脳活動の情報量解析による分離脳のメカニズムの解明

• 研究課題/領域番号: 18H02713
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分51020:認知脳科学関連
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 大泉 匡史 東京大学, 大学院総合文化研究科, 准教授 (30715371)
• 研究分担者: 小村 豊 京都大学, 人間・環境学研究科, 教授 (80357029) ; 笹井 俊太朗 国立研究開発法人情報通信研究機構, 脳情報通信融合研究センター脳情報通信融合研究室, 協力研究員 (00789612)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円); 2021年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2020年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2019年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2018年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
• キーワード: 意識 / 分離脳 / 統合情報理論 / 情報理論 / ECoG

研究成果の概要

左脳と右脳をつなぐ脳梁がてんかんの治療のために切断された脳は「分離脳」と呼ばれ、患者はあたかも左脳と右脳に２つの独立した意識が生じているかのような行動をとる。分離脳を理解することは、我々がなぜ左脳と右脳とで統合された1つの意識を持ち得るのかということを理解する上で重要である。本研究では、この分離脳の神経メカニズムの理解を目標として、サルのECoGデータの記録及び、神経活動データから神経ネットワークの構造を抽出するアルゴリズムの開発を行った。このアルゴリズムは情報の統合が最大となるサブネットワークを効率的に探索することが可能で、これによって脳活動からネットワークの分離を判定することが可能となる。

研究成果の学術的意義や社会的意義

分離脳の神経メカニズムの理解は、なぜ我々が左脳と右脳の情報が統合された意識経験を持てるのかを理解する上で重要である。本研究成果は、この分離脳の理解に向けた、数理基盤の開発に成功した点と、実際のサルの行動実験、及び脳活動の記録を行った点で意義がある。

研究成果

• [雑誌論文] Quantifying brain state transition cost via Schr?dinger Bridge (2022)
  • 著者名/発表者名: Kawakita Genji、Kamiya Shunsuke、Sasai Shuntaro、Kitazono Jun、Oizumi Masafumi
  • 雑誌名: Network Neuroscience 巻: 6 号: 1 ページ: 118-134
  • DOI: 10.1162/netn_a_00213
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Bidirectionally connected cores in a mouse connectome: Towards extracting the brain subnetworks essential for consciousness (2022)
  • 著者名/発表者名: Jun Kitazono, Yuma Aoki, Masafumi Oizumi
  • 雑誌名: Cerebral Cortex 巻: -
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Information flow in the rat thalamo-cortical system: spontaneous vs. stimulus-evoked activities (2021)
  • 著者名/発表者名: Ishizu Kotaro、Shiramatsu Tomoyo I.、Hitsuyu Rie、Oizumi Masafumi、Tsuchiya Naotsugu、Takahashi Hirokazu
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 号: 1 ページ: 19252-19252
  • DOI: 10.1038/s41598-021-98660-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Fast, cell-resolution, contiguous-wide two-photon imaging to reveal functional network architectures across multi-modal cortical areas (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Ota, Y. Oisi, T. Suzuki, M. Ikeda, Y. Ito, T. Ito, H. Uwamori, K. Kobayashi, M. Kobayashi, M. Odagawa, C. Matsubara, Y. Kuroiwa, M. Horikoshi, J. Matsushita, H. Hioki, M. Ohkura, J. Nakai, M. Oizumi, A. Miyawaki, T. Aonishi, T. Ode and M. Murayama
  • 雑誌名: Neuron 巻: - 号: 11 ページ: 1-15
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2021.03.032
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Efficient search for informational cores in complex systems: Application to brain networks (2020)
  • 著者名/発表者名: Jun Kitazono, Ryota Kanai, Masafumi Oizumi
  • 雑誌名: Neural Networks 巻: 132 ページ: 232-244
  • DOI: 10.1016/j.neunet.2020.08.020
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Unified framework for the entropy production and the stochastic interaction based on information geometry (2020)
  • 著者名/発表者名: Sosuke Ito, Masafumi Oizumi, Shun-ichi Amari
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 2 号: 3 ページ: 033048-033048
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.033048
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A general spectral decomposition of causal influences applied to integrated information (2020)
  • 著者名/発表者名: Dror Cohen, Shuntaro Sasai, Naotsugu Tsuchiya, Masafumi Oizumi
  • 雑誌名: The Journal of Neuroscience Methods 巻: 330 ページ: 108443-108443
  • DOI: 10.1016/j.jneumeth.2019.108443
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 「意識の神経相関」を超えて : 「意識の構造」と「情報の構造」の特徴づけ,そして「構造間の関係性の同定」を目指して (2020)
  • 著者名/発表者名: 土谷尚嗣, 大泉匡史, 山田真希子, 西郷 甲矢人
  • 雑誌名: 臨床精神医学 巻: 49 ページ: 319-326
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Bidirectionally connected cores in a mouse connectome: Towards extracting the brain subnetworks essential for consciousness (2021)
  • 著者名/発表者名: Jun Kitazono, Yuma Aoki, Masafumi Oizumi
  • 学会等名: Sydney University Systems Neuroscience and Complexity Seminars
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Network cores of the human functional connectome (2021)
  • 著者名/発表者名: Tomoya Taguchi, Jun Kitazono, Shuntaro Sasai, Masafumi Oizumi
  • 学会等名: 神経回路学会
• [学会発表] Network cores of the human functional connectome (2021)
  • 著者名/発表者名: Tomoya Taguchi, Jun Kitazono, Shuntaro Sasai, Masafumi Oizumi
  • 学会等名: ニューロコンピューティング研究会（NC）
• [学会発表] Bidirectionally connected cores in a mouse connectome (2021)
  • 著者名/発表者名: Jun Kitazono, Yuma Aoki, Masafumi Oizumi
  • 学会等名: Computational and Systems Neuroscience 2021
  • 国際学会
• [学会発表] 統合情報理論の数理 (2020)
  • 著者名/発表者名: 大泉匡史
  • 学会等名: 数理生物セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Recurrently connected cores in a mouse connectome (2020)
  • 著者名/発表者名: Jun Kitazono, Yuma Aoki, Masafumi Oizumi
  • 学会等名: 第30回 日本神経回路学会 全国大会 (JNNS2020)
• [学会発表] 意識の場所と境界―理論的アプローチの紹介 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大泉匡史
  • 学会等名: 生理研研究会「視覚・認知脳機能研究の先端」
  • 招待講演
• [学会発表] Towards Identifying Places and Boundaries of consciousness: An Approach from Integrated Information Theory (2019)
  • 著者名/発表者名: Masafumi Oizumi
  • 学会等名: Conference on Complex Systems, Workshop on Information Processing in Complex Systems
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Towards Identifying Places and Boundaries of consciousness: An Approach from Integrated Information Theory (2019)
  • 著者名/発表者名: Masafumi Oizumi
  • 学会等名: Statistical Physics and Neural Computation
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 脳内ネットワークの情報コアの探索―意識の場所の同定に向けて (2018)
  • 著者名/発表者名: 大泉匡史
  • 学会等名: ネットワーク科学セミナー
  • 招待講演