2014 Fiscal Year Research-status Report
空間情報の処理を担う神経ネットワークの動作原理の解明
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26830006
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
豊島 有 東京大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (10632341)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | システム生物学 / モデル化とシミュレーション / ライブイメージング / 神経情報処理 / 線虫 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
線虫は特定の塩濃度の領域へ向かう性質があり、進行方向および垂直方向の塩濃度勾配に対してそれぞれピルエット機構と風見鶏機構という異なる行動戦略を用いている。その際神経ネットワークにおいては塩濃度勾配の方向の情報が時間的に多重にコードされていると考えられる。本研究では、多重にコードされた空間情報を分離・抽出する機構を同定し、その動作原理の解明を目指している。本年度は特に<1. カルシウムイメージングによる神経細胞の活性測定>について研究を進めた。
線虫の神経ではCa2+レベルの緩やかな変化によって信号を伝えているが、感覚神経の平時のCa2+レベルは既存のCa2+プローブの検出下限を下回っており、線虫の行動時に生じる小さな神経活動を正しく検出できないことがわかっている。親和性が向上した最新のCa2+プローブを用いると小さな神経活動を十分なS/N比で検出できたが、応答速度が非常に遅いため、測定した神経活動は不正確になってしまった。一方、膜電位感受性蛍光プローブは小さな神経活動についても正確に測定できると考えられるので、3種類の膜電位プローブを感覚神経に発現させたが、いずれも十分な蛍光輝度が得られなかった。
また、ある神経細胞についてはプローブの特異的な発現を誘導することが困難だと判明したので、4Dイメージング観察技術によりこうした神経を測定できるよう、得られた画像データを解析するためのプログラムを作成した。このプログラムを用いて、22個の感覚神経にCa2+を発現させた線虫の4Dイメージングデータを解析したところ、塩濃度変化に応答する感覚神経が少なくとも9種類にのぼることが明らかになった。新たに応答が確認された神経が塩走性行動にどのように関わっているかは不明だが、何らかの情報処理を行っている可能性もあり、今後のさらなる研究が必要である。
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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
研究計画の<1.カルシウムイメージングによる神経細胞の活動測定>に際して、単一のCa2+ プローブだけでは神経活動が正しく測定できない可能性が高いことがわかったが、今回得られたデータを元に、Ca2+レンジに合わせて適切なCa2+プローブを取捨選択できるようになった。場合によっては複数種類のCa2+プローブを組み合わせて測定したうえで、<2. 実験データに基づいた数理モデルの作成>の際に、Ca2+プローブの特性の違いをモデルに組み込むなどすることで、より正確に神経活動が推定できる可能性があることも分かった。
また、塩濃度変化に応答する感覚神経がこれまで知られていた例よりも多いことが分かった。これらの神経が塩走性行動にどのように影響しているかは不明だが、何らかの情報処理に関わっている可能性もあるので、これらの神経の観察も計画に含めることを検討する。
これらの知見はいずれも神経回路における情報処理を先入観なく・正しく理解する上で重要であり、これらの知見が得られたことで今後の研究の着実な進展が期待できるようになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究計画に従い、今後も引き続き<1. カルシウムイメージングによる神経細胞の活性測定>を行い、加えて<2. 実験データに基づいた数理モデルの作成>を行う予定である。
1.に関しては、整備が進みつつある4D イメージング観察技術を積極的に活用しつつ、感覚神経以外の神経細胞の応答の測定を進める。また、引き続き応答速度の速い改良型蛍光プローブや、輝度の高い膜電位プローブの導入を進める。
2.に関しては、感覚神経や介在神経の応答の測定の進捗に合わせて、実験データを再現できるような数理モデルの作成を進める。特に、塩濃度変化に応答する神経が予想よりも多いことがわかったため、パラメータ数の少ないシンプルな数理モデルを導入して、全体像の的確な把握を優先することを検討する。
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| Causes of Carryover |
研究の進展に伴い、当初オプションとして想定していた4Dイメージング観察技術の有効性が確認されたが、当該顕微鏡は現在遠方の共同研究先(九州大学)に設置されているため、実験条件の変更や例数を増やすことは困難である。来年度以降、新たに4Dイメージング観察装置を共同利用購入し、東京大学に設置することを検討しているため、次年度使用額を残した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
上述のとおり、本研究で利用する4Dイメージング観察装置を共同利用購入し、東京大学に設置するために使用する予定である。
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Research Products
(7 results)
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[Presentation] 密集した細胞核の高精度な自動認識手法2014
Author(s)
豊島 有、徳永 旭将、広瀬 修、寺本 孝行、張 文瑄、久下 小百合、石原 健、吉田亮、飯野 雄一、
Organizer
CREST「生命動態の理解と制御のための基盤技術の創出」第3回数理道場
Place of Presentation
沖縄科学技術大学院大学シーサイドハウス(沖縄県国頭郡)
Year and Date
2014-10-30 – 2014-10-30
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