脳の情報処理の原理は何か。答え、知りたくない?

深井 朋樹深井 朋樹

深井 朋樹, Ph.D.

神経情報・脳計算研究チーム チームリーダー
tfukai [at] riken.jp

研究内容

認知、学習と記憶、意思決定などの高次脳機能は、脳の神経回路の働きによって実現されます。当研究室では脳の計算原理と、それを実現している神経回路メカニズムを明らかにするために、実験と理論の両面から研究を行なっています。
回路メカニズムに拘るのは、計算原理を実装しているメカニスティックな仕組みに、脳の情報処理の優位性の秘密があると感じているためです。とくに脳の神経回路は、ノイズを積極的に利用して本質的に確率的なこの世界を“モデル化”し、その知識を利用して計算することで、知覚認知や意思決定などを効率的かつ柔軟に行なっていると考えられます。また計算に要する消費エネルギーが少ないという脳の情報処理の特徴も(たかだか数十ワット程度と言われています)、脳がコンピュータのように、信号とノイズが明確に分離された方法で計算を実行していない可能性を示唆します。
そのような脳の計算の“確率過程”を解明し、脳型情報処理機械の創造を可能にするための理論的基盤を築くことが、当研究室の究極の目標です。

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主要論文

  1. Handa, T., Takekawa, T., Harukuni, R., Isomura, Y., and Fukai, T.:
    'Medial Frontal Circuit Dynamics Represents Probabilistic Choices for Unfamiliar Sensory Experience.'
    Cerebral Cortex 27, 3818-3831 (2017).
    10.1093/cercor/bhx031
  2. Omura, Y., Carvalho, M.M., Inokuchi, K., and Fukai, T.:
    'A lognormal recurrent network model for burst generation during hippocampal sharp waves.'
    The Journal of Neuroscience 35, 14585-14601 (2015).
    10.1523/JNEUROSCI.4944-14.2015
  3. Hiratani, N., and Fukai, T.:
    'Mixed signal learning by spike correlation propagation in feedback inhibitory circuits.'
    PLoS Computational Biology 11, e1004227, 1-36 (2015).
    10.1371/journal.pcbi.1004227
  4. Igarashi, J., Isomura, Y., Arai, K., Harukuni, R., and Fukai, T.:
    'A θ-γ oscillation code for neuronal coordination during motor behavior.'
    The Journal of Neuroscience 33, 18515–18530 (2013).
    10.1523/JNEUROSCI.2126-13.2013
  5. Teramae, J., Tsubo, Y., and Fukai, T.:
    'Optimal spike-based communication in excitable networks with strong-sparse and weak-dense links.'
    Scientific Reports 2, 485, 1-6 (2012).
    10.1038/srep00485
  6. Tsubo, Y., Isomura, Y., and Fukai, T.:
    'Power-law inter-spike interval distributions infer a conditional maximization of entropy in cortical neurons.'
    PLoS Computational Biology 8, e1002461, 1-11 (2012).
    10.1371/journal.pcbi.1002461
  7. Yazaki-Sugiyama, Y., Kang, S., Cateau, H., Fukai, T., and Hensch, T.K.:
    'Bidirectional plasticity in fast-spiking GABA circuits by visual experience.'
    Nature 462, 218-221 (2009).
    10.1038/nature08485
  8. Isomura, Y., Harukuni, R., Takekawa, T., Aizawa, H., and Fukai, T.:
    'Microcircuitry coordination of cortical motor information in self-initiation of voluntary movements.'
    Nature Neuroscience 12, 1586-1593 (2009).
    10.1038/nn.2431
  9. Teramae, J., and Fukai, T.:
    'Temporal precision of spike response to fluctuating input in pulse-coupled networks of oscillating neurons.'
    Physical Review Letters 101, 248105, 1-4 (2008).
    10.1103/PhysRevLett.101.248105
  10. Miura, K., Tsubo, Y., Okada, M., and Fukai, T.:
    'Balanced excitatory and inhibitory inputs to cortical neurons decouple firing irregularity from rate modulations.'
    The Journal of Neuroscience 27, 13802-13812 (2007).
    10.1523/JNEUROSCI.2452-07.2007