脳情報動態解明に資する多階層・多領野データ統合モデリング法の開発

• 研究領域: 脳情報動態を規定する多領野連関と並列処理
• 研究課題/領域番号: 17H06310
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 複合領域
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 石井 信 京都大学, 情報学研究科, 教授 (90294280)
• 研究分担者: 山崎 匡 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (40392162)
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 120,640千円 (直接経費: 92,800千円、間接経費: 27,840千円); 2021年度: 27,040千円 (直接経費: 20,800千円、間接経費: 6,240千円); 2020年度: 27,040千円 (直接経費: 20,800千円、間接経費: 6,240千円); 2019年度: 27,040千円 (直接経費: 20,800千円、間接経費: 6,240千円); 2018年度: 26,000千円 (直接経費: 20,000千円、間接経費: 6,000千円); 2017年度: 13,520千円 (直接経費: 10,400千円、間接経費: 3,120千円)
• キーワード: 脳情報動態 / カルシウムイメージング / 機能モジュール / エンコーダ / デコーダ / シミュレーション / 画像処理

研究成果の概要

不確実環境において意思決定課題中のヒトのブレインデコーディング法を開発し、メタ認知がいかに関わるのかを調べた上で論文化した(Katayama, et al., 2022)。ヒトの階層的な意思決定過程とメタ認知がいかに関わるのかにつき研究を進めた。視覚注意課題において刺激依存の活動と知識依存の活動を分離することのできる手法を用いて、二種の情報を並列処理する脳情報動態基盤を明らかにした。
機能イメージングデータから動的機能回路を抽出する手法を開発、マウスおよびマーモセットのカルシウムイメージングデータに適用した。個体数1ではあるが、マーモセットの頭頂視覚連合野の機能同定を完了した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

不確実環境における意思決定ではメタ認知の関与が想定されるものの、いかに関わるのかはこれまでに明確ではなかった。本研究では、メタ認知が高まることで脳情報動態（動的な脳内表象）を明確にするということを明らかにした点で学術的意義がある。成果が評価され、2022年度のテレコム学際研究賞（奨励賞）を受賞した。
他のサブテーマはいずれも研究は完了しており、今後ハイインパクトの論文としての発表を通じて、学術的意義を謳う予定である。

研究成果

• [国際共同研究] Oxford University(英国)
• [国際共同研究] 深セン大学(中国)
• [国際共同研究] Washinton University(米国)
• [国際共同研究] University of Queensland(オーストラリア)
• [国際共同研究] University Hospital Freiburg(ドイツ)
• [雑誌論文] Local and long-distance organization of prefrontal cortex circuits in the marmoset brain (2023)
  • 著者名/発表者名: Watakabe, A., Skibbe, H., Nakae, K., Abe, H., Ichinohe, N., Rachmadi, M.F., Wang, J., Takaji, M., Mizukami, H., Woodward, A., Gong, R., Hata, J., Van Essen, D.C., Okano, H., Ishii, S., Yamamori, T.
  • 雑誌名: Neuron 巻: -
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Deep learning-based image deconstruction method with maintained saliency (2022)
  • 著者名/発表者名: Fujimoto, K., Hayashi, K., Katayama, R., Lee, S., Liang, Z., Yoshida, W., Ishii, S.
  • 雑誌名: Neural Networks 巻: 155 ページ: 224-241
  • DOI: 10.1016/j.neunet.2022.08.015
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Confidence modulates the decodability of scene prediction during partially-observable maze exploration in humans (2022)
  • 著者名/発表者名: Katayama, R., Yoshida, Y., Ishii, S.
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 5 号: 1 ページ: 367-367
  • DOI: 10.1038/s42003-022-03314-y
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Tri-view two-photon microscopic image registration and deblurring with convolutional neural networks (2022)
  • 著者名/発表者名: Lee Sehyung、Kume Hideaki、Urakubo Hidetoshi、Kasai Haruo、Ishii Shin
  • 雑誌名: Neural Networks 巻: 152 ページ: 57-69
  • DOI: 10.1016/j.neunet.2022.04.011
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Real-Time Simulation of a Cerebellar Scaffold Model on Graphics Processing Units (2021)
  • 著者名/発表者名: Kuriyama Rin、Casellato Claudia、D'Angelo Egidio、Yamazaki Tadashi
  • 雑誌名: Frontiers in Cellular Neuroscience 巻: 15 ページ: 623552-623552
  • DOI: 10.3389/fncel.2021.623552
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Deep adversarial reinforcement learning with noise compensation by auto-encoder (2021)
  • 著者名/発表者名: Ohashi, K., Nakanishi, K., Sasaki, W., Yasui, Y., Ishii, S.
  • 雑誌名: IEEE Access 巻: - ページ: 143901-143912
  • DOI: 10.1109/access.2021.3121751
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The critical balance between dopamine D2 receptor and RGS for the sensitive detection of a transient decay in dopamine signal. (2021)
  • 著者名/発表者名: Urakubo H, Yagishita S, Kasai H, Kubota Y, Ishii S
  • 雑誌名: PLoS Comput Biol 巻: 17 号: 9 ページ: e1009364-e1009364
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1009364
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A meta-Q-learning approach to discriminative correlation filter based visual tracking (2021)
  • 著者名/発表者名: Kubo, A., Meshgi, K., Ishii, S.
  • 雑誌名: Journal of Intelligence and Robotic Systems 巻: 101 ページ: 11-11
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Simulation of a human-scale cerebellar network model on the K computer (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamaura, H., Igarashi, J., Yamazaki, T.
  • 雑誌名: Frontiers in Neuroinformatics 巻: 14 ページ: 16-16
  • DOI: 10.3389/fninf.2020.00016
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A Meta-Q-Learning Approach to Discriminative Correlation Filter based Visual Tracking (2020)
  • 著者名/発表者名: Kubo Akihiro、Meshgi Kourosh、Ishii Shin
  • 雑誌名: Journal of Intelligent & Robotic Systems 巻: 101 号: 1 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1007/s10846-020-01273-2
• [雑誌論文] Signaling models for dopamine-dependent temporal contiguity in striatal synaptic plasticity (2020)
  • 著者名/発表者名: Hidetoshi Urakubo, Sho Yagishita, Haruo Kasai, Shin Ishii
  • 雑誌名: PLoS Computational Biology 巻: 16 号: 7 ページ: 1008078-1008078
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1008078
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Generative and discriminative model-based approaches to microscopic image restoration and segmentation (2020)
  • 著者名/発表者名: Ishii Shin、Lee Sehyung、Urakubo Hidetoshi、Kume Hideaki、Kasai Haruo
  • 雑誌名: Microscopy 巻: 69 号: 2 ページ: 79-91
  • DOI: 10.1093/jmicro/dfaa007
  • 査読あり
• [雑誌論文] EEG-based personal identification method using unsupervised feature extraction and its robustness against intra-subject variability (2020)
  • 著者名/発表者名: Nishimoto Takashi、Higashi Hiroshi、Morioka Hiroshi、Ishii Shin
  • 雑誌名: Journal of Neural Engineering 巻: 17 号: 2 ページ: 026007-026007
  • DOI: 10.1088/1741-2552/ab6d89
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] UNI-EM: An Environment for Deep Neural Network-Based Automated Segmentation of Neuronal Electron Microscopic Images (2019)
  • 著者名/発表者名: Urakubo Hidetoshi、Bullmann Torsten、Kubota Yoshiyuki、Oba Shigeyuki、Ishii Shin
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 号: 1 ページ: 19413-19413
  • DOI: 10.1038/s41598-019-55431-0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Constrained Deep Q-Learning Gradually Approaching Ordinary Q-Learning (2019)
  • 著者名/発表者名: Shota Ohnishi, Eiji Uchibe, Yotaro Yamaguchi, Kosuke Nakanishi, Yuji Yasui, and Shin Ishii
  • 雑誌名: Frontiers in Neurorobotics 巻: 13
  • DOI: 10.3389/fnbot.2019.00103
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] An unsupervised EEG decoding system for human emotion recognition (2019)
  • 著者名/発表者名: Liang Zhen、Oba Shigeyuki、Ishii Shin
  • 雑誌名: Neural Networks 巻: 116 ページ: 257-268
  • DOI: 10.1016/j.neunet.2019.04.003
• [雑誌論文] Identification of animal behavioral strategies by inverse reinforcement learning. (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi S, Honda N*, Ikeda M, Tsukada Y, Nakano S, Mori I and Ishii S
  • 雑誌名: PLoS Computational Biology 巻: 14(5) 号: 5 ページ: e1006122-e1006122
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1006122
  • NAID: 120006469168
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Characterization of electroencephalography signals for estimating saliency features in videos (2018)
  • 著者名/発表者名: Liang Zhen、Hamada Yasuyuki、Oba Shigeyuki、Ishii Shin
  • 雑誌名: Neural Networks 巻: 105 ページ: 52-64
  • DOI: 10.1016/j.neunet.2018.04.013
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Zero-shot fMRI decoding with three-dimensional registration based on diffusion tensor imaging (2018)
  • 著者名/発表者名: Fuchigami, T., Shikauchi, Y., Nakae, K., Shikauchi, M., Ogawa, T., & Ishii, S
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 号: 1 ページ: 12342-12342
  • DOI: 10.1038/s41598-018-30676-3
  • NAID: 120006652973
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Computational Methods for Estimating Molecular System from Membrane Potential Recordings in Nerve Growth Cone (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamada, T., Nishiyama, M., Oba, S., Jimbo, H. C., Ikeda, K., Ishii, S., Hong, K., & Sakumura, Y
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 号: 1
  • DOI: 10.1038/s41598-018-22506-3
  • NAID: 120006532087
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Inverse tissue mechanics of cell monolayer expansion (2018)
  • 著者名/発表者名: Kondo Yohei、Aoki Kazuhiro、Ishii Shin
  • 雑誌名: PLOS Computational Biology 巻: 14 号: 3 ページ: e1006029-e1006029
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1006029
  • NAID: 120006466609
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Online motion synthesis framework using a simple mass model based on predictive coding (2019)
  • 著者名/発表者名: Jaepyung Hwang,Shin Ishii,Shigeyuki Oba
  • 学会等名: SIGGRAPH Eurographics Symposium on Computer Animation
  • 国際学会
• [学会発表] Decoding the scene prediction and its confidence during maze exploration. (2019)
  • 著者名/発表者名: Katayama, R., Yoshida, W., & Ishii, S.
  • 学会等名: 第19回脳と心のメカニズム冬のワークショップ
• [学会発表] Artificial intelligence methods for identification of large-scale brain structures. (2019)
  • 著者名/発表者名: Ishii, S.
  • 学会等名: International Symposium of Brain/MINDS
  • 招待講演
• [学会発表] Inherent feature connection (I-Con) Map for linking emotion detection: an EEG study. (2018)
  • 著者名/発表者名: Liang, Z., Oba, S., & Ishii, S.
  • 学会等名: 32nd Human Computer Interaction Conference (BHCI 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Reproducing the cognitive function with the robustness against the brain structure and with the efficient learning algorithm. (2018)
  • 著者名/発表者名: Fujita, Y., & Ishii, S.
  • 学会等名: Computational Neuroscience 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Deep Q-network regularized by adversarial examples. (2018)
  • 著者名/発表者名: Sasaki, W., Yasui, Y., Nakanishi, K., & Ishii, S.
  • 学会等名: The 28th Annual Conference of the Japanese Neural Network Society
• [学会発表] Machine learning-based methods for large-scale neural imaging data (2018)
  • 著者名/発表者名: Ishii, S
  • 学会等名: International Symposium on Brain Information Dynamics
• [学会発表] Individual identification by resting-state EEG using common dictionary learning (2017)
  • 著者名/発表者名: Nishimoto, T., Morioka, H., & Ishii, S
  • 学会等名: Artificial Neural Networks and Machine Learning - ICANN 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Estimation of the change of agent’s behavioral strategy using state-action history (2017)
  • 著者名/発表者名: Uchida, S., Oba, S., & Ishii, S
  • 学会等名: Artificial Neural Networks and Machine Learning - ICANN 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Data-driven mimicking neural encoding/decoding systems (2017)
  • 著者名/発表者名: Ishii, S
  • 学会等名: CRCNS 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Decoding neural decision making (2017)
  • 著者名/発表者名: Ishii, S
  • 学会等名: Okinawa Computational Neuroscience Course 2017
  • 招待講演
• [学会発表] Artificial Intelligence and Connectomics (2017)
  • 著者名/発表者名: Ishii, S
  • 学会等名: Neuroscience 2017
  • 招待講演
• [学会発表] データベースに基づくブレインマシンインタフェース (2017)
  • 著者名/発表者名: 石井 信
  • 学会等名: 電子情報通信学会音声研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 脳イメージングデータ解析のAIの応用と脳機能から学ぶAIの開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 石井 信
  • 学会等名: 第一回ヒト脳イメージング研究会
• [学会発表] Artificial intelligence and neuroinformatics (2017)
  • 著者名/発表者名: Ishii, S
  • 学会等名: Advances in Neuroinformatics 2017
  • 招待講演