神経細胞が生成するスパイクの相関を利用した脳のモデル選択

• Project/Area Number: 06J10171
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Sensitivity informatics/Soft computing
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 三浦 佳二 The University of Tokyo, 大学院・新領域創成科学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2006 – 2008
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2008)
• Budget Amount: ¥3,400,000 (Direct Cost: ¥3,400,000); Fiscal Year 2008: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2007: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2006: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 理論神経科学 / 点過程 / ゆらぎ / 情報幾何 / セミパラメトリックモデル / バランス入力 / Brain Machine Interface / 脳の情報表現 / Spiking Irregularity / Balanced Inputs / Gamma Distribution / Information Geometry / Dynamic Clamp / Semiparametric Models / スパイク統計 / スパイク不規則性 / ガンマ分布 / セミパラメトリック推定 / 情報幾何学

Research Abstract

本研究期間においては、理論と実験の両方のアプローチを用いて、現実の神経細胞のスパイクデータの2次統計量に基づいて、脳における情報処理の解明を目指した。理論的アプローチでは、神経細胞の発火パターンの統計性を純粋に理論的な立場から考察し、発火の不規則性を特徴づける指標を提案した。また、実験的なアプローチでは、現実の神経細胞で確かめるために、この理論を実験データに適用し、神経細胞へのシナプス入力電流の統計性が、出力である神経発火の時系列に与える影響を考察することであった。特に、理論モデルにおいて仮定されていた、発火時刻のインターバルがガンマ分布に従うことと、その中の不規則性のパラメタが時間的に一定であることを検証することであった。この2つの条件が大事なのは、これらの条件が満たされることで、神経細胞からの情報の読み出しが容易になるというメリットが生じるためである。理化学研究所の深井チーム(深井チームリーダー・坪研究員)と共同で実験を行うプロジェクトも立ち上げて、理論・実験を融合させた研究を行い、上の2つの条件を確かめた。その上で、近年神経科学において話題となってきているバランスされたシナプス入力が、神経細胞の発火の不規則性を一定に保つことを通して、スパイク列からの情報読み出しを容易にするという役割を持つことを解明した。この研究成果は、神経科学の分野において権威のあるJournal of Neuroscienceに採録された。

Research Products

• [Journal Article] Burst Synchronization and Chaotic Phenomena in two strongly coupled resonate-and-fire neurons (2008)
  • Author(s): K. Nakada, K. Miura, H. Hayashi
  • Journal Title: International Journal of Bifurcation and chaos 18 Pages: 1249-1259
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Image restoration with a truncated Gaussian model (2008)
  • Author(s): H.Tanaka, K.Miura, M.Okada
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan 77
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Burst synchronizationand chaotic phenomena in two strongly coupled resonate-and-fire neurons (2008)
  • Author(s): K.Nakada, K.Miura, H.Hayashi
  • Journal Title: International Journal of Bifurcation and Chaos (印刷中)(掲載確定)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Balanced excitatory and inhibitory inputs to cortical neurons decouple firing irregularity from rate modulation (2007)
  • Author(s): K.Miura, Y.Tsubo, M.Okada, T.Fukai
  • Journal Title: Journal of Neuroscience 27 Pages: 13802-12
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Estimating Spiking Irregularities under Changing Environments (2006)
  • Author(s): K.Miura, M.Okada, S.Amari
  • Journal Title: Neural Computation 18 Pages: 2359-2386
• [Journal Article] Unbiased Estimator of Shape Parameter for Spiking Irregularities under Changing Environments (2006)
  • Author(s): K.Miura, M.Okada, S.Amari
  • Journal Title: Advances in Neural Information Processing Systems 18 Pages: 891-898
• [Journal Article] Globally coupled resonate-and-fire models (2006)
  • Author(s): K.Miura, M.Okada
  • Journal Title: Progress of Theoretical Physics Supplement 161 Pages: 255-259
• [Journal Article] Rate-independent characterization of irregular neuronal firing in a regime of balanced background input (2006)
  • Author(s): K.Miura, Y.Tsubo, T.Fukai, M.Okada
  • Journal Title: Society for Neuroscience Abstracts
• [Journal Article] Estimating Spiking Irregularities under Changing Environments (2006)
  • Author(s): K.Miura, M.Okada, S.Amari
  • Journal Title: Neuroscience Research Supplement (Proceedings of Neuroscience 2006) 55
• [Journal Article] Neuroinformatics Summer Course参加報告 (2006)
  • Author(s): 三浦佳二
  • Journal Title: 日本神経回路学会誌 13 Pages: 146-146
  • NAID: 10018472537
• [Journal Article] A Rate-Independent Measure of Irregularity for Event Series and Its Application to Neural Spiking Activity
  • Author(s): K. Miura, N. Uchida
  • Journal Title: Proceedings of IEEE Control and Decision Conference 2008 (CDC08) ((印刷中)掲載確定)
  • Peer Reviewed
• [Presentation] A Rate-Independent Measure of Irregularity for Event Series and Its Application to Neural Spiking Activity (2008)
  • Author(s): K. Miura, N. Uchida
  • Organizer: IEEE Control and Decision Conference 2008 (CDC08) Special session
  • Place of Presentation: Cancun, Mexico
  • Year and Date: 2008-12-10
• [Presentation] Dynamic odor representation in rat piriform cortex during active sensation (2008)
  • Author(s): K. Miura, Z. F. Mainen, N. Uchida
  • Organizer: Society for Neuroscience
  • Place of Presentation: Washington DC
  • Year and Date: 2008-11-15
• [Presentation] Dynamic odor representation in rat piriform cortex during active sensation (2008)
  • Author(s): K. Miura, Z. F. Mainen, N. Uchida
  • Organizer: Sloan-Swartz Meeting
  • Place of Presentation: Princeton University
  • Year and Date: 2008-07-21
• [Presentation] Balanced inputs"clamps" firing irregularity decoupled from rate fluctuations on any timescale (2007)
  • Author(s): K.Miura, Y.Tsubo, T.Fukai, M.Okada
  • Organizer: Neuro2007
  • Place of Presentation: Yokohama,Japan