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深層学習を用いた安静時機能的MRIからの汎用特徴量抽出

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 19H04998
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) 2019-04-01 – 2021-03-31
研究課題ステータス 完了 (2020年度)
配分額 *注記
8,970千円 (直接経費: 6,900千円、間接経費: 2,070千円)
2020年度: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円)
2019年度: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
キーワード計算論的精神医学 / 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

本研究は、安静時機能的磁気共鳴画像(rsfMRI) データを高解像度(voxel-based)・階層性・非線形性を伴いながら、深層ニューラルネットワーク(DNN)を用いて解析し、脳活動の個人特徴や認知的特性を反映しうる汎用特徴量抽出技術を開発することを目的とする。さらに、開発した汎用特徴量抽出技術を統合失調症、発達障害を含む精神疾患を対象として適用し、rsfMRIデータから患者個々人の診断・疾患予後・治療反応性予測などを総合的に評価する、精神疾患の評価法開発の基盤となる技術の確立を目指す。

研究実績の概要

本研究課題では、安静時機能的磁気共鳴画像(rsfMRI) データを高解像度(voxel-based)・階層性・非線形性を伴いながら、深層ニューラルネットワーク(DNN)を用いて解析する技術を用いて、(1)脳活動の個人特徴や認知的特性を反映しうる汎用特徴量抽出技術の開発を行い、(2)開発した汎用特徴量抽出技術を健常者から精神疾患を対象として適用し、rsfMRIデータから患者個々人の診断・疾患予後・治療反応性予測などを総合的に評価する、精神疾患の評価法開発を探索的に検討した。
申請者らがこれまで開発した高解像度(voxel-based)のrsfMRIデータをDNNで解析する技術を用いて、脳活動の個人特徴や認知的特性を反映しうる汎用特徴量抽出技術の開発を試みた。具体的には、CNNに、rsfMRIの各フレーム(一般的なrsfMRIは10-15分間の撮像時間に対して100-200フレームのMRI画像で構成される)のオリジナル画像(約15万次元)を入力し、出力として"入力画像が誰のものであるか"という個人識別をするよう学習を行った。結果として、学習では経験していない未知のサンプル被験者の脳活動(つまり複数のフレーム画像で構成されるrsfMRI画像)を、一人の個人に由来すると認識した上で、学習で経験した人の特徴の組み合わせとして表現できることが確認された。続いて、開発した個人識別CNNによって抽出した特徴量を用いて、精神疾患(統合失調症)の診断予測を行ったところ、従来の機能的結合解析に基づく特徴量と同等以上の有効性を持つことが確認できた。
本研究で開発した汎用特徴量抽出技術を、統合失調症以外の幅広い精神疾患を対象として適用することで、rsfMRIデータから患者個々人の診断・疾患予後・治療反応性予測などを総合的に評価する、精神疾患の評価法開発に役立つ可能性が期待される。

現在までの達成度 (段落)

令和2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

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 研究成果

    (45件)

すべて 2021 2020 2019 その他

すべて 雑誌論文 (15件) (うち国際共著 2件、 査読あり 11件、 オープンアクセス 14件) 学会発表 (26件) (うち国際学会 10件、 招待講演 10件) 図書 (3件) 備考 (1件)

  • [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
      2020 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

      PsyArXiv

      巻: pt4jb

    • DOI

      10.31234/osf.io/pt4jb

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 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 号: 1 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] ミニレビュー 不確実性の推定と自閉スペクトラム症-神経ロボティクス実験による症状シミュレーション2020

    • 著者名/発表者名
      出井 勇人、村田 真悟、尾形 哲也、山下 祐一
    • 雑誌名

      精神医学

      巻: 62 号: 2 ページ: 219-229

    • DOI

      10.11477/mf.1405206009

    • ISSN
      0488-1281, 1882-126X
    • 年月日
      2020-02-15
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [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] Three-dimensional convolutional autoencoder extracts features of structural brain images with a “diagnostic label-free” approach: Application to schizophrenia datasets2020

    • 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

      bioRxiv

      巻: 2020

    • DOI

      10.1101/2020.08.24.213447

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 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 Diagnosis2020

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

      bioRxiv

      巻: 2020

    • DOI

      10.1101/2020.08.22.260406

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 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
  • [雑誌論文] Retrospective surprise: A computational component for active inference2020

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

      Journal of Mathematical Psychology

      巻: 96 ページ: 102347-102347

    • DOI

      10.1016/j.jmp.2020.102347

    • NAID

      120006884953

    • 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 / 国際共著
  • [雑誌論文] Commentary: A robust data-driven approach identifies four personality types across four large data sets2020

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

      Frontiers in Big Data

      巻: 3 ページ: 8-8

    • DOI

      10.3389/fdata.2020.00008

    • 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] Revealing Relationships Among Cognitive Functions Using Functional Connectivity and a Large-Scale Meta-Analysis Database2020

    • 著者名/発表者名
      Kurashige Hiroki、Kaneko Jun、Yamashita Yuichi、Osu Rieko、Otaka Yohei、Hanakawa Takashi、Honda Manabu、Kawabata Hideaki
    • 雑誌名

      Frontiers in Human Neuroscience

      巻: 13 ページ: 457-457

    • DOI

      10.3389/fnhum.2019.00457

    • 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] A review on neural network models of schizophrenia and autism spectrum disorder2020

    • 著者名/発表者名
      Lanillos Pablo、Oliva Daniel、Philippsen Anja、Yamashita Yuichi、Nagai Yukie、Cheng Gordon
    • 雑誌名

      Neural Networks

      巻: 122 ページ: 338-363

    • DOI

      10.1016/j.neunet.2019.10.014

    • 関連する報告書
      2019 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] Exploration-related strategy mediates negative coupling between decision-making performance and psychiatric symptoms2019

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

      bioRxiv

      巻: 2019 ページ: 730614-730614

    • DOI

      10.1101/730614

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] Effective Augmentation of Creativity-Involving Productivity Consequent to Spontaneous Selectivity in Knowledge Acquisition2019

    • 著者名/発表者名
      Kurashige Hiroki、Yamashita Yuichi、Hanakawa Takashi、Honda Manabu
    • 雑誌名

      Frontiers in Psychology

      巻: 10 ページ: 600-600

    • DOI

      10.3389/fpsyg.2019.00600

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [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
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Computational psychiatry: understanding psychiatric and neurodevelopmental disorders using computational modeling2020

    • 著者名/発表者名
      Yuichi Yamashita
    • 学会等名
      The 3rd Kyutech International Workshop on Robotics and Innovation
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [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
      1.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] Resting-State Functional Connectome Analysis of Awake Common Marmoset with Functional MRI and Electrocorticographic2020

    • 著者名/発表者名
      1.Haga Y , Hata J, Kaneko T, Yamada T, Komaki Y, Seki F, Okano H, Okano JH, Yamamori T, Ichinohe N, Yamashita Y, Furukawa A, and Komatsu M
    • 学会等名
      International Society for Magnetic Resonance in Medicine
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Simulating altered inference of uncertainty in autism spectrum disorders using a variational recurrent neural network model2020

    • 著者名/発表者名
      2.Soda T, Ahmadi A, Tani J, Hoshino M, Honda M, Hanakawa T, Yamashita Y
    • 学会等名
      The winter workshop 2020 on Mechanism of brain and mind
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 予測符号化理論に基づくニューラルネットワークを用いた自閉スペクトラム症における表情認知特性に関する検討2020

    • 著者名/発表者名
      1.高橋雄太,村田真悟,出井勇人,富田博秋,山下祐一
    • 学会等名
      第42回日本生物学的精神医学会年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 規則の推論過程における予測の確信度と汎化性能との関連2019

    • 著者名/発表者名
      宗田卓史, Ahmadreza Ahmadi, 谷淳, 星野幹雄, 本田学, 花川隆, 山下祐一
    • 学会等名
      日本発達神経科学学会第8回学術集会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 神経興奮性の変調による過学習と行動切り替えの困難さ-RNNとロボットを用いた発達障害の知見の橋渡し-2019

    • 著者名/発表者名
      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8回学術集会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] クラウドソーシングによる目標指向描画タスクと多尺度発達障害 ・精神障害精神疾患傾向の大規模データ収集2019

    • 著者名/発表者名
      村田真悟,柳田耀,片平健太郎,鈴木真介,尾形哲也,山下祐一
    • 学会等名
      日本発達神経科学学会第8回学術集会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Extracting features from structural brain image using convolutional autoencoder2019

    • 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
      第3回ヒト脳イメージング研究会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Exploratory network analyses for relationships among cognitive functions using fMRI meta-analysis database2019

    • 著者名/発表者名
      倉重宏樹, 金子順, 山下祐一, 大須理英子, 大高洋平, 花川隆, 本田学, 川畑秀明
    • 学会等名
      第3回ヒト脳イメージング研究会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Revealing relationships among cognitive functions based on functional connectivity and large-scale meta-analysis database2019

    • 著者名/発表者名
      Kurashige H, Yamashita Y, Osu R, Otaka Y, Hanakawa T, Honda M, Kawabata H
    • 学会等名
      第42回日本神経科学学会全国大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 人とRecurrent Neural Network の描画インタラクション実験 Web 実験による大規模学習用データ収集とその解析2019

    • 著者名/発表者名
      柳田耀, 村田真悟, 片平健太郎, 鈴木真介, 尾形哲也, 山下祐一
    • 学会等名
      第33回人工知能学会全国大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Large-scale Data Collection for Goal-directed Drawing Task with Self-report Psychiatric Symptom Questionnaires via Crowdsourcing2019

    • 著者名/発表者名
      Murata S, Yanagida H, Katahira K, Suzuki S, Ogata T, and Yamashita Y
    • 学会等名
      2019 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Resting state networks on electrocorticograms reveal global and local cortical functional structures2019

    • 著者名/発表者名
      Komatsu M, Yamada T, Kaneko T, Okano H, Yamamori T, Ichinohe N, Yamashita Y
    • 学会等名
      49h Annual Meeting of Society for Neuroscience
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Revealing hierarchical relationships among cognitive functions as a concept lattice using formal concept analysis2019

    • 著者名/発表者名
      Kurashige H, Yamashita Y, Osu R, Otaka Y, Hanakawa T, Honda M, Kawabata H
    • 学会等名
      49h Annual Meeting of Society for Neuroscience
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Analysis of Imitative Interactions between Typically Developed or Autistic Participants and a Robot with a Recurrent Neural Network2019

    • 著者名/発表者名
      Murata S, Hiranoz K, Higashiz N, Kumagaya S, Yamashita Y, and Ogata T
    • 学会等名
      The 9th joint IEEE International Conference on Development and Learning (ICDL) and the International Conference on Epigenetic Robotics (EpiRob)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Extracting feature from structural brain image using convolutional auto-encoder2019

    • 著者名/発表者名
      Yamaguchi H, Hashimoto Y, Honda M, Yamashita Y
    • 学会等名
      2019 OHBM annual meeting
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] New approach for analysis of resting-state functional MRI: Convolutional auto-encoder2019

    • 著者名/発表者名
      Hashimoto Y, Ogata Y, Aizawa K, Yamashita Y
    • 学会等名
      2019 OHBM annual meeting
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 脳の計算理論を用いて精神疾患の病態に迫る:神経ロボティクス的アプローチ2019

    • 著者名/発表者名
      山下祐一
    • 学会等名
      「次世代脳」冬のシンポジウム
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 計算論的精神医学:脳の計算モデルに基づく精神障害の病態理解2019

    • 著者名/発表者名
      山下祐一
    • 学会等名
      第24回情動・社会行動と精神医学研究会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 階層的予測情報処理プロセスの失調としての精神障害:神経ロボティクス的アプローチ2019

    • 著者名/発表者名
      山下祐一
    • 学会等名
      生理研研究会「力学系の視点からの脳・神経回路の理解」
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 計算論的精神医学:脳の計算モデルを用いて精神疾患の病態に迫る2019

    • 著者名/発表者名
      山下祐一
    • 学会等名
      蛋白研セミナー:精神疾患の分子・回路病態研究の最前線蛋白研セミナー:精神疾患の分子・回路病態研究の最前線
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 計算論的精神医学:脳の計算理論による精神障害の病態理解2019

    • 著者名/発表者名
      山下祐一
    • 学会等名
      第10回 脳型人工知能とその応用ミニワークショップ
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 計算論的精神医学に基づく精神障害の病態理解2019

    • 著者名/発表者名
      山下祐一
    • 学会等名
      日本オミックス医学会シンポジウム
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 予測符号化理論に基づく統合失調症の病態理解:精神病理学と神経科学の橋渡しとしての計算論的精神医学2019

    • 著者名/発表者名
      山下祐一
    • 学会等名
      第115回日本精神神経学会学術総会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Computational psychiatry: understanding neuropsychiatric disorders using computational modeling2019

    • 著者名/発表者名
      Yamashita Y
    • 学会等名
      2019 Annual Meeting of Korea NeuroPsychiatric Association (KNPA)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [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
  • [図書] 精神医学の科学的基盤2020

    • 著者名/発表者名
      加藤忠史
    • 総ページ数
      192
    • 出版者
      学樹書院
    • ISBN
      4906502539
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [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
      432625131X
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [備考] CPSYMAP database

    • URL

      https://ncnp-cpsy-rmap.web.app/

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

URL: 

公開日: 2019-04-18   更新日: 2021-12-27  

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