大脳基底核―大脳皮質回路で起きる異なる時定数のダイナミクスの解明

• Project/Area Number: 14780614
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Neuroscience in general
• Research Institution: The Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 中原 裕之 独立行政法人理化学研究所, 脳数理研究チーム, 研究員 (10312282)
• Project Period (FY): 2002 – 2003
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2003)
• Budget Amount: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,900,000); Fiscal Year 2003: ¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000); Fiscal Year 2002: ¥2,000,000 (Direct Cost: ¥2,000,000)
• Keywords: 大脳基底核 / 情報幾何 / 強化学習 / 神経細胞集団活動 / DNAマイクロアレイ / 自己組織化 / 同期現象

Research Abstract

本研究では、「大脳基底核-大脳皮質回路で起きる異なる時定数のダイナミクスの解明」という題目のもとで、研究を進めた。第1に、大脳基底核の神経細胞の発火活動が、眼球運動とどのように関連するのかを実験データから、詳細に調べることを行った。これにより、尾状核の神経細胞が眼球運動の速度と、弱いながらも確実な相関関係があることを示した。この結果は、大脳基底核の眼球運動への関与を示している。更に、ドーパミン細胞の活動を記録し、それを強化学習のモデルと比較することで、ドーパミン細胞が報酬予測誤差を表すときに、巧みに課題に関する手がかりを記憶し、それを利用していることを示した。言い換えるならば、近年注目を浴びているドーパミンの反応は、課題のコンテキストを利用することで、報酬予測を向上させていることを示した。これらの結果は一流の学会誌に発表された。
第二に、同時発火がどのような機能を持ちうるかについて、モデルの立場からの研究を進めた。これにより高次相関をもった発火活動が比較的単純なメカニズムから形成されることが分かった。今後は、この計算論的意味を把握していくことが必要である。
第三に、昨年提案した、情報幾何座標系を使う神経細胞同時記録の解析手法が、DNAマイクロアレイのデータ解析の手法としても適用できることを示した。この議論がもとになって、神経系の遺伝子の働きとして特にアルツハイマー病の機序の解明について、実験研究者と議論を行った。その成果を、図書の1章として出版することができた。一方、スパインの可塑性に関しても実験研究者と議論を行った。これにより、問題がかなり明確になると同時に、分子機構によるスパインの形状の制御と可塑性の関係に関する我々の提案を、国際的にも一流の論文誌に発表した。

Research Products

• [Publications] Kasai, H., Matsuzaki, M., Noguchi, J., Yasumatsu, N., Nakahara, H.: "Structure-stability-function relationships of dendritic spines."Trends in Neurosciences. 26. 360-368 (2003)
• [Publications] Nakahara, H., Nishimura, S, Inoue, M., Hori, G., Amari, S.: "Gene interaction in DNA microarray data is decomposed by information geometric measure."Bioinformatics. 19. 1124-1131 (2003)
• [Publications] Itoh, H., Nakahara, H., Hikosaka, O., Kawagoe, R., Takikawa, Y., Aihara, K.: "Correlation of primate caudate neural activity and saccade parameters in reward-oriented behavior."Journal of Neurophysiology. 89. 1774-1783 (2003)
• [Publications] Amari, S., Nakahara, H., Wu, S., Sakai, Y.: "Synchronous firing and higher-order interactions in neuron pool."Neural Computation. 15・1. 127-142 (2003)
• [Publications] Nakahara, H., Itoh, H., Kawagoe, R., Takikawa, Y., Hikosaka, O.: "Dopamine Neurons can represent context-dependent prediction error."Neuron. 41. 269-280 (2004)
• [Publications] Saido, T.C., Nakahara, H.: "Proteolytic degradation of Aβ by neprilysin and other peptidases. In T.C.Saido(Ed.), Aβ Metabolism and Alzheimer's Disease"Saido, T.C.. 20 (2003)
• [Publications] Hikosaka, O., Nakamura, K., Sakai K., Nakahara H.: "Central mechanisms of skill learning"Currnet Opinion in Neurobiology. 12. 217-222 (2002)
• [Publications] Nakahara, H., Amari, S., Hikosaka, O.: "Self-organization in the basal ganglia with modulation of reinforcement signals"Neural Computation. 14. 819-844 (2002)
• [Publications] Takikawa, Y., Kawagoe, R., Ito, H., Nakahara, H., Hikosaka, O.: "Modulation of saccadic eye movements by predicted reward outcome"Experimental Brain Research. 142・2. 284-291 (2002)
• [Publications] Wu, S., Amari, S., Nakahara, H.: "Population coding and decoding in a neural field : A computational study"Neural Computation. 14・5. 999-1026 (2002)
• [Publications] Nakahara, H., Amari, S.: "Information geometric measure for neural spikes"Neural Computation. 14・10. 2269-2316 (2002)
• [Publications] Amari, S., Nakahara, H., Wu, S., Sakai, Y.: "Synchronous firing and higher-order interactions in neuron pool"Neural Computation. 15・1. 127-142 (2002)
• [Publications] Nakahara, H., Amari, S.: "Information-geometric decomposition in spike analysis. In Advances in Neural Information Processing Systems 14 (T. G. Dietterich, S. Becker, and Z. Ghahramani (Eds.))"MIT Press. 253-260 (2002)