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精神疾患の階層横断的理解を加速する数理モデリング技術の開発

Publicly Offered Research

Project AreaConstructive understanding of multi-scale dynamism of neuropsychiatric disorders
Project/Area Number 19H05210
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Biological Sciences
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

島村 徹平  名古屋大学, 医学系研究科, 教授 (00623943)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2021-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Keywords数理モデリング / モジュールネットワーク / 種間横断的解析 / 臓器連関 / システム生物学 / 行列因子分解 / ネットワーク解析 / スパースモデリング
Outline of Research at the Start

本研究では、脳の複雑な階層性を超えて、精神病態を統合的に理解するため、精神疾患の階層横断的理解を加速する数理モデリング技術を開発する。本研究課題の推進により、階層別に解析することで生じる情報損失を回避するとともに、個別に行われてきた精神疾患研究を統合的に捉えるための情報解析基盤の構築、複雑な生命現象をマルチスケールの観点から俯瞰的に思考するといった生命科学研究における新しいパラダイムの創出が期待される。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、生命現象を階層ごとの閉じた情報の中で捉えようとする従前のアプローチを克服し、脳の複雑な階層性を加味して精神疾患を高次脳機能におけるシステムレベルの障害として包括的に理解するため、精神疾患の階層横断的理解を加速するための数理モデリング技術を開発する。本研究課題の推進により、階層別に解析することで生じる情報損失を回避するとともに、個別に行われてき精神疾患研究を統合的に捉えるための情報解析基盤の構築、複雑な生命現象をマルチスケールの観点から俯瞰的に思考するといった生命科学研究における新しいパラダイムの創出が期待される。2020年度は以下の進展があった。
①種間横断的検証を可能にする機械学習技術の開発:前年度の結果をまとめ、ヒトやマウスなどの種の異なるオミクスデータ、あるいは異なる階層のオミクス情報などのマルチモーダルデータを統合解析する機械学習技術(BALSAMICO)をgithub上に公開した。また、統合解析技術の精度向上を図るため、新たに深層学習技術を取り入れた手法(scMM)を開発し、シミュレーションデータおよび実データで、解析技術の有用性を確認した。
②モジュールネットワーク比較のための機械学習技術の開発:前年度開発したモジュールネットワーク比較手法をスパコン上で実行する解析パイプラインを構築し、シミュレーションデータおよび実データで、解析技術の有用性・汎用性を確認した。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • Research Products

    (35 results)

All 2021 2020 2019

All Journal Article (19 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Peer Reviewed: 19 results,  Open Access: 19 results) Presentation (16 results) (of which Invited: 16 results)

  • [Journal Article] Hierarchical non-negative matrix factorization using clinical information for microbial communities2021

    • Author(s)
      Abe Ko、Hirayama Masaaki、Ohno Kinji、Shimamura Teppei
    • Journal Title

      BMC Genomics

      Volume: 22 Issue: 1 Pages: 104-104

    • DOI

      10.1186/s12864-021-07401-y

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  • [Journal Article] Short-Chain Fatty Acid-Producing Gut Microbiota Is Decreased in Parkinson’s Disease but Not in Rapid-Eye-Movement Sleep Behavior Disorder2020

    • Author(s)
      Nishiwaki Hiroshi、Hamaguchi Tomonari、Ito Mikako、Ishida Tomohiro、Maeda Tetsuya、Kashihara Kenichi、Tsuboi Yoshio、Ueyama Jun、Shimamura Teppei、Mori Hiroshi、Kurokawa Ken、Katsuno Masahisa、Hirayama Masaaki、Ohno Kinji
    • Journal Title

      mSystems

      Volume: 5 Issue: 6

    • DOI

      10.1128/msystems.00797-20

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  • [Journal Article] CYBERTRACK2.0: zero-inflated model-based cell clustering and population tracking method for longitudinal mass cytometry data2020

    • Author(s)
      Minoura K*, Abe K*, Maeda Y, Nishikawa H, Shimamura T§
    • Journal Title

      Bioinformatics

      Volume: - Issue: 11 Pages: 873-873

    • DOI

      10.1093/bioinformatics/btaa873

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  • [Journal Article] Model-based clustering for flow and mass cytometry data with clinical information2020

    • Author(s)
      Abe K, Minoura K, Maeda Y, Nishikawa H, Shimamura T§
    • Journal Title

      BMC Bioinformatics

      Volume: 21(Suppl 13) Issue: S13 Pages: 393-393

    • DOI

      10.1186/s12859-020-03671-7

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    • Author(s)
      Mariko Sekiguchi, Akiko Kodama,... Emiko Shishido,... Daisuke Mori, Norio Ozaki
    • Journal Title

      Translational psychiatry

      Volume: 10 Issue: 1 Pages: 1-15

    • DOI

      10.1038/s41398-020-00917-z

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      Sekiguchi M, Seki M, Kawai T, Yoshida K, Yoshida M, Isobe T, Hoshino N, Shirai R, Tanaka M, Souzaki R, Watanabe K, Arakawa Y, Nannya Y, Suzuki H, Fujii Y, Kataoka K, Shiraishi Y, Chiba K, Tanaka H, Shimamura T, Sato Y, Sato-Otsubo A, Kimura S, Kubota Y, Hiwatari M, et al
    • Journal Title

      NPJ Precis Oncol.

      Volume: Jul 7;4:20. Issue: 1 Pages: 20-20

    • DOI

      10.1038/s41698-020-0125-y

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      Nishiwaki Hiroshi、Ito Mikako、Ishida Tomohiro、Hamaguchi Tomonari、Maeda Tetsuya、Kashihara Kenichi、Tsuboi Yoshio、Ueyama Jun、Shimamura Teppei、Mori Hiroshi、Kurokawa Ken、Katsuno Masahisa、Hirayama Masaaki、Ohno Kinji
    • Journal Title

      Movement Disorders

      Volume: 35 Issue: 9 Pages: 1626-1635

    • DOI

      10.1002/mds.28119

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      Yoshino S, Matsui Y, Fukui Y, Seki M, Yamaguchi K, Kanamori A, Saitoh Y, Shimamura T, Suzuki Y, Furukawa Y, Kaneko S, Seiki M, Murakami Y, Inoue JI, Sakamoto T.
    • Journal Title

      Sci Rep

      Volume: 10 Issue: 1 Pages: 9275-9275

    • DOI

      10.1038/s41598-020-66455-2

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      Higashijima Y, Matsui Y, Shimamura T, Nakaki R, Nagai N, Tsutsumi S, Abe Y, Link VM, Osaka M, Yoshida M, Watanabe R, Tanaka T, Taguchi A, Miura M, Ruan X, Li G, Inoue T, Nangaku M, Kimura H, Furukawa T, Aburatani H, Wada Y, Ruan Y, Glass CK, Kanki Y
    • Journal Title

      The EMBO Journal

      Volume: 39 Issue: 7 Pages: 1-1

    • DOI

      10.15252/embj.2019103949

    • NAID

      120006902140

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  • [Journal Article] Model-based cell clustering and population tracking for time-series flow cytometry data.2019

    • Author(s)
      Minoura K, Abe K, Maeda Y, Nishikawa H, Shimamura T.
    • Journal Title

      BMC Bioinformatics

      Volume: 20(Suppl 23) Issue: S23 Pages: 633-633

    • DOI

      10.1186/s12859-019-3294-3

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      Osawa T, Shimamura T, Saito K, Hasegawa Y, Ishii N, Nishida M, Ando R, Kondo A, Anwar M, Kato K, Endo K, Yamano S, Kanki Y, Matsumura Y, Minami T, Tanaka T, Anai M, Wada Y, Wanibuchi H, Hayashi M, Hamada A, Yoshida M, Yachida S, Nakao M, Sakai J, Aburatani H, Shibuya M, Hanada K, Miyano S, Soga T, Kodama T
    • Journal Title

      Cell Rep.

      Volume: 29(1) Issue: 1 Pages: 89-103

    • DOI

      10.1016/j.celrep.2019.08.087

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      Matsuno Yusuke、Atsumi Yuko、Shimizu Atsuhiro、Katayama Kotoe、Fujimori Haruka、Hyodo Mai、Minakawa Yusuke、Nakatsu Yoshimichi、Kaneko Syuzo、Hamamoto Ryuji、Shimamura Teppei、Miyano Satoru、Tsuzuki Teruhisa、Hanaoka Fumio、Yoshioka Ken-ichi
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 10 Issue: 1 Pages: 3925-3925

    • DOI

      10.1038/s41467-019-11760-2

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      Konno Masamitsu、Koseki Jun、Asai Ayumu、Yamagata Akira、Shimamura Teppei、Motooka Daisuke、Okuzaki Daisuke、Kawamoto Koichi、Mizushima Tsunekazu、Eguchi Hidetoshi、Takiguchi Shuji、Satoh Taroh、Mimori Koshi、Ochiya Takahiro、Doki Yuichiro、Ofusa Ken、Mori Masaki、Ishii Hideshi
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      Nature Communications

      Volume: 10 Issue: 1 Pages: 3888-3888

    • DOI

      10.1038/s41467-019-11826-1

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      Mizutani Y, Kobayashi H, Iida T, Asai N, Masamune A, Hara A, Yamaguchi J, Wang T, Woods SL, Worthley D, Shimamura T, Fujishiro M, Hirooka Y, Enomoto A, Takahashi M. et al.
    • Journal Title

      Cancer Res.

      Volume: 79 Issue: 20 Pages: 5367-5381

    • DOI

      10.1158/0008-5472.can-19-0454

    • NAID

      120006786261

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      Ohka Fumiharu、Shinjo Keiko、Deguchi Shoichi、Matsui Yusuke et al.
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      Cancer Research

      Volume: 79 Issue: 19 Pages: 4814-4827

    • DOI

      10.1158/0008-5472.can-19-1272

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      Kajino T, Shimamura T, Gong S, Yanagisawa K, Ida L, Nakatochi M, Griesing S, Shimada Y, Kano K, Suzuki M, Miyano S
    • Journal Title

      EMBO J

      Volume: 38 Issue: 17 Pages: 1-13

    • DOI

      10.15252/embj.201798441

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      Abe K, Hirayama H, Ohno K, Shimamura T.
    • Journal Title

      BMC Genomics

      Volume: 20(Suppl 2) Issue: S2 Pages: 191-191

    • DOI

      10.1186/s12864-019-5476-9

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      Kidoya H, Muramatsu F, Shimamura T, Jia W, Satoh T, Hayashi Y, Naito H, Kunisaki Y, Arai F, Seki M, Suzuki Y, Osawa T, Akira S., Takakura N.
    • Journal Title

      Nature Commun,

      Volume: 10 Issue: 1 Pages: 1072-1072

    • DOI

      10.1038/s41467-019-09028-w

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      Kawakubo H, Matsui Y, Kushima I, Ozaki N, Shimamura T.
    • Journal Title

      Bioinformatics

      Volume: - Issue: 17 Pages: 1-10

    • DOI

      10.1093/bioinformatics/btz032

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Published: 2019-04-18   Modified: 2021-12-27  

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