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NISS2002講議内容
（リンクされているテキスト，スライドの転載，引用は御遠慮ください．）
8月６日 イントロダクション
| 講義タイトル | 脳の情報表現 − オーバービュー |
| 講師 | 深井朋樹（玉川大） |
| 講義概要 | サマースクールのテーマと各講義の位置付けについて、企画した者としての狙いを述べる。また私自身は注目しながらも、今回さまざまな事情から取り入れることの出来なかった話題に関しても、簡単に紹介したい。 |
| テキスト | |
| スライド | Slide.pdf |
| 予習参考文献 |
・Engel AK, Fries P, Singer W (2001) Dynamic predictions: oscillations
and synchrony in top-down processing. Nature Reviews Neurosci 2:
704-716. |
| 講義録 |
| 講義タイトル | 脳の情報表現 −ポピュレーションコーディングの最近の話題から− |
| 講師 | 銅谷賢治（ATR） |
| 講義概要 | スパイクのタイミングなどによる情報表現と処理の可能性についてはこのスクールでの大きなテーマとなるはずである．ここではそれを補う形で，細胞の発火頻度の「ポピュレーションコーディング」により，外界の事象や行動出力のある特定の値ではなく確率分布が表現され，回路のダイナミクスにより確率的推定などの演算が実現されているという着想に基づくモデルについて紹介する． |
| テキスト | |
| スライド | Slide.ppt |
| 予習参考文献 | Deneve S, Latham PE, Pouget A. (2001) Efficient computation and cue integration with noisy population codes. Nature Neuroscience, 4(8):826-831. Pouget A, Dayan P, Zemel R. (2000) Information processing with population codes. Nature Reviews Neuroscience, 1(2):125-132. |
| 講義タイトル | 神経細胞とシナプスの数学モデルー基礎と発展 |
| 講師 | 北野勝則（学振特別研究員／玉川大） |
| 講義概要 | 神経細胞の膜電位ダイナミクスを記述するHodgkin-Huxleyの方程式について解説し、神経細胞を数理モデル化することでどのような研究ができるかを紹介します。 |
| テキスト | |
| スライド | Slide.ppt |
| 予習参考文献 | [1] A quantitative description of membrane current and
its application to conduction and excitation in nerve Hodgkin AL,
Huxley AF J. Physiol. (London) 117, 500-544 (1952) [2] An efficient method for computing synaptic conductances based on a kinetic model of receptor binding Destexhe A, Mainen ZF, Sejnowski TJ Neural Comput. 6, 14-18 (1994) [1]を予習する必要はないですが、オリジナルという意味であげておきました。予習という意味では、「ニューラルシステムにおけるカオス」 合原一幸編著 東京電気大出版局の第２章前半が適切かと思います。 [3] Two-State Membrane Potential Transitions of Striatal Spiny Neurons as Evidenced by Numerical Simulations and Electrophysiological Recordings in Awake Monkeys. Kitano K, Cateau H, Kaneda K, Nambu A, Takada M, Fukai T. J. Neurosci. 22:RC230:1-6 (2002). http://www.jneurosci.org/cgi/reprint/20026482v1.pdf |
| 講義録 |
8月７日 スパイク集団の統計
| 講義タイトル | スパイク解析理論入門 |
| 講師 | 岡田真人 (理研脳総研) |
| 講義概要 | ニューロンの同時記録データを統計的に処理する手法を説明する。特にそれらの手法が仮定としている前提を明解に述べ，適用範囲を明らかにする。 |
| テキスト | |
| スライド | Slide.ppt |
| 予習参考文献 | [1] S. Amari, Information geometry on hierarchy of probability
distributions, IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 47, No.
5, pp. 1701-1711, 2001. [2] H. Nakahara and S. Amari, Information-geometric decomposition in spike analysis, to appear in Advances in Neural Information Processing Systems14 (Online proceedings are also available at NIPS 2001 home page http://www-2.cs.cmu.edu/~nips/2001papers/). [3] M. Tatsuno and M. Okada, Estimation of neural mechanism by information-geometric measure and correlation function, 電子情報通信学会 技術研究報告・ニューロコンピューティング (NC) 研究会，vol. 101, no. 736, pp. 111-118 (NC2001-182), 2002. |
| 講義タイトル | スパイク解析理論のデータ解析への応用 |
| 講師 | 龍野正実 (アリゾナ大) |
| 講義概要 | 情報幾何学を用いたスパイクデータの解析方法を紹介します．人工データや実験データの解析例を通して，本手法のエッセンスをお伝えしたいと思います． |
| テキスト | |
| 予習参考文献 | ・S Amari, Information Geometry on Hierarchy
of Probability Distributions, IEEE Transactions on Information Theory,
Vol.47, No. 5, pp. 1701-1711, 2001. ・H Nakahara & S Amari, Information-geometric decomposition in spike analysis, to appear in Advances in Neural Information Processing Systems14 (also available at NIPS 2001 home page). ・M Tatsuno & M Okada, Estimation of neural mechanism by information-geometric measure and correlation function, 電子情報通信学会 技術研究報告・ニューロコンピューティング (NC) 研究会，vol. 101, no. 736, pp. 111-118 (NC2001-182), 2002. |
| 講義録 | Tatsuno-lecturenote.pdf |
| 講義タイトル | 多細胞同時記録実験とユニタリーイベント解析 |
| 講師 | 伊藤浩之 (京都産業大) |
| 講義概要 | 海外での研究に比べて大きく出遅れた感のある、多細胞同時記録実験(multi-neuron recordings)の概要と得られた多細胞データの解析法に関して概説する。これらの研究法が必要となる背景や、具体的な実験方法、データ解析法での問題点を説明する。今回は、ユニタリーイベント解析を中心に説明する予定である。 |
| テキスト | Text.pdf Figure.pdf |
| 予習参考文献 | ・「脳の情報表現」銅谷、伊藤、藤井、塚田共編 朝倉書店 (2002) 特に14、15、16章 ・SPIKE SYNCHRONIZATION AND RATE MODULATION DIFFERENTLY INVOLVED IN MORTOR CORTICAL FUNCTION, A.RIEHLE, S.GRUEN, M.DIESMANN,A.AERTSEN, SCIENCE, 1950-1953, VOL.278 (1997). ・DYNAMIC PREDICTIONS: OSCILLATIONS AND SYNCHRONY IN TOP-DOWN PROCESSING, A.K.ENGEL,P.FRIES,AND W.SINGER, NATURE REVIEW, 704-716, VOL.2 OCTOBER (2001). |
| 講義タイトル | 集団神経活動とスパイク間隔統計 |
| 講師 | 酒井 裕（埼玉大) |
| 講義概要 | 神経細胞から発生するスパイク列の性質は、その神経細胞が入力を受け取っている神経細胞集団の活動が反映されている．ここでは、単一細胞記録から得られるスパイク列の統計により集団神経活動の性質を推定するという別のアプローチを紹介する． |
| テキスト | |
| スライド | Slide1.ppt Slide2.pdf |
| 予習参考文献 | ・Gerstein, G.L. and B. Mandelbrot (1964). Random walk models for the spike activity of a single neuron. Biophys. J. 4: 41--68. ・Softky, W.R. and C. Koch (1993). The highly irregular firing of cortical cells is inconsistent with temporal integration of random EPSPs. J. Neurosci. 13: 334--350. ・Shadlen, M.N. and W.T. Newsome (1994). Noise, neural codes and cortical organization. Current Opinion in Neurobiology 4: 569--579. |
8月８日 大脳皮質の電気生理とCa2+シグナリング
| 講義タイトル | 大脳皮質の興奮性神経細胞 |
| 講師 | 姜 英男（北海道医療大） |
| 講義概要 | 大脳皮質では錐体細胞が主な興奮性ニューロンであるが、皮質II-III層に存在する錐体細胞と皮質V-VI層に存在する錐体細胞について、電気生理学的膜特性及び入出力関係を整理してお話します。その上で、"chattering neuron"についてお話ししたい。 |
| テキスト | Text.pdf Figure.pdf |
| 予習参考文献 | ・Gray CM & McCormick DA (1996) Chattering cells:
superficial pyramidal neurons contributing to the generation of synchronous
oscillations in the visual cortex. Science 274: 109-113. ・Helmchen H, Svoboda K, Denk W & Tank DW (1999) In vivo dendritic calcium dynamics in deep-layer cortical pyramidal neurons. Nature Neuroscience 11: 989-996. ・Jensen MS, Azouz R & Yaari Y (1996) Spike after-depolarization and burst generation in adult rat hippocampal CA1 pyramidal cells. J Physiol. 492: 199-210. ・Kang Y., Kayano F. (1994) Electrophysiological and morphological characteristics of layer VI pyramidal cells in the motor cortex. J Neurophysiol 72, 578-59. ・Kang Y, Okada T, Ohmori H. (1998) A phenytoin-sensitive cationic current participates in generating afterdepolarization and burst afterdischarge in rat neocortical pyramidal cells. Eur J Neurosci 10, 1363-1375. |
| 講義タイトル | 大脳皮質のGABA作働性回路 |
| 講師 | 川口泰雄（岡崎生理研） |
| 講義概要 | 大脳皮質の抑制性回路が何種類のニューロンからできていて、またそれらの間にはどのような結合法則があるかについては、現在いろいろな見方・考え方があります。 皮質回路の基本的な構造を紹介し、皮質局所回路ニューロン解析の現状を伝えたいと思います。 |
| テキスト | Text.pdf |
| 予習参考文献 |
・Gupta A, Wang Y, Markram H (2000) |
| 講義録 | Kawaguchi-lecturenote.pdf |
| 講義タイトル | 神経細胞内カルシウム信号伝達系 |
| 講師 | 中村 健（科技団・カルシウム振動プロジェクト） |
| 講義概要 | 神経細胞が興奮性入力を受けた際に生じる細胞内カルシウム上昇に関してそのメカニズムを概説し、そしてカルシウム上昇はそのメカニズムに応じて時間的・空間的に分離して生じるということを解説したいと思います。また神経細胞でカルシウム測定を行なうための要件・方法にも簡単に触れておきたいと思います。 |
| テキスト | Text.pdf |
| スライド | Slide.ppt (22MB) |
| 予習参考文献 | ・Miyakawa, H., Ross, W.N., Jaffe, D., Callaway, J.C.,
Lasser-Ross, N., Lisman, J.E., and Johnston, D. (1992). Synaptically
activated increases in Ca2+ concen tration in hippocampal pyramidal
cells are primarily due to voltage-gated Ca2+ channels. Neuron 9,
1163-1173 ・Christie BR, Eliot LS, Ito K-I, Miyakawa H, Johnston D (1995) Different Ca2+ channels in soma and dendrites of hippocampal pyramidal neurons mediate spike-induced Ca2+ influx. J Neurophysiol 73:2553-2557 ・Takeshi Nakamura, Jean-Gael Barbara, Kyoko Nakamura and William N. Ross Synergistic release of Ca2+ from IP3-sensitive stores evoked by synaptic activation of mGluRs paired with backpropagating action potentials. Neuron 24, 727-737 (1999) ・Takeshi Nakamura, Kyoko Nakamura, Nechama Lasser-Ross, Jean-Gael Barbara, Vladislav M. Sandler and William N. Ross Inositol 1,4,5-trisphosphate mediated (IP3)-mediated Ca2+ release evoked by metabotropic agonists and backpropagating action potentials in hippocampal CA1 pyramidal neurons. J. Neuroscience 20, 8365-8376 (2000) |
| 講義録 | Nakamura-lecturenote.pdf Nakamura-lecturenote.doc |
| 講義タイトル | Ca2+ダイナミクスと細胞モデル（Patr 氈j |
| 講師 | 道川貴章（東大） |
| 講義概要 | 細胞内Ca2+ダイナミクスを、特に細胞内Ca2+貯蔵部位からのCa2+放出機構を中心に実験データとこれまでに構築された理論モデルの両面から解説します。リアリスティックなモデルを作るために実験と理論をどのように結ぶのか、リアルとはそもそも何なのかについてお伝えできたらと思っています。 |
| テキスト | Text.pdf |
| 予習参考文献 | ・Bezprozvanny I., Watras J., and Ehrlich
B.E. Bell-shaped calcium-response curves of Ins(1,4,5)P3- and calcium-gated
channels from endoplasmic reticulum of cerebellum Nature, 351, 751-754, 1991 ・De Young G., and Keizer J. A single-pool inositol 1,4,5-trisphosphate-receptor-based model for agonist-stimulated oscillations in Ca2+ concentration Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 89, 9895-9899, 1992 ・Li Y-X., and Rinzel J. Equations for InsP3 receptor-mediated [Ca2+]i oscillations derived from a detailed kinetic model: A Hodgkin-Huxley like formalism J. Theor. Biol. 166, 461-473, 1994 ・Wang S., Denk W., and Hausser M. Coincidence detection in single dendritic spines mediated by calcium release Nat. Neurosci. 3, 1266-1273, 2000 ・土居智和, 黒田真也, 道川貴章, 川人光男 小脳プルキンエ細胞への入力タイミングをCa2+濃度に変換するシグナル伝達のシミュレーション 信学技報,,102, 13-18, NC 2002-21 |
| 講義録 |
| 講義タイトル | Ca2+ダイナミクスと細胞モデル（Patr ） |
| 講師 | 深井朋樹（玉川大） |
| 講義概要 | 道川先生のメインのお話につづき、細胞内カルシウムストア依存の機構によると思われる、前頭皮質錐体細胞のテータ波振動発火のモデルを、未完の仕事ではあるが参考に供する目的で紹介する。なお、これは講師のお一人である姜 英男先生の実験データに基づいている。 |
8月９日 神経発火と行動との相関
| 講義タイトル |
報酬の期待とモチベーションの脳内表現 |
| 講師 | 設楽宗孝（産総研システム脳科学） |
| テキスト | Text.pdf |
| 講義概要 | 脳内には様々な行動をコントロールするための情報処理を行っていると考えられているループ回路がいくつかある。 このループ回路のうち、情動やモチベーションの上で重要な刺激に反応して行動を起こすときに働いているといわれているループに属する腹側線条体および前帯状皮質では、報酬を得るまでにいくつかのステップが必要なスケジュールを遂行する際に、スケジュールの進行、或いは、報酬への期待の大きさを表現している神経細胞があるということがわかってきた。 |
| 予習参考文献 | 1) Alexander GE et al. Parallel organization of functionally
segregated circuits linking basal ganglia and cortex. Ann Rev Neurosci,
9:357-381, 1986. 2) Schultz W et al. Context-dependent activity in primate striatum reflecting past and future behavioral events. In: “Models of information processing in the basal ganglia” (ed. by Houk JC, Davis JL, Beiser DG), The MIT Press, Cambridge, Massachusetts, 1995, pp11-28. 3) Shidara M et al. Neuronal signals in the monkey ventral striatum related to progress through a predictable series of trials. J. Neurosci, 18(7):2613-2625, 1998. 4) Shidara M and Richmond BJ. Anterior cingulate: Single neuronal signals related to degree of reward expectancy. Science 296:1709-1711, 2002. ３）４）は今回講義でお話しする内容に相当する論文です。１）はちょっと古いですが解剖学の有名な総説です。 ２）は本からですが、この部分だけでなく、基底核に興味がある方はこの本を読んでおいたほうが良いかと思います。 |
| 講義録 | Shidara-lecturenote.pdf |
| 講義タイトル | 大脳基底核の細胞発火と行動ー実験と理論 |
| 講師 | 鮫島和行（ATR/CREST） |
| 講義概要 | 大脳基底核の計算論モデルとしての強化学習とそのネットワークモデル.さらに線条体ニューロン活動記録のためのサルの強化学習課題のとその行動の結果についてお話します。 |
| テキスト | Text.pdf |
| スライド | Slide.ppt |
| 予習参考文献 | 1. Schultz W, Dayan P, Montague PR., A neural substrate
of prediction and reward. Science. 1997 Mar 14;275(5306):1593-9. 2. Joel D., Niv Y., and Ruppin E., Actor-critic models of the basal ganglia: New anatomical and computational perspectives, Neural Networks, in press. http://www.math.tau.ac.il/~ruppin/bgrev.html 3. 鮫島和行, 銅谷賢治 : 強化学習と大脳基底核, バイオメカニズム学会誌,Vol.25, No.4, 167-171, 2001. 4. Doya K., Complementary roles of basal ganglia and cerebellum in learning and motor control.Curr Opin Neurobiol. 2000 Dec;10(6):732-9. Review. |
| 講義タイトル | 運動野における運動情報表現と変換 |
| 講師 | 筧 慎治 （東北大） |
| 講義概要 | 目標到達運動は、空間内の目標位置（空間座標系）に対して一定の筋肉活動のパターン（筋肉座標系）を出力するという意味で本質的に座標変換である。そして、その座標変換過程の解析は脳における情報表現とその処理のアルゴリズムに関する極めて例外的な分析の場を提供する。今回は、目標到達運動における運動前野及び一次運動野でのニューロン活動の座標系の解析結果を紹介し、そこから示唆される空間座標系から筋肉座標系への座標変換のアルゴリズムの仮説を検討する。 |
| テキスト | Text.pdf |
| 予習参考文献 | 1) Kakei, S., Hoffman, D.S., Strick, P.L.: Muscle and
movement representation in the primary motor cortex. Science, 285:2136-2139,
1999. 2) Kakei, S., Hoffman, D.S., Strick, P.L.: Direction of action is represented in the ventral premotor cortex. Nature Neuroscience, 4:1020-1025, 2001. 3) Ajemian, R., Bullock, D., Grossberg, S.: A model of movement coordinates in the motor cortex: posture-dependent changes in the gain and direction of single cell tuning curves. Cereb Cortex, 11:1124-1135, 2001. 4) Scott, S., Kalaska, J.F.: Reaching movements with similar hand paths but different arm orientations. J Neurophysiol, 77:826-852, 1997. 5) Scott, S., Gribble, P.L., Graham, K.M., Cabel, D.W.: Dissociation between hand motion and population vectors from neural activity in motor cortex. Nature, 413:161-165, 2001. 6) Georgopoulos, A.P., Kalaska, J.F., Caminiti, R., Massey, J.T.: On the relations between the direction of two-dimensional arm movements and cell discharge in primate motor cortex. J Neurosci, 2:1527-1537, 1982. |
8月１０日 シナプス結合と神経回路
| 講義タイトル | Spike-Timing-Dependent Plasticity (Experiments) |
| 講師 | Guoqiang Bi（Univ of Pittsburgh School of Medicine） |
| 講義概要 | Recent experiments in vivo and in vitro have shown that activity-dependent synaptic modifications may depend on the precise timing of pre- and postsynaptic action potentials (spikes). Such spike timing-dependent plasticity (STDP) represents a quantitative extension of the Hebbﾕs rule and has profound implications in the development and function of neuronal circuits. In this lecture, I will summarize experimental studies on STDP, including the description of spike-timing windows in cell culture and other systems. The most recent development on the temporal integration of STDP will also be discussed. |
| スライド | Slide.ppt (11MB) |
| 予習参考文献 | 1. Bi G-q, Poo M-m (2001) Synaptic modifications by
correlated activity: Hebb's postulate revisited. Annu Rev Neurosci
24:139-166 2. Markram H, Lubke J, Frotscher M, Sakmann B (1997) Regulation of synaptic efficacy by coincidence of postsynaptic APs and EPSPs. Science 275:213-215 3. Bi G-q, Poo M-m (1998) Synaptic modifications in cultured hippocampal neurons: Dependence on spike timing, synaptic strength, and postsynaptic cell type. J Neurosci 18:10464-10472 4. Sjostrom PJ, Turrigiano GG, Nelson SB (2001) Rate, timing, and cooperativity jointly determine cortical synaptic plasticity. Neuron 32:1149-64. 5. Froemke RC, Dan Y (2002) Spike-timing-dependent synaptic modification induced by natural spike trains. Nature 416:433-8. |
| 講義タイトル | 神経集団のスパイク活動とシナプス学習の確率過程論 |
| 講師 |
加藤英之（科技団・時間的情報処理の神経基盤のモデル化プロジェクト） |
| 講義概要 | 確率過程理論のFokker-Planck方程式やOrnstein-Uhlenbeck processを使って、シンファイヤーチェーン（同期発火の安定伝播現象）やスパイクタイミング依存可塑性を調べる手法を１から詳しく解説する。大学学部レベルの基礎的な数学（微積分、１階常微分方程式、ラプラス変換、無限級数）の知識を仮定する。 |
| テキスト | Text1.pdf Text2.pdf |
| 予習参考文献 | ・Diesmann, M, Gewaltig, M.O., & Aertsen,
A. (1999). Stable propagation of synchronous spiking in cortical neural
networks. Nature, 402, 529-33. ・Song, S., Miller, K.D., & Abbott, L.F. (2000). Competitive Hebbian learning through spike-timing-dependent synaptic plasticity. Nature Neuroscience, 3, 919-926. |
| 講義録 | Kato-lecturenote.pdf |
| 講義タイトル | 興奮性および抑制性神経回路における同期現象 |
| 講師 | 青柳富誌生 （京大） |
| 講義概要 | 近年、神経細胞の同期発火や発火タイミングの相関が何らかの機能的意味を持っているのではないかという問題意識で、その数理モデルの研究が進んでいる。ここではニューロンのダイナミクスの簡単な説明とそれらを結合した場合のダイナミクスに関する解析手法を概説する。また、結果として得られる興奮性・抑制性ニューロンの違いや、時間遅れの効果、ニューロンモデルの差異について一般的な傾向を解説する。また、最後に我々が最近おこなった仕事の中から、同期・非同期の切り替えからみたバースト発火の役割や、gap junction も考慮した抑制性ニューロンの神経回路網の諸性質にも時間があれば言及したい。（こんなに出来るのだろうか.....） |
| テキスト | Text.pdf |
| 予習参考文献 | [1]Synchrony in excitatory neural networks., Hansel,
D. and Mato, G. and Meunier, C.(1995) Neural Comput.,7,192-210. [2]When inhibition not excitation synchronizes neural firing., Vreeswijk, C.van and Abbott, L.F.(1994), J. Comput. Neurosci.,1,313-321. |
| 講義録 | Aoyagi-lecturenote.pdf |
（リンクされているテキスト，スライドの転載，引用は御遠慮ください．）
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