神経系の基本構造の起源に関する熱雑音仮設

• Project/Area Number: 14654173
• Research Category: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: 動物生理・代謝
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 下澤 楯夫 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (10091464)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 西野 浩史 北海道大学, 電子科学研究所, 助手 (80332477) ; 青沼 仁志 北海道大学, 電子科学研究所, 助教授 (20333643) ; 水波 誠 東北大学, 大学院・生命科学科, 助教授 (30174030)
• Project Period (FY): 2002 – 2003
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2003)
• Budget Amount: ¥3,400,000 (Direct Cost: ¥3,400,000); Fiscal Year 2003: ¥1,600,000 (Direct Cost: ¥1,600,000); Fiscal Year 2002: ¥1,800,000 (Direct Cost: ¥1,800,000)
• Keywords: 熱雑音 / 機械感覚器 / 感覚情報 / 機械感覚細胞 / 昆虫 / 光学計測 / コオロギ

Research Abstract

神経細胞は熱雑音感受性をもっており、そのことが神経系に共通する基本構造である並列伝送回路の起源であることを、1.神経細胞は情報受容に当たってエネルギーを散逸する抵抗体として動作し、揺動散逸定理に従ったブラウン運動を観察できること、2.異なる細胞のブラウン運動は互いに無相関であること、3.感覚細胞がブラウン運動を用いて確率サンプリングした信号は介在神経でシナプス加算によって再構成されること、を実証するため研究を進めてきた。
コオロギ気流感覚毛の機械特性の計測から感覚閾値で感覚細胞が受け取るエネルギーが常温における分子1個の熱揺動エネルギーk_BTに近いこと、閾値付近の刺激に対する応答発火揺らぎの解析から感覚細胞は内部の熱雑音源をパルス符号化に用いるStochastic Samplingで中枢へ信号を送っていること、感覚細胞の情報伝送容量の測定から、信号対雑音比は0.1程度と非常に低いこと、このため情報伝送素子としての細胞1個の性能は400ビット/秒程度に制限されている。
これまでの研究で、気流感覚毛先端のブラウン運動が10nm程度であることを予想して、光学顕微鏡を改造し感覚毛のレーザー照明強拡大像(900倍)を4分割受光素子上に結ばせたブラウン運動計測装置(分解能3nmでの計測が可能)を実用化(平成12年度基盤研究(B)で製作)し、コオロギ気流感覚毛のブラウン運動を光学的に測定した。現在引き続き、2本の気流感覚毛のブラウン運動を同時計測し、近傍のものでも感覚細胞は互いに無相関な熱雑音に曝されていることを実証すべく解析を続けている。

Research Products

• [Publications] H.Nishino: "Local innervation patterns of the metathoracic flexor and extensor tibiae motor neurons in the cricket Gryllus bimaculatus."Zoolog.Sci.. 20. 697-707 (2003)
• [Publications] H.Nishino: "Projection neurons originating from thermo- and hygrosensory glomeruli in the antennal lobe of the cockroach."J.Comp.Neurol.. 455. 40-55 (2003)
• [Publications] Sadamoto, H.: "CREB in the Pond Snail Lymnaea stagnalis -Cloning, Gene Expression and Function in Identifiable Neurons of the Central Nervous System-"J.Neurobiol.. 58:(4). 455-466 (2004)
• [Publications] Schuppe, H.: "Effects of Nitric Oxide on Proprioceptive Signaling."Zoolog.Sci.. 21(1). 1-5 (2004)
• [Publications] Aonuma, H.: "Nitric oxide regulates the levels of cGMP accumulation in the cricket brain."Act.Biol.Hung.. 55. 65-70 (2004)
• [Publications] H.Nishino: "Somatotopic mapping of chordotonal organ neurons in a primitive ensiferan, the New Zealand tree weta Hemideina femorata. I. Femoral chordotonal organ."J.Comp.Neurol.. (In press).
• [Publications] 村上準, 木立智英, 長谷山美紀, 下澤楯夫: "神経細胞が運ぶ情報量の実測における標本サイズの影響"電子情報通信学会論文誌. J85-D-II No.7. 1233-1243 (2002)
• [Publications] Aonuma, H., Newland, P.L.: "Synaptic inputs onto spiking local interneurons in crayfish are depressed by nitric oxide"J. Neurobiol.. 52. 144-155 (2002)
• [Publications] Aonuma, H.: "Distribution of NO-induced cGMP-like immunoreactive neurones in the abdominal nervous system of the crayfish, Procambarus clarkii"Zool. Sci.. 19. 969-979 (2002)
• [Publications] Sakura M, Okada R, Mizunami, M: "Olfactory discrimination of structurally similar alcohols by cockroaches"J. Comp. Physiol. (A). 188. 787-797 (2002)
• [Publications] Matsumoto Y, Mizunami M: "Temporal determinants of long-term retention of olfactory memory in the cricket Gryllus bimaculatus"J. Exp. Biol.. 205. 1429-1437 (2002)
• [Publications] Nishino H, Yamashita S.Yamazaki Y, Nishikawa M, Yokohari F, Mizunami M: "Projection neurons originating from thermo-and hygrosensory glomeruli in the antennal lobe of the cockroach"J. Comp. Neurol.. 455. 40-55 (2003)