脳の自発揺らぎの数理科学 - その起源と神経情報処理における役割 - 寺前順之介 大阪大学大学院情報科学研究科 u.ac.jp

Similar documents
_netsci_hokkaidou_abst

passive passive active 1 ( ) LTP 1 1) 2) 1 1

Ginzburg-Landau A A Kyoto Univ. Kobe Design Univ. A N. Tsukamoto, H. Fujisaka, K. Ouchi A Ginzburg-Landau ψ = ψ + (1 + ic 1 ) 2 ψ (1 + ic 2 ) ψ 2 ψ (1

untitled

経験ベイズ検定による 偽陽性制御の方法 大羽成征 (( おおばしげゆき 京大数理デザイン道場 年 0077 月 2244 日 1155:: :: u.ac.jp

NotePC 8 10cd=m 2 965cd=m Note-PC Weber L,M,S { i {

BiosuperComput.pptx

THE INSTITUTE OF ELECTRONICS, INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS TECHNICAL REPORT OF IEICE.

{x 1 -x 4, x 2 -x 5, x 3 -x 6 }={X, Y, Z} {X, Y, Z} EEC EIC Freeman (4) ANN Artificial Neural Network ANN Freeman mesoscopicscale 2.2 {X, Y, Z} X a (t

1 Fig. 1 Extraction of motion,.,,, 4,,, 3., 1, 2. 2.,. CHLAC,. 2.1,. (256 ).,., CHLAC. CHLAC, HLAC. 2.3 (HLAC ) r,.,. HLAC. N. 2 HLAC Fig. 2

80 X 1, X 2,, X n ( λ ) λ P(X = x) = f (x; λ) = λx e λ, x = 0, 1, 2, x! l(λ) = n f (x i ; λ) = i=1 i=1 n λ x i e λ i=1 x i! = λ n i=1 x i e nλ n i=1 x

OPA134/2134/4134('98.03)

脳の情報処理機構の解明に向けたデータマイニング技術の開発 Data mining for understanding information processing in the brain 1. はじめに脳は多数の神経細胞が神経回路を構成することにより 外界の認識 運動制御 意思決定のような高度な情

OPA277/2277/4277 (2000.1)

2017 (413812)


Input image Initialize variables Loop for period of oscillation Update height map Make shade image Change property of image Output image Change time L

ohpmain.dvi

AtCoder Regular Contest 073 Editorial Kohei Morita(yosupo) A: Shiritori if python3 a, b, c = input().split() if a[len(a)-1] == b[0] and b[len(

1: DTS r 1, r 2 v ρ(x) = π(r1 2 r2) 2 dr dt 1 v x (2) t=x/v DTS [2] wt% KCl %/ 2 3 5wt% NaCl 3wt% ( ) 2 45 NaCl 300Hz 4-1.3%/ [2]

1 Tokyo Daily Rainfall (mm) Days (mm)


平成14年度 本態性多種化学物質過敏状態の調査研究 研究報告書

第62巻 第1号 平成24年4月/石こうを用いた木材ペレット

seminar0220a.dvi

<4D F736F F D2091EE8B7D95D D95924A C83588CB48D6588C4816B8DC58F4994C5816C2E646F63>

DPA,, ShareLog 3) 4) 2.2 Strino Strino STRain-based user Interface with tacticle of elastic Natural ObjectsStrino 1 Strino ) PC Log-Log (2007 6)

EQUIVALENT TRANSFORMATION TECHNIQUE FOR ISLANDING DETECTION METHODS OF SYNCHRONOUS GENERATOR -REACTIVE POWER PERTURBATION METHODS USING AVR OR SVC- Ju

Isogai, T., Building a dynamic correlation network for fat-tailed financial asset returns, Applied Network Science (7):-24, 206,

2007-Kanai-paper.dvi

: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :

光学

lecture_rev3

kiyo5_1-masuzawa.indd

Mott散乱によるParity対称性の破れを検証

AR(1) y t = φy t 1 + ɛ t, ɛ t N(0, σ 2 ) 1. Mean of y t given y t 1, y t 2, E(y t y t 1, y t 2, ) = φy t 1 2. Variance of y t given y t 1, y t

ohpr.dvi

0A_SeibutsuJyoho-RF.ppt

untitled

[1][2] Lorente de No Rall [3][4][5][6] *2 *3 E m I m I m φ ( 1) ( ) SUA, MUA, LFP, ECoG, EEG 1 1) 1 ( ) φ(lfp,ecog) 2) 1 φ ECoG decoding 2 φ 2.1 φ 1)

Plastic Package (Note 12) Note 1: ( ) Top View Order Number T or TF See NS Package Number TA11B for Staggered Lead Non-Isolated Package or TF11B for S

09基礎分析講習会

九州大学学術情報リポジトリ Kyushu University Institutional Repository 看護師の勤務体制による睡眠実態についての調査 岩下, 智香九州大学医学部保健学科看護学専攻 出版情報 : 九州大学医学部保健学

, (GPS: Global Positioning Systemg),.,, (LBS: Local Based Services).. GPS,.,. RFID LAN,.,.,.,,,.,..,.,.,,, i

tokei01.dvi

H



1

,,.,,.,..,.,,,.,, Aldous,.,,.,,.,,, NPO,,.,,,,,,.,,,,.,,,,..,,,,.,

Unidirectional Measurement Current-Shunt Monitor with Dual Comparators (Rev. B

On the Wireless Beam of Short Electric Waves. (VII) (A New Electric Wave Projector.) By S. UDA, Member (Tohoku Imperial University.) Abstract. A new e

Fig. 1 Relative delay coding.

2012専門分科会_new_4.pptx


PDCA

03.Œk’ì

(1 ) (2 ) Table 1. Details of each bar group sheared simultaneously (major shearing unit). 208

IPSJ SIG Technical Report Vol.2016-CE-137 No /12/ e β /α α β β / α A judgment method of difficulty of task for a learner using simple


1 a b cc b * 1 Helioseismology * * r/r r/r a 1.3 FTD 9 11 Ω B ϕ α B p FTD 2 b Ω * 1 r, θ, ϕ ϕ * 2 *

XFEL/SPring-8

画像工学特論

Experimental and Clinical Studies of Pregnant Hypertension Takashi SHIMAZU Department of Obstetrics and Gynecology, Osaka City University Medical Scho

LM35 高精度・摂氏直読温度センサIC

: u i = (2) x i Smagorinsky τ ij τ [3] ij u i u j u i u j = 2ν SGS S ij, (3) ν SGS = (C s ) 2 S (4) x i a u i ρ p P T u ν τ ij S c ν SGS S csgs

GJG160842_O.QXD


A5 PDF.pwd

第 55 回自動制御連合講演会 2012 年 11 月 17 日,18 日京都大学 1K403 ( ) Interpolation for the Gas Source Detection using the Parameter Estimation in a Sensor Network S. T


Łñ“’‘‚2004

プリント

nsg02-13/ky045059301600033210

ID 3) 9 4) 5) ID 2 ID 2 ID 2 Bluetooth ID 2 SRCid1 DSTid2 2 id1 id2 ID SRC DST SRC 2 2 ID 2 2 QR 6) 8) 6) QR QR QR QR

IPSJ SIG Technical Report An Evaluation Method for the Degree of Strain of an Action Scene Mao Kuroda, 1 Takeshi Takai 1 and Takashi Matsuyama 1

n 2 n (Dynamic Programming : DP) (Genetic Algorithm : GA) 2 i


news

161 J 1 J 1997 FC 1998 J J J J J2 J1 J2 J1 J2 J1 J J1 J1 J J 2011 FIFA 2012 J 40 56

日本統計学会誌, 第44巻, 第2号, 251頁-270頁

LM3886

A5 PDF.pwd

2007/8 Vol. J90 D No. 8 Stauffer [7] 2 2 I 1 I 2 2 (I 1(x),I 2(x)) 2 [13] I 2 = CI 1 (C >0) (I 1,I 2) (I 1,I 2) Field Monitoring Server

3. ( 1 ) Linear Congruential Generator:LCG 6) (Mersenne Twister:MT ), L 1 ( 2 ) 4 4 G (i,j) < G > < G 2 > < G > 2 g (ij) i= L j= N


Visual Evaluation of Polka-dot Patterns Yoojin LEE and Nobuko NARUSE * Granduate School of Bunka Women's University, and * Faculty of Fashion Science,

CHEMOTHERAPY

3B11.dvi

Fig. 1. Example of characters superimposed on delivery slip.

GPGPU

Microsoft PowerPoint - SDF2007_nakanishi_2.ppt[読み取り専用]

LAGUNA LAGUNA 10 p Water quality of Lake Kamo, Sado Island, northeast Japan, Katsuaki Kanzo 1, Ni

プラズマ核融合学会誌11月【81‐11】/小特集5

yasi10.dvi

Fig. 1 Photography of exercise test by Arm Crank Ergometer. Fig. 2 Photography of exercise test by chair with caster. Arm Crank Ergometer Wheelchair T


Page 1 of 6 B (The World of Mathematics) November 20, 2006 Final Exam 2006 Division: ID#: Name: 1. p, q, r (Let p, q, r are propositions. ) (10pts) (a

ばらつき抑制のための確率最適制御

Transcription:

脳の自発揺らぎの数理科学 - その起源と神経情報処理における役割 - 寺前順之介 大阪大学大学院情報科学研究科 teramae@ist.osaka- u.ac.jp

自己紹介 出身は群馬 大学から京都, 物理 非線形物理学 自然の秩序形成, 自己組織化 理化学研究所 理論神経科学 脳の情報処理メカニズム 2012.12- 大阪大学情報科学研究科 キーワードは ゆらぎと確率

脳 大脳皮質 膨大な数の神経細胞 からなるネットワーク 大脳皮質だけで数百億個 それぞれ数千の入出力を持つ Brainbow pyramidal neuron

スパイク発火による情報伝達 - 70mV 時間 時間 つながりの強さ : 興奮性シナプス後電位 (EPSP)

大脳皮質の自発活動 大脳皮質では入力がなくても活動が持続 自発的持続発火活動 (spontaneous ongoing acdvity) 神経細胞 時間 非同期 不規則 低頻度 (1-2Hz) 6 sec Takekawa et al. 膜電位 時間 膜電位も乱雑に大きく変動 Destexhe et al. 2003 Nat. Rev. Neurosci.

自発発火活動の特徴 1 Synaptic noise vivo experiments 膜電位が持ち上がり 大きく揺らぐ 10 6 0.02 80 80 500 ms GABAA GABAA 70 70 60 60 Vm 50(mV) 50 0.1 1 Vm (mv) Fre 静止膜電位 発火しきい値 distribution etailed biophysical models bdestexhe Detailed biophysical et al. 2003 models Nat. Rev. Neurosci. AMPA AMPA 10 0.15 0.15 0.1 0.1 1 10 3 al density 500 60 mvms 0.02 1 10 1 10 3 0.06 stribution mv 20 mv 0.06 0.1 ctral density mv 0.1 Power spectral density Amplitude distribution Amplitude distribution a In vivo experiments Power spectral density Box 1 Synaptic noise 1

自発活動と神経応答 神経応答 = 刺激入力 + 自発活動 (1996 Science)

自発活動と神経応答 神経応答の空間構造 自発活動の空間構造 (1999 Science)

QuesDon 揺らぎの起源は何か? その機能は何か?

神経ネットワークの数理的な記述 単一の神経細胞の記述 C dv dt = g L ( v E ) L g Na m 3 h( v E ) Na g K n 4 ( v E ) K + I ext Hodgikn Huxley equadon

ところが, 神経ネットワークのモデルは 自発揺らぎを説明できなかった No noise source in the brain. Single neurons are silent. 活動が持続しないか爆発してしまう 神経ダイナミクスの大問題

なぜか? ニューロンは多数の弱入力を積算する多数決素子 EPSP ~ 1mV V thr = - 50 mv v 20 mv Dme V rest = - 70 mv 強い同期発火 or 高発火率 仮説 : 多数の弱い結合と少数の極めて強い 結合の共存が鍵ではないか

多数の弱い結合と 少数の極めて強い結合の共存 S. Song, P. J. Sjoestroem, M.Reigl, S. Nelson, D. B. Chklovskii PLoS Biology, 2005, 3(3) 0507-0519 対数正規分布 Lognormal distribudon

極めて不均一なネットワーク結合強度 Lognormal 興奮性細胞 10000 個 Random net, P = 0.1 for exc. 0.5 for inh. 抑制性細胞 2000 個 G max ~ 10 mv ( ) P x 1 = exp 2πσx ( log x µ ) 2 2 2σ

神経細胞モデルは単純に Leaky integrate- and- fire neuron with conductance synapses dv 1 = E dt τ m dg g = + G j δ( t sj τ j) dt τ s j sj ( v V ) g ( v V ) g ( v V ) rest E I I V thr = - 50 mv v 20 mv Dme V rest = - 70 mv 外部ノイズや 背景ノイズは用いなくて良い

2,400 2 2,500 2,600 自発発火活動が再現される ノイズ源は要らない 20 神経細胞 1 0 2,400 0 2,400 時間 2,500 Time (ms) 2,500 2,600 4 2-50 -70 2,000 時間 0 0 2,600 非同期 不規則 低頻度 1-2Hz 膜電位 0 40 Inhibitory pool (Hz) 0 膜電位も乱雑に大きく変動 3,000

膜電位の強い揺らぎ 抑制性神経細胞 興奮性神経細胞 静止膜電位 発火閾値 膜電位の UP 状態

10-50 l (mv) 3.0 b 少数の強結合 d Cross correlation 0.4 ゆらぎの機能は何か? C.C. 多数の弱結合への入力 0.2背景ゆらぎ 0.0-60 -50-40 Mean membrane potential (mv) c activity (Methods). Spike threshold is V thr 5250 [mv] an to V0.3 r 5260 mv after spiking. The refractory period is 1 The values 理論 of G i for excitatory-to-excitatory connectio tributed such 数値計算 that the amplitude of EPSPs x measured resting 0.2potential obey a lognormal distribution exp { log x{m px ðþ~ ð Þ2 2s 2 pffiffiffiffiffi 2p 0.1 sx Cross correlation 揺らぎがスパイク伝達効率 e を最適化! www.nature.com/scientifi on each neuron (Fig. 1a), where the values s51.0 and m-s 2 well replicate the experimentally observed long-tailed di of EPSP 0.0 amplitudes 33,34. We declined any unrealistic valu gives an -70 amplitude larger than 20 [mv] by drawing -50 a from the Mean distribution. membrane The resultant potential amplitude (mv) of stron was about 0.0 10 [mv] on 1.0 each neuron. 2.0 For 3.0 simplicity, to-inhibitory, inhibitory-to-excitatory Firing rate (Hz) and inhibitory-to synapses have uniform values of G i 50.018, 0.002 a respectively. 0.5 Excitatory-to-excitatory synaptic transmiss an EPSP amplitude-dependent rate 膜電位の of p E 5 a/(a1ep a50.1 [mv] 34. We first demonstrate numericallyup that the state long-tailed d of EPSP amplitudes achieves aperiodic stochastic resonan sequence on a single neuron receiving random synap

In vitro dynamic- clamp experiment for real cordcal neurons by Yasuhiro Tsubo

神経細胞は確率的ゲート素子ではないか 伝統的な見方 v 多数決素子 Signal... internal environment of the local circuit (inference from many other paths)

自己組織的確率共鳴 G max = 10 mv v V thr = - 50 mv 20 mv V rest = - 70 mv c 0.3 neuron as a stochasdc gadng unit signal... Cross correlation 0.2 0.1 0.0-70 -50 Mean membrane potential (mv) 0.0 1.0 2.0 3.0 Firing rate (Hz) e Noise 0.5is self- organized by network itself!

Context- dependent noise control AssociaDve memory with the lognormal weight distribudon Prob ξ µ i = 1 = a P G Prob ξ µ ij = ξ µ µ i ξ j i = 0 = 1 a µ=1 G ij sort G ij and map them to the lognormal distribudon G ij Hiratani, Teramae and Fukai 2013

Numerical simuladon sparseness a = 0.1 memory pa0ern p = 130 transient input to a memory pa0ern inhibitory neurons spontaneous ongoing firing pa0ern retrieval excitatory neurons (background) neurons of the evoked pa0ern inhibitory exc. neurons of the evoked pa0ern other excitatory neurons

membrane potendals spontaneous state Typical amplitude of strongest EPSPs memory retrieval condidonal prob. of output for given input on the strongest synapse Retrieval pa0ern spontaneous Background mean membrane potengal Sequence selecdon by background noise moduladon

大脳皮質自発揺らぎの起源と機能 稀な強結合 正確な情報の伝播 ゆらぎ不規則性 多数の弱結合 ネットワークの非常に強い不均一性 ( 多数の弱結合と少数の非常に強い結合の共存 ) が脳の自発揺らぎを生む 自発揺らぎがスパイク情報伝達を最適化自己組織的確率共鳴 文脈依存でノイズ強度をコントロールできる 内的なノイズ制御による情報処理

Collaborators Tomoki Fukai (RIKEN) Yasuhiro Tsubo (Ritsumeikan Univ.) Naoki Hiratani (Univ. Tokyo)