視覚神経科学研究室　（大澤研究室）

大阪大学 大学院生命機能研究科 脳神経工学講座　HP
大阪大学 基礎工学部 システム科学科 生物工学コース　HP

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私たちと一緒に研究しませんか？

Join Us!! -- 動物やヒトの脳には２つの目から大量の視覚情報が時々刻々入ってきています。しかし、１個１個の神経細胞が扱う事のできる情報はそのごく一部でしかありません。ここで、「ごく一部」というのは具体的にはどういう一部でしょうか？大脳までくると、一個の神経細胞が伝える情報はもうピクセル（画素:画像中の一点）の色や明るさではありません。写真をハサミで切り刻んだ時にできるような画像の単なるカケラでもありません。では、個々の神経細胞は他の神経細胞にどのような情報を、つまりどのような内容のメッセージを送っているのでしょうか？　
　私たちは、脳の仕組みを本当に理解するためには、個々の神経細胞が何をやっているか、何を伝えているかをまず良く理解する事が非常に重要であると考えています。そして、個々の神経細胞の機能を理解した上で、それら多数の細胞がどのように組み合わさって神経ネットワークとなり、複雑な役割を果たしているのかを理解しようとしています。このような研究は、従来の生物学や医学の知識だけでは不可能で、数学、物理（これらの専門家としてではなく、大学２年くらいまでの普通の授業でわかる数学／物理ですから、あまり心配しないで）、工学、情報科学／プログラミング、英語の素養等が必要です。この研究室が基礎工学部と生命機能研究科に所属している理由もそこにあります。それからこれはおそらくですが、「遊んだ経験」(※1) も大切です。また、実際の脳を対象として実験もやり、かつ理論的にも考える研究をしなければなりません。このような研究にチャレンジしてみたい方はぜひご連絡ください。

私たちの研究室をご案内します。（日本語では気恥ずかしくてNGが出過ぎたので、英語です。）

研究室での実験の様子を紹介するビデオ（イメージをクリックして下さい）。
(英語, 274MB, 9分, 960x540, MP4/H.264, 要QuickTime/ iTunes/ VLC）。いずれ字幕付けます（英語フルテキスト／transcript）。

　上のビデオのタイトルイメージにある多くの赤緑の「波の破片」（※2 クネクネした波でなくて、縞模様の破片）のようなものの一つ一つは、視覚皮質(V1／一次視覚野)の個々の神経細胞が、活動電位（スパイク：神経細胞が発生する電気的パルス）に載せたメッセージとして他の細胞に伝えている「形の要素」です。（黒白を赤緑で疑似カラー表示しています。）ですから、個々の一次視覚野の神経細胞が伝えているメッセージとは、「ボク（細胞）が受け持つ小さな視野範囲に、上のイメージにあるような、自分固有の波の破片の形をした要素が入っているよ！」だと言うことができます。もう少し正確に言うと、個々の一次視覚野の神経細胞は、自分固有の波の断片が「成分」としてどの程度自分が担当する視野範囲に含まれているか（成分としての波の振幅）を発火頻度で伝えているのです。他の波や邪魔なパターンが同じ場所に折り重なっていて、脳の持ち主である私たちには、到底もう単純な波には見えなくなっていても、細胞はあくまでも自分が担当している自分固有の波の成分の情報だけを伝えます。つまり、同じ視野の場所に他に何が有ろうと、細胞にはそこにある成分としての自分固有の波が「見える」のです。このように、脳のある部分では私たちの普段の直感では理解しにくいことが起っています。それを少しでも以前より解ったと言えるようになることはとても楽しいです。（こんな波の破片をいくら集めたって豊かな視覚世界が表現できそうもない？いい質問ですが、答えはここには書きません。下のテキストとビデオを見て下さい 。あまり出来がいいとは言えませんが。）>>>>
基礎工学部2009年公開講座テキスト「頭の中のサイン、コサイン 〜「波」による視覚情報の脳内表現〜」（PDF 2.3MB）

「脳を知る：〜個々の神経細胞が伝える視覚情報〜」ビデオ（イメージをクリック）
第２回「ライフサイエンスセミナー：研究者と語ろう」2009年12月25日
高校生・一般の方を対象にした脳と視覚のお話しです。 (こちらは日本語, 27分, 640x480)
> Windows WMV形式のビデオファイル (159MB)
> MacOS X/Windows MP4/H.264形式のビデオファイル (313MB; Windows上では要QuickTime/ iTunes/ VLC)

　では、上のようなV1細胞からのメッセージを受け取った、次の神経細胞は何をやっているのでしょう？さらにその次の細胞は？伝言ゲームのように、同じメッセージがただ繰り返し伝っていくわけではありません。受け手の細胞は、非常に多くの他の細胞から同時に異なるメッセージを受けとり、それらを組み合わせた新しいメッセージを作って、次に伝えるからです。この細胞から細胞へのメッセージの伝達と統合のプロセスを、きちんと数式あるいはプログラムとして書ける位にまで解明し、視覚の仕組みを理解することが私たちの研究の目標です。
　こうした研究は、直ぐに何か私たちの「役に立つこと」への応用を目指してやっているわけではありません。でも、大切で有意義で「おもろい」研究だと思いませんか？さらに、実は応用可能性も非常に高いと思っていますし、応用できると思えばもちろんやってしまいます。そうした応用の例もあります。ただ、応用研究をすることが私たちの存在意義であるとは考えていません。そうした研究の最適任者は工学部や企業にいらっしゃるのではないでしょうか？私たちの仕事は、研究する事はもちろんですが、私たちのこうした研究成果を、彼らやできるだけ多くの人にわかる言葉で発信していくことだと思います。
　高校生や大学院を考えている学部生の皆さん: 上で書いたような研究を、あるいはその先にあると思う事をやりたい思う方は、ぜひ来て下さい。 また、たとえ将来は人の役に立つ応用研究や製品開発にできるだけ近いところで働きたいと思っている方でも、企業では決して経験できない、私たちがやっているような基礎研究の現場を経験しておく事は、大きなプラスになると確信しています。大学で、企業がやっていることの「準備」のような事をしてもつまらないのではないですか？私たちの研究室では、上のビデオに出てくるような、研究で使うシステムやソフトウエア等の「道具」も自分たちで作っているので、その気なら、実は「準備」は結構できてしまいますが。企業では、多数売れる製品を作る人が偉いですが、私は自分の所にだけしかない、他のどこにも無い、自分たちがユーザーとして研究のために使う装置を作る事に密かな喜びを感じます。それを使って、他ではできない研究をやり、脳の機能について解っていない事を解明するなんて、これを面白いことのいいとこ取りと言わなくて、他に何があるのだろうかと思っています。 （それなりに苦労はもちろんありますが。）さらに、ロボットだけでなく、自動車も、車いすも、掃除機さえも視覚を持つ時代が確実にそこまで来ています。「こうしたモノだったら、工学部でしょう」といった常識的な進路選択をするのも、それはそれで有りだと思いますが、もっと想像力を持ってよく考えてみてはどうですか？　人と違ったことをやることを恐れずに、人があまり行かない方へ行った方が、おもしろいですよ。私自身、実は23才頃までは工学部生として常識的に、自分は電気電子系の応用研究や開発のような仕事をするんだと思っていました。大学の成績はおそらく中くらいだったので、博士を取る、まして大学の教授をやることになるなんて、全く思っていませんでした。でも、やってみたら研究の楽しさがわかりました。夢中になって遊べる人だったら、成績はあまり関係ないです。
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＊上のイメージはこの研究室で得られたデータのごく一部です（イメージ作成：佐々木耕太）。
※1: 子供の頃、学校の勉強以外のことに夢中になって「遊ぶ」経験をするということもとても大事だという気がします。
※2: 例えば、プールの水面の波を横から見るとクネクネした波ですが、それによって太陽光が屈折してプールの底にできる光の縞模様も波です。光の縞模様の明るさをグラフにするとクネクネした波になります。それから、視覚は光にもとづいていますが、ここで言っている波というのは、縞模様としての画像のことで、光の電磁波としての波の性質とは全く関係ないので、誤解をされませんように。「だったら縞模様と言えよ」、という突っ込みも有るかと思いますが、やはり「波」と言いたいのです。それは「波の破片」を英語でWaveletというからで、そこで出てくる概念やイメージはやはり波だからです。さらにもう少し言うと、縞模様というのは、２次元の (x, y)空間での波のことで、次元の限定のある言葉です。視覚を本当に理解するためには、これに奥行きと時間とを加えた、最低限４次元で考えなくてはなりません。そこでは縞模様という言葉は適切でなく、もっと一般性のある「波」を使わなければ変に聞こえます。

研究室の最新研究成果
		Tanaka H, Ohzawa I (2009) J. Neurophysiol. 101: 1444-1462 受容野周辺抑制による方位に基づく高次視覚情報の表現　(Surround suppression of V1 neurons mediates orientation-based representation of high-order visual features) 従来、受容野周辺抑制は古典的受容野(CRF)の反応を修飾するといった表現がよく用いられてきた。しかし、私たちは、CRFと周辺抑制領域は一体として高次受容野を形成していると考えられるべきで、その全体の機能が視覚刺激に含まれる高次特徴を方位に基づき表現しているという新たな考えを提唱する。振幅変調サイン波刺激を用いたユニークな解析法により、V1細胞のこうした高次受容野の精密計測を初めて可能にした。新計測法により得られた多くのV1細胞の高次受容野データから、これらの細胞集団によりテクスチャーの境界やコントラストの空間変化に関する高次特徴を方位と空間周波数に基づいて表現することが十分可能であることを示した。したがって、実は「受容野周辺抑制」という言葉自体がもう古い。「周辺」は外側でなく高次受容野の一部なのだから。
		Kimura R, Ohzawa I (2009) J. Neurophysiol. 101: 1463-1479. 初期視覚野細胞における方位交差抑制のダイナミクス　 (Time course of cross-orientation suppression in the early visual cortex) 方位交差抑制は多くの初期視覚野細胞が持つ非線形反応の一つである。最適方位からかなり離れた方位の刺激は細胞を興奮させる事はできないが、別の興奮性の刺激に対する反応を減弱させる。この抑圧効果を方位交差抑制と呼ぶ。方位の異なる２つの正弦波刺激を重畳した視覚刺激とコントロール刺激を速い頻度でフラッシュ提示し、得られた反応を逆相関法により様々な時間遅れについて解析した。これにより方位交差抑制のダイナミクスを明らかにした。 木村塁 博士論文
		Sasaki KS, Ohzawa I (2007) J. Neurophysiol. 98: 1194-1212 複雑型細胞の受容野内部構造 Movshonらの1978年の研究以後、複雑型細胞の受容野内部構造、 特に受容野を構成するサブユニットと受容野全体との関係の詳細はよく分っていなかった。 単一細胞記録によって可能な現在最も完全な記述を新解析法により得た。 佐々木耕太 博士論文
		大澤五住 (2006) 知能と情報（日本知能情報ファジイ学会誌）18(3): 369-376. (PDF 1.2MB) 初期視覚メカニズムとそのモデル（Review） 工学系の読者向けに書いた大脳の初期視覚機構とモデルの解説記事です。
		Tanaka H , Ohzawa I (2006) J. Neurosci. 26: 4370-4382. 2次のコントラスト手掛かりによる両眼立体視 コントラストの境界に基づく両眼立体視が１８野の細胞が担う情報で可能であることを示した。
		Nishimoto S, Ishida T, Ohzawa I (2006) J. Neurosci. 26: 3269-3280. 局所スペクトラム逆相関法 (LSRC) 多くの視覚神経細胞の刺激特徴選択性を一挙に計測することを可能にする、新しい受容野解析法を開発した。中高次視覚野領域を含む多領域・多細胞からの同時記録による視覚情報処理の今後の研究への応用が期待される。
		Sanada TM, Ohzawa I (2006) J Neurophysiol. 95: 2768-2786. 面の３次元での傾きを表現する初期視覚細胞 初期視覚野細胞の両眼受容野の傾きが３次元世界における面の傾きを表現しうることを示した。眞田尚久 博士論文

 

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大阪大学 基礎工学部内 J棟 J214 生命機能研究科 大澤研究室
TEL: 06-6850-6522

 

 

旧サイトも参考にしてください。

高度生体機能イメージング研究施設

西本君、就職おめでとう。
（2005.9.26 渡米前送別会にて）

Taka Sanada presenting a poster at the Neuroscience 2004 meeting in San Diego (travel support from COE21).

Shinji Nishimoto talking research with Dr. B.C. Cumming of NIH, also in San Diego (travel support from COE21).