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2012 Fiscal Year Annual Research Report

シナプス前制御に基づく神経情報処理の数理モデル化とその工学応用

Research Project

Project/Area Number 20246026
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

合原 一幸  東京大学, 生産技術研究所, 教授 (40167218)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 森田 賢治  東京大学, 教育学研究科(研究院), 講師 (60446531)
渡辺 啓生  東京大学, 法学(政治学)研究科(研究院), 助教 (20570609)
Project Period (FY) 2008-04-08 – 2013-03-31
Keywordsソフトコンピューティング / 脳・神経 / モデル化 / 生体生命情報学 / 数理工学
Research Abstract

実際の脳がもつ、多層構造の要素を取り入れ、一部にDale則の破れをゆるす互いに抑制し合う複数の下位層と、それらすべてに一様に抑制をかける上層の構造をもつニューラルネットワークにおいてシナプス前制御を仮定してシナプス結合強度を変化させながら、その挙動を検証した。その結果、下位層間の抑制、上位層から下位層への抑制など、短期的にシナプス結合強度が変わる部分に依存して、一つのネットワークから多様な時間的・空間的パターンを生み出せることを示した。
また、シナプス前部における生理・化学的機構が大きく関わると目されているシナプス短期可塑性の神経回路システムの動作への影響を調べるため、短期可塑性の数理モデルを用いて、シナプス前細胞の発火パターン(バースト発火と呼ばれる短い時間間隔での2~数発の反復発火の頻度)の違いが、短期可塑性を介して、シナプス後細胞における応答にいかに反映されうるかを検討した。そしてその結果を元に、大脳皮質から脊髄への情報伝達(およびそれが大きく関わる運動制御)にシナプス短期可塑性がいかに関わっているかについて考察した。
さらに、神経細胞の異常な同期状態を緩和するための考察を行った。これまでの我々の研究で、シナプス前制御によって系の結合強度を微小に減少するだけで予想よりも大きな効果が得られることが示唆されていたが、その性質が、結合関数に時間遅れを含めたモデルや一階微分系のモデルを二回微分系に拡張したモデルなどの、より現実のニューラルネットワークに近いモデルでも成立することを示した。
また、シナプス前制御によって外部からの情報の decoding の精度を高め得る可能性について検証した。スパイク変数と Rate変数の時定数比を実験的に妥当な値に設定したモデルにおいて、シナプス前制御によってカオス状態を調整し系の初期値鋭敏依存性を弱めることで、情報のdecodingの精度を高められることを示した。

Current Status of Research Progress
Reason

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

25年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (14 results)

All 2014 2013 2012

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 5 results) Presentation (6 results) (of which Invited: 4 results) Book (2 results)

  • [Journal Article] `Finite-size Scaling in Globally Coupled Phase Oscillators with a General Coupling Scheme2014

    • Author(s)
      Isao Nishikawa, Koji Iwayama, Gouhei Tanaka, Takehiko Horita, and Kazuyuki Aihara
    • Journal Title

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      Volume: 2014(2) Pages: 023A07-1-11

    • DOI

      10.1093/ptep/ptu015

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Nonstandard Scaling Law of Fluctuations in Finite-size Systems of Globally Coupled Oscillators2013

    • Author(s)
      I. Nishikawa, G. Tanaka, and K. Aihara
    • Journal Title

      Physical Review E

      Volume: vol.88, No.2 Pages: 024102-1-5

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.88.024102

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Pseudo-orthogonalization of Memory Patterns for Associative Memory2013

    • Author(s)
      Makito Oku, Takaki Makino, and Kazuyuki Aihara
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems

      Volume: 24(11) Pages: 1877-1887

    • DOI

      10.1109/TNNLS.2013.2268542

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Dale則の破れ及び前シナプス制御がニューラルネットワークダイナミクスに与える影響2013

    • Author(s)
      渡辺啓生,合原一幸
    • Journal Title

      生産研究

      Volume: 65(3) Pages: pp.329-335

    • DOI

      10.11188/seisankenkyu.65.329

  • [Journal Article] Dynamical Coherence Patterns in Neural Field Model at Criticality2012

    • Author(s)
      Teerasit Termsaithong, Makito Oku, and Kazuyuki Aihara
    • Journal Title

      Artificial Life and Robotics

      Volume: 17(1) Pages: 75-79

    • DOI

      10.1007/s10015-012-0020-x

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Chaotic Phase Synchronization in Bursting-neuron Models Driven by a Weak Periodic Force2012

    • Author(s)
      Hiroyasu Ando, Hiromichi Suetani, J\"urgen Kurths, and Kazuyuki Aihara
    • Journal Title

      Physical Review E

      Volume: 86(1) Pages: 016205-1-11

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.86.016205

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 複雑系数理モデル学とその脳型情報処理への応用2014

    • Author(s)
      合原一幸
    • Organizer
      第 4 回「分子アーキテクトニクス」研究会
    • Place of Presentation
      東京(東京大学本郷キャンパス)
    • Year and Date
      20140311-20140312
    • Invited
  • [Presentation] Nonstandard Scaling Law of Fluctuations in Globally Coupled Oscillator Systems2013

    • Author(s)
      Isao Nishikawa,Gouhei Tanaka, and Kazuyuki Aihara
    • Organizer
      The 3rd International Symposium on Innovative Mathematical Modelling
    • Place of Presentation
      The University of Tokyo, Tokyo, Japan
    • Year and Date
      20131112-20131115
  • [Presentation] Background Mechanisms for the Suppression of Beta Rhythm during Movement: A Modeling Approach2013

    • Author(s)
      Kenji Morita, Xiumin Li, Michael Small, Hugh P. C. Robinson
    • Organizer
      計測自動制御学会,ライフエンジニアリング部門シンポジウム2013(LE2013)
    • Place of Presentation
      神奈川県横浜市(慶應義塾大学日吉キャンパス)
    • Year and Date
      20130914-20130914
  • [Presentation] Neuron Inspired System with Chaotic Dynamics2013

    • Author(s)
      Kazuyuki Aihara
    • Organizer
      JSPS Core-to-Core Program, International Core Research Center for Micro / Nano Chemistry
    • Place of Presentation
      The University of Tokyo, Tokyo, Japan
    • Year and Date
      20130326-20130327
    • Invited
  • [Presentation] Brain Inspired System with Chaotic Dynamics2013

    • Author(s)
      Kazuyuki Aihara
    • Organizer
      Workshop on Brain-Inspired Systems
    • Place of Presentation
      The University of Tokyo, Tokyo, Japan (Frankfurt ⇔ Tokyo テレビ会議)
    • Year and Date
      20130130-20130130
    • Invited
  • [Presentation] 複雑系数理モデリングと脳の動力学2012

    • Author(s)
      合原一幸 (特別講演)
    • Organizer
      第27回日本生体磁気学会大会
    • Place of Presentation
      東京(東京電機大学千住キャンパス)
    • Year and Date
      20120531-20120531
    • Invited
  • [Book] ``Analyzing multiple spike trains using distance measures and recurrence plots," in 'Springer Handbook of Bio- and Neuroinformatics,' ed. by N. Kasabov2013

    • Author(s)
      Yoshito Hirata, Eric J. Lang, and Kazuyuki Aihara
    • Total Pages
      1288
    • Publisher
      Springer
  • [Book] 「神経回路と数理脳科学」,pp.101-127; 「複雑ネットワーク」,pp.241-255, 『応用数理ハンドブック』 (日本応用数理学会 監修,薩摩順吉,大石進一,杉原正顯 編)2013

    • Author(s)
      合原一幸 (章編著)
    • Total Pages
      685
    • Publisher
      朝倉書店

URL: 

Published: 2015-05-28  

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