Data driven approach integrating optics and machine learning to uncover parallel computation mechanism in brain circuits

集成光学和机器学习的数据驱动方法揭示大脑回路中的并行计算机制

• 批准号: 21H02801
• 负责人: 揚妻 正和
• 金额: $ 11.32万
• 依托单位: National Institutes for Quantum Science and Technology (2021, 2023)National Institute for Physiological Sciences (2022)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H02801/
• 关键词: 二光子イメージング; population coding; 並列計算; 前頭前野; 光遺伝学

大脳皮質の中でも前頭前野は、快・不快の情動や外界からの感覚刺激などの様々な情報を並列処理することで、生存に不可欠な判断を可能にする。一方、脳回路は増設可能な電子回路とは異なり、限られた容量を効率的に利用するための「脳独自の並列処理様式」がその機能を支えると推察されるが、技術的制限によりその理解は理論や仮説の提唱に留まってきた。本課題では、新たな２光子イメージングシステムを開発し、マウス前頭前野の最大数千の神経細胞一つ一つから詳細な活動を記録しながら、複数の情動記憶が並列に形成される行動課題を実施可能にした。得られる学習過程を通じた長期神経活動記録を元に、機械学習によるデータ駆動型の解読と、光遺伝学による精密な因果性の検証により、前頭前野における並列処理の核となる要素を同定し、脳独自の並列処理様式の実態を実証することを目指している。着目するマウス内側前頭前野（mPFC）は正負両方のvalence（恐怖・報酬など正負両方向の情動）の記憶を制御する。そこで2021年度は、valenceの異なる二つの記憶を同時平行に獲得する課題を行い、それらの記憶がmPFC内部で混線せずに保持される状態を解読した。学習課程を通じた神経細胞集団の活動記録を元に、二つの記憶がmPFC内部でどのように構築され、どのように分別して想起されるかについて調べ、そこからmPFC神経細胞集団が異なる記憶を分別しながら並列に情報処理する機序を明らかにした。特に、共同研究を通じてモデルベースの機械学習を用いた解析法を開発し、mPFCでの並列計算の鍵となる神経細胞集団（アンサンブル）の検出を可能とした。さらに、その検出結果をnoise correlation、グラフ理論などにより数理学的に評価し、脳情報動態の変遷を可視化することに成功した。

In the middle of the cortex, there is a front field, a fast field, an unpleasant field, an external field, a sensory stimulation field, and a possible field of judgment. A square circuit may be added to the electronic circuit, and the capacity of the circuit may be limited. The utilization of the circuit may be limited to the capacity of the circuit. The function of the circuit may be limited to the technical limit. The theory may be understood. This topic is a new development of photon information system, which can record the activity of the largest thousands of neurons in the front field, and form the action task in parallel. The learning process is characterized by long-term mental activity recording, mechanical learning, dynamic analysis, precise causal identification, parallel processing, and core identification. The memory of the negative value of the negative value of the negative value For the year 2021, the memory of two different values is simultaneously obtained in parallel, and the memory of two different values is maintained in the internal state of mPFC. The learning curriculum is composed of two parts: the memory of the neuron set activity record, the memory of the neuron set activity record and the memory of the neuron set activity record. In particular, joint research has been conducted on the development of mechanical learning through the use of analytical methods, and the development of parallel computing keys for mPFC and the detection of neural cell clusters. The results of the survey are noise correlation, mathematical evaluation, and visualization.

项目成果

メキシコ国立自治大学(メキシコ)

墨西哥国立自治大学（墨西哥）

恐怖記憶生成における前頭前野情報処理と神経回路再編

恐惧记忆生成中的前额皮质信息处理和神经回路重组

• 发表时间: 2021
• 作者: Yasuda;T.;Nishiki;K.;Hiraki;Y.;Kato;H.;Iwama;M.;Shiraishi;O.;Yasuda;A.;Shinkai;M.;Kimura;Y.;Sukegawa;Y.;Chiba;Y.;Imano;M.;Takeda;K.;Satou;T.;Shiozaki;H.;and Nakamura;Y.;揚妻正和
• 通讯作者: 揚妻正和

Activity-dependent organization of prefrontal hub-networks for associative learning and signal transformation

用于联想学习和信号转换的前额叶中枢网络的活动依赖组织

• DOI: 10.1101/2021.08.31.458461
• 发表时间: 2021
• 期刊: bioRxiv
• 作者: Agetsuma Masakazu;Sato Issei;Tanaka Yasuhiro R;Carrillo-Reid Luis;Kasai Atsushi;Arai Yoshiyuki;Yoshitomo Miki;Inagaki Takashi;Hashimoto Hitoshi;Nabekura Junichi;Nagai Takeharu
• 通讯作者: Nagai Takeharu

Optical and computational dissection of prefrontal neural circuit for fear memory.

恐惧记忆前额神经回路的光学和计算解剖。

• 发表时间: 2021
• 作者: Agetsuma M.;Sato I.;Tanaka Y.;Kasai A.;Arai Y.;Yoshitomo M.;Hashimoto H.;Nabekura J.;Nagai T.:
• 通讯作者: Nagai T.: