階層的集合振動体としての生物時計機構のモデル化

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14015205
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 中尾 光之 東北大学, 大学院・情報科学研究科, 助教授 (20172265)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 片山 統裕 東北大学, 大学院・情報科学研究科, 助手 (20282030) ; 山本 光璋 東北大学, 大学院・情報科学研究科, 教授 (40004618)
• Keywords: 視交差上核 / 日周リズム / 転写フィードバックモデル / 振動子フィードバックモデル / 引き込み / 分岐特性 / クラスター計算機 / 適応的フィードバック

Research Abstract

脳の視交叉上核(SCN)のニューロンにおいて一群の遺伝子(時計遺伝子)が約24時間周期で発現の増減を繰り返していることが明らかになってきた。一方で、時計遺伝子は脳内の他の組織や体内の多くの組織にも発現している。SCNに存在するニューロン群は日周振動子の生理学的実体と考えられる。SCNの腹外側と背内側では、含有されるペプタイド、光感受性、入出力関係などが異なっていることから、少なくとも二つの異なる振動体が存在していると考えられる。SCN外や末梢に存在する振動機構はSCNとは独立した振動子を構成するものと考えられる。今年度は(1)時計遺伝子を含む振動機構をモデル化する基礎として、代表的なモデル化の枠組み、非線形転写制御フィードバックモデル(以下、Goodwin型モデルと呼ぶ)と振動子フィードバック型モデル、についてその外部入力に対する分岐特性を調べた。これより、Goodwin型モデルは1:1の引き込み領域が狭く、外力の強度が増した場合には他の周期比の引き込みに移行するか、引き込まれなくなった。振動子フィードバックモデルは広い1:1の引き込み領域を持ち、振動子自身の固有周期と外力の周波数がかけ離れていても外力が強ければ1:1で引き込んだ。このようなモデルの力学的な構造に依存した本質的な分岐構造の違いは、前提されることが多いが依然として仮説でしかない非線形転写フィードバックが日周リズムを作り出しているとする考えの妥当性を実験的に検証する手がかりを与えている。(2)SCNの大規模シミュレーションに向けて16ノードからなるクラスター計算機を構成した。現在数百程度のHodgkin-Huxley方程式を基幹としたネットワークをシミュレーションした結果、大規模シミュレーションに堪え得るものであることが示された。(3)行動レベルから振動子への適応的なフィードバックを有する位相振動子モデルを構成し、その妥当性をシミュレーションによって示した。フィードバックの必然性が示されたことで、生体リズムでは行動パターンが階層を越えて時計遺伝子を含む分子レベルの時計機構やその集合体における協同性に影響を与えていることが示唆された。これは階層的集合振動体として生体リズム機構を考えていく上での指針を与える。

Research Products

• [Publications] M.Nakao et al.: "Error measures of the back-propagation learning algorithm"J. Korean Physical Society. 40・6. 1091-1095 (2002)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "Phase shift of coupled oscillator model with feedbacks in response to multiple bright light exposure"Psychiatry and Clinical Neuroscience. 56. 215-216 (2002)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "Elicited pontogeniculo-occipital waves by auditory stimuli are synchronized with hippocampal θ waves"Psychiatry and Clinical Neuroscience. 56. 343-344 (2002)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "A phase dynamics model of human circadian rhythms"J.Biol.Rhythms. 17・5. 476-489 (2002)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "Phase-locking of spontaneous and elicited ponto-geniculo-occipital waves is associated with acceleration of hippocampal theta waves during rapid eye movement sleep in cats"Brain Research. 958. 347-358 (2002)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本他: "ブラインド信号分離技術のてんかん脳波解析への応用"日本エム・イー学会誌. 16・5. 38-45 (2002)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本他: "生体リズム機構のモデリング"計測と制御. 41・10. 733-739 (2002)
• [Publications] 中尾: "ヒトのサーカディアン・システムのモデル化とその応用"Pharma Medica. 20 Suppl. 39-44 (2002)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "Under-estimation of baroreflex sensitivity through a closed loop model due to non-Gaussian property of blood pressure distribution"Proc.24th Ann.Couf.IEEE Eng.Med. & Biol.Soc.. 279-282 (2002)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本他: "状態依存性の固有周期を持つ振動子ネットワークのダイナミクス"日本エム・イー学会東北支部大会講演論文集. 19 (2002)
• [Publications] 片山, 中尾, 山本他: "培養心筋細胞の興奮リズムに対するoctanolの効果"日本エム・イー学会東北支部大会講演論文集. 20 (2002)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本他: "Head-up tilt時の心臓血管系ダイナミクスの解析"電子情報通信学会技術研究報告. MBE2002・71. 29-32 (2002)
• [Publications] 山本, 中尾, 片山他: "レム睡眠期における急速眼球運動予測性相動性電位のヒト顔面部の電位分布"日本睡眠学会第27回定期学術集会抄録集. 205 (2002)
• [Publications] 山本, 片山, 中尾他: "ヒト眼球運動に先行するスパイク電位の計測と解析に関する研究"電子情報通信学会技術研究報告. MBE2002・72. 33-36 (2002)
• [Publications] 山本, 中尾, 片山他: "ヒトのレム睡眠研究を志向したインテリジェント型広帯域脳波記録装置"日本睡眠学会第27回定期学術集会抄録集. 160 (2002)
• [Publications] 中尾, 山本: "生体リズムを考慮した睡眠-覚醒機構のシステムモデル"日本睡眠学会第27回定期学術集会抄録集. 64 (2002)
• [Publications] 山本, 中尾, 片山他: "咬合治療前後における睡眠及び愁訴の変容 第2報"日本睡眠学会第27回定期学術集会抄録集. 176 (2002)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本他: "ラットの感覚毛除去によるバレル野の睡眠時脳波ダイナミクスの変化"日本睡眠学会第27回定期学術集会抄録集. 209 (2002)
• [Publications] M.Yamamoto, N.Katayama, M.Nakao et al.: "A facial topographic mapping of rapid eye movements anticipatory phasic potentials(RAPPS)"Sleep and Biological Rhythms. (In press).
• [Publications] M.Yamamoto, N.Katayama, M.Nakao et al.: "A real-time REM sleep analyzer equipped with a portable wide-band polygraphic recorder"Sleep and Biological Rhythms. (In press).
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "Dynamics changes of sleep EEG in rat barrel cortex associated with long-term sensory deprivation"Sleep and Biological Rhythms. (In press).
• [Publications] M.Nakao, M.Yamamoto et al.: "Modeling Techniques of Point Processes and Applications in Processing Biomedical Data"Handbook of Computational Methods in Biomaterials, Biotechnology, and Biomedical Systems, ed C.T. Leondes, Kluwer Academic Publishers. 363-325 (2002)
• [Publications] 中尾, 山本: "眠気予測モデルによる事故防止シミュレータ・システムの構築"早石,井上編「快眠の科学」,朝倉書店. 88-92 (2002)