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ドラミング、共演. 琴坂信哉. 中枢パターン生成機構が中枢神経系に存在し多くのリズム運動を作り出している。リミットサイクル振動子は外界からの周期的音響入力に同調する。. http://www.erato.atr.co.jp/DB/. パドリング. Stefan Schaal. ボールと腕の運動が規定する物理学的ダイナミクスが安定なリミットサイクル解を持つことを利用してパドリングを行った。. http://www.erato.atr.co.jp/DB/. 日本の脳研究. 脳を守る 脳を知る 脳を創る. ˇ. Ales Ude. ビデオカメラによる運動認知.

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Presentation Transcript


  1. ドラミング、共演 琴坂信哉 中枢パターン生成機構が中枢神経系に存在し多くのリズム運動を作り出している。リミットサイクル振動子は外界からの周期的音響入力に同調する。 http://www.erato.atr.co.jp/DB/

  2. パドリング Stefan Schaal ボールと腕の運動が規定する物理学的ダイナミクスが安定なリミットサイクル解を持つことを利用してパドリングを行った。 http://www.erato.atr.co.jp/DB/

  3. 日本の脳研究 • 脳を守る • 脳を知る • 脳を創る

  4. ˇ Ales Ude ビデオカメラによる運動認知 ビデオに基づく人の動きの取り込み:ヒトの運動データをヒューマノイドロボットの動きに変換するためのキネマティックモデルを自動生成する。遮蔽がある場合にも2次元画面内で実時間で確率的にブロッブを追跡するアルゴリズムも示す。 http://www.isd.atr.co.jp/cyh/index.html

  5. センスーツTMデモ(ロックンロール) Stefan Schaal センスーツを用いて、ヒトの関節の動き46自由度を同時に計測できる。これをDBの動きに変換するのは簡単な問題ではない。 http://www.erato.atr.co.jp/DB/

  6. キャッチボール Marcia Riley ボールの自由落下軌道を視覚に基づいて予測する。 腕の軌道は予測した把持位置まで前向きに計画され、制御される。 http://www.erato.atr.co.jp/DB/

  7. 脳を創ることによって知る • ロボットやコンピュータは人にくらべてずっと劣る • 本当には脳が分かっていない • 創ってみて初めて働きが分かる • 脳だけを創っても不十分で、ヒトを創ってみる • アトム計画

  8. 計算論的神経科学 脳の機能を、その機能を脳と同じ 方法で実現できる計算機のプログ ラムあるいは人工的な機械を作れる程度に、深く本質的に理解する ことを目指すアプローチを計算論 的神経科学と呼ぶ。 脳の機能を                   計算機のプログ ラムあるいは人工的な機械で実現する                                 脳の機能を                               理解する 脳の機能を、その機能を脳と同じ 方法で実現できる計算機のプログ ラムあるいは人工的な機械を作れる程度に、深く本質的に理解する ことを目指すアプローチを計算論 的神経科学と呼ぶ。 人工知能・ロボティクス 神経科学

  9. ヒューマノイドDB (Dynamic Brain) • 30 自由度 • 身長190 cm • 体重80 kg • 柔らかい • 生物に学んだ眼球運動・視覚系 • SRCとKDBの共同開発

  10. スティッキーハンド Joshua Hale 運動軌道計画と軌道予測・力制御に基づいてヒトとロボットの物理的相互作用を行った。 http://www.isd.atr.co.jp/cyh/index.html

  11. ジャグリング Christopher Atkeson Chris Atkesonは上手なジャグラーです。 彼の3つ玉ジャグリングをDBにまねさせました。 http://www.isd.atr.co.jp/cyh/index.html

  12. 生物に学んだ眼球運動・視覚系 • それぞれの眼球に2自由度 • 人工前庭器官:ジャイロセンサー • 中心かと周辺視は2台のカメラ

  13. 小脳内部モデルの教師あり学習 大脳皮質確率的内部モデルの教師なし学習 大脳基底核の強化学習 視覚運動変換、棒立て、見まね学習 眼球運動の学習、視覚追跡ターゲットの内部モデル エアホッケーの見まね学習、起きあがりロボットの強化学習 神経科学とロボティックス

  14. ˇ Marcia Riley, Ales Ude, Christopher Atkeson, Stefan Schaal 沖縄舞踊(カチャーシ) オプトトラックで踊り手の動きを計測し、それに基づいてB-スプライン ウェイブレットでヒューマノイドロボットの関節の軌道を計画した。 http://www.isd.atr.co.jp/cyh/index.html

  15. 見まねによるテニス Stefan Schaal http://www.his.atr.co.jp/cyh/

  16. 大脳がヒトの知性の源 小脳は運動の制御だけ 言葉がヒトの知性の特徴 小脳と大脳はすべての機能に関わる 小脳と大脳の違いは学習の方法の違い(先生有りと無し) 言葉に頼らないコミュニケーションがヒト知性の秘密 古い考え方と新しい考え方

  17. 小脳と大脳 外側面 内側面 小脳   大脳 重 さ      130g 1対101,300g 表面積 50,000mm21対280,000mm2 ニューロン数1011> 1011 霊長類から2.8〜 3.2 の拡大率 底面

  18. 小脳とヒト知性 ◎小脳部位の系統発生 内側核0.8倍、歯状核4.5倍(キツネザル類比) 小脳皮質         歯状核 体重   体積  幅・高さ 長さ 65kg1,167mm3  同じ   2倍 45kg456mm3  同じ   半分 歯状核 背内側部 ヒト チンパ ンジー 歯状核 腹外側部 ◎小脳のサイズと知能 Paradiso (1997) 指タッピング r=0.22 p<0.05 言語記憶  r=0.27 p<0.02 一般的IQr=0.19 p<0.07 (WAIS-R) 大脳皮質左側頭葉は無相関

  19. 小脳の高次認知機能への関与 I. 脳活動計測 (1) 運動の想像     SPECT Ryding et al. (1993) (2) 名詞からの動詞の連想 PET Raichle et al. (1994) (3) ペグボードパズル fMRI Kim et al. (1994) (4) 複数の形の視覚識別 PET Parsons et al. (1995) (5) 心的回転 PET Parsons et al. (1995) (6) 皮膚感覚による物体認識  fMRI Gao et al. (Bower) (1996) (7) 視覚的注意 fMRI Allen et al. (1997) II. 損傷脳 (1) ハノイの塔 小脳皮質変性症 Grafman et al. (Hallet M.) (1992) (2) 視覚運動認知 小脳皮質変性症 Nawrot & Rizzo (1995) (3) 自閉症患者 小脳サイズ Courchesne et al. (1995) III. 解剖 (1) 46野 HSVI Middleton & Strick (1994) (2) IQ 小脳サイズ Paradiso et al. (1997)

  20. 小脳皮質 小脳核 橋核 視床 大脳皮質 背側 46野 9野外側部 内側 中位核 歯状核外側 歯状核腹側 歯状核背側 歯状核 視床 VPLo MD/VL X 1次運動野 前頭前野 腹側運動前野 大脳小脳連関 小脳 橋核 大脳皮質 大脳皮質

  21. 機能部位 解剖学的  主入力 出力核 出力最終目標   機能機能部位 解剖学的  主入力 出力核 出力最終目標   機能  部位 前庭小脳  片葉 前庭器官 前庭核 動眼運動 前庭動眼反射 ニューロン 脊髄小脳  虫部 脊髄 室頂核 脳幹 体幹運動制御 視聴覚 運動野 前庭 脊髄小脳  中間部 脊髄 中位核 大細胞性赤核 末梢部運動制御 運動野 大脳小脳  外側部 大脳 歯状核 小細胞性赤核 運動開始 運動野 計画 運動前野 タイミング 小脳各部への主要な入力と出力

  22. 小脳皮質の神経回路・可塑性・理論 Marr-Albus-Ito理論 (〜1970) ・登上線維が教師(誤差信号) ・平行線維-プルキンエ細胞の  シナプス効率が可塑性により変化 星状細胞 平行線維 バスケット 細胞 プルキンエ 細胞 苔状線維 平行線維 ゴルジ 細胞 プルキンエ細胞 プルキンエ 細胞 登上線維 顆粒細胞 グロメルルス 顆粒細胞 下オリーブ核 ニューロン 登上線維 長期抑圧・長期増強・RP (1982〜) 小脳内部モデル理論 (1984〜) ・小脳皮質は内部モデルを獲得 ・登上線維は運動指令誤差 プルキンエ 細胞軸策 苔状線維

  23. A フィードバック制御 剛性、粘性 運動指令 目標軌道 実現された軌道 制御対象 ゲイン 時間遅れ 実現された軌道 B 逆モデルによる前向き制御

  24. PFMによるヒト腕剛性の測定

  25. A フィードバック制御 剛性、粘性 運動指令 目標軌道 実現された軌道 制御対象 ゲイン 時間遅れ 実現された軌道 B 逆モデルによる前向き制御

  26. A C B 逆ダイナミクスモデル 順ダイナミクスモデル

  27. 視覚ー運動学習 Stefan Schaal 計算論的神経回路モデルの学習で視覚運動変換を実現した。 http://www.erato.atr.co.jp/DB/

  28. 見まねによる棒立て:道具の内部モデル Stefan Schaal http://www.erato.atr.co.jp/DB/

  29. 平行線維 顆粒細胞 単純スパイク 苔状線維 小脳皮質 プルキンエ細胞 フィード フォワード 運動指令 逆モデル フィード フォワード 運動指令 複雑スパイク 運動指令 登上線維 誤差 小脳フィードバック誤差学習 (1)単純スパイクはフィードフォワード運動指令を表わす (2) 平行線維入力は目標軌道を表わす (3)小脳皮質は逆モデルを構成する (4)複雑スパイクは運動指令の空間での誤差を表わす

  30. 運動指令の教師信号が と与えられていて、2乗誤差 を の最急降下方向に が    を近似している。つまり、フィードバック 運動指令が、逆モデルを学習するための運動指令の誤差信号と して働いている と   が同じ座標系で表現されている 運動指令に関しての教師あり学習との比較 フィードバック誤差学習則 (1) 教師あり学習 減少させる(Widrow-Hoff 則) (2) 2つの信号の時間経過はある程度似ている

  31. プルキンエ細胞の出力 は 本の平行線維入力  のシナプス荷重  による線形和 登上線維の発火頻度の自発放電からの     がフィードバック制御器 の運動指令に対応 フィードバック誤差学習としてみたLTD, LTP プルキンエ細胞の入出力モデル (1) LTDとLTPのモデル (2) フィードバック誤差学習による解釈 (3)

  32. 複雑スパイクと単純スパイクの 近似的鏡像の相関 予測 フィードバック(学習後) : 鏡像 フィードバック(学習前) : 相関なし フィードフォワード(時間遅れ、学習後) : 複雑スパイク 運動開始時 フィードフォワード(時間遅れなし、学習後) : 複雑スパイク 消失

  33. 追従眼球運動の神経生理学的研究 (電総研 河野、設楽、竹村、小林らによる実験) 背外側橋核 MST野 広い視野の動きにつられて 眼球が動く反射運動 小脳VPFL

  34. 眼球運動速度 下方向80度/秒 上方向80度/秒 単純スパイク 複雑スパイク 50度/秒 時間(ミリ秒) 時間(ミリ秒) 追従眼球運動と単純・複雑スパイク

  35. 同じ条件(1つのP-cell, 一定の視覚刺激速度) のデータをアンサンブル平均した結果 0 -20 stim. vel. [deg/sec] 視覚刺激速度 -40 0.30 VPFL発火頻度 [spike/msec] 0.20 0.10 0.00 2 眼球加速度 0 eye acc. [deg/sec ] -2500 0 眼球速度 eye vel. [deg/sec] -20 -40 眼球位置 0 eye pos.[deg] -4 200 250 300 350 400 450 time [msec]

  36. プルキンエ細胞発火頻度の逆ダイナミクスモデルプルキンエ細胞発火頻度の逆ダイナミクスモデル 5種類の刺激速度、6種類の刺激時間のデータから1組の係数を推定 Coeff.det 0.78

  37. 純 ス パ イ ク U U C 0.1 C I I 50 0.05 D D 0 0 小 脳 皮 質 発 発 0 100 200 火 火 プ ル キ ン エ 顆 粒 確 頻 細 胞 細 胞 複 雑 ス パ イ ク 率 度 苔 5 0.01 状 線 大 脳 皮 質 M T M S T 維 上 側 頭 溝 壁 橋 核 0 0 ス 0 100 200 パ 視 覚 領 野 時間 (ミリ秒) イ ク 数 外 側 膝 状 体 / 平 行 線 維 秒 登 上 線 維 + - 運 動 指 令 誤 差 眼 球 視 覚 + 外 眼 筋 運 動 副 視 索 系 脳 幹 網 膜 下 オ リ ー ブ 核 運 動 ニ ュ ー ロ ン - - 刺 激 P T N O T + VPFLプルキンエ細胞 MST 野 背外側橋核 垂直細胞 水平細胞 U U C I C I D D

  38. スパイク数 秒 A C 単純スパイク 0.1 50 0.05 0 0 0100200 発火頻度 発火確率 複雑スパイク 5 0.01 背外側橋核 垂直細胞 水平細胞 MST野 VPFLプルキンエ細胞 B 小脳皮質 0 0 プルキンエ 細胞 顆粒 細胞 0100200 時間(ミリ秒) 苔状線維 大脳皮質 MT MST 橋核 上側頭溝壁 視覚領野 外側膝状体 平行線維 登上線維 運動指令誤差 視覚 刺激 副視索系 外眼筋運動 ニューロン 脳幹 眼球運動 下オリーブ核 網膜 PT NOT

  39. 大脳皮質高次視覚野MST 小脳皮質 視覚 刺激 網膜像 の動き 単純スパイク 登上線維の発火(複雑スパイク) 一般化線形 モデル 眼球運動 2次 フィルター 16000 脳幹を介する経路 平行線維 プルキンエ細胞 登上線維 平行線維 プルキンエ細胞 登上線維

  40. 大脳皮質小脳皮質 ポピュレーション符号化 発火率符号化 確率的内部モデル 決定論的内部モデル 皮質ダイナミクス 入出力変換 確率分布 確率分布のモーメント 多重ピーク 競合するモジュール 教師なし学習 教師あり学習

  41. 眼球運動のプリミティブ • サッカード • 前庭動眼反射 (VOR) • 円滑性追跡眼球運動 • 追従眼球運動 (OFR)

  42. 円滑性追跡眼球運動

  43. 5ヶ月の乳児では円滑性追跡眼球運動はない 協力:本田佳野乃、大須理英子

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