MF Researcher Database

Researchers Database

Advance

KIMURA Kotaro

    Graduate School of Science Division of Biological Science　Professor
Contact： kokimuransc.nagoya-cu.ac.jp
Last Updated :2024/06/11

Researcher Information

Degree

  • Ph.D.（University of Tokyo）

URL

Research funding number

  • 20370116

J-Global ID

Research Areas

  • Life sciences / Neuroscience - general

Academic & Professional Experience

  • 2024/04 - Today  Nagoya City UniversityAssistant to the President for Research Enhancement
  • 2023/10 - Today  JST-CREST 「細胞操作」 研究代表者
  • 2021/04 - Today  The University of Tokyo教養学部・大学院総合文化研究科非常勤講師
  • 2018/04 - Today  Nagoya City UniversityGraduate School of Science Division of Biological ScienceProfessor
  • 2018/04 - 2024/03  Osaka UniversityGraduate School of ScienceGuest Professor
  • 2018/05 - 2022/03  RIKENAIP, Data-Driven Biomedical Science TeamVisiting researcher
  • 2017/04 - 2018/03  RIKENAIP, Data-Driven Biomedical Science TeamVisiting researcher
  • 2013/04 - 2018/03  Osaka UniversityGraduate School of ScienceAssociate Professor
  • 2009/01 - 2013/03  Osaka UniversityGraduate School of ScienceAssociate Professor (tenure track)
  • 2006/10 - 2010/03  JSTPRESTO "Biological system"Researcher
  • 2004/04 - 2008/12  The Graduate University for Advanced StudiesDepartment of GeneticsAssistant Professor
  • 2003/03 - 2008/12  National Institute of GeneticsStructural Biology CenterAssistant Professor
  • 1998/05 - 2003/02  JSTCRESTPostdoctoral fellow
  • 1997/01 - 1998/04  JSPSOverseas Research fellow
  • 1996/02 - 1998/04  Harvard Medical SchoolMassachusetts General HospitalPostdoctoral fellow
  • 1995/04 - 1996/12  JSPS(Graduate School of Agricultural and Life Sciences, The University of Tokyo)Research fellow

Education

  • 1992/04 - 1995/03  The University of Tokyo  Graduate School of Agricultural and Life Sciences (Doctoral Course)
  • 1990/04 - 1992/03  The University of Tokyo  Graduate School of Agricultural and Life Sciences (Master's course)
  • 1986/04 - 1990/03  The University of Tokyo  School of Agriculture
  • 1980/04 - 1986/03  筑波大学附属駒場中高等学校

Association Memberships

  • ニューロエソロジー談話会   THE MOLECULAR BIOLOGY SOCIETY OF JAPAN   THE JAPAN NEUROSCIENCE SOCIETY   

Published Papers

Conference Activities & Talks

  • 一遺伝子一項説：匂い受容細胞の経験依存的活動変化の数理モデルと遺伝子との対応  [Invited]
    木村幸太郎
    第75回日本細胞生物学会、シンポジウム：環境を感じる細胞  2023/06
  • 記憶・意思決定・感情の原理解明を目指した線虫の全脳活動イメージング  [Invited]
    木村幸太郎
    第72回 脳の医学・生物学研究会  2023/04
  • C. エレガンスの神経活動のカルシウムイメージング〜森研での挑戦から  [Invited]
    木村幸太郎
    名古屋大学大学院理学研究科 分子神経生物学シンポジウム  2023/03
  • Whole-brain imaging to understand learning, decision-making, and emotion in worms  [Invited]
    Kotaro Kimura
    Program in Neuroscience Seminar, UMass Chan Medical School. University of Massachusetts. Wocester, MA, USA  2023/03
  • 脳神経細胞ネットワークの人工再構築に向けて  [Invited]
    木村幸太郎
    第5回ExCELLSシンポジウム・ミニセッション  2022/12
  • キトサン精製から、ロボット・人工知能技術を用いた線虫全脳活動理解へ  [Invited]
    木村幸太郎
    第10回虫の夕べ（オンラインセミナー）  2022/10
  • 線虫×ロボット顕微鏡×人工知能」で解明する脳の基本的動作原理  [Invited]
    木村幸太郎
    順天堂大学大学院医学研究科 DBSB Seminar  2022/04
  • 進化を越えて保存されたドーパミンの役割とは何か？〜線虫の遺伝学および機械学習による汎動物学的行動分析から見えてくるもの〜  [Invited]
    木村幸太郎
    大阪大学蛋白質研究所セミナー「多様なドーパミン神経伝達から脳を探る」  2021/12
  • “Machine learning × worm’s brain and behavior” and beyond  [Invited]
    木村幸太郎; Wen Chentao
    京都大学大学院理学研究科 MACS教育プログラム データ駆動生物学ワークショップ  2021/03
  • C. エレガンスの情報処理〜分子レベルから全脳神経活動へ  [Invited]
    木村幸太郎; Wen Chentao
    北海道大学脳科学研究教育センターシンポジウム「感覚と運動の神経基盤の進化 〜非哺乳類脳から学ぶ計算原理〜」  2020/11  Zoom
  • シンプルな神経系における「演算」と「因果律」  [Invited]
    木村 幸太郎
    応用物理学会秋季学術講演会  2019/09
  • Data-driven predictive models for information processing in the (small) brain.  [Invited]
    Chentao Wen; Kotaro Kimura
    Neuro2019（第42回日本神経科学大会 第62回日本神経化学会大会）公募シンポジウム「データ駆動型／モデル駆動型神経科学研究の幕開け」  2019/07
  • 微分・積分フィルタによる線虫の意思決定  [Invited]
    木村 幸太郎
    RIMS共同研究「自己組織化による適応フィルタの創発性について」（京都大学数理解析研究所）  2019/05
  • 線虫の脳における数学的計算と"因果律"」  [Invited]
    木村 幸太郎
    統合量子素子研究室セミナー（高知工科大学）  2019/04
  • （線虫の）脳活動を理解するための微分積分とcausality  [Invited]
    木村 幸太郎
    「数学の創成」研究会（北海道大学理学部）  2019/02
  • Robotic Microscope System for Studying the basie principles of brain function  [Invited]
    Kimura, Kotaro
    Micro-Nano Bio platform and Its Applications, 2018 International Symposium on Mcro-Nano Mechatronics and Human Science  2018/12  Nagoya University
  • Neural mechanism of animal navigation  [Invited]
    Kimura, Kotaro
    Understanding Human and Animal Behavior, Distributed, Ambient and Pervasive Interactions, 20th International conference on Human-Computer Interaction.  2018/07
  • The multiplex regulation of neural circuits for odor learning in worms  [Invited]
    Kimura, Kotaro
    RIKEN CBS Forum,  2018/04  RIKEN Center for Brain Science
  • Calcium dynamics regulating the timing of decision-making in C. elegans  [Invited]
    Kimura, Kotaro
    Columbia University, Informal seminar  2017/09
  • Calcium dynamics regulating the timing of decision-making in C. elegans  [Invited]
    Kimura, Kotaro
    Princeton University, Informal seminar  2017/09
  • Calcium dynamics regulating the timing of decision-making in C. elegans  [Not invited]
    Kimura, Kotaro
    The Optical Revolution in Physiology: From Membrane to Brain, Society of General Physiologists 71st Annual Symposium.  2017/09
  • Reading the mind of a worm—with a robot microscope and machine learning analysis  [Invited]
    Kimura, Kotaro
    Harvard University, Informal seminar  2017/09
  • Differential equations for decision-making in worm’s navigation  [Invited]
    Kimura, Kotaro
    IEEE ICMA 2017 Conference, Tutorial Workshops on Systems Science on Bio-navigation  2017/08
  • Measuring the mind of a worm: In actio optophysiological analyses of neural activity in the nematode C. elegans  [Invited]
    Kimura, Kotaro
    Lecture, Neuroscience Program in Academia Sinica (Taipei, Taiwan)  2016/09
  • A neuronal algorithm for navigation along a repulsive odor gradient in the nematode C. elegans.  [Invited]
    Kimura, Kotaro
    Seminar, Center for Functional Connectomics, Korea Institute of Science and Technology (Seoul, Korea)  2013/06
  • Repulsive odor learning regulated by dopamine signaling in worms  [Invited]
    Kimura, Kotaro
    Comprehensive Brain Science Network. Symposium — Reward and aversive information processing and monoamine signalings (Kobe, Japan)  2011/08  Kobe, Japan
  • Enhancement of odor avoidance in the nematode C. elegans  [Invited]
    Kimura, Kotaro
    MRC Laboratory of Molecular Biology, Informal seminar  2011/04

MISC

Industrial Property Rights

Research Grants & Projects

  • 超高速光 call & response による脳とのセッション
    科学技術振興機構 (JST)：戦略的創造研究推進事業 (CREST)
    Date (from‐to) : 2023/10 -2029/03
  • Japan Society for the Promotion of Science：Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
    Date (from‐to) : 2021/09 -2026/03 
    Author : 前川卓也、木村幸太郎、竹内孝
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B))
    Date (from‐to) : 2022/10 -2025/03 
    Author : 木村 幸太郎; 武石 明佳; 大友 康平; 堤 元佐
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業 基盤研究(B)
    Date (from‐to) : 2021/04 -2025/03 
    Author : 木村 幸太郎; 加藤 昇平; 佐久間 拓人; 疋田 貴俊
  • Japan Society for the Promotion of Science：Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
    Date (from‐to) : 2020/08 -2025/03 
    Author : 澤本 和延; 齋藤 伸治; 木村 幸太郎; 財津 桂
     
    生後脳におけるニューロン新生と細胞移動・成熟の過程を、先端分析技術を駆使して大規模・高解像度に研究し、その特徴を明らかにするとともに、脳障害の病態を解明することを目的として、以下の研究を実施した。 (1)生後のニューロン新生と細胞移動を支える組織構築の三次元微細形態解析：幹細胞によるニューロンの産生とニューロン移動の微小環境の構造学的基盤を解明することを目的として、連続ブロック表面走査型電子顕微鏡(SBF-SEM) による観察を実施した。深層学習などの技術を応用することにより、マウス脳組織のSBF-SEM画像をより効率よく、正確に解析する方法を開発した。 (2)ニューロン新生・移動を制御する分子のスクリーニング：新生仔期における遺伝子発現の変化を捉えるため、新生仔マウス脳室下帯の細胞集団の単一細胞網羅的遺伝子発現解析(scRNAseq)を実施した。得られた遺伝子発現情報を解析し、細胞種の分類作業を行った。また、探針エレクトロスプレーイオン化タンデム質量分析(PESIMS/MS)を用いて得られた情報を解析し、早産で変化する代謝産物の特定を行った。 (3)新生児期のニューロン新生機構と早産による影響：昨年度に引き続き、正期産・早産マウスの脳室下帯細胞の微細形態および細胞間の接着関係を解析した。また、脳室下帯のscRNAseq解析とメタボローム解析の結果を紐づける方法を検討した。 (4)新生児期のニューロン新生・移動を調節する分子機構と操作技術の開発：メタボローム解析から見いだされた早産によって変化する代謝経路を薬理学的な方法で操作する実験を検討した。
  • 超高速三次元イメージングによる脳機能基本原理の解明
    中谷医工計測技術振興財団：開発研究助成
    Date (from‐to) : 2024/04 -2025/03
  • Toward understanding neural network in the brain and its artificial reconstruction
    自然科学研究機構生命創成探究センター (ExCELLS)：ExCELLS課題研究（シーズ発掘）
    Date (from‐to) : 2022/06 -2023/03 
    Author : 木村幸太郎, 青木一洋, 根本知己, 本田直樹
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業 挑戦的研究(萌芽)
    Date (from‐to) : 2021/07 -2023/03 
    Author : 木村 幸太郎、中川敦子
     
    神経科学において近年注目されつつある高次脳機能は「感情」である。研究代表者木村は、線虫C. エレガンスにおいて「感情」を反映すると考えられる刺激応答行動を見出した。本研究では、(1) この刺激応答行動を順遺伝学的手法で解析することにより「感情」に関わる遺伝子を網羅的に同定すること、また (2) 先端的な全脳神経活動イメージングによって、C. エレガンスの全脳神経活動が「感情」によってどのように変化するかを明らかにすることを目指している。
    当該年度は、主に以下を行った。 (A) 「感情」に関わる遺伝子の順遺伝学的解析による同定(木村):C. エレガンス研究の長所である順遺伝学的解析によって、「感情」を反映すると考えられる刺激応答に異常を示す変異株を単離する。順遺伝学的スクリーニングから5つの候補変異株を単離していたが、当該年度は表現型再現性の確認/戻し交配/相補性テストなどを行った後に、全ゲノムシークエンスを行った。今後、表現型回復実験を順次行う予定である。 (B) C. エレガンスの刺激応答と「感情」との関連の検証(木村および中川): ヒト心理学の専門家である中川と、野生株および変異株の刺激応答行動がどの範囲で「感情」の基礎科学的基準を満たすかを議論した。 (C) 全脳活動イメージングによるC. エレガンスの「感情」と神経活動の解明(木村):「感情」は脳活動のさまざまな面に影響する。脳がわずか200個弱の神経細胞によって構成されるC. エレガンスを用いれば、「感情」によって脳全体の活動がどのように変化するかを計測することができる。当該年度は、木村らが最近独自に確立した高速三次元顕微鏡を用いた全脳神経細胞活動のカルシウムイメージングのハードウェアの最適化およびイメージングのための形質転換株の検討を行った。
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業 新学術領域研究(研究領域提案型)
    Date (from‐to) : 2021/04 -2022/03 
    Author : 橋本 浩一; 木村 幸太郎; 前川 卓也; 小川 宏人
     
    本領域では「ヒトや動物の移動行動を計測し、分析し、モデルとして理解し、検証する」という新たな学問分野を創設することを目指した。積極的な異分野融合研究の成果として、最先端の小型多次元センサデバイスであるログボット（ロギングロボット）のハードウェア開発、および計測された多次元移動情報からのデータ駆動型分析プラットフォーム群を開発した。さらに本領域で得られた様々な動物種のデータに適用することによる、動物のこれまでに知られていなかった生態の解明や、生物ナビゲーションの数理モデル化などに成功した。 成果取りまとめの2021年度に19報の論文が採択された。主な論文は以下に紹介する。(1) ドメイン敵対的学習を用いて異種横断行動解析を行う手法を提案した。(2) 視覚／聴覚VRシステムを用いた音源定位行動における視覚入力の影響を調査した。(3) 逃避行動をモデルとした移動運動の方向制御について，その刺激依存性と下行性神経制御機構に関する研究を行った。(4) 動運動の方向制御に対する触角機械感覚入力の影響に関する研究を行った。(5) 公募研究の岩谷班が開発した無限遠平面装置を用いて，運動状態依存的な気流逃避行動の変化を解析した。 また主なアウトリーチ活動として、以下の項目を実施した。(1) Nature Indexにて木村Gと前川Gを中心とする７つの計画班・公募班の共同研究）に関する取材記事 "The challenge of leading interdisciplinary research projects"が紹介。(2) NHK-BS ヒューマニエンスにて木村Gと橋本Gの共同研究が紹介。(3) 公益財団法人テルモ生命科学振興財団 生命科学DOKIDOKI研究室での木村Gの紹介。
  • Japan Society for the Promotion of Science：Grants-in-Aid for Scientific Research
    Date (from‐to) : 2016/06 -2022/03 
    Author : Hashimoto Koichi
     
    The Systems Science of Biological Navigation (International Activity Support Group) promoted international research activities by holding international competitions on navigation analysis methods, inviting young researchers to travel abroad, and inviting distinguished researchers to Japan. Specifically, with animal and human trajectory datasets made public, we held competitions on algorithms to understand behaviors from the trajectories. The winners of these competitions were invited to international symposiums and conferences hosted by this project, providing opportunities for young researchers and students to interact with each other. This exchange led to the establishment of a new international collaborative research network. In addition, tutorials and workshops were held at several international conferences to discuss the research of this group with overseas researchers.
  • 神経科学・光工学・データ科学の融合による線虫の全脳機能的神経回路の同定
    自然科学研究機構：分野融合型共同研究事業
    Date (from‐to) : 2020/04 -2022/03 
    Author : 木村幸太郎; 根本知己; 大友康平; 竹内一郎
  • 人工知能とデータ科学に基づく神経活動と動物行動の関連解析
    理化学研究所革新知能統合研究センター：共同研究
    Date (from‐to) : 2017/04 -2022/03 
    Author : 竹内一郎; 木村幸太郎
  • 線虫の全脳イメージングによる探索型ナビゲーション神経基盤の解明
    Japan Society for the Promotion of Science：Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
    Date (from‐to) : 2016/06 -2021/03 
    Author : 木村 幸太郎; 石原 健
     
    探索型ナビゲーションは、環境からの乏しい情報を元に目的地にたどり着くための手段であり、これには効率的な情報の抽出や蓄積、判断、行動の制御など、様々な脳活動が必要である。線虫C. エレガンスは、化学物質（匂いや味）に対して探索型ナビゲーションを行う事、わずか302個の神経細胞から構成される全回路構造が解明されている事、神経機能に必要な遺伝子はヒトなどと高い共通性を持つ事などから、探索型ナビゲーションを制御する神経細胞活動を明らかにするためのモデルとして優れている。本研究では、探索型ナビゲーションに関わる神経活動の全貌を解明するために、「課題１：刺激-行動対応解明のための半自動分析方法の確立」「課題２：全脳神経活動の同時イメージング」「課題３：刺激と行動を結ぶ脳機能のモデル化とシステム同定」「課題４：フィードバック介入実験によるモデルの検証」を目指している。H29年度は、課題１～３を中心に行った。
    課題１ 刺激-行動の対応解明のための半自動分析方法の確立：A02前川班との共同研究として、線虫の行動状態を半自動的に分析する手法を確立した。 課題２ 全脳神経活動の同時イメージング: 人工知能技術の１つである深層学習を用いて、三次元時系列イメージ中の神経細胞を効率的に追跡するソフトウェアを開発した。 課題３ 刺激と行動を結ぶ脳機能のモデル化とシステム同定：A02竹内班との共同研究として、刺激-脳状態-行動の時系列ベクトルデータを効率的に処理する手法を確立した。
  • Japan Society for the Promotion of Science：Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
    Date (from‐to) : 2016/06 -2021/03 
    Author : Hashimoto Koichi
     
    In the "Systems Science of Bio-navigation", we aimed to establish a new academic field to measure, analyze, model and verify human and animal movement behavior. As a result of active interdisciplinary research, we have developed a series of state-of-the-art small multidimensional sensor devices called "Logbot" (logging robot). We have also developed a set of softwares for data-driven analysis of the measured multidimensional movement data. By using these methods, we have succeeded in elucidating novel behavior of wild animals and in mathematical modeling of navigation of various animal species.
  • 「移動」を中心とした理学とデータ科学と基礎医学の融合研究
    名古屋市立大学：特別研究奨励費（国の競争的資金獲得活性化事業）
    Date (from‐to) : 2019/04 -2021/03 
    Author : 木村幸太郎; 澤本和延; 中川秀彦
  • 人工知能を用いた生体神経回路ダイナミクスの理解
    公益財団法人豊秋奨学会：研究費助成
    Date (from‐to) : 2018/10 -2020/09 
    Author : 木村幸太郎; 竹内一郎
  • 線虫の全脳イメージングによる探索型ナビゲーション神経基盤の解明
    文科省：新学術領域研究
    Date (from‐to) : 2016 -2020 
    Author : 木村 幸太郎
  • Japan Society for the Promotion of Science：Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
    Date (from‐to) : 2013/05 -2017/03 
    Author : Hashimoto Koichi; HIGASHITANI ATSUSHI; KAGAMI SHINGO; ARAI SHOGO
     
    In this study, in order to analyze the brain function mainly by the sensory response behavior system, we simultaneously stimulated neuronal activities, developed an external stimulus according to the state, and developed a system to measure behavior. In particular, as the integration platform, we developed the world's first robot microscope "OSACaBeN" that automatically tracks moving observation objects at high speed to stimulate specific nerve cells by projection mapping, and the properties of multiple dopamine cells in nematodes during action are different from each other. Furthermore, regarding the smell response behavior of nematodes, we clarified the possibility of possessing brain functions common to humans and others, performing time-integrated information "decision making".
  • 光刺激ビジュアルサーボ顕微鏡の開発
    文科省：基盤研究（Ａ）（分担）
    Date (from‐to) : 2013 -2016 
    Author : 木村 幸太郎
  • 線虫Ｃ．ｅｌｅｇａｎｓの匂い応答行動を制御する神経ネットワークの統合的機能解析
    Japan Society for the Promotion of Science：Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
    Date (from‐to) : 2011/04 -2013/03 
    Author : 木村 幸太郎
     
    脳・神経系の複雑なネットワークの機能はその構造と密接に結びついているが、実際にその 機能と構造の関連を詳しく明らかにした例は限られている。本研究では、全ニューロン間の接 続様式が明らかになっているモデル動物・線虫 C. elegans を対象として、特定のニューロンの活動が神経細胞のネットワークを介してどのように行動を制御するのかを統合的に解析した。具体的には、「C. elegans の匂い忌避行動とその増強」(Kimura et al., J. Neurosci. in press) を制御する神経回路の活動を解析した。まず、独自に開発した線虫行動計測装置により、C. elegansが匂い物質2-ノナノンを忌避する際に、非常に高確率で匂い勾配を下る事を明らかにした。この結果 は、従来からの biased random walk モデルや風見鶏機構では説明困難であり、C. elegans の 2-ノナノンへの応答行動は新たな原理によって制御されている可能性が高いと考えられた。さらに、非拘束下で行動するC. elegansをリアルタイムで追跡しながら任意の匂い刺激を行い、この時の神経細胞活動をカルシウムイメージングと光遺伝学によって解析する統合型顕微鏡システムを、橋本浩一教授（東北大学）との共同研究で開発した。この統合型顕微鏡システムを用いた研究により、匂い上昇と匂い減少に応答する感覚神経細胞をそれぞれ同定し、行動を制御する感覚神経活動に関して新たなモデルを提唱した。この統合型顕微鏡システムはショウジョウバエやゼブラフィッシュなど小型モデル動物の化学応答行動にも応用可能であり、動物の行動を制御する脳機能の高精度の解明に大きな役割を果たすと考えられる。
  • 線虫C. elegansの匂い応答行動を制御する神経ネットワークの統合的機能解析
    文科省：新学術領域研究
    Date (from‐to) : 2011 -2013 
    Author : 木村 幸太郎
  • 追跡型新規カルシウムイメージングシステムによるシンプルな神経回路活動の動作原理の解明
    三菱財団：自然科学助成
    Date (from‐to) : 2011 -2012 
    Author : 木村 幸太郎
  • Japan Society for the Promotion of Science：Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
    Date (from‐to) : 2009 -2011 
    Author : KIMURA Kotaro
     
    Avoidance behavior of the nematode C. elegans to 2-nonanone is significantly enhanced, rather than reduced, after 1 hr-preexposure to the odor. In this project, we found that the D2-like dopamine receptor DOP-3 is required in a couple of interneurons RIC to regulate the enhancement to repulsive odor 2-nonanone in the animals. Our result may shed light on molecular mechanism of dopamine signaling that plays significant roles in regulating locomotion, emotion and learning in mammalian brain.
  • 線虫C. elegans行動制御・解析システムの開発
    文科省：新学術領域研究
    Date (from‐to) : 2009 -2011 
    Author : 木村 幸太郎
  • Japan Society for the Promotion of Science：Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
    Date (from‐to) : 2009 -2010 
    Author : 木村 幸太郎
     
    複雑なネットワーク構造を持つ脳・神経系の活動は、主として個体の行動に反映される。本研究では、光刺激を用いて線虫C.elegansの複数個体の神経細胞の活動(膜電位変化)を同時に制御し、その行動への影響を詳細に記録・解析できるシステムを構築することを目標とした。 channelrhodopsin(ChR)やhalorhodpsin(HR)などを用いて細胞の膜電位を光依存的に制御するoptogeneticsは、脳・神経系の動作原理を明らかにするための必須のツールになりつつある。しかし、ChRやHRによる膜電位制御には比較的強力な光照射が必要であると考えられており、線虫C.elegansを用いた場合では顕微鏡上という限られた実験系でしか使用できなかった。 本研究では、光刺激用に強力な環状LED照明を作成し、このLED照明と同期を取りながら画像取得するシステムを開発した。これによりC.elegans行動の一般的なアッセイ条件(9cmプレートを使用)でのoptogeneticsによる神経活動制御が可能となり、かつ大量の個体の迅速な行動測定が可能になった。この新たな照明系を申請者がこれまでに開発したC.elegans行動解析システムと組合わせて「行動制御・解析システム」とした。 H21年度にはこの行動制御・解析システムを確立できたので、H22年度はその評価を行った。まず、ChRを体壁筋で発現させた場合、光刺激によるChRの活性化で、線虫の行動が大きく阻害された。次に、特定の感覚ニューロンでChRを発現させて光刺激を行った場合、カルシウムイメージングおよび定量的行動解析から期待された通りの行動変化を引き起こすことができた。本研究によって、C.elegans・ショウジョウバエ幼虫・ゼブラフィッシュといった小型動物の神経機能を光遺伝学的手法によって解析するための簡便なシステムが確立できたと考えている。
  • 科学技術振興機構：さきがけ「生命システムの動作原理と基盤技術」
    Date (from‐to) : 2006 -2010 
    Author : 木村 幸太郎
     
    近年になって、私たちの脳に対する様々な知識は飛躍的に蓄積されつつあります。しかし、脳という1つの情報処理装置が、時々刻々と変化する入力(刺激)に対して適切に出力を行うためのルールには不明な点がたくさん残されています。本研究では、線虫C.elegansという神経細胞がたった302個しかない動物の「脳」の情報処理の過程を調べる事によって、脳における情報処理の基本ルールを理解しようとしています。
  • 定量的匂い刺激による神経細胞活動のin vivoイメージング系の開発
    島津科学技術振興財団：島津科学技術研究開発助成金
    Date (from‐to) : 2010 
    Author : 木村 幸太郎
  • 線虫C. elegansをモデルとした感覚応答行動に対する制御メカニズムの研究
    武田科学振興財団：生命科学研究奨励
    Date (from‐to) : 2009 
    Author : 木村 幸太郎
  • Japan Society for the Promotion of Science：Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
    Date (from‐to) : 2007 -2008 
    Author : KIMURA Kotaro
     
    神経機能が経験により変化する事、すなわち神経機能の可塑性は高次神経機能の基盤である。本研究では、神経機能可塑性の新たな基本原理を明らかにするために、線虫C.elegansの匂い忌避行動の増強を制御する遺伝子の解析を行った。C.elegansの匂い忌避行動の増強とは、C.elegansに嫌いな匂いを事前に経験させると、非連合学習としてその匂いに対する忌避行動が増強されるという現象である。本研究により、この匂い忌避行動増強にはドーパミンシグナル伝達が必要である事、特にドーパミン受容体としてD2受容体相同遺伝子が必要である事を明らかにした。ドーパミンは哺乳類の中枢神経系においてさまざまな高次神経機能に関与しているが、その分子レベルの作用メカニズムには不明な点が多い。本研究成果に基づいてC.elegansでさらなる解析を行う事によって、ドーパミンシグナル伝達の分子レベルでの新たな理解を得ることができると考えられる。
  • Japan Society for the Promotion of Science：Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
    Date (from‐to) : 2004 -2007 
    Author : KATSURA Isao; KIMURA Kotaro
     
    We obtained the following results in genetic and molecular biological studies on the roles of food, starvation, and repellent odorants in learning behaviors and other functions of the nematode C. elegans. (1) Learning with butanone and food. We discovered that pre-exposure to butanone and food specifically enhances chemotaxis to butanone, and analyzed mutants in this behavior. The behavior required the functions of Bardet-Biedl syndrome genes at the sensory cilia of the AWC-ON neuron, which sense butanone. It also required a specific amino acid residue in the G alpha protein ODR-3, which couples with odorant receptors, suggesting that a protein interacting with G alpha may be involved. (2) Control of growth rates etc. in the intestine. We conducted intragenic analysis of class 1 flr genes, which control growth rates, etc. in the intestine. Class 2 flr genes, which counteract the class 1 genes, also regulated immunity against E. coli. One of these genes, flr-2, encoded a secretory protein of the DAN/Gremlin/Cerberus family that was expressed in neurons. We identified a FLR-2-binding protein ZK20.1, which regulated defecation cycle periods. (3) Analysis of dauer larva regulation. We examined a large amount of data on the synthetic dauer-constitutive phenotypes of known mutations, their suppression by another mutation, and the expression of the dauer-signaling molecule DAF-7 in various mutant backgrounds. (4) Behavioral changes by pre-exposure to repellent odorants. Pre-exposure to nonanone enhanced avoidance of nonanone. This plasticity was independent of the presence of food during pre-exposure and required dopamine, which plays an important role in human behavioral plasticity. (5) Genetic theory on parallel pathways. The genetic theory that derives the order of genes in signaling pathways from epistasis data was expanded to the cases of parallel pathways. The new theory succeeded in explaining a certain enigmatic phenomenon.
  • Japan Society for the Promotion of Science：Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Exploratory Research
    Date (from‐to) : 2005 -2005 
    Author : 桂 勲; 木村 幸太郎
     
    1.レリーサーとなる感覚刺激がなくても行動プログラムを発現する変異体の探索:蛍光ラテックスビーズを用いて、摂食(咽頭のポンピング運動)や脱糞を測定するアッセイ法を開発した。これを用いて、摂食行動や脱糞行動の餌による制御に関する変異体を分離する条件を検討した。2.餌の効果が見られない変異体の解析:餌とブタノンの対提示による走化性促進が見られないolrn-1(ut305)変異体の原因遺伝子のクローニングを行ったところ、感覚繊毛構造が異常なbbs-8遺伝子であることがわかった。他のbbs遺伝子(bbs-1とbbs-7/osm-12)の変異体もこの行動が異常だったが、bbs以外の感覚繊毛異常変異体は、この行動が正常だった。変異体の表現型と細胞特異的発現実験から、この行動における餌の信号受容または餌の信号とブタノンの信号の統合に、bbs遺伝子の感覚繊毛での機能が必要らしいことがわかった。3.忌避刺激が行動に与える効果:揮発性の忌避物質を長時間与えると忌避行動が促進される現象を研究している。この行動可塑性に関するさまざまな既知変異の効果を調べ、必要な遺伝子を同定した。4.行動の詳細な解析、特に前進、方向転換、後退の頻度の解析の必要性に気づいたため、動画像解析装置を購入した。これを用いて、行動の記録と解析を行う条件を設定した。今後、これを用いて解析を行うことにより、今までは単に走化性指数等の違いで判定されていた異常の原因を、さらに詳しく突き止めることができると思われる。
  • Japan Society for the Promotion of Science：Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Exploratory Research
    Date (from‐to) : 2004 -2004 
    Author : 桂 勲; 木村 幸太郎; 石原 健
     
    線虫C.elegansを材料として、変異体の分離と解析により行動の中心的制御を行う遺伝子を探索する目的で、以下の研究を行った。 (i)レリーサーとなる感覚刺激がなくても行動プログラムを発現する変異体の探索法:野生型は、餌の存在下でのみ摂食行動や脱糞行動を行う。餌の非存在下で蛍光ラテックスビーズの腸内への取込みや腸からの排出を測定するアッセイ法を開発した。これにより、餌による摂食行動や脱糞行動の制御に関する変異体を分離できるようになった。 (ii)餌の効果が見られない変異体の解析:ブタノンへの走化性行動は行うが餌とブタノンの対提示による学習行動が異常なo1rn-1(ut305)変異体を解析した。細胞特異的プロモーターによるo1rn-1野生型cDNAの強制発現では、ブタノンを受容するAWC感覚神経を含む少数の神経細胞で発現させた場合のみ、表現型が野生型を示した。AWC感覚神経細胞は左右一対の片方でのみstr-2遺伝子を発現することが知られているが、o1rn-1(ut305)変異体ではどちらのAWCもstr-2遺伝子を発現せず、この異常が学習異常の原因らしいことを見つけた。 (iii)忌避刺激が行動に与える効果:揮発性の忌避物質や高浸透圧などの忌避刺激を長時間与えた時に、それぞれの忌避行動がどのように変わるかを網羅的に調べ、これらの効果が異常な変異体を同定する基盤を確立した。 (iv)感覚統合を調節するHEN-1蛋白質の信号を伝える遺伝子群:HEN-1の受容体の候補であるチロシンキナーゼ型受容体の遺伝子scd-2について、プロモーターを挿げ替えた実験により、神経での発現が野生型表現型に十分なこと、発生の過程でなく完成した神経系で機能することを明らかにした。 これらの研究は発展する可能性があるので、新たな研究費により継続させたい。
  • Japan Society for the Promotion of Science：Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
    Date (from‐to) : 2000 -2003 
    Author : KATSURA Isao; KIMURA Kotaro; ISHIHARA Takeshi
     
    The genetic basis of behavior was studied by using the nematode C.elegans. (a) Studies on synthetic dauer-constitutive mutants yielded the following results. The Tbx2 transcription factor homologue function's in olfactory adaptation in AWC sensory neurons. The Tyr-phosphatase homologue SDF-13 acts in steroid hormone metabolism in XXXL/R cells whose function had been unknown. The multidrug resistance-associated protein homologue MRP-1 plays a role in the regulation of dauer larva formation in the intestine, pharynx and nervous system, while human MRP1 can substitute for C.elegans MRP-1 in this function. (b) Class 1 flr mutations, which confer abnormality in growth, defecation and sensory functions, and class 2 flr mutations, which suppress some of the class 1 phenotypes were investigated. New class 2 mutations were isolated as suppressors serotonin-sensitivity of class 1 mutations. Class 2 mutants showed shorter longevity. (c) hen-1 mutants, which prefer avoidance of copper ion to chemotaxis to odorants, showed abnormality also in the learning of temperature and starvation. hen-1 gene functions non-cell-autonomously in two pairs of neurons at the adult stage. A deletion mutant in hen-1 showed essentially the same phenotype as the original missense allele ut236. (d) Animals showed increased chemotaxis to butanone after conditioning with food and butanone, and mutants abnormal in this behavior were isolated. One of them, ut305, was also abnormal in adaptation to benzaldehyde and isoamyl alcohol. Th ut305 gene encoded a novel membrane protein and was expressed in many pharyngeal neurons and AIA interneurons. (e) Changes of behavior after prolonged exposure to noxious stimuli were studied. On the basis of these results, it has become clear that many behaviors are regulated by signals of food and starvation through multiple pathways. This is an important clue to the central control mechanism of behavior in C.elegans.

Social Contribution

  • 出張講義
    Date (from-to) : 2019/10/30
    Role : Lecturer
    Sponser, Organizer, Publisher  : 愛知県立瑞陵高校
  • 出張講義
    Date (from-to) : 2019/10/21
    Role : Lecturer
    Sponser, Organizer, Publisher  : 愛知県立岡崎北高等学校
  • 出張講義
    Date (from-to) : 2018/11/14
    Role : Lecturer
    Sponser, Organizer, Publisher  : 多治見西高等学校
  • 模擬講義
    Date (from-to) : 2017/11/16
    Role : Lecturer
    Sponser, Organizer, Publisher  : 兵庫県立宝塚北高等学校
  • 体感プログラム講義
    Date (from-to) : 2016/11/26
    Role : Lecturer
    Category : Research advise
    Sponser, Organizer, Publisher  : 大阪大学SEEDSプログラム（高大連携）
  • 体感プログラム講義
    Date (from-to) : 2015/12/26
    Role : Lecturer
    Category : Research advise
    Sponser, Organizer, Publisher  : 大阪大学SEEDSプログラム（高大連携）
  • 模擬講義
    Date (from-to) : 2013/10/25
    Role : Lecturer
    Category : Open college
    Sponser, Organizer, Publisher  : 兵庫県立星陵高等学校
  • 模擬講義
    Date (from-to) : 2013/09/02
    Role : Lecturer
    Category : Open college
    Sponser, Organizer, Publisher  : 奈良県立畝傍高校
  • 模擬講義
    Date (from-to) : 2012/11/22
    Role : Lecturer
    Category : Open college
    Sponser, Organizer, Publisher  : 大阪府立池田高等学校
  • 模擬講義
    Date (from-to) : 2010/08/09
    Role : Lecturer
    Category : Open college
    Sponser, Organizer, Publisher  : 大阪大学理学部
    Event, Program, Title : オープンキャンパス
  • 出張講義
    Date (from-to) : 2010/07/10
    Role : Lecturer
    Category : Visiting lecture
    Sponser, Organizer, Publisher  : 関西大倉高校

Others

  • 2020/01 - Today Associate Editor, Neuroscience Research
  • 2022/07 -2022/07 Scientific committee member, C. elegans Topic Meeting: Neuronal Development, Synaptic Function & Behavior (Vienna, Austria)
  • 2019/07 -2019/07 Co-organizer, Symposium "The dawn of data- and model-driven neuroscience" in Neuro2019 (The 42nd Annual Meeitng of the Japan Neuroscience Society / The 62nd Annual Meeting of the Japanese Society for neurochemistry)
  • 2018/12 -2018/12 Reviewer, Career Development Award, Human Frontier Science Program
  • 2017/08 -2017/08 Organizer, Tutorial Workshops on Systems Science of Bio-navigation, IEEE ICMA 2017 Conference
  • 2016/07 -2016/07 一般口頭発表座長 第39回日本神経科学大会（横浜）
  • 2016/07 -2016/07 Co-organizer, C. elegans Topic Meeting: Neuronal Development, Synaptic Function & Behavior (Nagoya, Japan)
  • 2016/04 -2016/04 Remote referee, European Research Council
  • 2015/12 -2015/12 Online reviewer, Wellcome Trust, Biomedical Research Fellowship Programme for India
  • 2015/06 -2015/06 Tenure Review, National University of Singapore
  • 2015/06 -2015/06 Research project review, European Cooperation in the field of Scientific and Technical Research - COST
  • 2014/09 -2014/09 一般口頭発表座長 第37回日本神経科学大会（横浜）
  • 2014/07 -2014/07 Local organizer, C. elegans Topic Meeting: Development, Cell Biology and Gene Expression Meeting in association with The 6th Asia-Pacific C. elegans meeting（Nara, Japan）
  • 2014/07 -2014/07 Organizing committee member, C. elegans Topic Meeting: Neuronal Development, Synaptic Function & Behavior (Madison, WI, USA)
  • 2012/09 -2012/09 一般口頭発表座長 第35回日本神経科学大会（名古屋）
  • 2012/06 -2012/06 Co-session chair, 5th East Asia C. elegans Meeting（Taipei, Taiwan）
  • 2011/12 -2011/12 一般口頭発表座長 第34回日本分子生物学会（神戸）
  • 2011/09 -2011/09 一般口頭発表座長 第34回日本神経科学大会（横浜）
  • 2011/06 -2011/06 Co-session chair, The 18th International C. elegans Meeting（Los Angeles, USA）
  • 2007/06 -2007/06 Research proposal review, National Science Foundation (USA)
  • 2006/12 -2006/12 シンポジウム座長 日本分子生物学会2006フォーラム（名古屋）
  • Manuscript review: Science, eLife, Curr Biol, PLOS Genetics, Genetics, J Neurosci, J. Neurosci Res, BMC Neurosci, eNeuro, Neurosci Lett, Neurosci Res, Genes to Cells, Zool Sci

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