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2013 Fiscal Year Annual Research Report

確率脳内シミュレータとしての大脳皮質自発発火活動と学習の解明

Publicly Offered Research

Project AreaElucidation of neural computation for prediction and decision making: toward better human understanding and applications
Project/Area Number 24120524
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) 2012-04-01 – 2014-03-31
Keywords脳 / 大脳皮質 / 自発活動 / 揺らぎ / ノイズ / 対数正規分布 / 確率的情報処理 / 不均一性
Research Abstract

大脳皮質神経回路ネットワークの確率的情報処理に関して,特に自発活動の起源と機能,さらにその基礎的性質と素の応用に関する理論研究を実施した.これまでの研究により,大脳皮質で観測される強いゆらぎを伴った自発活動が,大脳皮質局所回路内での興奮性神経細胞間での後シナプス電位(Excitatory postsynaptic potential, EPSP)の振幅分布の極端な不均一性によって説明できることを明らかにし,さらにその自発活動によって興奮性神経細胞間のスパイク発火確率が動的に調整されていることを明らかにしたが,本年度は,EPSP振幅不均一性の起源とその工学的応用の可能性,さらに高次の回路構造が自発活動に与える影響とその神経情報処理上の機能的意義に関して研究成果を得た.具体的にはまず,実験的に観測されるEPSP振幅の不均一性が興奮性神経細胞間のシナプス可塑性によって説明されうるかどうかを検討し,Hebb型の学習則と恒常性維持可塑性の組み合わせによって,神経細胞集団内での発火率の不均一性が生じ,その結果EPSP振幅の不均一性が維持される可能性がある事を明らかにした.さらに得られた不均一性を電子回路としての実装も検討し,簡単化したEPSP振幅分布の効果を検討し,neuromorphic engineeringへの展開の可能性も明らかにした.高次の回路構造に関しては,実験的に指摘されている高次構造と整合性を持つ単純な神経回路モデルを提案した.このモデルは回路内にクラスタ構造を持ち,そのクラスタ構造によって異なる発火率を持つ複数の自発発火状態が共存できることを明らかにした.これによりクラスタ構造を持つ神経回路ネットワークでは,自発的発火状態をワーキングメモリーの一種として利用できることを明らかにすることに成功した.

Current Status of Research Progress
Reason

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

25年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (18 results)

All 2014 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results) Presentation (14 results) (of which Invited: 11 results) Remarks (1 results)

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

    • Author(s)
      Jun-nosuke Teramae, and 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, and 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)
      Vladimir V. Klinshov, Jun-nosuke Teramae, Vladimir I. Nekorkin, and Tomoki 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, Tomoki Fukai
    • Organizer
      International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications
    • Place of Presentation
      Santa fe
    • 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
    • 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
      National Tsing-Hua University, 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] 大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
  • [Presentation] Izhikevich神経細胞ネットワークの小振幅集団振動

    • Author(s)
      梅原広明・寺前順之介・成瀬 康
    • Organizer
      ニューロコンピューティング研究会
    • Place of Presentation
      玉川大学
  • [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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