2014 Fiscal Year Research-status Report
スパース正則化モデルによる神経回路の光計測データからの信号抽出
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26870577
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| Research Institution | Kogakuin University |
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Principal Investigator |
竹川 高志 工学院大学, 情報学部, 助教 (50415220)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | セルソーティング / 信号検出 / スパース性 / MAP推定 / 最適化 / 逐次二次計画法 / 内点法 / 共役勾配法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
実験技術の向上により多数の神経細胞の活動を高解像で光計測することができる様になってきるが，観測データから細胞位置とスパイク時系列を推定するセルソーティング手法に関しても，いまだ十分な精度を持った方法はなく光計測を用いた研究の発展のために早急に基礎技術として確立する必要がある．本研究では，細胞内カルシウム濃度とスパイク時系列の関係を一般の線形のインパルス応答で記述するモデルを用いた高精度で安定した推定結果を高速に得ることができるシステムを開発している．本年度はそれまでの研究結果を踏まえてカルシ ウム濃度変化モデル，拘束条件，事前分布，数値解法などの詳細を決定し，システムの構築を完成させた．個別の改良としては，昨年度までは細胞形状やスパイク時系列に対して天下り的に L1 正則化を行っていたが信号の強度の影響を大きく受けていたため，細胞の大きさと発火頻度のみを事前分ぷとして想定することにより精度が大きく改善した．この変更に伴い，問題設定が単純な二次計画問題ではなくなったが逐次二次計画を適用することにより対応することができている．また，本手法では細胞の形状とスパイク時系列を交互に推定しているが，ベースラインに関してはどちらのステップにおいても考慮することができるように定式化を変更し，解への収束速度を大幅に向上させた．これらの成果を人口データにおいて確かめると共に，複数の研究室での実験データを実際に解析し非常に良好な結果を得ている．特にこれまでの手法では難しかった重なった細胞の活動を正しく分離することに成功している．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
・計画段階におけるモデルと数値解法を実装するだけはなく，理論的に大幅に進化したモデルと数値解法を開発することができた．
・その結果，人口データにおける性能評価において，当初の想定以上の結果を得ている．
・複数の実験系の研究室に協力を受け，実際の実験データに適用した結果についても現実的な計算時間で既存のすべての手法を格段に上回る精度を得ることができている．
・特に本研究のポイントである重なった細胞間のクロストーク除去について既存の手法とははっきりとした質的な違いが見られる．
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| Strategy for Future Research Activity |
・大規模データに対応するためのプログラムの最適化と並列化
・論文の投稿と複数の国際会議での発表
・システムの公開方法についての検討
・カルシウムイメージング以外の応用分野についての検討
・超解像を用いたより高精度なモデルの構築
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