平成24（2012）年度　一般研究２実施報告書

課題番号	24−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	データ主導モデリングによる脳神経細胞の周期的同期発火現象の解明
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		29千円		研究参加者数		9　人

研究目的と成果（経過）の概要

研究目的：
　本研究ではデータ主導アプローチをとり、重要かつ代表的な脳機能である周期的同期発火現象に着目し、それを生成する神経集団モデルを実データにより推定して予測型モデルを構築する。そして、実データの予測性能を評価することにより、周期的同期発火現象の数理的意味と生理学的機構を明らかにし、脳の動作原理についての理解を深めることを目的とする。

成果（経過）の概要：
　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た。さらに、興奮性ニューロンと抑制性ニューロンからなるHodgkin-Huxley（H-H）タイプのpreBotCネットワークモデルを構築した。実験とシミュレーションの対比により、抑制性ニューロンが特異的なトポロジーで興奮性ニューロンと神経回路を構成することにより、強固な同期神経活動を形成していることが解明されつつある。
　また、カルシウムイメージングデータからニューロン、グリア細胞を分別するための事前処理法の開発を行った。イメージングデータの背景には染色色素の脱色に起因するトレンド、生体組織の振動に起因するトレンドなどが重畳しており、これらの背景トレンドの除去、補正法の検討、解析に用いる時間区間の設定方法の検討を行った。さらに、イメージングデータではピクセル間にタイムラグがあり、そのまま解析すると本来は存在しない神経賦活の伝搬現象と見誤ってしまう可能性があるので、タイムラグを数値的に補正する方法を開発した。

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. Okada Y, Sasaki T, Oku Y, Takahashi N, Seki M, Ujita S, Tanaka KF, Matsuki N, Ikegaya Y. Preinspiratory calcium rise in putative pre-Botzinger complex astrocytes. J Physiol 590: 4933-44, 2012

2. 三分一 史和, 越久　仁敬, 岡田 泰昌, 川合 成治, 田村 義保, 石黒 真木夫, 単一試行生体イメージングデータ解析のためのAR型モデルに基づく時空間フィルタリング法 統計数理 60-1: 149-157, 2012

3. Fujiki Y, Yokota S, Okada Y, Oku Y, Tamura Y, Ishiguro M, Miwakeichi F, Standardization of Size, Shape and Internal Structure of Spinal Cord Images: Comparison of Three Transformation Methods. Plos One, in press

学会発表

1. 越久仁敬　呼吸ニューロンネットワークのin silico再構築、第90回日本生理学会大会、東京、2013年3月27日

2. 越久仁敬　呼吸器系の機能イメージング - 現状と未来への展望、第52回日本呼吸器学会学術講演会、神戸、2012年4月20日

3. 三分一 史和　イノベーションアプローチによる脳活動部位の検出、統計数理研究所共同研究集会、東京、2012年9月13日

4. 三分一 史和(統計数理研究所)、生体イメージングデータ解析のための時空間フィルタリング法、第17回認知神経科学会学術集会、東京、2012年9月30日

5. Fujiki Y, Okada Y, Oku Y, Yokota S, Tamura Y, Ishiguro M, Miwakeichi F. Spatial averaging of dynamic voltage imaging data by standardizing the shape, size and internal structure of multiple samples, The 35th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society, Nagoya, Japan、2012年9月12日

6. Miwakeichi F, Oku Y, Okada Y, Kawai S, Tamura Y, Ishiguro M. An innovation approach to detect spatio-temporal neural activation patterns in brain imaging data,The 2nd Institute of Mathematical Statistics Asia Pacific Rim Meeting, Tsukuba, Japan, 2012年7月2日

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　H24.4.17　統計数理研究所　7名参加

研究集会2　二光子顕微鏡セットアップの進捗状況報告　H24.6.25　統計数理研究所　6名参加

研究集会3　興奮性・抑制性ニューロンからなるニューロンネットワークの結合性推定H24.7.31　統計数理研究所　6名参加

研究集会4　二光子イメージングデータ取得の際のタイムラグ補正　H24.12.10　兵庫医科大学　6名参加

研究集会5　カルシウムイメージングデータの時空間解析について、今年度の総括　H25.2.19　統計数理研究所　7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
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	Peking University