人工ニューラルネットと脊椎動物網膜神経回路システムの同時研究:基礎的接点を求めて

1992 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 02455017
• Research Institution: Kyushu Institute of Technology
• Principal Investigator: 安井 湘三 九州工業大学, 情報工学部, 教授 (50132741)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 古川 徹生 九州工業大学, 情報工学部, 助手 (50219101) ; 八木 哲也 九州工業大学, 情報工学部, 助教授 (50183976) ; 新島 耕一 九州工業大学, 情報工学部, 教授 (30047881)
• Keywords: ニューラルネット / 視覚 / 神経生理 / シナプス / 網膜 / 画像処理 / 連想記憶 / 学習

Research Abstract

本年度の主な成果を以下に概説する。
・色と明暗順応に依存する受容野サイズの可塑性制御
ギャップ結合を介して互いにカップルする鯉網膜の水平細胞は広い受容野をもつが、上記の機構をH1型水平細胞がもつことを今回明らかにした。 これは本報告者らがこれまで数年にわたって蓄積した研究結果のひとつの帰結といえる。 ここで主役を演じるのは短波長感受性の錐体視細胞からH1細胞への特異型のシナプスである。 すなわち、これは符号反転性ではあるが通常の抑制性ではなく伝達物質が後膜gmの減少をもたらすタイプであり、長波長錐体からの通常の興奮性(non-MNDA)シナプスと対比される。 さらに、問題のシナプスはAPB(2-amino-4-phosphonobutyrate)および暗順応により阻害される。以上から次頁の図に示すようなケーブルモデルを得る。 光は視細胞を過分極し伝達物質放出量の減少を起こすことを考え合わせれば、明順応時における短波長刺激の受容野は長波長に比べて狭いはずである。 この予測は今回実証された。水平細胞シンシチアムの空間定数はギャップ結合抵抗Rgと膜抵抗Rmで決まるが、本モデルではRmが可変となる。 これは、ドーパミンによるRgの修飾による周知の機構とは異なる新しい横方向の信号伝達路といえる。
・人工網膜の試作
前年度に引き続き、明/暗順応の状態に応じて可塑性をもつ画像処理用空間フィルタの開発を推進した。本年度は特に標準正則化問題と関連させてネットワークのアーキテクチャ開発を行い新しいタイプのチップの試作に成功した。
・連想記憶ニューラルネットの発展的応用
本研究ですでに開発した縮小写像原理に基づいた連想記憶ニューラルネットの応用範囲を拡大した。すなわち、手書き英数字文字のほかにカラー画像やゲノム情報なども対象としてある程度の成果を得た。
・ニューラルネット不要経路の自律淘汰に関する新しいアルゴリズムの開発
ニューラルネットワークの応用に際して、個々のタスクに対して最小規模の回路構造を事前に知ることは、経済性、ローカルミニマムの回避、タスク自体の理解と洞察、モジュール化、計算論的脳研究などの観点から重要である。 この問題についてシナプス荷重の相互抑制に基づく原理を考案し、例題に対して良好なテスト成績を得た。一方、本研究では双極細胞受容野の可塑性、とくにその明暗順応あるいはSN比に依存する側面を実験および計算論に基づいて究明してきた。 双極細胞受容野の周辺部は水平細胞に由来するので(1)の成果とも関連し、本アルゴリズムの応用も導入した今後の進展が期待される。

Research Products

• [Publications] Yasui,Syozo: "On the square root intensity coding at the level of cone photoreceptors" Vision Research. 32. 199-202 (1992)
• [Publications] Yasui,Syozo: "A new method to remove redundant connections in backpropagation neural networks:Introduction of “parametric lateral inhibition fields"" Proc.IEEE and INNS Int'l Joint Conf.on Neural Networks. 2. 360-367 (1992)
• [Publications] Yasui,Syozo: "Elimination of redundant connections by parametric lateral inhibition in trainable neural networks" Proc.2nd Int'l Conf.on Fuzzy Logic & Neural Networks. 2. 775-779 (1992)
• [Publications] 安井 湘三: "冗長経路を学習過程で自律淘汰する新しい原理:パラメトリックな側抑制が内在する荷重ベクトル場" 神経回路学会第3回全国大会講演論文集. 104- (1992)
• [Publications] 安井 湘三: "SN環境と視覚系の可塑的特性:生体と人工の神経回路システムに発現する類似性" 計測自動制御学会、SICE'92,DOS2-2. 777-778 (1992)
• [Publications] Yasui,Syozo: "S/N-dependent modulation of centre-surround opponent receptive fields:similarities in real and artificial neural networks" Journal of Physiology (London). 446. 376- (1992)
• [Publications] Yasui,Syozo: "APB or dark adaptation blocks the synapse that transmits short-wavelength cone signals to H1 horlizontal cells" Japanese Journal of Physiology. Suppl.Vol.42. S.185- (1992)
• [Publications] Yasui,Syozo: "Wavelength-and adaptation-dependent control of receptive field by APB-sensitive,conductance-decreasing synapse in retinal horizontal cells" Proc.XXXII Int.Conf.of Physiol.Sci.(1993)
• [Publications] 安井 湘三: "APBは実波長錐体→H1水平細胞シナプスを閉じて受容野を拡大する" 第70回日本生理学会予稿集. (1993)
• [Publications] Yamada,Masahiro: "Light adaptation,membrane conductance and calcium ion:A study of the crayfish photoreceptor based on“voltage clamp by light"" Proc.Int.Symp.on Neural Information Processing,ISKIT'92. 146-149 (1992)
• [Publications] Yamada,Masahiro: "Dynamic characteristics of multiple cone synaptic input to H1 horizontal cells in carp retina in vitro" Journal of Physiology (London). 446. 375- (1992)
• [Publications] 山田 雅弘: "短波長錐体→H1水平細胞のシナプスは青受容野を小さくする" 第70回日本生理学会予稿集. (1993)
• [Publications] 山田 雅弘: "ドーパミンによる受容野の制御" 第70回日本生理学会予稿集. (1993)
• [Publications] 真下 和久: "2出力ニューラルネットにおける冗長経路の自律削減と隠れ素子の共有化について" 電子情報通信学会技術研究報告. (1993)
• [Publications] Niijima,Koichi: "Domains of attraction in autoassociative memory networks for character pattern recognition" Proc.Algorithmic Learning Theory (ALT'92). 87-98 (1992)
• [Publications] Niijima,Koichi: "Attractivity in heteroassociative memory networks for image recognition" RIFIS Technical Report 64. 1-8 (1992)
• [Publications] 安藤 健治: "異種想起型記憶モデルによるアファイン変換された文字パターンの認識" SICE九州支部会講演論文集. 391-392 (1992)
• [Publications] 新島 耕一: "縮小写像原理にもとづく3層ニューラルネットワークの学習ーゲノム情報解析への応用ー" 第3回ゲノム情報ワークショップ講演論文集. 175-178 (1992)
• [Publications] 八木 哲也: "網膜神経回路は標準正則化問題を解く" 電子情報通信学会技術報告. 91. 13-20 (1992)
• [Publications] 八木 哲也: "網膜:新しいイメージセンサのモデル" 電気学会雑誌. 112. 386-390 (1992)
• [Publications] Yagi,Tetsuya: "The retina:A model of novel image processing Device" Proc.of the Korean Neural Network Conf.85- (1992)
• [Publications] Yagi,Tetsuya: "Sturcture and Function of the Distal Retina" Proc.of the Int'l Symp.on Neural Information Processing,ISKIT'92. 172-176 (1992)
• [Publications] Shimmi,T.: "A parallel analog CMOS signal processor for image contrast enhancement" Proc.of 1992 European Solid State Circuit Conf.163-166 (1992)
• [Publications] Kobayashi,H.: "Image processing regularization filters on layered architecture" Neural Networks. (1993)
• [Publications] 八木 哲也: "脊椎動物網膜細胞のカルシウム動態の計測" 岡崎国立共同研究機構生理学研究所年報. 13. 228- (1992)
• [Publications] Matsumoto,T.: "A second order regularization vision chip for smoothing-contrast enhancement" IEEE and INNS Proc.of the Int'l Joint Conf.on Neural Networks. III. 188-197 (1992)
• [Publications] Furukawa,Tetsuo: "Analogous adaptive functions that exist in vertebrate,invertebrate and artificial neural systems for vision" Proc.Int.Symp.on Neural Information Processing,ISKIT'92. 142-145 (1992)
• [Publications] 古川 徹生: "視覚二次ニューロンの受容野を調節する新しいシナプス機構" 電子情報通信学会技術研究報告. (1993)
• [Publications] 安井 湘三: "「ニューロコンピューティング…基礎と応用」IV.人工と生体のニュートラルネットワーク…両者に発現する類似性" 朝倉書店, (1992)
• [Publications] 安井 湘三: "「ファジィ・ニューロ・AIシステムハンドブック」基礎部門第1編第7章その他の感覚系" オーム社, (1993)
• [Publications] 八木 哲也: "「ニューロコンピューティングに基礎と応用」第11章:生体神経回路の情報処理" 朝倉書店, 16 (1992)