神経回路は「グラフ構造」を効率よく学習する~シナプスの形成・切断の最適なルールを理論的に導出~

2025-11-26 理化学研究所

理化学研究所の研究チームは、変分原理にもとづき、神経回路が外界の因果関係(グラフ構造)を学習するためにシナプスの形成・刈り込みが従うべき最適な方程式を世界で初めて理論的に導出した。神経回路ダイナミクスとベイズ推論が数学的に等価であることを利用し、シナプス刈り込みを「モデル選択」として扱えることを明確化。新たに提案したBayesian Synaptic Model Pruning(BSyMP)は、不要な結合を必ず除去し正しい因果構造を推定できることを数理解析とシミュレーションで示した。従来のヒューリスティックな刈り込みモデルより高精度であり、脳の構造学習の理解、神経疾患の機序研究、さらにAIにおけるドロップアウトの高度化につながると期待される。

神経回路は「グラフ構造」を効率よく学習する~シナプスの形成・切断の最適なルールを理論的に導出~
本研究の概要

<関連情報>

シナプス刈り込みはオンラインベイズモデルの選択を容易にする Synaptic pruning facilitates online Bayesian model selection

Ukyo T. Tazawa, Takuya Isomura
Neural Networks  Available online: 8 November 2025
DOI:https://doi.org/10.1016/j.neunet.2025.108311

Abstract

Identifying appropriate structures for generative or world models is essential for both biological organisms and machines. This work shows that synaptic pruning facilitates efficient statistical structure learning. We extend previously established canonical neural networks to derive a synaptic pruning scheme that is formally equivalent to an online Bayesian model selection. The proposed scheme, termed Bayesian synaptic model pruning (BSyMP), utilizes connectivity parameters to switch between the presence (ON) and absence (OFF) of synaptic connections. Mathematical analyses reveal that these parameters converge to zero for uninformative connections, thus providing reliable and efficient model reduction. This enables the identification of a plausible structure for the environmental model, particularly when the environment is characterized by sparse likelihood and transition matrices. Through causal inference and rule learning simulations, we demonstrate that BSyMP achieves model reduction more efficiently than the conventional Bayesian model reduction scheme. These findings indicate that synaptic pruning could be a neuronal substrate underlying structure learning and generalizability in the brain.

1600情報工学一般
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