著者

加藤 郁佳 風間 北斗

雑誌

第43回日本神経科学大会

巻号頁・発行日

2020-06-15

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The activity of dopaminergic neurons (DANs) has been most extensively studied in the context of associative learning. Specifically, DANs have been shown to respond to an unconditioned stimulus and a conditioned stimulus as it becomes predictive of the value of unconditioned stimulus through learning (Schultz et al., 1997; Eshel et al., 2015). However, a conditioned stimulus, especially an odor, is associated with an innate value because it can evoke approaching or avoiding behavior even without learning (Badel et al., 2016). Whether and how DANs represent such innate value of odors remain largely unknown. Here, we addressed these issues using an olfactory system of Drosophila melanogaster as a model. We focused on the DANs innervating the mushroom body (MB) where the olfactory information is modulated by reward or punishment (Aso et al., 2014). The MB comprises 15 compartments, each of which receives input from a distinct type of DANs and provides a place for synaptic modification underlying learning. We performed two-photon Ca2+ imaging to record the responses of DANs in all the 15 compartments to a panel of 27 odors with various values quantified based on the innate approach or avoidance behavior (Badel et al., 2016). We found that DANs differentially respond to attractive and aversive odors; the activity of DANs in specific compartments was correlated positively or negatively with the value of odors. Regression analysis showed that information about the value of odors can be decoded from the activity of DANs, and DANs in each compartment have specific contributions to the encoding of odor values. These results suggest that DANs drive not only associative learning but also moment-to-moment adaptive behaviors in an olfactory environment. In this presentation, we plan to discuss the neural circuit mechanism that gives rise to the odor-evoked activity of DANs.

著者

風間 北斗

雑誌

第43回日本神経科学大会

巻号頁・発行日

2020-06-15

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Sensory systems are known to fulfill two seemingly conflicting requirements in order to adapt to dynamic environment; maintaining stimulus representations over time to ensure reliable encoding of sensory information while modifying/optimizing the representations depending on experience. To understand the circuit mechanisms that control both the stability and flexibility of sensory representations, we have been studying odor representations in the olfactory memory center, the mushroom body (MB), in the Drosophila brain. We conducted comprehensive volumetric Ca imaging and analyzed the responses of all ~2,000 Kenyon cells (KCs), the principal neurons in the MB, to repeated applications of odors. We found that KCs changed their odor responses upon repetitive application of stimuli; some KCs showed depression while some showed facilitation in an odor identity-specific manner, indicating that the odor tuning rather than the general excitability of individual KCs was modified. Similar change was not observed in the upstream primary olfactory center, the antennal lobe, suggesting that odor representations are modified in the MB through odor experience. Notably, the response correlation between different odors was fairly stable across trials when the KC population activity was compared, indicating that the relative odor representations are maintained at a population level despite the changes at a cellular level. We will discuss candidate mechanisms that might underlie the dynamic changes of MB odor representations.

著者

風間 北斗 遠藤 啓太 塩崎 博史 BADEL Laurent 髙木 佳子

出版者

独立行政法人理化学研究所

雑誌

若手研究(A)

巻号頁・発行日

2011-04-01

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ヒトの活動を支える記憶は、細胞の活動や形態の変化として脳内に刻み込まれると考えられている。しかしながら、記憶のメカニズムに関しては未知な部分が多い。本研究は、ショウジョウバエ成虫の匂い記憶をモデルとし、細胞・シナプス・回路レベルで記憶のメカニズムを解明することを目指した。その結果、単一動物を対象にして匂い記憶を形成させる手法を確立すること、記憶に関わる複数の神経細胞群から同時に活動を記録すること、匂い記憶に必要な脳領域に存在する細胞の電気的性質やシナプスの性質を調べることに成功した。

著者

風間 北斗

出版者

東京大学

雑誌

特別研究員奨励費

巻号頁・発行日

2003

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シナプスの形成には、神経細胞(プレ)とその標的細胞(ポスト)間の綿密な相互作用が重要であると示唆されているが、その内、ポストがプレに働きかける機構に関しては未知な部分が多い。私は、ショウジョウバエ幼虫の神経-筋結合系を用いて、ポスト内の酵素CaMKIIがプレの機能と形態を逆行的に調節することを報告してきた。本年度は、シナプス形成期における標的細胞の挙動を調べるもう一つのアプローチとして、筋肉細胞内で自発的に発生する自家蛍光のイメージングを行った。青色励起光照射の下で筋肉細胞を観察すると、一過的に緑色蛍光が上昇する現象が検出された。一部の蛍光信号は鋭いピークとして出現したが、残りの信号は、立ち上がると数十秒の間安定した水準を保ち続け、その後鋭く減衰するという、細胞に起因するシグナルとしては類のないキネティクスを示した。自家蛍光シグナルは、細胞外のカルシウムイオン依存的に発生した。薬理学的実験により、自家蛍光はミトコンドリア内に存在するフラビンタンパク質に起因することが分かった。また、蛍光シグナルは自発的に出現するものの、その発生頻度が神経の投射に大きく依存した。蛍光強度が、筋肉細胞の中でも特にシナプス部で大きく上昇する事実と合わせて、自家蛍光変動がシナプス形成過程に関わる生理的現象を反映している可能性が提起された。本研究は、シナプス形成期に、標的細胞内で自発的に発生する自家蛍光シグナルを、生体において報告した最初の例である。自家蛍光イメージングは、シナプス形成の理解に大いに貢献する可能性がある。また、もし、先行研究から予想されるように自家蛍光強度とカルシウムイオン濃度との間に相関があることが判明すれば、自家蛍光イメージングは、ミトコンドリアの活性化状態を調べる手法としてだけでなく、新しい非侵襲的なカルシウムイメージング法としても適用できる可能性がある。