深層学習を応用した全脳を対象とする神経活動伝播経路の解明

2015 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15KT0111
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 高田 則雄 慶應義塾大学, 医学部, 特任講師 (50415212)
• 研究分担者: 中江 健 京都大学, 情報学研究科, 研究員 (70617472)
• 研究期間 (年度): 2015-07-10 – 2018-03-31
• キーワード: 光遺伝学 / 深層学習 / ディープラーニング / dropout / 経路推定 / fMRI / マウス / optogenetics

研究実績の概要

脳の活動は一つの脳領域に留まらず、他の脳領域へ伝搬して行く。本研究の目的は、その
伝搬経路を全脳の神経活動から推測し、伝播経路に規則や特徴が存在するか解明すること
である。具体的には脳活動の開始部位と終着部位とが明確な場合に、その間の脳回路を神
経活動が並列にあるいは直列に伝播するのかといった伝搬経路の性質を明らかにする。近
年実現したマウス用fMRIと、脳海馬神経の活動を光照射で操作可能な遺伝子改変マウス（Tgマウス）とを組み合わせて、研究代表者は日本で初めてマウスの光遺伝学的fMRIに成功し
、海馬光活性化時の全脳応答を捉えることに成功した（PLoS One 2015 10:30121417）。海馬光活性化によって動物が走り出すことを見出していることから（Cell Rep 2014 8:311-8）、神経活動は海馬から大脳運動野へ伝播したと想定できる。しかし従来のfMRI解析手法ではこの経路を抽出できなかった。そこで脳細胞間の結合推定法（PLoS Comput Biol 2014:10:e1003949）で全脳を対象とした伝達経路推定を構築する。そして深層学習で開発された正則化法であるdropoutを、ニューラルネットではなく伝播経路推定に初めて適用し、経路数の指数的爆発へ対処することを提案する。以上によって脳内活動伝播の構造を解明する。申請者はすでに麻酔下マウスからの光遺伝学的fMRI（opto-fMRI）計測には成功しているが（PLoS One 2015 10:30121417）、以上の研究を遂行するには、覚醒下のマウスからopto-fMRI計測する必要がある。小動物からのfMRI計測は一般的に麻酔下で行われている。そこで申請者らは、初年度には覚醒しているマウスからfMRI計測する手法を構築した。この結果をまとめた論文が現在査読中である。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

研究計画通りに進捗しているため。具体的には実験においては、覚醒マウスを用いたfMRI計測系の構築に成功した。数理解析においては少数ROIについて実際に解析を実行した。

今後の研究の推進方策

麻酔下fMRIデータについて少数ROIではなく、十分数なROIを探索し、新規解析手法を適用する。また覚醒下fMRIデータを取得する。

研究成果

• [雑誌論文] Astroglial glutamate transporter deficiency increases synaptic excitability and leads to pathological repetitive behaviors in mice (2015)
  • 著者名/発表者名: Tomomi Aida, Junichi Yoshida, Masatoshi Nomura, Asami Tanimura, Yusuke Iino, Miho Soma, Ning Bai, Yukiko Ito, Wanpeng Cui, Hidenori Aizawa, Michiko Yanagisawa, Terumi Nagai, Norio Takata, Kenji F. Tanaka, Ryoichi Takayanagi, Masanobu Kano, Magdalena Götz, Hajime Hirase, Kohichi Tanaka
  • 雑誌名: Neuropsychopharmacology 巻: 40 ページ: 1569-1579
  • DOI: 10.1038/npp.2015.26. Epub 2015 Feb 9.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optogenetic activation of CA1 pyramidal neurons at the dorsal and ventral hippocampus evokes distinct brain-wide responses revealed by mouse fMRI (2015)
  • 著者名/発表者名: Norio Takata, Keitaro Yoshida, Yuji Komaki, Ming Xu, Yuki Sakai, Keigo Hikishima, Masaru Mimura, Hideyuki Okano, Kenji F. Tanaka
  • 雑誌名: PLoS ONE 巻: 10 ページ: e0121417
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0121417. eCollection 2015.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Adaptive changes of extracellular amino acid concentrations in mouse dorsal striatum by 4-AP-induced cortical seizures (2015)
  • 著者名/発表者名: Terumi Nagai, Norio Takata, Yoshiaki Shinohara, Hajime Hirase
  • 雑誌名: Neuroscience 巻: 295 ページ: 229-236
  • DOI: 10.1016/j.neuroscience.2015.03.043. Epub 2015 Mar 25.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Identification of the extent of cortical spreading depression propagation by Npas4 mRNA expression (2015)
  • 著者名/発表者名: Keitaro Yoshida, Ming Xu, Akiyo Natsubori, Masaru Mimura, Norio Takata, Kenji F Tanaka
  • 雑誌名: Neuroscinece Research 巻: 98 ページ: 1-8
  • DOI: 10.1016/j.neures.2015.04.003. Epub 2015 Apr 22.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation and manipulation of glial cell function by virtue of sufficient probe expression (2015)
  • 著者名/発表者名: Akiyo Natsubori, Norio Takata, Kenji F Tanaka
  • 雑誌名: Frontiers in Cellular Neuroscience 巻: 176 ページ: 1-7
  • DOI: 10.3389/fncel.2015.00176. eCollection 2015.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Neuronal heterotopias affect the activities of distant brain areas and lead to behavioral deficits (2015)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Ishii, Ken-ichiro Kubo, Toshihiro Endo, Keitaro Yoshida, Seico Benner, Yukiko Ito, Hidenori Aizawa, Michihiko Aramaki, Akihiro Yamanaka, Kohichi Tanaka, Norio Takata, Kenji Tanaka, Masaru Mimura, Chiahru Tohyama, Masaki Kakeyama, and Kazunori Nakajima
  • 雑誌名: Journal of Neuroscience 巻: 35 ページ: 12432-45
  • DOI: 10.1523/JNEUROSCI.3648-14.2015.
  • 査読あり
• [学会発表] 光遺伝学的fMRIを用いたアストロサイトによるBOLD信号発生の研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 高田則雄
  • 学会等名: 第89回日本薬理学会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2016-03-09 – 2016-03-09
  • 招待講演
• [学会発表] Optogenetic-fMRI for investigation of neuronal and glial contribution to BOLD signal (2015)
  • 著者名/発表者名: 高田則雄
  • 学会等名: 第38回日本神経科学会
  • 発表場所: 神戸国際会議場（兵庫県神戸市）
  • 年月日: 2015-07-29 – 2015-07-29
  • 招待講演