予測符号に基づく海馬場所記憶の獲得と長期固定の回路メカニズム

• 研究課題/領域番号: 15H04265
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 神経生理学・神経科学一般
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 深井 朋樹 国立研究開発法人理化学研究所, 脳科学総合研究センター, チームリーダー (40218871)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円); 2017年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円); 2016年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円); 2015年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
• キーワード: 自発発火 / 樹状突起 / 学習と記憶 / 神経回路モデル / シナプス可塑性 / ベイズ推定 / 回路構造 / カルシウムスパイク / 領野間連絡 / 海馬 / 正準相関解析 / ノンレム睡眠 / UP-DOWN状態遷移 / 計算論的モデル / 構造シナプス可塑性 / プレプレイ / リプレイ / カルシウム・スパイク / 領野間相互作用 / 空間学習 / シナプス構造可塑性 / 海馬場所細胞 / プリプレイ / 計算理論

研究成果の概要

シナプス結合の伝達効率と配線構造の可塑性の両方を取り入れた細胞モデルを構築し、構造可塑性が伝達効率の可塑性を助けて、推定パフォーマンスを向上させることを示唆した。樹状突起と細胞体周辺へのシナプス入力との相互作用を記述する細胞モデルを構築し、複雑な迷路課題を学習する海馬モデルを提案した。モデルは自発発火と樹状突起への場所情報の入力の相関を学習することで、経路を素早く学習する。大脳皮質の回路モデルを構築し、セルアセンブリの活性化パターンとUP-DOWN状態遷移の間の統計的関係を明らかにした。樹状突起上の冗長なシナプス結合の分布により、大脳皮質ニューロンによる入力の推定が最適化されることを示した。

研究成果

• [雑誌論文] Detailed Dendritic Excitatory/Inhibitory Balance through Heterosynaptic Spike-Timing-Dependent Plasticity (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiratani Naoki、Fukai Tomoki
  • 雑誌名: The Journal of Neuroscience 巻: 37 号: 50 ページ: 12106-12122
  • DOI: 10.1523/jneurosci.0027-17.2017
  • 査読あり
• [雑誌論文] Medial frontal circuit dynamics represents probabilistic choices for unfamiliar sensory experience (2017)
  • 著者名/発表者名: Takashi Handa, Takashi Takekawa, Rie Harukuni, Yoshikazu Isomura, and Tomoki Fukai
  • 雑誌名: Cerebral Cortex 巻: Feb. 10 号: 7 ページ: 1-14
  • DOI: 10.1093/cercor/bhx031
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Hebbian Wiring Plasticity Generates Efficient 1 Network Structures for Robust Inference with Synaptic Weight Plasticity (2016)
  • 著者名/発表者名: Naoki Hiratani, Tomoki Fukai
  • 雑誌名: Frontiers in Neural Circuits 巻: 10 ページ: 1-19
  • DOI: 10.3389/fncir.2016.00041
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Hebbian Wiring Plasticity Generates Efficient Network Structures for Robust Inference with Synaptic Weight Plasticity (2016)
  • 著者名/発表者名: Naoki Hiratani, Tomoki Fukai
  • 雑誌名: Frontiers in Neural Circuits 巻: 未定
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A lognormal recurrent network model for burst generation during hippocampal sharp waves (2015)
  • 著者名/発表者名: Omura Y., Carvalho M., Inokuchi K. and Fukai T.
  • 雑誌名: J. Neurosci. 巻: 35 号: 43 ページ: 14585-14601
  • DOI: 10.1523/jneurosci.4944-14.2015
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] Dendritic canonical correlation analysis for memory and sensory information processing (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Fukai
  • 学会等名: Dendritic integration and computation with active dendrites
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Sequence learning through reverse replay and preplay in hippocampal circuit models (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Fukai
  • 学会等名: Institut d’Investigacions Biom?diques August Pi i Sunyer (IDIBAPS)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Information transfer during slow oscillations in cortical networks (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Fukai
  • 学会等名: The 4th CiNet Conference "Neural oscillation and functional connectivity:from anatomy to perception"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 相互に教え合うリザーバ計算モジュールによるチャンク学習 (2018)
  • 著者名/発表者名: 朝吹俊丈, 平谷直輝, 深井朋樹
  • 学会等名: 日本物理学会 第73回年次大会（2018年）
• [学会発表] Dendritic computing gives a meso-scopic level framework of brain's leaning rule (2017)
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Haga and Tomoki Fuka
  • 学会等名: Forum on Cognitive Neuroscience in Hangzhou
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ２コンパートメントニューラルネットワークモデルにおける頑健なシーケンス記憶の形成 Robust formation of sequential memory in two-compartment neural network model (2017)
  • 著者名/発表者名: 芳賀 達也 / Tatsuya Haga, 深井 朋樹 / Tomoki Fukai
  • 学会等名: Neuroscience2017 第40回日本神経科学大会
  • 国際学会
• [学会発表] 順伝播型深層神経回路網における樹状突起の計算 Dendritic computing in deep feedforward neural networks (2017)
  • 著者名/発表者名: 鈴木 堅斗 / Kento Suzuki:1,2 芳賀 達也 / Tatsuya Haga:2 深井 朋樹 / Tomoki Fukai
  • 学会等名: Neuroscience2017 第40回日本神経科学大会
  • 国際学会
• [学会発表] 外界をモデル化する脳の回路メカニズム ―海馬と大脳皮質 (2017)
  • 著者名/発表者名: 深井朋樹
  • 学会等名: 第54回 脳科学ライフサポート研究センターセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 大脳皮質と海馬の神経集団活動から読み解く回路機能 (2017)
  • 著者名/発表者名: 深井朋樹
  • 学会等名: 平成29年度生理学研究所研究会「大脳皮質回路の機能原理を探る」
  • 招待講演
• [学会発表] Reverse replay strengthens forward pathways to reward through Hebbian learning and short-term depression (2017)
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Haga, Tomoki Fukai
  • 学会等名: Neuroscience 2017 (SfN's 47th annual meeting)
  • 国際学会
• [学会発表] Optimal learning with redundant synaptic connections (2016)
  • 著者名/発表者名: Naoki Hiratani, Tomoki Fukai
  • 学会等名: Neuroscience 2016 (SfN's 46th annual meeting)
  • 発表場所: San Diego, CA., U.S.A.
  • 年月日: 2016-11-14
  • 国際学会
• [学会発表] Autonomous internal dynamics of cortical circuits and its role in encoding spatial information (2016)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Fukai
  • 学会等名: Bi-Weekly Seminar Series, NYU-ECNU Institute of Brain and Cognitive Science at NYU Shanghai
  • 発表場所: Shanghai, China
  • 年月日: 2016-10-21
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Dendritic canonical correlation analysis in vision and memory (2016)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Fukai
  • 学会等名: Vision over vision: man, monkey, machine, and network models
  • 発表場所: 大阪大学、大阪府
  • 年月日: 2016-10-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 短期・長期可塑性を持つリカレントネットワークにおける逆行リプレイは報酬への順方向経路を増強する (2016)
  • 著者名/発表者名: 芳賀 達也、深井 朋樹
  • 学会等名: 第39回日本神経科学大会
  • 発表場所: パシフィコ横浜、神奈川県横浜市
  • 年月日: 2016-07-22
• [学会発表] Network models, synaptic plasticity, and spatial navigation: two pedagogical lectures and one research seminar (2016)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Fukai
  • 学会等名: Computational Approaches to Memory and Plasticity. National Center for Biological Sciences
  • 発表場所: Bangalore, India
  • 年月日: 2016-07-11
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The hippocampal recurrent neural network model for replay, reverse replay, and preplay (2016)
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Haga, Tomoki Fukai
  • 学会等名: Modeling Neural Activity: Statistics, Dynamical Systems, and Networks
  • 発表場所: Waikoloa, Hawaii, USA
  • 年月日: 2016-06-22
  • 国際学会
• [学会発表] Optimal sampling with redundant synapses (2016)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Fukai
  • 学会等名: Modeling Neural Activity: Statistics, Dynamical Systems, and Networks
  • 発表場所: Waikoloa, Hawaii, USA
  • 年月日: 2016-06-22
  • 国際学会
• [学会発表] Neural and synaptic dynamics for memory (2016)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Fukai
  • 学会等名: OIST Computational Neuroscience Course 2016
  • 発表場所: OISTシーサイドハウス、沖縄県
  • 年月日: 2016-06-17
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Analysis of external world by stochastic synapses and neurons (2016)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Fukai
  • 学会等名: Workshop on High-Performance Computing, Stochastic Modeling and Database in Neuroscience
  • 発表場所: Sao Paulo, Brazil
  • 年月日: 2016-04-25
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 冗長なシナプス結合による最適学習 (2016)
  • 著者名/発表者名: 平谷直輝、深井朋樹
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学 泉キャンパス
  • 年月日: 2016-03-22
• [学会発表] Apical dendrite as a canonical correlation analyzer (2016)
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Haga, Tomoki Fukai
  • 学会等名: Computational and Systems Neuroscience Meeting (COSYNE) 2016
  • 発表場所: Salt Lake City, UT.,USA
  • 年月日: 2016-02-26
  • 国際学会
• [学会発表] Synaptic plasticity with dendritic computing achieves the association of preplay patterns and place fields in hippocampus (2015)
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Haga, Tomoki Fukai
  • 学会等名: Neuroscience 2015 (SfN's 45th annual meeting)
  • 発表場所: Chicago, Il., U.S.A.
  • 年月日: 2015-10-21
  • 国際学会
• [学会発表] Burst generation and propagation during hippocampal sharp waves in a lognormal recurrent network model (2015)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Fukai, Yoshiyuki Omura, Milena M. Carvalho, Kaoru Inokuchi
  • 学会等名: Neuroscience 2015 (SfN's 45th annual meeting)
  • 発表場所: Chicago, Il., U.S.A.
  • 年月日: 2015-10-18
  • 国際学会
• [学会発表] 樹状突起の近位・遠位における正準相関分析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 芳賀達也、深井朋樹
  • 学会等名: 第25回日本神経回路学会全国大会
  • 発表場所: 電気通信大学、東京
  • 年月日: 2015-09-02
• [学会発表] GABA driven circuit formation through heterosynaptic spike-timing-dependent plasticity (2015)
  • 著者名/発表者名: Naoki Hiratani, Tomoki Fukai
  • 学会等名: Neural Coding, Computation and Dynamics (NCCD)
  • 発表場所: Bilbao, Spain
  • 年月日: 2015-08-31
  • 国際学会
• [学会発表] Fat Tail Dynamics in the Brain, Part-1: Network Dynamics, Part-2: Synaptic Plasticity (2015)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Fukai
  • 学会等名: IEEE CIS Summer School on Neuromorphic and Cyborg Intelligent Systems
  • 発表場所: Hangzhou, China
  • 年月日: 2015-08-25
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 海馬における内部時空間活動パターンに関連付けられたPlace Fieldの経験依存的獲得 (2015)
  • 著者名/発表者名: 芳賀達也、深井朋樹
  • 学会等名: 第38回日本神経科学大会
  • 発表場所: 神戸国際会議場、神戸国際展示場
  • 年月日: 2015-07-28
  • 国際学会
• [図書] The Rewiring Brain (2017)
  • 著者名/発表者名: eds. Arjen van Ooyen and Markus Butz-Ostendorf
  • 総ページ数: 592
  • 出版者: Academic Press
  • ISBN: 9780128037843