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計算論的神経科学: 脳の運動制御・感覚処理機構の理論的理解へ 単行本 – 2019/6/14

5つ星のうち4.6 33個の評価

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脳はいかにして複雑な感覚を処理し、精巧に身体を操るのか?

その問いに計算理論/表現とアルゴリズム/実装の観点から挑むのが、計算論的神経科学(computational neuroscience)である。本書は運動制御・感覚処理の理論と実験を中心に、分野の成立当初から現代までの研究事例を多数紹介。計算論的神経科学の歩みと、脳の理解がどこまで来たのかを概観する。

計算論的アプローチに欠かせない制御理論、統計学、最適化数学、ニューラルネットワーク、信号解析といった数理的ツールについては基礎から解説し、どの分野の読者でも入門できるように配慮されている。

推薦の言葉
手が届かなかった理論と数式の意味が、次々と腑に落ちていく快感。脳と理論を知悉する著者の親身の指導を体験すれば、神経科学者は脳の理論の、理論家は脳の機能の、深い理解に到達するだろう。
――
北澤茂(大阪大学教授、神経科学)

脳の計算論に関して最新かつ重要な研究がほぼ網羅されている。これだけ多くの重要概念をひとりで網羅できる筆者の博識に圧倒され、背後に見え隠れする研究哲学には感銘を受ける。認知神経科学・認知心理学の学生・研究者に広くおすすめしたい。
――
今水寛(東京大学教授、心理学)

これこそ学際の教科書だ。制御理論と脳科学がどれほど深く繋がっているかをつぶさに見せてくれる好著。
――
太田順(東京大学教授、ロボティクス)

【目次】
まえがき

第0章 計算論的神経科学―なぜ脳科学に計算論が必要なのか―
0.1 神経科学における実験的アプローチ
0.2 実験的アプローチの限界と定量的アプローチの重要性
0.3 マーの計算レベル
0.4 神経科学は脳をどこまで理解したか―物理学との対比―
0.5 運動制御と運動学習,感覚処理の計算論的神経科学

第1章 身体運動の基礎―キネマティクス・ダイナミクス・座標変換,それらの脳内表現―
1.1★ キネマティクス―外部座標と内部座標による身体姿勢の記述―
1.2★ ダイナミクス―外部座標と内部座標による身体運動の記述―
1.3 内部順モデルと内部逆モデル―脳のなかの身体モデル―
1.4 脳のなかの座標系と座標変換
1.5 脳は運動方程式を解いているか―?平衡点制御仮説―
1.6 第一次運動野の表現論

第2章 決定論的最適制御―運動の背後に潜む最適化の計算原理―
2.1 身体運動の法則性
2.2 キネマティクスの滑らかさ―躍度最小モデル―
2.3 ダイナミクスの滑らかさ―トルク変化最小モデル―
2.4 到達運動の座標系

第3章 状態空間モデル―運動過程と観測過程のモデル化―
3.1★ 状態空間モデルとは
3.2★ 状態空間モデルの可制御性と可観測性
3.3★ 状態空間モデルの柔軟性
3.4★ 確率論的状態空間モデルと隠れマルコフモデルとの関係
3.5 状態空間モデルによる運動適応のモデル化
3.6 状態空間モデルの神経基盤

第4章 最適推定―感覚入力からの外界再構成―
4.1★ 古典推定とベイズ推定
4.2★ 最尤推定法
4.3 最尤法による視覚と触覚の多感覚統合
4.4★ ベイズの定理とベイズ推定
4.5 最大事後確率法と最適推定としての錯視
4.6 運動中のベイズ推定
4.7 因果推定と情報統合
4.8★ カルマンフィルタ
4.9 外界の統計性を反映した運動適応
4.10★ カルマン平滑化
4.11 ニューラルネットワークモデルによる最適推定

第5章 確率論的最適制御―ノイズ下でも正確な運動を可能にする制御―
5.1★ フィードフォワード制御とフィードバック制御
5.2 最小分散モデル
5.3★ ダイナミックプログラミング
5.4★ ベルマン最適方程式(決定論的システムの場合)
5.5★ 線形二次レギュレータ(LQR)制御
5.6★ ベルマン最適方程式(確率論的システムの場合)
5.7★ 最適制御と最適推定
5.8 ヒト運動制御モデルとしての最適フィードバックモデル
5.9 最適フィードバックモデルによるヒト運動制御・運動学習のモデル化
5.10 無限時間最適制御
5.11 最適フィードバックモデルと計算論的神経解剖学

第6章 強化学習―報酬に基づく運動学習―
6.1★ ダイナミックプログラミングの復習と強化学習の問題設定
6.2★ 価値関数と割引報酬和
6.3★ Actor‐Critic学習
6.4★ Q 学習
6.5 ドーパミン細胞と脳内報酬表現
6.6 成功と失敗に基づく運動適応
6.7 再び最適制御

第7章 システム同定―運動適応過程のリバースエンジニアリング―
7.1★ システム同定と状態空間モデルの不定性
7.2 予測誤差法
7.3 Expectation‐Maximization法
7.4 部分空間同定法

第8章 次元縮約と成分分解―脳のなかの真の自由度―
8.1 主成分分析
8.2 独立成分分析
8.3 非負値行列因子分解
8.4 状態空間モデルの次元縮約法
8.5 因子分析

第9章 デコーディングとブレイン・コンピュータ・インターフェイス―脳の情報表現を読み取る―
9.1 エンコーディングとデコーディング
9.2 ポピュレーションベクトルと最尤推定
9.3 デコーディングと認知神経科学
9.4 ウィーナーフィルタを用いた時系列の再構成
9.5 ベイズ推定を用いた運動軌道の再構成
9.6 遅延期間中の神経活動からの運動標的の判別問題

第10章 小脳の計算論モデル
10.1 小脳の神経回路
10.2 小脳皮質の計算論モデル
10.3 内部順モデルと内部逆モデルに関する論争再考
10.4 小脳のカルマンフィルタモデル
10.5 なぜ脳は大脳皮質と小脳という異なる構造を必要としたか

付録
AppendixA 変分法入門
AppendixB 拘束条件のある場合の最適化問題
AppendixC 力学的拘束条件のある場合の最適化:ポントリャーギンの最小原理
AppendixD クラメール―ラオの下限
AppendixE カルマンフィルタの連続時間極限
AppendixF 連続時間のハミルトン―ヤコビ―ベルマン方程式
AppendixG ダイナミックプログラミングとポントリャーギンの最小値原理の等価性
AppendixH 確率的力学のもとでのハミルトン―ヤコビ―ベルマン方程式
AppendixI ハミルトン―ヤコビ―ベルマン方程式の線形化
AppendixJ 行列のクロネッカー積と関連する公式

コラム
コラム1:ガレノスのブタと神経科学の誕生
コラム2:ガルヴァーニのカエルと電気生理学の誕生
コラム3:活動電位を初めて見たのは誰か
コラム4:イカの巨大軸索とホジキン―ハクスリー方程式
コラム5:脳刺激と機能局在論―運動野の発見―
コラム6:視覚野からの単一細胞記録
コラム7:運動野からの単一細胞記録
コラム8:誰が最初に神経細胞を見たのか
コラム9:臨床観察―壊れて初めてわかるもの―
コラム10:心理物理―脳のシステム同定―
コラム11:脳機能イメージング
コラム12:認知神経科学―神経活動から心を測る―

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商品の説明

著者について

北陸先端科学技術大学院大学准教授 博(理)

登録情報

  • 出版社 ‏ : ‎ 森北出版 (2019/6/14)
  • 発売日 ‏ : ‎ 2019/6/14
  • 言語 ‏ : ‎ 日本語
  • 単行本 ‏ : ‎ 304ページ
  • ISBN-10 ‏ : ‎ 4627851618
  • ISBN-13 ‏ : ‎ 978-4627851610
  • 寸法 ‏ : ‎ 15.7 x 2 x 22.1 cm
  • カスタマーレビュー:
    5つ星のうち4.6 33個の評価

著者について

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田中 宏和
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上位レビュー、対象国: 日本

  • 2019年6月23日に日本でレビュー済み
    Amazonで購入
     脳の実験的研究といえば、脳に損傷を受けた患者や、動物の脳の一部位を損傷させて、どのような機能が損傷されるか、脳の部位と機能の相関を調べるもの、それに損傷は与えないが、被験者や動物に刺激を与えたり活動をさせたりして、脳の血流が変化する部位(fMRI、PET)や磁場(MEG)・脳波(EEG)の変化を見る方法がよく知られている。しかし、本書が紹介する神経科学がこれほどの蓄積になっていることは知らなかった。驚きの書である。

     脳の機能は多岐にわたるが、脳の運動制御を最初に持ってきたのは正解だ。なぜなら、ジェルジ・ブザーキ (2006)『脳のリズム』渡部喬光(監訳)・谷垣暁美 (2019) みすず書房 で、「頭脳の主な目標は運動を制御することだ」という見解がくり返し強調されているからである。脳は体の動きを制御するために進化したといえるのだ。

     計算論的神経科学では、デヴィッド・マーの三つの計算レベルの説明から始めるのが定石のようだ。国里愛彦・他(2019)『計算論的精神医学』勁草書房 でも、マーの三つの計算レベルから始まっている。
     ちなみに三つの計算レベルとは、
    ①計算理論のレベル;どのような目的・計算を脳はなすべきか
    ②表現・アルゴリズムのレベル;その計算のためにはどのような表現・アルゴリズムを考えなくてはならないか
    ③ハードウェアへの実装のレベル;その計算が物理的実態としてどのように処理されているか
     以上であるが、三つとも揃っていなければ研究として価値がないとはならないのではないか。①のレベルだけでも十分価値のあることに思える。例えば、マーの文献にある「網膜における二次元の入力画像から、外界の三次元構造を推定すること」という計算目的を設定することだけでも価値がある。これは今では当たり前になっているが、人間の解剖学的知見と、大脳皮質の機能局在や視覚野などの知識がなければ思いつかないレベルにある。それを数式であらわせたら、それだけでも素晴らしいことだ。

     ひとつの神経細胞の働きを説明できる数式モデルは、ホジキン-ハクスリー方程式が1952年に発表され、その後、神経系の単機能を説明するモデルは、本書にあるように次々に発表されるも、「神経系全体として何が本質的な変数なのか、そしてどのような計算を行っているのかというマクロ的な視点に関して理解が進んでいないのが現状である(p.12-13)」と述べられている。まだまだ道なかばのようだが、本書が研究の前進を促すものと期待される。
    42人のお客様がこれが役に立ったと考えています
    レポート
  • 2019年10月21日に日本でレビュー済み
    Amazonで購入
    運動に関わる計算論的アプローチがの説明が多めです。付録で数学的な補足があるのが良いです。
    6人のお客様がこれが役に立ったと考えています
    レポート
  • 2020年9月2日に日本でレビュー済み
    本書は、それぞれに発展してきた神経科学と制御理論や統計理論を用いた計算論的アプローチとの融合の成果を見事にまとめている。
    ポイントは、以下の5つ。
    1. 第0章「計算論的神経科学―なぜ脳科学に計算論が必要なのか」では、理論を通して脳を理解することの重要性がまとめられており、計算論的神経科学の考え方がよくわかる。他の方も書かれているが、この章だけでも十分に読みごたえがあり、リテラシーがつく。
    2. 数式の一つ一つに関して神経科学との対応付けがなされており、数式を用いて神経科学の現象をモデル化する意義が明確にされている。本の帯に書かれているように「理論と数式の意味が,次々と腑に落ちていく快感.脳と理論を知悉する著者の親身の指導」を体験できる。
    3. 1980年代からの運動制御の決定論的な計算論モデルから、2000年代以降への確率論的な計算論モデルへの変遷がよくまとめられている。ざっくりと知りたい人がつまみ読みするには0章と各章の序文を追うとよいかもしれない。
    4. 神経科学の様々なデータが制御理論や統計理論の言葉で統一的に理解できるのがわかり、この本の内容を理解すれば、他の様々な現象も計算論の観点から理解できるようになるだろう。この本を本気で取り組み理解することができれば、タイトルが意味する計算論的神経科学に通底する考え方やアプローチを身に着けることができよう。数学的知識が必須であるが・・・。
    5. コラムや脚注には他の教科書には載っていない逸話が多い。筆者の(この分野における)幅広くマニアックな知識に驚きを禁じ得ない。単純に楽しむべし!

    他のレビューにも書かれているが、この分野は勃興したばかりで各論にならざるを得ないしまだまだ道半ば。すべてをこの一冊に期待するのは過分な要求であろう。なお、骨子は本書が出る10年前(2009年?)にすでに解説論文として発表されていたという(まえがきより)。筆者と出版に向けて動いた森北出版さんの慧眼に感服する。新しい知見がまとまりそうな将来にこの本の改訂版や敢えて外したであろうトピックに関する著者の次回作を切に希望する。
    なお、著者は現在東京都市大学に移られたようで、どのように役に立つかという観点から紹介した計算論的アプローチのイントロを行った授業もわかりやすい(YouTube データ解析入門 田中宏和 東京都市大学講義)。
    4人のお客様がこれが役に立ったと考えています
    レポート
  • 2020年7月7日に日本でレビュー済み
    Amazonで購入
    当たり前ですが,数式だらけです。数学が苦手な人にはつらいです。数学ができる人が前提であり,数式の丁寧な説明はありません(丁寧のレベルが違うだけですが)。ただし,論文を読んで計算論を諦めていた人がゼミ等で頑張って輪読するには良い本だと思います。代表的な計算論の研究が比較的新しめなものまで(最新ではない)紹介してあり,このあたりを追うだけでも,価値はあると思います。

    欠点としては,間違いが非常に多い!これだけ多岐に渡る内容なので仕方ないと言えば仕方ないです。まだ正誤表に反映されていない図表,数式の間違いがありますので気を付けてください。特に数式については,数学出来ない人はそれ信じて解こうとするとすごい時間が無駄になります。

    あとは,もっと著者観点でいくつかの理論をまとめる作業があれば読みやすく,理解が進むかと。主要な理論と研究の紹介がなされていますが,それらがどう歴史的にあるいは学術的につながるかの説明がなく,すべて各論,という感じです。バージョンアップしたものがいつか出ることを期待しています。
    13人のお客様がこれが役に立ったと考えています
    レポート
  • 2022年9月6日に日本でレビュー済み
    人工知能的の理論的な話ではなく、

    運動制御や情動についての工学的な話しです
    2人のお客様がこれが役に立ったと考えています
    レポート
  • 2019年10月16日に日本でレビュー済み
    この本を読もうという人は、AIを使うだけでなく、その意味を知りたいと思う人だろう。
    数学的意味だけではなく、生物にも使われているのか、とかいう余分な興味があるはずだ。
    数学的・物理的知識があるなら、著者の意図とは180度違うが、式を斜め読みして大局を
    掴むと大変面白い(後で式は辿ってください。)。生物が最小原理の法則等に従い、無駄
    なことをせず、極めて合理的なことが改めてわかる。
    なんでもAI、なんでもディープラーニング、と言われるのが飽きた人にお勧めです。
    14人のお客様がこれが役に立ったと考えています
    レポート
  • 2021年1月21日に日本でレビュー済み
    Amazonで購入
    第0章 計算論的神経科学:なぜ脳科学に計算論が必要なのか
    第1章 身体運動の基礎:キネマティクス・ダイナミクス・座標変換、それらの脳内表現
    第2章 決定論的最適制御:運動の背後に潜む最適化の計算原理
    第3章 状態空間モデル:運動過程と観測過程のモデル化
    第4章 最適推定:感覚入力からの外界再構成
    第5章 確率論的最適制御:ノイズ下でも正確な運動を可能にする制御
    第6章 強化学習:報酬に基づく運動学習
    第7章 システム同定:運動適応過程のリバースエンジニアリング
    第8章 次元縮約と成分分解:脳のなかの真の自由度
    第9章 デコーディングとブレイン・コンピュータ・インターフェイス:脳の情報表現を読み取る
    第10章 小脳の計算論モデル

    この向きへの研究が、わたしたちにもたらしてくれる成果を待って、もう一歩前進したいものです。
    2人のお客様がこれが役に立ったと考えています
    レポート