神経ネットワークの高次情報解析に基づく非線形動力学モデルの構築

• Project Area: Non-linear Neuro-oscillology: Towards Integrative Understanding of Human Nature
• Project/Area Number: 16H01609
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Japan Advanced Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: 日高 昇平 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 准教授 (50582912)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2017: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2016: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: 情報理論 / モデルフリー / コネクトミクス / 劣モジュラ / カルシウムイメージング / 光遺伝学 / 非線形力学系

Outline of Annual Research Achievements

大脳皮質は、知覚、運動、情動といった脳の高次機能を司る重要な役割を担っている。先行研究から、個々の神経細胞タイプを決定する形態や、発現分子、電気的性質等のミクロ的な知見や、あるいは特定課題に賦活する脳領野などのマクロ的な知見が得られている。しかし、個々の神経細胞の関係を、ネットワークとみなした中間(メゾ)レベルに関しては、多くが未解明である。
メゾレベルの神経機能の理解するには、多数の神経細胞の解剖学的・情報論的ネットワークを同定する必要がある。メゾスケール(数十~数千細胞)であっても、多くの分析に必要な計算では指数的な組み合わせ爆発が問題となる。これに対し、数理計画法の優モジュラ関数の最大化に帰着させることで、実用可能な解析法を本研究は開発する。
平成28年度は、メゾスケールの多変量時系列データから情報ネットワークを推定し、その情報構造を一定水準で再現する非線形モデルの構築を目指し、概ね計画通りの研究成果を得た。これを踏まえ平成29年度の目標を、情報分割法のアルゴリズムの改善により、数百~1000程度の細胞数に対する計算可能性を確かめ、その有用性を実証する事とした。具体的な成果として、情報量の集合関数の最大化に帰着される分割問題の高速な計算法の改善により、500程度の細胞数に関して、十分に実用的な計算時間で推定できることを確認した。また、非線形振動子を結合したモデルの一つであるCoupled map latticeを用いたシミュレーションを行い、潜在的な結合の強さによって推定されるクラスタの変化を調べ、比較的頑健なクラスタ推定が可能であることを示した。こうした一連の成果は、すでに計算神経科学論文誌へ投稿し、複数回の査読を経ており、まもなく採録されると見込まれる。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] 利き手と逆の手の比較に基づく熟達技能への実験的アプローチ (2018)
  • Author(s): 鳥居拓馬 & 日髙昇平
  • Journal Title: 認知科学 Volume: 25 Pages: 122-125
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 読者の熱中に伴う仮想の変化：仮想の特徴づけとして. (2018)
  • Author(s): 布山 美慕 & 日高 昇平
  • Journal Title: 認知科学 Volume: 25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Toward a mechanistic account for imitation learning: an analysis of pendulum swing-up. (2018)
  • Author(s): Torii, T. & Hidaka, S.
  • Journal Title: New Frontiers in Artificial Intelligence (JSAI-isAI 2016 Workshops) Volume: 未定
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 身体知研究を支える理論・方法論 (2017)
  • Author(s): 古川 康一, 諏訪 正樹, & 日高 昇平
  • Journal Title: 人工知能学会誌 Volume: 32 Pages: 222-228
• [Journal Article] Toward a mechanistic account for imitation learning: an analysis of pendulum swing-up. (2017)
  • Author(s): Torii, T. & Hidaka, S.
  • Journal Title: New Frontiers in Artificial Intelligence. JSAI-isAI 2016. Lecture Notes in Computer Science Volume: 10247
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 最適化を超えた認知科学の新たなパラダイムに向けて：Marrの情報処理の三水準の再考 (2017)
  • Author(s): 日高 昇平
  • Journal Title: 認知科学 Volume: 24 Pages: 67-78
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Estimating the latent number of types in growing corpora with reduced cost-accuracy trade-off. (2016)
  • Author(s): Hidaka, S.
  • Journal Title: Journal of Child Language Volume: 43 Pages: 107-134
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Impact of Cognitive Loading on Postural Control in Parkinson's Disease with Freezing of Gait. (2016)
  • Author(s): Buated, W., Lolekha, P., Hidaka, S., & Fujinami, T.
  • Journal Title: Gerontology and Geriatric Medicine Volume: 2 Pages: 1-8
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] From Transmission to Understanding of Information (2016)
  • Author(s): 日高 昇平.
  • Journal Title: Transactions of the Japanese Society for Artificial Intelligence Volume: 31 Issue: 6 Pages: AI30-H_1-10
  • DOI: 10.1527/tjsai.AI30-H
  • NAID: 130005277068
  • ISSN: 1346-0714, 1346-8030
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] How can we help others?: a computational account for action completion (2018)
  • Author(s): Torii, T. & Hidaka, S.
  • Organizer: The 40th Annual Meeting of the Cognitive Science Society
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Symbol grounding and system construction in the color lexicon. (2018)
  • Author(s): Imai, M., Hidaka, S., Saji, N., & Ohba, M.
  • Organizer: The 40th Annual Meeting of the Cognitive Science Society
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Leveraging mutual exclusivity for faster cross-situational word learning: A theoretical analysis. (2017)
  • Author(s): Hidaka, S., Torii, T., & Kachergis, G.
  • Organizer: The 39th Annual Meeting of the Cognitive Science Society
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantifying the impact of active choice in word learning (2017)
  • Author(s): Hidaka, S., Torii, T., & Kachergis, G.
  • Organizer: The 39th Annual Meeting of the Cognitive Science Society
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] oward a mechanistic account for imitation learning: an analysis of pendulum swing-up (2016)
  • Author(s): Torii, T. & Hidaka, S.
  • Organizer: The Third International Workshop on Skill Science
  • Place of Presentation: Raiosha Building, Keio University Kanagawa, Japan
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] Cognitive Computation Lab
  • URL: http://www.jaist.ac.jp/ks/labs/shhidaka/cogcomp/
• [Remarks] 認知計算論 Cognitive Computation
  • URL: http://www.jaist.ac.jp/~shhidaka/