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人工知能技術と疾患横断的・次元的アプローチに基づく精神障害の計算論的診断学の創出

研究課題

研究課題/領域番号 20H00625
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分62:応用情報学およびその関連分野
研究機関国立研究開発法人国立精神・神経医療研究センター

研究代表者

山下 祐一  国立研究開発法人国立精神・神経医療研究センター, 神経研究所 疾病研究第七部, 室長 (40584131)

研究分担者 国里 愛彦  専修大学, 人間科学部, 教授 (30613856)
高村 真広  島根大学, 学術研究院医学・看護学系, 助教 (50720653)
片平 健太郎  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 情報・人間工学領域, 主任研究員 (60569218)
杉原 玄一  東京医科歯科大学, 大学院医歯学総合研究科, 准教授 (70402261)
村田 真悟  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (80778168)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2022年度)
配分額 *注記
43,160千円 (直接経費: 33,200千円、間接経費: 9,960千円)
2022年度: 8,710千円 (直接経費: 6,700千円、間接経費: 2,010千円)
2021年度: 8,190千円 (直接経費: 6,300千円、間接経費: 1,890千円)
2020年度: 9,620千円 (直接経費: 7,400千円、間接経費: 2,220千円)
キーワード計算論的精神医学 / 人工知能 / 精神障害 / 深層学習 / ニューラルネットワーク / 精神疾患
研究開始時の研究の概要

生物学的知見の蓄積により、現行の精神障害カテゴリーは生物学的妥当性を欠くことが明らかになり、研究方略の抜本的方向修正の必要性が指摘されている。本研究は、精神障害に関する症状・神経生理・認知行動のビッグデータに対して、既存の精神障害カテゴリーにとらわれない疾患横断的・次元的アプローチに基づき、機械学習・人工知能(AI)技術を含む計算論的精神医学の手法を適用することで、新しい精神障害の表現型:症候学的タイプ、バイオタイプ、計算論的表現型を明らかにする。さらに、深層学習技術を用いて、見出された各水準の表現型相互の媒介メカニズムを明らかにすることにより、精神障害の統合的理解と新しい診断体系を創出する。

研究実績の概要

本研究は、精神障害に関する症状・神経生理・認知行動のビッグデータに対して、疾患横断的・次元的アプローチに基づいて、機械学習・AI技術を含む計算論的精神医学の手法を適用することで、既存の精神障害カテゴリーには基づかない新しい表現型:症候学的タイプ、バイオタイプ、計算論的表現型の抽出を試みている。また、深層学習・データ融合技術を用いて、各水準の表現型を媒介するメカニズムを明らかにすることで、精神障害の統合的理解と新しい疾病概念を創出することを目的とする。
今年度の研究では、昨年度に引き続き、クラウドソーシングを通じた大規模Web調査の枠組みを用いて、疾患カテゴリー横断的・網羅的な精神障害の症状評価、および認知行動実験を実施した。症候学的データのクラスタリングにより、症候学レベルの精神障害亜型(症候学的タイプ)を探索的に構成することを試みた。また、複数の疾患カテゴリーに関する脳画像データベースを用いたデータ駆動アプローチにより、神経生理学的レベルの精神障害亜型(バイオタイプ)を探索的に発見することを試みた。さらに、症候学的タイプ・バイオタイプ、計算論的表現型の各水準の表現型の背後に、共通すると仮定する潜在状態抽出のための基盤技術として、マルチモーダル変分自己符号化器を用いた多元的データ融合技術の開発を試みた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

クラウドソーシングを通じた大規模Web調査の枠組みを用いた、疾患カテゴリー横断的・網羅的な精神障害の症状評価、および認知行動実験を予定通り実施することができた。また、複数の疾患カテゴリーに関する脳画像データベースを用いた、神経生理学的レベルの精神障害亜型(バイオタイプ)の探索的検討も順調に進展を得た。さらに、症候学的タイプ・バイオタイプ、計算論的表現型の各水準の表現型の背後に、共通すると仮定する潜在状態抽出のための基盤技術として、マルチモーダル変分自己符号化器を用いた多元的データ融合技術の開発が順調に進んだ。
これらより、本研究は概ね順調に進展していると考えられる。

今後の研究の推進方策

2022年度の研究計画は以下の1~3の項目に従って実施する。
1.大規模Web調査による症候学的タイプと計算論的表現型の探索的同定:2021年度に引き続き、クラウドソーシングを通じた大規模Web調査の枠組みを用いて、疾患カテゴリー横断的・網羅的な精神障害の症状評価、および複数の認知行動実験を実施する。症候学的データのクラスタリングにより、症候学レベルの精神障害亜型(症候学的タイプ)を探索的に構成する。Web調査では同時に、行動実験課題を実施し、行動データに対するモデルフィッティングにより、計算論的表現型を探索的に構成を試みる。
2.大規模精神疾患データベースの神経生理学的データに基づくバイオタイプの探索的同定:2021年度に引き続き、複数の疾患カテゴリーに関する脳画像データベースを用いたデータ駆動アプローチにより、神経生理学的レベルの精神障害亜型(バイオタイプ)を探索的検討を継続する。
3.各水準表現型に共通する潜在状態・媒介メカニズムの探索的検討:症候学的タイプ・バイオタイプ、計算論的表現型の各水準の表現型の背後に、共通する潜在状態が存在すると仮定し、変分自己符号化器などを用いた深層学習技術により、各表現型の非線形的な媒介関係の抽出を試みる。2021年度に引き続き、ドメイン適応・転移学習の技術(特にジョイントマルチモーダル変分自己符号化器など)を応用することにより、欠損値を含む多元的データ融合技術の開発を進める。

報告書

(3件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 審査結果の所見   実績報告書

研究成果

(38件)

すべて 2022 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (15件) (うち国際共著 1件、 査読あり 14件、 オープンアクセス 15件) 学会発表 (20件) (うち国際学会 8件、 招待講演 6件) 図書 (1件)

  • [国際共同研究] メルボルン大学(オーストラリア)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] メルボルン大学(オーストラリア)

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [雑誌論文] 認知行動療法に対する計算論的アプローチ2022

    • 著者名/発表者名
      国里 愛彦、片平 健太郎、沖村 宰、山下 祐一
    • 雑誌名

      認知行動療法研究

      巻: 48 号: 1 ページ: 1-10

    • DOI

      10.24468/jjbct.20-036

    • NAID

      130008072055

    • ISSN
      2433-9040, 2433-9075
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Schizophrenia-Mimicking Layers Outperform Conventional Neural Network Layers2022

    • 著者名/発表者名
      Mizutani Ryuta、Noguchi Senta、Saiga Rino、Yamashita Yuichi、Miyashita Mitsuhiro、Arai Makoto、Itokawa Masanari
    • 雑誌名

      Front Neurorobot.

      巻: 16 ページ: 851471-851471

    • DOI

      10.3389/fnbot.2022.851471

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A learning mechanism shaping risk preferences and a preliminary test of its relationship with psychopathic traits2021

    • 著者名/発表者名
      Oba Takeyuki, Katahira Kentaro, Ohira Hideki
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 11 ページ: 1-11

    • DOI

      10.1038/s41598-021-00358-8

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 恐怖の再発と潜在原因モデル―計算論的精神医学入門―2021

    • 著者名/発表者名
      国里 愛彦
    • 雑誌名

      基礎心理学研究

      巻: 40 号: 1 ページ: 50-53

    • DOI

      10.14947/psychono.40.11

    • NAID

      130008129151

    • ISSN
      0287-7651, 2188-7977
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] Psychiatric symptoms influence reward‐seeking and loss‐avoidance decision‐making through common and distinct computational processes2021

    • 著者名/発表者名
      Suzuki Shinsuke, Yamashita Yuichi, Katahira Kentaro
    • 雑誌名

      Psychiatry and Clinical Neurosciences

      巻: 75 ページ: 277-285

    • DOI

      10.1111/pcn.13279

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Resting-state brain activity can predict target-independent aptitude in fMRI-neurofeedback training2021

    • 著者名/発表者名
      Nakano Takashi、Takamura Masahiro、Nishimura Haruki、Machizawa Maro G.、Ichikawa Naho、Yoshino Atsuo、Okada Go、Okamoto Yasumasa、Yamawaki Shigeto、Yamada Makiko、Suhara Tetsuya、Yoshimoto Junichiro
    • 雑誌名

      NeuroImage

      巻: 245 ページ: 118733-118733

    • DOI

      10.1016/j.neuroimage.2021.118733

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Modeling Heterogeneous Brain Dynamics of Depression and Melancholia Using Energy Landscape Analysis2021

    • 著者名/発表者名
      Regonia Paul Rossener、Takamura Masahiro、Nakano Takashi、Ichikawa Naho、Fermin Alan、Okada Go、Okamoto Yasumasa、Yamawaki Shigeto、Ikeda Kazushi、Yoshimoto Junichiro
    • 雑誌名

      Frontiers in Psychiatry

      巻: 12

    • DOI

      10.3389/fpsyt.2021.780997

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Paradoxical sensory reactivity induced by functional disconnection in a robot model of neurodevelopmental disorder2021

    • 著者名/発表者名
      Idei Hayato、Murata Shingo、Yamashita Yuichi、Ogata Tetsuya
    • 雑誌名

      Neural Networks

      巻: 138 ページ: 150-163

    • DOI

      10.1016/j.neunet.2021.01.033

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Neural network modeling of altered facial expression recognition in autism spectrum disorders based on predictive processing framework2021

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Yuta、Murata Shingo、Idei Hayato、Tomita Hiroaki、Yamashita Yuichi
    • 雑誌名

      Sci Rep.

      巻: 11 ページ: 1-14

    • DOI

      10.1038/s41598-021-94067-x

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Deep Feature Extraction for Resting-State Functional MRI by Self-Supervised Learning and Application to Schizophrenia Diagnosis2021

    • 著者名/発表者名
      Hashimoto Yuki、Ogata Yousuke、Honda Manabu、Yamashita Yuichi
    • 雑誌名

      Frontiers in Neuroscience

      巻: 15

    • DOI

      10.3389/fnins.2021.696853

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Three-Dimensional Convolutional Autoencoder Extracts Features of Structural Brain Images With a “Diagnostic Label-Free” Approach: Application to Schizophrenia Datasets2021

    • 著者名/発表者名
      Yamaguchi Hiroyuki、Hashimoto Yuki、Sugihara Genichi、Miyata Jun、Murai Toshiya、Takahashi Hidehiko、Honda Manabu、Hishimoto Akitoyo、Yamashita Yuichi
    • 雑誌名

      Frontiers in Neuroscience

      巻: 15 ページ: 652987-652987

    • DOI

      10.3389/fnins.2021.652987

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Psychiatric disorders as failures in the prediction machine2021

    • 著者名/発表者名
      Yamashita Yuichi
    • 雑誌名

      Psychiatry and Clinical Neurosciences

      巻: 75 ページ: 1-2

    • DOI

      10.1111/pcn.13173

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Commentary: Altered learning under uncertainty in unmedicated mood and anxiety disorders2020

    • 著者名/発表者名
      Sumiya Motofumi、Katahira Kentaro
    • 雑誌名

      Frontiers in Human Neuroscience

      巻: 14 ページ: 852-852

    • DOI

      10.3389/fnhum.2020.561770

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Computational Psychiatry Research Map (CPSYMAP): A New Database for Visualizing Research Papers2020

    • 著者名/発表者名
      Kato Ayaka、Kunisato Yoshihiko、Katahira Kentaro、Okimura Tsukasa、Yamashita Yuichi
    • 雑誌名

      Frontiers in Psychiatry

      巻: 11 ページ: 578706-578706

    • DOI

      10.3389/fpsyt.2020.578706

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Homogeneous Intrinsic Neuronal Excitability Induces Overfitting to Sensory Noise: A Robot Model of Neurodevelopmental Disorder2020

    • 著者名/発表者名
      Idei Hayato、Murata Shingo、Yamashita Yuichi、Ogata Tetsuya
    • 雑誌名

      Frontiers in Psychiatry

      巻: 11 ページ: 762-762

    • DOI

      10.3389/fpsyt.2020.00762

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 計算論的精神医学入門2021

    • 著者名/発表者名
      山下祐一
    • 学会等名
      応用脳科学コンソーシアム・ブレイン・ヘルスケア & インフォメーション・メディスン研究会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] スマートロボットにおけるAIに関する数理的アプローチ2021

    • 著者名/発表者名
      山下祐一
    • 学会等名
      情報処理学会連続セミナー2021第8回
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 計算論的精神医学による疾病概念の創出:データ駆動・理論駆動の統合的アプローチ2021

    • 著者名/発表者名
      山下祐一
    • 学会等名
      第117回日本精神神経学会学術総会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 計算論的精神医学:精神医学における人工知能技術の役割と展望2021

    • 著者名/発表者名
      山下祐一
    • 学会等名
      生理研研究会 「人工知能技術と科学の協調と展開」
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 計算論的精神医学:脳の計算理論に基づく精神疾患の病態解明2021

    • 著者名/発表者名
      山下祐一
    • 学会等名
      千里ライフサイエンスセミナー S2「精神・神経疾患病態解明を切り開く新しい脳機能研究」
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Characterizing individual difference in decision-making strategy by normative solution from the Markov decision process for a non-stationary Bernoulli bandit task2021

    • 著者名/発表者名
      Kotani S, Nakanishi K, Hirose S, Yamashita Y, Katahira K, Suzuki S, Fukushima M
    • 学会等名
      SfN 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Inverse reinforcement learning to infermultiple intentions behind decision-makingin a bandit task2021

    • 著者名/発表者名
      Nakanishi K, Kotani S, Hirose S, Yamashita Y, Katahira K, Suzuki S, Fukushima M
    • 学会等名
      SfN 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Oral perceptions as expected changes in internal states: computational modeling of altered nutrient intake in psychiatric disorders and proposal of a possible treatment strategy2021

    • 著者名/発表者名
      Uchida Y, Hikida T, Yamashita Y
    • 学会等名
      SOBP Annual Meeting
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 精神疾患における栄養摂取の変調とその治療法:計算論的アプローチからの検討2021

    • 著者名/発表者名
      内田裕輝、疋田貴俊、山下祐一
    • 学会等名
      生物学的精神医学会2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] マウスの食塩嗜好性を記述するホメオスタシス強化学習理論の構築2021

    • 著者名/発表者名
      内田裕輝、疋田貴俊、山下祐一
    • 学会等名
      第6回食欲・食嗜好研究会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Simulating Atypical Development of Hierarchical and Probabilistic Representations2021

    • 著者名/発表者名
      Takafumi Soda, Ahmadreza Ahmadi, Jun Tani, Manabu Honda, Takashi Hanakawa, Yuichi Yamashita
    • 学会等名
      IEEE ICDL 2021 Workshop Spatio-temporal Aspects of Embodied Predictive Processing
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Simulating Acquisition of Hierarchical Probabilistic Representations: Implication for Neurodevelopmental Disorders2021

    • 著者名/発表者名
      Takafumi Soda, Ahmadreza Ahmadi, Jun Tani, Mikio Hoshino, Manabu Honda, Takashi Hanakawa, Yuichi Yamashita
    • 学会等名
      Society of Biological Psychiatry 2021 Annual Meeting
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] An account of sensory attenuation by free energy principle2021

    • 著者名/発表者名
      Hayato Idei, Wataru Ohata, Yuichi Yamashita, Tetsuya Ogata, Jun Tani
    • 学会等名
      IEEE ICDL 2021 Workshop Spatio-temporal Aspects of Embodied Predictive Processing
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 深深層学習を用いた MRI画像の施設間差補正2021

    • 著者名/発表者名
      清水正彬, 杉原玄一, 山口博行, 山下祐一, 高橋英彦
    • 学会等名
      第24回日本ヒト脳機能マッピング学会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 深層学習を用いた統合失調症脳画像の生成2021

    • 著者名/発表者名
      山口博行, 清水正彬, 杉原玄一, 菱本明豊, 本田学, 山下祐一
    • 学会等名
      第24回日本ヒト脳機能マッピング学会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 脳内領域間機能的結合性の変調が自閉症症状を出現させるメカニズムについての計算論的精神医学研究2021

    • 著者名/発表者名
      高橋雄太,村田真悟,富田博秋,山下 祐一
    • 学会等名
      第43回日本生物学的精神医学会年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 脳の計算理論を用いて運動主体感異常の病態メカニズムに迫る2020

    • 著者名/発表者名
      山下祐一
    • 学会等名
      第116回日本精神神経学会学術総会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Unusual paradoxical sensory reactivities induced by functional disconnection: An embodied predictive processing model of neurodevelopmental disorder2020

    • 著者名/発表者名
      Idei H, Murata S, *Yamashita Y, *Ogata T
    • 学会等名
      International Symposium on Artificial Intelligence and Brain Science
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Early stopping effects stochastic dynamics and flexible prediction in variational recurrent neural network model2020

    • 著者名/発表者名
      Soda T, Ahmadi A, Tani J, Hoshino M, Honda M, Hanakawa T, *Yamashita Y
    • 学会等名
      International Symposium on Artificial Intelligence and Brain Science
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Feature extraction for Schizophrenia brain image using Convolutional neural network2020

    • 著者名/発表者名
      Yamaguchi H, Hashimoto Y, Sugihara G, Miyata J, Murai T, Takahashi H, Honda M, *Yamashita Y
    • 学会等名
      International Symposium on Artificial Intelligence and Brain Science
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [図書] 発達障害の精神病理 Ⅱ2020

    • 著者名/発表者名
      内海 健、清水 光恵、鈴木 國文、青木 省三、兼本 浩祐、黒木 俊秀、萩原 徹也、平井 正三、山下 祐一
    • 総ページ数
      236
    • 出版者
      星和書店
    • ISBN
      9784791110438
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

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公開日: 2020-04-28   更新日: 2022-12-28  

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