回路活動データの解析法と局所神経回路のモデリング

2010 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Mesoscopic neurocircuitry: towards understanding of the functional and structural basis of brain information processing
• Project/Area Number: 22115013
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Research Institution: The Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 深井 朋樹 独立行政法人理化学研究所, 脳回路機能理論研究チーム, チームリーダー (40218871)
• Keywords: 多細胞スパイクデータ解析 / STDP / 対数正規シナプス強度分布 / 大脳皮質局所回路 / 視覚的注意 / 非線形カーネル法 / スパイク時系列

Research Abstract

最近、他の研究グループによって考案された新しいスパイク検出法を、我々が開発したロバスト変分ベイズに基づくスパイク・クラスタリング法と組み合わせるなどして、多細胞のスパイク分離の精度と計算速度を、著しく向上させることに成功した。この成果は現在、論文にまとめている。
また、記録した神経集団の活動から、メゾ回路の構造や性質についての情報を引き出すために、集団活動の時系列パターンの特徴を検出する新しい数学的手法の構築を試みた。具体的には非線形カーネル法を用いて、多細胞の神経活動パターンにおいて、発火活動の類似性の分散が最大になる次元の検出を行った。そのような次元が特徴をもっとも良く表現していると考えられるからである。得られた手法をラットの運動野から記録した多細胞データに適用し、アーム運動と多細胞活動の特徴を関連付けることに部分的に成功した。現在、最適なパラメターの探索と、更なる方法論の修正を試みている。
単一ニューロン上で、シナプスの強さはガウス分布ではなく、対数正規分布に従うことが、さまざまな実験でわかってきた。解析的計算で得られた結果と、既存のシナプス可塑性モデルを見比べることにより、対数正規分布に従うシナプス強度の分布を自己組織化する新しいスパイク時間依存の可塑性(STDP)のモデルを考案した。またそのモデルを用いて、入力の相関構造が変化した場合に、既存の可塑性モデルでは困難であった、神経回路の再学習が容易にできることを示した。現在、論文を投稿中である。
視覚野の6層構造をもつ局所回路モデルを構築し、視覚的注意現象の局所回路メカニズムを数値シミュレーションなどによって解析した。このモデルは過去の実験結果を説明するのみならず、2/3層と4層の相互作用が、注意の切り替え時間を短くするために必要なことを予言した。現在、論文を投稿中である。

Research Products

• [Journal Article] Near scale-free dynamics in neural population activity of waking/sleeping rats revealed by multiscale analysis. (2010)
  • Author(s): Leonid S., Isomura Y., Kang S., Struzik Z., Fukai T., Cateau H.
  • Journal Title: PLoS ONE Volume: 5 Pages: 12869-1-12869-11
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Prototypic seizure activity driven by mature hippocampal fast-spiking interneurons. (2010)
  • Author(s): Fujiwara-Tsukamoto Y., Isomura Y., Imanishi M., Ninomiya T., Tsukada M., Yanagawa Y., Fukai T., Takada M.
  • Journal Title: The Journal of Neuroscience Volume: 30 Pages: 13679-13689
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Spike phase-locking to slow and fast gamma oscillations in motor cortex of behaving rat. (2011)
  • Author(s): Igarashi J., Isomura Y., Harukuni R., Fukai T.
  • Organizer: 8^<th> Computational and Systems Neuroscience Meeting (COSYNE 2011).
  • Place of Presentation: Salt Lake City, USA
  • Year and Date: 2011-02-26
• [Presentation] Coherent processing in M1 is organized by layer, cell type and movement activity profile. (2011)
  • Author(s): Arai K., Takakuda E., Takekawa T., Isomura Y., Fukai T.
  • Organizer: 8^<th> Computational and Systems Neuroscience Meeting (COSYNE 2011).
  • Place of Presentation: Salt Lake City, USA
  • Year and Date: 2011-02-26
• [Presentation] Neural basis of Hick's law : the hallmark of psychological timing of multi-alternative decision. (2011)
  • Author(s): Okamoto H., Fukai T.
  • Organizer: 8^<th> Computational and Systems Neuroscience Meeting (COSYNE 2011).
  • Place of Presentation: Salt Lake City, USA
  • Year and Date: 2011-02-24
• [Presentation] Motor information coding in the microcircuit of the rat primary motor cortex. (2010)
  • Author(s): Fukai T.
  • Organizer: 41^<th> NIPS International Symposium : New Frontiers in Brain Science : Towards Systematic Understanding of Human Beings.
  • Place of Presentation: Okazaki, Aichi, Japan
  • Year and Date: 2010-12-16
• [Presentation] A long-normal EPSP distribution accounts for the UP state, low-rate asynchronous firings, and precise firing sequences in cortical networks. (2010)
  • Author(s): Teramae J., Fukai T.
  • Organizer: 40^<th> Annual Meeting of the Society for Neuroscience (Neuroscience 2010)
  • Place of Presentation: San Diego, TX., USA
  • Year and Date: 2010-11-16
• [Presentation] STDP can generate long-tail weight distributions. (2010)
  • Author(s): Gilson M., Fukai T.
  • Organizer: 40^<th> Annual Meeting of the Society for Neuroscience (Neuroscience 2010)
  • Place of Presentation: San Diego, TX., USA
  • Year and Date: 2010-11-14
• [Presentation] Neural modulation of a realistic layered-microcircuit model of visual cortex by bottom-up and top-down signals. (2010)
  • Author(s): Wagatsuma N., Potjans T., Diesmann M., Fukai T.
  • Organizer: 40^<th> Annual Meeting of the Society for Neuroscience (Neuroscience 2010)
  • Place of Presentation: San Diego, TX., USA
  • Year and Date: 2010-11-14
• [Presentation] 回路活動データの解析法と局所神経回路のモデリング (2010)
  • Author(s): 深井朋樹
  • Organizer: 新学術領域研究「メゾスコピック神経回路から探る脳の情報処理基盤」第2回領域会議
  • Place of Presentation: 熱海市
  • Year and Date: 2010-10-20
• [Presentation] 裾野の広いEPSP分布は大脳皮質のUP状態、低頻度非同期発火、精緻な発火時系列を一括して説明する (2010)
  • Author(s): 寺前順之介、深井朋樹
  • Organizer: 第33回日本神経科学大会・第53回日本神経化学会大会・第20回日本神経回路学会大会合同大会(Neuro2010)
  • Place of Presentation: 神戸市
  • Year and Date: 2010-09-04
• [Presentation] STDP can produce long-tail weight distributions. (2010)
  • Author(s): Gilson M., 深井朋樹
  • Organizer: 第33回日本神経科学大会・第53回日本神経化学会大会・第20回日本神経回路学会大会合同大会(Neuro2010)
  • Place of Presentation: 神戸市
  • Year and Date: 2010-09-04
• [Presentation] ラットの運動野でのMulti-laminar LFPと傍細胞記録での神経活動の関連 (2010)
  • Author(s): 高久田恵美、新井賢亮、礒村宜和、竹川高志、深井朋樹
  • Organizer: 第33回日本神経科学大会・第53回日本神経化学会大会・第20回日本神経回路学会大会合同大会(Neuro2010)
  • Place of Presentation: 神戸市
  • Year and Date: 2010-09-04
• [Presentation] 視覚皮質の層構造局所神経回路モデル-視覚刺激と注意による変調 (2010)
  • Author(s): 深井朋樹、我妻伸彦、Potjans T., Diesmann M.
  • Organizer: 第33回日本神経科学大会・第53回日本神経化学会大会・第20回日本神経回路学会大会合同大会(Neuro2010)
  • Place of Presentation: 神戸市
  • Year and Date: 2010-09-04
• [Presentation] ラット運動野の浅層および深層における集団発火活動に対する情報量解析 (2010)
  • Author(s): 竹川高志、礒村宜和、深井朋樹
  • Organizer: 第33回日本神経科学大会・第53回日本神経化学会大会・第20回日本神経回路学会大会合同大会(Neuro2010)
  • Place of Presentation: 神戸市
  • Year and Date: 2010-09-04
• [Presentation] 不規則発火時系列に対する条件付エントロピー最小化原理 (2010)
  • Author(s): 坪泰宏、深井朋樹
  • Organizer: 第33回日本神経科学大会・第53回日本神経化学会大会・第20回日本神経回路学会大会合同大会(Neuro2010)
  • Place of Presentation: 神戸市
  • Year and Date: 2010-09-04
• [Presentation] 無麻酔ラットからの長時間記録のマルチスケール解析により明らかになる神経ダイナミックスの複数時間スケール (2010)
  • Author(s): Safonov L、礒村宜和、姜時友、Struzik Z., 深井朋樹、加藤英之
  • Organizer: 第33回日本神経科学大会・第53回日本神経化学会大会・第20回日本神経回路学会大会合同大会(Neuro2010)
  • Place of Presentation: 神戸市
  • Year and Date: 2010-09-04
• [Presentation] 手掛かり依存的な時系列記憶想起を実現する神経機構のモデル (2010)
  • Author(s): 岡本洋、深井朋樹
  • Organizer: 第33回日本神経科学大会・第53回日本神経化学会大会・第20回日本神経回路学会大会合同大会(Neuro2010)
  • Place of Presentation: 神戸市
  • Year and Date: 2010-09-03
• [Presentation] Seven-hour multiunit recordings from rats reveal very long-term correlation in the cortical activity. (2010)
  • Author(s): Safonov L., Isomura Y., Kang S., Struzik Z., Fukai T., Cateau H.
  • Organizer: 19^<th> Annual Computational Neuroscience meeting (CNS 2010)
  • Place of Presentation: San Antonio, TX., USA
  • Year and Date: 2010-07-24
• [Presentation] Synaptic mechanism of information transmissions in low-frequency asynchronous firing of cortical networks. (2010)
  • Author(s): Teramae J., Gilson M., Fukai T.
  • Organizer: 4th International Neural Microcircuitry Conference on Signal Processing Mechanisms of Cortical Neurons
  • Place of Presentation: Okinawa, Japan
  • Year and Date: 2010-06-27