| 研究課題/領域番号 |
22246054
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
田村 進一 大阪大学, その他部局等, 名誉教授 (30029540)
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| 研究期間 (年度) |
2010-04-01 – 2015-03-31
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| キーワード | 符号分布図 / 擬似ランダム系列 / 脳内情報通信 |
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| 研究概要 |
我々は、脳内通信機構の解明を神経回路ベースで進めており、当初はループ回路が生成するM系列などの疑似ランダム系列が、記憶（ループ回路）と、通信のための符号（疑似ランダム系列）の役割を同時に担うとの仮説をたてた。上述の仮説に基づき、ratの培養胎児脳から生成した培養神経細胞が発するスパイク列の時系列解析をしたところ、いくつかの局面で予測通り、M系列を中心とする疑似ランダム系列が偶発的より有意に発生することが発見・証明され、本年度上半期、その成果を論文誌上で発表したY.Nishitani et al.,Comput Intell Neurosci., 2012）。 これは疑似ランダム系列により、脳内情報通信が行われている可能性を示唆したものと考えられる。そこで、この通信メカニズムの解明を目的に、どのような擬似ランダム系列パターンがどのようなタイミングで出現するか、またこれらのパターンの出現に、異なるニューロン間での相関はあるかを解析するため、以下の取り組みを行った。
（１）符号分布図の考案 符号分布図とは、培養神経回路網において、特定の擬似ランダム系列パターンの出現タイミング並びに出現部位を動画的に示したものである。これは神経回路の分布状態と通信動態を反映しており、電気的・論理的に神経回路の構成と機能の解明を行うことができる。これにより、複数の擬似ランダム系列パターンが神経回路網内を伝播していく様子が、視覚的に確認できた。
（２）擬似ランダム系列の同期の検出異なるニューロン間において、特定のタイムラグを持って同期している擬似ランダム系列パターンを検出した。その結果、偶発的より有意の多くのパターンが検出された
とくに本年度においては、上述の取り組みにより、通信のメカニズム解明の手掛かりを得られたことが、非常に大きな成果であった。
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| 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
我々はtime-shift図法を開発し，頭表脳波・皮質脳波，MEGからの脳波伝播解析を世界に先駆けて行った．そこでは，様々な情報が同時並行的に脳内各部に順次伝達される状態が可視化された．そこで我々は，脳構成論の立場から，記憶の基本はループ回路であり，このような経路の探索・形成がHebb則に従う神経回路で可能であり，記憶銘記，連想，抽象化，記憶の再構成など脳情報処理の基本機能が，単純な経路形成のみで統一的に説明され，生理的・神経回路的に実現可能であることを示す研究を進めている．これらのシミュレーション的実証については，平成21－23年度挑戦的萌芽研究「脳の自己組織化：記憶・連想・抽象化のループ回路的実現」において，ループ回路へのバックプロパゲーション学習の適用などを行った結果，time-shift図を説明できるような通信機能の自己組織化が物理的に実現可能であることが分かった．本研究ではこれらの仮説実証のための生理学的実験を行い，理論と実験の両方からの仮説検証を目指している．
これまでにラット皮質（視覚第一野）および培養神経細胞につき，マルチチャネル電極を用いて神経スパイク系列を観測した．その結果，培養神経細胞の刺激に対する応答を多数回観測したPSTHの自己相互情報量中にM系列と思われる応答を見い出した．また培養神経細胞のPSTH中並びにラスタープロット中にM系列と見られる応答を見いだした．さらにラットV1野に各種M系列を発見した．その上で、解析の対象をM系列以外の擬似ランダム系列に拡張し、どのような擬似ランダム系列パターンがどのようなタイミングで出現するか、またこれらのパターンの出現に、異なるニューロン間での相関はあるかを解析を行った．その成果は，【研究実績の概要】で記した通りである．
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| 今後の研究の推進方策 |
【研究実績の概要】でも記した通り、我々は、脳内通信機構の解明を神経回路ベースで進めており、当初はループ回路が生成するM系列などの疑似ランダム系列が、記憶（ループ回路）と、通信のための符号（疑似ランダム系列）の役割を同時に担うとの仮説をたてた。上述の仮説に基づき、ratの培養胎児脳から生成した培養神経細胞が発するスパイク列の時系列解析をしたところ、いくつかの局面で予測通り、M系列を中心とする疑似ランダム系列が偶発的より有意に発生することが発見・証明され、本年度上半期、その成果を論文誌上で発表したY.Nishitani et al.,Comput Intell Neurosci., 2012）。 これは疑似ランダム系列により、脳内情報通信が行われている可能性を示唆したものと考えられる。今後は、この通信メカニズムの解明を目的に、どのような擬似ランダム系列パターンがどのようなタイミングで出現するか、またこれらのパターンの出現に、異なるニューロン間での相関はあるかをより詳細に解析するため、すでに試作している符号分布図の改良、またこれをを用いて、符号同期のメカニズムの解析を視覚的、数理学的に進める。その上で、時間符号化と空間符号化の使い分け・組み合わせ方、ループ学習、外部刺激による学習・同期化・シーケンスのゆらぎへなどの影響についても探究する。
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