BRAIN-AI Hybrid Project
脳と人工知能（AI）の新たな共生様式を模索し、脳とAIの機能に再定義を促す新学術分野「知能エンジニアリング」を創出する。
神経科学や情報科学の技術を発展的に活かし、脳回路およびAIを融合しつつ両者の潜在性と限界点を探る。
脳およびAIに新たな可能性を見出し、その成果を社会還元できるレベルに咀嚼することで、社会構造や人間行動の最適化を目指す。
本プロジェクト計算グループの Aurelio Cortese GL が7月１日付けでATRの室長に昇進しました。今後優れたリーダーシップを発揮してさらなる飛躍を遂げることを期待しています。
本プロジェクト基盤グループの間島研究員らは、日本神経回路学会誌2022年29巻4号 （巻頭言：P163、解説：P164-210）にて「今すぐ使える量子計算！？」という特集記事の編纂・執筆を行いました。 現時点で手が届く量子コンピュータ関連のリソースを用いて、神経科学分野の研究者は何ができるのかという観点からの オピニオン記事がまとめられています。
松本信圭研究総括補佐が2022年度日本薬学会関東支部奨励賞を受賞しました。本賞は、関東支部に所属する 41歳未満の日本薬学会会員のうち、基礎薬学または医療薬学に関する優れた研究業績をあげた研究者に授与されるものです。 受賞課題は「睡眠に関連した海馬と大脳皮質の神経活動の電気生理学的・薬理学的探求」で、電気生理学と薬理学の融合的な研究が評価されました。 授賞式は9月17日に第66回日本薬学会関東支部大会にておこなわれました。
本プロジェクト基盤グループの野口朝子さん（博士３年）が第17回ロレアルーユネスコ女性科学者日本奨励賞を受賞しました。 本賞は、国内で物質科学または生命科学を研究する大学院博士課程に在籍または進学予定の若手女性科学者に授与される賞です。 受賞課題は、「記憶情報の多様性に対応する神経回路メカニズムの発見」で、限られた細胞で膨大な情報を処理する神経システムの理解に 貢献した研究が評価されました。授賞式は9月7日に国連大学ウ・タント国際会議場で行われました。
本プロジェクト解析グループの篠崎隆志研究員（近畿大学情報学部准教授）が2022年度の日本神経回路学会の論文賞を受賞しました。 日本神経回路学会は1989年に創立された、日本におけるニューラルネットワーク研究の中心的な学会で、その論文賞は、 ニューラルネットワークについての代表的な国際誌であるNeural Networks (Impact Factor 9.657) に発表された論文のうち特に優秀なものが選ばれます。
基盤グループの佐々木拓哉研究員（東北大学教授）らはマウスが社交性を発揮する際 に特異的な脳波パターンが発生することを発見しました。正常なマウスが社交性を発揮する際には脳の前頭前皮質と偏桃体から生じる4-7Hzの脳波が減弱し、30-60Hzの脳 波が増強していました。社交性を発揮しないうつ状態のマウスや自閉スペクトラム症状のマウスではこのような脳波パターンの変化は認めれれませんでした。 本成果は社交性に係る疾患の理解や治療法の考案に貢献できると期待されます。本研究成果は、2022年5月17日付けでeLife誌に掲載されました。
解析グループの篠崎隆志研究員が、2022年4月１日をもって近畿大学情報学部情報学科の准教授に着任しました。 今後の研究のますますの発展が期待されます。
神経細胞は適切な時空間パターンで活動することで情報を表現します。このような活動パターンは発火シークエンスとして知られ、 個々の神経細胞がしかるべきタイミングで発火することが必要ですが、発火シークエンスによる多様で柔軟な表現を可能にする機構は明らかではありません。 基盤グループの野口朝子さん（博士３年）は、成体マウス海馬から同時に複数の細胞から膜電位を記録することに成功し、記憶固定化に重要なsharp-wave rippleに伴う発火シークエンスの 発生過程を初めて発火閾値下膜電位レベルで捉えました。その結果、sharp-wave ripple発生直前に生じる一過性の抑制性入力が海馬神経細胞の発火タイミングを制御することを見出しました。 本研究成果は、2022年3月11日付けでNature Communications誌に掲載されました。
研究総括補佐である松本信圭助教が令和3年度コニカミノルタ画像科学奨励賞を受賞しました。本賞は、コニカミノルタ科学技術振興財団が斬新な発想による光及び画像科学に関わる研究に授与する賞です。 対象となった研究課題は「他者の脳活動に対応した超微細ドットパターン光刺激による自己脳活動への介入」です。授賞式は3月1日にオンラインにておこなわれました。
基盤グループ量研八幡チームの間島慶研究員は本年度の戦略的研究推進事業（さきがけ」の 「数学と情報科学で解き明かす多様な対象の数理構造と活用」に採択されました。 今後のERATO研究の推進にも大きな貢献が期待できます。
解析Grの篠崎隆志研究員は、deep neural network に通常用いられている誤差逆伝播学習法のかわりに、 より脳に近い競合学習法を、階層的に適用可能な教師なし学習として利用できるように改良した新手法の開発に成功しました。 本方法は少数のラベルデータしかない場合にも有効であると考えております。本手法を用いることによって、脳のように超大規模な deep neural network が実現可能となり、より広い分野へ応用が期待されます。 本研究成果は Neural Network s誌の AI and Brain Science 特集号の採択論文として2021年9月3日にオンライン掲載されました。
基盤グループの佐々木拓哉特任准教授が、2021年7月1日をもって東北大学大学院薬学研究科薬理学分野の教授に着任しました。今後の研究のますますの発展が期待されます。
私たちが絵画などの芸術作品を作るとき、目の前の感覚的な現実を超えて情報を 整理するユニークな能力を発揮しています。このように人間は抽象化思考とよば れる多くの情報の中から本質的な情報を抜き出す活動を行っています。計算グ ループのCortese グループリーダーらは、人間が未知の新しい規則を学習をして いる時にどのように抽象化思考しているかを検証し、その時の脳活動をfMRIで測 定しました。その結果、抽象化思考をする際には価値判断に関わる脳領域が優先 的に使われていることを明らかにしました。さらにデコーディッドニューロ フィードバック技術を用いて、抽象化された情報に対応する脳活動に人工的に価 値を付加することで、抽象化思考の使用を促進させることに成功しました。今回 の成果は高次な脳機能に関する新たな知見を提供するものであり、新たな学習戦 略やリハビリテーション戦略の考案、さらには新世代のＡＩの開発にもつながる ものです。本成果は、本成果は2021年８月３日に「eLife」に掲載されました。
基盤グループの特別研究員である小笠原淳くん（博士3年）が潮田記念基金による博士課程学生 研究支援プログラム・研究科推薦枠の奨学生に採用されました。当奨学会は研究に従事する優秀な大学院学生に経済的支援をおこなっております。
本プロジェクト計算グループのAurelio Cortese リーダーが2021年度 日本神経科学学会奨励賞を受賞しました。 本賞は、日本神経科学学会及び神経科学分野で活躍することが期待される若手研究者を奨励することを目的としています。 Corteseグループリーダーは奨励賞史上初の外国人受賞者であり、今後の研究のますますの発展が期待されます。
本プロジェクト総括補佐兼基盤グループ研究員の松本信圭特任助教が令和2年度日本薬学会薬理系薬学部会奨励賞を受賞しました。 本賞は、日本薬学会薬理系薬学部会の活動に対する多大な貢献と共に、当該研究分野で優れた研究業績を有する研究者に授与されるものです。 松本信圭特任助教の受賞課題は「ノンレム睡眠に関連した海馬の神経活動の電気生理学的解析」で、学生の頃から現職に至るまで一貫して 続けてきた電気生理学の研究が評価されました。本賞の授賞式と受賞講演は、本年度の生体機能と創薬シンポジウム2021（於北海道大学）にておこなわれます。
機械学習に基づいた脳活動トレーニング（デコーディッドニューロフィードバック）は、恐怖心の軽減や好みの変化、自信を高めるといった、 魅力的な応用が広がっています。しかし現状、ニューロフィードバックで脳が自己調節する機構を理解するためのデータは圧倒的に不足しています。 Corteseグループは、デコーディッドニューロフィードバックのトレーニングを受けた60人以上のデータからなる世界で唯一のデータベースを構築しました。 本成果は、Scientific Data（Nature Publishing Group）・オンライン版に掲載されました。
動物は、将来起こる出来事を予測し、時間経過に応じて適切な行動を選択していく必要があります。 基盤グループの鹿野悠さんは時間の情報を処理する脳領域として、海馬と線条体に着目しました。数分おきにエサの報酬を獲得するようにラットを訓練させたところ、 これらの脳領域の神経細胞が、分単位の時間経過と関連して活動を変化させることを発見しました。この神経活動は、動物が時間経過を生体内に刻むための 普遍的な脳内機構と考えられます。本研究成果は2021年2月5日付けでCurrent Biology誌に掲載されました。
アストロサイトは脳の細胞の一種です。基盤グループの周至文研究員は人為的にアストロサイトの細胞内シグナル経路を活性化させたところ、 記憶の形成が促進される一方で、記憶の保持は阻害されることがわかりました。これはアストロサイトから神経細胞への乳酸供給を促進させ、 シナプス可塑性を誘導することで記憶を制御することに起因することを突き止めました。本研究成果は2021年1月13日付けで Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America誌に掲載されました。
近年の細胞実験において蛍光顕微鏡とガラス電極操作は欠かせないツールです。しかし、ガラス電極は可視光域では蛍光を発しないため、 蛍光顕微鏡下で視ることができません。基盤グループの岡本和樹さんは希土類イオンの一つであるテルビウム（Tb3+）を添加し、緑色の蛍光波長を持ったガラス素材を開発しました。 このガラス素材は吸光・蛍光スペクトルが緑色蛍光タンパク質（GFP）と似ているため、GFP標識された細胞と同時にリアルタイムで目視することができます。 この新素材のガラスによって、パッチクランプ記録や遺伝子導入や遺伝子シークエンス解析など、ガラス電極を用いる幅広い実験系において、 研究者への技術的負荷を大幅に減らすことができました。本研究成果は2021年1月6日付けでScience Advances誌に掲載されました。
基盤グループの井形秀吉さんはラットの脳に多数の電極を埋め込み、報酬を得るために迷路課題を解くラットから脳活動を記録しました。 解析の結果、海馬の神経細胞は学習に必要な情報に優先順位を付けて、情報を繰り返しリプレイ（再生）しており、 こうしたリプレイが効率的な学習に必要であることが示されました。この結果は、脳研究のみならず、機械学習を効率的に進めるための 計算アルゴリズムを考案する上でも、重要な布石となります。本研究成果は、2020年12月18日付けで Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America誌に掲載されました。
ＡＩによる強化学習には数千万から数億のデータによる学習が必要になります。一方、ヒトや動物は数百回の試行錯誤で学習が成立します。これまでこの違いについては明らかになっておりませんでした。 Corteseグループは、fMRIの手法を用いて少数のサンプルからの強化学習にはメタ認知が重要であることを示しました。メタ認知とはヒトの判断と行動を自ら選択する認知活動のことです。この研究成果は、ヒトのように効率的、かつ柔軟に学習することができる新しい世代のAIの開発につながると期待されます。 本成果は2020年8月31日にNature Communications紙に掲載されました。
西本グループは、ヒトが日常的に体験する多種多様な情動の脳内情報表現をfMRI法を用いて大規模かつ定量的に調べました。 これにより、ヒト脳内における情動意味空間の構造や、情動表現が大脳各部位に分布する様子を明らかにしました。
栁澤グループは、脳磁図を用いたBrain-Computer Interfaceで運動野の活動をリアルタイムにモニタリングし、 neural decodingにより健常肢を動かした際の脳活動が出た場合に、幻肢の映像が動くBCIを作成しました。これを自分の幻肢を動かすつもりで 操作する訓練を３日間行ったところ、痛みが５日間にわたり３０％以上低下することがRCTにて確認されました。今後、幻肢痛治療に応用していきます。
基盤グループの研究員である佐々木拓哉助教が薬品作用学教室の特任准教授に昇任しました。ERATO研究がますます充実することになります。
基盤グループの大学院生である山城皓太郎くん（修士１年）がトヨタ・ドワンゴ高度人工知能人材奨学金の奨学生に採用されました。当奨学会は、人工知能分野の高度な学修、研究に従事する優秀な大学院学生に経済的支援をおこなっており、全国でも最大35名しか採用されません。
基盤グループの研究員である佐々木拓哉助教が文部科学大臣表彰若手科学者賞を受賞しました。本賞は萌芽的な研究や独創的視点に立った研究等、高度な研究開発能力を示す顕著な研究業績をあげた40歳未満の若手研究者に授与される賞です。受賞課題は「脳機能を実現する神経回路動態の研究」で、神経回路の動作原理に関する基礎的な発見が高く評価されました。なお2020年4月に予定されていた表彰式は新型コロナウイルス感染リスクを考慮して中止となりました。
西本GLのグループは、103種類におよぶ大規模な認知課題群に伴う脳活動を測定するfMRI 実験を行い、認知活動と脳活動の関係を説明する定量的モデルを構築しました。これにより、多様な認知活動が脳内でどのような表現されているかを示す認知情報表現マップを作成することに成功し、実際に被験者の認知課題を脳活動からデコーディングすることにも成功しました。
本研究は、人間の多様な認知機能を大規模かつ詳細に解析したものであり、脳内情報表現のより包括的な理解やその比較定量等の応用につながると期待されます。
本成果は２０２０年３月２日にNature Communications紙に掲載されました。
東京大学大学院薬学系研究科の宮脇健行大学院生（研究当時）、池谷研究総括らの研究グループは、マウス全脳血管ネットワークの構造と機能を可視化する手法を開発しました。本手法は発現分子が紐づけられた脳血管の3次元トレーシングや、血管の構造・機能と周囲の細胞との関係を調べるのに有用なツールとなり、脳梗塞や脳出血などの脳血管障害の病態解明に貢献するのみならず、機能的MRI信号の解読への一助になることが期待されます。
本研究成果は、2020年2月27日のNature Communications誌に掲載されました。また2020年2月27日の日本経済新聞にて紹介されました。
当研究室で開発した大規模スパインイメージング法をさらに改良し、発火シークエンスが高頻度に観察されるsharp wave rippleと呼ばれる脳波の発生時のシナプス入力を大規模に可視化しました。
本研究成果は、2020年2月12日付けでScience Advances誌に掲載されました。また2020年2月13日の日本経済新聞にて紹介されました。
池谷裕二 研究総括へのインタビューをもとに、2019年12月5日讀賣新聞夕刊のサイエンス＆エコロジーコーナー「脳の力 讀賣新聞100％活用に挑戦」という記事の中で本プロジェクト研究が紹介されました。
2019年12月1日朝日新聞GLOBEにて「高画質化は到達点、「コンテンツの進化」が問われる ３分でわかる動画の歴史」という記事の中で西本GLの研究が紹介されました
基盤グループの大学院生である折田健くん（修士２年）と佐藤元重くん（修士２年）がトヨタ・ドワンゴ高度人工知能人材奨学金の奨学生に採用されました。当奨学会は、人工知能分野の高度な学修、研究に従事する優秀な大学院学生に経済的支援をおこなっており、全国でも最大３６名しか採用されません。
疼痛に対する脳AI融合技術の成果報告を目的に、栁澤 GL、羽倉研究員、 Seymour 教授（CiNet）がオーガナイズしたInternational Symposium: The Role of Pain in Bodily Defense and Autonomyを脳情報通信融合研究センター(CiNet: Center for Information and Neural Networks)にて開催しました。
１９名の演者（うち日本人は４名）が疼痛と運動に関する講演を行い、疼痛の自律的制御に関する議論を行いました。本プロジェクトからは栁澤 GLと羽倉研究員が発表しました。
本シンポジウムはJST戦略的創造研究推進事業 国際強化支援を受けて実施しました。
西本 GLがオーガナイズした生理研研究会＜視覚・認知脳機能研究の先端＞を生理学研究所大会議室にて開催しました。本プロジェクトからは西本 GL、栁澤 GLと松本総括補佐の3名が発表しました。
Cortese GLの主催によるMetacognitionに関するミニシンポジウムをATR大会議室で行いました。フランスから2名、USから１名、ATRから1名が発表しました。メタ認知は前頭前野で行われると考えられていますが、認知に先立ちどのようにメタ認知が行われているかについては不明な点が多々あります。現在コンピューターモデル、Deep learning、マルチタスク、報酬などについて地道な研究が進められています。
本シンポジウムはJST戦略的創造研究推進事業 国際強化支援を受けて実施しました。
ERATO池谷脳AIプロジェクトのキックオフ公開シンポジウムを、2019年5月18日午後より東京大学本郷キャンパスで行いました。
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当日、会場は満員となり、入場制限をさせていただくことになりました。皆様の関心の高さに驚くとともに、本プロジェクトの責任も痛感しました。プロジェクト関係者一同、研究に邁進する覚悟を新たにいたしました。
栁澤GLの主催によるU. Pittsburgでの侵襲型BCIの被験者であるNathan Copeland氏とUniversity of Pittsburghの研究者であるRobert Gaunt博士による講演会を大阪大学吹田キャンパスCiNet講堂で行いました。BCIとはBrain Computer Interfaceのことです。
講演会の様子はこちら
池谷裕二 研究総括が、栄光学園高等学校（神奈川県鎌倉市）にて、「人工知能が拓く脳の可能性」をテーマに連続講義をおこないました。
ERATO池谷脳AIプロジェクトの公式ホームページを開設しました。当プロジェクトに関連した情報は本ホームページに発信してゆきます。
松本信圭氏がERATO総括補佐に就任しました。松本氏は2017年3月に東京大学・大学院薬学系研究科で博士号を取得した後、日本学術振興会特別研究員として大阪市立大学医学部に勤めていましたが、この度、ERATO総括補佐として当ERATOを率いることになりました。
科学技術振興機構の戦略的創造研究推進事業プログラムであるERATOの一環として「池谷脳AIプロジェクト」が2018年10月1日から始まりました。当研究室を中心としながら、国際電気通信基礎技術研究所（ATR）、脳情報通信融合研究センター（CiNet）、大阪大学からグループリーダーを迎えた研究プロジェクトで、神経回路と人工知能をリアルタイムに連動させることで脳の潜在能力を開拓する未来型実験を実施します。