計算モデルとfMRI解析による脳の運動機能発達・加齢での抑制システムの構成的理解

使用计算模型和功能磁共振成像分析对大脑运动功能发育和衰老过程中的抑制系统进行建设性理解

• 批准号: 22K15622
• 负责人: 朴 志勲
• 金额: $ 2.91万
• 依托单位: National Institute of Information and Communications Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K15622/
• 关键词: 抑制性ニューロン; 複雑性; 自己組織化; スパイクニューラルネットワーク; 計算モデル; 抑制システム; 脳の発達・加齢; fMRI解析

興奮性ニューロンと抑制性ニューロンは脳の基本的な構成要素であり，健康な神経回路は興奮と抑制の均衡（E/I）がとれている．本課題では，脳の運動発達や加齢に伴い，局所的なE/Iの違いが抑制システムの変化と仮説を立て，スパイクニューラルネットワークを用いて調べることにする．また，ヒトのfMRIデータのネットワーク解析を通じた検証過程を含めて，構成的に理解することを目的とする．当年度は，その基礎となるモデルを構築し，局所的なE/I均衡の崩れが神経ネットワーク内の結合の形成，神経活動の複雑性，また，外部入力に対する情報伝達に異常をもたらすことを示した．モデルは興奮性と抑制性ニューロンから構成されるニューロン集団を複数用いたネットワークであり，ニューロン間の結合はスパイクタイミング依存性可塑性則(STDP)によって自己組織化される．モデル内の局所的なE/I均衡を制御するため，一つのニューロン集団における抑制性ニューロンの数と抑制性シナプスの重みの値を変化させた．実験の結果から，抑制が弱い場合，過剰な結合が形成されと共に，過剰な結合をもつニューロン集団の神経活動の複雑性が減少することがわかった．また，外部入力に対するネットワーク全体での情報伝達が下がることがわかった．もし，モデルのニューロン集団を脳の局所領域と仮定すると，この結果は，抑制活動が弱くなることによって，脳領域の結合が密になり，外部からの入力，例えば感覚入力に対する領域間の情報伝達が障害されると解釈できる．この結果は，局所領域内のE/I均衡に関する生理学的パラメータが，STDPを通じた脳構造と機能の相互作用を支え，ネットワーク全体の情報伝達に寄与する重要な要因であることを示唆している．

兴奋性和抑制性神经元是大脑的基本成分，而健康的神经回路在激发和抑制之间平衡（E/I）。在这个主题中，我们假设局部E/I差异是抑制系统的变化，因为脑运动和年龄，并使用尖峰神经网络进行了调查。这项研究的目的是提供结构化的理解，包括通过网络分析人类fMRI数据的验证过程。在当年，我们构建了基本模型，并表明局部的E/I平衡破坏导致神经网络中连接形成，神经活动的复杂性以及向外部输入的信息传递。该模型是一个使用由兴奋性和抑制性神经元组成的多个神经元群体的网络，神经元之间的连接是由尖峰时序依赖性可塑性法（STDP）自组织的。为了控制模型中的局部E/I平衡，我们更改了一个神经元种群中抑制性神经元的数量和抑制突触的重量值。实验结果表明，当抑制作用较弱时，形成过度结合，并且神经元种群中神经活性的复杂性降低了。还发现，跨网络的信息传输减少了外部输入。如果我们假设神经元种群是大脑的局部区域，则可以将此结果解释为弱抑制活性会导致大脑区域的紧密联系，从而损害了区域与外部输入之间的信息传播，例如感觉输入。该结果表明，在本地区域内有关E/I平衡的生理参数是通过STDP支持大脑结构和功能相互作用的重要因素，并有助于整个网络的信息传输。

项目成果

スパイキングニューラルネットワークにおける抑制の減弱がもたらす神経活動の複雑性の低下

尖峰神经网络中的抑制减弱导致神经活动的复杂性降低

• 发表时间: 2023
• 作者: Sai Sun;Shinsuke Shimojo;Shioiri Satoshi;朴志勲，河合祐司，浅田稔
• 通讯作者: 朴志勲，河合祐司，浅田稔