ASCONE2011 『神経ネットワーク の 静 と 動』

神経系の最終出力である行動表現型、動物行動のパターンがどのようにして学習・獲得され、その際にどのような変化が脳内の神経回路でおこるのか？音声発声学習ができるソングバードを動物モデルとして現在進めている研究を題材として、動物行動をいかに解析していけば、神経系の動作原理や生命現象の本質の理解に寄与できるのか、様々な観点から議論したい。

神経細胞間の信号伝達を担うシナプスの強度は細胞細胞の活動に応じて変化することが知られています。特にシナプスの示す長期増強や長期減衰は学習や記憶のメカニズムとして盛んに研究されています。

本講義では、シナプス可塑性の数理モデルに関して、歴史的な背景も交えて解説します。実験から得られた知見をどのように数式を使って表現するか、シナプス可塑性が神経回路の担う計算にどのように関与するかについて説明します。後半では、眼優位性の可塑性を例として、脳の回路レベルで観測される経験依存性の変化を、シナプスレベルの可塑性に関する知見を用いてどのように理解するかを考えていきたいと思います。

脳には非常に多くの神経細胞が存在し、各々が伸ばす複数の突起が密に絡まり合っています。ゆえに、神経細胞同士の結合パターンを解明することは困難を極めますが、脳内情報処理のメカニズムを回路レベルで理解する為には必要な過程です。神経の配線図を得るには、形態学的及び生理学的アプローチの双方が用いられます。本講義では特に後者に焦点を絞り、電極一本（もしくは二本）でショウジョウバエの嗅覚回路をどこまで同定できるかを解説します。そして、同定した回路が匂い入力をどのように処理するのか、その意義は何なのかを議論します。

動物が感覚刺激を受けていない時でも、神経系の活動は休む事なく続いています。感覚刺激によって誘起される活動に対して、この活動は自発発火活動と呼ばれます。ほぼすべての神経情報処理はこの自発発火活動の上で行われるわけですから，この活動は神経情報処理の基底状態だといえます。実際、最新の様々な実験により、自発活動が神経情報処理の重要な要素である事が報告され始めています。この講義では、神経情報処理が行われる「舞台」として、大脳皮質の局所回路構造（静）と、その上の自発発火活動（動）について解説します。構造と活動が相互に影響し合う中で神経情報処理が実現されて行く事を数理的に議論したいと思います。

脳神経系のあらゆる機能は、神経回路内を神経活動が伝わることにより生成される。しかしながら、生きた個体生物のなかで神経活動が実際に回路内の細胞間を伝播していく様子を可視化・解析した研究例は少ない。私達は、ショウジョウバエ幼虫のぜん動運動を制御する中枢回路をモデルとして、神経活動が特定の時空間パターンにしたがって伝播する仕組みを探っている。このため、中枢神経系内の特定の細胞群の活動をカルシウムイメージングにより可視化するとともに、光操作により任意のタイミングで活性化、不活化する系を開発している。比較的少数の細胞によって構成される単純な回路において、回路への摂動が神経活動伝播に与える影響を系統的に解析することにより、軸索配線やシナプス結合といった回路の静的な構造が、いかにして動的な活動パターンを生むのかを明らかにしたいと願っている。