神経細胞集団による情報処理と行動選択の計算論的研究

• Project/Area Number: 20020034
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: The Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 中原 裕之 The Institute of Physical and Chemical Research, 理論統合脳科学研究チーム, チームリーダー (10312282)
• Project Period (FY): 2008 – 2009
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2009)
• Budget Amount: ¥5,000,000 (Direct Cost: ¥5,000,000); Fiscal Year 2009: ¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000); Fiscal Year 2008: ¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000)
• Keywords: 神経科学 / 数理工学 / 生体生命情報学 / 統計数学 / 機械学習 / 情報工学 / 人工知能

Research Abstract

本研究では、数理モデル構築による「価値意思決定]の脳機能の研究と、細胞集団活動の数理的理解(情報処理の解明)の研究を並行して行った。以下、本年度の二つの主要結果を報告する。
(1) 価値意思決定における脳内時間を反映する強化学習モデル
近年、強化学習を理論的基盤として「価値に基づく意思決定」(価値意思決定)の脳機能の理解が急速に進んだ。今後の進展には、より優れた理論の構築が必要と考え、我々は、実験の観測が使う時間(通常時間)と区別して、脳内の時間過程(内部時間)に基づく強化学習理論を構築した。これにより、脳の内部時間を直接モデル化の対象にする新しい強化学習理論を提案できた。例えば、観測者・実行者の各々の立場により、「ドーパミン神経細胞の報酬予測誤差信号が異なる信号となる」、また「時間割引課題などで異なる合理性が存在する」ことを示した。
(2) 多電極同時記録のデータ解析:高次相互作用を繰込んだ階層モデル
多電極の同時発火活動について、近年、相次いで、網膜神経細胞活動や、大脳皮質神経細胞活動または局所電位活動(negative LFP peak activity ; nLFP)で、2次相関までで同時発火の相互作用の記述には十分という解析結果が報告された。我々の研究は、これらに対して2つのもっと基本的な疑問――「相互作用の適切な“単位"とは?」「対象の神経回路に応じて、より簡便なモデルがあるのでは?」――から出発した。大脳皮質のnLFPデータの解析から、階層的な“単位"を用いる2次相関モデルが、より正確かつ簡便にnLFPの相互作用を記述でき、ロングレンジの相関を捉えることを発見した。このモデルは、実は高次相関を含むモデルであり、通常の2次相関モデルよりは、より小さくかつ簡便なモデルである。より広い文脈では、この研究は各神経回路に対応させてモデル構成を行う新手法を提案している。

Research Products

• [Journal Article] A Resource for Transcriptomic Analysis in the Mouse Brain (2008)
  • Author(s): Plessy, C.
  • Journal Title: PLoS ONE 3(8)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Stimulus-induved pairwise interaction can be revealed by information geometric approach (2008)
  • Author(s): Nakahara, H
  • Journal Title: Advances in Cognitive Neurodynamics Pages: 71-75
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Combining Modalities with Different Latencies for Optimal Motor Control (2008)
  • Author(s): Fredrik, B.
  • Journal Title: Journal of Cognitive Neuroscience 20(11) Pages: 1966-1979
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 大脳基底核の計算モデル : 報酬の予測と獲得のための強化学習 (2008)
  • Author(s): 中原 裕之
  • Journal Title: 分子精神医学 8(4) Pages: 307-313
• [Presentation] Computational Issues for ValueBased Decision Making in Nonsocial and Social Contexts (2010)
  • Author(s): Nakahara, H.
  • Organizer: Reward and Decision Making Batsheva Conference
  • Place of Presentation: Jerusalem
  • Year and Date: 2010-02-18
• [Presentation] Internal time temporal difference model of neural valuation (2010)
  • Author(s): Kaveri, S, R., Nakahara, H.
  • Organizer: COSYNE 2010
  • Place of Presentation: Salt Lake City, USA
• [Presentation] Does one simulate the other's value-based decision making by using the neural systems for his own? (2010)
  • Author(s): Suzuki, S., Harasawa, N., Ueno, K., Gardner, J., Ichinohe, N., Haruno, M., Cheng, K., Nakahara, H., Kaveri S.R.
  • Organizer: COSYNE 2010
  • Place of Presentation: Salt Lake City, USA
• [Presentation] Cluster organization of instantaneous actiity in cortical cultures (2009)
  • Author(s): Santos, G, S., Dharmaraj E.G., Plenz D., Nakahara H.
  • Organizer: Society for Neuroscience 2009
  • Place of Presentation: Chicago, USA
  • Year and Date: 2009-10-19
• [Presentation] Does one really simulate the other's value-based decision making in one's value-base decision making? (2009)
  • Author(s): Suzuki, S., Harasawa, N., Nakahara, H.
  • Organizer: Society for Neuroscience 2009
  • Place of Presentation: Chicago, USA
  • Year and Date: 2009-10-18
• [Presentation] Modeling instantaneous network correlations over multiple spatialscales (2009)
  • Author(s): Santos, G, S., Dharmaraj E.G., Plenz D., Nakahara, H.
  • Organizer: The 32nd Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society(Neuroscience 2009)
  • Place of Presentation: Nagoya
  • Year and Date: 2009-09-16
• [Presentation] Value-based decision making--temporal discounting and context effect : neural mechanisms and computations (2009)
  • Author(s): Nakahara, H.
  • Organizer: Waseda Morning Seminar(Institute for Research in Contemporary Political and Economic Affairs, Waseda University)
  • Place of Presentation: Tokyo
  • Year and Date: 2009-05-18
• [Presentation] 脳の数理 : 情動・学習・意思決定 (2008)
  • Author(s): 中原 裕之
  • Organizer: ヒューマンフォーラム 2008
  • Place of Presentation: 本田技術研究所. 和光, 日本.
  • Year and Date: 2008-09-02
• [Presentation] Analyzing Neural dynamics by considering higher-order interaction and, also, the effect of time on reward prediction. (2008)
  • Author(s): Nakahara, H.
  • Organizer: EPSRC Workshop on Computational Neuroscience
  • Place of Presentation: University of Warwick Birmingham, UK.
• [Presentation] Social modulation of the prefrontal cortex, parietal cortex, and caudate activity for reward-oriented behavior. Program (2008)
  • Author(s): Santos, G, S
  • Organizer: Society for Neuroscience, 2008.
  • Place of Presentation: Washington, DC
• [Presentation] Uncertainty and discounting of rewards for dopamine activity by dissociating internal and physical times. (2008)
  • Author(s): Kaveri, S
  • Organizer: Society for Neuroscience, 2008
  • Place of Presentation: Washington, DC
• [Presentation] Effects of internal time and context representation on dopamine activity and value-based decision making. (2008)
  • Author(s): Nakahara, H.
  • Organizer: Open Problems in Neuroscience of Decision Making.
  • Place of Presentation: OIST Seaside House, Okinawa, Japan.
• [Presentation] Computational modeling of Basal Ganglia. (2008)
  • Author(s): Nakahara, H.
  • Organizer: The 3rd APCTP-KAIST Summer School for Brain Dynamics.
  • Place of Presentation: KAIST, Daejeon, South Korea.
• [Presentation] Social Reward-Oriented Behavior in the PFC, CN, and Parietal Cortex. (2008)
  • Author(s): Santos, G, S
  • Organizer: Neuroscience 2008
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan.
• [Presentation] Timing in Temporal Difference Models of Dopamine. (2008)
  • Author(s): Kaveri, S, R
  • Organizer: Neuroscience 2008
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan.
• [Book] シリーズ脳科学 第1巻 脳の計算論 (2009)
  • Author(s): 中原裕之
  • Publisher: 東大出版会
• [Remarks] (研究室のホームページ)
  • URL: http://www.itn.brain.riken.jp