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ショウジョウバエにおける求愛歌情報を処理する聴覚神経回路の進化的保存性と多様性

大橋, 拓朗 名古屋大学

2023.06.26

概要

学位報告4

別紙4
報告番号





















論 文 題 目 ショウジョウバエにおける求愛歌情報を処理する聴覚神経回路の
進化的保存性と多様性



名 大橋 拓朗

論 文 内 容 の 要 旨
多くの動物種において聴覚は、同種間での意思伝達に重要な役割を果たしている。この
ような音を用いた意思伝達を「聴覚コミュニケーション」と呼ぶが、そこで用いられる音
シグナルは、近縁種間でも多様化している。例えば、同じショウジョウバエ科に属するキ
イロショウジョウバエとオナジショウジョウバエのオスは、求愛中に羽を震わせて、種に
固有のリズムを持つ「求愛歌」と呼ばれる音シグナルを発する。
「求愛歌」を受け取る側で
あるメスのハエは、
同種のリズムの求愛歌を聞いたときに選択的に交尾受容性が上昇する。
このことは、これら近縁種間で、歌のリズム情報を処理する神経回路が分化していること
を示唆している。
歌のリズム情報処理機構については、モデル生物であるキイロショウジョウバエを用い
て、これまで神経回路レベルでの解明が進んできた。しかし非モデル生物であるオナジシ
ョウジョウバエにおいては解析が遅れているため、この神経回路がどのように種間で多様
化したかについては分かっていなかった。申請者は本研究において、最新の分子遺伝学を
駆使してこの謎の解明に取り組んだ。
まず申請者は、ショウジョウバエのメスの歌リズム選好性を種間で比較するため、両種
のメスに様々なリズムの人工求愛歌を聞かせたときの交尾率を観察した。その結果、キイ
ロショウジョウバエとオナジショウジョウバエのメスは、それぞれ同種のリズムの人工求
愛歌を受容した際に最も交尾率が高くなる傾向を示した。この傾向を統計学的に種間比較
するため、Cox 比例ハザードモデルを用いて検定したところ、オナジショウジョウバエと
キイロショウジョウバエには求愛歌のリズム選択性に有意な種間差があることが判明した。
この結果は、これらの 2 種のハエにおいて、求愛歌情報を処理する聴覚神経回路が種間で
異なっている可能性を示す。
そこで、聴覚神経回路の最も低次のニューロン群である JO ニューロン群と主要な二次
聴覚ニューロン群である AMMC-B1 ニューロン群の特性を体系的に種間比較した。まず
は神経線維の投射形態を比較したところ、JO ニューロン群や AMMC-B1 ニューロン群の

学位関係

投射形態は、種間でよく類似していた。また抗体染色により、これらのニューロン群
は両種ともコリン作動性ニューロン群であると推定された。これらの結果は、JO ニ
ューロン群と AMMC-B1 ニューロン群の基本的特性は種間で保存されていることを
示唆している。次に、両者の応答特性を、カルシウムイメージング法を用いて比較し
た。その結果、キイロショウジョウバエの AMMC-B1 ニューロン群は、オナジショ
ウジョウバエのものと比較すると、低周波数の音にわずかに強く応答することを見
出した。さらに、AMMC-B1 ニューロン群のリズム応答特性は種間でほぼ保存され
ているものの、オナジショウジョウバエの AMMC-B1 ニューロン群の短いリズムの
パルス歌に対する相対的な応答が、キイロショウジョウバエのそれよりも低減して
いることも発見した。以上の結果は、両種の聴覚神経回路の低次部分の特性は種間で
ほぼ保存されているものの、求愛歌のリズム情報の処理特性が、種間でわずかに分化
していることを示唆している。
最後に申請者は、このリズム情報の処理の種間差が、どのような神経メカニズムの
違いによってもたらされているかを、既知の回路構造をベースにした数理モデリング
で推定した。AMMC-B1 ニューロン群の応答特性に JO-B ニューロン群からの興奮性
入力と、以前の論文により同定されている局所介在ニューロン群からの抑制性入力を
組み合わせた山なりの曲線となる関数を、ベイズ推定を用いてフィッティングした。
その結果、オナジショウジョウバエの応答曲線のピークがキイロショウジョウバエよ
りも遅いリズムの方向にシフトしていた。また、個々のパラメータを比較すると、オ
ナジショウジョウバエの AMMC-B1
ニューロン群への抑制性入力を表す



パラメータのひとつがキイロショウ
ジョウバエより 2 倍ほど大きいと推
定された。このことは、短いリズムの
求愛歌を聞いたときのオナジショウ
ジョウバエの AMMC-B1 ニューロン
群に対する局所介在ニューロン群か
らの抑制性入力が、キイロショウジ
ョウバエよりも強く働いている可能
性を示す(図)。
これらの結果により申請者は、キイロショウジョウバエとオナジショウジョウバエ
の脳における求愛歌情報処理の分化が比較的末梢器官に近い二次聴覚ニューロン群で
すでに存在することを示した。本研究は、同種の音シグナルを処理する聴覚神経回路
がどのように種間で多様化したのかを、ニューロンの応答性レベルで明確に示した最
初の例である。

この論文で使われている画像

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謝辞

本論文は、筆者が名古屋大学理学部生命理学科の学部 4 年生、理学研究

科生命理学専攻博士前期課程、博士後期課程の研究成果をまとめたものである。

同専攻教授の上川内あづさ教授には、本研究を遂行する機会を与えていただい

た。研究の遂行にあたっては、私が名古屋大学大学院理学研究科生命理学専攻脳

回路構造学グループに所属してからの長きにわたり、実験計画、研究への取り組

み方、論理の組み立て方など丁寧なご指導を頂いた。また、学会参加の機会や学

外の研究者の方々と接する機会をたくさん与えていただき、研究を紹介するこ

との難しさや奥深さ、新しい考え方と接したときの興奮を経験させていただい

た。ここに深謝の意を表する。

また、同専攻の石川由希講師には学部 3 年生から現在まで、全方面で大

変丁寧な指導をしていただいた。特に、文章の書き方、図表のデザイン、表現の

強弱など、研究発表に関して非常に丁寧な指導をしていただいた。研究遂行にお

いても、非常に細かいポイントまで議論させていただいた。石川先生の妥協を許

さない姿勢に接し、徹底的に調べることを学んだ。その結果、これまで接したこ

とのなかった統計解析や数理モデリングを研究に取り入れることができた。学

会参加も積極的に促していただき、データのない初年度から、学会でのポスター

発表を経験させていただいた。ここに深謝の意を表する。

同専攻の Matthew Paul Su 特任助教には、博士後期課程から現在まで、先

生として、先輩として多くの面で助言やサポートをいただいた。研究に関しては

統計解析や数理モデリングについて多くの助言をいただいた。論文執筆に関し

ては、英語表現や使い方について助言をいただいた。また、先輩としての Matthew

の友情のおかげで非常に充実した研究生活を送ることができ、ワクワクしなが

ら新しいことに取り組むことができた。ここに深謝の意を表する。

同専攻の田中良弥助教や杏林大学医学部、粟崎健教授には、オナジショ

ウジョウバエの遺伝子組み換え体の作成について助言や支援をいただいた。ま

た、粟崎先生には、論文執筆や研究生活についても助言をいただき、自分の考え

を表現する能力が研究者に必要な資質であることを学ばせていただいた。ここ

に深謝の意を表する。

名古屋大学大学院創薬科学研究科の小坂田文隆准教授、理学研究科の大

澤志津江教授、岩見真吾教授には、副指導教員として、定期的に、研究内容につ

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いて議論する時間を割いていただいた。この時に、論文構成や実験、解析に関す

るご助言をいただいた。小坂田先生には、お忙しい中何時間も割いていただき、

研究方針、研究生活についても相談させていただいた。岩見先生には統計解析に

ついて研究室のみなさんと一緒に議論させていただき、有意義な助言をたくさ

ん頂いた。ここに深謝の意を表する。

名古屋大学理学研究科の小田洋一名誉教授には、副論文執筆において、

非常に丁寧な添削、助言をしていただいた。ここに深謝の意を表する。

北海道大学大学院生命科学院の森本菜央助教、ノースカロライナ大学チ

ャペルヒル校の山田大智博士には、分子生物学実験の基礎や、カルシウムイメー

ジングの技術、研究生活について指導をしていただいた。ここに深謝の意を表す

る。

東北大学生命科学研究科の岩嵜航特任助教、パナソニック株式会社の中

野智文さんには、階層ベイズモデルの構築と Stan コードのプログラミングにつ

いて多大な助言と支援をいただいた。名古屋大学創薬科学研究科の竹内遼介助

教には、カルシウムイメージング画像のブレ補正を行う Python プログラムの設

計をしていただいた。名古屋大学大学院理学研究科の卒業生である米山祐輔さ

んには、JO ニューロン群のニューロトレーサー実験をしていただいた。これら

の方々に深謝の意を表する。

本研究は、文部科学省 The Ministry of Education, Culture, Sports, Science,

and Technology (MEXT)からの、上川内あづさ教授に対する、基盤研究(B):

JP20H03355;新学術領域研究「共創的コミュニケーションのための言語進化学」

JP20H04997、新学術領域研究「生物ナビゲーションのシステム科学」

:JP19H04933、

新学術領域研究「脳の若返りによる生涯可塑性誘導― iPlasticity ―臨界期機構の

解明と操作」

:JP21H05689、石川由希講師に対する、基盤研究(B)

:JP18H02488、

新学術領域研究「進化の制約と方向性」:JP20H04865、挑戦的研究(萌芽):

JP19K22453、Matthew Paul Su 助教に対する、研究活動スタート支援:JP22K15159;

大橋拓朗に対する、特別研究員奨励費:19J23514、そして、科学技術振興機構か

らの、上川内あづさ教授に対する、創発的研究支援事業:JPMJFR2147、石川由

希講師に対する、戦略的創造研究推進事業:JPMJPR21S2、名古屋大学からの、

Matthew Paul Su 助教に対する T-GEx – 世界的課題を解決する知の「開拓者事業」

からの助成を受けた。ここに感謝の意を表する。

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また、卓越大学院 トランスフォーマティブ化学生命融合研究大学院プ

ログラムには、国内学会への参加費、旅費の支援をしていただいた。また、院生

企画の開催費の支援もしていただいた。ここに感謝の意を表する。

本研究を行うにあたり、技術補佐員の久野美季さん、牧弓さん、石川有

紀さんには、キイロショウジョウバエ系統の維持にご協力いただいた。これらの

方々を含め、名古屋大学大学院理学研究科生命理学専攻脳回路構造学グループ

の皆様とともに充実した研究生活を過ごすことができた。ここに感謝の意を表

する。

最後に、研究室に配属されてから現在まで、両親である大橋博信と大橋

久美子には、常に、経済的、精神的に支援していただいた。妹も含め、家族全員

で応援してくれたからこそ、博士前後課程への進学を決意できた。ここに深謝の

意を表する。

以上の方々や、ここに書ききれなかった研究者、先輩、友人など多くの

方々との関わりのおかげで成長することができました。これに満足することな

く、これからも成長できるよう精進していきます。皆様、本当にありがとうござ

いました。

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副論文

Ohashi TS, Ishikawa Y, Awasaki T, Su MP, Kamikouchi A. in press. Evolutionary

conservation and diversification of auditory neural circuits that process courtship songs

in Drosophila. Sci. Rep.

参考論文

Xu YYJ, Loh YM, Lee T-T, Ohashi TS, Su MP, Kamikouchi A. 2022. Serotonin

modulation in the male Aedes aegypti ear influences hearing. Front Physiol 13:931567.

doi: 10.3389/fphys.2022.931567

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