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時空間型光操作に基づくデータ駆動型神経回路制御の確立と脳機能操作への応用

研究課題

研究課題/領域番号 23K21702
補助金の研究課題番号 21H03509 (2021-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2021-2023)
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
研究機関神戸大学

研究代表者

大森 敏明  神戸大学, 工学研究科, 准教授 (10391898)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
16,900千円 (直接経費: 13,000千円、間接経費: 3,900千円)
2025年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
2024年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
2023年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2022年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
2021年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
キーワードデータ駆動科学 / 科学技術機械学習 / データ駆動型予測 / データ駆動型制御 / 神経回路操作 / データ駆動型脳科学 / 数理イメージング / データ駆動型イメージング / データ駆動型自動制御 / 理論計算機科学 / データ駆動型予測制御 / 多次元状態推定制御 / ノンパラメトリック状態空間モデル / ベイズ深層学習 / 深層生成モデル / 画像再構成 / 神経微分方程式 / データ駆動型神経科学 / 神経ダイナミクス推定 / 複雑システム / モデル駆動型制御 / 潜在ダイナミクス推定 / レプリカ交換粒子マルコフ連鎖モンテカルロ法 / レプリカ交換粒子ギブス法 / レプリカ交換粒子メトロポリスヘイスティングス法 / フィードバック制御 / モデル予測制御 / 統合情報理論 / 神経科学 / 脳型人工知能 / 制御理論
研究開始時の研究の概要

本研究では,光操作に基づくイメージングデータからの潜在ダイナミクス抽出を実現し,時空間型の光操作を実現する光遺伝学に基づいた数理モデリングとデータ駆動型推論の枠組みを融合することにより,行動操作や神経回路改変による回路機能操作への応用を行う.

研究実績の概要

本研究計画の二年度に当たる令和4年度には,多次元状態制御とダイナミクス推定を同時に実現するためのデータ駆動型アルゴリズムの構築を行った.部分的に観測される計測データから,多次元の潜在変数が従う事後確率を推定するとともに,潜在変数の事後分布に基づいた精緻な動的制御を実現するアルゴリズムを構築した.構築したアルゴリズムを神経システムに適用し,部分的な観測時系列データに基づいた多次元状態制御と非線形ダイナミクス推定を同時に実現可能であることを示した.次に,神経システムにおいて,多数の非線形項の候補が存在する状況下で,部分的な観測データからその背後にある非線形ダイナミクスを推定するデータ駆動型アルゴリズムを構築した.逐次モンテカルロ法とスパースモデリングを融合するアルゴリズムを構成することにより,部分的な計測データのみが与えられた状況において,データに潜む重要な非線形項のみを抽出可能であることを示した.加えて,Flowベースの生成モデルに基づいた視覚画像の再構成を実現するための方法を構成することで,視覚画像の復元過程を陽に示すことが可能な深層学習アルゴリズムを構築した.加えて,多次元時系列データの背後にある動的システムをノンパラメトリック推定するための統計的機械学習アルゴリズムを構成し,多次元時系列データに基づいた非線形ダイナミクスのノンパラメトリック推定が可能であることを示した.これらの研究成果は関連研究者からの注目を受け,関連学会より注目学術論文への選定や優秀発表賞を受けた.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

当初想定していた多次元状態制御とダイナミクス推定の融合アルゴリズム構築を達成するとともに,動的システムのノンパラメトリック推定のアルゴリズム構築を行ったため.

今後の研究の推進方策

多様な非線形ダイナミクスを持つ神経システムに対して,機能操作を実現するアルゴリズムを構築する.

報告書

(2件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (56件)

すべて 2023 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (12件) (うち査読あり 12件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (40件) (うち国際学会 21件、 招待講演 9件) 図書 (1件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] Simultaneously Estimating and Controlling Neuronal Nonlinear Dynamics Based on Statistical Machine Learning Approach2023

    • 著者名/発表者名
      Taketo Omi and Toshiaki Omori
    • 雑誌名

      Proceedings of 29th International Symposium on Artificial Life and Robotics

      巻: - ページ: 473-478

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Reconstructing Perceptual Images from Functional MRI Signals Using Framework Based on Flow-based Image Generation Model2023

    • 著者名/発表者名
      Kensuke Inaba and Toshiaki Omori
    • 雑誌名

      Proceedings of 29th International Symposium on Artificial Life and Robotics

      巻: - ページ: 485-489

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Estimation of Nonlinear Neural Dynamics Through Sequential Monte Carlo Method and Sparse Modeling2023

    • 著者名/発表者名
      Takuma Ihara and Toshiaki Omori
    • 雑誌名

      Proceedings of 29th International Symposium on Artificial Life and Robotics

      巻: - ページ: 709-713

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Model Selection for Nonlinear Dynamical Systems Based on Gaussian Process Dynamical Models2023

    • 著者名/発表者名
      Yuki Kishikawa and Toshiaki Omori
    • 雑誌名

      Proceedings of 29th International Symposium on Artificial Life and Robotics

      巻: - ページ: 714-718

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Estimating Distributions of Parameters in Nonlinear State Space Models with Replica Exchange Particle Marginal Metropolis-Hastings Method2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Inoue, Koji Hukushima, Toshiaki Omori
    • 雑誌名

      Entropy

      巻: 24 号: 1 ページ: 115-115

    • DOI

      10.3390/e24010115

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Deep Neural Network-based Framework for Estimation of Integrated Information2022

    • 著者名/発表者名
      Ryo Omae, Toshiaki Omori
    • 雑誌名

      Proceedings of 28th International Symposium on Artificial Life and Robotics

      巻: - ページ: 455-459

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Self-Organizing Nonlinear State-Space Model Based on Gaussian Process2022

    • 著者名/発表者名
      Takashi Terayama, Toshiaki Omori
    • 雑誌名

      Proceedings of 28th International Symposium on Artificial Life and Robotics

      巻: - ページ: 681-685

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Data-Driven Super-Resolution for Rock Sample CT images Based on Sparse Modeling Proc. of 28th International Symposium on Artificial Life and Robotics2022

    • 著者名/発表者名
      Shoi Suzuki, Atsushi Okamoto, Katsuyoshi Michibayashi, Toshiaki Omori
    • 雑誌名

      Proceedings of 28th International Symposium on Artificial Life and Robotics

      巻: - ページ: 677-680

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Data-driven Method for Estimating Neuronal Nonlinear Dynamics from Noisy Partial Observation2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Inoue, Toshiaki Omori
    • 雑誌名

      Proceedings of 28th International Symposium on Artificial Life and Robotics

      巻: - ページ: 466-471

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Data-Driven Analysis of Nonlinear Heterogeneous Reactions through Sparse Modeling and Bayesian Statistical Approaches2021

    • 著者名/発表者名
      Ito Masaki、Kuwatani Tatsu、Oyanagi Ryosuke、Omori Toshiaki
    • 雑誌名

      Entropy

      巻: 23 号: 7 ページ: 824-824

    • DOI

      10.3390/e23070824

    • NAID

      120007125721

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Estimation of Neuronal Dynamics of Izhikevich Neuron Models from Spike-Train Data with Particle Markov Chain Monte Carlo Method2021

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Inoue, Koji Hukushima, and Toshiaki Omori
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 90 号: 10 ページ: 104801-104801

    • DOI

      10.7566/jpsj.90.104801

    • NAID

      40022709422

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Video Frame Rate Up-Conversion via Spatio-Temporal Generative Adversarial Networks2021

    • 著者名/発表者名
      Naomichi Takada, Toshiaki Omori
    • 雑誌名

      Journal of Image and Graphics

      巻: 9 号: 3 ページ: 87-94

    • DOI

      10.18178/joig.9.3.87-94

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Simultaneously Estimating and Controlling Neuronal Nonlinear Dynamics Based on Statistical Machine Learning Approach2023

    • 著者名/発表者名
      Taketo Omi and Toshiaki Omori
    • 学会等名
      29th International Symposium on Artificial Life and Robotics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Reconstructing Perceptual Images from Functional MRI Signals Using Framework Based on Flow-based Image Generation Model2023

    • 著者名/発表者名
      Kensuke Inaba and Toshiaki Omori
    • 学会等名
      29th International Symposium on Artificial Life and Robotics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Estimation of Nonlinear Neural Dynamics Through Sequential Monte Carlo Method and Sparse Modeling2023

    • 著者名/発表者名
      Takuma Ihara and Toshiaki Omori
    • 学会等名
      29th International Symposium on Artificial Life and Robotics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Model Selection for Nonlinear Dynamical Systems Based on Gaussian Process Dynamical Models2023

    • 著者名/発表者名
      Yuki Kishikawa and Toshiaki Omori
    • 学会等名
      29th International Symposium on Artificial Life and Robotics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Sparse Estimation of Nonlinear Dynamics Using Generalized Dynamical Constraints2023

    • 著者名/発表者名
      Yuya Note and Toshiaki Omori
    • 学会等名
      11th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Data-driven Approach for Image Reconstruction Using Neural Ordinary Differential Equation Models2023

    • 著者名/発表者名
      Kensuke Inaba and Toshiaki Omori
    • 学会等名
      11th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Machine Learning Algorithm for Estimating Nonlinear Neurodynamics by Sequential Monte Carlo Method and Sparse Modeling2023

    • 著者名/発表者名
      Takuma Ihara and Toshiaki Omori
    • 学会等名
      11th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Learning Super-resolution of X-ray CT Images of Rocks Based on Sparse Representation2023

    • 著者名/発表者名
      Shoi Suzuki, Atsushi Okamoto, Katsuyoshi Michibayashi, and Toshiaki Omori
    • 学会等名
      11th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 多次元・多階層データへのデータ駆動型アプローチの展開2022

    • 著者名/発表者名
      大森敏明
    • 学会等名
      メレオロジー研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] データ駆動型アプローチによる神経ダイナミクスの推定制御2022

    • 著者名/発表者名
      大森敏明
    • 学会等名
      定量生物学の会第十回年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Superresolution of X-ray CT Images of Serpentinites by Sparse Modeling2022

    • 著者名/発表者名
      鈴木聖惟, 岡本敦, 道林克禎, 大森敏明
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合2022年大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 統計的機械学習に基づく神経システムの推定と制御2022

    • 著者名/発表者名
      近江勇斗, 大森敏明
    • 学会等名
      次世代光散乱イメージング科学研究センターキックオフシンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ベイズ推論に基づく神経ネットワークのシステム同定2022

    • 著者名/発表者名
      井上広明, 大森敏明
    • 学会等名
      次世代光散乱イメージング科学研究センターキックオフシンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 温度の効果を導入した自己組織化状態空間モデルによる神経ダイナミクスの推定2022

    • 著者名/発表者名
      井上広明, 大森敏明
    • 学会等名
      日本応用数理学会2022年度年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 温度の効果を用いた自己組織化状態空間モデルによる潜在変数とパラメータの推定2022

    • 著者名/発表者名
      井上広明, 大森敏明
    • 学会等名
      第21回情報科学技術フォーラム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] レプリカ交換粒子マルコフ連鎖モンテカルロ法を用いた神経システムのダイナミクス推定2022

    • 著者名/発表者名
      井上広明, 大森敏明
    • 学会等名
      第66回システム制御情報学会研究発表講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] A Framework for Estimating Integrated Information of Brain Based on Deep Neural Network2022

    • 著者名/発表者名
      Ryo Omae and Toshiaki Omori
    • 学会等名
      6th International Conference on Intelligent Systems, Metaheuristics & Swarm Intelligence
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Estimating Dynamical Nonlinear System with Nonstationarity by Gaussian Process Self-Organizing Generalized State-Space Model2022

    • 著者名/発表者名
      Takashi Terayama and Toshiaki Omori
    • 学会等名
      6th International Conference on Intelligent Systems, Metaheuristics & Swarm Intelligence
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Unsupervised Deep Video Interpolation Based on Spatio-Temporal Autoregressive Neural Network2022

    • 著者名/発表者名
      Koki Nakashima and Toshiaki Omori
    • 学会等名
      6th International Conference on Intelligent Systems, Metaheuristics & Swarm Intelligence
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 非線形動的システムのデータ駆動科学2022

    • 著者名/発表者名
      大森敏明
    • 学会等名
      First Symposium on Data-driven Modeling in Complex Systems
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 多次元・多階層データ解析へのデータ駆動型アプローチ2022

    • 著者名/発表者名
      大森敏明
    • 学会等名
      第99回日本生理学会大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Data-driven Modeling of Neuronal Nonlinear Dynamics2022

    • 著者名/発表者名
      Toshiaki Omori
    • 学会等名
      The 99th Annual Meeting of the Physiological Society of Japan
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Data-driven Approach for Dynamical System Modeling2022

    • 著者名/発表者名
      Toshiaki Omori
    • 学会等名
      Joint Symposium on Life Science, Computational Science, and Structural Engineering Between UC San Diego and Kobe University
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] レプリカ交換粒子マルコフモンテカルロ法を用いた非線形動的システムの抽出2022

    • 著者名/発表者名
      井上広明, 大森敏明
    • 学会等名
      First Symposium on Data-driven Modeling in Complex Systems
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Deep Neural Network-based Framework for Estimation of Integrated Information2022

    • 著者名/発表者名
      Ryo Omae, Toshiaki Omori
    • 学会等名
      28th International Symposium on Artificial Life and Robotics
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Self-Organizing Nonlinear State-Space Model Based on Gaussian Process2022

    • 著者名/発表者名
      Takashi Terayama, Toshiaki Omori
    • 学会等名
      28th International Symposium on Artificial Life and Robotics
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Data-Driven Super-Resolution for Rock Sample CT images Based on Sparse Modeling Proc. of 28th International Symposium on Artificial Life and Robotics2022

    • 著者名/発表者名
      Shoi Suzuki, Atsushi Okamoto, Katsuyoshi Michibayashi, Toshiaki Omori
    • 学会等名
      28th International Symposium on Artificial Life and Robotics
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Data-driven Method for Estimating Neuronal Nonlinear Dynamics from Noisy Partial Observation2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Inoue, Toshiaki Omori
    • 学会等名
      28th International Symposium on Artificial Life and Robotics
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Extracting Nonlinear Latent Dynamics of Neurons Using Replica Exchange Particle Markov Chain Monte Carlo Method2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Inoue, Toshiaki Omori
    • 学会等名
      The 10th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] データ駆動型アプローチによる動的システムモデリング2021

    • 著者名/発表者名
      大森敏明
    • 学会等名
      大阪大学 数理・データ科学教育研究センター AI・データ利活用研究会 第22回
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] データ駆動型アプローチによる動的システムの数理モデリング2021

    • 著者名/発表者名
      大森敏明
    • 学会等名
      2021年度情報処理学会関西支部定期講演会『機械学習・深層学習に関する最新動向』
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ホワイトボックスモデリングによる非線形動的システムの推定Ⅰ2021

    • 著者名/発表者名
      大森敏明
    • 学会等名
      研究会「数理科学と情報学の連携による次世代モデリング理論」
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ホワイトボックスモデリングによる非線形動的システムの推定Ⅱ2021

    • 著者名/発表者名
      大森敏明
    • 学会等名
      研究会「数理科学と情報学の連携による次世代モデリング理論」
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] データ駆動型アプローチによる動的システムモデリング2021

    • 著者名/発表者名
      大森敏明
    • 学会等名
      第26回計算工学講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Data-driven Analysis of Nonlinear Heterogeneous Reactions through Sparse Modeling and Bayesian Statistical Approaches2021

    • 著者名/発表者名
      伊藤雅起, 桑谷立, 大柳良介, 大森敏明
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合2021年大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 岩石コア試料のX線CT画像の超解像とオマーンオフィオライトの蛇紋岩への適用2021

    • 著者名/発表者名
      鈴木聖惟, 岡本敦, 道林克禎, 大森敏明
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合2021年大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] データ駆動型アプローチによる神経ネットワークのダイナミクス推定2021

    • 著者名/発表者名
      井上広明, 大森敏明
    • 学会等名
      日本応用数理学会2021年度年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Sparse-Sequential Monte Carlo Method for Extracting Nonlinear Dynamics of Heterogeneous Reactions2021

    • 著者名/発表者名
      Masaki Ito, Tatsu Kuwatani, Ryosuke Oyanagi, Toshiaki Omori
    • 学会等名
      5th International Conference on Intelligent Systems, Metaheuristics & Swarm Intelligence
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Video Frame Rate up Conversion via Spatio-Temporal Generative Adversarial Networks2021

    • 著者名/発表者名
      Naomichi Takada, Toshiaki Omori
    • 学会等名
      5th International Conference on Intelligent Systems, Metaheuristics & Swarm Intelligence
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Extraction of Nonlinear Dynamics of Heterogeneous Reactions Based on Sparse Modeling2021

    • 著者名/発表者名
      Masaki Ito, Tatsu Kuwatani, Ryosuke Oyanagi, Toshiaki Omori
    • 学会等名
      European Geosciences Union General Assembly 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [図書] データサイエンスの考え方 第7章「確率モデル・確率推論」2021

    • 著者名/発表者名
      大森敏明
    • 総ページ数
      20
    • 出版者
      オーム社
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] 大森敏明(神戸大学ウェブページ)

    • URL

      http://www2.kobe-u.ac.jp/~omoritos/

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
  • [備考] 大森敏明(researchmap)

    • URL

      http://researchmap.jp/omori/

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
  • [備考] 神経回路網シミュレーションモデル研究プロジェクト(神戸大学 先端融合研究環 統合研究領域)

    • URL

      http://www.ircpi.kobe-u.ac.jp/data/oair/ir_PJ.pdf

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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