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2016 年度 実績報告書

脳領域間の機能的ネットワークの推定

計画研究

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 15H05877
研究機関立命館大学

研究代表者

北野 勝則  立命館大学, 情報理工学部, 教授 (90368001)

研究分担者 北城 圭一  国立研究開発法人理化学研究所, 脳科学総合研究センター, 副チームリーダー (70302601)
青柳 富誌生  京都大学, 情報学研究科, 教授 (90252486)
研究期間 (年度) 2015-06-29 – 2020-03-31
キーワード位相ダイナミクス / 脳波 / 位相応答
研究実績の概要

・リズム生成を担うとされる遅延性K+イオンチャネルをもつニューロンの挙動は、MATモデルと呼ばれる簡略モデルにより記述可能であることを示した。さらにその簡略モデルを用いて、AHPチャンネルとMチャンネルがニューロンダイナミクスに与える影響について解析を行った。(Kobayashi, Kitano 2016)
・リズム活動を示す系の重要な特性として位相応答曲線があるが、従来法で計測した場合、事前に正しい等位相面を知ることは原理的に出来ないため、測定が正しく行われない問題があることを指摘した。その見過ごされた問題点を指摘し、従来の手法を複数周期に拡張することで正しく計測できることを理論と数値実験から示した。(Imai et al., 2017)
・リズム集団の引き込み転移は脳波のダイナミクスを解明するために重要であるが、従来の理論は個別の平均発火率(振動数)のばらつきを対称な分布に限定したものであった。神経系では一般にそれは成り立たず、非対称な分布の場合に理論解析を行い、新たな引き込み転移が出現する事を示した。(Terada et al., 2017)
・平均周波数が整数倍異なる2振動子集団のダイナミクス、特に、同期ダイナミクスを縮約理論を用いて詳細に調べた。脳波では、α波やβ波、γ波等の整数倍異なるリズム活動が同時に見られ、それらの同期・非同期の特性を理論的に調べることは重要であり、その参考になる結果が得られた。(Terada, Aoyagi, 2016)
・人の歩容遷移は運動制御に関わる脳の情報処理の典型例として重要である。位相応答関数をデータから推定した結果、理論モデルから予想される知見とコンシステントな結果が得られた。今後、歩行障害等の診断データとして活用する可能性もあり、ノイズの多いデータから計測に成功したこと自体が重要な成果である。(Funato et al., 2016)

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

領域内A03班との共同研究を開始している。A03班で計測されたデータに対し、2時系列データ間の因果性を検出するtransfer entropyで解析を開始した。またその拡張手法である多時系列データに対するtransfer entropyの適用を準備を進めている。
その他、解析方法に関する基盤的研究を並行して進めている。

今後の研究の推進方策

領域内A03班において、てんかん患者に対する治療の過程で計測された皮質脳波(ECoG)データを解析することで病変脳における脳活動ダイナミクスの解明を進める。
・ECoG信号ダイナミクスにおける相互作用の推定:ECoGデータに対し、transfer entropyなどのモデルフリー解析を適用し、信号源間および異なる周波数間の因果性を検出し、脳活動動態を解析する。従来のように、多点ECoGデータに対しても、信号ペア間のみの因果性を導出する方法に加え、3つ以上の信号の間の因果性を導出する手法を適用し、従来手法で問題とされた擬似的な因果性の有無について検証する。
・ECoG信号ダイナミクスの推定:リスム特性をもつダイナミクスの刺激に対する応答特性は、位相応答曲線で特徴付けられる。脳領域ごとの位相応答特性が推定できれば、各領域毎の活動特性の類似・相違点を明らかにすることが可能となる。Imai & Aoyagi (2016)で提案されたノイズ刺激を用いる位相応答曲線推定法を適用し、脳部位毎の位相応答曲線を推定する。
・介入刺激実験とその解析手法の開発:健常な被験者に対する安静時、および、認知機能時のtESとTMSによる脳刺激時のEEGデータについて、機能的ネットワークの変調について解析を行う。

  • 研究成果

    (14件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 2件、 謝辞記載あり 4件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 5件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Robust Measurements of Phase Response Curves Realized via Multicycle Weighted Spike-Triggered Averages2017

    • 著者名/発表者名
      Takashi Imai, Kaiichiro Ota and Toshio Aoyagi
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 86 ページ: 024009

    • DOI

      10.7566/JPSJ.86.024009

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Impact of slow K+ currents on spike generation can be described by an adaptive threshold model2016

    • 著者名/発表者名
      Ryota Kobayashi and Katsunori Kitano
    • 雑誌名

      Journal of Computational Neuroscience

      巻: 40 ページ: 247-362

    • DOI

      10.1007/s10827-016-0601-0

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Evaluation of the Phase-Dependent Rhythm Control of Human Walking Using Phase Response Curves2016

    • 著者名/発表者名
      Tetsuro Funato, Yuki Yamamoto, Shinya Aoi, Takashi Imai, Toshio Aoyagi, Nozomi Tomita and Kazuo Tsuchiya
    • 雑誌名

      PLOS Computational Biology

      巻: 12 ページ: e1004950

    • DOI

      10.1371/journal.pcbi.1 004950

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Dynamics of two populations of phase oscilltors with different frequency distributions2016

    • 著者名/発表者名
      Yu Terada and Toshio Aoyagi
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: 94 ページ: 012213

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.94.012213

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Nonstandard transitions in the Kuramoto model: a role of asymmetry in natural frequency distributions2016

    • 著者名/発表者名
      Yu Terada, Keigo Ito, Toshio Aoyagi and Yoshiyuki Y. Yamaguchi
    • 雑誌名

      Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment: Theory and Experiment

      巻: 13403 ページ: 13403

    • DOI

      10.1088/1742-5468/aa53f6

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Manipulative approaches to nonlinear neural oscillations in the human brain.2017

    • 著者名/発表者名
      Keiichi Kitajo, Motomu Katsurakawa
    • 学会等名
      第94会日本生理学会大会
    • 発表場所
      アクトシティ浜松(静岡県・浜松市)
    • 年月日
      2017-03-30
    • 招待講演
  • [学会発表] Adaptive Group Lassoを用いたリズム間の相互作用の推定2017

    • 著者名/発表者名
      小山和輝, 後藤貴宏, 青柳富誌生
    • 学会等名
      日本物理学会 2017年春季大会
    • 発表場所
      大阪大学(大阪府・豊中市)
    • 年月日
      2017-03-20
  • [学会発表] 神経系としての結合系における情報流の推定2017

    • 著者名/発表者名
      枡井啓貴, 中嶋浩平, 北城圭一, 青柳富誌生
    • 学会等名
      日本物理学会 2017年春季大会
    • 発表場所
      大阪大学(大阪府・豊中市)
    • 年月日
      2017-03-19
  • [学会発表] Potential roles of intracellular calcium dynamics regulated by calcium stores for spatial association of synaptic plasticity2016

    • 著者名/発表者名
      Daiki Futagi, Katsunori Kitano
    • 学会等名
      Society for Neuroscience, Neuroscience 2016
    • 発表場所
      サンディエゴ、アメリカ合衆国
    • 年月日
      2016-11-14
    • 国際学会
  • [学会発表] Transcranial alternating current stimulation modulated steady-state visual evoked potentials and conscious perception inbinocular rivalry2016

    • 著者名/発表者名
      Motomu Katsurakawa, Keiichi Kitajo
    • 学会等名
      Society for Neuroscience, Neuroscience 2016
    • 発表場所
      サンディエゴ、アメリカ合衆国
    • 年月日
      2016-11-14
    • 国際学会
  • [学会発表] 二部グラフ構造を持つ位相振動子型連想記憶モデル2016

    • 著者名/発表者名
      荒井貴光, 青柳富誌生
    • 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
  • [学会発表] A potential mechanism for spontaneous oscillatory activity in the degenerative mouse retina2016

    • 著者名/発表者名
      Kanako Taniguchi, Chieko Koike, Katsunori Kitano
    • 学会等名
      International Conference on Artificial Neural Networks 2016
    • 発表場所
      バルセロナ、スペイン
    • 年月日
      2016-09-09
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of pre- and postsynaptic firing patterns on synaptic competition2016

    • 著者名/発表者名
      Nobuhiro Hinakawa, Katsunori Kitano
    • 学会等名
      International Conference on Artificial Neural Networks 2016
    • 発表場所
      バルセロナ、スペイン
    • 年月日
      2016-09-06
    • 国際学会
  • [学会発表] Estimating interaction among rhythms using Adaptive Group Lasso, Kazuki Koyama2016

    • 著者名/発表者名
      Kazuki Koyama, Takahiro Goto and Toshio Aoyagi
    • 学会等名
      The 1st International Symposium on Embodied-Brain Systems Science (EmboSS 2016)
    • 発表場所
      東京大学(東京都・文京区)
    • 年月日
      2016-05-08 – 2016-05-09
    • 国際学会

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公開日: 2018-01-16  

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