平成27（2015）年度　一般研究２実施報告書

課題番号	27−共研−2001		分野分類			統計数理研究所内分野分類			a
						主要研究分野分類			3
研究課題名	呼吸リズム形成におけるニューロンネットワークとアストロサイトネットワークの相互作用の解明
フリガナ 代表者氏名	オク ヨシタカ 越久 仁敬				ローマ字		Oku Yoshitaka
所属機関	兵庫医科大学
所属部局	生理学生体機能部門
職　　名	教授
配分経費	研究費	40千円		旅　費		40千円		研究参加者数		10　人

研究目的と成果（経過）の概要

研究目的：脳はニューロンとアストロサイトの二種類の細胞で構成されている。従来、脳機能は、多数のニューロンよりなるニューロンネットワークの活動パターンで決定され、その際、アストロサイトはニューロン周囲の環境を維持する程度の副次的は役割しか果たしていないと考えられていた。しかし、最近になって、アストロサイトはニューロンと双方向性に情報のやり取りを行うことにより、ニューロンと共に神経活動を形成していることが明らかになってきた。本研究では呼吸リズムを生成している脳幹部位であるpre-Botzinger complexにおいてニューロンとアストロサイトの活動をカルシウムイメージングにより計測し、相互の影響を統計数理学的に解析する。また、呼吸ニューロンネットワークと局所的に緩徐な振動活動するアストロサイトネットワークがカップリングした場合に呼吸リズムにどのような影響が生じるのかを数理モデルのシミュレーションによって明らかにする。

成果（経過）の概要：我々は、自発的呼吸神経活動と関連する同期神経活動を保持する脳スライス（リズミックスライス）標本を用いて、リズムジェネレータであるpreBotzinger complex (preBotC)の二光子カルシウムイメージングを行っている。2014年度以降は、ゲッティンゲン大学のHulsmann教授と共同研究を行い、グリア細胞がEGFP蛍光で同定されるトランスジェニックマウスを用いて、呼吸活動と同期して活動するグリア細胞の詳細な解析を行ってきた。
　2015年度の業績としては、ニューロンネットワークのみならず、アストロサイトネットワークにも呼吸周期よりも遅い（〜0.02Hz）同期した活動が見られること、呼吸中枢のカルシウム活動は、ニューロンネットワークによる速い振動子と、アストロサイトネットワークによる遅い振動子が緩やかにカップリングしていると仮定したモデルにより、説明し得ることを示した。

当該研究に関する情報源（論文発表、学会発表、プレプリント、ホームページ等）

論文発表
1. Oku, Y., Fresemann, J., Miwakeichi, F., & Hulsmann, S. (2015). Respiratory calcium fluctuations in low-frequency oscillating astrocytes in the pre-Botzinger complex. Respir Physiol Neurobiol, doi:10.1016/j.resp.2015.02.002.

2. Oke Y, Bouiroux D, Miwakeichi F, Oku Y. (2015). Stochastic activation among inspiratory cells in the pre-Botzinger complex of the rat medulla revealed by Ca2+ imaging. Neurosci Lett, 595, 12-17, doi:10.1016/j.neulet.2015.04.003.

学会発表
1. Okada Y, Takeda K, Someya H, Oku Y, Miwakeichi F, Ishiguro M, Tamura Y, Pokorski M. Astrocytes mediate short-term plasticity of breathing. Experimental Biology 2015, Boston. 2015.3

2. Hulsmann S, Fresemann J., Miwakeichi F., Oku Y.　Astrocyte calcium signaling in the Pre-Botzinger Complex. German Physiological Society 94th Annual Meeting, Magdeburg, Germany, 2015.3.5-7

3. Okada Y, Oku Y, Sasaki T, Vivar C, Yokota S, Takeda K, Fushiki I, Yazawa I, Someya H, Tamura Y. A novel model of respiratory rhythm generation: a mechanism by interaction of intrinsically oscillating astrocytes and neurons. 45th annual meeting of Society for Neuroscience, Chicago, USA, 2015.10.17-21.

4. Oke Y, Bouiroux D, Miwakeichi F, Oku Y. Loose regularities of calcium bursting sequence among inspiratory cells in the pre-Botzinger complex during rhythmic burst.（Pre-Botzinger complex領域における自発的同期活動時の呼吸性細胞の活性化順序の緩やかな規則性）, 第92回日本生理学会 2015.3 神戸

5. Oku Y，Miwakeichi F, Hulsmann S. Synchronized astrocytic network activity in the respiratory rhythm-generating kernel.（呼吸中枢におけるアストロサイトネットワークの同期活動）, 第38回日本神経科学大会 2015.7 神戸

6. Oke Y, Bouiroux D, Miwakeichi F, Oku Y. Stochastic activation of inspiratory cells in the pre-Botzinger complex with loose regularity during spontaneous inspiratory rhythmic bursts.（自発的な吸息性バースト時には、pre-Botzinger complex領域に存在する吸息性細胞は緩やかな秩序に従って活性化する）, 第38回日本神経科学大会 2015.7 神戸

7. Miwakeichi F, Oke Y, Oku Y. Differentiation of neurons and astrocyte in brain stem by statistical image processing methods（統計的画像解析による脳幹のニューロン、アストロサイトの識別）, 第38回日本神経科学大会 2015.7 神戸

研究会を開催した場合は、テーマ・日時・場所・参加者数を記入してください。

研究集会1　今後の研究の進め方について　2015年10月14日　統計数理研究所（八重洲サテライトオフィス）6名参加

研究集会2　アストロサイトとニューロンの同定と識別、ニューロンネットワークトポロジーについて　2016年 3月1日　統計数理研究所（立川）　5名参加

研究参加者一覧
氏名	所属機関
石黒 真木夫	統計数理研究所
岡田 泰昌	独立行政法人国立病院機構村山医療センター
尾家 慶彦	兵庫医科大学
ガルカ アンドレアス	University of Kiel, Germany
染谷 博司	東海大学
武田 湖太郎	藤田保健衛生大学
田村 義保	統計数理研究所
三分一 史和	統計数理研究所
ラル アミット	Beijing University