Understanding the holism of the brain by whole rodent brain simulation

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project Area: Holism in neuroscience: Large-scale recording and simulation
• Project/Area Number: 21H05137
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: Igarashi Jun 国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究センター, 上級研究員 (60452827)
• Project Period (FY): 2021-08-23 – 2024-03-31
• Keywords: スパイキングニューラルネットワーク / 大脳皮質 / 小脳 / 大脳基底核 / コネクトーム / 筋骨格 / 神経振動 / HPC

Outline of Final Research Achievements

We constructed a neural circuit model of the mouse cerebral cortex, basal ganglia, and cerebellum based on mouse brain atlas and connectome data and conducted simulations. As a result, the synchronous neural activity of 30-50Hz in the primary motor cortex was caused by stimulation, which propagated to the secondary motor cortex, pons, and cerebellum and exhibited a specific firing phase distribution for each cell type. Oscillatory activity propagated between the primary and secondary motor cortices in adjacent regions representing the same body part. These results suggest that it may act as a coordinated mechanism for the behavior of neural populations via oscillatory activity between regions. We have achieved simultaneous execution of simulations of 100 mouse cerebral cortices in both hemispheres using "Fugaku." We have achieved a coordinated simulation of mouse brain and musculoskeletal models.

Free Research Field

計算神経科学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

脳の情報処理において脳全体の神経細胞の協調機構についてはまだよくわかっていない。本研究の領域内、領域間の振動的同期活動のシミュレーションは、脳の複雑な結合を通した振動による協調の可能性について示唆する。本研究成果は、様々な脳疾患でみられる領域間協調における問題の理解やその治療法開発、脳の協調機構にヒントを得た省エネルギーのプロセッサ開発に役立つ可能性がある。「富岳」によるマウス大脳皮質100体のシミュレーションはデータ同化によるデータの効率的利用への第一歩となる。マウス脳―筋骨格シミュレーションは神経相互作用と身体・脳の相互作用をデジタル上で統合し、神経科学研究の新たなアプローチを可能にする。