自由行動中の生物の機能的全脳計測に適した高精度な細胞追跡手法

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Resonance Biology for Innovative Bioimaging
• Project/Area Number: 18H04728
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 豊島 有 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (10632341)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 画像解析 / 神経科学 / 機能的全脳イメージング / 細胞追跡

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、時系列全体を通じた大域的な最適化手法を活用して、線虫頭部神経のカルシウムイメージングの4D動画に含まれる細胞核を高精度に追跡し、神経活動を正確に定量する手法を開発することを目指した。
2018年度は、大域的な追跡手法を実装し、定性的な比較を行った。検出と対応付けによる一般的な追跡手法では、全ての対象物が全ての時点で正しく検出されていることが前提となるが、線虫の頭部神経は密集しているため、正確な自動検出は極めて難しく、各時点でのエラーが累積してしまう。代表者らは、ある時点での正確な検出結果から、画像の輝度分布を混合正規分布モデルで近似し、次の時点の画像に対する混合正規分布の最適化によって追跡を行うSequential法を過去に開発したが、一端生じた追跡エラーが時間方向に伝播するため、精度が不十分であった。
エラーを伝播させないためには開始時点のモデルを他時点の画像に直接適用すればよいが(Parallel法)、大きな変形に弱くなってしまう。そこで類似度に従って画像を並べ替え、木構造を形成して追跡するTree法を開発した。似た画像を辿ってモデルを適用することでエラーを低減でき、またエラーの伝播を木構造の分枝内に限局させて抑制できる。
また画像の非剛体レジストレーションによって画像の局所変位を計算し、最適化の前に各正規分布を局所変位に沿って移動させることで、最適化による追跡のエラーを大きく抑制できた。
これらの手法を組み合わせて、線虫頭部神経のカルシウムイメージングの4D動画に含まれる細胞核の追跡に適用した。Sequential法では非剛体レジストレーションの繰り返しによって局所変位のエラーが蓄積してしまうことが判明した。またParallel法では大変形に弱いという特性が確認された。Tree法では大変形への対応とエラーの限局・低減を同時に達成できた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初計画の通り、大域的な追跡手法を実装し、定性的な比較を行うことができたため。

Strategy for Future Research Activity

大域的な追跡手法を多数の4D動画に適用して定量的な比較を進める。またNet法など新たな大域的追跡手法の実装と比較検討を進める。

Research Products

• [Presentation] Cell identification and whole-brain activity imaging of C. elegans (2019)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Moon Sun Jang, Suzu Oe, Yuko Murakami, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida, Yuichi Iino
  • Organizer: CREST"生命動態の理解と制御のための基盤技術の創出"第7回領域会議
• [Presentation] 線虫の塩走性行動の包括的理解に向けた全中枢神経活動と行動の高精度同時計測 (2019)
  • Author(s): 豊島 有, 佐藤 研, 三上 秀治, Stephen Wu, 佐藤 博文, Jang Moon-Sun, 金森 真奈美, 滝沢 拓己, 大江 紗, 寺本 孝行, 徳永 旭将, 広瀬 修, 合田 圭介, 石原 健, 吉田亮, 飯野 雄一
  • Organizer: 新学術領域研究「生物移動情報学」領域会議
• [Presentation] 線虫の塩走性行動の包括的理解に向けた全中枢神経活動と行動の高精度同時計測 (2018)
  • Author(s): 豊島 有, 佐藤 研, 三上 秀治, Stephen Wu, 佐藤 博文, Jang Moon-Sun, 金森 真奈美, 滝沢 拓己, 大江 紗, 寺本 孝行, 徳永 旭将, 広瀬 修, 合田 圭介, 石原 健, 吉田亮, 飯野 雄一
  • Organizer: 新学術領域研究「生物移動情報学」領域会議
• [Presentation] 自由行動中の生物の機能的全脳計測に適した高精度な細胞追跡手法 (2018)
  • Author(s): 豊島 有, Stephen Wu, 佐藤 研, 滝沢 拓己, 徳永 旭将, 広瀬 修, 金森 真奈美, 佐藤 博文, 寺本 孝行, Jang Moon-Sun, 久下 小百合, 石原 健, 吉田 亮, 飯野 雄一
  • Organizer: 新学術領域「レゾナンスバイオ」班会議
• [Presentation] Bio-image informatics for whole-brain activity imaging of C. elegans (2018)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Manami Kanamori, Takayuki Teramoto, Moon-Sun Jang, Hirofumi Sato, Suzu Oe, Yuko Murakami, Ken Sato, Sayuri Kuge, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida, Yuichi Iino
  • Organizer: CeNeuro2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Molecular and circuit-level analyses reveal the neural mechanisms for the experience-dependent salt chemotaxis in C. elegans. (2018)
  • Author(s): Yuichi Iino, Hirofumi Sato, Yu Toyoshima, Masahiro Tomioka, Hirofumi Kunitomo, Takashi Nagashima, Moon-Sun Jang, Stephen Wu, Manami Kanamori, Llian Mabardi, Shingo Hiroki, Suzu Oe, Yuko Murakami, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida and Takeshi Ishihara
  • Organizer: Asia-Pacific C. elegans meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 感覚統合のメカニズム (2018)
  • Author(s): 村上 悠子, 大江 紗, 勝目 拓海, 寺本 孝行, 豊島 有, 徳永 旭将, 広瀬 修, Wu Stephan, Jang Moon Song, 佐藤 博文, 久下 小百合, 岩崎 唯史, 吉田 亮, 飯野 雄一, 石原 健
  • Organizer: 第41回日本神経科学大会
• [Presentation] 線虫C. elegansにおける化学物質に対する誘引行動と忌避行動との切り替えの神経回路機構? (2018)
  • Author(s): 飯野 雄一, 佐藤 博文, 豊島 有, 大江 紗, ジャン ムンソン, ウ ステファン, 金森 真奈美, 國友 博文, 岩崎 唯史, 吉田 亮, 石原 健
  • Organizer: 第41回日本神経科学大会
• [Presentation] 線虫全脳イメージングのための高速三次元蛍光顕微鏡の開発 (2018)
  • Author(s): 佐藤 研, 三上 秀治, 豊島 有, 飯野 雄一, 合田 圭介
  • Organizer: 第41回日本神経科学大会
• [Presentation] Simultaneous measurement of whole-brain activity and behavior toward comprehensive understanding of salt chemotaxis of C. elegans (2018)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Ken Sato, Hideharu Mikami, Stephen Wu, Hirofumi Sato, Moon-Sun Jang, Manami Kanamori, Suzu Oe, Takayuki Teramoto, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Keisuke Goda, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida, Yuichi Iino
  • Organizer: International Symposium on Systems Science of Bio-Navigation 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Simultaneous measurement of whole-brain activity and behavior toward comprehensive understanding of salt chemotaxis of C. elegans (2018)
  • Author(s): Suzu Oe, Yuko Murakami, Yuki Kawahara, Takayuki Teramoto, Yu Toyoshima, Terumasa Tokunaga, Stephan Wu, Osamu Hirose, Jang Moon-Sun, Hirofumi Sato, Hiroki Takizawa, Sayuri Kuge, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Yuichi Iino, Takeshi Ishihara.
  • Organizer: International Symposium on Systems Science of Bio-Navigation 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 線虫の全中枢神経細胞活動データに対する因果性解析II (2018)
  • Author(s): 岩崎唯史，佐藤博文，大江紗，久下小百合，寺本孝行，徳永旭将，広瀬修，Stephen Wu, 豊島有， ジャン;ムンソン，吉田亮，飯野雄一，石原健
  • Organizer: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [Presentation] 線虫の味覚忌避学習に関わる神経の同定及び神経機能の解析 (2018)
  • Author(s): Jang MoonSun, 豊島有、國友博文、飯野雄一
  • Organizer: 日本動物学会第89回札幌大会
• [Presentation] 線虫の頭部全神経のイメージングによる神経回路の動態解析 (2018)
  • Author(s): 飯野 雄一, 豊島 有, Stephen Wu, 佐藤 博文, Jang Moon-Sun, 金森 真奈美, 大江 紗, 村上 悠子, 久下 小百合, 広瀬 修, 徳永 旭将, 寺本 孝行, 岩崎 唯史, 吉田 亮, 石原 健
  • Organizer: 日本動物学会第89回札幌大会
  • Invited
• [Presentation] Bio-image informatics for whole-brain activity imaging of C. elegans (2018)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Manami Kanamori, Takayuki Teramoto, Moon-Sun Jang, Hirofumi Sato, Suzu Oe, Yuko Murakami, Ken Sato, Sayuri Kuge, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida, Yuichi Iino
  • Organizer: 線虫研究の未来を創る会
• [Presentation] 線虫の全脳イメージングとその解析 (2018)
  • Author(s): 石原健、豊島有、大江紗、ウー・ステファン、村上悠子、徳永旭将、金森真奈美、岩崎唯史、寺本孝行、ジャン・ムンソン、佐藤博文、吉田亮、飯野雄一
  • Organizer: 線虫研究の未来を創る会
• [Presentation] Robustness of synaptic pathway and signaling pathway estimated from the whole-brain activity data in C. elegans (2018)
  • Author(s): 岩崎唯史，佐藤博文，大江紗，久下小百合，寺本孝行，徳永旭将，広瀬修，Stephen Wu, 豊島有， ジャン;ムンソン，吉田亮，飯野雄一，石原健
  • Organizer: 第56回日本生物物理学会大会
• [Presentation] 塩走性行動中の線虫の全脳活動計測のための技術開発 (2018)
  • Author(s): 豊島 有, 佐藤 研, 三上 秀治, Stephen Wu, 佐藤 博文, Jang Moon-Sun, 金森 真奈美, 滝沢 拓己, 大江 紗, 寺本 孝行, 徳永 旭将, 広瀬 修, 合田 圭介, 石原 健, 吉田亮, 飯野 雄一
  • Organizer: 第3回新学術領域「生物ナビゲーションのシステム科学」若手合宿
• [Presentation] Observation and Analyses of the Dynamics of the Whole Head Nervous System in C. elegans (2018)
  • Author(s): Yuichi Iino, Yu Toyoshima, Stephen Wu, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Hirofumi Sato, Jang Moon-Sun, Manami Kanamori, Suzu Oe, Yuko Murakami, Takayuki Teramoto and Takeshi Ishihara
  • Organizer: 日本神経回路学会 第28回全国大会（JNNS2018）
• [Presentation] 線虫の連合学習の記憶に基づく行動スイッチング:中枢神経回路の活動可視化による解析 (2018)
  • Author(s): 大江紗, 村上悠子, 川原祐樹, 寺本孝行, 豊島有, 徳永旭将, Stephan Wu, 広瀬修, Jang Moon-Sun, 佐藤博文, 滝沢拓己, 久下小百合, 岩崎唯史, 吉田亮, 飯野雄一, 石原健
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Mechanisms of taste avoidance learning in the nematode C. elegans (2018)
  • Author(s): Moon-Sun Jang, Hirofumi Kunitomo, Yu Toyoshima, Masahiro Tomioka, Stephen Wu, Suzu Oe, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino
  • Organizer: The 17th International Symposium on Molecular and Neural Mechanisms of Taste and Olfactory Perception (ISMNTOP2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 飯野研究室 研究内容
  • URL: http://molecular-ethology.bs.s.u-tokyo.ac.jp/labHP/J/JResearch/