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深層学習を用いた精神疾患の計算論的検査・評価法の開発

公募研究

研究領域人工知能と脳科学の対照と融合
研究課題/領域番号 17H06039
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)

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2019-03-31
研究課題ステータス 完了 (2018年度)
配分額 *注記
6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
2018年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)
2017年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
キーワード深層学習 / ニューラルネットワーク / 精神疾患 / 脳機能計測 / 人工知能 / 安静時機能的磁気共鳴画像 / 精神障害 / 次元的アプローチ / 神経回路モデル / 計算論的精神医学 / 機械学習 / ニューラル・ネットワーク
研究実績の概要

本研究課題では、voxel-basedの高次元安静時機能的MRI(rsfMRI)データを深層ニューラルネットワーク(DNN)で解析する技術の開発を行った。具体的には、畳み込みネットワーク自己符号化器(CNN-AE)を用いることで、rsfMRIに含まれる階層性と非線形性を伴いながら、超高次元3D画像を0.67%の次元数(15万次元から約1000次元)まで圧縮し、高い精度で再構成することに成功した。3次元脳画像の時系列データをAEにより再構成することは、非常にチャレンジングな課題であり、通常の自然画像向けのCNNとは異なる、脳画像に特化したネットワークのアーキテクチャ構築によりこれを実現した。開発したCNN-AEは、テストデータに対しても十分小さいエラーで再構成が可能であり、汎化性能があることが示された。異なる被験者間の差異、および同一被験者の時間的変化をともに再構成が可能であることも確認できた。抽出した各特徴量がどのような脳活動に対応するのかを示す感度マップ分析によれば、CNN-AEがrsfMRIに含まれる非線形性の特徴を取り込んで表現していることが確認された。再構成の精度は、主成分分析:PCA(あるいは独立成分分析: ICA)を用いた一般的な方法と比較して、同等以上の汎化性能を示し、圧倒的に少ないパラメータで実現可能なことが明らかになった(CNN-AE << PCA)。DNNを用いたvoxel-basedの高次元rsfMRIの再構成は、これまで報告のない世界初の成果である。この成果は、日本神経回路学会で発表し学会奨励賞を受賞した。
同時に、当研究課題では、開発手法により抽出した特徴量を用いて精神疾患の評価に適用するために、従来の精神疾患カテゴリーにとらわれない非特異的な生物学的基盤の検討を重視する次元的アプローチを用いることを目指した。この過程で、精神疾患に対する次元的アプローチの有効性についての検討と定量的な評価手法の開発を行い、その成果を原著論文、および総説論文として発表した。

現在までの達成度 (段落)

平成30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

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2018 実績報告書
  • 2017 実績報告書
  • 研究成果

    (17件)

すべて 2019 2018 2017

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 3件、 招待講演 4件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] Predicting anxiety state using smartphone-based passive sensing2019

    • 著者名/発表者名
      Fukazawa Yusuke、Ito Taku、Okimura Tsukasa、Yamashita Yuichi、Maeda Takaki、Ota Jun
    • 雑誌名

      Journal of Biomedical Informatics

      巻: 93 ページ: 103151-103151

    • DOI

      10.1016/j.jbi.2019.103151

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] ミニレビュー 計算論的アプローチによる精神医学の研究方略および疾病分類の評価2018

    • 著者名/発表者名
      片平 健太郎、山下 祐一
    • 雑誌名

      精神医学

      巻: 60 号: 11 ページ: 1297-1309

    • DOI

      10.11477/mf.1405205723

    • ISSN
      0488-1281, 1882-126X
    • 年月日
      2018-11-15
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] A Neurorobotics Simulation of Autistic Behavior Induced by Unusual Sensory Precision2018

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

      Computational Psychiatry

      巻: 2 号: 0 ページ: 164-182

    • DOI

      10.1162/cpsy_a_00019

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A Theoretical Framework for Evaluating Psychiatric Research Strategies2017

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

      Computational Psychiatry

      巻: 1 号: 0 ページ: 184-207

    • DOI

      10.1162/cpsy_a_00008

    • 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
  • [学会発表] 脳の計算理論に基づく発達障害の病態理解の試み2019

    • 著者名/発表者名
      山下祐一
    • 学会等名
      第2回「発達障害の精神病理」ワークショップ
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 計算論的精神医学:脳の数理モデルを用いて精神疾患の病態に迫る2018

    • 著者名/発表者名
      山下祐一
    • 学会等名
      第40回日本生物学的精神医学会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Reinforcement learning is impaired with obsessive-compulsive and schizotypal traits2018

    • 著者名/発表者名
      Suzuki S, Katahira K, Yamashita Y
    • 学会等名
      48th Annual Meeting of Society for Neuroscience
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Aberrant sense of agency induced by delayed prediction signal in schizophrenia: a computational modeling study2018

    • 著者名/発表者名
      Yamashita Y, Okimura T, Maeda T
    • 学会等名
      International Consortium on Hallucination Research (ICHR) 2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Altered self-nonself discrimination simulated on humanoid robot with a hierarchical neural network model2018

    • 著者名/発表者名
      Idei H, Murata S, Yamashita Y, Ogata T
    • 学会等名
      International Consortium on Hallucination Research (ICHR) 2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 神経結合断裂 がもたらす感覚不確実性の推定異常―再帰型神経回路モデルを用いた精神疾患モデリング―2018

    • 著者名/発表者名
      宗近亮弥,出井勇人,村田真悟,山下祐一,尾形哲也
    • 学会等名
      日本発達神経科学学会第7回学術集会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Hierarchical Gaussian Filterを用いた時間順序判断シミュレーション実験2018

    • 著者名/発表者名
      鈴木 香寿恵,山下 祐一
    • 学会等名
      日本発達神経科学学会第7回学術集会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 脳の計算理論に基づく自閉スペクトラム症の病態メカニズム仮説2018

    • 著者名/発表者名
      山下 祐一
    • 学会等名
      日本精神病理学会第41回大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Convolutional Auto-encoder for Resting-state Functional MRI2018

    • 著者名/発表者名
      Yuki Hashimoto, Yuichi Yamashita
    • 学会等名
      日本神経回路学会 第28回全国大会(JNNS2018)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 山下 祐一、片平 健太郎2017

    • 著者名/発表者名
      研究領域基準(RDoC)は有効か? 計算モデルによる精神医学研究ストラテジー評価方法の提案
    • 学会等名
      第113回日本精神神経学会学術総会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 脳の計算理論と先端情報技術に基づく感性的知覚・認知体験の共有2017

    • 著者名/発表者名
      山下祐一
    • 学会等名
      日本感性工学会大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 認知(障害)原理を検証する神経回路モデルの開発と評価2017

    • 著者名/発表者名
      山下祐一
    • 学会等名
      日本発達神経科学学会第6回学術集会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 招待講演
  • [図書] 計算論的精神医学2019

    • 著者名/発表者名
      国里 愛彦、片平 健太郎、沖村 宰、山下 祐一
    • 総ページ数
      328
    • 出版者
      勁草書房
    • ISBN
      9784326251315
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書

URL: 

公開日: 2017-04-28   更新日: 2019-12-27  

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