Universality and diversity of information processing in cortical hierarchy

• Project/Area Number: 17K07056
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Neurophysiology / General neuroscience
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: Tamura Hiroshi 大阪大学, 大学院生命機能研究科, 准教授 (80304038)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2019: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2018: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2017: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: 神経回路 / 電気生理 / 多細胞記録 / 視覚 / 視床 / 大脳皮質 / 活動電位 / 局所電場電位 / マルチニューロン計測 / 視覚野 / 機能的神経回路 / サル / 神経科学 / 生理学 / 脳・神経 / 生物・生体工学 / 人工知能

Outline of Final Research Achievements

I examined spiking activity across the ventral visual system in macaque monkeys and found that cortical areas differed in structures of correlated spiking activity, suggesting that neural circuitry and the way to encode stimulus-related information by neuron populations are unique to each cortical area. I also examined how spiking activity of LGN inputs is integrated by cortical neurons. A specific temporal pattern appearing in three consecutive spikes of a LGN neuron induced larger cortical local field potential modulation than high-frequency spiking activity during a short period. The findings indicate the importance of the temporal pattern of spiking activity of a single thalamic neuron on cortical activation.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

各領野に固有の機能的神経回路の存在は、階層構造に従った視覚応答特性の変化が、各領野への入力情報の変化に起因するのみならず、各領野で行われる固有の情報処理様式によっても変化している可能性を示唆している。この結果は、各領野が共通の神経回路を用いて、共通の情報処理を実行しているとする仮説に意義を唱える結果となった。また、視床細胞に特定の時間パターンでスパイク活動が生じた時に皮質電場電位が大きく変調されたことから、スパイク発火時間パターンのシナプス伝達における重要性が明らかになった。この結果は、発火時間パターンに視覚情報が符号化されれている可能性を支持する。

Research Products

• [Journal Article] Correlation between neural responses and human perception in figure-ground segregation (2023)
  • Author(s): Shishikura Motofumi、Tamura Hiroshi、Sakai Ko
  • Journal Title: Frontiers in Systems Neuroscience Volume: 16 Pages: 1-17
  • DOI: 10.3389/fnsys.2022.999575
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Analysis based on neural representation of natural object surfaces to elucidate the mechanisms of a trained AlexNet model (2022)
  • Author(s): Wagatsuma Nobuhiko、Hidaka Akinori、Tamura Hiroshi
  • Journal Title: Frontiers in Computational Neuroscience Volume: 16 Pages: 1-17
  • DOI: 10.3389/fncom.2022.979258
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Latency shortening with enhanced sparseness and responsiveness in V1 during active visual sensing (2022)
  • Author(s): Ito Junji、Joana Cristian、Yamane Yukako、Fujita Ichiro、Tamura Hiroshi、Maldonado Pedro E.、Gr?n Sonja
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12:6021 Issue: 1 Pages: 1-17
  • DOI: 10.1038/s41598-022-09405-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Temporal Pattern of Spiking Activity of a Thalamic Neuron are Related to the Amplitude of the Cortical Local Field Potential (2021)
  • Author(s): Tamura Hiroshi
  • Journal Title: bioRxiv Volume: 09.08 Pages: 459532-459532
  • DOI: 10.1101/2021.09.08.459532
  • Open Access
• [Journal Article] Population coding of figure and ground in natural image patches by V4 neurons (2020)
  • Author(s): Yamane Yukako、Kodama Atsushi、Shishikura Motofumi、Kimura Kouji、Tamura Hiroshi、Sakai Ko
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 15 Issue: 6 Pages: e0235128-e0235128
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0235128
  • NAID: 120007161332
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Correspondence between Monkey Visual Cortices and Layers of a Saliency Map Model Based on a Deep Convolutional Neural Network for Representations of Natural Images (2020)
  • Author(s): Wagatsuma Nobuhiko、Hidaka Akinori、Tamura Hiroshi
  • Journal Title: eneuro Volume: 8 Issue: 1 Pages: 1-19
  • DOI: 10.1523/eneuro.0200-20.2020
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Deleting object selective units in a fully-connected layer of deep convolutional networks improves classification performance (2020)
  • Author(s): Yuta Kanda, Kota S Sasaki, Izumi Ohzawa, Hiroshi Tamura
  • Journal Title: arXiv Volume: 2001.07811
  • Open Access
• [Journal Article] 視覚的質感認識を実現する階層的神経機構 (2019)
  • Author(s): 佐々木耕太、田村 弘
  • Journal Title: 映像情報メディア学会誌 Volume: 73 Pages: 422-426
• [Journal Article] L1ロジスティック回帰を用いた視覚皮質神経細胞集団の物体表面画像に対する識別性能の評価 (2019)
  • Author(s): 小谷梨奈、市川寛子、五十嵐康彦、本武陽一、岡田真人、田村弘
  • Journal Title: 信学技報 Volume: 118 Pages: 145-150
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] サルV4図地選好性細胞の受容野構造 (2019)
  • Author(s): 木村耕治、山根ゆか子、田村弘、酒井宏
  • Journal Title: 信学技報 Volume: 118 Pages: 181-185
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 脳情報科学と人工知能－ネオコグニトロンから Deep Learning へ－ (2018)
  • Author(s): 本武 陽一、庄野 逸、田村 弘、岡田 真人
  • Journal Title: 情報処理（情報処理学会誌） Volume: 59 Pages: 42-47
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Switch from ambient to focal processing mode explains the dynamics of free viewing eye movements (2017)
  • Author(s): Junji Ito, Yukako Yamane, Mika Suzuki, Pedro Maldonado, Ichiro Fujita, Hiroshi Tamura, and Sonja Gruen
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 印刷中 Issue: 1 Pages: 1082-1082
  • DOI: 10.1038/s41598-017-01076-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Pairwise correlations of spiking activity changes along the ventral visual cortical pathway of macaque monkeys (2017)
  • Author(s): Tamura Hiroshi
  • Journal Title: bioRxiv Volume: - Pages: 220301-220301
  • DOI: 10.1101/220301
  • Open Access
• [Journal Article] Effects of forced movements on learning: findings from a choice reaction-time task in rats (2016)
  • Author(s): Kaneko H, Sano H, Hasegawa Y, Tamura H, Suzuki SS
  • Journal Title: Learning & Behavior Volume: 16 Issue: 2 Pages: 1-14
  • DOI: 10.3758/s13420-016-0255-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Population responses of monkey V4 neurons correlate with human figure-ground perception (2022)
  • Author(s): Motofumi Shishikura, Hiroshi Tamura, Ko Sakai
  • Organizer: Neuro2022第４5回日本神経科学大会、第32回 日本神経回路学会 全国大会
• [Presentation] Synchronization of spiking activity of thalamic neurons converging onto a single cortical neuron increases rapidly in the initial part of response (2022)
  • Author(s): Satoko Horino, Risa Matsumoto, Hiroshi Tamura
  • Organizer: Neuro2022第４5回日本神経科学大会、第32回 日本神経回路学会 全国大会
• [Presentation] The relationship between the temporal pattern of spiking activity of a thalamic neuron and cortical activation (2022)
  • Author(s): Hiroshi Tamura
  • Organizer: Neuro2022第４5回日本神経科学大会、第32回 日本神経回路学会 全国大会
• [Presentation] サルV1野・V4野の神経細胞ペアの、空間周波数ドメインでの刺激選択性の類似度と同期発火との関係 (2021)
  • Author(s): 本谷康平, 佐々木耕太, 田村弘, 大澤五住
  • Organizer: 第４4回日本神経科学大会,CJK第１回国際会議
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cortical Coding of Surface Textures and Contour Shapes in the Intermediate-level Visual Area V4. (2021)
  • Author(s): Itsuki Machida, Atsushi Kodama, Kouji Kimura, Motofumi Shishikura, Hiroshi Tamura and Ko Sakai
  • Organizer: ICONIP 2021 (The 28th InternationalConference on Neural Information Processing)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] サル視覚皮質と深層畳み込みニューラルネットワークに基づく物体識別モデルの画像情報表現 (2021)
  • Author(s): 我妻伸彦、日高章理、田村弘
  • Organizer: 電子情報通信学会 非線形問題研究会 （NLP）、MEとバイオサイバネティックス研究会 （MBE）、ヘルスケア・医療情報通信技術研究会 （MICT）、ニューロコンピューティング研究会（NC）、合同研究会
• [Presentation] 注意選択を再現する深層ニューラルネットワークモデルの情報表現 (2021)
  • Author(s): 我妻伸彦, 渡邊将以, 増本真子, 日高章理, 田村弘
  • Organizer: 第17回コンピューテーショナル・インテリジェンス研究会（計測自動制御学会）
• [Presentation] サルV1野・V4野における、神経細胞ペアの視覚刺激選択性の類似度と同期発火との関係 (2020)
  • Author(s): 本谷康平, 重川幸輝, 佐々木耕太, 田村弘, 大澤五住
  • Organizer: 第４３回日本神経科学大会
• [Presentation] サル V4 図地選好性細胞の応答とヒト図地知覚との相関 (2020)
  • Author(s): 宍倉基文, 山根ゆか子，田村弘，酒井宏
  • Organizer: 第30回 日本神経回路学会 全国大会
• [Presentation] 図地分離に対するサルV4神経細胞の反応と知覚の一貫性 --- 電気生理実験，知覚心理実験および線形受容野カーネルモデルによる解析 (2020)
  • Author(s): 宍倉基史，鈴木一史，山根ゆか子，田村 弘，酒井 宏
  • Organizer: ニューロコンピューティング研究会
• [Presentation] ラットバレル皮質における4層-2/3層間発火順序の発達に伴う変化 (2020)
  • Author(s): 木村文隆 田村弘
  • Organizer: 第９７回日本生理学会大会
• [Presentation] 時間順序課題によって計測した知覚潜時に及ぼす刺激呈示位置と視空間的注意の影響 (2019)
  • Author(s): 藤本紗也加, 田村弘
  • Organizer: Neuro2019
• [Presentation] サルV1野・V4野における、神経細胞の同期発火を元にした、視覚の集団表現の検討 (2019)
  • Author(s): 本谷康平、重川幸輝、佐々木耕太、田村弘、大澤五住
  • Organizer: Neuro2019
• [Presentation] 大脳皮質感覚野神経細胞のスパイク発火は感覚刺激の有無よりも周囲細胞の活動状態に依存する (2019)
  • Author(s): 尾崎龍太郎、木村文隆、田村弘
  • Organizer: Neuro2019
• [Presentation] サルV4野神経細胞集団が表現する情報は画像特徴量から心理評価値へと切り替わる (2019)
  • Author(s): 鈴木愛之、小谷梨奈、田村弘
  • Organizer: Neuro2019
• [Presentation] V4野における図地の符号化---単一細胞の受容野構造と集団符号化 (2019)
  • Author(s): 酒井宏、木村耕治、山根ゆか子、田村弘
  • Organizer: Neuro2019
• [Presentation] Population activity of macaque visual neurons dynamically changes across repeated fixations to become sparse during free viewing (2019)
  • Author(s): Yukako Yamane, Junji Ito, Cristian Joana, Pedro E. Maldonado, Hiroshi Tamura, Ichiro Fujita, Kenji Doya, Sonja Gruen
  • Organizer: Neuro2019
• [Presentation] Figure-Ground Detection by a Small Population of Neurons with a Variety of Receptive-Field Structures in Monkey V4 (2019)
  • Author(s): Sakai K, Kimura K, Yamane Y, Tamura H
  • Organizer: CNS*2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The correspondence between monkey visual areas and layers in DCNN saliency map model for representations of natural images (2019)
  • Author(s): Wagatsuma N, Hidaka A, Tamura H
  • Organizer: APCV 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Antagonistic receptive-field structure of V4 neurons detects local figure-ground organization in natural image patches (2019)
  • Author(s): Kimura K, Yamane Y, Tamura H, Sakai K
  • Organizer: APCV 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Temporal Information for Figure-Ground Determination in Monkey V4 (2019)
  • Author(s): Baoxuan Liu, 我妻伸彦, 田村弘、 山根ゆか子、 酒井宏
  • Organizer: JNNS2019
• [Presentation] 物体像選択的ユニット削除はCNN分類性能を向上させ,非選択的ユニット削除は低下させる (2019)
  • Author(s): 神田悠汰,佐々木耕太,大澤五住,田村 弘
  • Organizer: 日本視覚学会 2019年 冬季大会
• [Presentation] 視空間的注意コントロール条件での網膜偏心度と知覚潜時の関係 (2019)
  • Author(s): 藤本紗也加、田村 弘
  • Organizer: 日本視覚学会 2019年 冬季大会
• [Presentation] 奥行きと方向の異なる対象間での眼球運動において観察される三相の運動軌跡 (2019)
  • Author(s): 中野騰久,田村 弘
  • Organizer: 日本視覚学会 2019年 冬季大会
• [Presentation] サル視覚皮質と深層畳み込みニューラルネットワークが獲得するsaliency mapモデルの画像情報表現 (2019)
  • Author(s): 我妻伸彦,日高章理,田村 弘
  • Organizer: 日本視覚学会 2019年 冬季大会
• [Presentation] L1ロジスティック回帰を用いた視覚皮質神経細胞集団の物体表面画像に対する識別性能の評価 (2019)
  • Author(s): 小谷梨奈、市川寛子、五十嵐康彦、本武陽一、岡田真人、田村弘
  • Organizer: 電子情報通信学会 ニューロコンピューティング研究会・MEとバイオサイバネティックス研究会 合同研究会
• [Presentation] サルV4図地選好性細胞の受容野構造 (2019)
  • Author(s): 木村耕治、山根ゆか子、田村弘、酒井宏
  • Organizer: 電子情報通信学会 ニューロコンピューティング研究会・MEとバイオサイバネティックス研究会 合同研究会
• [Presentation] Inferring fixated objects in free viewing from parallel neuronal spiking activities in macaque monkeys (2018)
  • Author(s): Yukako Yamane, Junji Ito, Cristian Joana, Pedro E. Maldonado, Hiroshi Tamura, Ichiro Fujita, Kenji Doya, Sonja Gruen
  • Organizer: 第４１回日本神経科学大会
• [Presentation] Representation of fixated objects by multiple single unit activity in visual cortices of freely viewing macaque monkeys (2018)
  • Author(s): Yukako Yamane, Junji Ito, Cristian Joana, Pedro E. Maldonado, Hiroshi Tamura, Ichiro Fujita, Kenji Doya, Sonja Gruen
  • Organizer: FENS2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pairwise correlation of spiking activities differed among hierarchically organized visual cortical areas of macaque monkeys. (2017)
  • Author(s): Hiroshi Tamura
  • Organizer: Neuro2017、第４０回日本神経科学大会
• [Presentation] Switch from ambient to focal processing mode explains the dynamics of free viewing eye movements. (2017)
  • Author(s): Ito J, Yamane Y, Suzuki M, Maldonado P, Fujita I, Tamura H, Grun S
  • Organizer: ECVP2017 European Conference on Visual Perception
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 自然物体表面画像に対するサル腹側視覚経路神経活動情報表現と畳み込みニューラルネットワーク情報表現の関係Relationships between natural surface images representations of monkey visual cortical areas and those of convolutional neural networks. (2017)
  • Author(s): 中谷光宏、神田悠汰、田村弘
  • Organizer: 第27回 日本神経回路学会 全国大会
• [Presentation] Semi-online determination of preferred stimuli for visual cortex neurons by deep generative networks (2017)
  • Author(s): Shinjiro Mita, Taiga Fujimoto, Ryosuke Takeuchi, Hiroshi Tamura, Ichiro Fujita
  • Organizer: 第9回光操作研究会