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2013 Fiscal Year Research-status Report

超小規模回路網を用いた大脳皮質回路の計算論的機能解明

Research Project

Project/Area Number 25430028
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

寺前 順之介  大阪大学, 情報科学研究科, 准教授 (50384722)

Project Period (FY) 2013-04-01 – 2016-03-31
Keywords局所回路 / 脳 / ネットワーク / 抑制 / ゆらぎ / 不均一性 / ネットワークモチーフ / クラスタ構造
Research Abstract

大脳皮質局所回路網での基礎的な計算原理を解明するための研究を行った.特に,自発発火状態と,そこでの情報処理に回路構造が与える影響を検討する理論研究を行った.これまでの研究により,大脳皮質局所回路網での興奮性後シナプス電位(Excitatory postsynaptic potential, EPSP)の振幅分布が,大脳皮質自発発火活動と,そこでのスパイク情報伝達に重要なことが明らかになっていた.しかし,統計的な振幅分布を超える,さらに詳細な皮質局所化色構造が自発活動と皮質情報処理に与える影響は未解明であったため,両者の関連を明確にする研究を行った.具体的には,局所回路に関して,実験的に報告されているネットワークモチーフ(小規模ネットワーク構造)に着目し,ネットワークモチーフの分布や,それに伴う結合の高次構造を再現する大脳皮質内の微小部分の局所回路モデルを作成し,その挙動を理論解析及び数値計算によって明らかにした.この研究では,微小回路内にクラスタ構造を持つ神経回路が含まれるという仮定が実験と整合的な神経回路ネットワークを実現することを示し,その仮定によって理論上可能となるネットワークを制限して数値計算を実施した.その結果,クラスタ構造の存在によって自発発火状態の発火率に多様性が生じ,複数の異なる発火率の自発状態が多安定状態として実現することを示した.この多安定状態は,神経情報処理上での作業記憶に対応する可能性がある事も指摘した.さらに,回路内の高次構造に着目した研究において,これまで考慮されていなかった抑制性神経細胞における局所回路での抑制性シナプス後電位(Inhibitory postsynaptic potential, IPSP)の振幅分布に着目した研究も行い,IPSP振幅の歪んだ分布によって,自発発火状態が安定化することを発見した.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

脳内,特に大脳皮質の局所回路構造に関して,興奮性細胞群がつくる小規模ネットワーク構造(ネットワークモチーフ)に着目した研究を行い,その構造の有無によって,自発活動のダイナミクスおよびそのアトラクター構造が変化することを解明できた点は計画通りの順調な進展であるといえる.さらに抑制性神経回路の局所回路でのIPSP振幅分布の不均一性に着目した研究も進展しており,特に自発状態の安定性と,noise correlationに関して強い影響をあたえることを明らかに出来た点も,現在論文発表準備中ではあるが順調な計画進展だといえる.noise correlationについては,脳内での注意のメカニズムとの関連から,近年その重要性に注目が集まっており,その観点から神経情報処理機能との関連が明らかにできる可能性があるため,重要な成果だと考えられる.

Strategy for Future Research Activity

まず抑制性神経細胞からのIPSP振幅分布の不均一性の自発活動とnoise correlationに関する機能的役割をさらに解明し,論文出版を行う.特に,現在数値実験によって得られているnoise correlationの急速な減弱に関するIPSP不均一性の効果の起源を明確にするために,IPSP不均一性とnoise correlationの関連を取り扱う数理的な理論を構築し,数値実験の検証及び,生理実験等への予測を行う.局所回路におけるネットワークモチーフに関しては,大脳皮質情報処理のモデルとして近年有用性が指摘されているResevoir computation(Liquid state machine)に着目し,結合強度の統計性,クラスタ構造の有無,ネットワークモチーフの有無等の影響を検討する予定である.またそれらの工学的応用についても検討する予定である.

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

研究内容の進展により,研究当初想定していた人件費・謝金の支出が今年度は不要となったため.
当初予定通り,人件費・謝金として使用する予定であるが,次年度の研究内容の進展に応じては,局所神経回路構造のさらなる数値計算が必要になる事も考えられるため,その場合には数値計算用計算機の購入のために,物品費の一部として使用することも視野に入れて計画する.

  • Research Products

    (17 results)

All 2014 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results) Presentation (13 results) (of which Invited: 11 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Computational implementations of lognormally distributed synaptic weights2014

    • Author(s)
      Jun-nosuke Teramae, Tomoki Fukai
    • Journal Title

      Proceedings of the IEEE

      Volume: 102 Pages: 500-512

    • DOI

      10.1109/JPROC.2014.2306254

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Lessons from spontaneous neural noise genesis on neuromorphic engineering2014

    • Author(s)
      Tomoki Fukai, Jun-nosuke Teramae
    • Journal Title

      Proceedings of the IEEE

      Volume: 102 Pages: 513

    • DOI

      10.1109/JPROC.2014.2307019

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Dense neuron clustering explains connectivity statistics in cortical microcircuits2014

    • Author(s)
      V. V. Klinshov, J. Teramae, V. I. Nekorkin, T. Fukai
    • Journal Title

      PLoS One

      Volume: 9 Pages: e94292

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0094292

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Optimal Spike-Based Communication with Internal Fluctuation in Cortical Networks

    • Author(s)
      Jun-nosuke Teramae
    • Organizer
      International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications
    • Place of Presentation
      Santa Fe, USA
    • Invited
  • [Presentation] Origin and functional roles of spontaneous noise in the brain: Self-organized stochastic resonance and memory states

    • Author(s)
      Jun-nosuke Teramae
    • Organizer
      Modeling Neural Activity: Statistics, Dynamical Systems, and Networks
    • Place of Presentation
      Lihue, USA
    • Invited
  • [Presentation] Noise-Induced Order and Computation in the Brain

    • Author(s)
      Jun-nosuke Teramae
    • Organizer
      Progress of Mathematical Studies in Neuroscience
    • Place of Presentation
      Hsinchu, Taiwan
    • Invited
  • [Presentation] 脳情報通信におけるゆらぎの機能的役割

    • Author(s)
      寺前 順之介
    • Organizer
      電子情報通信学会総合大会
    • Place of Presentation
      新潟大学
    • Invited
  • [Presentation] 大脳皮質局所回路網におけるゆらぎと確率性の理論研究

    • Author(s)
      寺前 順之介
    • Organizer
      視覚科学統合研究センターシンポジウム 「視覚情報処理の新展開-局所回路から認知へ」
    • Place of Presentation
      立命館大学
    • Invited
  • [Presentation] 大脳皮質における揺らぎの起源と神経情報処理における機能

    • Author(s)
      寺前 順之介
    • Organizer
      日本学術振興会 分子系の複合電子機能第181委員会
    • Place of Presentation
      国際高等研究所
    • Invited
  • [Presentation] 神経活動と大規模システムにおける揺らぎの意義

    • Author(s)
      寺前 順之介
    • Organizer
      ランダム力学系理論とその応用
    • Place of Presentation
      京都大学数理解析研究所
    • Invited
  • [Presentation] 大脳皮質における自発揺らぎの理論的解明

    • Author(s)
      寺前 順之介
    • Organizer
      視覚科学の統合的研究センターセミナー
    • Place of Presentation
      立命館大学
    • Invited
  • [Presentation] 神経情報処理における自発揺らぎの起源と機能

    • Author(s)
      寺前 順之介
    • Organizer
      日本時間生物学会シンポジウム「生物リズム現象の数理フロンティア」
    • Place of Presentation
      近畿大学
    • Invited
  • [Presentation] 揺らぎをつくり活かす大脳皮質の情報処理メカニズム

    • Author(s)
      寺前 順之介
    • Organizer
      高等研究所「脳をシステムとして理解する-神経回路の動作原理と機能創発-」
    • Place of Presentation
      早稲田大学
    • Invited
  • [Presentation] 脳皮質自発発火活動と確率的記憶状態

    • Author(s)
      寺前 順之介, 坪 泰宏, 平谷 直輝, 深井 朋樹
    • Organizer
      第36回日本神経科学会
    • Place of Presentation
      国立京都国際会館
    • Invited
  • [Presentation] 大規模システムとしての大脳皮質ゆらぎの効果

    • Author(s)
      寺前順之介
    • Organizer
      日本物理学会第69回年次大会
    • Place of Presentation
      東海大学
  • [Presentation] 大脳皮質の自発発火モデルにみられる同期現象の抑制性神経回路による制御

    • Author(s)
      嘉田久嗣,寺前順之介,徳田功
    • Organizer
      日本物理学会第69回年次大会
    • Place of Presentation
      東海大学
  • [Remarks] Jun-nosuke Teramaeのホームページ

    • URL

      http://www-waka.ics.es.osaka-u.ac.jp/~teramae/index.html

URL: 

Published: 2015-05-28  

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