平成12年度未来開拓学術研究推進事業研究成果報告書概要



1.研究機関名 玉川大学
 
2.研究領域 複合
 
3.研究分野 生命情報
 
4.研究期間 平成8年度〜平成12年度
 
5.研究プロジェクト番号 96I00104
 
6.研究プロジェクト名 情報表現の自己組織と学習ニューロチップ

7.プロジェクト・リーダー
プロジェクト・リーダー名 フリガナ 所属部局名 職名
塚田 稔 ツカダ ミノル 工学部 教授

8.コア・メンバー

コア・メンバー名 フリガナ 所属研究機関名・所属部局名 職名
斎藤 秀昭 サイトウ ヒデアキ 玉川大学・脳科学研究施設/工学部 教授
星宮 望 ホシミヤ ノゾミ 東北大学・大学院工学研究科 教授
合原 一幸 アイハラ カズユキ 東京大学・新領域創成科学研究科 教授

9.研究協力者

研究協力者名 フリガナ 所属研究機関名・所属部局名 職名
津田 一郎 ツダ イチロウ 北海道大学・大学院理学研究科 教授
二見 亮弘 フタミ リョウコウ 東北大学・大学院工学研究科 助教授
堀尾 喜彦 ホリオ ヨシヒコ 東京電機大学・工学部 助教授

10.研究成果の概要

本研究は脳の学習・記憶のダイナミックな情報表現に注目し、質的に異なる情報を統合した複合システムがどのような情報表現を創出するかをモデルと実験によって明らかにした。具体的には海馬(短期記憶)と皮質(長期記憶)の複合システムに注目し、記憶の書き込みと読み出しのダイナミックな特徴を生理実験で明らかにするとともに、そのモデルのフィージビリティーを確認しハードウェアとしての学習ニューロチップの集積回路化に成功した。そのモデルの特徴は次の4つのアルゴリズムからなる。
記憶の書き込みモデルのアルゴリズム
1)時空間学習則(本研究成果)により時空間の事象の文脈を形成し、海馬ニューラルネットの荷重空間に一時的に記憶する(短期記憶)。
2) 1)の文脈情報と感覚入力をアドレス情報(グローバル情報とミクロ情報の統合)として連合野に安定なアトラクター構造を作り記憶する(長期記憶)。
記憶の読み出しモデルのアルゴリズム
3)海馬の文脈と感覚入力がアドレス情報となる。
4)アドレス情報に基づいて皮質上にダイナミックな細胞集合体を形成する。
このアルゴリズムに基づいてシミュレーションを実施した結果、学習の書き込みではヘブおよびヘブの拡張則に比較して時空間学習則が文脈の分離機能の向上に極めて有効であるばかりでなく、学習速度も速く“にせ”記憶の数も減少した。また、読み出し機能では従来の勾配降下法やランダム検索のメモリ想起方法に比較し、読み出し速度と誤り率で極めて優れていることが明らかとなった。

11.キーワード

(1)記憶、(2)学習、(3)海馬―皮質記憶システム
(4)ダイナミック情報表現、(5)時空間学習則、(6)文脈アドレス
(7)動的細胞集団

12.研究発表(印刷中も含む)

[雑誌論文]
著者名 論文標題
Hironori Matsuda, Takeshi Aihara, Masami Tatsuno, Minoru Tsukada and Kazuyuki Aihara Chaotic stimulus dependent long-term potentiation in the hippocampal CAI area
雑誌名 発行年 ページ
Biosystems 58 2000 pp.273-279

著者名 論文標題
Takeshi Aihara, Minoru Tsukada and Hironori Matsuda Two dynamic processes for the induction of long-term potentiation in hippocampal CAI area
雑誌名 発行年 ページ
Biological Cybernetics 82 2000 pp.189-195

著者名 論文標題
高橋晋、小林祐喜、相原威、塚田稔、安西祐一郎 独立成分分析によるOptical Imaging Dataからの神経活動分離
雑誌名 発行年 ページ
日本神経回路学会誌 8 2000 pp.3-12

著者名 論文標題
小林祐喜、島崎秀昭、相原威、塚田稔 海馬CA1野の入力と出力逆伝搬の時間タイミング依存性LTP/LTD
雑誌名 発行年 ページ
日本神経回路学会誌     In press

著者名 論文標題
塚田稔 海馬神経回路の学収則とそのモデル
雑誌名 発行年 ページ
実験医学 18 2000 pp.2673-2680

著者名 論文標題
松田広則、相原 威、塚田 稔、龍野正実、合原一幸 海馬CA1野のカオス時系列刺激依存性長期増強(LTP)
雑誌名 発行年 ページ
日本神経回路学会誌 6 1999 pp.117-127

著者名 論文標題
山本 純、高橋宗良、塚田 稔、安西祐一郎 Analog FPAAと組込用MCUを用いた完全無拘束動物実験のための多点ニューロン同時計測システムの開発
雑誌名 発行年 ページ
日本神経回路学会誌 6 1999 pp.3-10

著者名 論文標題
山本 純、門司廣之、大神田瑞樹、塚田 稔、佐々木寛、福西宏有、安西祐一郎 音と海馬の複合刺激によってモルモット聴覚皮質に誘起されるダイナミックな相互作用 -オプティカルイメージ解析-
雑誌名 発行年 ページ
日本神経回路学会誌 6 1999 pp.11-16

著者名 論文標題
塚田稔 脳の記憶のメカニズム
雑誌名 発行年 ページ
Computer Today 84 1999 pp.22-27

著者名 論文標題
Takeshi Aihara, Minoru . Tsukada Michael C. Crair, and Shigeru Sinomoto Stimulus-Dependent Induction of Long-Term Potentiation in CAl Area of the Hippocampus ; Experiment and Model
雑誌名 発行年 ページ
Hippocampus 7 1997 pp.416-426

著者名 論文標題
塚田稔 記憶神経回路と学習則
雑誌名 発行年 ページ
神経研究の進歩 41 1997 pp.843-854

著者名 論文標題
Minoru Tsukada, Takeshi Aihara, Hideaki Saito and Hiroshi Kato Hippocampal LTP depends on spatial and temporal correlation of inputs
雑誌名 発行年 ページ
Neural Network 9 1997 pp.1357-1365

著者名 論文標題
Minoru Tsukada, Takeshi Aihara, Hideaki Saito, Hiroshi Kato, Michael C. Crair, and Shigeru Sinomoto Spatio-temporal aspects of learning and memory in the hippocampal-cortical memory system
雑誌名 発行年 ページ
Biological Cybernetics 1 1996 pp.113-136

著者名 論文標題
Okamoto H., Kawakami, S., Saito, H., Hida, E., Odajima, K., Tamanoi, D., Ohno, H. MT neurons in the macaque exhibited two types of bimodal direction tuning as predicted by a model for visual motion detection
雑誌名 発行年 ページ
Vision Research 39 1999 pp.3465-3479

著者名 論文標題
Adachi M. and Aihara K Associative Dvnamics in a Chaotic Neural Network
雑誌名 発行年 ページ
Neural Networks 10 1997 pp.83-98

著者名 論文標題
市瀬夏洋、合原一幸、岡部洋一 パルスニューラルネットワークにおける相関コーディングとディレイ適応
雑誌名 発行年 ページ
日本神経回路学会誌 4 1997 pp.10-17

著者名 論文標題
堀尾喜彦 カオスニューロコンピュータ
雑誌名 発行年 ページ
Computer Today 14 1997 pp.14-21

著者名 論文標題
平田祥人、下川英敏、合原一幸 1次元写像のエントロピー関数と情報源符号化
雑誌名 発行年 ページ
電子情報通信学会論文誌 12 1999 pp.1780-1792

著者名 論文標題
加納 慎一郎, 伊藤 猛, 風見 邦夫, 二見 亮弘, 星宮 望 音長の違いに対するミスマッチ応答についての脳波・脳磁図による検討
雑誌名 発行年 ページ
医用電子と生体工学 35 1997 pp.460-465

著者名 論文標題
Erdi P. and Tsuda I. Hermeneutic approach to the brain
雑誌名 発行年 ページ
Theoria et historia scientiarum     In press

著者名 論文標題
Tsuda I. and Hatakeyama M. Making sense of internal logic : Theory and case study
雑誌名 発行年 ページ
Science of interfaces     In press

著者名 論文標題
Tsuda I. and Kuroda S. Cantor coding in the hippocampus
雑誌名 発行年 ページ
J. J. appl. math.     In press

著者名 論文標題
Tsuda I. Towards an interpretation of dynamic neural activity in terms of chaotic dynamical systems
雑誌名 発行年 ページ
Behavioral and brain science     In press

著者名 論文標題
Matsuda H., Aihara T., Tatsuno M., Tsukada M. and Aihara k. Chaotic stimulus dependent long-term potentiation in the hippocampal CA1 area
雑誌名 発行年 ページ
Biosystems Vol.58 2000 pp.273-279

著者名 論文標題
Aihara T., Tsukada M. and Matsuda H. Two dynamic processes for the induction of long-term potentiation in hippocampal
雑誌名 発行年 ページ
Biological Cybernetics Vol.82 2000 pp.189-195

著者名 論文標題
塚田稔 海馬神経回路の学習則とそのモデル
雑誌名 発行年 ページ
実験医学 Vol.18 2000 pp.2673-2680

著者名 論文標題
小林祐喜、島崎秀昭、相原威、塚田稔 入力と出力逆伝搬の時間タイミング依存性LTP/LTD
雑誌名 発行年 ページ
日本神経回路学会誌 In press 2001  

著者名 論文標題
高橋晋、小林祐喜、相原威、塚田稔、安西祐一郎 独立成分分析によるOptical Imaging Dataからの神経活動分離
雑誌名 発行年 ページ
日本神経回路学会誌 In press 2001  

著者名 論文標題
Erdi P. and Tsuda I. Hermeneutic approach to the brain
雑誌名 発行年 ページ
Theoria et historia scientiarum In press 2001  

著者名 論文標題
Tsuda I. and Hatakeyama M. Making sense of internal logic : Theory and case study
雑誌名 発行年 ページ
Science of interfaces In press 2001  

著者名 論文標題
Tsuda I. and Kuroda S. Cantor coding in the hippocampus
雑誌名 発行年 ページ
J. J. appl. math. In press 2001  

[図書]
著者名 出版者
斎藤 秀昭 脳・心・コンピュータ
書名 発行年 総ページ数
丸善 1996 261

著者名 出版者
斎藤 秀昭 視覚認知と聴覚認知
書名 発行年 総ページ数
オーム社 1999 275

著者名 出版者
Aihara K United Nations University Press
書名 発行年 総ページ数
The Impact of chaos on science and society 1997 401

著者名 出版者
Watanabe M, Aihara K and Kondo S Birkhauser, Boston
書名 発行年 総ページ数
Control and Chaos 1997 333


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