神経コーディングの実験的・理論的研究

1993 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 05044099
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 佐藤 俊輔 大阪大学, 基礎工学部, 教授 (60014015)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): STIBER MICHA 香港科学技術大学, 講師 ; SEGUNDO JOSE カリフォルニア大学, 医学部, 教授 ; 野村 泰伸 大阪大学, 基礎工学部, 学術振興会特別研究員 ; 土居 伸二 大阪大学, 基礎工学部, 助手 (50217600)
• Keywords: ペースメーカ細胞 / 神経振動子 / 刺激応答特性 / 分岐現象 / カオス / 位相遷移曲線 / 大域的応答特性

Research Abstract

(1)抑制性周期シナプス入力に対するペースメーカ細胞の応答特性を調べた.実験では,入力スパイク列とペースメーカ細胞の放電するスパイク列を測定した.これは実際の神経系における情報の担い手はスパイクの瞬時周波数や,スパイク数であるという考えに基づく.これらの測定結果を,非線形力学系や確率点過程の手法を用いて解析した.その結果,ペースメーカ細胞の応答は,“locked"応答,“intermittent"応答,“messy"応答,“hopping"応答の4つのクラスに分類された.
(2)BVP振動子のような単純な力学系モデルを用い,モデルが生理学的実験に対応する応答を示すことを明らかにした.また,非線形力学系の解析の手法である位相遷移曲線によって,モデルの応答を近似的に一次元写像で記述した.さらに,分岐理論を用いて電気生理実験やモデルで得た4種類の応答に系統的な解釈を与えた.
(3)ペースメーカ細胞は,安定なリミットサイクルを持つ自励振動子系と考えられる.その応答特性は自励振動子系に共通の性質から生じる部分と神経振動子固有の性質から生じる部分があることが分かった.ペースメーカ細胞の膜電位は,いき値下ではゆっくりと変化するのに対して,いき値を越えると非常にすばやく変化する二つの異なる性質の運動から構成されている.この性質を考慮し,非常に単純なペースメーカ細胞モデル(mRICモデル)を提案した.mRICモデルを用いて,神経振動子特有の性質がペースメーカ細胞において非常に広いパラメータ範囲でカオス応答が観測される要因であることを明らかにした.上記(1)についてはカリフォルニア大学で,(2),(3)は大阪大学で行なわれた.

Research Products

• [Publications] T.Nomura,S.Sato,S.Doi,J.P.Segundo,M.D.Stiber: "A modified radial isochron clock with slow and fast dynamics as a model of pacemaker neurons.Global bifurcation structure when driven by periodic pulse trains" in preparation.
• [Publications] 山脇伸行,佐藤俊輔,土居伸二: "興奮性膜の電子回路モデルの周期パルス入力に対する応答特性" submitted.
• [Publications] Shinji Doi and Shunsuke Sato: "The Global Bifurcation Structure of the BVP Neuronal Model Driven by Periodic Pulse Trains" submitted. (1993)
• [Publications] T.Nomura,S.Sato,S.Doi,J.P.Segundo,M.D.Stiber: "Global bifurcation structure of a Bonhoeffer van der Pol oscillator driven by periodic pulse trains.Comparison with data from an inhibitory synapse" submitted.
• [Publications] Shunsuke Sato: "Wiener and other analyses of nonlinear systems and signals and their applications to biology" Frontier in Medical and Biological Engineering to appear.
• [Publications] Shunsuke Sato,Shinji Doi and Taishin Nomura: "A Bonhoeffer-van der Pol Oscillator Model of the Sino-Atrial Node:A Possible Mecjanism of Heart Rate Regulation" Methods of Information in Medicine. 33. (1994)
• [Publications] T.Nomura,S.Sato,S.Doi,J.P.Segundo,M.D.Stiber: "A Bonhoeffer-van der Pol oscillator model of locked and non-locked behavior of living pacemaker neurons" Biological Cybernetics. 69. 429-437 (1993)
• [Publications] Taishin Nomura,Shunsuke Sato,Shinji Doi,Jose P.Segundo and Michael D.Stiber: "Locked and Non-Locked Responses of the BVP Oscillator to Periodic Pulse Trains" Proceedings of International Joint Conference on Neural Networks. 1. 1313-1316 (1993)
• [Publications] 佐藤俊輔,井上淳子: "逆ガウス分布とその応用" 電子情報通信学会論文誌A. J76-A(8). 1002-1011 (1993)
• [Publications] 井上淳子,佐藤俊輔: "Ornstein-Uhlenbeck過程の初通過時間分布のPearsonプロットと神経発火間隔データへの当てはめ" 電子情報通信学会論文誌A. J76-A(8). 1011-1017 (1993)
• [Publications] 野村泰伸,佐藤俊輔,土居伸二: "自発的神経活動のモデル-BVPモデルからmRICモデルへ" MEとバイオサイバネティックス研究会. MBE93-25. 129-136 (1993)
• [Publications] 前田義信,土居伸二,佐藤俊輔: "Hodgkin-Huxley神経モデルの2次元分岐図" MEとバイオサイバネティックス研究会. MBE93-25. 105-112 (1993)
• [Publications] 館野高,土居伸二,佐藤俊輔: "On the period of a relaxation oscillator forced by periodic inputs with additive noise-A first-passage-time approach" 統計数理研究所共同研究リポート 工学/理学における不規則現象の解析. 49. 41-48 (1993)
• [Publications] 山脇伸行,佐藤俊輔,土居伸二: "興奮性膜の電子回路モデルの周期パルス入力に対する応答特性" 第8回生体生理工学シンポジウム報告集. 8. 345-348 (1993)
• [Publications] 川崎伸子,土居伸二,佐藤俊輔: "拡散により結合されたBVP振動子群の振動周期" MEとバイオサイバネティックス研究会. MBE93-25. 121-128 (1993)
• [Publications] 山脇伸行,佐藤俊輔,土居伸二: "ハードウェアニューロンモデルの周期パルス入力に対する応答特性" MEとバイオサイバネティックス研究会. MBE93-25. 113-120 (1993)
• [Publications] 佐藤俊輔,土居伸二: "BVP神経モデルの周期パルス刺激に対する応答 ニューラルシステムにおけるカオス(合原一幸編著),第4章" 東京理科大学出版会, 27 (1993)