2018 年度実施状況報告書

覚醒時視覚認識における一次視覚野の働き：動的スパース情報表現のメカニズム

研究課題

研究課題/領域番号	17K07050
研究機関	電気通信大学
研究代表者	田中繁電気通信大学, 脳・医工学研究センター, 特任教授 (70281706)
研究分担者	宮下真信沼津工業高等専門学校, 制御情報工学科, 教授 (20443038)
研究期間 (年度)	2017-04-01 – 2020-03-31
キーワード	三者間シナプス / 神経修飾因子 / 覚醒レベル / 視覚特徴量分散表現 / スパースコーディング / 星状膠細胞 / 特徴抽出 / ダイナミックニューロンモデル
研究実績の概要	平成２９年度に、神経修飾因子が星状膠細胞に作用することによって、三者間シナプスにおけるシナプス伝達効率を増強したり信号対ノイズ比を上げたりできることを理論的に示した。このことはノルアドレナリン等の神経修飾因子が覚醒時に分泌されることによって視覚野内側方結合におけるシナプス伝達効率が上昇する可能性があることを示唆している。そこで、当該年度は縞刺激に対するモデル視覚野ニューロンの反応を広範囲の空間周波数に対して調べた結果、最適空間周波数から離れた空間周波数であっても、側方結合を強めることにより、反応するニューロンが増加しコンパクトなクラスターを形成することがわかった。また、同じ刺激方位を呈示した場合でも、縞刺激の空間周波数と位相に応じて反応するクラスターは等方位ドメインを中心として異なるニューロン集団が活性化した。皮質内側方結合によるシナプス伝達効率の上昇は、反応するニューロンと反応しないニューロンに明確に二分し、反応するニューロンクラスター間のニューロンは活動しなくなる。つまり、スパースな情報表現が実現している。本研究の最終目的である、視覚野のスパースコーディングという点については、既にシミュレーションに成功したと言えよう。これらのことから、覚醒状態によって増強される側方結合は、異なるニューロン集団によって、単一の受容野だけでは表現できない視覚特徴量の分散表現を可能にすると考えられる。
現在までの達成度 (区分)	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視覚情報表現のスパースネスを確認するために、当初の計画では、いくつかの形態学的に異なる抑制性ニューロンをモデル化することにより、ニューロンネットワークとしてwinner-take-allやwinners-share-allの機能の発現を期待していた。しかし、形態学的に異なる抑制性ニューロンの特徴を反映した詳細なモデル化を行うという点においては計画よりも遅れているが、メキシカンハット型の側方結合を仮定しただけではあったが、その結合強度を増加させることによって覚醒時に期待される情報表現のスパースネスが得られてしまったことから、むしろ予定よりも進捗しているとも言える。したがって、総合的には順調に進展していると言えよう。
今後の研究の推進方策	今後は、ダイナミックスパイキングニューロンモデルを用いて視覚野ニューロンの情報表現メカニズムの解明に注力するつもりである。具体的には、視覚野2/3層におけるニューロンネットワークを構築し、錐体細胞の他に、シャンデリア細胞、ダブルブーケ細胞、バスケット細胞をモデル化して組み込む。このネットワークモデルにおいて、皮質内結合のシナプス結合強度を変えたときに、視覚情報の分散表現とスパースコーディングの様態を詳細に調べる。
次年度使用額が生じた理由	当該年度は、研究代表者のロコモティブシンドロームのため、国内外の出張を取り止めていたために次年度使用額が生じた。これについては、次年度の出張旅費に繰り込んで使用するつもりである。