過完備独立基底の内因性特徴に基いた分光顕微鏡画像のデータマイニング

• Project Area: Resonance Biology for Innovative Bioimaging
• Project/Area Number: 18H04729
• 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: 長島 優 東京大学, 医学部附属病院, 助教 (20635586)
• 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: 独立成分分析 / ラマン分光法 / 分光顕微鏡画像 / スパースコーディング

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、分光顕微鏡画像をスパースコーディングを用いて線形過完備な独立基底に分解し、この独立基底をその特徴(色・テクスチャー・形など)に基いて分類・弁別し、特定の特徴に相関のある独立基底のみを抽出することで、特定の画像特徴に相関する信号成分のみを抽出する画像解析手法を開発した。開発手法はPython言語を用いて実装し、一部の計算コストの高い演算は、実行環境に応じてGPUを利用した高速化を行えるルーチンとしてC言語で実装し、Pythonプログラムから呼び出し可能とした。
polystyrene(PS), polymethyl methacrylate(PMMA), polyurethane(PU)ビーズを混合した試料の自発ラマン分光画像を対象に開発手法を用いることで、各物質のスペクトル特徴に相関する信号成分の空間分布を得ることができた。また、同手法を用いてヒトファブリー病患者の末梢神経組織中の異常脂質蓄積の脂質特異的イメージングを行うことができた。
さらに顕微鏡切片の脱脂処理前後のラマン分光画像を対象に開発手法を適用し、生体組織切片の局所に存在する微量な脂質の分光スペクトル特徴を抽出し、分子同定を行うことのできる新規の脂質解析手法を開発した。

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] Enhanced spectral resolution for broadband coherent anti-Stokes Raman spectroscopy (2020)
  • Author(s): Sinjab Faris、Hashimoto Kazuki、Zhao Xuanqiang、Nagashima Yu、Ideguchi Takuro
  • Journal Title: Optics Letters Volume: 45 Issue: 6 Pages: 1515-1515
  • DOI: 10.1364/ol.388624
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Quantifying normal and parkinsonian gait features from home movies: Practical application of a deep learning?based 2D pose estimator (2019)
  • Author(s): Sato Kenichiro、Nagashima Yu、Mano Tatsuo、Iwata Atsushi、Toda Tatsushi
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 14 Issue: 11 Pages: 0223549-0223549
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0223549
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Estimating acceleration time point of respiratory decline in ALS patients: A novel metric (2019)
  • Author(s): Sato Kenichiro、Iwata Atsushi、Kurihara Masanori、Nagashima Yu、Mano Tatsuo、Toda Tatsushi
  • Journal Title: Journal of the Neurological Sciences Volume: 403 Pages: 7-12
  • DOI: 10.1016/j.jns.2019.05.031
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Molecular contrast on phase-contrast microscope (2019)
  • Author(s): Toda Keiichiro、Tamamitsu Miu、Nagashima Yu、Horisaki Ryoichi、Ideguchi Takuro
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Issue: 1 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1038/s41598-019-46383-6
  • NAID: 120006711373
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Quantitative Analysis of Surface Electromyography for Pediatric Neuromuscular Disorders (2018)
  • Author(s): Higashihara Mana、Sonoo Masahiro、Ishiyama Akihiko、Nagashima Yu、Matsumoto Kohji、Uesugi Haruo、Mori-Yoshimura Madoka、Murata Miho、Murayama Shigeo、Komaki Hirofumi
  • Journal Title: Muscle & Nerve Volume: 58 Issue: 6 Pages: 824
  • DOI: 10.1002/mus.26299
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 創薬における超高速ラマン分光法の活用 (2018)
  • Author(s): 長島 優, 橋本 和樹, 大間知潤子, 井手口拓郎
  • Journal Title: 光アライアンス Volume: 29(6) Pages: 21-26
• [Presentation] Label-free imaging of abnormal lipid accumulation in muscle fibers from inclusion body myositis patients using Raman spectroscopy (2019)
  • Author(s): Yu Nagashima, Jun Shimizu, Atsushi Iwata, Kosuke Yoshioka, Junko Omachi, Junji Yumoto, Makoto Kuwata-Gonokami, Tatsushi Toda
  • Organizer: Society for Neuroscience
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Label-free visualization of abnormal lipid accumulation in rimmed vacuoles in muscle fibers from inclusion body myositis patients (2019)
  • Author(s): Yu Nagashima, Jun Shimizu, Atsushi Iwata, Tatsushi Toda
  • Organizer: International Conference on the Bioscience of Lipids
  • Int'l Joint Research