| 研究実績の概要 |
本研究では、視覚の初期情報処理、すなわち、外界からの光情報の受容、処理、伝達を担う網膜神経回路を研究対象とした。特に、網膜の入力レベルでの情報の受容能力と、出力レベルでの情報伝達能力に焦点をあてた解析を進めてきた。
光情報を最初に受容する網膜上の視細胞は視細胞モザイクと呼ばれる特徴的な空間配列を形成している。本研究では、その解剖学的特性、生理学的特性に基づいた視細胞モザイクの数理モデルの開発に成功した。すなわち、３種類の錐体視細胞(L, M, S)と桿体視細胞の分布密度、存在比等の解剖学データに基づき、視細胞モザイクを自動生成するアルゴリズムを考案した。さらに、視細胞は外節、内節、シナプス部の形態・機能部から構成されているが、それらの生理学的特性を微分方程式として記述することで、光入力に対する電気的応答を再現することにも成功した。これによって、外界像が網膜上でどのように空間的にサンプリングされ、生体内の電気的信号に変換されるのかをシミュレートすることが可能になった。
外界像は角膜、水晶体などの眼球光学系を経た後に網膜に到達する。光学系を通過すると色収差などのため、網膜像にはぼけが生じる。また、錐体視細胞には外界の光環境に合わせ、その動作レンジをダイナミックに変化させる順応の仕組みが存在している。平成28年度は、こうした光学系や順応の特性も含めた拡張数理モデルを開発し、情報量に基づいた解析を行った。その結果、各錐体の配列の仕方が色情報のサンプリングに及ぼす影響などを定量的にシミュレーション解析することが可能になった。
網膜の出力を担う神経節細胞については、細胞膜上の一つ一つのイオンチャネルの確率的な動作に基づいたスパイク生成モデルが完成し、再現性の高いスパイク発火の時間的タイミングがどのように実現されているかを、シミュレーション解析で明らかにすることができた。
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