Inferring network structures and activity patterns from neuronal signals

• Project Area: Correspondence and Fusion of Artificial Intelligence and Brain Science
• Project/Area Number: 17H06028
• 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: Kyoto University
• Principal Investigator: 篠本 滋 京都大学, 理学研究科, 准教授 (60187383)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2018: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2017: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: 神経信号相関 / 生体生命情報学

Outline of Annual Research Achievements

30年度は，イベント時系列データから外因と内因の影響を読み取る枠組みを構築し，論文「Identifying exogenous and endogenous activity in social media. K. Fujita, A. Medvedev, S. Koyama, R. Lambiotte, and S. Shinomoto,Physical Review E (2018) 98:052304」を発表した．システム内でのイベント発生は，外部の要因によって引き起こされるか，系内部の自己励起によって引き起こされるかのどちらか，あるいは両方によっている．ここでは自己励起機構を備えた一般化線形モデル（GLM）をデータにフィットさせることで外部時間変動と自己励起効果を選り分けてみせる．非線形Hawkesプロセスのシミュレーションによって生成されたデータでその手法が働くことを確認し，それを特定のハッシュタグをもったツイッターデータに応用した．ニュースメディアなどによる外因とリツィートによるイベントカスケード発生の影響を選り分けたところ，外因と内因がオリジナルツィートとリツィートに近い様子を示した．社会データの解析においてはまだ十分なノウハウがなかったので，ベルギーの研究者達の協力も得て国際共同研究としてまとめることができた．方法論は一般性の高い枠組なので，今後も多くのイベント時系列に応用することが可能と考えている．研究課題の「神経信号からネットワーク構造を推定し，そこに発現する活動パターンを予測する」については神経細胞が互いの結合を通して信号を交換している有様をGLMを用いて神経細胞間の回路構造を推定する枠組みも構築し，現在論文執筆中である．そこでは1000個のホジキンハクスリー型ニューロンのシミュレーションを行って検証したところ，高い推定能力を有することが明らかになり，それを実験で得られたデータに応用している．

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Namur(Belgium)
• [Int'l Joint Research] CMA(米国)
• [Journal Article] Identifying exogenous and endogenous activity in social media (2018)
  • Author(s): Fujita Kazuki、Medvedev Alexey、Koyama Shinsuke、Lambiotte Renaud、Shinomoto Shigeru
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 98 Issue: 5 Pages: 052304-052304
  • DOI: 10.1103/physreve.98.052304
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Computational Neuroscience: Mathematical and Statistical Perspectives (2018)
  • Author(s): Kass Robert E.、Amari Shun-Ichi、Arai Kensuke、Brown Emery N.、Diekman Casey O.、Diesmann Markus、Doiron Brent、Eden Uri T.、Fairhall Adrienne L.、Fiddyment Grant M.、Fukai Tomoki、Gr?n Sonja、Harrison Matthew T.、Helias Moritz、Nakahara Hiroyuki、Teramae Jun-nosuke、et.al
  • Journal Title: Annual Review of Statistics and Its Application Volume: 5 Issue: 1 Pages: 183
  • DOI: 10.1146/annurev-statistics-041715-033733
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Correlations and forecast of death tolls in the Syrian conflict. (2017)
  • Author(s): K. Fujita, S. Shinomoto, and L.E.C. Rocha
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 7 Issue: 1 Pages: 15737-15737
  • DOI: 10.1038/s41598-017-15945-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Inferring the source of fluctuations in neuronal activity (2018)
  • Author(s): Shigeru Shinomoto and Kazuki Fujita
  • Organizer: Neural Coding workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Estimation of synaptic connections from parallel spike trains (2018)
  • Author(s): Ryota Kobayashi, Shuhei Kurita, Katsunori Kitano, Kenji Mizuseki, Barry J. Richmond, Shigeru Shinomoto
  • Organizer: Neural Coding workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Emergence of cascades in the linear and nonlinear Hawkes processes (2017)
  • Author(s): Shigeru Shinomoto
  • Organizer: BIRS workshop “Brain Dynamics and Statistics: Simulation versus Data”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Inferring the origin of nonstationary fluctuation in event occurrences. (2017)
  • Author(s): Kazuki Fujita, Shinsuke Koyama, and Shigeru Shinomoto
  • Organizer: Eighth International Workshop Statistical Analysis of Neuronal Data (SAND8)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Inferring the source of fluctuation in neuronal activity. (2017)
  • Author(s): Shigeru Shinomoto
  • Organizer: ICERM on Integrating Dynamics and Statistics in Neuroscience
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] Toolbox for constructing the best histograms
  • URL: http://www.ton.scphys.kyoto-u.ac.jp/~shino/histograms/
• [Funded Workshop] Fluctuations of event occurrences in a variety of networks (2017)