リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。

リケラボ 全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索するならリケラボ論文検索大学・研究所にある論文を検索できる

リケラボ 全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索するならリケラボ論文検索大学・研究所にある論文を検索できる

大学・研究所にある論文を検索できる 「Neural circuitry underlying backward escape behavior upon noxious light irradiation in Drosophila larvae」の論文概要。リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。

コピーが完了しました

URLをコピーしました

論文の公開元へ論文の公開元へ
書き出し

Neural circuitry underlying backward escape behavior upon noxious light irradiation in Drosophila larvae

大豆生田(石川), 夏子 東京大学 DOI:10.15083/0002006461

2023.03.24

概要

論 文 審 査 の 結 果 の 要 旨
氏名 大豆生田(石川)

夏子

本論文はおもに3章からなる。本章の前のイントロダクションでは、歩行運
動を制御する一般的な神経回路モデルについて解説し、さらにショウジョウバ
エ幼虫の後退運動制御回路および不快感覚情報の処理回路に関するこれまでの
知見が記載されている。
第1章では、ショウジョウバエ幼虫をモデルとして、後退運動を誘導する神
経細胞の網羅的同定を行なっている。まず、光遺伝学的手法を用いて、ショウジ
ョウバエ幼虫脳内の少数ニューロンを人工的に活性化する手法を確立し、次に、
その手法を用いて、ショウジョウバエ幼虫に回旋運動や後退運動など特定の行
動を引き起こすことができるニューロン集団を探索した。7000 以上の異なるシ
ョウジョウバエ系統のスクリーニングを行い、活性化により後退運動を誘導で
きるニューロン集団を4つ単離した。さらに、その4つの中から、細胞体が幼虫
脳中央部に位置する一対の新規神経細胞(AMB ニューロンと命名)に着目して、
詳細な細胞レベルの性状解析を行なっている。その結果、AMB ニューロンはア
セチルコリン作動性の興奮性ニューロンであり、脳の前方と後方にそれぞれ軸
索と樹状突起を投射していることを示している。
第2章では、ショウジョウバエ幼虫の後退運動を誘導するコマンド神経細胞
として報告されていた MDN ニューロンと AMB ニューロンとの機能連関に着
目した研究について記載されている。まず AMB ニューロンの軸索末端が、MDN
ニューロンの樹状突起に直接投射することを示し、さらに、AMB ニューロンの
光遺伝学的な活性化により、MDN ニューロンが活動することを示した。最後に、
MDN ニューロンを不活性化した個体では、AMB ニューロンの光遺伝学的な活
性化により誘導できる後退運動の頻度が、AMB ニューロンを活性化した場合に
比べて顕著に低下することを示した。以上の結果から、AMB ニューロンは、
MDN ニューロンの活性化を介して後退運動を誘導すると結論している。
第3章では、実際にどのような感覚入力が、AMB ニューロンを介して後退運
動を誘導するのかについて研究を行なっている。これまでの研究から、青色光刺
激や機械刺激をショウジョウバエ幼虫頭部に与えると、一定の確率で後退運動
を誘導できることが知られている。青色光刺激は頭部の感覚受容器(Bolwing’s

organ)と表皮 C4da 感覚ニューロンが、機械刺激は C3da 感覚ニューロンが、そ
れぞれ主として受容することが知られている。そこで、各ニューロンの特異的抑
制条件下において様々な感覚刺激を入力して後退運動を誘導できるか否かを解
析したところ、AMB ニューロンは、C4da 感覚ニューロンから入力する青色光刺
激の情報により活性化され、さらに下流の MDN ニューロンを介して後退運動を
誘導することを示した。
最後の章である考察では、上記のデータを踏まえて、複数の異なる感覚受容
器から入る忌避情報が後退運動を誘導する仕組みを、回路レベルにおいて考察
を行なっている。
これらの論文の各章で示された研究成果は、ショウジョウバエ頭部への忌避
刺激が後退運動を制御するニューロン群および神経回路について、遺伝学、分子
生物学、行動生理学、イメージングなど複数の方法論を組み合わせることにより
詳細な検討を与えたものであり、忌避性の感覚入力が後退運動へと変換する仕
組みを回路レベルで初めて詳細に解析した論文である。したがって、論文提出者
の研究成果は博士(理学)の学位を受けるにふさわしいと判定した。
なお、本論文第2章の一部データ(Figure 4 の R73D06-GAL4 の同定)は、本
学生物科学専攻の修士2年生であった酒井萌花さんとの共同研究であるが、論
文提出者が主体となって分析及び検証を行ったもので、論文提出者の寄与が十
分であると判断する。
したがって、博士(理学)の学位を授与できると認める。

この論文で使われている画像

参考文献

1.

Buford JA, Zernicke RF, Smith JL. Adaptive control for backward quadrupedal walking. I.

Posture and hindlimb kinematics. J Neurophysiol. 1990;64: 745–755.

doi:10.1152/jn.1990.64.3.745

2.

Zelik KE, La Scaleia V, Ivanenko YP, Lacquaniti F. Can modular strategies simplify neural

control of multidirectional human locomotion? J Neurophysiol. 2014;111: 1686–1702.

doi:10.1152/jn.00776.2013

3.

Islam SS, Zelenin P V. Modifications of Locomotor Pattern Underlying Escape Behavior in

the Lamprey. J Neurophysiol. 2008;99: 297–307. doi:10.1152/jn.00903.2007

4.

Liao JC, Fetcho JR. Shared versus specialized glycinergic spinal interneurons in axial motor

circuits of larval zebrafish. J Neurosci. 2008;28: 12982–12992.

doi:10.1523/JNEUROSCI.3330-08.2008

5.

Chalfie M, Sulston JE, White JG, Southgate E, Thomson JN, Brenner S. The neural circuit

for touch sensitivity in Caenorhabditis elegans. J Neurosci. 1985;5: 956–964. doi:3981252

6.

Carreira-Rosario A, Zarin AA, Clark MQ, Manning L, Fetter RD, Cardona A, et al. MDN

brain descending neurons coordinately activate backward and inhibit forward locomotion.

Elife. 2018;7: e38554. doi:10.7554/eLife.38554

7.

Kristan WB, Calabrese RL, Friesen WO. Neuronal control of leech behavior. Prog

Neurobiol. 2005;76: 279–327. doi:10.1016/J.PNEUROBIO.2005.09.004

8.

Edwards DH, Heitler WJ, Krasne FB. Fifty years of a command neuron: the neurobiology of

escape behavior in the crayfish. Trends Neurosci. 1999;22: 153–161. doi:10.1016/S01662236(98)01340-X

65

9.

Korn H, Faber DS. The Mauthner cell half a century later: A neurobiological model for

decision-making? Neuron. 2005;47: 13–28. doi:10.1016/j.neuron.2005.05.019

10.

Deliagina TG, Musienko PE, Zelenin P V. Nervous mechanisms of locomotion in different

directions. Curr Opin Physiol. 2019;8: 7–13. doi:10.1016/j.cophys.2018.11.010

11.

Caggiano V, Leiras R, Goñi-Erro H, Masini D, Bellardita C, Bouvier J, et al. Midbrain

circuits that set locomotor speed and gait selection. Nature. 2018;553: 455–460.

doi:10.1038/nature25448

12.

Musienko PE, Zelenin P V., Lyalka VF, Gerasimenko YP, Orlovsky GN, Deliagina TG.

Spinal and supraspinal control of the direction of stepping during locomotion. J Neurosci.

2012;32: 17442–17453. doi:10.1523/JNEUROSCI.3757-12.2012

13.

Haspel G, O'Donovan MJ, Hart AC. Motoneurons dedicated to either forward or backward

locomotion in the nematode Caenorhabditis elegans. J Neurosci. 2010;30: 11151–11156.

doi:10.1523/JNEUROSCI.2244-10.2010

14.

Lindsay TH, Thiele TR, Lockery SR. Optogenetic analysis of synaptic transmission in the

central nervous system of the nematode Caenorhabditis elegans. Nat Commun. 2011;2.

doi:10.1038/ncomms1304

15.

Roberts WM, Augustine SB, Lawton KJ, Lindsay TH, Thiele TR, Izquierdo EJ, et al. A

stochastic neuronal model predicts random search behaviors at multiple spatial scales in C.

elegans. Elife. 2016;5. doi:10.7554/eLife.12572.001

16.

Kupfermann I, Weiss KR. The command neuron concept. Behav Brain Sci. 1978;1: 3–10.

doi:10.1017/S0140525X00059057

17.

Wiersma CAG, Ikeda K. Interneurons commanding swimmeret movements in the crayfish,

Procambarus clarki (girard). Comp Biochem Physiol Part A. 1964;12: 509–516.

66

doi:10.1016/0010-406x(64)90153-7

18.

Kaplan HS, Nichols ALA, Zimmer M. Sensorimotor integration in Caenorhabditis elegans:

A reappraisal towards dynamic and distributed computations. Philos Trans R Soc B Biol

Sci. 2018;373. doi:10.1098/rstb.2017.0371

19.

Gray JM, Hill JJ, Bargmann CI. A circuit for navigation in Caenorhabditis elegans. Proc

Natl Acad Sci U S A. 2005;102: 3184–3191. doi:10.1073/pnas.0409009101

20.

Iyengar BG, Chou CJ, Sharma A, Atwood HL. Modular neuropile organization in the

Drosophila larval brain facilitates identification and mapping of central neurons. J Comp

Neurol. 2006;499: 583–602. doi:10.1002/cne.21133

21.

Pfeiffer BD, Ngo T-TB, Hibbard KL, Murphy C, Jenett A, Truman JW, et al. Refinement of

tools for targeted gene expression in Drosophila. Genetics. 2010;186: 735–755.

doi:10.1534/genetics.110.119917

22.

Jenett A, Rubin GM, Ngo TTB, Shepherd D, Murphy C, Dionne H, et al. A GAL4-Driver

Line Resource for Drosophila Neurobiology. Cell Rep. 2012;2: 991–1001.

doi:10.1016/j.celrep.2012.09.011

23.

Kohsaka H, Zwart MF, Fushiki A, Fetter RD, Truman JW, Cardona A, et al. Regulation of

forward and backward locomotion through intersegmental feedback circuits in Drosophila

larvae. Nat Commun. 2019;10. doi:10.1038/s41467-019-10695-y

24.

Bidaye SS, Machacek C, Wu Y, Dickson BJ. Neuronal Control of Drosophila Walking

Direction. Science (80- ). 2014;344: 97–101. doi:10.1126/science.1249964

25.

Sen R, Wang K, Dickson BJ. TwoLumps Ascending Neurons Mediate Touch-Evoked

Reversal of Walking Direction in Drosophila. Curr Biol. 2019;29: 4337-4344.e5.

doi:10.1016/j.cub.2019.11.004

67

26.

Sen R, Wu M, Branson K, Robie A, Rubin GM, Dickson BJ. Moonwalker Descending

Neurons Mediate Visually Evoked Retreat in Drosophila. Curr Biol. 2017;27: 766–771.

doi:10.1016/j.cub.2017.02.008

27.

Takagi S, Cocanougher BT, Niki S, Miyamoto D, Kohsaka H, Kazama H, et al. Divergent

Connectivity of Homologous Command-like Neurons Mediates Segment-Specific Touch

Responses in Drosophila. Neuron. 2017;96: 1373-1387.e6.

doi:10.1016/j.neuron.2017.10.030

28.

Wu M, Nern A, Ryan Williamson W, Morimoto MM, Reiser MB, Card GM, et al. Visual

projection neurons in the Drosophila lobula link feature detection to distinct behavioral

programs. Elife. 2016;5. doi:10.7554/eLife.21022

29.

Xiang Y, Yuan Q, Vogt N, Looger LL, Jan LY, Jan YN. Light-avoidance-mediating

photoreceptors tile the Drosophila larval body wall. Nature. 2010;468: 921–926.

doi:10.1038/nature09576

30.

Yan Z, Zhang W, He Y, Gorczyca D, Xiang Y, Cheng LE, et al. Drosophila NOMPC is a

mechanotransduction channel subunit for gentle-touch sensation. Nature. 2012;493: 221–

225. doi:10.1038/nature11685

31.

Kim SE, Coste B, Chadha A, Cook B, Patapoutian A. The role of Drosophila Piezo in

mechanical nociception. Nature. 2012;483: 209–212. doi:10.1038/nature10801

32.

Salcedo E, Huber A, Henrich S, Chadwell L V, Chou WH, Paulsen R, et al. Blue- and

green-absorbing visual pigments of Drosophila: ectopic expression and physiological

characterization of the R8 photoreceptor cell-specific Rh5 and Rh6 rhodopsins. J Neurosci.

1999;19: 10716–10726. doi:10.1523/JNEUROSCI.19-24-10716.1999

33.

Sprecher SG, Pichaud F, Desplan C. Adult and larval photoreceptors use different

68

mechanisms to specify the same Rhodopsin fates. Genes Dev. 2007;21: 2182–2195.

doi:10.1101/gad.1565407

34.

Guntur AR, Gu P, Takle K, Chen J, Xiang Y, Yang CH. Drosophila TRPA1 isoforms detect

UV light via photochemical production of H2O2. Proc Natl Acad Sci U S A. 2015;112:

E5753–E5761. doi:10.1073/pnas.1514862112

35.

Yoshino J, Morikawa RK, Hasegawa E, Emoto K. Neural Circuitry that Evokes Escape

Behavior upon Activation of Nociceptive Sensory Neurons in Drosophila Larvae. Curr Biol.

2017;27: 2499-2504.e3. doi:10.1016/J.CUB.2017.06.068

36.

Burgos A, Honjo K, Ohyama T, Qian CS, Shin GJ, Gohl DM, et al. Nociceptive

interneurons control modular motor pathways to promote escape behavior in Drosophila.

Elife. 2018;7: e26016. doi:10.7554/eLife.26016

37.

Ohyama T, Schneider-Mizell CM, Fetter RD, Aleman JV, Franconville R, Rivera-Alba M,

et al. A multilevel multimodal circuit enhances action selection in Drosophila. Nature.

2015;520: 633–639. doi:10.1038/nature14297

38.

Hu C, Petersen M, Hoyer N, Spitzweck B, Tenedini F, Wang D, et al. Sensory integration

and neuromodulatory feedback facilitate Drosophila mechanonociceptive behavior. Nat

Neurosci. 2017;20: 1085–1095. doi:10.1038/nn.4580

39.

Larderet I, Fritsch PM, Gendre N, Neagu-Maier GL, Fetter RD, Schneider-Mizell CM, et

al. Organization of the Drosophila larval visual circuit. Elife. 2017;6: e28387.

doi:10.7554/eLife.28387

40.

Schneider-Mizell CM, Gerhard S, Longair M, Kazimiers T, Li F, Zwart MF, et

al.Quantitative neuroanatomy for connectomics in Drosophila. Elife. 2016;5: e12059.

doi:10.7554/eLife.12059

69

41.

Maimon G, Straw AD, Dickinson MH. A Simple Vision-Based Algorithm for Decision

Making in Flying Drosophila. Curr Biol. 2008;18: 464–470. doi:10.1016/j.cub.2008.02.054

42.

Mazzoni EO, Desplan C, Blau J. Circadian Pacemaker Neurons Transmit and Modulate

Visual Information to Control a Rapid Behavioral Response. Neuron. 2005;45: 293–300.

doi:10.1016/j.neuron.2004.12.038

43.

McGuire SE, Le PT, Osborn AJ, Matsumoto K, Davis RL. Spatiotemporal rescue of

memory dysfunction in Drosophila. Sci York, NY). 2003;302: 1765–1768.

doi:10.1126/science.1089035

44.

Park J, Kondo S, Tanimoto H, Kohsaka H, Nose A. Data-driven analysis of motor activity

implicates 5-HT2A neurons in backward locomotion of larval Drosophila. Sci Rep. 2018;8:

10307. doi:10.1038/s41598-018-28680-8

45.

Kondo S, Ueda R, Phillis RW, Johnson-Schlitz DM, Benz WK. Highly improved gene

targeting by germline-specific Cas9 expression in Drosophila. Genetics. 2013;195: 715–721.

doi:10.1534/genetics.113.156737

46.

Klapoetke NC, Murata Y, Kim SS, Pulver SR, Birdsey-Benson A, Cho YK, et al.

Independent optical excitation of distinct neural populations. Nat Methods. 2014;11: 338–

346. doi:10.1038/nmeth.2836

47.

Röder L, Vola C, Kerridge S. The role of the teashirt gene in trunk segmental identity in

Drosophila. Development. 1992;115: 1017–1033.

48.

Fasano L, Röder L, Coré N, Alexandre E, Vola C, Jacq B, et al. The gene teashirt is required

for the development of Drosophila embryonic trunk segments and encodes a protein with

widely spaced zinc finger motifs. Cell. 1991;64: 63–79. doi:10.1016/0092-8674(91)90209H

70

49.

Mahr A, Aberle H. The expression pattern of the Drosophila vesicular glutamate transporter:

A marker protein for motoneurons and glutamatergic centers in the brain. Gene Expr

Patterns. 2006;6: 299–309. doi:10.1016/j.modgep.2005.07.006

50.

Chalfie M, Hart AC, Rankin CH, Goodman MB. Assaying mechanosensation. WormBook.

2013 [cited 12 Dec 2019]. doi:10.1895/wormbook.1.172.1

51.

Risse B, Berh D, Otto N, Klämbt C, Jiang X. FIMTrack: An open source tracking and

locomotion analysis software for small animals. Poisot T, editor. PLOS Comput Biol.

2017;13: e1005530. doi:10.1371/journal.pcbi.1005530

52.

Feng Y, Ueda A, Wu C. A modified minimal hemolymph-like solution, HL3.1, for

physiological recordings at the neuromuscular junctions of normal and mutant Drosophila

larvae. J Neurogenet. 2004;18: 377–402. doi:10.1080/01677060490894522

53.

Gordon MD, Scott K. Motor Control in a Drosophila Taste Circuit. Neuron. 2009;61: 373–

384. doi:10.1016/J.NEURON.2008.12.033

54.

Bohm RA, Welch WP, Goodnight LK, Cox LW, Henry LG, Gunter TC, et al. A genetic

mosaic approach for neural circuit mapping in Drosophila. Proc Natl Acad Sci. 2010;107:

16378–16383. doi:10.1073/pnas.1004669107

55.

Nicolai LJJ, Ramaekers A, Raemaekers T, Drozdzecki A, Mauss AS, Yan J, et al.

Genetically encoded dendritic marker sheds light on neuronal connectivity in Drosophila.

Proc Natl Acad Sci. 2010;107: 20553–20558. doi:10.1073/pnas.1010198107

56.

Fouquet W, Owald D, Wichmann C, Mertel S, Depner H, Dyba M, et al. Maturation of

active zone assembly by Drosophila Bruchpilot. J Cell Biol. 2009;186: 129–145.

doi:10.1083/jcb.200812150

57.

Kolodziejczyk A, Sun X, Meinertzhagen IA, Nässel DR. Glutamate, GABA and

71

Acetylcholine Signaling Components in the Lamina of the Drosophila Visual System.

Callaerts P, editor. PLoS One. 2008;3: e2110. doi:10.1371/journal.pone.0002110

58.

Feinberg EH, VanHoven MK, Bendesky A, Wang G, Fetter RD, Shen K, et al. GFP

Reconstitution Across Synaptic Partners (GRASP) Defines Cell Contacts and

Synapses in Living Nervous Systems. Neuron. 2008;57: 353–363.

doi:10.1016/j.neuron.2007.11.030

59.

Shearin HK, Quinn CD, Mackin RD, Macdonald IS, Stowers RS. t-GRASP, a targeted

GRASP for assessing neuronal connectivity. J Neurosci Methods. 2018;306: 94–102.

doi:10.1016/j.jneumeth.2018.05.014

60.

Sweeney ST, Broadie K, Keane J, Niemann H, O'Kane CJ. Targeted expression of tetanus

toxin light chain in Drosophila specifically eliminates synaptic transmission and causes

behavioral defects. Neuron. 1995;14: 341–351.

61.

White K, Tahaoglu E, Steller H. Cell killing by the Drosophila gene reaper. Science.

1996;271: 805–807. doi:10.1126/SCIENCE.271.5250.805

62.

White K, Grether ME, Abrams JM, Young L, Farrell K, Steller H. Genetic control of

programmed cell death in Drosophila. Science. 1994;264: 677–683.

63.

Abbott MK, Lengyel JA. Embryonic head involution and rotation of male terminalia require

the Drosophila locus head involution defective. Genetics. 1991;129: 783–789.

64.

Berger-Müller S, Sugie A, Takahashi F, Tavosanis G, Hakeda-Suzuki S, Suzuki T.

Assessing the Role of Cell-Surface Molecules in Central Synaptogenesis in the Drosophila

Visual System. Chien C-T, editor. PLoS One. 2013;8: e83732.

doi:10.1371/journal.pone.0083732

65.

Hughes CL, Thomas JB. A sensory feedback circuit coordinates muscle activity in

72

Drosophila. Mol Cell Neurosci. 2007;35: 383–396. doi:10.1016/j.mcn.2007.04.001

66.

Vaadia RD, Li W, Voleti V, Singhania A, Hillman EMCC, Grueber WB.

Characterization of Proprioceptive System Dynamics in Behaving Drosophila

Larvae Using High-Speed Volumetric Microscopy. 2019;29: 935-944.e4.

doi:10.1016/j.cub.2019.01.060

67.

Vogelstein JT, Park Y, Ohyama T, Kerr RA, Truman JW, Priebe CE, et al. Discovery of

brainwide neural-behavioral maps via multiscale unsupervised structure learning. Science.

2014;344: 386–92. doi:10.1126/science.1250298

68.

Terada S-I, Matsubara D, Onodera K, Matsuzaki M, Uemura T, Usui T. Neuronal

processing of noxious thermal stimuli mediated by dendritic Ca2+ influx in Drosophila

somatosensory neurons. Elife. 2016;5:e12959. doi:10.7554/eLife.12959

69.

Machens CK, Romo R, Brody CD. Flexible Control of Mutual Inhibition: A Neural Model

of Two-Interval Discrimination. Science (80- ). 2005;307: 1121–1124.

doi:10.1126/science.1104171

70.

Jovanic T, Schneider-Mizell CM, Shao M, Masson JB, Denisov G, Fetter RD, et al.

Competitive Disinhibition Mediates Behavioral Choice and Sequences in Drosophila. Cell.

2016;167: 858-870.e19. doi:10.1016/j.cell.2016.09.009

71.

Hart AC, Kass J, Shapiro JE, Kaplan JM. Distinct signaling pathways mediate touch and

osmosensory responses in a polymodal sensory neuron. J Neurosci. 1999;19: 1952–1958.

doi:10.1523/jneurosci.19-06-01952.1999

72.

Hilliard MA, Apicella AJ, Kerr R, Suzuki H, Bazzicalupo P, Schafer WR. In vivo imaging

of C. elegans ASH neurons: Cellular response and adaptation to chemical repellents. EMBO

J. 2005;24: 63–72. doi:10.1038/sj.emboj.7600493

73

73.

Sambongi Y, Nagae T, Liu Y, Yoshimizu T, Takeda K, Wada Y, et al. Sensing of cadmium

and copper ions by externally exposed ADL, ASE, and ASH neurons elicits avoidance

response in Caenorhabditis elegans. Neuroreport. 1999;10: 753–757.

doi:10.1097/00001756-199903170-00017

74.

Li W, Kang L, Piggott BJ, Feng Z, Xu XZS. The neural circuits and sensory channels

mediating harsh touch sensation in Caenorhabditis elegans. Nat Commun. 2011;2.

doi:10.1038/ncomms1308

75.

Goodman MB. Mechanosensation. WormBook. 2006 [cited 12 Dec 2019].

doi:10.1895/wormbook.1.62.1

76.

Williams DW, Shepherd D. Persistent larval sensory neurons in adult Drosophila

melanogaster. J Neurobiol. 1999;39: 275–86.

77.

Hu Y, Wang Z, Liu T, Zhang W. Piezo-like gene regulates locomotion in

Drosophila larvae. Cell reports. 2019;26(6):1369-1377. doi:

10.1016/j.celrep.2019.01.055

74

...

参考文献をもっと見る

全国の大学の
卒論・修論・学位論文

一発検索!

この論文の関連論文を見る