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スパースモデリングによる大規模カルシウムイメージングデータの解析手法の確立

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 26120512
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, 総合理工学研究科(研究院), 准教授 (00333352)

研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2016-03-31
研究課題ステータス 完了 (2015年度)
配分額 *注記
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2015年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
2014年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
キーワードGamma-Poissonモデル / 非負値行列因子分解 / カルシウムイメージング / 自動細胞検出 / 階層ベイズモデル / 変文ベイズ / 2光子顕微鏡 / フルベイズ推定 / スパース / ベイズ統計 / モデル選択 / 独立成分分析 / 樹状突起 / 細胞自動検出
研究実績の概要

申請者は、非負値行列因子分解の階層ベイズモデルであるGamma-Poisson (GaP) モデルを改良し、細胞検出問題に適用した。変分ベイズの枠組みにより、フルベイズ推定を近似的に実現する実用的計算量のアルゴリズムを構成した。
まず、確率的に独立な蛍光量変化を示す256個の細胞からなる人工データを用いて、提案手法とMukamelらのICAとの性能比較を行った。ICAと比べて提案手法が高い精度で細胞の検出ができることを確認した。また、変分自由エネルギーは要素数256付近で極大になった。
次に、急性スライスの海馬CA1錐体細胞の尖端樹状突起タフトを撮像したデータに対して、提案手法とICAを適用した。自発的にカルシウムトランジェントを起こしているタフト集団のデータ(非同期データ)と、同じスライスに対して撮像面を維持した状態で同期したトランジェントを誘発させた場合のデータ (同期データ)を解析した。両データともに、提案手法とICAとで検出した要素はほぼ同じであった。提案手法の変分自由エネルギーが極大となる要素数は、同期データと非同期データはほぼ同じであった。これは電気刺激の有無にかかわらず、ほぼ一致した要素を検出していることを反映しているものと思われる。
最後に、マウス頭頂連合野の in-vivo二光子顕微鏡データに対して提案手法を適用した。結果を図1に示す。比較のため、MukamelのICAと実験研究者が手動で設定したROIを同図に示す。我々の手法は、手動やICAと比べて神経突起の詳細な構造を検出できており、神経活動と関連しているカルシウムトランジェントが検出できた割合が他の手法と比べて高かった。また、我々の手法で検出したROIは手動で検出した全ROIの約40%と一致したが、ICAは約20%であった。このように提案手法はMukamelらのICAより細胞検出能力が高いことが確認できた。

現在までの達成度 (段落)

27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

27年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2015 実績報告書
  • 2014 実績報告書
  • 研究成果

    (31件)

すべて 2016 2015 2014 その他

すべて 雑誌論文 (10件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 2件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (19件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] ICAを用いた哺乳類と昆虫の色受容野の検証2016

    • 著者名/発表者名
      山田陵平、関 洋一、宮川博義、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: NC2015-86 ページ: 95-100

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [雑誌論文] 多重解像度非負値行列因子分解によるカルシウムイメージングデータ解析2016

    • 著者名/発表者名
      伊東 翼、太田桂輔、村山正宜、青西 亨
    • 雑誌名

      電子情報通信学会技術研究報告

      巻: NC2015-92 ページ: 131-136

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [雑誌論文] ショウジョウバエの初期視覚系モデルの比較研究2015

    • 著者名/発表者名
      池田 英彬, 鈴木 力憲, 森本 高子, 青西 亨
    • 雑誌名

      2015年度人工知能学会全国大会論文集

      巻: 3F3-OS-19a-7

    • NAID

      130007421767

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [雑誌論文] ショウジョウバエにおける視野闘争の理論研究 ~ 視覚系の安定構造解析 ~2015

    • 著者名/発表者名
      中本 竣、鈴木力憲、森本高子、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: NC2015-2 ページ: 41-46

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [雑誌論文] ショウジョウバエの初期視覚系モデルの比較研究II2015

    • 著者名/発表者名
      池田英彬, 鈴木力憲, 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: 114 ページ: 53-58

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [雑誌論文] Weak Sinusoidal Electric Fields Entrain Spontaneous Ca Transients in the Dendritic Tufts of CA1 Pyramidal Cells in Rat Hippocampal Slice Preparations2015

    • 著者名/発表者名
      Maeda K, Maruyama R, Nagae T, Inoue M, Aonishi T, Miyakawa H
    • 雑誌名

      PLoS ONE

      巻: 10 号: 3 ページ: e0122263-e0122263

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0122263

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Noise-robust recognition of wide-field motion direction and the underlying neural mechanisms in Drosophila melanogaster2015

    • 著者名/発表者名
      Yoshinori Suzuki, Hideaki Ikeda, Takuya Miyamoto, Hiroyoshi Miyakawa, Yoichi Seki, Toru Aonishi and Takako Morimoto
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 5 号: 1 ページ: 10253-10253

    • DOI

      10.1038/srep10253

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] ショウジョウバエにおけるノイズ頑強なオプティックフローの検知2014

    • 著者名/発表者名
      鈴木力憲,青西亨,関洋一,宮川博義,森本高子
    • 雑誌名

      電子情報通信学会技術研究報告

      巻: 114 ページ: 207-212

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [雑誌論文] ショウジョウバエの初期視覚系モデルの比較研究2014

    • 著者名/発表者名
      池田英彬, 鈴木力憲, 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: 114 ページ: 201-206

    • NAID

      130007421767

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [雑誌論文] Model selection of early vision system of Drosophila melanogaster2014

    • 著者名/発表者名
      Hideaki Ikeda, Yoshinori Suzuki, Takako Morimoto, Toru Aonishi
    • 雑誌名

      The proceedings of the 24th Annual Conference of the Japanese Neural Networks Society

      巻: . ページ: 66-67

    • NAID

      40020907045

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] ICAを用いた哺乳類と昆虫の色受容野の検証2016

    • 著者名/発表者名
      山田陵平、関 洋一、宮川博義、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
    • 発表場所
      玉川大学,東京都町田市
    • 年月日
      2016-03-23
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] 多重解像度非負値行列因子分解によるカルシウムイメージングデータ解析2016

    • 著者名/発表者名
      伊東 翼、太田桂輔、村山正宜、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
      玉川大学,東京都町田市
    • 年月日
      2016-03-22
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] Frequency dependent entrainment of spontaneous Ca transients by extracellular AC electric fields in CA1 pyramidal neurons of rat hippocampal slices2015

    • 著者名/発表者名
      I.KATO, H. MIYAKAWA, M. INOUE, T. AONISHI
    • 学会等名
      Neuroscience 2015 (Society for neuroscience)
    • 発表場所
      McCormick place, Chicago, US
    • 年月日
      2015-10-19
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 階層ベイズ法による大規模カルシウムイメージングデータからの細胞検出2015

    • 著者名/発表者名
      青西 亨、船水章大、宮川博義、Bernd Kuhn
    • 学会等名
      シンポジウム「記憶のメカニズムを理解するー数理解析からのアプローチ」
    • 発表場所
      東京大学大学院農学生命科学 研究科 フードサイエンス棟 中島董一郎記念ホール
    • 年月日
      2015-09-18
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ショウジョウバエにおけるノイズ頑強な動き検知の神経基盤2015

    • 著者名/発表者名
      鈴木力憲, 池田英彬, 関洋一, 宮川博義, 青西亨, 森本高子
    • 学会等名
      第25回日本神経回路学会全国大会
    • 発表場所
      電気通信大学, 東京都調布市
    • 年月日
      2015-09-03
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] ショウジョウバエにおける視野闘争の理論研究2015

    • 著者名/発表者名
      中本 竣、鈴木力憲、森本高子、宮川博義、青西 亨
    • 学会等名
      日本神経回路学会第25回全国大会
    • 発表場所
      電気通信大学, 東京都調布市
    • 年月日
      2015-09-02
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] ハエの動き検出細胞は逆φ刺激に応答するか-モデル選択による検証-2015

    • 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
      日本神経回路学会第25回全国大会
    • 発表場所
      電気通信大学, 東京都調布市
    • 年月日
      2015-09-02
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] 海馬CA1領域錐体細胞先端樹状突起の自発的な活動は細胞外交流電場の周波数依存的に同調する2015

    • 著者名/発表者名
      加藤一郎、井上雅司、宮川博義、青西亨
    • 学会等名
      第25回日本神経回路学会全国大会
    • 発表場所
      電気通信大学, 東京都調布市
    • 年月日
      2015-09-02
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] Extracellular AC electric fields entrain spontaneous Ca transients in a frequency dependent manner in CA1 pyramidal neurons of rat hippocampal slices2015

    • 著者名/発表者名
      Ichiro Kato, Masashi Inoue, Hiroyoshi Miyakawa, Toru Aonishi
    • 学会等名
      第38回日本神経科学大会
    • 発表場所
      神戸コンベンションセンター,兵庫県神戸市
    • 年月日
      2015-07-29
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] ショウジョウバエにおける視野闘争の理論研究 ~ 視覚系の安定構造解析 ~2015

    • 著者名/発表者名
      中本 竣、鈴木力憲、森本高子、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
      沖縄科学技術大学院大学,沖縄県
    • 年月日
      2015-06-24
    • 関連する報告書
      2015 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2015

    • 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
      2015年度人工知能学会全国大
    • 発表場所
      公立はこだて未来大学, 北海道函館市
    • 年月日
      2015-06-01
    • 関連する報告書
      2015 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II2015

    • 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
      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
      福岡県・九州工業大学
    • 年月日
      2015-01-30
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Neuronal basis for an appropriate behavioral response to unapparent wide-field motion in Drosophila melanogaster2014

    • 著者名/発表者名
      Yohinori Suzuki, Toru Aonishi, Yoichi Seki, Hiroyoshi Miyakawa, Takako Morimoto
    • 学会等名
      Society for Neuroscience
    • 発表場所
      The Walter E. Washington Convention Center, Washigton DC
    • 年月日
      2014-11-14
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Neuronal basis for an appropriate behavioral response to unapparent wide-field motion in Drosophila melanogaster2014

    • 著者名/発表者名
      Yohinori Suzuki, Toru Aonishi, Yoichi Seki, Hiroyoshi Miyakawa, Takako Morimoto
    • 学会等名
      Flies, worms and robots: combining perspectives on minibrains and behavior
    • 発表場所
      Hotel Eden Roc, Spain
    • 年月日
      2014-11-10
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Neural and behavioral Performance of motion discrimination in Drosophila melanogaster2014

    • 著者名/発表者名
      鈴木力憲,青西亨,関洋一,宮川博義,森本高子
    • 学会等名
      第37回日本神経科学大会
    • 発表場所
      神奈川県・パシフィコ横浜
    • 年月日
      2014-09-11
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Model selection of early vision system of Drosophila melanogaster2014

    • 著者名/発表者名
      Hideaki Ikeda, Yoshinori Suzuki, Takako Morimoto, Toru Aonishi
    • 学会等名
      日本神経回路学会第24回全国大会
    • 発表場所
      北海道・公立はこだて未来大学
    • 年月日
      2014-08-28
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Neural basis of robust behavioral control in insect2014

    • 著者名/発表者名
      Yohinori Suzuki, Toru Aonishi, Yoichi Seki, Hiroyoshi Miyakawa and Takako Morimoto
    • 学会等名
      11th International Congress of Neuroethology/JSCPB
    • 発表場所
      Sapporo Convention Center, Hokkaido
    • 年月日
      2014-07-29
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] ショウジョウバエにおけるノイズ頑強なオプティックフローの検知2014

    • 著者名/発表者名
      鈴木力憲,青西亨,関洋一,宮川博義,森本高子
    • 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
      沖縄県・沖縄科学技術大学院大学
    • 年月日
      2014-06-27
    • 関連する報告書
      2014 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2014

    • 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
      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
      沖縄県・沖縄科学技術大学院大学
    • 年月日
      2014-06-27
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [備考] http://www.acs.dis.titech.ac.jp

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [備考] 青西 亨 業績一覧書

    • URL

      http://www.acs.dis.titech.ac.jp/aonishi/Aonishi-Gyousekichousho.htm

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書

URL: 

公開日: 2014-04-04   更新日: 2018-03-28  

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