膜電位イメージング時空間データの統計的解析による脳幹内呼吸リズム形成機構の解明

2009 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19200021
• 研究機関: 統計数理研究所
• 研究代表者: 石黒 真木夫 統計数理研究所, モデリング研究系, 教授 (10000217)
• 研究分担者: 岡田 泰昌 慶應義塾大学, 医学部, 准教授 (80160688) ; 越久 仁敬 兵庫医科大学, 医学部, 教授 (20252512) ; 田村 義保 統計数理研究所, データ科学研究系, 教授 (60150033) ; 三分一 史和 統計数理研究所, モデリング研究系, 准教授 (30360647)
• キーワード: 非線形入力モデル / 因果関係 / ニューロンの分類 / データ重ねあわせ / SN比の改善 / 過渡的現象の解析 / 情報量規準 / 画像データ解析

研究概要

本研究は、ラット脳幹内の呼吸関連領域から得られた膜電位イメージデータ変動の間の因果関係を把握することによって呼吸リズムの形成機構を明らかにすることを目的とするものであり、平成20年度までの研究によって自発呼吸のデータから各呼吸に寄与している部位を抽出することを可能とし、このSTFモデルの活用によって、病的に多ピークの呼吸活動を示す場合にそれぞれのピークに寄与している部位が必ずしも一致していない現象が、呼吸リズム形成過程の頑健性、安定性と統一性を両立させるメカニズム、の解明において重要な意義を有するとの認識に至った。平成21年度はブラジル、サンパウロで開催された国際会議を含む国際的な研究発表の場においてこれらの成果を発表し、その評価を求めるとともに、ラットの誕生後の呼吸リズム形成機構の発達に伴う変化の追跡、および、多数のニューロンの協調によって形成される呼吸リズムの計測における空間、時間的な平均化フィルタの効果の研究を計画に掲げて研究を進めた。その成果として、前者の計画に対して、多数の実験の結果を統合し、ラットの個体差を吸収しつつ呼吸リズム形成機構の日齢差を追跡する技術の基礎となる「極座標変形法」と言うべき画像データ標準化法を得、ラット脳幹に直結する脊髄上部の横断断面画像の標準画像化によってその有効性を確認した。計画の後者に対しては、確率的神経ネットワークモデルにもとづくシミュレーションによる研究を進め、呼吸リズム形成にかかわる神経群が大局的に示す"quantal slowing"の現象を説明するメカニズムのモデルを得た。

研究成果

• [雑誌論文] What does the multi-peaked respiratory output pattern tell us about the respiratory pattern generating neuronal network? (2010)
  • 著者名/発表者名: Ishiguro M, Kawai S, Okada Y, Oku Y, Miwakeichi F, Tamura Y, Lal A.
  • 雑誌名: Advances in Ekperimental Medicine and Biology 669 ページ: 235-238
  • 査読あり
• [雑誌論文] Vesicular glutamate transporter 2-immunoreactive synapses onto phrenic motoneurons in the neonatal rat. (2010)
  • 著者名/発表者名: Yokota S, Shinozaki Y, Oku Y, Okada Y, Yasui Y.
  • 雑誌名: Advances in Experimental Medicine and Biology 669 ページ: 189-192
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anatomical changes of phrenic motoneurons during development. (2010)
  • 著者名/発表者名: Okada Y, Yokota S, Shinozaki Y, Miwakeichi F, Oku Y, Yasui Y.
  • 雑誌名: Advances in Experimental Medicine and Biology 669 ページ: 33-36
  • 査読あり
• [雑誌論文] Inhomogeneous distribution of action potential characteristics in the rabbit sino-atrial node revealed by voltage imaging. (2009)
  • 著者名/発表者名: Masumiya H, Oku Y, Okada Y.
  • 雑誌名: Journal of Physiological Sciences 59 ページ: 227-241
  • 査読あり
• [雑誌論文] The central respiratory chemoreceptor : Where is it located? (2009)
  • 著者名/発表者名: Okada Y, Kuwana S, Chen Z, Ishiguro M, Oku Y.
  • 雑誌名: Advances in Experimental Medicine and Biology 648 ページ: 377-385
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anatomical architecture and responses to acidosis of a novel respiratory neuron group in the high cervical spinal cord(HCRG)of the neonatal rat. (2009)
  • 著者名/発表者名: Okada Y, Yokota S, Shinozaki Y, Aoyama R, Yasui Y, Ishiguro M, Oku Y.
  • 雑誌名: Advances in Experimental Medicine and Biology 648 ページ: 387-394
  • 査読あり
• [雑誌論文] A novel statistical analysis of voltage-imaging data by structural time series modeling and its application to the respiratory neuronal network. (2009)
  • 著者名/発表者名: Kawai S, Oku Y, Okada Y, Miwakeichi F, Tamura Y, Ishiguro M.
  • 雑誌名: Neuroscience Research 63 ページ: 165-171
  • 査読あり
• [雑誌論文] 呼吸中枢. (2009)
  • 著者名/発表者名: 岡田泰昌.
  • 雑誌名: 慶應医学 85 ページ: 159-168
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fluorescence imaging of active respiratory networks. (2009)
  • 著者名/発表者名: Ruangkittisakua A, Okada Y, Oku Y, Koshiya N, Ballanyi K
  • 雑誌名: Respiration Physiology & Neurobiology 168 ページ: 26-38
  • 査読あり
• [学会発表] Spatiotemporal activity profile of respiratory-related motoneuron population analyzed by voltage-imaging in the cervical spine of the neonatal rat.(頚髄呼吸関連運動ニューロンにおける自発呼吸神経活動時空間動態の高速膜電位イメージング解析) (2009)
  • 著者名/発表者名: Shinozaki Y, Yokota S, Miwakeichi F, Aoyama R, Oku Y, Okada Y.
  • 学会等名: 第32回日本神経科学大会
  • 発表場所: 名古屋
  • 年月日: 20090916-20090918
• [学会発表] Spatio-temporal innovation approach for the analysis of optical voltage-imaging data (2009)
  • 著者名/発表者名: Miwakeichi F., Oku Y., Okada Y., Kawai S., Tamura, Y., Ishiguro M.
  • 学会等名: XXIV annual meeting Federation of Society of Experimental Biology
  • 発表場所: Aguas de Lindoia, Sao Paulo, Brazil
  • 年月日: 20090819-20090822
• [学会発表] Non-deterministic breakdown of the preBotzinger complex neuronal synchronicity may lead to quantal slowing of respiratory rhythm. (2009)
  • 著者名/発表者名: Lal A, Oku Y, Hulsmann S, Okada Y, Miwakeichi F, Kawai S, Tamura Y, Ishiguro M.
  • 学会等名: XXXVIth International Union of Physiological Sciences(IUPS2009)
  • 発表場所: Kyoto, Japan.
  • 年月日: 20090727-20090801
• [学会発表] Localization and mechanisms of central chemoreception. Symposium."Chemical Control of Breathing : Molecular and Systemic Mechanisms and Effects" (2009)
  • 著者名/発表者名: Okada Y, Kuwana S, Yokota S, Chen Z, Oku Y.
  • 学会等名: XXXVIth International Union of Physiological Sciences(IUPS2009)
  • 発表場所: Kyoto, Japan.
  • 年月日: 20090727-20090801
• [学会発表] Spatiotemporal activity of respiratory neurons in the cervical spinal cord at the level of the phrenic nucleus in neonatal rats. (2009)
  • 著者名/発表者名: Shinozaki Y, Miwakeichi F, Yokota S, Aoyama R, Oku Y, Okada Y.
  • 学会等名: The 11th Oxford Conference on Modeling and Control of Breathing.
  • 発表場所: Nara, Japan.
  • 年月日: 20090724-20090726
• [学会発表] Anatomical and functional correlates between phrenic and scalene motoneurons in the cervical spinal cord of neonatal rats. (2009)
  • 著者名/発表者名: Yokota S, Shinozaki Y, Oku Y, Okada Y, Yasui Y.
  • 学会等名: The 11th Oxford Conference on Modeling and Control of Breathing.
  • 発表場所: Nara, Japan.
  • 年月日: 20090724-20090726
• [学会発表] What does the multi-peaked respiratory output pattern tell us about the respiratory pattern generating neuronal network? (2009)
  • 著者名/発表者名: Ishiguro M, Kawai S, Okada Y, Oku Y, Miwakeichi F, Tamura Y, Lal A.
  • 学会等名: The 11th Oxford Conference on Modeling and Control of Breathing.
  • 発表場所: Nara, Japan.
  • 年月日: 20090724-20090726
• [学会発表] Advances in analyses of spatiotemporal respiratory network activities using voltage-sensitive dyes. (2009)
  • 著者名/発表者名: Oku, Yoshitaka
  • 学会等名: XXXVIth International Congress of Physiological Sciences(IUPS2009)
  • 発表場所: Kyoto, Japan.
  • 年月日: 2009-07-28
• [図書] Parametric modeling analysis of optical imaging data on neuronal activities in the brain.
  • 著者名/発表者名: Kawai S, Oku Y, Okada Y, Miwakeichi F, Ishiguro M, Tamura Y.
  • 出版者: In Computational Neuroscience(Springer Optimization and Its Applications)(edited by Wanpracha Chaovalitwongse, Panos Pardalos, Petros Xanthopoulos)Springer(in press)(掲載確定)