深層学習を応用した全脳を対象とする神経活動伝播経路の解明

• 研究課題/領域番号: 15KT0111
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 特設分野
• 研究分野: 連携探索型数理科学
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 高田 則雄 慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 特任講師 (50415212)
• 研究分担者: 中江 健 京都大学, 情報学研究科, 特定研究員 (70617472)
• 連携研究者: 田中 謙二 慶應義塾大学, 医学部, 准教授 (30329700) ; 岡野 栄之 慶應義塾大学, 医学部, 教授 (60160694)
• 研究協力者: 吉田 慶多朗
• 研究期間 (年度): 2015-07-10 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円); 2017年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2016年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2015年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
• キーワード: 深層学習 / マウス / fMRI / 光遺伝学 / 経路推定 / 脳活動伝搬 / ディープラーニング / dropout / optogenetics

研究成果の概要

脳の活動伝搬経路を、全脳の神経活動から推測し、伝播経路に規則や特徴が存在するか解明することを本研究では試みた。具体的には脳活動の開始部位と終着部位とが明確な場合に、その間の脳回路を神経活動が並列にあるいは直列に伝播するのかといった伝搬経路の性質を明らかにすることを目指した。このためにfMRI計測データ（麻酔下マウスの海馬を光遺伝学的に刺激した時の応答を計測したデータ；Takata et al. 2015 PLoS One）を用いて、少数ROIに対して経路推定を行った。この結果3つの経路を有力な候補として推定できた。

研究成果

• [雑誌論文] Optogenetic astrocyte activation evokes BOLD fMRI response with oxygen consumption without neuronal activity modulation (2018)
  • 著者名/発表者名: Norio Takata, Yuki Sugiura, Keitaro Yoshida, Miwako Koizumi, Hiroshi Nishida, Kurara Honda, Ryutaro Yano, Yuji Komaki, Ko Matsui, Makoto Suematsu , Masaru Mimura, Hideyuki Okano, Kenji F. Tanaka
  • 雑誌名: Glia 巻: 印刷中 号: 9 ページ: 2013-2023
  • DOI: 10.1002/glia.23454
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ventrolateral striatal medium spiny neurons positively regulate food-incentive, goal-directed behavior independently of D1 and D2 selectivity. (2017)
  • 著者名/発表者名: Akiyo Natsubori, Iku Tsustui-Kimura, Hiroshi Nishida, Youcef Bouchekioua, Hiroshi Sekiya, Motokazu Uchigashima, Masahiko Watanabe, Alban de Kerchove d'Exaerde, Masaru Mimura, Norio Takata, and Kenji Tanaka
  • 雑誌名: Journal of Neuroscience 巻: 37 号: 10 ページ: 2723-2733
  • DOI: 10.1523/jneurosci.3377-16.2017
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Dysfunction of ventrolateral striatal dopamine receptor type 2-expressing medium spiny neurons impairs instrumental motivation. (2017)
  • 著者名/発表者名: Tsutsui-Kimura I, Takiue H, Yoshida K, Xu M, Yano R, Ohta H, Nishida H, Bouchekioua Y, Okano H, Uchigashima M, Watanabe M, Takata N, Drew MR, Sano H, Mimura M, Tanaka KF.
  • 雑誌名: Nat Commun. 巻: 8 号: 1 ページ: 14304-14304
  • DOI: 10.1038/ncomms14304
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Physiological effects of a habituation procedure for functional MRI in awake mice using a cryogenic radiofrequency probe (2016)
  • 著者名/発表者名: Keitaro Yoshida, Yu Mimura, Ryosuke Ishihara, Hiroshi Nishida, Yuji Komaki, Tomohito Minakuchi, Tomokazu Tsurugizawa, Masaru Mimura, Hideyuki Okano, Kenji F. Tanaka, Norio Takata
  • 雑誌名: J Neurosci Methods. 巻: 274 ページ: 38-48
  • DOI: 10.1016/j.jneumeth.2016.09.013
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Astroglial Glutamate Transporter Deficiency Increases Synaptic Excitability and Leads to Pathological Repetitive Behaviors in Mice. (2015)
  • 著者名/発表者名: Aida T, Yoshida J, Nomura M, Tanimura A, Iino Y, Soma M, Bai N, Ito Y, Cui W, Aizawa H, Yanagisawa M, Nagai T, Takata N, Tanaka KF, Takayanagi R, Kano M, Gotz M, Hirase H, Tanaka K.
  • 雑誌名: Neuropsychopharmacology 巻: in press 号: 7 ページ: 1660-1660
  • DOI: 10.1038/npp.2015.26
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Optogenetic Activation of CA1 Pyramidal Neurons at the Dorsal and Ventral Hippocampus Evokes Distinct Brain-Wide Responses Revealed by Mouse fMRI. (2015)
  • 著者名/発表者名: N, Yoshida K, Komaki Y, Xu M, Sakai Y, Hikishima K, Mimura M, Okano H, Tanaka KF.
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 10 号: 3 ページ: e0121417-e0121417
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0121417
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Adaptive changes of extracellular amino acid concentrations in mouse dorsal striatum by 4-AP-induced cortical seizures (2015)
  • 著者名/発表者名: Terumi Nagai, Norio Takata, Yoshiaki Shinohara, Hajime Hirase
  • 雑誌名: Neuroscience 巻: 295 ページ: 229-236
  • DOI: 10.1016/j.neuroscience.2015.03.043
  • NAID: 120006386964
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Identification of the extent of cortical spreading depression propagation by Npas4 mRNA expression (2015)
  • 著者名/発表者名: Keitaro Yoshida, Ming Xu, Akiyo Natsubori, Masaru Mimura, Norio Takata, Kenji F Tanaka
  • 雑誌名: Neuroscinece Research 巻: - ページ: 1-8
  • DOI: 10.1016/j.neures.2015.04.003
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Observation and manipulation of glial cell function by virtue of sufficient probe expression (2015)
  • 著者名/発表者名: Akiyo Natsubori, Norio Takata, Kenji F Tanaka
  • 雑誌名: Frontiers in Cellular Neuroscience 巻: 176 ページ: 1-7
  • DOI: 10.3389/fncel.2015.00176
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Neuronal heterotopias affect the activities of distant brain areas and lead to behavioral deficits (2015)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Ishii, Ken-ichiro Kubo, Toshihiro Endo, Keitaro Yoshida, Seico Benner, Yukiko Ito, Hidenori Aizawa, Michihiko Aramaki, Akihiro Yamanaka, Kohichi Tanaka, Norio Takata, Kenji Tanaka, Masaru Mimura, Chiahru Tohyama, Masaki Kakeyama, and Kazunori Nakajima
  • 雑誌名: Journal of Neuroscience 巻: 35 号: 36 ページ: 12432-45
  • DOI: 10.1523/jneurosci.3648-14.2015
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 光遺伝学的fMRIを用いた海馬活動伝播様式の全脳解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 高田則雄
  • 学会等名: 次世代プロジェクト「異なる時期の虚血が脳の発達に及ぼす影響の多層的アプローチによる解明と治療戦略構築」国際シンポジウム
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Dissection of downstream targets of the hippocampus using optogenetic fMRI (2017)
  • 著者名/発表者名: 高田則雄
  • 学会等名: 次世代プロジェクト「異なる時期の虚血が脳の発達に及ぼす影響の多層的アプローチによる解明と治療戦略構築」国際シンポジウム
  • 発表場所: 慶応義塾大学医学部
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 光遺伝学的fMRIを用いたアストロサイトによるBOLD信号発生の研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 高田則雄
  • 学会等名: 第89回日本薬理学会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2016-03-09
  • 招待講演
• [学会発表] Optogenetic-fMRI for investigation of neuronal and glial contribution to BOLD signal (2015)
  • 著者名/発表者名: 高田則雄
  • 学会等名: 第38回日本神経科学会
  • 発表場所: 神戸国際会議場（兵庫県神戸市）
  • 年月日: 2015-07-29
  • 招待講演