多点同時記録による側頭葉における階層的な顔画像情報のコーディング機構の解明

• 研究課題/領域番号: 20K12588
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分90030:認知科学関連
• 研究機関: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
• 研究代表者: 菅生 康子 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 情報・人間工学領域, 研究グループ長 (40357257)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2021年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2020年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: 情報処理 / 側頭葉 / 霊長類 / 多点同時記録 / ニューロン / 顔 / 顔識別 / TE野 / 深層ネットワーク / 連想記憶モデル / 視覚

研究開始時の研究の概要

本研究の目的は、顔識別の神経基盤と考えられる、側頭皮質ニューロンによる顔画像情報の時間的コーディングの神経機構を明らかにすることにある。時間的コーディングは、側頭皮質TE野の神経発火に、顔の大まかな分類（サルかヒトか）が詳細な分類（個体や表情）より時間的に早くコーディングされる現象として観察できる。その神経機構を明らかにするため、TEO野とTE野に分布する顔領域で、顔画像に対するニューロン活動の時間的パターンを多点同時記録により観察し、個々の顔領域における顔画像情報の時間的コーディングを明らかにする。

研究実績の概要

顔識別の神経基盤と考えられる、側頭皮質ニューロンによる顔画像情報の時間的コーディングの神経機構を明らかにすることを目的としている。時間的コーディングとは、側頭皮質TE野の神経発火に、顔の大まかな分類（サルかヒトか）が詳細な分類（個体や表情）より時間的に早くコーディングされる現象として観察できる。その神経機構を明らかにするため、側頭皮質のTE野とそれより前段階の処理を行うTEO野において、顔画像に対するニューロン活動を記録し、相互情報量解析により、ネットワークとしての情報処理像を明らかにする。また、計算機シミュレーションにより連想記憶モデルを基に時間的コーディングを支える神経回路モデルを構築し、神経機構の理解につなげる。
2023年度は複数頭の実験動物から多点同時記録により得られたTE野およびTEO野のニューロン活動データを解析し、顔画像に対する応答を確認した。
研究期間を通し、TEO野あるいはTE野で記録したニューロン活動データに相互情報量解析を適用し、顔の分類に関する情報量の時間的ダイナミクスから、大まかな分類情報を確認した。また、時間的コーディングの神経機構の理解につなげるため、計算機シミュレーションにより連想記憶モデルを基に神経回路モデルを構築した。

研究成果

• [雑誌論文] Recurrent Connections Might Be Important for Hierarchical Categorization (2022)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Narihisa、Taguchi Yusuke、Shimizu Masaumi、Katakami Shun、Okada Masato、Sugase-Miyamoto Yasuko
  • 雑誌名: Frontiers in Systems Neuroscience 巻: 16 ページ: 805990-805990
  • DOI: 10.3389/fnsys.2022.805990
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A convolutional neural network for estimating synaptic connectivity from spike trains (2021)
  • 著者名/発表者名: Endo Daisuke、Kobayashi Ryota、Bartolo Ramon、Averbeck Bruno B.、Sugase-Miyamoto Yasuko、Hayashi Kazuko、Kawano Kenji、Richmond Barry J.、Shinomoto Shigeru
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 号: 1 ページ: 12087-12087
  • DOI: 10.1038/s41598-021-91244-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Comparison of neuronal responses in primate inferior-temporal cortex and feed-forward deep neural network model with regard to information processing of faces (2021)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Narihisa、Mototake Yoh-ichi、Kawano Kenji、Okada Masato、Sugase-Miyamoto Yasuko
  • 雑誌名: Journal of Computational Neuroscience 巻: - 号: 3 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1007/s10827-021-00778-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] マカクサル側頭葉におけるユタアレイ電極を用いた神経活動の記録と解析 (2024)
  • 著者名/発表者名: 菅生 康子
  • 学会等名: 第5回サル脳新技術研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Comparison between deep neural network and neuronal responses in areas TE and TEO in pre- and post-visual categorical learning. (2023)
  • 著者名/発表者名: Matusmoto N, Sugase-Miyamoto Y, Hayashi K, Eldridge MA, Richmond BJ
  • 学会等名: Neuroscience 2023
  • 国際学会
• [学会発表] サルTEO野とTE野におけるカテゴリー情報処理の違い (2023)
  • 著者名/発表者名: Shimizu M, Katakami S, Okada M, Sugase-Miyamoto Y, Hayashi K, Matsuda K, Miura K, Eldridge MAG, Saunders RC, Richmond BJ, Matsumoto N
  • 学会等名: 第46回日本神経科学大会
• [学会発表] Correlations between receptive-fields of face-responsive neurons in monkey area TE and their coded facial information (2022)
  • 著者名/発表者名: Yasuko Sugase-Miyamoto, Keisuke Shioya, Kazuko Hayashi, Keiji Matsuda, Shun Katakami, Narihisa Matsumoto, Shotaro Akaho, Masato Okada, Kenji Kawano
  • 学会等名: Neuro2022
• [学会発表] Are receptive field sizes of area TE neurons related to encoding information about categories of face images? (2022)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Shioya, Shun Katakami, Kazuko Hayashi, Keiji Matsuda, Narihisa Matsumoto, Shotaro Akaho, Kenji Kawano, Yasuko Sugase-Miyamoto
  • 学会等名: Neuroscience 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Neural activity in area TE, not TEO, correlates with monkeys' learning in a visual categorization task (2022)
  • 著者名/発表者名: Wenliang Wang, Bing Li, Mark Eldridge, Narihisa Masumoto, Kazuko Hayashi, Martinez Gomez, Yasuko Sugase-Miyamoto, Barry Richmond
  • 学会等名: Neuroscience 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Effects of saccadic eye movements on face-responsive neurons in the inferior temporal cortex of macaque monkeys (2022)
  • 著者名/発表者名: Kenji Kawano, Kazuko Hayashi, Narihisa Matsumoto, Keiji Matsuda, Kenichiro Miura, Mark Eldridge, Richard Saunders, Barry Richmond, Yasuko Sugase-Miyamoto
  • 学会等名: 日本生理学会 第100回記念大会
• [学会発表] Neural and behavioral correlates of discriminating facial expressions with different skin textures in macaque monkeys (2022)
  • 著者名/発表者名: Kazuko Hayashi, Narihisa Matsumoto, Keiji Matsuda, Kenichiro Miura, Shigeru Yamane, Mark A. G. Eldridge, Richard C Saunders, Barry J. Richmond, Yuji Nagai, Naohisa Miyakawa, Takafumi Minamimoto, Masato Okada, Kenji Kawano, Yasuko Sugase-Miyamoto
  • 学会等名: 日本生理学会 第100回記念大会
• [学会発表] マカクザル側頭葉TE野ニューロンの顔表面特性の表現 (2022)
  • 著者名/発表者名: 塩谷佳介、林和子、松本有央、松田圭司、三浦健一郎、山根 茂、Mark Eldridge、Richard Saunders、Barry Richmond、永井裕司、宮川尚久、南本敬史、片上舜、岡田真人、河野 憲二、菅生-宮本 康子
  • 学会等名: 日本物理学会 2023年春季大会
• [学会発表] 階層的カテゴリー化における再帰的ネットワークの重要性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 清水将海、片上舜、田口優介、岡田真人、菅生康子、松本有央
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] 霊長類側頭皮質の顔反応ニューロンにおける画像分類情報と受容野面積の関係 (2022)
  • 著者名/発表者名: 塩谷佳介、片上舜、林和子、松田圭司、松本有央、赤穗昭太郎、河野憲二、岡田真人、菅生-宮本康子
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] PsychoPyとiRecHS2を用いた心理実験システムの構築 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松田圭司、菅生康子、林和子
  • 学会等名: 第17回 空間認知と運動制御研究会 学術集会
• [学会発表] 階層的カテゴリー分類におけるリカレント結合の重要性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 清水将海、片上舜、田口優介、岡田真人、菅生康子、松本有央
  • 学会等名: 東京理科大学パラレル脳センシング技術研究部門 第１回公開シンポジウム
• [学会発表] 顔反応ニューロンがコードする分類情報と受容野面積の関係 (2021)
  • 著者名/発表者名: 塩谷佳介、片上舜、林和子、松田圭司、松本有央、赤穗昭太郎、河野憲二、岡田真人、菅生-宮本康子
  • 学会等名: 東京理科大学パラレル脳センシング技術研究部門 第１回公開シンポジウム
• [学会発表] Effects of different facial surface properties on neuronal activity in the temporal cortex and on discrimination learning in macaque monkeys (2021)
  • 著者名/発表者名: Kazuko Hayashi, Narihisa Matsumoto, Keiji Matsuda, Kenichiro Miura, Shigeru Yamane, Mark A. G. Eldridge, Richard C Saunders, Barry J. Richmond, Yuji Nagai, Naohisa Miyakawa, Takafumi Minamimoto, Masato Okada, Kenji Kawano, Yasuko Sugase-Miyamoto
  • 学会等名: 日本動物心理学会第81回大会
• [学会発表] Effects of differences in facial surface properties on temporal cortical neuronal activity and discrimination learning in macaque monkeys (2021)
  • 著者名/発表者名: Kazuko Hayashi, Narihisa Matsumoto, Keiji Matsuda, Kenichiro Miura, Shigeru Yamane, Shin Matsuo, Keiji Yanai, Mark A. G. Eldridge, Richard C Saunders, Barry J. Richmond, Yuji Nagai, Naohisa Miyakawa, Takafumi Minamimoto, Masato Okada, Kenji Kawano, Yasuko Sugase-Miyamoto
  • 学会等名: 第44回日本神経科学大会
• [学会発表] 顔の知覚を支える霊長類脳の腹側視覚経路 (2021)
  • 著者名/発表者名: 菅生康子
  • 学会等名: 第27回脳機能とリハビリテーション研究会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] Effects of differences in physical surface properties on facial expression discrimination in macaque monkeys (2020)
  • 著者名/発表者名: Kazuko Hayashi, Narihisa Matsumoto, Keiji Matsuda, Kenichiro Miura, Shigeru Yamane, Shin Matsuo, Keiji Yanai, Mark A. G. Eldridge, Richard C Saunders, Barry J. Richmond, Yuji Nagai, Naohisa Miyakawa, Takafumi Minamimoto, Masato Okada, Kenji Kawano, Yasuko Sugase-Miyamoto
  • 学会等名: 第43回 日本神経科学大会
• [学会発表] Effects of different physical surface properties on face discrimination learning in macaque monkeys (2020)
  • 著者名/発表者名: Kazuko Hayashi, Narihisa Matsumoto, Keiji Matsuda, Kenichiro Miura, Shigeru Yamane, Shin Matsuo, Keiji Yanai, Mark A. G. Eldridge, Richard C Saunders, Barry J. Richmond, Yuji Nagai, Naohisa Miyakawa, Takafumi Minamimoto, Masato Okada, Kenji Kawano, Yasuko Sugase-Miyamoto
  • 学会等名: 日本動物心理学会第80回大会
• [備考] Sugase-Miyamoto's Homepage
  • URL: https://staff.aist.go.jp/y-sugase/