細胞外電場を介した非シナプス型フィードバックを有する神経回路網の実証的理論研究

2018 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 16K00330
• 研究機関: 神戸大学
• 研究代表者: 大森 敏明 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (10391898)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 計算論的神経科学 / 統計的機械学習 / 非線形動力学 / 実験計画 / ガウス過程 / 嗅覚情報 / 数理データサイエンス / 知的学習論

研究実績の概要

本研究では，神経生理学の知見に基づいたニューロンモデルと細胞外電場との相互作用を有する神経システムの数理モデルを構築し，神経システムと細胞外電場からなる動的システムにおける情報処理メカニズムに関する実証的理論を行う．

本研究課題の３年度目にあたる平成３０年度には，神経生理学の知見に基づいて，計測データから，興奮性結合と抑制性結合を有する神経ネットワークの数理モデルを抽出するための統計的アルゴリズムを構築し，その有効性をシミュレーションデータに基づいて検証した．さらに，本研究課題で構築してきた非線形ダイナミクスの多数の候補からデータに本質的に内在する非線形ダイナミクスを抽出するためのアルゴリズムを改良した．加えて，低解像度の動画像データから高解像度の動画像を推定するための深層学習アルゴリズムの構築を行った．生物学者，数学者と共同で，アリの嗅覚システムにおけるギャップジャンクションを介した複数ケーブルの数理モデルを構築し，敵・味方の識別を担う機能を実現する機能に対して，ギャップジャンクションの空間分布が重要であることを示す結果を得た．さらに，多次元時系列データからその背後に存在するダイナミクスを抽出するために，ガウス過程を用いた統計的アルゴリズムを構築し，その有効性を示した．これらの研究成果は，関連する国際会議や国内会議にて口頭発表を実施するとともに，査読付きの英語論文として公表した．また，これらの成果は関連研究者の注目を受け，依頼講演を受けた．

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

当初の予定通り，興奮性結合と抑制性結合を有する神経ネットワークのダイナミクスの取り扱いを進めることができたため．

今後の研究の推進方策

当初の予定通り，神経ネットワークのダイナミクスの取り扱いの深化を行う．

次年度使用額が生じた理由

次年度に，当初予定していた学会に参加するための旅費として使用する．

研究成果

• [雑誌論文] Estimation of Neuronal Dynamics Based on Sparse Modeling (2019)
  • 著者名/発表者名: Shinya Otsuka, Toshiaki Omori
  • 雑誌名: Neural Networks 巻: 109 ページ: 137-146
  • DOI: 10.1016/j.neunet.2018.10.006
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spatio-Temporal Convolutional Neural Network for Frame Rate Up-Conversion (2019)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Tanaka, Toshiaki Omori
  • 雑誌名: accepted for publication in ACM International Conference Proceeding Series 巻: - ページ: 印刷中
  • 査読あり
• [雑誌論文] Gaussian Process Dynamical Autoencoder Model (2019)
  • 著者名/発表者名: Jo Takano, Toshiaki Omori
  • 雑誌名: accepted for publication in ACM International Conference Proceeding Series 巻: - ページ: 印刷中
  • 査読あり
• [雑誌論文] Putative Neural Network Within an Olfactory Sensory Unit for Nestmate and Non-nestmate Discrimination in the Japanese Carpenter Ant: The Ultra-structures and Mathematical Simulation (2018)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Takeichi, Tatsuya Uebi, Naoyuki Miyazaki, Kazuyoshi Murata, Kouji Yasuyama, Kanako Inoue, Toshinobu Suzaki, Hideo Kubo, Naoko Kajimura, Jo Takano, Toshiaki Omori, Ryoichi Yoshimura, Yasuhisa Endo, Masaru K. Hojo, Eichi Takaya, Satoshi Kurihara, Kenta Tatsuta, Koichi Ozaki, Mamiko Ozaki
  • 雑誌名: Frontiers in Cellular Neuroscience 巻: 12 ページ: 310:1-15
  • DOI: 10.3389/fncel.2018.00310
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Microglia Enhance Synapse Activity to Promote Local Network Synchronization (2018)
  • 著者名/発表者名: Ryohei Akiyoshi, Hiroaki Wake, Daisuke Kato, Hiroshi Horiuchi, Riho Ono, Ako Ikegami, Koichiro Haruwaka, Toshiaki Omori, Yoshihisa Tachibana, Andrew Moorhouse, Junichi Nabekura
  • 雑誌名: eNeuro 巻: 5 ページ: e0088-18:1-13
  • DOI: 10.1523/ENEURO.0088-18.2018
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Multivariate Time Series Classification using DMD based Similarity Measure (2018)
  • 著者名/発表者名: Taiki Tanaka, Toshiaki Omori
  • 雑誌名: Proceedings of Joint 10th International Conference on Soft Computing and Intelligent Systems and 19th International Symposium on Advanced Intelligent Systems 巻: - ページ: 1225-1228
  • 査読あり
• [雑誌論文] Estimation of Neural Network Dynamics Based on Sparse Modeling (2018)
  • 著者名/発表者名: Ren Masahiro, Toshiaki Omori
  • 雑誌名: Proceedings of the SICE Annual Conference 2018 巻: - ページ: 1521-1524
  • 査読あり
• [学会発表] 昆虫嗅覚感覚子内の受容突起ネットワークの数理モデリング (2019)
  • 著者名/発表者名: 高野城，大森敏明，久保英夫，上尾達也，竹市裕介，宮崎直幸，村田和義，泰山浩司，井上加奈子，梶村直子，北條賢，髙屋英知，栗原聡，尾﨑まみこ
  • 学会等名: 定量生物学の会第9回年会
• [学会発表] Simulation based on Neuronal Cable Theory for Structures Within an Olfactory Sensory Unit for Nestmate and Non-nestmate Discrimination in the Japanese Carpenter Ant (2019)
  • 著者名/発表者名: Jo Takano, Toshiaki Omori, Hideo Kubo, Tatsuya Uebi, Yusuke Takeichi, Naoyuki Miyazaki, Kazuyoshi Murata, Kouji Yasuyama, Kanako Inoue, Naoko Kajimura, Masaru K Hojo, Eichi Takaya, Satoshi Kurihara, Mamiko Ozaki
  • 学会等名: The 7th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
  • 国際学会
• [学会発表] Data-driven Approach for Extracting Neuronal Nonlinear Dynamics (2019)
  • 著者名/発表者名: Junya Yamasaki, Shinya Otsuka, Toshiaki Omori
  • 学会等名: The 7th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
  • 国際学会
• [学会発表] Spatio-Temporal Convolutional Neural Network for Frame Rate Up-Conversion (2019)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Tanaka, Toshiaki Omori
  • 学会等名: 3rd International Conference on Intelligent Systems, Metaheuristics & Swarm Intelligence
  • 国際学会
• [学会発表] Gaussian Process Dynamical Autoencoder Model (2019)
  • 著者名/発表者名: Jo Takano, Toshiaki Omori
  • 学会等名: 3rd International Conference on Intelligent Systems, Metaheuristics & Swarm Intelligence
  • 国際学会
• [学会発表] ケーブル理論に基づく時空間ダイナミクスの推定ー匂いセンサ情報ネットワークの数理モデリングー (2018)
  • 著者名/発表者名: 大森敏明
  • 学会等名: 京都大学数理解析研究所 RIMS共同研究 研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Estimation of Neural Network Dynamics Based on Data-driven Statistical Approach (2018)
  • 著者名/発表者名: Toshiaki Omori
  • 学会等名: 2018 IEEE Brain Initiative Workshop on Advanced NeuroTechnologies
  • 国際学会
• [学会発表] スパースモデリングに基づく神経回路ダイナミクスの推定 (2018)
  • 著者名/発表者名: 政廣蓮，大森敏明
  • 学会等名: 第62回システム制御情報学会研究発表講演会
• [学会発表] データ駆動型アプローチに基づく神経システムの数理モデル推定 (2018)
  • 著者名/発表者名: 政廣蓮，山崎潤也，大塚慎也，井上広明，大森敏明
  • 学会等名: 第5回イメージング数理研究会
• [学会発表] スパースモデリングに基づく神経ネットワークの構造推定 (2018)
  • 著者名/発表者名: 政廣蓮，大森敏明
  • 学会等名: 第17回情報科学技術フォーラム
• [学会発表] Estimation of Neural Network Dynamics Based on Sparse Modeling (2018)
  • 著者名/発表者名: Ren Masahiro, Toshiaki Omori
  • 学会等名: The SICE Annual Conference 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Multivariate Time Series Classification using DMD based Similarity Measure (2018)
  • 著者名/発表者名: Taiki Tanaka, Toshiaki Omori
  • 学会等名: Joint 10th International Conference on Soft Computing and Intelligent Systems and 19th International Symposium on Advanced Intelligent Systems in conjunction with Intelligent Systems Workshop 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Simulation for Simplified Neural Network Model of Structures Within an Olfactory Sensory Unit for Nestmate and Non-nestmate Discrimination in the Japanese Carpenter Ant (2018)
  • 著者名/発表者名: Jo Takano, Toshiaki Omori, Hideo Kubo, Tatsuya Uebi, Yusuke Takeichi, Naoyuki Miyazaki, Kazuyoshi Murata, Kouji Yasuyama, Kanako Inoue, Naoko Kajimura, Masaru K Hojo, Eichi Takaya, Satoshi Kurihara, Mamiko Ozaki
  • 学会等名: INCF Japan Node International Workshop on Advances in Neuroinformatics 2018
  • 国際学会
• [学会発表] 昆虫嗅覚感覚子内の受容突起ネットワークの実態と作動性の数理シミュレーション (2018)
  • 著者名/発表者名: 上尾達也，竹市裕介，宮崎直幸，村田和義，泰山浩司，井上加奈子，久保英夫，梶村直子，高野城，大森敏明，北條賢，高屋英知，栗原聡，尾崎まみこ
  • 学会等名: 日本味と匂学会第52回大会
• [学会発表] Putative Neural Network within an Olfactory Sensory Unit for Nestmate and Non-nestmate discrimination in the Japanese Carpeenter Ant: the Ultrastructures and Mathematical Simulation (2018)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Takeichi, Tatsuya Uebi, Naoyuki Miyazaki, Kazuyoshi Murata, Kouji Yasuyama, Kanako Inoue, Hideo Kubo, Naoko Kajiyama, Jo Takano, Toshiaki Omori, Mamiko Ozaki
  • 学会等名: 日本比較生理生化学会第40回大会
• [備考] 大森敏明（神戸大学ウェブページ）
  • URL: http://www2.kobe-u.ac.jp/~omoritos/
• [備考] 大森敏明（researchmap）
  • URL: https://researchmap.jp/omori/
• [備考] 神経回路網シミュレーションモデル研究プロジェクト（神戸大学先端融合研究環統合研究領域）
  • URL: http://www.oair.kobe-u.ac.jp/ir/project/11.html