Application of Chaos in Diffusive Coupling Systems to Reservoir Computing and Construction of Computational Theory for the Cerebellar Granular Layer

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K19882
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 61040:Soft computing-related
• Research Institution: Juntendo University (2023); University of Tsukuba (2020-2022)
• Principal Investigator: Tokuda Keita 順天堂大学, 健康データサイエンス学部, 准教授 (50762176)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 小脳 / カオス / ギャップジャンクション / レザバー計算

Outline of Final Research Achievements

The objective of this research project was to propose and verify a computational hypothesis that gap junctions in the granular cell layer of the cerebellum induce spatiotemporal chaos, which enables appropriate information representation. Through mathematical model analysis, it was demonstrated that the introduction of gap junctions enhances the complexity of representations. Furthermore, the conditions for achieving the ability to produce the same output for the same input consistently while maintaining the complexity of output patterns were also understood. On the other hand, under strong chaos, the complexity of the output patterns increases, but the system's dependence on initial conditions also becomes stronger, revealing a trade-off with generalization ability. To address this issue, we conceived the idea of stabilizing the system by introducing temporal periodicity in the amplitude of external inputs.

Free Research Field

計算論的神経科学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

小脳の顆粒細胞層は、情報が入力する部分であり、その情報処理を明らかにすることは、小脳の機能の理解に取って必要不可避なことである。本研究では、小脳の顆粒細胞層に大量に存在するギャップジャンクションの機能的な役割について仮説を立て、数理モデルを用いた理論的な解析により、その論理的な整合性を検証した。強い非線形性を持つ神経系において、解剖学的な構造であるギャップジャンクションの存在が、どのようなダイナミクスの生成につながり、さらにはどのような情報処理につながるのかを理解するためには、数理モデルを用いた研究が必須であった。本研究の成果が、中枢神経系の生理や病理を解明するために今後貢献すると考えられる。