脳の神経スパイク活動に潜む「時間の矢」の可視化に成功~行動成績に応じた時間非対称性の変化を発見~

2025-12-10 京都大学

京都大学・北海道大学の研究チームは、脳の神経スパイク活動に潜む「時間の矢」(過去→未来への因果的非対称性)を可視化する新しい解析手法を開発した。スパイクは瞬間的に発火する離散イベントの連続であり、刺激や行動によって非定常的に変化するため、時間非対称性を適切に扱う方法はこれまで存在しなかった。本研究では、スパイク系列を状態空間モデルで記述し、非平衡キネティック・イジングモデルの理論と統合することで、時間非対称性の強さを熱力学的指標である「エントロピーフロー」として定量化することに成功した。マウス視覚野で検証したところ、能動的に課題へ取り組む場合には受動条件と比較してエントロピーフロー構成要素が特徴的に変化し、1スパイクあたりのエントロピーフローと行動成績が相関した。これは、脳の情報処理を熱力学的観点から理解する新たな道を開く成果である。

脳の神経スパイク活動に潜む「時間の矢」の可視化に成功~行動成績に応じた時間非対称性の変化を発見~

成績が良いマウスと悪いマウスの脳活動の違いを表すイメージ図(Illust. Robin Hoshino)

<関連情報>

状態空間運動論的イジングモデルは、まばらに活動する非平衡神経ダイナミクスにおけるタスク依存のエントロピーフローを明らかにする State-space kinetic Ising model reveals task-dependent entropy flow in sparsely active nonequilibrium neuronal dynamics

Ken Ishihara & Hideaki Shimazaki

Nature Communications  Published:09 December 2025

DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-66669-w

Abstract

Neuronal ensemble activity, including coordinated and oscillatory patterns, exhibits hallmarks of nonequilibrium systems with time-asymmetric trajectories to maintain their organization. However, assessing time asymmetry from neuronal spiking activity remains challenging. The kinetic Ising model provides a framework for studying the causal, nonequilibrium dynamics in spiking recurrent neural networks. Recent theoretical advances in this model have enabled time-asymmetry estimation from large-scale steady-state data. Yet, neuronal activity often exhibits time-varying firing rates and coupling strengths, violating the steady-state assumption. To overcome this limitation, we developed a state-space kinetic Ising model that accounts for nonstationary and nonequilibrium properties of neural systems. This approach incorporates a mean-field method for estimating time-varying entropy flow, a key measure for maintaining the system’s organization through dissipation. Applying this method to mouse visual cortex data revealed greater variability in causal couplings during task engagement despite reduced neuronal activity with increased sparsity. Moreover, higher-performing mice exhibited increased coupling-related entropy flow per spike during task engagement, suggesting more efficient computation in the higher-performing mice. These findings underscore the model’s utility in uncovering intricate asymmetric causal dynamics in neuronal ensembles and linking them to behavior through the thermodynamic underpinnings of neural computation.

1603情報システム・データ工学
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