Modeling of spatio-temporal dynamics of neuropil signals and its application to automatic cell detectors

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H04203
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 62010:Life, health and medical informatics-related
• Research Institution: The University of Tokyo (2023); Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: Aonishi Toru 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (00333352)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: カルシウムイメージング / 自動細胞検出 / 非負値行列因子分解 / ニューロピル信号

Outline of Final Research Achievements

We developed the world's widest-field and fastest two-photon microscope (FASHIO-2PM) (Ota et al. Neuron 2021). In this research project, Aonishi was contributing in developing a low-computational-cost cell detection algorithm, LCCD, which automatically detects cells at high speed from the large-scale imaging data acquired by FASHIO-2PM. We succeeded in automatically detecting the activity of 16,000 cells from 15 brain regions (3mm x 3mm) including sensory, motor, and higher-level areas with high accuracy and high speed (Ito et al. Neurosci. Res. 2022). To improve cell detection performance, the fluorescent signal corresponding to the neuropil signal was detected and deleted from the original signal.

Free Research Field

データ駆動科学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

我々が開発した広視野2光子顕微鏡FASHIO-2PMにより、複数の脳領域をまたぐ数万の神経活動を観測することが可能となった。また、この顕微鏡と同時に開発した高速自動細胞検出アルゴリズムLCCDにより、膨大な細胞の正確な活動系列の自動抽出を実現し、これら活動系列の統計的解析が可能となった。本研究で開発したこれら計測技術により、これまでにない脳領域をまたぐ広域の数万規模の神経活動の解析が可能となった。これにより、これまで観察されてこなかった脳領域をまたぐハブ細胞ネットワークという新しい生命現象を可視化することに成功している。したがって、我々が開発した技術は神経科学分野を大きく進展させるものである。