2021 Fiscal Year Research-status Report
神経発火パタンがつくる軌道構造による領野間通信機序の解明
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20K07716
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| Research Institution | Kansai Medical University |
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Principal Investigator |
栗川 知己 関西医科大学, 医学部, 助教 (20741333)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
半田 高史 広島大学, 医系科学研究科(医), 助教 (40567335)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 領野間通信 / 運動野 / 線条体 / 抑制性細胞 / データ同化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2021年度は、研究計画に基づき、局所神経回路モデルとラットから取得したデータを用いることで、領野間の情報通信機構に関してデータ同化的なアプローチを行い、以下のような成果を得ている。
昨年度から引き続き構築している、３種類の抑制性細胞（Parvalbumin positive (PV) neuron, Somatostatin positive(SOM) neuron, vasoactive intestimal peptide (VIP）neuron)を導入した詳細な局所神経回路モデルを解析した結果、外部からの周期的な刺激に対する同期性と、無入力での神経ダイナミクスの“素”の状態(同期状態か非同期状態か)の関係をあきらかにした。これにより、神経ダイナミクスが同期状態と非同期状態(いわゆるasynchronous state)の境界において、周波数特異的な通信効率を極大化するという仮説を提唱した。さらに、この神経ダイナミクスの状態は、PV neuronとSOM neuron間の双方向結合強度のバランスによって決定されることも見出している。これらを栗川班の成果として２０２１年神経科学会にて発表し、それに基づき論文を執筆中である。
また、実験的には、ラット大脳皮質の二次運動野と大脳基底核の線条体それぞれから数十個の神経細胞の発火活動を電気生理学的に同時測定したデータを取得している。このデータを情報理論的に解析することで、線条体の数十ミリ秒前の活動が皮質－線条体間のsynergistic informationに相関していることを明らかにした。このことは、これらの領野間の情報通信に、線条体側が関与している可能性を示唆するものである。これらの成果は半田班の成果であり、bioRxivに既に投稿中で、現在査読誌で改訂中である。
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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
モデル研究による仮説提起、および実験データの解析がともに終了しており、研究計画にある軌道構造解明に向けて、モデル側のアプローチとデータ解析からのアプローチができている。これを踏まえて、最終年度である２０２２年度で”今後の推進方策”にあるように、データを用いた仮説検証をおこなう下地ができたため。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度までのモデルでは、ボトムアップで構成した神経回路モデルであった。来年度は、トップダウンで、領野間通信をおこなうように機械学習などの方法で学習させたシンプルなリカレントニューラルネットワークを構築する。昨年度のモデルにより、領野間の情報通信に重要な性質として、受け手側の神経ダイナミクスの同期―非同期状態が浮上したので、よりシンプルでトップダウンなモデルを構築することで、この性質が本当に領野間の通信に重要なのかを確認する。さらに本研究課題の重要なポイントとして、神経ダイナミクスの幾何的な構造もシンプルなモデルをつかうことで明らかにすることを期待できる。
一方で実験データに対しては、本年度後半からTensor component analysisと呼ばれる方法で次元圧縮をおこない、解析を進めている。それにより１試行ごとにどのような違いがあり、それらが試行を繰り返すことでどのように変化していくかを明らかにする予定である。この方法で圧縮されたダイナミクスと、上記のモデルにより得られたデータを比較することで、どのような点が類似しており、どの点が異なるのかを解析する。このことにより、モデルで仮説とされた、神経ダイナミクスの重要な性質が実験でもサポートされるのかを確認する。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍で、旅費として確保していた金額の大部分が使用できなかったため。来年度はすでに、海外学会などに現地参加登録をしており、これらの旅費として使用する予定である。
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