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2016 年度 実績報告書

培養神経系が形成する認知モデルの解析に基づく教師なし学習と統合失調症の融合的理解

研究課題

研究課題/領域番号 14J08435
研究機関東京大学

研究代表者

磯村 拓哉  東京大学, 新領域創成科学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2014-04-25 – 2017-03-31
キーワード自由エネルギー原理 / 機械学習 / 培養神経回路網 / 微小電極アレイ / 計算論的精神医学 / ブラインド信号源分離 / 予測的符号化 / 独立性分分析
研究実績の概要

近年、脳の学習メカニズムを統一的に説明する法則として“自由エネルギー原理”が提唱されている。自由エネルギー原理とは、脳を構成する神経細胞・シナプス結合・神経修飾物質が、入力信号の予測不可能性を意味する自由エネルギーを最小化させるように振る舞うことで学習を行っているとする仮説である。しかし既存の研究では、学習の結果形成された内部モデル(認知モデル)のみを観察しており、その学習過程は観察されていないため、神経回路網レベルの学習則の特定は困難であった。そこで本研究では、微小電極アレイ上に培養したラット大脳皮質由来神経回路網を電気刺激により訓練することで、in vitro神経回路網が自由エネルギー原理の構成要素であるブラインド信号源分離(混ぜ合わさった複数の入力からその背後にある個々の信号源を取り出すこと)および予測的符号化(内部モデルに基づき現在の感覚入力から未来の入力を予測すること)を実行可能であり、その学習過程において回路網が持つ自由エネルギーを減少させることを観察した。また、自由エネルギー原理および実験結果と整合する生理学的に妥当な数理アルゴリズム(学習則)を開発した。
次に、ドーパミンを培養液に添加した状態で訓練することで、統合失調症の原因のひとつと言われているドーパミン濃度異常が培養神経回路網の学習過程に与える影響を調べた。実験の結果、通常の培養条件ではブラインド信号源分離を実行できたのに対し、ドーパミンを添加した条件では実行できないことが観察された。またドーパミンによるシナプス可塑性の神経修飾を数理モデル化し実験結果と比較したところ、ドーパミンの影響により信号源同士の連想を強めるようにシナプス可塑性が起きたことが、学習の阻害の原因であることが示唆された。今後、統合失調症の症状である幻覚・妄想の神経メカニズムを説明する数理モデルとしての応用が期待される。

現在までの達成度 (段落)

28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

28年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2017 2016 その他

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 1件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 4件、 招待講演 1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Neurogenesis enhances response specificity to spatial pattern stimulation in hippocampal cultures2017

    • 著者名/発表者名
      Yukimi Tanaka, Takuya Isomura, Kenta Shimba, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Biomedical Engineering

      巻: 印刷中 ページ: 印刷中

    • DOI

      10.1109/TBME.2016.2639468

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Temporal relation between neural activity and neurite pruning on a numerical model and a microchannel device with micro electrode array2017

    • 著者名/発表者名
      Yohei Kondo, Yuichiro Yada, Tatsuya Haga, Yuzo Takayama, Takuya Isomura, Yasuhiko Jimbo, Osamu Fukayama, Takayuki Hoshino, Kunihiko Mabuchi
    • 雑誌名

      Biochemical and Biophysical Research Communications

      巻: 486 ページ: 539-544

    • DOI

      10.1016/j.bbrc.2017.03.082

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A Local Learning Rule for Independent Component Analysis2016

    • 著者名/発表者名
      Takuya Isomura, Taro Toyoizumi
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 6 ページ: 28073

    • DOI

      10.1038/srep28073

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Linking Neuromodulated Spike-timing Dependent Plasticity with the Free-energy Principle2016

    • 著者名/発表者名
      Takuya Isomura, Koji Sakai, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
    • 雑誌名

      Neural Computation

      巻: 28 ページ: 1859-1888

    • DOI

      10.1162/NECO_a_00862

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 多感覚AR-BCIの開発に向けた基礎的研究2016

    • 著者名/発表者名
      関本正志, 下野勇希, 赤尾旭彦, 磯村拓哉, 小川雄太郎, 黄琦, 小谷潔, 神保泰彦
    • 雑誌名

      電気学会論文誌C

      巻: 136 ページ: 1291-1297

    • DOI

      10.1541/ieejeiss.136.1291

    • 査読あり
  • [学会発表] Developing an in vitro system for investigating neuronal linear system identification2016

    • 著者名/発表者名
      Takuya Isomura, Taro Toyoizumi, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
    • 学会等名
      Ann Meet Soc Neurosci (SfN2016)
    • 発表場所
      San Diego (USA)
    • 年月日
      2016-11-16 – 2016-11-16
    • 国際学会
  • [学会発表] Maximum Entropy Learning in Cultured Cortical Neural Networks2016

    • 著者名/発表者名
      Takuya Isomura, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
    • 学会等名
      Joint 8th Int Conf on Soft Comput and Int Sys and 17th Int Symp on Adv Int Sys (SCIS&ISIS2016)
    • 発表場所
      北海学園大学 (北海道札幌市)
    • 年月日
      2016-08-27 – 2016-08-27
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 培養神経回路網の機械学習的な側面2016

    • 著者名/発表者名
      磯村 拓哉, 小谷 潔, 神保 泰彦
    • 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 (神奈川県横浜市)
    • 年月日
      2016-07-20 – 2016-07-20
  • [学会発表] Functional Similarities Between Machine Learning and Cultured Neural Networks2016

    • 著者名/発表者名
      Takuya Isomura, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
    • 学会等名
      10th FENS Forum of Neuroscience
    • 発表場所
      Copenhagen (Denmark)
    • 年月日
      2016-07-05 – 2016-07-05
    • 国際学会
  • [学会発表] Neuronal Maximum a Posteriori Estimation on Microelectrode Arrays2016

    • 著者名/発表者名
      Takuya Isomura, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
    • 学会等名
      MEA Meeting 2016
    • 発表場所
      Reutlingen (Germany)
    • 年月日
      2016-07-01 – 2016-07-01
    • 国際学会
  • [備考] 並列計算で感覚情報を分解 - 神経回路型ハードウェアによる生命科学・工学・医学の境界領域開拓へ -

    • URL

      http://www.riken.jp/pr/press/2016/20160629_1/

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公開日: 2018-01-16  

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