Study of neural mechanisms on visual parallel processing in retina

Research Project

Project/Area Number	19K12225
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 62010:Life, health and medical informatics-related
Research Institution	Chukyo University
Principal Investigator	石原彰人中京大学, 工学部, 教授 (80387620)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2024-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000) Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000) Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000) Fiscal Year 2020: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000) Fiscal Year 2019: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Keywords	網膜 / 錐体視細胞 / 双極細胞 / 数理モデル / 光応答解析 / シナプス / OFF型双極細胞 / 視細胞 / 視覚情報処理 / 情報伝達物質
Outline of Research at the Start	網膜は、眼に映った外界の風景をそのまま脳へ伝えるのではなく脳での情報処理に向けて網膜を構成する神経細胞間での情報のやりとりの中で、視覚情報の前処理を行う知能センサとも呼ばれる機能を有している。その機能の１つに網膜に投影された物体の形や色、動きの情報が異なる神経経路にて並列処理することがあげられる。本研究は、これに関わる神経機序を生理学的に比較的詳細な数理モデルを構築することで明らかにしていくことを目指している。
Outline of Annual Research Achievements	網膜において錐体シナプス部は、視覚系における最初のシナプスであり、2次ニューロンである水平細胞と双極細胞に対して出力を送る。ここでは、双極細胞以降の光応答特性から、基本的な視覚情報に関連した情報経路への分離が実現されていることが明らかになっている。それらの経路の分離には、錐体と双極細胞によって形成された主経路に対して水平細胞出力が修飾的に働くことで形成されていると考えられている。本研究では、この錐体シナプス部における情報処理メカニズムに関して数理モデルを用いた計算論的アプローチから明らかにしていくことを目的とする。 2022年度は、主に前年度から引き続き研究を続けてきた錐体シナプスの構造に基づいたマイクロ回路について、最新の知見も導入しながらモデル構造の改良などを実施した。これは、既にほかの研究者から報告されている内容をベースに簡単化したcone pedicleでの濃度変化を実現するモデルについて、近年明らかになった知見も導入しながら、過去の知見も説明できるよう構築している。このモデルにより細胞内外で各物質が拡散や細胞膜上のイオンチャネルやイオンポンプなどの作用によって濃度変化の様子に加えて、電気的な変動の様子を解析することが可能になった。また伝達物質放出による濃度変化は、Caイオン濃度のみに依存するだけでなく、膜電位依存性の細胞膜メカニズムによっても修飾をうけることが明らかになった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 4: Progress in research has been delayed. Reason 錐体シナプスのマイクロ回路のモデル化に関しては、概要に述べたように新たな知見も導入しがら、その振る舞いを再現するモデルは構築できた。一方で、双極細胞や水平細胞の樹状突起も含めた状態で、電位応答を再現するモデルへと発展させる予定であったが、最新の電気生理学的知見をシナプスモデルへ導入するためにモデル方程式の見直しなどが必要であったため、そこまで到達していない。したがって遅れていると考える。
Strategy for Future Research Activity	計画では4年でこの研究を完了する予定であったが、コロナなどの社会状況もあり遅れたため、もう一年延長を申請し、その中で完了を目指す。最後の課題である、錐体－水平細胞－双極細胞ネットワークモデルにおいて、シナプスモデルに導入した各細胞メカニズムが、その情報処理に及ぼす影響について解析していく予定である。