学習と記憶のダイナミックモデルとその実験的検証

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12210017
• 研究種目: 特定領域研究(C)
• 研究機関: 玉川大学
• 研究代表者: 塚田 稔 玉川大学, 脳科学研究施設/工学部, 教授 (80074392)
• 研究分担者: 安西 祐一郎 慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (40051875) ; 深井 朋樹 玉川大学, 工学部, 助教授 (40218871) ; 斎藤 秀昭 玉川大学, 脳科学研究施設/工学部, 教授 (30215553)
• キーワード: 記憶 / 学習 / 海馬-皮質記憶システム / ダイナミック情報表現 / 時空間学習則 / 文脈アドレス / 動的細胞集合 / 振動現象

研究概要

本研究は脳の学習・記憶・思考のダイナミックな情報表現に注目し、質的に異なる情報を統合した複合システムがどのような情報表現を創出するかをモデルと実験によって明らかにした。具体的には海馬(短期記憶)と皮質(長期記憶)の複合システムに注目し、記憶の書き込みと読み出しのダイナミックモデルを構築した。モデルは次の4つのアルゴリズムからなる。
記憶の書き込みモデルのアルゴリズム
1)時空間学習則により時空間の事象の文脈を形成し、海馬ニューラルネットの荷重空間に一時的に記憶する(短期記憶)。
2)1)の文脈情報と感覚入力をアドレス情報として連合野に安定なアトラクター構造を作り記憶する(長期記憶)。
記憶読み出しモデルのアルゴリズム
3)海馬の文脈と感覚入力がアドレス情報となる。
4)アドレス情報に基づいて皮質上にダイナミックな細胞集合体を形成することによってアトラクターの引き込み領域を読み出す。
このアルゴリズムに基づいてシミュレーションを実施した結果、塚田の提案した時空間学習則が学習の書き込みではヘブおよびヘブの拡張則に比較して文脈の分離機能の向上に極めて有効である。また、学習速度も速く"にせ"記憶の数も減少した。読み出し機能では従来の勾配降下法やランダム検索のメモリ想起方法に比較し、読み出し速度と誤り率で極めて優れていることが明らかとなった。
斎藤は実験的立場から視覚的運動の認知と神経系の情報表現の関係をサルのMT、MST野細胞の反応特性から明らかにした。
深井は理論モデルの立場からダイナミックな情報表現であるタイミング、振動現象、ダイナミック細胞集合がどのように神経系で使われているかを明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] Fukai T.and Kanemura S.: "Noise-tolerant stimulus discrimination by synchronization with depressing synapses"Biological Cybernetics. (in press).
• [文献書誌] Kitano K.,Aoyagi T.and Fukai T.: "A possible functional organization of the corticostriatal input within the weakly-correlated striatal activity : A modeling study"Neuroscience Research. (in press).
• [文献書誌] Okamoto H.and Fukai T.: "A model for neural representation of temporal duration"Bio Systems. 55. 59-64 (2000)
• [文献書誌] Fukai T.: "Neuronal communication within synchronous gamma oscillations"NeuroReport. 11. 3457-3460 (2000)
• [文献書誌] Fukai T.and Kanemura S.: "Precisely-timed synchronization by depressing synapses"Neurocomputing. 32-33. 133-140 (2000)
• [文献書誌] Okamoto H.and Fukai T.: "A model for neural representation of intervals of time"Neurocomputing. 32-33. 935-939 (2000)
• [文献書誌] Matsuda H.,Aihara T.,Tatsuno M.,Tsukada M.and Aihara K.: "Chaotic stimulus dependent long-term potentiation in the hippocampal CA1 area"Biosystems. 58. 273-279 (2000)
• [文献書誌] Aihara T.,Tsukada M.and Matsuda H.: "Two dynamic processes for the induction of long-term potentiation in hippocampal CA1 area"Biological Cybernetics. 82. 189-195 (2000)
• [文献書誌] Takahashi S.,Kobayashi Y.,Aihara T.,Tsukada M.and Anzai Y: "Blind separation of neuronal activities from optical imaging data"The Brain & Neural Networks. (in press).
• [文献書誌] Kobayashi Y.,Shimazaki H.,Aihara T.and Tsukada M: "Spatial distributions of hippocampal LTP/LTD induced electrically from schaffer collaterals and stratum oriens with relative timing"The Brain & Neural Networks. (in press).
• [文献書誌] 重原隆一朗,橋本直樹,大野裕史,樋田栄揮,斎藤秀昭: "二次運動に対するマカクザルのMST細胞の反応"信学技報. NC99-158. 61-68 (2000)
• [文献書誌] Okamoto H.and Fukai T.: "A neural mechanism for cognitive timer"Physical Review Letters. (in press).