振動子ネットワークによる概日リズムの定量的数理モデルの構築とその制御への応用

2013 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 23560446
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 通信・ネットワーク工学
• 研究機関: 立命館大学
• 研究代表者: 徳田 功 立命館大学, 理工学部, 教授 (00261389)
• 研究分担者: 本間 さと 北海道大学, 医学研究科, 特任教授 (20142713) ; 福田 弘和 大阪府立大学, 工学研究科, 准教授 (90405358)
• 研究期間 (年度): 2011 – 2013
• キーワード: 概日リズム / 非線形動力学 / 同期 / 制御 / 視交叉上核

研究概要

Cry遺伝子欠損マウスの視交叉上核(SCN)において細胞分析を行ったところ、野生型に比べて周期分布が広がり、ノイズレベルが有意に増加し、減衰振動の特性が強まることを確かめた。新生児期からの発達段階では、SCNスライス培養系における同期の様相が変わり、結合様式が変化していることが示唆された。Cry遺伝子の欠損は個々の細胞リズムを弱めるのに対して、生後数日間は結合によってスライス全体のリズムが保持されることが数理モデルによって示された。また，概日リズム制御を目標に，シロイヌナズナに対して光パルス刺激を複数回適用することにより同期および脱同期状態の制御が可能であることを実験的に示した。

研究成果

• [雑誌論文] Characterization of circadian rhythms through a bioluminescence reporter assay in Lactuca sativa L (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Higashi, A. Kamitamari, N. Okamura, K. Ukai, K. Okamura, T. Tezuka, H. Fukuda
  • 雑誌名: Environmental Control in Biology 巻: Vol. 52 ページ: 21-27
  • DOI: 10.2525/ecb.52.21
  • 査読あり
• [雑誌論文] Detecting connectivity of small, dense oscillator networks from dynamical measurements based on a phase modeling approach (2013)
  • 著者名/発表者名: I.T. Tokuda, M. Wickramasinghe, I.Z. Kiss
  • 雑誌名: Physics Letters A 巻: Vol. 377 ページ: 1862-1867
  • DOI: 10.1016/j.physleta.2013.05.016
  • 査読あり
• [雑誌論文] Oscillator network modeling of circadian rhythm in the suprachiasmatic nucleus (2013)
  • 著者名/発表者名: I. Tokuda, H. Fukuda, N. Hayasaka
  • 雑誌名: In Advances in Cognitive Neurodynamics (III), Y.Yamaguchi ed. Springer, Tokyo ページ: 191-197
  • DOI: 10.1007/978-94-007-4792-0_26
• [雑誌論文] Oscillator cell networks in the hypothalamic suprachiasmatic nucleus, the mammalian circadian clock (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Honma, D. Ono, K.-I. Honma
  • 雑誌名: In Advances in Cognitive Neurodynamics (III), Y.Yamaguchi ed. Springer, Tokyo ページ: 185-190
  • DOI: 10.1007/978-94-007-4792-0_25
• [雑誌論文] Postnatal constant light compensates Cryptochrome 1 and 2 double deficiency for disruption of circadian behavioral rhythms in mice under constant dark (2013)
  • 著者名/発表者名: D. Ono, S. Honma, K.-I. Honma
  • 雑誌名: PLoS One 巻: Vol. 8 ページ: e80615
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0080615
  • 査読あり
• [雑誌論文] Solution to the inverse problem of estimating gap junctional and inhibitory conductance in inferior olive neurons from the spike trains by network model simulation (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Oniuzka, H.T. Huu, M. Kawato, I. Tokuda, N. Schweighofer, Y. Katori, K. Aihara, E.J. Lang, K. Toyama
  • 雑誌名: Neural Networks 巻: Vol. 47 ページ: 51-63
  • DOI: 10.1016/j.neunet.2013.01.006
  • 査読あり
• [雑誌論文] Adaptive coupling of inferior olive neurons in cerebellar learning (2013)
  • 著者名/発表者名: I.T. Tokuda, H. Huu, N. Schweighofer, M. Kawato
  • 雑誌名: Neural Networks 巻: Vol. 47 ページ: 42-50
  • DOI: 10.1016/j.neunet.2012.12.006
  • 査読あり
• [雑誌論文] Controlling circadian rhythms by dark pulse perturbations in Arabidopsis thaliana (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Fukuda, H. Murase, I.T. Tokuda
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: Vol. 3 ページ: 1533
  • DOI: 10.1038/srep01533
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cryptochromes are critical for the development of coherent circadian rhythms in the mouse suprachiasmatic nucleus (2013)
  • 著者名/発表者名: D. Ono, S. Honma, and K.-I. Honma
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: Vol. 4 ページ: 1666
  • DOI: 10.1038/ncomms2670
  • 査読あり
• [雑誌論文] Circadian regulation of food anticipatory activity in molecular clock deficient mice (2012)
  • 著者名/発表者名: N.N. Takasu, G. Kurosawa, I.T. Tokuda, Mochizuki, T. Todo, W. Nakamura
  • 雑誌名: PLoS ONE 巻: Vol. 7 ページ: e48892
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0048892
  • 査読あり
• [雑誌論文] Self-arrangement of cellular circadian rhythms through phase resetting in plant roots (2012)
  • 著者名/発表者名: H. Fukuda, K. Ukai, and T. Oyama
  • 雑誌名: Phys. Rev. E 巻: Vol. 86 ページ: 041917
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.86.041917
  • 査読あり
• [雑誌論文] Topological specificity and hierarchical network of the circadian calcium rhythm in the suprachiasmatic nucleus (2012)
  • 著者名/発表者名: R. Enoki, S. Kuroda, D. Ono, M.T. Hasan, T. Ueda, S. Honma, K.-I. Honma
  • 雑誌名: Proc Natl Acad Sci USA 巻: Vol. 109 ページ: 21498-21503
  • DOI: 10.1073/pnas.1214415110
  • 査読あり
• [雑誌論文] Engineering of synchronization and clustering of a population of chaotic chemical oscillators (2011)
  • 著者名/発表者名: C.G. Rusin, I. Tokuda, I.Z. Kiss, J.L. Hudson
  • 雑誌名: Angewandte Chemie 巻: Vol. 50, Issue 43 ページ: 10212-10215
  • DOI: 10.1002/anie.201008194
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantitative analysis of phase wave of gene expression in the mammalian central circadian clock network (2011)
  • 著者名/発表者名: H. Fukuda, I. Tokuda, S. Hashimoto, N. Hayasaka
  • 雑誌名: PLoS ONE 巻: Vol. 6, No. 8
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0023568
  • 査読あり
• [雑誌論文] Early diagnosis of productivity through a clock gene promoter activity using a Luciferase bioluminescence assay in Arabidopsis thaliana (2011)
  • 著者名/発表者名: H. Fukuda, T. Ichino, T. Kondo, H. Murase
  • 雑誌名: Environment Control in Biology 巻: Vol. 49 ページ: 51-60
  • DOI: 10.2525/ecb.49.51
  • 査読あり
• [雑誌論文] Production of biologically active human thioredoxin 1 protein in lettuce chloroplasts (2011)
  • 著者名/発表者名: S. Lim, H. Ashida, R. Watanabe, K. Inai, Y.-S. Kim, K. Mukougawa, H. Fukuda, K.-I. Tomizawa, K.-I. Ushiyama, H. Asao, M. Tamoi, H. Masutani, S. Shigeoka, J. Yodoi, A. Yokota
  • 雑誌名: Plant Mol. Biol. 巻: Vol. 76 ページ: 335-44
  • DOI: 10.1007/s11103-011-9745-5
  • 査読あり
• [学会発表] Analysis of phase response of Arabidopsis to light pulses with different wavelength (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Ohara, I. Tokuda, S. Okamura, H. Fukuda
  • 学会等名: 第55回日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 富山大学(富山県)
  • 年月日: 2014-03-18
• [学会発表] SCNスライスデータにおける領域分割とその細胞間結合への影響に関する研究 (2013)
  • 著者名/発表者名: 豊田慎五,徳田功,福田弘和,早坂直人
  • 学会等名: 第20回日本時間生物学会学術大会
  • 発表場所: 近畿大学(大阪府)
  • 年月日: 2013-11-09
• [学会発表] 波長の異なる光パルスを用いた植物概日リズムの位相応答曲線の計測と推定に関する研究 (2013)
  • 著者名/発表者名: 大原隆之,徳田功,岡村信弥,福田弘和
  • 学会等名: 第20回日本時間生物学会学術大会
  • 発表場所: 近畿大学(大阪府)
  • 年月日: 2013-11-09
• [学会発表] 根の概日時計におけるストライプパターンを用いた位相応答関数の算出 (2013)
  • 著者名/発表者名: 鵜飼和也,上山昌三,福田弘和
  • 学会等名: 第20回日本時間生物学会学術大会
  • 発表場所: 近畿大学(大阪府)
  • 年月日: 2013-11-09
• [学会発表] A role of salt-inducible kinase 3 in the central circadian pacemaker in mammals : phosphorylation-dependent degradation of the clock protein (2013)
  • 著者名/発表者名: N. Hayasaka, I. Tokuda, H. Takemori
  • 学会等名: XIII Congress of the European Biological Rhythms Society
  • 発表場所: Munich(Germany)
  • 年月日: 2013-08-20
• [学会発表] Single cell analysis and oscillator network modeling of Cry1 and Cry2 double deficient mice (2013)
  • 著者名/発表者名: I. Tokuda, H. Herzel, D. Ono, S. Honma, K.-I. Honma
  • 学会等名: XIII Congress of the European Biological Rhythms Society
  • 発表場所: Munich(Germany)
  • 年月日: 2013-08-19
• [学会発表] A role for Salt-inducible kinase 3 (SIK3) in the circadian rhythm regulation : phosphorylation-dependent degradation of the clock protein (2013)
  • 著者名/発表者名: N . Hayasaka, I. Tokuda, H. Takemori
  • 学会等名: 36th annual meeting of the Japan Neuroscience Society
  • 発表場所: 京都国際会館(京都府)
  • 年月日: 2013-06-22
• [学会発表] 線形予測による給餌予想活動のモデル化:制限給餌データの定量解析 (2013)
  • 著者名/発表者名: 牛田明里,徳田功,高須奈々,中村渉
  • 学会等名: 電子情報通信学会総合大会
  • 発表場所: 岐阜大学(岐阜県)
  • 年月日: 2013-03-21
• [学会発表] Oscillator network modeling of suprachiasmatic nucleus in Cry1/Cry2 double-deficient mice (2012)
  • 著者名/発表者名: I. Tokuda, D. Ono, S. Honma, K.-I. Honma
  • 学会等名: 35th annual meeting of the Japan Neuroscience Society
  • 発表場所: 名古屋国際会議場(愛知県)
  • 年月日: 2012-09-18
• [学会発表] 概日リズムネットワークモデルとその結合推定方法の検証 (2012)
  • 著者名/発表者名: 豊田慎五,徳田功,福田弘和,早坂直人
  • 学会等名: 第19回日本時間生物学会学術大会
  • 発表場所: 北海道大学(北海道)
  • 年月日: 2012-09-15
• [学会発表] データ分析によるCry遺伝子欠損マウスのSCNモデル (2012)
  • 著者名/発表者名: 徳田功,小野大輔,本間さと,本間研一
  • 学会等名: 第19回日本時間生物学会学術大会
  • 発表場所: 北海道大学(北海道)
  • 年月日: 2012-09-15
• [学会発表] Oscillator network modeling of mutant SCN (2012)
  • 著者名/発表者名: I. Tokuda, D. Ono, S. Honma, K.-I. Honma
  • 学会等名: Meeting Society for Research on Biological Rhythms
  • 発表場所: Sandestin (米国)
  • 年月日: 2012-05-22
• [学会発表] Oscillator network modeling of circadian rhythm in the suprachiasmatic nucleus (2011)
  • 著者名/発表者名: I. Tokuda, H. Herzel
  • 学会等名: 26th Symposium on Biological and Physiological Engineering
  • 発表場所: 立命館大学(滋賀県)
  • 年月日: 2011-09-22
• [学会発表] Oscillator network modeling of circadian rhythm in the suprachiasmatic nucleus (2011)
  • 著者名/発表者名: I. Tokuda, H. Fukuda, N. Hayasaka
  • 学会等名: 3rd International Conference on Cognitive Neurodynamics
  • 発表場所: ヒルトンニセコビレッジ(北海道)
  • 年月日: 2011-06-12
• [図書] "Cellular circadian rhythms in the suprachiasmatic nucleus : An oscillatory or a stochastic process?"Dynamics of Circadian Oscillation in the SCN(Honma K. (ed.)) (2014)
  • 著者名/発表者名: D. Ono, H. Kori, S. Honma, S. Daan, and K. Honma
  • 総ページ数: 21-32
  • 出版者: Hokkaido Univ. Press
• [図書] "Imaging Circadian Calcium Rhythm in the Suprachiasmatic Nucleus."Dynamics of Circadian Oscillation in the SCN(Honma K. (ed.)) (2014)
  • 著者名/発表者名: R. Enoki, S. Honma and K. Honma
  • 総ページ数: 33-45
  • 出版者: Hokkaido Univ. Press
• [図書] "Cellular oscillators in the suprachiasmatic nucleus for behavior rhythm expression in the mouse lacking CRYPTOCHROME."Dynamics of Circadian Oscillation in the SCN(Honma K. (ed.)) (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Honma, D. Ono, and K. Honma
  • 総ページ数: 79-89
  • 出版者: Hokkaido Univ. Press
• [図書] "Bout Oscillator : hypothetical circadian oscillators for activity bouts."Dynamics of Circadian Oscillation in the SCN(Honma K. (ed.)) (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Honma, D. Ono, S. Honma, and I. Tokuda
  • 総ページ数: 91-105
  • 出版者: Hokkaido Univ. Press
• [図書] "Oscillator Network modeling of the suprachiasmatic nucleus in Cry1/Cry2 double deficient mice."Dynamics of Circadian Oscillation in the SCN(Honma K. (ed.)) (2014)
  • 著者名/発表者名: I. Tokuda, H. Herzel, D. Ono, S. Honma, and K. Honma
  • 総ページ数: 139-153
  • 出版者: Hokkaido Univ. Press