重要である.そこで,筆者らは,ショウジョウバエに着目した.モデル生物として遺伝学的なリソースの豊富なショウジョウバエにおいては,ごく少数のニューロンを対象にした形態の可視化,活動の記録,性質の操作が容易である.これまでの研究により,脳のバルブとよばれる領域が物体の位置の符号化や記憶にもとづく探索行動にかかわることが知られている4-7).しかし,視覚や記憶といった複数の情報を使って探索するショウジョウバエから神経活動を記録した例はこれまでになく,バルブがどのようにして探索行動をささえるかについては不明であった.筆者らは,ショウジョウバエ用のバーチャルリアリティ装置を用いた新規の行動課題を考案し,Ca2+イメージング法と組み合わせることにより,バルブをとおる並列した神経回路が視覚,記憶,自己の運動の情報を符号化することを発見した.

1.ショウジョウバエは物体の位置の記憶にもとづき飛行の方向を選択する

 脳における探索行動に関する情報の表現について調べるためには,神経活動が記録できるよう体を固定した状態でショウジョウバエに探索行動をさせる必要がある.そこで,過去に開発されたショウジョウバエの行動実験および生理的な実験の技術を応用し7-10),バーチャルリアリティ装置を作製した(図1a).この装置において,ショウジョウバエは胸部をピンで固定されているものの,飛行するときと同じように翅を動かすことができる.この翅の動きにより生じる音から旋回しようとしている方向をリアルタイムで推定し,その推定値にもとづき風景を変化させることにより,あたかも空間を旋回しているかのような状況をつくりだした.

figure1

 この装置を使い,ショウジョウバエをバー刺激とよぶ縦長の棒状の視覚物体の含まれる仮想空間を飛行させた.ショウジョウバエやカはバー刺激にむかって飛行する性質をもつことが知られている.したがって,バー刺激を左右の視野それぞれに呈示すると,ある試行では右のバー刺激に,別の試行では左のバー刺激にむかうといった選択行動が観察される.この選択行動が何により駆動されるかを検討していくうちに,ショウジョウバエはいま見ている刺激だけでなく,数秒まえに見た刺激の記憶をもとに行動を選択していることが明らかになった.たとえば,右の視野に2秒間にわたりバー刺激を呈示したのち,何も呈示しない1秒間の遅延期間をへて,左右の視野にバー刺激を呈示する(図1b).すると,約7割の試行において,ショウジョウバエは左の視野に呈示されたバー刺激にむかって飛行した.刺激の位置や呈示時間を定量的に操作する心理物理学的な手法を用いることにより,ショウジョウバエはバー刺激の位置を記憶していること,この記憶は少なくとも数秒間は持続することがわかった.これらの結果より,ショウジョウバエは物体の位置の記憶と視覚とを統合して新しく現われた物体を選択することが示された.

2.バルブのニューロンは記憶にもとづく飛行の方向の選択にかかわる

 この記憶にもとづく探索行動は脳のどの領域により担われるかを特定するため,遺伝学的な手法を用いて特定のニューロンの神経活動を抑制し,選択行動への影響について検討した.その結果,バルブとよばれる領域から楕円体という探索行動にかかわる中枢へと情報を伝達するニューロンの神経活動を抑制すると,ショウジョウバエの選択行動は記憶にあまり依存しなくなることがわかった.これらのニューロンを抑制してもバー刺激にむかって飛行する能力に変化はなかったことから,バー刺激の検出や飛行運動は阻害されていないことが示唆された.これらの結果より,バルブと楕円体とをつなぐニューロンは物体の位置の記憶にもとづく飛行の方向の選択にかかわることが示された.

3.バルブのニューロンは記憶,自己の運動,視覚の情報を符号化する

 探索行動においてバルブのニューロンがどのような情報を伝達しているかを解明するため,行動課題を遂行しているショウジョウバエのバルブから神経活動を記録した.Ca2+指示タンパク質をすべてのニューロンにおいて発現する遺伝子組換えショウジョウバエを作製し,2光子Ca2+イメージング法を用いてバルブのすべての領域から神経活動を記録することにより,バルブが伝達する情報を包括的に解析した.その結果,バルブの背側部と腹側部において異なる情報が符号化されていることがわかった.バルブの背側部は特定の位置に呈示したバー刺激に対し応答し,この応答はバー刺激が消失したのちにも数秒間のあいだ断続的にみられた.つまり,バルブの背側部は物体がいまどこにあるかという視覚の情報にくわえ,物体が数秒まえにどこにあったかという記憶の情報を符号化していた.バルブの腹側部もバー刺激に対し位置に選択的な神経活動を示したが,それにくわえ,ショウジョウバエの旋回運動に相関して神経活動が変化した.つまり,バルブの腹側部は物体の位置に関する視覚の情報と,いまどちらに旋回しようとしているかという自己の運動の情報を符号化していた.以上の結果より,バルブは記憶,自己の運動,視覚という3種類の異なる情報を符号化しており,このうち記憶の情報と自己の運動の情報はバルブの異なる領域により符号化されることが示された.

4.記憶および自己の運動の情報を符号化するニューロンは並列した神経回路を構成する

 記憶の情報および自己の運動の情報を伝達する神経回路を同定するため,バルブの背側部および腹側部がどこから入力をうけ,どこへ出力を送るかについて解析した.遺伝学的な手法を用いて,光により活性化されるGFPをすべてのニューロンに発現させた.バルブの局所に光を照射すると,その領域のGFPが活性化される.活性化されたGFPは時間の経過とともに拡散し,光を照射した領域がどの領域とつながっているかが可視化される.この方法を用いてバルブへ入力する領域を解析したところ,バルブの背側部および腹側部は前方視覚小結節という視覚にかかわる領域の隣接した部位から入力をうけることがわかった.また,バルブの背側部および腹側部は楕円体という領域の隣接した部位へ出力を送ることもわかった.以上の結果から,記憶の情報を符号化するバルブの領域および自己の運動の情報を符号化するバルブの領域は,並列に走る独立した2つの神経回路を構成することが示された(図2).この並列した神経回路は,探索行動にかかわるさまざまな情報を混線することなくコンパクトに探索行動の中枢へと伝達する伝送路の役割をはたすことが示唆された.

figure2

おわりに

 探索行動の神経機構を理解するためには,脳においてどのように情報が符号化されるかを明らかにすることが重要である.この研究により,仮想空間を飛行するショウジョウバエの脳において,記憶,自己の運動,視覚といったさまざまな情報を符号化する神経回路が明らかにされた.今後,これらの情報を受け取る神経回路の動作の機構を解明することにより,複数の情報を用いて特定の行動を選択する際に脳がどのような情報処理を行うのか,また,その情報処理が神経回路や細胞のどのような機構により実装されているかについて理解が進むことが期待される.

文 献

  1. Collett, T. S. & Collett, M.: Path integration in insects. Curr. Opin. Neurobiol., 10, 757-762 (2000)[PubMed]
  2. Collett, T. S. & Collett, M.: Memory use in insect visual navigation. Nat. Rev. Neurosci., 3, 542-552 (2002)[PubMed]
  3. McNaughton, B. L., Battaglia, F. P., Jensen, O. et al.: Path integration and the neural basis of the ‘cognitive map’. Nat. Rev. Neurosci., 7, 663-678 (2006)[PubMed]
  4. Seelig, J. D. & Jayaraman, V.: Feature detection and orientation tuning in the Drosophila central complex. Nature, 503, 262-266 (2013)[PubMed]
  5. Sun, Y., Nern, A., Franconville, R. et al.: Neural signatures of dynamic stimulus selection in Drosophila. Nat. Neurosci., 20, 1104-1113 (2017)[PubMed]
  6. Omoto, J. J., Keles, M. F., Nguyen, B. M. et al.: Visual input to the Drosophila central complex by developmentally and functionally distinct neuronal populations. Curr. Biol., 27, 1098-1110 (2017)[PubMed]
  7. Pfeiffer, K. & Homberg, U.: Organization and functional roles of the central complex in the insect brain. Annu. Rev. Entomol., 59, 165-184 (2014)[PubMed]
  8. Heisenberg, M. & Wolf, R.: On the fine structure of yaw torque in visual flight orientation of Drosophila melanogaster. J. Comp. Physiol., 130, 113-130 (1979)
  9. Reiser, M. B. & Dickinson, M. H.: A modular display system for insect behavioral neuroscience. J. Neurosci. Methods, 167, 127-139 (2008)[PubMed]
  10. Maimon, G., Straw, A. D. & Dickinson, M. H.: Active flight increases the gain of visual motion processing in Drosophila. Nat. Neurosci., 13, 393-399 (2010)[PubMed]

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著者プロフィール

塩崎 博史(Hiroshi M. Shiozaki)
略歴:2011年 大阪大学大学院生命機能研究科 修了,2012年 同 博士研究員を経て,同年より理化学研究所脳科学総合研究センター 研究員.
研究テーマ:認知機能を担う情報処理の機構.
抱負:ぼちぼちと道なき道を進む.

風間 北斗(Hokto Kazama)
理化学研究所脳科学総合研究センター チームリーダー.
研究室URL:http://kazama.brain.riken.jp/index_jp.php

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