Robust information coding by smallness of neural spines

2020 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K22860
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 61:Human informatics and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Kuroda Shinya 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (50273850)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2021-03-31
• Keywords: スパイン / ロバストネス

Outline of Final Research Achievements

The spine of a neuron is the place where information sent from other neurons is processed, and the extremely small volume of the spine results in a small number of molecules and a fluctuating response. Why is it possible to process information robustly even in such a small volume? In this study, we created a mathematical model and clarified the mechanism of robust information coding produced by the small size of the spine (Tottori et al., Phys. Rev. E 2019). Fluctuations of spines are also intracellular fluctuations within the same spine. On the other hand, there are also interspine and intercellular fluctuations. We found that fluctuations within the same cell are noise, while intercellular variations function as information (Wada et al., Cell Rep., 2020).

Free Research Field

システム生物学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

計算機などの人工システムでは情報を処理するために膨大なエネルギーを必要とする。たとえば、スーパーコンピュータ「京」の消費電力は3 千万ワットである。一方、最近の脳科学の研究から、我々の脳の消費電力は20ワットであることがわかっているが、スーパーコンピュータでは、人間の脳のような柔軟性に富んだ複雑な思考能力や演算能力を省エネルギーで獲得することは難しい。本研究で明らかにした小さい退席によるゆらぎを利用した情報コードの設計原理によって、画期的にエネルギーコストが安い情報処理システムの基盤の基礎原理となるかもしれない。