広報活動

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2016年6月17日

理化学研究所

匂いの好き嫌いを決める脳内メカニズムを解明

-ハエの神経活動から匂い嗜好を解読する数理モデルを作成-

“仮想空間”におけるショウジョウバエの匂い応答の図

“仮想空間”におけるショウジョウバエの匂い応答

快い匂いと不快な匂いを嗅ぎ分けることは、動物の生存にとって大変重要です。例えば、食べ物の匂いを快いと感じることでエネルギー源にたどり着くことができます。一方、腐敗物や捕食者の匂いを不快と感じることで危険を回避することができます。しかし、こうした匂いの好き嫌いを決める脳内メカニズムは明らかになっていませんでした。理研の研究チームは、ほ乳類よりもはるかに少数の神経細胞で、ほ乳類と類似した機能を発揮するショウジョウバエ成虫(以下、ハエと略)の嗅覚回路に着目し、神経活動から匂いの好き嫌いを解読することを試みました。

まず、匂いの好き嫌いを評価するために、ハエの行動に応じて匂いや景色が変化する“仮想空間”を構築し、その中で匂いに対してのハエの応答を観察しました(図参照)。実験の結果、ハエは与えられた84種類の多様な匂いに対して、留まったり逃げたりする反応を示しました。ハエが匂いを認識するスピードは、約0.2秒という速さでした。また、ハエが脳内で最初に嗅覚情報を処理する脳領域で、ほ乳類の嗅球に相当する触角葉は、約50個の糸球体という球状構造で構成されています。研究チームは、レーザー顕微鏡を用いたカルシウムイメージングで、ほぼ全ての糸球体から各神経活動を同時に記録することに成功しました。神経細胞が興奮すると、細胞内のカルシウムイオン濃度が上昇するため、カルシウムイメージングで神経活動を調べることができます。

さらに、研究チームは得られたデータを組み合わせ、糸球体群の活動からハエの匂いの好き嫌いを定量的に解読する「数理モデル」を作成しました。その結果、各糸球体は固有の割合で与えられた匂いに対して留まる行動、もしくは逃げる行動に貢献し、それらの活動の総和でハエの行動が説明できました。また、数理モデルは、新しく与えられた匂いの混合物や濃度の異なる匂いに対してどのように行動するかを予測できることが示されました。さらに、匂いの好き嫌いは絶対的なものではなく、直前に嗅いだ匂いの種類や頻度によって変わることを予測し、その現象が実証されました。これらにより、ハエの嗅覚システムも視覚や聴覚システムと同様に、すばやく環境に適応する能力を持つことが分かりました。

嗅覚回路の機能やその基本的な配線図は、ハエからヒトまで共通であることから、本成果は、匂いの好き嫌いを決める普遍的な脳内メカニズムの理解につながると期待できます。

理化学研究所
脳科学総合研究センター 知覚神経回路機構研究チーム
チームリーダー 風間 北斗 (かざま ほくと)