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Dynamical structure of memory and learning: an approach based on reservoir computing

Publicly Offered Research

Project AreaNon-linear Neuro-oscillology: Towards Integrative Understanding of Human Nature
Project/Area Number 16H01617
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Complex systems
Research InstitutionOita University

Principal Investigator

末谷 大道  大分大学, 理工学部, 教授 (40507167)

Project Period (FY) 2016-04-01 – 2018-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2017)
Budget Amount *help
¥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カオス / 脳情報表現 / リザバー計算 / カオス的遍歴 / 複雑系 / 脳波 / 順序パターン / データ同化 / 神経回路網 / 複雑系科学 / 脳数理科学 / 人工知能 / 脳科学
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、ランダム神経回路による学習モデルとして知られるリザバー計算の一つである FORCE 学習を用いて、外部からのパルス入力に対して時系列を生成させる課題(入出力関係の学習)に取り組んだ。その結果、最大リアプノフ指数が僅かに正でかつ揺らぎの大きな「弱い」カオス状態が最適なパフォーマンスを示すことがわかった。さらに、多数の標的パターンを一つのネットワークに学習させると、自発性活動の中に(刺激入力がない状態でも)、幾つかの典型的なパターン間を間欠的に経り巡る遍歴的ダイナミクスが発生することを発見した。特に今年度は順序パターン(ordinal pattern)という時系列の振幅の大きさに関する順序情報を利用した統計量と主成分分析や多様体学習を合わせたアプローチを開発し、高次元空間の中で遷移する遍歴ダイナミクスを低次元空間に可視化することに成功した。
また、理論モデルの研究だけではなく、実際の脳波(EEG)時系列データの解析にも現在取り組んだ。まず、100 名以上の被験者から計測した安静閉眼状態における脳波に対して、順序パターンに注目したパターンを用いた解析を行った。その結果、順序パターンに関するエントロピー(permutation entropy:PE)の空間分布は幾つかのタイプに分類されることを発見した。さらに、数ヶ月経って再計測しても個々人のPEの空間分布は定性的に変化しない、すなわち、自発性活動の多様さを表すresting EEGのPEパターンに個人の特性が現れていることがわかった。

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。

Report

(2 results)
  • 2017 Annual Research Report
  • 2016 Annual Research Report
  • Research Products

    (18 results)

All 2018 2017 2016

All Presentation (18 results) (of which Int'l Joint Research: 10 results)

  • [Presentation] A Manifold Learning Approach for Identification of Individuality using Resting EEG Signals2018

    • Author(s)
      Hiromichi Suetani, Yoko Mizuno and Keiichi Kitajo
    • Organizer
      62nd Annual Meeting of Biophysical Society (BPS 18)
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Combining Weighted Ensemble Method and Lyapunov Weighted Dynamics: Application to Proteins2018

    • Author(s)
      Hiroshi Fujisaki, Kei Moritsugu, Yasuhiro Matsunaga and Hiromichi Suetani
    • Organizer
      62nd Annual Meeting of Biophysical Society (BPS 18)
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] FORCE学習における遍歴ダイナミクスの発生とその解析2018

    • Author(s)
      末谷大道
    • Organizer
      日本物理学会第73回年次大会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] 高次元空間に散らばる対象の隠れた構造を求めて2018

    • Author(s)
      末谷大道
    • Organizer
      研究会「第5回非線形現象の捉え方」
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] Echo State Networkによる脳コンシステンシー現象の解析2017

    • Author(s)
      末谷大道 北城圭一
    • Organizer
      日本物理学会第72回年次大会
    • Place of Presentation
      大阪大学(大阪府・豊中市)
    • Year and Date
      2017-03-18
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] Chaotic itinerancy in multiple patterns generation using FORCE-based neural network learning2017

    • Author(s)
      Hiromichi Suetani
    • Organizer
      Simulations Encounter with Data Science Data Assimilation, Emulators, Rare Events and Design
    • Place of Presentation
      統計数理研究所(東京都・立川市)
    • Year and Date
      2017-03-11
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Lyapunov Analysis of Chaotic Itinerancy in FORCE-based Neural Network Learning2017

    • Author(s)
      Hiromichi Suetani
    • Organizer
      XXXVII Dynamics Days Europ
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Assimilating Nonlinear Dynamics with Force-Learning : a Perspective from Chaotic Synchronization2017

    • Author(s)
      Hiromichi Suetani
    • Organizer
      The 2017 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications (NOLTA)
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Noise-induced nonlinear neural dynamics as an individual trait2017

    • Author(s)
      Keiichi Kitajo, Takumi Sase, Yoko Mizuno and Hiromichi Suetani
    • Organizer
      The 23rd Annual Meeting of the Organization for Human Brain Mapping
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Unravelling Individual Differences in Human Brain Dynamics2017

    • Author(s)
      Keiichi Kitajo, Takumi Sase, Yoko Mizuno and Hiromichi Suetani
    • Organizer
      5th INCF Japan Node International Workshop Advances in Neuroinformatics 2017
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 脳機能を支える existing activity の多様さと柔軟さ -reservoir computingからのアプローチ-2017

    • Author(s)
      末谷大道
    • Organizer
      Perspectives of Nonlinear Phenomena in Random and Non-autonomous Dynamics
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] FORCE学習におけるカオス的遍歴現象のLyapunov解析2017

    • Author(s)
      末谷大道
    • Organizer
      日本物理学会2017年秋季大会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] FORCE学習におけるカオス的遍歴現象のOrdinal Pattern解析2017

    • Author(s)
      末谷大道
    • Organizer
      研究会「第4回非線形現象の捉え方」
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] Chaotic itinerancy in multiple patterns generation using FORCE-based neural network learning2016

    • Author(s)
      Hiromichi Suetani
    • Organizer
      Dynamics Days Asia-Pacific 9
    • Place of Presentation
      香港 (中国)
    • Year and Date
      2016-12-15
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Discovering consistency in human brain activities with noisy visual inputs using reservoir kernel machines2016

    • Author(s)
      Hiromichi Suetani, Yuko Mizuno and Keiichi Kitajo
    • Organizer
      The 46th Annual Meeting of Society for Neuroscience
    • Place of Presentation
      San Diego (USA)
    • Year and Date
      2016-11-16
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] echo state networkによる粒子フィルタの構成とカオス力学系への応用2016

    • Author(s)
      末谷大道、高見利也
    • Organizer
      日本物理学会2016年秋季大会
    • Place of Presentation
      金沢大学(石川県・金沢市)
    • Year and Date
      2016-09-16
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] ランダム神経回路網によるカオス力学系の学習と一般化同期2016

    • Author(s)
      末谷大道
    • Organizer
      日本物理学会2016年秋季大会
    • Place of Presentation
      金沢大学(石川県・金沢市)
    • Year and Date
      2016-09-13
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] Generation of coherent patterns and chaotic itinerancy in random recurrent neural networks based on FORCE-learning2016

    • Author(s)
      Hiromichi Suetani
    • Organizer
      International Conference on Control of Complex Systems and Networks 2016
    • Place of Presentation
      Heringsdorf (Germany)
    • Year and Date
      2016-09-07
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2016-04-26   Modified: 2018-12-17  

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