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2021 年度 実施状況報告書

イメージングとグラフィカルモデリングによる睡眠中大脳皮質動態の解明

研究課題

研究課題/領域番号 20K06922
研究機関筑波大学

研究代表者

上田 壮志  筑波大学, 国際統合睡眠医科学研究機構, 助教 (00599821)

研究分担者 日野 英逸  統計数理研究所, モデリング研究系, 教授 (10580079)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
キーワード大脳皮質 / 睡眠 / 脳状態 / イメージング / 機械学習
研究実績の概要

本研究は、睡眠、休息、麻酔、学習時などの様々な状態に依存した脳内の様相をニューロンの集団的ふるまいから解析し、脳状態と脳機能の関連を明らかにすることを目的としている。統計的機械学習を用いることで、多ニューロンの活動という多変量時系列データから何らかの規則性の発見を試みている。本研究ではカルシウムイメージングデータからの機能的結合性の推定に、スパースモデリングの手法の一つであるグラフィカルラッソを用いて、ネットワーク構造のモデル化を行っている。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

自発的な睡眠を含む様々な脳状態のマウスを実験に用いた。脳状態に依存したネットワーク構造の動的性質を明らかにすべく、大脳皮質ニューロンの自発活動を2光子カルシウムイメージング法によって記録し、このデータの解析に統計的機械学習を使用した。脳波では異なる状態である休息と睡眠の2つの状態において、皮質局所ネットワーク構造の視点においては類似性が高いことを見出し、いくつかの学会で紀要及び口頭発表を行った。また共同研究として、非負値行列因子分解を用いたカルシウムイメージングデータからのセルアセンブリ推定をNeural Networksに発表した。

今後の研究の推進方策

睡眠などの生理状態に依存した大脳皮質ネットワーク構造の動態における新たな特徴を発見できている。今後はその特徴の可塑的な変化を検証するために、投薬、障害、課題などと組み合わせた研究を展開する。

次年度使用額が生じた理由

新型コロナウイルスの感染拡大のため動物実験の一時減少と学会や共同研究打ち合わせなどがオンライン化したため、支出が大幅に少なくなったため。

  • 研究成果

    (5件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (2件) 学会発表 (3件)

  • [雑誌論文] Detecting cell assemblies by NMF-based clustering from calcium imaging data2022

    • 著者名/発表者名
      Nagayama Mizuo、Aritake Toshimitsu、Hino Hideitsu、Kanda Takeshi、Miyazaki Takehiro、Yanagisawa Masashi、Akaho Shotaro、Murata Noboru
    • 雑誌名

      Neural Networks

      巻: 149 ページ: 29~39

    • DOI

      10.1016/j.neunet.2022.01.023

  • [雑誌論文] Cerebral capillary blood flow upsurge during REM sleep is mediated by A2a receptors2021

    • 著者名/発表者名
      Tsai Chia-Jung、Nagata Takeshi、Liu Chih-Yao、Suganuma Takaya、Kanda Takeshi、Miyazaki Takehiro、Liu Kai、Saitoh Tsuyoshi、Nagase Hiroshi、Lazarus Michael、Vogt Kaspar E.、Yanagisawa Masashi、Hayashi Yu
    • 雑誌名

      Cell Reports

      巻: 36 ページ: 109558~109558

    • DOI

      10.1016/j.celrep.2021.109558

  • [学会発表] Distinct network structures emerge in the primary motor cortex during active and quiet wake2022

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Kanda, Takehiro Miyazaki, Kotaro Sakamoto, Hideitsu Hino, Masashi Yanagisawa
    • 学会等名
      第99回日本生理学会
  • [学会発表] 一次運動野の機能的ネットワークはquiet wake とnon-REM 睡眠時に類似構造をもつ2021

    • 著者名/発表者名
      上田壮志、宮崎峻弘、坂本航太郎、日野英逸、柳沢正史
    • 学会等名
      第15回 Motor Control 研究会
  • [学会発表] Similar structures emerge in local cortical networks during quiet wake and NREM sleep2021

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Kanda, Takehiro Miyazaki, Kotaro Sakamoto, Hideitsu Hino, Masashi Yanagisawa
    • 学会等名
      第31 回日本神経回路学会全国大会

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公開日: 2022-12-28  

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