Study of neural mechanisms on visual parallel processing in retina

2022 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 – 2024-03-31
• Keywords: 網膜 / 錐体視細胞 / 双極細胞 / 数理モデル / 光応答解析 / シナプス

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。
2022年度は、主に前年度から引き続き研究を続けてきた錐体シナプスの構造に基づいたマイクロ回路について、最新の知見も導入しながらモデル構造の改良などを実施した。これは、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について、近年明らかになった知見も導入しながら、過去の知見も説明できるよう構築している。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の様子に加えて、電気的な変動の様子を解析することが可能になった。また伝達物質放出による濃度変化は、Caイオン濃度のみに依存するだけでなく、膜電位依存性の細胞膜メカニズムによっても修飾をうけることが明らかになった。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

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新たな知見も導入しがら、その振る舞いを再現するモデルは構築できた。一方で、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シナプスモデルへ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。したがって遅れていると考える。

Strategy for Future Research Activity

計画では4年でこの研究を完了する予定であったが、コロナなどの社会状況もあり遅れたため、もう一年延長を申請し、その中で完了を目指す。最後の課題である、錐体－水平細胞－双極細胞ネットワークモデルにおいて、シナプスモデルに導入した各細胞メカニズムが、その情報処理に及ぼす影響について解析していく予定である。

Causes of Carryover

新型コロナ関係の情勢から近年発表を見送ったことや、情報収集のための学会・研究会もオンライン開催であったため旅費として予定して予算が大きく繰り越している。2023年度は、一部研究関連消耗品に支出しながら、主に研究発表や研究内容の情報を集め完成度をたかめるための他の研究者とのディスカッションの機会のため、学会や論文誌への発表に対して使用してく予定である。