連想記憶型CPGsにおける活動の時空間パターン生成と制御

1994 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 06260227
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 佐藤 俊輔 大阪大学, 基礎工学部, 教授 (60014015)
• 研究分担者: 野村 泰伸 大阪大学, 基礎工学部・日本学術振興会, 特別 ; 土居 伸二 大阪大学, 基礎工学部, 助手 (50217600)
• キーワード: バースト放電活動 / 3変数力学系モデル / 大域的分岐構造 / 中枢パターン発生器 / 周期入力信号 / 位相同期 / 可興奮性膜 / 興奮波伝播

研究概要

神経系の活動には系のサイズに関わらず様々なリズムや時間的なパターンが見られる。1.神経細胞の示すバースト放電活動.中枢神経系の多くの部位でバースト放電する神経細胞が存在する。我々は、軟体動物(イソアワモチ)の神経節細胞に関する8変数の常微分方程式モデル(Hayashi et al.1992)を本質的な性質を保存したまま3変数モデルに簡約化した。さらに、モデルの大域的分岐構造を解析することにより、バースト放電がホモクリニック分岐によって発生し、Hopf分岐によって消滅すること、バースト放電パターンが周期倍分岐によって変化することなどを数値計算によって示した。
2.中枢パターン発生器(CPG)のパターン生成機構と制御.我々はCPGが示す典型的な振舞いである交番バースト放電を生成する小規模回路網モデル構築した。モデルは4個の可興奮性膜モデルから構成され、2個ずつ2つのグループに分かれ逆位相でバースト放電する。さらに、末梢神経系からのフィードバック信号に対応する周期的な信号を自己感受性刺激としてCPGモデルに加え、モデルの振舞いを解析した。モデルは、入力信号の周期や強度に依存して、入力信号と位相同期したり、カオス的な振舞いを示す。
3.可興奮性膜の結合系に生じる興奮伝搬の空間パターン.中枢神経系は膨大な数の神経細胞が複雑に結合した系である。ここでは、2次元平面上に格子状に配列された可興奮性膜を近隣の8細胞と拡散(電気)的に結合した興奮場モデルを構築した。各細胞モデルのパラメータ、結合の強度などは空間的に一様であるにも関わらず、回路網に加えられる刺激の性質(空間的分布、タイミング)などに依存して、興奮場に発生する興奮波伝搬のパターンは複雑に変化する。我々は各細胞モデルの状態を記述する拡張された位相を定義し、それを用いて興奮の伝搬の様子を表した。

研究成果

• [文献書誌] 山脇伸行,佐藤俊輔,土居伸二: "刺激パルス幅が興奮性膜の電子回路モデルの刺激-応答特性に及ぼす影響" 電気学会論文誌C. (to appear).
• [文献書誌] J.Inoue,S.Sato,L.M.Ricciardi: "On the parameter estimation for diffusion models of single neurons'activities.I.Application to spontaneouse activities of MRF cells in sleep and waking states" Biological Cybemetics. (to appear).
• [文献書誌] T.Tateno,S.Doi,S.Sato,L.M.Ricciardi: "Stochastic phase lockings in a relaxation oscillator forced by a periodic input with additive noise --a first-passage-time approach--" J.of Statistical Physics. 78(in press ). (1995)
• [文献書誌] Shinji Doi and Shunsuke Sato: "The Global Bifurcation Structure of the BVP Neuronal Model Driven by Periodic Pulse Trains" Mathematical Biosciences. (to appear).
• [文献書誌] T.Nomura,S.Sato,S.Doi,J.P.Segundo,M.D.Stiber:"A modified radial isochron clock with slow and fast dynamics as a model of pacemaker neurons.Global bifurcation structure when driven by periodic pulse trains" Biological Cybernetics. 72. 93-101 (1994)
• [文献書誌] T.Nomura,S.Sato,S.Doi,J.P.Segundo,M.D.Stiber:"Global bifurcation structure of a Bonhoeffer van der Poloscillator driven by periodic pulse trains.Comparison with data from an inhibitory synapse" Biological Cybemetics. 72. 55-67 (1994)
• [文献書誌] 山脇伸行,佐藤俊輔 土居伸二: "興奮性膜の電子回路モデルの周期パルス入力に対する応答特性" 電気学会誌C. 114(2). 1297-1303 (1994)
• [文献書誌] 前田義信,土居伸二,野村泰伸,佐藤俊輔: "イソアワモチペースメーカー細胞モデルの簡約化について" 日本神経回路学会誌. 1(1). 12-19 (1994)
• [文献書誌] 佐藤俊輔: "神経コーディングと数理モデル" 生産技術誌. 46. 39-42 (1994)
• [文献書誌] Shunsuke Sato: "Wiener and other analyses of nonlinear systems and signals and their applications to biology" Frontier in Medical and Biological Engineering. 6. 1-35 (1994)
• [文献書誌] Shunsuke Sato,Shinji Doi and Taishin Nomura:"A Bonhoeffer-van der Pol Oscillator Model of the Sino-Atrial Node:A Possible Mecjanism of Heart Rate Regulation" Methods of Information in Medicine. 33. 116-119 (1994)
• [文献書誌] 佐藤俊輔: "ゆらぎの解析法" SUT Bulltin. 11(12). 12-17 (1994)
• [文献書誌] B.Zhang,S.Sato: "A time-frequency distribution of Cohen's Class with a compound kerneland its application to speech signal processing" IEEE Trans.Signal Processing. 42. 54-64 (1994)
• [文献書誌] B.Zhang,S.Sato,P.C.Ching: "Speech Signal Processing Using a Time-Frequency Distribution of Cohen's Class" Proc.IEEE-SP Int.Symp.on Time-Frequency and Time-Scale Analysis(Oct.25-28,1994,Philadelphia). 624-627 (1994)
• [文献書誌] 高畑友昭,野村泰伸,土居伸二,佐藤俊輔: "小規模ネットワークによるCPG (中枢パターン発生器)の構成と周期入力に対する応答" 信学技報,MEとバイオサイバネティックス研究会. MBE94-3. 17-24 (1994)
• [文献書誌] 前田義信,土居伸二,野村泰伸,佐藤俊輔: "イソアワモチペースメーカー細胞モデルの簡約とその位相空間解析" 信学技報,MEとバイオサイバネティックス研究会. MBE94-4. 25-32 (1994)
• [文献書誌] 井上淳子,佐藤俊輔,リチアルディルイジ: "発火間隔モーメントからのニューロンへの入力の推定-拡散モデルに基づく考察-" 信学技報,MEとバイオサイバネティックス研究会. MBE94-5. 33-40 (1994)
• [文献書誌] 山野辺貴信,土居伸二,佐藤俊輔: "簡約化されたHodgkin-Huxley方程式の解析" 信学技報.MEとバイオサイバネティックス研究会. MBE94-6. 41-48 (1994)
• [文献書誌] 梅本 亨,榎本豪信,五味健一,佐藤俊輔: "制御呼吸下における心拍間隔変動について" 信学技報,MEとバイオサイバネティックス研究会. MBE94-7. 49-56 (1994)
• [文献書誌] 佐藤俊輔: "複数の生体信号の長時間無拘束計測と解析研究会の総括" 日本ME学会専門別研究会「複数の生体信号の長時間無拘束計測と解析研究会研究報告集」. 1(6). 169-179 (1994)
• [文献書誌] 小倉久直,佐藤俊輔: "Wiener非線形解析-理論・応用-,情報理論とその応用シリーズ2,確率過程,第6章" 培風館, 43 (1994)
• [文献書誌] 佐藤俊輔: "初通過時間とレベルクロス問題,情報理論とその応用シリーズ2,確率過程,第7章" 培風館, 35 (1994)
• [文献書誌] 添田春人,佐藤俊輔: "待ち時間問題-拡散過程近似-,情報理論とその応用シリーズ2,確率過程,第8章" 培風館, 15 (1994)