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2023 Fiscal Year Annual Research Report

Research and Development of Computational Storage Technology to Realize Large Scale Neuron Structure Visualization

Research Project

Project/Area Number 20H02194
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

田中 陽一郎  東北大学, 電気通信研究所, 教授 (60801123)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 山本 英明  東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (10552036)
グリーブス サイモン・ジョン  東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (60375152)
平野 愛弓  東北大学, 電気通信研究所, 教授 (80339241)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2024-03-31
Keywordsコンピュテーショナル・ストレージ / 神経構造 / 可視化
Outline of Annual Research Achievements

全脳規模神経構造の3次元可視化解析を可能とするため6基のコンピュートノードと12基のストレージノードを一体化したコンピュテーショナル・ストレージ解析テストベッドを完成させた。大容量垂直HDDクラスタ(合計2004TB)と高速SSDクラスタ(合計227TB)による総容量2.23PBストレージに6-GPUs/25-CPUs(合計336コア)及びメモリ領域1408GBの強力なコンピュテーション 機能と分散オブジェクトストレージCephファイルシステムを実装した構成である。脳神経構造3次元可視化ツールとラット大脳皮質神経画像システムを適用して、可視化解析処理に関する大規模データ伝送とデータアクセスの性能向上を検証した。
磁気記録装置の高速化、高密度化を目指し、熱アシスト磁気記録(HAMR)の記録層媒体の特性を最適化する研究を行なった。ストレージデバイスの研究開発ではスピントルク発振素子(STO)の磁気的なカップリングによる発振周波数の同期現象を用いたニューロモルフィック記録構造の検討を本格化した。STO列の2次元配置による素子列データ伝送が可能であること、STO素子形状の制御により選択的なデータ伝送が出来ることをマイクロマグネティクスシミュレーションで検証し高速不揮発性磁性ストレージの可能性を確認した。
神経構造・ダイナミック伝達機能の3次元可視化解析プラットフォームの開発では、昨年度までに構築したデータアクイジションシステムと蛍光Caイメージングの実験系を活用し、培養神経回路の刺激応答特性の解析、リザバーコンピューティング特性の解析、炎症性サイトカインによる活動変調効果の解析などに関する研究を進め、原著論文などとして発表した。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (51 results)

All 2024 2023 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (13 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 13 results,  Open Access: 13 results) Presentation (31 results) (of which Int'l Joint Research: 19 results,  Invited: 11 results) Book (1 results) Remarks (5 results)

  • [Int'l Joint Research] Seagate Technologies/Washington State University(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      Seagate Technologies/Washington State University
  • [Journal Article] Write Head Design for Control of Transition Curvature in Heat-Assisted Magnetic Recording2024

    • Author(s)
      Greaves Simon John、Tatsuno Keita、Kanai Yasushi
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Magnetics

      Volume: - Pages: 1~1

    • DOI

      10.1109/TMAG.2023.3319459

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Architecture Optimization of a CNN Media Noise Estimator for TDMR2024

    • Author(s)
      Pires Jorge、Sayyafan Amirhossein、Belzer Benjamin J.、Sivakumar Krishnamoorthy、Greaves Simon
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Magnetics

      Volume: - Pages: 1~1

    • DOI

      10.1109/TMAG.2023.3325899

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Dual-layer FePt-C granular media for multi-level heat-assisted magnetic recording2024

    • Author(s)
      Tozman P.、Isogami S.、Suzuki I.、Bolyachkin A.、Sepehri-Amin H.、Greaves S.J.、Suto H.、Sasaki Y.、Chang T.Y.、Kubota Y.、Steiner P.、Huang P.-W.、Hono K.、Takahashi Y.K.
    • Journal Title

      Acta Materialia

      Volume: - Pages: 119869~119869

    • DOI

      10.1016/j.actamat.2024.119869

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Enhanced responses to inflammatory cytokine interleukin-6 in micropatterned networks of cultured cortical neurons2024

    • Author(s)
      Sakaibara Mamoru、Yamamoto Hideaki、Murota Hakuba、Monma Nobuaki、Sato Shigeo、Hirano-Iwata Ayumi
    • Journal Title

      Biochemical and Biophysical Research Communications

      Volume: 695 Pages: 149379~149379

    • DOI

      10.1016/j.bbrc.2023.149379

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Controlling Information Flow in Arrays of Spin-Torque Oscillators2023

    • Author(s)
      Ise Tsubasa、Greaves Simon John、Tanaka Yoichiro
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Magnetics

      Volume: 59 Pages: 1~5

    • DOI

      10.1109/tmag.2023.3294515

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Magnetic data storage technology: from perpendicular magnetic recording to the computational-storage integration2023

    • Author(s)
      Tanaka Yoichiro
    • Journal Title

      Spintronics XVI

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1117/12.2673322

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Blocking Phenomenon of Hard/Soft Bilayer L10-FePt Grains in Granular Film2023

    • Author(s)
      Isurugi Daiki、Saito Takashi、Tham Kim Kong、Ogawa Tomoyuki、Tanaka Yoichiro、Greaves Simon John、Saito Shin
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Magnetics

      Volume: 59 Pages: 1~4

    • DOI

      10.1109/TMAG.2023.3296155

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Micromagnetic model analysis of dual field generation layer (FGL) spin torque oscillators (STO) for microwave-assisted magnetic recording (MAMR)2023

    • Author(s)
      Itagaki Ryo、Kanai Yasushi、Greaves Simon
    • Journal Title

      International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics

      Volume: 71 Pages: S191~S201

    • DOI

      10.3233/JAE-220146

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Three-dimensional magnetic recording2023

    • Author(s)
      Greaves Simon
    • Journal Title

      Journal of Magnetism and Magnetic Materials

      Volume: 588 Pages: 171343~171343

    • DOI

      10.1016/j.jmmm.2023.171343

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Biological neurons act as generalization filters in reservoir computing2023

    • Author(s)
      Sumi Takuma、Yamamoto Hideaki、Katori Yuichi、Ito Koki、Moriya Satoshi、Konno Tomohiro、Sato Shigeo、Hirano-Iwata Ayumi
    • Journal Title

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      Volume: 120 Pages: -

    • DOI

      10.1073/pnas.2217008120

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] マイクロ流体デバイスを用いた神経回路機能の実細胞再構成2023

    • Author(s)
      山本 英明、平野 愛弓、佐藤 茂雄
    • Journal Title

      応用物理

      Volume: 92 Pages: 278~282

    • DOI

      10.11470/oubutsu.92.5_278

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Modular architecture facilitates noise-driven control of synchrony in neuronal networks2023

    • Author(s)
      Yamamoto Hideaki、Spitzner F. Paul、Takemuro Taiki、Buendia Victor、Murota Hakuba、Morante Carla、Konno Tomohiro、Sato Shigeo、Hirano-Iwata Ayumi、Levina Anna、Priesemann Viola、Munoz Miguel A.、Zierenberg Johannes、Soriano Jordi
    • Journal Title

      Science Advances

      Volume: 9 Pages: -

    • DOI

      10.1126/sciadv.ade1755

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Microfluidic technologies for reconstituting neuronal network functions in vitro2023

    • Author(s)
      H. Yamamoto, A. Hirano-Iwata, S. Sato
    • Journal Title

      JSAP Review

      Volume: 2023 Pages: -

    • DOI

      10.11470/jsaprev.230420

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Parameter analysis for biologically plausible learning algorithms for recurrent SNNs: impact of dynamical and anatomical network properties2024

    • Author(s)
      D. Noe, H. Yamamoto, S. Sato
    • Organizer
      The 12th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Designing modular neuronal networks with directional connections to enhance dynamical complexity2024

    • Author(s)
      N. Monma, H. Yamamoto, H. Murota, S. Moriya, N. Fujiwara, A.Hirano-Iwata, S. Sato
    • Organizer
      The 12th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Modulation of neuronal ensembles by optogenetic stimulation in biological neuronal networks2024

    • Author(s)
      H. Murota, H. Yamamoto, N. Monma, S. Sato, A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      The 12th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 神経細胞ネットワークの機能を理解し応用するための神経工学技術2024

    • Author(s)
      山本英明
    • Organizer
      Beyond AIワークショップ「培養ニューロンの機能と未来」
    • Invited
  • [Presentation] 脳領域間結合のin vitro再構成に向けたマイクロ流体デバイスの開発2024

    • Author(s)
      遠藤壮太, 山本英明, 西村周泰, 酒井原一守, 門間信明, 正水芳人, 平野愛弓, 佐藤茂雄
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Magnetic data storage technology; from the invention of perpendicular magnetic recording (PMR) to the social integration2023

    • Author(s)
      YOICHIRO TANAKA
    • Organizer
      Institute of Physics Magnetism 2023
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Magnetic data storage technology; from the invention of perpendicular magnetic recording (PMR) to the social integration2023

    • Author(s)
      YOICHIRO TANAKA
    • Organizer
      XII-Latin American Workshop on Magnetism, Magnetic Materials (LAW3M 2023)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Magnetic data storage technology; from the invention of perpendicular magnetic recording (PMR) to the social integration2023

    • Author(s)
      YOICHIRO TANAKA
    • Organizer
      SPIN ASIA 2023
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Magnetic data storage technology; from the invention of perpendicular magnetic recording (PMR) to the social integration2023

    • Author(s)
      YOICHIRO TANAKA
    • Organizer
      The 13th Annual Symposium on Magnetics 2023
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Blocking phenomenon of hard/soft bilayer FePt grains in granular film2023

    • Author(s)
      D. Isurugi, T. Saito, K. K. Tham, T. Ogawa, Y. Tanaka, S. Greaves and S. Saito
    • Organizer
      Intermag 2023, Sendai
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Control of information flow in arrays of spin-torque oscillators2023

    • Author(s)
      T. Ise, S. Greaves and Y. Tanaka
    • Organizer
      Intermag 2023, Sendai
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Three dimensional heat assisted magnetic recording2023

    • Author(s)
      S. J. Greaves and Y. Kanai
    • Organizer
      IEICE MRIS meeting
  • [Presentation] Write head design for control of transition curvature in heat-assisted magnetic recording2023

    • Author(s)
      S. J. Greaves, K. Tatsuno and Y. Kanai
    • Organizer
      TMRC 2023
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Architecture optimization of a CNN media noise estimator for TDMR2023

    • Author(s)
      J. Pires, A. Sayyafan. B. Belzer, K. Sivakumar and S. Greaves
    • Organizer
      TMRC 2023
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Three dimensional magnetic recording2023

    • Author(s)
      S. J. Greaves and Y. Kanai
    • Organizer
      TMRC 2023
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Spiking neuron model using spin torque oscillators2023

    • Author(s)
      T. Ise, S. J. Greaves and Y. Tanaka
    • Organizer
      MSJ annual conference
  • [Presentation] vitro neuroengineering technologies for reconstituting and decoding neuronal network dynamics2023

    • Author(s)
      H. Yamamoto, A. Hirano-Iwata, S. Sato
    • Organizer
      Tohoku NeuroTech Symposium (TNS) 2023
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Physical reservoir computing using dynamics of biological neuronal network with modular structure2023

    • Author(s)
      T. Sumi, H. Yamamoto, Y. Katori, K. Ito, S. Sato, A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      10th International Congress on Industrial and Applied Mathematics (ICIAM 2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] マイクロパターン培養神経ネットワークのダイナミクスを用いたリザバーコンピューティング2023

    • Author(s)
      住 拓磨, 山本英明, 伊藤亘輝, 香取勇一, 佐藤茂雄, 平野愛弓
    • Organizer
      第33回日本神経回路学会全国大会
  • [Presentation] 人工神経細胞回路における摂動応答特性のモジュール構造依存性の解析2023

    • Author(s)
      室田白馬, 山本英明, 竹室汰貴, 佐藤茂雄, J. Soriano, 平野愛弓
    • Organizer
      第33回日本神経回路学会全国大会
  • [Presentation] 結合指向性を有する神経細胞ネットワークの in vitro-in silico モデリング2023

    • Author(s)
      門間信明, 山本英明, 室田白馬, 守谷 哲, 藤原直哉, 平野愛弓, 佐藤茂雄
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] 大規模モジュール構造型培養神経回路のリザバー特性の解析2023

    • Author(s)
      伊藤亘輝, 山本英明, 住 拓磨, 香取勇一, 佐藤茂雄, 平野愛弓
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] 人工神経細胞回路における光刺激前後での神経アンサンブルの解析2023

    • Author(s)
      室田白馬, 山本英明, 門間信明, 佐藤茂雄, 平野愛弓
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] 高密度多点電極アレイ上にパターニングしたモジュール構造型大規模培養神経回路の活動解析2023

    • Author(s)
      薗 勇輝, 山本英明, 佐藤有弥, 香取勇一, 平野愛弓, 佐藤茂雄
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] Bottom-Up Investigation of Multicellular Computing Within Biological Neuronal Networks2023

    • Author(s)
      H. Yamamoto, T. Sumi, Y. Sato, S. Sato, A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      2023 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications (NOLTA2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Modular Topology Enhances Reservoir Computing Performance in Biological Neuronal Networks2023

    • Author(s)
      T. Sumi, H. Yamamoto, Y. Katori, K. Ito, S. Sato, A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      2023 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications (NOLTA2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 人工神経細胞回路を用いた物理リザバーコンピューティング2023

    • Author(s)
      山本英明, 住 拓磨, 平野愛弓, 佐藤茂雄
    • Organizer
      化学とマイクロ・ナノシステム学会第48回研究会 (CHEMINAS48)
    • Invited
  • [Presentation] 生体工学と機械学習による神経回路機能の探求2023

    • Author(s)
      山本英明
    • Organizer
      計測自動制御学会 システム・情報部門 学術講演会 2023 (SSI2023)
    • Invited
  • [Presentation] Optogenetic perturbation of engineered neuronal networks grown in vitro2023

    • Author(s)
      H. Yamamoto, S. Sato, A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      16th International Symposium on Nanomedicine (ISNM2023)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Enhanced modulation of spontaneous neural activity by interleukin-6 in micropatterned neuronal networks2023

    • Author(s)
      M. Sakaibara, H. Yamamoto, H. Murota, N. Monma, S. Sato, A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      16th International Symposium on Nanomedicine (ISNM2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Magnetic data storage technology; from the invention of perpendicular magnetic recording (PMR) to computational storage2023

    • Author(s)
      Yoichiro Tanaka
    • Organizer
      Computational I/O Stack Workshop, UCSC
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Book] スピントロニクスハンドブック 基礎から応用まで2023

    • Author(s)
      田中陽一郎、ほか(共著)
    • Total Pages
      676
    • Publisher
      株式会社エヌ・ティー・エス
    • ISBN
      9784860438425
  • [Remarks] 情報ストレージシステム研究室

    • URL

      https://www.riec.tohoku.ac.jp/ja/organization/section2/storage/

  • [Remarks] ナノ・バイオ融合分子デバイス研究室

    • URL

      https://www.riec.tohoku.ac.jp/ja/organization/section3/nano-bio/

  • [Remarks] ナノ集積デバイス・システム研究室

    • URL

      https://www.riec.tohoku.ac.jp/ja/organization/section1/sato/

  • [Remarks] ナノ磁石を積み上げて磁気記録を高密度化

    • URL

      https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2024/03/press20240327-02-nano.html

  • [Remarks] 生物の脳神経回路の構造を模した培養系モデルを開発 ─モジュール構造の機能的意義に関する新視点を提供─

    • URL

      https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2023/08/press20230828-01-modular.html

URL: 

Published: 2024-12-25  

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