非線形信号処理の情報工学的同定法を用いた神経経路の動作解析

1994 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 06640873
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 下澤 楯夫 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (10091464)
• 研究分担者: 清水 利伸 北海道大学, 電子科学研究所, 助手 (60250510) ; 馬場 欣哉 北海道大学, 電子科学研究所, 助手 (30238232) ; 水波 誠 北海道大学, 電子科学研究所, 助教授 (30174030)
• キーワード: 非線形 / 神経細胞 / 信号処理 / パルス密度変調 / 白色雑音 / ウイナ-解析

研究概要

神経系における非線形な信号経路を、白色雑音刺激を用いていくつかの要素に分解固定する方法を確立し、それを用いて(1)感覚細胞のパルス密度変調器としての仕組みの解明、(2)介在神経の非線形干渉におけるシナプス前抑制とパルス発射特性の役割、の定量的な把握とその部位の確定を行なった。
実績:(1)コオロギ気流感覚神経細胞の非線形性は、すでに確立したエルミート多項式によって線形-非線形の従属接続モデルへ要素分解できる。ところが、感覚器に同一の刺激波形を繰り返し与えてアンサンブル平均から活動電位の発射確立を時間推移を実測したものと従属接続モデルの出力(時間平均)を比較すると、異なる部分がある。この違いの原因を究明した結果、感覚細胞のパルス密度変調は入力の振幅瞬時値のみではなくその変化率にも依存するヒステリシスを持つことが明かとなった。その特性を表現する2変数エルミート多項式を入出力の内積計算から入力位相面上に展開する方法を確立した。さらに、白色雑音の帯域幅を制限することによって、活動電位発生の不応期の存在がヒステリシスの原因であることを明らかにした。(2)線形-非線形従属接続の後ろにさらに線形要素が接続したサンドイッチ構造へ分解する手法の精度評価を行い、有効な分解に必要な観測時間を明らかにした。(3)線形-非線形従属接続分解法を用いたゴキブリ単眼系の解析結果を公表した。
次年度:白色雑音電流の注入と電位記録を単一の電極で行なう実験方法と電極刺入部位確認のためのレーザー照明装置を確立したが、実際のデータ集積は次年度に見送った。左右から異なる白色雑音を与えてその干渉項からシナプス前抑制を推定する予備実験を完了したが、データ集積は次年度に繰り越した。

研究成果

• [文献書誌] 太田 利彦,清水 利伸,馬場 欣哉,下澤 楯夫: "Sandwich構造をもつ非線形系の動特性推定における精度評価" 電子情報通信学会技術研究報告. NLP94-35. 17-24 (1994)
• [文献書誌] Y.Baba,K.Hirota,T.Shimozawa,T.Yamaguchi: "Differing afferent connections of spiking and nouspiking winol-seusitie locol intirnerons in the ternuinal abdominal garglion of the criclcet Gyllus b." J Comp.Physiol A. 176. 17-30 (1995)
• [文献書誌] 赤沢 年一,下澤 楯夫,清水 利伸,馬場 欣哉: "コオロギ感覚神経細胞のパルス密度変調にみられるヒステリシスについて" 電子情報通信学会技術研究報告. NC94-73. 105-112 (1995)
• [文献書誌] M.Mizunami: "Processing of contrast signals in the insect ocellar systens" Zool.Science. 11. 63-73 (1994)
• [文献書誌] 水波 誠: "明暗視の神経機構:昆虫単眼系の研究から" 比較生理生化学. 11. 63-73 (1994)
• [文献書誌] 水波 誠: "昆虫の単眼系の働きと進化" 科学. 64. 582-589 (1994)
• [文献書誌] M.Mizumani: "Advances in Insect Physiology vol25,151-265" Information processing in the insect ocellar systern, 345 (1994)