複数のリズムが絡んだ局所神経回路の解析と機能的意味の検証

• Project Area: Mesoscopic neurocircuitry: towards understanding of the functional and structural basis of brain information processing
• Project/Area Number: 23115511
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 青柳 富誌生 京都大学, 情報学研究科, 准教授 (90252486)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2012: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2011: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: リズム / 神経ネットワーク / 振動子 / 同期 / 力学系 / 位相振動子

Outline of Annual Research Achievements

高等動物の大脳新皮質から昆虫や軟体動物などの神経系には，しばしばリズミックな神経活動が見られる．しかし，その機能的役割や発生メカニズムは十分に解明されているとは言えない．本研究の目的は，局所神経回路のレベルでリズムがどのような意義を持つのか数理モデルを用いて解明することである．そのために実験的知見に基づき具体的な神経回路のモデルを構築し理論的に検証を行った．
我々は，まずリズムを持った神経集団が３体間シナプス相互作用することで，複数のアナログ情報を保持できることを示した．具体的には，複数ニューロン間のスパイク間の同期の度合い（同期度パラメータで定量可能）に，連続量をコード可能なこと示した．
更に，リズミックな神経活動の実データからリズム力学系を推定する手法の開発も，予備的な試みであるが，行った．メゾ神経回路にはＬＦＰなどのリズミックな神経活動がしばしば観測されるが，それらのデータを解析する手法は，特にリズムというダイナミクスの視点で，十分に研究されているとは言えない．今回我々は，リズミックな神経活動のデータをリミットサイクル振動子の相互作用集団と見なし，それらの結合関数などを推定する統計的手法の開発に着手した．この手法は，ベイズ統計の枠組みを用いている．人口データによるパフォーマンスの検証では，データ数の増加に応じて推定結果が正解に近づいていくことを確認した．この手法の特徴は，詳細モデルを経由せずに，神経データから直接縮約した力学系を推定する点である．特に協調したい利点として，未知の生理学的機構があったとしても，それを織り込み済みの力学系に立脚した数理モデルが得られ，元の神経系の特徴を捉えることが可能である点である．

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Replicating receptive fields of simple and complex cells in primary visual cortex in a neuronal network model with temporal and population sparseness and reliability. (2012)
  • Author(s): Tanaka T, Aoyagi T, Kaneko T
  • Journal Title: Neural Computation Volume: vol. 24 (no. 10) Issue: 10 Pages: 2700-2725
  • DOI: 10.1162/neco_a_00341
  • NAID: 120005243445
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Scale-Free Structures Emerging from Co-evolution of a Network and the Distribution of a Diffusive Resource on it (2012)
  • Author(s): T. Aoki, T. Aoyagi
  • Journal Title: Physical review letters Volume: Vol.109(20) Issue: 20 Pages: 208702-208702
  • DOI: 10.1103/physrevlett.109.208702
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Self-organized network of phase oscillators coupled by activity-denendent interactions (2011)
  • Author(s): Takaaki Aok, Toshio Aoyagi
  • Journal Title: Physical Review E Volume: vol.84Issue 6 Issue: 6 Pages: 66109-66109
  • DOI: 10.1103/physreve.84.066109
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Multi-stable attractors in a network of phase oscillators with three-body interactions (2011)
  • Author(s): Takuma Tanaka, Toshio Aoyagi
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: vol.106Issue 22 Issue: 22 Pages: 224101-224101
  • DOI: 10.1103/physrevlett.106.224101
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Asymmetric neighborhood functions accelerate ordering process of self-organizing maps (2011)
  • Author(s): Kaiichiro Ota, Takaaki Aoki, Koji Kurata, Toshio Aoyagi
  • Journal Title: Physical Review E Volume: vol.83Issue 2 Issue: 2 Pages: 21903-21903
  • DOI: 10.1103/physreve.83.021903
  • NAID: 120003001326
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 縮約力学系としての位相振動子ネットワークを時系列データから統計的に推定する手法 (2013)
  • Author(s): 太田絵一郎, 青柳富誌生
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 広島大学 東広島キャンパス
  • Year and Date: 2013-03-26
• [Presentation] 自然振動数分布が異なる複数振動子集団のダイナミクス (2013)
  • Author(s): 寺田裕, 青柳富誌生
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 広島大学 東広島キャンパス
  • Year and Date: 2013-03-26
• [Presentation] 動的なネットワーク上の反応拡散系におけるミクロな非定常性 (2013)
  • Author(s): 八幡晃一郎,青木高明,青柳富誌生
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 広島大学 東広島キャンパス
  • Year and Date: 2013-03-26
• [Presentation] 位相感受性の実験計測によるカオスの位相記述 (2013)
  • Author(s): 今井貴史, 太田絵一郎, 末谷大道, 青柳富誌生
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 広島大学 東広島キャンパス
  • Year and Date: 2013-03-26
• [Presentation] リカレント結合ニューロン系の確率ダイナミクスにおいて局所的学習を可能にする条件について (2013)
  • Author(s): 早川隆, 金子武嗣, 青柳富誌生
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 広島大学 東広島キャンパス
  • Year and Date: 2013-03-26
• [Presentation] Two populations of phase oscillators with different distributions of natural frequencies, (2013)
  • Author(s): Yu Terada and Toshio Aoyagi
  • Organizer: GCOE Symposium Development of emergent new fields
  • Place of Presentation: Kyoto University
  • Year and Date: 2013-02-12
• [Presentation] Co-evolving Network Dynamics between Reaction-Diffusive Resources on Nodes and Weighted Connections (2012)
  • Author(s): Takaaki Aoki, Toshio Aoyagi
  • Organizer: 2012 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications (NOLTA 2012)
  • Place of Presentation: Palma, Majorca, Spain
  • Year and Date: 2012-10-22
• [Presentation] 大脳皮質神経回路モデルの探索: モンテカルロ法による学習則のサンプリング (2012)
  • Author(s): 早川 隆, 伊庭 幸人, 金子 武嗣, 青柳 富誌生
  • Organizer: 日本神経科学学会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場
  • Year and Date: 2012-09-18
• [Presentation] 神経振動子間の三体相互作用により誘起される複数のラインアトラクタ (2012)
  • Author(s): 太田 絵一郎, 田中 琢真, 青柳 富誌生
  • Organizer: 日本神経科学学会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場
  • Year and Date: 2012-09-18
• [Presentation] リカレントネットワーク上の学習アルゴリズムのためのスパース条件についての考察: リカレントインフォマックスを例として (2012)
  • Author(s): 早川 隆, 金子 武嗣, 青柳 富誌生
  • Organizer: 日本神経回路学会
  • Place of Presentation: 名古屋工業大学
  • Year and Date: 2012-09-12
• [Presentation] Monte Carlo sampling of learning rules on neuronal networks (2012)
  • Author(s): Takashi Hayakawa, Yukito Iba, Takeshi Kaneko and Toshio Aoyagi
  • Organizer: Bayesian Inference and Stochastic Computation 2012 Workshop
  • Place of Presentation: Institute of Statistical Mathematics, Tokyo
  • Year and Date: 2012-06-22
• [Presentation] 結合力学系に基づくネットワーク構造形成過程の解明 (2012)
  • Author(s): 青木高明, 青柳富誌生
  • Organizer: 日本物理学会第67回年次大会
  • Place of Presentation: 関西学院大学西宮上ヶ原キャンパス
  • Year and Date: 2012-03-26
• [Presentation] 三体間相互作用を持つ振動子連想記憶モデルにおける複数の連続アトラクタ (2012)
  • Author(s): 太田絵一郎, 田中琢真, 青柳富誌生
  • Organizer: 日本物理学会第67回年次大会
  • Place of Presentation: 関西学院大学西宮上ヶ原キャンパス
  • Year and Date: 2012-03-25
• [Presentation] 結合が変化するネットワーク力学系のダイナミクス (2012)
  • Author(s): 青柳富誌生
  • Organizer: 物性理論コロキウム
  • Place of Presentation: 新潟大学理学部物理学科物質生産棟
  • Year and Date: 2012-01-25
• [Presentation] ニューロンの3体相互作用とアナログ情報の記憶メカニズム (2012)
  • Author(s): 青柳富誌生
  • Organizer: 第4回HHS領域会議
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス
  • Year and Date: 2012-01-19
• [Presentation] 変化するネットワーク上の結合力学系のダイナミクス (2012)
  • Author(s): 青柳富誌生, 青木高明
  • Organizer: 自律分散システム部会研究会
  • Place of Presentation: 京都大学 百周年時計台記念館
  • Invited
• [Presentation] Asympototic behavior in a co-evolving network of neurons with synaptic plasticity (2011)
  • Author(s): Yuri Kamitani, Takaaki Aoki, Toshio Aoyagi
  • Organizer: 日本神経回路学会第21回全国大会
  • Place of Presentation: 沖縄科学技術大学院大学
  • Year and Date: 2011-12-16
• [Presentation] Exploration for cortical dynamics : Monte Carlo sampling of learning rules (2011)
  • Author(s): Takashi Hayakawa, Takeshi Kaneko, Yukito Iba, Toshio
  • Organizer: 日本神経回路学会第21回全国大会
  • Place of Presentation: 沖縄科学技術大学院大学
  • Year and Date: 2011-12-16
• [Presentation] Emergence of multiple continuous attractors in coupled neuronal oscillators by inclusion of three-body interactions (2011)
  • Author(s): Kaiichiro Ota, Takuma Tanaka, Toshio Aoyagi
  • Organizer: 日本神経回路学会第21回全国大会
  • Place of Presentation: 沖縄科学技術大学院大学
  • Year and Date: 2011-12-16
• [Presentation] 振動子の最適同期をもたらすネットワークの形 (2011)
  • Author(s): 茶碗谷毅, 伊賀志朗, 伊庭幸人, 青柳富誌生
  • Organizer: 第72回形の科学シンポジウム
  • Place of Presentation: 鹿児島大学郡元キャンパス
  • Year and Date: 2011-12-10
• [Presentation] 位相記述可能性の観点で見た周期性の強いカオスの特徴 (2011)
  • Author(s): 今井貴史, 末谷大道, 青柳富誌生
  • Organizer: 第72回形の科学シンポジウム
  • Place of Presentation: 鹿児島大学郡元キャンパス
  • Year and Date: 2011-12-10
• [Presentation] 相手か戦略のどちらを変えるか、その多様性が協力を促進する (2011)
  • Author(s): 生川亮太, 筒広樹, 青柳富誌生
  • Organizer: 日本物理学会2011年秋季大会
  • Place of Presentation: 富山大学五福キャンパス
  • Year and Date: 2011-09-23
• [Presentation] 複数周期WSTA法での位相応答曲線計測に対する理論的考察 (2011)
  • Author(s): 今井貫史, 太田絵一郎, 末谷大道, 青柳富誌生
  • Organizer: 日本物理学会2011年秋季大会
  • Place of Presentation: 富山大学五福キャンパス
  • Year and Date: 2011-09-23
• [Presentation] ネットワーク結合変化と拡散による状態変化との相互作用が生み出すスケールフリー (2011)
  • Author(s): 青木高明, 青柳富誌生
  • Organizer: 日本物理学会2011年秋季大会
  • Place of Presentation: 富山大学五福キャンパス
  • Year and Date: 2011-09-23
• [Presentation] 最適同期ネットワークにおけるトポロジーとウェイトの関係 (2011)
  • Author(s): 藤井俊彦, 青柳富誌生
  • Organizer: 日本物理学会2011年秋季大会
  • Place of Presentation: 富山大学五福キャンパス
  • Year and Date: 2011-09-23
• [Presentation] Self-organzing network of coupled neural oscillators with synaptic plasticity (2011)
  • Author(s): Takaaki Aoki, Yuri Kamitani, Toshio Aoyagi
  • Organizer: 2011 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications (NOLTA 2011)
  • Place of Presentation: 神戸市産業振興センター
  • Year and Date: 2011-09-06
• [Presentation] リズムと同期の数理モデル-神経ネットワークを中心として- (2011)
  • Author(s): 青柳富誌生
  • Organizer: 応用数学連携フォーラム「第1回生命科学者のための使える数学セミナー」
  • Place of Presentation: 東北大学加齢研
  • Year and Date: 2011-07-06