2015 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>と<2. 実験データに基づいた数理モデルの作成>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、既存のCa2+プローブではCa2+との親和性や応答速度が不足しているため、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可能性があった。最近、親和性・応答速度の両面で改良が進んだ新しい構造のCa2+プローブが発表された。実際に線虫に導入したところ、前年度まで用いていた高親和性のCa2+プローブと比較して、同程度の親和性を維持しつつも応答速度が約2倍速くなったことが確認できた。また4Dイメージング観察により得られる画像データを解析するためのプログラムの作成と改良を進め、幾つかの介在神経についても活動を定量できるようになった。
さらに、外部刺激と感覚神経の活動の関係の数理モデル化の手法を検討した。匂い刺激や温度刺激とその受容神経の活動の関係については、実データに基づいた数理モデル化の手法が最近報告されたので、これらを基礎として様々な拡張を検討した。様々な濃度の酸素刺激を受容神経に与えた際の応答について予備的に解析したところ、従来の数理モデルに非線形性フィルタを追加することで数理モデルの性能が向上することがわかった。塩濃度刺激とその需要神経の応答の関係についても同様の手法の適用を進めている。
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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、今年度導入したCa2+プローブにより、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る可能性が高まった。また4Dイメージング法により得られた画像データを解析するためのプログラムの作成と改良を進め、より多くの種類の神経活動を同時に測定できるようになった。
<2. 実験データに基づいた数理モデルの作成>では、実際に外部刺激と感覚神経の活動の関係の数理モデル化を行うフレームワークを作成できた。さらにCa2+プローブの特性の違いをモデルに組み込むことで、複数種類のCa2+プローブを組み合わせた測定結果から、より正確に神経活動が推定できることがわかった。
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、親和性および応答速度の点で改良が進む蛍光プローブを導入しつつ、4D イメージング観察技術を積極的に活用し、より多くの神経活動の測定を進める。
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さらに進める。特に、介在神経の活動を同時に測定できるようになったため、感覚神経の活動をもとに介在神経の活動を予測できるような数理モデルを開発する。
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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。現在、新たな4Dイメージング観察装置の開発を共同で進めており、次年度以降も開発を行いつつ、共同利用購入して東京大学に設置する予定であるため、次年度使用額を残した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
上述の通り、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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[Presentation] Intrinsic graph structure estimation from whole-brain imaging data of C. elegans2015
Author(s)
Hiromu Sakuma, Takayuki Teramoto, Sayuri Kuge, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Yu Toyoshima, Yuichi Iino, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuishi Iwasaki
Organizer
16th International Conference on Systems Biology
Place of Presentation
Biopolis, Singapore
Year and Date
2015-11-23 – 2015-11-26
Int'l Joint Research
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