2013 Fiscal Year Research-status Report
脳領野間の機能的断裂症候群の神経力学的メカニズムへの統合神経科学的アプローチ
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25330301
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Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
山下 祐一 独立行政法人理化学研究所, 脳科学総合研究センター, 客員研究員 (40584131)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 脳・神経 / 神経科学 / 認知科学 / ニューラルネットワーク / 機能的断裂症候群 / 統合失調症 / 精神疾患 / 認知ロボティクス |
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| Research Abstract |
脳領野間の機能的断裂症候群(disconnection syndrome)の神経力学的メカニズムを、神経回路モデルとロボットを用いた神経ロボティクスと、人を対象にした実験神経科学との統合的方法によって理解することを目的とする。特に、前頭前野と高次連合領野間の機能的断裂が想定されている、神経・精神疾患の多様な症状を標的とし、脳領野間の結合によりどのようなシグナルが伝達されているのか、その機能的断裂がどのようにして神経・精神疾患の症状に結びつくのか、を明らかにしようとする。
神経・精神疾患の多くの症状が、階層的な神経回路における脳領野間の機能的断裂に対する代償プロセスとして理解できる、との仮説を神経ロボティクス実験で検証した。神経回路の機能的結合の様々なパラメータを変化させることによって、脳領野間の機能的断裂症候群をシミュレートした際のロボットの振る舞いの変化、神経活動と内部表現の構造と、実際の神経・精神疾患において観察される症状との対応について考察した。実験の結果、神経・精神疾患の多彩な症状が、階層的な神経回路における機能的断裂に対する不適応プロセス、すなわち予測誤差最小化のバランスを維持するための代償、として理解できることが示された。予測誤差情報処理と階層的な神経回路における機能的断裂は、自閉症や強迫性障害など他の神経・精神疾患との関連も示唆されており、本研究の提供する精神症状のシステムレベルでのモデルが、これらの疾患の病態理解にも貢献することが期待できることが示唆された。
これらの成果は、感覚・運動相互作用のレベルから意図や高次認知機能といった抽象度の高いレベルの現象との間を橋渡しするような説明を提供することに成功したと考えられる。このことは、神経回路駆動のロボット研究が、神経システムの機能障害と神経・精神疾患における異常行動の研究に効果的なアプローチであることを示している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の計画通り、統神経・精神疾患の多くの症状が、階層的な神経回路における脳領野間の機能的断裂に対する代償プロセスとして理解できるとの仮説をロボット実験の結果から検証することができた。具体的には、階層的な予測運動制御システムにおいて起こりうる変化を、神経回路上のパラメータを変化させることによってシミュレートし、結果的に起こるロボットの振る舞いの変化、神経回路モデルの神経活動と内部表現の構造を解析し、実際の精神神経疾患において観察される知見と現象レベルでの対応について詳細な考察を行った。本研究のロボットをつかった実証実験の成果は、複数の国際会議で発表することができた。また、総説論文としても出版した。
上記により、研究の目的は十分に達成されていると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度に行ってきた、研究の結果を、国際会議・学術論文として積極的に発表を行っていく。
さらに次年度には、神経ロボティクス実験によって予測された、脳領野間の機能的断裂の形式と神経・精神疾患の症状との対応を、実際の人被験者において観察するための認知課題・神経生理学的計測方法の確立を試みる。外界の変化への柔軟な適応能力を試す認知課題としては、刺激の色・形・数など複数の次元に対する注意を柔軟に切りかえることが求められるウィスコンシン・カード・ソーティング・テストなどが代表的である。しかし、本研究では、複数の次元に対する注意の切り替えに加えて、刺激が状態遷移規則に基づく時系列シーケンスを形成する課題を用いる。これは、これまでの研究代表者の計算モデル研究から、課題の刺激が状態遷移規則に基づく時系列予測を含むような場合に、よりトップダウン的予測とボトムアップ的修正のスムーズな相互作用が要求され、予測誤差最小化プロセスの異常が検出しやすくなると予測されるからである。課題実行中に、予期できないタイミングでの状態遷移規則の逸脱や刺激次元の切り替えを行い、このとき誘発される、予測誤差に基づく意図の切り替えに対応するシグナルを、脳波などの神経・生理学的計測によって検出することを試みる。計測方法としては、予測誤差に関連したシグナル検出に使用されることの多い、脳波の事象関連電位などを予定している。
認知課題デザインの初めの段階では、正常被験者を対象として予備行動実験を行い、課題の適切なパラメータ設定を試みる。さらに予備行動実験で、安定した反応が得られることを確認した上で、課題に最適な計測方法（脳波もしくはfMRI）の選定を行い、神経・生理学的計測データから、予測誤差とその最小化プロセスに対応するシグナルを検出するための解析方法などについての検討を行う。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
予定していた実験・解析作業の進捗がスムーズであったため、研究補助員への謝金が必要とならなかったため、予定していた人件費・謝金に余剰が生じた。
平成25年度に解析を進めていた実験データに、新たに興味深いデータを得ており、広く周知する価値があると考えられるため、国際会議での発表を次年度に行うこととし、未使用額はその経費に充てることとしたい。
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