第４回WBAレクチャー

HCD作成の実践：
説明とハンズオン
早稲田大学

田和辻 可昌本日のセミナーの内容と目標
1. HCDファイル・HCD関連ファイル作成に関する説明（20分）
目標１：HCDファイル/関連ファイル作成の概要が理解ができる
目標２：HCDファイル作成の大まかな手順が理解できる

2. HCDファイル作成の実践（40分）
目標：与えられたHCD関連ファイルからHCDデータを作成できる
対象脳器官：Amygdala本セッションではHCDのデータ登録方法について述べる

脳情報フロー (BIF)

circuits

作成

神経科学分野の論文・データ

制約

仮説的コンポーネント図(HCD)
仮説的コンポーネント図(HCD)
仮説的コンポーネント図 (HCD)1connec-tio
ns

B

2

C

D

Environment (various tasks)

E

4

65

アサイン

3

7

Functionof components:
A, B, C,Functionof components:
A,D,B,E C, D, E
Meaning of connections: 1, 2, 3, 4, 5, 6

Step 3-A:候補となるHCDの列挙（可能性の網羅）

実現
機能着目
脳領域

Step 3-B: 様々な科学知見からみて矛盾のある HCDを棄却
3

HCDデータ投稿プロセス＆審査プロセス
投稿者

審査者

担当者

データ準備・説明文
・HCDイメージ
・HCDデータ

フォーマット一式・作成マニュアルの提供

専用ポータルサイトより投稿
およびライセンスへの同意提出ファイルの確認
審査書と併せて，審査者へ審査依頼

審査結果に基づいて必要に応じて修正審査結果を投稿者にフィードバック

本セッションの説明対象

提出ファイルを以下の観点で評価
・生物学的妥当性・機能性・実装可能性
審査結果と審査報告書の提出

HCDデータ投稿プロセス＆審査プロセス
投稿者

担当者

データ準備・説明文
・HCDイメージ
・HCDデータ

フォーマット一式・作成マニュアルの提供

専用ポータルサイトより投稿
およびライセンスへの同意提出ファイルの確認
審査書と併せて，審査者へ審査依頼

審査結果に基づいて必要に応じて修正審査結果を投稿者にフィード
バック

審査者

後程山川さんより説明
提出ファイルを以下の観点で評価
・生物学的妥当性
・機能性
・実装可能性審査結果と審査報告書の提出

評価の目的(1)生物学的妥当性(2)機能性（最上位機能を実現するような機能の組織化）(3)計算モデルの実装可能性の評価によるモデルの利活用（再利用性）支援本日の流れ1. HCD関連ファイルの作成手順の説明
a. 着目した神経回路構造に関する図とその作成手順
b. 構築したHCDを説明する文章（説明文）とその作成手順
c. HCDをデータとして登録する方法（HCDデータの作成手順）
2. HCD作成ハンズオン
a. 演習1：Amygdala TLF1のHCDデータを作成してみよう
b. 演習2（実践）：Amygdala TLF2のHCDデータを作成してみよう本日利用するファイル•HCD: Template-v1-4.hcd（コピーして利用します：後述）•HCD演習用ファイル•••

HCD Description Text: TM22Amygdaloid complex
HCD Image（2枚）

マニュアル••HCD data preparation manual-jp
Descriptive text and HCD image preparation manual-jp

HCD関連ファイル
ファイル形式とテンプレートファイル

概要

HCDイメージ(HCD Image)

ROIに含まれるCircuit/Uniform Circuitの解剖学的構造、 画像ファイル（png）
およびROIに対する入力および出力をノードとリンクで表現した図。

説明文(HCDdescriptivetext)

HCD作成においては、「設定したTLFを、ROIの解剖学的 Docファイル構造に基づいてトップダウンに分解することで、UniformCircuitの機能を決定」する。
説明文では「TLFを解剖学的構造に対して矛盾なく、どのように分解したのか」をトップダウンに説明する。

HCDデータ

ROIに含まれるCircuit/Uniform Circuit、Uniform Circuit Spreadsheetファイル
間のConnection、Uniform Circuitに割り当てられた計算上の意味や計算プロセスを記したファイル。

HCD関連ファイル
ファイル形式とテンプレートファイル

概要

HCDイメージ(HCD Image)

ROIに含まれるCircuit/Uniform Circuitの解剖学的構造、 画像ファイル（png）およびROIに対する入力および出力をノードとリンクで表現した図。

説明文(HCDdescriptivetext)

HCD作成においては、「設定したTLFを、ROIの解剖学的 Docファイル構造に基づいてトップダウンに分解することで、UniformCircuitの機能を決定」する。
説明文では「TLFを解剖学的構造に対して矛盾なく、どのように分解したのか」をトップダウンに説明する。

HCDデータ

ROIに含まれるCircuit/Uniform Circuit、Uniform Circuit Spreadsheetファイル
間のConnection、Uniform Circuitに割り当てられた計算上の意味や計算プロセスを記したファイル。

ROI(Region of Interest)とTLF(Top Level Function)の決定

ROI：（TLF1）個体の生存にとって価値のあるUSを用いて中立のCSに価値付けを行い、恐怖反応を引き起こす機能(Lee, S., 2013)

ROIにおける神経回路構造（BIF）の図化※試行錯誤を含む

HCDイメージの作成
ROIに関する解剖学的構造を描画する。
ファイルはpngファイルで作成する。
Connection（inhibitory）

ROI

● ROI
○ 角丸括弧で示し、着目する回路構造を内部に含む。
○ ROIであることを明示する。
Circuit● Circuit/Uniform Circuit○ 楕円で示し、内部にテキストでCircuit IDを記す。
○ Circuitの場合は、CircuitあるいはUniform Circuitを内部に含む● Connection○ 興奮性結合は黒矢印で記す。
○ 抑制性結合は青矢印（終端点は青四角）で記す。

Uniform Circuit

ROI

Uniform Circuit

Connection(Excitatory)

HCD関連ファイル
ファイル形式とテンプレート

ファイル

概要

HCDイメージ(HCD Image)

ROIに含まれるCircuit/Uniform Circuitの解剖学的構造、 画像ファイル（png）
およびROIに対する入力および出力をノードとリンクで表現した図。

説明文(HCDdescriptivetext)

HCD作成においては、「設定したTLFを、ROIの解剖学的 Docファイル
構造に基づいてトップダウンに分解することで、UniformCircuitの機能を決定」する。
説明文では「TLFを解剖学的構造に対して矛盾なく、どのように分解したのか」をトップダウンに説明する。

HCDデータ

ROIに含まれるCircuit/Uniform Circuit、Uniform Circuit Spreadsheetファイル
間のConnection、Uniform Circuitに割り当てられた計算上の意味や計算プロセスを記したファイル。

構造に沿ったTLFの分解
ROI（TLF1）嫌悪刺激(US_input)が入力されているときに同時に入力される条件刺激(CS_input)を記憶し、記憶した条件刺激のみによって恐怖反応を発生することができる能力を獲得し、実際に条件刺激に応じて恐怖反応を生成する機能。

嫌悪刺激(US_input)が入力されているときに同時に入力される条件刺激(CS_input)を記憶し、嫌悪刺激または記憶した条件刺激の入力を検出する
機能+

入力に応じて恐怖反応を生成する機能

入出力の明示
ROI

入力：
嫌悪刺激(US_input)
中立的な感覚刺激(CS_input)
出力：
条件づけられた感覚刺激に応答して発生した恐怖反応

入力

出力
入力
嫌悪刺激(US_input)
中立的な感覚刺激(CS_input)

出力
入力されたI(CS_input) が過去にI(US_input)と同時に入力されたI(CS_input) と一致したことを検出したという信号

入力(La_Pからの)一致信号

+

出力
恐怖反応

Process とOutput Semantics

Process：
入力から出力の変換およびその変換を実現するアルゴリズム
Output Semantics：入出力の信号が計算機能上もつ意味

ROI

入力：
嫌悪刺激(US_input)
中立的な感覚刺激(CS_input)
出力：
条件づけられた感覚刺激に応答して発生した恐怖反応

入力

出力
入力
嫌悪刺激(US_input)
中立的な感覚刺激(CS_input)

出力
入力されたI(CS_input) が過去にI(US_input)と同時に入力されたI(CS_input) と一致したことを検出したという信号

入力(La_Pからの)一致信号

+

出力
恐怖反応

分解された機能では「情報の流れ」が不透明になる
ROI（TLF1）嫌悪刺激(US_input)が入力されているときに同時に入力される条件刺激(CS_input)を記憶し、記憶した条件刺激のみによって恐怖反応を発生することができる能力を獲得し、実際に条件刺激に応じて恐怖反応を生成する機能。

嫌悪刺激(US_input)が入力されているときに同時に入力される条件刺激(CS_input)を記憶し、嫌悪刺激または記憶した条件刺激の入力を検出する機能？

+入力に応じて恐怖反応を生成する機能

説明文・Top-level Functionをいかに設定したか
・どのように機能をトップダウンに分解したか
特に，
1. 分解した後の入出力信号は何か
2. 1.はどのように変換されるか
3. 1.の信号の計算上の意味は何か
4. 各信号はどのように流れるかを記載したもの（末尾にHCD Imageへのリンク）

説明文のフォーマット

説明文の作成説明文ファイルの以下のタブを編集する
0. Basic Information
1. Description of HCD(1-a) Top-level function: TLF(1-b) Top-down decomposition
functional description（※）b.は，作成するHCDの数だけ記述する(1-c) HCD image fileBasic Information
HCDファイルの概要を記述する
a. HCD Data file：HCDデータへのリンクを貼る
b. Contributor
c. Project ID
d. Number of HCD
e. List of contributor
f. Description
g. Date

これらの情報はHCDデータ（後述）のProjectタブに記載した情報をそのまま記載する（詳細はHCD Description Text作成マニュアル参照）

Description of HCD

Top-down decomposition functional description

以下の二種類の説明を記述する● TLFの説明● TLFをトップダウンに分解した説明Description of HCD

Top-down decomposition functional description● TLFの説明
TLFは、〇〇を実現する機能である。「Input Circuit1 (Output Semantics1)、...、Input Circuit N(Output Semantics N) を入力」とし、「Output Circuit 1、 ...、Output Circuit Mを出力」として実現されている。

● ROI全体で実現する機能を記述● どのInputとOutputからなるかを記述

Description of HCD

Top-down decomposition functional description● TLFの説明
TLFは、〇〇を実現する機能である。「Input Circuit1 (Output Semantics1)、...、Input Circuit N(Output Semantics N) を入力」とし、「Output Circuit 1、 ...、Output Circuit Mを出力」として実現されている。

＜記述例＞
TLF(1)は、嫌悪刺激(US_input)が入力されているときに同時に入力される条件刺激(CS_input)を記憶し、記憶した条件刺激に応じて恐怖反応を生成する機能である。
このTLFでは、以下の入力および出力により実現される。中立的な感覚刺激を表現するinput1(CS_input)、嫌悪刺激を表現するinput2(US_input)から、条件付けられた感覚刺激に応答して発生した恐怖反応を表現するoutput1(BA_F)に変換されることで実現される。

Description of HCD

Top-down decomposition functional description● TLFをトップダウンに分解した説明
TLF(i)は〇〇(Output semantics) を実現するための Circuit、...、〇〇(Output semantics)を実現するCircuit IDによって構成されている。

● TLFが、ROI内のCircuit/Uniform Circuit全てに機能が割り当てられるように注意してトップダウンに分解して説明する

Description of HCD

Top-down decomposition functional description● TLFをトップダウンに分解する際のCircuitについて説明
TLF(i)は〇〇(Output semantics) を実現するための Circuit、...、〇〇(Output semantics)を実現するCircuit IDによって構成されている。

＜記述例＞

TLF(1) は、条件付けられた感覚刺激を検出する機能を実現する La、入力に応じて恐怖反応を生成する機能を実現する BA_F によって構成されている。

Description of HCD

Top-down decomposition functional description● 分解された機能がそれぞれどのような入出力の変換等からなるか
上位のCircuit の出力は、 Input Circuits による信号（ベクトルや確率分布） を基に、○○（Output semantics）を表す信号（ベクトルや確率分布）へと変換・生成される。これは、下位のCircuit において入力となる信号（ベクトルや確率分布）を基に Process によって変換された〇〇（Output semantics） を表す 信号（ベクトルや確率分布） が下位のCircuit に伝達され、Process を経て〇〇として出力されることによって実現されている。

＜記述例＞※信号の流れについても明確に記述する

ROI(La+BA_F)の出力は、恐怖刺激を表す I(US_input) 及び 中立的な感覚刺激を表すI(CS_input)
を基に、恐怖反応を表す信号へと変換されることで生成される。これは、Laによって生成される入力されたI(CS_input) が過去にI(US_input)と同時に入力されたI(CS_input) と一致したことを検出したとき出力される信号O(La)がBA_Fに伝達され、BA_FはI(La)の入力があると恐怖反応を表す信号を出力することで実現されている。

HCD関連ファイル
ファイル形式とテンプレート

ファイル

概要

HCDイメージ(HCD Image)

ROIに含まれるCircuit/Uniform Circuitの解剖学的構造、 画像ファイル（png）
およびROIに対する入力および出力をノードとリンクで表現した図。

説明文(HCDdescriptivetext)

HCD作成においては、「設定したTLFを、ROIの解剖学的 Docファイル
構造に基づいてトップダウンに分解することで、UniformCircuitの機能を決定」する。
説明文では「TLFを解剖学的構造に対して矛盾なく、どのように分解したのか」をトップダウンに説明する。

HCDデータ

ROIに含まれるCircuit/Uniform Circuit、Uniform Circuit Spreadsheetファイル
間のConnection、Uniform Circuitに割り当てられた計算上の意味や計算プロセスを記したファイル。

1.HCDデータ作成の大まかな流れ
1. HCD template (v1-4)のコピー取得（作業場所：各自のgoogle drive）
2. HCDファイルの内容の登録
a. Projectb. HCDsc. （必要に応じて）Referenced. （必要に応じて）Circuitse. （必要に応じて）Connections
f. HCDeditor
g. FTV（HCDeditorを作成すると自動で作成）

HCD template (v1-4)

HCDeditor
神経回路構造と機能（Process/Output Semantics）を登録する

HCDeditor
橙色になっている列が編集個所

HCDeditor: 主要列の意味
CircuitやUniform Circuit のCircuit ID

各Circuitの投射先

ROI/inROI/(ROIへの)input/output

Process

Output Samantics

FTVタブ
HCDeditorを編集することで自動で生成されるROIの階層関係を踏まえた要約シート

FTVタブの見方
ROI/inROI/(ROIへの)input/output-Circuit ID (Label)
Input Circuits
Output Circuits「プロセス」

Outputsemantics

審査結果（作成時は使わない）

「Depth=0」に書かれているのがROIやROIの入出力

各レコードの左列のDepthが階層性を表現（相対的に）上位のCircuit（相対的に）下位のCircuit

情報の流れは見えにくい→説明文で説明の必要有

Laの入力・出力と「出力への変換」（プロセス）

BA_Fの入力・出力と「出力への変換」（プロセス）

Laの出力の計算上の意味

BA_Fの出力の計算上の意味

ハンズオン（演習）Amygdala TLF1をHCDに登録してみよう

流れ
1. Project IDの登録
2. HCDsの登録
3. HCDeditorの登録
a. Circuitsを必要に応じて登録
b. Connectionsを必要に応じて登録（実践）Amygdala TLF2をHCDに登録してみる

HCDテンプレートを各自フォルダにコピー
1. Template-v1-4.hcdよりコピーを作成

コピーにあたっては以下の内容に同意したものと致します．
・本BRA構築におけるBRAデータフォーマットにおける Circuits、Connections、HCDeditor、FTVで用いられる一部の情報についてはAllen Instituteの Terms of Use が適用されます。
Allen Institue: Terms of Use
https://alleninstitute.org/legal/terms-use/

2. コピーの内容

ProjectID:
YT22LectureSample

今回はMyDrive直下に「WBALec04」というフォルダを作った

“Project”の登録“HCDs”の登録(2)HCD descriptive Text

“HCDeditor”の登録(1)HCDeditor(3)HCD Image

(2)HCD descriptive Text

今回のゴール(1)HCDeditor(3)HCD Image

“HCD”の登録のステップ
1. ROIとinput/outputの登録（HCDeditor）
2. inROIの登録（HCDeditor）
3. 必要なCircuitの登録（Circuit）
4. 必要なconnectionの登録（Connection）
5. Process/Output Semanticsの登録（HCDeditor）
6. FTVの設定（HCDeditor）

“HCD”の登録のステップ
1. ROIとinput/outputの登録（HCDeditor）
2. inROIの登録（HCDeditor）
3. 必要なCircuitの登録（Circuit）
4. 必要なconnectionの登録（Connection）
5. Process/Output Semanticsの登録（HCDeditor）
6. FTVの設定（HCDeditor）

“HCD”の登録のステップ
1. ROIとinput/outputの登録（HCDeditor）
2. inROIの登録（HCDeditor）
3. 必要なCircuitの登録（Circuit）
4. 必要なconnectionの登録（Connection）
5. Process/Output Semanticsの登録（HCDeditor）
6. FTVの設定（HCDeditor）

予めAllen DHBAのデータに基づいた神経科学的構造の情報が登録されている（Whole-BIF）．
これに登録されていない情報はCircuit/Connectionタブにて追加を行う必要がある．

“HCD”の登録のステップ
1. ROIとinput/outputの登録（HCDeditor）
2. inROIの登録（HCDeditor）
3. 必要なCircuitの登録（Circuit）
4. 必要なconnectionの登録（Connection）
5. Process/Output Semanticsの登録（HCDeditor）
6. FTVの設定（HCDeditor）

“HCD”の登録のステップ
1. ROIとinput/outputの登録（HCDeditor）
2. inROIの登録（HCDeditor）
3. 必要なCircuitの登録（Circuit）
4. 必要なconnectionの登録（Connection）
5. Process/Output Semanticsの登録（HCDeditor）
6. FTVの設定（HCDeditor）

AutoFill実践
Amygdala TLF2をHCDに登録してみよう