[論文レビュー] A Neural-Astrocytic Network Architecture: Astrocytic calcium waves modulate synchronous neuronal activity

Ioannis Polykretis, Vladimir A. Ivanov+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2018

Neural dynamics and brain function参考文献 85被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、細胞小器官のサブセルラー構造を保持する生体物理学的に現実的なアストロサイトのモデルを提案し、その中で細胞内カルシウム波がサブセルラー領域を越えて伝播する様子をシミュレートすることで、グリア放出を介した神経細胞の同期的活動がどのように調節されるかを示している。このモデルは、アストロサイトが神経同期化を制御するためのカルシウムカスケード機構を明らかにし、神経-グリアネットワーク（NANs）における非ニューロン細胞の新たな計算的役割を提示する。

ABSTRACT

Understanding the role of astrocytes in brain computation is a nascent challenge, promising immense rewards, in terms of new neurobiological knowledge that can be translated into artificial intelligence. In our ongoing effort to identify principles endow-ing the astrocyte with unique functions in brain computation, and translate them into neural-astrocytic networks (NANs), we propose a biophysically realistic model of an astrocyte that preserves the experimentally observed spatial allocation of its distinct subcellular compartments. We show how our model may encode, and modu-late, the extent of synchronous neural activity via calcium waves that propagate intracellularly across the astrocytic compartments. This relationship between neural activity and astrocytic calcium waves has long been speculated but it is still lacking a mechanistic explanation. Our model suggests an astrocytic "calcium cascade" mechanism for neuronal synchronization, which may empower NANs by imposing periodic neural modulation known to reduce coding errors. By expanding our notions of information processing in astrocytes, our work aims to solidify a computational role for non-neuronal cells and incorporate them into artificial networks.

研究の動機と目的

• 細胞小器官構造の空間的コンpartiment化を保持する生体物理学的に現実的なアストロサイトモデルの開発。
• アストロサイト内での細胞内カルシウム波が同期的神経活動に与える影響の調査。
• 人工知能への応用を目的として、神経活動とアストロサイトのカルシウムシグナリングの間の機構的リンクの確立。
• 神経-グリアネットワーク（NANs）にアストロサイトを統合し、従来のニューラルネットワークを上回る計算能力の向上。

提案手法

• 実験的形態を反映する明確なサブセルラー領域を有するコンパートメント化されたアストロサイトモデルの構築。
• カルシウムダイナミクスを生体物理学的根拠に基づく方程式でシミュレートし、アストロサイトのプロセスを越えた波の伝播を捉える。
• 中規模およびグローバルなカルシウム波を誘発するために、生物学的範囲内の刺激パターンを適用。
• グリア放出を、カルシウム波が神経細胞のシナプス活動に与える影響を示すメカニズムとしてモデル化。
• 最近の実験的知見（中規模およびグローバルな波のタイプ）に基づき、波の伝播パターンを検証。
• アストロサイトモデルを神経-グリアネットワーク（NAN）フレームワークに統合し、同期化における計算的役割の探求。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 生物学的に現実的なモデルにおいて、カルシウム波はアストロサイトのサブコンパートメントをどのように伝播するか？
• RQ2 アストロサイトのカルシウム波が同期的神経活動を調節する上で果たす機能的役割は何か？
• RQ3 アストロサイトに存在するカルシウムカスケード機構は、実験で観察された神経同期化を説明できるか？
• RQ4 アストロサイトのカルシウムダイナミクスは、人工ニューラルネットワークにおける情報処理にどのように寄与するか？
• RQ5 アストロサイトを統合することで、ブレインモルフィックおよび非フォン・ノイマン型コンピューティングアーキテクチャにどのような計算的利点がもたらされるか？

主な発見

• モデルは、太いアストロサイトの枝に向かって中規模のカルシウム波が伝播し、胞体に達する大規模なグローバル波が再現された。
• カルシウム波の伝播は、アストロサイトにおける局所的およびネットワークスケールのカルシウムシグナリングに関する実験的観察と整合的である。
• モデルは、シナプス誘発性のカルシウム波が、波の広がりに応じてサイレントな神経細胞をグリア放出を通じて調節できることを示した。
• アストロサイトのカルシウム波が周期的な神経調節を引き起こすことが示され、これは符号化エラーの低減と同期化の強化に寄与する可能性がある。
• 研究結果は、カルシウムシグナリングを介したアストロサイトが神経ネットワークダイナミクスの調節に機能的役割を果たすことを支持する。
• 本研究は、長年にわたり予想されてきた神経活動とアストロサイトのカルシウム波の間のリンクに、機序的説明を提供し、NANベースの計算の発展に貢献する。