網膜視覚情報並列処理に関わる神経機序の研究

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K12225
• 研究機関: 中京大学
• 研究代表者: 石原 彰人 中京大学, 工学部, 教授 (80387620)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 網膜 / 錐体視細胞 / OFF型双極細胞 / 数理モデル / 光応答解析 / シナプス

研究実績の概要

網膜において錐体シナプス部は、視覚系における最初のシナプスであり、2次ニューロンである水平細胞と双極細胞に対して出力を送る。ここでは、双極細胞以降の光応答特性から、基本的な視覚情報に関連した情報経路への分離が実現されていることが明らかになっている。それらの経路の分離には、錐体と双極細胞によって形成された主経路に対して水平細胞出力が修飾的に働くことで形成されていると考えられている。本研究では、この錐体シナプス部における情報処理メカニズムに関して数理モデルを用いた計算論的アプローチから明らかにしていくことを目的とする。
2021年度は、2020年度に引き続き視細胞－双極細胞ネットワークにおける光応答のシミュレーション解析と、錐体シナプスの構造に基づいたマイクロ回路について既存の既存の生理学的知見をもとにしたモデル構築を実施した。2019年度にて構築した視細胞－双極細胞ネットワークモデルでは、我々がこれまで構築してきたOFF型双極細胞に合わせて視細胞シナプス部からの情報伝達物質放出過程を見直し、より最近の生理学的知見についても導入したモデルへと発展させている。2020年度は、様々な光の条件下でのシミュレーション解析から、双極細胞のAMPAレセプタのもつ特性や、細胞膜のイオンチャネル特性などが及ぼす影響を詳細に解析した。
また、錐体シナプスのマイクロ回路は、既にほかの研究者から報告されている内容をベースに簡単化したcone pedicleでの濃度変化を実現するモデルについてさらに新しい知見を導入した形で構築した。このモデルにより細胞内外で各物質が拡散や細胞膜上のイオンチャネルやイオンポンプなどの作用によって濃度変化の様子に加えて、電気的な変動のく様子を解析することが可能になった。

現在までの達成度 (区分)

4: 遅れている

理由

昨年度に引き続き新型コロナ感染対策で制限された中での発表活動をすることになることから、学会を通じた他の研究者とのディスカッションができていない状況がある。また、錐体シナプスのマイクロ回路のモデル化に関しては、概要に述べたように細胞内外の関連物質の濃度変化を再現するモデルは構築できた。一方で、計画では2021年度には双極細胞や水平細胞の樹状突起も含めた状態で、電位応答を再現するモデルへと発展させる予定であったが、今年度は光応答特性の解析に必要な電気現象との関連の記述を中心に手掛けたことや、最新の電気生理学的知見を導入するためにモデル方程式の見直しなどが必要であったため、そこまで到達していない。したがって遅れていると考える。

今後の研究の推進方策

学会活動を通じて関連する最新情報の調査や、他の研究者とのディスカッションからモデルか解析結果の精度を高めていく。また、視細胞シナプス部だけでなく双極細胞や水平細胞の樹状突起まで含めた形でのネットワークモデルの構築を早急に進めていく。

次年度使用額が生じた理由

昨年度に引き続き今年度も発表を予定していた学会について新型コロナ関係の情勢から発表を見送ったことや、発表した研究会などもオンライン開催であったため旅費として予定していた予算が大幅に繰り越している状況である。いくつかの成果を学会・研究会へ発表し、関連している研究を進める研究者とのディスカッションの機会を得ていく予定である。
2021年度はシミュレーション解析用のワークステーションを導入した。これに合わせて2022年度の研究を進めていく上で、繰り越した予算を使用し計算能力の高いコンピューターをもう1台導入することで、シミュレーション解析に必要な計算を効率よく進めることが可能になる。これらによって計画がよりスムースに進むものと考える。