高次脳機能研究最前線　～基盤技術から脳のデジタル化まで～

書籍概要

• 基盤技術から高次機能、そして脳のデジタル化へ！脳科学の最前線を一望する。
• 脳マッピングから神経回路の動態、そしてDX化へ！脳機能ダイナミクスの核心に迫る。
• 脳科学はいま、統合と変革の時代へ！技術・理論・倫理をつなぐ最新動向を詳解。

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著者

伊佐 正　ほか

■主な目次

序　文
第1編　脳研究における基盤技術
第1章　脳マッピング
第2章　分子・細胞レベルの解析
第3章　イメージング技術
第2編　高次脳機能のダイナミクス
第1章　記憶ネットワークメカニズム
第2章　情報処理メカニズム
第3章　意識・思考・認知メカニズム
第4章　神経回路ダイナミクス
第3編　脳機能DX化と脳研究倫理
第1章　データ統合による情報の可視化・定量化
第2章　シミュレーションの開発
第3章　脳のモデル化
第4章　脳神経科学研究の倫理

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詳細目次

序　文
（伊佐　正）

第1編　脳研究における基盤技術
第1章　脳マッピング
第1節　ヒトとニホンザルにおける解剖学的結合の種差の検討
（大内　和哉，釣木澤　朋和）
1．背景と目的
2．実験方法
3．結　果
4．考　察

第2節　マーモセットの脳遺伝子マッピング
（下郡　智美，大西　公平）
1．はじめに
2．空間トランスクリプトミクスによるマーモセット脳の分子地図化
3．マーモセット遺伝子発現アトラスを用いた大脳皮質における領域特異的遺伝子発現
4．ヒトとの比較と進化
5．総　論

第3節　広域皮質脳波を用いたデータ駆動型機能マッピング
（小松　三佐子）
1．序　論
2．広域皮質脳波
3．データ駆動型解析手法
4．今後の展望

第4節　脳構造/脳機能連関情報のデコーディング技術
（岩木　直）
1．はじめに
2．脳画像データの基礎と数理的特性
3．デコーディング技術の方法論
4．構造─機能連関の解析手法
5．モデル評価と解釈可能性
6．今後の展望
7．おわりに

第2章　分子・細胞レベルの解析
第1節　間脳–中脳領域を介する小脳への体性感覚信号伝達経路の解析
（久保　怜香，橋本　浩一）
1．はじめに
2．登上線維経路を介する小脳への口辺体性感覚信号経路
3．苔状線維経路を介する小脳への口辺体性感覚信号経路
4．MDJを経由する小脳への信号伝達経路の機能的役割
5．おわりに

第2節　脳領域間の相互通信を明らかにする技術
（酒井　裕）
1．背　景
2．マルチリンク法
3．他のスパイク送信先同定手法
4．まとめ

第3節　脳神経細胞集団の活動ダイナミクスを可視化する数理解析技術
（山田　洋）
1．概　要
2．脳神経細胞活動とダイナミクス─状態空間解析の幕開け
3．状態空間解析の具体的な手続き
4．ギャンブルに必要な脳の処理─期待値計算のダイナミクス
5．神経細胞集団のダイナミクスの客観的比較─リサージュカーブ
6．おわりに

第4節　大脳皮質・小脳皮質における生物種間–細胞遺伝子発現解析
（大輪　智雄，嶋岡　可純，宮下　聡）
1．はじめに
2．大脳皮質の進化的拡大とindirect neurogenesis
3．小脳皮質の進化的拡大とindirect neurogenesis
4．結　語

第3章　イメージング技術
第1節　蛍光相関解析による生体脳深部超解像イメージング技術
（堤　元佐，根本　知己）
1．はじめに
2．手　法
3．2P-SRRF法の実証
4．まとめと展望

第2節　大脳皮質のマルチスケールイメージングに向けた広範囲観察窓の開発
（高橋　泰伽，岡村　陽介，根本　知己）
1．生体脳の広範囲光イメージング手法の開発と応用
2．in vivo二光子顕微鏡法のためのオープンスカル法
3．柔軟性と生体適合性を兼ね備えたナノ薄膜による観察窓の開発
4．広範囲かつ長期での光計測を可能にする頭蓋骨代替法の開発
5．まとめと展望

第2編　高次脳機能のダイナミクス
第1章　記憶ネットワークメカニズム
第1節　側頭葉を中心とした視覚カテゴリー分類に関わるネットワーク
（松本　有央，菅生（宮本）康子）
1．背　景
2．バーリリース
3．TEO野とTE野におけるカテゴリー情報処理
4．まとめ

第2節　霊長類の認知記憶を支えるマルチスケール神経回路メカニズムの因果的解析
（平林　敏行）
1．はじめに
2．認知記憶の表象・想起を支える霊長類の局所回路メカニズム
3．霊長類における認知記憶を支える前頭側頭ネットワークのマルチスケール因果性解析

第3節　恐怖記憶制御と脳神経細胞ネットワークによる情報処理
（揚妻　正和）
1．はじめに
2．なぜ脳回路は恐怖を生み出すのか─進化的に保存される神経基盤の必然性
3．ヒトにおける恐怖の脳神経回路研究─進展と課題
4．進化的に保存される恐怖の脳神経回路─マクロな制御基盤の解明
5．複雑な局所神経回路とその動作原理解明に向けた課題
6．光学的手法を用いた大脳皮質局所回路での情報処理機構の解明
7．光と機械学習で読み解く恐怖記憶の神経ネットワークダイナミクス
8．今後の展望

第4節　脳回路における睡眠中記憶固定メカニズム
（竹田　真己，島根　大輔）
1．はじめに─なぜ睡眠は記憶に重要なのか
2．動物研究が解き明かした記憶固定の基本原理
3．ヒトにおける記憶固定の神経相関─脳波と脳機能イメージングからの証拠
4．記憶固定メカニズムへの因果的介入─ニューロモデュレーションによる記憶操作
5．睡眠による記憶の変容
6．結論と今後の展望

第2章　情報処理メカニズム
第1節　効率的な時空間情報処理メカニズム
（林　正道）
1．はじめに
2．時空間における「量」の情報表現
3．量の情報表現の問題点
4．相対的符号化
5．効率的符号化仮説の観点から
6．今後の展望

第2節　階層的な大脳神経回路における自発活動と感覚応答
（松井　鉄平，橋本　昂之，村上　知成，大木　研一）
1．脳の自発活動は何のためにあるのか？
2．自発活動と感覚応答の関係についての先行研究
3．先行研究の違いを生んだ要因
4．マーモセット視覚野の階層的神経回路における自発活動と視覚応答
5．まとめと今後の展望

第3節　大規模計測による大脳皮質領野間協調性の理解
（平　理一郎）
1．序　論
2．方法論の革新─ Diesel2p メゾスコープ
3．機能局在から共有ダイナミクスへ
4．前頭頭頂ネットワークによる時間情報の共有
5．環境・身体情報の共有
6．大脳皮質領野間関係性における構造の抽出と統合的理解
7．領野間協調性がつくる脳の内的世界
8．客観から主観へ
9．まとめと今後の展開

第4節　発話計画におけるジェスチャーの神経的統合過程─脳磁図による時間的解析
（関根　和生，大隈　玲志，番　浩志）
1．問題と目的
2．方　法
3．結　果
4．考　察

第3章　意識・思考・認知メカニズム
第1節　前外側前頭葉による社会的メタ認知メカニズム
（宮本　健太郎）
1．序　論
2．社会的メタ認知─自分のメタ認知を他者に拡張する
3．メタ認知を足掛かりに他者の思考を推定する前外側前頭葉の働き
4．社会的認知─学習とヒューリスティックスに基づく他者行動の予測
5．まとめ

第2節　統合失調症の思考障害と意味ネットワーク
（松本　有紀子，高橋　英彦）
1．はじめに
2．意味ネットワークの理論的枠組み
3．fMRI による脳内意味ネットワークの構築
4．意味表象の分散とトポロジカルデータ解析
5．臨床応用と今後の展望
6．おわりに

第3節　脳磁場の網羅解析による安静時脳機能ネットワークの評価
（木田　哲夫，田中　絵実，柿木　隆介，乾　幸二）
1．はじめに
2．方　法
3．MEGデータのグラフ理論解析によるネットワークハブの同定
4．後部帯状回（PCG）および楔前部におけるネットワークハブ
5．内側前頭皮質（MPFC）におけるネットワークハブ
6．位相・振幅ベースの機能結合の共通性と特異性について
7．重みなしグラフ生成における閾値設定
8．グラフ理論指標の空間分布の違いによる影響
9．高解像度かつ任意間隔頂点でのグラフ理論解析について
10．加齢に伴うMEG信号源パワーおよびグラフ理論指標の変化
11．おわりに

第4節　補足眼野が標的空間の予測によって素早い反応を可能にするメカニズム
（横山　修）
1．ダイナミックに変化する視覚環境において適切かつ迅速に判断・行動する
2．認知と反応の両方に関与する補足眼野
3．補足眼野による潜在標的空間の事前選択の検証
4．日常生活・応用への示唆

第4章　神経回路ダイナミクス
第1節　長文読解の神経ネットワーク基盤
（尾谷　真弓）
1．はじめに
2．文字から文脈まで─読解の脳内処理
3．頭蓋内電極研究から見た言語処理のダイナミクス
4．臨床応用への展望
5．おわりに

第2節　運動制御に関わる神経活動ダイナミクスとその回路基盤
（高坂　洋史，能瀬　聡直）
1．はじめに
2．運動制御と神経回路ダイナミクス
3．ショウジョウバエ幼虫のぜん動運動
4．神経細胞の同定によるボトムアップアプローチ
5．全神経細胞イメージングによるトップダウンアプローチ
6．ぜん動運動の神経力学的解析
7．静水圧効果による運動速度制御機構
8．まとめと展望

第3節　適応行動の学習プロセスにおける神経回路ダイナミクス
（井口　善生，木村　新伍，小林　和人）
1．はじめに─適応的行動変容を支える脳機能としての連合学習
2．皮質─大脳基底核─視床─皮質ループとオペラント学習
3．直接路と間接路による目標指向的制御と習慣的制御の神経機構
4．習慣形成を支える回路ダイナミクス
5．まとめと今後の課題

第3編　脳機能DX化と脳研究倫理
第1章　データ統合による情報の可視化・定量化
第1節　脳波を用いた精神疾患における神経ダイナミクス研究の最前線
（信川　創，田村　俊介，平野　羊嗣）
1．はじめに
2．脳波に基づく神経ネットワーク解析
3．脳波による神経活動の複雑性解析
4．全脳的ダイナミクスへの展望
5．臨床脳波の多施設共同研究
6．おわりに

第2節　ナラティブと脳機能計測を用いた脳内情報の可視化
（西田　知史）
1．神経科学研究におけるナラティブ
2．符号化モデリングを用いた脳内意味表現の可視化
3．ナラティブと自然言語処理技術を用いた符号化モデリング
4．ナラティブを用いた意識の脳内メカニズムの探究

第3節　脳活動と生体情報計測に基づく集中状態の定量化
（山下　歩）
1．はじめに
2．集中状態の定義（外的基準
3．脳活動・生体情報を用いた集中状態の定量化
4．今後の方向性
第4節　脳活動計測データ同化とデータ駆動型モデリング
（横山　寛，北城　圭一）
1．はじめに
2．脳波位相同期現象のデータ駆動型モデリング
3．脳波データ同化によるE／Iバランス推定
4．むすび

第5節　心的イメージを可視化・モニタリングする技術の現状と動向
（間島　慶）
1．はじめに
2．目で見ている画像を脳信号から復元する
3．メンタルイメージを可視化する
4．任意の画像を復元できるか？
5．メンタルイメージ可視化技術の今後の応用や発展

第2章　シミュレーションの開発
第1節　血流シミュレーションによる脳循環代謝
（大島　まり）
1．はじめに
2．脳血流の流体力学的特長
3．脳循環代謝を考慮した患者個別血流シミュレーション
4．マルチスケールシミュレーションの数値解析手法
5．症例を用いたマルチスケール血流シミュレーションの例
6．おわりに

第2節　線虫の全脳活動時系列に基づいた全脳シミュレーションの開発
（豊島　有，陸　言，飯野　雄一）
1．はじめに
2．全脳活動時系列の取得
3．全脳ダイナミクス解析のための数理モデル
4．全脳活動時系列に基づく全脳シミュレーションモデル
5．おわりに

第3節　記憶関連タンパク質が“集合する”シミュレーションの開発
（浦久保　秀俊，Pandey Vikas）
1．はじめに─シナプスと液–液相分離の深い関係
2．液–液相分離の理論―Flory-Huggins理論
3．モンテカルロシミュレーション
4．シナプス分子の混合物が作り出す2相液滴のシミュレーション
5．相内相構造か部分的な包埋構造か？
6．シミュレーションが示唆する記憶関連タンパク質CaMKIIの性質
7．おわりに

第4節　脳座標・コネクトームに基づくマウス大脳皮質神経回路モデルの開発
（五十嵐　潤）
1．はじめに
2．コネクトームベースの大脳皮質神経回路モデル構築
3．神経回路シミュレーションの並列計算
4．マウスの1次，2次運動野神経回路モデルにおける領域間の同期活動
5．おわりに

第3章　脳のモデル化
第1節　精神疾患MRIデータによる脳回路機能解明と臨床デジタル脳の開発
（岡田　剛，山下　歩，山下　宙人）
1．はじめに
2．精神疾患MRI データベース
3．fMRIによる脳回路機能解明
4．臨床デジタル脳の構築と応用
5．おわりに

第2節　最適フィードバック制御モデルにもとづく運動障害メカニズムの理解
（武井　智彦）
1．はじめに
2．脳卒中片麻痺─不完全な運動系への再適応
3．小脳性運動失調─状態予測の崩壊と代償
4．視覚性運動失調─身体と目標物の状態推定の不全
5．本態性振戦─フィードバック遅延に対する非最適な過剰補正
6．寡動・動作緩慢─コスト推定異常による非最適な行動制御則の選択
7．観念運動失行─視覚・言語指示にもとづく行動制御則の想起・選択の不全
8．まとめ

第3節　精神障害理解と治療のためのメゾスコピックレベル・デジタル脳モデル
（山下　祐一，高橋　雄太）
1．背景─精神障害理解と治療のためのメゾスコピックレベル・デジタル脳とは
2．メゾスコピックレベル・デジタル脳の設計思想─理論駆動とデータ駆動の融合
3．モデルケース
4．課題と展望

第4節　意識の科学的な解明に向けて─意識を宿す機械と神経束切断面型ブレイン・マシン・インターフェース
（西浦　直哉，三田地　宏哉，渡邉　正峰）
1．序　節
2．意識を宿す機械の開発
3．意識アップローディングへのBMI技術の応用可能性
4．意識統合への段階的アプローチと今後の展望

第4章　脳神経科学研究の倫理
（中澤　栄輔）
1．はじめに
2．脳研究における基盤技術の倫理
3．高次脳機能のダイナミクスと倫理
4．脳機能DXと倫理
5．まとめ

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著者紹介

伊佐　　正　　　自然科学研究機構生理学研究所　所長／京都大学　大学院医学研究科　教授
大内　和哉　　　筑波大学　大学院システム情報工学研究群／国立研究開発法人産業技術総合研究所
人間情報インタラクション研究部門　リサーチアシスタント（RA）
釣木澤朋和　　　筑波大学　大学院システム情報工学研究群　教授／国立研究開発法人産業技術総合研究所
人間情報インタラクション研究部門　主任研究員／
ケベック大学　トロワリビエール校　客員教授
下郡　智美　　　国立研究開発法人理化学研究所　脳神経科学研究センター
脳発達分子メカニズム研究チーム　チームディレクター
大西　公平　　　国立研究開発法人理化学研究所　脳神経科学研究センター
脳発達分子メカニズム研究チーム　研究員
小松三佐子　　　東京科学大学　総合研究院　特任准教授
岩木　　直　　　国立研究開発法人産業技術総合研究所　セルフケア実装研究センター
副研究センター長
久保　怜香　　　広島大学　大学院医系科学研究科　助教
橋本　浩一　　　広島大学　大学院医系科学研究科　教授
酒井　　裕　　　玉川大学　脳科学研究所　教授
山田　　洋　　　筑波大学　医学医療系　准教授
大輪　智雄　　　国立研究開発法人国立精神・神経医療研究センター　神経研究所
病態生化学研究部　室長
嶋岡　可純　　　国立研究開発法人国立精神・神経医療研究センター　神経研究所
病態生化学研究部　リサーチフェロー
宮下　　聡　　　国立研究開発法人国立精神・神経医療研究センター　神経研究所
病態生化学研究部　室長
堤　　元佐　　　防衛医科大学校　医学教育部　助教
根本　知己　　　自然科学研究機構生命創成探究センター／生理学研究所　教授
高橋　泰伽　　　東京理科大学　先進工学部　助教／
自然科学研究機構生命創成探究センター　特別訪問研究員
岡村　陽介　　　東海大学　マイクロ・ナノ研究開発センター/工学部　教授
松本　有央　　　国立研究開発法人産業技術総合研究所　人間情報インタラクション研究部門　主任研究員
菅生（宮本）康子　　　国立研究開発法人産業技術総合研究所　人間情報インタラクション研究部門
研究グループ付
平林　敏行　　　国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構　脳機能イメージング研究センター
上席研究員
揚妻　正和　　　国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構　量子生命科学研究所　主幹研究員
竹田　真己　　　高知工科大学　総合研究所脳コミュニケーション研究センター　教授/センター長
島根　大輔　　　高知工科大学　総合研究所脳コミュニケーション研究センター　助教
林　　正道　　　国立研究開発法人情報通信研究機構　未来ICT研究所　脳情報通信融合研究センター　主任研究員
松井　鉄平　　　同志社大学　大学院脳科学研究科　教授
橋本　昂之　　　東京大学　医学部　助教
村上　知成　　　東京大学　医学部　助教
大木　研一　　　東京大学　医学部　教授
平　理一郎　　　東京科学大学　大学院医歯学総合研究科　准教授
関根　和生　　　早稲田大学　人間科学学術院　准教授
大隈　玲志　　　早稲田大学　大学院人間科学研究科
番　　浩志　　　国立研究開発法人情報通信研究機構　未来ICT研究所脳情報通信融合研究センター
主任研究員
宮本健太郎　　　国立研究開発法人理化学研究所　脳神経科学研究センター
思考・実行機能研究チーム　チームディレクター
松本有紀子　　　日本医科大学　大学院医学研究科　准教授
高橋　英彦　　　東京科学大学　大学院医歯学総合研究科　教授
木田　哲夫　　　愛知県医療療育総合センター発達障害研究所　神経情報研究部
高次脳機能研究室　室長
田中　絵実　　　国立研究開発法人国立長寿医療研究センター
認知症先進医療開発センター脳機能画像診断開発部　研究員
柿木　隆介　　　自然科学研究機構生理学研究所　名誉教授
乾　　幸二　　　自然科学研究機構生理学研究所　脳機能計測・支援センター
生体機能情報解析室　客員教授
横山　　修　　　公益財団法人東京都医学総合研究所　臨床医科学研究分野
脳機能再建プロジェクト　主任研究員
尾谷　真弓　　　神戸大学　大学院医学研究科　助教
高坂　洋史　　　電気通信大学　大学院情報理工学研究科　准教授
能瀬　聡直　　　東京大学　大学院新領域創成科学研究科　教授
井口　善生　　　福島県立医科大学　医学部　生体機能研究部門　講師
木村　新伍　　　福島県立医科大学　医学部　生体機能研究部門　特任教授
小林　和人　　　福島県立医科大学　医学部　生体機能研究部門　教授
信川　　創　　　千葉工業大学　情報変革科学部　教授
田村　俊介　　　宮崎大学　医学部　助教
平野　羊嗣　　　宮崎大学　医学部　教授
西田　知史　　　国立研究開発法人情報通信研究機構　未来ICT 研究所
脳情報通信融合研究センター　特別研究員
山下　　歩　　　東京大学　大学院情報理工学系研究科　助教
横山　　寛　　　岡山大学　学術研究院ヘルスシステム統合科学学域　助教
北城　圭一　　　自然科学研究機構生理学研究所　システム脳科学研究領域
神経ダイナミクス研究部門　教授
間島　　慶　　　国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構　量子生命科学研究所　主任研究員
大島　まり　　　東京大学　大学院情報学環/生産技術研究所　教授
豊島　　有　　　東京大学　大学院理学系研究科/新領域創成科学研究科　准教授
陸　　　言　　　東京大学　新領域創成科学研究科
飯野　雄一　　　東京大学名誉教授／東京大学　大学院理学系研究科
浦久保秀俊　　　藤田医科大学　医学部　准教授
Pandey Vikas　　　大阪大学　ヒューマン・メタバース疾患研究拠点（WPI-PRIMe）　特任助教
五十嵐　潤　　　国立研究開発法人理化学研究所　計算科学研究センター　上級研究員
岡田　　剛　　　広島大学　大学院医系科学研究科　教授
山下　　歩　　　株式会社国際電気通信基礎技術研究所　計算脳イメージ研究室
山下　宙人　　　株式会社国際電気通信基礎技術研究所　脳情報通信総合研究所　室長／
国立研究開発法人理化学研究所　革新知能統合研究センター　チームディレクター
武井　智彦　　　玉川大学　脳科学研究所　教授
山下　祐一　　　国立研究開発法人国立精神・神経医療研究センター　神経研究所
疾病研究第七部　室長
高橋　雄太　　　国立研究開発法人国立精神・神経医療研究センター　神経研究所
疾病研究第七部　室長
西浦　直哉　　　東京大学　大学院工学系研究科
三田地宏哉　　　東京大学　大学院工学系研究科
渡邉　正峰　　　東京大学　大学院工学系研究科　准教授
中澤　栄輔　　　東京大学　大学院医学系研究科　教授