Direct verification and statistical analysis of binding by synchrony hypothesis
| Project/Area Number |
21K19803
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 61:Human informatics and related fields
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| Research Institution | Kyoto Sangyo University |
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Principal Investigator |
伊藤 浩之 京都産業大学, 情報理工学部, 教授 (80201929)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
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| Keywords | 視覚皮質 / 同期活動 / 多細胞活動 / 発火数相関 / サポートベクターマシン / デコーディング / ブレインマシンインタフェース / ニューロンオペラントコンディショニング / 多細胞活動記録 / ブレイン・マシン・インタフェース |
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| Outline of Research at the Start |
本研究の目的は、視覚皮質から記録する細胞間の同期活動強度に応じて報酬を与えるニューロンオペラントコンディショニング実験により、機能とは独立して同期活動の増強を行い、条件付け前後における視覚バインディング課題の正答率の上昇を調べることで、同期活動とバインディング機能との因果関係を直接的に検証することである。
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| Outline of Annual Research Achievements |
２匹のネコに赤外線カメラによる視線計測を行い、方位マッチング課題の訓練を継続した。モニター中央の注視点の凝視中に上下に提示される格子パターンの方向が同じ場合は右に、異なる場合は左にサッケードを行うことで報酬が得られる。１匹は正答率８０％程度に訓練が進み、もう１匹の訓練を開始した。2匹目のネコが注視課題を学習した時点で、頭骨に固定していたヘッドポストチェンバーの脱離の兆候が見られたため、訓練を中断し、新たに3匹目のネコの頭骨にヘッドポストチェンバーを固定し、訓練を開始した。チタン製のチェンバーが頭骨と親和するために、ハイドロキシアパタイトでのコーティングを試みた。Tetrode電極による細胞活動記録の他に蛍光顕微鏡でのCaイメージングへの発展の準備を開始し、高精度カメラの購入を進めた。
視覚刺激提示下での視覚皮質から同時記録される複数の細胞活動の単一試行データから提示された刺激の特徴を判別する情報復号化の研究を継続した。１６種の異なるバー刺激提示下での４０試行の多細胞活動データに対して、複数細胞の発火数ベクトルを特徴変数とするサポートベクターマシンを適用し、cross-validationにより正答率を計算した。我々の先行研究では、細胞間の試行間変動は相関しており（発火数相関）、発火数相関は刺激依存の変動が生じることを報告している。研究では、発火数相関をゼロとするBootstrapサンプル、発火数相関の試行変動性を無くすBootstrapサンプルを考案し、有限の発火数相関および発火数相関の刺激依存性は個々の細胞の発火数が持つ情報とは独立な付加的な情報を提供することを発見した。この成果を日本神経科学会、視覚科学フォーラム研究会、北米神経科学会で論文発表を行った。北米神経科学会ではnano-symposiumにおいて口頭発表に選出された。また、成果の学術論文での発表の準備を進めた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ネコの方位マッチング課題を行うための訓練システムを構築し、訓練を継続している。１匹目に関しては、すでに８０％程度の正答率まで訓練が完成した。２匹目に関しては、頭部を固定するヘッドポストチェンバーの離脱のトラブルが生じたが、3匹目のネコを準備し、現在順調に訓練が進んでいる。視覚皮質からの細胞記録では多数の細胞活動の同時記録が可能なtetrode電極の慢性埋込を計画しているが、長期的な活動記録のためには電極の刺入深度が微調整できることが必須である。小型で、かつ強固である電極チェンバー及び電極マニピュレータを3Dプリンタで作成し、マウスの視覚皮質での慢性記録実験を繰り返すことで、細胞記録の安定性と電極チェンバーの頑健性の確認を継続している。また、蛍光顕微鏡でのCaイメージングの準備を開始し、高精度カメラの購入を進め、研究の発展をはかっている。視覚皮質から同時記録した多細胞活動データからの刺激方向推定（デコーディング）においてはサポートベクターマシンが有効であることを確認し、発火数相関の刺激依存性が付加的な情報をもたらすことは視覚皮質では初めての報告であり、今後のデータ解析において重要な知見を得ることが出来た。成果を日本神経科学会、視覚科学フォーラムおよび北米神経科学会で論文発表し、北米神経科学会ではnano-symposiumにおいて口頭発表に選出された。成果の学術論文での発表の準備を進めており、次年度中の投稿を計画している。
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| Strategy for Future Research Activity |
ネコの方位マッチング課題は令和５年度前半期には２匹で完成し、１匹に関しては視覚皮質に記録用電極を慢性的に埋め込み、課題実行中の細胞活動の記録を開始する。離れた位置に受容野を持つ複数の細胞を記録し、それらの方位選択性を同定し、我々が選択した細胞間の同期発火活動の頻度に応じて報酬を与えるニューロンオペラントコンディショニング実験を開始する。無刺激条件下で細胞間の同期発火活動の頻度の上昇が可能であるかどうかを確認する。また、コンディショニングに成功した場合には、方位マッチング課題での正答率の変化に影響が及んでいるかどうかを検討する。Tetrode電極による神経活動の電気生理記録と合わせて蛍光顕微鏡でのCaイメージングの実験方法の導入を進める。どちらの計測方法に関しても、マウスで十分な検証を行ってから、ネコの皮質への埋め込みに移行する。また、同期活動のニューロンオペラントコンディショニングによる情報バインディング機能の向上に関しても、ネコの実験と並行して、より多くの試行錯誤が可能であるマウスでも同様の実験を実施していく。視覚皮質から記録した多細胞データのサポートベクターマシンを適用した情報デコーディングの研究成果に関しては、次年度中に学術論文の発表を計画している。
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Report
(2 results)
Research Products
(8 results)
