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確率脳内シミュレータとしての大脳皮質自発発火活動と学習の解明

公募研究

研究領域予測と意思決定の脳内計算機構の解明による人間理解と応用
研究課題/領域番号 24120524
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
研究機関大阪大学

研究代表者

寺前 順之介  大阪大学, 情報科学研究科, 准教授 (50384722)

研究期間 (年度) 2012-04-01 – 2014-03-31
研究課題ステータス 完了 (2013年度)
配分額 *注記
4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円)
2013年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
2012年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
キーワード脳 / 大脳皮質 / 自発活動 / 揺らぎ / ノイズ / 対数正規分布 / 確率的情報処理 / 不均一性 / 神経 / ゆらぎ / 確率 / 情報処理 / 連想記憶 / ネットワーク / 確率共鳴
研究概要

大脳皮質神経回路ネットワークの確率的情報処理に関して,特に自発活動の起源と機能,さらにその基礎的性質と素の応用に関する理論研究を実施した.これまでの研究により,大脳皮質で観測される強いゆらぎを伴った自発活動が,大脳皮質局所回路内での興奮性神経細胞間での後シナプス電位(Excitatory postsynaptic potential, EPSP)の振幅分布の極端な不均一性によって説明できることを明らかにし,さらにその自発活動によって興奮性神経細胞間のスパイク発火確率が動的に調整されていることを明らかにしたが,本年度は,EPSP振幅不均一性の起源とその工学的応用の可能性,さらに高次の回路構造が自発活動に与える影響とその神経情報処理上の機能的意義に関して研究成果を得た.具体的にはまず,実験的に観測されるEPSP振幅の不均一性が興奮性神経細胞間のシナプス可塑性によって説明されうるかどうかを検討し,Hebb型の学習則と恒常性維持可塑性の組み合わせによって,神経細胞集団内での発火率の不均一性が生じ,その結果EPSP振幅の不均一性が維持される可能性がある事を明らかにした.さらに得られた不均一性を電子回路としての実装も検討し,簡単化したEPSP振幅分布の効果を検討し,neuromorphic engineeringへの展開の可能性も明らかにした.高次の回路構造に関しては,実験的に指摘されている高次構造と整合性を持つ単純な神経回路モデルを提案した.このモデルは回路内にクラスタ構造を持ち,そのクラスタ構造によって異なる発火率を持つ複数の自発発火状態が共存できることを明らかにした.これによりクラスタ構造を持つ神経回路ネットワークでは,自発的発火状態をワーキングメモリーの一種として利用できることを明らかにすることに成功した.

現在までの達成度 (区分)
理由

25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

25年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2013 実績報告書
  • 2012 実績報告書
  • 研究成果

    (29件)

すべて 2014 2013 2012 その他

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (22件) (うち招待講演 16件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Computational Implications of Lognormally Distributed Synaptic Weights2014

    • 著者名/発表者名
      Jun-nosuke Teramae, Tomoki Fukai
    • 雑誌名

      Proceedings of the IEEE

      巻: 102 号: 4 ページ: 500-512

    • DOI

      10.1109/jproc.2014.2306254

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Lessons from spontaneous neural noise genesis on neuromorphic engineering2014

    • 著者名/発表者名
      Tomoki Fukai, Jun-nosuke Teramae
    • 雑誌名

      Proceedings of the IEEE

      巻: 102 号: 4 ページ: 513-513

    • DOI

      10.1109/jproc.2014.2307019

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Dense neuron clustering explains connectivity statistics in cortical microcircuits2014

    • 著者名/発表者名
      Vladimir V Klinshov, Jun-nosuke Teramae, Vladimir I Nekorkin, Tomoki Fukai
    • 雑誌名

      PLoS One

      巻: 9 号: 4 ページ: 1-12

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0094292

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Associative memory model with long-tail-distributed Hebbian synaptic connections.2013

    • 著者名/発表者名
      Hiratani Naoki
    • 雑誌名

      Frontiers in Computational Neuroscience

      巻: 6 ページ: 1-15

    • DOI

      10.3389/fncom.2012.00102

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Optimal spike-based communication in excitable networks with strong-sparse and weak-dense links.2012

    • 著者名/発表者名
      Jun-Nosuke Teramae, Yasuhiro Tsubo, Tomoki Fukai
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 2 号: 1 ページ: 485-485

    • DOI

      10.1038/srep00485

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Internal noise and memory states in cortical networks with highly heterogeneous connections2013

    • 著者名/発表者名
      Jun-nosuke Teramae
    • 学会等名
      統計数理研究所研究会神経科学と統計科学の対話
    • 発表場所
      統計数理研究所, 東京
    • 年月日
      2013-02-18
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 中枢神経系の構造・ダイナミクス・確率的情報処理2012

    • 著者名/発表者名
      寺前順之介
    • 学会等名
      定量生物学の会第5回年会
    • 発表場所
      東京大学生産技術研究所,東京
    • 年月日
      2012-11-23
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] 神経情報処理における自発活動の動的特性2012

    • 著者名/発表者名
      寺前順之介
    • 学会等名
      ネットワーク構造と生命現象
    • 発表場所
      JR博多シティ,福岡
    • 年月日
      2012-11-02
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Spike-based stochastic resonance with optimal internal noise in cortical networks with strong-sparse weak-dense connections2012

    • 著者名/発表者名
      Jun-nosuke Teramae
    • 学会等名
      42nd Annual Meeting of Society for Neuroscience (Neuroscience 2012)
    • 発表場所
      New Orleans, USA
    • 年月日
      2012-10-13
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] A spike-based associative memory with strong-sparse and weak-dense Hebbian connections2012

    • 著者名/発表者名
      Hiratani Naoki
    • 学会等名
      42nd Annual Meeting of Society for Neuroscience (Neuroscience 2012)
    • 発表場所
      New Orleans, USA
    • 年月日
      2012-10-13
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] 背景ゆらぎを積極的に織り込む神経ネットワークの情報伝達戦略2012

    • 著者名/発表者名
      寺前順之介
    • 学会等名
      NetSci/CCS研究会
    • 発表場所
      北海道大学,北海道
    • 年月日
      2012-08-09
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 計算論的視点からの神経オシレーションと揺らぎの数理2012

    • 著者名/発表者名
      寺前順之介
    • 学会等名
      神経オシレーション:共振とディスリズミア
    • 発表場所
      自然科学研究機構岡崎コンファレンスセンター,愛知
    • 年月日
      2012-07-12
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 神経ネットワークにおけるノイズの起源と機能2012

    • 著者名/発表者名
      寺前順之介
    • 学会等名
      力学系とその周辺分野の研究
    • 発表場所
      京都大学数理解析研究所,京都
    • 年月日
      2012-07-09
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Optimal Spike-Based Communication with Internal Fluctuation in Cortical Networks

    • 著者名/発表者名
      Jun-nosuke Teramae, Tomoki Fukai
    • 学会等名
      International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications
    • 発表場所
      Santa fe
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Origin and functional roles of spontaneous noise in the brain: Self-organized stochastic resonance and memory states

    • 著者名/発表者名
      Jun-nosuke Teramae
    • 学会等名
      Modeling Neural Activity: Statistics, Dynamical Systems, and Networks
    • 発表場所
      Lihue
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Noise-Induced Order and Computation in the Brain

    • 著者名/発表者名
      Jun-nosuke Teramae
    • 学会等名
      Progress of Mathematical Studies in Neuroscience
    • 発表場所
      National Tsing-Hua University, Hsinchu, Taiwan
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 脳情報通信におけるゆらぎの機能的役割

    • 著者名/発表者名
      寺前 順之介
    • 学会等名
      電子情報通信学会総合大会
    • 発表場所
      新潟大学
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 大脳皮質局所回路網におけるゆらぎと確率性の理論研究

    • 著者名/発表者名
      寺前 順之介
    • 学会等名
      視覚科学統合研究センターシンポジウム 「視覚情報処理の新展開-局所回路から認知へ」
    • 発表場所
      立命館大学
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 大脳皮質における揺らぎの起源と神経情報処理における機能

    • 著者名/発表者名
      寺前 順之介
    • 学会等名
      日本学術振興会 分子系の複合電子機能第181委員会
    • 発表場所
      国際高等研究所
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 神経活動と大規模システムにおける揺らぎの意義

    • 著者名/発表者名
      寺前 順之介
    • 学会等名
      ランダム力学系理論とその応用
    • 発表場所
      京都大学数理解析研究所
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 大脳皮質における自発揺らぎの理論的解明

    • 著者名/発表者名
      寺前 順之介
    • 学会等名
      視覚科学の統合的研究センターセミナー
    • 発表場所
      立命館大学
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 神経情報処理における自発揺らぎの起源と機能

    • 著者名/発表者名
      寺前 順之介
    • 学会等名
      日本時間生物学会シンポジウム「生物リズム現象の数理フロンティア」
    • 発表場所
      近畿大学
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 揺らぎをつくり活かす大脳皮質の情報処理メカニズム

    • 著者名/発表者名
      寺前 順之介
    • 学会等名
      高等研究所「脳をシステムとして理解する-神経回路の動作原理と機能創発-」
    • 発表場所
      早稲田大学
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 大脳皮質自発発火活動と確率的記憶状態

    • 著者名/発表者名
      寺前 順之介, 坪 泰宏, 平谷 直輝, 深井 朋樹
    • 学会等名
      第36回日本神経科学会
    • 発表場所
      国立京都国際会館
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 大規模システムとしての大脳皮質ゆらぎの効果

    • 著者名/発表者名
      寺前順之介
    • 学会等名
      日本物理学会第69回年次大会
    • 発表場所
      東海大学
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] 大脳皮質の自発発火モデルにみられる同期現象の抑制性神経回路による制御

    • 著者名/発表者名
      嘉田久嗣,寺前順之介,徳田功
    • 学会等名
      日本物理学会第69回年次大会
    • 発表場所
      東海大学
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Izhikevich神経細胞ネットワークの小振幅集団振動

    • 著者名/発表者名
      梅原広明・寺前順之介・成瀬 康
    • 学会等名
      ニューロコンピューティング研究会
    • 発表場所
      玉川大学
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [備考] Jun-nosuke Teramaeのホームページ

    • URL

      http://www-waka.ics.es.osaka-u.ac.jp/~teramae/index.html

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [備考] 寺前順之介のホームページ

    • URL

      http://www-waka.ics.es.osaka-u.ac.jp/~teramae/index.html

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書

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公開日: 2013-05-15   更新日: 2019-07-29  

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