時空間型光操作に基づくデータ駆動型神経回路制御の確立と脳機能操作への応用

• Project/Area Number: 23K21702
• Project/Area Number (Other): 21H03509 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 61040:Soft computing-related
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 大森 敏明 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (10391898)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥16,900,000 (Direct Cost: ¥13,000,000、Indirect Cost: ¥3,900,000); Fiscal Year 2025: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2024: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2023: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2021: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: データ駆動科学 / 科学技術機械学習 / データ駆動型予測 / データ駆動型制御 / 神経回路操作 / データ駆動型脳科学 / 数理イメージング / データ駆動型イメージング / データ駆動型自動制御 / 理論計算機科学 / データ駆動型予測制御 / 多次元状態推定制御 / ノンパラメトリック状態空間モデル / ベイズ深層学習 / 深層生成モデル / 画像再構成 / 神経微分方程式 / データ駆動型神経科学 / 神経ダイナミクス推定 / 複雑システム / モデル駆動型制御 / 潜在ダイナミクス推定 / レプリカ交換粒子マルコフ連鎖モンテカルロ法 / レプリカ交換粒子ギブス法 / レプリカ交換粒子メトロポリスヘイスティングス法 / フィードバック制御 / モデル予測制御 / 統合情報理論 / 神経科学 / 脳型人工知能 / 制御理論

Outline of Research at the Start

本研究では，光操作に基づくイメージングデータからの潜在ダイナミクス抽出を実現し，時空間型の光操作を実現する光遺伝学に基づいた数理モデリングとデータ駆動型推論の枠組みを融合することにより，行動操作や神経回路改変による回路機能操作への応用を行う．

Outline of Annual Research Achievements

本研究計画の二年度に当たる令和４年度には，多次元状態制御とダイナミクス推定を同時に実現するためのデータ駆動型アルゴリズムの構築を行った．部分的に観測される計測データから，多次元の潜在変数が従う事後確率を推定するとともに，潜在変数の事後分布に基づいた精緻な動的制御を実現するアルゴリズムを構築した．構築したアルゴリズムを神経システムに適用し，部分的な観測時系列データに基づいた多次元状態制御と非線形ダイナミクス推定を同時に実現可能であることを示した．次に，神経システムにおいて，多数の非線形項の候補が存在する状況下で，部分的な観測データからその背後にある非線形ダイナミクスを推定するデータ駆動型アルゴリズムを構築した．逐次モンテカルロ法とスパースモデリングを融合するアルゴリズムを構成することにより，部分的な計測データのみが与えられた状況において，データに潜む重要な非線形項のみを抽出可能であることを示した．加えて，Flowベースの生成モデルに基づいた視覚画像の再構成を実現するための方法を構成することで，視覚画像の復元過程を陽に示すことが可能な深層学習アルゴリズムを構築した．加えて，多次元時系列データの背後にある動的システムをノンパラメトリック推定するための統計的機械学習アルゴリズムを構成し，多次元時系列データに基づいた非線形ダイナミクスのノンパラメトリック推定が可能であることを示した．これらの研究成果は関連研究者からの注目を受け，関連学会より注目学術論文への選定や優秀発表賞を受けた．

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

当初想定していた多次元状態制御とダイナミクス推定の融合アルゴリズム構築を達成するとともに，動的システムのノンパラメトリック推定のアルゴリズム構築を行ったため．

Strategy for Future Research Activity

多様な非線形ダイナミクスを持つ神経システムに対して，機能操作を実現するアルゴリズムを構築する．

Research Products

• [Journal Article] Simultaneously Estimating and Controlling Neuronal Nonlinear Dynamics Based on Statistical Machine Learning Approach (2023)
  • Author(s): Taketo Omi and Toshiaki Omori
  • Journal Title: Proceedings of 29th International Symposium on Artificial Life and Robotics Volume: － Pages: 473-478
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reconstructing Perceptual Images from Functional MRI Signals Using Framework Based on Flow-based Image Generation Model (2023)
  • Author(s): Kensuke Inaba and Toshiaki Omori
  • Journal Title: Proceedings of 29th International Symposium on Artificial Life and Robotics Volume: － Pages: 485-489
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Estimation of Nonlinear Neural Dynamics Through Sequential Monte Carlo Method and Sparse Modeling (2023)
  • Author(s): Takuma Ihara and Toshiaki Omori
  • Journal Title: Proceedings of 29th International Symposium on Artificial Life and Robotics Volume: － Pages: 709-713
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Model Selection for Nonlinear Dynamical Systems Based on Gaussian Process Dynamical Models (2023)
  • Author(s): Yuki Kishikawa and Toshiaki Omori
  • Journal Title: Proceedings of 29th International Symposium on Artificial Life and Robotics Volume: － Pages: 714-718
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Estimating Distributions of Parameters in Nonlinear State Space Models with Replica Exchange Particle Marginal Metropolis-Hastings Method (2022)
  • Author(s): Hiroaki Inoue, Koji Hukushima, Toshiaki Omori
  • Journal Title: Entropy Volume: 24 Issue: 1 Pages: 115-115
  • DOI: 10.3390/e24010115
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Deep Neural Network-based Framework for Estimation of Integrated Information (2022)
  • Author(s): Ryo Omae, Toshiaki Omori
  • Journal Title: Proceedings of 28th International Symposium on Artificial Life and Robotics Volume: - Pages: 455-459
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Self-Organizing Nonlinear State-Space Model Based on Gaussian Process (2022)
  • Author(s): Takashi Terayama, Toshiaki Omori
  • Journal Title: Proceedings of 28th International Symposium on Artificial Life and Robotics Volume: - Pages: 681-685
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Data-Driven Super-Resolution for Rock Sample CT images Based on Sparse Modeling Proc. of 28th International Symposium on Artificial Life and Robotics (2022)
  • Author(s): Shoi Suzuki, Atsushi Okamoto, Katsuyoshi Michibayashi, Toshiaki Omori
  • Journal Title: Proceedings of 28th International Symposium on Artificial Life and Robotics Volume: - Pages: 677-680
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Data-driven Method for Estimating Neuronal Nonlinear Dynamics from Noisy Partial Observation (2022)
  • Author(s): Hiroaki Inoue, Toshiaki Omori
  • Journal Title: Proceedings of 28th International Symposium on Artificial Life and Robotics Volume: - Pages: 466-471
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Data-Driven Analysis of Nonlinear Heterogeneous Reactions through Sparse Modeling and Bayesian Statistical Approaches (2021)
  • Author(s): Ito Masaki、Kuwatani Tatsu、Oyanagi Ryosuke、Omori Toshiaki
  • Journal Title: Entropy Volume: 23 Issue: 7 Pages: 824-824
  • DOI: 10.3390/e23070824
  • NAID: 120007125721
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Estimation of Neuronal Dynamics of Izhikevich Neuron Models from Spike-Train Data with Particle Markov Chain Monte Carlo Method (2021)
  • Author(s): Hiroaki Inoue, Koji Hukushima, and Toshiaki Omori
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 90 Issue: 10 Pages: 104801-104801
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.104801
  • NAID: 40022709422
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Video Frame Rate Up-Conversion via Spatio-Temporal Generative Adversarial Networks (2021)
  • Author(s): Naomichi Takada, Toshiaki Omori
  • Journal Title: Journal of Image and Graphics Volume: 9 Issue: 3 Pages: 87-94
  • DOI: 10.18178/joig.9.3.87-94
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Simultaneously Estimating and Controlling Neuronal Nonlinear Dynamics Based on Statistical Machine Learning Approach (2023)
  • Author(s): Taketo Omi and Toshiaki Omori
  • Organizer: 29th International Symposium on Artificial Life and Robotics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Reconstructing Perceptual Images from Functional MRI Signals Using Framework Based on Flow-based Image Generation Model (2023)
  • Author(s): Kensuke Inaba and Toshiaki Omori
  • Organizer: 29th International Symposium on Artificial Life and Robotics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Estimation of Nonlinear Neural Dynamics Through Sequential Monte Carlo Method and Sparse Modeling (2023)
  • Author(s): Takuma Ihara and Toshiaki Omori
  • Organizer: 29th International Symposium on Artificial Life and Robotics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Model Selection for Nonlinear Dynamical Systems Based on Gaussian Process Dynamical Models (2023)
  • Author(s): Yuki Kishikawa and Toshiaki Omori
  • Organizer: 29th International Symposium on Artificial Life and Robotics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sparse Estimation of Nonlinear Dynamics Using Generalized Dynamical Constraints (2023)
  • Author(s): Yuya Note and Toshiaki Omori
  • Organizer: 11th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Data-driven Approach for Image Reconstruction Using Neural Ordinary Differential Equation Models (2023)
  • Author(s): Kensuke Inaba and Toshiaki Omori
  • Organizer: 11th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Machine Learning Algorithm for Estimating Nonlinear Neurodynamics by Sequential Monte Carlo Method and Sparse Modeling (2023)
  • Author(s): Takuma Ihara and Toshiaki Omori
  • Organizer: 11th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Learning Super-resolution of X-ray CT Images of Rocks Based on Sparse Representation (2023)
  • Author(s): Shoi Suzuki, Atsushi Okamoto, Katsuyoshi Michibayashi, and Toshiaki Omori
  • Organizer: 11th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 多次元・多階層データへのデータ駆動型アプローチの展開 (2022)
  • Author(s): 大森敏明
  • Organizer: メレオロジー研究会
  • Invited
• [Presentation] データ駆動型アプローチによる神経ダイナミクスの推定制御 (2022)
  • Author(s): 大森敏明
  • Organizer: 定量生物学の会第十回年会
• [Presentation] Superresolution of X-ray CT Images of Serpentinites by Sparse Modeling (2022)
  • Author(s): 鈴木聖惟, 岡本敦, 道林克禎, 大森敏明
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [Presentation] 統計的機械学習に基づく神経システムの推定と制御 (2022)
  • Author(s): 近江勇斗, 大森敏明
  • Organizer: 次世代光散乱イメージング科学研究センターキックオフシンポジウム
• [Presentation] ベイズ推論に基づく神経ネットワークのシステム同定 (2022)
  • Author(s): 井上広明, 大森敏明
  • Organizer: 次世代光散乱イメージング科学研究センターキックオフシンポジウム
• [Presentation] 温度の効果を導入した自己組織化状態空間モデルによる神経ダイナミクスの推定 (2022)
  • Author(s): 井上広明, 大森敏明
  • Organizer: 日本応用数理学会2022年度年会
• [Presentation] 温度の効果を用いた自己組織化状態空間モデルによる潜在変数とパラメータの推定 (2022)
  • Author(s): 井上広明, 大森敏明
  • Organizer: 第21回情報科学技術フォーラム
• [Presentation] レプリカ交換粒子マルコフ連鎖モンテカルロ法を用いた神経システムのダイナミクス推定 (2022)
  • Author(s): 井上広明, 大森敏明
  • Organizer: 第66回システム制御情報学会研究発表講演会
• [Presentation] A Framework for Estimating Integrated Information of Brain Based on Deep Neural Network (2022)
  • Author(s): Ryo Omae and Toshiaki Omori
  • Organizer: 6th International Conference on Intelligent Systems, Metaheuristics & Swarm Intelligence
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Estimating Dynamical Nonlinear System with Nonstationarity by Gaussian Process Self-Organizing Generalized State-Space Model (2022)
  • Author(s): Takashi Terayama and Toshiaki Omori
  • Organizer: 6th International Conference on Intelligent Systems, Metaheuristics & Swarm Intelligence
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Unsupervised Deep Video Interpolation Based on Spatio-Temporal Autoregressive Neural Network (2022)
  • Author(s): Koki Nakashima and Toshiaki Omori
  • Organizer: 6th International Conference on Intelligent Systems, Metaheuristics & Swarm Intelligence
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 非線形動的システムのデータ駆動科学 (2022)
  • Author(s): 大森敏明
  • Organizer: First Symposium on Data-driven Modeling in Complex Systems
  • Invited
• [Presentation] 多次元・多階層データ解析へのデータ駆動型アプローチ (2022)
  • Author(s): 大森敏明
  • Organizer: 第99回日本生理学会大会
  • Invited
• [Presentation] Data-driven Modeling of Neuronal Nonlinear Dynamics (2022)
  • Author(s): Toshiaki Omori
  • Organizer: The 99th Annual Meeting of the Physiological Society of Japan
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Data-driven Approach for Dynamical System Modeling (2022)
  • Author(s): Toshiaki Omori
  • Organizer: Joint Symposium on Life Science, Computational Science, and Structural Engineering Between UC San Diego and Kobe University
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] レプリカ交換粒子マルコフモンテカルロ法を用いた非線形動的システムの抽出 (2022)
  • Author(s): 井上広明, 大森敏明
  • Organizer: First Symposium on Data-driven Modeling in Complex Systems
• [Presentation] Deep Neural Network-based Framework for Estimation of Integrated Information (2022)
  • Author(s): Ryo Omae, Toshiaki Omori
  • Organizer: 28th International Symposium on Artificial Life and Robotics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Self-Organizing Nonlinear State-Space Model Based on Gaussian Process (2022)
  • Author(s): Takashi Terayama, Toshiaki Omori
  • Organizer: 28th International Symposium on Artificial Life and Robotics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Data-Driven Super-Resolution for Rock Sample CT images Based on Sparse Modeling Proc. of 28th International Symposium on Artificial Life and Robotics (2022)
  • Author(s): Shoi Suzuki, Atsushi Okamoto, Katsuyoshi Michibayashi, Toshiaki Omori
  • Organizer: 28th International Symposium on Artificial Life and Robotics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Data-driven Method for Estimating Neuronal Nonlinear Dynamics from Noisy Partial Observation (2022)
  • Author(s): Hiroaki Inoue, Toshiaki Omori
  • Organizer: 28th International Symposium on Artificial Life and Robotics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Extracting Nonlinear Latent Dynamics of Neurons Using Replica Exchange Particle Markov Chain Monte Carlo Method (2022)
  • Author(s): Hiroaki Inoue, Toshiaki Omori
  • Organizer: The 10th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] データ駆動型アプローチによる動的システムモデリング (2021)
  • Author(s): 大森敏明
  • Organizer: 大阪大学 数理・データ科学教育研究センター AI・データ利活用研究会 第22回
  • Invited
• [Presentation] データ駆動型アプローチによる動的システムの数理モデリング (2021)
  • Author(s): 大森敏明
  • Organizer: 2021年度情報処理学会関西支部定期講演会『機械学習・深層学習に関する最新動向』
  • Invited
• [Presentation] ホワイトボックスモデリングによる非線形動的システムの推定Ⅰ (2021)
  • Author(s): 大森敏明
  • Organizer: 研究会「数理科学と情報学の連携による次世代モデリング理論」
  • Invited
• [Presentation] ホワイトボックスモデリングによる非線形動的システムの推定Ⅱ (2021)
  • Author(s): 大森敏明
  • Organizer: 研究会「数理科学と情報学の連携による次世代モデリング理論」
  • Invited
• [Presentation] データ駆動型アプローチによる動的システムモデリング (2021)
  • Author(s): 大森敏明
  • Organizer: 第26回計算工学講演会
• [Presentation] Data-driven Analysis of Nonlinear Heterogeneous Reactions through Sparse Modeling and Bayesian Statistical Approaches (2021)
  • Author(s): 伊藤雅起, 桑谷立, 大柳良介, 大森敏明
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
• [Presentation] 岩石コア試料のX線CT画像の超解像とオマーンオフィオライトの蛇紋岩への適用 (2021)
  • Author(s): 鈴木聖惟, 岡本敦, 道林克禎, 大森敏明
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
• [Presentation] データ駆動型アプローチによる神経ネットワークのダイナミクス推定 (2021)
  • Author(s): 井上広明, 大森敏明
  • Organizer: 日本応用数理学会2021年度年会
• [Presentation] Sparse-Sequential Monte Carlo Method for Extracting Nonlinear Dynamics of Heterogeneous Reactions (2021)
  • Author(s): Masaki Ito, Tatsu Kuwatani, Ryosuke Oyanagi, Toshiaki Omori
  • Organizer: 5th International Conference on Intelligent Systems, Metaheuristics & Swarm Intelligence
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Video Frame Rate up Conversion via Spatio-Temporal Generative Adversarial Networks (2021)
  • Author(s): Naomichi Takada, Toshiaki Omori
  • Organizer: 5th International Conference on Intelligent Systems, Metaheuristics & Swarm Intelligence
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Extraction of Nonlinear Dynamics of Heterogeneous Reactions Based on Sparse Modeling (2021)
  • Author(s): Masaki Ito, Tatsu Kuwatani, Ryosuke Oyanagi, Toshiaki Omori
  • Organizer: European Geosciences Union General Assembly 2021
  • Int'l Joint Research
• [Book] データサイエンスの考え方 第7章「確率モデル・確率推論」 (2021)
  • Author(s): 大森敏明
  • Total Pages: 20
  • Publisher: オーム社
• [Remarks] 大森敏明（神戸大学ウェブページ）
  • URL: http://www2.kobe-u.ac.jp/~omoritos/
• [Remarks] 大森敏明（researchmap）
  • URL: http://researchmap.jp/omori/
• [Remarks] 神経回路網シミュレーションモデル研究プロジェクト（神戸大学 先端融合研究環 統合研究領域）
  • URL: http://www.ircpi.kobe-u.ac.jp/data/oair/ir_PJ.pdf