2015 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 / 視細胞モザイク / 錐体 / 桿体 / 水平細胞 / 網膜神経節細胞 / スパイク発火 / 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過程の初期を担う網膜神経回路はどのような情報を脳中枢に伝達する能力があるのか、すなわち、網膜の入力レベルでの情報受容能力、出力レベルの情報伝達能力に焦点をあて、網膜の情報処理を明らかにすることを目的として進めている。
視覚情報を最初に受容する網膜上の錐体視細胞と桿体視細胞は、光情報を電気信号に変換する役割を担っており、各細胞は特徴的な空間的配列、すなわち視細胞モザイクを形成している。従来研究において、その生理学的・解剖学的特性に基づいた視細胞モザイクのモデル化が行われてきたが、錐体サイズの変化やＳ錐体の非ランダム的配置など、外界像の空間サンプリングを左右する特性が十分再現されていなかった。そこで、本年度は、こうした解剖学的特性をより忠実に再現する視細胞モザイクの自動生成法の開発を行った。また、視細胞からの情報を受け取る網膜２次ニューロンである水平細胞や双極細胞への情報伝達には、水平細胞からのフィードバックが重要な役割を担うことから、外網状層シナプス部の情報伝達メカニズムのモデル化も進めた。その結果、シナプス間隙部のpH濃度、GABA濃度、局所電位変化などが視細胞から２次ニューロンへの情報伝達に及ぼす効果を定量的に解析することが可能になった。
網膜の出力を担う網膜神経節細胞のスパイク生成モデルについて、数千以上のイオンチャネルの確率論的な振る舞いを導入したモデルの高速計算手法が確立され、スパイク誘発平均刺激の算出や情報量解析などのシミュレーション解析が可能になった。変動性ノイズ入力に対する神経節細胞のスパイク発火の再現性を定量的に評価した結果、スパイク発火タイミングの再現性を高める最適な刺激が存在すること、カリウムチャネルのうち、Aチャネル、KCaチャネル成分が発火特性に大きな影響を与えること等が明らかとなった。
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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
本研究では網膜の入力、出力レベルに焦点を当てている。入力レベルについては、解剖学的、生理学的特性に基づいた視細胞モザイクの自動生成手法が確立され、視覚情報を空間的にサンプリングする仕組みがほぼ再現されるに至った。出力レベルについては、高速なシミュレーション技法の導入によって、個々のチャネルが情報伝達に与える影響などを詳細に解析することが可能になった。従って、今後は、こうしたモデル・シミュレーションを駆使した、入出力を統合した解析に進める見通しが立った。
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| Strategy for Future Research Activity |
視細胞モザイクにおける空間サンプリングの仕組みの再現に成功したことより、入力レベルでの情報受容について、情報量解析を進める。２次ニューロンへの情報伝達についても基本となるモデルが完成したことから、その妥当性を検証すると共に、ネットワークレベルのモデルへと拡張する。網膜神経節細胞モデルについても、空間及び色情報処理を含めた２次元モデルへと拡張していく。モデルの評価やシミュレーション結果の実証のための生理実験計画を立て、実験を遂行する。
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| Causes of Carryover |
国際会議およびオープンジャーナル誌での論文発表について、会議の開催時期などの都合で次年度になったためである。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度のはじめの国際会議での論文採択は決定しており、計画通りに遂行する。オープンジャーナルへの論文発表についても計画通りに進める。
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