神経に学ぶゆらぎを利用したロバストな情報コード

• 研究課題/領域番号: 16K12508
• 研究種目: 挑戦的萌芽研究
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 感性情報学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 藤井 雅史 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (30725750)
• 研究協力者: 鳥取 岳広 ; 藤田 卓 ; 黒田 真也
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2018年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2017年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2016年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
• キーワード: 情報伝達 / small-volume effect / robustness / sensitivity / efficiency / 分子数少数性 / 神経科学 / 情報システム / シミュレーション

研究成果の概要

神経細胞の情報のやり取りの場であるスパインは非常に小さい（1 fL）。そのため、化学反応は、確率的になり、入力に対する応答はばらつく。このようなばらつきは、一見すると情報伝達に不利である。ではこのような小さな場でわざわざ情報伝達を行う利点はあるのだろうか？本研究では、確率論的シミュレーションとシャノンの情報理論を用いた解析によって、小さな場での情報伝達によって、入力強度ゆらぎに対する頑健性が得られることが明らかになり、さらにその性質が、ある条件のもとでは普遍的であることを見出した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究による成果は、小さな細胞を基本単位とする生物において、小ささの利点を情報伝達という観点から解き明かしたものであり、今後様々な生物システムの情報伝達のメカニズム解明の足がかりになると考える。また、生物システムにおけるゆらぎを利用した情報伝達の利点は、従来のノイズを極力減らそうとする人工的な通信システムとは全く逆の戦略であると考えられる。このようなゆらぎを利用した通信システムによって、より頑健で、省エネルギーの通信システムへのブレイクスルーになると期待できる。

研究成果

• [雑誌論文] NMDAR-mediated Ca2+ increase shows robust information transfer in dendritic spines (2019)
  • 著者名/発表者名: Tottori Takehiro、Fujii Masashi、Kuroda Shinya
  • 雑誌名: Biophysical Journal 巻: 印刷中 号: 9 ページ: 1748-1758
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2019.03.030
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reconstruction of global regulatory network from signaling to cellular functions using phosphoproteomic data (2018)
  • 著者名/発表者名: Kawata Kentaro、Yugi Katsuyuki、Hatano Atsushi、Kokaji Toshiya、Tomizawa Yoko、Fujii Masashi、Uda Shinsuke、Kubota Hiroyuki、Matsumoto Masaki、Nakayama Keiichi I.、Kuroda Shinya
  • 雑誌名: Genes to Cells 巻: 24 号: 1 ページ: 82-93
  • DOI: 10.1111/gtc.12655
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Trans-omic Analysis Reveals Selective Responses to Induced and Basal Insulin across Signaling, Transcriptional, and Metabolic Networks (2018)
  • 著者名/発表者名: Kawata Kentaro、Hatano Atsushi、Yugi Katsuyuki、Kubota Hiroyuki、Sano Takanori、Fujii Masashi、Tomizawa Yoko、Kokaji Toshiya、Tanaka Kaori Y.、Uda Shinsuke、Suzuki Yutaka、Matsumoto Masaki、Nakayama Keiichi I.、Saitoh Kaori、Kato Keiko、Ueno Ayano、Ohishi Maki、Hirayama Akiyoshi、Soga Tomoyoshi、Kuroda Shinya
  • 雑誌名: iScience 巻: 7 ページ: 212-229
  • DOI: 10.1016/j.isci.2018.07.022
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Increase in hepatic and decrease in peripheral insulin clearance characterize abnormal temporal patterns of serum insulin in diabetic subjects (2018)
  • 著者名/発表者名: Ohashi Kaoru、Fujii Masashi、Uda Shinsuke、Kubota Hiroyuki、Komada Hisako、Sakaguchi Kazuhiko、Ogawa Wataru、Kuroda Shinya
  • 雑誌名: npj Systems Biology and Applications 巻: 4 号: 1 ページ: 14-14
  • DOI: 10.1038/s41540-018-0051-6
  • NAID: 120006599090
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 小さいからこそ実現できるスパインでの頑健で高感受性で効率的な情報伝達 (2017)
  • 著者名/発表者名: FUJII Masashi、KURODA Shinya
  • 雑誌名: 生物物理 巻: 57 号: 6 ページ: 305-308
  • DOI: 10.2142/biophys.57.305
  • NAID: 130006230284
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] System identification of signaling dependent gene expression with different time-scale data (2017)
  • 著者名/発表者名: Tsuchiya Takaho、Fujii Masashi、Matsuda Naoki、Kunida Katsuyuki、Uda Shinsuke、Kubota Hiroyuki、Konishi Katsumi、Kuroda Shinya
  • 雑誌名: PLoS Computational Biology 巻: 13 号: 12 ページ: e1005913-e1005913
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1005913
  • NAID: 120006555357
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Small-Volume Effect Enables Robust, Sensitive, and Efficient Information Transfer in the Spine (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Fujii, K. Ohashi, Y. Karasawa, M. Hikichi, S. Kuroda
  • 雑誌名: Biophysical Journal 巻: 112 号: 4 ページ: 813-826
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2016.12.043
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] 血糖値制御モデルを用いた血糖値が上がりにくい糖摂取パターンの考察 (2019)
  • 著者名/発表者名: 藤井雅史, 村上陽平, 唐沢 康暉, 住友洋平, 藤田卓, 小山雅典, 宇田新介, 久保田浩行, 井上啓, 小西克己, 大羽成征, 石井信, 黒田真也
  • 学会等名: 定量生物学の会第九回年会
• [学会発表] 糖摂取後のヒト血中分子濃度の時間変動解析による分子濃度の代謝制御と応答性の評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 藤田卓, 唐沢康暉, 藤井雅史, 宇田新介, 大橋郁, 住友洋平, 平山明由, 曽我朋義, 黒田真也
  • 学会等名: 定量生物学の会第九回年会
• [学会発表] 糖摂取後のヒト血中分子濃度の時間変動解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤田卓, 住友洋平, 唐沢康暉, 藤井雅史, 宇田新介, 大橋郁, 平山明由, 曽我朋義, 黒田真也
  • 学会等名: 第10回JST数理デザイン道場
• [学会発表] 増殖因子ミメティクス核酸による細胞シグナル制御 (2018)
  • 著者名/発表者名: 植木亮介, 秋山桃子, 藤井雅史, 黒田真也, 山東信介
  • 学会等名: 第12回バイオ関連化学シンポジウム
• [学会発表] Time-series analysis of metabolic responsiveness to the oral glucose ingestion (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤田卓, 唐沢康暉, 藤井雅史, 宇田新介, 大橋郁, 平山明由, 曽我朋義, 黒田真也
  • 学会等名: 日本生物物理学会2018年年会
• [学会発表] 糖摂取後のヒト血中分子濃度の時間変動解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤田卓, 唐沢康暉, 藤井雅史, 宇田新介, 大橋郁, 住友洋平, 平山明由, 曽我朋義, 黒田真也
  • 学会等名: 日本糖尿病合併症学会
• [学会発表] 血糖値制御モデルを用いた血糖値が上がりにくい糖摂取パターンの考察 (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤井雅史, 村上陽平, 唐沢 康暉, 住友洋平, 藤田卓, 小山雅典, 宇田新介, 久保田浩行, 井上啓, 小西克己, 大羽成征, 石井信, 黒田真也
  • 学会等名: 研究会「理論と実験」2018
• [学会発表] 糖摂取後の包括的なヒト血中分子濃度の時間変動解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤田卓, 唐沢康暉, 藤井雅史, 宇田新介, 大橋郁, 住友洋平, 平山明由, 曽我朋義, 黒田真也
  • 学会等名: 研究会「理論と実験」2018
• [学会発表] 小体積におけるロバストな情報伝達の性質 (2018)
  • 著者名/発表者名: 鳥取岳広, 藤井雅史, 黒田真也
  • 学会等名: 研究会「理論と実験」2018
• [学会発表] 糖摂取後のヒト血中分子濃度の時間変動解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤田卓, 唐沢康暉, 藤井雅史, 宇田新介, 大橋郁, 住友洋平, 平山明由, 曽我朋義, 黒田真也
  • 学会等名: 第58回生命科学夏の学校
• [学会発表] 糖摂取後の網羅的なヒト血中分子濃度の時間変動解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤田卓, 唐沢康暉, 藤井雅史, 宇田新介, 大橋郁, 住友洋平, 平山明由, 曽我朋義, 黒田真也
  • 学会等名: 日本生化学会大会
• [学会発表] ノイズ環境下における情報伝達の頑健性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 鳥取岳広, 藤井雅史, 黒田真也
  • 学会等名: 定量生物学の会第九回年会
• [学会発表] SpineにおけるSmall-volume effect: Robust, Sensitive, Efficientな情報伝達のメカニズム (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤井雅史, 大橋郁, 唐沢康暉 , 黒田真也
  • 学会等名: 日本物理学会年会
• [学会発表] 糖摂取後のヒト血中分子濃度の時間変動解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤田卓, 住友洋平, 唐沢康暉, 藤井雅史, 宇田新介, 大橋郁, 平山明由, 曽我朋義, 黒田真也
  • 学会等名: 日本物理学会年会
• [学会発表] NMDARを介したCa2+上昇における情報伝達の小体積効果 (2018)
  • 著者名/発表者名: 鳥取岳広, 藤井雅史, 黒田真也
  • 学会等名: 日本物理学会年会
• [学会発表] SpineにおけるSmall-volume effect: Robust, Sensitive, Efficientな情報伝達のメカニズム (2017)
  • 著者名/発表者名: 藤井雅史、大橋郁、唐沢康暉、引地穣、黒田真也
  • 学会等名: 第8回定量生物学の会年会
  • 発表場所: 自然科学研究機構 岡崎カンファレンスセンター（愛知県岡崎市）
  • 年月日: 2017-01-07
• [学会発表] 経口糖負荷における血中分子の時系列分類による糖代謝制御メカニズムの解明 (2017)
  • 著者名/発表者名: 藤井雅史
  • 学会等名: 日本生物物理学会シンポジウム「生物学における数の数理：少数の分子が如何にして機能の頑健性を産み出しているのか？」
  • 招待講演
• [学会発表] 信号修復とデータ駆動型モデルによる生命システム同定 (2017)
  • 著者名/発表者名: 藤井雅史
  • 学会等名: 研究会「理論と実験」
  • 招待講演
• [学会発表] ヒト血糖値調節におけるホルモン・代謝物の血中動態の数理モデルを用いた解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大橋郁, 藤井雅史, 宇田新介, 久保田浩行, 駒田久子, 坂口一彦, 小川渉, 黒田真也
  • 学会等名: 日本生物物理学会
• [学会発表] NMDA受容体を介したCa2+上昇による情報伝達の小体積効果 (2017)
  • 著者名/発表者名: 鳥取岳広, 藤井雅史, 黒田真也
  • 学会等名: 日本生物物理学会
• [学会発表] Small-Volume Effect Enables Robust, Sensitive, and Efficient Information Transfer in the Spine (2016)
  • 著者名/発表者名: 藤井雅史、大橋郁、唐沢康暉、引地穣、黒田真也
  • 学会等名: 第54回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • 年月日: 2016-11-25
• [学会発表] Mathematical model analysis of blood glucose regulation with insulin and C-peptide (2016)
  • 著者名/発表者名: 大橋 郁, 藤井 雅史, 宇田 新介, 駒田 久子, 坂口 一彦, 小川 渉, 黒田 真也
  • 学会等名: 第54回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • 年月日: 2016-11-25
• [学会発表] 血糖値調節におけるインスリン血中濃度制御作用の数理モデルを用いた解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 大橋 郁, 藤井 雅史, 宇田 新介, 駒田 久子, 坂口 一彦, 小川 渉, 黒田 真也
  • 学会等名: 研究会「理論と実験」2016
  • 発表場所: 広島大学 東広島キャンパス（広島県東広島市）
  • 年月日: 2016-10-07
• [学会発表] 糖摂取によるヒト血中分子の時間変動の解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 住友 洋平、唐沢 康暉、藤井 雅史、宇田 新介、大橋 郁、平山 明由、曽我 朋義、黒田 真也
  • 学会等名: 研究会「理論と実験」2016
  • 発表場所: 広島大学 東広島キャンパス（広島県東広島市）
  • 年月日: 2016-10-07
• [学会発表] SpineにおけるSmall-volume effect: Robust, Sensitive, Efficientな情報伝達のメカニズム (2016)
  • 著者名/発表者名: 藤井雅史、大橋郁、唐沢康暉、引地穣、黒田真也
  • 学会等名: 研究会「理論と実験」2016
  • 発表場所: 広島大学 東広島キャンパス（広島県東広島市）
  • 年月日: 2016-10-06
  • 招待講演
• [学会発表] 血糖値調節におけるインスリン・Cペプチドの血中動態の数理モデルを用いた解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 大橋 郁, 藤井 雅史, 宇田 新介, 駒田 久子, 坂口 一彦, 小川 渉, 黒田 真也
  • 学会等名: 日本物理学会 2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス（石川県金沢市）
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] SpineにおけるSmall-volume effect: Robust, Sensitive, Efficientな情報伝達のメカニズム (2016)
  • 著者名/発表者名: 藤井雅史、大橋郁、唐沢康暉、引地穣、黒田真也
  • 学会等名: 数理で解き明かす森羅万象 ~ 小林亮と”ゆかい”な仲間たち~
  • 発表場所: 広島大学 東広島キャンパス（広島県東広島市）
  • 年月日: 2016-08-19
• [学会発表] SpineにおけるSmall-volume effect: Robust, Sensitive, Efficientな情報伝達のメカニズム (2016)
  • 著者名/発表者名: 藤井雅史、大橋郁、唐沢康暉、引地穣、黒田真也
  • 学会等名: 第6回JST数理デザイン道場
  • 発表場所: 東レ（株）総合研修センター（静岡県三島市）
  • 年月日: 2016-06-13
• [備考] 研究代表者（藤井）のwebページ
  • URL: https://home.hiroshima-u.ac.jp/~mafujii/publications
• [備考] 研究者個人が作成したwebページ（日本語）
  • URL: http://kurodalab.bs.s.u-tokyo.ac.jp/member/fujii/japanese/Paper.html
• [備考] 研究者個人が作成したwebページ（英語）
  • URL: http://kurodalab.bs.s.u-tokyo.ac.jp/member/fujii/english/Paper.html