活動量から眠気を生成するモデルによる睡眠制御状態の追跡とライフスタイル個別最適化

使用根据活动水平生成睡意的模型跟踪睡眠控制状态和个人生活方式优化

• 批准号: 20J23525
• 负责人: 天野 領太
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J23525/
• 关键词: シナプス可塑性; 概日リズム; 睡眠; 記憶・学習; 数理モデリング; 数理モデル; 海馬; 認知機能; 活動量; ヘルスケア; 睡眠障害

R4年度は、R3年度に続き樹状突起の局所領域におけるシナプス可塑性モデルの構築を行った。シナプスクラスタの形成原因として、シナプス可塑性に必要な可塑性関連タンパク質(PRP)が複数シナプスで競合的に利用される現象に着目した。数理モデルを用い、シナプスクラスタ統合の選択基準が、シナプス数、樹状突起のPRP量、刺激タイミングにどのように依存するか検証した。PRPが枯渇している状況では、刺激間隔が短い場合と長い場合で増強傾向が異なることが示唆された。短い間隔では繰り返し刺激されたシナプスが増強され、長い間隔では強い刺激を受けたシナプスとの刺激の近時性に基づき弱い刺激を受けたシナプスの増強が変化した。PRPが枯渇していない状況では、全シナプスが増強され、樹状突起レベルでクラスタ形成が過剰になることが示唆された。全体として、PRPの分布が可塑性の調節に重要であることが示唆された。PRPが一様に分布していない場合、シナプスクラスタの形成は局所領域で異なる可能性がある。クラスタ統合基準の違いは、錐体ニューロンの計算特性を多様化し、領域依存的な役割分担を実現する。PRPは概日リズムや睡眠・覚醒制御を受けるため、時間帯や睡眠・覚醒状態によってクラスタ形成傾向が変化し、これが学習・記憶の概日依存性や睡眠・覚醒依存性に影響するかもしれない。上記成果は、PLOS ONEに「A computational model to explore how temporal stimulation patterns affect synapse plasticity」という題名で投稿された。さらに、空間的に拡張したモデルで概日リズムと睡眠・覚醒状態がシナプス可塑性に与える影響を評価し、博士学位論文としてまとめた。今後の研究で、これらの知見が記憶や学習に関連する神経メカニズムの理解に寄与することが期待される。

继R3年之后的R4年，我们在树突局部区域构建了突触可塑性模型。作为突触簇形成的原因，我们关注的是突触可塑性所必需的可塑性相关蛋白（PRP）被多个突触竞争使用的现象。使用数学模型，我们验证了突触簇集成的选择标准如何取决于突触数量、树突中 PRP 的量和刺激时间。我们的结果表明，在 PRP 耗尽的情况下，短刺激间隔和长刺激间隔之间的增强趋势有所不同。在较短的时间间隔内，重复刺激的突触被增强，而在较长的时间间隔内，弱刺激的突触的增强作用根据强刺激的突触刺激的新近程度而变化。在没有 PRP 耗尽的情况下，所有突触均增强，表明树突水平过度聚集。总的来说，我们的结果表明 PRP 的分布对于调节可塑性很重要。如果 PRP 分布不均匀，局部区域突触簇的形成可能会有所不同。簇集成标准的差异使锥体神经元的计算特性多样化，并实现区域依赖的角色划分。由于PRP受昼夜节律和睡眠/觉醒控制，因此形成簇的倾向根据一天中的时间和睡眠/觉醒状态而变化，这可能会影响学习和记忆的昼夜节律依赖性和睡眠/觉醒依赖性。上述结果已提交给 PLOS ONE，标题为“一种探索时间刺激模式如何影响突触可塑性的计算模型”。此外，我们使用空间扩展模型评估了昼夜节律和睡眠/觉醒状态对突触可塑性的影响，并在我们的博士论文中对此进行了总结。希望未来的研究将有助于理解与记忆和学习相关的神经机制。

项目成果

Consistency index of daily activity pattern and its correlations with subjective ratings of QOL

日常活动模式一致性指数及其与生活质量主观评分的相关性

• DOI: 10.1007/s41105-020-00271-z
• 发表时间: 2020
• 期刊: Sleep and Biological Rhythms
• 影响因子: 1.1
• 作者: R. Amano;A. Karashima;I. Motoike;N. Katayama;K. Kinoshita;M. Nakao
• 通讯作者: M. Nakao

Modeling of signaling mechanisms underlying cooperative and competitive formation of synaptic plasticity

突触可塑性合作和竞争形成背后的信号机制建模

• 发表时间: 2021
• 作者: Ryota Amano;Mitsuyuki Nakao;Kazumichi Matsumiya;Fumikazu Miwakeichi
• 通讯作者: Fumikazu Miwakeichi