脳神経回路の自動解析法の開拓

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25610126
• Research Institution: Tokai University
• Principal Investigator: 水谷 隆太 東海大学, 工学部, 教授 (70272482)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 神経回路 / マイクロトモグラフィ

Outline of Annual Research Achievements

脳の神経回路は、多数のニューロンがネットワークを形成して成り立っている。脳神経回路の解析を進めるためには、（１）脳組織の微細構造を三次元的に可視化し、（２）得られる三次元像を解釈してネットワークモデルを構築し、（３）これを神経回路に変換する、という３ステップを経なくてはならない。このようなニューロンレベルでの神経回路の研究は世界的にも端緒についたところであり、ステップ２のモデル構築も手作業で行われるのが現状である。このため、解析に多大な時間と労力を要し、ネットワーク構造を構築した報告は少数に限られる。そこで本研究では、専用のアルゴリズムを用いて三次元像を機械解釈させ、コンピュータによるモデル構築を目的として測定・解析を進めてきた。
神経ネットワークは、ニューロンの細胞体の粒状構造と、そこから伸びる軸索・樹状突起の線状構造から構成される。実際の解析像では、毛細血管の構造や、試薬の沈着等による実験的なノイズが含まれる場合もある。そのような解析対象とすべきでない構造部分の識別については、既に専用のアルゴリズムを考案してソフトウエアに組み込んでいる。本年度は、これを応用してモデル構築時にマスクし、神経ネットワークの線状構造のみを検出することで、モデル構築を迅速に行うことできた。そこで、当該年度も含めて測定してきた各症例の脳組織構造を、網羅的に解析する作業を進めた。これらの解析では、テラバイト単位のデータを逐次アクセスして画像処理することが必要となり、本年度の物品費によりハードディスクアレイとRAIDインターフェースを整備して研究に供した。
また、解析の対象となる三次元像を得るため、脳組織検体を用いて測定も引き続き行った。測定実験は放射光施設に赴いて行う必要があり、そのために旅費を支出し、測定データを得て上述の解析に用いた。

Research Products

• [Journal Article] A method for estimating spatial resolution of real image in the Fourier domain (2016)
  • Author(s): Ryuta Mizutani, Rino Saiga, Susumu Takekoshi, Chie Inomoto, Naoya Nakamura, Masanari Itokawa, Makoto Arai, Kenichi Oshima, Akihisa Takeuchi, Kentaro Uesugi, Yasuko Terada, and Yoshio Suzuki
  • Journal Title: J. Microsc. Volume: 261 Pages: 57-66
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1111/jmi.12315
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Recent progress of hard x-ray imaging microscopy and microtomography at BL37XU of SPring-8 (2016)
  • Author(s): Yoshio Suzuki, Akihisa Takeuchi, Yasuko Terada, Kentaro Uesugi, and Ryuta Mizutani
  • Journal Title: AIP Conf. Proc. Volume: 1696 Pages: 020013
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4937507
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Three-dimensional structure of brain tissue at submicrometer resolution. (2016)
  • Author(s): Rino Saiga, Ryuta Mizutani, Chie Inomoto, Susumu Takekoshi, Naoya Nakamura, Akio Tsuboi, Motoki Osawa, Makoto Arai, Kenichi Oshima, Masanari Itokawa, Kentaro Uesugi, Akihisa Takeuchi, Yasuko Terada, and Yoshio Suzuki
  • Journal Title: AIP Conf. Proc. Volume: 1696 Pages: 020004
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4937498
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Three-dimensional neuronal structure of human cerebral cortex determined by synchrotron-radiation microtomography (2015)
  • Author(s): Rino Saiga, Susumu Takekoshi, Chie Inomoto, Naoya Nakamura, Akio Tsuboi, Motoki Osawa, Makoto Arai, Kenichi Oshima, Masanari Itokawa, Kentaro Uesugi, Akihisa Takeuchi, Yasuko Terada, Yoshio Suzuki, and Ryuta Mizutani
  • Journal Title: Microsc. Microanal. Volume: 21(S3) Pages: 919-920
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1017/S1431927615005395
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] X-ray tomographic microscopy of Drosophila brain network and skeletonized model building in the three-dimensional image (2015)
  • Author(s): Ryuta Mizutani, Rino Saiga, Kentaro Uesugi, Akihisa Takeuchi, Yasuko Terada, and Yoshio Suzuki
  • Journal Title: Microsc. Microanal. Volume: 21(S3) Pages: 917-918
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1017/S1431927615005383
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Scanning Brain Networks with Micro-CT (2015)
  • Author(s): Ryuta Mizutani, Rino Saiga, Susumu Takekoshi, Makoto Arai, Akihisa Takeuchi, and Yoshio Suzuki
  • Journal Title: Microscopy Today Volume: 23 Pages: 12-17
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1017/S1551929515000784
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] One-step generation of multiple transgenic mouse lines using an improved Pronuclear Injection-based Targeted Transgenesis (i-PITT) (2015)
  • Author(s): Masato Ohtsuka, Hiromi Miura, Keiji Mochida, Michiko Hirose, Ayumi Hasegawa, Atsuo Ogura, Ryuta Mizutani, Minoru Kimura, Ayako Isotani, Masahito Ikawa, Masahiro Sato and Channabasavaiah B Gurumurthy
  • Journal Title: BMC Genomics Volume: 16 Pages: 274
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1186%2Fs12864-015-1432-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] ヒト大脳皮質の神経回路の三次元解析 (2015)
  • Author(s): 藤巻知央，菊池亜弥，蓮見真子，竹腰進，井野元智恵，中村直哉，坪井秋男，大澤資樹，新井誠，大島健一，糸川昌成，上杉健太朗，竹内晃久，寺田靖子，鈴木芳生，雑賀里乃，水谷隆太
  • Organizer: 第88回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（神戸市）
  • Year and Date: 2015-12-01
• [Presentation] X-ray Tomographic Microscopy of Drosophila Brain Network and Skeletonized Model Building in the Three-Dimensional Image (2015)
  • Author(s): Ryuta Mizutani, Rino Saiga, Kentaro Uesugi, Akihisa Takeuchi, Yasuko Terada and Yoshio Suzuki
  • Organizer: Microscopy & Microanalysis 2015 Meeting
  • Place of Presentation: Oregon Convention Center (Portland, USA)
  • Year and Date: 2015-08-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Three-Dimensional Neuronal Structure of Human Cerebral Cortex Determined by Synchrotron-Radiation Microtomography (2015)
  • Author(s): Rino Saiga, Susumu Takekoshi, Chie Inomoto, Naoya Nakamura, Akio Tsuboi, Motoki Osawa, Makoto Arai, Kenichi Oshima, Masanari Itokawa, Kentaro Uesugi, Akihisa Takeuchi, Yasuko Terada, Yoshio Suzuki and Ryuta Mizutani
  • Organizer: Microscopy & Microanalysis 2015 Meeting
  • Place of Presentation: Oregon Convention Center (Portland, USA)
  • Year and Date: 2015-08-04
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] Mizutani Lab, Tokai Univ
  • URL: http://www.el.u-tokai.ac.jp/ryuta/