画像処理技術を用いたオルガネラ形態の自動計測

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16J06044
• 研究機関: 上智大学
• 研究代表者: 湖城 恵 上智大学, 理工学部, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2016-04-22 – 2019-03-31
• キーワード: 生物画像処理

研究実績の概要

本研究課題では、画像情報のビックデータ化に対応し、研究者自身が画像を精査する負担を軽減させるため、細胞内構造、特にオルガネラを対象として、大量の顕微鏡画像に基づくオルガネラ形態および動態を自動的かつ定量的に評価するための画像処理技術およびソフトウェアの開発に取り組みます。
観察対象のモデルケースとして、ダイナミックに形態が変化する色素体に着目し、独自に開発を行なうオルガネラ形態の自動計測ソフトウェアと、変異体スクリーニングを併せることで植物細胞のオルガネラ形態ガ植物の発達および生長にどのような生理学的意義を持つのかを従来よりも高速かつ定量的に検証できることが期待されます。本研究課題を遂行することにより、色素体の特徴的な構造物であるストロミュールの形態および動態の全体像を定量的かつ客観的に明らかにできると期待されます。

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

シロイヌナズナ植物体の全域において、色素体構造および分布を客観的かつ定量的に評価するため、画像処理技術および機械学習手法を用いて新規の画像処理・解析ソフトウェアの作成を目指した。最先端の画像処理技術を実装するため、文部科学省科学研究費助成事業・新学術領域研究・学術研究支援基盤形成「先端バイオイメージング支援プラットフォーム」および東京大学馳澤研究室グループと共同し、プログラミング開発言語Pythonと画像処理用ライブラリOpenCV3を動作基盤とする新規の画像処理プラットフォームを作成した。
当初の研究計画では、フリーの画像処理ソフトウェアであるImageJを用いてプログラミング開発言語JavaによるImageJ pluginとして開発予定であった。ImageJ pluginはJavaの実行ファイルとしてソフトウェアを作成するため配布が容易であり、加えてImageJのユーザーインターフェイスが利用できる利点を有する。一方で、ImageJのユーザーインターフェイスは自由度が低いため、画像処理の初学者にとっては利用しづらい側面を有している。今回作成した画像処理プラットフォームでは、東京大学馳澤研究室と共同して開発を行ない、画像処理に不慣れな初学者にも親しみやすいユーザーインターフェイスを実装した。既に複数の画像処理・解析手法に関するワークフローをウェブ上にて公開している。なお、本画像処理プラットフォームは単独のソフトウェアではなく、pluginとして新規機能の追加が可能である。したがって、解析対象は色素体形態に留まらず様々なオルガネラ形態の計測プラットフォームとして再度の利用が可能となる。
これら新規画像処理プラットフォームの開発成果により、現時点では画像処理の経験がない初学者においても高度な画像処理手法を提供することが可能となった。

今後の研究の推進方策

新規に開発した上記の画像処理プラットフォームを用いて、シロイヌナズナ植物全域の色素体構造および分布を立体的の評価したところ、葉表皮において特徴的な色素体構造の出現頻度が組織により異なる傾向が確認された。現在、統計処理に耐え得る画像セットの樹立を目指している。今後の研究課題として、シロイヌナズナ野生型および色素体構造に異常が確認されている変異体を用いて、一万から数万画像群を取得し、機械学習を用いた画像分類により色素体構造および分布を客観的かつ定量的に評価する画像処理手法の確立を目指している。