多次元データに基づくメゾ回路のシステム同定法の開発

2014 年度 実績報告書

• 研究領域: メゾスコピック神経回路から探る脳の情報処理基盤
• 研究課題/領域番号: 22115012
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 石井 信 京都大学, 情報学研究科, 教授 (90294280)
• 研究期間 (年度): 2010-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: システム同定 / ベイズ推定 / 超解像 / 構造可視化 / シミュレーション

研究実績の概要

○神経超解像法に基づくメゾ回路機能の同定　　蛍光顕微鏡画像からの高精細三次元位置合わせ法とそれを用いた超解像法を開発し、マウス運動学習に伴うシナプス構造変化検出に適用した。時点間画像位置合わせ、各時点におけるシナプス検出、複数時点にわたるシナプス対応付けのそれぞれについて、多段階位置合わせ法、２次元回転不変特徴量による検出、深さ・時間方向対応付け距離モデルによって解決した（松崎との共同研究）。ショウジョウバエ共焦点顕微鏡画像に基づき神経回路をトラッキングする手法を開発し、脳全体にわたるモノアミン神経回路構造を同定した(Skibbe, et al., 2015)。

○神経系の回路パラメータの同定を行う統計的推定技術　　ラットのスライスでの機能的多ニューロンカルシウムイメージングデータから、神経間あるいは神経－グリア間相互作用の同定を行う統計的手法を開発した。神経間相互作用では、一般化線形モデルによる機能的コネクトミクス法、経験ベイズ検定法を開発した。神経－グリア間では、多次元自己回帰モデルに基づく機能的コネクトミクス法により、グリアの活動が大きくなるとその近傍のニューロンの発火率が高まることを示した（池谷との共同研究）（Nakae, et al., 2014）。また、統計的推定手法をショウジョウバエ幼虫脊髄神経系のカルシウムイメージングデータに適用した。脊髄神経系では、伝搬波上で異なるフェーズを有する細胞クラスタがあり、クラスタ間ではフェーズが徐々にずれていくことで、回路全体として伝搬波を形成することを見出した（能瀬との共同研究）。

○神経細胞樹状突起およびスパインの計算機構のモデル化　　樹状突起スパインにおける入力タイミング依存の構造可塑性について、スパイン内シグナル伝達モデルを構築し、実験データを説明するシミュレーションを達成した。

現在までの達成度 (段落)

26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

26年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Efficient Monte Carlo image analysis for the location of vascular entity. (2015)
  • 著者名/発表者名: Skibbe, H., Reisert, M., Maeda, S., Koyama, M., Oba, S., Ito, K., & Ishii, S.
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Medical Imaging 巻: 34 ページ: 628-643
  • DOI: 10.1109/TMI.2014.2364404.
  • 査読あり
• [雑誌論文] A computational model of afterimage rotation in the peripheral drift illusion based on retinal ON/OFF responses. (2014)
  • 著者名/発表者名: Hayashi, Y., Ishii, S., & Urakubo, H.
  • 雑誌名: PLoS ONE 巻: 9 ページ: -
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0115464.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structural differences in gray matter between glider pilots and non-pilots. A voxel-based morphometry study. (2014)
  • 著者名/発表者名: Ahamed, T., Kawanabe, M., Ishii, S., & Callan, D.
  • 雑誌名: Frontiers in Neurology 巻: 5 ページ: 248
  • DOI: 10.3389/fneur.2014.00248
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A statistical method of identifying interactions in neuron-glia systems based on functional multicell Ca2+ imaging. (2014)
  • 著者名/発表者名: Nakae, K., Ikegaya, Y., Ishikawa, T., Oba, S., Urakubo, H., Koyama, M. & Ishii, S.
  • 雑誌名: PLoS Computational Biology 巻: 10 ページ: -
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1003949.
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A critical time window for dopamine actions on the structural plasticity of dendritic spines. (2014)
  • 著者名/発表者名: Yagishita, S., Hayashi-Takagi, A., Ellis-Davies, G.C.R., Urakubo, H., Ishii, S., & Kasai, H.
  • 雑誌名: Science 巻: 345 ページ: 1616-1620
  • DOI: 10.1126/science.1255514
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spiking network simulation code for petascale computers. (2014)
  • 著者名/発表者名: Kunkel, S., Schmidt, M., Eppler, J.M., Plesser, H.E., Masumoto, G., Igarashi, J., Ishii, S., Fukai, T., Morrison, A., Diesmann, M., & Helias, M.
  • 雑誌名: Frontiers in Neuroinfomatics 巻: 8 ページ: 78
  • DOI: 10.3389/fninf.2014.00078
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] In vitro reconstitution of a CaMKII memory switch by an NMDA receptor-derived peptide. (2014)
  • 著者名/発表者名: Urakubo, H., Sato, M., Ishii, S., & Kuroda, S.
  • 雑誌名: Biophysical Journal 巻: 106 ページ: 1414-1420
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2014.01.026
  • 査読あり
• [学会発表] 外部シグナルに制御される細胞集団移動の数理モデル. (2015)
  • 著者名/発表者名: 村瀬 晃生, 本田 直樹, 石井 信.
  • 学会等名: 電子情報通信学会技術研究報告
  • 発表場所: 玉川大学（東京都町田市）
  • 年月日: 2015-03-16 – 2015-03-17
• [学会発表] A predictive approach for identifying interactions in neuron-glia systems. (2015)
  • 著者名/発表者名: Nakae, K., Ikegaya, Y., Ishikawa, T., Oba, S., Urakubo, H., Koyama, M., & Ishii, S.
  • 学会等名: 第15回脳と心のメカニズム冬のワークショップ
  • 発表場所: ルスツリゾート（北海道虻田郡）
  • 年月日: 2015-01-07 – 2015-01-09
• [学会発表] 電子顕微鏡連続切片画像のZ方向超解像. (2015)
  • 著者名/発表者名: 内藤 堅志, 大羽 成征, 石井 信.
  • 学会等名: 第15回脳と心のメカニズム冬のワークショップ
  • 発表場所: ルスツリゾート（北海道虻田郡）
  • 年月日: 2015-01-07 – 2015-01-09
• [学会発表] A model of Amygdala and mPFC interactions for large resistance to extinction of partially reinforced fear memory. (2014)
  • 著者名/発表者名: Li, Y., Ishii, S., & Naoki, H.
  • 学会等名: Society for Neuroscience Annual Meeting
  • 発表場所: Washington DC.（United States of America）
  • 年月日: 2014-11-15 – 2014-11-19
• [学会発表] Reconstruction of cellular migrating behavior based on molecular activity. (2014)
  • 著者名/発表者名: Naoki, H., Yamao, M., & Ishii, S.
  • 学会等名: Flies, worms and robots: combining perspectives on minibrains and behavior
  • 発表場所: Sant Feliu de Guixols（Spain）
  • 年月日: 2014-11-08 – 2014-11-13
• [学会発表] 全脳シミュレーションに向けて：大規模計算技術と大規模構造 マップ. (2014)
  • 著者名/発表者名: 石井 信
  • 学会等名: 第7回スーパーコンピュータ「京」と創薬・医療の産学連携セミナー
  • 発表場所: 梅田センタービル（大阪府大阪市）
  • 年月日: 2014-10-17 – 2014-10-17
  • 招待講演
• [学会発表] Reverse engineering-based methods for elucidating functions of neural systems. (2014)
  • 著者名/発表者名: Ishii, S.
  • 学会等名: Neuroscience 2014
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2014-09-11 – 2014-09-13
  • 招待講演
• [学会発表] A model of Amygdala-mPFC interaction for resistance to extinction after partial reinforcement fear conditioning. (2014)
  • 著者名/発表者名: Li, Y., Ishii, S., & Honda, N.
  • 学会等名: Neuroscience 2014
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2014-09-11 – 2014-09-13
• [学会発表] Statistical analysis of global spontaneous activity of central neurons in Drosophilla larvae. (2014)
  • 著者名/発表者名: Yoon, Y., Nakae, K., Kohsaka, H., Ishii, S., & Nose, A.
  • 学会等名: Neuroscience 2014
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2014-09-11 – 2014-09-13
• [学会発表] Efficient Metropolis-Hasting image analysis for the location of vascular entity. (2014)
  • 著者名/発表者名: Skibbe, H., Reisert, M., & Ishii, S.
  • 学会等名: 36th German Conference on Pattern Recognition, Lecture Notes in Computer Science
  • 発表場所: Munich(Germany)
  • 年月日: 2014-09-02 – 2014-09-05
• [学会発表] System identification and reconstruction of sensory neural activity during thermotaxis behavior of C. (2014)
  • 著者名/発表者名: Tsukada, Y., Naoki, H., Murase, A., Yamao, M., Shimowada, T., Ohnishi, N., Kuhara, A., Ishii, S., & Mori, I.
  • 学会等名: 11th International Congress of Neuroethology
  • 発表場所: 札幌コンベンションセンター（北海道札幌市）
  • 年月日: 2014-07-28 – 2014-08-02
• [図書] 細胞運動のシステム同定. 生体の科学 (2014)
  • 著者名/発表者名: 本田 直樹, 山尾 将隆, 石井 信.
  • 総ページ数: 385-526（468-469）
  • 出版者: 公益法人金原一郎記念医学医療振興財団／医学書院
• [備考] 研究代表者（石井信）ホームページ
  • URL: http://ishiilab.jp/member/ishii/publications/