Beyond AI Logo

Category

Category

【プレスリリース】脳自身が生み出す活動と外界からの入力による活動を大脳神経回路が分離する新しいメカニズムを解明 [Press Release] Elucidating the Mechanism by which Neural Circuits in the Cerebral Cortex Separate Spontaneous Brain Activity from Sensory-Evoked Activity

東京大学大学院医学系研究科の大木研一教授(兼:東京大学国際高等研究所ニューロインテリジェンス国際研究機構(WPI-IRCN)副機構長、兼:Beyond AI 研究推進機構 教授)、同志社大学大学院脳科学研究科の松井鉄平教授(研究当時:東京大学大学院医学系研究科講師)、東京大学大学院医学系研究科の橋本昂之助教、村上知成助教、関西医科大学医学部の上村允人助教(研究当時:東京大学大学院医学系研究科特任助教)らの研究グループは、大脳視覚野が視覚情報と自発活動を分離する新しいメカニズムを発見しました。

ヒトをはじめとする生物の脳は外界からの感覚入力が無い場合(例えば何もしていない安静時)でも活発に脳自身が生み出す自発活動を示すことが知られています。自発活動は様々な動物で観察されており、生物の脳の重要な特徴だと考えられています。自発活動が外界からの感覚入力に対する活動と区別できない場合、誤った認識や幻覚につながる可能性もありますが、実際には生物の脳は感覚情報を正確に処理することが出来ます。このメカニズムが何なのかは多くの点で未解明であります。特に多数の領野が階層的なネットワークを作る哺乳類の大脳皮質視覚野において自発活動がどのように処理されているかは不明でありました。そこで本研究では、マウスよりもヒトに近い視覚系を持ち、なおかつ先端技術による神経活動計測が可能な小型霊長類であるマーモセットを用いて、大脳皮質の多数の視覚関連領野で自発活動と視覚応答との関係を詳細に分析しました。その結果、大脳皮質視覚野の階層的ネットワークの中で、低次の階層では自発活動と視覚応答のパターンが似ていますが、低次の階層から高次の階層にいくほど自発活動のパターンと視覚応答のパターンが徐々に分離していくことが発見されました。階層にそって徐々に分離されることから、ネットワークの階層性が自発活動と視覚応答の分離に重要な役割を果たしていることが示唆されます。本研究は大脳皮質の新しい情報処理メカニズムを提案するだけでなく、生物の脳が持つ利点を取り込んだ人工知能の開発に寄与する可能性が考えられます。

本研究は、東京大学・ソフトバンクBeyond AI連携事業、東京大学ニューロインテリジェンス国際研究機構(WPI-IRCN)、日本医療研究開発機構(AMED)、科学技術振興機構(JST)による戦略的創造研究推進事業(CREST)、日本学術振興会(JSPS)による科学研究費助成事業などによる支援を受けて行われました。

本研究成果は、2024 年 12 月 4 日(英国時間)に英国科学誌「Nature Communications」のオンライン版に掲載されました。

プレスリリース全文(PDF):
https://www.u-tokyo.ac.jp/content/400252827.pdf

<関連リンク>
・nature com.
https://www.nature.com/articles/s41467-024-54322-x

・東京大学ホームページ(UTokyo Focus)
https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/ja/press/

A research group consisting of Professor Kenichi Ohki (affiliated with Institute for AI and Beyond (Beyond AI), Graduate School of Medicine, and International Research Center for Neurointelligence (WPI-IRCN), The University of Tokyo), Professor Teppei Matsui (Graduate School of Brain Science, Doshisha University (at the time of this research: Lecturer, Graduate School of Medicine, University of Tokyo)), Assistant Professor Takayuki Hashimoto, and Assistant Professor Tomonari Murakami (Graduate School of Medicine, The University of Tokyo), and Assistant Professor Masato Uemura (Faculty of Medicine, Kansai Medical University (at the time of this research: Project Assistant Professor, Graduate School of Medicine, The University of Tokyo)) have discovered a new mechanism by which the cerebral visual cortex separates visual information from spontaneous activity.

It is known that the brains of organisms, including humans, exhibit spontaneous activity generated by the brain itself even in the absence of sensory input (e.g., during rest). Spontaneous activity has been observed in various animals and is considered one of the most characteristic features of the biological brain. If spontaneous activity cannot be distinguished from activity in response to sensory input, it could lead to incorrect perceptions or hallucinations. However, in reality, the brain of living organisms can accurately process sensory information. The mechanism behind this has remained largely unexplained. Particularly, it was unclear how spontaneous activity is processed in the visual cortex of mammals, which forms a hierarchical network of multiple areas. Therefore, this study used marmosets, small primates with a visual system closer to that of humans and capable of advanced neural activity measurements, to analyze in detail the relationship between spontaneous activity and visual responses in multiple visual-related areas of the cerebral cortex. The research group discovered that within the hierarchical network of the cerebral visual cortex, the patterns of spontaneous activity and visual responses are similar in lower hierarchical levels, but gradually separate as one moves from lower to higher hierarchical levels. This gradual separation along the hierarchy suggests that the hierarchical nature of the network plays an important role in the separation of spontaneous activity and visual responses. This study not only proposes a new information processing mechanism of the cerebral cortex but also has the potential to contribute to the development of artificial intelligence that incorporates the advantages of the biological brain.

This research was supported by the Beyond AI Joint Project which is a collaborative initiative launched by the University of Tokyo and SoftBank, Japan Agency for Medical Research and Development (AMED), Japan Science and Technology Agency (JST), and Grants-in-Aid for Scientific Research (JSPS).

The findings of this research was published in the British scientific journal "Nature Communications" on December 4 2024 (UK time).

・The full press release (in Japanese only) in PDF.
https://www.t.u-tokyo.ac.jp/hubfs/press-release/2024/0207/003/text.pdf

<RELATED LINKS>
・nature com.
https://www.nature.com/articles/s41467-024-54322-x

・UTokyo Focus
https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/ja/press/

【プレスリリース】脳のゆらぎを取り入れてAIを安全にする ――深層ニューラルネットワークの隠れ層にゆらぎを導入し脆弱性を軽減―― [Press Release] Making AI secure by introducing random noise that mimics brain neurons ――Reduces its vulnerability against some adversarial examples by injecting random noise in the hidden layers of deep neural networks――

東京大学大学院医学系研究科 機能生物学専攻 統合生理学分野の大木研一教授と浮田純平大学院生(研究当時)の研究チームは、深層ニューラルネットワークに脳の神経細胞を模したゆらぎを導入することで、深層ニューラルネットワークが持つ脆弱性の一部が軽減できることを明らかにしました。

現在、人工知能(AI)の進化が加速度的に進んでいますが、その基礎となる構造は深層ニューラルネットワークに基づいています。しかし深層ニューラルネットワークは、敵対的攻撃と呼ばれる悪意のある攻撃によって、人間とは明らかに異なる出力をするように騙されてしまうことが知られています。例えば自動運転車に搭載された画像認識AIは、「止まれ」の道路標識を正しく「止まれ」と認識して車が停止する必要があります。しかし敵対的攻撃によって生成された「止まれ」の道路標識は、人間が見ると明らかに「止まれ」の標識であっても、画像認識AIは正しく認識できません。結果、車が停止できず、交通事故につながる恐れがあります。このように、AIを社会実装する上で、敵対的攻撃に対する脆弱性は大きな課題の一つです。

人間など動物の脳の性質をAIに取り入れることで、このような脆弱性を克服できる可能性があります。本研究チームは、脳の神経細胞が持つゆらぎを参考に深層ニューラルネットワークにゆらぎを導入することで、特定のタイプの脆弱性が軽減できることを明らかにしました。この方法を用いることで、より人間などの動物の振る舞いに近いAIが作成できる可能性が高くなると考えられます。
本研究は、Beyond AI 研究推進機構、日本医療研究開発機構(AMED)「革新的技術による脳機能ネットワークの全容解明プロジェクト」、文部科学省科学研究費助成事業、CREST-JSTなどの支援を受けて行われました。

本研究の成果はNeural Networks誌(9月16日オンライン版)に掲載されました。

プレスリリース全文(PDF):
https://www.u-tokyo.ac.jp/content/400222407.pdf

<関連リンク>
・掲載論文 (Title: Adversarial attacks and defenses using feature-space stochasticity)
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0893608023004422?via%3Dihub
DOI 10.1016/j.neunet.2023.08.022

・東京大学ホームページ(UTokyo Focus)
https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/ja/press/

A research team consisting of Professor Kenichi OHKI and Jumpei UKITA (a graduate student at the time of the research) of the Department of Physiology, Division of Functional Biology, Graduate School of Medicine, the University of Tokyo, revealed that some of the vulnerabilities in deep neural networks can be mitigated by injecting random noise that mimics the brain in deep neural networks.

Currently, artificial intelligence (AI) is evolving at an accelerating pace, and its underlying structure is based on deep neural networks. Deep neural networks are known to be tricked into producing outputs that are clearly different from that of humans by malicious attacks, known as adversarial attacks. For example, image recognition AI in self-driving cars must correctly recognize a "stop" road sign as "stop" to make the car stop. However, the image recognition AI may not be able to correctly recognize a "stop" road sign generated by a hostile attack, even if it is clearly a "stop" sign when seen by a human. As a result, the car may not be able to stop, leading to a traffic accident. Thus, vulnerability to hostile attacks is one of the major challenges of implementing AI in society.

Incorporating brain properties of animals, such as humans, into AI may help overcome such vulnerabilities. The research team discovered that certain types of vulnerability can be reduced by introducing noise that mimics the randomness of neurons in the brain into deep neural networks. By using this method, the possibility of creating AI that more closely resembles the behavior of humans and other animals is thought to be greater.

This research was supported by the Institute for AI and Beyond of the University of Tokyo, the Japan Agency for Medical Research and Development (AMED) "Project to Elucidate the Entire Functional Brain Network through Innovative Technology", the Grant-in-Aid for Scientific Research from the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology, and CREST-JST.
The research result was published in Neural Networks on 16 September 2023 online.

Professor Ohki is the Project Leader for the Basic Research Project entitled “Development of next generation AI by modeling brain information” at the Institute for AI and Beyond.

・The full press release (in Japanese only) in PDF.
https://beyondai.jp/contents/wp-content/uploads/2023/09/Press-Release_NeuralNetworks_20230916_Web.pdf

<RELATED LINKS>
・Published paper (Title: Adversarial attacks and defenses using feature-space stochasticity)
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0893608023004422?via%3Dihub
DOI 10.1016/j.neunet.2023.08.022

・Article in English at UTokyo Focus
https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00311.html

【プレスリリース】大脳神経回路形成の新戦略――大脳皮質の多数の領野を結ぶ結合を効率よく作るための並列モジュール戦略を解明 Press Release: New strategy for cerebral neural network formation――Parallel modules strategy which enables the brain to efficiently form numerous interareal connections of the many cortical areas during development.

東京大学 大学院医学系研究科・Beyond AI研究推進機構(研究プロジェクト:脳情報再現による次世代AI開発プロジェクト / 研究リーダー)・国際高等研究所ニューロインテリジェンス国際研究機構 大木 研一教授、同大 大学院医学系研究科・Beyond AI研究推進機構(同プロジェクト / 研究担当者)村上 知成助教らの研究グループは、大脳視覚野にある多数の領野間結合が、発達時に効率的に形成されるメカニズムを解明しました。

ヒトの大脳皮質には 180 にも及ぶ多数の領野が存在し、これらの領野間を結ぶ数千にも及ぶ精密な神経回路による階層的かつ並列的な情報処理は、私たちの脳が複雑かつ汎用的な知性を獲得するための基盤となっています。従来の神経回路発達の研究では、感覚器から大脳皮質の入り口まで(視覚の場合、網膜から一次視覚野まで)の神経回路形成については詳細に調べられてきましたが、大脳皮質の領野間をつなぐ無数の結合がどのようなメカニズムで 3 次元の脳内で精密に混線なく配線されるのかについてはほとんど分かっていませんでした。

そのメカニズムの一つとして領野の階層性に従ってより低次な領野からより高次な領野へと順に形成していけば混線なく配線できると考えられますが、マウスでは生後から開眼までの 2 週間の間に多数の領野間の結合を全て作る必要があり、このメカニズムでは時間がかかり過ぎでした。それでは、このような複雑な無数の領野間結合を短時間に混線なく形成するためのメカニズムは何でしょうか。

本研究ではマウスの視覚系を用いて、大脳皮質の多数の視覚関連領野間をつなぐ結合が短期間で効率的に形成されるメカニズムを解明しました。まず、領野間結合が形成される前に、網膜と大脳皮質の多数の視覚関連領野をつなぐ経路が先に形成されることを見いだしました。さらに、この経路を伝播する網膜由来の自発活動により、網膜の場所をあらわす情報が多数の視覚関連領野に伝えられ、これが教師信号となって、大脳皮質の多数の視覚関連領野の網膜座標が対応する場所を精密に結ぶ結合が形成されることが示されました。

本研究は大脳皮質の領野間結合の形成メカニズムを明らかにしただけでなく、先天盲や早期失明の病態を理解する上でも重要であり、また汎用的人工知能の開発に寄与する可能性が考えられます。

本研究成果は、2022 年 8 月 3 日(英国夏時間)に英国科学誌「Nature」のオンライン版に掲載されました。

プレスリリース全文(PDF):
https://www.u-tokyo.ac.jp/content/400193638.pdf

<関連リンク>
・東京大学ホームページ(UTokyo Focus)
https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/ja/press/
・アブストラクト(論文タイトル:Modular strategy for the development of hierarchical networks in the mouse visual system )
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05045-w

A research team including Professor Kenichi OHKI of the Institute for AI and Beyond, the Graduate School of Medicine and the International Research Center for Neurointelligence (IRCN) of the University of Tokyo and Assistant Professor Tomonari MURAKAMI also of the Graduate School of Medicine of the University of Tokyo has successfully elucidated a new mechanism of the brain by which a complex neural network, including interareal connections in the cerebral cortex, is efficiently formed during development. This is the first study investigating comprehensively how interareal connections among cortical and thalamic regions are formed during development.
 
This study is expected to be applied in the future to treatments for diseases such as congenital blindness and to circuit formation algorithms to improve an artificial intelligence.

The research result was published in the online edition of Nature on 3 August 2022 (UK time).

Professor Ohki and Assistant Professor Murakami are Project Leader and Researcher respectively in the Basic Research Project entitled “Development of next generation AI by modeling brain information ” at the Institute for AI and Beyond.

The full press release (in Japanese only) in PDF.
https://www.u-tokyo.ac.jp/content/400193638.pdf

Related link: UTokyo HP
https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/ja/press/
https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00240.html

Abstract URL (Title: Modular strategy for the development of hierarchical networks in the mouse visual system)
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05045-w