脳知能の三大理論を統合する三重等価性
理化学研究所（理研）脳神経科学研究センター脳型知能理論研究ユニットの磯村拓哉ユニットリーダーは、あるクラスの神経回路の力学系、統計的推論、チューリングマシン[1]の数理的表現が同値であること、すなわちこれらの概念の間に三重等価性があることを数理解析により明らかにしました。 本研究成果は、統計的推論やアルゴリズム的情報処理の神経基盤への理解を進め、ヒトや動物の知性の理解に貢献することが期待されます。 生物の知能を特徴付けることは、挑戦的で重要な課題です。しかし、知能情報処理の三大理論である、神経回路モデルの動きを表す力学系的な描像（びょうぞう）、自由エネルギー原理[2]などが提唱する統計的推論に基づく脳モデル、そして基本的な計算モデルであるチューリングマシンは、これまでほとんど独立に扱われてきました。 今回、磯村ユニットリーダーは、これら三つの概念の間に三重等価性があることを数理的に示しまし
YouTube「理研チャンネル」新着動画（甘利俊一「人工知能と数理脳科学」－2024年ノーベル物理学賞に関する特別講演）
YouTubeの理研公式チャンネル「理研チャンネル」に新しい動画を掲載しました。 2024年のノーベル賞は、AI関連の受賞が相次ぎ大きな反響を呼びました。物理学賞では、人工ニューラルネットワークによる機械学習を可能にする基礎的発見と発明に関する業績で ジョン・J・ホップフィールド 博士とジェフリー・E・ヒントン 博士が受賞しました。その業績の源流には、甘利 俊一 栄誉研究員・元脳科学総合研究センター長をはじめとした、日本における数理脳科学者たちの功績もあります。 本動画は2024年12月に理研脳神経科学研究センター（CBS）が開催した、ノーベル物理学賞解説セミナーを再編集したものです。 ぜひご覧ください。 甘利俊一「人工知能と数理脳科学」－2024年ノーベル物理学賞に関する特別講演 「私たちは二つの知能システムを持つに至った。人工知能と自然知能（脳）である。二つの歴史的な発展を述べるととも
進化力学系ゲーム理論の構築
理化学研究所（理研）脳神経科学研究センター 理研CBS-トヨタ連携センター 計算論的集団力学連携ユニットの板尾 健司 基礎科学特別研究員らの国際共同研究チームは、「進化力学系ゲーム理論」という新しいゲーム理論[1]の枠組みを構築することで、共有資源の持続可能な利用を実現する社会制度が生まれるメカニズムを理論的に解明しました。本研究成果は、共有資源の管理において、「何が協力で何が裏切りか」という基準自体の進化を説明するための理論的基盤を提供するとともに、従来のゲーム理論を拡張した枠組みを提案するもので、新しい研究の潮流を生むことが期待されます。 今回、国際共同研究チームは、森林や水産物などの自然資源を共有する人々の相互作用を表現する新しいゲーム理論の枠組みを構築しました。自然成長と収穫による資源量の変動をモデル化しました。そして、プレーヤーの「戦略」として、資源量と自他の状態を参照して各時点
手足の再生能力を取り戻す発生再起動制御因子を発見
理化学研究所（理研）生命機能科学研究センター 発生幾何研究チームの森下 喜弘 チームリーダー、川住 愛子 学振特別研究員RPD（研究当時）、李 尚雨 技師らの共同研究グループは、hoxc12/hoxc13遺伝子[1]が、無尾両生類[2]（カエル）の四肢再生時に発生プログラムを再起動させる際の重要な制御因子であることを発見しました。 本研究成果は、両生類の再生機構の理解とともに、再生能力が著しく低いヒトを含む哺乳類の再生能力を向上させる手法の探索につながると期待できます。 無尾両生類は、幼生期は手や足が切断されても元通りになるなど高い器官再生能力を有しますが、成体になると低下するというライフステージに依存した再生能力を持ちます。再生能力の経時的変化の仕組みや成体再生能力の回復方法について多くの研究がなされてきましたが、いまだ解明されていません。 今回、共同研究グループは、四肢発生時と再生時の
クォーク4個から成る「純粋テトラクォーク」
理化学研究所（理研）数理創造プログラムの土井 琢身 専任研究員、初田 哲男 プログラムディレクター、リュー・ヤン 研修生（研究当時）、京都大学 基礎物理学研究所の青木 慎也 教授、大阪大学 感染症総合教育研究拠点の池田 陽一 教授らの国際共同研究グループは、クォーク[1]4個から成る純粋テトラクォーク状態Tcc[2]の性質を理論的に解明しました。 本研究成果は、素粒子クォークがどのように組み合わさった状態が物質として存在できるのかという、現代物理学の根源的問題の解明に貢献すると期待されます。 クォークは物質の基本構成要素となる素粒子です。これまで、クォーク2個から成る中間子、3個から成るバリオンが実験で観測されてきました。クォーク4個、5個、…といったそれ以外の組み合わせの状態が存在するかは長年の謎でした。しかし、2022年にLHCb[3]加速器実験で発見されたTcc状態は、純粋にクォーク
電子が質量を失って液晶になる物質を発見
理化学研究所（理研）創発物性科学研究センター 創発物性計測研究チームのクリストファー・J・バトラー 研究員、幸坂 祐生 上級研究員（研究当時、現創発物性計測研究チーム 客員研究員、京都大学大学院 理学研究科 教授）、花栗 哲郎 チームリーダー、名古屋大学大学院 理学研究科 理学専攻 物理科学領域の山川 洋一 講師、大成 誠一郎 准教授、紺谷 浩 教授らの国際共同研究グループは、バリウムとニッケルの硫化物BaNiS2において、質量を持たない電子（ディラック電子[1]）とあたかも液晶[2]のように振る舞う電子が共存していることを発見しました。 本研究成果は、非常に珍しい電子状態であり、全く新しい物性を実現する舞台として期待できます。 結晶構造が特別な幾何学的対称性[3]を持つ物質や、電子状態がトポロジー[4]的に非自明[5]な物質では、電子の質量がゼロになることがあります。一方、電子間の斥力相
「量子もつれ」における重大な性質を新発見
現在、世界各国で研究開発が進められている量子コンピュータ。量子計算をする上で不可欠なものに「量子もつれ」という物理現象があります。量子もつれには謎が多く、その解明は量子コンピュータの発展に大きく寄与します。このような中、量子もつれの重大な性質の一つを理論的に明らかにしたのが、桑原知剛理研白眉研究チームリーダー（白眉TL）です。 謎の多い「量子もつれ」という物理現象 量子とは粒子と波の性質を併せ持つ、極めて小さな物質やエネルギーの単位のことをいう。このようなミクロな世界での物理現象を記述するのが量子力学であり、その中の奇妙な現象の一つに「量子もつれ」がある。量子もつれとは、2個以上の量子が古典力学では説明できない不思議な相関を持つことをいう。 桑原白眉TLはこう話す。「例えば、量子にはスピンという自転のような性質があり、スピンは上向きと下向きの2通りしかないことが知られています。ここで、上向
脳の意識統合機構を解明
理化学研究所（理研）脳神経科学研究センター思考・実行機能研究チームの宮本健太郎チームリーダー、脳機能動態学連携研究チームの節家理恵子研究員、高次認知機能動態研究チームの宮下保司チームリーダー（脳神経科学研究センターセンター長）（研究当時）の研究グループは、脳の前頭葉の別々の部位で評価される、記憶のなじみ深さに対する自信と新しさに対する自信の情報が後部頭頂葉[1]において融合し、統合された内省意識を生み出すことを発見しました。 本研究成果は、内省に起因する精神疾患に対する器質的作用に基づいた生化学・薬理学的治療法の開発や、来るべきデジタルトランスフォーメーション（DX）[2]化社会において重要な基幹技術となる、脳のメタ認知[3]の仕組みに着想を得た効率の良い人工知能・機械学習アルゴリズムの構築に貢献すると期待できます。 今回、研究チームは、記憶への確信度[4]に基づいたギャンブル課題[5]遂
反物質と太陽の重力相互作用
理化学研究所（理研）開拓研究本部Ulmer基本的対称性研究室のステファン・ウルマー主任研究員、クリスティアン・スモーラ客員研究員、山崎泰規客員主管研究員、マックスプランク研究所のクラウス・ブラウムディレクター、ドイツ標準研究所のマティアス・ボルシェー研究員らの国際共同研究グループ「BASE実験グループ」は、陽子と反陽子[1]の質量電荷比（質量/電荷）をそれぞれ測定し、1兆分の16という超々高精度で両者が一致していること、さらにアインシュタインの「弱い等価原理[2]」が3％の精度で成立していることを明らかにしました。 本研究成果は、反物質を含む弱い等価原理の研究に新しく強力な研究手段を提供するもので、質量電荷比の測定精度の向上とともに、弱い等価原理をより厳密に検証できるのに加え、「なぜ現在の宇宙から反物質が消えてしまったか」という、現代物理学最大の謎を解明していくための第一歩にもなると期待で
機械学習手法により物理の難問「量子スピン液体」を解明
理化学研究所（理研）創発物性科学研究センター計算物質科学研究チームの野村悠祐研究員と豊田理化学研究所/早稲田大学理工学術院総合研究所の今田正俊フェロー/上級研究員・研究院教授の共同研究チームは、機械学習[1]を用いた世界で類を見ない高精度手法により、幾何学的フラストレーションのある量子スピン系[2]の解析を行いました。そして、スピンの向きが絶対零度でも整列せずに、量子力学的に揺らぐ「量子スピン液体[3]」相を発見・確証し、存在領域を特定しました。 本研究成果は、量子スピン液体中でスピンが分裂して生じる「スピノン[4]」の性質を解き明かし、これを量子計算への応用につなげるとともに、現実物質で量子スピン液体を実現するための有用な指針を与えるものと期待できます。 今回、共同研究チームは、機械学習分野で用いられる人工ニューラルネットワーク[1]の一種である制限ボルツマンマシン[5]と物理分野で用い
シリコン3量子ビットを実現
理化学研究所（理研）創発物性科学研究センター量子機能システム研究グループの武田健太研究員、野入亮人基礎科学特別研究員、樽茶清悟グループディレクターらの研究チームは、シリコン量子ドット[1]デバイス中の電子スピン[2]を用いて、3量子ビットの制御および量子もつれ[3]状態の生成に成功しました。 本研究成果は、高精度制御と将来的な集積性の観点から、近年注目されているシリコン量子ドットを用いた量子コンピュータ[4]の実現において重要な課題である、多数の量子ビットのコヒーレント制御[5]に指針を与えるもので、今後の研究開発を加速させることが期待できます。 量子コンピュータの動作には、量子もつれと呼ばれる複数量子ビット間の相関の制御が重要です。シリコン量子ドット中の電子スピンを用いた量子ビットでは、この数年で2量子ビット間の量子もつれが実証されました。しかし、量子誤り訂正[6]など重要な量子アルゴリ
蒸発するブラックホールの内部を理論的に記述
理化学研究所（理研）数理創造プログラムの横倉祐貴上級研究員らの共同研究チームは、量子力学[1]と一般相対性理論[2]を用いて、蒸発するブラックホールの内部を理論的に記述しました。 本研究成果は、ブラックホールの正体に迫るものであり、遠い未来、情報[1]を蓄えるデバイスとしてブラックホールを活用する「ブラックホール工学」の基礎理論になると期待できます。 近年の観測により、ブラックホールの周辺のことについては徐々に分かってきましたが、その内部については、極めて強い重力によって信号が外にほとんど出てこられないため、何も分かっていません。また、ブラックホールは「ホーキング輻射[3]」によって蒸発することが理論的に示されており、内部にあった物質の持つ情報が蒸発後にどうなってしまうのかは、現代物理学における大きな未解決問題の一つです。 今回、共同研究チームは、ブラックホールの形成段階から蒸発の効果を直
脳の基本単位回路を発見 | 理化学研究所
要旨 理化学研究所（理研）脳科学総合研究センター局所神経回路研究チームの細谷俊彦チームリーダー、丸岡久人研究員らの研究チーム※は、哺乳類の大脳皮質[1]が単純な機能単位回路の繰り返しからなる六方格子状の構造を持つことを発見しました。 大脳はさまざまな皮質領野[2]に分かれており、それぞれ感覚処理、運動制御、言語、思考など異なる機能をつかさどっています。大脳は極めて複雑な組織なため、その回路の構造には不明な点が多く残っています。特に、単一の回路が繰り返した構造が存在するか否かは不明でした。 今回、研究チームは、大脳皮質に6層ある細胞層の一つである第5層をマウス脳を用いて解析し、大部分の神経細胞が細胞タイプ特異的なカラム状の小さなクラスター（マイクロカラム）を形成していることを発見しました。マイクロカラムは六方格子状の規則的な配置をとっており、機能の異なるさまざまな大脳皮質領野に共通に存在して
式が書ければ「京」が使える | 理化学研究所
要旨 理化学研究所（理研）計算科学研究機構コデザイン推進チームの村主崇行特別研究員らと、千葉大学の堀田英之特任助教、神戸大学の牧野淳一郎教授、京都大学の細野七月特任助教、富士通株式会社の井上晃マネージャーらの共同研究グループ※は、スーパーコンピュータ「京（けい）」[1]を用いて、数式のような簡潔な指示を書くだけでスーパーコンピュータでの計算に必要となる高度なプログラムを自動生成できるプログラミング言語「Formura」を開発しました。 スーパーコンピュータでの計算に必要となるプログラムはときに数十万行にも及び、作成やチューニングは大変困難です。一方で、原理的にはシミュレーションしたい自然現象とその離散化法[2]を指定すれば、プログラムは機械的に生成できます。しかし、プログラミングはシミュレーションとコンピュータ双方に深い知識が必要となる非常に高度な作業であり、多数の計算機を協調して動作させ
社会的認知機能の巨大脳ネットワーク構造を解明 | 理化学研究所
要旨 理化学研究所（理研）脳科学総合研究センター適応知性研究チームの藤井直敬チームリーダー、ジーナス・チャオ客員研究員（自然科学研究機構 生理学研究所 特任助教）らの研究チームは、ニホンザルを用いて文脈[1]依存的な社会的認知機能[2]の脳ネットワーク構造を解明しました。 ものごとの意味は、自己や他者の振る舞いや過去の履歴、環境などの社会的な文脈によって変化します。例えば、ある人に対して誰かが怒っているシーンを見た後に、怒られた人が眼と口を大きく見開いている様子を見れば、その人は怒られたせいで恐怖を感じているのだと思います。一方で、事前にその人に対してサプライズパーティを仕掛けたシーンを見ていたとしたら、眼と口を大きく見開くという様子は、恐怖とは逆の“びっくり”と“うれしさ”が混ざった様子に見えると想像できます。ある1つのシーンの意味は1つではなく、見る者が事前にどのような文脈情報を得てい
新星爆発の瞬間の観測に成功 | 理化学研究所
ポイント 小マゼラン星雲に極めて明るいＸ線を放つ突発天体を発見 X線は新星爆発直後の約１時間、重量級の白色矮星を包み込んだ「火の玉」から放射 「火の玉」の観測は史上初、「火の玉」からの閃光中にネオンの放射を発見 要旨 理化学研究所（理研、野依良治理事長）は、宇宙航空研究開発機構（JAXA、奥村直樹理事長）と共同で開発し、国際宇宙ステーション（ISS）に搭載した全天X線監視装置「MAXI(マキシ)」を用いて、新星爆発の瞬間に重量級の白色矮星[1]を包みこんだ「火の玉」を初めて観測することに成功しました。これは、理研グローバル研究クラスタ（玉尾皓平クラスタ長）理研のMAXIチーム(牧島一夫チームリーダー) の森井幹雄協力研究員らを中心とした全国のMAXI研究グループ[2]と、NASAのSwift（スウィフト）衛星チームの協力研究者[3]による共同研究グループの成果です。 重い白色矮星の表面上で
動物の体を相似形にするメカニズムを発見 | 60秒でわかるプレスリリース | 理化学研究所
オーガナイザーというと、組織を束ねる主催者などを指します。皆をまとめてある方向に導く司令塔みたいな役割を果たす人です。発生学の世界でも司令塔として機能するオーガナイザーが存在し、特に初期胚の背側部分に存在する小さな組織は、発見した科学者の名前をつけて「シュペーマンオーガナイザー（形成体）」と呼ばれています。脊椎動物の複雑な組織は、シュペーマンオーガナイザーから分泌される「コーディン」などの指令因子の濃度勾配で決まります。濃度が高いところでは脳など背側の組織が、濃度が低いところでは造血組織など腹側の組織が形成されます。 ところで、動物の体のサイズにはばらつきがあり、同じ種でもサイズが違うこともしばしば見受けられます。しかし、一般的には体のサイズに大小があっても同種や近い種であれば、頭や胴、足などの大きさの比率は体のサイズに対して一定です。これをスケーリング（相似形維持）といい、多様な動物に共
蛍光顕微鏡を用いず一般の顕微鏡で細胞の蛍光観察に成功 | 理化学研究所
ポイント 一般の顕微鏡でも微弱な蛍光を観察できるアダプターを開発 高出力の水銀ランプやレーザーを使わず、細胞へのダメージを減少 アダプターに絞りを付加し、1つの光源で蛍光と可視光を同時に観察 要旨 独立行政法人理化学研究所（野依良治理事長）は、一般の顕微鏡の光源下に励起フィルターを取り付けるためのアダプターを開発し、蛍光顕微鏡※1を用いずに細胞を蛍光観察することに成功しました。これは理研発生・再生科学総合研究センター（竹市雅俊センター長）ゲノム･リプログラミング研究チームの若山照彦チームリーダー、山縣一夫研究員（現大阪大学微生物病研究所 特任准教授）、近畿大学生物理工学部遺伝子工学科の佐伯和弘教授および大阪大学大学院生命機能研究科の木村宏准教授らの研究グループによる成果です。 現在の生命科学研究では、蛍光色素※2による細胞の染め分けが不可欠です。蛍光色素が発する蛍光を利用することで、細胞内
レアアースの欠陥が強磁性を発生させる仕組みを発見 | 理化学研究所
ポイント カゴ状化合物のスクッテルダイトを使って強磁性発生の仕組みを解明 温度と電子状態に関して、従来知られていた現象とは逆の新規現象を発見 基礎物理学だけでなく、産業応用の観点からも重要 要旨 独立行政法人理化学研究所（野依良治理事長）は、充填率が100%に満たないカゴ状化合物のスクッテルダイト※（YbXFe4Sb12）が、強磁性※2を発生する新しい仕組みを発見しました。これは、理研放射光科学総合研究センター（石川哲也センター長）石川X線干渉光学研究室の山岡人志専任研究員、日本原子力研究開発機構（鈴木篤之理事長）のイニヤス ジャリッジ（Ignace Jarrige）研究員、物質・材料研究機構（潮田資勝理事長）の辻井直人主任研究員、テキサス大学（ウィリアム パワーズ ジュニア：William Powers Jr.）のジュンフー リン（Jung-Fu Lin）助教、富山大学（遠藤俊郎学長）の
背骨を持たない脊椎動物「ヌタウナギ」に背骨の痕跡を発見 | 理化学研究所
ポイント 複数の異なる発生段階のヌタウナギ胚を用いて遺伝子レベルで初解析 ヌタウナギ類の背骨を作り出す発生学的仕組みは基本的にヒトと同じ 背骨の進化過程に関して、動物学の教科書を覆す新しい仮説を提唱 要旨 独立行政法人理化学研究所（野依良治理事長）は、「背骨を持たない脊椎動物」として動物学の教科書の中で紹介されてきたヌタウナギ類から背骨の痕跡を発見し、これまで語られてきた「背骨の進化過程」を覆す新しい仮説を導き出しました。これは理研発生・再生科学総合研究センター（竹市雅俊センター長）形態進化研究グループの倉谷滋グループディレクター、太田欽也研究員らの研究成果です。 ヌタウナギ類は、一見背骨がないように見えることから、祖先的な形態を残した脊椎動物であると考えられることが多く、一般的な脊椎動物学の教科書にもそのように記述されています。一方1900年には、米国の学者がヌタウナギ類の成体に「非常に
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