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神経回路網における損傷修復性のin vitro解析とそのモデル化

Research Project

Project/Area Number 22KJ0190
Project/Area Number (Other) 21J21766 (2021-2022)
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeMulti-year Fund (2023)
Single-year Grants (2021-2022)
Section国内
Review Section Basic Section 62010:Life, health and medical informatics-related
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

住 拓磨  東北大学, 材料科学高等研究所, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2023-03-08 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000)
Fiscal Year 2023: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2022: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2021: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Keywords培養神経回路 / 生体情報処理
Outline of Research at the Start

生物の脳を情報処理システムとして捉えたときの大きな特徴の一つはその高い耐損傷性にある.本研究では,培養神経回路に基づく新しい in vitro 実験系を構築し,損傷印加前後の神経活動パターンを自発活動および入力応答の観点から解析することによって,実神経細胞ネットワークの損傷耐性の発現メカニズムを明らかにすることを目指す.さらにこれらを数理モデルとして記述することを通じて,損傷に対してロバストな情報処理モデルの提案へと結びつける.

Outline of Annual Research Achievements

本研究は,培養神経回路に基づく新しい in vitro 実験系を構築し,損傷印加前後の神経活動パターンを自発活動および入力応答の観点から解析することによって,実神経細胞ネットワークの損傷耐性の発現メカニズムを明らかにすることを目的としている.1年目,2年目ででは,培養神経回路網の入出力測定を行うための培養神経リザバーシステムを構築し,時系列信号(発話数字データ)を分類するタスクにより神経回路の信号処理の特徴を調べた.その結果,培養神経リザバーシステムは,チャンスレベルより高い性能で時系列信号を分類でき,特に,神経回路が機能的にモジュラーな接続性を有するときに性能が高くなることが示された.この結果については,最終年度の4月に論文採択された.そして最終年度では,培養神経回路網に損傷を与えた際の,損傷修復特性を調べる実験に取り組んだ.培養神経回路を切断し,その修復過程について神経回路の機能的な結合を基に評価した結果,損傷印加直後では機能的結合性に混乱が生じるが,24時間後には元の結合性を回復させることが分かった.さらに,その損傷耐性の数理的な発現メカニズムを調べるために,神経可塑性を取り入れたモデルを構築し,各パラメータと損傷耐性の関係を調べた.これらを通じて,本研究では,培養神経回路の情報表現や情報処理について調べる新しいin vitro実験系を構築し,さらに損傷前後の応答について実細胞および数理モデルの観点から解析した.

Report

(3 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (9 results)

All 2023 2022 2021

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results)

  • [Journal Article] Biological neurons act as generalization filters in reservoir computing2023

    • Author(s)
      T. Sumi, H. Yamamoto, Y. Katori, K. Ito, S. Moriya, T. Konno, S. Sato, A. Hirano-Iwata
    • Journal Title

      Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.

      Volume: 120 Issue: 25 Pages: 1-10

    • DOI

      10.1073/pnas.2217008120

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Modular Topology Enhances Reservoir Computing Performance in Biological Neuronal Networks2023

    • Author(s)
      T. Sumi, H. Yamamoto, Y. Katori, K. Ito, S. Sato, A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      2023 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] マイクロパターン培養神経ネットワークのダイナミクスを用いたリザバーコンピューティング2023

    • Author(s)
      住 拓磨, 山本 英明, 伊藤 亘輝, 香取 勇一, 佐藤 茂雄, 平野 愛弓
    • Organizer
      第33回 日本神経回路学会全国大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Physical reservoir computing using dynamics of biological neuronal network with modular structure2023

    • Author(s)
      T. Sumi, H. Yamamoto, Y. Katori, K. Ito, S. Sato, A. Hirano Iwata
    • Organizer
      10th International Congress on Industrial and Applied Mathematics
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] モジュール構造型培養神経回路のリザバー計算 特性の解析2023

    • Author(s)
      住 拓磨, 山本 英明, 香取 勇一, 伊藤 亘輝, 佐藤 茂雄, 平野 愛弓
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Physical reservoir computing with biological neuronal network with modular organization2023

    • Author(s)
      T. Sumi, H. Yamamoto, K. Ito, Y. Katori, S. Sato, A. Hirano Iwata
    • Organizer
      The 11th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Time-series classification in micropatterned neuronal network reservoirs2022

    • Author(s)
      T. Sumi, H. Yamamoto, Y. Katori, K. Ito, S. Sato, A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      2022 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] リザバー計算に基づく人工神経細胞回路のパターン分類特性の評価2021

    • Author(s)
      住 拓磨, 山本 英明, 守谷 哲, 竹室 汰貴,金野智浩, 佐藤 茂雄, 平野 愛弓
    • Organizer
      第31回日本神経回路学会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] マイクロパターン培養神経回路のリザバー計算特性の解析2021

    • Author(s)
      住 拓磨, 山本 英明, 守谷 哲, 竹室 汰貴, 金野智浩, 佐藤 茂雄, 平野 愛弓
    • Organizer
      ニューロコンピューティング研究会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report

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Published: 2021-05-27   Modified: 2024-12-25  

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