Computational Modeling of Dynamical Social Interaction in Non-Human Primates

• Project Area: Correspondence and Fusion of Artificial Intelligence and Brain Science
• Project/Area Number: 19H04996
• 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: National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology
• Principal Investigator: 三村 喬生 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 放射線医学総合研究所 脳機能イメージング研究部, 研究員(任常) (60747377)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥11,180,000 (Direct Cost: ¥8,600,000、Indirect Cost: ¥2,580,000); Fiscal Year 2020: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000); Fiscal Year 2019: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
• Keywords: 社会性 / 霊長類 / 化学遺伝学 / 機械学習 / 社会行動 / データ駆動 / モーション解析 / マーモセット / 脳イメージング / 社会脳 / モーショントラッキング

Outline of Research at the Start

社会性とは、他者の振る舞いからその内部の状態（感情や意図など）を推測し、それに対して適切に自己を制御する事で、集団として適応的な行動を実現する能力である。その背景にある神経回路システムは高度に複雑であり全容は明らかでない。そこで本研究では、人工知能技術を用いた新規の行動解析技術を開発し、小型霊長類コモン・マーモセットの非言語コミュニケーションを詳細に分析する。更に、遺伝学的手法により脳の活動を局所的に制御しその影響を多角的にイメージングする事で、これまで社会性障害の責任領域として候補に挙がってきた神経回路システムが、自然な社会的交流に対して与える影響を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

社会性は相互作用のなかで他者の意図や意思を汲み取り、また適切に伝達する機能である。この社会的相互作用において言語に依らない情報伝達プロセスについて神経機能ー行動を結びつけた包括的な理解は進んでいない。
そこで本研究では、ヒトに類似した脳構造と豊かな社会性行動で知られる小型霊長類コモン・マーモセットを用い、神経科学・人工知能双方の研究分野から社会脳と社会性行動のリンクを探索することを目的とした。
神経科学研究として、脳局所の神経活動を一過的に制御する手法をマーモセットに実装した。これは化学遺伝学と呼ばれる技術であり、ウィルスベクタを用いて人工受容体を神経細胞上に発現させたうえで、そのアゴニストを全身投与することにより当該細胞の活動性を一定期間制御することができる。ドーパミン神経系における実証実験を完了し、現在主著論文を投稿中である。
人工知能研究として、行動のシークエンスをモーション・トラッキングしたうえで、時系列構造に内在する動作単位や構文構造の解析アルゴリズムの開発を行った。ガウス過程を組み込んだ状態空間モデルの有用性を実証実験を通じて検証し、その成果を国内外の学会にて発表した。現在、論文執筆を進めている。
これらの研究成果を踏まえ、社会脳ネットワークの主要な構成要素として知られる扁桃体の一過的な機能抑制モデル動物の作出を完了し、社会的場面における行動変容のデータ駆動抽出および定量評価を進めている。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] National Institutes of Health(米国)
• [Journal Article] Chemogenetic activation of nigrostriatal dopamine neurons in freely moving common marmosets (2021)
  • Author(s): Mimura Koki、Nagai Yuji、Inoue Ken-ichi、Matsumoto Jumpei、Hori Yukiko、Sato Chika、Kimura Kei、Okauchi Takashi、Hirabayashi Toshiyuki、Nishijo Hisao、Yahata Noriaki、Takada Masahiko、Suhara Tetsuya、Higuchi Makoto、Minamimoto Takafumi
  • Journal Title: bioRxiv Volume: online
  • DOI: 10.1101/2021.01.29.428749
  • Open Access
• [Journal Article] Deschloroclozapine, a potent and selective chemogenetic actuator enables rapid neuronal and behavioral modulations in mice and monkeys (2020)
  • Author(s): Nagai Yuji, Miyakawa Naohisa et al.
  • Journal Title: Nature Neuroscience Volume: 23 Issue: 9 Pages: 1157-1167
  • DOI: 10.1038/s41593-020-0661-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Genetically targeted reporter imaging of deep neuronal network in the mammalian brain (2020)
  • Author(s): Shimojo M, Ono M, Takuwa H, Mimura K, Nagai Y, Fujinaga M, Kikuchi T, Okada M, Seki C, Tokunaga M, Maeda J, Takado Y, Takahashi M, Minamihisamatsu T, Zhang M, Tomita Y, Suzuki N, Maximov A, Suhara T, Minamimoto T, Sahara N, Higuchi M
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2020.04.08.032870
  • Open Access
• [Journal Article] Abnormal axon guidance signals and reduced interhemispheric connection via anterior commissure in neonates of marmoset ASD model (2019)
  • Author(s): Mimura K, Oga T, Sasaki T, Nakagaki K, Sato C, Sumida K, Hoshino K, Saito K, Miyawaki I, Suhara T, Aoki I, Minamimoto T, Ichinohe N
  • Journal Title: NeuroImage Volume: 印刷中 Pages: 243-251
  • DOI: 10.1016/j.neuroimage.2019.04.006
  • NAID: 120007133606
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Deschloroclozapine: a potent and selective chemogenetic actuator enables rapid neuronal and behavioral modulations in mice and monkeys (2019)
  • Author(s): Nagai Y, Miyakawa N, et al.
  • Journal Title: bioRxiv Volume: - Pages: 1157-1167
  • DOI: 10.1101/854513
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Unsupervised temporal segmentation of marmoset goal-directed behavior (2021)
  • Author(s): Mimura Koki
  • Organizer: The Tenth International Symposium on Biology of Decision Making
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 霊長類における身体動作時系列の分節推移構造推定 (2019)
  • Author(s): 三村喬生， 中村友昭， 松本惇平， 西条寿夫， 須原哲也， 持橋大地， 南本敬史
  • Organizer: 人工知能学会全国大会
• [Presentation] A chemogenetic toolbox with multimodal imaging and motion tracking for free marmoset behavior (2019)
  • Author(s): Koki Mimura, Jumpei Matsumoto, chika Sato, Kei Kimura, Yukiko Hori, Yuji Nagai, Ken-Ichi Inoue, Ichio Aoki, Hisao Nishijo, Tetuya Suhara, Masahiko Takada, Noriaki Yahata, Takafumi MInamimoto
  • Organizer: 2019 Marmoset Bioscience symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A novel ligand “deschloroclozapine” selectively visualizes and activates chemogenetic receptors in non-human primates (2019)
  • Author(s): Nagai Y, Miyakawa N, Takuwa H, Hori H, Oyama K, Ji B, Takahashi M, Haung XP, Slocum ST, Xiong Y, Hirabayashi T, Fujimoto A, Mimura K, English JG, Liu J, Inoue K, Kumata K, Seki C, Ono M, Shimojo M, Zhang MR, Tomita Y, Suhara T, Takada M, Higuchi M, Jin J, Roth BL, Minamimoto T
  • Organizer: Brain and BrainPET 2019
  • Int'l Joint Research
• [Book] 実践Data Scienceシリーズ データ分析のためのデータ可視化入門 (2021)
  • Author(s): キーラン・ヒーリー、瓜生 真也、江口 哲史、三村 喬生
  • Total Pages: 368
  • Publisher: 講談社
  • ISBN: 4065164044