Development of statistical analysis methods for visualizing nonlinear activity of large-scale neural populations

开发可视化大规模神经群体非线性活动的统计分析方法

• 批准号: 20K11709
• 负责人: 島崎 秀昭
• 金额: $ 2.83万
• 依托单位: Kyoto University (2022)Hokkaido University (2020-2021)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K11709/
• 关键词: 状態空間モデル; イジングモデル; 神経スパイクデータ; キネティック・イジングモデル; 非平衡系; 情報幾何; 平均場近似; 神経符号化; 非線形ダイナミクス

本研究は，脳が有する外界のモデルを実験データから明らかにするための基盤的な統計解析技術として，時間変動する神経細胞集団の発火頻度と相関構造を逐次推定する技術として我々がこれまでに構築した【状態空間－イジングモデル】を発展させ，より大規模・非線形な神経細胞集団活動の解析を可能にする技術を開発することを目的としている．３年目にあたる本年度は，キネティック・イジングモデルを用いた状態空間モデルの推定精度および計算時間等の定量的検証を行った．また，キネティック・イジングモデルの古典的モデルである非対称Sherrington-Kirkpatrickモデルに対する秩序・無秩序相転移およびパターン生成等の基礎的特徴について理論的な研究を行い，厳密解を得る等の成果を得た．これらに加えて，従来型の状態空間－イジングモデルの実データへの適用も行った．特に，本年度出版された論文（Shomali, Ahmadabadi, Rasuli, Shimazaki. Communications Biology, 2023）の中で，Allen Instituteが提供する覚醒下のマウスの第一次視覚野神経細胞集団から記録した３つの神経細胞集団のスパイク時系列データに本手法を適用することで，視覚刺激等の影響で変動する発火頻度の影響を取り除いた上で，強い負の３次相関が見出せることを示した．これにより，当該論文の主張を強く補完することができた．

这项研究是一种基本的统计分析技术，用于根据实验数据阐明大脑外部世界的模型。该项目的目的是开发我们构建的[状态空间-伊辛模型]，并开发能够分析更大范围的技术。 -规模、非线性神经元群体活动。今年，第三年，我们利用动力学伊辛模型定量验证了状态空间模型的估计精度和计算时间。我们还对经典的动力学伊辛模型——非对称Sherrington-Kirkpatrick模型的有序-无序相变和图案生成等基本特征进行了理论研究，并获得了获得精确解等结果。除此之外，我们还将传统的状态空间Ising模型应用于实际数据。特别是，在今年发表的一篇论文中（Shomali，Ahmadabadi，Rasuli，Shimazaki。Communications Biology，2023），从艾伦研究所提供的清醒小鼠的初级视觉皮层神经元群体中记录了三个神经元，通过应用这种方法来记录尖峰时间。通过对人群的系列数据，我们发现在消除由于视觉刺激的影响而波动的放电频率的影响后，可以发现很强的负三次相关性。结果，我们能够有力地补充论文的论点。

项目成果

Uncovering hidden network architecture from spiking activities using an exact statistical input-output relation of neurons

使用神经元的精确统计输入输出关系从尖峰活动中揭示隐藏的网络架构

• DOI: 10.1038/s42003-023-04511-z
• 发表时间: 2023
• 影响因子: 5.9
• 作者: Shomali Safura Rashid;Rasuli Seyyed Nader;Ahmadabadi Majid Nili;Shimazaki Hideaki
• 通讯作者: Shimazaki Hideaki

Sussex University(英国)

苏塞克斯大学（英国）

State-space analysis for neural population dynamics

神经群体动力学的状态空间分析

• 发表时间: 2022
• 作者: Hideaki Shimazaki; Ken Ishihara; Ulises Rodriguez Dominguez; Sai Sumedh Hindupur; Miguel Aguilera; S. Amin Moosavi; Magalie Tatischeff; Jimmy Gaudreault; Christian Donner
• 通讯作者: Christian Donner

Revealing hidden microcircuits using higher-order interactions of neuronal activity

利用神经元活动的高阶相互作用揭示隐藏的微电路

• 发表时间: 2021
• 作者: Safura Rashid Shomali; S. Nader Rasuli; Hideaki Shimazaki
• 通讯作者: Hideaki Shimazaki

Hunger Potentiates the Habenular Winner Pathway for Social Conflict by Orexin-Promoted Biased Alternative Splicing of the AMPA Receptor Gene

饥饿通过 Orexin 促进的 AMPA 受体基因的选择性剪接增强了社会冲突的缰核获胜者途径

• DOI: 10.1016/j.celrep.2020.107790
• 发表时间: 2020
• 影响因子: 8.8
• 作者: Nakajo Haruna;Chou Ming;Kinoshita Masae;Appelbaum Lior;Shimazaki Hideaki;Tsuboi Takashi;Okamoto Hitoshi
• 通讯作者: Okamoto Hitoshi