膜電位イメージング時空間データの統計的解析による脳幹内呼吸リズム形成機構の解明

2010 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 19200021
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 統計科学
• 研究機関: 統計数理研究所
• 研究代表者: 石黒 真木夫 統計数理研究所, 名誉教授 (10000217)
• 研究分担者: 岡田 泰昌 慶應義塾大学, 医学部, 准教授 (80160688) ; 越久 仁敬 兵庫医科大学, 医学部, 教授 (20252512) ; 田村 義保 統計数理研究所, データ科学系, 教授 (60150033) ; 三分一 史和 統計数理研究所, モデリング研究系, 准教授 (30360647)
• 研究期間 (年度): 2007 – 2010
• キーワード: 非線形入力モデル / 因果関係 / ニューロンの分類 / データ重ねあわせ / SN比の改善 / 過渡的現象の解析 / 情報量規準 / 画像データ解析

研究概要

脳幹における呼吸リズム形成の様相を調べるために、膜電位感受性色素を用いたイメージング計測による時空間データと呼吸筋駆動神経信号の関連を調べ、Sigmoid and Transfer Functionモデルと名づけるモデルの開発に成功した。これに引き続き時間的なフィルタの効果の研究を進め、呼吸関連の賦活部位を統計的に有意に検出する方法を開発した。この成果は医用画像処理の分野で権威のある学術誌に掲載された。

研究成果

• [雑誌論文] Detection and Visualization Method of Dynamic State Transition for Biological Spatio-Temporal Imaging Data (2011)
  • 著者名/発表者名: Miwakeichi F, Oku Y, Okada Y, Kawai S, Tamura Y, Ishiguro M
  • 雑誌名: IEEE Transaction on Medical Imaging 30(3) ページ: 859-866
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dual oscillator model of the respiratory neuronal network generating quantal slowing of respiratory rhythm (2011)
  • 著者名/発表者名: Lal A, Oku Y, Hlsmann S, Okada Y, Miwakeichi F, Kawai S, Tamura Y, Ishiguro M
  • 雑誌名: Journal of Computational Neuroscience 30 ページ: 225-240
  • 査読あり
• [雑誌論文] Parametric modeling analysis of optical imaging data on neuronal activities in the brain. (2010)
  • 著者名/発表者名: Kawai S, Oku Y, Miwakeichi F, Miwakeichi F, Ishiguro M, Tamura Y
  • 雑誌名: Optimization and Its Applications 38 part2 ページ: 213-225
  • 査読あり
• [雑誌論文] What Does the multi-peaked respiratory output pattern tell us about the respiratory pattern generating neuronal network? (2010)
  • 著者名/発表者名: Ishiguro M, Kawai S, Okada Y, Oku Y, Miwakeichi F, Tamura Y, Lal A
  • 雑誌名: Advances in Experimental Medicine and Biology 669 ページ: 163-166
  • 査読あり
• [雑誌論文] TRP channels are involved in mediating hypercapnic Ca2+ responses in rat glia-rich medullary cultures independently of extracellular pH (2010)
  • 著者名/発表者名: Hirata Y, Oku Y
  • 雑誌名: Cell calcium 48 ページ: 124-132
  • 査読あり
• [雑誌論文] Vesicular glutamate transporter 2-immunoreactive synapses onto phrenic motoneurons in the neonatal rat (2010)
  • 著者名/発表者名: Yokota S, Shinozaki Y, Oku Y, Okada Y, Yasui Y
  • 雑誌名: Advances in Experimental Medicine and Biology 669 ページ: 189-192
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anatomical changes of phrenic motoneurons during development (2010)
  • 著者名/発表者名: Okada Y, Yokota S, Shinozaki Y, Miwakeichi F, Oku Y, Yasui Y
  • 雑誌名: Advances in Experimental Medicine and Biology 669 ページ: 33-36
  • 査読あり
• [雑誌論文] A novel statistical analysis of voltage-imaging data by structural time series modeling and its application to the respiratory neuronal network. (2009)
  • 著者名/発表者名: Kawai S, Oku Y, Okada Y, Miwakeichi F, Tamura Y, Ishiguro M
  • 雑誌名: Neuroscience Research 63 ページ: 165-171
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anatomical architecture and responses to acidosis of a novel respiratory neuron group in the high cervical spinal cord (HCRG) of the neonatal rat. (2009)
  • 著者名/発表者名: Okada Y, Yokota S, Shinozaki Y, Aoyama R, Yasui Y, Ishiguro M, Oku Y
  • 雑誌名: Advances in Experimental Medicine and Biology 648 ページ: 387-394
  • 査読あり
• [雑誌論文] Inhomogeneous distribution of action potential characteristics in the rabbit sino-atrial node revealed by voltage imaging. (2009)
  • 著者名/発表者名: Masumiya H, Oku Y, Okada Y.
  • 雑誌名: Journal of Physiological Sciences 59 ページ: 227-241
  • 査読あり
• [雑誌論文] What does the multi-peaked respiratory output pattern tell us about the respiratory pattern generating neuronal network? (2009)
  • 著者名/発表者名: Ishiguro M, Kawai S, Okada Y, Oku Y, Miwakeichi F, Tamura Y, Lal A.
  • 雑誌名: Advances in Experimental Medicine and Biology 669 ページ: 235-238
  • 査読あり
• [雑誌論文] The central respiratory chemoreceptor : Where is it located? (2009)
  • 著者名/発表者名: Okada Y, Kuwana S, Chen Z, Ishiguro M, Oku Y.
  • 雑誌名: Advances in Experimental Medicine and Biology 648 ページ: 377-385
  • 査読あり
• [雑誌論文] 呼吸中枢 (2009)
  • 著者名/発表者名: 岡田泰昌
  • 雑誌名: 慶應医学 85 ページ: 159-168
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fluorescence imaging of active respiratory networks (2009)
  • 著者名/発表者名: Ruangkittisakua A, Okada Y, Oku Y, Koshiya N, Ballanyi K
  • 雑誌名: Respiration Physiology & Neurobiology 168 ページ: 26-38
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hodgkin-Huxleyモデルにおけるパラメータと外部入力電流の同時推定 (2008)
  • 著者名/発表者名: 川合成治,石黒真木夫,越久仁敬
  • 雑誌名: 計測自動制御学会論文集 Vol.44 No.10 ページ: 838-845
  • 査読あり
• [雑誌論文] 確率過程としてみたHodgkin-Huxleyモデルの統計的推定方法 (2008)
  • 著者名/発表者名: 川合成治,石黒真木夫
  • 雑誌名: 物性研究 91 ページ: 160-167
• [学会発表] 脳・神経データの時空間解析 (2010)
  • 著者名/発表者名: 三分一史和
  • 学会等名: 神経科学と統計科学の対話
  • 発表場所: 統計数理研究所
  • 年月日: 2010-12-19
• [学会発表] A standardization method of voltage-imaging data that enables to average and compare spatio-temporal neuronal activities obtained from different samples (2010)
  • 著者名/発表者名: Fujiki Y, Yokota S, Okada Y, Oku Y, Miwakeichi F, Tamura Y, Ishiguro M
  • 学会等名: Neuro2010
  • 発表場所: Kobe, Japan
  • 年月日: 2010-09-02
• [学会発表] 頚髄呼吸関連運動ニューロンにおける自発呼吸神経活動時空間動態の高速膜電位イメージング解析) (2009)
  • 著者名/発表者名: Shinozaki Y, Yokota S, Miwakeichi F, Aoyama R, Oku Y, Okada Y
  • 学会等名: 第32回日本神経科学大会
  • 発表場所: 名古屋
  • 年月日: 20090916-20090918
• [学会発表] Spatio-temporal innovation approach for the analysis of optical voltage-imaging data (2009)
  • 著者名/発表者名: Miwakeichi F, Oku Y, Okada Y, Kawai S, Tamura, Y, Ishiguro M
  • 学会等名: XXIV annual meeting Federation of Society of Experimental Biology
  • 発表場所: guas de Lindia, So Paulo, Brazil
  • 年月日: 20090819-20090822
• [学会発表] Non-deterministic breakdown of the preBotzinger complex neuronal synchronicity may lead to quantal slowing of respiratory rhythm. (2009)
  • 著者名/発表者名: Lal A, Oku Y, Hlsmann S, Okada Y, Miwakeichi F, Kawai S, Tamura Y, Ishiguro M
  • 学会等名: XXXVIth International Union of Physiological Sciences (IUPS2009).
  • 発表場所: Kyoto, Japan
  • 年月日: 20090727-20090801
• [学会発表] Localization and mechanisms of central chemoreception. Symposium." Chemical Control of Breathing : Molecular and Systemic Mechanisms and Effects (2009)
  • 著者名/発表者名: Okada Y, Kuwana S, Yokota S, Chen Z, Oku Y.
  • 学会等名: XXXVIth International Union of Physiological Sciences (IUPS2009).
  • 発表場所: Kyoto, Japan
  • 年月日: 20090727-20090801
• [学会発表] Advances in analyses of spatiotemporal respiratory network activities using voltage-sensitive dyes. (2009)
  • 著者名/発表者名: Oku Y.
  • 学会等名: XXXVIth International Union of Physiological Sciences (IUPS2009).
  • 発表場所: Kyoto, Japan
  • 年月日: 20090727-20090801
• [学会発表] Spatiotemporal activity of respiratory neurons in the cervical spinal cord at the level of the phrenic nucleus in neonatal rats (2009)
  • 著者名/発表者名: Shinozaki Y, Miwakeichi F, Yokota S, Aoyama R, Oku Y, Okada Y.
  • 学会等名: The 11th Oxford Conference on Modeling and Control of Breathing.
  • 発表場所: Nara, Japan
  • 年月日: 20090724-20090726
• [学会発表] Anatomical and functional correlates between phrenic and scalene motoneurons in the cervical spinal cord of neonatal rats. (2009)
  • 著者名/発表者名: Yokota S, Shinozaki Y, Oku Y, Okada Y, Yasui Y.
  • 学会等名: The 11th Oxford Conference on Modeling and Control of Breathing.
  • 発表場所: Nara, Japan
  • 年月日: 20090724-20090726
• [学会発表] What does the multi-peaked respiratory output pattern tell us about the respiratory pattern generating neuronal network? (2009)
  • 著者名/発表者名: Ishiguro M, Kawai S, Okada Y, Oku Y, Miwakeichi F, Tamura Y, Lal A
  • 学会等名: The 11th Oxford Conference on Modeling and Control of Breathing.
  • 発表場所: Nara, Japan
  • 年月日: 20090724-20090726
• [学会発表] Assumption free and structural methods that characterize dynamics of optically recorded respiratory neuronal activity without averaging (2008)
  • 著者名/発表者名: Oku Y., Miwakeichi, F., Kawai S., Okada, Y. Tamura Y., Ishiguro M.
  • 学会等名: International Symposium on Respiratory Control
  • 発表場所: St.Maxmin, France
  • 年月日: 20081201-20081204
• [学会発表] Autoregressive and parametric modeling approaches to optical imaging data characterize the dynamic process of the respiratory central pattern generator in the neonatal rat brainstem (2008)
  • 著者名/発表者名: Oku Y., Miwakeichi, F., Kawai S., Okada, Y., Ishiguro, M, Tamura Y.
  • 学会等名: 6th Forum of European Neuroscience
  • 発表場所: Geneva, Switzerland
  • 年月日: 20080712-20080716
• [学会発表] Innovation approach to detect the respiratory related neuronal activity in the brainstem based on optical imaging data (2008)
  • 著者名/発表者名: Miwakeichi ,F., Oku Y., Okada, Y., Kawai S., Tamura Y., Ishiguro, M.
  • 学会等名: 14th Annual Meeting of the Organization for Human Brain Mapping
  • 発表場所: Melbourne, Australia
  • 年月日: 20080615-20080619
• [学会発表] 呼吸ニューロンネットワークの光学的イメージングデータ時系列の統計数理学的解析とシミュレーション (2008)
  • 著者名/発表者名: 越久仁敬
  • 学会等名: 第48回日本呼吸器学会学術講演会
  • 発表場所: 神戸
  • 年月日: 20080615-20080617
• [学会発表] Desynchronization of bursting neurons in the preBotzinger complex may produce quantal slowing of the respiratory rhythm (2008)
  • 著者名/発表者名: Lal A., Oku Y., Fresemann J., Hulsmann S., Okada, Y., Miwakeichi F, Kawai S., Tamura Y., Ishiguro, M.
  • 学会等名: The International Discussion Forum & the 242nd Tokyo Discussion Meeting of the Physiological Society of Japan
  • 発表場所: Tokyo
  • 年月日: 2008-10-26
• [学会発表] Parametric modeling approach to optical imaging data finds close input output relation between the central neuronal activity and the respiratory motor output (2008)
  • 著者名/発表者名: Kawai S, Oku Y, Okada Y, Miwakeichi F, Ishiguro M, Tamura Y
  • 学会等名: Computational Neuroscience 2008
  • 発表場所: Florida
  • 年月日: 2008-02-21
• [学会発表] Hodgkin-Huxleyモデルにおけるモデルパラメータと外部入力電流の同時推定 (2007)
  • 著者名/発表者名: 川合成治,石黒真木夫
  • 学会等名: 統計数理研究所研究会「非線形科学と統計科学の対話」
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2007-11-27
• [学会発表] Hodgkin-HuxleyモデルにおけるKalman filterの適用と入力電流・パラメータの推定 (2007)
  • 著者名/発表者名: 川合成治,石黒真木夫
  • 学会等名: 第50回自動制御連合講演会
  • 発表場所: 横浜
  • 年月日: 2007-11-24
• [学会発表] The simultaneous estimations of the trend input current and the model parameters in the Hodgkin-Huxley model (2007)
  • 著者名/発表者名: Kawai S, Ishiguro M
  • 学会等名: 39th ISCIE International Symposium on Stochastic Systems Theory and Its Applications
  • 発表場所: Saga, Japan
  • 年月日: 2007-11-08
• [学会発表] Hodgkin-Huxleyモデルの統計的パラメータ推定 (2007)
  • 著者名/発表者名: 川合成治,石黒真木夫
  • 学会等名: 2007年度統計関連学会連合大会
  • 発表場所: 神戸
  • 年月日: 2007-09-08
• [学会発表] 神経モデルの離散化と状態推定 (2007)
  • 著者名/発表者名: 川合成治,石黒真木夫
  • 学会等名: 第51回システム制御情報学会研究発表講演会
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 2007-05-18
• [図書] Computational Neuroscience(Parametric modeling analysis of optical imaging data on neuronal activities in the brain.) (2010)
  • 著者名/発表者名: Kawai S, Oku Y, Miwakeichi F, Miwakeichi F, Ishiguro M, Tamura Y.
  • 出版者: Springer
• [産業財産権] イメージングデータからの状態変化抽出方法,状態変化の可視化システム,および,コンピュータプログラム (2008)
  • 発明者名: 三分一史和,越久仁敬,岡田泰昌,石黒真木夫,田村義保,川合成治
  • 権利者名: 情報・システム研究機構 千葉大学 兵庫医科大学 学校法人慶応義塾
  • 産業財産権番号: 特許権,特願2008-125453(審査請求中)
  • 出願年月日: 2008-05-13