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Quantification of aggregation behaviors in

Drosophila melanogaster ― their underlying

neuropeptides and brain areas

著者

Okuno Takuto

学位授与機関

Tohoku University

学位授与番号

11301甲第19366号

博士論文（要約）

Quantification of aggregation behaviors in Drosophila

melanogaster ― their underlying neuropeptides and brain areas

（ショウジョウバエにおける集合行動の定量、および関連す

る脳領域と神経伝達物質の同定）

令和元年度

東北大学大学院生命科学研究科

生命機能科学専攻

奥野 琢人

集 合 行 動 （Aggregation behavior） は 、 多 く の 種 で 広 く 観 察 さ れ て い る 社 会 性 行 動 の 一 種 で あ る 。 こ の よ う な 個 体 間 の 社 会 的 イ ン タ ラ ク シ ョ ン は 、 捕 食 者 か ら の 回 避 行 動 に 繋 が り 生 存 戦 略 と し て 効 果 を 発 揮 し て い る 。 し か し 、 こ う し た 集 合 行 動 を 定 量 化 す る 手 法 や 、 そ の 神 経 回 路 基 盤 の 解 明 は 発 展 途 上 で あ る 。 本 論 文 で は 、 遺 伝 的 操 作 が 確 立 さ れ 、 扱 い や す い モ デ ル 生 物 で あ る キ イ ロ シ ョ ウ ジ ョ ウ バ エ を 使 用 し 、 集 合 行 動 を 定 量 化 す る た め の 新 し い メ ト リ ク ス （Distance-Corrected Density） を 提 供 す る 。 ま た 、 こ の メ ト リ ク ス を 適 用 す る た め 、 シ ョ ウ ジ ョ ウ バ エ を ト ラ ッ キ ン グ す る マ シ ン ビ ジ ョ ン ソ フ ト ウ ェ ア の 開 発 を 行 っ た 。 こ の 定 量 化 手 法 に よ り 、 シ ョ ウ ジ ョ ウ バ エ は ラ ン ダ ム 配 置 よ り 有 意 に 高 い 集 合 行 動 を 示 す こ と を 明 ら か に し た 。

こ の メ ト リ ク ス を 使 用 し て 、Janelia Research Campus の Kristin Branson Lab に よ っ て 行 わ れ た 、2204 種 類 の 神 経 網 活 性 化 行 動 実 験 （ 18992 本 の 動 画 フ ァ イ ル ） の 軌 跡 デ ー タ を 分 析 す る こ と に よ り 、集 合 行 動 に 関 連 す る 神 経 網 を 算 出 し た 。さ ら に 同 K.Branson Lab に よ っ て 提 供 さ れ た ハ エ 脳 領 域 相 関 分 析 ソ フ ト ウ ェ ア（ ハ エ 標 準 脳 の 7065 領 域 と 神 経 網 活 性 化 行 動 実 験 の 結 果 を 相 関 イ メ ー ジ 表 示 す る ） に 算 出 結 果 を 組 み 込 み 、 集 合 行 動 と 忌 避 行 動 の 両 方 の 動 作 に 関 連 す る 脳 領 域 の 同 定 を 行 っ た 。 そ の 結 果 、 集 合 行 動 で は 触 覚 ・ 嗅 覚 ・ 味 覚 の 感 覚 神 経 の 入 力 領 域 に 強 い 相 関 が 現 れ(図 1a)、忌 避 行 動 で は 視 覚 投 射 ニ ュ ー ロ ン 標 的 神 経 領 域 に 強 い 相 関 が 見 ら れ た (図 1b)。 次 に 、 生 理 的 側 面 か ら こ の 集 合 行 動 が ど の よ う に 行 わ れ る か 追 求 し た 。 そ の 結 果 、 野 生 型 の ハ エ （Canton-S） は 、 断 食 時 間 に 比 例 し て 集 合 の 凝 集 度 （ 集 合 密 度 ） が 落 ち て い く こ と が 観 察 さ れ た 。 こ の 断 食 と 神 経 ペ プ チ ド の 多 く が 関 連 し て い る こ と も あ り 、 神 経 ペ プ チ ド 変 異 体 の ハ エ （17 種 類 ） を 用 い た ス ク リ ー ニ ン グ 実 験 を 行 っ た 。 そ の 結 果 、 Allatostatin-A（ AstA） 変 異 体 の ハ エ が 満 腹 時 に の み 有 意 に 集 合 密 度 が 低 く な る こ と が 判 明 し た 。さ ら に AstA を 分 泌 す る 神 経 細 胞 を 活 性 化 す る と 有 意 に ハ エ が 集 合 す る こ と が 判 明 し た 。AstA の 受 容 体 で あ る Drosophila Allatostatin Receptor1（ DAR1） と DAR2 に つ い て も ノ ッ ク ダ ウ ン 実 験 を 行 い 、 DAR1 ノ ッ ク ダ ウ ン に て 集 合 密 度 が 下 が る 傾 向 が 見 ら れ た 。 こ れ ら の 結 果 か ら 、 ハ エ は 満 腹 に 近 い ほ ど 集 合 し や す く 、 満 腹 状 態 で 分 泌 さ れ た 神 経 ペ プ チ ド AstA は DAR1 に て 受 容 さ れ 、 集 合 行 動 を 誘 引 し て い る と 考 え ら れ る 。

AstA は 多 く の 文 献 で 睡 眠 を 誘 導 す る と 示 さ れ て お り 、 集 合 行 動 と 睡 眠 の 関 係 に つ い て も 分 析 を 行 っ た 。 ア リ ー ナ に 投 入 し た ハ エ は 10 匹 で は 集 合 し て 睡 眠 の 行 動 を 示 す が 、 1 匹 で は 睡 眠 の 行 動 が 有 意 に 落 ち る 。ま た 、行 動 ご と に 集 合 密 度 を 分 析 す る と Walk、Stop と い っ た 行 動 に 比 べ Sleep は 有 意 に 凝 集 度 が 高 い こ と が 示 さ れ た 。す な わ ち 、複 数 の 満 腹 な ハ エ は 睡 眠 行 動 を 取 る が 、 こ の 行 動 時 に は 集 合 密 度 が 高 い こ と が 判 明 し た 。 睡 眠 と い う 行 動 は 捕 食 さ れ や す い リ ス キ ー な 行 動 で あ り 、 集 合 行 動 に よ る Encounter Dilution や Attack Dilution 等 の 効 果 に よ り 捕 食 リ ス ク を 下 げ て い る と 推 察 さ れ る 。

本 研 究 で 提 案 さ れ た 新 し い メ ト リ ク ス （Distance-Corrected Density） に よ り 集 合 行 動 を 定 量 的 か つ セ ン シ テ ィ ブ に 検 出 す る こ と が で き 、 そ の 行 動 は 神 経 ペ プ チ ド AstA と 受 容 体 DAR1 を 経 由 し 断 食 や 睡 眠 と 密 接 に 関 連 し て い る こ と が 示 さ れ た 。