4Dイメージングデータ内の密集した細胞核を正確に検出・追跡・定量する画像解析手法

• Project Area: Resonance Biology for Innovative Bioimaging
• Project/Area Number: 16H01418
• 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: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 豊島 有 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (10632341)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000); Fiscal Year 2017: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2016: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
• Keywords: 画像解析 / 神経科学 / 機能的全脳イメージング / 細胞核検出 / 全脳イメージング

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、機能的全脳イメージングに適用可能な高精度な画像処理手法の開発を目的として研究を進めている。H29年度は、前年度までに開発した細胞検出アルゴリズムをこのGUIに実装した。4Dイメージングデータ中の細胞核の自動検出・追跡がGUI上で可能になった。またそれらの結果を可視化したり、手動での補正を容易にする機能も搭載した。
また複数の細胞核追跡手法を比較・検討した。まず画像のレジストレーション手法を追跡に適用できるか検討した。既存のレジストレーションツールを利用して、時系列に沿って直列的にレジストレーションをすると、誤差が蓄積して追跡に失敗することがわかった。一方、時系列に沿わずに並列的にレジストレーションを行うことで誤差の蓄積を抑えることができた。また、本領域公募班の玉田班との共同研究をすすめ、線虫の機能的全脳イメージング画像に対して3Dオプティカルフロー法を適用した。その結果、レジストレーション法と同様に、直列的な追跡では誤差が蓄積してしまうが、並列的な追跡によって誤差の蓄積を抑えることができることがわかった。
神経細胞の同定については、同定作業に適した線虫株を作出したり、手動で同定した結果を集めたデータベースを開発した。このデータベースに基づいて別途開発した自動推定手法をGUI上に実装し、手動での補正結果をフィードバックしながら半自動的に同定を行う手法を開発した。従来、神経細胞の同定方法は属人的・暗黙的であったが、GUIへの実装とフィードバックによって、こうした暗黙知を自動推定手法に反映させることができると期待される。

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

• [Int'l Joint Research] Medical Research Council(United Kingdom)
• [Int'l Joint Research] Medical Research Council(United Kingdom)
• [Journal Article] 増大特集 細胞多様性解明に資する光技術─見て,動かす Ⅲ.見えたものを理解する 線虫の4Dイメージング画像処理 (2017)
  • Author(s): 豊島 有
  • Journal Title: 生体の科学 Volume: 68 Issue: 5 Pages: 474-475
  • DOI: 10.11477/mf.2425200701
  • ISSN: 0370-9531, 1883-5503
  • Year and Date: 2017-10-15
• [Journal Article] SPF-CellTracker: Tracking multiple cells with strongly-correlated moves using a spatial particle filter (2017)
  • Author(s): Hirose Osamu、Kawaguchi Shotaro、Tokunaga Terumasa、Toyoshima Yu、Teramoto Takayuki、Kuge Sayuri、Ishihara Takeshi、Iino Yuichi、Yoshida Ryo
  • Journal Title: IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics Volume: - Issue: 6 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1109/tcbb.2017.2782255
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Modulation of sensory information processing by a neuroglobin inCaenorhabditis elegans (2017)
  • Author(s): Oda Shigekazu、Toyoshima Yu、de Bono Mario
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 114 Issue: 23
  • DOI: 10.1073/pnas.1614596114
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 神経応答のモデリング ～Ca2+イメージングを用いて (2017)
  • Author(s): 豊島 有
  • Journal Title: 実験医学増刊号 Volume: 35 Pages: 875-8
• [Journal Article] Bio-image Informatics for Measuring the Activities of Densely Distributed Neurons (2017)
  • Author(s): TOYOSHIMA Yu、IINO Yuichi
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 57 Issue: 1 Pages: 020-022
  • DOI: 10.2142/biophys.57.020
  • NAID: 130005296472
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Open Access
• [Journal Article] Modulation of sensory information processing by a neuroglobin in C. elegans (2016)
  • Author(s): Shigekazu Oda, Yu Toyoshima, Mario de Bono
  • Journal Title: arxiv.org Volume: -
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Accurate Automatic Detection of Densely Distributed Cell Nuclei in 3D Space. (2016)
  • Author(s): Toyoshima Y, Tokunaga T, Hirose O, Kanamori M, Teramoto T, Jang MS, Kuge S, Ishihara T, Yoshida R, Iino Y.
  • Journal Title: PLoS Comput Biol. Volume: 12 Issue: 6 Pages: 1-20
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1004970
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 4Dイメージングデータ内の密集した細胞核を正確に検出・追跡・定量する画像解析手法 (2018)
  • Author(s): 豊島 有, Stephen Wu, 佐藤 研, 滝沢 拓己, 徳永 旭将, 広瀬 修, 金森 真奈美, 佐藤 博文, 寺本 孝行, Jang Moon-Sun, 久下 小百合, 石原 健, 吉田 亮, 飯野 雄一
  • Organizer: 新学術領域「レゾナンスバイオ」平成29年度第二回班会議
• [Presentation] Neuronal signaling pathways estimated from whole-brain imaging data of C. elegans (2017)
  • Author(s): Yuishi Iwasaki, Takayuki Teramoto,,Suzu Oe, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Stephen Wu, Yu Toyoshima, Moon Sun Jang, Ryo Yoshida, Yuichi Iino, Takeshi Ishihara
  • Organizer: 第19回国際生物物理学大会(IUPAB2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Labeling of active neural circuits by the calcium probe CaMPARI (2017)
  • Author(s): Keita Mori, Yu Toyoshima, Yuichi Iino
  • Organizer: 21st International Worm Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mathematical methods to analyze imaging data in the whole central nervous system: From noise reduction to causality detection (2017)
  • Author(s): Y. Iwasaki, T. Teramoto, S. Oe, T. Tokunaga, O. Hirose, S. Wu, Y. Toyoshima, M. S. Jang, R. Yoshida, Y. Iino, T. Ishihara
  • Organizer: 21st International Worm Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Identification of neurons and analysis of the neural circuit involved in the learned salt-avoidance behavior in C. elegans (2017)
  • Author(s): Moon-Sun Jang, Yu Toyoshima, Hirofumi Kunitomo, Yuichi Iino
  • Organizer: 21st International Worm Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analyses of the mechanisms of information processing controlling behavior by whole-brain imaging in C. elegans. (2017)
  • Author(s): Suzu Oe, Takayuki Teramoto, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Yu Toyoshima, Sayuri Kuge, Yuichi Iino, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara.
  • Organizer: 21st International Worm Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Whole neural network analysis of C. elegans using an automated image processing pipeline (2017)
  • Author(s): Stephen Wu, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Yu Toyoshima, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino, Ryo Yoshida
  • Organizer: 4th International Workshop on Quantitative Biology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 機能的全脳イメージングに必要な要素技術について (2017)
  • Author(s): 豊島 有, Stephen Wu, 滝沢 拓己, 佐藤 研, 徳永 旭将, 広瀬 修, 金森 真奈美, 佐藤 博文, 寺本 孝行, Jang Moon-Sun, 久下 小百合, 三上 秀治, 合田 圭介, 石原 健, 吉田亮, 飯野 雄一
  • Organizer: 新学術領域「レゾナンスバイオ」平成29年度班会議
• [Presentation] 線虫の塩走性行動の包括的理解に向けた全中枢神経活動と行動の高精度同時計測 (2017)
  • Author(s): 豊島 有, 佐藤 研, 三上 秀治, Stephen Wu, 佐藤 博文, Jang Moon-Sun, 金森 真奈美, 滝沢 拓己, 大江 紗, 寺本 孝行, 徳永 旭将, 広瀬 修, 合田 圭介, 石原 健, 吉田亮, 飯野 雄一
  • Organizer: 新学術領域研究「生物移動情報学」領域会議
• [Presentation] Bio-image informatics for whole brain activity imaging of C. elegans (2017)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Hiroki Takizawa, Ken Sato, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Takayuki Teramoto, Moon-Sun Jang, Sayuri Kuge, Hideharu Mikami, Keisuke Goda, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida, Yuichi Iino
  • Organizer: CREST symposium [COMPUTATIONAL PRNCIPLES OF THE NERVOUS SYSTEM]
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Bio-image informatics for whole brain activity imaging (2017)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Hiroki Takizawa, Ken Sato, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Takayuki Teramoto, Moon-Sun Jang, Sayuri Kuge, Hideharu Mikami, Keisuke Goda, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida, Yuichi Iino
  • Organizer: 新学術領域「レゾナンスバイオ」若手の会 Joint Young Researchers' Meeting at Academia Sinica
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 線虫の全脳イメージングによる行動を制御する情報処理機構の解析 (2017)
  • Author(s): 大江紗, 勝目拓海, 寺本孝行, 豊島有, 徳永旭将, Wu Stephan, 広瀬修, Moon-Sun Jang, 佐藤博文, 滝沢拓己, 久下小百合, 岩崎唯史, 吉田亮, 飯野 雄一, 石原 健
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会
• [Presentation] 線虫の全中枢神経イメージングによる神経活動と感覚運動情報との関連解析 (2017)
  • Author(s): 飯野雄一, 豊島有, 寺本孝行, Wu Stephen, Moon-Sun Jang, 滝沢拓己, 徳永旭将, 佐藤博文, 広瀬修, 大江紗, 久下小百合, 岩崎唯史, 吉田亮, 石原健
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会
• [Presentation] 線虫の塩忌避学習による行動変化に関与する神経の同定及び神経回路の解析 (2017)
  • Author(s): ジャン ムン ソン, 豊島有, 國友博文, 飯野雄一
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会
• [Presentation] 神経グロビンによる知覚変化の情報処理機構 (2017)
  • Author(s): 小田 茂和, 豊島 有, デゥボノ マリオ
  • Organizer: 第55回日本生物物理学会大会
• [Presentation] 線虫のwhole-brainイメージングデータに関する因果性解析 (2017)
  • Author(s): Yuishi Iwasaki, Takayuki Teramoto,,Suzu Oe, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Stephen Wu, Yu Toyoshima, Moon Sun Jang, Ryo Yoshida, Yuichi Iino, Takeshi Ishihara
  • Organizer: 第55回日本生物物理学会大会
• [Presentation] How taste preference is modulated in the nematode (2017)
  • Author(s): Yuichi Iino, Takashi Nagasima, Hirofumi Sato, Jang Moon-Sun, Suzu Oe), Yu Toyoshima, Masahiro Tomioka, Hirofumi Kunitomo, Stephen Wu, Ryo Yoshida, Yuishi Iwasaki, Takeshi Ishihara
  • Organizer: The 16th International Symposium on Molecular and Neural Mechanisms of Taste and Olfactory Perception
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 線虫の全脳活動データに対する位相解析 (2017)
  • Author(s): 岩崎唯史, 寺本孝行, 大江紗, 徳永旭将, 広瀬修, Stephen Wu, 豊島有, ジャンムンソン, 吉田亮, 飯野雄一, 石原健
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
• [Presentation] 線虫の中枢神経系全体のカルシウムイメージングによる神経回路メカニズムの解析 (2017)
  • Author(s): 石原健、寺本孝行、豊島有、徳永旭将、ステファン・ウー、広瀬修、大江紗、ジャン・ムンソン、佐藤博文、滝沢拓己、久下小百合、岩崎唯史、吉田亮、飯野雄一
  • Organizer: 生命動態システム科学四拠点・CREST・PRESTO・QBiC 合同シンポジウム 2017
• [Presentation] Neural coding moduladion by Neuroglobin alters the behavior of C. elegans (2016)
  • Author(s): Shigekazu Oda, Yu Toyoshima, Mario de Bono
  • Organizer: European Worm Meeting 2016
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 全脳イメージングの自動解析に向けた要素技術について (2016)
  • Author(s): 豊島 有, 徳永 旭将, 広瀬 修, 寺本 孝行, Jang Moon-Sun, 久下 小百合, 石原 健, 吉田亮, 飯野 雄一
  • Organizer: CREST"生命動態の理解と制御のための基盤技術の創出"第6回数理道場
• [Presentation] 全脳イメージングの自動解析に向けた要素技術について (2016)
  • Author(s): 豊島 有, 徳永 旭将, 広瀬 修, 寺本 孝行, Jang Moon-Sun, 久下 小百合, 石原 健, 吉田亮, 飯野 雄一
  • Organizer: バイオイメージインフォマティクスワークショップ2016
• [Presentation] A machine learning pipeline for whole brain imaging of Caenorhabditis elegans: cell tracking, quantification, annotation and visualization (2016)
  • Author(s): Stephen Wu, 徳永 旭将, 広瀬 修, 豊島 有, 寺本 孝行, 石原 健, 飯野 雄一, 吉田 亮
  • Organizer: バイオイメージインフォマティクスワークショップ2016
• [Presentation] Labeling of active neural circuit by the calcium probe CaMPARI (2016)
  • Author(s): Keita Mori，Yu Toyoshima，Yuichi Iino
  • Organizer: 第39回日本神経科学大会
• [Presentation] 全脳イメージングの自動解析に向けた要素技術について (2016)
  • Author(s): 豊島 有, 徳永 旭将, 広瀬 修, 寺本 孝行, Jang Moon-Sun, 久下 小百合, 石原 健, 吉田亮, 飯野 雄一
  • Organizer: 新学術領域「レゾナンスバイオ」班会議
• [Presentation] Whole brain imaging reveals the roles of gap junctions for the synchronized oscillatory activity. (2016)
  • Author(s): Takayuki Teramoto, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Yu Toyoshima, Yuishi Iwasaki, Yuichi Iino, Ryo Yoshida, and Takeshi Ishihara.
  • Organizer: CeNeuro2016
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Whole brain imaging reveals the roles of gap junctions for the synchronized oscillatory activity. (2016)
  • Author(s): Takeshi Ishihara, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Yu Toyoshima, Yuishi Iwasaki, Yuichi Iino, Ryo Yoshida, Takayuki Teramoto.
  • Organizer: CeNeuro2016
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Rhythmic neuronal activity in the C. elegans brain is coordinated by electrical synaptic connectivity. (2016)
  • Author(s): Takayuki Teramoto, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Yu Toyoshima, Yuishi Iwasaki, Yuichi Iino, Ryo Yoshida, and Takeshi Ishihara.
  • Organizer: CeNeuro2016
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Accurate automatic detection of densely distributed cell nuclei in 3D space. (2016)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Manami Kanamori, Takayuki Teramoto, Moon-Sun Jang, Sayuri Kuge, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida, Yuichi Iino
  • Organizer: CeNeuro2016
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analyses of the neuronal activities of the central nervous system by GCaMP6f in C. elegans (2016)
  • Author(s): Suzu Oe, Takayuki Teramoto, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Yu Toyoshima, Sayuri Kuge, Yuichi Iino, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara.
  • Organizer: CeNeuro2016
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Correlation clustering reveals intrinsic graph structure of whole-brain imaging data (2016)
  • Author(s): Hiromu Sakuma, Takayuki Teramoto, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Yu Toyoshima, Yuichi Iino, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuishi Iwasaki
  • Organizer: CeNeuro2016
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Neural information processing by neuroglobin in Caenorhabditis elegans (2016)
  • Author(s): Shigekazu Oda, Yu Toyoshima, Mario de Bono
  • Organizer: The 17th International Conference on Systems Biology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 全脳イメージングの自動解析に向けた要素技術について (2016)
  • Author(s): 豊島 有, 徳永 旭将, 広瀬 修, 寺本 孝行, Jang Moon-Sun, 久下 小百合, 石原 健, 吉田亮, 飯野 雄一
  • Organizer: 第5回生命医薬情報学連合大会（IIBMP2016）
  • Invited
• [Presentation] Whole Brain Imaging of Caenorhabditis Elegans × Machine Learning (2016)
  • Author(s): Stephen Wu, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Yu Toyoshima, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino and Ryo Yoshida
  • Organizer: 第5回生命医薬情報学連合大会（IIBMP2016）
• [Presentation] A machine learning pipeline for whole brain imaging of Caenorhabditis elegans: cell tracking, quantification, annotation and visualization (2016)
  • Author(s): Stephen Wu , 徳永 旭将, 広瀬 修, 豊島 有, 寺本 孝行, 石原 健, 飯野 雄一, 吉田 亮
  • Organizer: BioImage Informatics Conference 2016
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 全脳イメージングに必要な要素技術について (2016)
  • Author(s): 豊島 有
  • Organizer: 第1回レゾナンスバイオ若手研究会
• [Presentation] 線虫のwhole-brainイメージングデータに関する位相同期解析 (2016)
  • Author(s): 岩崎 唯史, 寺本 孝?, 徳永 旭将, 広瀬 修, 豊島 有, 吉田 ?, 飯野 雄一, 石原 健
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会大会
• [Presentation] 線虫の塩忌避学習による行動変化に関与する神経の同定及び神経回路の解析 (2016)
  • Author(s): Jang Moon-Sun, 豊島 有, 国友 博文, 金森 真奈美, 寺本 孝行, 石原 健, 飯野 雄一
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会大会
  • Invited
• [Presentation] 線虫 Caenorhabditis elegans の高速3D全脳イメージング (2016)
  • Author(s): 佐藤研，三上秀治，豊島有，飯野雄一，合田圭介
  • Organizer: 第39回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 線虫C. elegansの頭部神経系全体のGCaMP6fを用いた活動解析 (2016)
  • Author(s): 大江紗, 寺本孝行, 徳永旭将, 広瀬修, 豊島有, 久下小百合, 飯野雄一, 吉田亮, 石原健
  • Organizer: 第39回日本分子生物学会年会