| Project/Area Number |
22K19261
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 43:Biology at molecular to cellular levels, and related fields
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
三上 秀治 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (60754976)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
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| Keywords | 光遺伝学 / ホログラフィ / 高速イメージング / 3Dイメージング / 機械学習 / 蛍光顕微鏡 |
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| Outline of Research at the Start |
線虫やゼブラフィッシュなどの比較的単純な神経ネットワークを持つモデル生物に対して任意のパターンで光操作と神経活動の測定を同時かつ大規模に行い、入力（刺激）と出力（神経活動）の関係を人工知能により解析する、新しい方法論を創出する。これにより、従来の数理モデル等によるボトムアップ型アプローチとは異なるデータ駆動型の研究アプローチを確立し、従来のアプローチでは困難であった神経系の本質的機能の発見を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
まず、リアルタイムに特定のニューロン群を選択的に光操作するための光学システムとして時間集光技術およびホログラム技術を組み合わせた二光子励起光学システムを設計・構築した。光操作の対象となる単一ニューロンの大きさはおおよそ3μm程度であり、時間集光技術の導入により、この大きさに適した二光子励起プロファイルが得られる見込みを得た。また、光操作の対象となるニューロンの位置を蛍光画像からリアルタイムに取得するアルゴリズムの開発およびプログラムの実装を行った。実装にあたってはリアルタイム性を重視し、計算負荷の軽いアルゴリズムを採用することとした。また、計算リソースとしてCPUとGPUを想定し、計算時間の比較を行った。結果、CPUを用いて約60 msで撮像から光操作までの動作を行う見込みが得られ、自由行動線虫に対して開発装置が適用できる見込みを得た。これらの検討により、任意の光操作パターンを線虫の神経細胞群に対して与え、それに対する応答としての神経活動（3D蛍光画像から取得）および行動（2D明視野画像から取得）を記録するプラットフォームが構築された。加えて、実際の入出力パターンの関係を調べるための検討用モデルの調査を行い、ごく最近報告されたモデルであるgKDR-GMMを用いることとした。本モデルは実際の線虫の神経活動データから構築された、神経活動の時系列変化のモデルである。本研究で開発したシステムでは新たに神経活動とそれに対応する光操作パターンのデータセットが得られる見込みであり、本モデルの検証・修正を行うことにより、正確に線虫の神経系を表現するモデルの構築につながることが期待される。
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Report
(2 results)
Research Products
(11 results)
