時系列信号によるコミュニケーションを司る神経情報表現の解明

• Project Area: The study on the neural dynamics for understanding communication in terms of complex hetero systems
• Project/Area Number: 22120521
• 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: Hokkaido University (2011); The Institute of Physical and Chemical Research (2010)
• Principal Investigator: 西川 淳 北海道大学, 大学院・情報科学研究科, 特任講師 (20392061)
• Project Period (FY): 2010 – 2011
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2011)
• Budget Amount: ¥11,960,000 (Direct Cost: ¥9,200,000、Indirect Cost: ¥2,760,000); Fiscal Year 2011: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2010: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
• Keywords: カントールコーディング / 多点同時記録 / 局所回路 / 時系列処理 / 神経情報表現 / ジュウシマツ / コミュニケーション / 状態遷移 / 隠れマルコフモデル

Research Abstract

複雑な時系列信号によるコミュニケーションを司る神経メカニズムを解明するため、複雑な囀りを生成・学習できるジュウシマツのHVCという神経核に注目した研究を行った。まず、微小領域に記録点を多数集めることのできる32-ch高密度シリコン電極を用いて、当該神経核内から多数のニューロン活動をなるべく多く、かつ安定的に同時記録する方法を確立した。次に、ジュウシマツにおいて実際に生物学的に意味のある形で使われているさえずりの音要素からランダム系列入力を作成し、その聴覚刺激に対するネットワークレベルの神経応答を計測し、カントールコーディングの観点から詳細に解析を行った。それぞれの音要素系列ごとに各ニューロンの平均発火率の時間変化を調べたところ、ニューロン活動には少なくとも3つ前までの状態依存性が見出され、カントールコーディングの必要条件の一つが満たされていた。しかしながら、多数のニューロン活動のデータに主成分分析を施し、それぞれの系列への神経応答のパターンがどの程度オーバーラップするかを調べたところ、クラスター間の分離が悪いことが分かった。その原因の一つは、同時記録されたニューロン活動がかなり同期しているために、多数のニューロン活動のデータを全て用いてもクラスターの分離が良くならないからであることが判明した。以上の結果から、ジュウシマツにおける時系列情報表現はHVCに限局するのではなく、他の脳領域と一体となって表現されていることが示唆された。例えば、RA, Area X, LMANといった他の脳領域からも同時に神経活動を記録することで、クラスターの分離が良くなると期待される。もしそういった結果が得られるのであれば、時系列信号の情報はジュウシマツにおいていくつかの脳領域に分散的に表現されているということが明らかとなるだろう。

Research Products

• [Journal Article] Extracting state transition dynamics from multiple spike trains using hidden Markov models with correlated Poisson distribution. (2010)
  • Author(s): Kentaro Katahira, Jun Nishikawa, Kazuo Okanoya, Masato Okada
  • Journal Title: Neural Computation Volume: 22 Pages: 2369-2389
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Functional networks extracted by simultaneous multi-neuronal recording from the Bengalese finch HVC microcircuit (2011)
  • Author(s): Jun Nishikawa, Kazuo Okanoya
  • Organizer: The 1st annual Songbird Satellite Meeting in the 41st Annual Meeting of Society for Neuroscience (Neuroscience 2011)
  • Place of Presentation: Walter E.Washington Convention Center (Washington DC, USA)
  • Year and Date: 2011-11-11
• [Presentation] Cantor coding of song sequence in the Bengalese finch HVC (2011)
  • Author(s): Jun Nishikawa, Kazuo Okanoya
  • Organizer: The 3rd International Conference on Cognitive Neurodynamics
  • Place of Presentation: Niseko (Hokkaido)
• [Presentation] ジュウシマツにおける囀り時系列の神経表現 (2011)
  • Author(s): 西川淳
  • Organizer: 日本動物心理学会・日本動物行動学会・応用動物行動学会・日本家畜管理学会による合同大会(Animal2011)
  • Place of Presentation: 慶應大学(東京都)(招待講演)
• [Presentation] Neural representation of song sequence in birds (2011)
  • Author(s): Jun Nishikawa, Kazuo Okanoya
  • Organizer: 第34回日本神経科学大会(Neuroscience 2011)
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜(横浜市)(招待講演)
• [Presentation] 鳥類歌中枢HVCにおけるカントールコーディングのin vivoによる実験的検証 (2010)
  • Author(s): 西川淳, 岡ノ谷一夫
  • Organizer: 包括脳ネットワーク 夏のワークショップ
  • Place of Presentation: 札幌
• [Book] "Cantor coding of song sequence in the Bengalese finch HVC", in Advances in Cognitive Neurodynamics (III) (2012)
  • Author(s): Jun Nishikawa, Kazuo Okanoya
  • Publisher: Springer(発行決定)
• [Remarks]
  • URL: http://tt-lab.ist.hokudai.ac.jp/
• [Remarks]
  • URL: http://www013.upp.so-net.ne.jp/nisikawa/