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2023 年度 実績報告書

大規模神経構造可視化を実現するコンピュテーショナル・ストレージ技術の研究開発

研究課題

研究課題/領域番号 20H02194
研究機関東北大学

研究代表者

田中 陽一郎  東北大学, 電気通信研究所, 教授 (60801123)

研究分担者 山本 英明  東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (10552036)
グリーブス サイモン・ジョン  東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (60375152)
平野 愛弓  東北大学, 電気通信研究所, 教授 (80339241)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2024-03-31
キーワードコンピュテーショナル・ストレージ / 神経構造 / 可視化
研究実績の概要

全脳規模神経構造の3次元可視化解析を可能とするため6基のコンピュートノードと12基のストレージノードを一体化したコンピュテーショナル・ストレージ解析テストベッドを完成させた。大容量垂直HDDクラスタ(合計2004TB)と高速SSDクラスタ(合計227TB)による総容量2.23PBストレージに6-GPUs/25-CPUs(合計336コア)及びメモリ領域1408GBの強力なコンピュテーション 機能と分散オブジェクトストレージCephファイルシステムを実装した構成である。脳神経構造3次元可視化ツールとラット大脳皮質神経画像システムを適用して、可視化解析処理に関する大規模データ伝送とデータアクセスの性能向上を検証した。
磁気記録装置の高速化、高密度化を目指し、熱アシスト磁気記録(HAMR)の記録層媒体の特性を最適化する研究を行なった。ストレージデバイスの研究開発ではスピントルク発振素子(STO)の磁気的なカップリングによる発振周波数の同期現象を用いたニューロモルフィック記録構造の検討を本格化した。STO列の2次元配置による素子列データ伝送が可能であること、STO素子形状の制御により選択的なデータ伝送が出来ることをマイクロマグネティクスシミュレーションで検証し高速不揮発性磁性ストレージの可能性を確認した。
神経構造・ダイナミック伝達機能の3次元可視化解析プラットフォームの開発では、昨年度までに構築したデータアクイジションシステムと蛍光Caイメージングの実験系を活用し、培養神経回路の刺激応答特性の解析、リザバーコンピューティング特性の解析、炎症性サイトカインによる活動変調効果の解析などに関する研究を進め、原著論文などとして発表した。

現在までの達成度 (段落)

令和5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

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (51件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (13件) (うち国際共著 3件、 査読あり 13件、 オープンアクセス 13件) 学会発表 (31件) (うち国際学会 19件、 招待講演 11件) 図書 (1件) 備考 (5件)

  • [国際共同研究] Seagate Technologies/Washington State University(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      Seagate Technologies/Washington State University
  • [雑誌論文] Write Head Design for Control of Transition Curvature in Heat-Assisted Magnetic Recording2024

    • 著者名/発表者名
      Greaves Simon John、Tatsuno Keita、Kanai Yasushi
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Magnetics

      巻: - ページ: 1~1

    • DOI

      10.1109/TMAG.2023.3319459

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Architecture Optimization of a CNN Media Noise Estimator for TDMR2024

    • 著者名/発表者名
      Pires Jorge、Sayyafan Amirhossein、Belzer Benjamin J.、Sivakumar Krishnamoorthy、Greaves Simon
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Magnetics

      巻: - ページ: 1~1

    • DOI

      10.1109/TMAG.2023.3325899

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Dual-layer FePt-C granular media for multi-level heat-assisted magnetic recording2024

    • 著者名/発表者名
      Tozman P.、Isogami S.、Suzuki I.、Bolyachkin A.、Sepehri-Amin H.、Greaves S.J.、Suto H.、Sasaki Y.、Chang T.Y.、Kubota Y.、Steiner P.、Huang P.-W.、Hono K.、Takahashi Y.K.
    • 雑誌名

      Acta Materialia

      巻: - ページ: 119869~119869

    • DOI

      10.1016/j.actamat.2024.119869

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Enhanced responses to inflammatory cytokine interleukin-6 in micropatterned networks of cultured cortical neurons2024

    • 著者名/発表者名
      Sakaibara Mamoru、Yamamoto Hideaki、Murota Hakuba、Monma Nobuaki、Sato Shigeo、Hirano-Iwata Ayumi
    • 雑誌名

      Biochemical and Biophysical Research Communications

      巻: 695 ページ: 149379~149379

    • DOI

      10.1016/j.bbrc.2023.149379

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Controlling Information Flow in Arrays of Spin-Torque Oscillators2023

    • 著者名/発表者名
      Ise Tsubasa、Greaves Simon John、Tanaka Yoichiro
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Magnetics

      巻: 59 ページ: 1~5

    • DOI

      10.1109/tmag.2023.3294515

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Magnetic data storage technology: from perpendicular magnetic recording to the computational-storage integration2023

    • 著者名/発表者名
      Tanaka Yoichiro
    • 雑誌名

      Spintronics XVI

      巻: - ページ: -

    • DOI

      10.1117/12.2673322

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Blocking Phenomenon of Hard/Soft Bilayer L10-FePt Grains in Granular Film2023

    • 著者名/発表者名
      Isurugi Daiki、Saito Takashi、Tham Kim Kong、Ogawa Tomoyuki、Tanaka Yoichiro、Greaves Simon John、Saito Shin
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Magnetics

      巻: 59 ページ: 1~4

    • DOI

      10.1109/TMAG.2023.3296155

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Micromagnetic model analysis of dual field generation layer (FGL) spin torque oscillators (STO) for microwave-assisted magnetic recording (MAMR)2023

    • 著者名/発表者名
      Itagaki Ryo、Kanai Yasushi、Greaves Simon
    • 雑誌名

      International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics

      巻: 71 ページ: S191~S201

    • DOI

      10.3233/JAE-220146

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Three-dimensional magnetic recording2023

    • 著者名/発表者名
      Greaves Simon
    • 雑誌名

      Journal of Magnetism and Magnetic Materials

      巻: 588 ページ: 171343~171343

    • DOI

      10.1016/j.jmmm.2023.171343

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Biological neurons act as generalization filters in reservoir computing2023

    • 著者名/発表者名
      Sumi Takuma、Yamamoto Hideaki、Katori Yuichi、Ito Koki、Moriya Satoshi、Konno Tomohiro、Sato Shigeo、Hirano-Iwata Ayumi
    • 雑誌名

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      巻: 120 ページ: -

    • DOI

      10.1073/pnas.2217008120

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] マイクロ流体デバイスを用いた神経回路機能の実細胞再構成2023

    • 著者名/発表者名
      山本 英明、平野 愛弓、佐藤 茂雄
    • 雑誌名

      応用物理

      巻: 92 ページ: 278~282

    • DOI

      10.11470/oubutsu.92.5_278

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Modular architecture facilitates noise-driven control of synchrony in neuronal networks2023

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto Hideaki、Spitzner F. Paul、Takemuro Taiki、Buendia Victor、Murota Hakuba、Morante Carla、Konno Tomohiro、Sato Shigeo、Hirano-Iwata Ayumi、Levina Anna、Priesemann Viola、Munoz Miguel A.、Zierenberg Johannes、Soriano Jordi
    • 雑誌名

      Science Advances

      巻: 9 ページ: -

    • DOI

      10.1126/sciadv.ade1755

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Microfluidic technologies for reconstituting neuronal network functions in vitro2023

    • 著者名/発表者名
      H. Yamamoto, A. Hirano-Iwata, S. Sato
    • 雑誌名

      JSAP Review

      巻: 2023 ページ: -

    • DOI

      10.11470/jsaprev.230420

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Parameter analysis for biologically plausible learning algorithms for recurrent SNNs: impact of dynamical and anatomical network properties2024

    • 著者名/発表者名
      D. Noe, H. Yamamoto, S. Sato
    • 学会等名
      The 12th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • 国際学会
  • [学会発表] Designing modular neuronal networks with directional connections to enhance dynamical complexity2024

    • 著者名/発表者名
      N. Monma, H. Yamamoto, H. Murota, S. Moriya, N. Fujiwara, A.Hirano-Iwata, S. Sato
    • 学会等名
      The 12th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • 国際学会
  • [学会発表] Modulation of neuronal ensembles by optogenetic stimulation in biological neuronal networks2024

    • 著者名/発表者名
      H. Murota, H. Yamamoto, N. Monma, S. Sato, A. Hirano-Iwata
    • 学会等名
      The 12th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • 国際学会
  • [学会発表] 神経細胞ネットワークの機能を理解し応用するための神経工学技術2024

    • 著者名/発表者名
      山本英明
    • 学会等名
      Beyond AIワークショップ「培養ニューロンの機能と未来」
    • 招待講演
  • [学会発表] 脳領域間結合のin vitro再構成に向けたマイクロ流体デバイスの開発2024

    • 著者名/発表者名
      遠藤壮太, 山本英明, 西村周泰, 酒井原一守, 門間信明, 正水芳人, 平野愛弓, 佐藤茂雄
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Magnetic data storage technology; from the invention of perpendicular magnetic recording (PMR) to the social integration2023

    • 著者名/発表者名
      YOICHIRO TANAKA
    • 学会等名
      Institute of Physics Magnetism 2023
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Magnetic data storage technology; from the invention of perpendicular magnetic recording (PMR) to the social integration2023

    • 著者名/発表者名
      YOICHIRO TANAKA
    • 学会等名
      XII-Latin American Workshop on Magnetism, Magnetic Materials (LAW3M 2023)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Magnetic data storage technology; from the invention of perpendicular magnetic recording (PMR) to the social integration2023

    • 著者名/発表者名
      YOICHIRO TANAKA
    • 学会等名
      SPIN ASIA 2023
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Magnetic data storage technology; from the invention of perpendicular magnetic recording (PMR) to the social integration2023

    • 著者名/発表者名
      YOICHIRO TANAKA
    • 学会等名
      The 13th Annual Symposium on Magnetics 2023
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Blocking phenomenon of hard/soft bilayer FePt grains in granular film2023

    • 著者名/発表者名
      D. Isurugi, T. Saito, K. K. Tham, T. Ogawa, Y. Tanaka, S. Greaves and S. Saito
    • 学会等名
      Intermag 2023, Sendai
    • 国際学会
  • [学会発表] Control of information flow in arrays of spin-torque oscillators2023

    • 著者名/発表者名
      T. Ise, S. Greaves and Y. Tanaka
    • 学会等名
      Intermag 2023, Sendai
    • 国際学会
  • [学会発表] Three dimensional heat assisted magnetic recording2023

    • 著者名/発表者名
      S. J. Greaves and Y. Kanai
    • 学会等名
      IEICE MRIS meeting
  • [学会発表] Write head design for control of transition curvature in heat-assisted magnetic recording2023

    • 著者名/発表者名
      S. J. Greaves, K. Tatsuno and Y. Kanai
    • 学会等名
      TMRC 2023
    • 国際学会
  • [学会発表] Architecture optimization of a CNN media noise estimator for TDMR2023

    • 著者名/発表者名
      J. Pires, A. Sayyafan. B. Belzer, K. Sivakumar and S. Greaves
    • 学会等名
      TMRC 2023
    • 国際学会
  • [学会発表] Three dimensional magnetic recording2023

    • 著者名/発表者名
      S. J. Greaves and Y. Kanai
    • 学会等名
      TMRC 2023
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Spiking neuron model using spin torque oscillators2023

    • 著者名/発表者名
      T. Ise, S. J. Greaves and Y. Tanaka
    • 学会等名
      MSJ annual conference
  • [学会発表] vitro neuroengineering technologies for reconstituting and decoding neuronal network dynamics2023

    • 著者名/発表者名
      H. Yamamoto, A. Hirano-Iwata, S. Sato
    • 学会等名
      Tohoku NeuroTech Symposium (TNS) 2023
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Physical reservoir computing using dynamics of biological neuronal network with modular structure2023

    • 著者名/発表者名
      T. Sumi, H. Yamamoto, Y. Katori, K. Ito, S. Sato, A. Hirano-Iwata
    • 学会等名
      10th International Congress on Industrial and Applied Mathematics (ICIAM 2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] マイクロパターン培養神経ネットワークのダイナミクスを用いたリザバーコンピューティング2023

    • 著者名/発表者名
      住 拓磨, 山本英明, 伊藤亘輝, 香取勇一, 佐藤茂雄, 平野愛弓
    • 学会等名
      第33回日本神経回路学会全国大会
  • [学会発表] 人工神経細胞回路における摂動応答特性のモジュール構造依存性の解析2023

    • 著者名/発表者名
      室田白馬, 山本英明, 竹室汰貴, 佐藤茂雄, J. Soriano, 平野愛弓
    • 学会等名
      第33回日本神経回路学会全国大会
  • [学会発表] 結合指向性を有する神経細胞ネットワークの in vitro-in silico モデリング2023

    • 著者名/発表者名
      門間信明, 山本英明, 室田白馬, 守谷 哲, 藤原直哉, 平野愛弓, 佐藤茂雄
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 大規模モジュール構造型培養神経回路のリザバー特性の解析2023

    • 著者名/発表者名
      伊藤亘輝, 山本英明, 住 拓磨, 香取勇一, 佐藤茂雄, 平野愛弓
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 人工神経細胞回路における光刺激前後での神経アンサンブルの解析2023

    • 著者名/発表者名
      室田白馬, 山本英明, 門間信明, 佐藤茂雄, 平野愛弓
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 高密度多点電極アレイ上にパターニングしたモジュール構造型大規模培養神経回路の活動解析2023

    • 著者名/発表者名
      薗 勇輝, 山本英明, 佐藤有弥, 香取勇一, 平野愛弓, 佐藤茂雄
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Bottom-Up Investigation of Multicellular Computing Within Biological Neuronal Networks2023

    • 著者名/発表者名
      H. Yamamoto, T. Sumi, Y. Sato, S. Sato, A. Hirano-Iwata
    • 学会等名
      2023 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications (NOLTA2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] Modular Topology Enhances Reservoir Computing Performance in Biological Neuronal Networks2023

    • 著者名/発表者名
      T. Sumi, H. Yamamoto, Y. Katori, K. Ito, S. Sato, A. Hirano-Iwata
    • 学会等名
      2023 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications (NOLTA2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] 人工神経細胞回路を用いた物理リザバーコンピューティング2023

    • 著者名/発表者名
      山本英明, 住 拓磨, 平野愛弓, 佐藤茂雄
    • 学会等名
      化学とマイクロ・ナノシステム学会第48回研究会 (CHEMINAS48)
    • 招待講演
  • [学会発表] 生体工学と機械学習による神経回路機能の探求2023

    • 著者名/発表者名
      山本英明
    • 学会等名
      計測自動制御学会 システム・情報部門 学術講演会 2023 (SSI2023)
    • 招待講演
  • [学会発表] Optogenetic perturbation of engineered neuronal networks grown in vitro2023

    • 著者名/発表者名
      H. Yamamoto, S. Sato, A. Hirano-Iwata
    • 学会等名
      16th International Symposium on Nanomedicine (ISNM2023)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Enhanced modulation of spontaneous neural activity by interleukin-6 in micropatterned neuronal networks2023

    • 著者名/発表者名
      M. Sakaibara, H. Yamamoto, H. Murota, N. Monma, S. Sato, A. Hirano-Iwata
    • 学会等名
      16th International Symposium on Nanomedicine (ISNM2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] Magnetic data storage technology; from the invention of perpendicular magnetic recording (PMR) to computational storage2023

    • 著者名/発表者名
      Yoichiro Tanaka
    • 学会等名
      Computational I/O Stack Workshop, UCSC
    • 国際学会 / 招待講演
  • [図書] スピントロニクスハンドブック 基礎から応用まで2023

    • 著者名/発表者名
      田中陽一郎、ほか(共著)
    • 総ページ数
      676
    • 出版者
      株式会社エヌ・ティー・エス
    • ISBN
      9784860438425
  • [備考] 情報ストレージシステム研究室

    • URL

      https://www.riec.tohoku.ac.jp/ja/organization/section2/storage/

  • [備考] ナノ・バイオ融合分子デバイス研究室

    • URL

      https://www.riec.tohoku.ac.jp/ja/organization/section3/nano-bio/

  • [備考] ナノ集積デバイス・システム研究室

    • URL

      https://www.riec.tohoku.ac.jp/ja/organization/section1/sato/

  • [備考] ナノ磁石を積み上げて磁気記録を高密度化

    • URL

      https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2024/03/press20240327-02-nano.html

  • [備考] 生物の脳神経回路の構造を模した培養系モデルを開発 ─モジュール構造の機能的意義に関する新視点を提供─

    • URL

      https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2023/08/press20230828-01-modular.html

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公開日: 2024-12-25  

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