Decoding internal brain dynamics by multi-scale brain model

• Project/Area Number: 23680024
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Sensitivity informatics/Soft computing
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: KIYOSHI Kotani 東京大学, 新領域創成科学研究科, 准教授 (00372409)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2014-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥28,470,000 (Direct Cost: ¥21,900,000、Indirect Cost: ¥6,570,000); Fiscal Year 2013: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2012: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2011: ¥21,190,000 (Direct Cost: ¥16,300,000、Indirect Cost: ¥4,890,000)
• Keywords: 脳波 / ニューロン / 視床ー皮質モデル / 視床-皮質モデル

Research Abstract

In this study we proposed multi-scale brain model and developed its analytical treatments.
We analyzed a model of neuronal population and derived the corresponding Fokker-Planck equation. Analytical considerations by this equation linked microscopic neuronal properties and their macroscopic behavior. We further developed reduction methods for delay differential equations and derived analytical representation of macroscopic brain rhythms due to cortico-thalamic interactions. We also developed a model-based method that evaluated internal cortico-thalamic dynamics from noninvasive brain measurements. Then we showed the proposed method is effective for sleep stage identification.

Research Products

• [Journal Article] Population dynamics of the modified theta model : macroscopic phase reduction and bifucation analysis link microscopic neuronal interactions to macroscopic gamma oscillation (2014)
  • Author(s): Kiyoshi Kotani, Ikuhiro Yamaguchi, Lui Yoshida, Yasuhiko jimbo, G.Bard Ermentrout
  • Journal Title: The Journal of Royal Society of Interface Volume: 11(20140058)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Population dynamics of the modified theta model: macroscopic phase reduction and bifurcation analysis link microscopic neuronal interactions to macroscopic gamma oscillation (2014)
  • Author(s): Kotani K., Yamaguchi I., Yoshida L., Jimbo Y.
  • Journal Title: J. R. Soc. Interface Volume: 11 Issue: 95 Pages: 20140058-20140058
  • DOI: 10.1098/rsif.2014.0058
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 時間遅れを持つ視床-皮質モデルの線形解析 (2012)
  • Author(s): 山口郁博,小川雄太郎,中尾裕也,神保泰彦,小谷潔
  • Journal Title: 電気学会論文誌C Volume: 132 Pages: 1787-1797
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 時間遅れを含む視床-皮質モデルの実Ginzburg-Lanadau方程式への縮約 (2012)
  • Author(s): 山口郁博,小川雄太郎,中尾裕也,神保泰彦,小谷潔
  • Journal Title: 電気学会論文誌C Volume: 132 Pages: 1563-1574
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Adjoint Method Provides Phase Response Functions for Delay-Induced Oscillations (2012)
  • Author(s): Kiyoshi Kotani, Ikuhiro Yamaguchi, Yutaro Ogawa, Yasuhiko Jimbo, Hiroya Nakao, G. Bard Ermentrout
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett Volume: 109(044101) Pages: 44-101
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Linear Analysis of the Corticothalamic Model with Time Delay (2012)
  • Author(s): 山口, 小川, 中尾, 神保, 小谷
  • Journal Title: IEEJ Transactions on Electronics, Information and Systems Volume: 132 Issue: 11 Pages: 1787-1797
  • DOI: 10.1541/ieejeiss.132.1787
  • NAID: 10031120128
  • ISSN: 0385-4221, 1348-8155
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Corticothalamic Model with Time Delay Reduced to a Real Ginzburg-Landau Equation (2012)
  • Author(s): 山口郁博
  • Journal Title: IEEJ Transactions on Electronics, Information and Systems Volume: 132 Issue: 10 Pages: 1563-1574
  • DOI: 10.1541/ieejeiss.132.1563
  • NAID: 10031120099
  • ISSN: 0385-4221, 1348-8155
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Adjoint method provides phase response functions for delay-induced oscillations (2012)
  • Author(s): Kiyoshi Kotani, Ikuhiro Yamaguchi, Yutaro Ogawa, Yasuhiko Jimbo, Hiroya Nakao, and G. Bard Ermentrout
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 109 Issue: 4
  • DOI: 10.1103/physrevlett.109.044101
  • NAID: 120006582191
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reduction theories elucidate the origins of complex biological rhythms generated by interacting delay-induced oscillations (2011)
  • Author(s): Ikuhiro Yamaguchi, Yutaro Ogawa, Hiroya Nakao, Yasuhiko Jimbo, Kiyoshi Kotani
  • Journal Title: PLoS One Volume: 6
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reduction theories elucidate the origins of complex biological rhythms generated by interacting delay-induced oscillations (2011)
  • Author(s): Ikuhiro Yamaguchi, Yutaro Ogawa, Hiroya Nakao, Yasuhiko Jimbo, Kiyoshi Kotani
  • Journal Title: PLos One Volume: 6
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Brain-Computer Interfaceの誤り訂正へ向けた自律神経活動の評価 (2013)
  • Author(s): 宇野宏祐,小川雄太郎,沼田崇志,小谷潔,神保泰彦
  • Organizer: ライフエンジニアリング部門シンポジウム2013
  • Place of Presentation: 慶応義塾大学日吉キャンパス
  • Year and Date: 2013-09-13
• [Presentation] ニオイ刺激に対する脳・自律神経活動および作業パフォーマンスの評価 (2013)
  • Author(s): 岸田悠志,沼田崇志,小川雄太郎,小谷潔,神保泰彦
  • Organizer: ライフエンジニアリング部門シンポジウム2013
  • Place of Presentation: 慶応義塾大学日吉キャンパス
  • Year and Date: 2013-09-13
• [Presentation] 脳波の自由エネルギーに関する基礎的検討 (2013)
  • Author(s): 山口郁博,小川雄太郎,中尾裕也,神保泰彦,小谷潔
  • Organizer: 平成25年電気学会電子・情報・システム部門大会
  • Place of Presentation: 北見工業大学(北海道)
  • Year and Date: 2013-09-05
• [Presentation] 一般線形モデルを用いたNIRS信号及び皮膚血流信号に含まれる循環器変動成分の評価 (2013)
  • Author(s): 牧野類,小川雄太郎,沼田崇志,赤尾旭彦,小谷潔,神保泰彦
  • Organizer: 平成25年電気学会電子・情報・システム部門大会
  • Place of Presentation: 北見工業大学(北海道)
  • Year and Date: 2013-09-05
• [Presentation] Brain-Computer Interfaceの誤り訂正へ向けた自律神経活動の評価 (2013)
  • Author(s): 宇野宏祐，小川雄太郎，沼田崇志，小谷潔，神保泰彦
  • Organizer: ライフエンジニアリング部門シンポジウム2013
  • Place of Presentation: 神奈川県，慶応義塾大学 日吉キャンパス
• [Presentation] ニオイ刺激に対する脳・自律神経活動および作業パフォーマンスの評価, (2013)
  • Author(s): 岸田悠志，沼田崇志，小川雄太郎，小谷潔，神保泰彦
  • Organizer: ライフエンジニアリング部門シンポジウム2013
  • Place of Presentation: 神奈川県，慶応義塾大学 日吉キャンパス
• [Presentation] 脳波の自由エネルギーに関する基礎的検討 (2013)
  • Author(s): 山口郁博，小川雄太郎、中尾裕也、神保泰彦、小谷潔
  • Organizer: 平成25年電気学会電子・情報・システム部門大会
  • Place of Presentation: 北海道，北見工業大学
• [Presentation] 一般線形モデルを用いたNIRS信号及び皮膚血流信号に含まれる循環器変動成分の評価 (2013)
  • Author(s): 牧野類、小川雄太郎、沼田崇志、赤尾旭彦、小谷潔、神保泰彦
  • Organizer: 平成25年電気学会電子・情報・システム部門大会
  • Place of Presentation: 北海道，北見工業大学
• [Presentation] An Analysis of Neural Activations Measured with the Near Infrared Spectroscopy during Working Memory Tasks (2012)
  • Author(s): Yutaro Ogawa, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
  • Organizer: SCIS-ISIS 2012
  • Place of Presentation: Kobe Convention Ccenter
  • Year and Date: 2012-11-20
• [Presentation] Ginzburg–Landau Equations Reduced From Coupled Delay Differential Equations (2012)
  • Author(s): Ikuhiro Yamaguchi, Yutaro Ogawa, Hiroya Nakao, Yasuhiko Jimbo, Kiyoshi Kotani
  • Organizer: NOLTA2012
  • Place of Presentation: Palma, Majorca, Spain
  • Year and Date: 2012-10-22
• [Presentation] Weakly nonlinear analysis of the corticothalamic model for understanding epilepsy (2012)
  • Author(s): Ikuhiro Yamaguchi, Yutaro Ogawa, Yohei Tobisa, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
  • Organizer: 第27回生体生理工学シンポジウム
  • Place of Presentation: 北海道大学学術交流会館
  • Year and Date: 2012-09-19
• [Presentation] 脳波のリアルタイム評価に向けた皮質-視床モデルの解析 (2012)
  • Author(s): 飛佐洋平,山口郁博,小川雄太郎,内藤玄造,小谷潔,神保泰彦
  • Organizer: 第27回生体・生理工学シンポジウム
  • Place of Presentation: 北海道大学学術交流会館
  • Year and Date: 2012-09-19
• [Presentation] アルツハイマー病患者の脳波研究に向けた時間遅れを含む視床-皮質モデルの構築 (2012)
  • Author(s): 小川雄太郎,小谷潔,神保泰彦
  • Organizer: 平成24年電気学会電子・情報・システム部門大会
  • Place of Presentation: 弘前大学文京町キャンパス
  • Year and Date: 2012-09-05
• [Presentation] Delay-induced oscillationsにおける強振幅ノイズに対する応答の評価 (2012)
  • Author(s): 竹野翔兵,小川雄太郎,小谷潔,神保泰彦
  • Organizer: 平成24年電気学会電子・情報・システム部門大会
  • Place of Presentation: 弘前大学文京町キャンパス
  • Year and Date: 2012-09-05
• [Presentation] 中心多様体縮約を用いた時間遅れを持つ皮質-視床モデルの解析 (2012)
  • Author(s): 飛佐洋平,山口郁博,小川雄太郎,小谷潔,神保泰彦
  • Organizer: 第51回日本生体医工学会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場
  • Year and Date: 2012-05-10
• [Presentation] Cortical Activation Associated with Working Memory Task : a Near-Infrared Spectroscopy Study (2011)
  • Author(s): 小川雄太郎,飛佐洋平,小谷潔,神保泰彦
  • Organizer: 第26回生体・生理工学シンポジウム
  • Place of Presentation: 立命館大学(滋賀)
  • Year and Date: 2011-09-20
• [Presentation] Cortical Activation Associated with Working Memory Task: a Near-Infrared Spectroscopy Study (2011)
  • Author(s): 小川雄太郎, 飛佐洋平, 小谷潔, 神保泰彦
  • Organizer: 第26回生体・生理工学シンポジウム
  • Place of Presentation: 立命館大学(滋賀)
  • Year and Date: 2011-09-20
• [Presentation] Delay-induced oscillationsのノイズに対する数理的特徴評価 (2011)
  • Author(s): 竹野翔兵,小川雄太郎,小谷潔,神保泰彦
  • Organizer: 平成23年電気学会電子・情報・システム部門大会
  • Place of Presentation: 富山大学(富山)
  • Year and Date: 2011-09-07
• [Presentation] An Analysis of Neural Activations Measured with the Near Infrared Spectroscopy during Working Memory Tasks
  • Author(s): Y. Ogawa
  • Organizer: SCIS-ISIS 2012
  • Place of Presentation: Kobe Convention Ccenter
• [Presentation] Ginzburg-Landau Equations Reduced From Coupled Delay Differential Equations
  • Author(s): I. Yamaguchi
  • Organizer: NOLTA2012
  • Place of Presentation: Palma, Majorca, Spain
• [Presentation] アルツハイマー病患者の脳波研究に向けた時間遅れを含む視床-皮質モデルの構築
  • Author(s): 小川雄太郎
  • Organizer: 平成24年電気学会 電子・情報・システム部門大会
  • Place of Presentation: 弘前大学 文京町キャンパス
• [Presentation] Weakly nonlinear analysis of the corticothalamic model for understanding epilepsy
  • Author(s): I.Yamaguchi
  • Organizer: 第27回 生体生理工学シンポジウム
  • Place of Presentation: 北海道大学 学術交流会館
• [Presentation] 脳波のリアルタイム評価に向けた皮質-視床モデルの解析
  • Author(s): 飛佐洋平
  • Organizer: 第 27 回生体・生理工学シンポジウム
  • Place of Presentation: 北海道大学 学術交流会館
• [Presentation] Delay-induced oscillationsにおける強振幅ノイズに対する応答の評価
  • Author(s): 竹野翔兵
  • Organizer: 平成24年電気学会 電子・情報・システム部門大会
  • Place of Presentation: 弘前大学 文京町キャンパス
• [Presentation] 中心多様体縮約を用いた時間遅れを持つ皮質-視床モデルの解析
  • Author(s): 飛佐洋平
  • Organizer: 第51回日本生体医工学会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場
• [Remarks]
  • URL: http://neuron.t.u-tokyo.ac.jp/