マルチスケール脳神経モデルを用いた脳波・近赤外光計測信号からの脳内動態の解読

• 研究課題/領域番号: 23680024
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 感性情報学・ソフトコンピューティング
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 小谷 潔 東京大学, 新領域創成科学研究科, 准教授 (00372409)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2014-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2013年度)
• 配分額: 28,470千円 (直接経費: 21,900千円、間接経費: 6,570千円); 2013年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2012年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2011年度: 21,190千円 (直接経費: 16,300千円、間接経費: 4,890千円)
• キーワード: 脳波 / ニューロン / 視床ー皮質モデル / 視床-皮質モデル

研究概要

本研究では，マルチスケールでの脳神経系数理モデルを構築し，その理論解析を行った．さらに脳計測信号から脳内動態を読み解く技術を開発した．
細胞レベルでは，神経細胞集団の数理モデルを構築し，Fokker-Planck方程式を導出することで集団レベルのダイナミクスとの関係を数理的に明らかにした．マクロレベルでは時間遅れ系の中心多様体縮約および位相縮約法を開発し，縮約方程式を用いて視床-皮質間相互作用による集団リズムの形成条件を理論的に導出した．さらに，非侵襲脳計測から，脳神経系モデルのパラメータを推定する手法を開発した．そして提案手法が脳内の状態識別，特に睡眠状態の評価に有効であることを示した．

研究成果

• [雑誌論文] Population dynamics of the modified theta model : macroscopic phase reduction and bifucation analysis link microscopic neuronal interactions to macroscopic gamma oscillation (2014)
  • 著者名/発表者名: Kiyoshi Kotani, Ikuhiro Yamaguchi, Lui Yoshida, Yasuhiko jimbo, G.Bard Ermentrout
  • 雑誌名: The Journal of Royal Society of Interface 巻: 11(20140058)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Population dynamics of the modified theta model: macroscopic phase reduction and bifurcation analysis link microscopic neuronal interactions to macroscopic gamma oscillation (2014)
  • 著者名/発表者名: Kotani K., Yamaguchi I., Yoshida L., Jimbo Y.
  • 雑誌名: J. R. Soc. Interface 巻: 11 号: 95 ページ: 20140058-20140058
  • DOI: 10.1098/rsif.2014.0058
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 時間遅れを持つ視床-皮質モデルの線形解析 (2012)
  • 著者名/発表者名: 山口郁博,小川雄太郎,中尾裕也,神保泰彦,小谷潔
  • 雑誌名: 電気学会論文誌C 巻: 132 ページ: 1787-1797
  • 査読あり
• [雑誌論文] 時間遅れを含む視床-皮質モデルの実Ginzburg-Lanadau方程式への縮約 (2012)
  • 著者名/発表者名: 山口郁博,小川雄太郎,中尾裕也,神保泰彦,小谷潔
  • 雑誌名: 電気学会論文誌C 巻: 132 ページ: 1563-1574
  • 査読あり
• [雑誌論文] Adjoint Method Provides Phase Response Functions for Delay-Induced Oscillations (2012)
  • 著者名/発表者名: Kiyoshi Kotani, Ikuhiro Yamaguchi, Yutaro Ogawa, Yasuhiko Jimbo, Hiroya Nakao, G. Bard Ermentrout
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett 巻: 109(044101) ページ: 44-101
  • 査読あり
• [雑誌論文] 時間遅れを持つ皮質-視床モデルの線形解析 (2012)
  • 著者名/発表者名: 山口, 小川, 中尾, 神保, 小谷
  • 雑誌名: 電気学会論文誌Ｃ（電子・情報・システム部門誌） 巻: 132 号: 11 ページ: 1787-1797
  • DOI: 10.1541/ieejeiss.132.1787
  • NAID: 10031120128
  • ISSN: 0385-4221, 1348-8155
  • 査読あり
• [雑誌論文] 時間遅れを持つ皮質-視床モデルの実Ginzburg-Landau方程式への縮約 (2012)
  • 著者名/発表者名: 山口郁博
  • 雑誌名: 電気学会論文誌Ｃ（電子・情報・システム部門誌） 巻: 132 号: 10 ページ: 1563-1574
  • DOI: 10.1541/ieejeiss.132.1563
  • NAID: 10031120099
  • ISSN: 0385-4221, 1348-8155
  • 査読あり
• [雑誌論文] Adjoint method provides phase response functions for delay-induced oscillations (2012)
  • 著者名/発表者名: Kiyoshi Kotani, Ikuhiro Yamaguchi, Yutaro Ogawa, Yasuhiko Jimbo, Hiroya Nakao, and G. Bard Ermentrout
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 109 号: 4
  • DOI: 10.1103/physrevlett.109.044101
  • NAID: 120006582191
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reduction theories elucidate the origins of complex biological rhythms generated by interacting delay-induced oscillations (2011)
  • 著者名/発表者名: Ikuhiro Yamaguchi, Yutaro Ogawa, Hiroya Nakao, Yasuhiko Jimbo, Kiyoshi Kotani
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reduction theories elucidate the origins of complex biological rhythms generated by interacting delay-induced oscillations (2011)
  • 著者名/発表者名: Ikuhiro Yamaguchi, Yutaro Ogawa, Hiroya Nakao, Yasuhiko Jimbo, Kiyoshi Kotani
  • 雑誌名: PLos One 巻: 6
  • 査読あり
• [学会発表] Brain-Computer Interfaceの誤り訂正へ向けた自律神経活動の評価 (2013)
  • 著者名/発表者名: 宇野宏祐,小川雄太郎,沼田崇志,小谷潔,神保泰彦
  • 学会等名: ライフエンジニアリング部門シンポジウム2013
  • 発表場所: 慶応義塾大学日吉キャンパス
  • 年月日: 2013-09-13
• [学会発表] ニオイ刺激に対する脳・自律神経活動および作業パフォーマンスの評価 (2013)
  • 著者名/発表者名: 岸田悠志,沼田崇志,小川雄太郎,小谷潔,神保泰彦
  • 学会等名: ライフエンジニアリング部門シンポジウム2013
  • 発表場所: 慶応義塾大学日吉キャンパス
  • 年月日: 2013-09-13
• [学会発表] 脳波の自由エネルギーに関する基礎的検討 (2013)
  • 著者名/発表者名: 山口郁博,小川雄太郎,中尾裕也,神保泰彦,小谷潔
  • 学会等名: 平成25年電気学会電子・情報・システム部門大会
  • 発表場所: 北見工業大学(北海道)
  • 年月日: 2013-09-05
• [学会発表] 一般線形モデルを用いたNIRS信号及び皮膚血流信号に含まれる循環器変動成分の評価 (2013)
  • 著者名/発表者名: 牧野類,小川雄太郎,沼田崇志,赤尾旭彦,小谷潔,神保泰彦
  • 学会等名: 平成25年電気学会電子・情報・システム部門大会
  • 発表場所: 北見工業大学(北海道)
  • 年月日: 2013-09-05
• [学会発表] Brain-Computer Interfaceの誤り訂正へ向けた自律神経活動の評価 (2013)
  • 著者名/発表者名: 宇野宏祐，小川雄太郎，沼田崇志，小谷潔，神保泰彦
  • 学会等名: ライフエンジニアリング部門シンポジウム2013
  • 発表場所: 神奈川県，慶応義塾大学 日吉キャンパス
• [学会発表] ニオイ刺激に対する脳・自律神経活動および作業パフォーマンスの評価, (2013)
  • 著者名/発表者名: 岸田悠志，沼田崇志，小川雄太郎，小谷潔，神保泰彦
  • 学会等名: ライフエンジニアリング部門シンポジウム2013
  • 発表場所: 神奈川県，慶応義塾大学 日吉キャンパス
• [学会発表] 脳波の自由エネルギーに関する基礎的検討 (2013)
  • 著者名/発表者名: 山口郁博，小川雄太郎、中尾裕也、神保泰彦、小谷潔
  • 学会等名: 平成25年電気学会電子・情報・システム部門大会
  • 発表場所: 北海道，北見工業大学
• [学会発表] 一般線形モデルを用いたNIRS信号及び皮膚血流信号に含まれる循環器変動成分の評価 (2013)
  • 著者名/発表者名: 牧野類、小川雄太郎、沼田崇志、赤尾旭彦、小谷潔、神保泰彦
  • 学会等名: 平成25年電気学会電子・情報・システム部門大会
  • 発表場所: 北海道，北見工業大学
• [学会発表] An Analysis of Neural Activations Measured with the Near Infrared Spectroscopy during Working Memory Tasks (2012)
  • 著者名/発表者名: Yutaro Ogawa, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
  • 学会等名: SCIS-ISIS 2012
  • 発表場所: Kobe Convention Ccenter
  • 年月日: 2012-11-20
• [学会発表] Ginzburg–Landau Equations Reduced From Coupled Delay Differential Equations (2012)
  • 著者名/発表者名: Ikuhiro Yamaguchi, Yutaro Ogawa, Hiroya Nakao, Yasuhiko Jimbo, Kiyoshi Kotani
  • 学会等名: NOLTA2012
  • 発表場所: Palma, Majorca, Spain
  • 年月日: 2012-10-22
• [学会発表] Weakly nonlinear analysis of the corticothalamic model for understanding epilepsy (2012)
  • 著者名/発表者名: Ikuhiro Yamaguchi, Yutaro Ogawa, Yohei Tobisa, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
  • 学会等名: 第27回生体生理工学シンポジウム
  • 発表場所: 北海道大学学術交流会館
  • 年月日: 2012-09-19
• [学会発表] 脳波のリアルタイム評価に向けた皮質-視床モデルの解析 (2012)
  • 著者名/発表者名: 飛佐洋平,山口郁博,小川雄太郎,内藤玄造,小谷潔,神保泰彦
  • 学会等名: 第27回生体・生理工学シンポジウム
  • 発表場所: 北海道大学学術交流会館
  • 年月日: 2012-09-19
• [学会発表] アルツハイマー病患者の脳波研究に向けた時間遅れを含む視床-皮質モデルの構築 (2012)
  • 著者名/発表者名: 小川雄太郎,小谷潔,神保泰彦
  • 学会等名: 平成24年電気学会電子・情報・システム部門大会
  • 発表場所: 弘前大学文京町キャンパス
  • 年月日: 2012-09-05
• [学会発表] Delay-induced oscillationsにおける強振幅ノイズに対する応答の評価 (2012)
  • 著者名/発表者名: 竹野翔兵,小川雄太郎,小谷潔,神保泰彦
  • 学会等名: 平成24年電気学会電子・情報・システム部門大会
  • 発表場所: 弘前大学文京町キャンパス
  • 年月日: 2012-09-05
• [学会発表] 中心多様体縮約を用いた時間遅れを持つ皮質-視床モデルの解析 (2012)
  • 著者名/発表者名: 飛佐洋平,山口郁博,小川雄太郎,小谷潔,神保泰彦
  • 学会等名: 第51回日本生体医工学会
  • 発表場所: 福岡国際会議場
  • 年月日: 2012-05-10
• [学会発表] Cortical Activation Associated with Working Memory Task : a Near-Infrared Spectroscopy Study (2011)
  • 著者名/発表者名: 小川雄太郎,飛佐洋平,小谷潔,神保泰彦
  • 学会等名: 第26回生体・生理工学シンポジウム
  • 発表場所: 立命館大学(滋賀)
  • 年月日: 2011-09-20
• [学会発表] Cortical Activation Associated with Working Memory Task: a Near-Infrared Spectroscopy Study (2011)
  • 著者名/発表者名: 小川雄太郎, 飛佐洋平, 小谷潔, 神保泰彦
  • 学会等名: 第26回生体・生理工学シンポジウム
  • 発表場所: 立命館大学(滋賀)
  • 年月日: 2011-09-20
• [学会発表] Delay-induced oscillationsのノイズに対する数理的特徴評価 (2011)
  • 著者名/発表者名: 竹野翔兵,小川雄太郎,小谷潔,神保泰彦
  • 学会等名: 平成23年電気学会電子・情報・システム部門大会
  • 発表場所: 富山大学(富山)
  • 年月日: 2011-09-07
• [学会発表] An Analysis of Neural Activations Measured with the Near Infrared Spectroscopy during Working Memory Tasks
  • 著者名/発表者名: Y. Ogawa
  • 学会等名: SCIS-ISIS 2012
  • 発表場所: Kobe Convention Ccenter
• [学会発表] Ginzburg-Landau Equations Reduced From Coupled Delay Differential Equations
  • 著者名/発表者名: I. Yamaguchi
  • 学会等名: NOLTA2012
  • 発表場所: Palma, Majorca, Spain
• [学会発表] アルツハイマー病患者の脳波研究に向けた時間遅れを含む視床-皮質モデルの構築
  • 著者名/発表者名: 小川雄太郎
  • 学会等名: 平成24年電気学会 電子・情報・システム部門大会
  • 発表場所: 弘前大学 文京町キャンパス
• [学会発表] Weakly nonlinear analysis of the corticothalamic model for understanding epilepsy
  • 著者名/発表者名: I.Yamaguchi
  • 学会等名: 第27回 生体生理工学シンポジウム
  • 発表場所: 北海道大学 学術交流会館
• [学会発表] 脳波のリアルタイム評価に向けた皮質-視床モデルの解析
  • 著者名/発表者名: 飛佐洋平
  • 学会等名: 第 27 回生体・生理工学シンポジウム
  • 発表場所: 北海道大学 学術交流会館
• [学会発表] Delay-induced oscillationsにおける強振幅ノイズに対する応答の評価
  • 著者名/発表者名: 竹野翔兵
  • 学会等名: 平成24年電気学会 電子・情報・システム部門大会
  • 発表場所: 弘前大学 文京町キャンパス
• [学会発表] 中心多様体縮約を用いた時間遅れを持つ皮質-視床モデルの解析
  • 著者名/発表者名: 飛佐洋平
  • 学会等名: 第51回日本生体医工学会
  • 発表場所: 福岡国際会議場
• [備考]
  • URL: http://neuron.t.u-tokyo.ac.jp/