複数のリズムを内在する神経ネットワークの推定手法の開発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: 25115719
• 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): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2014: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2013: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: 脳・神経 / 位相振動子 / ネットワーク / リズム

Outline of Annual Research Achievements

ニューロンが回路を形成し互いに相互作用することで現れる典型的な挙動としてリズムをもつ神経活動がある．しかし，そのような神経活動が示すリズムの生成機構や機能的役割はよくわかっていない．本研究では，そのような神経リズムを研究する上で，下記の二つのテーマに関して研究を行った．
第一の研究の目的は，リズミックな活動を示す実験データからリズム間の機能的ネットワーク構造の統計的推定手法を開発し，複数の測定部位のリズム活動が如何なる関係にあるのか，力学系の観点から定量的に明らかにすることである．開発した手法では，リズム間の相互作用が一方向的か双方向的か（リズム間の因果性）も考察可能であり，Hodgkin-Huxleyタイプのモデルから生成した模擬データで手法の有用性を確認した．また，手始めに素子数が少ない実データとして，神経系とは少し異なるが広い意味での運動制御機構に関係する歩行運動のデータなどに関して適用を行った．
第二の研究の目的は，一見不可解な解剖学的知見に関して，リズム活動の側面から機能的意味を探ることである．具体的には，Fast Spiking neuron間において，抑制性シナプス結合が有意に遠位の樹状突起に形成されている解剖学的知見がある．これは，近位に興奮性結合がある場合，一見意味のない結合に思えるかもしれない．しかしながら，樹状突起の遠位に抑制，近位に興奮性シナプス結合がある場合，たとえ弱い抑制性シナプス結合でもリズムを制御している可能性がある．これに関して，コンパートメントモデル等を用いて位相縮約により解析を行った．結果として，ギャップ結合が存在する場合に，細胞体より中程度の距離の樹状突起上にシナプス結合を有すると，同期が促進されることが判明した．なお，このテーマは計画班A01の金子武嗣教授（京大医）の研究グループとの共同研究の成果である．

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Self-organization of complex networks as a dynamical system (2015)
  • Author(s): Takaaki AOKI, Koichiro YAWATA and Toshio AOYAGI
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 91 Issue: 1 Pages: 012908-012908
  • DOI: 10.1103/physreve.91.012908
  • NAID: 120005672538
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A biologically plausible learning rule for the Infomax on recurrent neural networks (2014)
  • Author(s): Hayakawa T, Kaneko T, Aoyagi T
  • Journal Title: Frontiers in Computational Neuroscience Volume: 8 Pages: 143-162
  • DOI: 10.3389/fncom.2014.00143
  • NAID: 120005539297
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A mathematical model of negative covariability of inter-columnar excitatory synaptic actions caused by presynaptic inhibition (2013)
  • Author(s): Saito M, Tanaka T, Sato H, Toyoda H, Aoyagi T, Kang Y
  • Journal Title: The European Journal of euroscience Volume: 38 Issue: 7 Pages: 2999-3007
  • DOI: 10.1111/ejn.12299
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Bayesian estimation of simple models for networked oscillators based on experimental data (2014)
  • Author(s): Kaiichiro Ota and Toshio Aoyagi
  • Organizer: NetCon@ECCS'14
  • Place of Presentation: IMT Institute for Advanced Studies, Lucca, Italy
  • Year and Date: 2014-09-25
• [Presentation] トランスファー・エントロピーによる非線形振動子間の結合の状態評価 (2014)
  • Author(s): 清水りな, 青柳富誌生
  • Organizer: 日本物理学会 第69回秋季大会
  • Place of Presentation: 愛知県中部大学春日井キャンパス
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] 少数自由度結合振動子系におけるカオス性と結合パターンの関係 (2014)
  • Author(s): 寺田裕, 青柳富誌生
  • Organizer: 日本物理学会 第69回秋季大会
  • Place of Presentation: 愛知県中部大学春日井キャンパス
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] Inferring a dynamical model of interacting neural oscillations based on observed time-series data, (2014)
  • Author(s): Kaiichiro Ota and Toshio Aoyagi
  • Organizer: 24th Annual Conference of Japanese Neural Network Society (2014/8/27-2014/8/29), Future University Hakodate, Hokkaido, Japan, 2014/8/27, poster.
  • Place of Presentation: Future University Hakodate, Hokkaido, Japan
  • Year and Date: 2014-08-27 – 2014-08-29
• [Presentation] The co-evolving dynamics of the temporally changing network and the diffusion dynamics of a resource (2014)
  • Author(s): Koichiro Yawata, Takaaki Aoki, Toshio Aoyagi
  • Organizer: JSMB/SMB 2014
  • Place of Presentation: Osaka International Convention Center, Osaka
  • Year and Date: 2014-07-28 – 2014-08-01
• [Presentation] Analyzing interacting rhythms using dynamical systems theory and Bayesian statistics: An application to human walking dynamics (2014)
  • Author(s): Kaiichiro Ota, Tetsuro Funato, Nozomi Tomita, Shinya Aoi, Kazuo Tsuchiya, and Toshio Aoyagi
  • Organizer: JSMB/SMB 2014
  • Place of Presentation: Osaka International Convention Center, Osaka, Japan,
  • Year and Date: 2014-07-28 – 2014-08-01
• [Presentation] カオスを実現する振動子ネットワークの探索 (2014)
  • Author(s): 寺田裕, 青柳富誌生
  • Organizer: 日本物理学会第69回年次大会
  • Place of Presentation: 東海大学 湘南キャンパス
• [Presentation] Actor-Criticモデルにおける情報量最大化学習とその生物学的実装 (2014)
  • Author(s): 早川隆, 金子武嗣, 青柳富誌生
  • Organizer: 日本物理学会第69回年次大会
  • Place of Presentation: 東海大学 湘南キャンパス
• [Presentation] 実験データに基づく位相縮約系の統計的推定 (2014)
  • Author(s): 青柳富誌生, 太田絵一郎
  • Organizer: 日本物理学会第69回年次大会
  • Place of Presentation: 東海大学 湘南キャンパス
• [Presentation] 動的に変化するネットワークにおける平衡状態の安定性 (2014)
  • Author(s): 青木高明，八幡晃一郎，青柳富誌生
  • Organizer: 日本物理学会 第69回年次大会
  • Place of Presentation: 東海大学 湘南キャンパス
• [Presentation] Estimating the phase response curve of human walking using WSTA method (2013)
  • Author(s): Tetsuro Funato, Yuki Yamamoto, Shinya Aoi, Nozomi Tomita, Takashi Imai, Toshio Aoyagi, Kazuo Tsuchiya
  • Organizer: SICE Annual Conference 2013,
  • Place of Presentation: Nagoya University, Nagoya, Japan
• [Presentation] Equilibrium state of an adaptive network depending on diffusion dynamics of a resource (2013)
  • Author(s): Takaaki Aoki, Koichiro Yawata, Toshio Aoyagi
  • Organizer: International Workshop on Phase Transition, Critical Phenomena and Related Topics in Complex Networks
  • Place of Presentation: Hokkaido University, Sapporo
• [Presentation] A General Framework for Learning of Cortical Dynamics (2013)
  • Author(s): Takashi Hayakawa, Takeshi Kaneko, Toshio Aoyagi
  • Organizer: Modeling Neural Activity: Statistics, Dynamical Systems, and Networks
  • Place of Presentation: Lihue, Hawaii, USA
• [Presentation] A Bayesian method for uncovering interactions in neural oscillator networks based on reduction theory of dynamical systems (2013)
  • Author(s): Kaiichiro Ota, Toshio Aoyagi
  • Organizer: Modeling Neural Activity: Statistics, Dynamical Systems, and Networks
  • Place of Presentation: Lihue, Hawaii, USA
• [Presentation] ネットワーク上のダイナミクスの数理モデル ーリズムや拡散を題材としてー (2013)
  • Author(s): 青柳富誌生
  • Organizer: 第５３回生物物理 夏の学校
  • Place of Presentation: 伊豆
  • Invited
• [Presentation] Organization of complex networks as a dynamical system
  • Author(s): Takaaki Aoki, Toshio Aoyagi
  • Organizer: RIMS Conference on New Directions in Applied Dynamical Systems & The 6th CREST-SBM International Conference
  • Place of Presentation: Research Institute for Mathematical Sciences (RIMS), Kyoto, Japan