多次元データに基づくメゾ回路のシステム同定法の開発

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Mesoscopic neurocircuitry: towards understanding of the functional and structural basis of brain information processing
• Project/Area Number: 22115012
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 石井 信 京都大学, 情報学研究科, 教授 (90294280)
• Project Period (FY): 2010-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: システム同定 / ベイズ推定 / 超解像 / 構造可視化 / シミュレーション

Outline of Annual Research Achievements

○神経超解像法に基づくメゾ回路機能の同定　　蛍光顕微鏡画像からの高精細三次元位置合わせ法とそれを用いた超解像法を開発し、マウス運動学習に伴うシナプス構造変化検出に適用した。時点間画像位置合わせ、各時点におけるシナプス検出、複数時点にわたるシナプス対応付けのそれぞれについて、多段階位置合わせ法、２次元回転不変特徴量による検出、深さ・時間方向対応付け距離モデルによって解決した（松崎との共同研究）。ショウジョウバエ共焦点顕微鏡画像に基づき神経回路をトラッキングする手法を開発し、脳全体にわたるモノアミン神経回路構造を同定した(Skibbe, et al., 2015)。

○神経系の回路パラメータの同定を行う統計的推定技術　　ラットのスライスでの機能的多ニューロンカルシウムイメージングデータから、神経間あるいは神経－グリア間相互作用の同定を行う統計的手法を開発した。神経間相互作用では、一般化線形モデルによる機能的コネクトミクス法、経験ベイズ検定法を開発した。神経－グリア間では、多次元自己回帰モデルに基づく機能的コネクトミクス法により、グリアの活動が大きくなるとその近傍のニューロンの発火率が高まることを示した（池谷との共同研究）（Nakae, et al., 2014）。また、統計的推定手法をショウジョウバエ幼虫脊髄神経系のカルシウムイメージングデータに適用した。脊髄神経系では、伝搬波上で異なるフェーズを有する細胞クラスタがあり、クラスタ間ではフェーズが徐々にずれていくことで、回路全体として伝搬波を形成することを見出した（能瀬との共同研究）。

○神経細胞樹状突起およびスパインの計算機構のモデル化　　樹状突起スパインにおける入力タイミング依存の構造可塑性について、スパイン内シグナル伝達モデルを構築し、実験データを説明するシミュレーションを達成した。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Efficient Monte Carlo image analysis for the location of vascular entity. (2015)
  • Author(s): Skibbe, H., Reisert, M., Maeda, S., Koyama, M., Oba, S., Ito, K., & Ishii, S.
  • Journal Title: IEEE Transactions on Medical Imaging Volume: 34 Pages: 628-643
  • DOI: 10.1109/TMI.2014.2364404.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A computational model of afterimage rotation in the peripheral drift illusion based on retinal ON/OFF responses. (2014)
  • Author(s): Hayashi, Y., Ishii, S., & Urakubo, H.
  • Journal Title: PLoS ONE Volume: 9 Pages: -
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0115464.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structural differences in gray matter between glider pilots and non-pilots. A voxel-based morphometry study. (2014)
  • Author(s): Ahamed, T., Kawanabe, M., Ishii, S., & Callan, D.
  • Journal Title: Frontiers in Neurology Volume: 5 Pages: 248
  • DOI: 10.3389/fneur.2014.00248
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A statistical method of identifying interactions in neuron-glia systems based on functional multicell Ca2+ imaging. (2014)
  • Author(s): Nakae, K., Ikegaya, Y., Ishikawa, T., Oba, S., Urakubo, H., Koyama, M. & Ishii, S.
  • Journal Title: PLoS Computational Biology Volume: 10 Pages: -
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1003949.
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A critical time window for dopamine actions on the structural plasticity of dendritic spines. (2014)
  • Author(s): Yagishita, S., Hayashi-Takagi, A., Ellis-Davies, G.C.R., Urakubo, H., Ishii, S., & Kasai, H.
  • Journal Title: Science Volume: 345 Pages: 1616-1620
  • DOI: 10.1126/science.1255514
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spiking network simulation code for petascale computers. (2014)
  • Author(s): Kunkel, S., Schmidt, M., Eppler, J.M., Plesser, H.E., Masumoto, G., Igarashi, J., Ishii, S., Fukai, T., Morrison, A., Diesmann, M., & Helias, M.
  • Journal Title: Frontiers in Neuroinfomatics Volume: 8 Pages: 78
  • DOI: 10.3389/fninf.2014.00078
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] In vitro reconstitution of a CaMKII memory switch by an NMDA receptor-derived peptide. (2014)
  • Author(s): Urakubo, H., Sato, M., Ishii, S., & Kuroda, S.
  • Journal Title: Biophysical Journal Volume: 106 Pages: 1414-1420
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2014.01.026
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 外部シグナルに制御される細胞集団移動の数理モデル. (2015)
  • Author(s): 村瀬 晃生, 本田 直樹, 石井 信.
  • Organizer: 電子情報通信学会技術研究報告
  • Place of Presentation: 玉川大学（東京都町田市）
  • Year and Date: 2015-03-16 – 2015-03-17
• [Presentation] A predictive approach for identifying interactions in neuron-glia systems. (2015)
  • Author(s): Nakae, K., Ikegaya, Y., Ishikawa, T., Oba, S., Urakubo, H., Koyama, M., & Ishii, S.
  • Organizer: 第15回脳と心のメカニズム冬のワークショップ
  • Place of Presentation: ルスツリゾート（北海道虻田郡）
  • Year and Date: 2015-01-07 – 2015-01-09
• [Presentation] 電子顕微鏡連続切片画像のZ方向超解像. (2015)
  • Author(s): 内藤 堅志, 大羽 成征, 石井 信.
  • Organizer: 第15回脳と心のメカニズム冬のワークショップ
  • Place of Presentation: ルスツリゾート（北海道虻田郡）
  • Year and Date: 2015-01-07 – 2015-01-09
• [Presentation] A model of Amygdala and mPFC interactions for large resistance to extinction of partially reinforced fear memory. (2014)
  • Author(s): Li, Y., Ishii, S., & Naoki, H.
  • Organizer: Society for Neuroscience Annual Meeting
  • Place of Presentation: Washington DC.（United States of America）
  • Year and Date: 2014-11-15 – 2014-11-19
• [Presentation] Reconstruction of cellular migrating behavior based on molecular activity. (2014)
  • Author(s): Naoki, H., Yamao, M., & Ishii, S.
  • Organizer: Flies, worms and robots: combining perspectives on minibrains and behavior
  • Place of Presentation: Sant Feliu de Guixols（Spain）
  • Year and Date: 2014-11-08 – 2014-11-13
• [Presentation] 全脳シミュレーションに向けて：大規模計算技術と大規模構造 マップ. (2014)
  • Author(s): 石井 信
  • Organizer: 第7回スーパーコンピュータ「京」と創薬・医療の産学連携セミナー
  • Place of Presentation: 梅田センタービル（大阪府大阪市）
  • Year and Date: 2014-10-17 – 2014-10-17
  • Invited
• [Presentation] Reverse engineering-based methods for elucidating functions of neural systems. (2014)
  • Author(s): Ishii, S.
  • Organizer: Neuroscience 2014
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2014-09-11 – 2014-09-13
  • Invited
• [Presentation] A model of Amygdala-mPFC interaction for resistance to extinction after partial reinforcement fear conditioning. (2014)
  • Author(s): Li, Y., Ishii, S., & Honda, N.
  • Organizer: Neuroscience 2014
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2014-09-11 – 2014-09-13
• [Presentation] Statistical analysis of global spontaneous activity of central neurons in Drosophilla larvae. (2014)
  • Author(s): Yoon, Y., Nakae, K., Kohsaka, H., Ishii, S., & Nose, A.
  • Organizer: Neuroscience 2014
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2014-09-11 – 2014-09-13
• [Presentation] Efficient Metropolis-Hasting image analysis for the location of vascular entity. (2014)
  • Author(s): Skibbe, H., Reisert, M., & Ishii, S.
  • Organizer: 36th German Conference on Pattern Recognition, Lecture Notes in Computer Science
  • Place of Presentation: Munich(Germany)
  • Year and Date: 2014-09-02 – 2014-09-05
• [Presentation] System identification and reconstruction of sensory neural activity during thermotaxis behavior of C. (2014)
  • Author(s): Tsukada, Y., Naoki, H., Murase, A., Yamao, M., Shimowada, T., Ohnishi, N., Kuhara, A., Ishii, S., & Mori, I.
  • Organizer: 11th International Congress of Neuroethology
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道札幌市）
  • Year and Date: 2014-07-28 – 2014-08-02
• [Book] 細胞運動のシステム同定. 生体の科学 (2014)
  • Author(s): 本田 直樹, 山尾 将隆, 石井 信.
  • Total Pages: 385-526（468-469）
  • Publisher: 公益法人金原一郎記念医学医療振興財団／医学書院
• [Remarks] 研究代表者（石井信）ホームページ
  • URL: http://ishiilab.jp/member/ishii/publications/