多階層システム生物学におけるデータ駆動科学の展開

• Project Area: Initiative for High-Dimensional Data-Driven Science through Deepening of Sparse Modeling
• Project/Area Number: 16H01525
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 小松崎 民樹 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (30270549)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2017: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2016: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: ラマン分光イメージング / スパースモデリング / バイオイメージング / 植物器官の均一性 / 情報計測 / ファジー学習 / 低シグナルノイズ比 / 細胞診断 / 1分子計測 / 情報理論 / 細胞病理 / １分子解析 / ファジー論理

Outline of Annual Research Achievements

例えば、乳がん細胞のラマンイメージングは、波数毎に画像のスパース性が異なる。すなわち、ある波数における画像は実空間においてスパースであるのに対し、別の波数では（日常生活における写真のように）自然画像に近く差空間においてスパースである。そのため、ある空間におけるスパース性を前提として展開する通常のスパースモデリングが適用できない。そこで、ラマン分光計測に対するスパースモデリングとして近年その可能性が論じられているCoded Aperture Snapshot Spectral Imager (CASSI) に対して、東工大・科技創成研究院小野峻佑助教が開発している画像の滑らかさ及び周波数成分の離散コサイン基底の少なさを要請する手法を融合し、ノイズ付加に対する復元可能性を検証した。従来法のCASSIでは全変動（Total variation、TV）を正則項として付与し、画像の滑らかさを要請するが、更に離散コサイン変換後の周波数成分のスパース性を要請する。従来手法に対し、波数空間のスパース性も要請する本手法は、測定誤差から期待される結果よりも画像/スペクトル, 共に良い復元結果を与えることなどが判明した。

植物器官は個体に依らずほぼ同形・同サイズの形状を獲得する驚くべき相同性や再現性を持つ．しかしながら，細胞レベルでは形状やサイズが多様であり，植物がどのように多様性をコントロールして最終形状に至るかは未だ解明されていない．我々は植物器官に点在する毛細胞が器官サイズに与える影響に着眼した。シミュレーションモデルで予言された毛細胞の周りの引張応力への微小管応答が野生型と変異体でどの程度異なるかを定量化することで，局所的な力学変化が全体の器官サイズに与える影響を明らかにした.

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] リヨン高等師範学校(フランス)
• [Int'l Joint Research] マックスプランク研究所(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] ストックホルム大学(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] リヨン高等師範学校(フランス)
• [Int'l Joint Research] マックスプランク研究所植物科学センター(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] コーネル大学(米国)
• [Journal Article] Mechanical Shielding of Rapidly Growing Cells Buffers Growth Heterogeneity and Contributes to Organ Shape Reproducibility (2017)
  • Author(s): Hervieux Nathan、Tsugawa Satoru、Fruleux Antoine、Dumond Mathilde、Routier-Kierzkowska Anne-Lise、Komatsuzaki Tamiki、Boudaoud Arezki、Larkin John C.、Smith Richard S.、Li Chun-Biu、Hamant Olivier
  • Journal Title: Current Biology Volume: 27 Issue: 22 Pages: 3468-3479.e4
  • DOI: 10.1016/j.cub.2017.10.033
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] データ科学雑感 (2016)
  • Author(s): 小松崎民樹
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 56 Issue: 4 Pages: 197-197
  • DOI: 10.2142/biophys.56.197
  • NAID: 130005165628
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Variable cell growth yields reproducible organ development through spatiotemporal averaging (2016)
  • Author(s): L. Hong, M. Dumond, S. Tsugawa, A. Sapala, A.-L. Routier-Kierzkowska, Y. Zhou, C. Chen, A. Kiss, M. Zhu, O. Hamant, R. S. Smith, T. Komatsuzaki, C.-B. Li, A. Boudaoud & A. H. K. Roeder
  • Journal Title: Developmental Cell Volume: 38 Issue: 1 Pages: 15-32
  • DOI: 10.1016/j.devcel.2016.06.016
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Extracting subcellular fibrillar alignment with error estimation: Application to microtubules (2016)
  • Author(s): Satoru Tsugawa, Nathan Hervieux, Oliver Hamant, Arezki Boudaoud, Richard S. Smith, Chun-Biu Li, Tamiki Komatsuzaki
  • Journal Title: Biophysical Journal Volume: 110 Issue: 8 Pages: 1836-1844
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2016.03.011
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 一細胞ラマン計測と情報科学の高度融合による情報計測技術 (2018)
  • Author(s): 小松崎 民樹
  • Organizer: 2017年度第2回バイオ単分子研究会
  • Invited
• [Presentation] Mulitivariate Data-driven approach to Raman Hyper-spectral Images to Diagnose Non-alcoholic Fatty Liver Disease(NAFLD) (2018)
  • Author(s): Khalifa Mohammad Helal, Harsono Cahyadi, J. Nicholas Taylor, Akira Okajima, Yasuaki Kumamoto, Hideo Tanaka, Yoshinori Harada, Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: 2017年度日本生物物理学会北海道支部例会
• [Presentation] 1細胞ラマン分光イメージングと情報科学のinterdependentな融合を目指して (2018)
  • Author(s): 小松崎 民樹
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] 試行回数の少ない悪腕存在チェックアルゴリズム (2018)
  • Author(s): 田畑 公次, 中村 篤祥, 本多 淳也, 小松崎 民樹
  • Organizer: 人工知能学会第106回人工知能基本問題研究会
• [Presentation] 1細胞ラマン分光イメージング画像から読み解く情報計測科学 (2017)
  • Author(s): 小松崎 民樹
  • Organizer: バイオ計測解析技術研究会
  • Place of Presentation: かんぽの宿 小樽(北海道小樽市)
  • Year and Date: 2017-03-18
• [Presentation] 多階層システム生物学におけるデータ駆動科学の展開 (2017)
  • Author(s): 田畑 公次
  • Organizer: スパースモデリングの深化と高次元データ駆動科学の創成 第五回公開シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 一細胞ラマン計測と情報科学の融合による少数性の生命科学 (2017)
  • Author(s): 小松崎 民樹
  • Organizer: 2017年度生命科学系学会合同年次大会
  • Invited
• [Presentation] Bad Arm Existence Checking Algorithm (2017)
  • Author(s): Koji Tabata, Atsuyoshi Nakamura, Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: The 18th RIES-Hokudai International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Raman Microscopic Image Analysis based on Information-theoretic Approach (2017)
  • Author(s): Khalifa Mohammad Helal, Harsono Cahyadi, J. Nicholas Taylor, Akira Okajima, Yauaki Kumamoto, Hideo Tanaka, Yoshinori Harada, Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: The 18th RIES-Hokudai International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ラマン分光イメージング計測と情報科学との高度融合 (2017)
  • Author(s): 小松崎民樹, 中村篤祥, 藤田克昌, 原田義規
  • Organizer: 2017年度 人・環境と物質をつなぐイノベーション創出 ダイナミックアライアンスG3分科会ー異分野融合とイノベーション創出を目指してー
• [Presentation] ラマン分光イメージングにおける情報計測技術の展開 (2017)
  • Author(s): 小松崎 民樹
  • Organizer: 基盤(S) 離散構造処理系プロジェクト 「2017年度 秋のワークショップ」
• [Presentation] グレイゾーン幅を利用した悪腕存在チェックアルゴリズム (2017)
  • Author(s): 田畑 公次, 中村 篤祥, 本多 淳也, 小松崎 民樹
  • Organizer: 第20回情報論的学習理論ワークショップ
• [Presentation] ラマンスペクトルで細胞の病態を分ける－PCAとランダムフォレストを用いて－ (2017)
  • Author(s): 山田 寛子, 田畑 公次, Khalifa Mohammad Helal, Harsono Cahyadi, J. Nicholas Taylor, 伊藤 創祐, 熊本 康昭, 田中 秀央, 原田 義規, 小松﨑 民樹
  • Organizer: 研究会「理論と実験」2017
• [Presentation] How can one quantify singularity in cells from Single Cell Raman Imaging? (2017)
  • Author(s): 小松崎 民樹
  • Organizer: 第55回日本生物物理学会年会
  • Invited
• [Presentation] Information-theoretical data analysis approaches to Raman micro-spectroscopic images (2017)
  • Author(s): Helal Khalifa mohammad, Cahyadi Harsono, Taylor J. nicholas, Okajima Akira, Kumamoto Yasuaki, Tanaka Hideo, Harada Yoshinori, Komatsuzaki Tamiki
  • Organizer: 第11回分子科学討論会
• [Presentation] 多階層システム生物学におけるデータ駆動科学の展開 (2017)
  • Author(s): 小松崎 民樹
  • Organizer: 「新学術領域研究」スパースモデリングの深化と高次元データ駆動科学の創成 2017年度第1回公開シンポジウム
• [Presentation] 一細胞ラマン計測と情報科学の融合による細胞診断 (2017)
  • Author(s): 小松崎 民樹
  • Organizer: 2017年度人工知能学会全国大会
  • Invited
• [Presentation] The Non-equilibrium Effects on Reaction Kinetics of F1-ATPase (2016)
  • Author(s): Yuji Tamiya, Chun-Biu Li, Rikiya Watanabe, Hiroyuki Noji, Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: The 17th RIES-Hokudai International Symposium
  • Place of Presentation: Chateraise Gateaux Kingdom Sapporo(北海道札幌市)
  • Year and Date: 2016-12-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Data-Driven Approaches to Raman Microscopic Image Analysis (2016)
  • Author(s): J.N. Taylor, Chun-Biu Li, Katsumasa Fujita, Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: The 17th RIES-Hokudai International Symposium
  • Place of Presentation: Chateraise Gateaux Kingdom Sapporo(北海道札幌市)
  • Year and Date: 2016-12-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dynamical Heterogeneity During Collective Migration of MDCK Epithelial Monolayer (2016)
  • Author(s): Preetom Nag, Khalifa Mohammad Helal, Hiroshi Teramoto, Chun-Biu Li, Hisashi Haga, Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: The 17th RIES-Hokudai International Symposium
  • Place of Presentation: Chateraise Gateaux Kingdom Sapporo(北海道札幌市)
  • Year and Date: 2016-12-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Collective Cell Migration: Underlying Dynamics and Emergent Structures of Heterogeneity (2016)
  • Author(s): Khalifa Mohammad Helal, Preetom Nag, Hiroshi Teramoto, Chun Biu Li, Hisashi Haga, Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: The 17th RIES-Hokudai International Symposium
  • Place of Presentation: Chateraise Gateaux Kingdom Sapporo(北海道札幌市)
  • Year and Date: 2016-12-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] マイノリティ細胞を彫りだすデータ科学 (2016)
  • Author(s): 小松崎 民樹
  • Organizer: 第39回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜(神奈川県横浜市)
  • Year and Date: 2016-11-30
  • Invited
• [Presentation] Spatial heterogeneous and transient dynamics during collective cell migration in a monolayer of MDCK epithelial cells (2016)
  • Author(s): Nag Preetom, Khalifa Helal, Teramoto Hiroshi, Yamaguchi Naoya, Li Chun-Biu, Haga Hisashi, Komatsuzaki Tamiki
  • Organizer: 第5４回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場(茨城県つくば市)
  • Year and Date: 2016-11-25
• [Presentation] 1細胞ラマン分光イメージングから如何にして細胞の個性を定量化するか？ (2016)
  • Author(s): 小松崎 民樹
  • Organizer: 第5４回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場(茨城県つくば市)
  • Year and Date: 2016-11-25
  • Invited
• [Presentation] 一細胞ラマン計測とスパース学習、バンディット手法などの情報科学の融合による細胞診断の迅速解析 (2016)
  • Author(s): 小松崎 民樹
  • Organizer: 基盤（S）離散構造処理系プロジェクト「2016年度 秋のワークショップ」
  • Place of Presentation: ガトーキングダム・サッポロ(北海道札幌市)
  • Year and Date: 2016-11-20
• [Presentation] Spatio-temporal heterogeneity during collectivemigration in a confluent monolayer of MDCK epithelial cells (2016)
  • Author(s): Nag Preetom
  • Organizer: 「理論と実験」研究会2016
  • Place of Presentation: 広島大学東広島キャンパス(広島県東広島市)
  • Year and Date: 2016-10-07
• [Presentation] 回転自由度の非平衡性が分子モーターF1-ATPaseの反応動力学に及ぼす影響について (2016)
  • Author(s): 田宮 裕治
  • Organizer: 「理論と実験」研究会2016
  • Place of Presentation: 広島大学東広島キャンパス(広島県東広島市)
  • Year and Date: 2016-10-07
• [Presentation] Data-Driven Approaches to Raman Microscopic Image Analysis (2016)
  • Author(s): J. Nicholas Taylor
  • Organizer: 「理論と実験」研究会2016
  • Place of Presentation: 広島大学東広島キャンパス(広島県東広島市)
  • Year and Date: 2016-10-07
• [Presentation] A kinetic disconnectivity graph to decode timescale hierarchy buried in reaction networks (2016)
  • Author(s): Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: Energy Landscapes: Theory and Applications
  • Place of Presentation: Porquerolles(France)
  • Year and Date: 2016-06-27
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] シロイヌナズナの萼片組織に見る植物細胞集団の振動現象 (2016)
  • Author(s): 小松崎 民樹
  • Organizer: 理研シンポジウム: 細胞システムの動態と論理VIII
  • Place of Presentation: 理化学研究所 生物科学研究棟(埼玉県和光市)
  • Year and Date: 2016-04-14
• [Presentation] 分子から細胞の個性に関するデータ駆動型数理科学 (2016)
  • Author(s): 小松崎 民樹
  • Organizer: 第1117回生物科学セミナー
  • Place of Presentation: 東京大学理学部(東京都文京区)
  • Invited
• [Presentation] Single Molecule Biophysics: How can One extract the Underlying Markovian/non-Markovian Network from Noisy and Short Time Series? (2016)
  • Author(s): Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: IXXI-ENS Lyon seminar
  • Place of Presentation: Lyon(France)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Error-based Extraction of States and Energy Landscapes from Experimental Single-Molecule Time-Series (2016)
  • Author(s): J. Nicholas Taylor
  • Organizer: Mathematical Sciences Evening Seminar
  • Place of Presentation: 北海道大学遠友学舎(北海道札幌市)
• [Book] 少数性生物学：第5章「少数の個性～分子にも個性？～」 (2017)
  • Author(s): 永井健治, 冨樫祐一（編）: 小松崎民樹（著）（第5章）
  • Total Pages: 7
  • Publisher: 株式会社 日本評論社
• [Remarks] How organ regularity emerges from cell randomness
  • URL: http://www.ens-lyon.fr/en/variable-cell-growth-yields-reproducible-organ-development-through-spatiotemporal-averaging-316832.kjsp?RH=TEMP-INTER-EN
• [Remarks] Flower bud uniformity beholden to time and space
  • URL: http://www.news.cornell.edu/stories/2016/07/flower-bud-uniformity-beholden-time-and-space
• [Remarks] 植物器官の均一な形状が相反する不均一な細胞成長によって もたらされる予想外の仕組みを解明
  • URL: http://www.hokudai.ac.jp/news/160712_es_pr.pdf
• [Remarks] 植物器官の均一な形状が相反する不均一な細胞成長によって もたらされる予想外の仕組みを解明
  • URL: http://www.es.hokudai.ac.jp/result/2016-07-26-mlns/