自由行動中の生物の機能的全脳計測に適した高精度な細胞追跡手法

• Project Area: Resonance Biology for Innovative Bioimaging
• Project/Area Number: 18H04728
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• 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): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2019: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2018: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: 画像解析 / 神経科学 / 機能的全脳イメージング / 細胞追跡 / 全脳イメージング / 自動追跡

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、時系列全体を通じた大域的な最適化手法を活用して、線虫頭部神経のカルシウムイメージングの4D動画に含まれる細胞核を高精度に追跡し、神経活動を正確に定量する手法を開発することを目指した。
2019年度は、昨年に引き続き、立体動画像中の細胞核を追跡するTree法の開発と改良を進めた。Tree法では、画像の類似性をもとに画像を並べ替えて木構造を形成し、非剛体レジストレーションによって隣接したノード(画像)間の局所変位を計算する。一部の画像で細胞核を検出したのち手動で修正しておき、得られた変位量にしたがって核の座標を移動することで、細胞核の追跡を行う。非剛体レジストレーションの際に正則化項を追加したりパラメータを調整するなどして追跡精度の向上を図った。本研究で対象とした線虫の画像は細胞核の見落としなど検出エラーが数%程度発生するため、各画像で細胞を検出し画像間で紐付ける古典的な追跡手法では追跡エラーが激しい。しかし中には正しく検出・紐付けできるわかりやすい細胞核もあることがわかった。これらの細胞核を選択して、非剛体レジストレーションの際のランドマークとしたところ、追跡精度が向上した。また目視で追跡エラーを確認できた場合、手動でROIを修正し、部分的に自動追跡をやり直す機能をGUI上に実装した。微小流路内で保定された線虫ではあるが、頭部神経のカルシウムイメージングの4D動画約30匹程度に本手法を適用し、実用に足る追跡精度が得られた。自由行動中の線虫についても同様の4D動画を取得でき次第、追跡精度の検討をすすめる。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Neuron ID dataset facilitates neuronal annotation for whole-brain activity imaging of C. elegans (2020)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Moon Sun Jang, Suzu Oe, Yuko Murakami, Takayuki Teramoto, Chanhyun Park, Yuishi Iwasaki, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida & Yuichi Iino
  • Journal Title: BMC Biology Volume: 18 Issue: 1 Pages: 30-30
  • DOI: 10.1186/s12915-020-0745-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Multiple Sensory Neurons Mediate Starvation-Dependent Aversive Navigation in Caenorhabditis elegans (2019)
  • Author(s): Jang MS, Toyoshima Y, Tomioka M, Kunitomo H, Iino Y.
  • Journal Title: Proc Natl Acad Sci U S A . Volume: 116 Issue: 37 Pages: 18673-18683
  • DOI: 10.1073/pnas.1821716116
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 自由行動中の生物の機能的全脳計測に適した高精度な細胞追跡手法 (2019)
  • 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」班会議
• [Presentation] (Bio-image informatics for whole-brain activity imaging of C. elegans) (2019)
  • Author(s): Yu Toyoshima
  • Organizer: 22nd International Worm Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 線虫全脳の機能的イメージングと動態解析 (2019)
  • Author(s): 豊島 有, Wu Stephen, 金森 真奈美, 佐藤 博文, Jang Moon Sun, 村上 悠子, 大江 紗, 徳永 旭将, 広瀬 修, 久下 小百合, 寺本 孝行, 岩崎 唯史, 吉田 亮, 石原 健, 飯野 雄一
  • Organizer: 第44回レーザー顕微鏡研究会
  • Invited
• [Presentation] Exploring the origin of brain and central nervous system through monitoring the neural activity of the whole animal (2019)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Hirofumi Sato, Manami Kanamori, Stephen Wu, Moon Sun Jang, Suzu Oe, Yuko Murakami, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Sayuri Kuge, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino
  • Organizer: 第42回日本神経科学大会
• [Presentation] Bio-image informatics for whole brain activity imaging and analysis of neural activity of C. elegans (2019)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Moon Sun Jang, Yuko Murakami, Suzu Oe, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Sayuri Kuge, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 線虫全脳の機能的イメージングと動態解析 (2019)
  • Author(s): 豊島 有
  • Organizer: 第9回光科学異分野横断萌芽研究会
  • Invited
• [Presentation] Bio-image informatics for whole brain imaging and analysis of neural activity of C. elegans (2019)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Moon Sun Jang, Yuko Murakami, Suzu Oe, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Sayuri Kuge, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino
  • Organizer: Resonance Bio International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A pipeline of bio-image informatics for whole-brain imaging of C. elegans and analysis of the neural activity (2019)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Moon Sun Jang, Yuko Murakami, Suzu Oe, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Sayuri Kuge, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino
  • Organizer: The 20th International Conference of Systems Biology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 線虫全神経の1細胞遺伝子発現解析と活動計測 (2019)
  • Author(s): 豊島 有
  • Organizer: さきがけ「多細胞」第一回領域会議
• [Presentation] Cell identification and whole-brain activity imaging of C. elegans (2019)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Moon Sun Jang, Suzu Oe, Yuko Murakami, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida, Yuichi Iino
  • Organizer: CREST"生命動態の理解と制御のための基盤技術の創出"第7回領域会議
• [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 (2019)
  • 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] 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 (2018)
  • 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] 自由行動中の生物の機能的全脳計測に適した高精度な細胞追跡手法 (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」班会議
• [Presentation] Bio-image informatics for whole-brain activity imaging of C. elegans (2018)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Manami Kanamori, Takayuki Teramoto, Moon-Sun Jang, Hirofumi Sato, Suzu Oe, Yuko Murakami, Ken Sato, Sayuri Kuge, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida, Yuichi Iino
  • Organizer: CeNeuro2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Molecular and circuit-level analyses reveal the neural mechanisms for the experience-dependent salt chemotaxis in C. elegans. (2018)
  • Author(s): Yuichi Iino, Hirofumi Sato, Yu Toyoshima, Masahiro Tomioka, Hirofumi Kunitomo, Takashi Nagashima, Moon-Sun Jang, Stephen Wu, Manami Kanamori, Llian Mabardi, Shingo Hiroki, Suzu Oe, Yuko Murakami, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida and Takeshi Ishihara
  • Organizer: Asia-Pacific C. elegans meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 感覚統合のメカニズム (2018)
  • Author(s): 村上 悠子, 大江 紗, 勝目 拓海, 寺本 孝行, 豊島 有, 徳永 旭将, 広瀬 修, Wu Stephan, Jang Moon Song, 佐藤 博文, 久下 小百合, 岩崎 唯史, 吉田 亮, 飯野 雄一, 石原 健
  • Organizer: 第41回日本神経科学大会
• [Presentation] 線虫C. elegansにおける化学物質に対する誘引行動と忌避行動との切り替えの神経回路機構? (2018)
  • Author(s): 飯野 雄一, 佐藤 博文, 豊島 有, 大江 紗, ジャン ムンソン, ウ ステファン, 金森 真奈美, 國友 博文, 岩崎 唯史, 吉田 亮, 石原 健
  • Organizer: 第41回日本神経科学大会
• [Presentation] 線虫全脳イメージングのための高速三次元蛍光顕微鏡の開発 (2018)
  • Author(s): 佐藤 研, 三上 秀治, 豊島 有, 飯野 雄一, 合田 圭介
  • Organizer: 第41回日本神経科学大会
• [Presentation] Simultaneous measurement of whole-brain activity and behavior toward comprehensive understanding of salt chemotaxis of C. elegans (2018)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Ken Sato, Hideharu Mikami, Stephen Wu, Hirofumi Sato, Moon-Sun Jang, Manami Kanamori, Suzu Oe, Takayuki Teramoto, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Keisuke Goda, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida, Yuichi Iino
  • Organizer: International Symposium on Systems Science of Bio-Navigation 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Simultaneous measurement of whole-brain activity and behavior toward comprehensive understanding of salt chemotaxis of C. elegans (2018)
  • Author(s): Suzu Oe, Yuko Murakami, Yuki Kawahara, Takayuki Teramoto, Yu Toyoshima, Terumasa Tokunaga, Stephan Wu, Osamu Hirose, Jang Moon-Sun, Hirofumi Sato, Hiroki Takizawa, Sayuri Kuge, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Yuichi Iino, Takeshi Ishihara.
  • Organizer: International Symposium on Systems Science of Bio-Navigation 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 線虫の全中枢神経細胞活動データに対する因果性解析II (2018)
  • Author(s): 岩崎唯史，佐藤博文，大江紗，久下小百合，寺本孝行，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 2018年秋季大会
• [Presentation] 線虫の味覚忌避学習に関わる神経の同定及び神経機能の解析 (2018)
  • Author(s): Jang MoonSun, 豊島有、國友博文、飯野雄一
  • Organizer: 日本動物学会第89回札幌大会
• [Presentation] 線虫の頭部全神経のイメージングによる神経回路の動態解析 (2018)
  • Author(s): 飯野 雄一, 豊島 有, Stephen Wu, 佐藤 博文, Jang Moon-Sun, 金森 真奈美, 大江 紗, 村上 悠子, 久下 小百合, 広瀬 修, 徳永 旭将, 寺本 孝行, 岩崎 唯史, 吉田 亮, 石原 健
  • Organizer: 日本動物学会第89回札幌大会
  • Invited
• [Presentation] Bio-image informatics for whole-brain activity imaging of C. elegans (2018)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Manami Kanamori, Takayuki Teramoto, Moon-Sun Jang, Hirofumi Sato, Suzu Oe, Yuko Murakami, Ken Sato, Sayuri Kuge, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida, Yuichi Iino
  • Organizer: 線虫研究の未来を創る会
• [Presentation] 線虫の全脳イメージングとその解析 (2018)
  • Author(s): 石原健、豊島有、大江紗、ウー・ステファン、村上悠子、徳永旭将、金森真奈美、岩崎唯史、寺本孝行、ジャン・ムンソン、佐藤博文、吉田亮、飯野雄一
  • Organizer: 線虫研究の未来を創る会
• [Presentation] Robustness of synaptic pathway and signaling pathway estimated from the whole-brain activity data in C. elegans (2018)
  • Author(s): 岩崎唯史，佐藤博文，大江紗，久下小百合，寺本孝行，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: 第56回日本生物物理学会大会
• [Presentation] 塩走性行動中の線虫の全脳活動計測のための技術開発 (2018)
  • 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: 第3回新学術領域「生物ナビゲーションのシステム科学」若手合宿
• [Presentation] Observation and Analyses of the Dynamics of the Whole Head Nervous System in C. elegans (2018)
  • Author(s): Yuichi Iino, Yu Toyoshima, Stephen Wu, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Hirofumi Sato, Jang Moon-Sun, Manami Kanamori, Suzu Oe, Yuko Murakami, Takayuki Teramoto and Takeshi Ishihara
  • Organizer: 日本神経回路学会 第28回全国大会（JNNS2018）
• [Presentation] 線虫の連合学習の記憶に基づく行動スイッチング:中枢神経回路の活動可視化による解析 (2018)
  • Author(s): 大江紗, 村上悠子, 川原祐樹, 寺本孝行, 豊島有, 徳永旭将, Stephan Wu, 広瀬修, Jang Moon-Sun, 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41回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Mechanisms of taste avoidance learning in the nematode C. elegans (2018)
  • Author(s): Moon-Sun Jang, Hirofumi Kunitomo, Yu Toyoshima, Masahiro Tomioka, Stephen Wu, Suzu Oe, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino
  • Organizer: The 17th International Symposium on Molecular and Neural Mechanisms of Taste and Olfactory Perception (ISMNTOP2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 研究室の扉「全神経細胞のマップをつくる」飯野雄一教授、豊島有助教
  • URL: https://www.youtube.com/watch?v=wZ-1wJbgGdg
• [Remarks] 線虫の全脳神経活動を1細胞レベルで神経回路にマッピングする方法の開発
  • URL: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2020/6724/
• [Remarks] (個々の生きた脳細胞を高速・自動的に同定する)
  • URL: https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00093.html
• [Remarks] 研究室の扉「線虫で記憶と学習のしくみを探る」國友博文准教授、Jang Moon Sun特任研究員
  • URL: https://www.youtube.com/watch?v=_6J1IF4RLdg
• [Remarks] 飢餓を感知する感覚神経は新たな行動戦略を生み出す
  • URL: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2019/6508/
• [Remarks] 飯野研究室 研究内容
  • URL: http://molecular-ethology.bs.s.u-tokyo.ac.jp/labHP/J/JResearch/