トップダウン的アプローチによる時空間神経ダイナミクスの解明と脳型計算機への応用

• 研究課題/領域番号: 18J12197
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: ソフトコンピューティング
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 守谷 哲 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)
• 研究期間 (年度): 2018-04-25 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 2,100千円 (直接経費: 2,100千円); 2019年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円); 2018年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
• キーワード: 神経回路モデル / ニューラルネットワーク / 脳型計算 / ネットワーク / シミュレーション / 脳型コンピュータ / 時系列情報処理 / リザバー計算

研究実績の概要

脳型情報処理の解明及び工学的応用に向け，構造を制御した培養神経回路と，そこで発現する時空間ダイナミクスを定量的に結び付けるためのシミューションモデルを構築し，神経ダイナミクスの時系列情報処理応用について検討した．また，神経ダイナミクスを再現する脳型ハードウェアの必須要素であるアナログニューロン回路LSIを製作した．
モジュール構造に代表されるような神経回路網の構造が神経時空間ダイナミクスに与える影響を数値シミュレーションから調べ，モジュラーネットワークにおいては神経ダイナミクスの複雑性がランダムネットワークに比べ高くなることを明らかにした．また，Reservoir Computingの枠組みから神経ダイナミクスを時系列情報処理に応用し，構造の異なるネットワークの音声認識性能を評価した．ランダムネットワークとモジュラーネットワーク共に90%以上の認識性能を達成し，神経ダイナミクスを活用した脳型計算の実応用に向けて有益な知見が得られた．特にモジュラーネットワークは一部のモジュールが損傷した場合でも全体のダイナミクスは維持される性質を有する為，環境ノイズや素子のばらつきが大きい環境においても脳型ハードウェアが正しく動作しうる可能性が示唆された．更に，低消費電力で神経ダイナミクスを再現する脳型ハードウェアの実現に向けて，65 nm CMOSプロセスで動作しうるアナログニューロン回路LSIを製作した．本LSIにおいて，神経細胞が示すスパイク状の電圧波形が数種類再現することを確認した．これらの結果は神経ダイナミクスの情報処理応用及び脳型ハードウェアの実現に向け重要な知見であり，神経科学および脳型計算機の発展に寄与するものである．

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] University of Barcelona/Universitat Politecnica de Catalunya(スペイン)
• [国際共同研究] University of Barcelona/Universitat Politecnica de Catalunya(スペイン)
• [雑誌論文] Mean-field analysis of directed modular networks (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Moriya, H. Yamamoto, H. Akima, A. Hirano-Iwata, S. Kubota, S. Sato
  • 雑誌名: Chaos 巻: 29 号: 1 ページ: 013142-013142
  • DOI: 10.1063/1.5044689
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Impact of modular organization on dynamical richness in cortical networks (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Yamamoto, S. Moriya, K. Ide, T. Hayakawa, H. Akima, S. Sato, S. Kubota, T. Tanii, M. Niwano, S. Teller, J. Soriano, A. Hirano-Iwata
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 4 号: 11
  • DOI: 10.1126/sciadv.aau4914
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Computational modeling of cultured neuronal networks and its reservoir computing applications (2020)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Moriya, Hideaki Yamamoto, Zhixiong Chen, Kei Wakimura, Ayumi Hirano-Iwata, Shigeru Kubota, Shigeo Sato
  • 学会等名: 8th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
  • 国際学会
• [学会発表] Analog neuron circuit for edge computing (2020)
  • 著者名/発表者名: Sato Shigeo, Yuki Tamura, Satoshi Moriya, Tatsuki Kato, Hideaki Yamamoto, Masao Sakuraba, Yoshihiko Horio, Jordi Madrenas
  • 学会等名: 8th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
  • 国際学会
• [学会発表] LSI implementation and its evaluation of an Izhikevich neuron model (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuki Tamura, Satoshi Moriya, Tatsuki Kato, Hideaki Yamamoto, Masao Sakuraba, Shigeo Sato, Yoshihiko Horio, Jordi Madrenas
  • 学会等名: 8th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
  • 国際学会
• [学会発表] IzhikevichニューロンモデルアナログMOS回路のLSI実装とその評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田村 祐樹, 守谷 哲, 加藤達暉, 櫻庭 政夫, 佐藤 茂雄, 堀尾喜彦
  • 学会等名: 電子情報通信学会 ニューロコンピューティング研究会
• [学会発表] Quantitative Analysis of Dynamical Complexity in Cultured Neuronal Network Models for Reservoir Computing Applications (2019)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Moriya, Hideaki Yamamoto, Ayumi Hirano-Iwata, Shigeru Kubota, Shigeo Sato
  • 学会等名: International Joint Conference on Neural Networks 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Time-series information processing in cultured neuronal network models (2019)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Moriya, Hideaki Yamamoto, Zhixiong Chen, Kei Wakimura, Ayumi Hirano-Iwata, Shigeru Kubota, Shigeo Sato
  • 学会等名: The 2019 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications
  • 国際学会
• [学会発表] Reservoir computing application of cultured neuronal network models (2019)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Moriya
  • 学会等名: International Workshop of Emerging Technologies for Brainware LSI and its Applications
  • 国際学会
• [学会発表] モジュール構造型神経回路モデルにおける機能的複雑性の解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 守谷 哲，山本 英明，袁 之雄，脇村 桂，平野 愛弓，久保田 繁，佐藤 茂雄
  • 学会等名: LSIとシステムのワークショップ2019
• [学会発表] Microcontact printing of scaffold proteins for engineering neuronal network functions (2019)
  • 著者名/発表者名: Hideaki Yamamoto, Satoshi Moriya, Katsuya Ide, Takashi Hayakawa, Hisanao Akima, Shigeo Sato, Shigeru Kubota, Michio Niwano, Sara Teller, Jordi Soriano, Takashi Tanii, Ayumi Hirano-Iwata
  • 学会等名: 4th International Symposium on Creation of Life Innovation Materials for Interdisciplinary and International Researcher Development (iLIM-4)
  • 国際学会
• [学会発表] 微細加工基板を用いた神経回路ダイナミクスの in vitro 制御 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山本英明，守谷 哲，井手克哉，早川岳志，秋間学尚，佐藤茂雄，久保田 繁，谷井孝至，Sara Teller，Jordi Soriano，平野愛弓
  • 学会等名: 2019年日本表面真空学会学術講演会
• [学会発表] An Izhikevich Model Neuron MOS Circuit for Low Voltage Operation (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuki Tamura, Satoshi Moriya, Tatsuki Kato, Masao Sakuraba,Yoshihiko Horio, Shigeo Sato
  • 学会等名: 28th International Conference on Artificial Neural Networks
  • 国際学会
• [学会発表] Analysis of dynamical complexity in modular neuronal network models (2019)
  • 著者名/発表者名: Moriya Satoshi、Yamamoto Hideaki、Zhixiong Chen、Ide Katsuya、Wakimura Kei、Hirano-Iwata Ayumi、Kubota Shigeru、Sato Shigeo
  • 学会等名: The 7th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
  • 国際学会
• [学会発表] Quantitative Analysis of Dynamical Complexity in Cultured Neuronal Network Models for Reservoir Computing Applications (2019)
  • 著者名/発表者名: Moriya Satoshi、Yamamoto Hideaki、Hirano-Iwata Ayumi、Kubota Shigeru、Sato Shigeo
  • 学会等名: 2019 International Joint Conference on Neural Networks
  • 国際学会
• [学会発表] A numerical study on an Izhikevich neuron model analog MOS Circuit (2019)
  • 著者名/発表者名: Tamura Yuki、Moriya Satoshi、Kato Tatsuki、Sakuraba Masao、Horio Yoshihiko、Sato Shigeo
  • 学会等名: The 7th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
  • 国際学会
• [学会発表] Modular and global synchronization in modular neuronal network models (2018)
  • 著者名/発表者名: Moriya Satoshi、Yamamoto Hideaki、Ide Katsuya、Akima Hisanao、Soriano Jordi、Hirano-Iwata Ayumi、Kubota Shigeru、Sato Shigeo
  • 学会等名: The 11th Federation of European Neuroscience Societies forum of neuroscience
  • 国際学会
• [学会発表] モジュール構造型神経回路モデルにおける興奮性-抑制性均衡とネットワークダイナミクス (2018)
  • 著者名/発表者名: 守谷 哲、山本 英明、袁 之雄、井手 克哉、脇村 桂、平野 愛弓、久保田 繁、佐藤 茂雄
  • 学会等名: 電子情報通信学会 ニューロコンピューティング研究会
• [学会発表] Motion Stereo Vision LSI for Spatial Perception (2018)
  • 著者名/発表者名: Akima Hisanao、Kurihara Shota、Moriya Satoshi、Kawakami Susumu、Madrenas Jordi、Yano Masafumi、Nakajima Koji、Sakuraba Masao、Sato Shigeo
  • 学会等名: The 2018 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications
  • 国際学会
• [学会発表] Spontaneous activity patterns in micropatterned cortical cultures: Influence of modular organization (2018)
  • 著者名/発表者名: Wakimura Kei、Yamamoto Hideaki、Ide Katsuya、Moriya Satoshi、Sato Shigeo、Soriano Jordi、Hirano-Iwata Ayumi
  • 学会等名: The 11th Federation of European Neuroscience Societies forum of neuroscience
  • 国際学会
• [備考] 電気・情報系優秀学生賞を受賞
  • URL: http://www.riec.tohoku.ac.jp/ja/award-ja/2020032504/
• [備考] NOLTA2019 の Student Paper Awardを受賞
  • URL: http://www.riec.tohoku.ac.jp/ja/award-ja/20191211/
• [備考] 非線形ワークショップ合同夏合宿において, 最優秀オーラル発表賞を受賞
  • URL: http://www.riec.tohoku.ac.jp/ja/award-ja/20190910-2/