生物画像シミュレーションのための計算システムの構築とその応用

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K12146
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 渡部 匡己 国立研究開発法人理化学研究所, 生命システム研究センター, 研究員 (70599480)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 生物画像シミュレーション / 全反射顕微鏡 / レーザー走査型共焦点顕微鏡

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、実験物理で有効な定量化の方法を応用して、生化学反応ネットワーク理論と実際の細胞画像の相違を光子数単位で埋める新しい試みである。研究は、全体的に遅れている。平成２７年度は、全反射顕微鏡とレーザー走査型共焦点顕微鏡の観測プロセスを「重ね合わせの原理」従って光子数単位でモンテカルロ・シミュレーションを実行できる計算システムの構築することが主な課題となっていた。シミュレーションの結果は、設定した変数値が反映された計算画像がアウトプットとして生成される。平成２８年度は、応用例を示すことを課題としている。全反射顕微鏡法のシミュレーションを使って、一分子追跡法の精度検証をすることを計画している。具体的には、以下の３つある。
(1) 細胞モデルの構築（HRG-ErbB受容体の二量体モデル）[Hiroshima et al. PNAS (2012)]
(2) イベントを区別するための選択アルゴリズムの構築
(3) 一分子追跡法による解析の精度の計算
しかし、課題(1)で、オリジナルのモデルに問題点が多数見つかり修正するのに予想以上の時間がかかったため、全体的に遅れている。現在は、問題点は修正され、課題(2)(3)に取組んでいる。平成２９年度は、前年の残りの課題を終わらせ、２つ目の応用例に移行する。レーザー走査型共焦点顕微鏡のシミュレーションから得られた蛍光顕微鏡画像データを使って、画像相関法による拡散定数の解析精度の検証・評価することを計画している。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

上記で上げた３つの課題を計画していたが、最初の課題で、オリジナルのモデルの変数値や解析方法に間違いや矛盾点が多数見つかっため、それらを修正するのに、予想以上の時間を必要とした。また、今回の課題において重要な光退色のシミュレーションの計算速度がボトルネックになっており、一分子追跡の解析をする上で問題だったが、並列化させることで、計算速度の改善することに成功した。それらの理由から、全体的に遅れている。

Strategy for Future Research Activity

平成２９年度は、課題(2)(3)を終わらせ、２つ目の応用例に移行する。画像相関法の精度の検証、評価をすることを計画している。レーザー走査型共焦点顕微鏡のシミュレーションから得られた蛍光顕微鏡画像データを使って、画像相関法による拡散定数の解析精度を求める計算をする。
顕微鏡のシミュレーションを実行することで、蛍光分子の時間・位置・退色の状態などの物理量の「真の値」を記録できる。また、シミュレーションによって得られた画像データを解析することで、「解析解」が得られる。それらの「真の値」と「解析値」の差異を利用して、拡散定数などの解析の正確性・精度を計算する。具体的には、以下の２つを計画している。
(1) 細胞モデルの構築（シンプルなものに留める）
(2) 画像相関法による拡散係数の解析の精度計算（感度解析）

Causes of Carryover

当初、海外で行われる学会に参加するために海外出張の旅費に割り当てることを予定していたが、解析の進みぐあいがイマイチだったので、今回はパスした。

Expenditure Plan for Carryover Budget

余った額を旅費に充てる。