深層学習を用いたマウス胚核同定画像解析アルゴリズムの開発

• 研究課題/領域番号: 16H04731
• 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: システムゲノム科学
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 舟橋 啓 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (70324548)
• 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: 16,380千円 (直接経費: 12,600千円、間接経費: 3,780千円); 2019年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円); 2018年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2017年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2016年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円)
• キーワード: 画像解析 / 機械学習 / 深層学習 / 発生・分化

研究成果の概要

深層学習(Deep Learning)を利用することで、今まで困難だったマウス胚発生の4次元蛍光顕微鏡画像から核同定を行う画像処理アルゴリズムを開発した。既存のマウス胚発生における細胞動態の解析では、4次元顕微鏡画像に対しては16細胞期以降の核同定の精度は非常に低くなってしまうといった問題点があった。本研究課題では、近年画像解析にて強力な手法として注目を集めている深層学習を用いた核同定アルゴリズムを開発し、50細胞期までの正確な核同定を行い、胚の質を評価し得る定量的な指標の獲得を行った。

研究成果の学術的意義や社会的意義

学術的意義として、当研究課題で開発したQCANetは、極体を除いた細胞核のセグメンテーションを行うことに成功し、初期マウス発生過程における胚ごとの違いを定量的に比較することが可能であることが示された点が挙げられる。
社会的意義としては、今後QCANetを用いて初期胚を定量的に評価するための最適な指標の探索を行うことで、経験的に定められた指標に代わる、産仔作出能との関連性が高い「胚の質を評価し得る指標」の確立が期待される点が挙げられる。

研究成果

• [国際共同研究] University of Nottingham(英国)
• [国際共同研究] Kazan Federal University(ロシア連邦)
• [国際共同研究] University of Nottingham(英国)
• [国際共同研究] Kazan Federal University(ロシア連邦)
• [国際共同研究] Linkoping University(スウェーデン)
• [国際共同研究] University of Nottingham(英国)
• [国際共同研究] Kazan Federal University(ロシア連邦)
• [国際共同研究] Linkoping University(スウェーデン)
• [雑誌論文] Predicting the future direction of cell movement with convolutional neural networks (2019)
  • 著者名/発表者名: Nishimoto Shori、Tokuoka Yuta、Yamada Takahiro G.、Hiroi Noriko F.、Funahashi Akira
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 14 号: 9 ページ: e0221245-e0221245
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0221245
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Deep Learning for Non-Invasive Determination of the Differentiation Status of Human Neuronal Cells by Using Phase-Contrast Photomicrographs (2019)
  • 著者名/発表者名: Ooka Maya、Tokuoka Yuta、Nishimoto Shori、Hiroi Noriko F.、Yamada Takahiro G.、Funahashi Akira
  • 雑誌名: Applied Sciences 巻: 9 号: 24 ページ: 5503-5503
  • DOI: 10.3390/app9245503
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantitative Biology: Dynamics of Living Systems (2016)
  • 著者名/発表者名: N Hiroi, VM Draviam, A Funahashi
  • 雑誌名: Frontiers in Physiology 巻: 7
  • DOI: 10.3389/fphys.2016.00196
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 機械学習による細胞動態解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 西本 勝利, 徳岡 雄大, 山田 貴大, 広井 賀子, 舟橋 啓
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 不妊治療に資する深層学習を用いた初期胚定量評価手法の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 舟橋 啓
  • 学会等名: Cardiovascular Meeting
  • 招待講演
• [学会発表] 畳み込みニューラルネットワークを用いた神経分化判別および特徴量解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 舟橋 啓
  • 学会等名: 山口大学 AIシステム医学医療研究教育センター セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] CellDesigner: A modeling tool for biochemical networks (2019)
  • 著者名/発表者名: Funahashi, A.
  • 学会等名: COMBINE 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 機械学習による画像分類 (2019)
  • 著者名/発表者名: 舟橋 啓, 徳岡 雄大
  • 学会等名: AIによる生物画像解析トレーニングコース
  • 招待講演
• [学会発表] 腫瘍内不均一性を考慮した予後の予測に向けた深層学習ベースの組織画像解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 舟橋 啓
  • 学会等名: 群馬大学数理データ科学教育研究センター主催第1回レギュラトリー サイエンスセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 人工知能と医学研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 舟橋 啓
  • 学会等名: 群馬大学総合外科学講座 Translational Researchセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] CellDesigner (2019)
  • 著者名/発表者名: Funahashi, A.
  • 学会等名: COMBINE & de.NBI Tutorial: Modelling and Simulation Tools in Systems Biology
  • 国際学会
• [学会発表] 一細胞系譜解析による低グルコース培養下大腸菌集団のATP 濃度多様性生成機構の解明 (2019)
  • 著者名/発表者名: 中谷 諒, 板橋 正寛, 山田 貴大, 広井 賀子, 舟橋 啓
  • 学会等名: 定量生物学の会 北海道キャラバン 2019
• [学会発表] Deep Learning-based quantitative evaluation of early embryo in infertility treatments (2019)
  • 著者名/発表者名: Tokuoka, Y., Yamada, T. G., Hiroi, N. F., Kobayashi, T. J., Yamagata, K., Funahashi, A.
  • 学会等名: The 20th International Conference on Systems Biology
  • 国際学会
• [学会発表] 画像解析による不妊治療応用を目指した深層学習アルゴリズムの提案: 非染色マウス初期胚の細胞核セグメンテーションおよび多様な生物種へのアルゴリズムの適応 (2019)
  • 著者名/発表者名: 徳岡 雄大, 山田 貴大, 小林 徹也, 山縣 一夫, 舟橋 啓
  • 学会等名: 定量生物学の会 北海道キャラバン 2019
• [学会発表] Deep Learning Based Tissue Analysis for Predicting Cancer Outcomes Accounting for Intratumoral Heterogeneity (2019)
  • 著者名/発表者名: Nishimoto, S
  • 学会等名: Seminar at University of Nottingham
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Convolutional Neural Network-Based Instance Segmentation Algorithm to Acquire Quantitative Criteria of Early Mouse Development (2019)
  • 著者名/発表者名: Funahashi, A.
  • 学会等名: Seminar at University of Nottingham
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 不妊治療に資する深層学習を用いた初期胚定量評価手法の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 徳岡雄大, 山田貴大, 広井賀子, 小林徹也, 山縣一夫, 舟橋啓
  • 学会等名: 第18回日本再生医療学会総会
  • 招待講演
• [学会発表] Mechanical Modeling of Cell Migration During the Early Embryogenesis of C. elegans to Reveal the Mechanism for Controlling Cell Arrangement (2019)
  • 著者名/発表者名: Motomuro, M., Yamamoto, K., Yamada, T. G., Hiroi, N. F., Kimura, A. and Funahashi, A.
  • 学会等名: The Seventh Annual Winter Q-Bio Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] 生命現象の定量解析に資するConvolutional Neural Networksを基盤とした顕微鏡画像解析手法の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 徳岡雄大, 山田貴大, 広井賀子, 小林徹也, 山縣一夫, Cornette Richard, 黄川田隆洋, 舟橋啓
  • 学会等名: 定量生物学の会 第九回年会
• [学会発表] ディープラーニングを用いたマウス発生過程における定量的指標の獲得 (2018)
  • 著者名/発表者名: 舟橋 啓
  • 学会等名: 第36回 日本受精着床学会総会・学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] CellDesigner - Modeling Tool for Biochemical Networks (2018)
  • 著者名/発表者名: Funahashi, A.
  • 学会等名: COMBINE & de.NBI Tutorial: Modelling and Simulation Tools in Systems Biology
  • 国際学会
• [学会発表] Predicting the future direction of cell movement with convolutional neural networks (2018)
  • 著者名/発表者名: Shori Nishimoto, Yuta Tokuoka, Takahiro G Yamada, Noriko Hiroi, Akira Funahashi
  • 学会等名: 19th International Conference on Systems Biology
  • 国際学会
• [学会発表] Convolutional Neural Network-Based Instance Segmentation Algorithm to Acquire Quantitative Criteria of Early Mouse Development (2018)
  • 著者名/発表者名: Tokuoka, Y., Yamada, TG., Hiroi, NF., Kobayashi, TJ., Yamagata, K. and Funahashi, A.
  • 学会等名: 19th International Conference on Systems Biology
  • 国際学会
• [学会発表] 深層学習が明らかにする細胞顕微鏡画像解析の新展開 (2018)
  • 著者名/発表者名: 舟橋 啓
  • 学会等名: 自然科学研究機構 新分野創成センター合同シンポジウム「分野横断・分野融合研究による生命創成を探究する新しい科学の創成」
  • 招待講演
• [学会発表] リアルタイム制御が導く定量生物学の未来 (2017)
  • 著者名/発表者名: 舟橋 啓
  • 学会等名: 定量生物学のNEXT CHALLENGE
  • 発表場所: ホテルたつき会議室 (愛知県・蒲郡市)
  • 年月日: 2017-01-09
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞シミュレーションライブラリLibSBMLSim-v2の設計と実装 (2017)
  • 著者名/発表者名: 舟橋 啓
  • 学会等名: 定量生物学の会 第8回年会
  • 発表場所: 自然科学研究機構 岡崎カンファレンスセンター (愛知県・岡崎市)
  • 年月日: 2017-01-08
• [学会発表] 細胞質流動に着目した細胞質分裂位置決定モデルの構築 (2017)
  • 著者名/発表者名: 吉見 祐亮
  • 学会等名: 定量生物学の会 第8回年会
  • 発表場所: 自然科学研究機構 岡崎カンファレンスセンター (愛知県・岡崎市)
  • 年月日: 2017-01-08
• [学会発表] 深層学習を用いた3次元蛍光顕微鏡画像セグメンテーションアルゴリズムの提案 (2017)
  • 著者名/発表者名: 徳岡 雄大
  • 学会等名: 定量生物学の会 第8回年会
  • 発表場所: 自然科学研究機構 岡崎カンファレンスセンター (愛知県・岡崎市)
  • 年月日: 2017-01-08
  • 招待講演
• [学会発表] Requirement of spatiotemporal resolution for imaging intracellular temperature distribution (2017)
  • 著者名/発表者名: N Hiroi
  • 学会等名: SPIE Technologies and Applications of Structured Light
  • 国際学会
• [学会発表] Segmenting four-dimensional fluorescence microscopic image using Convolutional Neural Network (2017)
  • 著者名/発表者名: Y Tokuoka
  • 学会等名: International Conference on Systems Biology 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Segmenting Four-dimensional Fluorescence Microscopic Image using Convolutional Neural Network (2017)
  • 著者名/発表者名: A Funahashi
  • 学会等名: Life of Genomes 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Segmenting Four-dimensional Fluorescence Microscopic Image using Convolutional Neural Network (2017)
  • 著者名/発表者名: A Funahashi
  • 学会等名: Integrated Open Systems Unit Seminar
  • 招待講演
• [学会発表] Design and Implementation of High Performance Biochemical Simulator (2016)
  • 著者名/発表者名: Akira Funahashi
  • 学会等名: LibSBMLSim & Flint Hackathon
  • 発表場所: 沖縄科学技術大学院大学 (沖縄県・恩納村)
  • 年月日: 2016-11-21
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 4次元画像解析による核同定アルゴリズムの構築 (2016)
  • 著者名/発表者名: 舟橋 啓
  • 学会等名: ネムリユスリカワークショップ2016
  • 発表場所: 東京大学検見川セミナーハウス (千葉県・千葉市)
  • 年月日: 2016-07-28
  • 招待講演
• [学会発表] CellDesigner: Modeling Tool for Biochemical Networks (2016)
  • 著者名/発表者名: Akira Funahashi
  • 学会等名: COMBINE Tutorial Modelling and Simulation Tools in Systems Biology
  • 発表場所: Barcelona (Spain)
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] QCANet: Quantitative Criterion Acquisition Network
  • URL: https://github.com/funalab/QCANet