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The mechanism of inter-areal communication in neural systems by neural trajectories

Research Project

Project/Area Number 20K07716
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 51010:Basic brain sciences-related
Research InstitutionKansai Medical University

Principal Investigator

KURIKAWA Tomoki  関西医科大学, 医学部, 助教 (20741333)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 半田 高史  広島大学, 医系科学研究科(医), 助教 (40567335)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Keywords神経系の領野間通信 / リカレントニューラルネットワークモデル / 詳細局所神経回路モデル / 力学系理論 / 領野間相互作用 / 領野間通信 / 運動野 / 線条体 / 抑制性細胞 / データ同化 / 海馬
Outline of Research at the Start

従来の神経系の情報処理は、何らかの定まった情報処理を担っている細胞が集まって、全体の処理を行う静的な描像であった。しかし近年、一つの細胞をみてもタイミングや試行によって行っている情報処理が変化する動的な側面が明らかになっている。このような動的な情報処理が神経系においてどのような役割をになっているのかは、まだまだ不明な点が多い。
本研究では、“動的な細胞集団発火パタン=軌道構造”を通じて複数の領野間での情報のやりとりをどのように行うのか、という点に関して、スパイクニューロンモデルを用いた数値シミュレ ーションと、実験データでの検証で明らかにする。

Outline of Final Research Achievements

We were able to construct a neural network model consisting of three types of inhibitory cells and a single excitatory cell. Initially, using a model focused on the hippocampus and the medial entorhinal cortex as specific targets, we demonstrated the ability to control communication between dynamic regions. Furthermore, we analyzed whether such dynamic communication could be identified as anatomical features, such as connectivity patterns. As a result, we demonstrated that the strength of connections from PV cells to SOM (or LTS cells) is crucial.

Additionally, we simultaneously conducted an analysis of neural activity data between the dorsomedial prefrontal cortex and the posterior dorsomedial striatum, revealing that activity occurring tens of milliseconds before in the striatum correlates with synergistic information between the cortex and the striatum.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

現在、様々な測定方法や神経活動のリアルタイムデーコンディング方法の急速な進展により、認知機能を遂行中の神経系がどのように活動しているかはかなり理解されてきている。しかし、これらは現象論的であり、その背後にある機構が何なのかはまだまだ発展途上にある。とくに、神経系は複数の領野が協同して活動することで認知機能を発現していることは明らかであるが、領野間でどのように協同しているのかという点はよくわかっていない。本研究では、この点についてモデルとデータを組み合わせて取り組む研究であり、その成果は様々な局面で測定されている神経活動の背後にある機構解明につながると期待される。

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2023 2022 2021 2020

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 5 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Functionality of neural dynamics induced by long-tailed synaptic distribution in reservoir computing2023

    • Author(s)
      Matsumoto Ibuki、Nobukawa Sou、Wagatsuma Nobuhiko、Kurikawa Tomoki
    • Journal Title

      Nonlinear Theory and Its Applications, IEICE

      Volume: 14 Issue: 2 Pages: 342-355

    • DOI

      10.1587/nolta.14.342

    • ISSN
      2185-4106
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Long-Tailed Distribution of Excitatory Postsynaptic Potentials Enhances Learning Performance of Liquid State Machine2022

    • Author(s)
      Ibuki Matsumoto, Sou Nobukawa, Nobuhiko Wagatsuma, Tomoki Kurikawa
    • Journal Title

      IEICE Proceeding Series

      Volume: 71 Pages: 244-247

    • DOI

      10.34385/proc.71.B1L-E-01

    • ISSN
      2188-5079
    • Year and Date
      2022-12-12
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Synergistic information in the frontal cortex-striatal pathway2021

    • Author(s)
      Alsolami Ibrahim、Handa Takashi、Fukai Tomoki
    • Journal Title

      bioRxiv

      Volume: -

    • DOI

      10.1101/2021.06.18.449072

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Open Access
  • [Journal Article] Oscillation-Driven Memory Encoding, Maintenance, and Recall in an Entorhinal-Hippocampal Circuit Model2021

    • Author(s)
      Tomoki Kurikawa, Kenji Mizuseki, Tomoki Fukai
    • Journal Title

      Cerebral Cortex

      Volume: 31 Issue: 4 Pages: 2038-2057

    • DOI

      10.1093/cercor/bhaa343

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Concomitant Processing of Choice and Outcome in Frontal Corticostriatal Ensembles Correlates with Performance of Rats2021

    • Author(s)
      Takashi Handa, Rie Harukuni, Tomoki Fukai
    • Journal Title

      Cerebral Cortex

      Volume: - Issue: 9 Pages: 4357-4375

    • DOI

      10.1093/cercor/bhab091

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Collective dynamics of neural activities underlying cognitive functions and their computational role2023

    • Author(s)
      Tomoki Kurikawa
    • Organizer
      脳と心のメカニズム 冬のワークショップ
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Inter-areal communications dependent on neural dynamics in a detailed local circuit model2022

    • Author(s)
      栗川 知己
    • Organizer
      第45回日本神経科学大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 多次元神経活動のダイナミクスとしての認知機能2022

    • Author(s)
      栗川 知己
    • Organizer
      生理学研究所研究会 大脳皮質を中心とした神経回路: 構造と機能、その作動原理
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] An intermediate state between the synchronous and asynchronous states enhances the inter-areal communication with the multiple frequencies: a detailed local circuit model2022

    • Author(s)
      Tomoki Kurikawa
    • Organizer
      Neuroscience 2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ウス二次運動野における交連線維の光遺伝学的興奮によって誘発されるフィールド電位とスパイク発火特性への薬理学的影響2022

    • Author(s)
      半田高史、相澤秀紀
    • Organizer
      第45回日本神経科学大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Interareal communication with multiple frequency coherence in a disinhibitory circuit2021

    • Author(s)
      栗川 知己
    • Organizer
      第44回日本神経科学大会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] Dynamic communication across multiple cortical areas in an entorhinal-hippocampal circuit model2020

    • Author(s)
      Tomoki Kurikawa
    • Organizer
      日本神経科学会
    • Related Report
      2020 Research-status Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

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