2007 Fiscal Year Annual Research Report
神経回路の動態に基づく大脳皮質-大脳基底核機能連関の計算論的理解
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17022036
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| Research Institution | The Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
深井 朋樹 The Institute of Physical and Chemical Research, 脳回路機能理論研究チーム, チームリーダー (40218871)
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| Keywords | 局所神経回路 / バランスしたシナプス入力 / 神経情報表現 / 意思決定 / マッチング法則 / 位相応答関数 / 発火率推定 / 大規模シミュレーション |
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| Research Abstract |
興奮と抑制がバランスしているシナプス入力が果たす計算論的役割に関する研究をいくつか行った。シナプス入力がバランスしている場合、膜電位の平均値はあまり変化せず、揺らぎが変化することが予想される。このような場合、ニューロンのスパイク発火は不規則なものになるが、情報幾何学によると、スパイク列がガンマ過程で生成される場合には、スパイク列の揺らぎを発火率変動に無関係に推定することができる。そのことで発火率推定も容易になる。そこで実験とモデルシミュレーションによって、この情報表現の直交化が、バランスしたシナプス入力の存在下で実現されることを示した。大脳皮質神経回路の自己組織化過程をシミュレーションして、時間依存のシナプス可塑性がシナプス入力をバランスさせること、睡眠時の大脳皮質に見られるような自発発火パターンが生成されること、さらに睡眠様の神経活動がミリ秒精度のスパイク時系列を生成することを示した。一方、大脳皮質局所神経回路の同期のダイナミクスを明らかにするために、位相応答曲線を実験的に測定して、2/3層と5層の錐体細胞では同期発火の性質がかなり異なることを見出した。また、多様な位相応答が混在する神経回路を非線形物理学の方法を用いて解析し、新しいタイプの相転移現象を予言した。さらに位相応答理論と分岐理論を組み合わせて、バースト発火による同期のメカニズムを、モデルの詳細に依らない形で解明した。神経回路のトポロジー構造が、ニューロン発火の同期性に大きな影響を及ぼすことを数値シミュレーションで示した。Actor-Criticは大脳基底核の機能的モデルである。このActor-Criticによる意思決定が、動物の選択行動に広範に見られるマッチング法則に従うことを理論的に証明した。さらに意思決定のための証拠集めに関係する、入力を時間積分するための神経回路メカニズムを提案し、前部帯状皮質において検証した。
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