網膜の活動電位応答タイミングに関わるメゾ神経回路-脳型人工視覚による仮想実験解析

• Project Area: Mesoscopic neurocircuitry: towards understanding of the functional and structural basis of brain information processing
• Project/Area Number: 25115722
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 八木 哲也 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50183976)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2014: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2013: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 網膜 / シミュレーション / 人工網膜 / 自然画像処理 / 眼球運動 / ロボットビジョン / シリコン網膜 / アマクリン細胞 / 視神経 / 一過性応答 / スパイクタイミング / マシンビジョン

Outline of Annual Research Achievements

網膜の機能と構造は、自然状態と異なる網膜試料や光刺激を用いた生理学実験から類推されている。本研究の目的は、過去の生理学知見から網膜の基本的メゾ神経回路の構造を再現した人工眼を構築し、この人工眼を用いて自然視覚環境における網膜機能を、実時間シミュレーション解析することであった。解析は、同時に実施した剥離網膜実験の結果を参照しながらを行い、特に視神経の活動電位の時間パターンやタイミングが、自然画像のどのような特徴をコードしているかに注目しながら行った。人工眼の構築では、本研究室で開発した１２８ｘ１２８ピクセルの脳型人工網膜を応用し、高速フレームサンプリングおよびFPGAを用いた準並列計算により、視神経のスパイク発火タイミングを、数ミリ秒の精度で計算が可能な脳型人工網膜を完成させた。この人工網膜は、網膜の視神経以外の緩電位応答波形をアナログ集積回路（シリコン網膜）とFPGAを用いて計算し、かつ神経節細胞の活動電位のタイミングを画像サンプリング間隔データを補完する形で２ミリ秒程度の揺らぎ精度で再現する。脳型人工網膜の回路パラメータを決定するために、剥離網膜を用いた生理学実験も行った。人工網膜を用いて動的な自然画像を実時間処理し、入力画像と人工網膜の各細胞の応答を直接比較する実験を行なった。また人工網膜の出力を、超並列神経回路シミュレータ、SpiNNakerに接続し、一次視覚野応答も再現できるようにした。この上で人工網膜を、眼球運動制御装置に組み込み、眼球運動下での網膜細胞応答を予測する実験を行った。これらの実験から、網膜内網状層にはサッカードなどの急速眼球運動に伴う過去の画像の”残像”を打ち消すために、水平方向に一過性の強い非線形抑制が必要であることが示唆された。さらにこの人工網膜を、実時間で画像中の特徴量を追跡するロボットビジョンへ応用した。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Population response propagation to extrastriate areas evoked by intracortical electrical stimulation in V1 (2016)
  • Author(s): Ｔ.D. Fehervari, T. Yagi
  • Journal Title: Frontiers in Neural Circuits Volume: VOL. 10 Pages: 1-14
  • DOI: 10.3389/fncir.2016.00006
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] In vivo voltage-sensitive dye study of lateral spreading of cortical activity in mouse primary visual cortex induced by a current impulse (2015)
  • Author(s): Ｔ.D. Fehervari, Y. Okazaki, H. Sawai and T. Yagi
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: VOL. 10 Issue: 7 Pages: 1-24
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0133853
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Real-Time Emulator for Reproducing Graded Potentials in Vertebrate Retina (2015)
  • Author(s): 奥野弘嗣，長谷川潤，八木哲也
  • Journal Title: IEEE Transactions on biomedical circuits and systems Volume: 印刷中 Issue: 2 Pages: 284-295
  • DOI: 10.1109/tbcas.2014.2327103
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A vision sensor system with a real-time multi-scale filtering function (2014)
  • Author(s): S. Yasukawa, H. Okuno, S. Kameda, and T. Yagi
  • Journal Title: International Journal of Mechatronics and Automation Volume: VOL. 4 Issue: 4 Pages: 248-258
  • DOI: 10.1504/ijma.2014.066367
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Real-time emulator for reproducing graded potentials in vertebrate retina (2014)
  • Author(s): H, Okuno, J. Hasegawa, T. Sanada and T.Yagi
  • Journal Title: IEEE transactions on biomedical circuits and systems Volume: accepted
  • Peer Reviewed
• [Presentation] サンショウウオ網膜におけるスパイク発火潜時による明暗符号化に関するシ ミュレーション解析 (2015)
  • Author(s): 工藤 有華、林田 祐樹、石田 椋也、 山内 翔太、奥野 弘嗣、八木 哲也
  • Organizer: MEとバイオサイバネティックス研究会
  • Place of Presentation: 大阪電気通信大学（大阪府）
  • Year and Date: 2015-10-25
• [Presentation] マウス網膜神経節細胞の線形特性に関する実験解析 (2015)
  • Author(s): 鳴戸 夕貴、八木 哲也、林田 祐樹
  • Organizer: MEとバイオサイバネティックス研究会
  • Place of Presentation: 熊本大学（熊本県）
  • Year and Date: 2015-01-22
• [Presentation] マウス大脳視覚野における多点電極刺激に対する時空間神経応答のin-vivoイ メージング解析 (2015)
  • Author(s): 高谷 光基、林田 祐樹、竹内 浩造、山口 俊平、岡崎 祐香、八木 哲也
  • Organizer: MEとバイオサイバネティックス研究会
  • Place of Presentation: 熊本大学（熊本県）
  • Year and Date: 2015-01-22
• [Presentation] A real-time simulator of a biological visual system composed of a silicon retina and SpiNNaker chips (2014)
  • Author(s): H. Okuno, T. Kawasetsu, L. A. Plana, S. B. Furber, and T. Yagi
  • Organizer: The International Symposium on Artificial Life and Robotics 2014
  • Place of Presentation: Beppu
• [Presentation] Mixed analog-digital architecture for emulating biological visual systems (2014)
  • Author(s): H. Okuno, T. Sanada, J. Hasegawa, T. Kawasetsu, T. Yagi
  • Organizer: The 1st International Symposium on Neuromorphic and Nonlinear Engineering
  • Place of Presentation: Tokyo
• [Presentation] A real-time emulation system for reconstructing spike activities of the retinal ganglion cells (2013)
  • Author(s): H.Okuno,J.Hasegawa,andT.Yagi
  • Organizer: Neuro 2013
  • Place of Presentation: Kyoto
• [Presentation] High-Speed Multiple Spatial Band-Pass Filtering using a Resistive Network (2013)
  • Author(s): S. Yasukawa, H. Okuno, S. Kameda, T. Yagi
  • Organizer: ICMA 2013
  • Place of Presentation: Kagawa
• [Presentation] Hardware implementation of retinal spike dynamics based on a physiological model (2013)
  • Author(s): 石田椋也,奥野弘嗣, 林田祐樹,曺亨誠,長谷川潤,八木哲也
  • Organizer: ライフエンジニアリング部門シンポジウム2013
  • Place of Presentation: 日吉