階層的集合振動体としての生物時計機構のモデル化

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15014204
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 中尾 光之 東北大学, 大学院・情報科学研究科, 教授 (20172265)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 片山 統裕 東北大学, 大学院・情報科学研究科, 助教授 (20282030) ; 山本 光璋 東北大学, 大学院・情報科学研究科, 教授 (40004618)
• Keywords: 時計遺伝子 / 転写・翻訳フィードバックループ / 位相反応曲線 / 光変換機構 / 反応拡散系 / 視交差上核 / 時差飛行 / 再同調

Research Abstract

脳の視交叉上核(SCN)に存在するニューロン群は日周振動子の生理学的実体と考えられる。(1)時計遺伝子を含む哺乳類の振動機構をモデル化した。これは、Per,Clock,Cry,Bmal1,Decからなる転写・翻訳フィードバックループの酵素反応系からなっている。このモデルは、Per,Cry,DecとBmal1とが逆位相関係を保ちながら振動しており、また、、Per,Clock,Cry,Bmal1のノックアウト実験の結果を再現した。また、Decをノックアウトした場合について振舞いを予測した。さらにCREBのリン酸化レベルの日周変動を転写・翻訳ループの外部に結合し、光変換機構のモデル化を行った。これにより、位相反応曲線に不感領域が現れ、実際の位相反応性を再現するものとなった。(2)分子レベルからSCN全体をモデル化するために、分子レベルの振動モデルを15変数から4変数へ縮約し、その振動解の振舞いや位相反応性について調べた。その結果、この縮約は詳細な記述によるモデルの力学的な性質を定性的には保存していることが明らかになった。さらに縮約モデルを拡散で結合した系についてそのダイナミクスを調べた。その結果、Perあるいはそれと同相で動いている変数に関連した拡散が系全体での同期性に支配的な役割を担っていることが明らかになった。(3)行動レベルから振動子への適応的なフィードバックを有する位相振動子モデルに新たに光応答性を導入し、時差飛行時の日周振動子の振舞いをシミュレーションした。それにより、順行性、逆行性、分離再同調が生じる条件を明らかにした。また、運動によって分離再同調が防止されることが明らかになった。以上は階層的集合振動体としてのSCNの生体リズム機構から、行動レベルまでを見通した統合的なモデル化による独自の成果である。

Research Products

• [Publications] M.Nakao et al.: "Period and phase adjustments of human circadian rhythms in the real world."J.Biol.Rhythms. 18・3. 261-270 (2003)
• [Publications] M.Nakao: "Modeling feedbacks from behavior to pacemakers in non-photic entrainment of human circadian system."K.Honma, and S.Honma eds, "Circadian Clock as Multi-oscillation System. Hokkaido University Press, Sapporo. 219-231 (2003)
• [Publications] M.Yamamoto et al.: "State-dependent alternation of neuronal slow dynamics in the rat ventroposterior thalamic area."Sleep and Biological Rhythms. 1・2. 101-103 (2003)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "A facial topographic profile of rapid eys movements anticipatory phasic potentials."Sleep and Biological Rhythms. 1・2. 151-152 (2003)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "Changes in the dynamics of sleep electroencephalogram in rat barrel cortex associated with long-term sensory deprivation."Sleep and Biological Rhythms. 1・2. 155-157 (2003)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "A real-time rapid eye movement sleep analyzer equipped with a portable wide-band polygraphic recorder."Sleep and Biological Rhythms. 1・2. 175-177 (2003)
• [Publications] M.Yamamoto et al.: "Is state-dependent alternation of slow dynamics in central single neurons during sleep present in the rat ventroposterior thalamic nucleus ?"Neuroscience Research. (in press). (2004)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "Characterization of baroreflex response under head-up tilting."Proc.25^<th> Ann Int'l Conf IEEE EMBS. 256-259 (2003)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "Temporal relationship between hippocampal theta wave and spontaneous and elicited PGO-like wave during REM sleep in rats."Neuroscience Research. 46・Suppl 1. S107 (2003)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamanoto et al.: "Fluctuational dynamics of a neural network model consisting of Hodgkin-Huxley type neurons driven by noise."Neuroscience Research. 46・Suppl 1. S166 (2003)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "Potine phasic activity is phase-locked to hippocampal theta wave during REM sleep in rats."Proc.17^<th> Ann.Meeting Ass.Prof.Sleep Soc.. 3 (2003)
• [Publications] M.Yamamoto et al.: "Do the processor neurons in the rat brain show the 1/f noise like dynamics during paradoxical sleep."Proc.17^<th> Ann.Meeting Ass.Prof.Sleep Soc.. 28 (2003)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "Non-monotonic changes of sleep EEG dynamics in rat barrel cortex associated with long-term sensory deprivation."Proc.17^<th> Ann.Meeting Ass.Prof.Sleep Soc.. 30 (2003)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "Formal similarity between the two process model and a coupled oscillator model."Proc.17^<th> Ann.Meeting Ass.Prof.Sleep Soc.. 98-99 (2003)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "Modeling of interactions between photic and non-photic entrainment mechanisms in time zone flights."Abstracts 1^<st> World Congress Chronobiology. E2-2 (2003)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "Stability of rhythm trajectory generated by feedback loop models."Abstracts 1^<st> World Congress Chronobiology. E2-1 (2003)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本他: "逆説睡眠時に観測されるラットP波頻度と海馬θ波周波数との時間関係"日本睡眠学会第28回定期学術集会抄録集. 2B1-3 (2003)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本他: "分子時計機構のダイナミクス"日本睡眠学会第28回定期学術集会抄録集. 1P2-12 (2003)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本他: "感覚遮断によるバレル野脳波の統計的性質の長期的変化"日本睡眠学会第28回定期学術集会抄録集. 2P6-6 (2003)
• [Publications] 中尾, 賃山, 山本他: "睡眠及び覚醒時の眼球運動に先行するスパイク電位の眼球運動依存性"日本睡眠学会第28回定期学術集会抄録集. 2P6-18 (2003)
• [Publications] 中尾: "ヒト日周リズムの位相振動子モデル-階層をたどる枠組み-"第42回月本エム・イー学会大会論文集. 161 (2003)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本他: "ブラインド信号分離を点時系列に使ってみる"第17回日本エム・イー学会秋季大会論文集. 71 (2003)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本他: "ラットの感覚毛除去によるバレル野の睡眠時脳波ダイナミクスの変化"電子情報通信学会技術研究報告MEとバイオサイバネティクス研究会. MBE2003-11 (2003)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本他: "生体リズムの分子機樺モデル"電子情報通信学会技術研究報告MEとバイオサイバネティクス研究会. MBE2003-10 (2003)
• [Publications] M.Nakao, M.Yamamoto et al.: "Modeling techniques of point processes and application in processing biomedical data. (T.Leondes ed. "Computational Methods in Biophysics, Biomaterials, Biotechnology and Medical Systems Vol.1")"Kluwer Academic Publishers. 263-326 (2003)