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Identification of electrical activity pattern in a cultured neural network by the combination of 3D-clustering and deep neural networks.

Research Project

Project/Area Number 19H04185
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 61040:Soft computing-related
Research InstitutionKwansei Gakuin University

Principal Investigator

Kudoh Suguru  関西学院大学, 工学部, 教授 (10344110)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥17,030,000 (Direct Cost: ¥13,100,000、Indirect Cost: ¥3,930,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Fiscal Year 2019: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Keywords深層学習 / 転移学習 / VGG16 / 時空間3Dクラスタリング / 培養神経回路網 / 神経誘発応答パターン / 自発性神経活動パターン / 3Dクラスタリング / 瞬時空間パターン
Outline of Research at the Start

外界の情報が神経活動の時空間パターンに表象される様式を詳細に明らかにするため細胞外電位多点計測皿上に培養した神経回路網の神経活動を解析する.神経活動の時空間パターンを3D多層クラスタリングにより抽出し,得られた時空間パターンを深層学習により識別することを試みる.独立した2電極からの刺激により誘発された2誘発応答パターンと自発性電気活動の3種の活動パターンを識別できるように学習を行い,学習後のディープニューラルネットワークに保持された識別に有用な特徴量を抽出する.得られた特徴を考察し,結果から<自発性活動は神経活動の内部状態を形成し,誘発性応答パターンのソースになっている>とする仮説を検証する.

Outline of Final Research Achievements

We have established a method for identifying activity patterns by combining 3D spatiotemporal clustering and deep transfer learning. In this study, we applied 3D spatiotemporal clustering to spontaneous and stimulus-induced extracellular potential patterns measured from a rat hippocampal neuronal network cultured on a multi-point measurement dish equipped with planar microelectrodes on the bottom, and visualized the spatiotemporal patterns of neuronal electrical activity. Using the pre-trained model VGG16 for transfer learning, we successfully identified response patterns induced by two distinct stimulation electrodes and spontaneous activity patterns with over 90% accuracy. Furthermore, it was suggested that the neural activation pathway codes information, and there are common streams in induced responses and spontaneous activities.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

神経回路網における神経情報コードを解読することは,神経科学の重要な課題のみならず,脳-機械インターフェースにおいて神経活動から意思を読み取るためにも必須である.近年はBig Dataを背景にした深層学習によりパターンを高精度で識別することが可能であるが,神経信号のような生体信号は学習データを大量に用意することが困難である.本研究では,神経電気活動の多点時系列データを時空間情報を保存した形で画像に転換する手法を確立し,転移学習により高精度で識別する手法を開発した.この結果は,電気生理データのみならず,脳波など生体の多点時系列信号の識別に応用することが可能で,神経情報コードの解読に大いに貢献する.

Report

(6 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • Research Products

    (32 results)

All 2023 2022 2021 2020 2019 Other

All Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 6 results) Presentation (25 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] A semi-living broken Dialogue Agent Depending on the Internal State of a Living Neuronal Network2023

    • Author(s)
      Suguru N. Kudoh
    • Journal Title

      Proceedings of the 11th International Conference on Human-Agent Interaction

      Volume: 11 Pages: 419-421

    • DOI

      10.1145/3623809.3623947

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    • Author(s)
      Kaito Ogomori, Suguru N. Kudoh
    • Journal Title

      Proceedings of the 2023 15th Biomedical Engineering International Conference (BMEiCON)

      Volume: 15 Pages: 1-4

    • DOI

      10.1109/bmeicon60347.2023.10321992

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  • [Journal Article] Recognition of instantaneous spatial patterns of evoked neuronal activity in cultured neural networks using deep learning.2023

    • Author(s)
      淺田 紘基, 工藤 卓
    • Journal Title

      Proceedings of the Fuzzy System Symposium

      Volume: 39 Issue: 0 Pages: 400-404

    • DOI

      10.14864/fss.39.0_400

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      Kai Hirokawa; Suguru N. Kudoh
    • Journal Title

      proc.2022 Joint 12th International Conference on Soft Computing and Intelligent Systems and 23rd International Symposium on Advanced Intelligent Systems (SCIS&ISIS)

      Volume: - Pages: 1-6

    • DOI

      10.1109/scisisis55246.2022.10002136

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      N. Yamaguchi and S. N. Kudoh,
    • Journal Title

      proc.2022 Joint 12th International Conference on Soft Computing and Intelligent Systems and 23rd International Symposium on Advanced Intelligent Systems (SCIS&ISIS)

      Volume: - Pages: 1-6

    • DOI

      10.1109/scisisis55246.2022.10002119

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  • [Journal Article] Neuronal electrical activity pattern extracted by 3D clustering and discriminated by a deep CNN2022

    • Author(s)
      K. Ogomori and S. N. Kudoh
    • Journal Title

      proc.2022 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (SMC), Prague, Czech Republic

      Volume: - Pages: 1804-1809

    • DOI

      10.1109/smc53654.2022.9945174

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      Hiroki Asada and Suguru N. Kudoh
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      新田 一輝,工藤 卓
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      第46回日本神経科学大会
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      Ayumi Nishikawa, Suguru N. Kudoh
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      SFN 2022, San Diego, 11/12-16
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      百瀬 仁人,工藤 卓
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      新田一輝,工藤 卓
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      工藤 卓
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  • [Remarks] 関西学院大学 研究活動情報

    • URL

      https://research-activity.kwansei.ac.jp/topic/index.php?c=topics_view&pk=1706796042

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      2023 Annual Research Report

URL: 

Published: 2019-04-18   Modified: 2025-01-30  

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