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2022 年度 実績報告書

自発的な内部ダイナミクスを利用する柔軟で効率的な時系列学習アルゴリズムの実現

研究課題

研究課題/領域番号 20K11987
研究機関京都大学

研究代表者

寺前 順之介  京都大学, 情報学研究科, 准教授 (50384722)

研究分担者 松尾 直毅  九州大学, 理学研究院, 教授 (10508956)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
キーワード脳 / シナプス / 確率 / サンプリング / 符号化 / ギブスサンプリング / ニューラルネットワーク / 学習
研究実績の概要

動物の脳内のニューロンとシナプスが示す自発的な確率的活動を利用する新たな学習アルゴリズムの定式化を完成させ、その動作特性、学習性能、学習後のニューラルネットワークの結合特性、学習後の忘却過程、学習されたネットワーク上でのニューロン活動の特性などについて、数値計算、理論解析、および実験的知見との比較検討を行い、それらの結果を査読付き原著論文として出版した。本アルゴリズムは、通常、ネットワーク内のシナプス結合強度の最適化として実装されるニューラルネットワークの学習を、最適化ではなく、ニューロンとシナプスを確率変数として記述した場合の、それらの確率変数の、外部環境あるいは提示データの条件下でのベイズ事後分布からのサンプリングであると考える点に特徴があり、そのサンプリング過程をギブスサンプリングとしてニューロンやシナプス自信が動的に実現していると考えることで、動物の脳の実験結果とも高い整合性を持つアルゴリズムの導出に成功したものである。さらにこの結果に基づき、ネッカキューブなどの多義図形をニューラルネットワークに提示した場合の近く交代現象についても理論解析を行い、知覚交代と呼ばれる人間の認知過程に類似する現象が得られることも発見し、その数理的解析も進めた。また、大脳皮質神経活動の大規模測定によって最近発見された神経細胞の冪則符号化と呼ばれる現象について、符号化の効率を定量的に評価可能なフィッシャー情報量の解析的を求め、その特性を数理的に明らかにすることによって、臨界的な冪指数が存在し、その指数での符号化が最適になること、またその冪指数が実験的報告と一致することを示すことにも成功した。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2022

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 1件)

  • [雑誌論文] Dual sampling neural network: Learning without explicit optimization2022

    • 著者名/発表者名
      Teramae Jun-nosuke、Tsubo Yasuhiro
    • 雑誌名

      Physical Review Research

      巻: 4 ページ: 043051-1-20

    • DOI

      10.1103/PhysRevResearch.4.043051

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 大脳皮質の確率的自発活動と疼痛の予測符号仮説2022

    • 著者名/発表者名
      寺前順之介
    • 雑誌名

      日本運動器疼痛学会誌

      巻: 14 ページ: 66-71

    • 査読あり
  • [学会発表] Smoothed robustness analysis of classifiers2022

    • 著者名/発表者名
      Thomas Rodrigues Crespo, Jun-nosuke Teramae
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
  • [学会発表] サンプリング型ニューラルネットワークにおけるシナプス変動とエネルギー地形2022

    • 著者名/発表者名
      後藤裕也, 寺前順之介
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
  • [学会発表] 情報論的解析に基づく大脳皮質のべき乗則コーディングの最適性2022

    • 著者名/発表者名
      立川剛至, 寺前順之介
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
  • [学会発表] Graded persistent activityを示すニューロンモデルによるリザバー計算の理論解析2022

    • 著者名/発表者名
      富田風太, 寺前順之介
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
  • [学会発表] 樹状突起活動電位によって非線形応答を示す低次元ニューロンモデルの提案2022

    • 著者名/発表者名
      佐伯卓哉, 寺前順之介
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
  • [学会発表] 多義図形入力に対するサンプリング型ニューラルネットワークの時間応答2022

    • 著者名/発表者名
      渡邉大師, 寺前順之介
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
  • [学会発表] 文脈依存的恐怖条件付け学習におけるマウス海馬CA1細胞のカルシウムイメージング2022

    • 著者名/発表者名
      小林 曉吾、髙島 魁斗、寺前 順之介、松尾 直毅
    • 学会等名
      Neuro2022
    • 国際学会
  • [学会発表] Graded persistent activity を示すニューロンモデルを用いた Reservoir computing2022

    • 著者名/発表者名
      富田風太, 寺前順之介
    • 学会等名
      Neuro2022

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公開日: 2023-12-25  

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