2022 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 | Fujita Health University |
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Principal Investigator |
浦久保 秀俊 藤田医科大学, 医学部, 准教授 (40512140)
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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 |
まず、シミュレーション結果とスパイン形状の関係を定量的に評価するため、スパインの形状の手動ラベルを補助すると共にスパイン特徴量を導出するソフトウェアを開発した(UNI-EM Annotator)。樹状突起を３次元表示すると共にスパイン部分を手動でラベルできるようにし、ラベルされたスパインの体積・表面積・長さなどの特徴量を計算できるようにした。
続いてGPUシミュレータLattice Microbesを用い、ヘテロシナプス可塑性の入力を導くシナプス刺激を行って（6シナプス同時刺激，0.5 Hz，30回）、その際のCa2+シグナル，CaNシグナルのシミュレーションを行った。その結果、シナプス刺激は幹となる樹状突起においてIP3受容体を刺激して、Ca2+-induced Ca2+ release (CICR) が生じて樹状突起Ca2+シグナルがCaN活性を導くことが明らかとなった。CaN活性は首（ネック）が太いスパインへ優先的に拡散することも明らかとなった、これは、ネックが太いスパインにおいてヘテロシナプス可塑性が優先的に生じる可能性を示唆する。
スパインネックの太さを実験で観測することは困難であるが、スパインを対象にしたFRAP実験の回復時定数からネックの太さを推測することができる。そこで、現在は、共同研究をお願いして実験実証の可能性を検討している。さらに、樹状突起におけるCICRは細胞内小胞体（ER）の形状に依存して不均質に生じることも示唆されており、対応する実験との比較対照を進める予定である。
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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
GPUベースのLattice Microbesによるシミュレーションが順調に動作すると共に、スパインの形状の手動ラベルを補助すると共にスパイン特徴量を計算するソフトウェアの開発に成功した(UNI-EM Annotator)。シミュレーション・解析における技術的問題は解決している。現在、シミュレーション結果の解釈や、実証可能な予測を行う段階にあり、慎重な検討を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
シミュレーションを継続して結果の解釈を慎重に行いつつ、必要に応じて実証実験をお願いして論文にまとめる。実証実験は共同研究を依頼する先方の事情に依存するため困難が予想されるが、最善を尽くす。
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| Causes of Carryover |
本年度は、新たにGPUサーバを購入してシミュレーションを加速させた。効果は絶大で、各GPUの計算速度は既存のGPUの2.5倍となった。ただし、シミュレーション結果の解釈・実証に時間を要しており、業務自体が次年度中に終わらない可能性が高い。そこで、本研究の継続性を考慮して必要な経費を次年度以降に持ち越すこととした。
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Research Products
(6 results)
