Projects 研究プロジェクト
Projects
脳情報再現による次世代AI開発プロジェクト Development of next generation AI by modeling brain information
構成メンバー
People
- 研究リーダー Project Leader
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東京大学 大学院医学系研究科 / 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 Graduate School of Medicine / International Research Center for Neurointelligence (IRCN), The University of Tokyo
- 研究担当者 Researcher
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合原 一幸 副機構長・特別教授 Kazuyuki Aihara University Professor / Deputy Director
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中山 英樹 准教授 Hideki Nakayama Associate Professor
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根東 覚 特任准教授 Satoru Kondo Project Associate Professor
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吉田 盛史 講師 Takashi Yoshida Lecturer
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村上 知成 助教 Tomonari Murakami Assistant Professor
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西尾 奈々 特任助教 Nana Nishio Project Assistant Professor
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関谷 敬 特任助教 Hiroshi Sekiya Project Assistant Professor
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橋本 昂之 特任助教 Takayuki Hashimoto Project Assistant Professor
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木村 梨絵 特任助教 Rie Kimura Project Assistant Professor
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竹内 大吾 特任講師 Daigo Takeichi Project Lecturer
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徐 牧原 特任研究員 Xu Muyuan Project Researcher
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Li Yang 特任研究員 Li Yang Project Researcher
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Minh Duc Vo 特任研究員 Minh Duc Vo Project Researcher
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岸野 文昭 特任研究員 Fumiaki Kishino Project Researcher
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北島 奈美 特任研究員 Nami Kitajima Project Researcher
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菊田 浩平 特任研究員 Kohei Kikuta Project Researcher
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- 研究協力者 Research Collaborator
- Cao Lang Cao Lang 斎藤 久美子 Kumiko Saito 福田 裕太 Yuta Fukuda 陳 夢円 Mengyuan Chen 田 文軒 Wenxuan Tian 安田 裕之 Hiroyuki Yasuda 香取 勇一 Yuichi Katori 徳田 慶太 Keita Tokuda 梶田 真司 Masashi Kajita 馬場 雅基 Masaki Baba 呉 宇軒 Yuxuan Wu Kuanchao Chu Kuanchao Chu 鹿島 大河 Taiga Kashima 勝又 海 Kai Katsumata Jiaxuan Li Jiaxuan Li 山下 優樹 Yuki Yamashita Yi-Pei Chen Yi-Pei Chen 味岡 雄大 Takehiro Ajioka 須藤 育太郎 Ikutaro Suto 根本 野乃子 Nonoko Nemoto Junwen Mo Junwen Mo
Events
Events
- 第49回研究セミナー 「リカレントニューラルネットワークを用いた神経ダイナミクス解析」 The 49th Research Seminar: Analysis of Neural Dynamics Using Recurrent Neural Networks
- 第42回研究セミナー「マウス視覚系の神経ネットワーク形成において視床-皮質回路が果たす役割」 The 42nd Research Seminar: Thalamo-cortical template circuits for the formation of hierarchical and parallel pathways in the mouse visual system
- アーカイブ動画:第5回「サイエンスカフェ」 Video Archive: Fifth public seminar "Science Cafe".
- 第24回研究セミナー「大脳皮質視覚野の神経活動から動物が見ていた画像を復元する」 24th Research Seminar: Image reconstruction from neuronal activity in mouse primary visual cortex
News
News
- 【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――
- 【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.
ビデオ
Movie
課題
Challenges
人工知能の誤認識のリスク Risks of Misrecognitions by AI


現在の人工知能を用いた画像認識では、原理的に誤認識が起こる可能性が避けられません。
例えば、人間には明らかにパンダと見える絵に、わずかなノイズを加えるだけで、全く別の物体と誤認識することが知られています。近年、深層学習を用いた人工知能の発展は著しく、人間に近い性能で物体の認識を行うことができるようになってきており、今後、さまざまな分野で人工知能の活用が期待されます。しかし、例えば自動運転や医療画像の診断のような分野では、このような誤認識は人の命を左右する事態になりかねず、致命的な欠点になります。
The risks of misrecognition are, in principle, unavoidable in existing image recognition technologies using artificial intelligence (AI). For example, AI is known to falsely recognize a picture that apparently looks like a panda to humans for something completely different when a small amount of noise is added. The recent years have witnessed the remarkable development of AI using deep learning. AI has been increasingly able to recognize objects at performance levels close to those of humans and is expected to be applied to a range of areas. However, such misrecognition errors pose as a fatal drawback that can affect human lives in fields such as autonomous driving and medical image analysis.
研究の内容
Details of Project
頑強かつ柔軟な人工知能の開発 Development of Robust and Flexible AI
本研究では、脳で実際に行われている情報処理を人工知能上に再現することにより、誤認識をしない頑強かつ柔軟な人工知能の開発を目指しています。
上述のような人工知能の誤認識の可能性をなくすためには、私たち人間を含む動物がどのように目で見た視覚情報を処理しているのかを解明することが役立つと考えています。すなわち、脳で実際に行われている情報処理を解明して、これを人工知能上に再現することができれば、現在の人工知能の原理では得られない、誤認識をしない頑強かつ柔軟な人工知能の開発が期待されます。
このため、本研究では、大脳皮質の多数の領域にある細胞の神経活動を網羅的に計測し、計測した脳活動を人工知能に再現することにより、現在の人工知能の原理では得られない頑強かつ柔軟な人工知能の構築を目指しています。
In this research, we aim to develop robust and flexible AI preventing misrecognition errors by reproducing in AI the information processing carried out by our brain. The elucidation of how animals, including humans, process visual information may prove useful for eliminating any risks of misrecognition by AI as described above. This means that if we can elucidate the information processing actually performed in the brain and reproduce it in AI, we may be able to develop robust and flexible AI preventing misrecognition, which is unrealizable by the current principle of AI.
To this end, this research aims to comprehensively measure the neural activity of cells in many regions of the cerebral cortex and reproduce the measured brain activity in AI to build such innovative AI.


【1】大脳皮質の神経活動の網羅的な計測 [1] Comprehensive measurement of neural activity in the cerebral cortex
研究チームでは、大脳皮質の多数の領域にある細胞の神経活動を網羅的に計測する技術を開発してきました。
私たち人間を含む動物の脳における視覚情報の処理は、大脳皮質の多数の領域で、階層的に行われていることが知られています。このため、脳で実際に行われている情報処理を理解するためには、脳の特定の領域における情報処理に加えて、領域間の情報処理を把握することが重要です。
研究チームは、「二光子カルシウムイメージング」という、生きた動物の脳内の神経細胞の活動を、二光子顕微鏡という特殊な顕微鏡を用いて観察する技術を独自に開発してきました。この方法を用いると、数ミリ四方の範囲から数万個以上の 1 個 1 個の細胞の活動を観察することができます。
本研究ではこれらの技術をさらに発展させ、大脳皮質の多数の領域にある細胞の神経活動を網羅的に計測することを目指します。
Our research team has developed a technology to comprehensively measure neuronal activity in cells in multiple areas of the cerebral cortex. It is known that visual information processing in the brains of animals including humans is performed hierarchically in many areas of the cerebral cortex. To understand the actual mechanisms of the processing in the brain, it is important to investigate such mechanisms in specific regions and between different regions of the brain.
Our team has developed a unique “two-photon calcium imaging” technique for observing the activity of neuron cells in the brain of living animals using a special two-photon microscope. Using this method, we can observe the activity of tens of thousands of cells in an area of several millimeters square, even the activity in each cell.
In this research, we aim to further develop these technologies and measure the neural activity of cells in many areas of the cerebral cortex more comprehensively.
【2】神経細胞の活動を人工知能上に再現 [2] Reproduction of neuron cell activity in AI
研究チームではまた、さまざまな画像に対する視覚野の神経細胞の活動を深層ニューラルネットワークに写し取ることで、神経細胞の活動をコンピュータ上で詳細に解析する手法を開発してきました。
具体的には以下のようなステップで、神経細胞の活動を解析することができます。(1)動物に見せた画像と同じ画像を深層ニューラルネットワークに入力し、その画像に対する神経細胞の活動を教師信号として、深層ニューラルネットワークに画像に対する神経細胞の活動を学習させます。(2)このニューラルネットワークの出力をなるべく大きくするような画像をコンピュータ上で生成することによって、このニューラルネットに写し取った神経細胞の反応特性を推定します。具体的には、まずランダムなノイズ画像を用意し、その画像に対するニューラルネットワークの出力をより大きくするように画像の輝度値を更新します。その更新された画像に対して、ニューラルネットワークの出力をより大きくするように、再度画像の更新を何度も繰り返すことにより、ニューラルネットワークの出力を最大にする画像をコンピュータ上で生成しました。出来上がった画像は、このニューラルネットに写し取った神経細胞の活動を最大にするような画像であり、神経細胞の反応特性を示していると推測されます。
研究チームは、この手法をマウス一次視覚野の神経細胞の解析に適用することで、さまざまな一次視覚野の性質を説明できることを示しました。上記の方法で大脳皮質の多数の領域にある細胞の神経活動を網羅的に計測したデータにこの手法を用いることにより、脳の階層間での情報の抽出、分析、統合を網羅的に解析することを目指します。さらに、これらの視覚情報処理を担う神経細胞の活動を人工知能上に再現し、従来の人工知能では使われていなかった神経活動のゆらぎや、トップダウン結合・再帰性結合を含めて、人工知能上に写し取ることにより、現在の人工知能の原理では得られない頑強かつ柔軟で動的な脳型の人工知能を構築することを目指します。
Our research team has also developed a technique for analyzing the activity of neuron cells in detail on computer by copying the activity of neuron cells in the visual cortex from various images onto deep neural networks.
Specific steps for analyzing the activity of neuron cells include: (1) Input the image shown to an animal into the deep neural network, and have the network learn the activity of neuron cells, taking the activity responding to the image as teaching signals; and (2) on a computer, generate an image where the output of the neural network has been maximized to estimate the response characteristics of the neuron cell responses copied to the neural network. Specifically, prepare a random noise image and update the brightness value of the image so that the output of the neural network for that image becomes larger. Repeat the updating process several times to maximize the output of the neural network. The finally updated image maximizes the activity of neuron cells copied to the neural network and is presumed to indicate the response characteristics of the neuron cells.
Our team has demonstrated that the technique can be applied to the analysis of neuron cells in the mouse primary visual cortex to explain the properties of various primary visual cortex. Applying the data obtained by measuring the neural activity of cells in many regions of the cerebral cortex using the technique, we further aim to comprehensively analyze the extraction, analysis, and integration of information between layers of the brain. Furthermore, by reproducing the activity of the neurons responsible for these visual information processing on artificial intelligence, and by copying the fluctuation of neural activity, including top-down and recursive connections, which have not been used in conventional artificial intelligence, onto artificial intelligence, we aim to construct a robust, flexible, and dynamic brain-type artificial intelligence that cannot be obtained with current artificial intelligence principles.
価値・期待
Values / Hopes
本研究プロジェクトが切り開く未来の可能性 Future Possibilities Created by This Project
本研究が目指す人間の脳機能を実装した人工知能は、現在の人工知能とは原理的に全く異なるものであり、極めて広範な産業分野に影響を及ぼすと期待しています。
従来は原理的に不可避だった誤認識が生じないため、例えば、医療現場でのX線、CT、MRIなどの画像診断や、病理組織診断に応用することにより、万が一の場合の診断ミスを防ぐことができます。また、自動運転に適用しても誤認識に起因する致命的な事故につながるおそれがありません。
さらに、この研究成果を活用するにより、人の表情から感情を認識することが将来的に可能になれば、家事や介護などの対人サービスの分野でもこれまで以上に人に寄り添ったサービスを提供できるようになると期待しています。
上記の例に限らず、本研究は、現実社会のより複雑な状況に応用可能な人工知能の新たな可能性を切り開くものだと信じています。
The AI equipped with human brain functions is the target of our research. It is completely different from present AI in principle and is expected to contribute to a very wide range of industries.
Since misrecognition, which has been unavoidable from the principle of existing AI, can be avoided, our innovative AI can be applied to, for instance, diagnostic imaging such as X-rays, CT, and MRI, and to histopathological diagnosis in the medical scene, thereby preventing possible diagnostic errors. Furthermore, its application to autonomous driving will be unlikely to cause fatal accidents resulting from misrecognition.
It is hoped that the results of our research will also one day enable AI to recognize emotions from human facial expressions. If this is the case, more person-focused services will be provided in the face-to-face area such as housework and nursing care.
In addition to the aforementioned examples, we believe that our research will open up new possibilities for AI that can be applied to more complex situations in the real world.