2016 Fiscal Year Research-status Report

生体大脳皮質ニューロピルからのシナプスとグリアのカルシウム信号抽出と解析

Research Project

Project/Area Number	16K13116
Research Institution	Institute of Physical and Chemical Research
Principal Investigator	平瀬肇国立研究開発法人理化学研究所, 脳科学総合研究センター, チームリーダー (90392084)
Project Period (FY)	2016-04-01 – 2018-03-31
Keywords	ニューロン・グリア / ニューロピル / GCaMP / イメージング / 脳
Outline of Annual Research Achievements	G-CaMP7（カルシウムセンサー）を神経細胞とアストロサイトに発現するG7NG817マウス(Monai et al. Nature Communications, 2016)の頭蓋骨に開窓手術を施し、大脳皮質一次視覚野の位置に慢性イメージング用のウィンドウを設置した。マウスは、二光子顕微鏡下で安静状態で固定できるように訓練された。その結果、皮質２・３層のニューロピルを含む神経回路網から無麻酔で視覚刺激提示時にカルシウムイメージングを行うことに成功した。複数の動物より、ブレ補正の一次画像処理を行った。ニューロピル解析の計算機環境として、リナックス計算機サーバーにPnevmatikakisが提案した負値行列因子分解(Non-negative Matrix Factorization = NMF)を利用した解析プログラムのソースコードを導入した。取得した画像データを一括ではメモリ不足となり処理できないため、各動物の画像データから、一部領域を抽出した。また、NMF解析プログラムを改良し、ニューロピルデータから信号成分を抽出できるようにした。その結果、時定数が短い神経細胞様のシグナルと時定数が長いアストロサイト様の信号成分が抽出できることがわかった。そこで、複数の動物でデータ解析をバッチ処理できるように計算環境を整備したところ、一部の動物でＳ／Ｎ比が充分でないことが判明し、新たな画像データの取得が必要となった。また、現在では計算速度が遅いため、アルゴリズムの最適化（あるいは、別のアルゴリズムの適用）が望まれる。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 自動信号抽出には高いＳ／Ｎ比が必要なことが解り、新たな画像データを取得する必要が生じている。現在、イメージング実験を実行中である。また、最初に行った皮質２・３層よりも皮質１層のほうがより鮮明な画像が取得できるため、皮質１層よりデータを取得しつつある。
Strategy for Future Research Activity	昨年度に引き続き、ＮＭＦアルゴリズムを利用してニューロピルからのデータ抽出を行う。新たなＳ／Ｎ比の高いデータを取得した後に、データ解析を行い、健常マウスと病態モデルマウスでのニューロピルからの信号を比較する。また、計算機環境を効率的でかつ商用ソフトウェアに依存しない環境に転換できるかも検討する。
Causes of Carryover	新たなデータの取得のために、追加実験が必要となり、データ解析用の予算執行が遅延した。
Expenditure Plan for Carryover Budget	昨年度に繰り越した金額は、データ解析に必要な経費（例、バックアップ用メディア）に使い、当初の計画通りに予算を執行する。また、成果の一部を発表するために国際学会等に参加する。