21．生物ロコモーションの統合的研究

2005年11月24日−11月25日
東島眞一（岡崎統合バイオサイエンスセンター・神経分化）
所内対応者：岡村康司（岡崎統合バイオサイエンスセンター・神経分化）

（１）

卵由来精子活性化ペプチドによる精子鞭毛運動修飾の解析

馬場昭次（お茶の水女子大大学院・人間文化・人間環境科学）

（２）

海生プランクトンの運動とチャネル

筒井泉雄（一橋大学・生物）

（３）

尾索動物オタマジャクシの遊泳運動

西野敦雄（岡崎統合バイオ・時系列生命現象・神経分化）

（４）

プラナリアの行動制御を担う脳機能と神経回路網の解析

阿形清和（京都大学・生物物理）

（５）

魚類の遊泳を支配する中枢神経系の形態と機能

植松一眞（広島大大学院・生物圏科学・水族生理学）

（６）

硬骨魚後脳の分節構造にもとづいて構築された逃避運動回路与

小田洋一（名古屋大大学院・理・生命理学）

（７）

ゼブラフィッシュの脊髄神経回路の構築

東島眞一（岡崎統合バイオ・時系列生命現象・神経分化）

（８）

昆虫の匂い源探索の行動制御機能

神崎亮平（東京大大学院・情報理工学・知能機械情報学）

（９）

生物運動の力学シミュレーション

劉浩（千葉大・工・電子機械工学・生物機械）

（10）

ウサギ跳躍運動の発現・制御機構：ネコ歩行制御系との比較

松山清治（札幌医大・医・第二生理）

（11）

歩行における運動軌道計画

西井淳（山口大・理・自然情報科学科）

【参加者名】
馬場昭次（お茶の水女子大大学院），筒井泉雄（一橋大学），西野敦雄（岡崎統合バイオ），阿形清和（京都大学），植松一眞（広島大大学院），小田洋一（名古屋大大学院），東島眞一（岡崎統合バイオ），神崎亮平（東京大大学院），劉浩（千葉大），松山清治（札幌医大），西井淳（山口大），岡村康司（岡崎統合バイオ），柴小菊（東京大学），小橋常彦（名古屋大学），谷合由章（山口大学），日置智子（山口大学），衣川亜衣子（神戸大学），久木田文夫（岡崎統合バイオ），岩崎広英（岡崎統合バイオ），村田喜理（岡崎統合バイオ），木村有希子（岡崎統合バイオ），黒川竜紀（岡崎統合バイオ），MD.ISRAIL HOSSAIN（岡崎統合バイオ），佐々木真理（岡崎統合バイオ），佐藤千恵（岡崎統合バイオ），野田昌晴（基生研）

【概要】
　生物のロコモーションは，ゲノムにより決定された生物種毎に異なるスケール，形態に規定されながら，それに伴う物理環境に適用できるような大きな多様性を示す。その一方で，それを構成する分子や細胞特性，神経回路などのユニットは共通なものを使用しており，マクロな共通原理に裏付けられている。このように共通の構成成分に依存しながらも生物種によって特化した生理機能を発揮できるシステムの理解は，ポストゲノム時代の生物科学や生理科学の大きな目標のひとつとも位置付けられる。多様な生物のロコモーションの原理を理解することは，単に生物の生理機構を解明することに留まるのではなく，医用工学への応用，マイクロマシンの開発，ロボティクスへの応用など，21世紀の人間社会に密接に関わる工学分野へと大きく波及する可能性が期待される。今回は，平成14年度に行なわれた研究会に引き続き，ロコモーションの要素と構成に焦点を当て，基礎生物学分野のロコモーション研究者（無脊椎動物鞭毛繊毛運動，尾索動物オタマジャクシ），数理科学的立場の研究（エネルギー効率や流体力学の立場からの数理シュミレーション），神経解剖学的視点（頭足類の高速処理神経システム，脊椎動物型中枢神経回路），イオンチャネルなどの分子的要素の視点（筋細胞膜特性）の各分野から研究者を集め，一泊二日での研究会を行なった。

 

（1）　卵由来精子活性化ペプチドによる精子鞭毛運動修飾の解析

馬場昭次（お茶の水女子大大学院・人間文化・人間環境科学）

　受精は，卵と精子の相互作用によって成り立っている。卵ゼリー層に含まれる因子が，精子の運動活性化，卵への走化性，先体反応，種特異的な膜認識など，様々な受精の過程に深く関わっていることは，ほ乳類を始めとする多くの生物で知られている。その中でも，低分子で拡散性の精子活性化因子は，卵から離れた精子にも作用することができ，広範囲にわたって卵と精子の相互作用を仲介し，受精の過程において重要な役割を果たしていると考えられている。

　ここでは，ウニの精子活性化ペプチドの一つであるsperactについて，そのケージド体を用いてsperactの作用で精子の鞭毛運動が非対称性を増すことを示した実験，LEDストロボ照明を蛍光の励起に用い鞭毛内カルシウムイオンの変動と鞭毛運動を同時に測定した実験，ホヤ精子の活性化・走化性誘因因子であるSAAFを用いて行った精子の走化性行動時における鞭毛運動の変化の詳細な解析などについて報告した。

 

（2）　海生プランクトンの運動とチャネル

筒井泉雄（一橋大学）

　筋の進化を考える上で平滑筋から骨格筋への変遷は最も注目すべき項目の1つである。筋の構造の変化以上に機能（筋細胞収縮の際の細胞内Caイオン濃度増加プロセス）の変化は特筆すべきものである。平滑筋ではCaの細胞外から細胞内へ流入が必須であるが，骨格筋においてはCaの細胞外から細胞内へ流入は必須ではなく，細胞内Caの増加は細胞内のCa貯蔵部位からの放出によって制御されている。骨格筋収縮時における細胞内Caイオン濃度増加プロセスは，脊椎動物骨格筋細胞においては興奮収縮連関(Excitation-Contraction ; E-C coupling)として報告(Schneider & Chandler 1972)され，T管膜に存在している機能分子Dihydropyridine(DHP)受容体が，膜の脱分極を感知し細胞内Caを貯蔵部位から遊離させることが報告されている。膜の脱分極を感受し細胞内Caを遊離させる機構(Depolarization-induced-Ca-release； DICR)の有無が骨格筋と平滑筋を分けていると考えられ，この情報伝達を司る機能分子Dihydropine(DHP)受容体の作用実体は膜内電荷移動(Charge Movement：CM)として捉えられている。DHP感受性のCMの有無を骨格筋平滑筋分離の指標とすることができることから，動物進化の段階において重要な位置を占めている海生プランクトンを用いて，このDHP感受性CMの有無，運動に必須の細胞内Caイオン濃度増加プロセス，流入を司るチャネル特性の三者の関連解明を系統発生的に試みたで報告した。

 

（3）　尾索動物オタマジャクシの遊泳運動

西野敦雄（岡崎統合バイオサイエンスセンター・時系列生命現象・神経分化）

　ホヤ，オタマボヤ，ウミタルなどを含む尾索動物は，オタマジャクシ形態を生じる。そのオタマジャクシ形態は，脊椎動物のオタマジャクシに比べて著しく少数で単純な細胞構成から成り立っている。しかしながら，それぞれのオタマジャクシ形態は複数の運動パターンを示し，また敏鋭な感覚刺激に対する反応をも行うなど，その形態の単純さに関わらず，各々の遊泳に関わる情報処理は画一的ではない。

　ホヤ幼生，オタマボヤ，ウミタル幼生が示す運動は，個々の神経・筋肉細胞の生理現象から体まるごとの運動を再構成することが実現できると期待される。またそれぞれの運動機能の多様性，さらには脊椎動物のオタマジャクシ形態の遊泳機構との相違の理解は，各々の系統発生と適応戦略を考える上で本質的な問題を含んでいると考えられる。

　以上を考え，運動パターンの高速度画像解析，筋肉細胞の電気生理学的特徴の解析，神経・筋肉系に発現しているイオンチャネル分子種の同定を進めている。現在までに定めた各動物種の運動生理学上の特徴を紹介しながら，その中で最も解析が進展しているカタユウレイボヤ幼生における結果を中心に議論を深めた。

 

（4）　プラナリアの行動制御を担う脳機能と神経回路網解析

阿形清和（京都大学大・生物物理）

　われわれは，1991年からプラナリアの再生研究の近代化に努め，特に脳の再生については重点的に取り組んできた。多くの脳で発現する遺伝子をRNAi法でノックダウンし，nou-darake遺伝子を筆頭に脳の再生に関与する遺伝子を同定することに成功した。と同時に，その過程で脳の機能異常のプラナリアが多数でき，プラナリアが脳の高次機能の解明にきわめて有用な動物であることを示した。

　頭部遺伝子ライブラリー由来の約5万クローンをシークエンスし，それらの遺伝子の発現解析を行いデータベース化している。また，約1,000個の単一神経細胞について200種類の遺伝子について発現プロファイリングをしており，プラナリアの脳の神経細胞が多様化していることを個々の神経細胞の発現解析で明らかにしている。

　近年，個々の遺伝子についてはRNA干渉法で機能解析が可能となっており，プラナリアは脳の再生システムと組み合わせることによって，再生脳できれいに遺伝子のノックダウンが可能である。その結果，脳の再生に関与する遺伝子，行動制御に関する遺伝子が同定できるようになった。ここでは主に，負の走行性を指標にプラナリアの行動制御に関わる遺伝子を紹介した。

 

（5）　魚類の遊泳を支配する中枢神経系の形態と機能

植松一眞・吉田将之（広島大学大学院生物圏科学研究科・生物圏共存科学専攻・水族生理学研究室）

　サケが体側筋で産卵することを知ったことをきっかけに，我々の魚類神経科学研究が始まった。ようやくコイで遊泳中枢を同定したものの，その細胞構築と脊髄との連絡様式の解明は不十分であった。ここ数年の研究で，内側縦束核の細胞構築の概要が明らかになった。これまで内側縦束核の一部と思われていた細胞集団は動眼神経核であった。この研究には，魚類において初めてクローニングしたアセチルコリン合成酵素の遺伝子を元に作製したmRNA プローブを用いた。さらに内側縦束核のニューロンは脊髄の末端まで軸索を伸ばし，側枝により運藤ニューロンや介在ニューロンと接続していることが分かった。また，遊泳に同期して活動するニューロンも見つかった。

　また，関連した研究として，真骨魚類の小脳に特有な出力細胞である，いわゆる広樹状突起細胞の形態・伝達物質・他の脳領域との連絡様式が新たに解明された。哺乳類において小脳は運動の制御に必須の器官である。しかしながら，魚の小脳体を切除しても，ほぼ正常に泳ぐことができる理由は未だ不明である。一方，古典的恐怖条件付けの手法によりキンギョの小脳体が記憶の場である可能性を示す結果を得た。

　さらに，キンギョの最初期遺伝子c-fos（ニューロンが活動すると発現する）をクローニングし，c-fosに対するmRNAプローブを用いて，遊泳直後に遊泳中枢のニューロンや脊髄運動ニューロンにc-fosが多く発現することを確認した。

 

（6）　硬骨魚後脳の分節構造にもとづいて構築された逃避運動回路

小田　洋一（名古屋大学大学院理学研究科）

　脊椎動物の脳は吻尾軸方向に並ぶ分節を一つの基本構造として成り立つ。我々は分節構造にしたがって配置されるニューロンが機能的にどのような関係にあるかを，サカナの逃避運動を制御する回路構成から理解したいと考えている。

　我々はマウスナー・シリーズの入出力特性と相互結合および逃避運動における活動を調べ，以下の結果を得た。

　(1)金魚のマウスナー・シリーズは，逃避運動の誘発に必要な聴神経から同じように求心性投射を受ける。

　(2)M細胞からMiD2cmとMiD3cmへ一方向の結合が見出され，同側へは抑制性結合，対側へは興奮性結合であった。

　(3)逃避運動中のゼブラフィッシュ稚魚から後脳RSニューロンの活動をカルシウムイメージングで計測した。多くの逃避運動はM細胞の発火を伴う(M escape)が，M細胞の活動を伴わずに起こる逃避運動(Non M escape)もまれに起こる。M escapeの潜時はNon M escapeより5ミリ秒短い。

　(4)M細胞を破壊すると，遅いNon M escapeしか起こらない。

　(5)M細胞とMiD3cmの活動は相補的であり，それぞれM escapeとNon M escapeの発現に関与すると考えられる。

　これらの結果から，聴覚入力で誘発される逃避運動はM細胞とその相同ニューロンからなる多重の回路によって制御されうるが，最も潜時の短い逃避運動の発現にはM細胞が優先して働くことが必要であると考えられる。

 

（7）　ゼブラフィッシュ脊髄神経回路の構築

東島眞一（岡崎統合バイオサイエンスセンター・時系列生命現象・神経分化）

　ゼブラフィッシュ脊髄神経回路の形成機構を，発生期に少数の細胞で発現する転写因子の観点から調べている。脊髄神経回路について，発生から機能までをつなげ，また，哺乳類の対応する細胞（特定の転写因子を発現する細胞）の回路中での機能に関して手がかりを得ることを目的としている。本研究会では，alx（哺乳動物Chx10のゼブラフィッシュホモログ）に関する解析を中心に発表する。alx陽性細胞でGFPを発現するトランスジェニックフィッシュを作製しalxを発現する細胞を可視化した（以下，alx細胞と呼ぶ）。その結果，alx細胞は，同側下行性の介在ニューロンであることが明らかになった。また，マーカー遺伝子との二重染色により，alx細胞の大半（おそらくすべて）はグルタミン酸作動性の興奮性神経細胞であることを明らかにした。仮想運動時のalx細胞の活動を調べた結果，alx細胞にはおおまかに分けて2種類存在し，早く産まれるものはより強い運動（逃避，早い遊泳）時に活動し，遅く産まれるものは通常の遊泳行動時に活動することが明らかとなった。また，どちらのタイプのものも運動ニューロンに興奮性のシナプス結合をしていた。これらのことから，alx細胞は逃避，遊泳時に運動ニューロンの活動を直接制御する神経細胞であることが示された。

 

（8）　昆虫の匂い源探索の行動制御機構

神崎亮平（東京大学大学院情報理工学系研究科　知能機械情報学専攻）

　匂いは空中に分布し，分布状態を絶え間なく複雑に変化させている。このような環境下でも昆虫は数キロメートルにわたり，たとえば雄の蛾は，雌が放出するフェロモンの匂いを頼りに雌の居所を探し出している。われわれが暗闇で，匂い源を探し出すことを想像すると昆虫がいかに困難な問題を解決しているかがわかる。ここでは，このような昆虫の匂い源探索行動をモデルとして，微小な脳システムが，この問題をいかにして解決しているかを，鱗翅目昆虫カイコガ(Bombyx mori)をモデルとしてまず(1)行動戦略から，そして(2)この行動戦略を解発する神経基盤について，ニューロンレベルでの分析結果から説明する。次に，(3)このような分析結果をロボティクスにより統合し，昆虫の神経・行動機能に基づいた小型移動ロボットを用いた(1)と(2)の検証結果を紹介する。また，(4)実際に飛行する昆虫に超小型のテレメトリを装着することにより，無拘束下で，自由に飛行する昆虫の生体情報（飛翔筋活動など）を遠隔計測することが可能となってきたので，この研究結果についても併せて紹介した。

 

（9）　生物運動の力学シミュレーション

劉　浩　（千葉大学　工学部）

　Characterized by complex geometry and complicated dynamic process, biological mechanical phenomena in swimming and flying are usually of four-dimensional nature, namely, spatial three-dimensional and one-dimensional in time. The current paradigm for understanding of power and energetics in swimming and flying relies exclusively on the consistent potential theories to analyze the physics qualitatively as well as the observations and measurements to visualize the flow so as to support the theories. We propose a new paradigm of simulation-based biological fluid dynamics to digitize and visualize swimming and flying by using a computational mechanical modeling of the biological fluid dynamics through faithful reconstruction of morphology and representation of realistic kinematics of individual object. We have developed an integrated computational system as a baseline for the simulation-based biological fluid dynamics, which involves four subsystems of the morphological modeling, the kinematic modeling, the computational fluid dynamic modeling, and the post-processing for visualization. This integrated system has been validated to be feasible in modeling fluid dynamic phenomena in animal locomotion through a series of stepwise studies and applications for two realistic modeling of hydro-and aerodynamics of undulatory swimming and insect flight.

 

（10）　ウサギ跳躍運動の発現・制御機構：ネコ歩行制御系との比較

松山清治（札幌医科大学・医学部・生理学第二講座）

　自然界において各動物種は環境や生態的地位に適応してそれぞれに特有の歩行パターンを発達させている。四足哺乳類のネコとウサギについて見ると，これらは生態系で捕食者‐被食者の対極的地位にあり，このためネコは探索-捕獲行動に必要な低速移動のための左右交代性歩行walkから高速移動に適する左右非交代性歩行gallopまで幅広い歩行パターンを備えているが，ウサギは被食回避のための高速逃避行動に直結するgallop類似の跳躍歩行hoppingを基本パターンとしている。この歩行パターンの違いはそれぞれの動物種において特異発達した歩行器官とともにその運動制御に関わる中枢神経機構の違いによると考えられる。

　われわれはウサギの左右非交代性跳躍歩行とネコの左右交代性歩行の発現に関わる神経機構にどのような違いがあるかを知るため，新たにウサギ跳躍実験標本を開発し，これを用いて跳躍歩行誘発に関わる脳幹‐脊髄神経機構の特徴について検討した。具体的には除脳ウサギ標本の中枢内で跳躍歩行誘発部位を同定し，さらに誘発された跳躍運動の動作解析も行いその特徴を明らかにした。また跳躍歩行誘発に関わる脳幹由来の下行性投射系の同定も試みた。本研究会ではウサギを用いた研究で得られた成績について報告するとともに，これらを従来のネコの研究で得られた成績と比較し両動物種の歩行制御機構の特徴と違いについて考察した。

 

（11）　歩行における運動軌道計画

西井淳（山口大学理学部自然情報科学科）

　多足動物が歩くとき，歩容，歩幅，脚の運動周期，脚や胴体の運動軌道等の運動パラメータの選び方は無数に存在する。生体はどのようにして，その中からある1つの組合せを選んでいるのだろうか？　この問題は，生体の運動様式の理解につながるだけでなく，神経系が運動の学習・制御を行う仕組みを検討する上でも，その計算アルゴリズムの本質に関わる極めて重要な問題である。

　生体が運動を行う際，その消費エネルギーを低く押さえることは生存確率を高くするために重要であろう。そこで，生体の様々な運動が「消費エネルギー最小化」という拘束条件に基づいて計画されているかどうかの検討を現在すすめている。今回は，(1)多足歩行における歩容・歩幅・足の運動周期，および(2)遊脚運動軌道に関する検討結果を報告した。また，歩行運動の学習制御モデルについても紹介した。