名古屋市立大学大学院理学研究科の池尻洋輔特別研究学生（大阪大学大学院理学研究科大学院生）、名古屋市立大学大学院理学研究科の木村幸太郎教授（大阪大学大学院理学研究科 招へい教授）、弘前大学大学院理工学研究科の岩谷靖准教授、大阪大学大学院理学研究科の藤本仰一准教授らの共同研究グループは、線虫の匂いを感ずる神経細胞の活動が単純な数式によって表わせること、さらに刺激の経験によって生じた細胞活動の変化が数式の一つの「項」の消失で説明できること、さらにはその「項の消失」に相当する細胞活動変化に関わる遺伝子の候補も見出しました。この研究の成果は、数理モデルを用いた異なる研究手法の統合が神経活動の変化のより深い理解につながることを示しています。この論文は、国際神経科学専門誌Neuroscience Researchに発表されました。（2月1日時点オープンアクセス版としてWeb公開）

私たちヒトや動物は、光・音・匂いなどさまざまな刺激を神経細胞で感じて、その情報が脳に送られます。このような神経細胞の活動は、刺激を経験することによって変化していきます。例えば、光・音・匂いなどをしばらく経験していると鈍感になる「慣れ」が起きますし、逆に感じていた刺激に敏感になることもあります。自然における光・音・匂いなどの刺激の強さの幅は非常に広く、弱い刺激から強い刺激まで何億倍もの違いがある場合が存在するので、刺激に対して鈍感あるいは敏感になる神経細胞の「感度調節」の役割はとても重要ですが、その仕組みはよく分かっていません。

研究グループは、線虫C. エレガンス（以下「線虫」と呼びます）に注目して、嫌いな匂いに対する応答行動と、この匂いを感ずる神経細胞の感度調節に関して詳しく研究を行いました。研究グループはこれまでに、①線虫が嫌いな匂いを経験するとその匂いからより効率的に逃げるようになることを発見し、また②行動中に線虫が感ずる匂い濃度の変化を正確に測定し、③この匂い濃度変化を正確に再現しながら顕微鏡上で線虫の神経細胞活動を光学的に計測する技術（カルシウムイメージング）を開発していました。しかし、匂い刺激を経験してより逃げるようになる時に、神経細胞にどのような変化が起きているかは分かっていませんでした。

　研究グループは、匂いを初めて嗅ぐ場合はわずかな匂い濃度の変化にもこの神経細胞が素早くかつ継続的に反応する一方で、すでにこの匂いを経験している場合はゆっくりと継続的に反応することを見出しました。この違いを詳しく理解するために、薬理学的解析と数理モデル化という手法を組み合せて用いたところ、匂いを初めて嗅ぐ場合の「素早く継続する反応」は「匂い濃度の一階微分と二階微分の和の漏れ積分」という比較的単純な数式で表わすことができました（図上）。さらに、匂いをすでに経験した場合の「ゆっくり継続する反応」は「匂い濃度の一階微分の漏れ積分」のみで表わせること、つまり「二階微分の項」がほぼ消えていることが分かりました（図下）。「素早く継続する反応」と「ゆっくり継続する反応」は、細胞の反応をグラフに描いた時に幾つもの部分が異なるにも関わらず、「二階微分の項が消える」というたった一つの変化でほぼ全ての変化が説明できました。

数理モデルで単純に記述できたということは、細胞活動に関わるメカニズムが単純である可能性を示しています。研究グループはさらに幾つかの遺伝子の機能が異常になった変異株で同様の解析を行うことで、Gタンパク質に関わる遺伝子が「二階微分の項」に相当する細胞活動を制御している可能性を発見しました。

神経細胞に限らず、さまざまな細胞の活動が顕微鏡によって正確かつ大量に計測されるようになってきています。こういった「細胞活動ビッグデータ」はさまざまな数値の側面が異なり、正しく理解することは簡単ではありません。数学的な解析はこれらビッグデータの理解を強力に助けてくれますが、数学的な解析結果だけでは生命現象の理解に結びつくのは困難です。

今回の研究グループは、匂い刺激・神経活動・応答行動をそれぞれ正確に測定し、さらに数理モデル化と薬理学的解析や遺伝学的解析を組み合せることで、匂いを感ずる神経細胞の活動が微分を用いた数式（微分方程式）で表わすことができ、さらに経験によって生じた神経細胞活動の変化が数式のたった１つの項の消失として理解できること、さらにはその「項の消失」に関わると考えられる遺伝子を明らかにすることができました。

この研究は、細胞活動を表わす数理モデルの研究に新しい手掛かりを与えると共に、同様に数理モデルをさまざまな生物学的実験と組み合せることによって、私たちの生命現象の理解がより広まる可能性を示しているといえます。