複数データセットの効率的統合に基づく機械学習法

• 研究課題/領域番号: 16H02866
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 知能情報学
• 研究機関: 岐阜大学
• 研究代表者: 志賀 元紀 岐阜大学, 工学部, 准教授 (20437263)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 16,250千円 (直接経費: 12,500千円、間接経費: 3,750千円); 2019年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円); 2018年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2017年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円); 2016年度: 7,150千円 (直接経費: 5,500千円、間接経費: 1,650千円)
• キーワード: 機械学習 / 教師なし学習 / 行列分解 / テンソル分解 / ベイズ最適化 / マテリアルズインフォマティクス / バイオインフォマティクス / スペクトルイメージ解析 / セーフスクリーニング / スペクトルイメージ / データマイニング / 非負値行列分解 / モデル選択 / スペクトルイメージング / エピゲノム解析

研究成果の概要

本研究課題では、同時計測された多様かつ大規模なデータから重要な情報を抽出するための統計的機械学習法の開発に取り組んだ。この課題に対して、グラフ構造・時系列の順序関係などの補助情報を取り入れて計算を効率化する手法、計測データに背後にある性質をパラメータ空間の制約に取り入れることで解析性能を向上させる手法などを開発した。また、これらの開発法を、生命科学において疾病に関係する重要な特徴（遺伝子）の選択、また、物質・材料科学における顕微分光スペクトルから局所的な構造・電子状態を同定する実解析に応用した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

複数の網羅的計測データのサイズは非常に大きいため、自動的な情報抽出やデータ解析にかかる計算コスト（計算時間・メモリ使用量）の削減が重要な課題とされる。この課題に対して、生命科学や物質・材料科学の応用を念頭においたモデル制約や補助情報を仮定するデータ解析法を開発し、解析性能を改善できた。特殊なデータに限らない汎用的な方法であるので、類似した状況・設定におけるデータ解析に今後応用できると考えられる。

研究成果

• [国際共同研究] Sage Bionetworks/Case Western Reserve University/Oregon Health and Science University(米国)
• [国際共同研究] University of Turku(フィンランド)
• [国際共同研究] Institut de Calcul Intensif/Ecole Centrale de Nantes/PIMM, ENSAM ParisTech(フランス)
• [国際共同研究] Abdullah Gul University(トルコ)
• [国際共同研究] National Cheng Kung University(その他の国・地域（台湾）)
• [国際共同研究]
• [雑誌論文] 7．統計的機械学習に基づく低カウントのスペクトルイメージ解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 志賀 元紀, 武藤 俊介
  • 雑誌名: 電気化学 巻: 88 号: 1 ページ: 42-46
  • DOI: 10.5796/denkikagaku.20-FE0008
  • NAID: 130007806106
  • ISSN: 2433-3255, 2433-3263
  • 年月日: 2020-03-05
  • 国際共著
• [雑誌論文] Application of machine learning techniques to electron microscopic/spectroscopic image data analysis (2020)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Muto, Motoki Shiga
  • 雑誌名: Microscopy 巻: 69 号: 2 ページ: 110-122
  • DOI: 10.1093/jmicro/dfz036
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] スペクトル解析のための統計的機械学習 (2019)
  • 著者名/発表者名: 志賀元紀
  • 雑誌名: まてりあ 巻: 58 号: 1 ページ: 23-28
  • DOI: 10.2320/materia.58.23
  • NAID: 130007541715
  • ISSN: 1340-2625, 1884-5843
  • 年月日: 2019-01-01
  • 査読あり
• [雑誌論文] Non-negative matrix factorization and its extensions for spectral image data analysis (2019)
  • 著者名/発表者名: Motoki Shiga, Shunsuke Muto
  • 雑誌名: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology 巻: 17 号: 0 ページ: 148-154
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2019.148
  • NAID: 130007710083
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Estimation of material parameters based on precipitate shape: efficient identification of low-error region with Gaussian process modeling (2019)
  • 著者名/発表者名: Tsukada Yuhki、Takeno Shion、Karasuyama Masayuki、Fukuoka Hitoshi、Shiga Motoki、Koyama Toshiyuki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 号: 1 ページ: 15794-15794
  • DOI: 10.1038/s41598-019-52138-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mining Physical/Chemical Properties from Nano-Scale Areas Using STEM Spectroscopic Methods and Informatics Techniques (2019)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Muto, Jakob Spiegelberg, Motoki Shiga, Masahiro Ohtsuka, Jan Rusz
  • 雑誌名: Proceedings on the 10th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing 巻: 無 ページ: 720-729
  • 国際共著
• [雑誌論文] A crowdsourced analysis to identify ab initio molecular signatures predictive of susceptibility to viral infection (2018)
  • 著者名/発表者名: Slim Fourati, ..., Motoki Shiga, ..., Solveig K Sieberts
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 9 号: 1 ページ: 4418-4418
  • DOI: 10.1038/s41467-018-06735-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 多変量解析を利用したTOF-SIMSイメージデータフュージョンとスパースモデリングおよび機械学習によるTOF-SIMSスペクトル解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 石倉航, 高橋一真, 山岸崇之, 青木弾, 福島和彦, 志賀元紀, 青柳里果
  • 雑誌名: Journal of Surface Analysis 巻: 25 ページ: 103-114
  • NAID: 130007806258
  • 査読あり
• [雑誌論文] Informatics-Aided Raman Microscopy for Nanometric 3D Stress Characterization (2018)
  • 著者名/発表者名: Wang Hongxin、Zhang Han、Da Bo、Shiga Motoki、Kitazawa Hideaki、Fujita Daisuke
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 122 号: 13 ページ: 7187-7193
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b12415
  • 査読あり
• [雑誌論文] Exploring a potential energy surface by machine learning for characterizing atomic transport (2018)
  • 著者名/発表者名: Kanamori Kenta、Toyoura Kazuaki、Honda Junya、Hattori Kazuki、Seko Atsuto、Karasuyama Masayuki、Shitara Kazuki、Shiga Motoki、Kuwabara Akihide、Takeuchi Ichiro
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 97 号: 12 ページ: 125124-125124
  • DOI: 10.1103/physrevb.97.125124
  • 査読あり
• [雑誌論文] Time variations of the radial velocity of H2O masers in the semi-regular variable R CRT (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Sudou、Motoki Shiga、Toshihiro Omodaka、Chihiro Nakai、Kazuki Ueda、Hiroshi Takaba
  • 雑誌名: Journal of The Korean Astronomical Society 巻: 50 ページ: 157-165
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sparse Modeling of EELS and EDX Spectral Imaging Data by Nonnegative Matrix Factorization (2016)
  • 著者名/発表者名: Motoki Shiga, Kazuyoshi Tatsumi, Shunsuke Muto, Koji Tsuda, Yuta Yamamoto, Toshiyuki Mori, Takayoshi Tanji
  • 雑誌名: Ultramicroscopy 巻: 170 ページ: 43-59
  • DOI: 10.1016/j.ultramic.2016.08.006
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Matrix Factorization for Automatic Chemical Mapping from Electron Microscopic Spectral Imaging Datasets (2016)
  • 著者名/発表者名: Motoki Shiga, Shunsuke Muto, Kazuyoshi Tatsumi, Koji Tsuda
  • 雑誌名: Transactions of the Materials Research Society of Japan 巻: 41 号: 4 ページ: 333-336
  • DOI: 10.14723/tmrsj.41.333
  • NAID: 130005172417
  • ISSN: 1382-3469, 2188-1650
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Statistical Machine Learning for Spectrum Imaging Data Analysis (2019)
  • 著者名/発表者名: Motoki Shiga, Shunsuke Muto
  • 学会等名: Materials Research Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] 微細構造計測データ解析のための統計的機械学習 (2019)
  • 著者名/発表者名: 志賀元紀
  • 学会等名: 第3回計測インフォマティクス研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 微細構造計測データ解析のための統計的機械学習 (2019)
  • 著者名/発表者名: 志賀元紀
  • 学会等名: 原子分解能ホログラフィー研究会・機能性材料ナノスケール原子相関合同研究会
  • 招待講演
• [学会発表] オングストロームビーム電子回折イメージングを用いた非晶質構造の網羅的解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 志賀元紀, 平田秋彦, 小原真司, 小野寺陽平
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会・第75回学術講演会
• [学会発表] スペクトルイメージ解析のための統計的機械学習 (2019)
  • 著者名/発表者名: 志賀元紀
  • 学会等名: プラスチック成形加工学会の第167回講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 強化学習におけるVariational Information Maximizing Explorationに基づく状態探索の効率化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 土井一輝, 大川慧悟, 志賀元紀
  • 学会等名: 情報論的学習理論と機械学習研究会
• [学会発表] 走査透過型電子顕微鏡データ解析のための機械学習法 (2018)
  • 著者名/発表者名: 志賀元紀
  • 学会等名: 応用物理学会秋季学術講演会特別シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Statistical Machine Learning for Microscopy Data Analysis (2018)
  • 著者名/発表者名: Motoki Shiga
  • 学会等名: 14th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures and 26th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Statistical Machine Learning for Spectrum Image Data Analysis (2018)
  • 著者名/発表者名: Motoki Shiga
  • 学会等名: The 19th KIM-JIM Symposium -Recent Advances in Artificial Intelligence and Simulations in Materials Science and Engineering-
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] マルコフネットワーク構造変化検出におけるスパースKLIEPモデルのセーフスクリーニング (2018)
  • 著者名/発表者名: 佐藤浩基, 志賀元紀, 山田誠
  • 学会等名: 第21回情報論的学習理論ワークショップ
• [学会発表] スペクトルイメージ解析のための統計的機械学習 (2018)
  • 著者名/発表者名: 志賀元紀
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会「様々なイメージング技術研究部会」第6回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] スペクトラムイメージ解析のための統計的機械学習法 (2018)
  • 著者名/発表者名: 志賀元紀
  • 学会等名: 第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] スペクトルデータ解析のための統計的機械学習 (2018)
  • 著者名/発表者名: 志賀元紀
  • 学会等名: 合同シンポジウム（「第二回 先端計測インフォマティクス・ワークショップ」「NIMS先端計測シンポジウム 2018」）
  • 招待講演
• [学会発表] 統計的機械学習を用いたスペクトルイメージ解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 志賀元紀
  • 学会等名: 顕微ナノ・表面科学・SPM合同シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Automatic Spectral Imaging Analysis Based on Machine Learning (2017)
  • 著者名/発表者名: Motoki Shiga, Shunsuke Muto
  • 学会等名: The 8th International Workshop on Electron Energy Loss Spectroscopy and Related Techniques
  • 国際学会
• [学会発表] 部分サンプリングに基づく特徴選択を用いたウイルス感染の予測法 (2017)
  • 著者名/発表者名: 佐藤浩基, 志賀元紀
  • 学会等名: 2017年度人工知能学会全国大会
• [学会発表] 統計的機械学習に基づくスペクトラムイメージ解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 志賀元紀
  • 学会等名: 2017年真空・表面科学合同講演会・データ駆動表面科学研究部会セッション
  • 招待講演
• [学会発表] スペクトルイメージデータ解析のための統計的機械学習法 (2017)
  • 著者名/発表者名: 志賀元紀, 武藤俊介
  • 学会等名: マイクロビームアナリシス第141委員会第169回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 機械学習によるTOF-SIMSデータ解析のための様式 (2017)
  • 著者名/発表者名: 青柳里果, 志賀元紀, 石倉航
  • 学会等名: 2017年度 実用表面分析講演会
• [学会発表] 統計的機械学習に基づく走査型電子顕微鏡データ解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 志賀元紀
  • 学会等名: 先端計測インフォマティクス 大量データ時代の情報活用
  • 発表場所: つくば市 物質・材料研究機構
  • 招待講演
• [学会発表] 走査型電子顕微鏡データ解析のための非負値行列分解 (2016)
  • 著者名/発表者名: 志賀元紀, 武藤俊介, 巽一厳, 津田宏治
  • 学会等名: 日本応用数理学会2016年度年会
  • 発表場所: 北九州市 北九州国際会議場,
  • 年月日: 2016-09-12
• [学会発表] 統計的機械学習による物質材料データ解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 志賀元紀
  • 学会等名: 日本金属学会・日本鉄鋼協会東海支部 若手材料研究会・技術交流フォーラム
  • 発表場所: 東海市 新日鐵住金株式会社名古屋製鐵所公園クラブ
  • 招待講演
• [図書] Nanoinformatics (Ch. 9 "High Spatial Resolution Hyperspectral Imaging with Machine-Learning Techniques") (2018)
  • 著者名/発表者名: Motoki Shiga, Shunsuke Muto
  • 総ページ数: 25
  • 出版者: Springer
  • ISBN: 9789811076176
• [備考] 研究者HP
  • URL: https://www1.gifu-u.ac.jp/~siglab/index.html