Development of analysis method for multi-resolution Calcium imaging data

• Project Area: Principles of memory dynamism elucidated from a diversity of learning systems
• Project/Area Number: 16H01269
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 青西 亨 東京工業大学, 情報理工学院, 准教授 (00333352)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000); Fiscal Year 2017: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2016: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
• Keywords: 自動細胞検出 / カルシウムイメージング / 非負値行列因子分解 / 多重解像度 / 生体生命情報学 / 機械学習 / 計測工学 / 共焦点顕微鏡 / 画像

Outline of Annual Research Achievements

神経科学の分野において、カルシウムイメージングは多細胞の活動を同時記録する重要な手法の一つである。近年、二光子顕微鏡などの計測装置の急激な発展により、広視野から数万個の細胞の活動を計測することが可能になった。このような計測装置の急速な進歩により、我々は巨大なデータをいかに解析するかという問題に直面するようになった。我々は、多重解像度技術を用いた細胞検出方法を開発することを目標として、以下の２つのアルゴリズムを開発した。
アルゴリズム１：理化学研究所脳科学総合研究センター村山チームで開発されている超広視野二光子顕微鏡で取得される大規模イメージングデータに適用できる、低計算コスト細胞検出アルゴリズム(Low-computational cost cell detection (LCCD) algorithm)を構成した。まず、他のグループから提案されているCNMF(neuron 2016)とSuite2P(bioRxiv 2016)と比較し、LCCDはほぼ同等の細胞検出性能を有することが確認できた。次に、理研村山チームから提供を受けた超広視野二光子顕微鏡の大規模データを用いて、LCCDは実用的な時間で多数の細胞を検出できることを確認した。この大規模データに対して、CNMFとSuite2Pは動作しなかった。現在英文論文の執筆をしている。
アルゴリズム２：多重解像度非負値行列因子分解(Multi-resolution non-negative matrix factorization(MNMF))による細胞検出法を開発した。低解像度データより大域的情報、高解像度データから局所詳細情報を得て、これらを結合することにより、細胞検出能力の向上を実現する。CNMFとSuite2Pと比べて、MNMFは高い細胞検出性能を有することが確認できた。現在英文論文の執筆をしている。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] White noise analysis for the correlation-type elementary motion detectors with half-wave rectifiers (2018)
  • Author(s): Ikeda Hideaki、Aonishi Toru
  • Journal Title: Neural Networks Volume: 102 Pages: 96-106
  • DOI: 10.1016/j.neunet.2018.02.014
  • NAID: 40021100916
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] コヒーレント・イジングマシーンの統計力学～ CDMAマルチユーザー復号器の場合 ～ (2018)
  • Author(s): 青西亨、三村和史、岡田真人、山本喜久
  • Journal Title: 電子情報通信学会技術研究報告 Volume: 117 Pages: 21-26
• [Journal Article] コヒーレント・イジングマシーンの統計力学 ～ 離散シナプスを持つHopfieldモデルの解析 ～ (2018)
  • Author(s): 中川瞬希、青西亨、三村和史、岡田真人、山本喜久
  • Journal Title: 電子情報通信学会技術研究報告 Volume: 117 Pages: 15-20
• [Journal Article] コヒーレント・イジングマシーンの統計力学 ～ 無限ローディングHopfieldモデルの場合 ～ (2018)
  • Author(s): 青西亨、三村和史、岡田真人、山本喜久
  • Journal Title: 電子情報通信学会技術研究報告 Volume: 117 Pages: 9-14
• [Journal Article] 制限ボルツマンマシンによる多細胞信号の検出 (2018)
  • Author(s): 斎藤佑馬、伊東翼、太田桂輔、村山正宣、青西亨
  • Journal Title: 電子情報通信学会技術研究報告 Volume: 117 Pages: 3-8
• [Journal Article] Statistical Mechanics of Coherent Ising Machine - The Case of Ferromagnetic and Finite-Loading Hopfield Models - (2017)
  • Author(s): Toru Aonishi, Kazushi Mimura, Shoko Utsunomiya, Masato Okada, and Yoshihisa Yamamoto
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 86 Issue: 10 Pages: 104002-104002
  • DOI: 10.7566/jpsj.86.104002
  • NAID: 40021340771
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 効用の予測誤差を考慮した合理的な意思決定 ～ 判別閾値の最適化モデル ～ (2017)
  • Author(s): 勝又雄基、青西亨
  • Journal Title: 電子情報通信学会技術研究報告 Volume: 117 Pages: 37-42
• [Journal Article] ハエ動き検知細胞が構成する両側ネットワークの安定性解析 (2017)
  • Author(s): 森田大樹、中本竣、森本高子、青西亨
  • Journal Title: 電子情報通信学会技術研究報告 Volume: 117 Pages: 109-114
• [Journal Article] Automatic Cell Detection from Calcium Imaging Data Using Non-negative Matrix Factorization (2017)
  • Author(s): 青西亨, 丸山隆一, 宮川博義
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 57 Issue: 1 Pages: 036-039
  • DOI: 10.2142/biophys.57.036
  • NAID: 130005296499
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] コヒーレント・イジングマシーンの統計力学-- 強磁性モデルと有限ローディングHopfieldモデルの場合-- (2017)
  • Author(s): 青西亨, 三村和史, 宇都宮聖子, 岡田真人, 山本喜久
  • Journal Title: 電子情報通信学会技術研究報告 Volume: 116 Pages: 13-18
• [Journal Article] 半波整流器を持つEMDモデルの白色ノイズ解析 (2017)
  • Author(s): 池田英彬, 青西亨
  • Journal Title: 電子情報通信学会技術研究報告 Volume: 116 Pages: 19-24
• [Journal Article] ラット海馬CA1錐体細胞は低周波(1 - 4 Hz)交流電場に膜電位応答の選好性を示す (2017)
  • Author(s): 印南賢弥, 井上雅司, 宮川博義, 青西亨
  • Journal Title: 電子情報通信学会技術研究報告 Volume: 116 Pages: 137-142
• [Journal Article] Model selection of early vision system of Drosophila melanogaster (2016)
  • Author(s): Ikeda, H., Suzuki, Y., Morimoto, T., Aonishi, T
  • Journal Title: IPSJ Transactions on Mathematical Modeling and Its Applications Volume: 9 Pages: 24-31
  • NAID: 40020907045
  • Peer Reviewed
• [Presentation] コヒーレント・イジングマシーンの統計力学～ CDMAマルチユーザー復号器の場合 ～ (2018)
  • Author(s): 青西亨、三村和史、岡田真人、山本喜久
  • Organizer: 電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会
• [Presentation] コヒーレント・イジングマシーンの統計力学 ～ 離散シナプスを持つHopfieldモデルの解析 ～ (2018)
  • Author(s): 中川瞬希、青西亨、三村和史、岡田真人、山本喜久
  • Organizer: 電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会
• [Presentation] コヒーレント・イジングマシーンの統計力学 ～ 無限ローディングHopfieldモデルの場合 ～ (2018)
  • Author(s): 青西亨、三村和史、岡田真人、山本喜久
  • Organizer: 電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会
• [Presentation] 制限ボルツマンマシンによる多細胞信号の検出 (2018)
  • Author(s): 斎藤佑馬、伊東翼、太田桂輔、村山正宣、青西亨
  • Organizer: 電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会
• [Presentation] ラット海馬CA1錐体細胞は低周波(1 - 4 Hz)交流電場に膜電位応答の選好性を示す (2017)
  • Author(s): 印南賢弥, 井上雅司, 宮川博義, 青西亨
  • Organizer: 電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会
  • Place of Presentation: 機械振興会館
  • Year and Date: 2017-03-13
• [Presentation] コヒーレント・イジングマシーンの統計力学-- 強磁性モデルと有限ローディングHopfieldモデルの場合-- (2017)
  • Author(s): 青西亨, 三村和史, 宇都宮聖子, 岡田真人, 山本喜久
  • Organizer: 電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会
  • Place of Presentation: 北九州学術研究都市 産学連携センター
  • Year and Date: 2017-01-26
• [Presentation] 半波整流器を持つEMDモデルの白色ノイズ解析 (2017)
  • Author(s): 池田英彬, 青西亨
  • Organizer: 電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会
  • Place of Presentation: 北九州学術研究都市 産学連携センター
  • Year and Date: 2017-01-26
• [Presentation] 効用の予測誤差を考慮した合理的な意思決定 ～ 判別閾値の最適化モデル ～ (2017)
  • Author(s): 勝又雄基、青西亨
  • Organizer: 電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会
• [Presentation] ハエ動き検知細胞が構成する両側ネットワークの安定性解析 (2017)
  • Author(s): 森田大樹、中本竣、森本高子、青西亨
  • Organizer: 電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会
• [Presentation] ショウジョウバエの初期視覚系モデルの比較研究 (2016)
  • Author(s): 池田 英彬, 鈴木力憲, 森本高子, 青西 亨
  • Organizer: 情報処理学会第108回数理モデル化と問題解決(MPS)研究会
  • Place of Presentation: 沖縄科学技術大学院大学
  • Year and Date: 2016-07-04
• [Remarks] T2R2 青西亨 研究者情報
  • URL: http://t2r2.star.titech.ac.jp/cgi-bin/researcherinfo.cgi?q_researcher_content_number=CTT100381316
• [Remarks] T2R2東京工業大学リサーチリポジトリ
  • URL: http://t2r2.star.titech.ac.jp/cgi-bin/researcherinfo.cgi?q_researcher_content_number=CTT100381316
• [Patent(Industrial Property Rights)] 質量分析計、質量分析計の信号処理方法及びプログラム (2017)
  • Inventor(s): 青西亨、木村純一、桑谷立、平田岳史
  • Industrial Property Rights Holder: 青西亨、木村純一、桑谷立、平田岳史
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2017