Encoding, decoding, and cortical representation of visual material properties by an ensemble of neurons

• Project Area: Understanding human recognition of material properties for innovation in SHITSUKAN science and technology
• Project/Area Number: 16H01673
• 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: Osaka University
• Principal Investigator: 藤田 一郎 大阪大学, 生命機能研究科, 教授 (60181351)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥8,710,000 (Direct Cost: ¥6,700,000、Indirect Cost: ¥2,010,000); Fiscal Year 2017: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2016: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
• Keywords: ２光子イメージング / 一次視覚野 / 符号化モデル / 運動エネルギーモデル / 機能構築 / テクスチャー / 質感 / 空間周波数 / 神経科学 / 生理学 / ＰＳ統計量 / 霊長類 / 大脳皮質 / ２光子カルシウムイメージング / 画像統計量 / 側頭葉経路

Outline of Annual Research Achievements

我々が知覚する視覚世界は、形、色、大きさ、奥行き、動きに加えて、状景や物体の表面が持つ構造的/光学的特徴である質感を備えている。質感知覚の神経機構の研究において、テクスチャ（表面材質感を与える肌理や模様）の処理過程の理解は近年大きく進んでいる。ヒトのテクスチャ知覚に利用されている画像統計量群が心理学的に明らかになり、その大脳皮質での処理過程がサルを用いた生理学的実験で探求されている。一次視覚野（V1野）細胞の視覚応答は、空間周波数等の基本的な画像統計量で反応の大部分が説明され高次統計量（フィルタ間の相関等）の影響をあまり受けないのに対し、V2野細胞の反応には高次統計量の影響が強く現れること、さらに上位のV4野では、多数ある画像統計量の内のほんの少数が個々の細胞の応答を決めることが示され、側頭葉経路をV1野からV4野へ向かうにつれてテクスチャ情報の処理が進む様子が判明しつつある。
本研究では、この処理過程の初段での情報処理内容を知る目的で、自然動画を提示している際のサルの初期視覚野（V１野）において２光子 Ca2+イメージングを行い、一計測領域あたり数１０から数１００個の神経細胞の活動を記録した。個々の細胞のCa2+応答を、様々な画像統計量に対する反応の重み付け和から記述予想するモデルの妥当性の検討を行った。今回は、運動エネルギーモデルを基本要素として持つモデルを構成し、どの程度の正確さで持ってV1細胞の反応を予測可能かの基本的検討を行った。実反応と予測反応の間の相関係数は平均0.6であり、これは、電気的に記録した活動電位列においてなされた成績にほぼ匹敵する。この結果は、符号化モデル法により、神経細胞の性質や大脳皮質の機能構築を探求できることを示している。NeuroImage誌に論文として発表を行った。

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。

Research Products

• [Journal Article] Rapid responses of amygdala neurons discriminate facial expressions (2018)
  • Author(s): Inagaki M, Fujita I
  • Journal Title: BioRxiv Volume: 未定 Pages: 1-31
  • DOI: 10.1101/174037
  • Open Access
• [Journal Article] Mapping stimulus feature selectivity in macaque V1 by two-photon Ca 2+ imaging: Encoding-model analysis of fluorescence responses to natural movies (2018)
  • Author(s): Ikezoe Koji、Amano Mahya、Nishimoto Shinji、Fujita Ichiro
  • Journal Title: NeuroImage Volume: 印刷中 Pages: 1-12
  • DOI: 10.1016/j.neuroimage.2018.01.009
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Microstructural properties of the vertical occipital fasciculus explain the variability in human stereoacuity (2018)
  • Author(s): Oishi H, Takemura H, Aoki SC, Fujita I, Amano K
  • Journal Title: BioRxiv Volume: 未定 Pages: 1-21
  • DOI: 10.1101/288753
  • Open Access
• [Journal Article] Switch from ambient to focal processing mode explains the dynamics of free viewing eye movements (2017)
  • Author(s): Junji Ito, Yukako Yamane, Mika Suzuki, Pedro Maldonado, Ichiro Fujita, Hiroshi Tamura, and Sonja Gruen
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 印刷中 Issue: 1 Pages: 1082-1082
  • DOI: 10.1038/s41598-017-01076-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A relative frame of reference underlies reversed depth perception in anticorrelated random-dot stereograms (2017)
  • Author(s): Aoki SC, Shiozaki SM, Fujita I
  • Journal Title: Journal of Vision Volume: 17(12):17 Issue: 12 Pages: 1-17
  • DOI: 10.1167/17.12.17
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Postnatal dendritic growth and spinogenesis of Layer-V pyramidal cells differ between visual, inferotemporal, and prefrontal cortex of the macaque (2017)
  • Author(s): Tomofuji Oga, Guy N. Elston, Ichiro Fujita
  • Journal Title: Frontiers in Neuroscience Volume: 11:118 Pages: 118-118
  • DOI: 10.3389/fnins.2017.00118
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Weighted parallel contributions of binocular correlation and matching signals to conscious perception of depth (2016)
  • Author(s): Ichiro Fujita, Takahiro Doi
  • Journal Title: Philosophical Transaction B Volume: 印刷中 Issue: 1697 Pages: 20150257-20150257
  • DOI: 10.1098/rstb.2015.0257
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Pooled, but not single-neuron, responses in macaque V4 represent a solution to the stereo correspondence problem (2016)
  • Author(s): Mohammad Abdolrahmani, Takahiro Doi, Hiroshi M.
  • Journal Title: Journal of Neurophysiology Volume: 115 Issue: 4 Pages: 1917-1931
  • DOI: 10.1152/jn.00487.2015
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Postnatal development of intrinsic horizontal axons in macaque inferior temporal and primary visual cortices (2016)
  • Author(s): Quanxin Wang, Hisashi Tanigawa, Ichiro Fujita (QW and HT contributed equally to this work)
  • Journal Title: Cerebral Cortex Volume: in press Pages: bhw105-bhw105
  • DOI: 10.1093/cercor/bhw105
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Basal dendrites of layer-III pyramidal neurons do not scale with changes in cortical magnification factor in macaque primary visual cortex (2016)
  • Author(s): Tomofumi Oga, Tsuguhisa Okamoto, Ichiro Fujita
  • Journal Title: Frontiers in Neural Circuits Volume: 10:74 Pages: 74-74
  • DOI: 10.3389/fncir.2016.00074
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Similarity in neuronal firing regimes across mammalian species (2016)
  • Author(s): Yasuhiro Mochizuki, ..., Ichiro Fujita, et al.
  • Journal Title: Journal of Neuroscience Volume: 36 Issue: 21 Pages: 5736-5747
  • DOI: 10.1523/jneurosci.0230-16.2016
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 大脳皮質と深層学習 (2016)
  • Author(s): 三田真志郎、藤田一郎
  • Journal Title: 脳２１ Volume: 19(3) Pages: 98-101
• [Journal Article] 大脳皮質におけるテクスチャ表現 (2016)
  • Author(s): 畑中岳、藤田一郎
  • Journal Title: 脳２１ Volume: 19(4) Pages: 154-157
• [Journal Article] Visual processing in the ventral pathway: shape, face, color, material properties and stereoscopic depth (2016)
  • Author(s): Mikio Inagaki, Ichiro Fujita
  • Journal Title: Brain and Nerve Volume: 68(11) Pages: 1363-1370
  • NAID: 40021002822
• [Presentation] ２光子イメージング法および符号化モデルによる視覚情報処理様式の解明 (2018)
  • Author(s): 藤田一郎、畑中学、池添貢司、竹内遼介、稲垣未来男、西本伸志
  • Organizer: 次世代人工知能シンポジウム2018
• [Presentation] 無理しない』：脳に学ぶ情報処理ストラテジー (2018)
  • Author(s): 藤田一郎
  • Organizer: 次世代人工知能シンポジウム2018
  • Invited
• [Presentation] Human white matter structural properties correlate with individual difference in stereoacuity (2017)
  • Author(s): Oishi H, Takemura H, Aoki SC, Fujita I, Amano K
  • Organizer: Vision Sciences Society Meeting 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Functional architecture of image statistics in macaque V4 (2017)
  • Author(s): Hatanaka G, Ikezoe K, Takeuch RF, Inagaki M, Nishimoto S, Fujita I
  • Organizer: Neuroscience 2017（The 40th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
• [Presentation] Relationship of tuning strength and local tuning diversity of neurons in primate V1 and V4 (2017)
  • Author(s): Takeuchi RF, Ikezoe K, Nishimoto S, Fujita I
  • Organizer: Neuroscience 2017（The 40th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
• [Presentation] サル視覚皮質V1野およびV4野における機能的集合の多様性とその定量的評価 (2017)
  • Author(s): 竹内遼介、池添貢司、西本伸志、藤田一郎
  • Organizer: 視覚科学フォーラム2017 第２１回研究会
• [Presentation] Semi-online determination of preferred stimuli for visual cortex neurons with deep generative networks (2017)
  • Author(s): Mita S, Fujimoto T, Takeuchi R, Tamura H, Fujita I
  • Organizer: 光操作研究会
• [Presentation] 細胞集団による質感情報の符号化、復号化、皮質表現 (2017)
  • Author(s): 畑中岳、池添貢司、竹内遼介、稲垣未来男、西本伸志、藤田一郎
  • Organizer: 質感の集い2017
• [Presentation] 深層生成ネットワークを用いた大脳皮質視覚野神経細胞の最適特徴量オンライン探索 (2017)
  • Author(s): 三田真志郎、藤元大河、竹内遼介、田村弘、藤田一郎
  • Organizer: 質感の集い2017
• [Presentation] Diffusion properties of human visual white matter correlate with stereoacuity (2016)
  • Author(s): Hiroki Oishi, Hiromasa Takemura, Shuntaro C. Aoki, Ichiro Fujita, Kaoru Amano
  • Organizer: Neuroscience 2016, Annural Meeting of Society for Neuroscience
  • Place of Presentation: サンディエゴ（米国）
  • Year and Date: 2016-11-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Response sparseness for natural movies in macaque V1 and V4 estimated by 2-photon calcium imaging (2016)
  • Author(s): Koji Ikezoe, Takanori Fukazawa, Shinji Nishimoto, Shinjiro Mita, Ichiro Fujita
  • Organizer: Neuroscience 2016, Annural Meeting of Society for Neuroscience
  • Place of Presentation: サンディエゴ（米国）
  • Year and Date: 2016-11-12
• [Presentation] 二つの目で見る世界が立体に見える脳のメカニズム (2016)
  • Author(s): 藤田一郎
  • Organizer: 第43回スポーツ心理学会・シンポジウム「三次元世界で物体を認知し働きかけるための脳内メカニズム」
  • Place of Presentation: 北星学園大学（北海道札幌市）
  • Year and Date: 2016-11-04
  • Invited
• [Presentation] 高次視覚野の構成と情報処理 (2016)
  • Author(s): 藤田一郎
  • Organizer: 第57回日本視能矯正学会・シンポジウム「視覚情報処理ネットワークを探る」
  • Place of Presentation: 大阪グランキューブ（大阪府大阪市）
  • Year and Date: 2016-10-15
• [Presentation] Relationship of individual differences in stereoacuity to the visual white matter pathways (2016)
  • Author(s): Hiroki Oishi, Hiromasa Takemura, Shuntaro C. Aoki, Ichiro Fujita, Kaoru Amano
  • Organizer: 第39回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2016-07-20
• [Presentation] Monkeys perceive reversed depth in anti-correlated random dot stereograms (2016)
  • Author(s): Tomofumi Oga, Mitsuhiro Nakatani, Ichiro Fujita
  • Organizer: 第39回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2016-07-20
• [Presentation] Neuronal variability across repeated visual presentation of face: comparison between the temporal cortex and amygdala of monkeys (2016)
  • Author(s): Mikio Inagaki, Ichiro Fujita
  • Organizer: 第39回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2016-07-20
• [Presentation] Population sparseness is lower in V4 than in V1 (2016)
  • Author(s): Shinjiro Mita, Koji Ikezoe, Takanori Fukazawa, Shinji Nishimoto, Ichiro Fujita
  • Organizer: 第39回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2016-07-20
• [Presentation] Simulation of coarse depth judgement based on neural population responses in macaque area MT (2016)
  • Author(s): Toshihide Yoshioka, Takahiro Doi, Mohammad Abdolrahmani, Ichiro Fujita
  • Organizer: 第39回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2016-07-20
• [Presentation] Spatial relation between ocular dominance map and orientation map in layer II of macaque V1 at cellular resolution (2016)
  • Author(s): Ryosuke Takeuchi, Koji Ikezoe, Mikio Inagaki, Kazuhito Hakumoto, Ichiro Fujita
  • Organizer: 第39回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2016-07-20
• [Presentation] 脳がつくる３D世界～立体視のメカニズム (2016)
  • Author(s): 藤田一郎
  • Organizer: 第72回日本弱視斜視学会総会（JASA）・第41回日本小児眼科学会総会（JAPO）合同学会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2016-06-24
  • Invited
• [Presentation] 両眼立体視を支える２つの計算過程とその神経メカニズム (2016)
  • Author(s): 藤田一郎
  • Organizer: 生理学研究所研究会「視知覚の総合的理解を目指してー生理学、心理物理学、計算論」
  • Place of Presentation: 生理学研究所（愛知県岡崎市）
  • Year and Date: 2016-06-09
  • Invited
• [Presentation] What fraction of neurons is active when one views natural scenes?: Response sparseness in macaque cortical areas V1 and V4 estimated by 2-photon calcium imaging (2016)
  • Author(s): Ichiro Fujita, Takanori Fukazawa, Shinji Nishimoto, Shinjiro Mita, Koji Ikezoe
  • Organizer: ICN 2016-International Congress of Neuroethology
  • Place of Presentation: モンテビデオ（ウルグアイ）
  • Year and Date: 2016-04-01
  • Int'l Joint Research
• [Funded Workshop] Vision over vision: man, monkey, machine, and network models (2016)
  • Place of Presentation: 大阪大学脳情報通信融合研究センター（大阪府吹田市）