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リザーバ計算に基づく記憶と学習の背後にある力学系構造の解明

公募研究

研究領域非線形発振現象を基盤としたヒューマンネイチャーの理解
研究課題/領域番号 16H01617
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 複合領域
研究機関大分大学

研究代表者

末谷 大道  大分大学, 理工学部, 教授 (40507167)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2018-03-31
研究課題ステータス 完了 (2017年度)
配分額 *注記
5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円)
2017年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
2016年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
キーワードカオス / 脳情報表現 / リザバー計算 / カオス的遍歴 / 複雑系 / 脳波 / 順序パターン / データ同化 / 神経回路網 / 複雑系科学 / 脳数理科学 / 人工知能 / 脳科学
研究実績の概要

本研究では、ランダム神経回路による学習モデルとして知られるリザバー計算の一つである FORCE 学習を用いて、外部からのパルス入力に対して時系列を生成させる課題(入出力関係の学習)に取り組んだ。その結果、最大リアプノフ指数が僅かに正でかつ揺らぎの大きな「弱い」カオス状態が最適なパフォーマンスを示すことがわかった。さらに、多数の標的パターンを一つのネットワークに学習させると、自発性活動の中に(刺激入力がない状態でも)、幾つかの典型的なパターン間を間欠的に経り巡る遍歴的ダイナミクスが発生することを発見した。特に今年度は順序パターン(ordinal pattern)という時系列の振幅の大きさに関する順序情報を利用した統計量と主成分分析や多様体学習を合わせたアプローチを開発し、高次元空間の中で遷移する遍歴ダイナミクスを低次元空間に可視化することに成功した。
また、理論モデルの研究だけではなく、実際の脳波(EEG)時系列データの解析にも現在取り組んだ。まず、100 名以上の被験者から計測した安静閉眼状態における脳波に対して、順序パターンに注目したパターンを用いた解析を行った。その結果、順序パターンに関するエントロピー(permutation entropy:PE)の空間分布は幾つかのタイプに分類されることを発見した。さらに、数ヶ月経って再計測しても個々人のPEの空間分布は定性的に変化しない、すなわち、自発性活動の多様さを表すresting EEGのPEパターンに個人の特性が現れていることがわかった。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2017 実績報告書
  • 2016 実績報告書
  • 研究成果

    (18件)

すべて 2018 2017 2016

すべて 学会発表 (18件) (うち国際学会 10件)

  • [学会発表] A Manifold Learning Approach for Identification of Individuality using Resting EEG Signals2018

    • 著者名/発表者名
      Hiromichi Suetani, Yoko Mizuno and Keiichi Kitajo
    • 学会等名
      62nd Annual Meeting of Biophysical Society (BPS 18)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Combining Weighted Ensemble Method and Lyapunov Weighted Dynamics: Application to Proteins2018

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Fujisaki, Kei Moritsugu, Yasuhiro Matsunaga and Hiromichi Suetani
    • 学会等名
      62nd Annual Meeting of Biophysical Society (BPS 18)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] FORCE学習における遍歴ダイナミクスの発生とその解析2018

    • 著者名/発表者名
      末谷大道
    • 学会等名
      日本物理学会第73回年次大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 高次元空間に散らばる対象の隠れた構造を求めて2018

    • 著者名/発表者名
      末谷大道
    • 学会等名
      研究会「第5回非線形現象の捉え方」
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Echo State Networkによる脳コンシステンシー現象の解析2017

    • 著者名/発表者名
      末谷大道 北城圭一
    • 学会等名
      日本物理学会第72回年次大会
    • 発表場所
      大阪大学(大阪府・豊中市)
    • 年月日
      2017-03-18
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] Chaotic itinerancy in multiple patterns generation using FORCE-based neural network learning2017

    • 著者名/発表者名
      Hiromichi Suetani
    • 学会等名
      Simulations Encounter with Data Science Data Assimilation, Emulators, Rare Events and Design
    • 発表場所
      統計数理研究所(東京都・立川市)
    • 年月日
      2017-03-11
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Lyapunov Analysis of Chaotic Itinerancy in FORCE-based Neural Network Learning2017

    • 著者名/発表者名
      Hiromichi Suetani
    • 学会等名
      XXXVII Dynamics Days Europ
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Assimilating Nonlinear Dynamics with Force-Learning : a Perspective from Chaotic Synchronization2017

    • 著者名/発表者名
      Hiromichi Suetani
    • 学会等名
      The 2017 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications (NOLTA)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Noise-induced nonlinear neural dynamics as an individual trait2017

    • 著者名/発表者名
      Keiichi Kitajo, Takumi Sase, Yoko Mizuno and Hiromichi Suetani
    • 学会等名
      The 23rd Annual Meeting of the Organization for Human Brain Mapping
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Unravelling Individual Differences in Human Brain Dynamics2017

    • 著者名/発表者名
      Keiichi Kitajo, Takumi Sase, Yoko Mizuno and Hiromichi Suetani
    • 学会等名
      5th INCF Japan Node International Workshop Advances in Neuroinformatics 2017
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 脳機能を支える existing activity の多様さと柔軟さ -reservoir computingからのアプローチ-2017

    • 著者名/発表者名
      末谷大道
    • 学会等名
      Perspectives of Nonlinear Phenomena in Random and Non-autonomous Dynamics
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] FORCE学習におけるカオス的遍歴現象のLyapunov解析2017

    • 著者名/発表者名
      末谷大道
    • 学会等名
      日本物理学会2017年秋季大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] FORCE学習におけるカオス的遍歴現象のOrdinal Pattern解析2017

    • 著者名/発表者名
      末谷大道
    • 学会等名
      研究会「第4回非線形現象の捉え方」
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Chaotic itinerancy in multiple patterns generation using FORCE-based neural network learning2016

    • 著者名/発表者名
      Hiromichi Suetani
    • 学会等名
      Dynamics Days Asia-Pacific 9
    • 発表場所
      香港 (中国)
    • 年月日
      2016-12-15
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Discovering consistency in human brain activities with noisy visual inputs using reservoir kernel machines2016

    • 著者名/発表者名
      Hiromichi Suetani, Yuko Mizuno and Keiichi Kitajo
    • 学会等名
      The 46th Annual Meeting of Society for Neuroscience
    • 発表場所
      San Diego (USA)
    • 年月日
      2016-11-16
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] echo state networkによる粒子フィルタの構成とカオス力学系への応用2016

    • 著者名/発表者名
      末谷大道、高見利也
    • 学会等名
      日本物理学会2016年秋季大会
    • 発表場所
      金沢大学(石川県・金沢市)
    • 年月日
      2016-09-16
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] ランダム神経回路網によるカオス力学系の学習と一般化同期2016

    • 著者名/発表者名
      末谷大道
    • 学会等名
      日本物理学会2016年秋季大会
    • 発表場所
      金沢大学(石川県・金沢市)
    • 年月日
      2016-09-13
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] Generation of coherent patterns and chaotic itinerancy in random recurrent neural networks based on FORCE-learning2016

    • 著者名/発表者名
      Hiromichi Suetani
    • 学会等名
      International Conference on Control of Complex Systems and Networks 2016
    • 発表場所
      Heringsdorf (Germany)
    • 年月日
      2016-09-07
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2016-04-26   更新日: 2018-12-17  

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