初期胚細胞動態のインシリコ再構成技術と数理モデルの構築

• 研究領域: 哺乳類初期発生の細胞コミュニティー
• 研究課題/領域番号: 21116006
• 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: 生物系
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 小林 徹也 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (90513359)
• 研究分担者: 舟橋 啓 慶應義塾大学, 理工学部, 准教授 (70324548)
• 連携研究者: 広井 賀子 慶應義塾大学, 理工学部, 講師 (20548408) ; 本多 久夫 兵庫大学, 健康科学部, 教授 (10289118)
• 研究期間 (年度): 2009-07-23 – 2014-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2013年度)
• 配分額: 65,650千円 (直接経費: 50,500千円、間接経費: 15,150千円); 2013年度: 11,830千円 (直接経費: 9,100千円、間接経費: 2,730千円); 2012年度: 13,910千円 (直接経費: 10,700千円、間接経費: 3,210千円); 2011年度: 12,350千円 (直接経費: 9,500千円、間接経費: 2,850千円); 2010年度: 12,350千円 (直接経費: 9,500千円、間接経費: 2,850千円); 2009年度: 15,210千円 (直接経費: 11,700千円、間接経費: 3,510千円)
• キーワード: 発生・分化 / 数理工学 / 細胞・組織 / 生体生命情報学 / シミュレーション工学 / バイオイメージング / 画像解析 / バイオイメージインフォマティクス / 初期発生 / 時空間動態 / 哺乳類 / 数理モデル / バイオイメージ

研究概要

本研究では、哺乳類着床前胚の4Dイメージデータを対象として、細胞核の位置を99%の精度で自動同定する画像解析アルゴリズムと1%のエラーを補正するGUIを開発した。これらを用いて得られるエラーフリーの細胞位置情報をもとに、細胞移動と細胞分裂に関わる最適化問題を解くことによって細胞集団のトラッキングを実装し、複数の胚でその発生動態をin silcoで再構成した。再構成した細胞系譜に様々な発生の情報をマップすることにより、発生を定量的かつ詳細に解析することが可能となった。
また初期胚以外にも活用できる様々なバイオイメージ解析技術、データ解析技術、そして発生にかかわる個別現象の数理モデル構築を行った。

研究成果

• [雑誌論文] Single Cell Visualization of Yeast Gene Expression Shows Correlation of Epigenetic Switching Between Multiple Heterochromatic Regions Through Multiple Generations (2013)
  • 著者名/発表者名: Y.Mano, T.J. Kobayashi, J.Nakayama, H.Uchida, M.Oki
  • 雑誌名: Plos Biology 巻: Vol.11
  • 査読あり
• [雑誌論文] 細胞のふるまいを読み解く時系列に潜む情報量 (2013)
  • 著者名/発表者名: 小林徹也、上村淳
  • 雑誌名: 実験医学 巻: Vol.31(8) ページ: 1239-1244
• [雑誌論文] 定量データが切り開く生命科学 (2013)
  • 著者名/発表者名: 小林徹也
  • 雑誌名: 実験医学 巻: Vol.31(8) ページ: 1202-1208
• [雑誌論文] Single Cell Visualization of Yeast Gene Expression Shows Correlation of Epigenetic Switching Between Multiple Heterochromatic Regions Through Multiple Generations (2013)
  • 著者名/発表者名: Yasunobu Mano, Tetsuya J. Kobayashi, Jun-ichi Nakayama, Hiroyuki Uchida, Masaya Oki
  • 雑誌名: Plos Biology 巻: 11 号: 7 ページ: e1001601-e1001601
  • DOI: 10.1371/journal.pbio.1001601
  • 査読あり
• [雑誌論文] Automatic Extraction of Nuclei Centroids of Mouse Embronic Cells from Fluorescence Microscopy Images (2012)
  • 著者名/発表者名: K.Bashar, K.Komatsu, T.Fujimori, T.J. Kobayashi
  • 雑誌名: Plos One 巻: Vol.7(5)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Information processing and integration with intracellular kinetics near critical point (2012)
  • 著者名/発表者名: A.Kamimura,T.J. Kobayashi
  • 雑誌名: Frontiers in Physiology 巻: Vol.3 ページ: 203-203
  • 査読あり
• [雑誌論文] Physiological intracellular crowdedness is defined by perimeter to area ratio of subcellular compartments (2012)
  • 著者名/発表者名: N.Hiroi, T.Okuhara, T.Kubojima, K.Iba, A.Tabira, S.Yamashita, Y.Okada, T.J. Kobayashi,A. Funahashi
  • 雑誌名: Frontiers in Physiology 巻: Vol.3 ページ: 293-293
  • 査読あり
• [雑誌論文] Automatic Extraction of Nuclei Centroids of Mouse Embry- onic Cells from Fluorescence Microscopy Images (2012)
  • 著者名/発表者名: Md. Khayrul Bashar, Koji Komatsu, Toshihiko Fujimori and Tetsuya J. Kobayashi
  • 雑誌名: Plos One 巻: 7 号: 5 ページ: e35550-e35550
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0035550
  • 査読あり
• [雑誌論文] Information Processing and integration with intracellular dynamics near critical point (2012)
  • 著者名/発表者名: A. Kamimura, T. J. Kobayashi
  • 雑誌名: Frontiers in Fractal Physiology 巻: 3 ページ: 203-203
  • DOI: 10.3389/fphys.2012.00203
  • 査読あり
• [雑誌論文] Physiological intracellular crowdedness is defined by perimeter to area ratio of subcellular compartments (2012)
  • 著者名/発表者名: Noriko Hiroi, Takahiro Okuhara, Takeshi Kubojima, Keisuke Iba, Akito Tabira, Shuji Yamashita, Yasunori Okada, Tetsuya J. Kobayashi, Akira Funahashi
  • 雑誌名: Frontiers in Physiology 巻: 7 ページ: 293-293
  • DOI: 10.3389/fphys.2012.00293
  • 査読あり
• [雑誌論文] Perturbation analyses of intermolecular interactions (2011)
  • 著者名/発表者名: Y. M. Koyama, T.J. Kobayashi, H.R. Ueda
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: Vol.84 ページ: 26704-26704
  • 査読あり
• [雑誌論文] Perturbation analyses of intermolecular interactions (2011)
  • 著者名/発表者名: Yohei M.Koyama, Tetsuya J.Kobayashi, Hiroki R.Ueda
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 84 ページ: 26704-26704
  • 査読あり
• [雑誌論文] Atypical Cadherins Dachsous and Fat Control Dynamics of Noncentrosomal Microtubules in Planar Cell Polarity (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Harumoto, M.Ito, Y.Shimada,T.J. Kobayashi, H.R. Ueda, B.Lu, T.Uemura
  • 雑誌名: Developmental cell 巻: Vol.19 ページ: 389-401
  • 査読あり
• [雑誌論文] Atypical Cadherins Dachsous and Fat Control Dynamics of Noncentrosomal Microtubules in Planar Cell Polarity (2010)
  • 著者名/発表者名: Toshiyuki Harumoto, Masayoshi Ito, Yuko Shimada, Tetsuya J.Kobayashi, Hiroki R.Ueda, Bingwei Lu
  • 雑誌名: Developmental cell 巻: 19 ページ: 389-401
  • 査読あり
• [学会発表] ミクロな細胞システムにおけるゆらぎと確率的情報処理 (2014)
  • 著者名/発表者名: 小林徹也
  • 学会等名: 続日本ゆらぎ現象研究会
  • 発表場所: 東京工業大学, 東京
  • 招待講演
• [学会発表] Bayesian Information Processing in Stochastic Biological Systems (2013)
  • 著者名/発表者名: T.J. Kobayashi
  • 学会等名: International Conference of Noise and Fluctuation 2013
  • 発表場所: Montpellier, France
• [学会発表] Information Decoding in Microscopic Biological Processes (2013)
  • 著者名/発表者名: T.J. Kobayashi
  • 学会等名: 35th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
• [学会発表] Dynamic Information Processing in Biological Sensing Systems (2013)
  • 著者名/発表者名: T. J. Kobayashi
  • 学会等名: Nonlinear Theory and Its Applications 2013
• [学会発表] Dynamics of Bayesian Inference and its Application to Cellular Decision-Making (2013)
  • 著者名/発表者名: T.J. Kobayashi
  • 学会等名: Information, probability and inference in systems biology (IPISB 2013)
• [学会発表] Analysis of changes in Epigenetic gene expression by single cell (2013)
  • 著者名/発表者名: Masaya Oki, Tetsuya. J. Kobayashi
  • 学会等名: 酵母からのエピジェネティクス研究へのメッセージ; ～酵母が明らかにする生命科学の最先端～
  • 発表場所: グランディア芳泉,福井
  • 招待講演
• [学会発表] Single-cell Stochastic Dynamics of Epigenetic Regulation in Yeast (2013)
  • 著者名/発表者名: 小林 徹也
  • 学会等名: NGS現場の会 第三回研究会
  • 発表場所: 神戸国際会議場,神戸
• [学会発表] Role of Adaptive Dynamics in Stochastic Cellular Sensing Systems (2013)
  • 著者名/発表者名: 小林 徹也
  • 学会等名: 第51回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 国立京都国際会館
  • 招待講演
• [学会発表] Nuclei Identification from Fluorescence Images using Graph Mining (2013)
  • 著者名/発表者名: Khayrul Bashar, Kazuo Yamagata, Tetsuya J. Kobayashi
  • 学会等名: 35th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
  • 発表場所: Osaka International Convension Center, Osaka, Japan
• [学会発表] Nuclear Centroids and Volumes Extraction from Four Dimensional Fluorescence Images: A Preliminary Study for Embryo Condition Assessment (2013)
  • 著者名/発表者名: Khayrul Bashar, Kazuo Yamagata, Tetsuya J. Kobayashi
  • 学会等名: 35th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
  • 発表場所: Osaka International Convension Center, Osaka, Japan
• [学会発表] Information Decoding in Microscopic Biological Processes (2013)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya J. Kobayashi
  • 学会等名: 35th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
  • 発表場所: Osaka International Convension Center, Osaka, Japan
  • 招待講演
• [学会発表] Dynamic Information Processing in Biological Sensing Systems (2013)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya J. Kobayashi
  • 学会等名: Nonlinear Theory and Its Applications (NOLTA) 2013
  • 発表場所: Santa Fe, US
  • 招待講演
• [学会発表] Analyzing Stochastic Dynamics of Cellular & Multi-cellular Systems (2013)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi
  • 学会等名: The 61th NIBB Conference "Cellular Community in Mammalian Embryogenesis"
  • 発表場所: Okazaki Conference Center, Aichi, Japan
  • 招待講演
• [学会発表] "Dynamics of Bayesian Inference and its Application to Cellular Decision-Making" (2013)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya J. Kobayashi
  • 学会等名: Information, probability and inference in systems biology (IPISB 2013)
  • 発表場所: ICMS, Edinburgh, UK,
  • 招待講演
• [学会発表] Information-theoretical Approach for Biological Sensing Phenomena (2013)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya J. Kobayashi
  • 学会等名: iCeMS One-Day Symposium on Theoretical and Computational Biology
  • 発表場所: iCeMs, Kyoto
  • 招待講演
• [学会発表] 情報ダイナミクスの生命科学 (2012)
  • 著者名/発表者名: 小林徹也
  • 学会等名: 生命医薬情報学連合大会 -情報計算化学生物学会
• [学会発表] 細胞システムにおける確率的情報処理 (2012)
  • 著者名/発表者名: 小林徹也
  • 学会等名: システム分子行動学 数理シンポジウム
  • 発表場所: 東京大学
  • 招待講演
• [学会発表] 情報ダイナミクスの生命科学 (2012)
  • 著者名/発表者名: 小林徹也
  • 学会等名: 生命医薬情報学連合大会 - 情報計算化学生物学会
  • 発表場所: タワーホール船堀
  • 招待講演
• [学会発表] 生体システムにおける情報ダイナミクス (2012)
  • 著者名/発表者名: 小林徹也
  • 学会等名: ネットワーク構造と生命現象
  • 発表場所: JR博多シティ 大会議室
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞システムにおける確率的情報処理の数理 (2012)
  • 著者名/発表者名: 小林徹也
  • 学会等名: 情報統計力学の最前線 ―確率が繋ぐ自然現象と情報処理の数理―
  • 発表場所: 東北大学
  • 招待講演
• [学会発表] Bayesian Approach for Cellular Information Processing (2012)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya J. Kobayashi
  • 学会等名: Dynamic Days Asia Pacific 7
  • 発表場所: Taipei, Taiwan
  • 招待講演
• [学会発表] Statistical approach towards intracellular information processing (2012)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya J. Kobayashi
  • 学会等名: Workshop on Applied Physics and Statistics for Quantitative Biology
  • 発表場所: The Institute of Statistical Mathematics, Research and Organization of Information and Systems, JAPAN
  • 招待講演
• [学会発表] Mathematical modeling for cost-effective cell-cell communication (2012)
  • 著者名/発表者名: Tomoyuki Yamada, Atsushi Kamimura, Tetsuya J. Kobayashi
  • 学会等名: International Symposium on Artificial Life and Robotics 17th '12
  • 発表場所: Beppu, Japan
• [学会発表] Segmenting Cell Nuclei from Three Dimensional Fluorescence Microscopy Images (2012)
  • 著者名/発表者名: Md. Khayrul Bashar, Koji Komatsu, Toshihiko Fujimori, and Tetsuya J. Kobayashi
  • 学会等名: Joint symposium by JST/BBSRC(UK) Molecular Imaging and Systems Biology
  • 発表場所: University of Tokyo, Japan
• [学会発表] Detection of Three Dimensional Centroids of Cell Nuclei from Fluorescence Microscopy Images (2012)
  • 著者名/発表者名: Md. Khayrul Bashar, Koji Komatsu, Toshihiko Fujimori, and Tetsuya J. Kobayashi
  • 学会等名: CDB Symposium 2012 Quantitative Developmental Biology
  • 発表場所: Riken, Kobe, Japan
• [学会発表] Improved detection of cell centroids from fluorescence images by adaptive filtering (2012)
  • 著者名/発表者名: Md. Khayrul Bashar, Koji Komatsu, Toshihiko Fujimori, and Tetsuya J. Kobayashi
  • 学会等名: International conference of Systems Biology 2012
  • 発表場所: Univ. Toronto,Toronto, Canada
• [学会発表] Three dimensional cell nuclei extraction from fluorescence microscopy images using locally adaptive threshold (2011)
  • 著者名/発表者名: M.K.Bashar, K.Komatsu, Tetesuya J.Kobayashi, T.Fujimori
  • 学会等名: ICSB2011 Workshop Microscopic Image Analysis with Applications in Biology (MIAAB'2011)
  • 発表場所: ドイツ・ハイデルベルグ
  • 年月日: 2011-09-02
• [学会発表] Detecting Nuclei-centroids of Mouse Embryonic Cells from Fluorescence Microscopy Images (2011)
  • 著者名/発表者名: M.K.Bashar, K.Komatsu, Tetesuya J.Kobayashi, T.Fujimori
  • 学会等名: International conference of Systems Biology 2011
  • 発表場所: ドイツ・ハイデルベルグ
  • 年月日: 2011-08-30
• [学会発表] GPGPUを用いたバイオイメージの高速画像処理 (2011)
  • 著者名/発表者名: 舟橋啓, 太田信之, 小林徹也, 広井賀子
  • 学会等名: バイオイメージ・インフォマティクスワークショップ2011
  • 発表場所: 理化学研究所横浜研究所
  • 年月日: 2011-01-28
• [学会発表] バイオイメージインフォマティクス～理論生物学・定量生物学の視点から～ (2011)
  • 著者名/発表者名: 小林徹也
  • 学会等名: バイオイメージ・インフォマティクス ワークショップ2011
  • 発表場所: 理化学研究所横浜研究所交流棟ホール(交流棟1階)
  • 年月日: 2011-01-28
• [学会発表] 定量的な生命科学と情報・数理技術 (2011)
  • 著者名/発表者名: 小林徹也
  • 学会等名: 第84回日本生化学会大会
• [学会発表] バイオイメージングと画像情報処理の技術 : 定量的な解析にむけて (2011)
  • 著者名/発表者名: 小林徹也
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第55回シンポジウム
• [学会発表] 細胞間信号伝達におけるコミュニケーションコストの数理的解析 (2011)
  • 著者名/発表者名: 山田智之, 上村淳, 小林徹也
  • 学会等名: 第21回 日本数理生物学会 年会
  • 発表場所: 明治大学リバティータワー
• [学会発表] Mathematical analysis of cost-effective cell-cell communication(コストを考慮した細胞間コミュニケーションの数理的解析) (2011)
  • 著者名/発表者名: 山田智之, 上村淳, 小林徹也
  • 学会等名: 第49回 生物物理学会 年会
  • 発表場所: 兵庫県立大学姫路書写キャンパス
• [学会発表] 定量的な生命科学と情報・数理技術 (2011)
  • 著者名/発表者名: 小林 徹也
  • 学会等名: 第84回日本生化学会大会
  • 発表場所: 国立京都国際会館
  • 招待講演
• [学会発表] バイオイメージングと画像情報処理の技術：定量的な解析にむけて (2011)
  • 著者名/発表者名: 小林 徹也
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第55回シンポジウム
  • 発表場所: サンポート高松 かがわ国際会議場
  • 招待講演
• [学会発表] AUTOMATIC SEGMENTATION OF ABDOMINAL BLOOD VESSELS FROM CONTRASTED X-RAY CT IMAGES (2010)
  • 著者名/発表者名: M.K.Bashar, K.Mori, T.J.Kobayashi
  • 学会等名: 6th International Conference on Electrical & Computer Engineering (ICECE) 2010
  • 発表場所: Dhaka, Bangladesh
  • 年月日: 2010-12-18
• [学会発表] Towards Automatic Cell Segmentation and Tracking Using Fluorescence Microscopy Images (2010)
  • 著者名/発表者名: M.K.Bashar, T.J.Kobayashi
  • 学会等名: 定量生物学の会 第三回年会
  • 発表場所: 東京大学・生産技術研究所
  • 年月日: 2010-11-27
• [学会発表] 定量的な生命科学とバイオイメージング (2010)
  • 著者名/発表者名: 小林徹也
  • 学会等名: 第19回 日本バイオイメージング学会学術集会
  • 発表場所: 慶應義塾大学 日吉キャンパス来往舎
  • 年月日: 2010-09-10
• [学会発表] 画像解析によるin vivo細胞内粒子運動の統計的性質の解析 (2010)
  • 著者名/発表者名: 小林徹也, 舟橋啓, 春本敏之, 太田信之, 上田泰己, 上村匡
  • 学会等名: MIRU2010 Workshop:細胞内画像処理
  • 発表場所: 釧路・釧路市国際交流センター
  • 年月日: 2010-07-26
• [学会発表] 定量的な生命科学とバイオイメージング (2010)
  • 著者名/発表者名: 小林徹也
  • 学会等名: 第19回日本バイオイメージング学会学術集会
• [学会発表] 細胞機能としての情報処理 (2010)
  • 著者名/発表者名: 小林徹也
  • 学会等名: 分子生物学会年会
• [備考]
  • URL: http://research.crmind.net