海馬と記憶モデル松岡佑磨

1. 海馬と記憶モデルの展望法政大学応用情報工学科３年松岡佑磨 1

2. 自己紹介松岡佑磨(Matsuoka Yuma) 法政大学理工学部知的情報処理研究室３年趣味：旅行、ボイパ東京→名古屋(徒歩) 広島→東京(自転車) 2

3. 世界５分前仮説って知ってますか？ 3

4. 世界５分前仮説世界は実は５分前に始まったのかもしれない 4ウィキペディア https://ja.wikipedia.org/wiki/世界五分前仮説

5. 世界５分前仮説哲学における懐疑主義的な思考実験の一つ 5ウィキペディア https://ja.wikipedia.org/wiki/世界五分前仮説

6. 世界５分前仮説この仮説を確実に否定することは不可能 6ウィキペディア https://ja.wikipedia.org/wiki/世界五分前仮説

7. 世界５分前仮説５分以上前の記憶があることは何の反証にもならない偽の記憶を植え付けられた状態で５分前に世界が始まったかもしれない 7ウィキペディア https://ja.wikipedia.org/wiki/世界五分前仮説

8. 世界５分前仮説昨日は何時に寝ましたか？ 8

9. 世界５分前仮説昨日寝たとは思いますが… 寝る前の自分と起きた時の自分は同じ「自分」ですか？ 9

10. 世界５分前仮説昨日の自分と今日の自分は同じだという確証はない 10

11. 世界５分前仮説記憶が「私という存在」を保証する 11

12. いきなりですが次のスライドの文字列を 12 覚えてください

13. MTOKYM 13

14. 覚えられましたか？次はちょっと難しいです。 14

15. ZNNAKTKCWKTNKI 15

16. 難しくないですか？ちなみに先ほどの６つのアルファベットは覚えていますか？ 16

17. MTOKYM 17

18. 工夫をすれば覚えやすくなる MTOKYM 実は… まつおかゆうまと覚えることができます 18

19. ZNNAKTKCWKTNKI 19

20. 工夫をすれば覚えやすくなる ZNNAKTKCWKTNKI 全脳アーキテクチャ若手の会 20

21. この話をしたのは… マジックナンバー７: ７つ程度のものを２０秒程度しか維持できない 21

22. 今朝何を食べましたか？ 22

23. ちなみに自分は… ガイパットメットマムアンヒムマパーンを作りました 23

24. 自分の誕生日を思い出してください 24

25. この「誕生日」っていつ、どこで覚えましたか？ 25

26. これらの記憶をおなじものとして扱っていいのか • マジックナンバー７ • 今朝、何を食べたか • 自分の誕生日 26

27. 同じものではない 27

28. 記憶は分類されている 28

29. 記憶手続的記憶陳述的記憶エピソード記憶意味的記憶記憶の性質による分類 • エピソード記憶は、朝ごはんと対応 • 意味的記憶は、誕生日と対応覚えた時の情景などの情報は欠落している 29

30. 記憶の持続時間による分類短期記憶中期記憶長期記憶 30 ～補足～短期記憶の前に感覚記憶が置かれる場合や中期記憶と長期記憶を合わせて長期記憶としてみなす分け方がある

31. 記憶の持続時間による分類短期記憶：マジックナンバー７中期記憶：朝ごはん長期記憶：誕生日 31 ～補足～短期記憶の前に感覚記憶が置かれる場合や中期記憶と長期記憶を合わせて長期記憶としてみなす分け方がある

32. 記憶の種類によって扱われている脳の部位が異なる 32

33. 記憶を保持する部位 • 短期記憶 → 新皮質(前頭前野) • 中期記憶 → 海馬 • 長期記憶 → 新皮質(情報ごとに領野が異なる) 33 といわれている

34. 機能局在や記憶の階層性などの生理学の知見がどのように工学に応用されているのか 34

35. 脳の知見を工学へ短期記憶はデータそのものとして扱われることが多い 35

36. 脳の知見を工学へ長期記憶は… 長期記憶は深層学習などによるモデル化が活発に行われている WBAIウェブページより脳において汎用性を担う新皮質のモデルと見なしうる深層学習の研究が成功 36 全脳アーキテクチャ・イニシアティブ http://wba-initiative.org/wba/

37. 脳の知見を工学へ中期記憶は… • 深層学習はデータを直接モデルに送っている • つまり、深層学習において… 中期記憶は無視されている 37

38. 脳の知見を工学へ 38 中期記憶を形成する海馬も工学モデルとして使われるべきか？

39. AGIに海馬は必要か？ • AGI(汎用人工知能)とは – 様々な特定タスクを学習によって実行できるようになるような一般的な仕組み • 全脳アーキテクチャ(WBA)中心仮説 – 人工的に構成された機械学習器を組み合わせることで人間並みかそれ以上能力を持つ汎用の知能機械を構築可能である 39 汎用人工知能 http://www.sig-agi.org/home 全脳アーキテクチャ勉強会 http://www.sig-agi.org/wba

40. 海馬本日のテーマ 40The Day His World Stood Still: The Strange Story of "H.M" http://brainconnection.brainhq.com/2011/04/26/the-day-his-world-stood-still/

41. 今日話すこと • 海馬の生理学的な知見 • 主な海馬の機能 • 海馬の知見を取り入れた工学モデル • 海馬の工学モデルの今後の展望 41

43. ネズミの脳と海馬 Allen Brain Atlas 43Allen Brain Atlas http://www.brain-map.org/

44. 海馬以外の部位を取り除く 44

45. 新皮質を取り除く 45

46. 嗅覚野を取り除く 46

47. 大脳基底核を取り除く 47

48. サブプレートを取り除く 48

49. 小脳を取り除く 49

50. 後脳を取り除く 50

51. 中脳を取り除く 51

52. 間脳を取り除く 52

53. 海馬体 53

54. 海馬体海馬体歯状回海馬 CA1 CA2 CA3 海馬台嗅内野 54 きゅうないやしじょうかい海馬の基礎知識 http://gaya.jp/research/hippocampus.htm

55. 海馬体海馬体歯状回海馬 CA1 CA2 CA3 海馬台嗅内野 55 ←海馬普段私たちはここを海馬と呼ぶきゅうないやしじょうかい海馬の基礎知識 http://gaya.jp/research/hippocampus.htm

56. 海馬の構造 56 CA3 CA1 歯状回CA2 海馬の基礎知識 http://gaya.jp/research/hippocampus.htm

57. 海馬の構造 57 CA3 CA1 歯状回CA2 海馬の基礎知識 http://gaya.jp/research/hippocampus.htm

58. 他の脳部位と海馬 58

59. 他の脳部位と海馬主な海馬へ投射する部位とその機能 • 偏桃体 • 内側中隔核 • 青斑核 • 縫線核 • 乳頭体 59海馬の基礎知識 http://gaya.jp/research/hippocampus.htm

60. 扁桃体(へんとうたい) 60 大脳基底核

61. 扁桃体(へんとうたい) 61

62. 扁桃体(へんとうたい) 62 扁桃体は物理的に近く、海馬に強い影響を与えている

63. 扁桃体(へんとうたい) 63 • 主に恐怖という情動に関与 • 海馬-扁桃体の関係性を解き明かすことでうつ病の治療を目指す光で記憶を書き換える http://www.riken.jp/pr/press/2014/20140828_2/ 記憶痕跡回路の中に記憶が蓄えられる http://www.riken.jp/pr/press/2015/20150529_2/

64. 内側中隔核とマイネルト基底核 64 大脳基底核ないそくちゅうかくかくきていかく

65. 内側中隔核とマイネルト基底核 65 ないそくちゅうかくかくきていかく内側中隔核マイネルト基底核

66. 内側中隔核とマイネルト基底核 • アルツハイマー型認知症の記憶障害メカニズムに関係する – 内側中隔核を除去すると、動物は物体が「どこ」にあったかわからなくなった – マイネルト基底核を除去すると、その物体が「何」であったかわからなくなった 66 ないそくちゅうかくかくきていかくアルツハイマー型認知症の記憶障害メカニズムに関する新発見 http://www.hiroshima-u.ac.jp/top/koho_press/press/h2701-12/p_2ufywt.html

67. 内側中隔核とマイネルト基底核 • アルツハイマー型認知症の記憶障害メカニズムに関係する – 内側中隔核を除去すると、動物は物体が「どこ」にあったかわからなくなった(空間再認記憶の障害) – マイネルト基底核を除去すると、その物体が「何」であったかわからなくなった(物体再認記憶の障害) 67 内側中隔核は海馬に投射している記憶の想起に関与しているアルツハイマー型認知症の記憶障害メカニズムに関する新発見 http://www.hiroshima-u.ac.jp/top/koho_press/press/h2701-12/p_2ufywt.html

68. 青斑核（せいはんかく） 68 後脳

69. 青斑核（せいはんかく） 69

70. 青斑核（せいはんかく） 70Tuning arousal with optogenetic modulationof locus coeruleus neurons 青斑核は覚醒状態に関与

71. 青斑核（せいはんかく） 71Tuning arousal with optogenetic modulationof locus coeruleus neurons 青斑核内の神経細胞を強制的に活性化ネズミは寝だす活性化を止める少し時間がたって目覚める青斑核は覚醒状態に関与これらのことから…

72. 縫線核（ほうせんかく） 72 中脳

73. 縫線核（ほうせんかく） 73

74. 縫線核（ほうせんかく） • セロトニン細胞を多く含み、セロトニンを分泌する 74 セロトニン(神経伝達物質) 睡眠、食欲、うつ状態、不安、闘争行動、さまざまな行動を制御する危険に対して冷静かつ適切に対処できるようになるための神経回路を発見 http://www.riken.jp/pr/press/2014/20141121_2/

75. 縫線核（ほうせんかく） • ゼブラフィッシュから哺乳類まで(ネズミを含む) 腹側手綱核-縫線核神経回路を持つ 75 腹側手綱核縫線核海馬,他の脳部位危険予測値セロトニン危険を回避する行動学習に必要海馬の基礎知識 http://gaya.jp/research/hippocampus.htm 危険に対して冷静かつ適切に対処できるようになるための神経回路を発見 http://www.riken.jp/pr/press/2014/20141121_2/

76. 乳頭体（にゅうとうたい） 76 間脳

77. 乳頭体（にゅうとうたい） 77

78. 変位によりコルサコフ症候群を生ずるコルサコフ症候群長期記憶の前方性健忘と逆行性健忘が同時に発生乳頭体（にゅうとうたい） 78 健忘症候群 https://bsd.neuroinf.jp/wiki/健忘症候群家兎食餌性てこ押し行動に対する乳頭体破壊の影響乳頭体.臨床科学, 23, 209-214, 1987 前方性健忘-長期記憶を形成できない逆行性健忘-記憶を思い出しづらくなる

79. 乳頭体（にゅうとうたい）の変位 79 https://bsd.neuroinf.jp/wiki/健忘症候群家兎食餌性てこ押し行動に対する乳頭体破壊の影響乳頭体.臨床科学, 23, 209-214, 1987 記憶の保存、形成に影響を与えるコルサコフ症候群長期記憶の前方性健忘と逆行性健忘が同時に発生

80. 海馬外から海馬への投射 80 歯状回内側中隔核、青斑核、縫線核 CA3 内側中隔核、青斑核、縫線核 CA2 乳頭体 CA1 中隔核、扁桃体海馬の基礎知識 http://gaya.jp/research/hippocampus.htm

81. 海馬外から海馬への投射 81 CA3 CA1 歯状回CA2 内側中隔核, 青斑核, 縫線核内側中隔核, 青斑核, 縫線核乳頭体中隔核, 扁桃体海馬の基礎知識 http://gaya.jp/research/hippocampus.htm

82. 連合野と海馬の情報処理神経回路図を用いて情報の処理を確認 82

83. 広義の海馬 83

84. 連合野-嗅内野-海馬 84 連合野海馬情報嗅内野

85. 連合野-嗅内野-海馬 85 連合野海馬嗅内野情報海馬体

86. 海馬の活動に関係する回路図 86佐藤直行(2015): "海馬から大脳へ: 記憶の計算モデル." 人工知能学会全国大会論文集29. CA2はよくわかっていないため省いて考えられる事が多い

87. トリシナプティック回路 87 嗅内野⇔海馬の閉回路で情報を伝達する

88. トリシナプティック回路 88 嗅内野⇔海馬の閉回路で情報を伝達する

89. トリシナプティック回路 89 苔状線維シャッファー側枝貫通線維たいじょうせんいかんつうせんいそくし

90. 貫通線維 90 嗅内野Ⅱ層から歯状回海馬の基礎知識 http://gaya.jp/research/hippocampus.htm

91. 歯状回の新生ニューロン 91 海馬では成体でも常に新たな神経細胞が誕生している成体脳におけるニューロン新生の生理的意義の解明 http://www.kyoto-u.ac.jp/static/ja/news_data/h/h1/news6/2008/080901_2.htm

92. 苔状線維 92 歯状回からCA3

93. 苔状線維 93 歯状回→CA3 苔状繊維の基礎知識 http://gaya.jp/research/mossy.htm 歯状回CA3

94. CA3の再帰回路 94 CA3内部に再帰的な経路が存在海馬の基礎知識 http://gaya.jp/research/hippocampus.htm

95. シャッファー側枝 95 CA3からCA1 局所的な結合をもつ多様な投射パターン

96. シャッファー側枝:CA3→CA1への投射 96 1つのCA3錐体細胞は3000~60000のCA1錐体細胞に投射 1つのCA1錐体細胞は5000のCA3錐体細胞から投射苔状繊維の基礎知識 http://gaya.jp/research/mossy.htm CA3 CA1

97. 規則的な投射パターンを持つシャッファー側枝 97 CA3錐体細胞投射先 CA3(歯状回に遠い部分) CA1(CA2との境界付近) CA3(歯状回に近い部分) CA1(海馬台に近い部分) CA1 CA3CA3 CA1 投射に規則性がある苔状繊維の基礎知識 http://gaya.jp/research/mossy.htm

98. CA1→(海馬台)→嗅内野 98 CA1から嗅内野または他の脳部位

99. CA1→(海馬台)→嗅内野 99 CA1から海馬台への投射に規則性がある CA1 CA1 海馬台遠位海馬台近位海馬の基礎知識 http://gaya.jp/research/hippocampus.htm 大脳辺縁系 http://shutoku.fc2web.com/special_subjects/3rd_grade/D7/D7/limbic_system.html

100. 海馬台の投射 100 前海馬台海馬台外側中隔核嗅内野投射する海馬台の神経細胞の大きさ CA1 小大側坐核視床前核内側乳頭体海馬の基礎知識 http://gaya.jp/research/hippocampus.htm

101. 嗅内野と海馬の経路 101 • 嗅内野は６層構造 • 層によって役割が違う嗅内野Ⅱ&Ⅲ ↓ 海馬 ↓ 嗅内野深層Ⅳ＆Ⅴ ↓ 嗅内野Ⅱ＆Ⅲ 海馬の基礎知識 http://gaya.jp/research/hippocampus.htm

102. 新皮質-嗅内野-海馬 102 山川宏(2015): "物語としての海馬体計算モデルの提案: 全脳アーキテクチャを構築するために." 人工知能学会全国大会論文集29. 図１を一部改変

103. 新皮質-嗅内野-海馬 103 山川宏(2015): "物語としての海馬体計算モデルの提案: 全脳アーキテクチャを構築するために." 人工知能学会全国大会論文集29. 図１を一部改変

104. 工学的に使えそうな海馬の生理学的な知見 • 海馬以外の脳部位も記憶の形成に関与 • トリシナプティック回路 • 歯状回の新生ニューロン • CA3の再帰構造 • CA3-CA1-海馬台の投射の規則性 104

106. 海馬の機能 • 空間認知 • 中期記憶 • エピソード記憶 106

108. 空間認知動物の空間認知を支える細胞 • 場所細胞 • グリッド細胞 • ヘッドディレクション細胞 108

109. 場所細胞空間中の特定の場所に発火する 109佐藤直行(2015): "海馬から大脳へ: 記憶の計算モデル." 人工知能学会全国大会論文集29. 受容野ネズミ

110. グリッド細胞環境における位置に応じて活動普遍的な距離の指標といわれる 110 受容野ネズミ佐藤直行(2015): "海馬から大脳へ: 記憶の計算モデル." 人工知能学会全国大会論文集29.

111. 実際に私達が紹介した場所選択制細胞になります • 場所細胞（芦原） • グリッド細胞（松岡） 111 受容野ネズミ

112. グリッド細胞と場所細胞の関係 • 場所細胞活動が複数のグリッド細胞によって支配的に決定されている仮説がある 112 From Grid Cells to Place Cell http://www.dei.brain.riken.jp/?page_id=392

113. ヘッドディレクション細胞動物の頭の向きに反応して発火する 113 ネズミ佐藤直行(2015): "海馬から大脳へ: 記憶の計算モデル." 人工知能学会全国大会論文集29.

114. シータ位相歳差 • 場所細胞は活動の初めはシータ波の遅れ位相が生じるが移動が進むにつれて、徐々に進み位相に活動が生じるようになる • シータ波（4~12Hz）の位相と場所細胞の発火タイミングの関連性から自己位置推定をしていると考えられている 114 Place Cell & Theta Rhythms http://www.dei.brain.riken.jp/?page_id=396 佐藤直行(2015): "海馬から大脳へ: 記憶の計算モデル." 人工知能学会全国大会論文集29.

115. 経路積分仮説 • 出発位置から、方向と移動速度を積分することで現在位置を推定しながら目標とする位置にたどり着く • 予測誤差はランドマークによって補正 115

116. 空間認知機能のまとめ • 特定の場所や頭の向きに特定的に反応する神経細胞が存在 • 空間認知に関する複数の細胞の組み合わせで自己位置推定を行うことができる 116

118. 階層的な記憶構造名称時間範囲細胞でのメカニズム場所短期記憶数ミリ秒～60秒細胞の電気活動、伝達物質の蓄積新皮質中期記憶数秒～数週間海馬LTP 海馬長期記憶数十分～一生シナプスの形態変化、タンパク合成新皮質 118 学習時定数の違いによっておきる海馬と新皮質の記憶における機能分離のモデル_表１海馬LTP(長期可塑性)

119. 中期記憶 • 高速な学習機能 – LTP(高頻度刺激によってシナプス強度が変化する現象) • 新皮質に記憶を転送する機能をもつ 119

120. LTP(長期増強) • 高頻度刺激によってシナプス結合強度が数秒で変化する現象 • 一度LTPが形成されるとその効果は数週間は続くと言われている • LTPを誘導する方法 – 高頻度の刺激 – シータバースト刺激 – 誘導しやすい発火タイミングの刺激 120 学習時定数の違いによっておきる海馬と新皮質の記憶における機能分離のモデル

121. 中期記憶の意義とは • 時間の間を埋めるため • 海馬のLTPのような機能を脳全体で行うと記憶の破壊が起きてしまう • 記憶の選別 121

123. エピソード記憶時間と場所その時の感情変化などを伴う記憶 123

124. エピソード記憶全裸で病院峠で職質２階からチャリ投げお風呂でパスタ 124

125. エピソード記憶の意義 • プランニングに寄与 – 例えば腕時計を無くした時、自分の行動を思い出して忘れ物を探すことができた • 円滑なコミュニケーションを行うことができる 125

126. 海馬の機能 • 空間認知(自己位置推定) • 中期記憶（長期記憶破壊の防止） • エピソード記憶（プランニングに寄与） 126

127. 工学に海馬の機能が役に立つ • 海馬の空間認知はロボットの自律制御に役に立っている – SLAM 127

128. 海馬はAGIにとっても有用か？ 128

129. 空間認知機能あらゆる環境で動作するために環境ごとに地図を作って自己位置推定 129

130. 中期記憶高速に一時的な学習をして知識を利用 130

131. エピソード記憶マルチモーダルな時系列情報を使ってプランニング 131

132. 海馬はAGIにとっても有用である 132

134. 海馬の知見を取り入れた記憶モデル 134 [大森+ 94]大森秀樹, and 大森隆司. "学習時定数の違いによっておきる海馬と新皮質の記憶における機能分離のモデル." 電子情報通信学会論文誌 D 77.9 (1994): 1882-1890. [大澤+ 2015]大澤正彦, and 萩原将文. “中間記憶から長期記憶への転送モデル.” 第25回日本神経回路学会全国大会: 2015. • 大森モデル[大森+ 94] • 大澤モデル[大澤+ 15]

135. 海馬の知見を取り入れた記憶モデル 135 [大森+ 94]大森秀樹, and 大森隆司. "学習時定数の違いによっておきる海馬と新皮質の記憶における機能分離のモデル." 電子情報通信学会論文誌 D 77.9 (1994): 1882-1890. [大澤+ 2015]大澤正彦, and 萩原将文. “中間記憶から長期記憶への転送モデル.” 第25回日本神経回路学会全国大会: 2015. • 大森モデル[大森+ 94] • 大澤モデル[大澤+ 15]

136. 大森モデル[大森+94] 海馬-皮質の関係を中心としたエピソード記憶モデル 136 [大森+ 94]大森秀樹, and 大森隆司. "学習時定数の違いによっておきる海馬と新皮質の記憶における機能分離のモデル." 電子情報通信学会論文誌 D 77.9 (1994): 1882-1890.

137. 大森モデルとエピソード記憶エピソード記憶の定義一度経験したことを即座に記憶すること 137

138. 大森モデルの特徴 • 新皮質-統合野-海馬の３層構造 • 細胞群の閉回路による高頻度の発火が長期記憶の形成に必要 • 海馬は複数の感覚情報間の連合を形成 • エピソードを符号化する統合野を形成 • 外部からの制御入力により、入力パターンの探索機能を持つ • ３つの学習時定数を用意 138

139. 大森モデル 139 知覚情報知覚情報統合層海馬入力部部分特徴層入力部部分特徴層

140. 知覚情報知覚情報新皮質-統合野-海馬の３層構造 140 新皮質海馬統合層統合層海馬入力部部分特徴層入力部部分特徴層

141. 知覚情報知覚情報新皮質-統合野-海馬の３層構造 141 新皮質海馬統合層統合層海馬入力部部分特徴層入力部部分特徴層知覚情報

142. 閉回路における発火 • ２重の閉回路が存在 • 閉回路で刺激を表現 142 新皮質海馬統合層

143. 海馬は感覚情報間の連合を形成同時に発生した複数の感覚情報を連合 144 閉回路閉回路閉回路刺激刺激刺激

144. エピソードを符号化する統合野 145 新皮質海馬統合層知覚情報興奮パターン閉回路対応する閉回路興奮パターン (エピソード) ↓ 閉回路として符号化

145. 入力パターンの探索機能 146 新皮質統合層閉回路を形成外部制御信号類似した興奮パターン異なる閉回路を形成新たな興奮パターン別々の事象は異なるパターンとして符号化

146. ３つの学習時定数記憶の形成に必要とする時間スケール 147 学習時定数時間記憶の形成 Ta 1秒短期記憶 Tb 数秒中期記憶 Tc 数十分長期記憶

147. 学習時定数と学習定数の対応 148 記憶学習時定数学習定数脳部位短期記憶 Ta(1秒) なし新皮質中期記憶 Tb(数秒) 大海馬長期記憶 Tc(数十分) 小新皮質

148. 知覚情報知覚情報大森モデル 149 新皮質低い学習定数海馬高い学習定数統合層海馬入力部部分特徴層入力部部分特徴層

149. 知覚情報知覚情報知覚情報の取得 150 統合層海馬入力部部分特徴層入力部部分特徴層新皮質低い学習定数

150. 知覚情報知覚情報短期記憶の形成 151 統合層海馬入力部部分特徴層入力部部分特徴層部分特徴層に短期記憶(興奮パターン)が形成新皮質低い学習定数

151. 知覚情報知覚情報短期記憶の形成 152 統合層海馬入力部部分特徴層入力部部分特徴層外部制御信号がなければ学習時定数 Ta(数秒)で消滅このとき新皮質の学習はほとんど起きない新皮質低い学習定数

152. 知覚情報知覚情報統合層の閉回路の形成 153 統合層海馬入力部部分特徴層入力部部分特徴層新皮質低い学習定数外部制御信号が働くと、統合層に閉回路を形成外部制御信号

153. 知覚情報知覚情報中期記憶の形成 154 統合層海馬入力部部分特徴層入力部部分特徴層新皮質低い学習定数外部制御信号が海馬に働くと学習時定数 Tb(数秒)で閉回路が学習され、海馬に中期記憶(閉回路)が形成海馬高い学習定数外部制御信号

154. 知覚情報知覚情報複数の海馬の閉回路の発火 155 統合層海馬入力部部分特徴層入力部部分特徴層新皮質低い学習定数海馬の閉回路の連合が形成海馬高い学習定数外部制御信号

155. 知覚情報知覚情報海馬による新皮質発火の補助 156 統合層海馬入力部部分特徴層入力部部分特徴層新皮質低い学習定数海馬高い学習定数新皮質の学習が終わるまで中期記憶をもつ海馬が新皮質の発火を促す外部制御信号

156. 知覚情報知覚情報長期記憶の形成 157 統合層海馬入力部部分特徴層入力部部分特徴層新皮質低い学習定数海馬高い学習定数学習時定数 Tc(数十分)で新皮質内のシナプス結合が形成長期記憶の学習が完了する

157. 海馬機能の損失 • 動物 – 前方性健忘 • 大森モデル – 部分特徴層による遅い記憶形成 158 大森モデルの海馬機能が生理学的知見と対応

158. 大森モデルとエピソード記憶 159 モデルの記憶形成過程が記憶障害の臨床例や生理実験データと整合性をもつ大森モデルはエピソード記憶を再現できた

159. 大森モデルと海馬の知見の整合性 • 海馬において複数の感覚情報を連合 • 海馬モジュールの停止と前方性健忘症 • ３種類の記憶の階層性 • インデックス機能 160

160. 大森モデルまとめ • 時間スケールの異なる３つの学習時定数によって記憶の階層性を再現 • 海馬が記憶のINDEX機能をもつ • 新皮質-統合層-海馬の情報の閉回路に対応 • エピソード記憶の形成過程を再現 161

161. 海馬の知見を取り入れた記憶モデル • 大森モデル[大森+ 94] • 大澤モデル[大澤+ 15] 162 [大森+ 94]大森秀樹, and 大森隆司. "学習時定数の違いによっておきる海馬と新皮質の記憶における機能分離のモデル." 電子情報通信学会論文誌 D 77.9 (1994): 1882-1890. [大澤+ 15]大澤正彦, and 萩原将文. “中間記憶から長期記憶への転送モデル.”第25回日本神経回路学会全国大会: 2015.

162. 大澤モデル深層学習の計算論を取り入れた記憶の工学モデルの提案 163 [大澤+ 15]大澤正彦, and 萩原将文. “中間記憶から長期記憶への転送モデル.”第25回日本神経回路学会全国大会: 2015.

163. 大澤モデル従来の深層学習は中期記憶を考慮していないことに注目 164 記憶脳深層学習 (既存) 短期記憶ワーキングメモリデータ中期記憶海馬 × 長期記憶新皮質深層学習中間的な記憶器を導入した深層学習器

164. 大澤モデル２つのモジュールで記憶の階層性を表現海馬モジュール – 海馬の機能を参考にした機械学習モデル[大澤 +15b] – 新皮質モジュールへの記憶転送法[大澤+15d] を新たに提案新皮質モジュール – 従来の深層学習モデル 165 [大澤+15b]大澤正彦, 萩原将文(2015): "海馬-大脳新皮質系に着目した深層学習による記憶モデルの提案." 人工知能学会全国大会論文集29. [大澤+１５d]大澤正彦, 萩原将文(2015): “中間期奥から長期記憶への転送モデル." 第25 回神経回路学会全国大会.

165. 166 RBM ESN SdA IL-RBM IL-ESN-RBM 半RBM 大澤モデル大澤モデル

167. RBM, Deep Learningと学習東京工業大学 3年八木拓真 yagi.t.ad@m.titech.ac.jp @t_Signull 全脳アーキテクチャ若手の会第3回ディープラーニング勉強会

168. RBMとは？ • ボルツマンマシン(BM)の結合に制約を持たせた確率的無向グラフィカルモデルの一種可視層(Visual Layer) 隠れ層(Hidden Layer) 可視素子 𝑣𝑖 (Visual Unit) 結合重み 𝑤𝑖𝑗 (Weight) 隠れ素子ℎ𝑗 (Hidden Unit)

170. IL-RBM[大澤+15a, e] • IL-RBM(Incremental Learning RBM) – 隠れ層素子を追加しながら学習するRBM – 既学習情報を失わずに追加学習を行うことができる – 学習が速い 171 [大澤+15a]大澤正彦, 萩原将文(2015): "RBM における未学習データ検出法の提案と追加学習への応用." 信学会信学技報ニューロコンピューティング研究会 [Osawa + 15e] M. Osawa, et al.,(2015) “Analysis of Learning Characteristics of RBMs and an Automatic Method for Deciding the Number of Hidden Units,” ISIS

172. 173 第５回DL勉強会より

176. 第５回DL勉強会より

178. 半RBM[大澤+15c] • 時系列データを扱えるRBM 179 [大澤+15c]山岸優, 大澤正彦, 萩原将文(2015): "RBM を用いたEcho State Network の荷重決定法." 第25 回神経回路学会全国大会.

180. IL-ESN-RBM[大澤+15b] • IL-ESN-RBM – IL-RBMと半RBMの組み合わせ – 高速な学習を行える – 時系列データの記憶・想起が可能 181 [大澤+15b]大澤正彦, 萩原将文(2015): "海馬-大脳新皮質系に着目した深層学習による記憶モデルの提案." 人工知能学会全国大会論文集29.

181. IL-ESN-RBMの検証実験 • シーケンスの想起 (実例) 182学習エピソード想起エピソード

183. 184

184. 185

186. 大澤モデル[大澤+15d] 187 海馬モジュール新皮質モジュール [大澤+１５d]大澤正彦, 萩原将文(2015): “中間期奥から長期記憶への転送モデル." 第25 回神経回路学会全国大会.

187. 大澤モデルの動作 • データが入力されているとき – 海馬モジュールによるデータの学習 • データが入力されていないとき – 新皮質モジュールにデータを転送 188

188. 大澤モデルと海馬の知見の共通点 189 嗅内野海馬から情報を受け取る海馬に情報を送る

189. 大澤モデルと海馬の知見の共通点 190 歯状回新生ニューロン嗅内野から情報を受け取る嗅内野海馬から情報を受け取る海馬に情報を送る

190. 大澤モデルと海馬の知見の共通点 191 歯状回新生ニューロン嗅内野から情報を受け取る CA3 自己ループ構造歯状回から情報を受け取る嗅内野海馬から情報を受け取る海馬に情報を送る

191. 大澤モデルと海馬の知見の共通点 192 歯状回新生ニューロン嗅内野から情報を受け取る CA3 自己ループ構造歯状回から情報を受け取る CA1 CA3から情報を受け取る嗅内野に情報を送る嗅内野海馬から情報を受け取る海馬に情報を送る

192. 大澤モデルと海馬の知見の共通点 193 海馬モジュールと新皮質モジュールで閉回路を形成海馬モジュール新皮質モジュール

193. 大澤モデルと海馬の知見の共通点 194 海馬の知見大澤モデル歯状回新生ニューロン IL-RBMの隠れ層を追加 CA3自己ループ半RBM(ESN)の自己ループトリシナプティック回路 IL-ESN-RBMとSdAの閉回路

194. 活用されていない海馬の知見 • 海馬内の海馬台に対応するモジュール • 偏桃体などの他の脳部位からの入力 • 抑制性細胞の存在 195

195. 大澤モデルのまとめ • モデルは海馬の知見と共通点をもつ • 記憶の階層性を考慮した深層学習モデル • トリシナプティック回路を再現 196

197. 海馬の工学モデルの今後の展望工学モデルに対して新たにどんな海馬の知見を生かすことができそうか？ 198

198. 海馬の知見を取り入れた記憶モデル • 大森モデル • 大澤モデル 199 海馬の知見がどれくらい活用されていたか？ [大森+ 94]大森秀樹, and 大森隆司. "学習時定数の違いによっておきる海馬と新皮質の記憶における機能分離のモデル." 電子情報通信学会論文誌 D 77.9 (1994): 1882-1890. [大澤+ 2015]大澤正彦, and 萩原将文. “中間記憶から長期記憶への転送モデル.” 第25回日本神経回路学会全国大会: 2015.

199. 大森モデル大澤モデルモデルの構成新皮質-統合野-海馬嗅内野-歯状回-CA3-CA1 エピソード記憶一度経験したことを即座に記憶すること時系列の連想記憶記憶の階層性 ○ ○ トリシナプティック回路 ○ ○ 記憶の時定数 ○ × 海馬機能損傷との整合性 ○ × 歯状回の新生ニューロン × ○ CA3の再帰回路 × ○ 抑制性細胞 × × 他の脳部位からの投射 × × 空間認知 × × 利用されている海馬の知見 200

200. 工学的に使えそうな海馬の知見 • 他の脳部位との関連性 – 扁桃体などの記憶の形成に関与すると考えられている脳部位からの影響を考慮していない 201 脳部位内側中隔核空間再認記憶の障害乳頭体前方性健忘と逆行性健忘を同時に発生扁桃体記憶の形成に恐怖が関与しない

201. 工学的に使えそうな海馬の知見 • 他の脳部位との関連性 – 扁桃体などの記憶の形成に関与すると考えられている脳部位からの影響を考慮していない 202 脳部位内側中隔核空間再認記憶の障害乳頭体前方性健忘と逆行性健忘を同時に発生扁桃体記憶の形成に恐怖が関与しない扁桃体は、脳に入る情報に恐怖という付加価値をつけている！

202. 大澤モデルに一言 203 海馬モジュール新皮質モジュール海馬モジュールにおいて、 • 時系列データを扱える • 追加学習が可能 • 簡単な行動学習が可能

203. 大澤モデルに一言 204 海馬モジュール新皮質モジュールデータの重要性を考慮していない！！！

204. データの価値判断モジュール 205 海馬モジュール新皮質モジュール海馬モジュールに扁桃体のような機能を追加扁桃体のような情報に付加価値をつける機能

205. 海馬の工学モデルの今後の展望工学モデルに対して新たにどんな海馬の知見を生かすことができそうか？みなさんの意見をお願いします 206

206. おわりです質疑応答に移ります 207

海馬と記憶モデル松岡佑磨

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海馬と記憶モデル松岡佑磨

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