公募研究

平田 普三(青山学院大学)

「環境適応を可能にする神経回路シフトの動作原理解明」

動物は環境に応じて行動を変化させるが、これには感覚入力を行動出力に変換する過程での神経回路の機能シフトが必要である。神経回路がシンプルでライブイメージングをしやすい魚類をモデルとして、私たちは動物の環境適応の分子メカニズムを明らかにする研究を行っている。

池に小石を投げて水面を跳ねさせる遊びをストーンスキッピング(水切り)といい、これをすると、石が跳ねた近くで魚が飛び跳ねることがある。魚は小石をエサと勘違いして飛び跳ねるのではなく、音に敏感に反応するあまり、勢い余って水面から飛び出てしまうのである。しかし、雨が降るとストーンスキッピングをしても、魚が水面から飛び出ることはなくなる。このように魚は雨が降ると数分で行動を変化させることが昔から知られてはいたが、その神経基盤や生物学的意義は謎に包まれていた。

私たちは熱帯魚であるゼブラフィッシュを動物モデルとして、同様の行動変化を実験室で再現することに成功し、その神経基盤の分子レベルでの解明を目指している。ゼブラフィッシュも音に敏感で、音を聞くと10ミリ秒以内に逃避行動をとる。音を受容する内耳の有毛神経細胞は聴神経を活動させ、聴神経は後脳のマウスナー神経細胞を活動させる。マウスナー神経細胞は運動神経細胞を直接興奮させるので、マウスナー神経細胞が発火すれば逃避が駆動されるが、マウスナー神経細胞が発火しなければ逃避は起こらない。聴神経はマウスナー神経細胞に直接投射して興奮性入力を行うと同時に、グリシン作動性神経細胞を介した抑制性入力も行う。私たちはマウスナー神経細胞へ入る抑制性グリシン作動性入力こそが行動変化の鍵だと考えており、本研究でグリシン作動性シナプスの動的変化をライブイメージングすると同時に、遺伝的操作によるシナプス操作、行動操作の実験を行い、仮説を実証する。

魚が雨天時に行動を変えることの生物学的意義としては、鳥の襲撃仮説を提唱している。上空を飛ぶ鳥からは水面下の魚は丸見えで、魚は常に捕食される危険にさらされているため、魚は水音を聞くとすぐに逃避行動をとって鳥の襲撃をかわすことにしているのだろう。一方、雨が降ると雨粒が水面をはじき、上空の鳥からは水面下の魚が見えなくなるので、鳥が魚を襲撃することはなく、魚はいちいち水音に反応する必要がないため、無駄な逃避をひかえているのだろう。これはシンプルながら、動物が自然界で生き残るために必要な環境適応戦略である。

 

 
最近の主要論文
1. Nakahata, Y., Eto, K., Murakoshi, H., Watanabe, M., Kuriu, T., Hirata, H., Moorhouse, A. J., Ishibashi, H. and Nabekura, J. (2017) Activation-dependent rapid postsynaptic clustering of glycine receptors in mature spinal cord neurons. eNeuro. 4: 1.

2. Ogino, H. and Hirata, H. (2016) Defects of the glycinergic synaptic in zebrafish. Front. Mol. Neurosci. 9: 50, 1-18.

3. Ogino, K., Low, S. E., Yamada, K., Saint-Amant, L., Zhou, W., Muto, A., Asakawa, K., Nakai, J., Kawakami, K. Kuwada, J. Y. and Hirata, H. (2015) RING finger protein 121 facilitates the degradation and membrane localization of voltage-gated sodium channels. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 112: 2859-2864.

4. Watatane, T., Shimazaki, T., Mishiro, A., Suzuki, T., Hirata, H., Tanimoto, M. and Oda, Y. (2014) Coexpression of auxiliary Kvb2 subunits with Kv1.1 channels is required for developmental acquisition of unique firing properties of zebrafish Mauthner cells. J. Neurophysiol. 111: 1153-1164.

投稿日:2017年05月12日