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2016 年度 実施状況報告書

空間情報の処理を担う神経ネットワークの動作原理の解明

研究課題

研究課題/領域番号 26830006
研究機関東京大学

研究代表者

豊島 有  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (10632341)

研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2018-03-31
キーワードシステム生物学 / モデル化とシミュレーション / ライブイメージング / 神経情報処理 / 線虫
研究実績の概要

線虫は特定の塩濃度の領域へ向かう性質があり、進行方向および垂直方向の塩濃度勾配に対してそれぞれピルエット機構と風見鶏機構という異なる行動戦略を用いている。その際神経ネットワークにおいては塩濃度勾配の方向の情報が時間的に多重にコードされていると考えられる。本研究では、多重にコードされた空間情報を分離・抽出する機構を同定し、その動作原理の解明を目指している。本年度は特に<1. カルシウムイメージングによる神経細胞の活性測定>と<2. 実験データに基づいた数理モデルの作成>について研究を進めた。
<1.>については、4Dイメージング画像の解析プログラムを改良し、論文として発表した。この方法により、塩濃度勾配の情報を処理している神経を含む、線虫頭部の中枢神経群について同時にCa2+レベルを測定できるようになり、これらの神経群が線虫の動きと同期した自発的活動を示すことがわかった。この自発的活動は外部刺激による神経活動を覆い隠すほど強く、また広範囲に渡っていた。外部刺激に依存した神経活動を抽出するためには、多数の個体を観察して比較し、自発的活動を除外する必要があるので、個体間の比較に必要な、細胞の対応付け(同定)のための技術開発と線虫株の作成を進めている。
<2.>については、塩濃度刺激とその受容神経の応答の関係について、通常用いるステップ状の刺激と、ランダムな刺激を与えて応答を測定したところ、後者のほうが予測性能が高いモデルを作成できることがわかった。この方法によって、塩を受容する神経の応答を様々な濃度範囲で予測できる数理モデルを作成することに成功した。また、単一神経の活動と線虫の行動とを同時に測定できるトラッキングステージ付き蛍光顕微鏡によって、塩濃度刺激時の神経活動と行動の同時測定データが得られたので、ARXモデルを用いて解析を進めている。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

研究計画の<1.カルシウムイメージングによる神経細胞の活動測定>に際して、4Dイメージング法により得られた画像データを解析するためのプログラムの作成と改良を進め、論文として発表した。この方法により、線虫頭部のほぼすべての中枢神経の活動を同時に測定できるようになった。また当初想定していなかった強い自発的活動が見つかったことは、神経回路の情報処理に新たな視点を与える成果であるといえる。一方、異なる周期の刺激を与えて各神経の応答を調べる方法が当初計画に含まれているが、強い自発的活動の存在下では解析が困難であると予想されるため、再検討が必要である。
<2. 実験データに基づいた数理モデルの作成>では、塩濃度刺激と感覚神経の活動の関係を実験データに基づいて数理モデル化することができた。さらに下流の介在神経と行動についても数理モデル化を進めている。将来的にはこれらを組み合わせることで、刺激の受容から行動に至るまでの包括的な数理モデルが作成できる。

今後の研究の推進方策

引き続き<1. カルシウムイメージングによる神経細胞の活性測定>を行い、加えて<2. 実験データに基づいた数理モデルの作成>と<3. 数理モデルの解析と動的特性の検証>を行う予定である。
<1.>に関しては、親和性および応答速度の点で改良が進む蛍光プローブを導入しつつ、4D イメージング観察技術を積極的に活用し、より多くの神経活動の測定を進める。また、自発活動と刺激依存的な活動をうまく分離するため、個体間での細胞の対応付けを目指す。
<2.>に関しては、感覚神経や介在神経の応答、および行動の測定の進捗に合わせて、実験データを再現できるような数理モデルの作成をさらに進める。また、数理モデル側で自発的活動と刺激依存的な活動をうまく分離できないか検討する。
<3.>については、前項を通じて、塩濃度勾配の情報を処理する神経回路の動的特性が見いだせた場合にはその検証が可能か検討する。

次年度使用額が生じた理由

研究の進展に伴い、当初オプションとして想定していた4Dイメージング観察技術の有効性が確認されたが、当該顕微鏡は現在遠方の共同研究先(九州大学)に設置されているため、実験条件の変更や例数を増やすことは困難である。現在、新たな4Dイメージング観察装置の開発を共同で進めており、次年度以降も開発を行いつつ、共同利用購入して東京大学に設置する予定であるため、次年度使用額を残した。

次年度使用額の使用計画

上述のとおり、本研究で利用する4Dイメージング観察装置を共同利用購入し、東京大学に設置するために使用する予定である。

  • 研究成果

    (23件)

すべて 2017 2016 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 2件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 7件、 招待講演 2件) 備考 (3件)

  • [国際共同研究] The MRC Laboratory of Molecular Biology(United Kingdom)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      The MRC Laboratory of Molecular Biology
  • [雑誌論文] 密集した多数の神経細胞の活動を同時に測定する自動画像解析技術の開発2017

    • 著者名/発表者名
      豊島 有、飯野 雄一
    • 雑誌名

      生物物理

      巻: 57 ページ: 20-23

    • DOI

      10.2142/biophys.57.001

    • オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 神経応答のモデリング ~Ca2+イメージングを用いて2017

    • 著者名/発表者名
      豊島 有
    • 雑誌名

      実験医学

      巻: 35 ページ: 875-878

  • [雑誌論文] Accurate Automatic Detection of Densely Distributed Cell Nuclei in 3D Space.2016

    • 著者名/発表者名
      Yu Toyoshima, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Manami Kanamori, Takayuki Teramoto, Moon-Sun Jang, Sayuri Kuge, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida, Yuichi Iino
    • 雑誌名

      PLOS Computational Biology

      巻: 12 ページ: e1004970

    • DOI

      10.1371/journal.pcbi.1004970

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [学会発表] 線虫の全脳活動データに対する位相解析2017

    • 著者名/発表者名
      岩崎唯史, 寺本孝行, 大江紗, 徳永旭将, 広瀬修, Stephen Wu, 豊島有, ジャンムンソン, 吉田亮, 飯野雄一, 石原健
    • 学会等名
      日本物理学会 第72回年次大会
    • 発表場所
      大阪大学 豊中キャンパス (大阪府豊中市)
    • 年月日
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [学会発表] 線虫C. elegansの頭部神経系全体のGCaMP6fを用いた活動解析2016

    • 著者名/発表者名
      大江紗, 寺本孝行, 徳永旭将, 広瀬修, 豊島有, 久下小百合, 飯野雄一, 吉田亮, 石原健
    • 学会等名
      第39回日本分子生物学会年会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜(神奈川県横浜市)
    • 年月日
      2016-11-30 – 2016-12-02
  • [学会発表] 線虫のwhole-brainイメージングデータに関する位相同期解析2016

    • 著者名/発表者名
      岩崎唯史, 寺本孝行, 大江紗, 徳永旭将, 広瀬修, Stephen Wu, 豊島有, ジャンムンソン, 吉田亮, 飯野雄一, 石原健
    • 学会等名
      第54回日本生物物理学会大会
    • 発表場所
      つくば国際会議場(茨城県つくば市)
    • 年月日
      2016-11-25 – 2016-11-27
  • [学会発表] 線虫の塩忌避学習による行動変化に関与する神経の同定及び神経回路の解析2016

    • 著者名/発表者名
      Jang Moon-Sun, 豊島 有, 国友 博文, 金森 真奈美, 寺本 孝行, 石原 健, 飯野 雄一
    • 学会等名
      第54回日本生物物理学会大会
    • 発表場所
      つくば国際会議場(茨城県つくば市)
    • 年月日
      2016-11-25 – 2016-11-27
    • 招待講演
  • [学会発表] A machine learning pipeline for whole brain imaging of Caenorhabditis elegans: cell tracking, quantification, annotation and visualization2016

    • 著者名/発表者名
      Stephen Wu , 徳永 旭将, 広瀬 修, 豊島 有, 寺本 孝行, 石原 健, 飯野 雄一, 吉田 亮
    • 学会等名
      BioImage Informatics Conference 2016
    • 発表場所
      Breakthrough & Discovery Theatrette, Biopolis, Singapore
    • 年月日
      2016-10-10 – 2016-10-12
    • 国際学会
  • [学会発表] 全脳イメージングの自動解析に向けた要素技術について2016

    • 著者名/発表者名
      豊島 有, 徳永 旭将, 広瀬 修, 寺本 孝行, Jang Moon-Sun, 久下 小百合, 石原 健, 吉田亮, 飯野 雄一
    • 学会等名
      第5回生命医薬情報学連合大会(IIBMP2016)
    • 発表場所
      東京国際交流館プラザ平成(東京都江東区)
    • 年月日
      2016-09-29 – 2016-10-01
    • 招待講演
  • [学会発表] Whole Brain Imaging of Caenorhabditis Elegans × Machine Learning2016

    • 著者名/発表者名
      Stephen Wu, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Yu Toyoshima, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino and Ryo Yoshida
    • 学会等名
      第5回生命医薬情報学連合大会(IIBMP2016)
    • 発表場所
      東京国際交流館プラザ平成(東京都江東区)
    • 年月日
      2016-09-29 – 2016-10-01
  • [学会発表] Neural information processing by neuroglobin in Caenorhabditis elegans2016

    • 著者名/発表者名
      Shigekazu Oda, Yu Toyoshima, Mario de Bono
    • 学会等名
      The 17th International Conference on Systems Biology
    • 発表場所
      Barcelona Palau de Congressos, Barcelona, Spain
    • 年月日
      2016-09-16 – 2016-09-20
    • 国際学会
  • [学会発表] Accurate automatic detection of densely distributed cell nuclei in 3D space.2016

    • 著者名/発表者名
      Yu Toyoshima, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Manami Kanamori, Takayuki Teramoto, Moon-Sun Jang, Sayuri Kuge, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida, Yuichi Iino
    • 学会等名
      CeNeuro2016
    • 発表場所
      名古屋大学豊田講堂(愛知県名古屋市)
    • 年月日
      2016-07-27 – 2016-07-30
    • 国際学会
  • [学会発表] Whole brain imaging reveals the roles of gap junctions for the synchronized oscillatory activity.2016

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Ishihara, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Yu Toyoshima, Yuishi Iwasaki, Yuichi Iino, Ryo Yoshida, Takayuki Teramoto.
    • 学会等名
      CeNeuro2016
    • 発表場所
      名古屋大学豊田講堂(愛知県名古屋市)
    • 年月日
      2016-07-27 – 2016-07-30
    • 国際学会
  • [学会発表] Analyses of the neuronal activities of the central nervous system by GCaMP6f in C. elegans2016

    • 著者名/発表者名
      Suzu Oe, Takayuki Teramoto, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Yu Toyoshima, Sayuri Kuge, Yuichi Iino, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara.
    • 学会等名
      CeNeuro2016
    • 発表場所
      名古屋大学豊田講堂(愛知県名古屋市)
    • 年月日
      2016-07-27 – 2016-07-30
    • 国際学会
  • [学会発表] Correlation clustering reveals intrinsic graph structure of whole-brain imaging data2016

    • 著者名/発表者名
      Hiromu Sakuma, Takayuki Teramoto, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Yu Toyoshima, Yuichi Iino, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuishi Iwasaki
    • 学会等名
      CeNeuro2016
    • 発表場所
      名古屋大学豊田講堂(愛知県名古屋市)
    • 年月日
      2016-07-27 – 2016-07-30
    • 国際学会
  • [学会発表] Labeling of active neural circuit by the calcium probe CaMPARI2016

    • 著者名/発表者名
      Keita Mori,Yu Toyoshima,Yuichi Iino
    • 学会等名
      第39回日本神経科学大会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜(神奈川県横浜市)
    • 年月日
      2016-07-20 – 2016-07-22
  • [学会発表] 全脳イメージングの自動解析に向けた要素技術について2016

    • 著者名/発表者名
      豊島 有, 徳永 旭将, 広瀬 修, 寺本 孝行, Jang Moon-Sun, 久下 小百合, 石原 健, 吉田亮, 飯野 雄一
    • 学会等名
      バイオイメージインフォマティクスワークショップ2016
    • 発表場所
      大阪大学吹田キャンパス(大阪府吹田市)
    • 年月日
      2016-06-22 – 2016-06-23
  • [学会発表] A machine learning pipeline for whole brain imaging of Caenorhabditis elegans: cell tracking, quantification, annotation and visualization2016

    • 著者名/発表者名
      Stephen Wu, 徳永 旭将, 広瀬 修, 豊島 有, 寺本 孝行, 石原 健, 飯野 雄一, 吉田 亮
    • 学会等名
      バイオイメージインフォマティクスワークショップ2016
    • 発表場所
      大阪大学吹田キャンパス(大阪府吹田市)
    • 年月日
      2016-06-22 – 2016-06-23
  • [学会発表] Neural coding moduladion by Neuroglobin alters the behavior of C. elegans2016

    • 著者名/発表者名
      Shigekazu Oda, Yu Toyoshima, Mario de Bono
    • 学会等名
      European Worm Meeting 2016
    • 発表場所
      Max Delbruck Center, Berlin, Germany
    • 年月日
      2016-06-01 – 2016-06-03
    • 国際学会
  • [備考] 密集した多数の神経細胞の活動を同時に測定する自動画像解析技術を開発

    • URL

      https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2016/4863/

  • [備考] 神経細胞と神経回路のシミュレーション

    • URL

      http://molecular-ethology.bs.s.u-tokyo.ac.jp/labHP/J/JResearch/JResearch10_simulation.html

  • [備考] 全神経回路の働きの解明

    • URL

      http://molecular-ethology.bs.s.u-tokyo.ac.jp/labHP/J/JResearch/JResearch11_wholebrain.html

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公開日: 2018-01-16  

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