2014 Fiscal Year Research-status Report
大規模数理モデルと神経生理実験による網膜の情報量解析
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25330340
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| Research Institution | Aichi Prefectural University |
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Principal Investigator |
神山 斉己 愛知県立大学, 情報科学部, 教授 (70233963)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 網膜 / 視細胞 / 錐体モザイク / 網膜神経節細胞 / 数理モデル / ニューロインフォマティクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、視覚情報処理の前処理を担う網膜神経回路はどのような情報を脳中枢に伝える能力があるか、すなわち、網膜の入力レベルの情報受容能力、出力レベルの情報伝達能力に焦点をあて、網膜の情報処理を定量的に明らかにすることを目的としている。なかでも、情報メディア技術への応用にも重要となる色に関する情報処理を対象としている。
本年度は、情報を受容する視細胞に関し、解剖学的特性を忠実に反映した視細胞モザイクの自動生成手法、細胞内情報メカニズムに基づいた錐体視細胞モデルの構築、錐体視細胞間の電気的カップリングの機能的解析についての研究を進めた。視細胞モザイクについては、3種類の錐体、桿体の分布密度、存在比、錐体サイズの網膜上での変化に関する解剖学的データを再現することができた。錐体は形態的・機能的に外節、内節、シナプス部から構成されているが、それぞれの部位での生物物理学的特性を数理的に記述し、統合した視細胞モデルの構築にも成功した。これにより、任意の光入力に対する錐体視細胞の電気的応答が再現可能になると共に、2次ニューロンへ伝達される信号のシミュレーション解析も可能になった。視細胞モザイクでの情報表現に関しては、相互情報量を指標とした解析方法を導入することで、解剖学的特性が及ぼす影響を定量的に評価することが可能になった。網膜の出力を担う神経節細胞について、イオンチャネルの確率的特性を記述したモデル化を進めてきたが、1個の細胞で数千以上存在する個々のチャネルの振る舞いの計算には膨大な計算時間がかかり、情報量計算やスパイク誘発平均刺激算出などのシミュレーション解析が困難であった。そこで、最近提案されたイオンチャネルの種類毎に確率的特性を記述する手法の導入を検討したところ、従来モデルと等価な特性を得られることがわかった。従って、出力レベルの情報伝達能力を詳細に分析する手法も整備されたといえる。
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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
本研究は、網膜の入力レベルの情報受容能力、出力レベルの情報伝達能力に焦点をあてている。入力レベルについては、様々な視細胞モザイクの生成手法の確立、および、生理学的特性のモデル化が順調に進むと共に、相互情報量を導入した解析手法も確立された。出力レベルに関しては、新しいシミュレーション手法によって飛躍的に計算時間が短縮できることが確認され、情報伝達能力を詳細に解析する見通しがついた。
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| Strategy for Future Research Activity |
視細胞については、外節、内節、シナプス部を含んだ統合的モデルの開発に成功した。そこで、この細胞モデルを視細胞モザイク全体に組み込んだリアリスティックな網膜の入力レベルのモデルを完成させ、機能部位毎の情報表現の分析などを詳細に行うことが課題となる。出力レベルの神経節細胞に関しても、自然画像入力などのシミュレーションに対応させるため、応答タイプや色情報に関するサブタイプも含んだ回路レベルのモデルへと発展させる。さらに、モデルの評価やシミュレーションによって得られた予測の実証のための生理実験を行う。
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| Causes of Carryover |
実験用刺激装置としてグラフィックワークステーションを1台導入する計画であった。しかし、今年度は、モデル構築に関する研究を進展を優先させたため、実験環境の整備には十分な時間を確保できない可能性があったため、実験刺激系については、既存のプログラム開発環境上での予備的検討に留め、専用ハードウェアの導入は見送った。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
実験用刺激系、記録系を含め、モデルシミュレーションによる予測を実証するための実験システムの構築に必要な専用ワークステーション、ソフトウェア系を新規導入する。
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