情報流のパス展開理論と神経ネットワーク活動計測に基づく生物の行動決定機構の解明

基于信息流路径扩展理论和神经网络活动测量阐明生物体的行为决策机制

• 批准号: 22K03453
• 负责人: 森 史
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Kyushu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K03453/
• 关键词: 複雑ネットワーク; 情報流; 神経回路; 摂動論; 全脳イメージング; 複雑ネットワーク; 情報流; 神経回路; 摂動論; 全脳イメージング

生物系において、外部刺激に応じた行動決定を担っているのは神経ネットワークの活動である。しかし、そこでどのような情報処理が実行され、どのように行動決定がなされているのかは、未解明である。例えば、神経回路のトポロジーが分かっている線虫では、ある刺激に対する行動選択を担っている局所的なネットワーク構造（モチーフ）が発見されているが、さまざまな刺激に対して常に局所的な情報処理で答えを出しているのか、あるいは、時に大域的なネットワーク構造も利用しているのかは、定かではない。本研究では、ネットワーク上の情報流を記述する理論を線虫の神経回路に適用し、刺激シグナルの伝達に重要な経路群を特定することを目指している。今年度は、確率的ブーリアンネットワークを用いて、ネットワーク上の情報の流れをパスと呼ばれる情報伝達経路の積を使って摂動的に展開する理論を、ネットワークモチーフに適用し、ネットワークモチーフの情報流の特徴を明らかにした。具体的には、ポジティブフィードフォワードモチーフは、高周波の入力シグナルを遮断するローパスフィルターの役割を持ち、ネガティブフィードフォワードモチーフは、低周波を遮断するハイパスフィルターの役割を持つことが明らかになった。さらに、そのようなフィルター機能の起源が、長さの異なる情報経路間の相互作用によって生み出されていることも分かった。一方で、長さの異なる情報経路を複数持たないポジティブ/ネガティブフィードバックモチーフは、フィルター機能を持たない。これらの成果を、オープンアクセスの国際学術誌に出版した。また、行動中の線虫の全脳イメージングに向けた顕微鏡のカスタマイズが大きく進展した。

在生物系统中，正是神经网络的活性负责响应外部刺激的行为决策。但是，目前尚不清楚那里进行了哪些信息处理以及如何做出行动决策。例如，在已知神经回路拓扑的神经蠕虫中，已经发现了本地网络结构（主题），这些结构（主题）负责给定刺激的行为选择，但是目前尚不清楚它们是通过局部信息处理而不断地为各种刺激提供答案，有时是使用全球网络结构。这项研究旨在将描述网络上的信息流的理论应用于线虫的神经回路，并确定对于刺激信号传播至关重要的途径。今年，我们应用了这样的理论，即使用随机布尔网络，使用称为网络基础的路径的信息传输路径的产物在网络上扰动信息，并揭示了网络图案信息流的特征。具体而言，已经揭示了阳性前馈基序在阻断高频输入信号的低通滤波器的作用中，而负馈电基序则在阻断低频输入信号的高通滤波器中起作用。此外，发现此类滤波器功能的起源是通过不同长度的信息途径之间的相互作用产生的。另一方面，没有多个不同长度的多个信息路径的正/负反馈基序没有过滤器函数。这些结果发表在《开放访问国际学术期刊》上。此外，在旨在行为线虫的全脑成像的显微镜定制方面取得了重大进展。