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東京大学 大学院情報理工学系研究科知能機械情報学専攻

生命知能システム研究室(神崎・高橋研究室)高橋グループ

研究内容Research

私たちの大脳皮質には,100億個の神経細胞があると言われています.最近の研究から,個々の神経細胞は,コンピュータのトランジスタのように画一的な計算素子ではなく,それぞれ,豊かな個性を持っていることがわかってきました.脳の情報処理機構の理解をさらに深めるためには,これらの個性豊かな神経細胞が,どのように,集団として協調して活動しているかを明らかにしていくことが鍵になります.そのために,私たちは,100個以上の微小電極から多点同時に神経活動パターンを計測・解析する手法を確立してきました.研究の対象として,培養神経細胞,ラットの脳,てんかん患者の皮質脳波を扱っており,目的や神経回路のスケールに応じて,細胞レベルからヒトの脳まで幅広く調べています.

- 研究室紹介動画 (link); 機械情報工学科ホームページでの神崎・高橋研究室の紹介 (link)
- 卒論・修論・D論のテーマ (link); 発表論文リスト (研究業績); これまでの主な研究成果 (link)

研究室に興味がある方に読んで欲しい記事 (2021年度オープンラボの参考資料ポスター)
 - 「神経工学」とは?(研究分野の紹介) (link)
 - 情報理工学系研究科による研究室の紹介記事「フォーカス」 (link)
 - 「人工知能 vs. 脳」東京大学広報誌 淡青 40号のコラム (link)
 - 「青春の一冊」 東京大学新聞 (2020年1月14日号) のコラム (link)
 - 「エンジニアのための脳科学のすすめ」(電子情報通信学会誌への寄稿 (link))
 - 「神経工学の潮流」(基礎研究) (電気学会論文誌への寄稿) (link, 原稿)
 - 「神経工学」(臨床応用) (論文原稿; 2020/5/28版) (原稿)
  (10年以上前に執筆した「理工系からの脳科学入門」と読み比べると,最近の進展が興味深い (原稿))

創発コンピューティング(神経細胞の分散培養系)

シャーレ上に神経細胞を播種すると,自発的に神経活動が始まり,自己組織的に神経回路が形成されます.さらに,神経回路は,外部からの刺激に対しても柔軟に変化します.この様子を高密度CMOSアレイの上で詳細に観察し,神経細胞集団の回路形成と可塑性を考察します.これらの実験データに基づいて,脳のような計算機能を実現できる創発コンピュータの開発を目指しています.

さらに,培養神経回路を遺伝子工学的に改変・機能化することで,新規実験系やセンサーとして利用することも試みています.例えば,光に応答するイオンチャネルを培養神経回路内にスパースに発現させ,個々の神経細胞と神経回路との相互作用 (cell-network interaction) を考察できるようになりました.また,嗅覚受容体を発現させ,その微小な応答を神経回路で増幅器する高感度匂いセンサーを開発しています.これらの手法は,「培養神経回路へ感覚情報を与える」技術とも言えます.

シャーレ上で分散培養した
神経回路

共同研究者

・Andreas Hierlemann教授,Douglas Bakkum博士(スイスETH) (link)
・Urs Frey博士 (MaxWell Biosystems) (link)
・池上高志教授(東大)(link)
・中嶋浩平准教授(東大)(link)
・日立東大ラボ(2016年度〜2018年度)
・潟fンソー(東京大学社会連携講座「機械の将来技術の創出」)(2012年度〜2014年度)

知覚情報処理(ラットの聴皮質)

時空間的な神経活動パターン計測用
微小電極アレイ

情報理論や機械学習を駆使して,微小電極アレイで得た神経活動パターンから情報を読み出す技術を開発しています.また,行動実験を駆使して,知覚,質感,情動,嗜好など,主観的な情報が,どのように神経活動パターンに表現されているかを考察します.

これらの研究で,神経細胞は画一的な情報処理をしているわけではなく,非常に豊かな個性を有することがわかってきました.さらに,聴覚皮質は,学習や環境により必要に応じた神経細胞の多様性を獲得し,重要な情報の処理には多種多様な多数の細胞を割り当てていることがわかってきました.したがって,個々の細胞は,情報処理に多大な影響を与えていることになります.このような計算素子の多様性を生かした情報処理こそ,脳特有の設計思想であり,人工的な計算機との本質的な相違であると考えています.

最近では,多種多様な細胞がどのように協調するかを明らかにするべく,細胞集団の位相同期から機能ネットワークを推定し,そのダイナミクスを解析しています.その結果,主観的に知覚される音オブジェクトの形成,刺激の顕在性 (saliency) や情動価 (valence) など,個体差がある高次知覚情報処理を考察できることもわかってきました.

共同研究者

・古川茂人博士,柏野牧夫博士(NTTコミュニケーション科学基礎研究所) (link)
・中原はるか博士(江戸川橋クリニック耳鼻咽喉科)(link)
・神崎晶講師(慶應義塾大学医学部耳鼻咽喉科)

てんかんの生理学(ラットの大脳皮質,ヒトの皮質脳波)

てんかん発作では,神経細胞の集団活動が全く制御できない状態にあります.どうして発作に陥るのか,また,どうすれば,発作を回避できるのかを明らかにすることで,神経細胞の協調的な集団活動の原理を考察します.

てんかんの患者さんやラットの脳内において,100個以上の電極から計測される神経信号から,脳内の機能ネットワークを推測できます.この機能ネットワークは時々刻々と長期的に変動しており,この変動を考慮することが,発作の予知や病理理解には重要であることがわかってきました.

また迷走神経を刺激すると,大脳皮質の局所的な機能ネットワークが変化することも捉えられるようになってきました.これらの知見は,新たなてんかんの治療方法への足掛かりとして期待されます.

皮質に設置した電極アレイ

共同研究者

・川合謙介教授(自治医大) (link)
・國井尚人博士 (東大脳外科)


卒業論文,修士論文,学位論文の題目Dissertation

卒業論文

 年度 学生氏名 論文題目
2005 船水章大 学習による聴皮質の時空間的神経活動の状況依存的な可塑性 (概要)
横田亮 微小電気刺激による聴皮質の機能構造の書き換え技術の開発 (概要)
2006 三森雄介 音のオペラント学習による聴皮質の情報表現の変化 (概要)
2007 大坪紀子 電気的・薬理的インターフェースによる音学習中の聴皮質の神経活動の解析 (概要)
藤原正道 てんかん発作の予測のための皮質脳波解析 (概要)
2008 磯口知世 状況察知のための聴皮質における質感の情報処理 (概要)
酒井秀夫 チャネルロドプシンを発現させた光応答型培養神経回路 (概要)
2011 李夏栄 てんかん患者の多点皮質脳波における神経活動の雪崩現象の検証 (概要)
石原裕也 高密度CMOSアレイと細胞内刺激による神経ネットワークの可視化 (概要)
 2012  雨宮知樹  音列オブジェクト形成に関わる聴皮質の神経活動 (概要)
 大川知 成熟した培養神経回路のネットワーク形状と活動の経時変化 (概要)
2013 徳茂宏之 瞳孔径に連動した脳活動の変化(概要
日露理英 迷走神経刺激が聴知覚の神経活動パターンに及ぼす影響(概要
 安田秀策 電場刺激による培養神経回路の時空間的活動パターン制御(概要
2014 曾我遼  ドーパミン報酬系が聴覚野での音情報処理に及ぼす影響(概要) 
2015   久山貴大  感覚野への電気パルス列刺激による知覚の生成(概要
 古池香里  培養神経回路の同期バースト発生を担う細胞群の探索(概要
 安江秀太  リザバー計算に基づく培養神経回路の状態制御(概要
2016  可部泰生 パーソナル・モバイル・ロボットを用いた補聴器装用支援システム (概要)  
 土井ゆりか  ラットの自己主体感を調べるための実験系の構築 (概要)  
 角田颯飛  繰り返し同期誘発刺激による培養神経回路の記憶の操作 (概要)    
 松竹理匠  齧歯類における和音知覚の原始的な神経基盤 (概要)  
 2017 阿部泰己  脳の電気刺激による意識にのぼる知覚の創成(概要
 2018  木村武龍   培養神経細胞の統合情報量による解析(概要
森叶人 感覚野における視聴覚統合 (概要
 2019   大澤龍太  拡張した情報処理容量によるリザバーコンピューティングの評価 (概要
 高橋斗威  継続的な刺激が培養神経回路の成長にもたらす影響 (概要
2020   石田直輝  ラット聴覚野における情報処理容量の計測(概要
 諏訪瑛介  神経細胞の分散培養系の情報処理容量(概要

修士論文

年度 学生氏名 論文題目
2006 内原匡信 ラット聴皮質の時空間的神経活動のニューラルネットワークによる解析 (概要)
2007 古瀬秀和 音のオペラント学習による聴皮質の可塑性 (概要)
船水章大 学習による聴皮質の状況依存的な情報表現の誘導 (概要)
横田亮 相互情報量を用いた聴皮質の情報表現の解析 (概要)
2008 野田貴大 動物モデルによる音脈生成の行動学的評価と聴皮質の生理学的基盤 (概要)
2009 大坪紀子 聴皮質における音の価値の情報表現 (概要)
2010 磯口知世 音の情動的価値に対する聴皮質の情報処理 (概要) [研究科長賞受賞]
酒井秀夫 チャネルロドプシンを発現させた培養神経回路の光制御 (概要)
高橋秀平 皮質脳波の機能ネットワーク構造によるてんかん発作の事前予測 (概要)
 2011 (9月) 三田毅 超高時空間解像度のCMOSアレイ上における培養神経回路の機能ネットワークの解析 (概要)
2011 阿久津完 聴皮質の定常的な神経活動における音情報のデコーディング (概要)
2012 狩野竜示 迷走神経刺激による大脳皮質の神経活動の同期度の変化 (概要)
2013  石原裕也  分散培養系における神経活動パターンに基づく機能ネットワークの解析(概要
高橋和佐  ラット聴皮質と視床における3次元多点同時計測システムの開発(概要) 
2014     雨宮知樹 音列の規則性知覚に関わるラット聴野神経活動 (概要) 
 眞田章広  高密度CMOSアレイ上の培養神経回路の神経雪崩現象の発達過程(概要) 
 永田裕之  移動エントロピー法による視床・聴覚野間の信号伝達の因果性評価(概要) 
 安田和樹  神経活動の位相に基づいた聴力検査装置の基礎的検討(概要) 
2015     日露理英  迷走神経刺激による知覚情報処理の変化(概要) 
 安田秀策  神経細胞の分散培養系によるリザバー計算(概要) [研究科長賞受賞]
 矢野隆一  分散培養系における神経細胞の移動と活動(概要) 
 和家尚希  耳鳴の神経機序解明に向けた行動実験系の構築と神経指標の検討(概要) 
 2016  曾我遼  睡眠中の古典的条件付けによる音嗜好性の操作 (概要)  
2017  鹿山敦至   培養神経細胞の集団同期発火パターンを生成するネットワーク構造 (概要)
 藤田裕介  培養神経回路内の記憶に対するmiRNAの影響 (概要)
2018    池田成満 自己組織化を用いたリカレントニューラルネットワークの学習手法 (概要
 外山大夢  培養神経回路における電気刺激による任意の神経細胞ペアの機能結合の操作(概要
 松竹理匠  ラットを用いた原始的音楽知覚の理解(概要
2019  可部泰生  難聴・耳鳴者に対する補聴器順応支援(概要
 阿部泰己  レポート可能な聴知覚に対する視床電気刺激の影響(概要
 櫻山和浩 マイクロRNAが培養神経回路の履歴依存的応答に及ぼす影響(概要
2020  伊藤圭基  齧歯類におけるビート知覚の神経基盤(概要
 木村武龍  リザバー計算の状態空間別情報処理能力(概要
 森叶人  多感覚情報処理が脳の逸脱検出に及ぼす影響(概要
 矢田浩章  耳鳴馴化支援アプリケーションの開発(概要

学位論文

年度  学生氏名  論文題目
2009 硯川潤 薄膜形光アドレス電極の開発とその応用 (概要)
2010 船水章大 生体信号のデコーディングによる神経情報処理の解析 (概要)
2012 (9月) 野田貴大 聴覚野における音脈分凝の神経基盤 (概要
2012 (9月)  棚田法男  神経細胞の分散培養系に嗅覚受容体を発現させた匂いセンサーの開発 (概要
2012 横田亮  神経集団による符号化の多様性と同期性の意義 (概要)  
2013 白松(磯口)知世  聴皮質における音の質感と情動情報の表現 (概要)  
2016 矢田祐一郎   分散培養系で神経集団が創発する時空間ダイナミクス [研究科長賞受賞]
2018 和家尚希   聴覚野における耳鳴の神経メカニズム
2019 (9月) 江間見亜利  Epileptic seizure detection in scalp EEG by deep learning
2019 石津光太郎 視床・聴覚野における意識的な聴知覚の神経相関
2020 (9月) 窪田智之 神経回路の過渡ダイナミクスの情報処理

日本学術振興会特別研究員の受入JSPS fellowships

 制度 期間  研究員氏名 研究課題
DC1 2006~2008  硯川潤 培養神経系モデルを用いた脳神経システムの機能化誘導技術の開発
DC1 2008~2010  船水章大 神経回路の動的なスイッチング機構の解明とその情動センシングBMIへの応用
DC1 2008~2010 横田亮 学習に伴う神経システムの可塑性の評価とそのモデル化
PD 2008~2009  Douglas Bakkum   培養神経回路のための刺激用光アドレス電極と計測用電極アレイの統合インターフェース
DC1 2009~2011  野田貴大   聴覚的クラスターを抽出・再構成できる神経基盤の解明とその工学的応用
DC1 2011~2013  磯口知世   音の質感がもつ情動的価値の神経学的解明
DC1 2014~2016  矢田祐一郎  培養神経回路のバイオ・コンピュテーションを実現する高解像度神経インターフェース
 PD 2015~2017  Lisandro Kaunitz   意識と無意識状態における脳内の情報伝播
 DC1 2016~2019  和家尚希   耳鳴知覚の脳活動の同定と診断方法の開発

東京大学 
大学院情報理工学系研究科
知能機械情報学専攻
神崎・高橋研究室
高橋グループ

高橋宏知

〒113-8656
東京都文京区本郷7−3−1
工学部2号館 81B

TEL: 03-5841-6318
E-mail:takahashi@i.u-tokyo.ac.jp


アクセス:
東京大学本郷キャンパス (map)
工学部2号館(map)


関連学科・専攻:

東京大学

 工学部 機械情報工学科 (機械B)
 大学院 情報理工学系研究科
      知能機械情報学専攻
     工学系研究科
      先端学際工学専攻
 先端科学技術研究センター
   生命知能システム分野
   (神崎・高橋研究室)