マルチタスク深層学習を用いた脳MRI解析技術の精神・神経疾患への応用

• 研究課題/領域番号: 21K07593
• 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52040:放射線科学関連
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 大石 直也 京都大学, 医学研究科, 准教授 (40526878)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2022年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2021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 / MRI / 脳 / 精神神経疾患 / マルチタスク / セグメンテーション / クラス分類 / 精神・神経疾患 / 精神疾患 / 神経疾患

研究開始時の研究の概要

脳MRIは精神・神経疾患の臨床・研究に大きく寄与しており、その応用例として、関心領域同定、疾患の診断などがある。熟練者はこれらの問題を同時かつ相補的に遂行することで精度向上を果たすと考えられるが、従来の機械学習では実現が困難であった。申請者は、2つの問題を同時かつ相補的に学習することで精度向上を図るマルチタスク深層学習の手法を開発・報告した。本研究では、この手法を多種・多次元にわたる脳MRIに発展させるとともに診断等の判断根拠を関心領域同定により向上させる手法開発を行う。さらにこれらを健常者および精神・神経疾患患者の脳MRIに応用し、その有用性を明らかにする。

研究成果の概要

脳画像研究におけるセグメンテーションとクラス分類の精度をさらに向上させるため、申請者は脳MRIに対する多岐に渡るマルチタスク深層学習アルゴリズムを開発した。精神・神経疾患において重要であることが示唆されているが微細なため従来の技術では同定困難であった微小脳構造の正確な同定のみならず、外傷性脳損傷や脳腫瘍患者において複数シーケンスのMRIデータを用いることで病巣のより正確な同定が可能となることを示した。このように、今回開発したマルチタスク深層学習アルゴリズムの有用性を明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

柔軟性・拡張性の高いマルチタスク深層学習アルゴリズムを新規に開発し、健常者における微小脳領域の正確な同定や精神・神経疾患における病巣の正確な同定などに成功した点は学術的意義が高いと考えられる。また、本手法はMRIに限定される技術ではなく、様々な波形（１次元）、画像（2～3次元）、動画（3～4次元）研究において応用可能であり、多岐にわたる臨床応用可能性があるという観点で社会的意義も高いと考えられる。

研究成果

• [雑誌論文] Discrete prefrontal neuronal circuits determine repeated stress-induced behavioral phenotypes in male mice (2024)
  • 著者名/発表者名: Li Haiyan、Kawatake-Kuno Ayako、Inaba Hiromichi、Miyake Yuka、Itoh Yukihiro、Ueki Takatoshi、Oishi Naoya、Murai Toshiya、Suzuki Takayoshi、Uchida Shusaku
  • 雑誌名: Neuron 巻: 112 号: 5 ページ: 00934-0
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2023.12.004
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Sustained antidepressant effects of ketamine metabolite involve GABAergic inhibition-mediated molecular dynamics in aPVT glutamatergic neurons (2024)
  • 著者名/発表者名: Kawatake-Kuno Ayako、Li Haiyan、Inaba Hiromichi、Hikosaka Momoka、Ishimori Erina、Ueki Takatoshi、Garkun Yury、Morishita Hirofumi、Narumiya Shuh、Oishi Naoya、Ohtsuki Gen、Murai Toshiya、Uchida Shusaku
  • 雑誌名: Neuron 巻: Feb 19 号: 8 ページ: 00049-7
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2024.01.023
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Validation of Wistar-Kyoto rats kept in solitary housing as an animal model for depression using voxel-based morphometry (2024)
  • 著者名/発表者名: Yoshii Takanobu、Oishi Naoya、Sotozono Yasutaka、Watanabe Anri、Sakai Yuki、Yamada Shunji、Matsuda Ken-Ichi、Kido Masamitsu、Ikoma Kazuya、Tanaka Masaki、Narumoto Jin
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 14 号: 1 ページ: 3601-3601
  • DOI: 10.1038/s41598-024-53103-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Segmentation and volume estimation of habenula using deep-learning in patients with depression (2024)
  • 著者名/発表者名: Kyuragi Yusuke、Oishi Naoya、Hatakoshi Momoko、Hirano Jinichi、Noda Takamasa、Yoshihara Yujiro、Ito Yuri、Igarashi Hiroyuki、Miyata Jun、Takahashi Kento、Kamiya Kei、Matsumoto Junya、Okada Tomohisa、Fushimi Yasutaka、Nakagome Kazuyuki、Mimura Masaru、Murai Toshiya、Suwa Taro
  • 雑誌名: Biological Psychiatry Global Open Science 巻: - 号: 4 ページ: 100314-100314
  • DOI: 10.1016/j.bpsgos.2024.100314
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] GPCR-mediated calcium and cAMP signaling determines psychosocial stress susceptibility and resiliency (2023)
  • 著者名/発表者名: Inaba Hiromichi、Li Haiyan、Kawatake-Kuno Ayako、Dewa Ken-ichi、Nagai Jun、Oishi Naoya、Murai Toshiya、Uchida Shusaku
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 9(14) 号: 14
  • DOI: 10.1126/sciadv.ade5397
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Correlation between trait emotional intelligence and prefrontal activation during a verbal fluency task: A functional near-infrared spectroscopy study (2023)
  • 著者名/発表者名: Fukumoto T, Amitani H, Wada M, Oishi N, *Asakawa A
  • 雑誌名: Medicine 巻: 102 号: 29 ページ: e34418-e34418
  • DOI: 10.1097/md.0000000000034418
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Voxel‐based clustered imaging by multiparameter diffusion tensor images for predicting the grade and proliferative activity of meningioma (2023)
  • 著者名/発表者名: Takahashi Yuki、Oishi Naoya、Yamao Yukihiro、Kunieda Takeharu、Kikuchi Takayuki、Fukuyama Hidenao、Miyamoto Susumu、Arakawa Yoshiki
  • 雑誌名: Brain and Behavior 巻: 13 号: 10
  • DOI: 10.1002/brb3.3201
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Efficacy and safety of cilostazol in mild cognitive impairment: a randomized clinical trial (2023)
  • 著者名/発表者名: Saito S, Oishi N, et al (他35名、25番目）
  • 雑誌名: JAMA Network Open 巻: 6 号: 12 ページ: e2344938-e2344938
  • DOI: 10.1001/jamanetworkopen.2023.44938
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Differences between subclinical attention-deficit/hyperactivity and autistic traits in default mode, salience, and frontoparietal network connectivities in young adult Japanese (2023)
  • 著者名/発表者名: Hirata Risa、Yoshimura Sayaka、Kobayashi Key、Aki Morio、Shibata Mami、Ueno Tsukasa、Miyagi Takashi、Oishi Naoya、Murai Toshiya、Fujiwara Hironobu
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 13 号: 1 ページ: 19724-19724
  • DOI: 10.1038/s41598-023-47034-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Disorganization of semantic brain networks in schizophrenia revealed by fMRI. (2023)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Y, Nishida S, Hayashi R, Son S, Murakami A, Yoshikawa N, Ito H, Oishi N, Masuda N, Murai T, Friston K, Nishimoto S, *Takahashi H.
  • 雑誌名: Schizophrenia Bulletin. 巻: 49 号: 2 ページ: 498-506
  • DOI: 10.1093/schbul/sbac157
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A model for estimating the brainstem volume in normal healthy individuals and its application to diffuse axonal injury patients. (2023)
  • 著者名/発表者名: *Fujimoto G, Ubukata S, Sugihara G, Oishi N, Aso T, Murai T, Ueda K.
  • 雑誌名: Scientific Reports. 巻: 13 号: 1 ページ: 33-33
  • DOI: 10.1038/s41598-022-27202-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Information flow and dynamic functional connectivity during electroconvulsive therapy in patients with depression. (2023)
  • 著者名/発表者名: Kyuragi Y, *Oishi N, Yamasaki S, Hazama M, Miyata J, Shibata M, Fujiwara H, Fushimi Y, Murai T, Suwa T.
  • 雑誌名: J Affect Disord. 巻: 328 ページ: 141-152
  • DOI: 10.1016/j.jad.2023.02.060
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A pictorial review of structural neuroimaging at 7T. (2022)
  • 著者名/発表者名: *Okada T, Fujimoto K, Fushimi Y, Akasaka T, Thuy DHD, Shima A, Sawamoto N, Oishi N, Zhang Z, Funaki T, Nakamoto Y, Murai T, Miyamoto S, Takahashi R, Isa T.
  • 雑誌名: Quantitative Imaging in Medicine and Surgery 巻: 12 号: 6 ページ: 3406-3435
  • DOI: 10.21037/qims-21-969
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Altered white matter microstructure and neurocognitive function of HIV-infected patients with low nadir CD4. (2022)
  • 著者名/発表者名: *Yoshihara Y, Kato T, Watanabe D, Fukumoto M, Wada K, Oishi N, Nakakura T, Kuriyama K, Shirasaka T, Murai T.
  • 雑誌名: J Neurovirol. 巻: 28 号: 3 ページ: 355-366
  • DOI: 10.1007/s13365-022-01053-8
  • 査読あり
• [雑誌論文] Combining multiple indices of diffusion tensor imaging can better differentiate patients with traumatic brain injury from healthy subjects. (2022)
  • 著者名/発表者名: *Abdelrahman H, Ubukata S, Ueda K, Fujimoto G, Oishi N, Aso T, Murai T.
  • 雑誌名: Neuropsychiatr Dis Treat. 巻: 18 ページ: 1801-1814
  • DOI: 10.2147/ndt.s354265
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effects of a new speech support application on intensive speech therapy and changes in functional brain connectivity in patients with poststroke aphasia. (2022)
  • 著者名/発表者名: Katsuno, Y., Ueki, Y., Ito, K., Murakami, S., Aoyama, K., Oishi, N., ... & Tatsumi, H. Effects of a new speech support application on intensive speech therapy and changes in functional brain connectivity in patients with poststroke aphasia. Frontiers in Human Neuroscience, 654.
  • 雑誌名: Frontiers in Human Neuroscience 巻: 16 ページ: 870733-870733
  • DOI: 10.3389/fnhum.2022.870733
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Altered resting state network in adolescents with problematic internet use. (2022)
  • 著者名/発表者名: Siste K, *Pandelaki J, Miyata J, Oishi N, Tsurumi K, Fujiwara H, Murai T, Nasrun MW, Wiguna T, Bardosono S, Sekartini R, Sarasvita R, Murtani BJ, Sen LT, Firdaus KK.
  • 雑誌名: J. Clin. Med. 巻: 11 号: 19 ページ: 5838-5838
  • DOI: 10.3390/jcm11195838
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Predicting cerebral infarction in patients with atrial fibrillation using machine learning: The Fushimi AF Registry. (2022)
  • 著者名/発表者名: Nishi H, *Oishi N, Ogawa H,Natsue K, Doi K, Kawakami O, Aoki T, Fukuda S, Akao M, Tsukahara T, on behalf of the Fushimi AF Registry investigators.
  • 雑誌名: J Cereb Blood Flow Metab. 巻: 42 号: 5 ページ: 746-756
  • DOI: 10.1177/0271678x211063802
  • 査読あり
• [雑誌論文] Machine learning trained with quantitative susceptibility mapping to detect mild cognitive impairment in Parkinson's disease (2022)
  • 著者名/発表者名: Shibata Haruto、Uchida Yuto、Inui Shohei、Kan Hirohito、Sakurai Keita、Oishi Naoya、Ueki Yoshino、Oishi Kenichi、Matsukawa Noriyuki
  • 雑誌名: Parkinsonism and Related Disorders 巻: 94 ページ: 104-110
  • DOI: 10.1016/j.parkreldis.2021.12.004
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Life habits and mental health: behavioural addiction, health benefits of daily habits, and the reward system. (2022)
  • 著者名/発表者名: *Fujiwara H, Tsurumi K, Shibata M, Kobayashi K, Miyagi T, Ueno T, Oishi N, Murai T.
  • 雑誌名: Front. Psychiatry. 巻: 27 ページ: 813507-813507
  • DOI: 10.3389/fpsyt.2022.813507
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Extracting Apathy From Depression Syndrome in Traumatic Brain Injury Using a Clustering Method (2021)
  • 著者名/発表者名: Ubukata Shiho、Ueda Keita、Fujimoto Gaku、Ueno Senkei、Murai Toshiya、Oishi Naoya
  • 雑誌名: The Journal of Neuropsychiatry and Clinical Neurosciences 巻: e-collection 号: 2 ページ: 19-19
  • DOI: 10.1176/appi.neuropsych.21020046
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 微小脳構造を核とした安静時機能結合MRI (2024)
  • 著者名/発表者名: 大石 直也
  • 学会等名: 第26回日本ヒト脳機能マッピング学会
  • 招待講演
• [学会発表] ハイパースペクトルイメージングの脳領域への応用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 大石 直也
  • 学会等名: 第25回日本ヒト脳機能マッピング学会
  • 招待講演
• [学会発表] Denoising in non-invasive medical imaging (2022)
  • 著者名/発表者名: Naoya Oishi
  • 学会等名: Practical inverse problems and their prospects
  • 国際学会 / 招待講演