Study of neural mechanisms on visual parallel processing in retina

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K12225
• Research Institution: Chukyo University
• Principal Investigator: 石原 彰人 中京大学, 工学部, 教授 (80387620)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 網膜 / 錐体視細胞 / OFF型双極細胞 / 数理モデル / 光応答解析

Outline of Annual Research Achievements

網膜において錐体シナプス部は、視覚系における最初のシナプスであり、2次ニューロンである水平細胞と双極細胞に対して出力を送る。ここでは、双極細胞以降の光応答特性から、基本的な視覚情報に関連した情報経路への分離が実現されていることが明らかになっている。それらの経路の分離には、錐体と双極細胞によって形成された主経路に対して水平細胞出力が修飾的に働くことで形成されていると考えられている。本研究では、この錐体シナプス部における情報処理メカニズムに関して数理モデルを用いた計算論的アプローチから明らかにしていくことを目的とする。
2020年度は、2019年度に引き続き視細胞－双極細胞ネットワークにおける光応答のシミュレーション解析と、錐体シナプスの構造に基づいたマイクロ回路について既存の既存の生理学的知見をもとにしたモデル構築を実施した。
構築した視細胞－双極細胞ネットワークモデルでは、我々がこれまで構築してきたOFF型双極細胞に合わせて視細胞シナプス部からの情報伝達物質放出過程を見直し、より最近の生理学的知見についても導入したモデルへと発展させた。そのネットワークモデルを用いて異なる背景光下での光応答シミュレーション結果の比較から、その応答特性の違いに双極細胞のAMPAレセプタの不活性化する時間特性が大きく関与していることを示唆した。
錐体シナプスのマイクロ回路は、既にほかの研究者から報告されている内容をベースに簡単化したcone pedicleでの濃度変化を実現するモデルを構築した。このモデルにより細胞内外で各物質が拡散や細胞膜上のイオンチャネルやイオンポンプなどの作用によって濃度変化をしていく様子を解析することが可能になった。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

昨年度に引き続き新型コロナ感染拡大の影響もあり制限された中での発表活動をすることになることから、学会を通じた他の研究者とのディスカッションができていない状況がある。また、錐体シナプスのマイクロ回路のモデル化に関しては、概要に述べたように細胞内外の関連物質の濃度変化を再現するモデルは構築できた。一方で、計画では2020年度には双極細胞や水平細胞の樹状突起も含めた状態で、電位応答を再現するモデルへと発展させる予定であったが、最新の電気生理学的知見を導入するためにモデル方程式の見直しなどが必要であったため、そこまで到達していない。したがってやや遅れていると考える。

Strategy for Future Research Activity

学会活動を通じて関連する最新情報の調査や、他の研究者とのディスカッションからモデルか解析結果の精度を高めていく。また、視細胞シナプス部だけでなく双極細胞や水平細胞の樹状突起まで含めた形でのネットワークモデルの構築を早急に進めていく。

Causes of Carryover

昨年度に引き続き今年度も発表を予定していた学会について新型コロナ関係の情勢から発表を見送ったことや、発表した研究会などもオンライン開催であったため旅費として予定していた予算が大幅に繰り越している状況である。
2021年度の研究を進めていく上で、錐体シナプス部マイクロ回路モデルのシミュレーション解析において当初の予定よりも計算量がかかることが予想される。また、こうしたシミュレーション解析の場合、パラメータの一部を変えながら繰り返し実施することが多い。そこで、導入を計画していたワークステーションについて1台のみではなく、繰り越した予算を使用し計算能力の高いコンピューターを複数台導入する。これらによって計画がよりスムースに進むものと考える。