トップダウン的アプローチによる時空間神経ダイナミクスの解明と脳型計算機への応用

使用自上而下的方法阐明时空神经动力学并应用于类脑计算机

• 批准号: 18J12197
• 负责人: 守谷 哲
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-04-25 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18J12197/
• 关键词: 神経回路モデル; ニューラルネットワーク; 脳型計算; ネットワーク; シミュレーション; 脳型コンピュータ; 時系列情報処理; リザバー計算

脳型情報処理の解明及び工学的応用に向け，構造を制御した培養神経回路と，そこで発現する時空間ダイナミクスを定量的に結び付けるためのシミューションモデルを構築し，神経ダイナミクスの時系列情報処理応用について検討した．また，神経ダイナミクスを再現する脳型ハードウェアの必須要素であるアナログニューロン回路LSIを製作した．モジュール構造に代表されるような神経回路網の構造が神経時空間ダイナミクスに与える影響を数値シミュレーションから調べ，モジュラーネットワークにおいては神経ダイナミクスの複雑性がランダムネットワークに比べ高くなることを明らかにした．また，Reservoir Computingの枠組みから神経ダイナミクスを時系列情報処理に応用し，構造の異なるネットワークの音声認識性能を評価した．ランダムネットワークとモジュラーネットワーク共に90%以上の認識性能を達成し，神経ダイナミクスを活用した脳型計算の実応用に向けて有益な知見が得られた．特にモジュラーネットワークは一部のモジュールが損傷した場合でも全体のダイナミクスは維持される性質を有する為，環境ノイズや素子のばらつきが大きい環境においても脳型ハードウェアが正しく動作しうる可能性が示唆された．更に，低消費電力で神経ダイナミクスを再現する脳型ハードウェアの実現に向けて，65 nm CMOSプロセスで動作しうるアナログニューロン回路LSIを製作した．本LSIにおいて，神経細胞が示すスパイク状の電圧波形が数種類再現することを確認した．これらの結果は神経ダイナミクスの情報処理応用及び脳型ハードウェアの実現に向け重要な知見であり，神経科学および脳型計算機の発展に寄与するものである．

Type 脳 intelligence 処 Richard の interpret and び engineering 応 with け に to construct を suppression し た cultivate 経 loop と, god そ こ で 発 now す spatial ダ る イ ナ ミ ク ス を quantitative に knot び pay け る た め の シ ミ ュ ー シ ョ ン モ デ ル を し, god 経 ダ イ ナ ミ ク ス の series intelligence 処 reason 応 use に つ い て beg し 検 た. ま た, god 経 ダ イ ナ ミ ク ス を reappearance す る 脳 type ハ ー ド ウ ェ ア の essential elements で あ る ア ナ ロ グ ニ ュ ー ロ ン loop LSI を making し た. モ ジ ュ ー ル tectonic に representative さ れ る よ う な when god 経 back road network の tectonic が 経 space ダ イ ナ ミ ク ス に and え る influence を the numerical シ ミ ュ レ ー シ ョ ン か ら べ, モ ジ ュ ラ ー ネ ッ ト ワ ー ク に お い て は god 経 ダ イ ナ ミ ク ス の complex 雑 sex が ラ ン ダ ム ネ ッ ト ワ ー ク に higher than べ く な る こ と を Ming ら か に し た. ま た, Reservoir Computing の 枠 group み か ら god 経 ダ イ ナ ミ ク ス を series intelligence 処 when Richard に 応 し, の different structures な る ネ ッ ト ワ ー ク の sounds know を performance evaluation 価 し た. ラ ン ダ ム ネ ッ ト ワ ー ク と モ ジ ュ ラ ー ネ ッ ト ワ ー ク に total more than 90% の meet performance reach し を, god 経 ダ イ ナ ミ ク ス を use し た 脳 type calculation の be 応 with に to け て な beneficial knowledge が must ら れ た. Special に モ ジ ュ ラ ー ネ ッ ト ワ ー ク は a の モ ジ ュ ー ル が damage し た occasions で も all の ダ イ ナ ミ ク ス は maintain さ れ る nature を have す る for environmental ノ イ ズ や element child の ば ら つ き が big き い environment に お い て も 脳 type ハ ー ド ウ ェ ア が is し く action し う が る possibility in stopping さ れ た. More に, low power consumption で god 経 ダ イ ナ ミ ク ス を reappearance す る 脳 type ハ ー ド ウ ェ ア の be am に to け て, 65 nm CMOS プ ロ セ ス で action し う る ア ナ ロ グ ニ ュ ー ロ ン loop LSI を making し た. This LSIにお て て, the が of the Shinto cell shows the が number and type reproduction of the すスパ <s:1> <s:1> type of <s:1> voltage waveform が, する する とを, confirming the た. こ れ ら の results は god 経 ダ イ ナ ミ ク ス の intelligence 処 Richard 応 and び 脳 type ハ ー ド ウ ェ ア の to be presently に け な knowledge で あ り, god 経 science お よ び 脳 type computer の 発 exhibition に send す る も の で あ る.

项目成果

IzhikevichニューロンモデルアナログMOS回路のLSI実装とその評価

Izhikevich神经元模型模拟MOS电路的LSI实现及其评估

• 发表时间: 2020
• 作者: 田村 祐樹;守谷 哲;加藤達暉;櫻庭 政夫;佐藤 茂雄;堀尾喜彦
• 通讯作者: 堀尾喜彦

モジュール構造型神経回路モデルにおける機能的複雑性の解析

模块化神经电路模型的功能复杂性分析

• 发表时间: 2019
• 作者: Satoshi Moriya;Hideaki Yamamoto;Zhixiong Chen;Kei Wakimura;Ayumi Hirano-Iwata;Shigeru Kubota;Shigeo Sato;Satoshi Moriya;守谷 哲，山本 英明，袁 之雄，脇村 桂，平野 愛弓，久保田 繁，佐藤 茂雄
• 通讯作者: 守谷 哲，山本 英明，袁 之雄，脇村 桂，平野 愛弓，久保田 繁，佐藤 茂雄

Mean-field analysis of directed modular networks

有向模块化网络的平均场分析

• DOI: 10.1063/1.5044689
• 发表时间: 2019
• 期刊: Chaos
• 影响因子: 2.9
• 作者: S. Moriya;H. Yamamoto;H. Akima;A. Hirano-Iwata;S. Kubota;S. Sato
• 通讯作者: S. Sato

Modular and global synchronization in modular neuronal network models

模块化神经网络模型中的模块化和全局同步

• 发表时间: 2018
• 作者: S. Moriya;H. Yamamoto;K. Ide;H. Akima;J. Soriano-Fradera;A. Hirano-Iwata;S. Kubota;S. Sato
• 通讯作者: S. Sato

University of Barcelona/Universitat Politecnica de Catalunya(スペイン)

巴塞罗那大学/加泰罗尼亚理工大学（西班牙）