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神経ネットワークにおける2種類の抑制性細胞の機能的役割に関する研究

研究課題

研究課題/領域番号 21K12050
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61040:ソフトコンピューティング関連
研究機関大分大学

研究代表者

加藤 秀行  大分大学, 理工学部, 准教授 (00733510)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2021年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
キーワード抑制性介在細胞 / 神経ネットワーク / 機能的役割 / 情報処理
研究開始時の研究の概要

脳の情報処理機構の解明は人類の長年の悲願で有り、様々な視点から膨大な研究が積み重ねれられてきた。近年の計測技術の発達も相まって様々なことが明らかになった一方、依然として、非常に基本的なことが明らかになっていないことも事実である。その一つが、2種類の抑制性細胞が存在する意義である。本研究では、数理神経科学による数理的アプローチにより、この2種類の抑制性細胞の機能的役割を明らかにし、その存在意義を解明することで、脳の情報処理機構を解明するための新たな知見を得ることを目指す。これにより、AIや ニューロモルフィックコンピューティングなどの脳の工学的応用分野の発展にも貢献すると考えられる。

研究実績の概要

本研究では、脳における2種類の抑制性介在細胞の存在意義を明らかにするために、これら抑制性介在細胞の神経ネットワーク内における機能的役割を特に情報 処理の観点から解明し、神経科学における新たな知見を得ることを目的とする。さらに、本研究を通じて、脳の計算原理に迫ることも本研究の目的である。これを実現するためには、実際にこれら抑制性介在細胞が神経ネットワーク内でどのような活動をし、他の細胞集団にどのような影響を与えているのかを理解することが必要である。そのため、本研究では計算論神経科学による数理的アプローチ、すなわち、神経ネットワークの数学モデルを構築し、数値シミュレーションから得られたデータを解析することにより上記学術的問いに迫り、得られた知見および理論を電気生理学分野に還元することを目指す。
本年度は、昨年度同様、一昨年度に構築したE細胞、FS細胞、LTS細胞の3細胞集団で構成されるラットの体性感覚野の第4層の神経ネットワークの数値シミュレーションを行い、そこから得られる神経活動データの解析に取り組んだ。さらに、これら3細胞集団で構成されたネットワークのFS細胞集団を欠落させたネットワークやLTS細胞集団を欠落させたネットワークの数値シミュレーション、および、そこから得られた神経活動のデータの基本的な統計解析に取り組んだ。加えて、非線形動力学理論的な観点からの神経活動データの数値解析についても取り組み始めた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

令和5年度は、昨年度に引き続き、初年度に構築した3細胞集団で構成されるラットの体性感覚野の第4層の神経ネットワークの数値シミュレーションを行い、そこから得られた神経活動データの基本的統計量および非線形動力学系理論の観点からの解析を行なった。また、2種類の抑制性細胞の存在意義を明らかにすることを目的に、抑制性細胞であるFS細胞集団やLTS細胞集団が欠落した神経ネットワークの数値シミュレーションや同様の解析を行なっているが、これら細胞は抑制性であるため、これらが欠損することで、大幅にネットワーク内の神経活動レベルが上昇することにより、3細胞集団に欠損がない場合と比較し、数値シミュレーションやデータ解析の計算リソースが大幅に増大しており、計画と比較するとやや遅れていると判断した。

今後の研究の推進方策

令和6年度は、FS細胞集団やLTS細胞集団が欠落した場合の数値シミュレーションやそこから得られる神経活動データの解析を中心に行う。また、並行して、非線形力学系理論的観点からの神経活動データの解析についても引き続き取り組む。

報告書

(3件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 研究成果

    (25件)

すべて 2024 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (20件) (うち査読あり 14件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 4件)

  • [雑誌論文] Similarity Analysis among Languages Using Context Vectors Generated in Large Language Model2024

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Azuma, Hideyuki Kato
    • 雑誌名

      Proceedings of Korea-Japan Joint Workshop on Complex Communication Sciences

      巻: 1

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Symmetrization effects of <i>k</i>-nearest neighbor recurrence plots on network motif organizations in time series of nonlinear dynamical systems2023

    • 著者名/発表者名
      Kawaguchi Masato, Kato Hideyuki
    • 雑誌名

      Nonlinear Theory and Its Applications, IEICE

      巻: 14 号: 3 ページ: 590-608

    • DOI

      10.1587/nolta.14.590

    • ISSN
      2185-4106
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 自己組織スパイキング神経回路網モデルにおける臨界現象の解析2023

    • 著者名/発表者名
      加藤秀行
    • 雑誌名

      NOLTAソサイエティ大会論文集

      巻: 1

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書 2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Simulating spiking neural networks with Cython2023

    • 著者名/発表者名
      Hideyuki Kato
    • 雑誌名

      Proceedings of International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications

      巻: 1 ページ: 703-703

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Spiking and bursting properties of spontaneous activities in modular spiking neuronal networks2023

    • 著者名/発表者名
      Hideyuki Kato, Takumi Shinkawa, Yoshitaka Ishikawa, Takuma Sumi, Hideaki Yamamoto, Yuichi Katori
    • 雑誌名

      Proceedings of International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications

      巻: 1 ページ: 601-601

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Evaluation of Reservoir-Based Predictive Coding in Cultured Neurons with Spiking Neural Network Model2023

    • 著者名/発表者名
      Yoshitaka Ishikawa, Takumi Shinkawa, Takuma Sumi, Hideyuki Kato, Hideaki Yamamoto, Yuichi Katori
    • 雑誌名

      Proceedings of International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications

      巻: 1 ページ: 693-696

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Analysis of predictive coding model with hierarchical reservoir computing for modeling Stroop effects2023

    • 著者名/発表者名
      Terakawa Haruki, Kato Hideyuki, Yonemura Yoshihiro, Katori Yuichi
    • 雑誌名

      Proceedings of International SoC Design Conference

      巻: 1 ページ: 257-258

    • DOI

      10.1109/isocc59558.2023.10396189

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] シナプススケーリング則の最適化,モジュラスパイキングニューラルネットワークへの適用とその影響の解析2023

    • 著者名/発表者名
      新川拓海, 加藤秀行, 石川慶孝, 住拓磨, 山本英明, 香取勇一
    • 雑誌名

      電子情報通信学会 信学技報

      巻: 123 ページ: 110-113

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Microfluidic cell engineering on high-density microelectrode arrays for assessing structure-function relationships in living neuronal networks2023

    • 著者名/発表者名
      Sato Yuya、Yamamoto Hideaki、Kato Hideyuki、Tanii Takashi、Sato Shigeo、Hirano-Iwata Ayumi
    • 雑誌名

      Frontiers in Neuroscience

      巻: 16 ページ: 1-11

    • DOI

      10.3389/fnins.2022.943310

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Effects of synaptic scaling on spontaneous firing activity in spiking neural networks with modular structure2023

    • 著者名/発表者名
      Takumi Shinkawa, Hideyuki Kato, Yoshitaka Ishikawa, Takumi Sumi, Hideaki Yamamoto, Yuuichi Katori
    • 雑誌名

      Proceedings of Nonlinear Circuits, Communications and Signal Processing

      巻: 1

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] ネットワークモチーフ解析によるスーパーファミリー現象を用いた力学系の解分類法の検討2023

    • 著者名/発表者名
      川口雅斗, 加藤秀行
    • 雑誌名

      電子情報通信学会 信学技報

      巻: 122 ページ: 93-98

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [雑誌論文] スパイキングニューロンモデルによる培養神経系のリザバー計算の 性能評価2023

    • 著者名/発表者名
      石川慶孝, 新川拓海, 住拓磨, 加藤秀行, 山本英明, 香取勇一
    • 雑誌名

      電子情報通信学会 信学技報

      巻: 122 ページ: 112-117

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [雑誌論文] ニューラル機械翻訳機のTransformerが生成する文脈ベクトルの定性的解析2023

    • 著者名/発表者名
      東宏錦, 加藤秀行
    • 雑誌名

      電子情報通信学会 信学技報

      巻: 122

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Taming chaos in stick-slip vibrations of forced-self-excited mechanical systems with dry friction2022

    • 著者名/発表者名
      Hideyuki Kato, Kaito Kato, Shu Karube, Hiroyuki Asahara, and Takuji Kousaka
    • 雑誌名

      Proceedings of ISCIE International Symposium on Stochastic Systems Theory and Its Applications

      巻: 1 ページ: 63-64

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effects of a Nonlinear Packet Drop Probability Function on Red Performance2022

    • 著者名/発表者名
      Kaito Kato , Hideyuki Kato , Hiroyuki Asahara , Daisuke Ito , Takuji Kousaka
    • 雑誌名

      Proceedings of International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications

      巻: 1 ページ: 45-48

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] The Effects of Symmetrization of k-Nearest Neighbor Recurrence Plot on Superfamily Phenomena in Time Series2022

    • 著者名/発表者名
      Masato Kawaguchi , Hideyuki Kato
    • 雑誌名

      Proceedings of International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications

      巻: 1 ページ: 107-110

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] リザバーコンピューティングを用いた視覚情報処理モデルの構築に向けた階層的ネットワークの解析2022

    • 著者名/発表者名
      新川拓海,加藤秀行
    • 雑誌名

      電子情報通信学会 信学技報

      巻: 121 ページ: 23-28

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [雑誌論文] 異なる内部状態のニューラルネットワークの発達過程の解析2022

    • 著者名/発表者名
      清水翔,加藤秀行
    • 雑誌名

      電子情報通信学会 信学技報

      巻: 121 ページ: 61-66

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [雑誌論文] STPシナプスにおける入力発火率依存的機能の変化2021

    • 著者名/発表者名
      加藤秀行
    • 雑誌名

      電子情報通信学会 NOLTAソサイエティ大会講演論文集

      巻: 1

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Analyses on effects of target-specific plasticity in recurrent neuronal networks2021

    • 著者名/発表者名
      Hideyuki Kato
    • 雑誌名

      Proceedings of Nonlinear Science Worksho

      巻: 1

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] A basic study of hierarchical reservoir computing for modeling Stroop effect2024

    • 著者名/発表者名
      H. Terakawa, H. Kato, Y. Yonemura, Y. Katori
    • 学会等名
      The 12th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Exploring influences of modular structure on time series generation performance in reservoir computing2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Ishikawa, Y. Katori, H. Yamamoto, H. Kato, T. Sumi, T. Shinkawa
    • 学会等名
      The 11th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Effects of synaptic scaling and network size on spontaneous firing activity in spiking neural network2023

    • 著者名/発表者名
      T. Shinkawa, H. Kato, Y. Ishikawa, T. Sumi, H. Yamamoto, Y. Katori
    • 学会等名
      The 11th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Analysis of structure-function relationship of micropatterned modular neuronal networks on high-density multi-electrode arrays2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Sato, H. Yamamoto, H. Kato, T. Tanii, S. Sato, A. Hirano-Iwata
    • 学会等名
      The 11th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ネットワークモチーフによる力学系の時系列分類法の一検討2022

    • 著者名/発表者名
      川口雅斗,加藤秀行
    • 学会等名
      電子情報通信学会2022年総合大会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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