脳を模倣した記憶モデルの構築

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14580425
• Research Institution: Kyushu Institute of Technology
• Principal Investigator: 林 初男 九州工業大学, 大学院・生命体工学研究科, 教授 (00108664)
• Keywords: 海馬 / 神経回路網モデル / 記憶 / LTP / LTD / NMDA / AMPA / STDP / 放射状伝播

Research Abstract

[CA3神経回路網モデルの複雑な活動に依存したシャファー側枝シナプスのLTP/LTD]
海馬を模倣した記憶モデルを作るために、神経生理学的知見に基づいたシナプスの可塑的変化をモデル化する必要がある。シャファー側枝シナプスの可塑的変化にはNMDA受容体チャネルが関与しており、CA1錐体細胞内のCa^<2+>濃度に依存してLTPやLTDが起こる。また、CA1錐体細胞内のCa^<2+>濃度の上昇はCA3神経回路網の時空活動に大きく依存する。昨年度は、CA3-CA1神経回路網モデルを用い、CA3神経回路網モデルの複雑な時空活動に依存してシャファー側枝シナプスがLTPやLTDを起こすことを示した。しかし、このモデルにはNMDA受容体チャネルを通って流れ込むCa^<2+>電流やAMPA受容体チャネルのイオンコンダクタンス変化などは陽に表現されていなかった。本年度は、CA1錐体細胞モデルを2コンパートメントモデルとし、スパイン内Ca^<2+>濃度と細胞体内Ca^<2+>濃度を区別した。これにより、NMDA受容体チャネルを通って流れるCa^<2+>電流を陽に表現し、スパイン内Ca^<2+>濃度に依存したLTPとLTDを再現できた。
[CA3神経回路網モデルにおけるニューロン活動の放射状伝播と記憶保持]
シャファー側枝シナプスのLTP/LTD誘導に影響を与える海馬CA3神経回路網の時空活動を制御する必要がある。海馬CA3領野に豊富に存在する反回性結合のシナプスはスパイクタイミングに依存した可塑的変化(STDP)を起こすことがわかっている。そうであれば、複雑な時空活動を起こしている神経回路網では、反回性シナプス結合の強さが時間とともに変化し、CA3神経回路網の自発的時空活動の性質が時間とともに変化する可能性がある。しかし、シナプスがSTDPに従う場合、神経回路網の複雑な自発活動の性質やシナプス結合強度の空間分布はむしろ安定化することを見出し、その機構を明らかにした。
さらに、シナプスがSTDPの性質をもつ場合、CA3神経回路網の局所領域にシータバースト刺激を加えると、刺激位置から放射方向に興奮性結合が強化されることを見出した。その結果、ニューロン活動は刺激部位から周囲へと放射状の伝播を繰り返すようになり、刺激が無くなっても放射状伝播の繰り返しが25秒程度維持されることを明らかにした。
CA3神経回路網におけるニューロン活動の放射状伝播を用いると、入力される複数の信号の時間的順序関係を学習するニューロンがCA1神経回路網に形成される機構を考えることができ、来年度の研究計画を遂行する基盤ができた。

Research Products

• [Publications] 吉田基治, 林 初男: "興奮波の時空間活動パターンを用いた時系列情報コーディング:海馬神経回路モデル"電子情報通信学会技術研究報告NLP. 103・464. 7-12 (2003)
• [Publications] M.Yoshida, H.Hayashi: "Organization of Spatiotemporal Activity through STDP as a Mechanism for Coding Temporal Sequences in the Hippocampal"WSEAS Transactions on Biology and Biomedicine, Issue 1. Vol.1. 30-35 (2004)
• [Publications] M.Yoshida, H.Hayashi: "Regulation of spontaneous rhythmic activity and organization of pacemakers as memory traces by STDP in the hippocampal CA3"Physical Review E. Vol.69. 011910:1-011910:15 (2004)