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2012 年度 実績報告書

確率脳内シミュレータとしての大脳皮質自発発火活動と学習の解明

公募研究

研究領域予測と意思決定の脳内計算機構の解明による人間理解と応用
研究課題/領域番号 24120524
研究機関大阪大学

研究代表者

寺前 順之介  大阪大学, 情報科学研究科, 准教授 (50384722)

研究期間 (年度) 2012-04-01 – 2014-03-31
キーワード脳 / 神経 / ゆらぎ / 確率 / 情報処理 / 連想記憶 / ネットワーク / 確率共鳴
研究実績の概要

大脳皮質の自発発火活動は強いゆらぎを伴っているため、神経情報処理における単なる背景ノイズと見なされることもあったが、実際は感覚刺激の認知・推定・判断といった神経情報処理に重要な影響を与える事が解明され始めている。本研究計画では、この大脳皮質自発発火活動が何らかの意味で過去の感覚刺激の経験を脳内モデルとして蓄積したものであり、確率推論の先見知識として利用しているのではないかとの作業仮説に基づいて理論研究を進めた。まず自発発火活動の生成メカニズムを解明し、その自発発火活動が持つ神経情報処理における機能を解明することを試みた。その結果、大脳皮質の神経ネットワークが示す不規則で非同期な自発発火活動の実現には、大脳皮質興奮性神経細胞間に稀に存在する極めて強い興奮性シナプスの存在が重要なことを明らかにできた。この稀な強シナプスと多数の弱シナプスの結合の共存が重要であり、どちらか一方が欠けても安定した自発発火活動の維持は不可能になる。さらに、本年度の研究では、自発発火活動レベルの変調によって何らかの神経情報処理が実際に実現できる事を見るため、極端な強弱シナプスの共存を、連想記憶構造を持つ神経ネットワークモデルに導入してその能力と性質を調査した。その結果、細胞間での自発発火活動レベルの変調によって、埋め込まれた記憶パターンが安定して想起される事を明らかにできた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

大脳皮質自発発火活動の安定した実現メカニズムを解明した点、及びその基盤となっている極端な強弱シナプスの共存を連想記憶モデルに組み入れることで、自発発火レベルの変調によって神経細胞モデルの発火確率をコントロールでき、実際に連想記憶パタンの安定した想起が実現できる事を示した点は、自発発火活動を用いた大脳皮質の確率的脳内シミュレーションの実現の基礎となる機能である。このことからこれらの研究成果により本研究計画の目標達成への重要なステップが実現できたと考えられる。一方、自発発火やその変調を刺激の経験によって獲得する学習過程に関しては十分研究が進展しておらず、次年度に残る重要な課題である。

今後の研究の推進方策

本研究課題のこれまでの研究により、自発活動の学習過程との関連においては、単純な可塑性メカニズムでは自発活動の安定した維持と学習が実現できない事がわかってきた。そこで今後は、可塑性メカニズムの詳細な研究から、より大局的な学習過程の議論に研究の中心を移す計画である。詳細な可塑性実現メカニズムとしてはスパイク時間依存可塑性と呼ばれる、スパイク発火時刻に着目した可塑性メカニズムがよく知られているが、この可塑性メカニズムそのものではなく、発火率とその変調、あるいは発火相関の有無など粗視化された量に基づく可塑性を検討する予定である。また同時に、連想記憶モデル等の明確な構造を含んだ神経ネットワークモデルを対象とすることで、大脳皮質での確率情報が自発発火活動にどのように表現されるかの可能性も検討する予定である。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2013 2012 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (8件) (うち招待講演 5件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Optimal spike-based communication in excitable networks with strong-sparse and weak-dense links2012

    • 著者名/発表者名
      Jun-nosuke Teramae, Yasuhiro Tsubo, Tomoki Fukai
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 2 ページ: 485

    • DOI

      10.1038/srep00485

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Associative memory model with long-tail-distributed Hebbian synaptic connections2012

    • 著者名/発表者名
      Naoki Hiratani, Jun-nosuke Teramae, Tomoki Fukai
    • 雑誌名

      Frontiers in computational neuroscience

      巻: 6 ページ: 102

    • DOI

      10.3389/fncom.2012.00102

    • 査読あり
  • [学会発表] Internal noise and memory states in cortical networks with highly heterogeneous connections2013

    • 著者名/発表者名
      Jun-nosuke Teramae
    • 学会等名
      統計数理研究所研究会神経科学と統計科学の対話
    • 発表場所
      統計数理研究所, 東京
    • 年月日
      2013-02-18 – 2013-02-19
    • 招待講演
  • [学会発表] 中枢神経系の構造・ダイナミクス・確率的情報処理2012

    • 著者名/発表者名
      寺前順之介
    • 学会等名
      定量生物学の会第5回年会
    • 発表場所
      東京大学生産技術研究所,東京
    • 年月日
      2012-11-23 – 2012-11-25
  • [学会発表] 神経情報処理における自発活動の動的特性2012

    • 著者名/発表者名
      寺前順之介
    • 学会等名
      ネットワーク構造と生命現象
    • 発表場所
      JR博多シティ,福岡
    • 年月日
      2012-11-02 – 2012-11-03
    • 招待講演
  • [学会発表] Spike-based stochastic resonance with optimal internal noise in cortical networks with strong-sparse weak-dense connections2012

    • 著者名/発表者名
      Jun-nosuke Teramae
    • 学会等名
      42nd Annual Meeting of Society for Neuroscience (Neuroscience 2012)
    • 発表場所
      New Orleans, USA
    • 年月日
      2012-10-13 – 2012-10-17
  • [学会発表] A spike-based associative memory with strong-sparse and weak-dense Hebbian connections2012

    • 著者名/発表者名
      Hiratani Naoki
    • 学会等名
      42nd Annual Meeting of Society for Neuroscience (Neuroscience 2012)
    • 発表場所
      New Orleans, USA
    • 年月日
      2012-10-13 – 2012-10-17
  • [学会発表] 背景ゆらぎを積極的に織り込む神経ネットワークの情報伝達戦略2012

    • 著者名/発表者名
      寺前順之介
    • 学会等名
      NetSci/CCS研究会
    • 発表場所
      北海道大学,北海道
    • 年月日
      2012-08-09 – 2012-08-10
    • 招待講演
  • [学会発表] 計算論的視点からの神経オシレーションと揺らぎの数理2012

    • 著者名/発表者名
      寺前順之介
    • 学会等名
      神経オシレーション:共振とディスリズミア
    • 発表場所
      自然科学研究機構岡崎コンファレンスセンター,愛知
    • 年月日
      2012-07-12 – 2012-07-13
    • 招待講演
  • [学会発表] 神経ネットワークにおけるノイズの起源と機能2012

    • 著者名/発表者名
      寺前順之介
    • 学会等名
      力学系とその周辺分野の研究
    • 発表場所
      京都大学数理解析研究所,京都
    • 年月日
      2012-07-09 – 2012-07-13
    • 招待講演
  • [備考] 寺前順之介のホームページ

    • URL

      http://www-waka.ics.es.osaka-u.ac.jp/~teramae/index.html

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公開日: 2018-02-02  

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