生物画像の定量的解析のためのソフトウェアの開発

2018 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 18K06272
• 研究機関: 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究
• 研究代表者: 加藤 輝 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究, 生命創成探究センター, 特任助教 (30391915)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 生物画像解析

研究実績の概要

時空間分解能に優れた光学機器の一般化が進む昨今，時空間並びに複数チャネルを併せもつ多次元画像データを簡便かつ大量に得られるようになった．その一方で，これらを定量的に解析し，統計的な記述を行う際に著しい困難を伴うようになっている．特に，立体的に複雑な形態をとる組織の形態を精緻に計測するためには計算機による形状抽出による自動化が必須である．その一方，定量対象となる生物に特有の特徴は，その状態が非常に不安定であり，完全な自動化による特徴抽出は不可能である場合が多い．この種の生物学的な特徴を抽出するため，顕微観察画像において見出される自由曲線の構造を認識し，記述する系を作成，種々の観察対象について適用した．特に，細胞内アクチン繊維や微小管，更にはコラーゲンといった繊維状の構造物の抽出を試みている．これにより，アプリケーションの実用性についてさらなる向上を目指し調整を行った．また，この種の自動化アプリケーションにおいて避けられない問題である誤認識について，これを目視での作業によって除去を行う方法について検討を行った．3D 空間における自由曲線を簡便に遂行するユーザーインターフェイスの構成は操作効率に直結するためその定義にあたっては慎重に行う必要がある．そのため，OpenGL をはじめとした 3D 空間を前提とした表示系について，その可用性ならびに実装実現性を検討した．表現する対象となる物体を描画する対象として，OpenGL 派生の WebGL や，これをサポートするデスクトップアプリケーションの基盤である node.js ならびに Electron 等について検証を行った結果，この種の高水準言語による実装によっても凡そ所定の目的を実現することが可能であるという結果が得られた．

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

アプリケーションの実装を行うにあたり，特に計算負荷が高い部分についてその処理を外部に設置した大型並列計算機もしくはクラウド上の計算機に移譲する系の実装を行い，実用に供している．また，実装方法の検討を重ねた結果新たに高水準言語での実装方法についての実現可能性を見出した点からは，より広いプラットフォームでの実装の可用性を示唆する．さらに，これら処理系の精度を高めるべく教師あり機械学習による分類を行うための教師データの作成を行っている点から，本課題の進捗について概ね順調に推移しているものと考えられる．

今後の研究の推進方策

OpenGL等のハードウェアの直接支援を利用した画像表示系として改修し，時・空間画像の表示の高速化を図ることで，これまでに作成したアプリケーションの利便性の向上を図る．このアプリケーションについて，自動的に抽出した物体モデルの編集を行う機能の実装を開始する．具体的には，ユーザが画面上で任意に選択した立方体内部について固有のパラメータを設定し物体の再抽出等を行うフィルタ機能や，マウスなどを用いた線分の直接編集など，対話型のモデル修正系を盛り込む等の実装を行う．上記アプリケーションの実装により，個別の細胞並びに細胞内小器官など空間中の任意の構造をモデルの要素として簡単に選択可能とし，その形態的特徴や，輝度などについて定量的な解析を行う事が可能となるよう整備を行う.

次年度使用額が生じた理由

導入を予定していた計算機について，当該年度において所望の仕様を満たすものではなかったため，次年度に持ち越すこととなった．

研究成果

• [雑誌論文] Elasticity-based boosting of neuroepithelial nucleokinesis via indirect energy transfer from mother to daughter (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomoyasu Shinoda , Arata Nagasaka, Yasuhiro Inoue, Ryo Higuchi, Yoshiaki Minami, Kagayaki Kato, Makoto Suzuki, Takefumi Kondo, Takumi Kawaue, Kanako Saito, Naoto Ueno, Yugo Fukazawa, Masaharu Nagayama, Takashi Miura, Taiji Adachi, Takaki Miyata
  • 雑誌名: PLoS Biology 巻: 123 ページ: 100-109
  • DOI: 10.1371/journal.pbio.2004426
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Solo and Keratin Filaments Regulate Epithelial Tubule Morphology (2018)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke Nishimura, Kagayaki Kato, Sachiko Fujiwara, Kazumasa Ohashi, Kensaku Mizuno
  • 雑誌名: Cell Structure and Function 巻: 43 ページ: 95-105
  • DOI: 10.1247/csf.18010
  • 査読あり
• [雑誌論文] 生物画像処理・解析を加速するImageJマクロプログラミング (2018)
  • 著者名/発表者名: 加藤輝
  • 雑誌名: 実験医学 巻: 36 ページ: 1513-1520
• [学会発表] PML bodyによる遺伝子転写制御メカニズムの解析～AP-CLaP法を用いて～ (2018)
  • 著者名/発表者名: 栗原 美寿々、三宝 千秋、加藤 輝、重信 秀治、宮成 悠介
  • 学会等名: 第41回日本分子生物学会年会
• [学会発表] Ground stateにおけるマウスES細胞の不均一性の同定 (2018)
  • 著者名/発表者名: 堀江 恭二、渡邊 仁美、西村 陽介、渡邊 日佳流、関 真秀、清田 晃央、加藤 輝、若本 祐一、鈴木 穣、山田 拓司、近藤 玄、吉田 純子
  • 学会等名: 第41回日本分子生物学会年会
• [学会発表] Live imaging of node graft and host cells to establish its role in head development (2018)
  • 著者名/発表者名: Koya Yoshihi, Kagayaki Kato, Hisato Kondoh
  • 学会等名: Joint Annual Meeting of 51st JSDB and 70th JSCB
• [学会発表] PCP factors are differentially involved in polarity establishment of ciliary orientation and cell elongation in the mouse oviduct. (2018)
  • 著者名/発表者名: Fumiko Usami, Dongbo Shi, Kagayaki Kato, Toshihiko Fujimori
  • 学会等名: Joint Annual Meeting of 51st JSDB and 70th JSCB
• [学会発表] Elasticity-based boosting of neuroepithelial nucleokinesis via indirect energy transfer from mother to daughter (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomoyasu Shinoda, Arata Nagasaka, Yasuhiro Inoue, Ryo Higuchi, Yoshiaki Minami, Kagayaki Kato, Makoto Suzuki, Takefumi kondo, Takumi Kawaue, Kanako Saito, Naoto Ueno, Yugo Fukazawa, Masaharu Nagayama, Takashi Miura, Taiji Adachi, Takaki Miyata
  • 学会等名: Joint Annual Meeting of 51st JSDB and 70th JSCB