昆虫機械受容系の熱雑音感受性と中枢における微弱信号抽出機構

昆虫机械感受器系统的热噪声敏感性及中枢微弱信号提取机制

• 批准号: 12048202
• 负责人: 下澤 楯夫
• 金额: $ 4.16万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas (A)
• 财政年份: 2000
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2000 至 2001
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12048202/
• 关键词: 機械感覚細胞; 介在神経; 昆虫; 熱雑音; 情報機械; 情報伝送量; エネルギー感度; 閾値; 確率共鳴; 情報伝送速度; 内部雑音

昆虫の機械受容器は、常温の熱揺動エネルギーk_BT(約4×10^<-21>J、可視光フォトンのエネルギーの1/100)をも検出できる最高度に進化した刺激受容系である。コオロギ気流感覚細胞が熱雑音(ブラウン運動)に揺すられて発火するほど高感度なこと、中枢の介在神経は熱雑音の無相関性を利用して閾値以下の微弱な信号を抽出することを明らかにする目的で本プロジェクトを遂行した。フォトンのような量子を持たない機械受容器、化学受容器、イオンチャンネル、シナプス受容体などは必然的に熱雑音に出会うから、雑音揺らぎやシナプス加重機構が神経系一般に広くみられることなど、情報機械としての神経系が究極の乱数発生器としての熱雑音を利用する設計原理の解明につながる。コオロギを実験材料に、気流感覚器の機械的構造と感覚細胞のエネルギー変換応答とを分離し、分子熱雑音限界までエネルギー感度を進化させた機械感覚細胞の刺激受容機構解明の手がかりを得、情報機械としての感覚細胞の性質を解明するため感覚細胞が運ぶ情報、感覚細胞が介在神経に伝える情報量の定量化を試みた。中枢の介在神経から記録をとり、閾値付近の気流刺激への応答から、感覚細胞から介在神経への情報伝送量を測定した。コオロギの気流感覚細胞が運ぶ情報量はスパイク1つ当たり2〜4bit。入力感覚繊維1本あたりの情報量はおよそ300bits/secであることを示した。また、中枢の気流感覚介在神経の樹状突起部から細胞内記録をとり、閾値付近の人口白色雑音波形を繰り返し与え、後シナプス集合電位の変動分から、気流から介在神経までの情報伝送量(bits/sec)を測定した結果、50〜200bits/sec程度とばらつきはあるが1個の感覚細胞が伝える情報量より遥かに小さいことがわかった。昆虫の機械受容器は究極感度まで進化し熱雑音に直面している、逆説的に熱雑音のエネルギーと無相関性を利用してさらに微弱な信号を検出する中枢機構が進化したことが示唆された。

The mechanical receptors of insects are highly evolved in response to thermal stimuli at room temperature (about 4×10^<-21>J, visible light). The heat waves in the brain are highly sensitive and the central nervous system is not correlated with the heat waves in the brain. The design principle of quantum mechanical receiver, chemical receiver, thermal generator and thermal receiver is explained in detail. The mechanical structure of the sensor cell, the isolation of the sensor cell, the molecular thermal limit, the evolution of the sensor cell's stimulus receptor mechanism, the determination of the sensor cell's transport information, and the quantification of the information content in the sensor cell's transmission. The central nervous system records, thresholds, and responses to current stimuli, and sensory cells measure the amount of information transmitted by the central nervous system. The amount of information required for the transmission of influenza virus cells is 2 to 4 bits. The amount of information received by the user is 300bits/sec. The central and central influenza mediators recorded in the dendrites of the nervous system recorded in the cells near the threshold value. The white tone waveform was measured at the level of 50 to 200bits/sec. The information transmission amount of the central and central influenza mediators in the nervous system was measured at the level of 50 to 200bits/sec. The evolution of the ultimate sensitivity of the mechanical receptors of insects to heat waves and their correlation with heat waves and their use to detect weak signals

项目成果

T.Shimozawa: "Proceedings of the international symposium on Recent Developments in Auditory Mechanics"World Scientific. 528 (2000)

T.Shimozawa：“听觉力学最新发展国际研讨会论文集”世界科学。

Fujie, S.: "The nitric oxide/cyclic GMP pathway in olfactory processing system of the terrestrial slug Limax marginatus"Zool. Sci.. 19. 15-26 (2002)

Fujie, S.：“陆生蛞蝓 Limax marginatus 嗅觉处理系统中的一氧化氮/环 GMP 途径”Zool。

Aonuma, H.: "Opposing actions of nitric oxide on synaptic inputs of identified interneurones in the central nervous system of the crayfish"J. Exp. Biol.. 204. 1319-1332 (2001)

Aonuma, H.：“一氧化氮对小龙虾中枢神经系统中已识别中间神经元突触输入的相反作用”J.

馬場欣哉: "昆虫気流感覚介在神経における等比抑制"電子情報通信学会技術報告. MBE2000-28. 1-6 (2000)

Kinya Baba：“昆虫气流感觉中间神经元的几何比例抑制”IEICE MBE2000-28 (2000)。

Nishino, H.: "Hygro-and Thermoreceptive interneurons in the cockroach brain"Zool. Sci.. 18 Suppl.. 105 (2001)

Nishino, H.：“蟑螂大脑中的湿度和温度感受中间神经元”Zool。