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Estimation and experimental verification of causal connectivity and network structure among brain regions and neurons

Research Project

Project/Area Number 19K12212
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 62010:Life, health and medical informatics-related
Research InstitutionThe Institute of Statistical Mathematics

Principal Investigator

Miwakeichi Fumikazu  統計数理研究所, 学際統計数理研究系, 准教授 (30360647)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 尾家 慶彦  兵庫医科大学, 医学部, 助教 (50396470)
Project Period (FY) 2019-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Keywordsニューロインフォマティクス / 多変量時系列解析 / 因果解析 / 生体イメージングデータ / 動的因果推 / ブートストラップ法 / 非線形因果性 / セミパラメトリックモデル / 動的因果推定 / 吸息性ニューロン / ニューロンネットワーク / 自励的同期現象
Outline of Research at the Start

呼吸リズムを生成する脳領域間、ならびに、ニューロン間のネットワーク構造を調べるのは生理学的に重要な課題である。そのためには、脳領域間やニューロン間の因果的結合性を時空間解析により推定すれば良いのであるが、推定だけでは仮説の域を出ない。そこで、本研究では、薬剤の添加や物理的な方法で脳領域やニューロン間の結合を離断させる阻害実験を行う。そして、阻害実験を行う前と後のデータに適用した時系列モデルのパラメータを定量比較することにより、ネットワークの実在性の検証を目指す。本研究で得られる結果は、脳神経疾患や損傷に起因する症状の予測や、機能補完を目指した再生医療などの臨床応用への発展が期待される。

Outline of Final Research Achievements

The outcomes of this study have brought about significant advancements in both causal relationship analysis and neural activity analysis. These methods and insights are expected to play an important role in future scientific research. In particular, the new guidelines for the application of bootstrap methods and the proposal of new techniques for spatiotemporal analysis of neural activity will be a crucial foundation for future research. Moreover, these findings not only deepen the understanding of neural networks but also provide specific guidelines to improve the reliability of data analysis.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究成果は、因果関係解析と神経活動解析の分野で重要な進展をもたらし、新たなガイドラインを提供した。これにより、神経ネットワークの構造と機能の理解が深まり、データ解析の精度と信頼性が向上する。また、神経疾患の診断や治療法の開発に貢献し、医療分野における革新を促進する点が期待される。さらに、本成果は神経科学以外にも広く適用可能であり、経済学や社会科学、気候科学など多様な分野での因果関係の解明と予測への貢献が期待される。

Report

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

    (19 results)

All 2024 2023 2022 2021 2020 2019 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 2 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results) Book (2 results)

  • [Int'l Joint Research] University of Leipzig/Max Planck Institute/University Medical Center Gottingen(ドイツ)

    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Int'l Joint Research] Goettingen University/Leipzig University(ドイツ)

    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Int'l Joint Research] University of Gottingen/University Leipzig(ドイツ)

    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Journal Article] Comparison of Bootstrap Methods for Estimating Causality in Linear Dynamic Systems: A Review2023

    • Author(s)
      Miwakeichi Fumikazu、Galka Andreas
    • Journal Title

      Entropy

      Volume: 25 Issue: 7 Pages: 1070-1070

    • DOI

      10.3390/e25071070

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Journal Article] Cell types and synchronous-activity patterns of inspiratory neurons in the preBotzinger complex of mouse medullary slices during early postnatal development2023

    • Author(s)
      Oke Y, Miwakeichi F, Oku Y, Hirrlinger J, Hirrlinger J, Hulsmann S
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13 Issue: 1 Pages: 586-586

    • DOI

      10.1038/s41598-023-27893-w

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] State and parameter estimation of stochastic physical systems from uncertain and indirect measurements2021

    • Author(s)
      Jimenez, Juan Carlos, Yoshimoto, Atsushi, amd Miwakeichi, Fumikazu
    • Journal Title

      The European Physical Journal

      Volume: 136 Pages: 869-883

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Effect of Omitting Offset Work on Functional Near-Infrared Spectroscopy: Comparison Between Keyboard and Voice Response2020

    • Author(s)
      Kikuchi Senichiro、Nishizawa Yusuke、Tsuchiya Kenji、Shimoda Kaori、Miwakeichi Fumikazu、Mori Hiroki、Tamai Hideaki、Nishida Masaki
    • Journal Title

      Journal of Medical and Biological Engineering

      Volume: 40 Issue: 6 Pages: 899-907

    • DOI

      10.1007/s40846-020-00563-2

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] ニューロイメージングデータの時空間解析2019

    • Author(s)
      三分一 史和,尾家 慶彦
    • Journal Title

      バイオメカニズム学会

      Volume: 43 Pages: 155-160

    • NAID

      130007883881

    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Early postnatal development of the preBotzinger complex: cell types and synchronous-activity patterns of inspiratory neurons in mice2023

    • Author(s)
      Yoshihiko Oke,Fumikazu Miwakeichi, Yoshitaka Oku, Johannes Hirrlinger, Swen Hulsmann
    • Organizer
      The 100th Anniversary Annual Meeting of The Physiological Society of Japan
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ブートストラップ法による動的フィードバックシステムにおける因果性の評価と検討2022

    • Author(s)
      三分一 史和, Andreas Galka
    • Organizer
      第67回 生体信号計測・解釈研究会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Early postnatal development in the properties of inspiratory neurons in the pre-Botzinger complex of mice2022

    • Author(s)
      Yoshihiko Oke,Fumikazu Miwakeichi, Yoshitaka Oku, Johannes Hirrlinger, Swen Hulsmann
    • Organizer
      The 15th Oxford Conference on Modelling and Control of Breathing
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Modeling of signaling mechanisms underlying cooperative and competitive formation of synaptic plasticity2021

    • Author(s)
      Amano, Ryota, Nakao, Mitsuyuki, Matsumiya, Kazumichi and Miwakeichi, Fumikazu
    • Organizer
      Neuroscience 2021
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 変数間のネットワーク構造を推定するための動的因果解析法 の比較検討2021

    • Author(s)
      三分一 史和
    • Organizer
      第38回 プラズマ・核融合学会 年会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] テンプレート法による乱流揺動の時空間構造の抽出2021

    • Author(s)
      稲垣 滋, 三分一 史和
    • Organizer
      第38回 プラズマ・核融合学会 年会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 延髄pre-Botzinger Complexにおける呼吸リズム形成機構2021

    • Author(s)
      Yoshihiko Oke , Fumikazu Miwakeichi , Yoshitaka Oku , Johannes Hirrlinger , Swen Hulsmann
    • Organizer
      第126回日本解剖学会総会・全国学術集会/ 第98回日本生理学会大会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] マウスPre-Botzinger complex 領域における吸息性ニューロンの生後早期での発達2020

    • Author(s)
      尾家 慶彦, 三分一 史和, 越久 仁敬, J. Hirrlinger, S. Hulsmann
    • Organizer
      第98回日本生理学会大会
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Presentation] Estimation of causal connectivity among inspiratory neurons and its experimental verification2019

    • Author(s)
      F. Miwakeichi, Y. Oke, Y. Oku, H. Swen, H. Johannes, J. Hirrlinger
    • Organizer
      Neuro 2019
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Book] 時系列データ解析における課題対応と解析例2024

    • Author(s)
      三分一 史和(共著)
    • Total Pages
      318
    • Publisher
      情報機構
    • ISBN
      9784865022629
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Book] ISMシリーズ:進化する統計数理 8 「統計モデリング」2020

    • Author(s)
      石黒真木夫, 三分一史和, 種村正美, 清水悟
    • Total Pages
      232
    • Publisher
      近代科学社
    • Related Report
      2019 Research-status Report

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

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