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1 認知 脳科学論 Yuichiro Anzai 1

2 心的外傷後ストレス障害 PTSD (Post-Traumatic Stress Disorder) Yuichiro Anzai 2

3 情動刺激 感覚視床 感覚皮質 ステロイドホルモン 海馬 扁桃体 副腎皮質 下垂体 ー + 視床下部 副腎皮質刺激ホルモン 副腎皮質刺激ホルモン放出因子 ステロイドホルモン Yuichiro Anzai 3

4 情動刺激 大脳皮質 意識下の情報処理 情動体験 海馬 情動に関する情報 ポジティブフィードバック 扁桃体 Yuichiro Anzai 4

5 認知科学と人工知能 共立出版より Yuichiro Anzai 5

6 認知科学と人工知能 共立出版より Yuichiro Anzai 6

7 Marr s Definition of Representation From D.Mar Vision, W.H.Freeman, A representation is a formal system making explicit certain entities or types of information, together with a specification of how the system does this. And I shall call the result of using a representation to describe a given entity a description of the entity in that representation. Yuichiro Anzai 7

8 良構造の問題 (well-structured problem) を解く方略 (strategy) の学習 問題 : 以下の問題を解くための方略を見つけなさい : 状態の集合 (state space) 状態遷移関数 (state transition function) 操作子の集合 (set of operators) 初期状態 (initial state) 最終状態 (goal state) のすべてが与えられたとき 初期状態を最終状態に遷移させる操作子の系列を求めなさい Yuichiro Anzai 8

9 例題 : ハノイの塔 のパズル 3 本の棒 (peg) x, y, zのうち 棒 xに それぞれ大きさの異なるn 個の円盤 (disk) が 大きな円盤が下になるように置かれている これらの円盤をすべて 棒 zに移しなさい ただし 一度に動かせる円盤は1 枚だけとし どの円盤についてもその円盤より大きな円盤を上に置いてはいけないものとする x y z ======================= Yuichiro Anzai 9

10 ハノイの塔 のパズルを解く方略 方略の例 : Macro-operator strategy Step1: nが1 ならば 円盤 1をx からzに移す Step2: そうでなければ Step2-1: n-1 個の円盤をxからyに移す問題を解き Step2-2: 円盤 nをx からzに移し Step2-3: n-1 個の円盤をyからz に移す問題を解く (define hanoi (n x y z) if n=1 then (move 1 x z) else hanoi (n-1 x z y) move (n x z) hanoi (n-1 y x z)) Yuichiro Anzai 10

11 方略学習の一般理論 (Y.Anzai & H.A.Simon,1979) The Learning-by-Doing process discovered: 1. Trial-and-error Search Strategy 2. Working Backward Strategy 3. Working Forward Strategy 4. Macro-operator Strategy Yuichiro Anzai 11

12 悪構造の問題 (ill-structured problem) を解く方略の学習 Y.Anzai: Cognitive Control of Real-time Eventdriven Systems, Cognitive Science, 問題の定義が明らかでないので まず問題の構造を発見しなければならない (1) 方略学習を行いながら問題自体の構造を見出す (2) 問題構造発見の結果を Learning-by- Doing の手続きに付け加える Yuichiro Anzai 12

13 Yuichiro 13 Anzai

14 Yuichiro 14 Anzai

15 Yuichiro 15 Anzai

16 Yuichiro 16 Anzai

17 Yuichiro 17 Anzai

18 Yuichiro Anzai 18

19 マルチニューロン活動記録法 (Tetrode) Tetrode: 近傍にある複数のニューロンから同時にニューロン活動を計測する方法スパイク波形 電極とニューロンとの相対関係をもとにマルチニューロン活動を選別する手法京都産業大学高橋晋博士提供 Yuichiro Anzai 19

20 スパイク波形 既存の Spike Sorting 法 Maximum Amplitude Minimum Amplitude 1.24msec 仮定 1: 同一ニューロンから発生するスパイクの波形は一定である仮定 2:1msec 以内に他のニューロンはスパイクを発生しない 京都産業大学高橋晋博士提供自動的なSpike sorting 法 : k-means Yuichiro クラスタリング法 Anzai EM algorithm 20 etc.

21 10mV ニューロン活動の多点同時記録 時間分解能シナプスの発火 (EPSP) 平均発火率 ( ラスタ表示 ) 1ms 空間分解能 I 層 100ms 大脳皮質のカラム構造 IV 層 0.5mm 機能カラム円柱 ニューロン活動を計測するのに必要な時空間分解能時間分解能 1ms 以下京都産業大学高橋晋博士提供 Yuichiro 空間分解能 Anzai 0.1mm 以下 21

22 計測手法 PET MRI などのCT 微小電極法 MEG( 脳磁計測 ) EEG( 脳波計測 ) Optical Imaging 法 マサチューセッツ工科大学山本純博士提供 Yuichiro Anzai 22

23 mm (log) 神経活動の記録法 MEG,EEG f-mri Optical Imaging (dye) microelectrode Second (log) 多点同時記録 Optical Imaging 法 (dye) 微小電極法が有力 MIT 山本純博士提供 Yuichiro Anzai 23

24 計測手法の比較 1. Optical Imaging 法 長所 (Cohen, Grinvald, Dinse, Taniguchi, F 神経細胞ネットワーク非破壊 同時に数万点の計測可能 ms オーダの時間分解能 短所 2. 慢性微小電極法 脳表面の振動 ( 呼吸 心拍 ) S/N 低下 麻酔下実験動物 慢性学習実験に不向き ( McNaughton, Wilson, Sakurai...) 長所 覚醒状態で計測可能 ローカルなニューロン活動記録 ms オーダの時間分解能 短所 電極挿入に伴う神経細胞ネットワーク侵害 挿入本数 数十本オーダ MIT 山本純博士提供 Yuichiro Anzai 24

25 記憶の機能 大脳皮質 cortex 長期的な記憶に関与 参照記憶 現在までのところ 海馬 - 皮質間の動的な相互作用を捉えた研究は少ない 海馬 hippocampus 短期的な記憶に関与 作業記憶 MIT 山本純博士提供 Yuichiro Anzai 25

26 540 nm( 緑 ) Optical Imaging 法 (Cohen et al,1986) 128 x 128 ch Photo Diode Array computer 光変化量 1/10000 I-V 変換 A/D 変換 Voltage Sensitive Dye RH795 MIT 山本純博士提供 Yuichiro Anzai 26

27 大脳皮質ー海馬間の相互作用 音刺激 大脳皮質 聴覚野の記憶構造 ( Wienberger et.al. ) 感覚受容器 聴覚神経 電気刺激 MGB EC 海馬 CA1 Optical Imaging を使った従来研究 感覚野のみの計測 聴覚野 (Taniguchi, Fukunishi et.al.) 視覚野 (Dinse et.al.) MIT 山本純博士提供 Yuichiro Anzai 27

28 実験システムの概要 (A) Photodiode array Optical Block Optical Recorder Trigger (A) PC WS (B) EEG To CA1 Sound Isolator Earphone Stimulator Trigger Generator (C) ECG Comparator (B) Respirator Pulse Timing Sequencer (C) Life Maintenance Block Timing Block MIT 山本純博士提供 Yuichiro Anzai 28

29 実験パラメータ 350~400g Guinea pig Click Stimulation : 65dB,200μs Hippocampal Stimulation : 0.19mA,200μs MIT 山本純氏提供 Yuichiro Anzai 29

30 実験 Exp.1 Click Sound Stimulation Only Exp.2 Hippocampal Stimulation Only Exp.3 Click & Hippocampal Stimulation MIT 山本純博士提供 Yuichiro Anzai 30

31 MIT 山本純博士提供 14.2ms Yuichiro Anzai 38.4ms 62.4ms 31 (1) Click Sound Stimulation Only 実験結果 0.25% % 14.2ms 38.4ms 62.4ms (2) Hippocampal Stimulation Only 14.2ms 38.4ms 62.4ms (3) Click Sound and Hippocampal Stimulation 14.2ms 38.4ms 62.4ms (4) Click Sound Stimulation Only (Checking plasticity changes)

32 実験結果の時系列変化 Exp(a) Exp(c) dorsal rostral Auditory Cortex MIT 山本純博士提供 Yuichiro Anzai 32

33 考察 音刺激 大脳皮質 感覚受容器 聴覚神経 電気刺激 MGB 海馬 CA1 聴覚刺激を行うと聴覚野で約 100msの誘発応答が観測された 海馬のみの電気刺激では聴覚皮質に誘発応答は見られなかった 聴覚 - 海馬 CA1 領域の複合同時刺激を行うと 聴覚刺激のみの応答一部が選択的に抑制されることが発見された MIT 山本純博士提供 Yuichiro Anzai 33

34 Optical Imaging 法のまとめ 1 学習の過程で重要な働きをする大脳皮質と海馬において 海馬の神経活動が大脳皮質に及ぼす選択的な重畳効果が認められた 2 その結果 海馬の神経活動はそれ単体の活動では皮質ニューロンを発火させるようなものではないが 感覚入力がある場合には抑制の効果をもたらすことが実験的に示唆された Optical Imaging 法により 従来の方法では捉えることが困難であった皮質 -- 海馬間のダイナミックな相互作用が詳細に計測された MIT 山本純博士提供 Yuichiro Anzai 34

35 設定温度 + 温度調節器 - ヒーター 水槽温度 フィードバックループ Yuichiro Anzai 35

36 外乱 + 設定温度温度調節器 目標値 - 操作量 ヒーター 水槽温度 センサ フィードバックループ Yuichiro Anzai 36

37 フィードフォワード制御 外乱 + 設定温度温度調節器 目標値 - 操作量 ヒーター 水槽温度 センサ フィードバック制御 Yuichiro Anzai 37

38 情報源 符号機 ( 送信機 ) 通信路 復元機 ( 受信機 ) 到達先 ノイズ Yuichiro Anzai 38

39 数理科学 小脳と内部モデル ( 銅谷賢治 ) より引用 Yuichiro Anzai 39

40 数理科学 小脳と内部モデル ( 銅谷賢治 ) より引用 Yuichiro Anzai 40

41 数理科学 小脳と内部モデル ( 銅谷賢治 ) より引用 Yuichiro Anzai 41

42 エイホ ホプクロフト ウルマン オートマトン 言語理論 計算論 I, Yuichiro サイエンス社より Anzai 42

43 エイホ ホプクロフト ウルマン オートマトン 言語理論 計算論 I, Yuichiro サイエンス社より Anzai 43

44 エイホ ホプクロフト ウルマン オートマトン 言語理論 計算論 I, サイエンス社より Yuichiro Anzai 44

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