研究現況 2000
Activities 2000
●無線通信のための非線形適応信号処理:予測自己組織化マップ(P-SOM)の提案およびマルチキャリア位相追随方式の解析
廣瀬 明、本多正明、長嶋知行
無線通信のための非線形適応信号処理について、本年は次の2点について研究を進めた。 (1)直交周波数分割多重(OFDM)無線通信方式は遅延時間差の大小にかかわらず劣化が小さい点で優れており、現状の符号分割多重アクセス(CDMA)方式の次世代方式として有望である。しかしこの方式は回路技術上等価的にビットレートの低下と同等の作用を及ぼすため、位相追従を含めた適応的復調に工夫が必要となる。自己組織化マップ(SOM)は、通信信号の非線形変化にも対応可能な高度な適応力を持ったベクトル量子化手法である。一方、ディジタル復調で用いられようとしている準同期検波方式で得られる受信信号は位相回転を伴うため、このような常時移動信号に弱いSOMの適用の大きな障害となっている。我々は、新たに予測自己組織化マップ(P-SOM)を提案し、これを解決することに成功した。P-SOMは、信号値自身に対する参照点のほかに、信号移動の時間微分値に対する参照点を有し、「予測参照点」を生成する。それによって、移動する信号クラスタの平均速度や平均加速度等を考慮したベクトル量子化を可能にする手法である。本手法によって、従来型SOMの10倍以上速さの位相回転に追随する適応復調システムを構成することに成功した。また、その詳細な雑音解析にも成功した。その見通しの良い結果から、P-SOMはSOMのみならず一般的な多くの適応フィルタを包含する一つのクラスを構成することが明らかになりつつある。 (2)また、通信における特にマルチパス環境下の位相追随の問題を解決する手法として我々が提案するマルチキャリア再生方式について、本年はその理論的解析を進め、ループ時定数と追従速度および追従周波数偏移との関係を明らかにした。またシミュレーション実験によって、その優れた適応復調効果を示すことに成功した。複数波独立フェーディング環境において、ドップラーシフトと減衰をそれぞれ別々に受けたキャリアに対して、マルチキャリア最盛期がそれぞれの信号からキャリアを再生することができることを示した。また、ドップラーシフト量の変化にも柔軟に追随させることに成功した。
●複素マルコフ・ランダム・フィールド(CMRF)モデルに基く干渉型合成開口レーダ(InSAR)画像の修復と多機能適応区分
廣瀬 明、アンドリヤン バユ スクスモノ、南本
本年は干渉型合成開口レーダ(InSAR)画像の適応処理に関して、次の2つの研究を進めた。 (1)InSAR画像を適応的に修復するために、複素マルコフ・ランダム・ フィールド(CMRF) モデルを画像の統計的なモデルとして考案し、それに基いて画像テクスチャの修復を行う複素ニューラルネットワークを提案した。統計的な特徴ベクトルとして、複素振幅空間における平均、共分散などを用いた。それによって、画像に高密度で分布している位相特異点を実質的に解消することに成功し、高速で高精度の位相アンラッピング方法を実現した。その結果、InSAR画像から極めて高品質のディジタル・エレベーション・マップ(DEM)を自動的に生成できることを示した。 (2)一般的に画像を区分する方法には、テクスチャ区分と画素値区分がある。本年は、干渉型合成開口レーダ(InSAR)のような複素振幅画像を画素値区分する新たな改良型手法を提案した。Gemanらの領域ベース結合によるグレー・スケール画像の画素値区分方法を複素振幅情報空間に拡張し、またラベルも複素化することにより、完全複素領域ベース結合画像区分化ニューラルネットワークを提案した。このニューラルネットワークは、生データを入力する入力層の他に、雑音が軽減された複素推定画像層と複素連続ラベルを内部信号として持つラベル層とを有する。相関相互作用は、すべて複素データ空間で行われる。本方式によって富士山近傍のInSARデータを高度・反射度分類したところ、山中湖の切り出しや富士宮市の市街・郊外分類および高度分類に成功した。またニューロ・パラメータを選択することにより、分類性格を制御することが可能であることも併せて示した。
●アナログ・ニューラルネットワークの雑音および動作解析
廣瀬 明、中沢一彦
ニューラルネットワークは、高周波応用の超高速動作あるいはインターフェイスの超並列動作などの場面では、アナログ・ハードウエア(しかもパルスによらない)によって実現されることが必須となる。ところが従来、アナログ・ニューロはその動作が雑音(主として結合荷重精度の不足やドリフト)のために不安定であるとされ、敬遠されてきた。また多層またはリカレント結合ネットワークの高周波における雑音の性質も明らかではなかった。本研究は、これらを明らかにすることにより、真にハードウエア・ニューラルネットワークが構築され有用に用いられるための指針を得ようとするものである。本年は、ディスクリート部品による回路およびVDECカスタムチップによる回路に対する計測を進めた。その結果、ニューロンユニットの回路構成およびシナプス抵抗の電圧対称性および遅延対称性が、ニューラルネットワーク動作に極めて大きな影響を及ぼすことが明らかになった。現在、定量的評価を進めており、また対称性の改善されたアナログ・ニューラルネットワークをVDECで試作中である。
●コヒーレント光波ニューラルネットワークの光周波数多重化
廣瀬 明、川田宗太郎
コヒーレント光波ニューラルネットワークは、光波の位相、周波数、および振幅の情報を利用する、高機能ニューラルネットワーク・ハードウエアである。特に光波は電子回路に比べて格段に広い周波数帯域を有するため、これを光周波数分割によって並列利用できれば、並列分散性にその特長を有するニューラルネットワーク情報処理にとって大きな利点となる。本年は、光周波数を制御することにより異なる連想記憶動作を行うコヒーレント光波ニューラルネットワークの実証実験を開始した。具体的には、シナプス結合の時間遅延が及ぼす影響を取りこんだ構築理論を確立した。また、光入力型・位相変調型・空間光変調器(PAL-SLM)を組みこんだ光学系の構築を進めた。
●自己組織化する能動性機構
廣瀬 明、石丸大、田端千春
能動性は、将来の脳型情報処理システムの不可欠な機能であると考えられている。そしてそれは、複数のニューロモジュールをスイッチで切りかえることにより(工学的には)実現されつつある。しかしこの場合、予めモジュールの数を決定しまたスイッチ機構を用意しておく必要があり、自己組織化させることが困難であった。この問題を解決するため、本年は次の2つの研究を行った。 (1)拡張複素一般化Hebb則(CGHA)を考案・提案して、複素ニューラルネットワークの動作スイッチのための記号生成を実現することに成功した。CGHAのアイデアは1997年にMITのZhangらによって提案され、ソナー信号の独立成分解析(ICA)に用いられた。我々は、この原理を修正し、コヒーレント型ニューラルネットワーク(動作がキャリア周波数に依存する)の動作切替のための記号情報生成に用いることを提案した。これまでにパターン入力に対する記号情報抽出に成功し、現在スイッチングによる文脈依存動作の実現を進めている。 (2)我々はこれまでに、能動性を自己組織化させる方法として、コヒーレント型ニューラルネットワークの性質の一つであるキャリア周波数制御性を利用することにより、自己組織化可能な能動性機構を実現する方法を提案している。この場合、キャリアスペクトル形状を意識状態に対応させることによって、文脈依存性などの能動性に特徴的な動作を発現させることが可能になると期待される。本年は、ニューロン間に相異なる遅延時間を持った複数シナプス結合を有するニューラルネットワークを構成し、実際に「異なる周波数で異なる連想記憶動作」を実現し、文脈依存動作をデモンストレーションすることに成功した。これによって、これまでに示されている機構の自己組織化と、今回の文脈依存動作を組合わせることにより、脳型情報処理に必要な能動性が実現可能であると期待することが可能になった。
●興奮性後シナプス電位と活動電位のそれぞれに伴う磁界の定量的評価
廣瀬 明、酒谷 誠一
近年、脳磁図(MEG)などの生理的計測装置における時空間的解像度に著しい進展が見られる。そこでMEGの解像度が上がった場合に考慮すべき微視的な理論の構築や数値解析が必要であると考えられる。従来、神経細胞活動に伴い発生する近傍の磁場は主に興奮性後シナプス電位(EPSP)によるものだと考えられてきた。本年は、CA3における単一錐体細胞を模擬したコンパートメントモデルを用いて近傍における磁場の発生原因となる膜電位が何であるか数値解析的に評価した。その結果、つぎのことが明らかになった。 (1)磁界の主な最大値の起源は、細胞体の発火と細胞体のバーストに伴い発生する尖端樹状突起と基底樹上突起におけるCa^{2+}スパイクに起因する逆伝搬パルスである。(2)尖樹状突起および基底樹状突起中の電流が作る磁場は、発火およびバースト時には相殺し、微妙なタイミングによって値が大きく減少する。(3)軸索中の電流が作る磁場は無視できない程度の大きさを持ち、計測目的によっては考慮されるべきものである。これらの結果は従来の常識を更新するものであり、生理学上極めて重要である。
●海馬CA3領域スライスの磁場生成の起源と機構の解明:特にイオンチャネル種類別磁場生成機構の解明と細胞外電位の評価
廣瀬 明、村上 慎吾
脳磁場計測は、従来、脳のどの部位が活動しているのかを逆問題として解析することはできたが、その磁場が何に由来しどのような細胞活動に対応しているのかは、未知の部分が多い。我々は、マイクロSQUIDによるCA3磁場計測を想定して、対応する磁場定量評価用の数値計算モデルの構築を進めている。海馬CA3領域ネットワークの膜電位ダイナミクスを解析するのに提案されたTraub1991モデルをベースとしている。これにはチャネル密度分布などに未知パラメータが多数存在し、従来、想像推定値が用いられている。我々は磁場計測結果とフィッティングを行うことによって、いくつかのパラメータをより尤度の高い値に変更し、電流密度分布および磁場密度分布の解析を進めている。本年は、特にイオンチャネル種類別の磁場生成機構について数値解析を行い、各種K^{+}、Na^{+}、Ca^{2+}などのイオンチャネルの動作が生成する磁場を定量的に分析した。その結果、5つの主要なイオンチャネル活動によって磁場の生成とその時間変動が定量的に、また整合的に、説明されることが明らかとなった。この結果は基礎研究として重要であるのみでなく、いわゆるチャネル不全症候群の非侵襲診断にも道を拓くものとして大きな意味がある。なお、本研究はニューメキシコ大学医学生理学教室(Prof. Y.C.Okada)との共同研究である。
●Nonlinear adaptive signal processing: Proposal of predictive self-organizing map (P-SOM) for vector quantization of migratory signals and communications and Analysis of multicarrier regeneration method
Akira Hirose, Masaaki Honda, Tomoyuki Nagashima
We investigate nonlinear adaptive signal processing methods concentrating upon the following two subjects in this year. (1)We have proposed a predictive self-organizing map (P-SOM) that performs an adaptive vector quantization of migratory time-sequential signals whose stochastic properties such as average values of signals in each cluster are varying continuously. The P-SOM possesses not only the weights corresponding to the signal values themselves but also those related to the time-derivative information. All the weights self-organize to predict appropriate future reference vectors. The prediction using the time-derivative weights brings the separation of continuously varying components from random noise components, resulting in a better performance of the adaptive vector quantization. An application to a mobile communication receiver using quasi-coherent detection has been presented assuming the future OFDM communications where the bit rate of each stream is equivalently very lower. Simulation experiments on the bit-error rate performance have demonstrated that the P-SOM adaptive demodulator has a superior capability to track phase rotations caused by the Doppler effect. Theoretical noise evaluations have also been reported for the conventional SOM and the P-SOM and compared with the experimental results. (2)Another proposal to solve the interference in multipath and multiple Doppler-shift-frequency environment is the adaptive multicarrier regeneration. We analyzed the operation of the multicarrier regenerator in simulation experiments. It is successfully demonstrated that the regenerator tracks three different-frequency carriers and generates demodulated signals used in the frequency diversity signal summation.
●Interferometric SAR image restoration and adaptive multifunctional clustering based on the complex-valued Markov random field model
Akira Hirose, Andriyan Bayu Suksmono, Motoi Minami
The following two subjects have been investigated. (1)We have presented a novel method of interferometric synthetic aperture radar (InSAR) image restoration. An InSAR image is modeled as a complex-valued Markov random field (CMRF) which is our new proposal. Corrupted parts, which are indicated by residues in phase data, are restored by using the Monte Carlo Metropolis (MM) method based on their uncorrupted neighbor’s CMRF parameter values. The system is implemented as a complex-valued neural network. The restoration process reduces the residue number successfully, which is useful in the phase unwrapping process. The advantage of the method is demonstrated in the unwrapping process of an InSAR image that contains highly dense residues. (2)We have proposed the complex-valued region-based-coupling image clustering (continuous soft segmentation) neural networks for interferometric radar image processing. They deal with the amplitude and phase information of radar data as a combined complex-amplitude image. Therey, not only the reflectance but also the distance (optical length) are consistently taken into account for the clustering process. A continuous complex-valued label is employed whose structure is the same as that of input raw data and estimation image. Experiments have demonstrated successfully the clustering operations for interferometric synthetic aperture radar (InSAR) images. The method is applicable also to future radar systems for image acquisition in, e.g., invisible fire smoke places and intelligent transportation systems by generating a processed image more recognizable by human and automatic recognition machine.
●Noise and operation analysis of analog neural network hardware
Akira Hirose, Kazuhiko Nakazawa
Neural networks have to be implemented as an analog hardware (non-pulse type) when used for high-frequency applications (ultra high speed signal processing) or as a massively parallel interface (ultra highly parallel processing). Nevertheless, the analog neural networks have not been investigated widely because of the unstable behavior affected by noise (including insufficient accuracy of weights and large drift). The noise spectrum in high frequency regions has still been unclear. We aim at realizing an effectively useful analog hardware by elucidating the origin of such weakness. In this year, we conducted measurement of characteristics of two kinds of associative memories (recurrent networks); i.e., a discrete component network and a VDEC custom chip network. The measurement results showed that the recalling process is affected to a great extent by the symmetricalness of the neuron-unit circuit and the synaptic resistors. We are now designing a new network chip without the defects and going to fabricate it through the VDEC.
●Frequency-domain multiplication in coherent lightwave neural networks
Akira Hirose, Sotaro Kawata
The coherent lightwave neural network is a highly functional neural hardware utilizing the phase, frequency and amplitude of the carrier lightwave. In particular, the network parallelism, which is the most specific structure of the neural systems, can be much increased because lightwave has a tremendously wide frequency bandwidth which can be used for the frequency domain multiplexing (FDM). In this year, we have started to construct a coherent lightwave associative memory system that recalls different attractors depending on the controlled optical carrier frequency. Firstly we established the theory to deal with synaptic delay consistently. Secondly we introduced optical input parallel-aligned liquid-crystal spatial light modulator (PAL-SLM) as the variable synaptic connections to construct the system.
●Self-organizing activeness mechanisms: Complex-valued Generalized Hebbian Algorithm (CGHA) for symbol information generation and Carrier-frequency utilization for context-dependent behaciors in coherent neural networks
Akira Hirose, Dai Ishimaru, Chiharu Tabata
The activeness is considered an indispensable function in the future brain-type information processing systems. In the present state of the art in engineering, the function is realized by switching plural neural modules. However, in this case, we have to determine the module numbers and prepare the switches beforehand. In other word, the mechanism cannot self-organize. In this year, we have investigated the following two topics. (1)We proposed an extended complex-valued generalized Hebbian algorithm (CGHA) to generate symbol information used in switching of complex-valued neural-network behaviors. The basic idea of the CGHA was proposed in 1997 by Zhang et al. at the MIT and used in the independent component analysis (ICA) of sonar signals. We have modified the CGHA to generate symbol information to switch the frequency-dependent coherent network behaviors for pattern input signals. The network is to demonstrate a context-dependent behavior of a task neural network. (2)Previously we proposed the utilization of carrier-frequency controllability in coherent neural networks to realize the self-organization of an activeness mechanism. Thereby we expect that the system obtain an activeness such as context-dependent behaviors by relating the carrier spectrum density profile to various consciousness states. In this year, we have constructed a coherent neural network in which each neural connection has plural synaptic connections with different delay time to demonstrate that a different carrier frequency give rise to a different associative-memory hehavior. The system showed a context-dependent behavior successfully. We now expect that the activeness mechanism required in the future brain-type systems will be realized by combining the present result with the frequency-domain self-organization principle.
●Quantitative evaluation of the magnetic field generated by a CA3 pyramidal cell at EPSP and action potential stages
Akira Hirose, Seiichi Sakatani
We have evaluated quantitatively which behavioral stage dominantly generates magnetic field adjacent to a CA3 pyramidal cell by using a compartmental model with dendrites and an axon. Generally speaking, there are four stages in the potential behavior, i.e., EPSP and IPSP, firing action potential, bursting action potential, if any, and AHP stages. Calculated magnetic field also consists of corresponding four stages. We found, first, the dominant origin of the peaks of the magnetic field is counter propagating pulses at the firing and bursting stage at basal and apical dendrites. Secondly, the amplitude of the magnetic field changes to a great extent by the cancellation timing of the apical-and basal-originating fields depending on the calcium ionic channel spikes. Thirdly, the field generated by the current flowing through the axon is significant enough when the temporal res-olution of the measurement system becomes high. The results predict that the magnetic field waveform measured in physiological experiments represents the dendritic configurations, channel density distributions and bursting characteristics. These facts enable new investigations of neuronal activities more in detail through the observation of the magnetic-field waveform.
●Identification of ion channel contributions to the generation of neural magnetic fields
Akira Hirose, Shingo Murakami
Our analysis method using detailed compartmental model based on the Traub1991 model opened a new mesoscopic investigation of magnetoencephalography (MEG). This year, we analyzed the magnetic-field induction mechanism concentrating upon the contribution of each ion channel, i.e., various K^{+}, Na^{+}, Ca^{2+}, etc. We are successful to decompose the current dipole into single ion contributions. As a result, it is found that the dipole consists of five dominant ion channels. Their time-sequential behaviors can successfully be depicted. The result is significantly important not only as a basic research output but also as a development trigger of the future noninvasive measurement of the so-called channel diseases. This research is conducted as collaboration with the Neurophysiology Laboratory (Prof. Okada Lab.) at the New Mexico University.
 
論文・著書一覧(2000年度)
Publications List
研究論文
[1] A.Hirose and M.Kiuchi: Coherent optical associative memory system that processes complex-amplitude information, IEEE Photon. Technol. Lett., Vol.12, No.5, pp.564-566 (2000).
[2] A.B.Suksmono, A.Hirose: Adaptive complex-amplitude texture classifier that deals with both height and reflectance for interferomentic SAR images, IEICE Trans. On Electron., Vol.E83-C, No.12, pp.1912-1916 (2000).
[3] S.Sakatani and A.Hirose: Quantitative evaluation of magnetic fields generated by excitatory postsynaptic potential (EPSP) and action potential, Neuroscience Research, Vol. Supplement 24, pp.S84, P-193 (2000).

国際会議論文
[4] A.Hirose and M.Kiuchi: Coherent lightwave associative memory, International Conference on Optics in Computing (OC) 2000, Quebec City, pp.682-687 (June 18-23, 2000).
[5] A.Hirose and K.Hiramatsu: Proposal of complex-valued region-based-coupling segmentation neural networks and the application to radar imaging systems, International Joint Conference on Neural Networks (IJCNN) 2000, Como, Vol. 1, pp.146-151 (July 24-27, 2000).
[6] A.B.Suksmono and A.Hirose: Proposal of adaptive complex-amplitude texture classifier using local phase unwrapping and complex-valued feature extraction for interferometric SAR images, International Symposium on Antennas, Propagation and EM Theory (ISAPE) 2000, Beijing, pp.247-150 (August 15-18, 2000).

シンポジウム・研究会・大会等発表
[7] 廣瀬明, 南本: 複素型領域ベース結合画像区分ニューラルネットワークの提案と干渉型レーダ画像処理への適用(Complex-valued region-based-coupling image segmentation neural networks and their applications to interferometric synthetic aperture radar image processin), 電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会 NC2000-113, pp.79-86 (2000年3月14日).
[8] 村上慎吾, 廣瀬明, Y.C.Okada: 海馬CA3モデルを用いた脳磁場発生機構の定量的解析(Quantitative analysis of the MEG genesis using a hippocampus CA3 model), 電子情報通信学会MEとバイオサイバネティクス研究会 MBE2000-153, pp.53-60 (2000年3月14日).
[9] 酒谷誠一, Y.C.Okada, 廣瀬明: EPSPおよび活動電位によって生じる磁場の定量的評価(A quantitative evaluation of the magnetic field generated by EPSP and action potential), 電子情報通信学会MEとバイオサイバネティクス研究会 MBE2000-161, pp.111-118 (2000年3月14日).
[10] 酒谷誠一, 廣瀬明: 3次元錐体細胞モデルを用いた膜電位変化の微視的解析(Microscopic analysis of membrane potential dynamics using a three-dimensional pyramidal cell model), 日本神経回路学会JNNS2000, p.123, P-193 (2000年9月4日).
[11] 本多正明, 廣瀬明: マルチパス環境下におけるドップラーシフト対応受信機のためのマルチキャリア再生方式の提案(Proposal of multiple carrier regenerator for receiver adapted to Doppler shift in multiple path environment), 電子情報通信学会通信ソサイエティ大会, Proc. Commun. Soc., B-5-29, p.317 (2000年10月1日).
[12] 廣瀬明, 平松克彦, A.B.Suksmono: 複素型領域ベース結合画像区分ニューラルネットワークと位相特異点の解消(Complex-valued region-based-coupling segmentation neural networks and the phase singularity reduction), 電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会, Proc. Electron. Soc., SC-2-6, p.336 (2000年10月1日).

その他
[13] 廣瀬明, 村上慎吾, 酒谷誠一: 神経細胞活動に付随する微視的な磁界分布の解析, 文部省科研費重点領域研究「総合脳」成果報告, No.21, (Dec. 18-19, 2000).
[14] 廣瀬明: 機械・コンピュータはどれだけ人間の脳に近づけるのか, InterLab, Vol.24, pp.43-44 (2000)

受賞
[15] 廣瀬 明, 稲盛財団スカラーズメンバー, 稲盛財団, 14-Apr-00