2017 Fiscal Year Research-status Report
The function of the primary visual cortex in alert visual perception: Mechanisms of dynamic sparse information representation
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17K07050
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
田中 繁 電気通信大学, 脳科学ライフサポート研究センター, 特任教授 (70281706)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宮下 真信 沼津工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (20443038)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 星状膠細胞 / 三者間シナプス / 神経修飾因子 / 空間周波数特性 / 覚醒レベル / デコーディング / 特徴抽出 / 自己組織化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
まず、星状膠細胞における細胞内カルシウムイオンの濃度変化とATPおよびD-serineの開口放出をモデル化した。星状膠細胞に発現している代謝型グルタメート受容体とシナプス終末部から放出されるグルタメートとの結合によって、細胞内カルシウムイオン濃度が上昇する。さらに、神経修飾因子に対する受容体とノルアドレナリン等の神経修飾因子が結合することにより、カルシウムイオン濃度の上昇が促進される。カルシウムイオン濃度がある閾値を越えて上昇すると、ATPとD-serineがシナプス間隙に放出される。ATPはシナプス終末部におけるグルタメートの開口放出を抑制し、D-serineはスパインに発現しているNMDA受容体のグリシンサイトに結合してグルタメート感受性を高める。これにより、シナプス伝達における信号対ノイズ比の向上が、コンピュータシミュレーションにって示された。このことから、覚醒レベルの上昇は、視覚野ニューロンの視覚特徴抽出の分解能を向上させる可能性が理論的に裏付けられた。また、放出されるD-serineとATPのバランスによっては、神経修飾因子が側方結合のシナプス伝達効率を一過性に増強し得ることも確認された。
次に、視覚野ニューロンの反応パターンから視覚像を再構築するデコーディングモデルを構成した。シミュレーションにより、側方結合のシナプス伝達効率を増強したときに、様々な空間周波数の縞刺激をデコードすることが可能になることが見出された。このことは、麻酔下では視覚野ニューロンは特定の空間周波数にしか反応しないのに対し、覚醒レベルが上昇して神経修飾因子が分泌されることで三者間シナプスでの信号伝達のSN比とシナプス伝達信号の絶対値が上昇し、視覚野ニューロンが広い範囲の空間周波数に反応するようになることを示した。この性質は、げっ歯類の視覚野モデルにおいても有効であることが確認された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
三者間シナプスにおける数理モデルの構築に成功したこと、および、デコーディングモデルを用いて様々な空間周波数の縞模様の再現に成功したことにより、研究は順調に進展していると言えよう。ただし、なぜニューロンの古典的受容野によって決まる最適空間周波数よりも高周波や低周波の縞模様の特徴抽出が可能になるのかについては、今後理論的裏付けが必要であり、課題が残されたという点において当初の計画以上に進展したとは言い難い。
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| Strategy for Future Research Activity |
まずは、側方結合のシナプス伝達効率が一過性に増強されると、視覚野ニューロン全体として様々な空間周波数の縞刺激に反応できるようになるネットワークメカニズムを理解することが今後の研究の展開を促進するために肝要である。なぜならば、麻酔下と覚醒時の視覚野による視覚像の符号化を特徴づける重要な性質であると考えるからである。これと並行して、当初の計画に従い、シャンデリア細胞やダブルブーケ細胞等の抑制性ニューロンをモデル化し、視覚野ネットワークの精緻化に取り組むことにより、最終的目的である視覚野によるスパースコーディングのメカニズムに迫る。
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| Causes of Carryover |
平成29年度は、学内事業の関係で研究代表者の学会等への出張を見合わせたことや、研究協力者への支払いを予定していた人件費が、学内の他の予算から支払うことができたため、結果的に、次年度使用額が生じた。平成30年度には、研究協力者に相応の寄与をお願いすることにより人件費の使用を計画している。
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