計算素子としての神経の学習原理とその工学的実現

神经元作为计算元件的学习原理及其工程实现

基本信息

批准号：
01550331
负责人：
榊原学
金额：
$ 1.09万
依托单位：
Toyohashi University of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for General Scientific Research (C)
财政年份：
1989
资助国家：
日本
起止时间：
1989 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は生物の神経系における情報処理様式を工学的に実現し、ニュ-ロコンピュ-タの計算原理を確立することをめざしている。このためウミウシの連想学習・記憶に着目し、その情報処理過程を生物学的に忠実なモデルで数理記述することを目的とした。その第一段階として、学習情報が蓄積されるB型視細胞について電気生理実験より得られるデ-タを基礎としてホジキン・ハクスレ-型の連立微分方程式によりモデル化を進めた。B型視細胞にはこれまでの実験からカリウム,カルシウム,ナトリウム性の各電圧依存性イオン電流が定性的に確認されていたが、これら電流を膜電位固定法によって各成分を分離、抽出し、それぞれを並列要素とする等価回路で記述した。カリウム電流については活性化時定数、電圧依存性の違いからI_A,I_C,I^kの3種の電流が知られており、それら成分についても独立に記述した。また実験測定系をもモデル化することによりシミュレ-ション結果と実験結果の対応ずけが容易になった。連想学習を獲得した動物のB型視細胞では、3種のイオン電流中2種のカリウム電流 (I_A,I_C)だけが有意に減少するが、これをモデル中でそれぞれのカリウムコンダクタンスの減少として表わした。このようにして得られたB型視細胞のモデルは膜電位に依存するイオン電流を正確に表現するものであるが、この結果を基礎として光応答を再構成したところ、学習によるI_cの不活性化により光応答の第2成分が増大することが予測された。学習による光応答の変化はこれまで報告されていなかったが、今回のシミュレ-ション結果をうけて動物実験を行ない、これを確認した。本研究では学習、記憶に関わる素子としてB型視細胞の性質を解析的に明らかにしたが、今後B型視細胞と機能的に連絡している他の神経細胞との結合様式を明らかにし、神経回路網として学習・記憶がどのように表現されるか研究を進める予定である。

这项研究旨在设计生物神经系统中的信息处理系统，并建立神经计算机的计算原理。因此，我们专注于海蛞蝓的联想学习和记忆，旨在使用生物学上忠实的模型从数学上描述信息处理过程。第一步，我们基于 B 型光感受器电生理实验获得的数据，使用 Hodgkin-Huxley 型联立微分方程开发了一个模型，其中积累了学习信息。先前的实验已经定性证实了 B 型感光细胞中钾、钙和钠的电压依赖性离子电流，每种电流都被描述为具有并联元件的等效电路。关于钾电流，由于激活时间常数和电压依赖性的差异，已知三种类型的电流：I_A、I_C和I^k，并且这些分量也被独立描述。此外，通过对实验测量系统进行建模，可以更轻松地将仿真结果与实验结果关联起来。在获得联想学习的动物的B型感光细胞中，三种离子电流（I_A、I_C）中只有两种明显减少，但这在模型中表现为每种钾电导的减少。通过这种方式获得的B型感光细胞模型准确地表达了依赖于膜电位的离子电流，但是当基于该结果重建光响应时，发现由于学习而导致I_c失活。据预测，第二个光响应的分量会增加，因为到目前为止，尚未报道因学习而引起的光反应变化，但根据本次模拟的结果，我们进行了动物实验来证实这一点。在这项研究中，我们分析阐明了B型感光细胞作为参与学习和记忆的元素的特性，将来我们将阐明与B型感光细胞功能性连接的其他神经元的连接模式，我们计划进行研究。关于学习和记忆如何表达为神经网络。