医学・工学に現れる逆問題への応用解析

医学和工程中出现的反问题的应用分析

基本信息

批准号：
15740058
负责人：
久保雅義
金额：
$ 2.37万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2003
资助国家：
日本
起止时间：
2003 至 2005
项目状态：
已结题

项目摘要

研究テーマとして神経細胞の電位変化のin vivo(生体内)での活動を解析する手法の確立についてを取り上げ,それに対する数学解析と数値計算を行った.生体内(in vivo)の細胞内記録法(intracellular recording)では,個々の神経細胞が実際に情報処理をしている最中の計測が可能である.このin vivo intracellular recordingは,生理実験データをとることそのものが難しいという問題と,たとえデータが得られても神経細胞の活動が非常に複雑であるため,データの解析とその解釈が困難であるという問題がある.大脳皮質のin vivoでの神経膜電位は非常に複雑に変化することが知られている.この神経膜電位の揺らぎの主な原因は情報伝達の入力である「シナプスからの外部入力」と考えられている.現段階ではin vivoでの非常に複雑な膜電位変化のデータから「シナプスからの外部入力」の変化の部分を抽出することが困難であり,通常はこの揺らぎの部分はノイズとして取り扱い,主に「平均的な膜電位変化」が脳の情報処理解析の研究に用いられてきた.このような状況に対して,in vitro(生体外)で観測でき既知な事実(イオンチャネル、Hodgkin-Huxley方程式等)を通して,実際に情報処理を行なっている神経細胞のin vivo(生体内)活動を解析する手法を確立するための基礎的な研究を行なった.本研究ではin vivoの細胞内記録(intracellular recording)で得られるデータに相当する「膜電位変化」とそのときの「計測電流」のみを用いてHodgkin-Huxley方程式の係数である「イオンチャネル全体としての巨視的な電気伝導度」を求める問題を取り上げ,ノイズを方程式へのブラウン運動の項を外力項として導入した.この非線型確率微分方程式に対して,数値計算手法を開発し実際にその係数の値を計算機で求められることを確認した.さらにそのとき数値的に求めた係数のデータを用いて、実際に神経細胞が受けていた「シナプスからの外部入力」を定量評価する計算手法を確立した.

研究主题是建立一种分析体内神经细胞电位变化的方法，并为此进行了数学分析和数值计算。体内细胞内记录方法（intracellularrecording）允许在单个神经元处于活动状态时对其进行测量。实际处理信息。记录存在的问题是很难收集生理实验数据，而且即使获得数据，神经元的活动也极其复杂，导致很难分析和解释数据。已知大脑中的神经元膜电位。体内皮质的变化非常复杂。神经元膜电位波动的主要原因被认为是“来自突触的外部输入”，这是目前信息传递的输入。从体内极其复杂的膜电位变化数据中提取“来自突触的外部输入”的变化是很困难的，而这种波动部分通常被视为噪声，主要作为“平均膜电位的变化”被用于研究分析大脑中的信息处理。在这种情况下，通过在体外（活体之外）可以观察到的已知事实（离子通道、霍奇金-赫胥黎方程等），实际处理信息的神经细胞我们进行了基础研究，以建立一种分析体内活动的方法。在这项研究中，我们进行了体内细胞内记录。求出“整个离子通道的宏观电导率”的问题，该电导率是霍奇金-赫胥黎方程的系数，仅使用与记录中获得的数据相对应的“膜电位变化”）和“测量电流” ”，此时噪声方程的布朗运动项被外力项替代。我们开发了这种非线性随机微分方程的数值计算方法，并确认实际上可以使用计算机确定系数的值。此外，我们使用当时数值确定的系数的数据建立了计算方法。定量评估神经元实际接收的“来自突触的外部输入”。