深部と超解像イメージングに向けた次世代色収差補正

• Project Area: Resonance Biology for Innovative Bioimaging
• Project/Area Number: 16H01440
• 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: National Institute of Information and Communications Technology
• Principal Investigator: 松田 厚志 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所フロンティア創造総合研究室, 主任研究員 (20585723)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥11,310,000 (Direct Cost: ¥8,700,000、Indirect Cost: ¥2,610,000); Fiscal Year 2017: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2016: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000)
• Keywords: 超解像顕微鏡 / 色収差 / ソフトウェア / 共焦点顕微鏡 / 生物物理 / 細胞・組織 / バイオイメージング / 画像処理

Outline of Annual Research Achievements

第一に、開発中の色収差補正ソフトウェアの高精度化を行った。特に画像の中の小領域ごとに存在する僅かな色ズレを補正するための画像の周辺部分の蛍光輝度を減弱させ、間違った補正値が得られる頻度を格段に減少させた。さらに、小領域のピクセル数を小さくする代わりに、小領域を少しずつずらす方法によって、補正する領域の区分けを増加し、結果的に補正精度を向上した。

次に、色収差補正に用いられる既存の画像取得法により得られる補正精度を比較した。その結果、顕微鏡法により補正精度が異なることが明らかになった。照明光として平行光を用いる全視野顕微鏡では、チャネル間の漏れ光を利用する方法により最も高い補正精度が得られたのに対し、照明光を集光させる共焦点顕微鏡などでは、ある一つの分子を多色に染め分けたカリブレーション用の生物試料から参照画像を得る方法により最も高い精度が得られた。これらの研究結果をまとめて、Scientific Reportsに発表した。

また、色収差補正を用いた距離測定精度の理論的な計算を行った。その結果、通常の二点間の計測では色収差補正精度が距離測定精度の限界を決定することを明らかにした。さらに、三点目となる参照点を用いて二点間の相対距離を計測すれば、色収差補正精度による距離測定精度の限界を超え、理論的に無限の距離測定精度が得られることを見出した。この実証実験を行った結果、色収差補正の精度より高い約1nmという高い距離測定精度が得られた。

Research Progress Status

平成29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] オックスフォード大学(英国)
• [Int'l Joint Research] St. Jude Children's Research Hospital(米国)
• [Int'l Joint Research] LMU Munchen(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] オックスフォード大学(英国)
• [Journal Article] Accurate and fiducial-marker-free correction for three-dimensional chromatic shift in biological fluorescence microscopy (2018)
  • Author(s): Matsuda Atsushi、Schermelleh Lothar、Hirano Yasuhiro、Haraguchi Tokuko、Hiraoka Yasushi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Issue: 1 Pages: 7583-7583
  • DOI: 10.1038/s41598-018-25922-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 次世代色収差補正技術 (2017)
  • Author(s): 松田 厚志
  • Journal Title: 生体の科学 Volume: 68 Pages: 408-409
• [Journal Article] Quantitative 3D structured illumination microscopy of nuclear structures (2017)
  • Author(s): Felix Kraus, Ezequiel Miron, Justin Demmerle, Tsotne Chitiashvili, Alexei Busco, Quentin Alle, Atsushi Matsuda, Heinrich Leonhardt, Lothar Schermelleh & Yolanda Markaki
  • Journal Title: Nature Protocols Volume: 12 Issue: 5 Pages: 1011-1028
  • DOI: 10.1038/nprot.2017.020
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Strategic and practical guidelines for successful structured illumination microscopy (2017)
  • Author(s): Justin Demmerle, Cassandravictoria Innocent, Alison J North, Graeme Ball, Marcel Muller, Ezequiel Miron, Atsushi Matsuda, Ian M Dobbie, Yolanda Markaki & Lothar Schermelleh
  • Journal Title: Nature Protocols Volume: 12 Issue: 5 Pages: 988-1010
  • DOI: 10.1038/nprot.2017.019
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Spatial organization of the Schizosaccharomyces pombe genome within the nucleus. (2017)
  • Author(s): Matsuda A, Asakawa H, Haraguchi T, Hiraoka Y.
  • Journal Title: Yeast. Volume: 34 Issue: 2 Pages: 55-66
  • DOI: 10.1002/yea.3217
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Borna Disease Virus Assembles Porous Cage-like Viral Factories in the Nucleus. (2016)
  • Author(s): Hirai Y, Hirano Y, Matsuda A, Hiraoka Y, Honda T, Tomonaga K.
  • Journal Title: The Journal of biological chemistry. Volume: 291 Issue: 50 Pages: 25789-25798
  • DOI: 10.1074/jbc.m116.746396
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Meiotic cohesin subunits RAD21L and REC8 are positioned at distinct regions between lateral elements and transverse filaments in the synaptonemal complex of mouse spermatocytes (2016)
  • Author(s): Rong M, Matsuda A, Hiraoka Y, Lee J
  • Journal Title: J Reprod Dev Volume: 62 Issue: 6 Pages: 623-630
  • DOI: 10.1262/jrd.2016-127
  • NAID: 130005251186
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 原理・応用編3 構造化照明顕微鏡法SIM ‐縞照明のつくるモアレが可能にする超解像観察 (2016)
  • Author(s): 松田厚志、平野泰弘、平岡泰
  • Journal Title: 実験医学別冊：初めてでもできる！ 超解像イメージング Volume: 別冊 Pages: 219-226
• [Journal Article] 実践編3 3D-SIMによる細胞内構造の超解像イメージング---アーティファクトの少ないSIM画像の取得 (2016)
  • Author(s): 平野泰弘、松田厚志、平岡泰
  • Journal Title: 実験医学別冊：初めてでもできる！ 超解像イメージング Volume: 別冊 Pages: 146-155
• [Presentation] 超解像顕微鏡のアーティファクト低減法の開発 (2018)
  • Author(s): 松田 厚志
  • Organizer: 光設計研究グループ第64回研究会
  • Invited
• [Presentation] THREE-DIMENSIONAL CHROMATIC CORRECTION FOR FLUORESCENCE MICROSCOPY ENABLING PRECISE DISTANCE MEASUREMENTS IN THE NUCLEAR PORE COMPLEX (2017)
  • Author(s): Atsushi Matsuda, Haruhiko Asakawa, Yasuhiro Hirano, Lothar Schermelleh, Tokuko Haraguchi, and Yasushi Hiraoka
  • Organizer: Focus on Microscopy 2017
  • Place of Presentation: Bordeaux, France
  • Year and Date: 2017-04-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] RNA Transcription and Termination Factors Are Important in Meiotic HomologousChromosome Pairing in S. pombe (2017)
  • Author(s): 丁 大橋、岡正 華澄、加藤 由起、長濱 有紀、松田 厚志、森 知栄、近重 裕次、原口 徳子、白髭 克彦、平岡 泰
  • Organizer: 9th INTERNATIONAL FISSION YEAST MEETING
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A new method for three-dimensional chromatic correction for fluorescence microscopy (2017)
  • Author(s): 松田 厚志、原口 徳子、平岡 泰
  • Organizer: The 24th Congress of the International Commission for Optics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 生物観察に適応した色収差計測法と補正技術 (2017)
  • Author(s): 松田 厚志
  • Organizer: Optics & Photonics Japan 2017
  • Invited
• [Presentation] 回折限界を超えた蛍光顕微鏡で細胞構造を見る (2017)
  • Author(s): 松田 厚志
  • Organizer: 第50回日本原生生物学会大会・第1回日本共生生物学会大会
  • Invited
• [Presentation] 3D蛍光イメージングの適応的色収差補正 (2017)
  • Author(s): 松田 厚志
  • Organizer: Andor Academy
  • Invited
• [Presentation] Super-resolution imaging and precise distance measurements in live fission yeast cells The 14th International Congress on Yeast (2016)
  • Author(s): Atsushi Matsuda, Tokuko Haraguchi, Yasushi Hiraoka
  • Organizer: The 14th International Congress on Yeasts
  • Place of Presentation: 淡路島夢舞台国際会議場、兵庫県淡路市
  • Year and Date: 2016-09-11
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Super-Resolution and Chromatic Correction Above the Cover Slip (2016)
  • Author(s): Atsushi Matsuda, Yasuhiro Hirano, Tokuko Haraguchi and Yasushi Hiraoka
  • Organizer: Biomedical Imaging and Sensing Conference 2016
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜, 神奈川県横浜市
  • Year and Date: 2016-05-18
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 色収差補正ソフトウェア
  • URL: https://github.com/macronucleus/Chromagnon
• [Remarks] 情報通信研究機構未来ICT研究所フロンティア創造総合研究室生物情報グループ
  • URL: http://www2.nict.go.jp/frontier/seibutsu/CellMagic/index.html
• [Remarks] 情報通信研究機構・未来ICT研究所・生物情報グループ
  • URL: http://www2.nict.go.jp/frontier/seibutsu/CellMagic/index.html
• [Remarks] 大阪大学核ダイナミクス研究室
  • URL: http://www.fbs.osaka-u.ac.jp/labs/hiraoka/index.html