メゾ回路内の情報伝達から発火活動を理解する

• Project Area: Mesoscopic neurocircuitry: towards understanding of the functional and structural basis of brain information processing
• Project/Area Number: 23115512
• 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: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 田中 琢真 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 助教 (40526224)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2012: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2011: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: 神経回路 / 神経情報処理 / 情報量最大化 / 理論神経科学 / 局所回路 / リカレントネットワーク

Outline of Annual Research Achievements

フィードフォワードネットワークにおいて，入力から出力へ伝達される情報量ができるだけ大きくなるように結合を変化させる学習則を導いた．この回路で写真の一部を切り出したものを入力として使い，学習を行うと，出力素子は単純型細胞に類似した選択性を持つようになる．さらにこの単純型細胞的な素子の出力を入力としてフィードフォワードネットワークの次の層の学習を行うと，第二出力層の素子は複雑型細胞にきわめてよく類似した選択性を持つようになることがわかった．具体的には，線分の平行移動に対して応答が変化せず，方位選択性は単純型細胞よりもやや弱く，受容野の中心に最適方位と直交する方位の線分を提示すると抑制され，古典的受容野の外に最適方位に一致する方位の線分を提示すると抑制され，古典的受容野の外に最適方位に直交する方位の線分を提示すると興奮を示す．すなわち，phase invariance，orientation alignment suppression, orientation contrast facilitationを示した．さらに，超複雑型細胞の特徴として知られるend-stoppingを示す素子もあり，この多層フィードフォワードネットワークモデルは単純型細胞・複雑型細胞・超複雑型細胞の三種類，すなわち皮質一次視覚野に存在するとされる細胞すべての選択性を再現できることがわかった．これによって，単純型細胞と同様に複雑型細胞の選択性も皮質が保持する情報量を最大化しているという仮説から説明されることが明らかになった．さらに，このモデルの結果から逆に考えると，複雑型細胞の本質は並進変換不変性を持つことではなく，むしろテクスチャの境界に対して応答することであることがわかった．

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] スパースな非対称結合をもつリカレントニューラルネットワークにおける確率的状態遷移の解析 (2012)
  • Author(s): 緒方惟高, 田中琢真, 中村清彦
  • Journal Title: 電子情報通信学会技術研究報告 Volume: 111(483) Pages: 165-169
  • NAID: 110009546305
• [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
• [Presentation] 情報量最大化モデルによる初期視覚野の選択性の説明 (2013)
  • Author(s): 藤原謙三郎
  • Organizer: 日本物理学会第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島大学（広島県）
  • Year and Date: 2013-03-26
• [Presentation] 脳幹・皮質の聴覚関連細胞の刺激選択性 (2013)
  • Author(s): 田中琢真
  • Organizer: 日本物理学会第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島大学（広島県）
  • Year and Date: 2013-03-26
• [Presentation] 目標設定および達成が与える内発的動機づけへの影響の実験的検証 (2013)
  • Author(s): 井浦陽一郎
  • Organizer: NC研究会
  • Place of Presentation: 玉川大学（東京都）
  • Year and Date: 2013-03-13
• [Presentation] 情報量最大化原理による複雑型細胞の選択性の説明―視覚野の細胞の選択性はなぜ成立するのか― (2012)
  • Author(s): 田中琢真
  • Organizer: 生理学研究所研究会「大脳皮質の作動原理究明をめざして」
  • Place of Presentation: 生理学研究所（愛知県）
  • Year and Date: 2012-12-06
  • Invited
• [Presentation] 三体相互作用を持つ位相振動子ネットワークに生じる複数の「連続的」なアトラクタについて (2012)
  • Author(s): 太田絵一郎
  • Organizer: 数理解析研究所研究集会「力学系の作る集団ダイナミクスー保存系・散逸系の枠組みを越えてー」
  • Place of Presentation: 京都大学（京都府）
  • Year and Date: 2012-09-26
• [Presentation] Multiple line attractors induced by three-body interactions among neuronal oscillators (2012)
  • Author(s): Kaiichiro Ota
  • Organizer: 第35回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場（愛知県）
  • Year and Date: 2012-09-18
• [Presentation] Information maximization of a multi-layered neuronal network generates complex cell-like neurons selective to the boundaries of textures (2012)
  • Author(s): Takuma Tanaka
  • Organizer: 第35回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場（愛知県）
  • Year and Date: 2012-09-18
• [Presentation] 多層神経回路の情報量最大化によって複雑型細胞の選択性を再現する (2012)
  • Author(s): 田中琢真
  • Organizer: 日本神経回路学会第22回全国大会
  • Place of Presentation: 名古屋工業大学（愛知県）
  • Year and Date: 2012-09-12
• [Presentation] 複雑型細胞の選択性の情報量最大化による説明 (2012)
  • Author(s): 田中琢真
  • Organizer: 2012年度包括脳ネットワーク夏のワークショップ
  • Place of Presentation: 仙台国際センター（宮城県）
  • Year and Date: 2012-07-24
• [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(兵庫県)
  • Year and Date: 2012-03-25
• [Presentation] 時系列刺激を弁別する回路に出現する単純で疎な発火パターン (2012)
  • Author(s): 田中琢真, 中村清彦
  • Organizer: 日本物理学会第67回年次大会
  • Place of Presentation: 関西学院大学(兵庫県)
  • Year and Date: 2012-03-24
• [Presentation] スパースな非対称結合をもつリカレントニューラルネットワークにおける確率的状態遷移の解析 (2012)
  • Author(s): 緒方惟高, 田中琢真, 中村清彦
  • Organizer: NC研究会(玉川大学)
  • Place of Presentation: 玉川大学(東京都)
  • Year and Date: 2012-03-15
• [Presentation] Efficient coding of sparse temporal sequences in neuronal networks (2011)
  • Author(s): Takuma Tanaka, Kiyohiko Nakamura
  • Organizer: 神経回路学会第21回全国大会
  • Place of Presentation: OIST(沖縄県)
  • 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: 神経回路学会第21回全国大会
  • Place of Presentation: OIST(沖縄県)
  • Year and Date: 2011-12-16
• [Presentation] 振動子の流動による振動の一様化 (2011)
  • Author(s): 田中琢真, 青木高明
  • Organizer: 日本物理学会2011年秋期大会
  • Place of Presentation: 富山大学(富山県)
  • Year and Date: 2011-09-23
• [Presentation] 回路の単純性と細胞の発火パターン (2011)
  • Author(s): 田中琢真
  • Organizer: 第34回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜(神奈川県)
  • Year and Date: 2011-09-17
• [Remarks] 研究紹介
  • URL: http://www.brn.dis.titech.ac.jp/~ttakuma/research.html
• [Remarks]
  • URL: http://www.brn.dis.titech.ac.jp/~ttakuma/