Neuroinformatics tools of four-dimensional computer brain models with micro cranial nerves and blood vessels

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25280104
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 小山 博史 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 教授 (30194640)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中島 義和 東京医科歯科大学, 生体材料工学研究所, 教授 (40343256) ; 齊藤 延人 東京大学, 医学部附属病院, 教授 (60262002)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 脳内神経回路モデル / 3次元可視化 / 計算モデル / NeuroML / シミュレーション

Outline of Annual Research Achievements

1.脳内神経回路のネットワークモデルに関する研究開発:脳内の解剖学的領域をコンポーネントとして定義し、コンポーネット間を有向グラフで接続し、接続した有向グラフを興奮性と抑制性の二つの活動性について表示可能とした。作成した神経回路モデルはNeuroMLで出力可能とし、再利用や拡張、編集可能とした。特にNeuroMLで定義されている複数のXSDのうち、神経回路などのネットワーク情報を定義しているNetworkMLに準拠し、脳活動コンポーネットの活動領域間をつなぐネットワークでの刺激伝達の順序を有向グラフとしてモデル化できるツールを開発した。
2.脳内神経回路のネットワークの数理モデルに関する研究開発：神経回路の中の神経ネットワークの数理モデルの基礎理論には非線形データ解析理論、複雑ネットワーク理論 、複雑制御理論がある。また、神経細胞の数理モデルとして有名な数理モデルにはHodgkin-Huxley方程式があり 、シナプスの数理モデルにはkineticモデルや減衰・増強シナプスモデル等が提案されている。Neuro MLのLevel2のBiophysicsとChannelMLを用いこれらの複数のレベルの異なる脳内神経回路に数理モデルの統合記述に関する研究開発を行った。
3.脳内神経回路ネットワークの4次元可視化に関する研究開発:現在の機能に加え脳回路を形成するネットワークに知覚コンポーネントを追加し、知覚刺激から認知に関係する回路とDefault Mode Networkに関する神経回路モデルの作成と4次元可視化手法に関する研究開発を行い、MRIとMRAから脳及び 脳血管の3次元形状モデルを作成し、それらに作成した神経回路のネットワークを統合した融合四次元可視化手法を実現した。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Causes of Carryover

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Expenditure Plan for Carryover Budget

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Neurosurgical Virtual Reality Simulation for Brain Tumor Using High-definition Computer Graphics: A Review of the Literature (2017)
  • Author(s): KIN Taichi、NAKATOMI Hirofumi、SHONO Naoyuki、NOMURA Seiji、SAITO Toki、OYAMA Hiroshi、SAITO Nobuhito
  • Journal Title: Neurologia medico-chirurgica Volume: 57 Pages: 513～520
  • DOI: https://doi.org/10.2176/nmc.ra.2016-0320
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Microsurgery Simulator of Cerebral Aneurysm Clipping with Interactive Cerebral Deformation Featuring a Virtual Arachnoid (2017)
  • Author(s): Shono Naoyuki、Kin Taichi、Nomura Seiji、Miyawaki Satoru、Saito Toki、Imai Hideaki、Nakatomi Hirofumi、Oyama Hiroshi、Saito Nobuhito
  • Journal Title: Operative Neurosurgery Volume: 0 Pages: 1-11
  • DOI: https://doi.org/10.1093/ons/opx155
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Usefulness of high-resolution 3D multifusion medical imaging for preoperative planning in patients with posterior fossa hemangioblastoma: technical note (2017)
  • Author(s): Masanori Yoshino, Hirofumi Nakatomi, Taichi Kin, Toki Saito, Naoyuki Shono,Seiji Nomura, Daichi Nakagawa, Shunsaku Takayanagi, Hideaki Imai, Hiroshi Oyama, Nobuhito Saito
  • Journal Title: Journal of Neurosurgery Volume: 127 Pages: 139-147
  • DOI: https://10.3171/2016.5.JNS152646
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Four-dimensional Virtual Brain Application for Visualization and Explanation of Abnormal Neural Activity and Medication Efficacy. (2017)
  • Author(s): Hiroyasu Kobayashi, Mai Hagiwara, Toki Saito, Daisuke Ichikawa, Naoyuki Shono, Taichi Kin, Naoto Kunii, Nobuhito Saito, Hiroshi Oyama.
  • Journal Title: Journal of Medical Virtual Reality Volume: 15 Pages: 1-7
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 脳腫瘍手術における術前血管画像 (2017)
  • Author(s): 金 太一, 野村 征司, 庄野 直之, 斎藤 季, 庄島 正明, 武笠 晃丈, 辛 正廣, 中冨 浩文, 小山 博史, 斉藤 延人
  • Journal Title: 脳神経外科ジャーナル Volume: 26 Pages: 480-487
  • DOI: https://doi.org/10.7887/jcns.26.480
• [Journal Article] トラクトグラフィーを用いた脳神経の可視化と手術プランニングへの応用(総説) (2017)
  • Author(s): 吉野 正紀, 金 太一, 鈴木 雄一, 庄野 直之, 野村 征司, 中川 大地, 斉藤 季, 中冨 浩文, 小山 博史, 斉藤 延人
  • Journal Title: CI研究 Volume: 38 Pages: 1-9
• [Presentation] Recognizing of hand pose in basic surgical tasks using depth images (2017)
  • Author(s): H. Gaibin and Y. Nakajima
  • Organizer: Computer Assisted Radiology and Surgery International Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Suction-fixing and stiffness-tuning manipulator for laparoscopic liver resection (2017)
  • Author(s): J. Kim, Y. Nakajima, K. Kobayashi
  • Organizer: 2017 Computer Assisted Radiology and Surgery International Congress
  • Int'l Joint Research
• [Patent(Industrial Property Rights)] 臓器追跡装置、臓器追跡方法及び臓器追跡プログラム (2018)
  • Inventor(s): 中島義和
  • Industrial Property Rights Holder: 中島義和
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2018-48534
• [Patent(Industrial Property Rights)] 画像処理装置、及びプログラム (2017)
  • Inventor(s): 斎藤季, 金太一, 塩出健人,中富浩文, 齊藤延人,小山博史
  • Industrial Property Rights Holder: 斎藤季, 金太一, 塩出健人,中富浩文, 齊藤延人,小山博史
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2017-162290