神経回路の動態に基づく大脳皮質-大脳基底核機能連関の計算論的理解

2009 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 17022036
• 研究種目: 特定領域研究
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 生物系
• 研究機関: 独立行政法人理化学研究所
• 研究代表者: 深井 朋樹 独立行政法人理化学研究所, 脳回路機能理論研究チーム, チームリーダー (40218871)
• 研究期間 (年度): 2005 – 2009
• キーワード: 神経回路モデル / 意思決定 / 完全時間積分 / シナプス可塑性モデル / 興奮と抑制のバランス / マッチング行動 / 多細胞記録

研究概要

興奮と抑制がバランスしているシナプス入力を受ける大脳皮質ニューロンや神経回路が、入力の揺らぎを利用して情報を表現したり伝達したりする理論的方法を示した。また入力の揺らぎを利用して、完全時間積分を行う意思決定回路を提案した。報酬依存の意思決定の大脳基底核メカニズムを定式化し、マッチング行動の情報理論的起源を明らかにした。大脳皮質の視覚経験依存の回路形成において、抑制回路の可塑性が果たす役割を、実験と理論で明らかにした。多電極記録のデータから多細胞のスパイク列を正確に分離する新しい数学的方法を考案し、ソフトウェアを供給した。

研究成果

• [雑誌論文] Accurate spike-sorting for multiunit recordings. (2010)
  • 著者名/発表者名: T akekawa T, Isomura Y, Fukai T.
  • 雑誌名: European Journal of Neuroscience 31 ページ: 263-272
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bidirectional plasticity in fast-spiking GABA circuits by visual experience. (2009)
  • 著者名/発表者名: Y azaki-Sugiyama Y, Kang S, Cateau H, Fukai T, Hensch TK
  • 雑誌名: Nature 462 ページ: 218-221
  • 査読あり
• [雑誌論文] Microcircuitry coordination of cortical motor information in self-initiation of voluntary movements. (2009)
  • 著者名/発表者名: I somura Y, Harukuni R, Takekawa T, Aizawa H, Fukai T
  • 雑誌名: Nature Neuroscience 12 ページ: 1586-1593
  • 査読あり
• [雑誌論文] A novel view of the variational Bayesian clustering. (2009)
  • 著者名/発表者名: T akekawa T, Fukai T.
  • 雑誌名: Neurocomputing 72 ページ: 3366-3369
  • 査読あり
• [雑誌論文] Recurrent network models for perfect temporal integration of fluctuating correlated inputs. (2009)
  • 著者名/発表者名: O kamoto H, Fukai T
  • 雑誌名: PLoS Comput. Biol. 5(6) ページ: e1000404
  • 査読あり
• [雑誌論文] Temporal precision of spike response to fluctuating input in pulse-coupled networks of oscillating neurons. (2008)
  • 著者名/発表者名: T eramae J, Fukai T
  • 雑誌名: Phys Rev Lett 101 ページ: 248105
  • 査読あり
• [雑誌論文] When does reward maximization lead to matching law? (2008)
  • 著者名/発表者名: S akai Y, Fukai T
  • 雑誌名: PLoS ONE 3(11) ページ: e3795
  • 査読あり
• [雑誌論文] Complex evolution of spike patterns during burst propagation through feed-forward networks. (2008)
  • 著者名/発表者名: T eramae J, Fukai T
  • 雑誌名: Biological Cybernetics 99(2) ページ: 105-114
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interplay between a phase response curve and spike-timeing-dependent plasticity leads to wireless clustering. (2008)
  • 著者名/発表者名: C ateau H, Kitano K, Fukai T
  • 雑誌名: Physical Review E 77 ページ: 051909
  • 査読あり
• [雑誌論文] The actor-critic learning is behind the matching law: Matching versus optimal behaviors. (2008)
  • 著者名/発表者名: S akai Y, Fukai T
  • 雑誌名: Neural Comput. 20 ページ: 227-251
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structure of spontaneous UP and DOWN transitions self-organizing in a cortical network model. (2008)
  • 著者名/発表者名: K ang S, Kitano K, Fukai T
  • 雑誌名: PLoS Comput. Biol. 4(3) ページ: e1000022
  • 査読あり
• [雑誌論文] 大脳皮質神経細胞集団の形成:シナプス可塑性とその先 (2008)
  • 著者名/発表者名: 深井朋樹、姜時友、北野勝則、寺前順之介
  • 雑誌名: BRAIN and NERVE:神経研究の進歩 60 ページ: 763-770
• [雑誌論文] Sequential associative memory with non-uniformity of the layer sizes. (2007)
  • 著者名/発表者名: T eramae J, Fukai T
  • 雑誌名: Physical Review E 75 ページ: 011910
  • 査読あり
• [雑誌論文] Distinct types of ionic modulation of GABA actions in pyramidal cells and interneurons during electrical induction of hippocampal seizure-like network activity. (2007)
  • 著者名/発表者名: F ujiwara-Tsukamoto Y, Isomura Y, Imanishi M, Fukai T, Takada M
  • 雑誌名: Eur J. Neurosci. 25 ページ: 2713-2725
  • 査読あり
• [雑誌論文] Local cortical circuit model inferred from power-law distributed neuronal avalanches. (2007)
  • 著者名/発表者名: T eramae J, Fukai T
  • 雑誌名: J. Comput. Neurosci. 22 ページ: 301-312
  • 査読あり
• [雑誌論文] Layer and frequency dependences of phase response properties of pyramidal neurons in rat moter cortex. (2007)
  • 著者名/発表者名: T subo Y, Takada M, Reyes AD, Fukai T
  • 雑誌名: Eur J. Neurosci. 25 ページ: 3429-3441
  • 査読あり
• [雑誌論文] Temporal integration by stochastic recurrent network dynamics with bimodal neurons. (2007)
  • 著者名/発表者名: O kamoto H, Isomura Y, Takada M, Fukai T
  • 雑誌名: J. Neurophysiol. 97 ページ: 3859-3867
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synchronous and asynchronous bursting states: Role of intrinsic neural dynamics. (2007)
  • 著者名/発表者名: T akekawa T, Aoyagi T, Fukai T
  • 雑誌名: J. Comput. Neurosci. 23 ページ: 189-200
  • 査読あり
• [雑誌論文] Variability v. s. synchrony of neuronal activity in local cortical network models with different topologies. (2007)
  • 著者名/発表者名: K itano K, Fukai T
  • 雑誌名: J. Comput. Neurosci. 23 ページ: 237-250
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synchronization of excitatory neurons with strongly heterogeneous phase responses. (2007)
  • 著者名/発表者名: T subo Y, Teramae J, Fukai T
  • 雑誌名: Physical Review Lett. 99 ページ: 228101
  • 査読あり
• [雑誌論文] Balanced excitatory and inhibitory inputs to cortical neurons decouple firing irregularity from rate modulations. (2007)
  • 著者名/発表者名: M iura K, Tsubo Y, Okada M, Fukai T
  • 雑誌名: J. Neurosci. 27 ページ: 13802-13812
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synchronization property of slow cortical oscillations. (2006)
  • 著者名/発表者名: T akekawa T, Aoyagi T, Fukai T
  • 雑誌名: Progress of Theoretical Physics Supplement 161 ページ: 356-359
  • 査読あり
• [雑誌論文] Computational algorithms and neuronal network models underlying decision processes. (2006)
  • 著者名/発表者名: S akai Y, Okamoto H, Fukai T
  • 雑誌名: Neural Networks 19 ページ: 1091-1105
  • 査読あり
• [雑誌論文] Combined modeling and extracellular recording studies of UP and DOWN transitions in awake or behaving monkeys. (2005)
  • 著者名/発表者名: O kamoto H, Isomura Y, Takada M, Fukai T
  • 雑誌名: Basal Ganglia VIII Advances in Behavioral Biology 56 ページ: 555-561
  • 査読あり
• [雑誌論文] A cellular mechanism for graded persistent activity in a model neuron and its implications in working memory. (2005)
  • 著者名/発表者名: T eramae J, Fukai T
  • 雑誌名: Journal of Computational Neuroscience 18 ページ: 105-121
  • 査読あり
• [学会発表] 神経細胞集団のスパイク時系列からの情報抽出 (2010)
  • 著者名/発表者名: 竹川高志、礒村宜和、深井朋樹
  • 学会等名: 日本物理学会第65回年次大会
  • 発表場所: 岡山
  • 年月日: 20100300
• [学会発表] 神経細胞のスパイク時系列が示すべき則の生成機構 (2010)
  • 著者名/発表者名: 坪泰宏、深井朋樹
  • 学会等名: 日本物理学会第65回年次大会
  • 発表場所: 岡山
  • 年月日: 20100300
• [学会発表] 皮質神経回路網の低頻度安定発火状態 (2010)
  • 著者名/発表者名: 寺前順之介、深井朋樹
  • 学会等名: 日本物理学会第65回年次大会
  • 発表場所: 岡山
  • 年月日: 20100300
• [学会発表] Functional changes induced by multiple plasticity rules in the hippocampal circuit:simulation and experiment. (2009)
  • 著者名/発表者名: K ang S, Kimura R, Matsuki N, Ikegaya Yi, Fukai T
  • 学会等名: Asia Simulation Conference 2009 (JSST 2009)
  • 発表場所: Kusatsu, Shiga Pref. Japan
  • 年月日: 20091000
• [学会発表] Trade-off between cell-to-cell synchronization and trial-to-trial reliability in recurrent networks of spiking neurons. (2009)
  • 著者名/発表者名: T eramae J, Fukai T
  • 学会等名: 39th Annual Meeting of the Society for Neuroscience (Neuroscience 2009)
  • 発表場所: Chicago, USA
  • 年月日: 20091000
• [学会発表] 皮質ニューロン回路網における細胞間同期発火と試行間再現性の相反関係 (2009)
  • 著者名/発表者名: 寺前順之介、深井朋樹
  • 学会等名: 第32回日本神経科学大会
  • 発表場所: 名古屋
  • 年月日: 20090900
• [学会発表] 皮質神経細胞の不規則発火時系列が示唆する条件付エントロピー最小化原理 (2009)
  • 著者名/発表者名: 坪泰宏、礒村宜和、深井朋樹
  • 学会等名: 第32回日本神経科学大会
  • 発表場所: 名古屋
  • 年月日: 20090900
• [学会発表] 位相応答曲線のベイズ推定 (2009)
  • 著者名/発表者名: 中江健、伊庭幸人、青柳富誌生、坪泰宏、深井朋樹
  • 学会等名: 2009年度統計関連学会連合大会
  • 発表場所: 京田辺
  • 年月日: 20090900
• [学会発表] 「神経回路の動態に基づく大脳皮質-大脳基底核機能連関の計算論的理解」平成21年度文部科学省特定領域研究「統合脳」夏のワークショップ (2009)
  • 著者名/発表者名: 深井朋樹
  • 学会等名: 平成21年度文部科学省特定領域研究「統合脳」夏のワークショップ
  • 発表場所: 札幌
  • 年月日: 20090800
• [学会発表] Different functional diversity of excitatory and inhibitory neurons across cortical layers in voluntary movement. (2009)
  • 著者名/発表者名: I somura Y, Harukuni R, Takekawa T, Aizawa H, Fukai T
  • 学会等名: 36th International Congress of Physiological Sciences (IUPS2009)
  • 発表場所: Kyoto
  • 年月日: 20090700
• [学会発表] Dopamine-dependent dynamical state changes in network models of subthalamic nucleus and globus pallidus. (2009)
  • 著者名/発表者名: Fukai T, Kitano K, Nambu A
  • 学会等名: 36th International Congress of Physiological Sciences (IUPS2009)
  • 発表場所: Kyoto
  • 年月日: 20090700
• [学会発表] Reliability of response spike timings in pulse-coupled networks of neurons. (2009)
  • 著者名/発表者名: T eramae J, Fukai T
  • 学会等名: 18th Annual Computational Neuroscience Meeting (CNS2009).
  • 発表場所: Berlin, Germany
  • 年月日: 20090700
• [学会発表] Decision-making computations with coincident spikes in recurrent neuronal networks. (2009)
  • 著者名/発表者名: Fukai T
  • 学会等名: Beijing International Symposium on Computational Neuroscience 2009
  • 発表場所: Beijing, China
  • 年月日: 20090700
• [学会発表] 神経細胞リカレントネットワークにおける細胞間同期発火と試行間応答再現性との相反関係:非線形システム間のノイズ同期によるアプローチ (2009)
  • 著者名/発表者名: 寺前順之介、深井朋樹
  • 学会等名: ニューロコンピューティング研究会
  • 発表場所: 生駒
  • 年月日: 20090700
• [学会発表] 皮質神経細胞の不規則発火時系列が示唆する条件付エントロピー最小化原理 (2009)
  • 著者名/発表者名: 坪泰宏、礒村宜和、深井朋樹
  • 学会等名: ニューロコンピューティング研究会
  • 発表場所: 生駒
  • 年月日: 20090700
• [学会発表] Information coding with excitation-inhibition balance. (2009)
  • 著者名/発表者名: 深井朋樹
  • 学会等名: システム生物学スプリングスクール2009
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 20090300
• [学会発表] Self-organization and developmental models of cortical networks. (2009)
  • 著者名/発表者名: 深井朋樹
  • 学会等名: ブレインインフォーマティクス研究体講演会
  • 発表場所: 横浜
  • 年月日: 20090200
• [学会発表] Temporal precision of spikes in pulse-coupled networks of oscillating neurons. (2009)
  • 著者名/発表者名: T eramae J, Fukai T
  • 学会等名: 6th Meeting Computational and Systems Neuroscience (COSYNE 2009)
  • 発表場所: Salt Lake City, USA
  • 年月日: 20090200
• [学会発表] Power-law distributions of inter-spike intervals in in vivo cortical neurons. (2009)
  • 著者名/発表者名: T subo Y, Isomura Y, Fukai T
  • 学会等名: 6th Meeting Computational and Systems Neuroscience (COSYNE 2009)
  • 発表場所: Salt Lake City, USA
  • 年月日: 20090200
• [学会発表] Functional and morphological identification of neocortical neurons in rodents performing operant motor task. (2008)
  • 著者名/発表者名: I somura Y, Harukuni R, Takekawa T, Aizawa H, Fukai T
  • 学会等名: 38th Annual Meeting of Society for Neuroscience (Neuroscience 2008)
  • 発表場所: Washington DC, USA
  • 年月日: 20081100
• [学会発表] Accurate spike sorting of multiunit recording data based on the robust variational Bayesian clustering. (2008)
  • 著者名/発表者名: T akekawa T, Isomura Y, Fukai T
  • 学会等名: 38th Annual Meeting of Society for Neuroscience (Neuroscience 2008)
  • 発表場所: Washington DC, USA
  • 年月日: 20081100
• [学会発表] 神経回路の動態に基づく大脳皮質:大脳基底核機能連関の計算論的理解 (2008)
  • 著者名/発表者名: 深井朋樹
  • 学会等名: 平成20年度文部科学省特定領域研究「統合脳」夏のワークショップサテライトシンポジウム第9回夏のワークショップ「情動と意志決定」
  • 発表場所: 札幌
  • 年月日: 20080800
• [学会発表] 認知的機能の神経回路メカニズム (2008)
  • 著者名/発表者名: 深井朋樹
  • 学会等名: 第48回生物物理若手の会夏の学校
  • 発表場所: 八王子、東京
  • 年月日: 20080700
• [学会発表] Cortical network dynamics and computations with fluctuating inputs. (2008)
  • 著者名/発表者名: 深井朋樹
  • 学会等名: 第31回日本神経科学大会(Neuroscience 2008)
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 20080700
• [学会発表] ドーパミンによる細胞膜特性修飾作用が淡蒼球外節神経活動の同期特性を変化させる (2008)
  • 著者名/発表者名: 北野勝則、藤田大広、深井朋樹
  • 学会等名: 第31回日本神経科学大会(Neuroscience 2008)
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 20080700
• [学会発表] スパイク時系列の高次相関解析を可能にする高精度なスパイクソーティング法とその実装 (2008)
  • 著者名/発表者名: 竹川高志、姜時友、礒村宜和、深井朋樹
  • 学会等名: 第31回日本神経科学大会(Neuroscience 2008)
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 20080700
• [学会発表] Robust variational Bayes with wavelet transform improves accuracy and efficiency of spike sorting. (2008)
  • 著者名/発表者名: 川高志、礒村宜和、深井朋樹
  • 学会等名: マルチニューロン研究会2008
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 20080700
• [学会発表] Reliability vs. variability in spike responses of recurrent neuronal networks. (2008)
  • 著者名/発表者名: Fukai T
  • 学会等名: International workshop-school on Chaos and dynamics in biological networks.
  • 発表場所: Corsica, France
  • 年月日: 20080500
• [学会発表] 眼優位性可塑性における抑制回路の動的役割:発達過程における視覚皮質の回路モデル (2007)
  • 著者名/発表者名: 深井朋樹, 姜時友, 矢崎-杉山陽子, 加藤英之, ヘンシュ貴雄
  • 学会等名: 第30回日本神経科学大会・第50回日本神経化学会大会・第17回日本神経回路学会大会(Neuro2007)
  • 発表場所: 横浜
  • 年月日: 20070900
• [学会発表] Maximizing or matching: when does reward maximization lead to matching behavior in the reinforcement learning? (2007)
  • 著者名/発表者名: Fukai T, Sakai Y
  • 学会等名: 9th Triennial meeting of the international basal ganglia society (IBAGS 9)
  • 発表場所: Egmond aan Zee, the Netherlands
  • 年月日: 20070900
• [学会発表] Balanced synaptic input improves temporal integration performance of cortical network models. (2007)
  • 著者名/発表者名: Fukai T, Okamoto H
  • 学会等名: International Symposium on Topical Problems of Biophotonics - 2007
  • 発表場所: Moscow, Russia
  • 年月日: 20070800
• [学会発表] Neuronal avalanches embedded in networks of excitatory and inhibitory neurons. (2006)
  • 著者名/発表者名: Fukai T
  • 学会等名: 2006 Japan-Germany Symposium on Computational Neuroscience
  • 発表場所: Wako, Japan
  • 年月日: 20060200
• [図書] シリーズ脳科学1脳の計算論(2009) (2009)
  • 著者名/発表者名: 深井朋樹
  • 総ページ数: 1-43,253-267
  • 出版者: 東京大学出版会
• [図書] 脳研究の最前線(上)脳の認知と進化 (2007)
  • 著者名/発表者名: 深井朋樹
  • 総ページ数: 281-331
  • 出版者: 講談社