培養神経系が形成する認知モデルの解析に基づく教師なし学習と統合失調症の融合的理解

基于对培养神经系统形成的认知模型的分析，对无监督学习和精神分裂症的综合理解

基本信息

批准号：
14J08435
负责人：
磯村拓哉
金额：
$ 2.05万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2014
资助国家：
日本
起止时间：
2014-04-25 至 2017-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

近年、脳の学習メカニズムを統一的に説明する法則として“自由エネルギー原理”が提唱されている。自由エネルギー原理とは、脳を構成する神経細胞・シナプス結合・神経修飾物質が、入力信号の予測不可能性を意味する自由エネルギーを最小化させるように振る舞うことで学習を行っているとする仮説である。しかし既存の研究では、学習の結果形成された内部モデル（認知モデル）のみを観察しており、その学習過程は観察されていないため、神経回路網レベルの学習則の特定は困難であった。そこで本研究では、微小電極アレイ上に培養したラット大脳皮質由来神経回路網を電気刺激により訓練することで、in vitro神経回路網が自由エネルギー原理の構成要素であるブラインド信号源分離（混ぜ合わさった複数の入力からその背後にある個々の信号源を取り出すこと）および予測的符号化（内部モデルに基づき現在の感覚入力から未来の入力を予測すること）を実行可能であり、その学習過程において回路網が持つ自由エネルギーを減少させることを観察した。また、自由エネルギー原理および実験結果と整合する生理学的に妥当な数理アルゴリズム（学習則）を開発した。次に、ドーパミンを培養液に添加した状態で訓練することで、統合失調症の原因のひとつと言われているドーパミン濃度異常が培養神経回路網の学習過程に与える影響を調べた。実験の結果、通常の培養条件ではブラインド信号源分離を実行できたのに対し、ドーパミンを添加した条件では実行できないことが観察された。またドーパミンによるシナプス可塑性の神経修飾を数理モデル化し実験結果と比較したところ、ドーパミンの影響により信号源同士の連想を強めるようにシナプス可塑性が起きたことが、学習の阻害の原因であることが示唆された。今後、統合失調症の症状である幻覚・妄想の神経メカニズムを説明する数理モデルとしての応用が期待される。

近年来，“自由能原理”作为统一解释大脑学习机制的定律被提出。自由能原理是这样的假设：构成大脑的神经元、突触连接和神经调节器通过以最小化自由能的方式进行学习，这意味着输入信号的不可预测性。然而，现有研究只观察学习结果形成的内部模型（认知模型），而没有观察学习过程，因此很难在神经网络层面识别学习规则。因此，在本研究中，我们通过电刺激训练了微电极阵列上培养的大鼠大脑皮层衍生的神经网络，从而提高了体外神经网络进行盲信号源分离（混合信号源分离）的能力，是自由能原理的一个组成部分，可以进行预测编码（根据内部模型从当前的感官输入预测未来的输入），并且在学习过程中，我们观察到电路网络的自由能减少。我们还开发了一种符合自由能原理和实验结果的生理学有效的数学算法（学习规则）。接下来，通过在培养基中添加多巴胺进行训练，我们研究了异常多巴胺水平（据说是精神分裂症的原因之一）对培养神经网络学习过程的影响。实验结果发现，虽然在正常培养条件下可以进行盲信号源分离，但在添加多巴胺的条件下则不可能。此外，当我们对多巴胺引起的突触可塑性的神经调节进行数学建模并将其与实验结果进行比较时，表明突触可塑性由于多巴胺的影响而加强了信号源之间的关联，是学习抑制的原因完成了。未来，预计这种方法将作为数学模型来解释幻觉和妄想（精神分裂症症状）的神经机制。