視覚系における質感情報表現の階層的情報変換

2016 年度 実績報告書

• 研究領域: 多様な質感認識の科学的解明と革新的質感技術の創出
• 研究課題/領域番号: 15H05921
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 大澤 五住 大阪大学, 生命機能研究科, 教授 (20324824)
• 研究分担者: 佐々木 耕太 大阪大学, 生命機能研究科, 助教 (40467501) ; 田村 弘 大阪大学, 生命機能研究科, 准教授 (80304038)
• 研究期間 (年度): 2015-06-29 – 2020-03-31
• キーワード: 一次視覚野 / 受容野 / 両眼視 / 立体視 / MT野 / V4 / ニューラルネット / 運動視

研究実績の概要

霊長類の視覚系において、一次視覚野V1, V2, V4, MT野での単一細胞記録を行った。 このうち、V1とV4野については32点のマルチ電極により、多数の細胞からの記録を行なった。
MT野からの記録実験では、MT野細胞がうける抑制と興奮性入力の性質を調べた。抑制入力は、空間・時間周波数領域において興奮性入力よりも広範に分布しているため、ピークではそれほど強くはないが、周波数領域全体を積分した総合的強度は必ずしも弱くはなく、興奮生入力とほぼ同程度の強度を持つ。したがって、興奮性と抑制性の入力はMT野の細胞においてはバランスしている。
ネコの初期視覚野において、最初の単純型細胞および複雑型細胞が次の段の細胞に統合される過程の性質をプーリングの観点から研究した。空間におけるプーリングのみならず、空間周波数と方位の領域におけるプーリングを解析した結果、空間周波数領域においてもプーリングを行っている細胞が存在することを初めて示した。さらに、理論的および実験的な解析により、プーリングが両眼視差選択性にもたらす効果を調べた。空間におけるプーリングは両眼性の空間周波数と方位のマッチング精度を飛躍的に向上させ、両眼立体視のための情報処理に重要な役割を担っていることを初めて発見した。逆に、空間周波数領域におけるプーリングは空間的な視差選択性をよりシャープにし、両眼偽対応を除去する効果があることを示した。これらの成果は２編の論文として出版された。
また、サルが複雑な自然状景を見ているときに、サッケードをしながら視野内の情報をサンプリングする仮定での眼球の動きの性質を行動計測実験とモデルによるシミュレーションにより示した。眼球運動は、主として大きなサケードと小さなサケードからなるモード間を、視覚情報の獲得の過程で遷移することが見出された。

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

研究総括の大澤と分担者の佐々木のグループと分担者の田村のグループが共同し、V1～V４～ MTまでの視覚刺激と多点記録・解析システムを構築し、実験を開始した。多点記録データは、GPUによるスパイクソーティングが必要だが、このシステムも構築し、現在ソーティングの能力とスピードに関して改良を重ねている。実験が進む前には、MTでは多くの細胞を有効に刺激可能であることはわかっていたが、本年度は実際にV4からの記録を行うことで、本研究で使用するダイナミックランダムガボール刺激やダイナミックランダムドット刺激が、多くのV４細胞にとっても有効な刺激であることを確認できた。

今後の研究の推進方策

平成２９年度には、大澤（研究代表者）と佐々木（研究分担者）がV1, V2, MT野等、主として背側経路における電気生理学実験を担当する。また、田村（研究分担者）がV1, V2, V4等の腹側経路を担当する。それぞれのグループでは、大学院生が２～３名参加する。岡田（連携研究者）と協力し、スパースなあるいは少量のデータでも高信頼度の計測を可能にする視覚刺激と解析手法を適用し、自然画像を元にした刺激、画像統計量を体系的に操作した刺激、DRGW刺激、ランダムドット刺激を使ったマイニング的なアプローチにより研究を実施する。
昨年度までに、この研究を実現するための、共通の視覚刺激システムとデータ解析システムを本研究のための合同の実験装置を設置しデータの取得を開始した。本年度はこのシステムをさらに改良して活用し、研究計画のデータの主要部分を取得する。霊長類の視覚経路の内、腹側経路を田村班が、背側経路を大澤・佐々木班が担当し、単一神経細胞からの記録実験を昨年度も行ってきたが、これを継続する。これにより、必要な細胞数やデータの量を得る。この時点で、実験制御コンピューターと、集積されたデータを処理するための解析コンピューターをそれぞれの研究室で使用する。腹側・背側経路相互の情報伝達の様態を調べるために、MTとV4の同時記録実験の準備を行い今年度中のパイロット実験を目指す。この研究では、動きの情報に基づく三次元形状知覚 (structure-from-motion)の神経基盤となる情報伝達等に関する示唆が得られる可能性がある。実験は麻酔不動化されたサルで承認された実験計画に従って行う。

研究成果

• [国際共同研究] University of Houston/NOVA Southeaster University/3Baylor College of Medicine(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: University of Houston/NOVA Southeaster University/3Baylor College of Medicine
• [雑誌論文] Switch from ambient to focal processing mode explains the dynamics of free viewing eye movements (2017)
  • 著者名/発表者名: Ito Junji、Yamane Yukako、Suzuki Mika、Maldonado Pedro、Fujita Ichiro、Tamura Hiroshi、Gr?n Sonja
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 ページ: 1082-1082
  • DOI: 10.1038/s41598-017-01076-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Subspace mapping of the three-dimensional spectral receptive field of macaque MT neurons. (2016)
  • 著者名/発表者名: Inagaki M, Sasaki KS, Hasimoto H, Ohzawa I
  • 雑誌名: J Neurophysiol. 巻: 112 ページ: 784-795
  • DOI: 10.1152/jn.00934.2015
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] ディープニューラルネットと視覚野 (2016)
  • 著者名/発表者名: 大澤五住
  • 雑誌名: Clinical Neuroscience 巻: 34 ページ: 896-899
  • 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Similarity in neuronal firing regimes across mammalian species (2016)
  • 著者名/発表者名: Mochizuki Y, Onaga T, Shimazaki H, Shimokawa T, Tsubo Y, Kimura R, Saiki A, Sakai Y, Isomura Y, Fujisawa S, Shibata K, Hirai D, Furuta T, Kaneko T, .. Yamane Y, Tamura H, Fujita I, Inaba N, Kawano K, Kurkin S, Fukushima K, Kurata K, Taira M, Tsuitsui K, Ogawa T, Komatsu H, Koida K, Toyama K, Richmond B, Shinomoto S 他
  • 雑誌名: J Neurosci. 巻: 36 ページ: 5736-5747
  • DOI: 10.1523/JNEUROSCI.0230-16.2016
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Neurons in the inferior temporal cortex of macaque monkeys are sensitive to multiple surface features from natural objects. (2016)
  • 著者名/発表者名: Tamura H, Otsuka H, Yamane Y
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: 86157 ページ: 1-47
  • DOI: 10.1101/086157
  • オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effects of forced movements on learning: findings from a choice reaction-time task in rats (2016)
  • 著者名/発表者名: Kaneko H, Sano H, Hasegawa Y, Tamura H, Suzuki SS
  • 雑誌名: Learning & Behavior 巻: 16 ページ: 1-14
  • DOI: 10.3758/s13420-016-0255-9
  • 査読あり
• [学会発表] LASSOを用いたスパースなフーリエ表現を持つ受容野の高速推定 (2017)
  • 著者名/発表者名: 谷田健、坂本浩隆、五十嵐康彦、出利葉健、徳田悟、佐々木耕太、大澤五住、岡田真人
  • 学会等名: 電子通信学会ニューロコンピューティング研究会 (NC NLP)
  • 発表場所: 北九州学術研究都市 産学連携センター（北九州市、福岡県）
  • 年月日: 2017-01-26 – 2017-01-27
• [学会発表] Figure-ground discrimination by a population of V4 cells. (2016)
  • 著者名/発表者名: Sakai K, Hasuike M, Minowa D, Yamane Y, Tamura H
  • 学会等名: Society for Neuroscience, Annual Meeting 2016
  • 発表場所: San Diego, USA
  • 年月日: 2016-11-12 – 2016-11-16
  • 国際学会
• [学会発表] Fast contrast adaptation in V1 neurons: neural correlates of fading illusion (2016)
  • 著者名/発表者名: Sasaki KS, Kurihara K, Ohzawa I
  • 学会等名: Society for Neuroscience, Annual Meeting 2016
  • 発表場所: San Diego, USA
  • 年月日: 2016-11-12 – 2016-11-16
  • 国際学会
• [学会発表] What features are matched binocularly for stereopsis? (2016)
  • 著者名/発表者名: Ohzawa I, Kato D, Baba M, Sasaki KS
  • 学会等名: Society for Neuroscience, Annual Meeting 2016
  • 発表場所: San Diego, USA
  • 年月日: 2016-11-12 – 2016-11-16
  • 国際学会
• [学会発表] Sensitivity of V2 neurons to curvatures in infant monkeys (2016)
  • 著者名/発表者名: Zhang B, Wang Y, Tao X, Shen G, Smith III, EL, Ohzawa I, Chino Y
  • 学会等名: Society for Neuroscience, Annual Meeting 2016
  • 発表場所: San Diego, USA
  • 年月日: 2016-11-12 – 2016-11-16
  • 国際学会
• [学会発表] Representation of local figure-ground by a group of V4 cells (2016)
  • 著者名/発表者名: Hasuike M, Yamane Y, Tamura H, Sakai K
  • 学会等名: ICONIP 2016
  • 発表場所: Clock Tower Centennial Hall (Kyoto, Japan)
  • 年月日: 2016-10-16 – 2016-10-21
  • 国際学会
• [学会発表] 初期視覚野における情報処理 (2016)
  • 著者名/発表者名: 大澤五住
  • 学会等名: 第57回日本視能矯正学会
  • 発表場所: 大阪国際会議場（大阪）
  • 年月日: 2016-10-15 – 2016-10-16
  • 招待講演
• [学会発表] 一次視覚野細胞の速いコントラスト順応 (2016)
  • 著者名/発表者名: 佐々木耕太, 栗原康平, 大澤五住
  • 学会等名: 視覚科学フォーラム
  • 発表場所: 脳情報通信融合研究センター（吹田市、大阪）
  • 年月日: 2016-08-25 – 2016-08-26
• [学会発表] 神経科学者からみたDeep Neural Network (DNN) (2016)
  • 著者名/発表者名: 大澤五住
  • 学会等名: 第39回日本神経科学大会 （IPSシンポジウム招待講演）
  • 発表場所: パシフィコ横浜（横浜市、神奈川県）
  • 年月日: 2016-07-20 – 2016-07-22
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ネコ第一次視覚野の局所領域における空間周波数チューニングダイナミクスの多様性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 田中宏喜, 大澤五住
  • 学会等名: 第39回日本神経科学大会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（横浜市、神奈川県）
  • 年月日: 2016-07-20 – 2016-07-22
• [学会発表] 畳込みニューラルネットワーク初期層における色情報表現の解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 脇谷 海平, 佐々木耕太, 大澤五住
  • 学会等名: 第39回日本神経科学大会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（横浜市、神奈川県）
  • 年月日: 2016-07-20 – 2016-07-22
• [学会発表] サルV1、MT野単一細胞の抑制性サブユニット (2016)
  • 著者名/発表者名: 藤井健人, 佐々木耕太, 大澤五住
  • 学会等名: 第39回日本神経科学大会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（横浜市、神奈川県）
  • 年月日: 2016-07-20 – 2016-07-22
• [学会発表] V1単純型細胞がになう視覚情報と発火頻度のばらつきの関係 (2016)
  • 著者名/発表者名: 西 功一朗, 佐々木耕太, 大澤五住
  • 学会等名: 第39回日本神経科学大会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（横浜市、神奈川県）
  • 年月日: 2016-07-20 – 2016-07-22
• [図書] 質感の科学 (2016)
  • 著者名/発表者名: 小松英彦（編）, 大澤五住 他
  • 総ページ数: 232 (73-88)
  • 出版者: 朝倉書店
• [備考] ステレオ立体視のために両眼の間で比較される脳内情報は何か？
  • URL: http://www.fbs.osaka-u.ac.jp/jpn/events/achievement/kato-ohzawa-20160607/
• [学会・シンポジウム開催] NICT-NSF Collaborative Workshop on Computational Neuroscience (2017)
  • 発表場所: 脳情報通信融合研究センター CiNet（吹田市、大阪）
  • 年月日: 2017-01-17 – 2017-01-18
• [学会・シンポジウム開催] CiNet Seminar by Dan Yamins (Stanford University) and Ko Nishino (Drexel University) (2017)
  • 発表場所: 脳情報通信融合研究センター CiNet（吹田市、大阪）
  • 年月日: 2017-01-16 – 2017-01-16