| 研究課題/領域番号 |
24500368
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
中尾 光之 東北大学, 情報科学研究科, 教授 (20172265)
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| 研究期間 (年度) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| キーワード | 視交叉上核 / 位相振動子 / フィードバック |
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| 研究概要 |
ヒトの概日リズムは行動学的レベルでは視交叉上核(SCN)由来の振動体と非SCN振動体の２つの振動体からなっており、両振動体間の不連続性な相互作用が実験的に明らかにされている。我々は、その原因がSCN振動体の一部が（非SCN振動体を含む）非光同調機構からのフィードバックにより適応的に引き込まれている為だと予測した。本研究では、先ず、位相振動子結合系を用いて、フィードバック機構（すなわち、明暗サイクルの切り替わりに合わせて行動レベルからの逆行性入力がSCNに対してもたらされる）によって、振動子間の結合あるいは応答性が適応的に調節され日長を反映した不均一な同期集団(Honma et al., 2007)が形成されるかどうかを確かめた。前者を結合調節モデル、後者を周期調節モデルと呼ぶ。先ず、結合調節モデルについてそのリアリティを検証した。不均一な同期集団を形成するための局所集団内外の結合形態を予測し、それが正しいことをシミュレーションによって確かめた。しかしながら、フィードバック入力下で、振動子間の結合に可塑的な学習則を導入した際には予測された結合強度パターンが安定には形成されにくいことが示唆された。一方、周期調節モデルでは、振動位相依存性に応答性により周期が適応的変化するパラメトリック同調を仮定した場合、振動子間の結合強度と周期変化のバランスで不均一な同期集団が形成されることが分かった。以上の結果は、行動レベルからのフィードバックはSCNにおいて結合強度より応答性を適応的に変化させることを示唆するが、さらに学習則を変えた場合の振舞いを確かめてみる必要がある。また、応答性変化を担う分子的なメカニズムの推定とリアリティ検証が必要である。
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| 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
本年度は、SCNの一部が行動レベルからのフィードバックによって適応的に引き込まれる可能性をフィードバックを受ける位相振動子結合系を用いて検討することであった。具体的には、位相振動子結合系を用いて、フィードバック機構によって、振動子間の結合あるいは応答性が適応的に調節され日長を反映した不均一な同期集団(Honma et al., 2007)が形成されるかどうかを調べた。結合が適当な学習則に従って変化する結合調節モデル、周期が適応的に変化する周期調節モデルについて検討した。その結果、結合調節モデルについては、不均一な同期集団を形成するための局所集団内外の結合形態を予測し、それが正しいことをシミュレーションによって確かめた。しかしながら、フィードバック入力下で、振動子間の結合に可塑的な学習則を導入した際には予測された結合強度パターンが安定には形成されにくいことが示唆された。一方、周期調節モデルでは、振動位相依存性に応答性により周期が適応的変化するパラメトリック同調を仮定した場合、振動子間の結合強度と周期変化のバランスで不均一な同期集団が形成されることが分かった。以上の結果は、行動レベルからのフィードバックはSCNにおいて結合強度より応答性を適応的に変化させることを示唆している。さらなるメカニズムの検討が必要であるが、生物学的に忠実な詳細モデルによるSCNモデル構築の基盤となる結合位相振動子系が構成できた。
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| 今後の研究の推進方策 |
（1）結合調節モデルにおける学習則を探索すると共に、周期調節モデルにおける周期調節の可能な分子機構を分子生物学的な知見を参考にして探索する。それに基づいて時計分子機構の遺伝子・蛋白ネットワークモデルを構築すると共に、変数を低減する縮約を行う。
（2）作成した縮約時計機構モデルに細胞内シグナル伝達系のカスケードおよびイオンチャネルダイナミクスを組み込んで、ペースメーカ細胞の縮約モデルを構築する。
（3）ペースメーカ細胞の縮約モデルをギャップ結合、シナプス、ペプタイドの拡散で結合し、SCN集合振動体モデルを構成する（ボトムアップ縮約過程）。
（4）SCN振動体が位相振動子結合系のダイナミクスを再現するようにペースメーカ細胞モデル間の結合形態をチューニングする（トップダウン遡行過程）。以上のような縮約と遡行の戦略により、行動レベルの振動体系のダイナミクスを持ち、且つ、分子レベルの振動メカニズムを踏襲したSCNのマルチスケールモデル化を実現する。
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| 次年度の研究費の使用計画 |
これまでの研究成果により、モデリングの方向性が定まったことから、モデルの作成および調整を迅速に進める（アルバイト謝金を使用）。また、これまでの成果を国際会議で発表する（旅費を使用）とともにジャーナルで出版する（その他）。
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