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Development and application of image-based Bayesian inference of mechanical parameters

Publicly Offered Research

Project AreaMechanical self-transformation of living systems
Project/Area Number 23H04698
Research Category

Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (III)
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

杉村 薫  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (50466033)

Project Period (FY) 2023-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000)
Fiscal Year 2024: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Keywords力学 / ベイズ統計 / 形態形成 / 上皮 / ベイズ推定
Outline of Research at the Start

研究代表者は最近、細胞の形態が可視化された画像から細胞の力学パラメータを高精度かつ簡易に推定する手法を開発した (Ogita et al. 2022)。本研究では、力学パラメータ推定法をベイズ推定で再定式化することで、遺伝子型や発生ステージなどの集団としての特性と個々のサンプルの特性をシームレスに統合した推定や適用可能なモデル関数の拡張を実現する。新しい手法を研究代表者もしくは領域内他研究者が取得した画像データに適用し、細胞の力学パラメータを数値指標として提供する。さらに、力学パラメータと細胞の動態や極性との相関にもとづいて、理論・実験の両面から、力学パラメータの機能的意義を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

生体秩序形成の力学制御を解き明かすには、細胞集団の力学モデルのパラメータを実験データから精度高く評価することが必須である。しかし 、既存のパラメータ評価手法は細胞の多角形分布などの要約統計量を用いた間接的な比較に留まっており、直接的な評価手法の開発が待たれていた。研究代表者は最近、実験データに基づいて力学モデルの数式を設計し、データが持つ情報から直接、パラメータを高速かつ高精度に推定する手法を報告した (Ogita et al. 2022)。本研究では、力学パラメータ推定法をベイズ推定で再定式化することで、より多くの情報を反映した統合的な推定を実現することを目指す。

2023年度は、力学パラメータ推定法の単層ベイズモデルと階層ベイズモデルを実装し、人工データを用いたテストを実施して、パラメータ推定およびモデル選択の正確性を確認した。開発した手法を用いて、オリジナルの手法では多重共線性が原因で実現できなかった細胞皮質弾性項を含んだモデル選択を行ったところ、当該分野の既存研究で現象論的に足されていた細胞皮質弾性項が細胞の力学(力-形態相関)にほぼ寄与しないことが明らかになった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

画像データから力学パラメータをベイズ推定する手法の実装と検証、ショウジョウバエ上皮組織への応用についてまとめた論文を投稿するなど、当初の予定通りに進行している (Yan et al. bioRxiv, 2024)。

Strategy for Future Research Activity

1. 2023年度に得られた研究成果の論文発表  画像データから力学パラメータをベイズ推定する手法の実装と検証、ショウジョウバエ上皮組織への応用についてまとめた論文を出版する (Yan et al. bioRxiv, 2024)。
2. 力学パラメータと細胞動態・極性の相関の解析  力学パラメータ推定法を、野生型もしくは変異型のショウジョウバエの上皮組織に適用し、力学パラメータの推定値と細胞の動態や極性を比較する。
3. 力学パラメータの機能的意義の解明  力学パラメータと細胞動態・極性の間に興味深い相関が見出されれば、より詳細な解析を進めて、力学パラメータの機能的意義を明らかにする 。例えば、力学パラメータの推定値をCell Vertex Modelに取り込んだ数値計算を実施し、細胞の動態や組織の形状に与える影響を解析する。

Report

(1 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • Research Products

    (13 results)

All 2024 2023 Other

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 3 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Mechanical convergence in mixed populations of mammalian epithelial cells2024

    • Author(s)
      Gauquelin Estelle、Kuromiya Keisuke、Namba Toshinori、Ikawa Keisuke、Fujita Yasuyuki、Ishihara Shuji、Sugimura Kaoru
    • Journal Title

      The European Physical Journal E

      Volume: 47 Issue: 3 Pages: 21-21

    • DOI

      10.1140/epje/s10189-024-00415-w

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Coronin-1 promotes directional cell rearrangement in <i>Drosophila</i> wing epithelium2023

    • Author(s)
      Keisuke Ikawa, Souta Hiro, Shu Kondo, Shizue Ohsawa, Kaoru Sugimura
    • Journal Title

      Cell Structure and Function

      Volume: 48 Issue: 2 Pages: 251-257

    • DOI

      10.1247/csf.23049

    • ISSN
      0386-7196, 1347-3700
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 画像から力学パラメータをベイズ推定する手法の開発2023

    • Author(s)
      YAN XIN、荻田豪士、石原秀至、杉村薫
    • Organizer
      第22回東京大学生命科学シンポジウム
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 機械的な力による多細胞秩序形成2023

    • Author(s)
      杉村 薫
    • Organizer
      関東非線形非平衡バイオソフトマターセミナー
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Attachment and detachment of cortical myosin regulates cell junction exchange during cell rearrangement in the Drosophila wing epithelium2023

    • Author(s)
      Kaoru Sugimura, Keisuk Ikawa, Shuji Ishihara
    • Organizer
      第56回日本発生生物学会年会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Extension of image-based parameter inference for epithelial mechanics by using Bayesian method2023

    • Author(s)
      Xin Yan, Goshi Ogita, Shuji Ishihara, Kaoru Sugimura
    • Organizer
      Statphys28 Satellite Meeting Statistical Physics and Information-Processing in Living Cells
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Image-based parameter inference for epithelial mechanics2023

    • Author(s)
      Kaoru Sugimura, Xin Yan, Goshi Ogita, Shuji Ishihara
    • Organizer
      Statphys28 Satellite Meeting Statistical Physics and Information-Processing in Living Cells
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Image-based parameter inference for epithelial mechanics2023

    • Author(s)
      Kaoru Sugimura, Xin Yan, Goshi Ogita, Shuji Ishihara
    • Organizer
      The 28th International Conference on Statistical Physics, Statphys28
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Image-based inference of mechanics underlying epithelial morphogenesis2023

    • Author(s)
      Kaoru Sugimura, Shuji Ishihara
    • Organizer
      Active mechanics, from single cells to cell layers, tissues and development
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] カルマンフィルタによる上皮組織の力推定2023

    • Author(s)
      荻田豪士、石原秀至、杉村薫、柴田達夫
    • Organizer
      第61回日本生物物理学会年会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 形態形成における細胞分裂の新規秩序構造の制御と機能的意義の解明に向けて2023

    • Author(s)
      杉村 薫
    • Organizer
      定量生物学の会第11回年会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 画像から力学パラメータをベイズ推定する手法の開発2023

    • Author(s)
      YAN XIN
    • Organizer
      定量生物学の会第11回年会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Remarks] 杉村研究室ウェブサイト

    • URL

      http://www.koolau.info/

    • Related Report
      2023 Annual Research Report

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Published: 2023-04-13   Modified: 2024-12-25  

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