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制限ボルツマン・マシンによる多細胞スパース信号の検出

公募研究

研究領域スパースモデリングの深化と高次元データ駆動科学の創成
研究課題/領域番号 16H01539
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 複合領域
研究機関東京工業大学

研究代表者

青西 亨  東京工業大学, 情報理工学院, 准教授 (00333352)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2018-03-31
研究課題ステータス 完了 (2017年度)
配分額 *注記
4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
2017年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
2016年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
キーワード自動細胞検出 / 制限ボルツマン・マシン / カルシウムイメージング / 二光子顕微鏡 / 生体生命情報学 / 画像 / 共焦点顕微鏡 / 機械学習 / 計測工学
研究実績の概要

神経科学の分野において、カルシウムイメージングは多細胞の活動を同時記録する重要な手法の一つである。近年、二光子顕微鏡などの計測装置の急激な発展により、広視野から数十万個の細胞活動を計測することが可能となった。このような計測装置の急速な進歩により、我々は巨大なデータをいかに解析するかという問題に直面するようになった。
近年、このような大規模カルシウムイメージングデータから、機械学習の方法を用いて細胞活動を自動検出する試みがある。近年発表された、静的な形態情報でなく、動的な情報から細胞検出を行う手法は、その多くが非負値行列因子分解(Non-negative matrix factorization(NMF))に基づいている。NMFでは、イメージングデータの全フレームをメモリ上に同時に展開しなければならないため、数値計算に大量のメモリが必要である。これがNMFの最大の問題であり、大規模なデータを取り扱う際の制約となる。
我々は制限ボルツマン・マシン(Restricted Boltzmann Machine, RBM)による細胞検出手法の開発を行った。非負値行列因子分解で取り扱っていた細胞検出問題を非負型のRBMで再定式化した。フレーム毎に学習が行えるため、上記のメモリの問題が解決できる。RBM に非負性の制約を入れることにより、細胞検出器として動作した。また、より性能を向上させるため、我々はスプレッド関数を導入した。これにより空間的に局所的な情報のみを取り扱うことになるため、データの大規模化による検出性能の低下を防ぐことができる。本手法のGPU への実装を行い、in-vivo 二光子顕微鏡データを用いて本手法の性能を評価した。CNMF(neuron 2016)とSuite2P(bioRxiv 2016)と比べて、非負型のRBMは高い細胞検出性能を有することが確認できた。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2017 実績報告書
  • 2016 実績報告書
  • 研究成果

    (26件)

すべて 2018 2017 2016 その他

すべて 雑誌論文 (13件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (10件) 備考 (2件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] White noise analysis for the correlation-type elementary motion detectors with half-wave rectifiers2018

    • 著者名/発表者名
      Ikeda Hideaki、Aonishi Toru
    • 雑誌名

      Neural Networks

      巻: 102 ページ: 96-106

    • DOI

      10.1016/j.neunet.2018.02.014

    • NAID

      40021100916

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] コヒーレント・イジングマシーンの統計力学~ CDMAマルチユーザー復号器の場合 ~2018

    • 著者名/発表者名
      青西亨、三村和史、岡田真人、山本喜久
    • 雑誌名

      電子情報通信学会技術研究報告

      巻: 117 ページ: 21-26

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [雑誌論文] コヒーレント・イジングマシーンの統計力学 ~ 離散シナプスを持つHopfieldモデルの解析 ~2018

    • 著者名/発表者名
      中川瞬希、青西亨、三村和史、岡田真人、山本喜久
    • 雑誌名

      電子情報通信学会技術研究報告

      巻: 117 ページ: 15-20

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [雑誌論文] コヒーレント・イジングマシーンの統計力学 ~ 無限ローディングHopfieldモデルの場合 ~2018

    • 著者名/発表者名
      青西亨、三村和史、岡田真人、山本喜久
    • 雑誌名

      電子情報通信学会技術研究報告

      巻: 117 ページ: 9-14

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [雑誌論文] 制限ボルツマンマシンによる多細胞信号の検出2018

    • 著者名/発表者名
      斎藤佑馬、伊東翼、太田桂輔、村山正宣、青西亨
    • 雑誌名

      電子情報通信学会技術研究報告

      巻: 117 ページ: 3-8

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [雑誌論文] Statistical Mechanics of Coherent Ising Machine - The Case of Ferromagnetic and Finite-Loading Hopfield Models -2017

    • 著者名/発表者名
      Toru Aonishi, Kazushi Mimura, Shoko Utsunomiya, Masato Okada, and Yoshihisa Yamamoto
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 86 号: 10 ページ: 104002-104002

    • DOI

      10.7566/jpsj.86.104002

    • NAID

      40021340771

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 効用の予測誤差を考慮した合理的な意思決定 ~ 判別閾値の最適化モデル ~2017

    • 著者名/発表者名
      勝又雄基、青西亨
    • 雑誌名

      電子情報通信学会技術研究報告

      巻: 117 ページ: 37-42

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [雑誌論文] ハエ動き検知細胞が構成する両側ネットワークの安定性解析2017

    • 著者名/発表者名
      森田大樹、中本竣、森本高子、青西亨
    • 雑誌名

      電子情報通信学会技術研究報告

      巻: 117 ページ: 109-114

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [雑誌論文] 非負値行列因子分解を用いてカルシウムイメージデータから細胞を自動検出する2017

    • 著者名/発表者名
      青西亨, 丸山隆一, 宮川博義
    • 雑誌名

      生物物理

      巻: 57 号: 1 ページ: 036-039

    • DOI

      10.2142/biophys.57.036

    • NAID

      130005296499

    • ISSN
      0582-4052, 1347-4219
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] コヒーレント・イジングマシーンの統計力学--強磁性モデルと有限ローディングHopfieldモデルの場合--2017

    • 著者名/発表者名
      青西亨, 三村和史, 宇都宮聖子, 岡田真人, 山本喜久
    • 雑誌名

      電子情報通信学会技術研究報告

      巻: 116 ページ: 13-18

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [雑誌論文] 半波整流器を持つEMDモデルの白色ノイズ解析2017

    • 著者名/発表者名
      池田英彬, 青西亨
    • 雑誌名

      電子情報通信学会技術研究報告

      巻: 116 ページ: 19-24

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [雑誌論文] ラット海馬CA1錐体細胞は低周波(1 - 4 Hz)交流電場に膜電位応答の選好性を示す2017

    • 著者名/発表者名
      印南賢弥, 井上雅司, 宮川博義, 青西亨
    • 雑誌名

      電子情報通信学会技術研究報告

      巻: 116 ページ: 137-142

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [雑誌論文] Model selection of early vision system of Drosophila melanogaster2016

    • 著者名/発表者名
      Ikeda, H., Suzuki, Y., Morimoto, T., Aonishi, T
    • 雑誌名

      IPSJ Transactions on Mathematical Modeling and Its Applications.

      巻: 9 ページ: 24-31

    • NAID

      40020907045

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] コヒーレント・イジングマシーンの統計力学~ CDMAマルチユーザー復号器の場合 ~2018

    • 著者名/発表者名
      青西亨、三村和史、岡田真人、山本喜久
    • 学会等名
      電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] コヒーレント・イジングマシーンの統計力学 ~ 離散シナプスを持つHopfieldモデルの解析 ~2018

    • 著者名/発表者名
      中川瞬希、青西亨、三村和史、岡田真人、山本喜久
    • 学会等名
      電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] コヒーレント・イジングマシーンの統計力学 ~ 無限ローディングHopfieldモデルの場合 ~2018

    • 著者名/発表者名
      青西亨、三村和史、岡田真人、山本喜久
    • 学会等名
      電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 制限ボルツマンマシンによる多細胞信号の検出2018

    • 著者名/発表者名
      斎藤佑馬、伊東翼、太田桂輔、村山正宣、青西亨
    • 学会等名
      電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] ラット海馬CA1錐体細胞は低周波(1 - 4 Hz)交流電場に膜電位応答の選好性を示す2017

    • 著者名/発表者名
      印南賢弥, 井上雅司, 宮川博義, 青西亨
    • 学会等名
      電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会
    • 発表場所
      機械振興会館
    • 年月日
      2017-03-13
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] コヒーレント・イジングマシーンの統計力学--強磁性モデルと有限ローディングHopfieldモデルの場合--2017

    • 著者名/発表者名
      青西亨, 三村和史, 宇都宮聖子, 岡田真人, 山本喜久
    • 学会等名
      電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会
    • 発表場所
      北九州学術研究都市 産学連携センター
    • 年月日
      2017-01-26
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] 半波整流器を持つEMDモデルの白色ノイズ解析2017

    • 著者名/発表者名
      池田英彬, 青西亨
    • 学会等名
      電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会
    • 発表場所
      北九州学術研究都市 産学連携センター
    • 年月日
      2017-01-26
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] 効用の予測誤差を考慮した合理的な意思決定 ~ 判別閾値の最適化モデル ~2017

    • 著者名/発表者名
      勝又雄基、青西亨
    • 学会等名
      電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] ハエ動き検知細胞が構成する両側ネットワークの安定性解析2017

    • 著者名/発表者名
      森田大樹、中本竣、森本高子、青西亨
    • 学会等名
      電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] ショウジョウバエの初期視覚系モデルの比較研究2016

    • 著者名/発表者名
      池田英彬, 鈴木力憲, 森本高子, 青西 亨
    • 学会等名
      情報処理学会第108回数理モデル化と問題解決(MPS)研究会
    • 発表場所
      沖縄科学技術大学院大学
    • 年月日
      2016-07-04
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [備考] T2R2 青西亨 研究者情報

    • URL

      http://t2r2.star.titech.ac.jp/cgi-bin/researcherinfo.cgi?q_researcher_content_number=CTT100381316

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [備考] T2R2東京工業大学リサーチリポジトリ

    • URL

      http://t2r2.star.titech.ac.jp/cgi-bin/researcherinfo.cgi?q_researcher_content_number=CTT100381316

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [産業財産権] 質量分析計、質量分析計の信号処理方法及びプログラム2017

    • 発明者名
      青西亨、木村純一、桑谷立、平田岳史
    • 権利者名
      青西亨、木村純一、桑谷立、平田岳史
    • 産業財産権種類
      特許
    • 出願年月日
      2017
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書

URL: 

公開日: 2016-04-26   更新日: 2018-12-17  

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