脳が感覚入力を予測する仕組み
予測コーディングと脳機能におけるその役割を探る。
Jorge F Mejias, K. Lee, C. Pennartz
― 1 分で読む
目次
脳は感覚からの情報を処理して、周りの世界を理解してる。見るもの、聞くもの、感じるものについて、頭の中で賢い予測を立てるんだ。でも、感覚がいつも明確な信号を送るわけじゃないから、このプロセスは難しいこともある。たまに情報がノイズだらけだったり、不明瞭だったりして、脳が物事を理解するのが難しくなる。
脳科学で面白い考え方は「予測コーディング」って呼ばれるもので、脳は次に何を感じるかを常に予測しようとしてるっていうもの。実際の感覚情報が予測と合うと、すべてが普通に感じる。でも、もし予測と実際が合わないと、脳は理解を調整する必要がある。この調整を「予測誤差」って呼ぶんだ。
予測コーディングの仕組み
予測コーディングの核心には、脳が世界の内部モデルを作る能力がある。脳はこのモデルを常に更新して、予測をよくしようとする。脳の回路は、期待している感覚と実際に感じるものの違いを減らすために働く。実際の感覚入力が予測と合わないと、脳はこの違いを解決しなきゃいけない。
研究者たちは、コンピュータモデルや実験を使ってこのプロセスを調べてきた。そしたら、予測誤差を処理するのを手助けするさまざまなタイプの脳細胞が重要な役割を果たしていることがわかった。これらの細胞は一緒に働いて、脳が入ってくる情報を理解するのを助けるんだ。
異なる脳細胞の役割
脳には多くのタイプの細胞があって、それぞれ特定の役割がある。予測コーディングでは、シグナルを送る興奮性細胞とシグナルを抑える抑制性細胞がいる。この二つの細胞のバランスが、正確な処理にはめっちゃ重要。
最近の研究では、予測誤差を扱うのに重要な役割を果たすいくつかの抑制性細胞が特定された。パルバルブミン(PV)、ソマトスタチン(SST)、バソアクティブ腸ペプチド(VIP)細胞なんかがそう。それぞれの細胞タイプは、予測誤差回路に違った形で寄与して、脳の感覚入力に対する反応を洗練していく。
予測コーディングモデルの構造
私たちの研究では、脳の実際の構造に近い予測コーディングモデルを作った。このモデルは、脳の異なる処理レベルを表す層に組織されている。それぞれのレベルには、予測誤差を計算したり、感覚情報の表現を更新したりできる回路が含まれてる。
モデルには、ポジティブな予測誤差回路とネガティブな予測誤差回路があって、ポジティブな予測誤差は感覚入力が予想以上のときに起こるし、ネガティブな予測誤差は予測が実際の感覚入力より強いときに起こる。この誤差は、常に更新されて予測をよくするんだ。
感覚入力からの学習
モデルをテストするために、いくつかの写真を使って画像を認識するように教えた。モデルには異なる画像を繰り返し見せたことで、それらの特徴を学んで内部表現を形成できた。モデルが訓練されるにつれて、予測誤差を最小限に抑えることを学び、画像の再構築が上手くできるようになった。
モデルは、今まで見たことのない画像を認識して再構築することができた。これは、脳がどのように働くかの重要な側面で、馴染みのある物体を認識したり、新しい体験を理解したりするのを助けてくれる。
感覚入力のノイズ処理
現実の世界では、感覚入力はしばしばノイズがいっぱい。ノイズは環境や体の内部プロセスから来ることがある。私たちのモデルがどれだけ頑丈かを確認するために、画像とモデル内の細胞同士の接続にノイズを加えた。
モデルは上手くノイズの多い状況でも、元の感覚入力を正確に推測できた。これは、モデルが頑丈で、厳しい条件でもパフォーマンスを維持できることを示していて、日常生活での脳の機能に似てる。
神経振動の出現
私たちのモデルの面白い結果の一つは、感覚情報処理中にリズミックな活動、つまり神経振動が現れること。これらの振動は、モデル内で設定されたパラメータに応じて異なる周波数で起こる。
神経振動は脳が情報を処理する上で重要な役割を果たしていると考えられてる。これらは異なる脳領域の活動を同期させたり、コミュニケーションを促進したり、感覚処理の効率を高めたりするかもしれない。
異常刺激を使ったオッドボール実験
モデルが予期しない情報にどのように反応するかを探るために、オッドボールパラダイムを使った。この実験では、標準的な画像のシリーズが提示され、その中に時折異常な画像が導入された。モデルの異常な画像に対する反応は、ヒトの研究で観察される神経活動の増加を示した。
モデルが異常刺激に遭遇したとき、標準刺激とは異なり、発火率が増加し、異なる定常状態の表現を示した。この行動は、脳が変化を検出して予測をリアルタイムで調整する能力を示している。
予測コーディングにおける介在ニューロンの役割
私たちはまた、モデル内の異なるタイプの抑制性ニューロンの特定の役割にも注目した。各タイプの介在ニューロンをサイレンスにすることで、その欠如がモデルのパフォーマンスにどのように影響するかを観察できた。
PV細胞をサイレンスにすると、モデルの予測誤差信号を調整する能力が乱れた。この抑制の欠如は回路全体の活動を増加させたが、モデルが予測を行うのを完全には止められなかった。一方、SST細胞をサイレンスにすると持続的なリズミック活動ができたが、予測誤差を最小限に抑えたり画像を正確に再構築したりする能力が妨げられた。最後に、VIP細胞を取り除くと予測誤差回路の活動が完全に停止し、全体的な機能における重要な役割を示した。
私たちの発見の意味
私たちの研究は、予測コーディングが脳のアーキテクチャの現実的な原則で理解できることを示唆してる。これらのプロセスがどう機能するかについての仮定を最小限にし、神経回路の自然の特性や脳内の細胞タイプの多様性に焦点を当てた。
予測コーディングは複雑な説明を必要とせず、脳の構造の自然な様子から生じることができるって提案する。これは、予測コーディングと現実のシナリオで観察される様々な脳活動、例えば振動との関係を強調してる。
研究の将来の方向性
私たちのモデルは予測コーディングを理解するための強力な基盤を提供するけど、未来の研究にはたくさんの機会がある。神経のダイナミクスのもっと詳しい面を取り入れたり、異なる学習ルールを探求したりしてモデルをさらに洗練させられる。
物体の不変性を理解したり、変換に応じたりするような、もっと複雑なタスクに取り組むためにモデルを拡張することも貴重な次のステップになりそう。そうすることで、脳が情報を処理して環境に適応する仕組みを理解できるようになるかも。
結論
要するに、予測コーディングの研究は、脳が感覚情報を効率的に処理して、世界の内部モデルを適応させる方法についての洞察を提供してる。私たちのモデルは、周囲を知覚する方法における様々な細胞タイプやその相互作用の重要性を強調してる。研究を続けることで、脳の謎を解明し、その驚くべき能力についての理解を深めていく。
タイトル: Cortical networks with multiple interneuron types generate oscillatory patterns during predictive coding
概要: Predictive coding (PC) proposes that our brains work as an inference machine, generating an internal model of the world and minimizing predictions errors (i.e., differences between external sensory evidence and internal prediction signals). Theoretical models of PC often rely on high-level approaches, and therefore implementations detailing which neurons or pathways are used to compute prediction errors or adapt the internal representations, as well as their level of agreement with biological circuitry, are currently missing. Here we propose a computational model of PC, which integrates a neuroanatomically informed hierarchy of cortical areas with a precise laminar organization and cell-type-specific connectivity between pyramidal, PV, SST and VIP cells. Our model efficiently performs PC, even in the presence of external and internal noise, by forming latent representations of naturalistic visual input (MNIST, fashion-MNIST and grayscale CIFAR-10) via Hebbian learning and using them to predict sensory input by minimizing prediction errors. The model assumes that both positive and negative prediction errors are computed by stereotypical pyramidal-PV-SST-VIP circuits with the same structure but different incoming input. During sensory inference, neural oscillatory activity emerges in the system due to interactions between representation and prediction error microcircuits, with optogenetics-inspired inactivation protocols revealing a differentiated role of PV, SST and VIP cell types in such dynamics. Finally, our model shows anomalous responses to deviant stimuli within series of same-image presentations, in agreement with experimental results on mismatch negativity and oddball paradigms. We argue that our model constitutes an important step to better understand the circuits mediating PC in real cortical networks. Author summaryPredictive coding (PC) suggests that the brain constantly generates expectations about the world and updates these expectations based on incoming sensory input. While this theory is widely accepted, we still lack detailed models that show how specific neurons and brain circuits might carry out these processes. Here, we present a computational model which addresses this gap by including biologically plausible brain circuitry with specific types of neurons (pyramidal, PV, SST, and VIP cells) and their connections. It efficiently learns to form internal representations of visual information and uses them to predict sensory input, adjusting its predictions when errors occur. We found that particular types of neurons play different roles in these processes, and that neural oscillations emerge during the training and inference processes. Our model also replicates neural patterns observed in experiments where unexpected stimuli appear. By integrating anatomical and functional details, our work brings us closer to understanding how the brain uses predictive coding at the circuit level.
著者: Jorge F Mejias, K. Lee, C. Pennartz
最終更新: 2024-10-28 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.10.27.620494
ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.10.27.620494.full.pdf
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
オープンアクセスの相互運用性を利用させていただいた biorxiv に感謝します。