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

2016 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(信濃町), 特任講師 (50415212)
• 研究分担者: 中江 健 京都大学, 情報学研究科, 特定研究員 (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世界で初めて捉えた。海馬光活性化によって動物が走り出すことから、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。
次年度であった平成28年には、実験においてはfMRIと脳波との同時計測系を構築した。マウス脳内に電極を留置することに因る画像アーチファクトを確認した。また撮像中の電気生理学的ノイズ除去の問題に取り組んだ。解析においては解剖学的に妥当な少数ROIに対して解析を試みた。

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

経路推定に用いるROIを、解剖学的に妥当に構築する手法をマウスで初めて開発できたため。ただし年度の途中にマウスの感染事故が生じたために遺伝子改変マウスをMRI撮像機関に持ち込めない状況である。現在マウスのクリーニングに取り組んでおり、早急な復旧を目指している。

今後の研究の推進方策

実験ではマウスのクリーニングを行ってMRI撮像を再開する。また電気生理計測とMRI撮像との同時計測系におけるノイズ除去に取り組む。解析では少数ROIでデータの質を見極めて、大規模ROIに移行するか決断する。

研究成果

• [雑誌論文] Ventrolateral striatal medium spiny neurons positively regulate food-incentive, goal-directed behavior independently of D1 and D2 selectivity. (2017)
  • 著者名/発表者名: Akiyo Natsubori, Iku Tsustui-Kimura, Hiroshi Nishida, Youcef Bouchekioua, Hiroshi Sekiya, Motokazu Uchigashima, Masahiko Watanabe, Alban de Kerchove d'Exaerde, Masaru Mimura, Norio Takata, and Kenji Tanaka
  • 雑誌名: Journal of Neuroscience 巻: 37 ページ: 2723-2733
  • DOI: 10.1523/JNEUROSCI.3377-16.2017
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Dysfunction of ventrolateral striatal dopamine receptor type 2-expressing medium spiny neurons impairs instrumental motivation: possible relevance to apathy pathogenesis. (2017)
  • 著者名/発表者名: Iku Tsutsui-Kimura, Hiroyuki Takiue, Keitaro Yoshida, Ming Xu, Ryutaro Yano, Hiroyuki Ohta, Hiroshi Nishida, Youcef Bouchekioua, Hideyuki Okano, Motokazu Uchigashima, Masahiko Watanabe, norio takata, Michael Drew, Hiromi Sano, Masaru Mimura, Tanaka KF
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 8 ページ: 14304
  • DOI: 10.1038/ncomms14304
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Physiological effects of a habituation procedure for functional MRI in awake mice using a cryogenic radiofrequency probe (2016)
  • 著者名/発表者名: Keitaro Yoshida, Yu Mimura, Ryosuke Ishihara, Hiroshi Nishida, Yuji Komaki, Tomohito Minakuchi, Tomokazu Tsurugizawa, Masaru Mimura, Hideyuki Okano, Kenji F. Tanaka, Norio Takata
  • 雑誌名: J Neurosci Methods. 巻: 274 ページ: 38-48
  • DOI: 10.1016/j.jneumeth.2016.09.013
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] Dissection of downstream targets of the hippocampus using optogenetic fMRI (2017)
  • 著者名/発表者名: 高田則雄
  • 学会等名: 次世代プロジェクト「異なる時期の虚血が脳の発達に及ぼす影響の多層的アプローチによる解明と治療戦略構築」国際シンポジウム
  • 発表場所: 慶応義塾大学医学部
  • 年月日: 2017-03-07 – 2017-03-07
  • 国際学会 / 招待講演