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集団発火時系列に対する情報量解析を用いた大脳皮質情報処理機構の解析

Publicly Offered Research

Project AreaMesoscopic neurocircuitry: towards understanding of the functional and structural basis of brain information processing
Project/Area Number 23115524
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Biological Sciences
Research InstitutionThe Institute of Physical and Chemical Research

Principal Investigator

竹川 高志  独立行政法人理化学研究所, 脳回路機能理論研究チーム, 研究員 (50415220)

Project Period (FY) 2011-04-01 – 2013-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2012)
Budget Amount *help
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2012: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2011: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Keywords神経回路 / 発火時系列 / 情報処理 / カーネル法 / 符号化・復号化 / 情報量解析 / 発火率 / 高次相関 / 神経細胞集団
Outline of Annual Research Achievements

様々な運動や知覚に対して個々の神経細胞がどのように反応するか,あるいはどのような部位の活動が上昇するかなど脳の活動のミクロおよびマクロな性質は詳細に研究されている.一方,脳内では多数の神経細胞の集団活動によって情報が表現されていると考えているにもかかわらず,数百個レベルの集団発火時系列がどのように情報を表現しているかは, 未だに明らかにされてはいない.本研究では,どのような復号化を行えば神経細胞のあるいはネットワークの発火時系列の情報量が最大となるかを解析する手法を提案し,脳部位や神経細胞ごとに異なると予想される符号化方法の違いを詳細に解析した.
共同研究者から,レバーを押して保持し引くという動作を自発的に繰り返すように訓練したラットから記録した多点電極による細胞外記録データの提供を受けて,データの解析を進めた.本年度は,発火時系列の持つ情報量を定量的に評価しどのように復号化すれば情報量が最大の信号が得られるかを解析する手法を導入した.具体的にはカーネルと呼ばれる類似度関数により定義される発火時系列の軌道とレバー運動などの観測信号との相関を求める手法を提案し,相関が最大となるカーネルパラメータを遺伝アルゴリズムによる探索により求める.その際に用いるカーネル群として,少数のパラメータで発火率による情報表現と発火タイミングによる情報表現の両方を包括するようなものを提案している,まずは,運動野の浅層と深層での神経細胞集団の符号化様式がどのように異なるのかを詳細に解析し,浅層では発火率が低く細胞間の相互作用情報が重要であり,深層では個々の神経細胞が比較的独立に発火率で情報表現していることが示唆された.

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。

Report

(2 results)
  • 2012 Annual Research Report
  • 2011 Annual Research Report
  • Research Products

    (13 results)

All 2013 2012 2011 Other

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (10 results) (of which Invited: 1 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Spike sorting of heterogeneous neuron types by multimodality-weighted PCA and explicit robust variational Bayes2012

    • Author(s)
      Takashi Takekawa, Yoshikazu Isomura, Tomoki Fukai
    • Journal Title

      Frontiers in Neuroinformatics

      Volume: (In press)

    • Related Report
      2011 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] EToS4: 全面的に改良された高精度スパイクソーティングシステムの新バージョン2013

    • Author(s)
      竹川高志,礒村宜和,深井朋樹
    • Organizer
      日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      京都国際会館
    • Year and Date
      2013-06-22
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] スパイクソーティングにおける信号処理と機械学習2012

    • Author(s)
      竹川高志
    • Organizer
      先端的機械学習に基づく自律的適応知能ダイナミクス創世プロジェクトコロキアム
    • Place of Presentation
      立命館大学
    • Year and Date
      2012-11-30
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Information representation analysis for spike trains of multiple neurons2012

    • Author(s)
      Takashi Takekawa
    • Organizer
      Workshop on Statistical Aspects of Neural Coding
    • Place of Presentation
      京都大学
    • Year and Date
      2012-11-01
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] 発火時系列に対する情報量解析を用いたラット運動野の情報表現様式の解明2012

    • Author(s)
      竹川高志,礒村宜和,深井朋樹
    • Organizer
      日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      名古屋国際会議場
    • Year and Date
      2012-09-19
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] 非負制約モデルに基づくカルシウムイメージングデータからのスパイク時系列推定アルゴリズム2012

    • Author(s)
      竹川高志,佐藤正晃,松尾明典,塩澤暁広,林康紀,深井朋樹,山川宏
    • Organizer
      日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      名古屋国際会議場
    • Year and Date
      2012-09-19
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] Organization of activity in M1 during voluntary movement in rat2011

    • Author(s)
      Kensuke Arai, Takashi Takekawa, Yoshikazu Isomura, Tomoki Fukai
    • Organizer
      41st Annual Meeting of the Society for Neuroscience
    • Place of Presentation
      Washington DC, USA
    • Year and Date
      2011-11-13
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] 発火時系列に対する情報量解析を用いた神経細胞とネットワークの情報表現様式の解析2011

    • Author(s)
      竹川高志, 礒村宜和, 深井朋樹
    • Organizer
      第34回日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜(横浜)
    • Year and Date
      2011-09-16
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] 行動決定時におけるラット前頭前野内側部の錐体細胞と介在細胞の調和的活動2011

    • Author(s)
      半田高史, 竹川高史, 春国梨恵, 礒村宜和, 深井朋樹
    • Organizer
      第34回日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜(横浜)
    • Year and Date
      2011-09-16
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] Degree of locking to network activity of neurons with similar movement tuning in the motor cortex of awake, behaving rats differs by layer2011

    • Author(s)
      Kensuke Arai, Emi Takakuda, Takashi Takekawa, Yoshikazu Isomura, Tomoki Fukai
    • Organizer
      20th Annual Computational Neuroscience Meeting
    • Place of Presentation
      Stockholm, Sweden
    • Year and Date
      2011-07-25
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] 神経細胞および神経細胞集団の発火時系列に対する情報量解析2011

    • Author(s)
      竹川高志, 礒村宜和, 深井朋樹
    • Organizer
      ニューロコンピューティング研究会(NC)・情報処理学会バイオ情報学研究会(IPSJ-BIO)
    • Place of Presentation
      琉球大学(中頭郡西原町)
    • Year and Date
      2011-06-23
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Remarks]

    • URL

      http://nct.brain.riken.jp/~takekawa/

    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 情報処理装置,情報処理プログラム2012

    • Inventor(s)
      竹川高志・山川宏
    • Industrial Property Rights Holder
      竹川高志・山川宏
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2012-248839
    • Filing Date
      2012-11-12
    • Related Report
      2012 Annual Research Report

URL: 

Published: 2011-04-06   Modified: 2018-03-28  

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