2014 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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| Research Institution | The 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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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、脳領野間の機能的断裂症候群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、人を対象と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。本年度の研究では、階層的な神経回路における様々なパラメータを変化させることによって、脳領野間の機能的連絡の変化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を試みた。
実験では特に、予期せぬ変化が生じうる環境における適応行動の実現には「予測精度の予測」が重要であり、獲得される行動のタイプにも影響を及ぼすことが明らかになった。例えば、予測精度が高いと予測される場合には，強い学習が行われることでロボットは能動的（トップダウン的）に行動を生成し、予測精度が低いと予測される場合には，弱い学習が行われることでロボットは感覚入力に対して受動的に反応し行動を生成することが示された。このような予測精度の予測に基づく、柔軟な行動タイプの切りかえは、正常な適応行動の生成に欠かすことはできず、このバランスが崩れることで、過剰なトップダウン的行動（保続的、常同的行動）や、ボトムアップ的刺激に過剰に反応した行動（感覚への過剰な反応、意志欠如的行動）といった異常行動を呈することが分かった。
階層的神経回路における、予測誤差最小化と、予測精度の予測は、統合失調症をはじめ自閉症や強迫性障害などの多様な神経・精神疾患との関連が示唆されており、本研究の提供する精神症状のシステムレベルのモデルが、これらの疾患の病態理解に貢献することが期待できる。これらの成果は、感覚・運動相互作用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。
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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、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、結果的におこるロボットの振る舞いの変化、神経回路モデル内の神経活動と内部表現の構造を解析し、実際の神経・精神疾患において観察される治験との現象レベルでの対応にうちて詳細な考察を行った。
さらに予期せぬ変化が生じうる環境における適応行動の実現には「予測精度の予測」が重要であり、獲得される行動のタイプにも影響を及ぼすことを明らかにした。このような予測精度の予測に基づく、柔軟な行動タイプの切りかえのバランスが崩れることで、過剰なトップダウン的行動（保続的、常同的行動）や、ボトムアップ的刺激に過剰に反応した行動（感覚への過剰な反応、意志欠如的行動）といった異常行動を呈することを明らかにした。
これらの研究成果は、複数の国内会議・国際会議で発表し、また、原著論文、総説としても報告予定である。以上より、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成果を引き続き、国内会議・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検討するための、ヒト被験者を対象とした認知・神経科学的実験課題の確立を試みる。
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、感覚、情動などの認知において、ボトムアップ的な低次感覚情報と、言語や意図などのトップダウン的高次認知機能との相互作用を観測できることを主眼として、デザインする。特に、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ような課題を用いる予定である。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。予期できないタイミングでの状態遷移規則の逸脱を呈示して、このとき誘発される意図の切りか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予定である。
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| Causes of Carryover |
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。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成26 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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