Development of Data-driven Mathematical Analysis for Single Cells and Singularity Cells

• Project Area: Singularity biology
• Project/Area Number: 18H05413
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 小松崎 民樹 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (30270549)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中村 篤祥 北海道大学, 情報科学研究院, 准教授 (50344487) ; 小野 峻佑 東京工業大学, 情報理工学院, 准教授 (60752269)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥98,280,000 (Direct Cost: ¥75,600,000、Indirect Cost: ¥22,680,000); Fiscal Year 2021: ¥18,720,000 (Direct Cost: ¥14,400,000、Indirect Cost: ¥4,320,000); Fiscal Year 2020: ¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000); Fiscal Year 2019: ¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000); Fiscal Year 2018: ¥24,440,000 (Direct Cost: ¥18,800,000、Indirect Cost: ¥5,640,000)
• Keywords: 情報計測 / スパース学習 / １細胞ラマン分光 / 因果推論 / バンディット手法 / バンディットアルゴリズム / 1細胞ラマン分光 / 異常検知

Outline of Annual Research Achievements

単細胞生物でコロニーを形成するアメーバDictyostelium discoideum(Dicty)を例に、その離合集散のダイナミクスに隠れている因果関係（リーダーおよびフォロワー細胞の役割分化）を見積もる方法論を開発した。あらかじめリーダー、フォロワー細胞を事前に設定した改良Vicsekモデルに基づく細胞動態シミュレーションの軌跡データ集合から、移動エントロピー、固有情報量、共有情報量、シナジー情報量を用いた因果解析により背後の相互作用距離およびリーダー・フォロワー細胞を同定するデータ解析手法を新規に開発した。さらに、阪大産研永井教授と徳島大学堀川一樹教授らによるcAMPプローブを用いたDicty細胞の離合集散の画像ファイルから抜き出された10コ程度のCAMPパルス列から、速度ベクトル場を粗視化することで、cAMPの濃度場や細胞の個々の運動を個々に並列して追跡できることを見出した。その理論的検証を展開し、cAMPのパルスパターンからシンギュラリティ現象を定量、探索する。
細胞毎の発火状態時系列から伝搬時差推定をアライメントベースで行い伝搬グラフを構築する手法を開発した。また、シンギュラリティ現象が起こる前にリーダーやフォロワーの推定が可能であるかを評価する特徴量の迅速抽出をめざし、バンディット手法を用いたモンテカルロ木探索による識別規則の迅速探索法を開発した。
スパース性を始めとする様々な事前知識を取り入れることで，定常成分・シンギュラリティ成分・ノイズや外乱を同時に分離しながら推定するための数理モデルを定式化した。実際のデータを用いてシンギュラリティ現象の抽出が可能化どうか検証する予定である。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

論文（Mach. Learn.2020、J. Phys. Chem. B., 2019, FEBS Lett. 2019(表紙カバー、Editor’s Choiceに選出)、情報系学会プロシーディング（SDM2019 ICIP2019，ICASSP2019)などコンスタントな研究成果を出すことができている。理論的整備が完了したため、今後、領域内連携を加速する。

Strategy for Future Research Activity

リーダー・フォロワーの因果律の検証ならびに相互作用領域の新規推定手法を継続開発し、より多体系の相互作用様式を理解するため、移動エントロピーの物理的成因を解明すべく情報理論的分解を検討する。A03-2班から入手した細胞性粘菌のマルチスケールイメージング画像ムービーに適用するとともに、実データに対するリーダー・フォロワー検定とその動態を解析する。開発した伝搬グラフを構築する手法を拡張し、位置などの他の情報や発火の度合いなどより詳細な情報を扱えるようにし、予測精度の向上を図る。定常成分・シンギュラリティ成分・ノイズや外乱を同時に分離しながら推定するための数理モデルの定式化を継続し、それを最適化するためのアルゴリズムを開発する．また，理論解析を行い，収束条件・レート等を導出する．加えて，シミュレーションによって理論解析結果との整合性を評価する。

Research Products

• [Journal Article] A bad arm existence checking problem: How to utilize asymmetric problem structure? (2020)
  • Author(s): Tabata Koji、Nakamura Atsuyoshi、Honda Junya、Komatsuzaki Tamiki
  • Journal Title: Journal of Machine Learning Research Volume: 109 Pages: 327-372
  • DOI: 10.1007/s10994-019-05854-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Raman spectroscopic histology using machine learning for nonalcoholic fatty liver disease (2019)
  • Author(s): Khalifa Mohammad Helal, James Nicholas Taylor, Harsono Cahyadi, Akira Okajima, Koji Tabata, Yoshito Itoh, Hideo Tanaka, Katsumasa Fujita, Yoshinori Harada, Tamiki Komatsuzaki
  • Journal Title: FEBS Letters Volume: 593 Pages: 2535-2544
  • DOI: 10.1002/1873-3468.13520
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-Resolution Raman Microscopic Detection of Follicular Thyroid Cancer Cells with Unsupervised Machine Learning (2019)
  • Author(s): J. Nicholas Taylor, Kentaro Mochizuki, Kosuke Hashimoto, Yasuaki Kumamoto, Yoshinori Harada, Katsumasa Fujita, Tamiki Komatsuzaki
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 123 Pages: 4358-4372
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.9b01159
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Feature selection as Monte-Carlo Search in Growing Single Rooted Directed Acyclic Graph by Best Leaf Identification (2019)
  • Author(s): Pelissier A, Nakamura A, Tabata K
  • Journal Title: Proceedings of the 2019 SIAM International Conference on Data Mining Volume: - Pages: 450-458
  • DOI: 10.1137/1.9781611975673.51
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Deciphering Molecular Complexity in Dynamics and Kinetics - From the Single Molecule to the Single Cell Level (2019)
  • Author(s): Komatsuzaki T, Press S, Senet P
  • Journal Title: J. Phys. Chem. B Volume: 123 Pages: 2535-2544
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.9b05382
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mixed Noise Removal for Hyperspectral Images Using Hybrid Spatio-Spectral Total Variation (2019)
  • Author(s): Takeyama Saori、Ono Shunsuke、Kumazawa Itsuo
  • Journal Title: Proceedings of ICIP'19 Volume: - Pages: 3128-3132
  • DOI: 10.1109/icip.2019.8803239
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Efficient Constrained Signal Reconstruction by Randomized Epigraphical Projection (2019)
  • Author(s): Ono Shunsuke
  • Journal Title: Proceedings of ICASSP'19 Volume: - Pages: 4993-4997
  • DOI: 10.1109/icassp.2019.8682191
  • Peer Reviewed
• [Presentation] シンギュラリティ生物学における情報計測 (2020)
  • Author(s): 小松﨑 民樹
  • Organizer: シンギュラリティ生物学×細胞ダイバース合同ワークショップ
• [Presentation] An Information-theoretic approach to identify the interaction radius of a group of collectively moving animals (2019)
  • Author(s): Udoy. S Basak, Sulimon Sattari, Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: The 20th RIES-HOKUDAI International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A sandbox model system for analyzing leadership in collective motion (2019)
  • Author(s): Sulimon Sattari, Udoy Basak, Sky Nicholson, Jason Green, Mikito Toda, Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: The 20th RIES-HOKUDAI International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Bad Arm Existence Checking Algorithm with Bandit Feeedback (2019)
  • Author(s): Koji Tabata, Atsuyoshi Nakamura, Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: The 20th RIES-HOKUDAI International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Raman Microscopic Histology using Ensemble Learning for Non-alcoholic Fatty Liver Disease (2019)
  • Author(s): Khalifa Mohammad Helal, Harsono Cahyadi, J. Nicholas Taylor, Akira Okajima, Yasuaki Kumamoto, Hideo Tanaka, Yoshinori Harada, Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: The 20th RIES-HOKUDAI International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High Resolution Raman Microscopic Detection of Follicular Thyroid Cancer Cells with Unsupervised Machine Learning (2019)
  • Author(s): J. Nicholas Taylor, Kentaro Mochizuki, Kosuke Hashimoto, Yasuaki Kumamoto, Yoshinori Harada, Katsumasa Fujita, Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: The 20th RIES-HOKUDAI International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] On-the-fly Raman image microscopy by reinforcement machine learning (2019)
  • Author(s): Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: Biomedical Raman Imaging 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Raman Hyperspectral Image Analysis Using Ensemble Learning for Non-alcoholic Fatty Liver Disease (2019)
  • Author(s): Khalifa Mohammad Helal, Harsono Cahyadi, J. Nicholas Taylor, Akira Okajima, Yasuaki Kumamoto, Hideo Tanaka, Yoshinori Harada, Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: Biomedical Raman Imaging 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Causal inference in Leader-follower relationship (2019)
  • Author(s): Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: ICSB 2019: Singularity Biology: small elements change the function of the whole systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A leadership-based phase transition in a flocking model with activated and un-activated agents (2019)
  • Author(s): Sulimon Sattari, Tamiki Komatusaki, Mikito Toda, Sky Nicholson, Jason Green, Udoy Basak
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] An Information-theoretic approach toward identifying the leader(s) and aggregation place in Dictyostelium Discoideum colony (2019)
  • Author(s): Basak Udoy Sankar, Sattari Sulimon, Horikawa Kazuki, Komatsuzaki Tamiki
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Raman pathology and its phenotypic landscape for Non-alcoholic fatty liver diseases (2019)
  • Author(s): Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: The Complexity of Dynamics and Kinetics from Single Molecules to Cells
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] アデニレートキナーゼの一分子観察データから再構成するエネルギー地形の階層性 (2019)
  • Author(s): James Nicholas Taylor, Menahem Pirchi, Gilad Haran, 小松崎 民樹
  • Organizer: 第22回理論化学討論会
• [Presentation] Deciphering hierarchical features in reaction network and energy landscape (2019)
  • Author(s): Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: Network analysis to elucidate natural system dynamics, diversity and performance
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] バンディット問題の方策を用いたモンテカルロ木探索による最適属性集合 探索 (2019)
  • Author(s): 中村篤祥, ペリシエ オレリアン, 田畑 公次, 小松崎 民樹
  • Organizer: 第19回日本蛋白質科学会年会第71回日本細胞生物学会大会合同年次大会
• [Presentation] モンテカルロ木特徴探索に基づく非線形グラフ分類回帰 (2019)
  • Author(s): 白川稜, 中村篤祥, 工藤峰一
  • Organizer: 第22回情報論的学習理論ワークショップ
• [Presentation] Learning a Nonlinear Model of Subgraph Features Using Monte Carlo Tree Search (2019)
  • Author(s): Ryo Shirakawa, Atsuyoshi Nakamura, Mineichi Kudo
  • Organizer: ACML 2019 Workshop on Statistics & Machine Learning Researchers in Japan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 空間-波長正則化を用いた圧縮pansharpening (2019)
  • Author(s): 武山 彩織, 小野 峻佑
  • Organizer: 第34回信号処理シンポジウム
• [Presentation] Identification of Leader(s) in a Dictyostelium Discoideum colony: An Information-theoretic Approach (2019)
  • Author(s): Udoy Sankar Basak, Sulimon Sattari, Sosuke Ito, Kazuki Horikawa, Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: 生物物理・回折構造生物学 合同研究会
• [Presentation] A sandbox model system for understanding leadership in collective motion (2019)
  • Author(s): Sulimon Sattari, Udoy Basak, Schuyler Nicholson, Jason Green, Mikito Toda, Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: 生物物理・回折構造生物学 合同研究会
• [Presentation] ハイパースペクトルイメージングのための圧縮pansharpeningの検討 (2019)
  • Author(s): Saori Takeyama, Shunsuke Ono, Itsuo Kumazawa
  • Organizer: 電子情報通信学会信号処理研究会
• [Presentation] ブラックボックス関数の閾値以上の値の存在チェックのアルゴリズム (2019)
  • Author(s): Naoki Ito, Atsuyoshi Nakamura, Mineichi Kudo
  • Organizer: 第11回データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム
• [Presentation] In combining single cell hyperspectral Raman images for the diagnosis of follicular thyroid carcinoma measured at different data (2019)
  • Author(s): Aurelien Pelissier
  • Organizer: バイオ情報計測技術研究会
• [Presentation] High resolution Raman microscopic detection of follicular thyroid cancer cells with unsupervised machine learning (2019)
  • Author(s): Nicholas Taylor
  • Organizer: バイオ情報計測技術研究会
• [Presentation] Mathematical information measurement science: acceleration of Raman spectroscopy by bridging information science (2019)
  • Author(s): Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: バイオ情報計測技術研究会
• [Presentation] A bad arm existence checking problem: how to utilize asymmetric problem structure? (2019)
  • Author(s): Koji Tabata
  • Organizer: バイオ情報計測技術研究会
• [Presentation] Nonsmooth Convex Optimization and Sparse Regularization in Signal and Information Processing (2019)
  • Author(s): Shunsuke Ono
  • Organizer: ICMMA’18
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 1分子時系列情報からどのように背後の反応ネットワークを抽出できるのか？ (2019)
  • Author(s): Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: 「生命動態の理解と制御のための基盤技術の創出」研究領域第7 回領域会議・第11 回数理デザイン道場
  • Invited
• [Presentation] How can one bridge information science and measurement science to accelerate the measurements? (2019)
  • Author(s): Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: The 22nd SANKEN International Symposium The 17th SANKEN Nanotechnology International Symposium “Next Generation Science and Technology for Super Smart Society”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Hyperspectral Pansharpening Using Noisy Panchromatic Image (2018)
  • Author(s): Saori Takeyama, Shunsuke Ono, Itsuo Kumazawa
  • Organizer: Asia-Pacific Signal and Information Processing Association Annual Summit and Conference (APSIPA ASC) 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 非対称性を利用した悪腕存在チェックアルゴリズム (2018)
  • Author(s): Koji Tabata, Atsuyoshi Nakamura, Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: 第21回情報論的学習理論ワークショップ
• [Presentation] ガウシアンノイズを考慮したハイパースペクトル画像とマルチスペクトル画像の合成法 (2018)
  • Author(s): Saori Takeyama, Shunsuke Ono, Itsuo Kumazawa
  • Organizer: 第33回信号処理シンポジウム
• [Presentation] A Randomized Epigraphical Projection Approach to Constrained Signal Reconstruction (2018)
  • Author(s): Shunsuke Ono
  • Organizer: 第33回信号処理シンポジウム
• [Presentation] DOO アルゴリズムの悪腕存在チェック問題への応用 (2018)
  • Author(s): Naoki Ito, Atsuyoshi Nakamura, Mineichi Kudo
  • Organizer: 情報処理北海道シンポジウム2018
• [Presentation] A sandbox model system for studying leadership in collective motion (2018)
  • Author(s): Sulimon Sattari, Udoy Basak, Schuyler Nicholson, Jason Green, Mikito Toda, Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: 研究会「理論と実験」2018
• [Presentation] Classification of Raman Spectra of Healthy and Cancerous Human Follicular Thyroid Cells (2018)
  • Author(s): Nicholas Taylor, Kentaro Mochizuki, Katsumasa Fujita, Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: 研究会「理論と実験」2018
• [Presentation] ラマン計測と情報科学：情報科学は計測を迅速化できるか (2018)
  • Author(s): Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: 第１回計測インフォマティクス研究会
• [Presentation] Information theoretic approach to reveal singularity in biology (2018)
  • Author(s): Tamiki Komatsuzaki
  • Organizer: The 56th Annual Meeting of The Biophysical Society of Japan
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Machine Learning Approaches to Raman Micro-spectroscopic Images (2018)
  • Author(s): Helal Khalifa Mohammad, Cahyadi Harsono, Taylor J. Nicholas, Okajima Akira, Kumamoto Yasuaki, Tanaka Hideo, Harada Yoshinori, Komatsuzaki Tamiki
  • Organizer: The 56th Annual Meeting of The Biophysical Society of Japan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ハイパースペクトル画像の混合ノイズ除去におけるパラメータ設定に関する検討 (2018)
  • Author(s): Saori Takeyama, Shunsuke Ono, Itsuo Kumazawa
  • Organizer: 2018年電子情報通信学会ソサイエティ大会
• [Book] The Personality of Small Numbers: Do Molecules Have Personality? (2018)
  • Author(s): Tamiki Komatsuzaki
  • Total Pages: 7
  • Publisher: Springer
  • ISBN: 9789811320828
• [Book] Good arm identification via bandit feedback (2018)
  • Author(s): Hideaki Kano, Junya Honda, Kentaro Sakamaki, Kentaro Matsuura, Atsuyoshi Nakamura, Masashi Sugiyama
  • Total Pages: 25
  • Publisher: Springer