2021 Fiscal Year Annual Research Report
Theoretical approaches to adaptive neuronal circuits identified by the cell type census
| Project Area | Census-based biomechanism of circuit construction and transition for adaptive brain functions |
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| Project/Area Number |
21H05246
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
島崎 秀昭 北海道大学, 人間知・脳・AI研究教育センター, 特任准教授 (50587409)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田中 琢真 滋賀大学, データサイエンス学部, 准教授 (40526224)
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| Project Period (FY) |
2021-09-10 – 2026-03-31
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| Keywords | 神経スパイクデータ解析 / ベイズ脳仮説 / 自由エネルギー原理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、刻々と変化する環境に効率的かつ柔軟に適応する生物の適応能力の情報論的な機構を遺伝子・回路レベルで明らかにすることを目的とし，そのために必要な神経細胞集団の時系列解析技術と適応学習の理論を一貫した数理モデルで構築することで，データに基づく統一的な適応理論を構築することを目標としている．これにより先鋭的な神経回路活動の計測・操作技術と網羅的な遺伝子発現の解析技術に基づいて，適応を担う基盤回路を解明するという学術的な問いに答える．
初年度である本年度は主たる業務として研究実施体制の構築および基盤整備を行なった．計算機機器・サーバを選定・購入し，その整備(ハードウェア設置・ネットワーク環境整備・ストレージのRAID構成・ストレージサーバ構成・GPU使用環境整備・ ユーザー管理・各種解析ソフト導入・PythonおよびJupyterHub環境整備等)を行なった．神経活動データの統計解析技術として構築している「イジングモデルを用いた状態空間解析法(状態空間-イジングモデル)」のPythonによる解析環境を，導入した計算機サーバ上で確立し，Allen InstituteやCRCNSが提供するin vivo神経スパイク活動のオープンデータセットに適用して運用を確認した．また，脳が有する外界のモデルとそれに基づく推論が任意のニューラルネットワークで実現され，能動的推論と呼ばれる行動制御もシナプス可塑性の時間遅れを伴う修飾によって実現されることを示す共同研究を行い，出版した（Isomura, Shimazaki, Friston. Communications Biology, 2022）．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
初年度の目標である，大規模解析に向けた環境構築が順調に進んだ．神経細胞集団の活動を外界の生成モデルに基づく推論として解釈するための理論研究についても共同研究による成果を得た．
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| Strategy for Future Research Activity |
神経活動データの統計解析技術である「イジングモデルを用いた状態空間解析法」を用いて，詳細な細胞情報を含めて集団活動ダイナミクスの可視化する技術の開発を進める．また，神経スパイク活動データから背後の局所神経回路網の構造や構成神経細胞の細胞種別を特定する手法についての理論研究およびデータ解析，環境適応のダイナミクスの原理を神経スパイクデータに直接適用して検証可能な理論モデルの構築を進める．
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