2021 Fiscal Year Research-status Report
Derivation of spatial rules of hetero-synaptic plasticity using the simulation of dendritic reaction-diffusion simulation
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20K12062
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| Research Institution | National Institute for Physiological Sciences |
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Principal Investigator |
浦久保 秀俊 生理学研究所, 脳機能計測・支援センター, 特任助教 (40512140)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ヘテロシナプス可塑性 / Ca2+シグナル / 反応拡散シミュレーション / 計算論的神経科学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
当初計画にあったシミュレータSTEPSを用いるCPUシミュレーションでは、個々のスパインのシミュレーションを行うには十分であっても、樹状突起のシミュレーションを行うには計算速度が遅かった。そこで、より高速にシミュレーションを行えるGPUシミュレーションに注目し、GPUシミュレータLattice Microbesを用いた樹状突起のCa2+反応拡散シミュレーションを開始した。ただし、Lattice Microbesはは球や円錐形など幾何的形状におけるシミュレーションしか取り扱う事ができない。そこで、(1) 詳細な形状を導入する仕組みを開発した。さらに(2) 細胞膜表面の分子を正しい密度で分布させる機能や、(3) シナプス部における神経伝達物質の入力シグナルなど特定時刻で生じる「イベント」を取り扱う機能を新たに実装した。その結果、NMDA受容体からのCa2+流入や、細胞表面Ca2+ポンプらかのCa2+のUptake、さらに細胞内Ca2+ストアからのCa2+放出をシミュレーションすることに成功した。さらに、複数シナプスを同時に刺激した際のCa2+をはじめとするシグナル伝達分子の反応拡散のシミュレーションを開始している。ただし、例えば多様な形状を持つスパインの領域を決定したり、スパイン形状を定量してシミュレーション結果と比較するツールを開発することが、ヘテロシナプス可塑性の空間的性質を明らかにするために必須であることが浮き彫りとなった。
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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
シミュレーションに使用するシミュレータをCPUベースのSTEPからGPUベースのLattice Microbesに変更した結果、樹状突起空間におけるシミュレーションを十分実用的に行う事ができるようになった。さらに、複数シナプスを同時に刺激した際のCa2+動態をシミュレーションできるようになっている。ヘテロシナプス可塑性を樹状突起空間構造から明らかにする道が開かれた。
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| Strategy for Future Research Activity |
特に、複数シナプスが同時に刺激された際、細胞内Ca2+ストアが活性化してヘテロシナプス可塑性が生じるとした作業仮説のもと、シミュレーションを実行して実験と比較する。また、シミュレーションと並行してスパイン形状の形態的特徴を定量化するツールの開発を進める。
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| Causes of Carryover |
本年度は、プログラムの一部を開発業者に委託する予定であったが、プログラム開発を目的とした他予算に採択されたため、それを充当した。一方、GPUシミュレーションを積極的に行う事となったため、次年度以降に新たにGPUサーバを購入する必要が生じた。そのため、予算を次年度以降に持ち越したい。
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