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BMIデコーディング高精度化に向けた神経活動の局所的計測に基づく広域活動推定

研究課題

研究課題/領域番号 20J22686
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
審査区分 小区分90110:生体医工学関連
研究機関東京大学

研究代表者

朝比奈 昂洋  東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2020-04-24 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
3,100千円 (直接経費: 3,100千円)
2022年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
2021年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
2020年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
キーワード細胞・組織 / 神経科学 / 脳・神経 / 電極アレイ
研究開始時の研究の概要

脳と機械を直接接続するBrain-Machine Interface技術が注目されており,神経活動の計測データからその意味を適切に読み取る技術の向上が求められている.本研究のでは,計測上の制約により活動を直接計測できない多数の神経細胞の活動を予測することで,利用可能な情報を増やし意味の読み取りを補助することを目的とする.この目的を達成するため,ごく狭い範囲のみから得られた神経活動の計測データをもとに,広範囲の神経細胞集団の活動を予測する数学的手法を開発する.

研究実績の概要

本研究課題では,脳活動を計測することで外部機器を操作するBrain-Machine Interface (BMI)技術における,神経活動の読み取り・解読(デコード)性能の向上を背景とし,限られた計測範囲内の神経活動からより広範囲の神経細胞集団の状態推定を目的としている.直接計測されない神経活動をデコードに利用することができれば,より多くの神経細胞の情報を利用可能となることでデコード性能が向上すると考えられる.
上記の神経細胞集団の状態推定手法を開発し,サルBMIデータに適用した.公開されているサルBMIデータセット2件[Brochier, Scientific Data, 2018; O'Doherty, Zenodo, 2017]を利用し,直接計測されない神経活動の推定値をデコードに活用することでBMIの性能が向上することを示した.以上の研究成果をまとめ,論文として発表した(Asahina, et. al., Journal of Neuroscience Methods, 2023).
また,神経細胞集団が複数存在する場合についての推定理論の拡張を進め,培養神経回路網に適用した.神経回路網において複数の情報が並行して表現される様子を,上記の手法を用いることで観察した.以上の研究成果は学会で発表した(電気学会 電子・情報・システム部門大会,2022年8月).
以上の研究成果により,本研究課題において当初の目的であった「少数の神経活動のみから全体の活動を推定し,高性能なデコードを行うこと」を達成し,BMI利用者のQOL向上に繋がる可能性を示した.

現在までの達成度 (段落)

令和4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4年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (19件)

すべて 2023 2022 2021 2020

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (17件) (うち国際学会 4件)

  • [雑誌論文] Improving the accuracy of decoding monkey brain-machine interface data by estimating the state of unobserved cell assemblies2023

    • 著者名/発表者名
      Asahina Takahiro、Shimba Kenta、Kotani Kiyoshi、Jimbo Yasuhiko
    • 雑誌名

      Journal of Neuroscience Methods

      巻: 385 ページ: 109764-109764

    • DOI

      10.1016/j.jneumeth.2022.109764

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] bserving Cell Assemblies From Spike Train Recordings Based on the Biological Basis of Synaptic Connectivity2022

    • 著者名/発表者名
      Asahina T., Shimba K., Kotani K., Jimbo Y.
    • 雑誌名

      IEEE Trans. BME

      巻: 69 号: 4 ページ: 1524-1532

    • DOI

      10.1109/tbme.2021.3123958

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 高密度電極アレイを用いた神経回路網の興奮抑制バランス評価2023

    • 著者名/発表者名
      古川拓磨, 張智翔, 朝比奈昂洋, 榛葉健太, 小谷潔, 神保泰彦
    • 学会等名
      令和4年電気学会 医用・生体工学研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 同期活動によるシングルニューロン間情報伝達の時間的変動2023

    • 著者名/発表者名
      小林透己,朝比奈昂洋,古川拓磨,張智翔,榛葉健太,小谷潔,神保泰彦
    • 学会等名
      令和4年電気学会 医用・生体工学研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 高密度微小電極アレイを用いた神経細胞集団活動推定による同期バーストの観察2022

    • 著者名/発表者名
      朝比奈昂洋, 榛葉健太, 小谷潔, 神保泰彦
    • 学会等名
      2022年 電気学会 電子・情報・システム部門大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 分散培養系における細胞外電位からの閾値下情報抽出法の検討2022

    • 著者名/発表者名
      小林透己, 朝比奈昂洋, 古川拓磨, 張智翔, 榛葉健太, 小谷潔, 神保泰彦
    • 学会等名
      2022年 電気学会 電子・情報・システム部門大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 観測されないセルアセンブリの状態推定によるサルBMIデータのデコード精度向上2022

    • 著者名/発表者名
      朝比奈昂洋, 榛葉健太, 小谷潔, 神保泰彦
    • 学会等名
      令和4年電気学会 医用・生体工学研究会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 高密度電極アレイを用いた培養神経回路網における時間符号化メカニズムの検討2022

    • 著者名/発表者名
      古川拓磨, 張智翔, 朝比奈昂洋, 榛葉健太, 小谷潔, 神保泰彦
    • 学会等名
      令和4年電気学会 医用・生体工学研究会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 神経ネットワークの理解に向けた精密光刺激による機能的結合の直接計測2021

    • 著者名/発表者名
      小林透己,朝比奈昂洋,古川拓磨,張智翔, 榛葉健太,小谷潔,神保泰彦
    • 学会等名
      日本生体医工学会関東支部若手研究者発表会2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 高密度微小電極アレイを用いたセルアセンブリ状態推定による光刺激パターンのデコード精度向上2021

    • 著者名/発表者名
      朝比奈昂洋,榛葉健太,小谷潔,神保泰彦
    • 学会等名
      2021年 電気学会 電子・情報・システム部門大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 高密度電極アレイによる恒常的可塑性評価の試み2021

    • 著者名/発表者名
      古川拓磨,榛葉健太,朝比奈昂洋,小谷潔,神保泰彦
    • 学会等名
      2021年 電気学会 電子・情報・システム部門大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Formation of network activity modification toward in vitro spatial temporal memory via hippocampus cortex co culture2021

    • 著者名/発表者名
      Chih Hsiang Chang, Kenta Shimba, Takahiro Asahina, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
    • 学会等名
      2021年 電気学会 電子・情報・システム部門大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Development and time interval learning of hippocampal-cortical co-culture model in vitro2021

    • 著者名/発表者名
      Chang CH, Shimba K, Asahina T, Kotani K, Jimbo Y
    • 学会等名
      Neuroscience 2021, SfN 50th Annual meeting
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Observing neuronal ensemble based on synaptic connectivity estimation on high-density microelectrode array2021

    • 著者名/発表者名
      Asahina T, Shimba K, Kotani K, Jimbo Y
    • 学会等名
      SfN Global Connectome A Virtual Event
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 培養神経回路網における発火の共起性に基づく神経細胞のクラスタリング2021

    • 著者名/発表者名
      古川拓磨,榛葉健太,朝比奈昂洋,小谷潔,神保泰彦
    • 学会等名
      令和3年電気学会 マグネティックス/医用・生体工学合同研究会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Observing multiple hidden cell assemblies with simplified connectivity estimation model2020

    • 著者名/発表者名
      Asahina T, Shimba K, Kotani K, Jimbo Y
    • 学会等名
      FENS2020 Virtual Forum
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Operative period of Time interval training effected by spatial network property2020

    • 著者名/発表者名
      Chang CH, Asahina T, Shimba K, Kotani K, Jimbo Y
    • 学会等名
      FENS2020 Virtual Forum
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Teaching Directional Activity Propagation in Clustered Neuronal Networks by Electrical Stimulation2020

    • 著者名/発表者名
      Chang CH, Asahina T, Shimba K, Kotani K, Jimbo Y
    • 学会等名
      第19回日本再生医療学会総会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 時空間光パターン刺激に対する神経回路網の応答評価2020

    • 著者名/発表者名
      西野 輝希, 朝比奈昂洋, 榛葉健太, 小谷潔, 神保泰彦
    • 学会等名
      日本生体医工学会関東支部若手研究者発表会2020
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

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公開日: 2020-07-07   更新日: 2024-03-26  

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