Application of multi-task deep learning with brain MRI to psychiatric and neurological disorders

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21K07593
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 大石 直也 京都大学, 医学研究科, 特定准教授 (40526878)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: MRI / 脳 / 深層学習 / マルチタスク / 精神・神経疾患

Outline of Annual Research Achievements

非侵襲的脳画像法の代表である脳MRIは、ハード・ソフトウェアの進歩により精神・神経疾患の臨床・研究に大きく寄与してきた。申請者はこれまでに2つの問題を同時かつ相補的に学習することで精度向上を図るマルチタスク深層学習の手法を開発し、その臨床的有用性を明らかにしてきた。本研究の目的は、MRIの多岐にわたるシーケンス画像および課題に適したマルチタスク深層学習アルゴリズムを開発し、健常者および精神・神経疾患患者に適応することで各タスク精度の向上性を明らかにすることである。
2023年度では、昨年度開発した複数シーケンスのMRI画像（multiple 3D）を組み合わせたマルチタスク深層学習手法を前庭神経鞘腫患者に対する検証を新たに実施した。約60名の前庭神経鞘腫患者に対して、T1強調, T2強調, Gd-T1画像を組み合わせることで単一シーケンスと比べて腫瘍領域の同定精度が向上することを検証しえた。さらに、生成AIの基盤技術を応用することでT1強調画像からT2強調画像への画像-画像変換、あるいはノイズ除去などの精度が向上することも明らかにした。
また、精神・神経疾患において重要であることが示唆されているが微細なため従来の技術では同定困難であった手綱核の正確な同定技術を深層学習により成功し、責任著者として論文報告（Kyuragi et al., Biological Psychiatry: Global Open Science., in press）するなど複数の学術的成果を得た。

Research Products

• [Journal Article] Discrete prefrontal neuronal circuits determine repeated stress-induced behavioral phenotypes in male mice (2024)
  • Author(s): Li H, Kawatake-Kuno A, Inaba H, Miyake Y, Itoh Y, Ueki T, Oishi N, Murai T, Suzuki T, *Uchida S
  • Journal Title: Neuron Volume: S0896-6273 Pages: 00934-0
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2023.12.004
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Sustained antidepressant effects of ketamine metabolite involve GABAergic inhibition-mediated molecular dynamics in anterior PVT glutamatergic neurons (2024)
  • Author(s): Kawatake-Kuno A, Li H, Inaba H, Hikosaka M, Ishimori E, Ueki T, Gakun Y, Morishita H, Narumiya S, Oishi N, *Otsuki G, Murai T, *Uchida S
  • Journal Title: Neuron Volume: S0896-6273 Pages: 00049-7
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2024.01.023
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Validation of Wistar-Kyoto rats kept in solitary housing as an animal model for depression using voxel-based morphometry (2024)
  • Author(s): *Yoshii T, *Oishi N, Sotozono Y, Watanabe A, Sakai Y, Yamada S, Matsuda K, Kido M, Ikoma K, Tanaka M, Narumoto J
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 14 Pages: 3601
  • DOI: 10.1038/s41598-024-53103-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Segmentation and volume estimation of habenula using deep-learning in patients with depression (2024)
  • Author(s): Kyuragi Y, *Oishi N, Hatakoshi M, Hirano J, Noda T, Yoshihara Y, Ito Y, Igarashi H, Miyata J, Takahashi K, Kamiya K, Matsumoto J, Okada T, Fushimi Y, Nakagome K, Mimura M, Murai T, *Suwa T
  • Journal Title: Biological Psychiatry: Global Open Science Volume: in press Pages: in press
  • DOI: 10.1016/j.bpsgos.2024.100314
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] GPCR-mediated calcium and cAMP signaling acting on c-fos determines psychosocial stress susceptibility and resiliency (2023)
  • Author(s): Inaba H, Li H, Kawatake-Kuno A, Dewa K, Nagai J, Oishi N, Murai T, *Uchida S
  • Journal Title: Sci Adv. Volume: 9 Pages: eade5397
  • DOI: 10.1126/sciadv.ade5397
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Correlation between trait emotional intelligence and prefrontal activation during a verbal fluency task: A functional near-infrared spectroscopy study (2023)
  • Author(s): Fukumoto T, Amitani H, Wada M, Oishi N, *Asakawa A
  • Journal Title: Medicine Volume: 102 Pages: e34418
  • DOI: 10.1097/MD.0000000000034418
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Voxel-based clustered imaging by multiparameter diffusion tensor images for predicting the grade and proliferative activity of meningioma. Brain and Behavior (2023)
  • Author(s): Takahashi Y, *Oishi N, Yamao Y, Kunieda T, Kikuchi T, Fukuyama H, Miyamoto S, Arakawa Y
  • Journal Title: Brain and Behavior Volume: e3201 Pages: e3201
  • DOI: 10.1002/brb3.3201
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Efficacy and safety of cilostazol in mild cognitive impairment: a randomized clinical trial (2023)
  • Author(s): Saito S, Oishi N, et al (他35名、25番目）
  • Journal Title: JAMA Network Open Volume: 6 Pages: e2344938
  • DOI: 10.1001/jamanetworkopen.2023.44938
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Differences in the functional connectivity of large-scale brain networks between young adults with subclinical attention-deficit/hyperactivity and autistic traits (2023)
  • Author(s): Hirata R, Yoshimura S, Kobayashi K, Aki M, Shibata M, Ueno T, Miyagi T, Oishi N, Murai T, *Fujiwara H
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Pages: 19724
  • DOI: 10.1038/s41598-023-47034-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 微小脳構造を核とした安静時機能結合MRI (2024)
  • Author(s): 大石 直也
  • Organizer: 第26回日本ヒト脳機能マッピング学会
  • Invited