生物学的脳モデルが動物並みの学習能力を達成、新たな発見を可能に
ダートマス大学、MIT、ストーニーブルック大学の研究チームは、生物学原理に基づいてゼロから構築された脳機能モデルが、動物実験データを用いずに動物と同等の学習能力を示し、さらに研究者が気づかなかった神経活動の新発見を可能にしたと発表した。
キーポイント
生物学的原理に忠実な脳モデルの構築
動物実験データを用いず、神経回路の接続や電気的・化学的通信など、脳の生物学と生理学に忠実に基づいてゼロから計算モデルを構築した。
動物と同等の学習能力の実証
単純な視覚カテゴリー学習課題において、モデルは実験動物とほぼ同じ神経活動と行動結果、同じような不規則な学習進捗を示した。
新たな生物学的発見の実現
モデルは、同じ課題を行っていた動物実験の研究者がデータで気づかなかった、直感に反する神経細胞群の活動を発見することを可能にした。
疾患研究とバイオテック応用への展望
モデルの目的は脳の働きを理解するだけでなく、疾患時の違いや介入方法を探ることにもあり、研究チームはNeuroblox.aiを設立してバイオテック応用を開発している。
脳の生体模倣モデルの目的と利点
このモデルは、神経治療薬の発見・開発・改善のための効率的なプラットフォームとして設計されており、臨床試験前の早期段階で薬剤開発や有効性試験を可能にする。
モデルの特徴的な設計アプローチ
個々のニューロン間の接合といった微視的詳細と、アセチルコリンなどの神経調節物質による領域間情報処理への影響といった巨視的構造の両方を統合した点が特徴で、他の多くのモデルとは異なる。
モデルにおける学習メカニズムの実証
学習が進むにつれて、大脳皮質と線条体がベータ周波数帯でより同期し、この同期の増加が正しいカテゴリー判断と相関することが示された。
影響分析・編集コメントを表示
影響分析
この研究は、AIモデルの開発において大規模な実データに依存する従来のアプローチとは異なり、生物学的原理に基づく「第一原理」からの構築が、同等以上の性能と新たな科学的発見をもたらしうることを示した。これは、神経科学とAIの融合において新しいパラダイムを提示し、脳の理解と疾患治療のための強力なシミュレーションツールとしての可能性を大きく広げるものである。
編集コメント
動物データを使わずに生物学的原理から構築されたモデルが、実際の動物と同等の学習を示し、さらに新発見まで導いた点は、AIと神経科学の融合における画期的なマイルストーンと言える。今後の脳研究とAI開発の両方に大きな影響を与えそうだ。
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キャプション: 複数機関の研究者チームは、生物学的原理に基づく脳機能モデルを作成した。このモデルは実験動物と同様の学習を示しただけでなく、新たな生物学的発見を可能にする一助となった。クレジット: 画像: AdobeStock 前の画像 次の画像
ダートマス大学、MIT、ニューヨーク州立大学ストーニーブルック校の科学者チームによると、生物学と生理学に密接に基づいた新しい脳の計算モデルは、単純な視覚カテゴリー学習課題を実験動物と全く同様に学習しただけでなく、同じ課題を行う動物を用いた研究者たちが以前はデータ内で気づかなかった、直感に反する活動を一群のニューロンが示すことを発見するきっかけにもなったという。
特筆すべきは、このモデルが動物実験からのデータで一度も訓練されることなく、これらの成果を生み出した点である。代わりに、ニューロンがどのように回路に接続し、その後、より広範な脳領域間で電気的・化学的に通信して認知と行動を生み出すかを忠実に表現するために、ゼロから構築された。そして、研究チームがモデルに、以前動物に行わせたのと同じ課題(点のパターンを見て、それが2つのより広いカテゴリーのどちらに当てはまるかを判断する)を実行するよう求めたところ、モデルは非常に類似した神経活動と行動結果を生み出し、ほぼ全く同じ不規則な進歩を伴ってその技能を獲得した。
「モデルは単に新しいシミュレーションによる脳活動のプロットを生成しているだけで、それが後になって初めて実験動物と比較されるのです。それがこれほどまでに驚くほど一致するという事実は、ある種衝撃的です」と、このモデルについて述べたNature Communications誌の新研究の筆頭著者であり、ダートマス大学の心理脳科学教授であるリチャード・グレンジャーは言う。
このモデル、および論文執筆後に開発されたより新しい反復モデルを作成する目標は、脳がどのように機能するかについての洞察を提供するだけでなく、病気の際にどのように異なる機能をする可能性があるか、そしてどのような介入がそれらの異常を修正できるかを理解することにもある、と共著者でMITピコワー学習記憶研究所のピコワー教授であるアール・K・ミラーは付け加える。ミラー、グレンジャー、および研究チームの他のメンバーは、モデルのバイオテクノロジー応用を開発するためにNeuroblox.ai社を設立した。共著者でストーニーブルック校の生物医学工学教授であり、Neurobloxプロジェクトの主任研究員であるリリアン・R・ムヒカ=パロディが同社のCEOを務めている。
「目標は、脳の生物模倣モデリングのためのプラットフォームを作り、神経治療法の発見、開発、改良をより効率的に行えるようにすることです。例えば、薬剤開発と有効性試験は、臨床試験のリスクと費用がかかる前に、私たちのプラットフォーム上でプロセスの早い段階で行うことができます」と、MIT脳認知科学科の教員でもあるミラーは言う。
生物模倣モデルの作成
ダートマス大学のポスドク研究員であるアナンド・パタックがこのモデルを作成した。このモデルは、個々のニューロン対が互いにどのように接続するかといった微細な詳細と、アセチルコリンなどの神経調節性化学物質によって領域間の情報処理がどのように影響を受けるかを含む大規模な構造の両方を組み込んでいる点で、多くの他のモデルと異なる。パタックとチームは、設計を繰り返し改良し、ニューロンがより広範なリズムによってどのように同期するかなど、実際の脳で観察される様々な制約に従うようにした。多くの他のモデルは小規模または大規模のいずれかのみに焦点を当てているが、このモデルは両方であると彼は言う。
「私たちは木を見失いたくもなければ、森を見失いたくもありませんでした」とパタックは言う。
比喩的な「木」は、研究では「プリミティブ」と呼ばれ、それぞれが数個のニューロンからなる小さな回路で、実際の細胞の電気的・化学的原理に基づいて接続し、基本的な計算機能を実行する。例えば、モデル版の大脳皮質内では、あるプリミティブ設計では、興奮性ニューロンが神経伝達物質グルタミン酸の影響を受けるシナプス接続を介して視覚系から入力を受け取る。それらの興奮性ニューロンはその後、抑制性ニューロンと密接に接続し、他の興奮性ニューロンをシャットダウンするよう信号を送る競合を起こす——これは実際の脳に見られる「勝者総取り」アーキテクチャで、情報処理を調節する。
より大きな規模では、このモデルは基本的な学習と記憶課題に必要な4つの脳領域を含んでいる:大脳皮質、脳幹、線条体、およびアセチルコリンのバーストを介してシステムに少量の「ノイズ」を注入できる「持続性活動ニューロン」(TAN)構造である。例えば、モデルが提示された点のパターンを分類する課題に従事する際、TANは最初、モデルが視覚入力をどのように処理するかにいくらかの変動性を確保し、モデルが様々な行動とその結果を探索することで学習できるようにした。モデルが学習を続けるにつれて、大脳皮質と線条体の回路はTANを抑制する接続を強化し、モデルが学習した内容に基づいて一貫性を増しながら行動できるようにした。
モデルが学習課題に従事するにつれて、ミラーが動物を用いた自身の研究でよく観察してきた動的特性を含む、現実世界の特性が出現した。学習が進むにつれて、大脳皮質と線条体は脳リズムの「ベータ」周波数帯でより同期するようになり、この同期性の増加は、モデル(および動物)が見ているものについて正しいカテゴリー判断を下した時期と相関していた。
「不一致」ニューロンの発見
しかし、モデルはまた研究者たちに、誤りを高度に予測するように見える活動を示す一群のニューロン——約20%——を提示した。これらのいわゆる「不一致」ニューロンが回路に影響を与えると、モデルは誤ったカテゴリー判断を下した。最初、グレンジャーは、チームはそれがモデルの癖だと考えたと言う。しかしその後、彼らは動物が同じ課題を行ったときにミラーの研究室が蓄積した実際の脳のデータを見た。
「その時になって初めて、私たちは既に持っていたデータに戻りました。誰かがそれについて何か言っているはずだから、これはそこにはないに違いないと確信していましたが、それはそこにあり、ただこれまで気づかれず、分析もされていなかったのです」と彼は言う。
ミラーは、これらの直感に反する細胞には目的があるかもしれないと言う:課題のルールを学ぶのは結構だが、そのルールが変わったらどうするか?時折代替案を試すことは、脳が新たに出現する一連の条件に偶然出くわすことを可能にするかもしれない。実際、別のピコワー研究所の研究室は最近、人間や他の動物が時々これを行うという証拠を発表した。
新しい論文で説明されたモデルはチームの期待を超える性能を示したが、グレンジャーは、チームはそれを拡張して、より多様な課題と状況を処理できるほど洗練させてきたと言う。例えば、彼らはより多くの領域と新しい神経調節性化学物質を追加した。また、薬剤などの介入がその動態にどのように影響するかのテストも開始している。
グレンジャー、ミラー、パタック、ムヒカ=パロディに加えて、論文の他の著者は、スコット・ブリンキャット、ハリス・オルガンツィディス、ヘルムート・ストライ、セージアン・セネフ、エヴァン・アンツーラトスである。
Baszucki Brain Research Fund(米国)、海軍研究局、Freedom Together Foundationがこの研究に支援を提供した。
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論文: "Biomimetic model of corticostriatal micro-assemblies discovers a neural code" 関連リンク
ピコワー学習記憶研究所
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Caption: A multi-institutional team of researchers has created a model of brain function, based on biological principles, that not only demonstrated learning similar to lab animals, but also helped to enable new biological discovery. Credits: Image: AdobeStock Previous image Next image
A new computational model of the brain based closely on its biology and physiology not only learned a simple visual category learning task exactly as well as lab animals, but even enabled the discovery of counterintuitive activity by a group of neurons that researchers working with animals to perform the same task had not noticed in their data before, says a team of scientists at Dartmouth College, MIT, and the State University of New York at Stony Brook.
Notably, the model produced these achievements without ever being trained on any data from animal experiments. Instead, it was built from scratch to faithfully represent how neurons connect into circuits and then communicate electrically and chemically across broader brain regions to produce cognition and behavior. Then, when the research team asked the model to perform the same task that they had previously performed with the animals (looking at patterns of dots and deciding which of two broader categories they fit), it produced highly similar neural activity and behavioral results, acquiring the skill with almost exactly the same erratic progress.
“It’s just producing new simulated plots of brain activity that then only afterward are being compared to the lab animals. The fact that they match up as strikingly as they do is kind of shocking,” says Richard Granger, a professor of psychological and brain sciences at Dartmouth and senior author of a new study in Nature Communications that describes the model.
A goal in making the model, and newer iterations developed since the paper was written, is not only to offer insight into how the brain works, but also how it might work differently in disease and what interventions could correct those aberrations, adds co-author Earl K. Miller, Picower Professor in The Picower Institute for Learning and Memory at MIT. Miller, Granger, and other members of the research team have founded the company Neuroblox.ai to develop the models’ biotech applications. Co-author Lilianne R. Mujica-Parodi, a biomedical engineering professor at Stony Brook who is lead principal investigator for the Neuroblox Project, is CEO of the company.
“The idea is to make a platform for biomimetic modeling of the brain so you can have a more efficient way of discovering, developing, and improving neurotherapeutics. Drug development and efficacy testing, for example, can happen earlier in the process, on our platform, before the risk and expense of clinical trials,” says Miller, who is also a faculty member of MIT’s Department of Brain and Cognitive Sciences.
Making a biomimetic model
Dartmouth postdoc Anand Pathak created the model, which differs from many others in that it incorporates both small details, such as how individual pairs of neurons connect with each other, and large-scale architecture, including how information processing across regions is affected by neuromodulatory chemicals such as acetylcholine. Pathak and the team iterated their designs to ensure they obeyed various constraints observed in real brains, such as how neurons become synchronized by broader rhythms. Many other models focus only on the small or big scales, but not both, he says.
“We didn’t want to lose the tree, and we didn’t want to lose the forest,” Pathak says.
The metaphorical “trees,” called “primitives” in the study, are small circuits of a few neurons each that connect based on electrical and chemical principles of real cells to perform fundamental computational functions. For example, within the model’s version of the brain’s cortex, one primitive design has excitatory neurons that receive input from the visual system via synapse connections affected by the neurotransmitter glutamate. Those excitatory neurons then densely connect with inhibitory neurons in a competition to signal them to shut down the other excitatory neurons — a “winner-take-all” architecture found in real brains that regulates information processing.
At a larger scale, the model encompasses four brain regions needed for basic learning and memory tasks: a cortex, a brainstem, a striatum, and a “tonically active neuron” (TAN) structure that can inject a little “noise” into the system via bursts of aceytlcholine. For instance, as the model engaged in the task of categorizing the presented patterns of dots, the TAN at first ensured some variability in how the model acted on the visual input so that the model could learn by exploring varied actions and their outcomes. As the model continued to learn, cortex and striatum circuits strengthened connections that suppressed the TAN, enabling the model to act on what it was learning with increasing consistency.
As the model engaged in the learning task, real-world properties emerged, including a dynamic that Miller has commonly observed in his research with animals. As learning progressed, the cortex and striatum became more synchronized in the “beta” frequency band of brain rhythms, and this increased synchrony correlated with times when the model (and the animals) made the correct category judgement about what they were seeing.
Revealing “incongruent” neurons
But the model also presented the researchers with a group of neurons — about 20 percent — whose activity appeared highly predictive of error. When these so-called “incongruent” neurons influenced circuits, the model would make the wrong category judgement. At first, Granger says, the team figured it was a quirk of the model. But then they looked at the real-brain data Miller’s lab accumulated when animals performed the same task.
“Only then did we go back to the data we already had, sure that this couldn’t be in there because somebody would have said something about it, but it was in there, and it just had never been noticed or analyzed,” he says.
Miller says these counterintuitive cells might serve a purpose: it’s all well and good to learn the rules of a task, but what if the rules change? Trying out alternatives from time to time can enable a brain to stumble upon a newly emerging set of conditions. Indeed, a separate Picower Institute lab recently published evidence that humans and other animals do this sometimes.
While the model described in the new paper performed beyond the team’s expectations, Granger says, the team has been expanding it to make it sophisticated enough to handle a greater variety of tasks and circumstances. For instance, they have added more regions and new neuromodulatory chemicals. They’ve also begun to test how interventions such as drugs affect its dynamics.
In addition to Granger, Miller, Pathak and Mujica-Parodi, the paper’s other authors are Scott Brincat, Haris Organtzidis, Helmut Strey, Sageanne Senneff, and Evan Antzoulatos.
The Baszucki Brain Research Fund, United States, the Office of Naval Research, and the Freedom Together Foundation provided support for the research.
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The Picower Institute for Learning and Memory
Department of Brain and Cognitive Sciences
School of Science
Brain and cognitive sciences
Machine learning
Computer modeling
Computer science and technology
Picower Institute
School of Science
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