線虫の全脳イメージングによる探索型ナビゲーション神経基盤の解明

• 研究領域: 生物ナビゲーションのシステム科学
• 研究課題/領域番号: 16H06545
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 複合領域
• 研究機関: 名古屋市立大学 (2017-2021); 大阪大学 (2016)
• 研究代表者: 木村 幸太郎 名古屋市立大学, 大学院理学研究科, 教授 (20370116)
• 研究分担者: 石原 健 九州大学, 理学研究院, 教授 (10249948)
• 研究期間 (年度): 2016-06-30 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 87,750千円 (直接経費: 67,500千円、間接経費: 20,250千円); 2020年度: 15,080千円 (直接経費: 11,600千円、間接経費: 3,480千円); 2019年度: 15,990千円 (直接経費: 12,300千円、間接経費: 3,690千円); 2018年度: 15,990千円 (直接経費: 12,300千円、間接経費: 3,690千円); 2017年度: 15,990千円 (直接経費: 12,300千円、間接経費: 3,690千円); 2016年度: 24,700千円 (直接経費: 19,000千円、間接経費: 5,700千円)
• キーワード: 行動 / イメージング / 深層学習 / 機械学習 / 脳・神経 / ナビゲーション / 神経活動 / 神経科学

研究成果の概要

本研究では、モデル動物・線虫C. エレガンスを対象として、不確かな位置情報に基づいて目的地に向かう「探索型ナビゲーション」の神経基盤の解明を目指した。本研究の成果として、「微分と積分による意思決定の分子メカニズムの解明」「行動軌跡から内部状態を推定する人工知能技術の開発」「線虫の全脳神経活動計測を効率的に行うための人工知能技術の開発」などが挙げられ、成果の一部は国際共同研究に発展した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

主な成果の１つである「行動軌跡から内部状態を推定する人工知能技術」は、線虫だけでなくペンギンや海鳥などさまざまな動物の軌跡から、記憶や感情を反映する内部状態を推定する画期的な技術であり、Nature系のWebメディアから取材も受けた。また、もう１つの主要な成果である「全脳神経活動計測を効率的に行うための人工知能技術」は、線虫だけでなく小型魚類の心筋細胞やガン細胞の活動解析などにも応用することができ、この技術も大きな注目を浴びた。このように、本研究によって、線虫の脳活動のメカニズムを解明するのみならず幅広い生命科学分野に貢献できる人工知能技術を開発することができた。

研究成果

• [国際共同研究] コロンビア大学(米国)
• [国際共同研究] コロンビア大学(米国)
• [国際共同研究] The University of Edinburgh(英国)
• [雑誌論文] Calcium Imaging of Neuronal Activity under Gradually Changing Odor Stimulation in Caenorhabditis elegans (2021)
  • 著者名/発表者名: Tanimoto Yuki、Kimura Koutarou
  • 雑誌名: BIO-PROTOCOL 巻: 11 号: 1
  • DOI: 10.21769/bioprotoc.3866
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 3DeeCellTracker, a deep learning-based pipeline for segmenting and tracking cells in 3D time lapse images (2021)
  • 著者名/発表者名: Wen Chentao、Miura Takuya、Voleti Venkatakaushik、Yamaguchi Kazushi、Tsutsumi Motosuke、Yamamoto Kei、Otomo Kohei、Fujie Yukako、Teramoto Takayuki、Ishihara Takeshi、Aoki Kazuhiro、Nemoto Tomomi、Hillman Elizabeth MC、Kimura Koutarou D
  • 雑誌名: eLife 巻: 10
  • DOI: 10.7554/elife.59187
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cross-species behavior analysis with attention-based domain-adversarial deep neural networks (2021)
  • 著者名/発表者名: Maekawa Takuya、Higashide Daiki、Hara Takahiro、Matsumura Kentarou、Ide Kaoru、Miyatake Takahisa、Kimura Koutarou D.、Takahashi Susumu
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 号: 1 ページ: 5519-5519
  • DOI: 10.1038/s41467-021-25636-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] クローズアップ実験法 series 338 三次元自動細胞追跡ツール:3DeeCellTrackerで解析できることと使い方 (2021)
  • 著者名/発表者名: Wen Chentao, 木村幸太郎
  • 雑誌名: 実験医学 巻: 39 ページ: 2264-2272
• [雑誌論文] Deep learning-assisted comparative analysis of animal trajectories with DeepHL (2020)
  • 著者名/発表者名: Takuya Maekawa, Kazuya Ohara, Yizhe Zhang, Matasaburo Fukutomi, Sakiko Matsumoto, Kentarou Matsumura, Hisashi Shidara, Shuhei J. Yamazaki, Ryusuke Fujisawa, Kaoru Ide, Naohisa Nagaya, Koji Yamazaki, Shinsuke Koike, Takahisa Miyatake, Koutarou D. Kimura, Hiroto Ogawa, Susumu Takahashi, and Ken Yoda
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 5316-5316
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19105-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 機械学習による移動行動解析の考え方 (2020)
  • 著者名/発表者名: 木村幸太郎
  • 雑誌名: 実験医学増刊「機械学習を生命科学に使う！」 巻: 38 ページ: 3501-3507
• [雑誌論文] How do we know how the brain works??Analyzing whole brain activities with classic mathematical and machine learning methods (2020)
  • 著者名/発表者名: Wen Chentao、Kimura Koutarou D.
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 号: 3 ページ: 030501-030501
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ab77f3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Neuron ID dataset facilitates neuronal annotation for whole-brain activity imaging of C. elegans (2020)
  • 著者名/発表者名: Yu Toyoshima, Stephen Wu, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Moon Sun Jang, Suzu Oe, Yuko Murakami, Takayuki Teramoto, Chanhyun Park, Yuishi Iwasaki, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida & Yuichi Iino
  • 雑誌名: BMC Biology 巻: 18 号: 1 ページ: 30-30
  • DOI: 10.1186/s12915-020-0745-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] STEFTR: A Hybrid Versatile Method for State Estimation and Feature Extraction From the Trajectory of Animal Behavior. (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamazaki SJ,Ohara K,Ito K,Kokubun N,Kitanishi T,Takaichi D,Yamada Y,Ikejiri Y,Hiramatsu F,Fujita K,Tanimoto Y,Yamazoe-Umemoto A,Hashimoto K,Sato K,Yoda K,Takahashi A,Ishikawa Y,Kamikouchi A,Hiryu S,Maekawa T,Kimura KD
  • 雑誌名: Frontiers in neuroscience 巻: 13 ページ: 626-626
  • DOI: 10.3389/fnins.2019.00626
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Real-time volumetric microscopy of in vivo dynamics and large-scale samples with SCAPE 2.0 (2019)
  • 著者名/発表者名: Voleti Venkatakaushik、Patel Kripa B.、Li Wenze、Perez Campos Citlali、Bharadwaj Srinidhi、Yu Hang、Ford Caitlin、Casper Malte J.、Yan Richard Wenwei、Liang Wenxuan、Wen Chentao、Kimura Koutarou D.、Targoff Kimara L.、Hillman Elizabeth M. C.
  • 雑誌名: Nature Methods 巻: 16 号: 10 ページ: 1054-1062
  • DOI: 10.1038/s41592-019-0579-4
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Efficient Learning Algorithm for Sparse SubSequence Pattern-based Classication and Applications to Comparative Animal Trajectory Data Analysis (2019)
  • 著者名/発表者名: Takuto Sakuma, Kazuya Nishi, Kaoru Kishimoto, Kazuya Nakagawa, Masayuki Karasuyama, Yuta Umezu, Shinsuke Kajioka, Shuhei J. Yamazaki, Koutarou D. Kimura, Sakiko Matsumoto, Ken Yoda, Matasaburo Fukutomi, Hisashi Shidara, Hiroto Ogawa, Ichiro Takeuchi
  • 雑誌名: Advanced Robotics 巻: 33 号: 3-4 ページ: 134-152
  • DOI: 10.1080/01691864.2019.1571438
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Neuronal, mathematical, and molecular bases of perceptual decision-making in C. elegans (2019)
  • 著者名/発表者名: Tanimoto Yuki、Kimura Koutarou D.
  • 雑誌名: Neuroscience Research 巻: 140 ページ: 3-13
  • DOI: 10.1016/j.neures.2018.10.010
  • 査読あり
• [雑誌論文] Measuring Spatiotemporal Dynamics of Odor Gradient for Small Animals by Gas Chromatography (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamazoe-Umemoto Akiko、Iwasaki Yuishi、Kimura Koutarou D.
  • 雑誌名: BIO-PROTOCOL 巻: 8 号: 7 ページ: 2797-2797
  • DOI: 10.21769/bioprotoc.2797
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 感覚情報の微分・積分による線虫の意思決定 (2018)
  • 著者名/発表者名: 谷本 悠生、木村 幸太郎
  • 雑誌名: 生物物理 巻: 58 号: 2 ページ: 083-085
  • DOI: 10.2142/biophys.58.083
  • NAID: 130006594327
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • 査読あり
• [雑誌論文] Neural mechanisms of animal navigation. (2018)
  • 著者名/発表者名: Kimura KD, Sato M, Sakura M
  • 雑誌名: Proceedings os 6th International Conference DAPI 巻: 印刷中 ページ: 65-81
  • DOI: 10.1007/978-3-319-91131-1_5
  • ISBN: 9783319911304, 9783319911311
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 生物のナビゲーションに学ぶ(第4回)動物ナビゲーションの神経基盤 (2018)
  • 著者名/発表者名: 木村 幸太郎, 佐藤 正晃, 佐倉 緑
  • 雑誌名: 遺伝 : 生物の科学 巻: 72 ページ: 512-518
  • NAID: 40021664321
• [雑誌論文] Calcium dynamics regulating the timing of decision-making in C. elegans (2017)
  • 著者名/発表者名: Tanimoto Yuki、Yamazoe-Umemoto Akiko、Fujita Kosuke、Kawazoe Yuya、Miyanishi Yosuke、Yamazaki Shuhei J、Fei Xianfeng、Busch Karl Emanuel、Gengyo-Ando Keiko、Nakai Junichi、Iino Yuichi、Iwasaki Yuishi、Hashimoto Koichi、Kimura Koutarou D
  • 雑誌名: eLife 巻: 6
  • DOI: 10.7554/elife.21629
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 匂い濃度の微分と積分による線虫ナビゲーションにおける意思決定 (2017)
  • 著者名/発表者名: 木村幸太郎、谷本悠生
  • 雑誌名: アロマリサーチ 巻: 18 ページ: 266-271
• [雑誌論文] 匂いナビゲーションのための線虫の「意思決定」とその情報演算 (2017)
  • 著者名/発表者名: 谷本悠生、木村幸太郎
  • 雑誌名: 生物の科学 遺伝 巻: 71 ページ: 512-518
• [雑誌論文] ロボット顕微鏡が解析する線虫の行動とドーパミンの関係 (2016)
  • 著者名/発表者名: 木村 幸太郎, 谷本悠生
  • 雑誌名: 日本ロボット学会誌 巻: 34 ページ: 609-613
  • NAID: 130005250301
• [雑誌論文] ロボット顕微鏡システムによる神経細胞活動計測と操作 (特集 光×ロボット) (2016)
  • 著者名/発表者名: 谷本悠生, 木村幸太郎
  • 雑誌名: Optronics 巻: 35 ページ: 69-74
• [学会発表] 3DeeCellTracker: a deep learning-based method for tracking cells in 3D time lapse images (2021)
  • 著者名/発表者名: Wen C, Kimura K
  • 学会等名: The 15th IEEE International Conference on Nano/Molecular Medicine & Engineering (IEEE-NANOMED 2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 微分・積分フィルタによる線虫の意思決定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 木村幸太郎
  • 学会等名: RIMS共同研究「自己組織化による適応フィルタの創発性について」
  • 招待講演
• [学会発表] シンプルな神経系における『演算』と『因果律』 (2019)
  • 著者名/発表者名: 木村幸太郎
  • 学会等名: 応用物理学会秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Data-driven predictive models for information processing in the small brain of Caenorhabditis elegans. (2019)
  • 著者名/発表者名: Wen C, Kimura K.
  • 学会等名: 28th Annual Computational Neuroscience Meeting.
  • 国際学会
• [学会発表] Analyzing whole brain activities of a worm using data-driven models. (2019)
  • 著者名/発表者名: Wen C, Kimura K.
  • 学会等名: 11th Asian Conference on Machine Learning.
  • 国際学会
• [学会発表] Data-driven predictive models for information processing in the (small) brain. (2019)
  • 著者名/発表者名: Wen C, Kimura K
  • 学会等名: Neuro2019（第42回日本神経科学大会 第62回日本神経化学会大会）
  • 招待講演
• [学会発表] A hybrid versatile method for state estimation and feature extraction from the trajectory of animal behavior. (2019)
  • 著者名/発表者名: Kimura K, Yamazaki SJ, Kitanishi T, Yoda K, Takahashi A, Kamikouchi A, Hiryu S, Maekawa T.
  • 学会等名: Neuro2019（第42回日本神経科学大会 第62回日本神経化学会大会）
• [学会発表] Robotic Microscope System for Studying the basic principles of brain function (2018)
  • 著者名/発表者名: Kimura, K.D., Hashimoto, K.
  • 学会等名: International Symposium on Mcro-Nano Mechatronics and Human Science.
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Learning-dependent neural gain control by asymmetric modulation of first- and second-order time-differential of stimulus in sensory neurons. (2018)
  • 著者名/発表者名: Yosuke Ikejiri, Yuki Tanimoto, Shuhei J. Yamazaki, Kosuke Fujita, Kotaro Kimura.
  • 学会等名: C. elegans topic meeting: neuronal development, synaptic function & behavior.
  • 国際学会
• [学会発表] A flexible pipeline for 3D whole brain imaging with deep learning. (2018)
  • 著者名/発表者名: Wen C, Miura T, Fujie Y, Teramoto T, Ishihara T, Kimura K.
  • 学会等名: C. elegans topic meeting: neuronal development, synaptic function & behavior.
  • 国際学会
• [学会発表] A unified method to analyze the behavioral states and features during animal’s navigation by machine learning. (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamazaki S , Yoda K , Maekawa T , Kimura K.
  • 学会等名: C. elegans topic meeting: neuronal development, synaptic function & behavior.
  • 国際学会
• [学会発表] Trajectory analysis of navigation by machine learning: experience-dependent modulation of olfactory behavior in C. elegans. (2018)
  • 著者名/発表者名: Kimura K, Yamazaki S, Ikejiri Y, Maekawa T.
  • 学会等名: 第41回日本神経科学大会
• [学会発表] Differential equations for decision-making in worm’s navigation (2017)
  • 著者名/発表者名: Kimura Kotaro
  • 学会等名: Tutorial Workshops on Systems Science on Bio-navigation, IEEE ICMA 2017 Conference.
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Calcium dynamics regulating the timing of decision-making in C. elegans (2017)
  • 著者名/発表者名: Kimura Kotaro
  • 学会等名: The Optical Revolution in Physiology: From Membrane to Brain, Society of General Physiologists 71st Annual Symposium.
  • 国際学会
• [学会発表] 意思決定のための線虫の感覚情報演算メカニズム (2017)
  • 著者名/発表者名: 木村幸太郎
  • 学会等名: 生理学研究所情動研究会「先天的と後天的なメカニズム融合による情動・行動の理解と制御」
  • 招待講演
• [学会発表] 複数の神経回路メカニズムによって制御される線虫C. elegansの非連合匂い学習 (2017)
  • 著者名/発表者名: 木村幸太郎、山崎修平
  • 学会等名: 2017年度生命科学系学会合同年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] Towards identifying neuropeptide signaling that regulates repulsive odor learning. (2016)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi A, Yamazoe A, Yamazaki S, Fujita K and Kimura K.
  • 学会等名: C. elegans topic meeting: neuronal development, synaptic function & behavior.
  • 国際学会
• [学会発表] A metabotropic glutamate receptor MGL-2 regulates repulsive olfactory learning. (2016)
  • 著者名/発表者名: Yamazaki S, Ishihara T, Kimura K.
  • 学会等名: C. elegans topic meeting: neuronal development, synaptic function & behavior.
  • 国際学会
• [学会発表] In actio optophysiological analyses reveal functional diversification of dopaminergic neurons in the nematode C. elegans. (2016)
  • 著者名/発表者名: Tanimoto Y, Zheng YG, Fei X, Fujie Y, Hashimoto K, Kimura K.
  • 学会等名: C. elegans topic meeting: neuronal development, synaptic function & behavior.
  • 国際学会
• [学会発表] A metabotropic glutamate receptor regulates olfactory learning in a pair of multisensory integrating neurons in C. elegans. (2016)
  • 著者名/発表者名: Yamazaki S, Ikejiri Y, Tanimoto Y, Ishihara T, Kimura K.
  • 学会等名: 第39回日本神経科学大会
• [学会発表] In actio optophysiological analyses reveal functional diversification of dopaminergic neurons in the nematode C. elegans. (2016)
  • 著者名/発表者名: Tanimoto Y, Zheng YG, Fei X, Fujie Y, Hashimoto K, Kimura K.
  • 学会等名: 第39回日本神経科学大会
• [図書] From Connectome to Function: Using Optogenetics to Shed Light on the Caenorhabditis elegans Nervous system. In Optogenetics: From Neuronal Function to Mapping and Disease Biology (2017)
  • 著者名/発表者名: Kimura, K.D., Busch, K.E.
  • 総ページ数: 502
  • 出版者: Cambridge University Press
  • ISBN: 9781107053014
• [備考] 木村研究室HP
  • URL: https://www.kokimura-lab.org