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2020 Fiscal Year Annual Research Report

Development of Data-driven Mathematical Analysis for Single Cells and Singularity Cells

Planned Research

Project AreaSingularity biology
Project/Area Number 18H05413
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

小松崎 民樹  北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (30270549)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 中村 篤祥  北海道大学, 情報科学研究院, 教授 (50344487)
小野 峻佑  東京工業大学, 情報理工学院, 准教授 (60752269)
Project Period (FY) 2018-06-29 – 2023-03-31
Keywords情報計測 / バンディットアルゴリズム / 因果推論 / 1細胞ラマン分光 / スパース学習
Outline of Annual Research Achievements

ある細胞と別の細胞の主従関係を推定する場合,それら2つの細胞の軌跡データなどを用いて評価されているが,2つの細胞の振る舞いを決める因子が,その2つの細胞以外にも,第3の細胞が介在する状況なども考えられる。主従関係や因果関係における“原因”と“結果”を解析するためには,単純な対の組み合わせで表現できない多体の相互作用から成り立っている。そのため,多体のあいだの因果関係を推定することは要素間の組み合わせの数が膨大になる。2対の軌跡データを変数とする移動エントロピーを細分化した新しい相乗情報量に着眼し,改良Vicsekモデルに基づいてこの問題を考察し、移動エントロピーに含まれる相乗情報量の振る舞いを解析することで,要素間の多体の相互作用が推定できることを見いだした(Sci Adv 2022)。
昨年度開発した、細胞毎の発火状態時系列からの伝搬時差推定をギャップを挿入する文字列のアライメントで行い伝搬グラフを構築する手法を発展させ、DTW(Dynamic Time Warping)ベースの実数値列アライメントを用いて伝搬グラフを構築する方法を開発した。位置情報を用いないで伝搬関係を推定できるため、細胞間の信号の伝搬のみでなく、株価の他の株価への影響の伝搬関係など曖昧な伝搬関係の抽出にも使えることを株価データを用いて確認した。
シンギュラリティ成分検出の前処理としてイメージングデータからノイズや外乱を取り除くための正則化手法について研究を進めた。具体的には、イメージングデータに内在するスパース性を引き出す変換を構成し、スパース性を評価するノルムと組み合わせて正則化関数を設計した。加えて、この正則化を含む最適化問題としてノイズ・外乱除去問題を定式化し、これを解くアルゴリズムを開発した。最後に、実際のハイパースペクトルイメージングデータを用いた大規模な比較実験によって有効性を実証した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

細胞状態を評価するうえでラマン画像のほか、細胞などの要素の軌跡データを用いて、細胞間の主従関係、細胞間の相互作用域を推定する手法を開発することに成功した(Phys Rev E 2020, J. Chem. Phys. 2021, BPPB 2021(招待))。また、Sci Adv 2022 (on line feature articleに選出)など成果が出ている。

Strategy for Future Research Activity

相互作用ポテンシャルの型(反発型ポテンシャル、モース型)が軌跡データから復元できるかを解析するとともに、相乗情報量を最大にする系の構成パラメータをベイズ最適化で算出し、移動エントロピーの成分である相乗情報量の物理的な解釈を与える。また、これまでに開発してきた手法群をAMATERASの画像データ解析に適用し、領域内の異分野融合をより加速する。
開発したDTWベースの実数値列アライメントを用いて伝搬グラフを構築する方法は、伝搬時差が変化する場合にも各時点での伝搬時差を推定することが可能である。しかし、どのくらい正確に推定できるかはわかっていないため、シミュレーションによりその有効性を確認し、有効な応用の範囲を明確化する。
今後は、2020年度に開発した正則化手法を始めとする様々な事前知識を取り入れることで、定常成分・シンギュラリティ成分・ノイズや外乱を同時に分離しながら推定する方
法論の構築を行う。また、実際のイメージングデータの異常検出における有効性(検出精度・ノイズ等への頑健性等)を実験的に検証する。

  • Research Products

    (44 results)

All 2022 2021 2020 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (11 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 7 results) Presentation (30 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 7 results) Remarks (2 results)

  • [Int'l Joint Research] University of California, Davis(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      University of California, Davis
  • [Journal Article] Modes of information flow in collective cohesion2022

    • Author(s)
      Sulimon Sattari, Udoy S. Basak, Ryan G. James, Louis W. Perrin, James P. Crutchfield, Tamiki Komatsuzaki
    • Journal Title

      Science Advances

      Volume: 8 Pages: -

    • DOI

      10.1126/sciadv.abj1720

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] An information-theoretic approach to infer the underlying interaction domain among elements from finite length trajectories in a noisy environment2021

    • Author(s)
      Basak Udoy S.、Sattari Sulimon、Hossain Md. Motaleb、Horikawa Kazuki、Komatsuzaki Tamiki
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 154 Pages: 034901~034901

    • DOI

      10.1063/5.0034467

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Transfer entropy dependent on distance among agents in quantifying leader-follower relationships2021

    • Author(s)
      Basak Udoy S.、Sattari Sulimon、Hossain Motaleb、Horikawa Kazuki、Komatsuzaki Tamiki
    • Journal Title

      Biophysics and Physicobiology

      Volume: 18 Pages: 131~144

    • DOI

      10.2142/biophysico.bppb-v18.015

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Classification Bandits: Classification Using Expected Rewards as Imperfect Discriminators2021

    • Author(s)
      Tabata Koji、Nakumura Atsuyoshi、Komatsuzaki Tamiki
    • Journal Title

      Pacific-Asia Conference on Knowledge Discovery and Data Mining, Workshop on Machine Learning for MEasurement INformatics

      Volume: - Pages: 57~69

    • DOI

      10.1007/978-3-030-75015-2_6

  • [Journal Article] Inferring domain of interactions among particles from ensemble of trajectories2020

    • Author(s)
      Basak Udoy S.、Sattari Sulimon、Horikawa Kazuki、Komatsuzaki Tamiki
    • Journal Title

      Physical Review E

      Volume: 102 Pages: 012404-1-9

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.102.012404

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Dependence of DNA length on binding affinity between TrpR and trpO of DNA2020

    • Author(s)
      Shimamoto Nobuo、Toda Mikito、Nara Shigetoshi、Komatsuzaki Tamiki、Kamagata Kiyoto、Kinebuchi Takashi、Tomizawa Jun-ichi
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 10 Pages: -

    • DOI

      10.1038/s41598-020-71598-3

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 時系列データのペアワイズアライメントによる伝播グラフの推定2020

    • Author(s)
      林 達也、中村 篤祥
    • Journal Title

      人工知能学会研究会資料 人工知能基本問題研究会

      Volume: 114 Pages: 1-6

    • DOI

      10.11517/jsaifpai.114.0_01

  • [Journal Article] Data-Dependent Conversion to a Compact Integer-Weighted Representation of a Weighted Voting Classifier.2020

    • Author(s)
      Mitsuki Maekawa, Atsuyoshi Nakamura, Mineichi Kudo
    • Journal Title

      Proceedings of The 12th Asian Conference on Machine Learning (ACML 2020)

      Volume: - Pages: 241-256

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A Constrained Convex Optimization Approach to Hyperspectral Image Restoration with Hybrid Spatio-Spectral Regularization2020

    • Author(s)
      Takeyama Saori、Ono Shunsuke、Kumazawa Itsuo
    • Journal Title

      Remote Sensing

      Volume: 12 Pages: 3541~3541

    • DOI

      10.3390/rs12213541

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Joint Mixed-Noise Removal and Compressed Sensing Reconstruction of Hyperspectral Images via Convex Optimization2020

    • Author(s)
      Takeyama Saori、Ono Shunsuke
    • Journal Title

      IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS)

      Volume: 1 Pages: 1492-1495

    • DOI

      10.1109/IGARSS39084.2020.9323489

  • [Journal Article] ハイパースペクトル画像復元のための低ランク正則化と空間-波長正則化の融合2020

    • Author(s)
      武山彩織, 小野峻佑
    • Journal Title

      第35回信号処理シンポジウム

      Volume: - Pages: -

  • [Presentation] On-the-fly Raman image microscopy by reinforcement machine learning2022

    • Author(s)
      Tamiki Komatsuzaki, Koji Tabata, Hiroyuki Kawagoe, James Nicholas Taylor, Kentaro Mochizuki, Toshiki Kubo, Jean-Emmanuel Clement, Yasuaki Kumamoto, Yoshinori Harada, Atsuyoshi Nakamura, Katsumasa Fujita
    • Organizer
      SPIE Photonics Europe 2022
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 情報理論による化学的空間不均一性に基づくラマン分光イメージングの解析2022

    • Author(s)
      近藤僚哉, TAYLOR J. Nicholas, CLEMENT Jean-Emmanuel, 水野雄太, 藤田克昌, 原田義規, 小松崎民樹
    • Organizer
      化学系学協会北海道支部2022年冬季研究発表会
  • [Presentation] 情報理論とラマン分光イメージングを用いた化学的不均一性の解析2022

    • Author(s)
      近藤僚哉, James N.Taylor, 水野雄太, Jean-Emmanuel Clement, 藤田克昌, 原田義規, 小松崎民樹
    • Organizer
      2021年度生物物理学会北海道支部-東北支部合同例会
  • [Presentation] Detection of Cancer Stem Cells in Sarcoma Model Cells Using Morphological Features for Developing New Diagnostics Tools2021

    • Author(s)
      Zannatul Ferdous, Masumi Tsuda, Jean-Emmanuel Clement, Koji Tabata, Jian Ping Gong, Shinya Tanaka, Tamiki Komatsuzaki
    • Organizer
      ICReDD 3rd International Symposium
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Classification Bandits: Classification Using Expected Rewards as Imperfect Discriminators2021

    • Author(s)
      Koji Tabata, Atsuyoshi Nakamura, Tamiki Komatsuzaki
    • Organizer
      PAKDD2021 Workshop on Machine Learning for MEasurement Informatics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] On-the-fly Raman image microscopy by reinforcement machine learning2021

    • Author(s)
      Tamiki Komatsuzaki , Koji Tabata, Hiroyuki Kawagoe, James Nicholas Taylor , Kentaro Mochizuki , Jean-Emmanuel Clement , Yasuaki Kumamoto , Atsuyoshi Nakamura , Yoshinori Harada , Katsumasa Fujita
    • Organizer
      FACSS SciX 2021
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 強化学習を用いたラマン計測迅速化:On-the-fly Raman image microscopy2021

    • Author(s)
      小松崎民樹
    • Organizer
      (一社)大阪大学ナノ理工学人材育成産学コンソーシアム 令和2年度第3回ナノ理工学情報交流会
    • Invited
  • [Presentation] 機械学習を用いた化学的不均一性 の情報を含むラマン顕微鏡画像中のスペクトルの分類2021

    • Author(s)
      近藤僚哉, James N. Taylor, Jean-Emmanuel Clement, 水野雄太, 藤田克昌, 原田義規, 小松崎民樹
    • Organizer
      化学系学協会北海道支部2021年冬季研究発表会
  • [Presentation] 化学的不均一性も考慮したラマン顕微鏡画像解析2021

    • Author(s)
      近藤僚哉, James N.Taylor, Jean-Emmanuel Clement, 水野雄太, 藤田克昌, 原田義規, 小松崎民樹
    • Organizer
      生物物理学会学会 北海道支部-東北支部合同例会
  • [Presentation] Analysis Dictyostelium Discoideum cells motion response to a chemoattractant cyclic-AMP wave2021

    • Author(s)
      Md. Motaleb Hossain, Sulimon Sattari, Udoy S. Basak, Kazuki Horikawa, Tamiki Komatsuzaki
    • Organizer
      生物物理学会学会 北海道支部-東北支部合同例会
  • [Presentation] Study on Identification of Leader and Follower agents and its Interaction domain from Trajectories in a Collectively Moving Colony2021

    • Author(s)
      Udoy S. Basak, Sulimon Sattari, Md. Motaleb Hossain, Kazuki Horikawa, Tamiki Komatsuzaki
    • Organizer
      生物物理学会学会 北海道支部-東北支部合同例会
  • [Presentation] Modes of Information Flow in Collective Cohesion2021

    • Author(s)
      Sulimon Sattari, Udoy Basak, James P. Crutchfield, Tamiki Komatsuzaki
    • Organizer
      生物物理学会学会 北海道支部-東北支部合同例会
  • [Presentation] ラマン分光イメージングにおける化学的空間不均一性の情報理論解析2021

    • Author(s)
      近藤 僚哉, James N. Taylor, Jean-Emmanuel Clement, 水野 雄太, 藤田 克昌, 原田 義規, 小松崎 民樹
    • Organizer
      第23回理論化学討論会
  • [Presentation] 計測介入型AIによる迅速ラマン計測2021

    • Author(s)
      小松崎 民樹
    • Organizer
      JST情報計測オンラインセミナーシリーズ
    • Invited
  • [Presentation] 化学反応ネットワークにおける時間階層性(Timescale hierarchies in chemical reaction networks)2021

    • Author(s)
      小松崎 民樹
    • Organizer
      シンポジウム「化学反応経路探索のニューフロンティア2021」
    • Invited
  • [Presentation] ラマン分光イメージングにおける化学的空間不均一性 に基づいたファジークラスタリング手法の開発2021

    • Author(s)
      近藤 僚哉, James N.Taylor, Jean-Emmanuel Clement, 水野 雄太, 藤田 克昌, 原田 義規, 小松崎 民樹
    • Organizer
      第15回分子科学討論会
  • [Presentation] 一分子計測からたんぱく質のエネルギー地形の階層性を抽出する Capturing hierarchical features in protein energy landscape from single molecule time series2021

    • Author(s)
      小松崎 民樹
    • Organizer
      第59回日本生物物理学会年会
    • Invited
  • [Presentation] Classification of Spectra in Raman Microscopic Image by Chemical Heterogeneity2020

    • Author(s)
      Ryoya Kondo, James N Taylor, Jean-emmanuel Clement, Yuta Mizuno, Katsumasa Fujita, Yoshinori Harada, Tamiki Komatsuzaki
    • Organizer
      The 21st RIES-HOKUDAI International Symposium
  • [Presentation] To classify Raman spectra using Deep Learning Approach2020

    • Author(s)
      Abdul Halim Bhuiyan, Jean-emmanuel Clement, Kentaro Mochizuki, James Nick Taylor, Koji Tabata, Yuta Mizuno, Atsuyoshi Nakamura, Yoshinori Harada, Katsumasa Fujita, Tamiki Komatsuzaki
    • Organizer
      The 21st RIES-HOKUDAI International Symposium
  • [Presentation] Application of Linear Bandit in Drug Screening Example2020

    • Author(s)
      Md. Menhazul Abedin, Koji Tabata, Jean-Emmanuel Clement, Masumi Tsuda, Shinya Tanaka, Tamiki Komatsuzaki
    • Organizer
      The 21st RIES-HOKUDAI International Symposium
  • [Presentation] Inferring domain of Interaction among Dictyostelium discoideum colony from the ensemble of Trajectories of cells2020

    • Author(s)
      Udoy S. Basak, Sulimon Sattari, Motaleb M. Hossain, Kazuki Horikawa, Tamiki Komatsuzaki
    • Organizer
      The 21st RIES-HOKUDAI International Symposium
  • [Presentation] Analysis of Cancer Stem Cells in Sarcoma Model Cells by Deep Neural Network2020

    • Author(s)
      Zannatul Ferdous, Masumi Tsuda, Jean-Emmanuel Clement, Koji Tabata, Yusuke Ishida, Jun Suzuka, Jian Ping Gong, Shinya Tanaka, Tamiki Komatsuzaki
    • Organizer
      The 21st RIES-HOKUDAI International Symposium
  • [Presentation] Raman Imaging for Exploring Cancer Metabolism2020

    • Author(s)
      Jean-Emmanuel Clement, Mochizuki Kentaro, Katsumasa Fujita, Tamiki Komatsuzaki
    • Organizer
      The 21st RIES-HOKUDAI International Symposium
  • [Presentation] Vector analysis of amoeba motion response to a cyclic-AMP wave2020

    • Author(s)
      Md. Motaleb Hossain, Sulimon Sattari, Udoy Sankar Basak, Kazuki Horikawa, Tamiki Komatsuzaki
    • Organizer
      The 21st RIES-HOKUDAI International Symposium
  • [Presentation] Vector analysis of amoeba motion with respect to the propagation of chemoattractant cyclic-AMP2020

    • Author(s)
      Sulimon Sattari, Udoy Basak, Motaleb Md. Hossain, Kazuki Horikawa, Tamiki Komatsuzaki
    • Organizer
      The 21st RIES-HOKUDAI International Symposium
  • [Presentation] シンギュラリティ生物学における情報×計測2020

    • Author(s)
      小松﨑 民樹
    • Organizer
      シンギュラリティ生物学×細胞ダイバース合同ワークショップ
    • Invited
  • [Presentation] Quantifying the length- and time-scales of influence of cells in collective motion2020

    • Author(s)
      Sulimon Sattari, Basak Udoy, Motaleb Md. Hossain, 堀川 一樹, 小松崎 民樹
    • Organizer
      第58回日本生物物理学会年会
  • [Presentation] Inferring domain of Interactions among Dictyostelium discoideum colony from the Ensemble of Trajectories of cells2020

    • Author(s)
      Basak Udoy S, Sattari Sulimon, Hossain Md. Motaleb, Horikawa Kazuki, Komatsuzaki Tamiki
    • Organizer
      第58回日本生物物理学会年会
  • [Presentation] Vector analysis of amoeba motion with respect to the propagation of chemoattractant cyclic-AMP2020

    • Author(s)
      Hossain Md. Motaleb, Sattari Sulimon, Basak Udoy S, Horikawa Kazuki, Komatsuzaki Tamiki
    • Organizer
      第58回日本生物物理学会年会
  • [Presentation] Raman imaging for cancer diagnosis2020

    • Author(s)
      Jean-Emmanuel Clement, Kenntaro Mochizuki, Katsumasa Fujita, Tamiki Komatsuzaki
    • Organizer
      第58回日本生物物理学会年会
  • [Remarks] 細胞などの要素間相互作用の関係性をデータ駆動的に解明

    • URL

      https://www.es.hokudai.ac.jp/result/2022-02-10-mlns/

  • [Remarks] 研究室HP

    • URL

      https://mlns.es.hokudai.ac.jp/

URL: 

Published: 2022-12-28  

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