小川宏人 教授 / OGAWA, Hiroto

光で探る脳のシステム

小川宏人 教授 /  OGAWA, Hiroto

研究分野・テーマ・内容

研究分野 システム神経生物学
研究テーマ 動物の行動基盤となる神経システムアーキテクチャの解析

研究内容

動物の脳・神経系は、21世紀の生命科学に残された未知の領域の一つです。その解明の難しさは、構造の複雑さだけでなく、情報処理という脳の機能が構成要素である分子や細胞の振る舞いに単純に還元できないという特性にあります。したがって、脳機能を理解するためには、ニューロンと細胞内分子の相互作用や、神経ネットワークの活動パターンと行動との関係など、異なる階層間でのシステム構成や動作原理(アーキテクチャ)を明らかにする必要があります。私たちは、昆虫の神経系を材料として、様々なレベルの神経活動の時空間パターンを光学イメージング法によって解析し、脳のシステムアーキテクチャを理解することを目指しています。

研究紹介図

メッセージ

動物は外界をどのように捉え、認識し、行動を企画し、運動を制御するのか?私たちの研究室では、この問に対して、ある行動について入力から出力までの全ての神経情報処理過程を明らかにすることによって答えようとしています。そのために、脳神経活動を時空間的に計測することができる光学イメージングを進めています。さらに最近では遺伝子改変動物の作成や遺伝子コード型蛍光プローブの遺伝子導入にも取り組んでいます。生命科学の研究を進めるためには、新しい研究手法の開発や導入が欠かせません。それには困難も多く、ときには研究が思うように進まないこともありますが、誰も見たことがない生命現象を目の当たりにする興奮は、何物にも代え難い喜びです。私たちは、どん欲な好奇心を持ち、難しい課題にも果敢に挑戦していく開拓精神(フロンティアスピリット)にあふれる皆さんを待っています!

参考文献・論文・著書

  • コオロギの電気生理学実験  in「身近な動物を使った実験4—ミツバチ、コオロギ、スズメガ」鈴木範男 編 pp. 58-64、 三共出版
  • 針刺し運動 —動き続けるミツバチの針. in 「動物の「動き」の秘密にせまる—運動系の比較生物学 」尾崎浩一、吉村建二郎 編、pp. 194-212、 共立出版
  • 光学計測法が明らかにするニューロン内情報処理機構 in「昆虫ミメティクス —昆虫の設計に学ぶ—」下澤楯夫、針山孝彦 監修、 p650-656. NTS
  • ミツバチの針刺し機構  in「昆虫ミメティクス —昆虫の設計に学ぶ—」下澤楯夫、針山孝彦 監修、 p827-830. NTS
  • 神経生物学研究におけるイメージング技術の最近の動向 比較生理生化学 25: 21-22
  • 機能が同定された感覚性介在ニューロンにおける樹状突起の能動的特性 生物物理 45: 198-202
  • 感覚性介在ニューロンの樹状突起における情報抽出および統合処理機構 比較生理生化学 22: 2-10
  • Miller, J. P., Jacobs, G. A. and Aldworth, Z. 著 小川宏人 訳(2008)コオロギ尾葉の機械感覚システムの機能構成 in「昆虫ミメティクス —昆虫の設計に学ぶ—」下澤楯夫,針山孝彦 監修, p231-243. NTS

nameOGAWA Hiroto

Research subject

Specialized field

Behavioral Neurobiology, System Neuroscience

Key words

・Neurobiology
・Neuron
・Neural network
・Electrophysiology
・Dendrites
・Synaptic plasticity
・Calcium imaging
・Optical recording
・Photo manipulation
・Insect

Research subject

System Architecture of Brain

Neural system underlying animal behavior is one of the most elaborate and mysterious subjects in developing life science. Difficulty of understanding the brain function results from not only structure complexity but also characteristics of which ‘information processing’ is not simply resolved by component of the brain such as molecules and cells. To understand the brain function, therefore, we need to demonstrate both ‘system architecture’ and ‘operation principle’ across different levels in the neural system, for example, crosstalk between of second-messenger dynamics and individual nerve-cell response, and relationship between ensemble activity pattern of neuronal network and its representing information. We focus the level from cellular to network in the nervous system, and try to understand the system architecture of brain.

Imaging analysis of neural activities

Our main experimental approaches are optical recording (fluorescent imaging) and electrophysiology. The optical recording is a powerful method for visualization of local activity within a single neuron and for analysis of spatio-temporal pattern of group of neurons. One or some of neurons were stained with calcium- or voltage-sensitive dyes, and activity dependent fluorescent changes were monitored by high-sensitive CCD camera system. And, we optically analyze how and where the neuronal activities are evoked during various behavior. We also combine these methods and pharmacological techniques or computer simulation, and are planning the experiments in transgenic insects.

Sensory-information processing and locomotory control

We use cercal sensory system and locomotory system for wind-evoked escape behavior in the cricket as a model system. The receptor organs of the cercal system consist of a pair of antenna-like appendages called cerci at the rear of cricket abdomen. Each cercus is covered with approximately 1,000 filiform hairs, each of which is innervated by a single mechanoreceptor neuron. Identified giant-interneurons (GIs) receive direct excitatory synaptic-inputs from the mechanosensory afferents, and extract sensory information including direction, frequency and velocity of air currents around the cricket. GIs play important roles in wind-triggered escape behavior, but it is unknown how the stimulus direction could be transformed and computed to the escape direction in the higher center, brain, suboesophageal or thoracic ganglia. Furthermore, successive air-puff stimuli applied with short intervals induced short-term attenuation (STA) of the wind-evoked response in the GIs. Recently, we found that magnitude of the STA depends on directional sensitivity in the GIs. However, the mechanism of the directional-selective attenuation is not clear. We are working on these theme using imaging analysis and electrophysiology, and will illustrate ‘neuronal system architecture’ for information processing of air current and for computing the direction of escape behavior.

message

How do animals perceive and recognize the outside world? What neural mechanism implements the behavior planning and the motor control? We are trying to answer these fundamental but challenging questions by clarifying a whole of the neuronal processing from sensory inputs to motor outputs for a specific behavior in insects. Welcome to our Lab, if you have interests in brain function and frontier splits to pioneer new field of system neuroscience!

references

  • Ogawa, H., Cummins, G. I., Jacobs, G. A. and Oka, K. (2008) Dendritic design implements algorism for extraction of sensory information. J. Neurosci. 28: 4592-4603
  • Ogawa, H., Cummins, G. I., Jacobs, G. A. and Miller, J. P. (2006) Visualization of ensemble activity patterns of mechanosensory afferents in the cricket cercal sensory system with calcium imaging. J. Neurobiol. 66: 293-307