脳ネットワークにおける高速・高精度な機能的クラスタ/ハブ細胞の検出法の開発

• 研究領域: クラスタ/ハブダイナミズムの決定剛軟因子探索における総括研究
• 研究課題/領域番号: 20H05776
• 研究種目: 学術変革領域研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 学術変革領域研究区分(Ⅲ)
• 研究機関: 茨城大学
• 研究代表者: 竹田 晃人 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 准教授 (70397040)
• 研究期間 (年度): 2020-10-02 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 43,550千円 (直接経費: 33,500千円、間接経費: 10,050千円); 2022年度: 13,390千円 (直接経費: 10,300千円、間接経費: 3,090千円); 2021年度: 14,430千円 (直接経費: 11,100千円、間接経費: 3,330千円); 2020年度: 15,730千円 (直接経費: 12,100千円、間接経費: 3,630千円)
• キーワード: 機能的神経クラスタ / 神経ネットワーク / 神経活動特徴量抽出 / ベイズ推定 / マルコフ連鎖モンテカルロ法 / 行列分解 / 機能的クラスタ / 機能的クラスタ/ハブ細胞 / ハブ/非ハブ細胞分類器 / 神経科学 / 統計物理学 / データ解析 / クラスタリング / ネットワーク推定

研究開始時の研究の概要

本学術変革領域研究は、神経ネットワーク内の機能的クラスタ/ハブ細胞のダイナミズムを決定づける剛軟因子の追究を目標に掲げている。その中で本計画研究は、統計学におけるベイズ推定の手法に基づき、大規模神経活動時系列データから神経ネットワーク内の機能的神経クラスタ/ハブを推定する高速かつ高精度な数値解析手法を開発し、さらに手法を実データに適用することで神経ネットワークの生理学的・遺伝学的構造を探ることを目的とする。

研究成果の概要

本研究課題の主要な成果は以下である。(A) ベイズ統計学に基づく神経クラスタ推定アルゴリズムを高速化し、かつ連続値データへの適用のための一般化を行い、さらに非定常な神経クラスタ構造を解析するための拡張を行った。(B) Ca2+イメージング画像中の神経細胞の位置および神経活動時系列を同時推定するアルゴリズムを開発し、それらが高精度に推定可能なことを確認した。(C) 脳神経活動のfMRIデータに様々な行列分解の手法を適用し、疎性を取り入れた行列分解の手法が適切な特徴量を抽出するという結果を得た。これより脳内神経情報処理にスパースコーディングが実現されている傍証が得られた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

神経科学では近年の計測技術の向上によりCa2+イメージング画像やfMRIデータ等の大規模な神経活動データが取得可能となった。しかし大規模データから神経活動の有意な情報を抽出するための数理的技術は発展途上であった。本研究の主要な成果により、神経科学においても大規模データの高精度・高速な処理が近い将来に可能になり、今後の新たな解析手法の開発も期待される。また大規模データに対する新手法を活用することで、生物の神経ネットワーク構造および各部位の機能に関する知見が得られ、最終的には神経科学の発展に大きく寄与できると考えられる。

研究成果

• [雑誌論文] Automatic Hyperparameter Tuning in Sparse Matrix Factorization (2023)
  • 著者名/発表者名: Ryota Kawasumi, Koujin Takeda
  • 雑誌名: Neural Computation 巻: 35 号: 6 ページ: 1086-1099
  • DOI: 10.1162/neco_a_01581
  • 査読あり
• [雑誌論文] DCアルゴリズムを用いたSCAD正則化項付きICA (2022)
  • 著者名/発表者名: 遠藤優介, 竹田晃人
  • 雑誌名: IEICE Technical Report 巻: 122
• [雑誌論文] Improved neuronal ensemble inference with generative model and MCMC (2021)
  • 著者名/発表者名: Shun Kimura, Keisuke Ota, Koujin Takeda
  • 雑誌名: Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment 巻: 2021 号: 6 ページ: 063501-063501
  • DOI: 10.1088/1742-5468/abffd5
  • 査読あり
• [学会発表] 拡散を用いた機能的神経クラスタ推定法の普遍的性質 (2023)
  • 著者名/発表者名: 木村俊, 竹田晃人
  • 学会等名: 日本物理学会春季大会
• [学会発表] 行列分解を用いた神経クラスタ推定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 木村俊, 川澄亮太, 竹田晃人
  • 学会等名: 日本物理学会春季大会
• [学会発表] 計画研究A02班「脳ネットワークにおける高速・高精度な機能的クラスタ/ハブ細胞の検出法の開発」成果報告 (2023)
  • 著者名/発表者名: 竹田晃人, 斎藤陽平, 木村俊
  • 学会等名: 科学研究費補助金 学術変革領域研究B「クラスタ/ハブダイナミズムの決定剛軟因子」2023シンポジウム
• [学会発表] 脳ネットワークにおける高速・高精度な機能的クラスタ/ハブ細胞の検出法の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 竹田晃人
  • 学会等名: 「次世代脳」プロジェクト 冬のシンポジウム2022
  • 招待講演
• [学会発表] 機械学習を用いた無染色位相差顕微鏡画像からの細胞核抽出と評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大橋未来, 竹田晃人, 長山和亮
  • 学会等名: 日本生体医工学会関東支部若手研究者発表会2022
• [学会発表] DCアルゴリズムを用いたSCAD正則化項付きICA (2022)
  • 著者名/発表者名: 遠藤優介, 竹田晃人
  • 学会等名: ニューロコンピューティング(NC)研究会
• [学会発表] DC計画問題の応用によるスパースICAの提案 (2022)
  • 著者名/発表者名: 遠藤優介, 竹田晃人
  • 学会等名: 情報論的学習理論ワークショップ（IBIS2022）
• [学会発表] 神経細胞イメージングデータの事後分布およびスパイク推定 (2022)
  • 著者名/発表者名: 斎藤陽平, 竹田晃人
  • 学会等名: 情報論的学習理論ワークショップ（IBIS2022）
• [学会発表] 時系列信号クラスタ推定を目的としたベイズ生成モデルの表現能力拡張 (2022)
  • 著者名/発表者名: 木村俊, 竹田晃人
  • 学会等名: 情報論的学習理論ワークショップ（IBIS2022）
• [学会発表] fMRIデータに対する行列分解による脳情報コーディング (2022)
  • 著者名/発表者名: 遠藤優介, 竹田晃人
  • 学会等名: 日本生物物理学会年会
• [学会発表] 機能的神経クラスタ推定のためのベイズ生成モデルの一般化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 木村俊, 竹田晃人
  • 学会等名: 日本生物物理学会年会
• [学会発表] 拡張された機能的神経クラスタ推定法の実データへの適用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 木村俊, 竹田晃人, 太田桂輔, 村山正宜
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
• [学会発表] 機能的神経クラスタ推定のための生成モデルの表現能力 (2022)
  • 著者名/発表者名: 木村俊, 竹田晃人
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
• [学会発表] ベイズ推定を用いた神経細胞イメージングデータのパラメータおよびスパイク推定 (2022)
  • 著者名/発表者名: 斎藤陽平, 竹田晃人
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
• [学会発表] DC 計画問題を用いたスパース制約付き独立成分分析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 遠藤優介, 竹田晃人
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
• [学会発表] ベイズ推定による神経細胞イメージングデータのパラメータ推定 (2022)
  • 著者名/発表者名: 斎藤陽平, 竹田晃人
  • 学会等名: NEURO2022
• [学会発表] 神経クラスタ推定法の高次元への一般化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 木村俊, 竹田晃人
  • 学会等名: NEURO2022
• [学会発表] 行列分解を用いたfMRIデータのエンコーディングに関する研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 遠藤優介, 竹田晃人
  • 学会等名: NEURO2022
• [学会発表] 学術変革領域（B）クラスタ/ハブダイナミズムの決定剛軟因子 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大本育実, 中村匠, 木村俊, 高田篤, 竹田晃人, 村山正宜
  • 学会等名: 日本科学振興協会 第1回総会・キックオフミーティング
• [学会発表] Fast inference of neuronal ensembles applicable to large scale Ca2+ imaging data (2021)
  • 著者名/発表者名: Shun Kimura, Keisuke Ota, Masanori Murayama, Koujin Takeda
  • 学会等名: The 44th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
  • 国際学会
• [学会発表] Fast and wide field-of-view two-photon imaging revealed functional network proprieties with the single-cell resolution (2021)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Ota, Yasuhiro Oisi, Muneki Ikeda, Yoshiki Ito, Hiroyuki Uwamori, Shun Kimura, Kenta Kobayashi, Yoshinori Kuroiwa, Masaru Horikoshi, Junya Matsushita, Hiroyuki Hioki, Masamichi Ohkura, Junichi Nakai, Koujin Takeda, Masafumi Oizumi, Atsushi Miyawaki, Toru Aonishi, Takahiro Ode, Haruhiko Bito, Masanori Murayama
  • 学会等名: The 44th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
  • 国際学会
• [学会発表] 圧縮センシングの基礎と応用・最新技術 (2021)
  • 著者名/発表者名: 竹田晃人
  • 学会等名: 日本テクノセンター講習会
  • 招待講演
• [学会発表] ベイズ推定による神経細胞イメージングデータのパラメータ推定 (2021)
  • 著者名/発表者名: 斎藤陽平，竹田晃人
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
• [学会発表] 非定常性を仮定した神経集団の動的挙動推定 (2021)
  • 著者名/発表者名: 木村俊，竹田晃人
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
• [学会発表] 大規模活動データに適用可能な神経集団推定法のコミュニティ検出特性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 木村俊，竹田晃人
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
• [学会発表] 部分空間法を用いた癌細胞分裂開始からの経過時間予測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 段木穂高，竹田晃人，長山和亮
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
• [学会発表] 時間的非定常性を仮定した神経集団推定モデル (2021)
  • 著者名/発表者名: 木村俊，竹田晃人
  • 学会等名: 情報論的学習理論ワークショップ (IBIS2021)
• [学会発表] 特異点を利用した変分ベイズ疎行列分解アルゴリズムの事前分布パラメータ自動調整 (2021)
  • 著者名/発表者名: 川澄亮太，竹田晃人
  • 学会等名: 情報論的学習理論ワークショップ (IBIS2021)
• [学会発表] 神経細胞イメージングデータのパラメータ事後分布推定 (2021)
  • 著者名/発表者名: 斎藤陽平，竹田晃人
  • 学会等名: 情報論的学習理論ワークショップ (IBIS2021)
• [学会発表] 位相差顕微鏡画像の特徴量抽出によるHeLa細胞の分裂周期の予測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 段木穂高，竹田晃人，長山和亮
  • 学会等名: 日本機械学会関東支部総会・講演会
• [学会発表] マルコフ連鎖モンテカルロ法に基づく神経集団推定法のサイズ依存性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 木村俊，竹田晃人
  • 学会等名: 日本物理学会年次大会
• [学会発表] fMRI データに対する行列分解の性能評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 遠藤優介，竹田晃人
  • 学会等名: 日本物理学会年次大会
• [学会発表] 細胞位相差画像の時間差分における特徴量抽出と細胞分裂タイミングの予測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 段木穂高，竹田晃人，長山和亮
  • 学会等名: 日本物理学会年次大会
• [学会発表] 「脳ネットワークにおける高速・高精度な機能的クラスタ/ハブ細胞の検出法の開発」成果報告 (2021)
  • 著者名/発表者名: 竹田晃人，斎藤陽平
  • 学会等名: 科学研究費補助金「クラスタ/ハブダイナミズムの決定剛軟因子」シンポジウム
• [学会発表] 計画研究A02班の研究計画紹介 (2021)
  • 著者名/発表者名: 竹田晃人
  • 学会等名: 科学研究費補助金「クラスタ/ハブダイナミズムの決定剛軟因子」キックオフシンポジウム
• [学会発表] 疎行列分解アルゴリズムの事前分布パラメータ自動調整 (2021)
  • 著者名/発表者名: 川澄亮太，竹田晃人
  • 学会等名: 日本物理学会年次大会
• [学会発表] 大規模神経活動データのためのネットワーク構造推定法 (2021)
  • 著者名/発表者名: 木村俊，竹田晃人
  • 学会等名: 日本物理学会年次大会
• [学会発表] 活動同期性に基づく神経クラスタ推定手法の大規模イメージングデータへの適用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 太田桂輔，木村俊，竹田晃人，村山正宜
  • 学会等名: 日本物理学会年次大会
• [学会発表] 神経集団推定法の連続値信号への一般化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 木村俊，竹田晃人，岩崎唯史，太田桂輔
  • 学会等名: 第23回情報論的学習理論ワークショップ
• [学会発表] 軌道データに基づいた空力係数推定への近似ベイズ計算法の応用 (2020)
  • 著者名/発表者名: 石塚雅人，坪井一洋，竹田晃人，宮嵜武
  • 学会等名: 日本機械学会シンポジウム：スポーツ工学・ヒューマンダイナミクス
• [学会発表] 圧縮センシングの基礎と応用・最新技術 (2020)
  • 著者名/発表者名: 竹田晃人
  • 学会等名: 日本テクノセンター講習会
  • 招待講演
• [備考] 学術変革領域研究(B) 「クラスタ/ハブダイナミズムの決定剛軟因子」ホームページ
  • URL: https://cluster-hub-dynamism.com/
• [備考] 竹田晃人（計画研究代表者）ホームページ
  • URL: http://takeda.ise.ibaraki.ac.jp/takeda/index.html
• [備考] 学術変革領域研究(B)「クラスタ/ハブダイナミズムの決定剛軟因子」ホームページ
  • URL: https://cluster-hub-dynamism.com/
• [備考] 科学研究費補助金「クラスタ/ハブダイナミズムの決定剛軟因子」ホームページ
  • URL: https://cluster-hub-dynamism.com/
• [備考] 竹田晃人のホームページ
  • URL: http://takeda.ise.ibaraki.ac.jp/takeda/index.html