脳神経回路の自動解析法の開拓

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25610126
• 研究機関: 東海大学
• 研究代表者: 水谷 隆太 東海大学, 工学部, 教授 (70272482)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 神経回路 / マイクロトモグラフィ

研究実績の概要

脳の神経回路は、多数のニューロンがネットワークを形成して成り立っている。脳神経回路の解析を進めるためには、（１）脳組織の微細構造を三次元的に可視化し、（２）得られる三次元像を解釈してネットワークモデルを構築し、（３）これを神経回路に変換する、という３ステップを経なくてはならない。このようなニューロンレベルでの神経回路の研究は世界的にも端緒についたところであり、ステップ２のモデル構築も手作業で行われるのが現状である。このため、解析に多大な時間と労力を要し、ネットワーク構造を構築した報告は少数に限られる。そこで本研究では、専用のアルゴリズムを用いて三次元像を機械解釈させ、コンピュータによるモデル構築を目的として測定・解析を進めてきた。
神経ネットワークは、ニューロンの細胞体の粒状構造と、そこから伸びる軸索・樹状突起の線状構造から構成される。実際の解析像では、毛細血管の構造や、試薬の沈着等による実験的なノイズが含まれる場合もある。そのような解析対象とすべきでない構造部分の識別については、既に専用のアルゴリズムを考案してソフトウエアに組み込んでいる。本年度は、これを応用してモデル構築時にマスクし、神経ネットワークの線状構造のみを検出することで、モデル構築を迅速に行うことできた。そこで、当該年度も含めて測定してきた各症例の脳組織構造を、網羅的に解析する作業を進めた。これらの解析では、テラバイト単位のデータを逐次アクセスして画像処理することが必要となり、本年度の物品費によりハードディスクアレイとRAIDインターフェースを整備して研究に供した。
また、解析の対象となる三次元像を得るため、脳組織検体を用いて測定も引き続き行った。測定実験は放射光施設に赴いて行う必要があり、そのために旅費を支出し、測定データを得て上述の解析に用いた。

研究成果

• [雑誌論文] A method for estimating spatial resolution of real image in the Fourier domain (2016)
  • 著者名/発表者名: Ryuta Mizutani, Rino Saiga, Susumu Takekoshi, Chie Inomoto, Naoya Nakamura, Masanari Itokawa, Makoto Arai, Kenichi Oshima, Akihisa Takeuchi, Kentaro Uesugi, Yasuko Terada, and Yoshio Suzuki
  • 雑誌名: J. Microsc. 巻: 261 ページ: 57-66
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1111/jmi.12315
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Recent progress of hard x-ray imaging microscopy and microtomography at BL37XU of SPring-8 (2016)
  • 著者名/発表者名: Yoshio Suzuki, Akihisa Takeuchi, Yasuko Terada, Kentaro Uesugi, and Ryuta Mizutani
  • 雑誌名: AIP Conf. Proc. 巻: 1696 ページ: 020013
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4937507
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Three-dimensional structure of brain tissue at submicrometer resolution. (2016)
  • 著者名/発表者名: Rino Saiga, Ryuta Mizutani, Chie Inomoto, Susumu Takekoshi, Naoya Nakamura, Akio Tsuboi, Motoki Osawa, Makoto Arai, Kenichi Oshima, Masanari Itokawa, Kentaro Uesugi, Akihisa Takeuchi, Yasuko Terada, and Yoshio Suzuki
  • 雑誌名: AIP Conf. Proc. 巻: 1696 ページ: 020004
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4937498
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Three-dimensional neuronal structure of human cerebral cortex determined by synchrotron-radiation microtomography (2015)
  • 著者名/発表者名: Rino Saiga, Susumu Takekoshi, Chie Inomoto, Naoya Nakamura, Akio Tsuboi, Motoki Osawa, Makoto Arai, Kenichi Oshima, Masanari Itokawa, Kentaro Uesugi, Akihisa Takeuchi, Yasuko Terada, Yoshio Suzuki, and Ryuta Mizutani
  • 雑誌名: Microsc. Microanal. 巻: 21(S3) ページ: 919-920
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1017/S1431927615005395
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] X-ray tomographic microscopy of Drosophila brain network and skeletonized model building in the three-dimensional image (2015)
  • 著者名/発表者名: Ryuta Mizutani, Rino Saiga, Kentaro Uesugi, Akihisa Takeuchi, Yasuko Terada, and Yoshio Suzuki
  • 雑誌名: Microsc. Microanal. 巻: 21(S3) ページ: 917-918
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1017/S1431927615005383
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Scanning Brain Networks with Micro-CT (2015)
  • 著者名/発表者名: Ryuta Mizutani, Rino Saiga, Susumu Takekoshi, Makoto Arai, Akihisa Takeuchi, and Yoshio Suzuki
  • 雑誌名: Microscopy Today 巻: 23 ページ: 12-17
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1017/S1551929515000784
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] One-step generation of multiple transgenic mouse lines using an improved Pronuclear Injection-based Targeted Transgenesis (i-PITT) (2015)
  • 著者名/発表者名: Masato Ohtsuka, Hiromi Miura, Keiji Mochida, Michiko Hirose, Ayumi Hasegawa, Atsuo Ogura, Ryuta Mizutani, Minoru Kimura, Ayako Isotani, Masahito Ikawa, Masahiro Sato and Channabasavaiah B Gurumurthy
  • 雑誌名: BMC Genomics 巻: 16 ページ: 274
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1186%2Fs12864-015-1432-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] ヒト大脳皮質の神経回路の三次元解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 藤巻知央，菊池亜弥，蓮見真子，竹腰進，井野元智恵，中村直哉，坪井秋男，大澤資樹，新井誠，大島健一，糸川昌成，上杉健太朗，竹内晃久，寺田靖子，鈴木芳生，雑賀里乃，水谷隆太
  • 学会等名: 第88回日本生化学会大会
  • 発表場所: 神戸国際会議場（神戸市）
  • 年月日: 2015-12-01
• [学会発表] X-ray Tomographic Microscopy of Drosophila Brain Network and Skeletonized Model Building in the Three-Dimensional Image (2015)
  • 著者名/発表者名: Ryuta Mizutani, Rino Saiga, Kentaro Uesugi, Akihisa Takeuchi, Yasuko Terada and Yoshio Suzuki
  • 学会等名: Microscopy & Microanalysis 2015 Meeting
  • 発表場所: Oregon Convention Center (Portland, USA)
  • 年月日: 2015-08-04
  • 国際学会
• [学会発表] Three-Dimensional Neuronal Structure of Human Cerebral Cortex Determined by Synchrotron-Radiation Microtomography (2015)
  • 著者名/発表者名: Rino Saiga, Susumu Takekoshi, Chie Inomoto, Naoya Nakamura, Akio Tsuboi, Motoki Osawa, Makoto Arai, Kenichi Oshima, Masanari Itokawa, Kentaro Uesugi, Akihisa Takeuchi, Yasuko Terada, Yoshio Suzuki and Ryuta Mizutani
  • 学会等名: Microscopy & Microanalysis 2015 Meeting
  • 発表場所: Oregon Convention Center (Portland, USA)
  • 年月日: 2015-08-04
  • 国際学会
• [備考] Mizutani Lab, Tokai Univ
  • URL: http://www.el.u-tokai.ac.jp/ryuta/