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Neural representation by the simplest and most probable circuit

Research Project

Project/Area Number 16K16123
Research Category

Grant-in-Aid for Young Scientists (B)

Allocation TypeMulti-year Fund
Research Field Soft computing
Research InstitutionShiga University

Principal Investigator

Tanaka Takuma  滋賀大学, データサイエンス学部, 准教授 (40526224)

Project Period (FY) 2016-04-01 – 2019-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2018)
Budget Amount *help
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2018: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2017: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2016: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywords大脳皮質 / 情報理論 / ダイナミクス / 神経回路 / 運動野 / アルゴリズム情報理論 / 神経ダイナミクス / 理論神経科学 / 神経回路網 / 神経科学 / 情報処理
Outline of Final Research Achievements

I developed a model to explain neural activity from the viewpoint of the simplicity of neural circuits. Assuming that a circuit capable of performing a task is formed in the cerebral cortex, the algorithmic information theory enables us to regard the circuit as the simplest circuit capable of performing the task. Here the simplicity of a circuit or probability of a circuit in a population of randomly generated circuits was measured by the L2-norm of the connection weight matrix of the neurons. I obtained the simplest circuits capable of performing several tasks to formulate the problem as an optimization problem of the correlation matrix of firing activity by using the kernel representation of recurrent neural networks with infinite neurons. I found that the simplest circuit exhibited sustained and ramping activities, which are observed in motor areas of the cerebral cortex.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

これまで、大脳皮質の神経回路にどのような発火活動が出現するかは、学習がどのように生ずるかによって説明されたり、ダイナミクスの観点から説明されたりしてきた。本研究の新規な点は、アルゴリズム情報理論の考え方を援用して、課題を実行するあらゆる回路の中でもっとも単純な回路が出現するという仮説から、出現する発火活動を説明することである。神経細胞が非常に多数ある状況でもっとも単純な回路を探索し、実際に大脳皮質で出現するような持続的な神経細胞の活動や、徐々に発火率が増加したり減少したりする活動が見られることがわかった。本研究は大脳皮質神経細胞の活動の新しい理解方法を与えるものである。

Report

(4 results)
  • 2018 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2017 Research-status Report
  • 2016 Research-status Report
  • Research Products

    (13 results)

All 2019 2018 2017 2016 Other

All Journal Article (2 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Projection Patterns of Corticofugal Neurons Associated with Vibrissa Movement2018

    • Author(s)
      Shibata Ken-Ichi、Tanaka Takuma、Hioki Hiroyuki、Furuta Takahiro
    • Journal Title

      eneuro

      Volume: 5 Issue: 5 Pages: 0190-18

    • DOI

      10.1523/eneuro.0190-18.2018

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Information Maximization in a Feedforward Network Replicates the Stimulus Preference of the Medial Geniculate and the Auditory Cortex2016

    • Author(s)
      Takuma Tanaka
    • Journal Title

      LNCS

      Volume: 9950 Pages: 183-190

    • DOI

      10.1007/978-3-319-46681-1_22

    • ISBN
      9783319466804, 9783319466811
    • Related Report
      2016 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] ニューラルネットワークによるニューラルネットワークの近似性能2019

    • Author(s)
      田中琢真
    • Organizer
      日本物理学会2019年年次大会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 再帰型相互情報量最大化によって最適化した再帰型ニューラルネットワークの情報処理特性2018

    • Author(s)
      岩出尚, 中嶋浩平, 田中琢真, 青柳富誌生
    • Organizer
      CCS/NLP
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Sustained firing activity emerging through the learning of stochastic model neuronal network2017

    • Author(s)
      田中琢真
    • Organizer
      第40回日本神経科学大会
    • Related Report
      2017 Research-status Report
  • [Presentation] A second-person approach through a simulated sandplay therapy session2017

    • Author(s)
      Yasutaka Kubota, Michiko Akimoto, Keiko Furukawa, Junko Ito, Takuma Tanaka
    • Organizer
      The 18th International Congress of Neuropsychoanalysis
    • Related Report
      2017 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 再帰型相互情報量最大化によって最適化した再帰型ニューラルネットワークの情報処理特性2017

    • Author(s)
      岩出尚,中嶋浩平,田中琢真,青柳富誌生
    • Organizer
      日本物理学会2017年春季大会
    • Place of Presentation
      大阪大学
    • Related Report
      2016 Research-status Report
  • [Presentation] 確率的な素子の学習によって生ずる発火パターン2017

    • Author(s)
      田中琢真
    • Organizer
      日本物理学会2017年春季大会
    • Place of Presentation
      大阪大学
    • Related Report
      2016 Research-status Report
  • [Presentation] 二種類の外力による多数の振動子の制御2016

    • Author(s)
      田中琢真
    • Organizer
      日本物理学会2016年秋季大会
    • Place of Presentation
      金沢大学
    • Related Report
      2016 Research-status Report
  • [Presentation] Correlation between the motor coding and axonal arborization of layer 5 neurons in rat motor cortex2016

    • Author(s)
      柴田憲一,田中琢真,金子武嗣,古田貴寛
    • Organizer
      第39回日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜
    • Related Report
      2016 Research-status Report
  • [Presentation] Model neural network exhibiting sustained firing activity in performing tasks2016

    • Author(s)
      田中琢真
    • Organizer
      第39回日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜
    • Related Report
      2016 Research-status Report
  • [Presentation] Recurrent infomaxがinput-driven recurrent neural networkの計算能力に及ぼす影響2016

    • Author(s)
      岩出尚,中嶋浩平,田中琢真,青柳富誌生
    • Organizer
      IBIS2016
    • Place of Presentation
      京都大学
    • Related Report
      2016 Research-status Report
  • [Remarks] 個人ウェブサイト

    • URL

      https://www.ds.shiga-u.ac.jp/ttakuma/

    • Related Report
      2016 Research-status Report

URL: 

Published: 2016-04-21   Modified: 2020-03-30  

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