「抑制・興奮神経ネットワークにおける発火タイミングの理論的解析」

 

  青柳富誌生 先生  京都大学大学院・情報学研究科  

 

 近年、高次機能に神経細胞間の発火タイミングが重要な役割を果たしている可能性が実験・理論両面から示唆され、その検証を行う研究が活発に行われている。一方、大脳皮質の局所回路の構造や入出力、視床とのループ構造など、大脳皮質の理論モデルを構築する上で参考になる生理学的知見は膨大であり、今日では質的にも情報が整理されつつある。その結果の一つとして、大脳皮質は多様な情報を処理しているにもかかわらず一定の普遍的構造があることが示唆されている。これは、極めて汎用性の高い情報処理が可能な神経回路の一般的な構成原理が存在する可能性を意味し、今後その本質を捉えた数理モデルの研究の重要性が増すと考えられる。今回は、そのような背景の上で、神経ネットワークのモデルとそこから得られる理論的結果を同期現象を軸にレビューしたい。まずは解析手法として、複雑な神経細胞のダイナミクスから本質的に有効な自由度までダイナミクスを簡略化(縮約)する理論的手法の心を簡単に紹介し、そこから得られた幾つかの結果を紹介する。例えば、AHPを引き起こすカレントは同期スパイクを安定化する傾向がある。AHPカレントにより結果的に生じるspike frequency adaptation だけをみると入力電流に対する慣れのような受動的な役割しか見えないが、この解析により同期を安定化するという新たな切り口でカレントの存在意義を見いだすことができる点が興味深い。また、ある条件下ではバースト発火の一周期あたりのスパイク数が変化するところで、同期・非同期の安定性のシャープな切り替わりが生じることも示される。この場合も同期・非同期の切り替わりの実現におけるバーストという発火様式の有用性が意外な形で見いだされる。最後の例としては、近年注目を集めている抑制性ニューロンとギャップ結合の役割に関して、多様なスパイクタイミングの学習可能性という観点から、なぜ興奮性ニューロンにはギャップ結合があまり見られないかという理由にも言及したい。


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