脳身体シミュレーションによる大脳皮質・基底核・小脳の機能的役割の統合的理解

通过脑体模拟综合理解大脑皮层、基底神经节和小脑的功能作用

• 批准号: 22KJ1372
• 负责人: 栗山 凜
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: The University of Electro-Communications
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ1372/
• 关键词: 神経回路シミュレーション; 脳身体モデル; 小脳; 大脳皮質; 富岳; ROS

令和4年度は複数計算機上の神経回路モデルを繋ぐライブラリを、受入研究室の複数メンバーで共同開発した。実装したプログラムは、ロボット用のソフトウェアプラットフォームである Robot Operating System が提供する rosbridge サーバとwebsocket 通信を行うことができるC++ライブラリである。この成果により、これまで Python や JavaScript の2つの環境でしか利用できなかった rosbridge サーバとの通信をC++で簡便に行うことが可能になり、実際にGPUクラスタを利用して高速に動作する小脳モデルと、別計算機上のネズミ身体モデルとの相互作用を含むシミュレーションが実現できた。また同ライブラリを利用することで、脳部位間も rosbridge サーバを経由して情報伝達を行うことが可能となった。結果、富岳上で動作する大脳皮質・大脳基底核モデルと、研究室内のGPUクラスタで動作する小脳モデル、研究室内の据え置きコンピュータ上で動作するマウス身体モデルを接続したシミュレーションを実現できた。今現在、上記成果について共著論文を執筆中である。また並行して、複数脳部位が構成するループ構造が運動学習において階層型強化学習を行なっている可能性があるという仮説に基づき、小脳強化学習モデルの実装と考察を行なった。この研究は、小脳神経回路の仕組みの上で、教師あり学習に加え、強化学習を行える可能性を示唆することができた。この研究成果について、NEURO 2022 及び Society for Neuroscience 2022 でポスター発表を行なった。

2020财年，宿主实验室的多名成员联合开发了一个连接多台计算机上神经回路模型的库。实现的程序是一个C++库，可以与机器人软件平台Robot Operating System提供的rosbridge服务器进行websocket通信。这一成就使得使用 C++ 轻松与 rosbridge 服务器进行通信成为可能，而以前只能在 Python 和 JavaScript 两种环境中使用，并且可以使用 GPU 集群实际高速运行的小脑模型已成为可能。我们能够实现包括与单独计算机上的鼠标身体模型交互的模拟。此外，通过使用这个库，可以通过rosbridge服务器在大脑区域之间传输信息。因此，我们能够创建一个模拟，将 Fugaku 上运行的大脑皮层和基底神经节模型、实验室 GPU 集群上运行的小脑模型以及实验室固定计算机上运行的小鼠身体模型连接起来。我目前正在撰写一篇关于上述结果的合着论文。与此同时，我们实现并讨论了一种小脑强化学习模型，该模型基于以下假设：由多个大脑区域组成的循环结构可以在运动学习中执行分层强化学习。这项研究提出了基于小脑神经回路机制的监督学习之外进行强化学习的可能性。我们在 NEURO 2022 和 Society for Neuroscience 2022 上对这项研究结果进行了海报展示。

项目成果

強化学習モジュールとしての小脳スパイキングニューラルネットワークの実装

小脑尖峰神经网络作为强化学习模块的实现

• 发表时间: 2022
• 作者: 栗山凜; 吉村英幸; 保足凌平; 山﨑匡
• 通讯作者: 山﨑匡

Developing a spiking network model of the cerebellum as a reinforcement learning machine

开发小脑尖峰网络模型作为强化学习机

• 发表时间: 2022
• 作者: Rin Kuriyama; Hideyuki Yoshimura; Ryohei Hoashi; Tadashi Yamazaki
• 通讯作者: Tadashi Yamazaki