2013 Fiscal Year Research-status Report
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25330353
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Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Chukyo University |
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Principal Investigator |
石原 彰人 中京大学, 工学部, 准教授 (80387620)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 網膜OFF型双極細胞 / 数理モデル / 光応答シミュレーション / AMPA型グルタミン酸レセプタ |
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| Research Abstract |
視覚系にみられるコントラスト利得制御に関わる神経メカニズムは、網膜内の最初の神経回路である網膜外網状層に、その機能の一部が実現されている。本研究では、網膜の生理学的知見を総動員した詳細な神経回路モデルを構築し、それを用いた解析から時間的コントラスト利得制御に関わる神経メカニズムを明らかにすることを目的とする。平成25年度は、錐体－網膜OFF型双極細胞のシナプスに関する詳細なモデル構築とそれを用いたシミュレーション解析を実施した。
錐体からの情報伝達物質であるグルタミン酸に対する網膜OFF型双極細胞のレセプタは、AMPA型であることが知られている。本研究では、このAMPA型グルタミン酸レセプタにおいて、伝達物質が受容され膜電流が生じる過程を生理学的知見をもとに構築した。モデルは、中枢のニューロンモデルのものを参考に、脱感作と呼ばれるAMPA型レセプタにみられる特有のメカニズムまで含めた6つの状態からなるシステムで記述した。そのモデルパラメータを推定した結果、生理実験結果を十分再現できた。
次に、これを用いてAMPA型レセプタの特性が、光刺激に対する応答形成に対して、どの程度寄与しているのかシミュレーション解析した。シミュレーション解析のために、既存のモデルを利用し錐体－OFF型双極細胞の神経回路モデルを構築した。実験ではAMPA型における伝達物質の受容から電流変化までの6つの状態と、その状態遷移の速度定数のパラメータと、膜電位応答の関係について解析した。その結果、AMPA型レセプタの脱感作のメカニズムが、光応答のOFFフェーズの形成に強く作用していることが示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初の計画では平成25年度中に、錐体－OFF型双極細胞間のシナプス伝達に関わる数理モデルについて、i) 伝達物質放出から拡散までの考えたグルタミン酸濃度制御機構、ii) AMPA型グルタミン酸レセプタとそれによって生じるイオン電流、の2つのメカニズムについて詳細な数理モデルを構築し、コントラスト制御に対するそれらのメカニズムの役割を明らかにする予定であった。
このうち前者のグルタミン酸濃度制御機構については、詳細なモデル化を進めたものも、外部に発表できる段階まで研究が到達しなかった。特に伝達物質放出からシナプス間隙中での物質の拡散過程についてのモデル化が不十分な状況である。一方で後者のAMPA型グルタミン酸レセプタモデルについては、研究実績の概要に述べたように、その数理モデルを構築し、光応答シミュレーションからその詳細を解析し、その結果をまとめ学会などで発表を行っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成26年度は、やや遅れている錐体－OFF型双極細胞のシナプスにおけるグルタミン酸濃度制御機構に関するモデル化とその解析を進めると同時に、平成26年度に実施を計画していた錐体－OFF型双極細胞(OFFBC)－網膜神経節細胞(RGC)からなる神経回路モデルを構築していく。
平成25年度には、錐体における生理的な知見に基づいた伝達物質放出までの基本的なシステムをグルタミン酸濃度制御機構としてモデル化した。これは、シナプス終末における膜電位Ca電流の変化、Ca濃度、小胞体の活性化、伝達物質放出という一連のシステムを記述している。今後は、このモデルに、シナプス間隙内に放出された伝達物質が拡散、トランスポータによるアップテイクなどのメカニズムを追加し、錐体－OFF型双極細胞シナプス全体の詳細なモデルの構築を進めていく。
錐体－OFFBC－RGC神経回路は、シナプスにおける前述の機構を簡略化した記述を用いてモデル化を進める。すなわち、i) 25年度の成果であるAMPA型レセプタモデルを用いた錐体-OFFBCシナプスモデルをOFFBC-RGC間へ応用し、OFFBC-RGCのシナプスモデルを構築し、ii) 既存のRGCモデルに、膜電位K電流などの新規知見を導入することで、錐体－OFFBC－RGC神経回路モデルを構築する。生理学的知見の再現性を確認したあと、時間的なコントラスト順応に関わる光応答について解析していく。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
本研究では網膜数理モデルの構築やそれを用いたシミュレーション解析を中心に研究を進める。そこで円滑に効率のよい研究の実施のために計算能力の高い計算機（ワークステーション）を導入することを予定していた。平成25年度は、既に別の資金などで導入済みのワークステーションにおける部品（CPUやマザーボードなど）をアップグレードすることで、計算能力の高い計算機を導入した。そのため当初の計画よりも安価に必要な計算機を準備できたことが、次年度使用額が生じた理由の1つである。
2つ目の理由として、平成26年度に導入を予定している計算機のために経費を残したためである。今後研究がすすむと、シミュレーション解析に使用する数理モデル規模がさらに大きくなってくる。そのため平成26年度において、当初の予定よりも、より機能の高いワークステーション（またはその部品）の購入を複数台検討している。
次年度使用額のうち 500,000円は平成26年度申請分に合わせ、新規購入予定のワークステーション用のコンピュータ部品（CPU、マザーボード、SSDなど）の購入に使用する。これは、計画申請時に述べているように、OpenMPI+Gridによる分散・並列シミュレーション技術を利用することから、研究の進度に合わせ円滑な研究のために複数台導入する。また、残り250,000円ほどは、研究作業に使用する液晶モニタなどの購入にあてる。
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