臨界期の回路網形成に関する注意下の擬アトラクター理論による基礎理論構築

• Project Area: Inducing lifelong plasticity (iPlasticity) by brain rejuvenation: elucidation and manipulation of critical period mechanisms
• Project/Area Number: 20H05921
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Kogakuin University
• Principal Investigator: 金丸 隆志 工学院大学, 先進工学部, 教授 (10334468)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 合原 一幸 東京大学, 特別教授室, 特別教授 (40167218)
• Project Period (FY): 2020-11-19 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥53,950,000 (Direct Cost: ¥41,500,000、Indirect Cost: ¥12,450,000); Fiscal Year 2021: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2020: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000)
• Keywords: 臨界期 / E-I balance / 神経回路網モデル / 擬アトラクタ― / 擬アトラクター

Outline of Research at the Start

ヒトをはじめとする動物の脳の神経回路は、生後発達期に外界から受けた刺激に大きく左右される。この時期は「臨界期（critical period, CP）」と呼ばれる。さらに、脳卒中などの脳損傷後に機能回復の能力が高い一種の「臨界期」が生ずることが知られている。臨界期の開始・終了・再開のメカニズムを知り神経回路の可塑性をコントロールできれば、脳損傷後の機能回復を促進できると考えられる。
そこで本研究では、臨界期を発達期に限らず「神経回路の再編成が顕著に高い限られた時期」ととらえ直し、その開始・終了・再開のメカニズムを計算論的神経科学の観点から明らかにすることを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

臨界期の開始・終了・再開のメカニズムを明らかにするため、2020年度は皮質の層構造を考慮した神経回路網モデルを構築した。これは皮質第2/3層の興奮性細胞集団と第4層の抑制性細胞集団からなる回路網モデルであり、興奮性細胞集団と抑制性細胞集団の活動の強さのバランス（E-Ibalance）の変化によるダイナミクスの変化を解析できる。さらに、この回路網モデルには第1層におけるニコチニックアセチルコリン受容体（nAChR）をもつ抑制性細胞からの入力も加えられている。この細胞からの入力が皮質第2/3層および第4層のE-I balanceをコントロールするという描像である。
このモデルは我々が2013年および2019年に用いたモデルをベースに、回路網内の細胞間結合をランダムにしたものである。結合がランダムであるのは、発達期の回路網を考えているためである。この回路網モデルを、細胞数∞の極限で得られる細胞集団の確率分布を記述するFokker-Planck方程式を用いて解析した。さらに、E-I balanceの定量化には、Bruiningら（2020）により提案された、fE/I （functional E/I ratio、機能的E/I比）を用いた。
以上の枠組みにより、fE/Iの意味でE-I balanceが成り立つときに、回路網にカオス的ダイナミクスが見出された。これは、従来の低次元なカオスではなく、正のリアプノフ数が多数ある高次元のカオスダイナミクスである。システムが低次元の領域にとどまるカオスとは異なり、様々な領域を経めぐる擬アトラクタ的なダイナミクスであると我々は考えている。さらにいわゆるカオスの縁と呼ばれる領域で見られるダイナミクスも存在することが明らかになった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

今後の計画の基礎となる神経回路網モデルに対して数値シミュレーションを行うプログラムが完成していることが進捗状況の評価の理由である。このプログラムを用い、E-I balance下におけるダイナミクスの調査や、そのダイナミクスと学習効率の関係など、様々な研究を行うことができる。もちろん、このプログラムを修整してモデルを更新することも可能である。

Strategy for Future Research Activity

2020年度に作成したシミュレーションプログラムを用いて、E-I balance下におけるダイナミクスが、生体の情報処理において有用であることを示す。それにより、臨界期における可塑性の向上とモデルのダイナミクスとの関連性を探る。
また、2020年度は論文の投稿を行わなかったが、2021年度は構築したモデルに基づいた論文の投稿も目指す。