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皮質における物体表現の形成 --- 中間層における混合同時選択性と集団符号化

研究課題

研究課題/領域番号 23K28386
補助金の研究課題番号 23H03697 (2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2023)
応募区分一般
審査区分 小区分90030:認知科学関連
研究機関筑波大学

研究代表者

酒井 宏  筑波大学, システム情報系, 教授 (80281666)

研究分担者 亀山 啓輔  筑波大学, システム情報系, 教授 (40242309)
我妻 伸彦  東邦大学, 理学部, 講師 (60632958)
山根 ゆか子  沖縄科学技術大学院大学, 神経計算ユニット, スタッフサイエンティスト (70565043)
研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2027-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
18,590千円 (直接経費: 14,300千円、間接経費: 4,290千円)
2026年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
2025年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2024年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2023年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円)
キーワード認知神経科学 / 視覚 / 皮質表現 / V4 / 自然画像
研究開始時の研究の概要

ヒト視覚系は,多様な外界を脳内に精緻にモデル化する。これは、網膜像に内在する局所特徴量から高次皮質の物体表現への変換であり、皮質中間層における物体特徴の表現が理解の鍵となる。本研究は、腹側経路中間層において、物体に係る特徴群がどのように表現されているか、という問題の理解を目的とする。細胞群が複数特徴を集団符号化することによって、前駆物体の形状と面特性を高次元で表現している、との仮説を検討する。このために、多数の自然画像に対するサルV4細胞の応答を多元的に解析し、汎化モデルの構築を通して多様・多数の刺激に対する応答について解析する。

研究実績の概要

単一細胞が多数の特徴を同時に符号化しているとの仮説を検討した。このために、サルV4神経細胞の自然画像への反応を解析した。自然画像刺激中には多様な輪郭特徴が内包され、神経細胞はそれらに対して応答することを利用した新しい逆相関法を考案した。解析の結果、V4神経細胞は多数の特徴に対する選好性を持ち、それぞれが持つ選好性・最適特徴は様々であることを示した。この方法論と結果は、国際・国内学会で発表したほか、学術雑誌 eNeuro (Impact Factor = 4)に発表した。
自然画像刺激に対するConvolutional Neural Netowork 中間層の反応群から単一細胞反応への線形写像を機械学習によって求める細胞モデル(decoding model)を構築した。これにより単一細胞の多数特徴に対する同時選好性を網羅的に解析する基盤を得た。この結果は、日本神経科学学会・日本神経回路学会で発表した。
神経細胞が、集団として物体特徴をどのように表現しているかを解析した。細胞群の応答と知覚の応答から「何を見ているか」を解析し、細胞反応と知覚との関連を示した。この結果は、国際・国内学会で発表したほか、学術雑誌 Neural Networks (IF = 8)に投稿した(査読中)。さらに、皮質表現についての本研究課題に関する総説を学術雑誌(Interdisciplinary Information Sciences )に投稿した(招待論文)。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

単一細胞が多数の特徴を同時に符号化しているとの仮説を検討した。サルV4神経細胞の自然画像への反応を解析した。自然画像刺激中には多様な輪郭特徴が内包され、神経細胞はそれらに対して応答することを利用した新しい逆相関法を考案した。まず、示した自然画像を解析して、内包されていた輪郭特徴の一覧を作った。同時に、細胞毎にCRFとその周辺に内在していた輪郭特徴のヒストグラムを作成し、これを刺激にタグ付けた。各刺激に対する応答と刺激特徴ヒストグラムから逆相関法によって選好性を算出した。V4神経細胞は多数の特徴に対する選好性を持ち、それぞれが持つ選好性・最適特徴は様々であることが判った。
記録したV4神経細胞をCNNを利用してモデル化した。自然画像刺激に対するCNN中間層の反応群から単一細胞反応への線形写像を機械学習によって求める細胞モデルを構築した。細胞モデルに、生理実験では呈示し得なかった多様な画像を提示することにより、多数の特徴に対する細胞の反応を得ることが可能となった。
さらに、神経細胞が、集団として物体特徴をどのように表現しているかを解析した。表現が効率性と冗長性をどのように同時実現しているのかを解析した。刺激中の前駆物体(図領域)に注目して、その特徴の知覚の一貫性(分散)をヒト心理物理実験によって求めた。細胞群の応答と知覚の応答から「何を見ているか」を解析し、細胞反応と知覚との関連を示した。

今後の研究の推進方策

これまでに微小多電極によって記録したサルV4神経細胞の自然画像への反応の解析を継続して、単一細胞が多数の特徴を同時に符号化していることを明らかにしていく。特徴に対するチューニングをパラメータ(モデル)化する従来の方法に加え、相互情報量を使った方法も利用して、細胞がどのように複数の特徴に対する選好性を示すかを明らかにする。
記録したV4神経細胞をモデル化して、多様な刺激に対する細胞応答を得て解析に供すると共に、細胞が符号化する刺激・特徴の推定を行っていく。CNNと線形符号化器により構成され、細胞応答を再現する細胞モデルを利用する。細胞モデルの妥当性は、分散説明率にとどまらず輪郭特徴などへの選好性の再現性によって評価する。多数の特徴に対する細胞応答の反応行列から、呈示刺激の推定・最適刺激の可視化を行う。図地分離を目的とするCNNおよびGANについて適用性を検討し、最適刺激および選好性分布の推定を行う。
神経細胞が、集団として物体特徴をどのように表現しているかを解析していく。刺激に内包される図地・輪郭などの特徴量と、刺激に対する細胞応答から、細胞群応答の多次元構造の特徴を示す。刺激中の前駆物体(図領域)に注目して、その特徴の知覚の信頼度をヒト心理物理実験によって求める。刺激群に対する細胞群反応と知覚応答を表す混同行列を作成し、神経表現を解析する。細胞群は知覚に対応した反応を示すと予測され、これから細胞群が真に何を符号化しているかを検討する。そして、その表現が効率性と冗長性をどのように同時実現しているのかを示す。

報告書

(1件)
  • 2023 実績報告書
  • 研究成果

    (29件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 雑誌論文 (8件) (うち査読あり 8件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (19件) (うち国際学会 7件、 招待講演 2件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Representation of Natural Contours by a Neural Population in Monkey V42024

    • 著者名/発表者名
      Machida Itsuki、Shishikura Motofumi、Yamane Yukako、Sakai Ko
    • 雑誌名

      eNeuro

      巻: 11 号: 3 ページ: ENEURO.0445-23.2024

    • DOI

      10.1523/eneuro.0445-23.2024

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] PINN with Antisymmetric RNN for Solving Nonlinear Partial Differential Equations2024

    • 著者名/発表者名
      Pavodi Ndoyi Maniamfu, U. A. Md. Ehsan Ali and Keisuke Kameyama
    • 雑誌名

      Proc. of ICSCML 2024

      巻: -

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Affinity-Weighted RandAugment for Problem-Oriented Augmentation in Image Classification2024

    • 著者名/発表者名
      Yuna Park, Tomoumi Takase, Keisuke Kameyama and Masaki Onishi
    • 雑誌名

      Proc. of IJCNN 2024

      巻: -

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] ヒト注意選択を予測する計算論的モデルと脳視覚皮質対応2023

    • 著者名/発表者名
      我妻 伸彦、日高 章理
    • 雑誌名

      計測と制御

      巻: 62 号: 10 ページ: 593-598

    • DOI

      10.11499/sicejl.62.593

    • ISSN
      0453-4662, 1883-8170
    • 年月日
      2023-10-10
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Layer-Specific Characteristics of Artificial Representations in the Trained AlexNet Model2023

    • 著者名/発表者名
      Ito Kazuma、Hidaka Akinori、Wagatsuma Nobuhiko
    • 雑誌名

      Proc. of 3rd IEEE Int. Conf. ETCI

      巻: - ページ: 39-45

    • DOI

      10.1109/icetci58599.2023.10331607

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Exploring Intermittent Dynamics of Neural Activity in a Single-Pair System of Excitatory and Inhibitory Neurons2023

    • 著者名/発表者名
      Sugawara Akio、Nobukawa Sou、Wagatsuma Nobuhiko、Inagaki Keiichiro
    • 雑誌名

      Proc. of 3rd IEEE Int. Conf. ETCI

      巻: - ページ: 180-185

    • DOI

      10.1109/icetci58599.2023.10331250

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Optimal Excitatory and Inhibitory Balance for High Learning Performance in Spiking Neural Networks with Long-Tailed Synaptic Weight Distributions2023

    • 著者名/発表者名
      Matsumoto Ibuki、Nobukawa Sou、Kurikawa Tomoki、Wagatsuma Nobuhiko、Sakemi Yusuke、Kanamaru Takashi、Sviridova Nina、Aihara Kazuyuki
    • 雑誌名

      In 2023 International Joint Conference on Neural Networks (IJCNN)

      巻: - ページ: 1-8

    • DOI

      10.1109/ijcnn54540.2023.10191709

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Functionality of neural dynamics induced by long-tailed synaptic distribution in reservoir computing2023

    • 著者名/発表者名
      Matsumoto Ibuki、Nobukawa Sou、Wagatsuma Nobuhiko、Kurikawa Tomoki
    • 雑誌名

      Nonlinear Theory and Its Applications, IEICE

      巻: 14 号: 2 ページ: 342-355

    • DOI

      10.1587/nolta.14.342

    • ISSN
      2185-4106
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] サル視覚野V4における形状の同時符号化2024

    • 著者名/発表者名
      町田 樹、酒井 宏
    • 学会等名
      日本視覚学会 冬季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 3次元形状知覚を変調する自然光源の特徴2024

    • 著者名/発表者名
      山本雅之、酒井 宏
    • 学会等名
      日本視覚学会 冬季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 臨界解析とネットワーク解析を用いたEEGからの自発的注意移動の検出2024

    • 著者名/発表者名
      岡 楓莉、塩入 愉、酒井 宏
    • 学会等名
      日本視覚学会 冬季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Detection of Self-initiated Attention by Criticality Analysis of EEG2024

    • 著者名/発表者名
      F. Oka and K. Sakai
    • 学会等名
      令和5年度電気通信研究所共同プロジェクト研究発表会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Construction of the Cortical Representation of Natural Objects - from Pixel to Object2024

    • 著者名/発表者名
      K. Sakai
    • 学会等名
      令和5年度電気通信研究所共同プロジェクト研究発表会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 環境富化による初期視覚野第2/3層ニューロンの活性化とその神経回路構造2024

    • 著者名/発表者名
      我妻伸彦, 寺田有花, 上田(石原) 奈津実
    • 学会等名
      電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 事前学習を用いたクラスタリングによるログデータ の異常検知2024

    • 著者名/発表者名
      渡辺耕太朗,亀山啓輔
    • 学会等名
      2024年電子情報通信学会総合大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 教師モデルの推論時の着目領域情報を使用した DistillationによるCNNのモデル圧縮2024

    • 著者名/発表者名
      白浜拓海,亀山啓輔
    • 学会等名
      2024年電子情報通信学会総合大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 感情によるユニーク色知覚の変調 ~ 個人に依存する色方向 ~2023

    • 著者名/発表者名
      小松崎摩耶、柴田紀代、酒井 宏
    • 学会等名
      電子情報通信学会 ヒューマン情報処理研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] V4における面表現の形成ー自然画像中の輪郭から図領域を決める神経細胞集団2023

    • 著者名/発表者名
      酒井 宏
    • 学会等名
      視覚科学フォーラム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Both V4 population and human perception correlate with contour features in figure-ground segregation.2023

    • 著者名/発表者名
      M. Shishikura, I. Machida, and K. Sakai
    • 学会等名
      Annual Meeting 2023, Japanese Neural Network Society
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Modeling multiple preferences in V4 by encoding CNN to neural responses2023

    • 著者名/発表者名
      T. Hara, I. Machida, M. Shishikura, and K. Sakai
    • 学会等名
      Annual Meeting 2023, Japanese Neural Network Society
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Representation of contour shape and surface texture in monkey V4.2023

    • 著者名/発表者名
      I. Machida, Y. Yamane, and K. Sakai
    • 学会等名
      Annual Meeting 2023, Japan Neuroscience Society
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Construction of V4 model neurons with the generalization to multiple visual features2023

    • 著者名/発表者名
      T. Hara, I. Machida, and K. Sakai
    • 学会等名
      Annual Meeting 2023, Japan Neuroscience Society
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ノイズ付与画像を用いた深層畳み込み Saliency Map モデルの情報表現特性解析2023

    • 著者名/発表者名
      根岸季穂、日高章理、 我妻伸彦
    • 学会等名
      第33回日本神経回路学会全国大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 3種類の抑制性細胞が協働する局所神経回路間の相互作用と初期視覚野V1の周囲変調2023

    • 著者名/発表者名
      我妻伸彦、信川創、栗川知己
    • 学会等名
      第33回日本神経回路学会全国大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Excitatory/inhibitory ratio disruption modulates synchronized oscillation and neuronal interaction directions in a cortical microcircuit with PV, SOM, and VIP inhibitory interneuron classes2023

    • 著者名/発表者名
      Nobuhiko Wagatsuma, Sou Nobukawa, Tomoki Kurikawa
    • 学会等名
      Society for Neuroscience, Annual meeting 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 3種類の抑制性細胞が協働する局所神経回路モデルにおける興奮性/抑制性バランス崩壊に起因するニューロンクラス間相互作用の病理学的変調2023

    • 著者名/発表者名
      我妻伸彦、信川創、栗川知己
    • 学会等名
      第45回日本神経科学大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] CNNに対するフィルタ刈り込みと欠損した情報の補償によ る性能低下の抑制2023

    • 著者名/発表者名
      三浦隼,亀山啓輔
    • 学会等名
      第22回情報科学技術フォーラム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 見るってどういうこと? 神経細胞たちの集合知が物体を見分ける

    • URL

      https://open.spotify.com/episode/0vJF7AB0EXemLtuTDhDVtT

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 自然光景の中から物体を見分ける神経機構を解明

    • URL

      https://www.tsukuba.ac.jp/journal/technology-materials/20230215140000.html

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

URL: 

公開日: 2023-04-18   更新日: 2024-12-25  

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