Development of high-speed general-purpose cell sorting method by sparse modeling and image processing

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K12104
• Research Institution: Kogakuin University
• Principal Investigator: 竹川 高志 工学院大学, 情報学部(情報工学部), 准教授 (50415220)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 蛍光イメージング / 信号検出 / 細胞検出 / スパース最適化 / 非負行列因子分解

Outline of Annual Research Achievements

近年，蛍光イメージング記録の性能の向上により，神経回路の理解が大きく向上することが期待されている．性能の向上に伴いデータの大規模化も進んでおり，蛍光イメージング記録を有効に活用するために，記録データから自動的に細胞の位置とスパイク活動を抽出するセルソーティング技術が重要となっている．実際，ここ数年セルソーティングの手法に関する論文が多数発表されている．しかし，実際には精度・速度・安定性などさまざまな観点から，現状のシステムで十分とは言えない．特に，データごとにパラメータをチューニングする必要がある上に，評価基準がないために得られる推定結果が恣意的になってしまう点が大きく問題である．本研究は，恣意性を排除し個々のデータについて解析の正当性が担保できるような評価方法を確立することを目的に，イメージングデータの特性を事前知識として考慮したアルゴリズムのパラメータに依存しない安定したセルソーティング手法を開発した．本年度は，開発したアルゴリズムを GPU を用いた並列計算によって高速に実行するシステムを実装し，他システムで計算が困難な大規模データにおいても十分に利用できることを確認した．本研究は単に細かい調整を行った独自のシステムを開発することにとどまらず，独自のアイデアで多くのアルゴリズムの基礎部分に対して，本質的な改善を図るアイデアを複数提供している．カルシウムにとどまらず電位依存性などによりイメージングデータの解析は神経科学分野で今後さらに活発に行われると予想され，その基礎を支える技術として重要である．

Current Status of Research Progress

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

Reason

GPU を用いた高速化実装を完成させた．多くの実データにおいて安定的に動作することが確認でき，共同研究者を中心に活用されている．ソースコードの一般公開に向けて順調に準備を進めている．

Strategy for Future Research Activity

開発したシステムを公開し，フィードバックによりさらなる改良を図る．特に，時間方向に入力データよりも解像度の高い状態でスパイク推定を可能とすることを最重要の課題と位置づけている．

Causes of Carryover

コロナウイルスの対応により，開催する予定だった研究会や参加する予定だった学会が中止あるいはオンライン開催となり，旅費の支出が直前でキャンセルされたため．本年度，キャンセルされた研究会の開催を予定している．

Research Products

• [Journal Article] Orchestrated ensemble activities constitute a hippocampal memory engram (2019)
  • Author(s): Khaled Ghandour, Noriaki Ohkawa, Chi Chung Alan Fung, Hirotaka Asai, Yoshito Saitoh, Takashi Takekawa, Reiko Okubo-Suzuki, Shingo Soya, Hirofumi Nishizono, Mina Matsuo, Makoto Osanai, Masaaki Sato, Masamichi Ohkura, Junichi Nakai, Yasunori Hayashi, Takeshi Sakurai, Takashi Kitamura, Tomoki Fukai & Kaoru Inokuchi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 10 Pages: －
  • DOI: 10.1038/s41467-019-10683-2
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research