多点同時記録による側頭葉における階層的な顔画像情報のコーディング機構の解明

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20K12588
• 研究機関: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
• 研究代表者: 菅生 康子 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 情報・人間工学領域, 研究グループ長 (40357257)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 顔識別 / TE野 / ニューロン / 深層ネットワーク / 連想記憶モデル

研究実績の概要

顔識別の神経基盤と考えられる、側頭皮質ニューロンによる顔画像情報の時間的コーディングの神経機構を明らかにすることを目的としている。時間的コーディングとは、側頭皮質TE野の神経発火に、顔の大まかな分類（サルかヒトか）が詳細な分類（個体や表情）より時間的に早くコーディングされる現象として観察できる。その神経機構を明らかにするため、側頭皮質のTE野とそれより前段階の処理を行うTEO野において、顔画像に対するニューロン活動を記録し、相互情報量解析により、ネットワークとしての情報処理像を明らかにする。また、計算機シミュレーションにより連想記憶モデルを基に時間的コーディングを支える神経回路モデルを構築し、神経機構の理解につなげる。
2021年度は神経回路モデルの構築を試みた。連想記憶モデルに簡単なビット列を入力することで、時間的コーディングに関わる神経活動を定性的に模すことはできていた（Matsumoto et al., 2005）。入力を画像データとする神経回路モデルにおいて時間的コーディングを検証する必要があった。そこで、初期視覚野の情報処理を模し画像認識の精度が高い深層ネットワーク（Xception net）に、連想記憶モデル（Hopfieldモデル）を組み合わせた。この組み合わせモデルに画像データを入力したところ、出力が「犬」に続いて「ダルメシアン」のように、画像中の物体のカテゴリーを階層的に表現することが観察された。深層ネットワークのみでは階層的な出力は観察できない（Matsumoto et.al., 2021）。すなわち、深層ネットワークに組み合わせた連想記憶モデルにより階層的な情報の出力が可能であり、連想記憶モデルにおける回帰結合がその出力に重要であることが示唆された。これらの結果を論文誌で発表した（Matsumoto et.al., 2022）。

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

計算機シミュレーションによる神経機構の理解に取り組み、研究成果を論文誌として発表したため。

今後の研究の推進方策

引き続きTEO野とTE野の情報処理を比較し、顔の分類に関する情報の流れを明らかにする。

次年度使用額が生じた理由

神経回路モデルの構築を主に進めたため次年度使用額が生じた。実験のための実験補助員の雇用に使用する。

研究成果

• [雑誌論文] Recurrent Connections Might Be Important for Hierarchical Categorization (2022)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Narihisa、Taguchi Yusuke、Shimizu Masaumi、Katakami Shun、Okada Masato、Sugase-Miyamoto Yasuko
  • 雑誌名: Frontiers in Systems Neuroscience 巻: 16 ページ: 805990
  • DOI: 10.3389/fnsys.2022.805990
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A convolutional neural network for estimating synaptic connectivity from spike trains (2021)
  • 著者名/発表者名: Endo Daisuke、Kobayashi Ryota、Bartolo Ramon、Averbeck Bruno B.、Sugase-Miyamoto Yasuko、Hayashi Kazuko、Kawano Kenji、Richmond Barry J.、Shinomoto Shigeru
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 ページ: 12087
  • DOI: 10.1038/s41598-021-91244-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 階層的カテゴリー化における再帰的ネットワークの重要性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 清水将海、片上舜、田口優介、岡田真人、菅生康子、松本有央
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] 霊長類側頭皮質の顔反応ニューロンにおける画像分類情報と受容野面積の関係 (2022)
  • 著者名/発表者名: 塩谷佳介、片上舜、林和子、松田圭司、松本有央、赤穗昭太郎、河野憲二、岡田真人、菅生-宮本康子
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] PsychoPyとiRecHS2を用いた心理実験システムの構築 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松田圭司、菅生康子、林和子
  • 学会等名: 第17回 空間認知と運動制御研究会 学術集会
• [学会発表] 階層的カテゴリー分類におけるリカレント結合の重要性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 清水将海、片上舜、田口優介、岡田真人、菅生康子、松本有央
  • 学会等名: 東京理科大学パラレル脳センシング技術研究部門 第１回公開シンポジウム
• [学会発表] 顔反応ニューロンがコードする分類情報と受容野面積の関係 (2021)
  • 著者名/発表者名: 塩谷佳介、片上舜、林和子、松田圭司、松本有央、赤穗昭太郎、河野憲二、岡田真人、菅生-宮本康子
  • 学会等名: 東京理科大学パラレル脳センシング技術研究部門 第１回公開シンポジウム
• [学会発表] Effects of different facial surface properties on neuronal activity in the temporal cortex and on discrimination learning in macaque monkeys (2021)
  • 著者名/発表者名: Kazuko Hayashi, Narihisa Matsumoto, Keiji Matsuda, Kenichiro Miura, Shigeru Yamane, Mark A. G. Eldridge, Richard C Saunders, Barry J. Richmond, Yuji Nagai, Naohisa Miyakawa, Takafumi Minamimoto, Masato Okada, Kenji Kawano, Yasuko Sugase-Miyamoto
  • 学会等名: 日本動物心理学会第81回大会
• [学会発表] Effects of differences in facial surface properties on temporal cortical neuronal activity and discrimination learning in macaque monkeys (2021)
  • 著者名/発表者名: Kazuko Hayashi, Narihisa Matsumoto, Keiji Matsuda, Kenichiro Miura, Shigeru Yamane, Shin Matsuo, Keiji Yanai, Mark A. G. Eldridge, Richard C Saunders, Barry J. Richmond, Yuji Nagai, Naohisa Miyakawa, Takafumi Minamimoto, Masato Okada, Kenji Kawano, Yasuko Sugase-Miyamoto
  • 学会等名: 第44回日本神経科学大会
• [学会発表] 顔の知覚を支える霊長類脳の腹側視覚経路 (2021)
  • 著者名/発表者名: 菅生康子
  • 学会等名: 第27回脳機能とリハビリテーション研究会学術集会
  • 招待講演