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樹状突起計算を統合する新しい回路学習パラダイムの創出

公募研究

研究領域人工知能と脳科学の対照と融合
研究課題/領域番号 19H04994
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
研究機関沖縄科学技術大学院大学

研究代表者

深井 朋樹  沖縄科学技術大学院大学, 神経情報・脳計算ユニット, 教授 (40218871)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2021-03-31
研究課題ステータス 完了 (2020年度)
配分額 *注記
23,400千円 (直接経費: 18,000千円、間接経費: 5,400千円)
2020年度: 11,700千円 (直接経費: 9,000千円、間接経費: 2,700千円)
2019年度: 11,700千円 (直接経費: 9,000千円、間接経費: 2,700千円)
キーワード神経回路モデル / 階層的時空間パターン / チャンク / シナプス可塑性 / 2コンパートメントモデル / KL発散 / カクテルパーティ効果 / 樹状突起計算 / 学習理論 / 時間的階層構造 / 信号源分離 / LSTM / 正則化情報損失最少化 / 時間的特徴検出 / 音源分離 / クルバック・ライブラー発散 / 時系列学習理論 / 脳型人工知能 / 時系列縮約 / 領野間連絡 / 階層ベイズ計算
研究開始時の研究の概要

本研究では、脳研究の成果から明らかになってきた学習メカニズムや、とくに樹状突起を介するボトムアップとトップダウン信号の相互作用を取り入れ、これまでにない人工知能のための回路アーキテクチャと、それに適した学習理論を創出する。既存のモデルには取り入れられていない脳の神経回路の性質を活用することにより、多様な目的をもつ人工知能の開発に対して新しい理論的基盤を与える。また脳の計算理論の面からは、神経回路構造の生物学的特徴がもつ計算論的意味を明らかにしようとする試みであり、研究の成果は脳の回路機能を電子デバイスで実現するための、ニューロモルフィック技術に結びつく可能性がある。

研究実績の概要

本研究プロジェクトでは、神経細胞の樹状突起の働きを神経回路計算に如何に統合するかという問題意識を掲げて研究を行なった。樹状突起の計算論的機能を解明することで、新しい人工知能やニューロモルフィック技術の開拓に繋がる可能性がある。

初年度は、新しい教師なし学習原理を提案し、樹状突起と細胞体間の応答の整合性チェックに基づく、時系列入力の階層構造を学習するための細胞モデルを実装した(Asabuki and Fukai, Nat Comm, 2020)。この2コンパートメントモデルは、入力中に繰り返し出現する時空間パターンを教師なしで抽出する。さらに同じニューロンモデルで、聴覚信号源分離(カクテルパーティ効果)の問題も解けることを示すことができた。
最終年度は、2コンパートメントモデルを基礎に、1)多コンパートメント・モデルによる学習、2)リカレント結合による階層時系列の文脈依存の学習、3)刺激の出現確率を学習する相互結合神経回路モデルへの拡張を試みた。テーマ1)と2)はほぼ完了し、論文を準備中または投稿中(Asabuki and Fukai, 2021, bioRxiv)である。特に2)では、リカレント結合による樹状突起から細胞体への信号伝達の乗算的ゲーティングに依り、学習能力を著しく向上させた。またこの回路モデルを6500個以上の細胞を含む大規模神経活動記録データに適用し、細胞集合体の検出に成功した。テーマ3)は、ベイズ推定における事前分布を自発発火で表現する試みである。刺激の出現確率を学習させることに成功したが、実験で明らかにされている確率情報の表現と、モデルの情報表現が異なるため、現在、理論の問題点を探っている。

以上の研究成果により、まだ十分に解明されていない、脳の学習の生物学的仕組みが存在し、それを人工知能等に活用する可能性があることが、以前より明確になったと考える。

現在までの達成度 (段落)

令和2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

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 研究成果

    (21件)

すべて 2021 2020 2019 その他

すべて 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 2件、 査読あり 7件、 オープンアクセス 7件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 8件、 招待講演 7件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] Concomitant processing of choice and outcome in frontal corticostriatal ensembles correlates with performance of rats.2021

    • 著者名/発表者名
      Takashi Handa, Rie Harukuni, Tomoki Fukai
    • 雑誌名

      Cerebral Cortex

      巻: in press

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Oscillation-Driven Memory Encoding, Maintenance, and Recall in an Entorhinal-Hippocampal Circuit Model2021

    • 著者名/発表者名
      Tomoki Kurikawa, Kenji Mizuseki, Tomoki Fukai
    • 雑誌名

      Cerebral Cortex

      巻: 31 号: 4 ページ: 2038-2057

    • DOI

      10.1093/cercor/bhaa343

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Distinct Mechanisms of Over-Representation of Landmarks and Rewards in the Hippocampus2020

    • 著者名/発表者名
      Masaaki Sato, Kotaro Mizuta, Tanvir Islam, Masako Kawano, Yukiko Sekine, Takashi Takekawa, Daniel Gomez-Dominguez, Alexander Schmidt, Fred Wolf, Karam Kim, Hiroshi Yamakawa, Masamichi Ohkura, Min Goo Lee, Tomoki Fukai, Junichi Nakai, Yasunori Hayashi
    • 雑誌名

      Cell Reports

      巻: 32 号: 1 ページ: 107864-107864

    • DOI

      10.1016/j.celrep.2020.107864

    • NAID

      120006867158

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Somatodendritic consistency check for temporal feature segmentation2020

    • 著者名/発表者名
      Asabuki Toshitake、Fukai Tomoki
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 11 号: 1 ページ: 1-13

    • DOI

      10.1038/s41467-020-15367-w

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Spontaneous and stimulus-induced coherent states of critically balanced neuronal networks2020

    • 著者名/発表者名
      Takashi Hayakawa, Tomoki Fukai
    • 雑誌名

      Physical Review Research

      巻: 2 号: 1

    • DOI

      10.1103/physrevresearch.2.013253

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Extended Temporal Association Memory by Modulations of Inhibitory Circuits2019

    • 著者名/発表者名
      Haga Tatsuya、Fukai Tomoki
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 123 号: 7

    • DOI

      10.1103/physrevlett.123.078101

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Unsupervised Detection of Cell-Assembly Sequences by Similarity-Based Clustering2019

    • 著者名/発表者名
      Watanabe Keita、Haga Tatsuya、Tatsuno Masami、Euston David R.、Fukai Tomoki
    • 雑誌名

      Frontiers in Neuroinformatics

      巻: 13 ページ: 1-19

    • DOI

      10.3389/fninf.2019.00039

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Multi-faceted analysis of cell assembly code.2021

    • 著者名/発表者名
      Tomoki Fukai
    • 学会等名
      Calcium Imaging Workshop Organized by “Correspondence and Fusion of Artificial Intelligence and Brain Science”
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Rate and temporal coding perspectives of motor processing in cortical microcircuits.2020

    • 著者名/発表者名
      Tomoki Fukai
    • 学会等名
      Online Workshop Series Neural Control: From data to machines
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 情報圧縮:脳的アプローチ2020

    • 著者名/発表者名
      深井朋樹
    • 学会等名
      第12回数理モデリング研究会 数理モデリングの哲学--数理モデルは何のためにあるのか
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Self-supervision mechanism of multiple dendritic compartments for temporal feature learning.2020

    • 著者名/発表者名
      Milena Menezes Carvalho, Tomoki Fukai
    • 学会等名
      29th Annual Computational Neuroscience Meeting (CNS 2020)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Multiscale associative memory recall by modulation of inhibitory circuits2020

    • 著者名/発表者名
      Tatsuya Haga, Tomoki Fukai
    • 学会等名
      Computational and Systems Neuroscience (Cosyne) 2020
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Learning complex temporal features by neurons with dendrites2020

    • 著者名/発表者名
      Toshitake Asabuki, Giorgia Dellaferrera, Tomoki Fukai
    • 学会等名
      OIST-Hitachi Joint Symposium
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Cognition through neural circuit dynamics2019

    • 著者名/発表者名
      Tomoki Fukai
    • 学会等名
      Toyama Forum for Academic Summit on "Dynamic Brain"
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Extended associative memory by inhibitory modulation2019

    • 著者名/発表者名
      Tatsuya Haga, Tomoki Fukai
    • 学会等名
      Neuroscience 2019 (SfN's 49th annual meeting)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Top-down modulations of bottom-up signal processing in a microcircuit model involving PV, SOM and VIP inhibitory interneurons2019

    • 著者名/発表者名
      Nobuhiko Wagatsuma, Sou Nobukawa, Tomoki Fukai
    • 学会等名
      Neuroscience 2019 (SfN's 49th annual meeting)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Temporal feature analysis in brain-inspired neural systems2019

    • 著者名/発表者名
      Tomoki Fukai
    • 学会等名
      Silicon Nanoelectronics Workshop 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Temporal feature analysis by self-supervising dendritic neurons2019

    • 著者名/発表者名
      Tomoki Fukai
    • 学会等名
      2019 Gordon Research Conference on Dendrites: Molecules, Structure and Function
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] 深井研究室HP(OIST 神経情報・脳計算ユニット)

    • URL

      https://groups.oist.jp/ncbc

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [備考] 深井研究室HP(OIST・神経情報・脳計算ユニット)

    • URL

      https://groups.oist.jp/ncbc

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [備考] 人間の記憶の理解に役立つコンピュータモデル (OIST研究ニュース)

    • URL

      https://www.oist.jp/ja/news-center/news/2019/10/7/34367

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書

URL: 

公開日: 2019-04-18   更新日: 2021-12-27  

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