振動子モデルに基づくサーカディアンリズムの制御

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15560372
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 中尾 光之 東北大学, 大学院・情報科学研究所, 教授 (20172265)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 片山 統裕 東北大学, 大学院・情報科学研究所, 助教授 (20282030) ; 山本 光璋 東北大学, 大学院・情報科学研究所, 教授 (40004618)
• Keywords: 時差飛行 / 明暗サイクル / 休息-活動サイクル / 再同調 / 位相振動子モデル / 運動効果 / 時差ぼけ / 分離再同調

Research Abstract

非リズム社会を象徴しているシフトワークや時差飛行における生体リズムの振舞いをモデルに基づいて予測し、生体リズムの引き込みを制御することによって適応不全を最小限にするような戦略を提案することが本研究の目的である。(1)光応答性を有するヒトの体内時計のモデルを構成した。これは視交差上核に存在するペースメーカに起源を有する振動子I、睡眠や覚醒のリズムを駆動している振動子II、および実際の睡眠覚醒パターンを表現する振動子SWの三振動子からなる我々のモデルに光位相反応特性を新たに導入することで実現した。(2)モデルを用いて光環境と休息-活動サイクルが同時に位相シフトする時差飛行下の生体リズムの振舞いをシミュレーションした。振動子SWおよび明暗サイクルを位相シフトし、その時の振動子IおよびIIの振舞いを観測した。これにより順行性、逆行性、分離再同調のそれぞれがどのようなメカニズムで起きるかを明らかにした。すなわち、光を浴びたときの位相反応量とその符号、および振動子IからIIへの相互作用関数の位相反応直後の値によって決定されることが分かった。(3)さらに、到着地での休息-活動サイクルに合わせて運動を行った場合に再同調がどう修飾されるかをシミュレーションした。その結果、分離再同調が抑制されることが分かった。そのメカニズムについては、(2)での条件に加えて、振動子SWからIIへの相互作用関数の位相反応直後の値によって再同調方向が決定されることが分かった。以上の知見之基づいて再同調が早くて時差ぼけの少ない飛行スケジュールを、東京-ニューヨーク間の飛行を想定して提案した。

Research Products

• [Publications] M.Nakao et al.: "Period and phase adjustments of human circadian rhythms in the real world"J.Boil.Rhythms. 18・3. 261-270 (2003)
• [Publications] M.Nakao: "Modeling feedbacks from behavior to pacemakers in non-photic entrainment of human circadian system"K.Honma and S.Honma eds, "Circadian Clock as Multi-oscillation System. Hokkaido University Press, Sapporo. 219-231 (2003)
• [Publications] M.Yamamoto et al.: "State-dependent alternation of neuronal slow dynamics in the rat ventroposterior thalamic area"Sleep and Biological Rhythms. 1・2. 101-103 (2003)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "A facial topographic profile of rapid eys movements anticipatory phasic potentials"Sleep and Biological Rhythms. 1・2. 151-152 (2003)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "Changes in the dynamics of sleep electoencephalogram in rat barrel cortex associated with long-term sensory deprivation"Sleep and Biological Rhythms. 1・2. 155-157 (2003)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "A real-time rapid eye movement sleep analyzer equipped with portable wide-band polygraphic recorder"Sleep and Biological Rhythms. 1・2. 175-177 (2003)
• [Publications] M.Yamamoto et al.: "Is state-dependent alternation of slow dynamics in central single neurons during sleep present in the rat ventroposterior thalamic nucleus?"Neuroscience Research. (in press).
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "Characterization of baroreflex response under head-up tilting"Proc. 25^<th> Ann Int'l Conf IEEE EMBS. 256-259 (2003)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "Temporal relationship between hippocampal theta wave and spontaneous and elicited PGO-like wave during REM sleep in rats"Neuroscience Research. 46・Suppl 1. S107 (2003)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "Fluctuational dynamics of a neural network model consisting of Hodgkin-Huxley type neurons driven by noise"Neuroscience Research. 46・Suppl 1. S166 (2003)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "Potine phasic activity is phase-locked to hippocampal theta wave during REM sleep in rats"Proc. 17^<th> Ann. Meeting Ass. Prof.Sleep Soc.. 3 (2003)
• [Publications] M.Yamamoto et al.: "Do the processor neurons in the rat brain show the 1/f noise like dynamics during paradoxical sleep"Proc. 17^<th> Ann. Meeting Ass. Prof. Sleep Soc.. 28 (2003)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "Non-monotonic changes of sleep EEG dynamics in rat barrel cortex associated with long-term sensory deprivation"Proc. 17^<th> Ann. Meeting Ass. Prof. Sleep Soc.. 30 (2003)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "Formal similarity between the two process model and a coupled oscillator model"Proc. 17^<th> Ann. Meeting Ass. Prof. Sleep Soc.. 98-99 (2003)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "Modeling of interactions between photic and non-photic entrainment mechanisms in time zone flights"Abstracts 1^<st> World Congress Chronobiology. E2-2 (2003)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "Stability of rhythm trajectory generated by feedback loop models"Abstracts 1^<st> World Congress Chronobiology. E2-1 (2003)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本 他: "逆説睡眠時に観測されるラットP波頻度と海馬θ波周波数との時間関係"日本睡眠学会第28回定期学術集会抄録集. 2B1-2B3 (2003)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本 他: "分子時計機構のダイナミクス"日本睡眠学会第28回定期学術集会抄録集. 1P2-1P12 (2003)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本 他: "感覚遮断によるバレル野脳波の統計的性質の長期的変化"日本睡眠学会第28回定期学術集会抄録集. 2P6-2P6 (2003)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本 他: "睡眠時及び覚醒時の眼球運動に先行するスパイク電位の眼球運動依存性"日本睡眠学会第28回定期学術集会抄録集. 2P6-2P18 (2003)
• [Publications] 中尾: "ヒト日周リズムの位相振動子モデル-階層をたどる枠組み-"第42回日本エム・イー学会大会論文集. 161 (2003)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本 他: "ブラインド信号分離を点時系列に使ってみる"第27回日本エム・イー学会秋季大会論文集. 71 (2003)
• [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"電子情報通信学会技術研究報告MEとバイオサイバネティクス研究会. MBE2003-11 (2003)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本 他: "生体リズムの分子機構モデル"電子情報通信学会技術研究報告MEとバイオサイバネティクス研究会. MBE2003-10 (2003)
• [Publications] M.Nakao, M.Yamamoto et al.: "Modeling techniques of point processes and application in processing biomedical data"T.Leondes ed. "Computational Methods in Biophysics, Biomaterials, Biotechnology and Medical Systems Vol.1", Kluwer Academic Publishers. 263-326 (2003)