Web Syllabus(講義概要)
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計算論的神経科学
英文名 Computational Neuroscience
科目概要 未来工学研究科(修士課程)生命データサイエンス専攻修士1年~2年後期、専門科目、選択、講義、2単位
科目責任者  設樂 久志
担当者 (※は実務経験のある教員) 設樂 久志
講義室

授業の目的

神経細胞と神経回路はディープラーニングなどの人工知能のメカニズムを理解し、新しい人工知能によるデータ処理系を考える際のヒントを与える。この講義では神経細胞とそれが構築する神経回路についての生物学的な知見を述べるとともに、計算論的神経科学の立場から、神経系の演算を情報科学の立場から詳述し理解を深める。

教育内容

物理化学的な観点から神経細胞と神経回路の演算について理解することを目指すとともに、人工神経回路でも重要な神経可塑性について丁寧に理解する。

教育方法

パワーポイントを用いて毎回講義を行うとともに、適宜レポートを課すことにより理解を深める。また、プログラミングのコードなどを共有し、モデルやシミュレーションの技法の理解を深める。講義内で出された課題について、講義中に解説を行う。質問には授業中やその前後、メール等で随時対応し、重要だと思われるものについては講義内で共有し、解説する。

卒業・学位授与の方針と当該科目の関連

DP1、DP2

授業内容(シラバス)

項目 内容 日時
1 神経細胞の構築と階層性 神経細胞の構造とその機能について理解する。 9/8③
2 膜電位の物理化学 神経細胞に膜電位や活動電位が形成されるメカニズムをイオンチャネルの物理化学の観点から理解する。 9/15③
3 神経細胞のシグナル伝達① シナプスでの情報伝達メカニズム伝達について理解する。 9/29③
4 神経細胞のシグナル伝達② 神経可塑性などの神経機能改変を担う細胞内シグナル伝達について理解する。 10/6③
5 無脊椎動物での学習と記憶 無脊椎動物神経系を利用して実際に記憶や学習の研究がどのように行われてきたかを理解する。 10/13③
6 神経機能を理解するための技術① 神経活動を測定する技術について理解する。 10/20③
7 神経機能を理解するための技術② 高次の脳機能を理解するための遺伝学的手法を中心に神経機能を理解するための技術を理解する。 10/27③
8 学習と記憶 哺乳類神経系の海馬を中心に行われている記憶や学習の研究を理解する。 11/10③
9 感覚系① 視覚系を例に外界情報を動物がどの様に処理するのか理解する。 11/17③
10 感覚系② 外界の情報を要素毎に抽出する神経回路のシステムについて理解する。 11/24③
11 興奮電位の数理モデル ホジキンハックスレーの式により興奮電位の生成がどのように定量することが可能になったかを示すとともに、この式を簡略化したいくつかのモデルについて理解する。 12/1③
12 確率過程と神経機能 ポアソン過程を利用して神経細胞や神経回路の機能をシミュレートする方法について理解する。 12/8③
13 神経細胞のモデリング 神経細胞の様々な演算を数理モデルとして扱い、実験と対応づけるためのシステム生物学的手法について理解する。 12/15③
14 神経回路のシミュレーション 脳内の様々な機能をシミュレーションする方法について理解する。 12/16②
15 まとめと展望 以上の講義で扱った内容についてレビューするとともに、実際の細胞と人工神経回路の演算について考察する。 12/22③
No. 1
項目
神経細胞の構築と階層性
内容
神経細胞の構造とその機能について理解する。
日時
9/8③
No. 2
項目
膜電位の物理化学
内容
神経細胞に膜電位や活動電位が形成されるメカニズムをイオンチャネルの物理化学の観点から理解する。
日時
9/15③
No. 3
項目
神経細胞のシグナル伝達①
内容
シナプスでの情報伝達メカニズム伝達について理解する。
日時
9/29③
No. 4
項目
神経細胞のシグナル伝達②
内容
神経可塑性などの神経機能改変を担う細胞内シグナル伝達について理解する。
日時
10/6③
No. 5
項目
無脊椎動物での学習と記憶
内容
無脊椎動物神経系を利用して実際に記憶や学習の研究がどのように行われてきたかを理解する。
日時
10/13③
No. 6
項目
神経機能を理解するための技術①
内容
神経活動を測定する技術について理解する。
日時
10/20③
No. 7
項目
神経機能を理解するための技術②
内容
高次の脳機能を理解するための遺伝学的手法を中心に神経機能を理解するための技術を理解する。
日時
10/27③
No. 8
項目
学習と記憶
内容
哺乳類神経系の海馬を中心に行われている記憶や学習の研究を理解する。
日時
11/10③
No. 9
項目
感覚系①
内容
視覚系を例に外界情報を動物がどの様に処理するのか理解する。
日時
11/17③
No. 10
項目
感覚系②
内容
外界の情報を要素毎に抽出する神経回路のシステムについて理解する。
日時
11/24③
No. 11
項目
興奮電位の数理モデル
内容
ホジキンハックスレーの式により興奮電位の生成がどのように定量することが可能になったかを示すとともに、この式を簡略化したいくつかのモデルについて理解する。
日時
12/1③
No. 12
項目
確率過程と神経機能
内容
ポアソン過程を利用して神経細胞や神経回路の機能をシミュレートする方法について理解する。
日時
12/8③
No. 13
項目
神経細胞のモデリング
内容
神経細胞の様々な演算を数理モデルとして扱い、実験と対応づけるためのシステム生物学的手法について理解する。
日時
12/15③
No. 14
項目
神経回路のシミュレーション
内容
脳内の様々な機能をシミュレーションする方法について理解する。
日時
12/16②
No. 15
項目
まとめと展望
内容
以上の講義で扱った内容についてレビューするとともに、実際の細胞と人工神経回路の演算について考察する。
日時
12/22③

到達目標

神経細胞と神経回路での生物学的な事実から実際に人工神経回路へ利用可能なメカニズムについて理解を深め、自ら新しい学習則や演算を考案できるようになる。

評価方法

8回目終了時に講義内容の確認のための中間レポート(40%)、最終講義後に講義内容全般に関わるレポート(60%)を課し、総合的に判断する。

準備学習(予習・復習等)

【講義時間外に必要な学習の時間:60 時間】
予習:事前に配布するハンドアウトを利用して次回の講義の概要を調べておく。
復習:講義で取り扱った内容を理解し、講義中に指定された文献などを調査する。

備考・その他

【関連科目:細胞の物理化学特論】

教材

種別 書名 著者・編者 発行所
教科書 配布資料あり
参考書 ニューロンの生物物理 宮川博義、井上雅司 丸善
参考書 Theoretical Neuroscience: Computational and Mathematical Modeling of Neural Systems Peter Dayan, L. F. Abbott MIT Press
参考書 スタンフォード神経生物学 Liqun Luo メディカル・サイエンス
教科書
書名
配布資料あり
著者・編者
発行所
参考書
書名
ニューロンの生物物理
著者・編者
宮川博義、井上雅司
発行所
丸善
参考書
書名
Theoretical Neuroscience: Computational and Mathematical Modeling of Neural Systems
著者・編者
Peter Dayan, L. F. Abbott
発行所
MIT Press
参考書
書名
スタンフォード神経生物学
著者・編者
Liqun Luo
発行所
メディカル・サイエンス