2015 Fiscal Year Research-status Report
グリア細胞・ニューロンネットワークの相互作用による脳内情報処理機構の数学的理解
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15K00417
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| Research Institution | The Institute of Statistical Mathematics |
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Principal Investigator |
田村 義保 統計数理研究所, モデリング研究系, 教授 (60150033)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
染谷 博司 東海大学, 情報理工学部, 准教授 (00333518)
越久 仁敬 兵庫医科大学, 医学部, 教授 (20252512)
岡田 泰昌 独立行政法人国立病院機構村山医療センター(臨床研究部), 電気生理研究室, 室長 (80160688)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | カルシームイメージング / アストロサイト / 呼吸リズム / 低酸素呼吸応答 / ニューロン / グリア細胞 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
呼吸リズム生成機構の中核を担うpre-Botzinger complex (preBotC)のアストロサイトの役割は明らかではない。Hodgkin-Huxley型の周期性バースト発火する呼吸ニューロンと低周波振動するRosslerアトラクタ型のアストロサイトが相互に影響しあうモデルを用いたシミュレーション実験を行い、ニューロン・グリアネットワークが、loosely coupled oscillatorsで表現されることを見いだした。このモデルを大規模ニューロン・グリアネットワークへ拡張するため、ネットワークが全体として同期して活動するのに最適のトポロジーついてシミュレーションを行った。
In vitro環境でも自発的な呼吸リズム形成能を有する新生ラット摘出脳幹脊髄標本において、ニューロンとアストロサイトとによる呼吸リズム形成の過程を可視化する実験を行った。呼吸リズム形成の場である延髄preBotC領域のレベルで標本吻側部を横切断し、頚髄Ｃ４前根から呼吸神経出力を記録しつつ、カルシウムイメージング法により延髄切断面からpreBotC領域内の細胞活動を計測した。ニューロンとアストロサイトとの特性の違いを利用し、イメージング法で活動を記録した細胞を、高効率でニューロンとアストロサイトとに分類できるようになった。
さらに、ニューロンとグリア細胞の自動判別技術の構築を狙いとした時系列解析を実施した。岡田らの撮影したカルシウムイメージング動画について，輝度の変動に注目した特徴量を抽出し解析したところ，カメラのブレに起因すると考えられる輝度変動が合わせて抽出され，自動判別の妨げとなった。そこで，撮影動画の各静止画フレームに対する局所特徴量マッチングおよび遺伝的アルゴリズムに基づくブレ補正技術を開発した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
呼吸調節機構をモデル化し、ニューロンネットワークとアストロサイトネットワークの機能的相関から脳の動作原理を数学的に理解しようとすることを目的としているが、学術成果も出せていることから、このように判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
シミュレーション実験によって得られた最適なトポロジーのニューロンネットワークとloosely coupleしたアストロサイト振動子のモデルのシミュレーションを行い、アストロサイトが呼吸リズム形成においてどのような役割をしているかを検討することを計画している。
また、呼吸中枢での呼吸リズム形成過程に関わるニューロンとアストロサイトのイメージング実験を継続して行い、酸素化レベルを変えるなど様々な生理学的条件下でのデータを集積することも計画している。それらの実験データに基づいて、ニューロンとアストロサイトよりなる、より精緻な数理モデルを構築し、コンピュータシミュレーションを行い、イメージング実験の結果と合わせて、呼吸リズム形成過程におけるアストロサイトの役割を解明する。その成果に基づき、ニューロンとアストロサイトの相互作用による脳内情報処理機構の普遍的な理解を深めていく。
さらに、開発したブレ補正技術を洗練化し、また，補正精度の客観的評価を試みることも計画している。
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| Causes of Carryover |
順調に計画は進んでいるが、数理的解析方法の研究を、実験データがもう少し整ってから行った方がよいと判断したため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
数理的解析方法の研究に必要なソフトウェア購入などのために用いる。
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[Presentation] A novel model of respiratory rhythm generation: a mechanism by interaction of intrinsically oscillating astrocytes and neurons2015
Author(s)
Okada Y, Oku Y, Sasaki T, Vivar C, Yokota S, Takeda K, Fukushi I, Yazawa I, Someya H, Tamura Y
Organizer
Neuroscience 2015, 45th Society for Neuroscience Annual Meeting
Place of Presentation
Chicago, USA
Year and Date
2015-10-17 – 2015-10-21
Int'l Joint Research
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