脳の揺らぎは情報を制限しない―高次元ノイズのスケール不変性から、30年来の問いに答える―

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2026-09-28 京都大学

京都大学などの国際共同研究チームは、マウス一次視覚野(V1)の大規模な神経活動データと数理理論を組み合わせ、神経細胞集団から読み出せる情報量と共有ノイズの関係を解析した。1990年代以来、神経細胞間で共有される揺らぎ(ノイズ)が増えると、神経細胞数を増やしても読み出せる情報量には上限が生じると考えられてきた。今回、神経活動のノイズ構造と信号との関係を解析したところ、これらが集団サイズによらず同じ形を保つ「スケール不変性」とべき乗則に従うことが判明。この性質を数理理論に組み込んだ結果、共有ノイズは情報量を上限で制限せず、神経細胞数の増加に伴って情報量も増え続け得ることが示された。研究チームは、観測できる有限の神経細胞集団から、その先の情報量の増加を推定する理論を構築した。これは、大規模神経活動から神経集団が担う情報量の限界を評価する新しい枠組みにつながる成果である。

脳の揺らぎは情報を制限しない―高次元ノイズのスケール不変性から、30年来の問いに答える―
神経細胞の数を増やしたときに読み取れる情報量の増え方を表したイメージ図(Illust. Robin Hoshino)

<関連情報>

⾼次元ノイズのスケール不変性のもとにおける集団符号化 Population coding under the scale invariance of high-dimensional noise

S. Amin Moosavi, Sai Sumedh R. Hindupur, and Hideaki Shimazaki
Science Advances  Published:25 Sep 2026
DOI:https://doi.org/10.1126/sciadv.adz9632

Abstract

High-dimensional scale-invariant neural activity is ubiquitous across brain regions and species, but its implications for information coding remain unclear. Here, we ask how stimulus information in the high-dimensional activity of mouse V1 scales with neuron number: Does it saturate due to noise correlations or increase without bound as subpopulations grow? Contrary to previous reports, we find that leading noise components that scale linearly with population size, and thus can limit information, are not sufficiently aligned with the signal to impose a bound. This conclusion follows from two scale-invariant power-law properties of neuronal responses in mouse V1: the noise eigenspectrum and alignment of noise components with the signal. We show that population subsampling links the observed power-law exponents to information boundedness and that information scaling depends on the full eigenspectrum rather than its leading modes. Last, we prove that, under subsampling, information-limiting correlations, if present, are differential correlations. Our findings clarify how information scales in high-dimensional neuronal activity under scale-invariant noise.

生物工学一般
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