人工ニューラルネットと脊椎動物網膜の同時研究による可塑性視覚神経機能の探求

1994 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 05452404
• 研究機関: 九州工業大学
• 研究代表者: 安井 湘三 九州工業大学, 情報工学部, 教授 (50132741)
• 研究分担者: 古川 徹生 九州工業大学, 情報工学部, 助手 (50219101) ; 八木 哲也 九州工業大学, 情報工学部, 助教授 (50183976) ; 新島 耕一 九州工業大学, 情報工学部, 教授 (30047881)
• キーワード: 網膜 / 水平細胞 / シナプス / グルタミン酸 / ニューラルネットワーク / 可塑性 / 情報圧縮 情報復元 / 一酸化窒素

研究概要

本研究では、発生学的に脳の一部である脊椎動物網膜を主な対象として、シナプス可塑性や神経順応の問題を、生理実験および計算論的な手法により、分子レベルから回路レベルに渡る解明を目指している。実験面で本年度特筆される点は、昨今話題の一酸化窒素(NO)が本研究にも登場してきたことである。すなわち、錐体視細胞→H1水平細胞に短波長光信号を伝達するAPB型グルタミン酸駆動シナプスは当初から研究の主対象であるが、これがアルギニン→NO→cGMPをもつ代謝型であることがH1細胞の入力抵抗や分光感度の測定データに基づいて示唆された。さらに、実はNOの産生は明順応時に限り起こることが判明した。このことは、APBシナプスは暗順応時には不活性であるという昨年度の発見を説明する。すなわち、NOはAPBシナプスを起動させる明順応信号と思われる。実際、NOは明順応と同様に、H1細胞の分光感度曲線を急峻にしたり、青光の受容野を赤光より狭くするという事実を実験的に確認した。これらの効果は、APB感受性短波長系統シナプスがもつ極性反転型、コンダクタンス減少型という特質をケーブル理論モデルに組み入れることにより概ね説明できた。
こられのメカニズムは、外界のS/N比(明順応で高)や色に関する視覚環境変化に可塑的に適応変化する機能をもつと推測される。この関連で、人工ニューラルネットによる神経回路の構造学習に関する理論的研究も昨年度から引続き行った。そのひとつの目は、標準化正則理論を発展的に応用して、外網膜に似た適応神経回路を設計してそのチップを実作したことである。二つ目は、昨年度提出した集束抑制/発散促進と名付ける構造学習の新しいアルゴリズムを文字認識やオートエンコーダを含めた多くの問題に応用し、情報圧縮/復元の観点からもネットワーク構造の最適化に有効なことが分かった。三つ目は、連想記憶ニューラルネットの研究開発であり、本年度はとくにカラー画像の処理に関連した成果を得た。これらの計算論的アプローチは、網膜神経回路の可塑的構造変化の意味を理解することにいづれ役立つものと期待される。

研究成果

• [文献書誌] Yasui,Syozo: "Convergence suppression and divergence facilitation for pruning multioutput backpropagation networks" Proc.3rd Int'1 Conf.on Fuzzy Logic,Neural Nets and Soft Computing. 137-139 (1994)
• [文献書誌] 宮本雅浩: "無駄時間系の予測制御:フィードバック誤差学習法を用いた追従眼球運動系モデル" 電子情報通信学会技術研究報告. 93. 47-54 (1994)
• [文献書誌] 樋口 聰: "鯉網膜水平細胞の色に依存した光応答増強メカニズム" 電子情報通信学会技術報告. 93. 85-91 (1994)
• [文献書誌] 内山孝弘: "視覚生理研究用カラーディスプレイ装置の開発とその応用" 電子情報通信学会技術報告. 94. 31-37 (1994)
• [文献書誌] 安井湘三: "脳のNO:NOはYESでブレークスルー!?" 日本神経回路学会誌. 1. 39-42 (1994)
• [文献書誌] 片野和彦: "コイ網膜HI水平細胞におけるNOの作用と網膜神経回路の可塑性" 日本神経回路学会第5回全国大会講演論文集. 58-59 (1994)
• [文献書誌] 安井湘三: "収斂抑制と発散促進:多出力NNの構造学習" 日本神経回路学会第5回全国大会講演論文集. 216-217 (1994)
• [文献書誌] Petruv,R.: "The involvement of nitric oxide in spatio-chromatic signalling in the H1 horizontal cell network in carp retina" Symp.on Nitric Oxide in the Nervous System:An abstract book(Pergamon). 4,16 (1994)
• [文献書誌] Yamada,Masahiro: "Sodium nitroprusside sharpens spectral sensitivity curve of H1 horizontal cells in carp retina" Symp.on Niric Oxide in the Nervous System:An abstract book(Pergamon). 4,18 (1994)
• [文献書誌] Kaneko,Hiroko: "Trace determinations of NO produced in carp retina by photometry and differential pulse voltammetry" Review of Polarography. 40. 64 (1994)
• [文献書誌] Miyazaki,K.: "Light facilitates nitric oxide production in carp retina" Neuroscience Res.Suppl.19. 103 (1994)
• [文献書誌] Yamada,Masahiro: "Nitric oxide sharpencs spectral sensitivity of H1 horizontal cells in carp retina" Neuroscience Res.Suppl.19. 103 (1994)
• [文献書誌] 安井湘三: "特別講演:網膜可塑性シナプスの発掘と究明" 電子情報通信学会技術報告. 94. 63-68 (1995)
• [文献書誌] Yamada,Masahiro: "Nitroprusside sharpens spectral sensitivity of H1 horizontal cells in carp retina" Abstracts of Satellite Symp.of IUPHAR “Nitric oxide in the nervous System". 4.18 (1994)
• [文献書誌] Yamada,Masahiro: "Control of receptive field size in retinal horizontal cells:Direct modulation of gap junctional conductance and plasticity of photoreceptor synaptic input" Progress in Cell Research. 4. 269-272 (1995)
• [文献書誌] Djamgoz,M.B.A.: "Plasticity of spatio-chromatic signalling in the H1 horizontal cell network of teleost retina" Exp.Eye Res.(in press)
• [文献書誌] 安井湘三: "NO関連物質のH1水平細胞分光入力抵抗への影響" 第72回日本生理学会大会予稿集. 49 (1995)
• [文献書誌] 山田雅弘: "NOはH1水平細胞の分光感度曲線を尖らす" 第72回日本生理学会大会予稿集. 49 (1995)
• [文献書誌] Yasui,Syozo: "Convergence suppression and divergence facilitation:new approach to prune hidden layer and weights of feedforward neural network" Proc,IEEE Int'1 Symp.on Circurits and Systems. in press.
• [文献書誌] Niijima,Koichi: "Domains of attraction in autoassociative memory networks" New Generation Computing. 12. 395-407 (1994)
• [文献書誌] 新島耕一: "ウェーブレット変換による画像の圧縮と復元" 日本ME学会専門別研究会(複数の生体信号の長時間無拘束計測と解析研究会)講演論文集. 125-130 (1994)
• [文献書誌] 新島耕一: "3層ニューラルネットワークの学習アルゴリズムとシーケンス分類への応用" 平成6年電気学会電子・情報・システム部門大会講演論文集. 281-282 (1994)
• [文献書誌] Yagi,Tetsuya: "Ionic conductance of monkey solitary cone inner segment" Journal of Neurophsyiology. 71. 656-665 (1994)
• [文献書誌] Yagi,Tetsuya: "What do we learn from the retina?" Extended abstracts of the 1994 Int'1 Conf.on Solid state Devices and Materials. 355-357 (1994)
• [文献書誌] Kobayashi,H.: "Light-adaptive architectures for regularization vision chips" Neural Networks. 8. 87-101 (1995)
• [文献書誌] Ohshima,Shigemichi: "Computational studies on the interaction between red cone and H1 horizontal cell" Vision Res.135. 149-160 (1995)
• [文献書誌] 八木哲也: "初期視覚における網膜双極細胞の機能について" 電子情報通信学会論文集. (掲載予定).
• [文献書誌] 古川徹生: "NitropurssideとH1水平細胞" 第71回日本生理学会大会予稿集. 219 (1994)
• [文献書誌] 古川徹生: "NO→cGMPを介したH1型水平細胞の受容野調節機構" 生理研視覚研究会予稿集. 12 (1994)
• [文献書誌] 古川徹生: "運動画像の速度検出学習によって発現する時空間受容野の構造解析" 電子情報通信学会技術報告. 94. 1-8 (1995)