バイオ超越 - 脳神経マルチセルラバイオ計算の理解とバイオ超越への挑戦

文部科学省 科学研究費助成事業 「学術変革領域研究(A)」

研究内容

システム神経科学班(A03)

A03-1 モデル動物脳における運動制御の損傷耐性と修復特性

代表正水 芳人同志社大学 脳科学研究科 教授Researchmap

分担西村 周泰同志社大学 脳科学研究科 准教授Researchmap

分担尾崎 弘展同志社大学 脳科学研究科 准教授Researchmap

達成目標

脳損傷モデルの実験系とカルシウムイメージング法を用いて、モデル動物脳における損傷耐性と修復特性の神経基盤を明らかにする。

具体的計画

脳をバイオコンピューティングシステムとして扱った場合の特徴は、その損傷耐性と自己組織性にある。本研究課題では、大脳皮質運動野損傷モデルの実験系とin vivoカルシウムイメージングによるマルチセルラ(多細胞)ネットワークの時空間発火パターンの計測法を用いて、モデル動物脳における損傷耐性と修復特性の神経基盤を明らかにする。高次元時系列データの定量解析はA01松井班との連携の下で進め、さらにA01香取班との連携により汎用的なRNN(リカレントニューラルネットワーク)として記述するための各種パラメータを推定する。さらにA02山本班での自発活動計測や、A02平野班での損傷実験との比較対照を通じ、培養モデル系の脳らしさを定量評価、さらにはA02谷井班が開発するバイオアクチュエータの効率的な制御法の提案へと結びつける。

個体脳カルシウムイメージング
個体脳カルシウムイメージング

A03-2 多細胞神経ネットワークの学習と変調の神経回路基盤

代表神谷 温之北海道大学 医学研究院 教授Researchmap

分担桂林 秀太郎福岡大学 薬学部 教授Lab.HP

達成目標

生体脳において、シナプス伝達などのサブスレッショルドの細胞間相互作用と活動電位の軸索伝播が、神経活動や神経修飾物質によって可塑的に変調され、多細胞神経ネットワークのダイナミクスを制御する生理学的メカニズムを明らかにする。

具体的計画

脳スライス標本と人工神経細胞回路を対象として、脳と分散培養系におけるシナプス可塑性(学習の神経基盤)の異同を電気生理計測により比較解析する。脳スライスの実験では、規則だった回路構造を有するマウス海馬の標本を用いる。人工神経細胞回路の評価では、 1つの再帰結合を有する単一細胞モデルと、時定数の異なる複数の再帰結合が入り組んだ多細胞ネットワークモデルの両者を作製し、海馬で見られるNMDA受容体依存性の可塑性機構が人工神経細胞回路で発現するための必要十分条件を明らかにする(下図)。さらに、A01松井班との連携により、これまで個別に研究が進められてきた海馬と大脳皮質の可塑性の相違点も系統立てて比較解析する。研究期間後半には、報酬信号として知られる神経変調物質(ドーパミン)や神経支持細胞であるグリア細胞による変調機構を解析・モデル化し(①マルチセルラ数理モデル)、人工神経細胞回路をウェットウェア計算機(A02山本班)として応用した際の可塑性制御法を提案する。加えて、多細胞ネットワークの同期性を強く制御する軸索の活動電位の伝導時間について、そのゆらぎの分子機構(軸索カリウムチャンネルの活動依存的な調節)や、同期リズム形成に及ぼす影響を、A01香取班と連携して実験と理論の両面から明らかにする。

電気生理計測による多細胞神経ネットワークの学習則の抽出
電気生理計測による多細胞神経ネットワークの
学習則の抽出

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