Learning and memory is crucial for animals to cope with constantly changing environment. Likewise, the soil nematode Caenorhabditis elegans shows various kinds of learning and memory such as thermotaxis learning, odor-starvation associative learning and salt chemotaxis learning. Although molecular mechanisms underlying these behavioral plasticities have been characterized well, how neural circuit shows neural plasticities is mostly unknown. In this study, I focused on salt chemotaxis learning and analyzed neural plasticities using in vivo imaging techniques.

C. elegans shows chemotactic behavior toward NaCl. However, it learns to avoid NaCl after prolonged exposure to NaCl for 10-60 minutes under the starvation condition, which is called salt chemotaxis learning. But in the presence of food or serotonin (5-HT), the latter of which is suggested as a food mediator, salt chemotaxis learning does not occur. Therefore, these previous studies suggested that two pieces of information, NaCl and starvation, are integrated in salt chemotaxis learning. As one of molecular mechanisms, insulin-like signaling is important for this behavioral plasticity. The insulin-like signaling is composed of ins-1, daf-2 and age-1, which encode an insulin-like peptide, insulin receptor and PI 3-kinase, respectively. The insulin-like peptide INS-1 is secreted from several neurons including AIA, and the downstream signaling proteins DAF-2 and AGE-1 function in one of the major NaCl-sensing sensory neurons, ASE right (ASER). However how neurons including ASER show neural plasticities remained to be elucidated.

First, I introduced an in vivo imaging techniques using a microfluidic chip. I measured Ca2+ responses and amount of synaptic transmission in ASER. I found that response of ASER increased whereas its synaptic release decreased after prolonged exposure to NaCl without food. These changes in the opposite directions were abolished in mutants of the insulin-like signaling, suggesting that insulin-like signaling regulates these plasticities in ASER. Next, I examined the effect of changes in ASER on downstream neurons. The response of one of the downstream interneurons, AIB, decreased profoundly after NaCl conditioning. I confirmed that synaptic connectivity from ASER to AIB is excitatory by stimulating ASER specifically. This result suggested that strong decrease in AIB was due to decrease in the amount of synaptic transmission from ASER.

These results suggest that the place for integration of two pieces of information, NaCl and insulin-like signaling, latter of which is suggested to transmit starvation signal, is ASER sensory neuron.

本論文の主要部分は、以下の内容から成る。

序論では、動物の学習と記憶の生物の生存における意義と、その機構に関してこれまでに得られた知見を述べることから始まっている。次に、シンプルなモデル生物である土壌線虫C. elegansの特徴や、研究に用いる上でのメリットに言及している。さらに、線虫も様々な記憶と学習を示すことを述べている。最後に、線虫は生体内イメージングに非常に適しているモデル生物であることを述べ、本研究で用いられているインディケーターの構造と特性について説明している。本論文は、塩走性学習(一定時間餌がない状態でNaClに曝されると、線虫が誘引物質であるNaClに誘引されなくなる行動可塑性)に着目し、その行動可塑性の制御に重要な神経可塑性を特定することを目的とした。

結果では、最初に線虫のニューロンの活動を可視化するため、PDMSチップを用いた生体内イメージング技術、特にCa2+ イメージングとシナプス放出のイメージングの技術の導入を行った。次に、このイメージング技術を用いて塩走性学習の前後でのニューロンの活動の変化を捉えた。様々なニューロンで測定を行ったが、特にASER感覚ニューロンとAIB介在ニューロンで顕著な変化が見られたと記載されている。ASER感覚ニューロンでは学習後、感覚入力に対するCa2+応答が上昇する一方で、シナプス放出が低下するという、一見逆の興味深い変化が観察された。

分子遺伝学的解析から、インスリン様シグナル伝達が塩走性学習を制御することが既にわかっている。そこで、論文提出者が上記の神経可塑性もインスリン様シグナル伝達により制御されるかを調べたところ、二つの変化がいずれもインスリン様シグナル伝達経路に制御されることがわかった。

一方、ASERの下流の介在ニューロンAIBのCa2+応答は塩走性学習により著しく低下した。ASERを特異的に活性化させる手法を用いた解析により、ASERからAIBへの神経活動の伝達が行われていることが確認された。このことから、著しいAIBの応答の低下の原因の一つは、ASERからのシナプス放出の低下であることが示唆された。

以上の結果は、これまで行動レベルでしか観察されていなかった学習による変化を実際の神経活動の変化として捉え、神経回路上で変化の起こっている場所を特定した最初の例であり、学問的な新規性と意義は大きい。

討論では、学習後にASER感覚ニューロンでみられた2つの現象(Ca2+応答の上昇とシナプス放出の低下)がインスリン様シグナル伝達の下流で独立に制御されている可能性を、参考論文を引用しつつ示している。塩走性学習では飢餓とNaClの2つの情報が統合されていると考えられているが、それらが統合する場の一つがASER感覚ニューロンであることが提案されている。さらに、AIBやAIAを含めた下流の介在ニューロンが並列的に機能している可能性にも言及している。

線虫の学習行動の解析とそれに関わる遺伝子の同定はかなり進んでいるが、学習行動において神経回路がどのような可塑性を示すのかはほとんどわかっていなかった。本論文では、塩走性学習に着目してその行動可塑性の制御に重要な神経可塑性を明らかにしており、得られた成果は意義深いものである。

なお、本論文は飯野雄一教授と富岡征大助教との共同研究であるが、この論文における全ての実験データ取得とその解析は論文提出者が行っており、論文提出者の寄与は十分であると判断する。本論文の内容はJournal of Neurophysiologyに受理されており印刷中である。

従って、博士(理学)の学位を授与できると認める。