スパースモデリングと画像処理による高速な汎用セルソーティング手法の開発

• 研究課題/領域番号: 19K12104
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分61030:知能情報学関連
• 研究機関: 工学院大学
• 研究代表者: 竹川 高志 工学院大学, 情報学部(情報工学部), 准教授 (50415220)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2021年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2020年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2019年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
• キーワード: 蛍光イメージング / 信号検出 / 細胞検出 / スパース最適化 / 非負行列因子分解

研究開始時の研究の概要

近年，脳を直接撮影することで多数の神経細胞の活動を観測することのできる蛍光イメージング技術が大き向上し，脳がどのように機能しているかの理解が大きく向上することが期待されている．蛍光イメージング記録を有効に活用するためには，記録データから自動的に細胞の位置と活動状態を求めるセルソーティングと呼ばれる技術が重要となるが，現状のソーティングシステムは精度・速度・安定性などさまざまな観点から十分とは言えない．本研究では，画像処理と確率モデル，最適化アルゴリズムと並列計算技術を駆使して既存のシステムに対して精度と速度が大幅に上回るシステムを開発する．

研究成果の概要

近年，多数の神経細胞の活動を観測することが可能な蛍光イメージング技術が大き向上し，脳の理解が大きく向上することが期待されている.データの活用には記録データから自動的に細胞の位置と活動状態を求める技術が重要となるが，既存のシステムは精度・ 速度・安定性などさまざまな観点から十分とは言えなかった.本研究において，画像処理と確率モデル，最適化アルゴリズムと並列計算技術を駆使して既存のシステムに対して精度と速度が大幅に上回るシステムを開発し，ソフトウェアを公開した.開発したシステム HOTARU は，既存の手法では検出が難しかった細胞についても検出し，高精度なスパイク検出が可能である.

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究で開発したシステム HOTARU は，恣意的なパラメータを持たずデータの性質に依存せず安定して動作し，発火率が低い，あるいは SN が小さい細胞についても検出することが可能である.この手法により，従来法では細胞強度のみで細胞の妥当性を判断していたのに対して，細胞の形状が安定していること，検出されるスパイクの数が妥当であることを元に改善が可能となった.また，システムの動作に必要なパラメータは必要最小限で恣意的な要素を排除している。そのため，神経回路の動作を実験データから検証する際に誤った結論を導く可能性を大幅に低減することができた。

研究成果

• [雑誌論文] Fast parallel calculation of modified Bessel function of the second kind and its derivatives (2022)
  • 著者名/発表者名: Takashi Takekawa
  • 雑誌名: SoftwareX 巻: 17 ページ: 100923-100923
  • DOI: 10.1016/j.softx.2021.100923
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Discriminant laplacian eigenmaps by the approximation of discriminant analysis using similarity (2022)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Takahashi, Takashi Takekawa
  • 雑誌名: Nonlinear Theory and Its Applications, IEICE 巻: 13 号: 2 ページ: 300-305
  • DOI: 10.1587/nolta.13.300
  • ISSN: 2185-4106
  • 査読あり
• [雑誌論文] 脳深部Ca²⁺イメージングへの誘い (2020)
  • 著者名/発表者名: 大川宣昭，竹川高志，野本真順，井ノ口馨
  • 雑誌名: 日本神経回路学会誌 巻: 27 号: 2 ページ: 74-86
  • DOI: 10.3902/jnns.27.74
  • NAID: 130007882378
  • ISSN: 1340-766X, 1883-0455
  • 年月日: 2020-06-05
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Distinct Mechanisms of Over-Representation of Landmarks and Rewards in the Hippocampus (2020)
  • 著者名/発表者名: Masaaki Sato, Kotaro Mizuta, Tanvir Islam, Masako Kawano, Yukiko Sekine, Takashi Takekawa, Daniel Gomez-Dominguez, Alexander Schmidt, Fred Wolf, Karam Kim, Hiroshi Yamakawa, Masamichi Ohkura, Min Goo Lee, Tomoki Fukai, Junichi Nakai, Yasunori Hayashi
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 32 号: 1 ページ: 107864-107864
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2020.107864
  • NAID: 120006867158
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Orchestrated ensemble activities constitute a hippocampal memory engram (2019)
  • 著者名/発表者名: Khaled Ghandour, Noriaki Ohkawa, Chi Chung Alan Fung, Hirotaka Asai, Yoshito Saitoh, Takashi Takekawa, Reiko Okubo-Suzuki, Shingo Soya, Hirofumi Nishizono, Mina Matsuo, Makoto Osanai, Masaaki Sato, Masamichi Ohkura, Junichi Nakai, Yasunori Hayashi, Takeshi Sakurai, Takashi Kitamura, Tomoki Fukai & Kaoru Inokuchi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 号: 1 ページ: 2637-2637
  • DOI: 10.1038/s41467-019-10683-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [備考] HOTARU: Open Source Cell Sorting Sysmtem
  • URL: https://github.com/tk2lab/HOTARU
• [産業財産権] 最適化装置、最適化方法、及び最適化プログラム (2020)
  • 発明者名: 竹川高志, 高橋春輝, 酒井裕, 深井朋樹
  • 権利者名: 工学院大学・沖縄科学技術大学院大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2021-021962
  • 出願年月日: 2020