Understanding the holism of the brain by whole rodent brain simulation
| Project Area | Holism in neuroscience: Large-scale recording and simulation |
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| Project/Area Number |
21H05137
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (III)
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
五十嵐 潤 国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究センター, 上級研究員 (60452827)
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| Project Period (FY) |
2021-08-23 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥30,030,000 (Direct Cost: ¥23,100,000、Indirect Cost: ¥6,930,000)
Fiscal Year 2023: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000)
Fiscal Year 2022: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000)
Fiscal Year 2021: ¥8,190,000 (Direct Cost: ¥6,300,000、Indirect Cost: ¥1,890,000)
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| Keywords | 大脳皮質 / 小脳 / 高性能計算 / コネクトーム / スパイキングニューラルネットワーク / HPC / Spiking Neural Networks / 全脳シミュレーション |
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| Outline of Research at the Start |
脳・身体・外界が相互作用する中で実行される脳の高次認知処理において、複数脳領域が一つのシステムとして協調動作する機構はよくわかっていない。本研究課題では大型計算機の膨大な並列計算性能を利用して、大規模脳計測データやコネクトームデータに基づくげっ歯類全脳と身体モデルの連関シミュレーションを実現する。そのため、大規模計測データを脳モデル構築や脳モデルの活動の拘束条件として、データ同化の手法を導入した大規模脳シミュレーションプラットフォームの開発を行う。細胞から全脳規模の神経回路を扱うことで複数脳領域が一つのシステムとして動作する仕組み、脳の全体性について、構成論的手法による理解を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
脳・身体・外界が相互作用する中で実行される脳の高次認知処理において、複数脳領域が一つのシステムとして協調動作する機構はよくわかっていない。従来の還元主義的アプローチでは、脳の全体として動作する機構、脳の全体性について扱うことが困難であった。例えば、全脳領域間における伝搬遅延や振動を伴う信号を介した相互作用の方式、特定の領域計測だけでは解釈できない行動と無相関な活動、領域ごとの学習機構についての全脳における連携機構などは、いまだによくわかっていない。
これらを解決するため、本研究課題では大型計算機の膨大な並列計算性能を利用して、大規模脳計測データやコネクトームデータに基づくげっ歯類全脳と身体モデルの連関シミュレーションを実行することを目指している。そのため、大規模計測データを脳モデル構築や脳モデルの活動の拘束条件として、データ同化の手法を導入した大規模脳シミュレーションプラットフォームの開発を行い、細胞から全脳規模の神経回路を扱うことで複数脳領域が一つのシステムとして動作する仕組み、脳の全体性について、構成論的手法による理解を目指している。
研究領域開始年度となるR3年度は、これらの目標に向けて主に３つの取り組みとして、1)脳モデルにマウスコネクトームデータ導入するためのデータ処理と変換を行うプログラム開発、2)マウスの脳の生理実験結果との比較のためのマウス脳規模の脳モデルシミュレーションの実行試験、3)脳・身体連携モデルシミュレーション実現のため、具体的目標や実装方法に関する生理実験・身体モデル担当メンバーとの検討を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
Allen Instituteが提供しているマウスのメゾスコピックコネクトームの情報を脳モデルの領域間結合に導入するために、これまで開発してきた神経回路シミュレー―ターについて、コネクトームデータの前処理とその並列計算のための並列化機能を実装した。具体的には、情報の取捨選択と座標変換などの処理、小脳の層などの空間構造を認識する処理、大型計算機での計算実行のための脳モデルの並列化に合わせたコネクトーム情報の並列化などで、Pythonプログラムで実装した。これによって、予定されていた大脳皮質に加え、小脳のコネクトーム情報を利用することができるようになった。神経回路シミュレータ側では、複数計算ノードによってデータを並列に読み込む機能を開発した。JSON形式導入でデータ構造の変更が必要となり、次年度に残される課題である。
生理実験結果との比較のため、これまで五十嵐らが開発した大脳皮質―視床―小脳モデルをもとに、マウス規模の大脳皮質-小脳-視床モデルシミュレーションの実行を確認した。この大脳皮質-小脳-視床モデルシミュレーションと生理実験との比較について、生理実験班メンバーと検討し、実験でみられる大脳皮質からの信号への小脳の相反する二つの応答についての検証を行うこと方針を議論した。また、新たに参加した川野と他メンバーらと、領域間相互作用の分析に関する、canonical correlation分析や大規模PCAの適用について検討を進めた。
げっ歯脳モデルと連関するげっ歯類身体モデルについて、Human Brain ProjectのNeuro Robotics Platformのマウス全身骨格モデル開発に携わった太田が森班に参加し、重点的に開発に取り組むことになった。これに対して脳と身体モデルの連関について、身体モデルの記述レベルや脳との接続に関して検討を進めた。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度に開発したコネクトームデータの前処理データをもとにした、脳モデルシミュレーションを行う。前年度に残された課題であるJSON形式導入でデータ構造の変更と脳シミュレータにおける検証を行う。また、前年度に得られた、大脳皮質、小脳のコネクトームデータをもとに各領域をのシミュレーションを試験する。さらに、開発された前処理プログラムをもとに、視床のコネクトームデータの前処理データを取得し、コネクトームベースの大脳皮質-小脳-視床モデルシミュレーションを実施する。
上述の脳モデルについて、データ同化手法の適用し、マウス脳の大規模計測データと脳モデルの同化について取り組む。データ同化のプログラムとして、すでに公開されている並列計算対応のデータ同化のライブラリを利用し、そのライブラリに向けた脳シミュレータ側の状態変数データ等の出力機構の開発、生理実験の観測データフォーマットの整備を行う。はじめに、小規模な神経回路モデルを用いた試験を行い、導入手法の有効性の検証を行う。検証が早く進むようであれば、大脳皮質や小脳などの具体的な脳モデルへの適用を試験する。
脳と身体モデルの連関シミュレーションについては、前年度の検討をもとに、脳と身体モデルとの通信機構を決定し、小規模試験を行う。
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Report
(1 results)
Research Products
(4 results)
