培養神経系が形成する認知モデルの解析に基づく教師なし学習と統合失調症の融合的理解

• Project/Area Number: 14J08435
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biomedical engineering/Biomaterial science and engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 磯村 拓哉 東京大学, 新領域創成科学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥3,200,000 (Direct Cost: ¥3,200,000); Fiscal Year 2016: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2014: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 自由エネルギー原理 / 機械学習 / 培養神経回路網 / 微小電極アレイ / 計算論的精神医学 / ブラインド信号源分離 / 予測的符号化 / 独立性分分析 / 事後確率最大化推定 / 神経回路網 / 大脳皮質 / 細胞培養

Outline of Annual Research Achievements

近年、脳の学習メカニズムを統一的に説明する法則として“自由エネルギー原理”が提唱されている。自由エネルギー原理とは、脳を構成する神経細胞・シナプス結合・神経修飾物質が、入力信号の予測不可能性を意味する自由エネルギーを最小化させるように振る舞うことで学習を行っているとする仮説である。しかし既存の研究では、学習の結果形成された内部モデル（認知モデル）のみを観察しており、その学習過程は観察されていないため、神経回路網レベルの学習則の特定は困難であった。そこで本研究では、微小電極アレイ上に培養したラット大脳皮質由来神経回路網を電気刺激により訓練することで、in vitro神経回路網が自由エネルギー原理の構成要素であるブラインド信号源分離（混ぜ合わさった複数の入力からその背後にある個々の信号源を取り出すこと）および予測的符号化（内部モデルに基づき現在の感覚入力から未来の入力を予測すること）を実行可能であり、その学習過程において回路網が持つ自由エネルギーを減少させることを観察した。また、自由エネルギー原理および実験結果と整合する生理学的に妥当な数理アルゴリズム（学習則）を開発した。
次に、ドーパミンを培養液に添加した状態で訓練することで、統合失調症の原因のひとつと言われているドーパミン濃度異常が培養神経回路網の学習過程に与える影響を調べた。実験の結果、通常の培養条件ではブラインド信号源分離を実行できたのに対し、ドーパミンを添加した条件では実行できないことが観察された。またドーパミンによるシナプス可塑性の神経修飾を数理モデル化し実験結果と比較したところ、ドーパミンの影響により信号源同士の連想を強めるようにシナプス可塑性が起きたことが、学習の阻害の原因であることが示唆された。今後、統合失調症の症状である幻覚・妄想の神経メカニズムを説明する数理モデルとしての応用が期待される。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Neurogenesis enhances response specificity to spatial pattern stimulation in hippocampal cultures (2017)
  • Author(s): Tanaka Y, Isomura T, Shimba K, Kotani K, Jimbo Y.
  • Journal Title: IEEE Trans Biomed Eng. Volume: 印刷中 Issue: 11 Pages: 2555-2561
  • DOI: 10.1109/tbme.2016.2639468
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Temporal relation between neural activity and neurite pruning on a numerical model and a microchannel device with micro electrode array (2017)
  • Author(s): Yohei Kondo, Yuichiro Yada, Tatsuya Haga, Yuzo Takayama, Takuya Isomura, Yasuhiko Jimbo, Osamu Fukayama, Takayuki Hoshino, Kunihiko Mabuchi
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 486 Issue: 2 Pages: 539-544
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2017.03.082
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Local Learning Rule for Independent Component Analysis (2016)
  • Author(s): Takuya Isomura, Taro Toyoizumi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 6 Issue: 1 Pages: 28073-28073
  • DOI: 10.1038/srep28073
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Linking neuromodulated spike-timing dependent plasticity with the free-energy principle (2016)
  • Author(s): Takuya Isomura, Koji Sakai, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
  • Journal Title: Neural computation Volume: 28 Issue: 9 Pages: 1859-1888
  • DOI: 10.1162/neco_a_00862
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Basic Research for Development of a Multimodal AR-BCI (2016)
  • Author(s): 関本正志, 下野勇希, 赤尾旭彦, 磯村拓哉, 小川雄太郎, 黄琦, 小谷潔, 神保泰彦
  • Journal Title: IEEJ Transactions on Electronics, Information and Systems Volume: 136 Issue: 9 Pages: 1291-1297
  • DOI: 10.1541/ieejeiss.136.1291
  • NAID: 130005262347
  • ISSN: 0385-4221, 1348-8155
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cultured Cortical Neurons Can Perform Blind Source Separation According to the Free-Energy Principle (2015)
  • Author(s): Takuya Isomura, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
  • Journal Title: PLoS Computational Biology Volume: 11 Issue: 12 Pages: e1004643-e1004643
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1004643
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Signal Transfer Within a Cultured Asymmetric Cortical Neuron Circuit (2015)
  • Author(s): Takuya Isomura, Kenta Shimba, Yuzo Takayama, Akimasa Takeuchi, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
  • Journal Title: Journal of Neural Engineering Volume: 12 Issue: 6 Pages: 066023-066023
  • DOI: 10.1088/1741-2560/12/6/066023
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Improvement in Pattern Separation by Regulating Neurogenesis in Hippocampal Culture (2015)
  • Author(s): 田中幸美, 門倉智之助, 磯村拓哉, 榛葉健太, 小谷潔, 神保泰彦
  • Journal Title: IEEJ Transactions on Electronics, Information and Systems Volume: 135 Issue: 7 Pages: 805-812
  • DOI: 10.1541/ieejeiss.135.805
  • NAID: 130005086256
  • ISSN: 0385-4221, 1348-8155
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Accurate Connection Strength Estimation Based on Variational Bayes for Detecting Synaptic Plasticity (2015)
  • Author(s): Takuya Isomura, Yutaro Ogawa, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
  • Journal Title: Neural Computation Volume: 27 Issue: 4 Pages: 819-844
  • DOI: 10.1162/neco_a_00721
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Axonal conduction slowing induced by spontaneous bursting activity in cortical neurons cultured in a microtunnel device (2015)
  • Author(s): Kenta Shimba, Koji Sakai, Takuya Isomura, Kiyoshi Kotani and Yasuhiko Jimbo
  • Journal Title: Integrative Biology Volume: 7 Issue: 1 Pages: 64-72
  • DOI: 10.1039/c4ib00223g
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 神経回路網に無意識的推論は宿るか？ (2016)
  • Author(s): 磯村拓哉, 小谷潔, 神保泰彦
  • Organizer: 電気学会 平成27年度医用・生体工学研究会
  • Place of Presentation: 東京大学 本郷キャンパス (東京都文京区)
  • Year and Date: 2016-03-22
• [Presentation] Developing an in vitro system for investigating neuronal linear system identification (2016)
  • Author(s): Takuya Isomura, Taro Toyoizumi, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
  • Organizer: Ann Meet Soc Neurosci (SfN2016)
  • Place of Presentation: San Diego (USA)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Maximum Entropy Learning in Cultured Cortical Neural Networks (2016)
  • Author(s): Takuya Isomura, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
  • Organizer: Joint 8th Int Conf on Soft Comput and Int Sys and 17th Int Symp on Adv Int Sys (SCIS&ISIS2016)
  • Place of Presentation: 北海学園大学 (北海道札幌市)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 培養神経回路網の機械学習的な側面 (2016)
  • Author(s): 磯村 拓哉, 小谷 潔, 神保 泰彦
  • Organizer: 第39回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜 (神奈川県横浜市)
• [Presentation] Functional Similarities Between Machine Learning and Cultured Neural Networks (2016)
  • Author(s): Takuya Isomura, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
  • Organizer: 10th FENS Forum of Neuroscience
  • Place of Presentation: Copenhagen (Denmark)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Neuronal Maximum a Posteriori Estimation on Microelectrode Arrays (2016)
  • Author(s): Takuya Isomura, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
  • Organizer: MEA Meeting 2016
  • Place of Presentation: Reutlingen (Germany)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] An Information-Theoretical Interpretation for Neural Modulation of Spike-Timing Dependent Plasticity: Towards Cellular-Based Computational Psychiatry (2015)
  • Author(s): Takuya Isomura, Koji Sakai, Yu Sato, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
  • Organizer: Annual Meeting of Society for Neuroscience (SfN2015)
  • Place of Presentation: Chicago (USA)
  • Year and Date: 2015-10-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 統合失調症陽性症状のin silico/in vitroモデルの構築 (2015)
  • Author(s): 磯村拓哉, 小谷潔, 神保泰彦
  • Organizer: 計測自動制御学会 ライフエンジニアリング部門シンポジウム (LE2015)
  • Place of Presentation: 九州工業大学 (福岡県飯塚市)
  • Year and Date: 2015-09-02
• [Presentation] 培養神経回路網における刺激頻度・調節物質依存応答の情報理論的解析 (2015)
  • Author(s): 佐藤優, 磯村拓哉, 小谷潔, 神保泰彦
  • Organizer: 計測自動制御学会 ライフエンジニアリング部門シンポジウム (LE2015)
  • Place of Presentation: 九州工業大学 (福岡県飯塚市)
  • Year and Date: 2015-09-02
• [Presentation] Distance Dependent Activation of Dissociated Hippocampal Network by Tetanic Stimulation (2015)
  • Author(s): Yukimi Tanaka, Takuya Isomura, Kenta Shimba, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
  • Organizer: The 37th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBS2015)
  • Place of Presentation: Milan (Italy)
  • Year and Date: 2015-08-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 神経調節物質によるスパイク時刻依存可塑性修飾の理論 (2015)
  • Author(s): 磯村拓哉, 小谷潔, 神保泰彦
  • Organizer: 第54回日本生体医工学会大会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場 (愛知県名古屋市)
  • Year and Date: 2015-05-07
• [Presentation] テタヌス刺激後における神経活動マーカーc-fosの空間的評価 (2015)
  • Author(s): 田中幸美, 磯村拓哉, 榛葉健太, 小谷潔, 神保泰彦
  • Organizer: 第54回日本生体医工学会大会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場 (愛知県名古屋市)
  • Year and Date: 2015-05-07
• [Presentation] 神経回路網におけるpredictive codingに関する基礎的研究 (2015)
  • Author(s): 磯村 拓哉, 小谷 潔, 神保 泰彦
  • Organizer: 電気学会 平成26年度医用・生体工学研究会
  • Place of Presentation: 東京大学 本郷キャンパス (東京都文京区)
  • Year and Date: 2015-03-27
• [Presentation] Blind source separation performed by dissociated culture of rat cortical neurons is consistent with the free-energy principle (2014)
  • Author(s): Takuya Isomura, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
  • Organizer: Ann. Meet. Soc. Neurosci. (SfN2014)
  • Place of Presentation: Washington DC (USA)
  • Year and Date: 2014-11-16
• [Presentation] ドーパミンはSTDPとスパイキングニューロンが実行するPCAの精度を調節する (2014)
  • Author(s): 磯村 拓哉, 小谷 潔, 神保 泰彦
  • Organizer: 第37回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜 (神奈川県横浜市)
  • Year and Date: 2014-09-11
• [Presentation] 神経回路網における最適モデル選択---シミュレーションを用いた基礎的研究 (2014)
  • Author(s): 磯村 拓哉, 小谷 潔, 神保 泰彦
  • Organizer: 平成26年 電気学会 電子・情報・システム部門大会
  • Place of Presentation: 島根大学 松江キャンパス (島根県松江市)
  • Year and Date: 2014-09-04
• [Presentation] 培養神経回路網における可塑性に対するノルアドレナリン修飾作用 (2014)
  • Author(s): 門倉 智之助, 磯村 拓哉, 小谷 潔, 神保 泰彦
  • Organizer: 平成26年 電気学会 電子・情報・システム部門大会
  • Place of Presentation: 島根大学 松江キャンパス (島根県松江市)
  • Year and Date: 2014-09-03
• [Presentation] 神経新生in vitroモデルの構築と空間パターン刺激に対する応答評価 (2014)
  • Author(s): 田中 幸美, 門倉 智之助, 磯村 拓哉, 榛葉 健太, 小谷 潔, 神保 泰彦
  • Organizer: 平成26年 電気学会 電子・情報・システム部門大会
  • Place of Presentation: 島根大学 松江キャンパス (島根県松江市)
  • Year and Date: 2014-09-03
• [Presentation] Cultured cortical neurons use the inverse recognition model for blind source separation (2014)
  • Author(s): Takuya Isomura, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
  • Organizer: 9th FENS Forum of Neuroscience
  • Place of Presentation: Milan (Italy)
  • Year and Date: 2014-07-07
• [Presentation] Cultured Cortical Neurons Can Separate Source Signals From Mixture Inputs (2014)
  • Author(s): Takuya Isomura, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
  • Organizer: MEA Meeting 2014
  • Place of Presentation: Reutlingen (Germany)
  • Year and Date: 2014-07-03
• [Remarks] 並列計算で感覚情報を分解 － 神経回路型ハードウェアによる生命科学・工学・医学の境界領域開拓へ －
  • URL: http://www.riken.jp/pr/press/2016/20160629_1/