Exploration of mathematical Basis of Self-reorganization of Neural Networks

2019 Fiscal Year Final Research Report

• Project Area: Non-linear Neuro-oscillology: Towards Integrative Understanding of Human Nature
• Project/Area Number: 15H05878
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Chubu University (2017-2019); Hokkaido University (2015-2016)
• Principal Investigator: TSUDA Ichiro 中部大学, 創発学術院, 教授 (10207384)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 伊藤 浩之 京都産業大学, 情報理工学部, 教授 (80201929)
• Project Period (FY): 2015-06-29 – 2020-03-31
• Keywords: 拘束条件付き自己組織化 / てんかん脳波 / ニューロフィードバック / カオス力学系 / パワースペクトル / ゆらぎ / 相互情報量 / 最適化問題

Outline of Final Research Achievements

We aimed to propose bio-markers for epileptic seizures and also for complex visual hallucinations that patients of dementia with Lewy bodies can see. For this purpose, we established a mathematical theory for self-organization with constraints, and neuro-feedback systems with animals, which detect circular causality between microscopic and macroscopic states of neural activity by means of interactions with environment. Based on these theoretical and experimental frameworks, we found the appearance of dynamical systems with a few degrees of freedom and reduction of fluctuations of power spectrum, which can be bio-markers of epileptic seizures. We also found abnormal synaptic learning in self-reorganization processes, which can provide a neural mechanism of network diseases.

Free Research Field

応用数学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

てんかん患者の脳波データの数理解析によっててんかん発作直前と発作間欠期の脳波異常を定量化し、てんかん発作のバイオマーカーとなりうる指標を提案したところに学術的意義とともに社会的インパクトがある。また、レビー小体型認知症患者が経験する人や動物などの視覚性幻覚の神経機構として、拘束条件の下での自己再組織化過程における注意異常とともにシナプス学習異常を提案したことは学術的意義が高く、ネットワーク病態の一つを明らかにしたという意味において社会的意義が高い。さらに、脳と環境とのニューロフィードバック系を確立したことは、ブレイン・マシーンインターフェイス研究に大きなインパクトを与え、学術的意義は大きい。