2025/04/01 更新

写真a

ハマグチ コウスケ
濱口 航介
HAMAGUCHI Kosuke
所属
医歯学域医学系 医歯学総合研究科 先進治療科学専攻 生体機能制御学講座 教授
職名
教授

研究キーワード

  • 運動野

  • 神経生理

  • 意思決定

  • 強化学習

  • 大脳基底核

研究分野

  • ライフサイエンス / 神経科学一般  / motor learning, computational neuroscience

  • ライフサイエンス / 生理学  / motor learning, computational neuroscience

  • 情報通信 / 感性情報学

  • ライフサイエンス / 医療薬学  / motor learning, computational neuroscience

  • 情報通信 / ソフトコンピューティング

経歴

  • 鹿児島大学   医歯学域医学系 医歯学総合研究科 先進治療科学専攻 生体機能制御学講座   教授

    2025年3月 - 現在

  • 京都大学   大学院医学研究科   准教授

    2023年2月 - 2025年2月

  • 京都大学   大学院医学研究科   講師 (組織変更に伴う)

    2014年9月 - 2023年1月

  • 京都大学   生命科学研究科   講師

    2014年4月 - 2014年8月

  • Duke University Mooney Lab   Postdoctral Fellow

    2010年4月 - 2014年3月

  • Duke University Mooney Lab   日本学術振興会 海外特別研究員

    2008年4月 - 2010年3月

  • CNRS, Universite-Paris V, France   訪問研究員

    2006年6月 - 2008年1月

  • 独立行政法人理化学研究所 甘利研   日本学術振興会 特別研究員

    2006年4月 - 2008年3月

  • 独立行政法人理化学研究所 甘利研   研究員

    2004年4月 - 2006年3月

  • 東京大学 複雑理工学 博士課程終了

    2004年3月

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所属学協会

  • 日本生理学会

    2024年 - 現在

  • 日本神経科学会

    2008年 - 現在

  • 北米神経科学会

    2006年 - 現在

 

論文

  • Kosuke Hamaguchi, Hiromi Takahashi-Aoki, Dai Watanabe .  Prospective and retrospective values integrated in frontal cortex drive predictive choice. .  Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America119 ( 48 ) e2206067119   2022年11月国際誌

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    To make a deliberate action in a volatile environment, the brain must frequently reassess the value of each action (action-value). Choice can be initially made from the experience of trial-and-errors, but once the dynamics of the environment is learned, the choice can be made from the knowledge of the environment. The action-values constructed from the experience (retrospective value) and the ones from the knowledge (prospective value) were identified in various regions of the brain. However, how and which neural circuit integrates these values and executes the chosen action remains unknown. Combining reinforcement learning and two-photon calcium imaging, we found that the preparatory activity of neurons in a part of the frontal cortex, the anterior-lateral motor (ALM) area, initially encodes retrospective value, but after extensive training, they jointly encode the retrospective and prospective value. Optogenetic inhibition of ALM preparatory activity specifically abolished the expert mice's predictive choice behavior and returned them to the novice-like state. Thus, the integrated action-value encoded in the preparatory activity of ALM plays an important role to bias the action toward the knowledge-dependent, predictive choice behavior.

    DOI: 10.1073/pnas.2206067119

    PubMed

  • Kosuke Hamaguchi, Masashi Tanaka, Richard Mooney .  A Distributed Recurrent Network Contributes to Temporally Precise Vocalizations .  NEURON91 ( 3 ) 680 - 693   2016年8月査読

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:CELL PRESS  

    How do forebrain and brainstem circuits interact to produce temporally precise and reproducible behaviors? Birdsong is an elaborate, temporally precise, and stereotyped vocal behavior controlled by a network of forebrain and brainstem nuclei. An influential idea is that song premotor neurons in a forebrain nucleus (HVC) form a synaptic chain that dictates song timing in a top-down manner. Here we combine physiological, dynamical, and computational methods to show that song timing is not generated solely by a mechanism localized to HVC but instead is the product of a distributed and recurrent synaptic network spanning the forebrain and brainstem, of which HVC is a component.

    DOI: 10.1016/j.neuron.2016.06.019

    Web of Science

    PubMed

  • Kosuke Hamaguchi, Katherine A. Tschida, Inho Yoon, Bruce R. Donald, Richard Mooney .  Auditory synapses to song premotor neurons are gated off during vocalization in zebra finches .  ELIFE3   e01833   2014年2月査読

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:ELIFE SCIENCES PUBLICATIONS LTD  

    Songbirds use auditory feedback to learn and maintain their songs, but how feedback interacts with vocal motor circuitry remains unclear. A potential site for this interaction is the song premotor nucleus HVC, which receives auditory input and contains neurons (HVCX cells) that innervate an anterior forebrain pathway (AFP) important to feedback-dependent vocal plasticity. Although the singing-related output of HVCX cells is unaltered by distorted auditory feedback (DAF), deafening gradually weakens synapses on HVCX cells, raising the possibility that they integrate feedback only at subthreshold levels during singing. Using intracellular recordings in singing zebra finches, we found that DAF failed to perturb singing-related synaptic activity of HVCX cells, although many of these cells responded to auditory stimuli in non-singing states. Moreover, in vivo multiphoton imaging revealed that deafening-induced changes to HVCX synapses require intact AFP output. These findings support a model in which the AFP accesses feedback independent of HVC.

    DOI: 10.7554/eLife.01833

    Web of Science

    PubMed

  • Tadaaki Nishioka, Suthinee Attachaipanich, Kosuke Hamaguchi, Michael Lazarus, Alban de Kerchove d’Exaerde, Tom Macpherson, Takatoshi Hikida .  Error-related signaling in nucleus accumbens D2 receptor-expressing neurons guides inhibition-based choice behavior in mice .  Nature Communications14 ( 1 )   2023年4月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Springer Science and Business Media LLC  

    Abstract

    Learned associations between environmental cues and the outcomes they predict (cue-outcome associations) play a major role in behavioral control, guiding not only which responses we should perform, but also which we should inhibit, in order to achieve a specific goal. The encoding of such cue-outcome associations, as well as the performance of cue-guided choice behavior, is thought to involve dopamine D1 and D2 receptor-expressing medium spiny neurons (D1-/D2-MSNs) of the nucleus accumbens (NAc). Here, using a visual discrimination task in male mice, we assessed the role of NAc D1-/D2-MSNs in cue-guided inhibition of inappropriate responding. Cell-type specific neuronal silencing and in-vivo imaging revealed NAc D2-MSNs to contribute to inhibiting behavioral responses, with activation of NAc D2-MSNs following response errors playing an important role in optimizing future choice behavior. Our findings indicate that error-signaling by NAc D2-MSNs contributes to the ability to use environmental cues to inhibit inappropriate behavior.

    DOI: 10.1038/s41467-023-38025-3

    その他リンク: https://www.nature.com/articles/s41467-023-38025-3

  • Tadaaki Nishioka, Tom Macpherson, Kosuke Hamaguchi, Takatoshi Hikida .  Error-related Signaling in Nucleus Accumbens D2 Receptor-expressing Neurons Guides Avoidance-based Goal-directed Behavior .      2022年1月

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    出版者・発行元:Research Square Platform LLC  

    Abstract

    Learnt associations between environmental cues and the outcomes they predict (cue-outcome associations) play a major role in behavioral control, guiding not only which responses we should perform, but also which we should avoid, in order to achieve a specific goal. The encoding of such cue-outcome associations, as well as the performance of cue-guided goal-directed behavior, is thought to involve dopamine D1 and D2 receptor-expressing medium spiny neurons (D1-/D2-MSNs) of the nucleus accumbens (NAc). Here, using a visual discrimination task in mice, we assessed the role of NAc D1-/D2-MSNs in cue-guided goal-directed avoidance of inappropriate responding. Cell-type specific neuronal silencing and in-vivo imaging revealed NAc D2-MSNs to selectively contribute to cue-guided avoidance behavior, with activation of NAc D2-MSNs following response error playing an important role in optimizing future goal-directed behavior. Our findings indicate that error-signaling by NAc D2-MSNs underlies the ability to use environmental cues to avoid inappropriate behavior.

    DOI: 10.21203/rs.3.rs-1109714/v1

    その他リンク: https://www.researchsquare.com/article/rs-1109714/v1.html

  • Tadaaki Nishioka, Tom Macpherson, Kosuke Hamaguchi, Takatoshi Hikida .  Distinct Roles of Dopamine D1 and D2 Receptor-expressing Neurons in the Nucleus Accumbens for a Strategy Dependent Decision Making .  bioRxiv   2021年8月国際誌

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(その他学術会議資料等)   出版者・発行元:Cold Spring Harbor Laboratory  

    To optimize decision making, animals need to execute not only a strategy to choose a good option but sometimes also one to avoid a bad option. A psychological study indicates that positive and negative information is processed in a different manner in the brain. The nucleus accumbens (NAc) contains two different types of neurons, dopamine D1 and D2 receptor-expressing neurons which are implicated in reward-based decision making and aversive learning. However, little is known about the neural mechanisms by which D1 or D2 receptor-expressing neurons in the NAc contribute to the execution of the strategy to choose a good option or one to avoid a bad option under decision making. Here, we have developed two novel visual discrimination tasks for mice to assess the strategy to choose a good option and one to avoid a bad option. By chemogenetically suppressing the subpopulation of the NAc neurons, we have shown that dopamine D2 receptor-expressing neurons in the NAc selectively contribute to the strategy to avoid a bad option under reward-based decision making. Furthermore, our optogenetic and calcium imaging experiments indicate that dopamine D2 receptor-expressing neurons are activated by error choices and the activation following an error plays an important role in optimizing the strategy in the next trial. Our findings suggest that the activation of D2 receptor-expressing neurons by error choices through learning enables animals to execute the appropriate strategy.

    DOI: 10.1101/2021.08.05.455353

  • Tadaaki Nishioka, Kosuke Hamaguchi, Satoshi Yawata, Takatoshi Hikida, Dai Watanabe .  Chemogenetic Suppression of the Subthalamic Nucleus Induces Attentional Deficits and Impulsive Action in a Five-Choice Serial Reaction Time Task in Mice. .  Frontiers in systems neuroscience14   38 - 38   2020年6月査読 国際誌

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    The subthalamic nucleus (STN), a key component of the basal ganglia circuitry, receives inputs from broad cerebral cortical areas and relays cortical activity to subcortical structures. Recent human and animal studies have suggested that executive function, which is assumed to consist of a set of different cognitive processes for controlling behavior, depends on precise information processing between the cerebral cortex and subcortical structures, leading to the idea that the STN contains neurons that transmit the information required for cognitive processing through their activity, and is involved in such cognitive control directly and dynamically. On the other hand, the STN activity also affects intracellular signal transduction and gene expression profiles influencing plasticity in other basal ganglia components. The STN may also indirectly contribute to information processing for cognitive control in other brain areas by regulating slower signaling mechanisms. However, the precise correspondence and causal relationship between the STN activity and cognitive processes are not fully understood. To address how the STN activity is involved in cognitive processes for controlling behavior, we applied Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs (DREADD)-based chemogenetic manipulation of neural activity to behavioral analysis using a touchscreen operant platform. We subjected mice selectively expressing DREADD receptors in the STN neurons to a five-choice serial reaction time task, which has been developed to quantitatively measure executive function. Chemogenetic suppression of the STN activity reversibly impaired attention, especially required under highly demanding conditions, and increased impulsivity but not compulsivity. These findings, taken together with the results of previous lesion studies, suggest that the STN activity, directly and indirectly, participates in cognitive processing for controlling behavior, and dynamically regulates specific types of subprocesses in cognitive control probably through fast synaptic transmission.

    DOI: 10.3389/fnsys.2020.00038

    PubMed

  • 濱口 航介 .  シークエンス様の神経活動と行動の神経基盤 .  生体医工学53   S98_02 - S98_02   2015年

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:一般社団法人 日本生体医工学会  

    Sequences of neural activity are thought to play an important role in motor control. The neural mechanisms that give rise to these sequences are not well understood, but an influential idea is that activity propagation in ensembles of neurons can generate sequential activity (i.e., a synfire chain). Birdsong is an elaborate and stereotyped vocal behavior controlled with millisecond precision, and various lines of evidence support the hypothesis that song premotor neurons located in a telencephalic nucleus HVC form a synaptic chain to generate song tempo. Here we combine brain temperature manipulation, synaptic activity recording, and computational methods to show that song tempo is not generated by a local mechanism of HVC but instead is the product of a distributed and recurrent synaptic network spanning the forebrain and brainstem. Using a miniature Peltier device, we found that focally manipulating the temperature of HVC exerted much greater effect on activity propagation locally within HVC than it did on song tempo, however, exerted identical effects on song tempo and activity propagation through a recurrent network that contains HVC as one of its elements. The potential models that can account for the statistical structure of synaptic timing distribution of HVC neurons will be discussed in the talk.

    DOI: 10.11239/jsmbe.53.S98_02

  • Inho Yoon, Kosuke Hamaguchi, Ivan V. Borzenets, Gleb Finkelstein, Richard Mooney, Bruce R. Donald .  Intracellular Neural Recording with Pure Carbon Nanotube Probes .  PLOS ONE8 ( 6 ) e65715   2013年6月査読

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:PUBLIC LIBRARY SCIENCE  

    The computational complexity of the brain depends in part on a neuron's capacity to integrate electrochemical information from vast numbers of synaptic inputs. The measurements of synaptic activity that are crucial for mechanistic understanding of brain function are also challenging, because they require intracellular recording methods to detect and resolve millivolt-scale synaptic potentials. Although glass electrodes are widely used for intracellular recordings, novel electrodes with superior mechanical and electrical properties are desirable, because they could extend intracellular recording methods to challenging environments, including long term recordings in freely behaving animals. Carbon nanotubes (CNTs) can theoretically deliver this advance, but the difficulty of assembling CNTs has limited their application to a coating layer or assembly on a planar substrate, resulting in electrodes that are more suitable for in vivo extracellular recording or extracellular recording from isolated cells. Here we show that a novel, yet remarkably simple, millimeter-long electrode with a sub-micron tip, fabricated from self-entangled pure CNTs can be used to obtain intracellular and extracellular recordings from vertebrate neurons in vitro and in vivo. This fabrication technology provides a new method for assembling intracellular electrodes from CNTs, affording a promising opportunity to harness nanotechnology for neuroscience applications.

    DOI: 10.1371/journal.pone.0065715

    Web of Science

    PubMed

  • Kosuke Hamaguchi, Richard Mooney .  Recurrent Interactions between the Input and Output of a Songbird Cortico-Basal Ganglia Pathway Are Implicated in Vocal Sequence Variability .  JOURNAL OF NEUROSCIENCE32 ( 34 ) 11671 - 11687   2012年8月査読

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:SOC NEUROSCIENCE  

    Complex brain functions, such as the capacity to learn and modulate vocal sequences, depend on activity propagation in highly distributed neural networks. To explore the synaptic basis of activity propagation in such networks, we made dual in vivo intracellular recordings in anesthetized zebra finches from the input (nucleus HVC, used here as a proper name) and output [lateral magnocellular nucleus of the anterior nidopallium (LMAN)] neurons of a songbird cortico-basal ganglia (BG) pathway necessary to the learning and modulation of vocal motor sequences. These recordings reveal evidence of bidirectional interactions, rather than only feedforward propagation of activity from HVC to LMAN, as had been previously supposed. A combination of dual and triple recording configurations and pharmacological manipulations was used to map out circuitry by which activity propagates from LMAN to HVC. These experiments indicate that activity travels to HVC through at least two independent ipsilateral pathways, one of which involves fast signaling through a midbrain dopaminergic cell group, reminiscent of recurrent mesocortical loops described in mammals. We then used in vivo pharmacological manipulations to establish that augmented LMAN activity is sufficient to restore high levels of sequence variability in adult birds, suggesting that recurrent interactions through highly distributed forebrain-midbrain pathways can modulate learned vocal sequences.

    DOI: 10.1523/JNEUROSCI.1666-12.2012

    Web of Science

    PubMed

  • Kosuke Hamaguchi, Alexa Riehle, Nicolas Brunel .  Estimating Network Parameters From Combined Dynamics of Firing Rate and Irregularity of Single Neurons .  JOURNAL OF NEUROPHYSIOLOGY105 ( 1 ) 487 - 500   2011年1月査読

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:AMER PHYSIOLOGICAL SOC  

    Hamaguchi K, Riehle A, Brunel N. Estimating network parameters from combined dynamics of firing rate and irregularity of single neurons. J Neurophysiol 105: 487-500, 2011. First published August 18, 2010; doi:10.1152/jn.00858.2009. High firing irregularity is a hallmark of cortical neurons in vivo, and modeling studies suggest a balance of excitation and inhibition is necessary to explain this high irregularity. Such a balance must be generated, at least partly, from local interconnected networks of excitatory and inhibitory neurons, but the details of the local network structure are largely unknown. The dynamics of the neural activity depends on the local network structure; this in turn suggests the possibility of estimating network structure from the dynamics of the firing statistics. Here we report a new method to estimate properties of the local cortical network from the instantaneous firing rate and irregularity (CV2) under the assumption that recorded neurons are a part of a randomly connected sparse network. The firing irregularity, measured in monkey motor cortex, exhibits two features; many neurons show relatively stable firing irregularity in time and across different task conditions; the time-averaged CV2 is widely distributed from quasi-regular to irregular (CV2 = 0.3-1.0). For each recorded neuron, we estimate the three parameters of a local network [balance of local excitation-inhibition, number of recurrent connections per neuron, and excitatory postsynaptic potential (EPSP) size] that best describe the dynamics of the measured firing rates and irregularities. Our analysis shows that optimal parameter sets form a two-dimensional manifold in the three-dimensional parameter space that is confined for most of the neurons to the inhibition-dominated region. High irregularity neurons tend to be more strongly connected to the local network, either in terms of larger EPSP and inhibitory PSP size or larger number of recurrent connections, compared with the low irregularity neurons, for a given excitatory/inhibitory balance. Incorporating either synaptic short-term depression or conductance-based synapses leads many low CV2 neurons to move to the excitation-dominated region as well as to an increase of EPSP size.

    DOI: 10.1152/jn.00858.2009

    Web of Science

    PubMed

  • Shigeru Kubota, Kosuke Hamaguchi, Kazuyuki Aihara .  Local excitation solutions in one-dimensional neural fields by external input stimuli .  NEURAL COMPUTING & APPLICATIONS18 ( 6 ) 591 - 602   2009年9月査読

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:SPRINGER  

    Cortical neurons are massively connected with other cortical and subcortical cells, and they receive synaptic inputs from multiple sources. To explore the basis of how interconnected cortical cells are locally activated by such inputs, we theoretically analyze the local excitation patterns elicited by external input stimuli by using a one-dimensional neural field model. We examine the conditions for the existence and stability of the local excitation solutions under arbitrary time-invariant inputs and establish a graphic analysis method that can detect all steady local excitation solutions and examine their stability. We apply this method to a case where a pair of supra- and subthreshold stimuli are applied to nearby positions in the field. The results demonstrate that there can exist bistable local excitation solutions with different lengths and that the local excitation exhibits hysteretic behavior when the relative distance between the two stimuli is altered.

    DOI: 10.1007/s00521-009-0246-2

    Web of Science

  • Kosuke Hamaguchi, Hiromitsu Urano, Masato Okada .  Effect of asymmetry in a binary state on the collective behavior of a system with spatially modulated interaction and quenched randomness .  PHYSICAL REVIEW E78 ( 5 ) 051124   2008年11月査読

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:AMER PHYSICAL SOC  

    The properties of solid states, biophysical materials, neuronal circuits, and equilibrium states of a many-body system can be studied by using techniques in statistical physics. It has been common practice to represent a system composed of binary state units by using an Ising spin network where each unit has symmetric {-1,1} states. However, the asymmetry or symmetry of the binary states of the units can affect the property and ergodicity of the system, but better understanding of the quantitative difference is still needed. We compare systems of binary units with symmetric or asymmetric states. The network has spatially modulated interaction with quenched randomness. We can bridge the Ising spin network and McCulloch-Pitts neuron network and analyze the stability of the system via replica method by introducing an interpolating parameter. The effects of the asymmetry states affect the multistability of the system and the stability of replica-symmetry solutions.

    DOI: 10.1103/PhysRevE.78.051124

    Web of Science

  • Si Wu, Kosuke Hamaguchi, Shun-ichi Amari .  Dynamics and computation of continuous attractors .  NEURAL COMPUTATION20 ( 4 ) 994 - 1025   2008年4月査読

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:M I T PRESS  

    Continuous attractor is a promising model for describing the encoding of continuous stimuli in neural systems. In a continuous attractor, the stationary states of the neural system form a continuous parameter space, on which the system is neutrally stable. This property enables the neutral system to track time-varying stimuli smoothly, but it also degrades the accuracy of information retrieval, since these stationary states are easily disturbed by external noise. In this work, based on a simple model, we systematically investigate the dynamics and the computational properties of continuous attractors. In order to analyze the dynamics of a large-size network, which is otherwise extremely complicated, we develop a strategy to reduce its dimensionality by utilizing the fact that a continuous attractor can eliminate the noise components perpendicular to the attractor space very quickly. We therefore project the network dynamics onto the tangent of the attractor space and simplify it successfully as a one-dimensional Ornstein-Uhlenbeck process. Based on this simplified model, we investigate (1) the decoding error of a continuous attractor under the driving of external noisy inputs, (2) the tracking speed of a continuous attractor when external stimulus experiences abrupt changes, (3) the neural correlation structure associated with the specific dynamics of a continuous attractor, and (4) the consequence of asymmetric neural correlation on statistical population decoding. The potential implications of these results on our understanding of neural information processing are also discussed.

    DOI: 10.1162/neco.2008.10-06-378

    Web of Science

    PubMed

  • Kazuya Ishibashi, Kosuke Hamaguchi, Masato Okada .  Sparse and dense encoding in layered associative network of spiking neurons .  JOURNAL OF THE PHYSICAL SOCIETY OF JAPAN76 ( 12 ) 124801   2007年12月査読

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:PHYSICAL SOC JAPAN  

    A synfire chain is a simple neural network model which can transmit stable synchronous spikes called a pulse packet. However how synfire chains coexist in one network remains to be elucidated. We have studied the activity of a layered associative network of leaky integrate-and-fire neurons which connections are embedded with memory patterns by the Hebbian learning rule. We analyze their activity by the Fokker-Planck method. In our previous report, when a half of neurons belongs to each memory pattern (pattern rate F = 0.5), the temporal profiles of the network activity is split into temporally clustered groups called sublattices under certain input conditions. In this study, we show that when the network is sparsely connected (F < 0.5), synchronous firings of the memory pattern are promoted. On the contrary, the densely connected network (F > 0.5) inhibit synchronous firings. The basin of attraction and the storage capacity of the embedded memory patterns also depend on the sparseness of the network. We show that the sparsely (densely) connected networks enlarge (shrink) the basion of attraction and increase (decrease) the storage capacity.

    DOI: 10.1143/JPSJ.76.124801

    Web of Science

  • Kosuke Hamaguchi, Masato Okada, Kazuyuki Aihara .  Variable timescales of repeated spike patterns in synfire chain with Mexican-hat connectivity .  NEURAL COMPUTATION19 ( 9 ) 2468 - 2491   2007年9月査読

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:M I T PRESS  

    Repetitions of precise spike patterns observed both in vivo and in vitro have been reported for more than a decade. Studies on the spike volley (a pulse packet) propagating through a homogeneous feedforward network have demonstrated its capability of generating spike patterns with millisecond fidelity. This model is called the synfire chain and suggests a possible mechanism for generating repeated spike patterns (RSPs). The propagation speed of the pulse packet determines the temporal property of RSPs. However, the relationship between propagation speed and network structure is not well understood. We studied a feedforward network with Mexican-hat connectivity by using the leaky integrate-and-fire neuron model and analyzed the network dynamics with the Fokker-Planck equation. We examined the effect of the spatial pattern of pulse packets on RSPs in the network with multistability. Pulse packets can take spatially uniform or localized shapes in a multistable regime, and they propagate with different speeds. These distinct pulse packets generate RSPs with different timescales, but the order of spikes and the ratios between interspike intervals are preserved. This result indicates that the RSPs can be transformed into the same template pattern through the expanding or contracting operation of the timescale.

    DOI: 10.1162/neco.2007.19.9.2468

    Web of Science

    PubMed

  • Si Wu, Kosuke Hamaguchi, Shun-ichi Amari .  The tracking speed of continuous attractors .  ADVANCES IN NEURAL NETWORKS - ISNN 2007, PT 1, PROCEEDINGS4491   926 - +   2007年査読

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)   出版者・発行元:SPRINGER-VERLAG BERLIN  

    Continuous attractor is a promising model for describing the encoding of continuous stimuli in neural systems. In a continuous attractor, the stationary states of the neural system form a continuous parameter space, on which the system is neutrally stable. This property enables the neutral system to track time-varying stimulus smoothly. In this study we investigate the tracking speed of continuous attractors. In order to analyze the dynamics of a large-size network, which is otherwise extremely complicated, we develop a strategy to reduce its dimensionality by utilizing the fact that a continuous attractor can eliminate the input components perpendicular to the attractor space very quickly. We therefore project the network dynamics onto the tangent of the attractor space, and simplify it to be a one-dimension Ornstein-Uhlenbeck process. With this approximation we elucidate that the reaction time of a continuous attractor increases logarithmically with the size of the stimulus change. This finding may have important implication on the mental rotation behavior.

    Web of Science

  • Kazuya Ishibashi, Kosuke Hamaguchi, Masato Okada .  Theory of interaction of memory patterns in layered associative networks .  JOURNAL OF THE PHYSICAL SOCIETY OF JAPAN75 ( 11 ) 114803   2006年11月査読

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:PHYSICAL SOC JAPAN  

    A synfire chain is a network that can generate repeated spike patterns with millisecond precision. Although synfire chains with only one activity propagation mode have been intensively analyzed with several neuron models, those with several stable propagation modes have not been thoroughly investigated. By using the leaky integrate-and-fire neuron model, we constructed a layered associative network embedded with memory patterns. We analyzed the network dynamics with the Fokker-Planck equation. First, we addressed the stability of one memory pattern as a propagating spike volley. We showed that memory patterns propagate as pulse packets. Second, we investigated the activity when we activated two different memory patterns. Simultaneous activation of two memory patterns with the same strength led the propagating pattern to a mixed state. In contrast, when the activations had different strengths, the pulse packet converged to a two-peak state. Finally, we studied the effect of the preceding pulse packet on the following pulse packet. The following pulse packet was modified from its original activated memory pattern, and it converged to a two-peak state, mixed state or non-spike state depending on the time interval.

    DOI: 10.1143/JPSJ.75.114803

    Web of Science

  • K Hamaguchi, JPL Hatchett, M Okada .  Analytic solution of neural network with disordered lateral inhibition .  PHYSICAL REVIEW E73 ( 5 ) 051104   2006年5月査読

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:AMERICAN PHYSICAL SOC  

    The replica method has played a key role in analyzing systems with disorder, e.g., the Sherrington-Kirkpatrick (SK) model, and associative neural networks. Here we study the influence of disorder in the lateral inhibition type interactions on the cooperative and uncooperative behavior of recurrent neural networks by using the replica method. Although the interaction between neurons has a dependency on distance, our model can be solved analytically. Bifurcation analysis identifies the boundaries between paramagnetic, ferromagnetic, spin-glass, and localized phases. In the localized phase, the network shows a bump like activity, which is often used as a model of spatial working memory or columnar activity in the visual cortex. Simulation results show that disordered interactions can stabilize the drift the of bump position, which is commonly observed in conventional lateral inhibition type neural networks.

    DOI: 10.1103/PhysRevE.73.051104

    Web of Science

  • K Hamaguchi, M Okada, M Yamana, K Aihara .  Correlated firing in a feedforward network with Mexican-hat-type connectivity .  NEURAL COMPUTATION17 ( 9 ) 2034 - 2059   2005年9月査読

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:MIT PRESS  

    We report on deterministic and stochastic evolutions of firing states through a feedforward neural network with Mexican-hat-type connectivity. The prevalence of columnar structures in a cortex implies spatially localized connectivity between neural pools. Although feedforward neural network models with homogeneous connectivity have been intensively studied within the context of the synfire chain, the effect of local connectivity has not yet been studied so thoroughly. When a neuron fires independently, the dynamics of macroscopic state variables (a firing rate and spatial eccentricity of a firing pattern) is deterministic from the law of large numbers. Possible stable firing states, which are derived from deterministic evolution equations, are uniform, localized, and nonfiring. The multistability of these three states is obtained where the excitatory and inhibitory interactions among neurons are balanced. When the presynapse-dependent variance in connection efficacies is incorporated into the network, the variance generates common noise. Then the evolution of the macroscopic state variables becomes stochastic, and neurons begin to fire in a correlated manner due to the common noise. The correlation structure that is generated by common noise exhibits a nontrivial bimodal distribution. The development of a firing state through neural layers does not converge to a certain fixed point but keeps on fluctuating.

    DOI: 10.1162/0899766054322937

    Web of Science

    PubMed

  • Kosuke Hamaguchi, Masato Okada, Shigeru Kubota, Kazuyuki Aihara .  Stochastic resonance of localized activity driven by common noise .  Biological Cybernetics92 ( 6 ) 438 - 444   2005年6月査読

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:6  

    We study the influence of spatially correlated noise on the transient dynamics of a recurrent network with Mexican-Hat-type connectivity. We derive the closed form of the order parameter functional in the thermodynamical limit of neuron number N. Our analysis shows that network dynamics is qualitatively changed by the presence of common noise. Network dynamics driven by common noise obtains the global level of fluctuation, which is not observed in a network driven by independent noise only. We show that the optimal level of global fluctuation enhances the transition from non-localized firing states to spatially localized firing states, and also enhances the rotation speed of localized activity. © Springer-Verlag 2005.

    DOI: 10.1007/s00422-005-0570-2

    Scopus

    PubMed

  • K Hamaguchi, M Okada, M Yamana, K Aihara .  Stochasticity in localized synfire chain .  NEUROCOMPUTING65   435 - 440   2005年6月査読

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:ELSEVIER SCIENCE BV  

    We report on stochastic evolutions of firing states through feedforward neural networks with Mexican-Hat-type connectivity. The variance in connectivity, which depends on the presynaptic neuron, generates a common noisy input to post-synaptic neurons. We develop a theory to describe the stochastic evolution of the localized synfire chain driven by a common noisy input. The development of a firing state through neural layers does not converge to a certain fixed point but keeps on fluctuating. Stationary firing states except for a non-firing state are lost, but an almost stationary distribution of firing state is observed. (c) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

    DOI: 10.1016/j.neucom.2004.10.044

    Web of Science

  • 濱口 航介, 岡田 真人, 山名 美智子, 合原 一幸 .  メキシカンハット型結合をもつSynfire Chainの理論(バイオサイバネティックス,ニューロコンピューティング) .  電子情報通信学会論文誌. D-II, 情報・システム, II-パターン処理87 ( 8 ) 1689 - 1696   2004年8月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:一般社団法人電子情報通信学会  

    神経細胞集団のスパイク同期による情報表現仮説が注目を集める中,フィードフォワード結合された神経層を同期発火が連鎖して伝搬する,Synfire Chainと呼ばれるモデルが提案されている.このモデルでは神経結合の一様性を仮定することで解析的な取扱いが容易になっている.しかし大脳皮質においては局所的な相互作用が存在し,近距離の興奮性,遠距離での抑制性の結合からなるメキシカンハット型と呼ばれる結合が確認されている.そこで我々はMcCulloch-Pitts型ニューロンモデルで構成された神経層の間の結合をメキシカンハット型の関数で与え,各層を伝搬する同期発火の発展を調べた.この系は発火パターンのフーリエ0次モードと2次モードの強度の発展方程式を用いて統計的に記述される.この系には非発火状態以外に,層状回路を伝搬する孤立局在興奮と一様興奮の二つのノントリビアルな安定状態が存在することが分かった.更に孤立局在興奮と一様興奮の共存相が存在することを明らかにした.

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  • K Hamaguchi, K Aihara .  Quantitative information transfer through layers of spiking neurons connected by Mexican-Hat-type connectivity .  NEUROCOMPUTING58   85 - 90   2004年6月査読

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:ELSEVIER SCIENCE BV  

    A feedforward network with homogeneous connectivity cannot transmit quantitative information by one spike volley. In this paper, quantitative information transmission through neural layers connected by Mexican-Hat-type connectivity is examined. It is shown that the intensity of an input signal can be encoded as a size of an active region in a neural layer. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

    DOI: 10.1016/j.neucom.2004.01.027

    Web of Science

  • Kosuke Hamaguchi, Masato Okada, Kazuyuki Aihara .  Theory of localized synfire chain: characteristic propagation speed of stable spike pattern. .  Advances in Neural Information Processing Systems 17 [Neural Information Processing Systems, NIPS 2004, December 13-18, 2004, Vancouver, British Columbia, Canada]   553 - 560   2004年査読

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MISC

  • ニューロサイエンスの最新情報 2次運動野で統合される前向きと後ろ向き価値が予測的行動を駆動する

    濱口 航介

    Clinical Neuroscience   41 ( 8 )   1102 - 1103   2023年8月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:(株)中外医学社  

  • 細胞内膜電位から見た小鳥の歌を紡ぐネットワーク

    濱口 航介

    日本神経回路学会誌   28 ( 3 )   136 - 143   2021年9月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:(一社)日本神経回路学会  

    言語や歌は、音声学習と精密な発声制御を必要とする複雑な知能行動である。キンカチョウやジュウシマツは、同種の個体の歌を手本として歌学習を行い、求愛や縄張り行動に用いるため、音声学習の神経基盤を理解する上で欠かせない実験動物である。歌を学習し、正確にさえずる神経回路の仕組みを調べることで、世代を超えて情報・文化を伝達する脳の仕組みが理解されると期待できる。本解説では、小鳥の歌に関わる基本的な神経回路を概説し、歌のタイミング制御やシークエンス制御が、どのような神経回路同士の相互作用を通じて行われているのか、解説する。その際、細胞内膜電位記録が果たした役割について述べる。一般に用いられる細胞外記録では神経細胞の出力である活動電位を計測するが、細胞内膜電位記録は活動電位に加えて、入力であるシナプス電位を計測できる。特にin vivoで記録されたシナプス電位は、学習によって形成された前シナプス神経細胞集団の活動を反映しており、自然な形で背後にあるネットワーク構造の情報を得ることができる。さらに神経回路網のシミュレーションと実際の神経活動記録の結果を照らし合わせることで、可能なネットワーク構造について、より踏み込んだ考察が可能である。筆者の神経回路網の理論と実験の統合を目指した試みと併せて紹介する。(著者抄録)

  • 有色雑音による非同期的持続発火活動の安定化

    濱口 航介, Brunel Nicolas

    電子情報通信学会技術研究報告. NC, ニューロコンピューティング   107 ( 328 )   71 - 76   2007年11月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:一般社団法人電子情報通信学会  

    遅延反応課題を遂行中のサルの前頭葉には,短期的記憶の内容依存的に持続的発火を示す神経が存在する.この短期的記憶は,神経回路の双安定性などのアトラクタ間の遷移によって説明するのが自然である,と現在考えられている.例えば従来のHopfield型のアトラクタネットワークの理論では,これらの持続的発火は興奮性の再帰的結合によって維持されると考えられていた.しかし実験で観測されるポアソン発火と同等かそれ以上の乱雑な発火パターンの統計的性質は,興奮性の再帰的結合だけでは説明ができない.一方,ポアソン程度の乱雑な発火パターンを生成するには,興奮性と抑制性とのバランスが必要と考えられている.ここで未解決の問題は,どのような条件でポアソン程度に乱雑なスパイクパターンと,双安定性を併せ持つ神経回路が存在できるかである.これまでにこの問題を解決する試みとして,現実的なシナプス時定数を持つモデルでは,ポアソンをやや下回る乱雑さと双安定性が実現されることが知られている.しかしδ関数型の即時シナプスを用いた神経回路モデルでは,双安定性は非常に不安定であった.そこで本研究では前頭葉の局所神経回路のモデルとして,Leaky Integrate-and-Fire(LIF)神経モデルからなる,疎なランダム結合を持つ神経集団を用い,双安定性と発火パターンの乱雑さが両立可能な条件について報告する.即時シナプスを用いた場合において,系の安定状態を理論的に求めると,乱雑な発火パターンが得られるべき双安定領域の広い範囲で振動不安定性をもっている事が示され,振動不安定性が双安定性を破壊する事が示唆された.しかしより生理的に妥当な指数減衰型のシナプスを用いると,振動不安定性が緩和され,双安定性と発火の乱雑さを併せ持つ領域が広がる事がわかった.この結果は,持続神経活動が起こるためには現実的なシナプス時定数の値が重要な役割を果たす事を意味する.

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  • スパースコーディングは記憶パターンの同期伝播を促進する

    石橋 和也, 濱口 航介, 岡田 真人

    電子情報通信学会技術研究報告. NC, ニューロコンピューティング   106 ( 588 )   139 - 144   2007年3月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:社団法人電子情報通信学会  

    Synfire chainは同期発火を安定して伝播することのできるネットワークの一つとして盛んに研究が行われている.しかし,複数のsynfire chainが一つのネットワークの中にどのように共存できるかという研究は未だ十分ではない.我々はフィードフオワードネットワークに複数の記憶パターンをヘブ則を用いて埋め込んだ場合の挙動を解析した.それぞれの記憶パターンにおいて,それぞれの層の半分の細胞が発火する場合,すなわち記憶パターン発火率Fが0.5の場合に,ネットワークへの入力によっては記憶パターンの発火は完全には同期せず,サブラティスと呼ばれる複数のグループの同期した発火に別れることを以前報告した.その一方,F<0.5の場合には,F=0.5ならば同期しなかった入力においても,記憶パターンが同期して伝播することが明らかになった.

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  • 前頭葉神経活動で観察される多安定性と不規則な発火パターンは, 抑制性優位な神経回路で説明できる

    濱口 航介, Brunel Nicolas

    電子情報通信学会技術研究報告. NC, ニューロコンピューティング   106 ( 588 )   55 - 60   2007年3月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:一般社団法人電子情報通信学会  

    遅延反応テスト課題を行うサルの前頭葉には,記憶すべき視覚刺激の位置に特異的な高頻度発火活動を示す神経細胞の存在が知られている.この活動は外部入力なしに保持されるため,多安定性を持つと考えられる.この神経細胞の発火パターンは,課題実行時においても,それ以外の時においても非常に不規則で,高いCV値を持つ.従来の神経回路網の理論研究から,興奮性の再帰的結合によって双安定性が実現できることはよく知られている.しかしその際には,発火頻度が高くなるほどCV値は低くなるため,このようなモデルのスパイク統計は実際の神経活動のそれとは一致しない.一方,興奮性入力と抑制性入力がバランスされていると,その神経は高いCV値を持つ事が知られているが,その場合には双安定性を持たせることが難しいと考えられていた.本報告では,以下の2点を報告する.1)Leaky Integrate-and-Fire (LIF)神経モデルにおけるHopf分岐を用いた解析から、δ関数型のシナプスを持つ神経回路網では、双安定領域に到達する前にHopf分岐線が存在する事が示された.このHopf分岐の効果により、実際の数値計算では多安定状態を実現することが難しい事が示唆される.2)次に指数減衰型のシナプスを持つLIFモデルからなる中立安定な側抑制型神経回路モデルを用い,抑制性が優位な再帰結合を持つ場合にも低頻度発火状態と多数の高頻度発火状態という多安定性を持つことができることを平均場近似を用いた自己無撞着方程式から示し,両発火状態において,高いCV値(〜1)を実現できることを報告する.

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  • 21aWB-1 遅延あり視覚野モデルにおける神経活動の振動状態(ニューラルネットワーク,領域11,統計力学,物性基礎論,応用数学,力学,流体物理)

    濱口 航介, Nicolas Brunel

    日本物理学会講演概要集   62 ( 1 )   297 - 297   2007年2月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:一般社団法人日本物理学会  

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  • 21pWB-2 乱雑な相互作用を持つIsingモデルとMcCulloch-Pittsモデルの比較(ニューラルネットワーク,領域11,統計力学,物性基礎論,応用数学,力学,流体物理)

    浦野 博充, 濱口 航介, 岡田 真人

    日本物理学会講演概要集   62 ( 1 )   319 - 319   2007年2月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:一般社団法人日本物理学会  

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  • 21aWB-6 スパースコーディングされた連想記憶synfire chain(ニューラルネットワーク,領域11,統計力学,物性基礎論,応用数学,力学,流体物理)

    石橋 和也, 濱口 航介, 岡田 真人

    日本物理学会講演概要集   62 ( 1 )   299 - 299   2007年2月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:一般社団法人日本物理学会  

    CiNii Books

  • ランダムな相互作用を持つIsingスピン系とMcCulloch-Pittsニューロン系(ニューラルネットワーク画像復元及び一般)

    浦野 博充, 濱口 航介, 岡田 真人

    電子情報通信学会技術研究報告. NC, ニューロコンピューティング   106 ( 501 )   5 - 10   2007年1月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:社団法人電子情報通信学会  

    神経回路モデルを統計力学的手法で解析する場合,神経細胞の発火・非発火の状態をIsingスピンの±1に対応させる.一方,発火・非発火の状態をそれぞれ1と0とするMcCulloch-Pittsニューロンも用いられることが多い.統計力学的な手法であるレプリカ法をもちいて,ガウス分布に従うランダムな相互作用を持つIsingスピン系とMcCulloch-Pittsニューロン系とを比較する.その結果,McCulloch-Pittsニューロン系では,常磁性相とスピングラス相の境界が定義できないことがわかった.つぎに,AT安定性の解析を行い,McCulloch-Pittsニューロン系のAT安定性は,従来行われてきたIsingスピンに対する処方箋だけでは議論できないことがわかった.

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  • Fokker-Planck方程式を用いた連想記憶型synfire chainの解析

    石橋 和也, 濱口 航介, 岡田 真人

    電子情報通信学会技術研究報告. NC, ニューロコンピューティング   105 ( 659 )   119 - 124   2006年3月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:社団法人電子情報通信学会  

    Synfire chainとは同期したpulse packetが安定に伝播するネットワークの一つである.安定な発火状態がただ一つのsynfire chainは広く研究されているものの,安定な発火状態が複数パターン埋め込まれたsynfire chainの解析は未だ十分ではない.我々は今回,leaky integrate-and-fireニューロンモデルとFokker-Planck方程式を使って,階層型連想記憶ネットワークを構築・解析した.まず,埋め込まれた記憶パターンがpulse packetとして安定に同期伝播することを明らかにした.次に,二つの異なる記憶パターンを活性化したときの挙動を解析した.その結果,従来の研究では見られなかった独特の現象を幾つか発見した.

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  • 29pXH-11 メキシカンハット型相互作用を持つマカロピッツ・ニューロン系の統計力学(29pXH ニューラルネットワーク(神経系のモデルを含む),領域11(統計力学,物性基礎論,応用数学,力学,流体物理))

    浦野 博充, 濱口 航介, 岡田 真人

    日本物理学会講演概要集   61 ( 1 )   308 - 308   2006年3月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:一般社団法人日本物理学会  

    CiNii Books

  • 29pXH-4 Fokker-Planck方程式によるSynfire Chain相互作用の解析(29pXH ニューラルネットワーク(神経系のモデルを含む),領域11(統計力学,物性基礎論,応用数学,力学,流体物理))

    石橋 和也, 濱口 航介, 岡田 真人

    日本物理学会講演概要集   61 ( 1 )   307 - 307   2006年3月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:一般社団法人日本物理学会  

    CiNii Books

  • Memory patterns interaction in layered associative network

    Kazuya Ishibashi, Kosuke Hamaguchi, Masato Okada

    NEUROSCIENCE RESEARCH   55   S236 - S236   2006年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究発表ペーパー・要旨(国際会議)   出版者・発行元:ELSEVIER IRELAND LTD  

    Web of Science

  • 妨害刺激を用いたワーキングメモリータスクに関する2層神経場モデル

    久保田 繁, 岡本 剛, 濱口 航介, 合原 一幸, 北嶋 龍雄

    電子情報通信学会技術研究報告. NLP, 非線形問題   105 ( 49 )   41 - 46   2005年5月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:一般社団法人電子情報通信学会  

    記憶保持中に, 記憶と異なる妨害刺激を提示するワーキングメモリータスクの実験により, prefrontal cortexでは記憶刺激に対応した神経発火が妨害刺激の提示後も持続するのに対し, inferior temporal cortexでは妨害刺激により, 持続発火応答が容易に乱されることが分かっている.本研究では, prefrontal cortexとinferior temporal cortexに対応した2層神経場モデルを用いて, これらの実験結果を再現する.また, 神経場のパターン形成過程を理論的に解析することにより, この結果が引き起こされる力学的メカニズムを考察する.

    CiNii Books

  • 神経場方程式の孤立局在興奮の解析法について

    久保田 繁, 濱口 航介, 合原 一幸

    電子情報通信学会技術研究報告. NC, ニューロコンピューティング   104 ( 759 )   37 - 42   2005年3月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:一般社団法人電子情報通信学会  

    神経場方程式のパターン形成の解析を行う.任意の定常入力の下で, 孤立局在興奮解の存在及び安定性の条件を導出すると共に, これらの解析結果をまとめた図的解析法を提案する.この解析法を用いることで, 全ての孤立局在興奮解を見つけ, その安定性を判別することが可能である.また, 2つの入力が神経場の十分近い位置に与えられた場合に図的解析法を適用した結果, 2つの安定解と1つの不安定解が存在するbistableなパターンダイナミクスが存在することを示す.

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  • 25aYF-7 局在構造を持つスピングラスの統計力学(スピングラス・ランダムスピン系,領域11(統計力学,物性基礎論,応用数学,力学,流体物理))

    濱口 航介, 岡田 真人

    日本物理学会講演概要集   60 ( 1 )   285 - 285   2005年3月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:一般社団法人日本物理学会  

    CiNii Books

  • 13aTC-5 メキシカンハット型相互作用を持つスピン系の統計力学(ニューラルネットワーク : 神経系のモデルを含む, 領域 11)

    濱口 航介, 岡田 真人, 合原 一幸

    日本物理学会講演概要集   59 ( 2 )   210 - 210   2004年8月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:一般社団法人日本物理学会  

    CiNii Books

  • 13aTC-6 階層型神経回路網における Fokker-Planck 方程式を用いた局在興奮伝播の解析(ニューラルネットワーク : 神経系のモデルを含む, 領域 11)

    濱口 航介, 岡田 真人, 合原 一幸

    日本物理学会講演概要集   59 ( 2 )   210 - 210   2004年8月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:一般社団法人日本物理学会  

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  • 共通ノイズによる局在興奮の確率共振

    濱口 航介, 岡田 真人, 久保田 繁, 合原 一幸

    電子情報通信学会技術研究報告. NC, ニューロコンピューティング   104 ( 139 )   37 - 42   2004年6月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:社団法人電子情報通信学会  

    確率共振とは微小なシグナルを受ける非線形な素子のSN比を最大化する適当な大きさのノイズが存在する現象である.神経のような興奮性システムにおける確率共振は,単一神経,アレイ,2次元格子結合などにおいて調べられているが,何らかの機能モデル(ワーキングメモリや連想記憶など)としての神経回路網における確率共振の効果はほとんどわかっていない.これまでに,神経活動の巨視的統計量(オーダーパラメータ)は独立なノイズを加えた場合には決定論的な力学しか持たないが,空間相関のあるノイズによって初めてオーダーパラメータの力学は確率的挙動を示す,ということを知られている.従って独立なノイズ源によって駆動される神経細胞の集団の確率共振と,空間的な相関を持つノイズに駆動される神経細胞の集団において確率共振の起こり方が本質的に異なることが示唆される.本論文では,メンタルローテーションのモデルとして側抑制結合を持つ一次元神経場を用い,局在興奮の平均移動速度を最速化する適切なノイズ強度と相関強度が存在することを示す.

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  • Quantitative infonnation transfer through layers of spiking neurons connected by Mexican-Hat-type connectivity

    K Hamaguchi, K Aihara

    COMPUTATIONAL NEUROSCIENCE: TRENDS IN RESEARCH 2004   58(60), 85-90   85 - 90   2004年

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    記述言語:英語   出版者・発行元:ELSEVIER SCIENCE BV  

    A feedforward network with homogeneous connectivity cannot transmit quantitative information by one spike volley. In this paper, quantitative information transmission through neural layers connected by Mexican-Hat-type connectivity is examined. It is shown that the intensity of an input signal can be encoded as a size of an active region in a neural layer. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

    DOI: 10.1016/j.neucom.2004.01.027

    Web of Science

  • 21aTQ-7 Mexican-Hat 型の結合を持つ Synfire Chain の解析

    濱口 航介, 岡田 真人, 山名 美智子, 合原 一幸

    日本物理学会講演概要集   58 ( 2 )   218 - 218   2003年8月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:一般社団法人日本物理学会  

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  • Mexican Hat型結合を持つSynfire Chainの解析

    濱口 航介, 岡田 真人, 山名 美智子, 合原 一幸

    電子情報通信学会技術研究報告. NC, ニューロコンピューティング   103 ( 153 )   19 - 24   2003年6月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:社団法人電子情報通信学会  

    神経細胞集団のスパイク同期による情報表現仮説が注目を集めるなか,同期発火が連鎖して伝搬するSynfire Chainと呼ばれるモデルが提案されている.このモデルでは神経結合の一様性を仮定する事で,解析的な取扱いが容易になっている.しかし大脳皮質においては局所的な相互作用が存在し,近距離の興奮性,遠距離での抑制性の結合からなる.Mexican Hat型と呼ばれる結合が確認されている.そこで我々はMcCulloch-Pitts型ニューロンモデルで構成された神経層の間の結合をメキシカンハット型の関数で与え,各層を伝搬する同期発火の発展を調べた.この系は発火パターンのフーリエ0次モードと2次モードの強度の発展方程式を用いて統計的に記述される.この系には非発火状態以外に,層状回路を伝播する孤立局在興奮と一様興奮の2つのノントリビアルな安定状態が存在することがわかった.さらに,我々は孤立局在興奮と一様興奮の共存相を発見した.

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講演・口頭発表等

  • Hikida Takatoshi, Nishioka Tadaaki, Macpherson Tom, Hamaguchi Kosuke .  中枢ドーパミン系の新たな切り口 柔軟な認知行動のための側坐核ドーパミン神経伝達機構(New insights into central dopaminergic system Dopamine neurotransmission mechanisms in the nucleus accumbens for flexible cognitive behavior) .  The Journal of Physiological Sciences  2023年5月  (一社)日本生理学会

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    記述言語:英語  

  • Hamaguchi Kosuke .  不確実な外界環境に適応する動的神経機構 次世代の生理学研究 予測的行動を可能にする前頭皮質の予測的価値表現(Dynamic neural mechanisms for adaptation to uncertain external environments: Next-generation physiological research Prospective Value Representation in Mouse Frontal Cortex Supports Predictive Choice Behavior) .  The Journal of Physiological Sciences  2023年5月  (一社)日本生理学会

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    記述言語:英語  

受賞

  • 最優秀ポスター賞

    2012年   包括脳  

  • 若手奨励賞

    2004年   日本神経回路学会   局所性を持つ同期発火連鎖の解析

共同研究・競争的資金等の研究

  • 内受容感覚が行動選択を誘導する神経メカニズム

    研究課題/領域番号:24K02343  2024年4月 - 2027年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    濱口 航介

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    配分額:18590000円 ( 直接経費:14300000円 、 間接経費:4290000円 )

  • 逆行性バーコーディングによる局所回路センサス

    研究課題/領域番号:24H01235  2024年4月 - 2026年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  学術変革領域研究(A)

    濱口 航介

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    配分額:13780000円 ( 直接経費:10600000円 、 間接経費:3180000円 )

  • 逆行性バーコーディングによる局所神経回路構造の解明

    研究課題/領域番号:22H05495  2022年6月 - 2024年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 学術変革領域研究(A)  学術変革領域研究(A)

    濱口 航介

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    配分額:9880000円 ( 直接経費:7600000円 、 間接経費:2280000円 )

  • 予測的価値を行動に変換する神経機構

    研究課題/領域番号:21H02804  2021年4月 - 2024年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 基盤研究(B)  基盤研究(B)

    濱口 航介

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    配分額:17940000円 ( 直接経費:13800000円 、 間接経費:4140000円 )

    本研究では,報酬条件が逆転する事を予期するマウスを用いて,予測に基づく価値を表現する神経細胞の同定を目指す.それらの神経活動を抑制した際,予測的な行動が抑制されるかどうか調べる事で,予測的価値を行動に変換する神経機構を明らかにする.
    初年度では,予測的な行動を行う頭部拘束マウスを多数供給できる体制を確立した.具体的には,報酬10回目で必ず報酬条件が変わる連続逆転学習課題をマウスに学習させた.もし過去の報酬履歴から行動を選択するならば,Win-Shift 選択確率(報酬が得られる行動をやめ,他の選択肢を選ぶ確率)は,ブロック内での学習が進むと低下すると予想される.実際に正答率の低い Novice マウス (正答率60%未満)では,Win-Shift 選択確率はブロック内で低下していった.しかし正答率の高い Expert マウス (正答率70%以上)ではブロックの後半に向けて,Win-Shift 選択確率が高まっており,ブロックの切り替わりでちょうど逆転行動を数多く行う個体が得られた.この結果は,Expert マウスが課題の構造を学習し,報酬条件の変化を予測している事を示唆している.
    これら予測的行動を行うマウスの前頭皮質神経細胞よりカルシウムイメージングを行ったところ,予測に基づいた価値計算を行うことを示唆する神経活動が観測された.また光遺伝学をもちいて課題遂行中に観測領域を抑制したところ,予測ができないことを示唆する行動が観測された.

  • 意思決定過程と内部モデルの相互作用

    研究課題/領域番号:19H04983  2019年4月 - 2021年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 新学術領域研究(研究領域提案型)  新学術領域研究(研究領域提案型)

    濱口 航介

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    配分額:11700000円 ( 直接経費:9000000円 、 間接経費:2700000円 )

    予想に基づいて行動を決定する事は,生存において重要な役割を果たす.予測を行うには,自分の制御の及ばない現象(環境)を脳内で内部モデルとして取り込み,行動選択に取り入れる仕組みが必要である.しかし,その神経基盤は明らかでなかった.我々はマウスの高次運動野が,予測に基づく行動価値を表現すると考えた.これまでの研究から,様々な脳領域において過去の履歴に基づく価値表現が存在する事が知られていた.しかし「過去の履歴に基づく価値」と「予測に基づく価値」は相関が強いため,適切な強化学習モデルを用いなければ分離できない.そこで我々は以下の点に着目し,研究課題を行った.
    1)予測的行動を繰り返す価値課題の開発.2)予測的行動を説明する新しい強化学習モデルの開発.3)上記課題を行うマウスの高次運動野からの神経活動を2光子カルシウムイメージング法を用いて計測し,予測的行動価値を表現する細胞の探索.4)上記の予測的価値を表現する細胞を光遺伝学によって抑制し,因果関係を証明.
    その結果,マウス高次運動野では,運動開始の数秒前から行動価値を表現する細胞が強く活動する事がわかった.高次運動野の運動準備中の神経活動を抑制すると,マウスは運動ができなくなるわけではなく,予測的行動だけができなくなった.本研究で,我々はマウス高次運動野が予測的行動価値を行動に反映する回路である事を明らかにした.

  • 模倣学習の神経基盤

    研究課題/領域番号:17H03545  2017年4月 - 2020年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 基盤研究(B)  基盤研究(B)

    濱口 航介

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    配分額:18070000円 ( 直接経費:13900000円 、 間接経費:4170000円 )

    模倣学習は,脳にとっては外界のモデル化という統一した枠組みに含める事が可能である.本研究では鳴禽類とマウスにおいて,外界のモデル(親の歌/環境)の脳内表現の解明を行った.鳴禽類では高次運動野と周辺領域からの神経活動記録を行った.マウスにおいては,報酬条件が変化する条件を理解し,予測的な行動を行う事がわかった.これは環境の構造を学習した事を示している.また二光子カルシウムイメージング法を用いて行動選択に関わる脳領域の神経活動を計測し,予測的な価値判断が表現されている事を明らかにした.

  • 神経活動と分子活性が織り成す学習規則の可視化

    研究課題/領域番号:17H06029  2017年4月 - 2019年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 新学術領域研究(研究領域提案型)  新学術領域研究(研究領域提案型)

    濱口 航介

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    配分額:12220000円 ( 直接経費:9400000円 、 間接経費:2820000円 )

    本研究では,以下2つの課題を行った.
    <BR>
    1.分子活性レポータ画像解析技術の開発:分子活性レポータの画像と合わせ,二光子顕微鏡によるカルシウムイメージングの動画を高速で解析する事を目標に,新しいアルゴリズム,HDBCellSCANを開発した.隣接するピクセル間の相関Cが与えられた時,1-C をピクセル間の距離と定義する距離空間では,同じ細胞や樹状突起に属するピクセルは似た蛍光変化をするために密集する.この性質を利用し,密度依存クラスタリングを行うと,細胞の形状に依存せずに関心領域(ROI, 同じ蛍光変化をする領域)を同定できる.k-means等の従来のクラスタリング手法と比較すると,事前に細胞数を知る必要がなく,最小の細胞サイズ(ピクセル数)さえ知っていればよい.これは事前に細胞数がわからないカルシウムイメージングのROI検出に適した手法である.また他のクラスタリング手法と比較して,最も高速に動作するため,大規模イメージングの解析に適した技術である.
    <BR>
    2.意思決定課題への応用:行動を選択する際の神経活動を記録するため,有限リソースのtwo arm bandit taskを開発した.学習後のマウスの行動パターンは,Model-freeの強化学習では説明できず,内部モデルによる予測を用いて意思決定を行っている事が示唆された.これらのマウスの2次運動野(M2)から,2光子カルシウムイメージング法による神経活動の観察を行った.上記の画像解析プログラムを用いて解析を行った所,行動選択の前の準備活動は,内部モデルからの予想に一致した行動価値を表現していた.今後は,この結果をさらに推し進め,より多くの個体,皮質領域からデータを集め,内部モデルの皮質担当領域の解明,M2領域の準備活動が調節される神経メカニズムの解明に,焦点を当てる.

  • 自由行動下での標的細胞特異的な細胞内記録技術の開発

    研究課題/領域番号:15K14315  2015年4月 - 2017年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  挑戦的萌芽研究

    渡邉 大, 濱口 航介

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    配分額:3900000円 ( 直接経費:3000000円 、 間接経費:900000円 )

    認知行動課題を実行中の動物個体から脳の電気的活動を計測することは、脳機能を理解する上で、最も直接的かつ基本となる技術である。さらに脳のマクロ的な機能をシナプスが媒介する微細な神経情報と結びつけて理解するためには、活動電位だけではなくシナプス電位等の閾値以下の微弱な電位変化を計測し、高次脳機能を担う神経活動の生成プロセスを明らかにすることが重要である。しかしながら、従来の電気生理学機器は巨大で携帯性が悪く、非拘束下の行動中の動物個体での計測は困難であった。本研究では、自由行動下の生体の脳から閾値以下の微細な神経活動を計測する細胞内記録システムを開発した。

  • 運動系列に関わる時間制御の神経基盤

    研究課題/領域番号:15K18340  2015年 - 2016年

    文部科学省  科学研究費補助金(若手研究(B))  若手研究(B)

    濱口 航介

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    担当区分:研究代表者  資金種別:競争的資金

    配分額:4290000円 ( 直接経費:3300000円 、 間接経費:990000円 )

    我々が会話をする時,喉や口の筋肉は様々なタイミングで呼吸と共に制御されている.この複雑な運動は,皮質と脳幹の神経活動に依存するが,両部位の相互作用の仕組みは明らかになっていない.小鳥は複雑な歌を歌い,歌に必要な神経核が皮質から脳幹部に渡って同定されているため,皮質と脳幹部の相互作用を理解する上で有用な動物である.従来の仮説では,前運動野相当領域のチェーン状の回路で,歌のタイミングが生成されると考えられたが,本研究では,温度操作および神経回路シミュレーション,さらに歌っている最中の細胞内膜電位記録をもちいて,歌のタイミングはHVCを含んだ大域的なチェーン構造から作られていることを明らかにした.

  • 時系列情報の神経回路基盤

    研究課題/領域番号:24220009  2012年5月 - 2017年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(S)

    渡邉 大, 安部 健太郎, 濱口 航介, 松井 亮介, 長谷川 拓

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    配分額:218140000円 ( 直接経費:167800000円 、 間接経費:50340000円 )

    ソングバードは、生得的にパターンが決定している「コール」に加えて、ヒトと同様に模倣により獲得する「ソング」という2種類の音声信号によりコミュニケーションする。高度な時系列情報処理を必要とする音声認識・制御の神経回路の形成機構を明らかにするために、トランスジェニックソングバードを作成し解析した。その結果、神経活動依存的な転写因子CREBの活性を操作してもコールには影響ないが、CREB活性を抑えるとソングの発達が有意に障害されることが明らかとなった。以上の結果は、後天的に獲得される音声のような時系列情報処理能力の獲得にはCREBを介する神経活動依存的な遺伝子発現調節が重要であることを示唆する。

  • 活動相関を持つ神経集団符号化の動力学に関する研究

    研究課題/領域番号:06J06773  2006年 - 2008年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 特別研究員奨励費  特別研究員奨励費

    濱口 航介

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    配分額:2300000円 ( 直接経費:2300000円 )

    神経の発火率は一次統計量であり,刺激や行動との相関がある場合には発火率による情報コードが行われているという.しかしCV2など時間的に局所的な発火の不規則性に関する指標を用いれば,時間相関をもつスパイク列の二次統計量と行動との関連を探る事が可能である.本研究では,Alexa Riehle博士とNicolas Brunel博士の協力の下,猿の前肢運動中の神経活動データを解析した.その結果,発火率の変動と比べてCV2など2次統計量がほぼ時間的に一定であること,発火タイミングの乱雑さの高い神経集団と低い神経集団が存在することがわかった.次なる疑問は,このような神経活動はどのような神経回路網によって作られるか,である.大脳皮質の局所回路の性質はほとんどわかっていないため,我々はまず,疎にランダム結合すると仮定し,そのようなネットワークのパラメータを神経活動から推定することにした.まず実験より単一神経のスパイク列から,発火率と発火タイミングの乱雑さをあらわす指標(ここではCVを用いた)を抽出する.これと漏れあり閾値発火神経モデル(Leaky Integrate-and-Fire Neuron)からなる疎なランダム結合ネットワークから解析的に計算された発火率とCV値の差を少なくするようなモデルを選択した.その結果,ボアソン発火と同程度に乱雑な神経は抑制性のフィードバックが興奮を上回る抑制性優位なネットワークに属し,ややレギュラーな発火を示す神経は,局所回路内のフィードバックが少ないと予測された.

  • 相関を無視した神経情報デコーディングに関する研究

    研究課題/領域番号:18700238  2006年

    文部科学省  科学研究費補助金(若手研究(B))  若手研究(B)

    濱口 航介

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    担当区分:研究代表者  資金種別:競争的資金

    配分額:1300000円 ( 直接経費:1300000円 )

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