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Neural mechanisms of data abstraction and deductive inference in the prefrontal cortex

Planned

Project AreaCorrespondence and Fusion of Artificial Intelligence and Brain Science
Project/Area Number 16H06571
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Complex systems
Research InstitutionTamagawa University

Principal Investigator

坂上 雅道  玉川大学, 脳科学研究所, 教授 (10225782)

Project Period (FY) 2016-06-30 – 2021-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥95,680,000 (Direct Cost: ¥73,600,000、Indirect Cost: ¥22,080,000)
Fiscal Year 2020: ¥14,040,000 (Direct Cost: ¥10,800,000、Indirect Cost: ¥3,240,000)
Fiscal Year 2019: ¥14,950,000 (Direct Cost: ¥11,500,000、Indirect Cost: ¥3,450,000)
Fiscal Year 2018: ¥14,950,000 (Direct Cost: ¥11,500,000、Indirect Cost: ¥3,450,000)
Fiscal Year 2017: ¥14,950,000 (Direct Cost: ¥11,500,000、Indirect Cost: ¥3,450,000)
Fiscal Year 2016: ¥36,790,000 (Direct Cost: ¥28,300,000、Indirect Cost: ¥8,490,000)
Keywordsカテゴリー推論 / 前頭前野 / ニホンザル / ユタアレー / カルシウムイメージング / マカクザル / ユタアレイ / 前頭前野外側部 / 大脳基底核線条体 / ユタアレー電極 / カテゴリー / 推論 / GCaMP / モデルベース / モデルフリー / サル / ウイルスベクター / ファイバーマイクロスコピー / デコーディング / AI / ウイ / 神経科学 / 認知科学 / 人工知能
Outline of Annual Research Achievements

推移的推論課題をニホンザルに学習させ、課題遂行中に前頭前野外側部と大脳基底核線条体から、単一ニューロン活動と局所場電位を同時記録した。その結果、サルの行動と前頭前野外側部ニューロンの活動には、推移的推論を行っている証拠が見られたが、線条体ニューロンの活動には、推論とは異なる、より単純な形の連合学習機能しか見られなかった。より詳細な解析から、前頭前野外側部ニューロンは、刺激をカテゴリー的にコードしており、それに報酬情報が結びつくことによって推論を行っていることが示唆された(演繹的推論)。線条体ニューロンにはこのようなカテゴリー的なコードは見られなかった。また、1頭のサルについて、推論課題遂行中に前頭前野外側部にムシモルを注入し、一時的に前頭前野機能を抑制する実験を行った。この時、単純な報酬予測や課題遂行能力に変化は見られなかったが、推移的推論が必要な報酬予測はできなくなった。これらの結果を現在まとめて論文作成中である。
また、前頭前野外側部のカテゴリー情報処理の詳細を明らかにするための実験も開始した。ここでは、2頭のニホンザルに、条件性見本合わせ課題を学習させ、数組の刺激ペアの対連合を形成させることができた(A1->A0, A2->A0, B1->B0, B3->B0など)。この課題を学習したサルを使って、今年度は、学習に伴う前頭前野外側部ニューロンネットワークの活動変化を電気生理学的に観察する予定である。さらに、昨年度は、ウイルスベクターを使って、前頭前野外側部ニューロンにGCaMP6を発現させることによって、前頭前野ニューロンネットワークの活動を観察するための予備実験も行った。今後、この手法を使って課題遂行中のサルの前頭前野外側部ニューロンのネットワーク活動を観察する予定である。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

推移的推論課題遂行中のサルの前頭前野外側部と大脳基底核線条体から記録した単一ニューロン活動と局所場電位の解析は、現在最終段階を迎えていて、まもなく論文化する予定である。この論文によって、前頭前野の推移的推論機能が、情報のカテゴリーを通した演繹的推論により実現されているということを明らかにする。
前頭前野外側部のカテゴリー情報処理の詳細についての研究では、課題が複雑なため、サルに課題を学習させるのに時間がかかったが、すぐにでもユタ―アレー電極を使って記録実験ができる状態にはなった。
カルシウムイメージングについては、世界的にもマカクザルで成功している例は少なく、現在、どのウイルスベクターが適切か?、その量は?などのテストを行っている段階である。今年中には課題を遂行しているサルに適用したい。そのためのサルの訓練等は終了している。

Strategy for Future Research Activity

推移的推論課題遂行中のニホンザルの前頭前野外側部と線条体から単一ニューロン活動と局所場電位を記録したデータの解析は、ほぼ終了しており、あと1-2か月で論文投稿する予定である。これにより、前頭前野外側部と線条体の推論機能の違いは、情報のカテゴリー化にあるということを示し、カテゴリー推論という形で情報の演繹的処理が行われるため、推移的推論が可能になることを明らかにする。
前頭前野外側部ニューロンネットワークが、どのようにカテゴリー情報をコードしているかの詳細を明らかにするため、条件性見本合わせ課題遂行中のサルからユタアレー電極を使って、100本の電極から単一ニューロン活動と局所場電位の同時記録を行う。この課題では、数組の刺激ペアの対連合を形成させており(A1->A0, A2->A0, B1->B0, B3->B0など)、記録開始後、個別に学習したペア刺激を2つの刺激グループ(A0グループとB0グループ)に分ける訓練を施し、学習に伴う前頭前野外側部ニューロンネットワークの活動変化を観察する。サルへの条件性に門合わせ課題の訓練はすでに終了しており、今年度前半にはユタアレー電極による記録も開始できる。
現在テスト段階にある、サルを使ったカルシウムイメージング法の開発も今年度前半にはテストを完了し、課題遂行中のサルに適用する予定である。

Report

(3 results)
  • 2018 Annual Research Report
  • 2017 Annual Research Report
  • 2016 Annual Research Report

Research Products

(44 results)

All 2019 2018 2017 2016

All Journal Article Presentation Book

  • [Journal Article] Association of the oxytocin receptor gene with attitudinal trust: role of amygdala volume.2018

    • Author(s)
      Nishina K, Takagishi H, Fermin ASR, Inoue-Murayama M, Takahashi H, Sakagami M, Yamagishi T
    • Journal Title

      Social Cognitive and Affective Neuroscience

      Volume: 13 Pages: 1091-1097

    • DOI

      10.1093/scan/nsy075

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Differences in reward processing between putative cell types in primate prefrontal cortex2017

    • Author(s)
      Fan H, Pan X, Wang R, Sakagami M
    • Journal Title

      PLoS ONE

      Volume: 12

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0189771

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Behavioural Differences and Neural Substrates of Altruistic and Spiteful Punishment2017

    • Author(s)
      Toshio Yamagishi, Yang Li, Alan S. R. Fermin, Ryota Kanai, Haruto Takagishi, Yoshie Matsumoto, Toko Kiyonari & Masamichi Sakagami
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 7

    • DOI

      10.1038/s41598-017-15188-w

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Response time in economic games reflects different types of decision conflict for prosocial and proself individuals2017

    • Author(s)
      Yamagishi T, Matsumoto Y, Kiyonari T, Takagishi H, Li Y, Kanai R, Sakagami M
    • Journal Title

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      Volume: 114(24) Pages: 6394-6399

    • DOI

      10.1073/pnas.1608877114

    • NAID

      40021890559

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Reward information encoded by power of local field potentials in the primate prefrontal Cortex and striatum2017

    • Author(s)
      Chen YY, Pan XC, Wang RB, Sakagami M
    • Journal Title

      Sheng Li Xue Bao

      Volume: 69 Pages: 385-396

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Midbrain Dopamine Neurons Signal Belief in Choice Accuracy during a Perceptual Decision2017

    • Author(s)
      Lak A, Nomoto K, Keramati M, Sakagami M, Kepecs A
    • Journal Title

      Current biology

      Volume: 27(6) Pages: 821-832

    • DOI

      10.1016/j.cub.2017.02.026

    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Characteristics of fast-spiking neurons in the striatum of behaving monkeys2016

    • Author(s)
      Yamada H, Inokawa H, Hori Y, Pan X, Matsuzaki R, Nakamura K, Samejima K, Shidara M, Kimura M, Sakagami M, Minamimoto T.
    • Journal Title

      Neuroscience research

      Volume: 105 Pages: 2-18

    • DOI

      10.1016/j.neures.2015.10.003

    • NAID

      120005770830

    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Functional connectivity between prefrontal cortex and striatum estimated by phase locking value2016

    • Author(s)
      Zhang Y, Pan X, Wang R, Sakagami M
    • Journal Title

      Cognitive neurodynamics

      Volume: 10(3) Pages: 245-254

    • DOI

      10.1007/s11571-016-9376-2

    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Reward value enhances post-decision error-related activity in the cingulate cortex2016

    • Author(s)
      Taylor JE, Ogawa A, Sakagami M.
    • Journal Title

      Neuroscience research

      Volume: 印刷中 Pages: 38-46

    • DOI

      10.1016/j.neures.2015.12.009

    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Rawlsian maximin rule operates as a common cognitive anchor in distributive justice and risky decisions.2016

    • Author(s)
      Kameda T, Inukai K, Higuchi S, Ogawa A, Kim H, Matsuda T, Sakagami M
    • Journal Title

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      Volume: 113(42) Pages: 11817-11822

    • DOI

      10.1073/pnas.1602641113

    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Cognitive Functions in the Prefrontal Association Cortex; Transitive Inference and the Lateral Prefrontal Cortex2016

    • Author(s)
      Tanaka S, Oguchi M, Sakagami M.
    • Journal Title

      Brain and Nerve

      Volume: 68(11) Pages: 1263-1270

    • NAID

      40021002710

    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Chemogenetic Inactivation Using Double Virus Vector Infection Revealed the Function of the Prefronto-striatal Pathway in the Macaque Brain2019

    • Author(s)
      Masamichi Sakagami
    • Organizer
      HangZhou Forum on Cognitive Neuroscience and Intelligent Application
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] サル前頭前野皮質脳波信号からの価値情報のデコーディングとニューロフィードバックによる価値情報の変更2018

    • Author(s)
      坂上雅道
    • Organizer
      新学術領域研究「人工知能と脳科学」「適応回路シフト」合同領域会議 研究戦略ワークショップ
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      2018 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Microendoscopic calcium imaging from the prefrontal cortex of awake macaque monkey2018

    • Author(s)
      Mineki Oguchi, Takehiko Ito, Jiasen Jiang, Kensaku Nomoto, Takefumi Kikusui, Masamichi Sakagami
    • Organizer
      The Joint Research Area Meeting Scientific Research on Innovative Areas: “Artifical Intelligence and Brain Science”and “Adaptive Circuit Shift”
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] ウイルスベクター二重遺伝子導入法を用いた化学遺伝学的不活化によるマカク前頭前野-線条体回路の機能解明2018

    • Author(s)
      小口峰樹、坂上雅道
    • Organizer
      平成30年度第1回大脳基底核機能研究会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Oxytocin receptor gene regulates resting-state functional connectivity of attitudinal trust2018

    • Author(s)
      Nishina K., Inoue-Murayama M., Takahashi H., Sakagami M., Matsuda T., Yamagishi T., Takagishi H
    • Organizer
      HBES Annual Meeting
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Introduction of Japan-U.S.Brain Research Cooperative Program(BRCP)2018

    • Author(s)
      Masamichi Sakagami
    • Organizer
      The 41th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Value Decoding from ElectroCorticoGraphic Signals in Monkey Prefrontal Cortices and its Modulation by Decorded Neurofeedback2018

    • Author(s)
      Masamichi Sakagami
    • Organizer
      The 41th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Chemogenetic Inactivation Using Double Virus Vector Infection Elucidates the Function of the Prefronto-striatal Circuit in the Macaque Brain2018

    • Author(s)
      小口峰樹 坂上雅道
    • Organizer
      国際ワークショップ 「遺伝子導入技術の利用による霊長類脳機能操作とイメージング」
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Decoding value-related signal represented in multiple areas of the prefrontal cortex using ECoG electrode2018

    • Author(s)
      Masamichi Sakagami
    • Organizer
      The 4th Conference on Cognitive Neurodynamics
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] オキシトシン受容体遺伝子多型と一般的信頼の関連2018

    • Author(s)
      仁科国之・高岸治人・井上-村山美穂・高橋英彦・坂上雅道・山岸俊男・松田哲也
    • Organizer
      日本社会心理学会第59回大会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 意思決定に関わる2つの神経回路と向社会性2018

    • Author(s)
      坂上雅道
    • Organizer
      日本心理学会第82回大会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Neuronal mechanisms on inductive abstraction and deductive generation of information2018

    • Author(s)
      Masamichi Sakagami
    • Organizer
      The 5th Research Area Meeting Scientific Research on Innovative Areas: Artifical Intelligence and Brain
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Chemogenetic Inactivation Using Double Virus Vector Infection Reveals the Inhibitory Function of the Prefronto-striatal Pathway in the Macaque Brain2018

    • Author(s)
      Mineki Oguchi Masamichi Sakagami
    • Organizer
      Workshop "Genetic technologies for systems neuroscience in non-human primates"
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Social Value Orientation is Associated with the Role of Right Dorsolateral Prefrontal Cortex in Prosocial Behavior2018

    • Author(s)
      Takagishi, H., Sakagami, M., & Yamagishi, T
    • Organizer
      The 19th annual meeting of the Society for Personality and Social Psychology,
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Multiple Neural Circuits In Value-based Decision Making2018

    • Author(s)
      Masamichi Sakagami
    • Organizer
      Brain Engineering Society of Korea(BESK) Brain AI Symposium
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Decoding the value related signal represented in multiple areas of the prefrontal cortex using ECoG electrodes2018

    • Author(s)
      Masamichi Sakagami
    • Organizer
      Joint Workshop on AI Flagship Project for Interaction & Emotion and AI & Brain Science project 2018
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 意思決定に関わる2つの神経回路とその相互作用2017

    • Author(s)
      坂上雅道
    • Organizer
      「精神発達障害から考察するdecision makingの分子的基盤」2016年度第1回研究会
    • Place of Presentation
      公益財団法人国際高等研究所(京都府木津市)
    • Year and Date
      2017-02-19
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 向社会的行動の遺伝的基盤2017

    • Author(s)
      仁科国之・高岸治人・井上-村山美穂・高橋英彦・坂上雅道・山岸俊男
    • Organizer
      日本人間行動進化学会第10回大会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] アルギニンバソプレシン受容体遺伝子と向社会的行動の関連2017

    • Author(s)
      仁科国之・高岸治人・井上-村山美穂・高橋英彦・坂上雅道・山岸俊男
    • Organizer
      第7回社会神経科学研究会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] Elucidating the role of the macaque lateral prefrontal cortex for the value-based decision making using the decoded neurofeedback2017

    • Author(s)
      Tanaka S, Kawasaki K,Hasegawa I, Suzuki T, Kawato M and Sakagami M
    • Organizer
      Real-time Functional Neuroimaging and Neurofeedback 2017
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Spatial and temporal distribution of value-related and the visual information in the macaque lateral ptefrontal cortex2017

    • Author(s)
      Tanaka S, Kawasaki K, Hasegawa I, Suzuki T, Kawato M and Sakagami M.
    • Organizer
      The 47th annual meeting of the Society for Neuroscience
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Dissociable functions of reward inference in the lateral prefrontal cortex and the striatum2017

    • Author(s)
      Masamichi Sakagami
    • Organizer
      The 44th Naito Conference
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Distribution of value related information in the multiple areas of the macaque prefrontal cortex2017

    • Author(s)
      Tanaka S, Kawasaki K, Hasegawa I, Suzuki T, Kawato M and Sakagami M
    • Organizer
      The 40th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Categorical coding of stimulus and inference of the value in the monkey lateral prefrontal cortex2017

    • Author(s)
      Masamichi Sakagami
    • Organizer
      Max Prank Institute Germany
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] ategorical Coding of Stimulus and Inference of the Value in the Monkey Lateral Prefrontal Cortex2017

    • Author(s)
      Masamichi Sakagami
    • Organizer
      Joint Workshop on AI and Neuroscience
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] The reward prediction error signal of midbrain dopamine neuron is modulated by the cost paid for the reward2017

    • Author(s)
      Masamichi Sakagami
    • Organizer
      The Forum on Cognitive Neuroscience Frontier 2017
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Decoding The Value Of Juice From Electrocorticographic Signals In Monkey Prefrontal Cortices And Its Modulation Through The Decoded Neurofeedback2016

    • Author(s)
      坂上雅道
    • Organizer
      Australasian Neuroscience Society 2016
    • Place of Presentation
      Grand Chancellor(オーストラリア)
    • Year and Date
      2016-12-04
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Elucidating the Function of the Prefronto-striatal Circuit of the Macaque Brain Using the Double Virus Vector Infection2016

    • Author(s)
      小口峰樹 坂上雅道
    • Organizer
      NHP Chemogenetics workshop
    • Place of Presentation
      NIH(米国)
    • Year and Date
      2016-11-29
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 脳と心の接点を探る研究の最前線2016

    • Author(s)
      坂上雅道
    • Organizer
      日本理論心理学会第62回大会シンポジウム
    • Place of Presentation
      千葉経済大学(千葉県千葉市)
    • Year and Date
      2016-11-27
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Elucidating the Function of the Prefronto-striatal Circuit of the Macaque Brain Using the Double Virus Vector Infection2016

    • Author(s)
      坂上雅道
    • Organizer
      Rochester Conte Center Symposium
    • Place of Presentation
      University of Rochester(米国)
    • Year and Date
      2016-10-12
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Signal Interaction between Primate Prefrontal Cortex and Striatum in Asymmetric Reward Task2016

    • Author(s)
      坂上雅道
    • Organizer
      The third Conference on Cognitive Neurodynamics
    • Place of Presentation
      敦煌 蘭州理工大学(中国蘭州市)
    • Year and Date
      2016-08-05
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Elucidating the Function of the Prefronto-striatal Circuit of the Macaque Brain Using the Double Virus Vector Infaction2016

    • Author(s)
      田中慎吾、小口峰樹、坂上雅道
    • Organizer
      第39回日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜(神奈川県横浜市)
    • Year and Date
      2016-07-20
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Book] 推移的推論の脳メカニズム-汎用人工知能の計算理論構築をめざして-2017

    • Author(s)
      田中慎吾 坂上雅道
    • Total Pages
      1025
    • Publisher
      人工知能
    • Related Report
      2017 Annual Research Report

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Published: 2016-07-04   Modified: 2020-08-26  

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