2015 Fiscal Year Research-status Report
学習と記憶における周波数カップリングを用いた文脈情報と感覚入力の統合
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15K00325
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| Research Institution | Kawasaki University of Medical Welfare |
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Principal Investigator |
福島 康弘 川崎医療福祉大学, 医療福祉学部, 准教授 (00384719)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
津田 一郎 北海道大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (10207384)
相原 威 玉川大学, 工学部, 教授 (70192838)
塚田 稔 玉川大学, 付置研究所, 教授 (80074392)
山口 裕 福岡工業大学, 情報工学部, 助教 (80507236)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 海馬 / 短期記憶 / カオス的遍歴 / 周波数相互作用 / 高低のγ波 / θ波 / 生理実験と生理モデル / パッチクランプ記録 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、海馬における学習と記憶の情報表現について、異なる周波数帯域で構成される文脈情報と感覚入力がどのように相互作用するのかに着目して生理実験を実施し、その情報表現の基本原理を抽出、その結果からネットワークモデルを構築することである。
具体的には、海馬CA1 の単独ニューロンにおいて、低γ波の周波数帯域を持つ文脈配列情報（時系列情報）がフラクタルコードとして記録されていく際、高γ 波の周波数帯域を持つ感覚入力、学習の際に観察されるθ波のリズムらの周波数カップリングによる相互作用が学習に及ぼす影響を生理実験とモデルを使って明らかにすることである。
平成27年度に関しては特に低γ波と高γ波の相互作用に注目し、研究を進めた。研究代表者である福島が研究分担者である相原と共同で、生理学実験を担当した。川崎医療福祉大学にある正立顕微鏡下の可視化パッチクランプ電気生理計測装置を利用し、海馬CA3-CA1 の神経回路におけるカントールコーデングをおこなう際の高低γ波の相互作用を、海馬スライス標本での実験系で開始した。特定順序のランダム時空間系列パターンでの刺激配列を作成し、海馬CA1 錐体細胞の樹状突起上の4カ所のシナプス相当領域に刺激をおこなった。まず、可塑性の起きない状態（定常状態）でのデータを取得した。データ解析は研究代表者である福島が、研究分担者である津田、山口と共同で行っている。また、平行してシナプスを介さずθ波ゆらぎの影響について検証するための細胞外θ帯域電場刺激装置の作成と運用のための準備をおこなっている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
海馬CA3-CA1 の神経回路において、EC-CA1 の感覚情報を用いた入力が文脈情報のカントールコーディングに対して、どのように影響を与えるかについて生理実験（海馬スライス）で検証している。4 本の微小ガラス管を用いて海馬CA1 の 錐体細胞の樹状突起上のシナプス相当領域に時系列刺激を模したランダム時空間パターンで刺激をおこなった。
昨年度に関しては、（１）分子層への高γ波の時空間パターン、放線層への低γ波の時空間パターン刺激を与えた場合のカントールコーディングの精度の検証（２）今後おこなう海馬CA1スライス標本への細胞外θ波電場刺激装置の作成、の2点に着目して生理学実験をおこなった。ところが、今回、おこなった範囲の刺激条件においては、両者とも十分な結果が得られなかった。（１）に関しては、今回実験をおこなった範囲でのパターンでは、高γ波と低γ波に依存した特定のはっきりとした傾向が今のところ得られておらず、従来までの結果とほとんど同じ結果しか得られていない。また、（２）に関しては、従来報告されている細胞外θ波電場刺激装置の刺激電極が通電により容易に分極してしまうなどの問題があり、長時間での安定したθ波電場刺激が難しい状況である。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度に関しては、（１）カントールコーディングにおける高低γ波帯入力での相互作用の新しい知見（２）長期の細胞外θ刺激装置の作成、の2点に関して十分な実験結果が得られなかったことを反省し、実験条件や実験装置の再調整をおこなった上で研究を進めていこうと考えている。
（１）カントールコーディングにおける高低γ波帯入力での相互作用入力空間依存性に関しては、まず、基礎的実験として、全ての刺激箇所を一定のγ周波数で刺激するコントロール実験をおこなう予定である。低γ波帯入力での精度、高γ波帯入力での精度を比較し、それぞれの周波数入力での特性をはっきりさせたうえで、刺激箇所毎に入力周波数帯域を変更した実験をおこない、相互作用をみていく方針である。また、同時に高低γ波帯入力を生理条件といれかえる実験（分子層への低γ波、放線層への高γ波での入力）をコントロール実験としておこない、樹状突起上の入力位置と周波数帯域との必然性の関係を明確にしていく必要がある。また、これらのコントロール実験の充実に加え、生理実験をおこなう際の基礎パラメータを決定ための計算モデル実験を生理実験に先行しておこない、その結果から生理実験のパラメータを逆推定して設定するような、計算論モデル実験からのフィードバックを強化することにより生理実験の効率化を進めていく方針である。
（２）従来報告されていた細胞外θ波電場刺激装置での刺激電極を従来の強度で入力すると、数分の連続刺激で分極してしまう欠点を修正するため、電極の形状、表面コーティングの方法等について再検討していく必要があると考えている。テストを繰り返すことにより、なるべく早く、実用的な長時間電場刺激を安定しておこなうための系を確立する必要があると考えている。
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| Causes of Carryover |
この科研費が採択される際、全体での研究経費が計画調書に記載した当初の希望額より下がってしまった。このため、当初購入を希望していた備品のガラス電極作成装置を購入すると、全体での研究プロジェクト推進が難しくなると判断した。そのため、若干、作成するガラス電極の精度が下がり研究推進の効率が下がるとしても、購入対象のガラス電極装置を当初の予定よりグレードの低い安価なガラス電極作成装置に変更し、全体の研究計画推進を現実的なレベルで運営できるようにした。その結果、当初の備品代として計画していた予算が、若干余ることとなった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
今年度の研究計画に示したように、当初の予定に比べ、電場θ波刺激装置の作成費用がかかりそうである。加えて、実験条件を詳しく設定するために、当初の予定より、生理実験を若干多めにおこなう必要がでてきた。そのため、差額分の予算に関しては、生理実験に必要な消耗品等の購入をおこなう予定である。
また、今回の研究計画で記入させていただいたように、計算論的モデル実験を生理実験に先行させるため、計算論的モデルの作成やシミュレーションを当初の予定よりもさらに推進していく必要がでてきた。このために必要なコンピュータ関連のソフトや保存装置にも研究費を使用させていただく予定である。これに加えて、計算論モデル実験の推進には、当初の予定より多くの研究グループ間の情報共有や実地での共同計算機実験が必要になってきており、これらに必要な交通費や宿泊費としても、研究費を有効活用していきたいと考えている。
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Research Products
(15 results)
