• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to project page

2018 Fiscal Year Annual Research Report

Establishing Theoretical Foundations for Mathematical Modeling of Pathological Biosystems and its Applications to Personalized Medicine

Research Project

Project/Area Number 15H05707
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

合原 一幸  東京大学, 生産技術研究所, 教授 (40167218)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 宮野 悟  東京大学, 医科学研究所, 教授 (50128104)
鈴木 大慈  東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 准教授 (60551372)
奥 牧人  富山大学, 和漢医薬学総合研究所, 特命准教授 (30633565)
森野 佳生  九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (90712737)
中岡 慎治  北海道大学, 先端生命科学研究院, 特任講師 (30512040)
Project Period (FY) 2015-05-29 – 2020-03-31
Keywords生命病態システム / 数理モデリング / 個別化医療 / 内分泌療法 / 動的ネットワークバイオマーカー
Outline of Annual Research Achievements

1. 数理モデルに基づく前立腺がんの内分泌療法と他の疾患への展開
前立腺がんに関しては、PSA(Prostate Specific Antigen: 前立腺特異抗原)という高感度のバイオマーカーが存在するため、前立腺がんの数理モデルの性能をPSAデータを用いて定量的に評価することが可能である。平成30年度は、昨年度までの解析をさらに進めると共に、転移と去勢抵抗性との間の関係性に関する考察を行い、実用的な最適投薬スケジュール計算方法の構築に向けた基礎理論開発などに取り組んだ。また、研究費の繰越により、慢性骨髄性白血病のデータを用いた予後予測手法の検討も新たに行った。さらに、大腸がんやアトピー性皮膚炎などの他の疾患の解析も進めた。

2. 動的ネットワークバイオマーカー理論の発展とその応用
本研究では、病態の変化を一種の複雑生体ネットワークの動的な状態遷移としてとらえ、発病直前に先導して不安定化する生体ネットワークの部分ネットワークである動的ネットワークバイオマーカー(Dynamical Network Biomarkers: DNB)を効率的に検出する数理手法とアルゴリズムを開発している。平成30年度は、これまでの成果をさらに発展させ、DNBの実用的応用に向けて、外れ値の影響を受けにくいロバストな成分選択を可能とする新たな統計的手法の開発や、状態遷移確率を推定するための理論的基盤の構築などに取り組んだ。また、病態悪化の予兆検出につながる因子の同定を可能にするアルゴリズムについて検討を行い、具体的な疾患へ適用するための準備を行った。さらに、交通システムの解析などのためにDNB解析を一般化したDNM(Dynamical Network Markers)解析の応用可能性を検討した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

1. [数理モデルに基づく前立腺がんの内分泌療法と他の疾患への展開]では、転移と去勢抵抗性との間の関係性に関する考察を行うことで、実用的な最適投薬スケジュール計算方法の構築に向けた基礎理論開発などに取り組んで成果を得た。また、大腸がんやアトピー性皮膚炎などの解析も行った。さらに研究費の繰越により、他の疾患への展開として新たに慢性骨髄性白血病の臨床データ解析を行った。具体的には、時系列予測手法に数理生物学的知見を組み合わせることで、患者ごとの病態や薬効を予測する数理解析手法の検討・開発を進め、これにより慢性骨髄性白血病患者に対して効果的な治療計画を支援するための数理的土台を構築した。これらの成果により、重要性の高い応用展開・発展の可能性について検討する準備が進んだ。

2. [動的ネットワークバイオマーカー理論の発展とその応用]では、DNBの実用的応用に向けて、外れ値の影響を受けにくいロバストな成分選択を可能とする新たな統計的手法の開発や、状態遷移確率を推定するための理論的基盤の構築などに取り組んだ。また、擬似時間再構成法と呼ばれる手法を適用することで、非時系列データであっても擬似的な疾患発症過程を再構築することができるが、この擬似発症過程に対してDNB理論の考え方を適用することで、病態悪化の予兆検出につながる因子の同定を可能にする解析手法を開発中である。さらに、交通システムの解析などのためにDNB解析のDNM(Dynamical Network Markers)解析への一般化を進めた。このように、DNB理論の拡張や他の多様な複雑システムへの応用も含めた発展に向けた準備が順調に進みつつある。

以上の成果を踏まえ、今年度は「当初の計画以上に進展している」と自己評価している。

Strategy for Future Research Activity

藤原寛太郎(東大・IRCN・特任准教授)、森野佳生(九大・総理工・准教授)、梶田真司(福井大・工・助教)、中岡慎治(北大・先端生命・准教授)らと連携・協力して,引き続きこれまでの研究を進展させるとともに、あらたに慢性骨髄性白血病に関してのデータの予備解析や免疫数理モデルの検討を進めるなど、その他の複雑系疾患も含めた治療に関わる予測手法の開発・評価にも取り組んでいく。

  • Research Products

    (54 results)

All 2019 2018

All Journal Article (24 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 20 results,  Open Access: 14 results) Presentation (28 results) (of which Int'l Joint Research: 15 results,  Invited: 13 results) Book (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Two Novel Methods for Extracting Synchronously Fluctuated Genes2019

    • Author(s)
      M. Oku
    • Journal Title

      IPSJ Transactions on Bioinformatics

      Volume: Vol.12 Pages: pp.9-16

    • DOI

      10.2197/ipsjtbio.12.9

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Combining multiple forecasts for multivariate time series via state-dependent weighting2019

    • Author(s)
      S. Okuno, K. Aihara, Y. Hirata
    • Journal Title

      Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science

      Volume: Vol.29 Pages: 033128, pp.1-11

    • DOI

      10.1063/1.5057379

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] もう一つの主成分分析に基づく同期性揺らぎ遺伝子抽出法2019

    • Author(s)
      奥 牧人
    • Journal Title

      情報処理学会研究報告

      Volume: Vol.2019-BIO-57, No.2 Pages: pp.1-6

  • [Journal Article] 二次多項式近似による臨界遷移確率の推定2019

    • Author(s)
      奥 牧人
    • Journal Title

      電子情報通信学会技術研究報告

      Volume: Vol.118, No.498 Pages: pp.57-62

  • [Journal Article] Detection for disease tipping points by landscape dynamic network biomarkers2018

    • Author(s)
      X. Liu, X. Chang, S. Leng, H. Tang, K. Aihara, and L. Chen
    • Journal Title

      National Science Review

      Volume: Vol.6 Pages: pp.775-785

    • DOI

      10.1093/nsr/nwy162

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Short-term local weather forecast using dense weather station by deep neural network2018

    • Author(s)
      K. Yonekura, H. Hattori, T. Suzuki
    • Journal Title

      2018 IEEE International Conference on Big Data (Big Data)

      Volume: - Pages: pp.1683-1690

    • DOI

      10.1109/BigData.2018.8622195

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Sample Efficient Stochastic Gradient Iterative Hard Thresholding Method for Stochastic Sparse Linear Regression with Limited Attribute Observation2018

    • Author(s)
      T. Murata, and T. Suzuki
    • Journal Title

      Advances in Neural Information Processing Systems 31 (NeurIPS2018)

      Volume: - Pages: pp.5312-5321

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Bifurcation mechanism for emergence of spontaneous oscillations in coupled heterogeneous excitable units2018

    • Author(s)
      K. Morino, G. Tanaka, K. Aihara
    • Journal Title

      Physical Review E

      Volume: Vol.98 Pages: 052210, pp.1-15

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.98.052210

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Photoplethysmogram at green light: Where does chaos arise from?2018

    • Author(s)
      N. Sviridova, T. Zhao, K. Aihara, K. Nakamura, A. Nakano
    • Journal Title

      Chaos, Solitons & Fractals

      Volume: Vol.116 Pages: pp.157-165

    • DOI

      10.1016/j.chaos.2018.09.016

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A temporal shift of the evolutionary principle shaping intratumor heterogeneity in colorectal cancer2018

    • Author(s)
      T. Saito, A. Niida, R. Uchi, H. Hirata, H. Komatsu, S. Sakimura, S. Hayashi, S. Nambara, Y. Kuroda, S. Ito, H. Eguchi, T. Masuda, K. Sugimachi, T. Tobo, H. Nishida, T. Daa, K. Chiba, Y. Shiraishi, T. Yoshizato, M. Kodama, T. Okimoto, K. Mizukami, R. Ogawa, K. Okamoto, M. Shuto, K. Fukuda, S. Miyano, K. Mimori, et al.
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: Vol.9, No.1 Pages: 2884, pp.1-11

    • DOI

      10.1038/s41467-018-05226-0

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Fast learning rate of non-sparse multiple kernel learning and optimal regularization strategies2018

    • Author(s)
      T. Suzuki
    • Journal Title

      Electronic Journal of Statistics

      Volume: Vol.12, No.2 Pages: pp.2141-2192

    • DOI

      10.1214/18-EJS1399

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Functional Gradient Boosting based on Residual Network Perception2018

    • Author(s)
      A. Nitanda, T. Suzuki
    • Journal Title

      Proceedings of the 35th International Conference on Machine Learning

      Volume: Vol.80 Pages: pp.3819-3828

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Bifurcation analysis of a mathematical model of atopic dermatitis to determine patient-specific effects of treatments on dynamic phenotypes2018

    • Author(s)
      G. Tanaka, E. Dominguez-Huttinger, P. Christodoulides, K. Aihara, R.J. Tanaka
    • Journal Title

      Journal of Theoretical Biology

      Volume: Vol.448 Pages: pp.66-79

    • DOI

      10.1016/j.jtbi.2018.04.002

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Delayed feedback induced complex dynamics in an Escherichia coli and Tetrahymena system2018

    • Author(s)
      Y. Dong, M. Sen, M. Banerjee, Y. Takeuchi, S. Nakaoka
    • Journal Title

      Nonlinear Dynamics

      Volume: Vol.94 Pages: pp.1447-1466

    • DOI

      10.1007/s11071-018-4434-4

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Bifurcation analysis of eight coupled degenerate optical parametric oscillators2018

    • Author(s)
      D. Ito, T. Ueta, K. Aihara
    • Journal Title

      Physica D: Nonlinear Phenomena

      Volume: Vol.372 Pages: pp.22-30

    • DOI

      10.1016/j.physd.2018.01.010

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Development and Applications of Biomimetic Neuronal Networks Toward BrainMorphic Artificial Intelligence2018

    • Author(s)
      T. Levi, T. Nanami, A. Tange, K. Aihara, T. Kohno
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs

      Volume: Vol.65 Pages: pp.577-581

    • DOI

      10.1109/TCSII.2018.2824827

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Generalized ridge estimator and model selection criteria in multivariate linear regression2018

    • Author(s)
      Y. Mori and T. Suzuki
    • Journal Title

      Journal of Multivariate Analysis

      Volume: Vol.165 Pages: pp.243-261

    • DOI

      10.1016/j.jmva.2017.12.006

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Independently Interpretable Lasso: A New Regularizer for Sparse Regression with Uncorrelated Variables2018

    • Author(s)
      M. Takada, T. Suzuki, H. Fujisawa
    • Journal Title

      Proceedings of Machine Learning Research

      Volume: Vol.84 Pages: pp.454-463

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Gradient Layer: Enhancing the Convergence of Adversarial Training for Generative Models2018

    • Author(s)
      A. Nitanda and T. Suzuki
    • Journal Title

      Proceedings of Machine Learning Research

      Volume: Vol.84 Pages: pp.1008-1016

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Fast generalization error bound of deep learning from a kernel perspective2018

    • Author(s)
      T. Suzuki
    • Journal Title

      Proceedings of Machine Learning Research

      Volume: Vol.84 Pages: pp.1397-1406

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Recent progress in mathematical modelling of complex systems2018

    • Author(s)
      K. Aihara
    • Journal Title

      Nonlinear Theory and Its Applications, IEICE

      Volume: Vol.9 Pages: pp.149-154

    • DOI

      10.1587/nolta.9.149

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Reconstructed Dynamics of the Imaging Photoplethysmogram2018

    • Author(s)
      N. Sviridova, V. Savchenko, M. Savchenko, K. Aihara, K. Okada, and T. Zhao
    • Journal Title

      IEEE Engineering in Medicine and Biology Society

      Volume: EMBC 2018 Pages: pp.2969-2972

    • DOI

      10.1109/EMBC.2018.8512955

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 同期性揺らぎ遺伝子の二つの新規抽出法2018

    • Author(s)
      奥 牧人
    • Journal Title

      情報処理学会研究報告

      Volume: Vol.2018-BIO-56, No.1 Pages: pp.1-6

  • [Journal Article] Expert Advice法に基づく時系列解析2018

    • Author(s)
      森野 佳生
    • Journal Title

      生産研究

      Volume: 70 Pages: pp.165-169

    • DOI

      10.11188/seisankenkyu.70.165

    • Open Access
  • [Presentation] 複雑系数理解析の最新動向:予測技術と組合せ最適化技術を例にして2019

    • Author(s)
      合原一幸
    • Organizer
      情報理工R2Pシンポジウム『情報理工学系研究の最新動向』
    • Invited
  • [Presentation] Nonlinear Neural Dynamics and its Electronic and Optical Implementation2019

    • Author(s)
      K. Aihara
    • Organizer
      The 2019 Riken International Workshop on Neuromorphic Computing
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Nonlinear Dynamics of Coherent Ising Machines for Coherent Network Computing2019

    • Author(s)
      K. Aihara
    • Organizer
      Coherent Network Computing (CNC2019)
  • [Presentation] サイエンスとしての未病:その数学的定義と応用2019

    • Author(s)
      合原一幸(特別講演)
    • Organizer
      第8回サイエンス漢方処方研究会シンポジウム
    • Invited
  • [Presentation] Hybrid Control and Treatment Design of Prostate Cancer by Mathematical Modeling and Machine Learning2019

    • Author(s)
      K. Aihara
    • Organizer
      BDR Symposium 2019 -- Control and Design of Biosystems
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] もう一つの主成分分析に基づく同期性揺らぎ遺伝子抽出法2019

    • Author(s)
      奥 牧人
    • Organizer
      情報処理学会第57回バイオ情報学研究会
  • [Presentation] 二次多項式近似による臨界遷移確率の推定2019

    • Author(s)
      奥 牧人
    • Organizer
      電子情報通信学会非線形問題研究会
  • [Presentation] Individuality and Personalized Medicine: a DNB (Dynamical Network Biomarkers) Approach2018

    • Author(s)
      K. Aihara
    • Organizer
      International symposium: Toward Understanding "INDIVIDUALITY''
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 感染症やがんへの数理工学的アプローチ2018

    • Author(s)
      合原一幸
    • Organizer
      RIMS共同研究(公開型)第15回生物数学の理論とその応用 ―次世代の数理科学への展開―
    • Invited
  • [Presentation] 複雑系数理モデル学の未病創薬・未病医療への応用可能性2018

    • Author(s)
      合原一幸
    • Organizer
      未病PJセミナー & 和漢研 特別セミナー『数理科学・情報科学と生命科学の融合による未病創薬・未病医療への展開』
    • Invited
  • [Presentation] 数理脳科学から見る脳と次世代人工知能2018

    • Author(s)
      合原一幸
    • Organizer
      日本学術会議 公開シンポジウム『脳科学と人工知能(AI):その期待と課題』
    • Invited
  • [Presentation] 数理的情報活用基盤:複雑系数理モデル学の観点から2018

    • Author(s)
      合原一幸
    • Organizer
      『数理的情報活用基盤』ワークショップ
    • Invited
  • [Presentation] 複雑系数理モデル学で読み解く生命:動的ネットワークバイオマーカーによる未病医療を目指して2018

    • Author(s)
      合原一幸
    • Organizer
      第16回糖鎖科学コンソーシアムシンポジウム
    • Invited
  • [Presentation] Cancer Genomics and Clinical Sequencing -Our Experiences-2018

    • Author(s)
      S. Miyano
    • Organizer
      Milken Prostate Cancer Foundation/Genesort Conference in Precision Medicine in Cancer Genomic
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Trajectory inference of disease onset from non-time series microbiome datasets2018

    • Author(s)
      S. Nakaoka
    • Organizer
      South Lake Workshop in Bioinformatics and System Biology
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Invasibility threshold and persistence of bacterial species2018

    • Author(s)
      S. Nakaoka
    • Organizer
      Annual meeting of Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Development and applications of an optimization method to detect neighbor equilibria of a trajectory for Lotka-Volterra systems2018

    • Author(s)
      S. Nakaoka
    • Organizer
      12th AIMS International Conference
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Independently Interpretable Lasso: A New Regularizer for Sparse Regression with Uncorrelated Variables2018

    • Author(s)
      M. Takada, T. Suzuki, H. Fujisawa
    • Organizer
      The 21st International Conference on Artificial Intelligence and Statistics (AISTATS2018)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Fast generalization error bound of deep learning from a kernel perspective2018

    • Author(s)
      T. Suzuki
    • Organizer
      The 21st International Conference on Artificial Intelligence and Statistics (AISTATS2018)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Gradient Layer: Enhancing the Convergence of Adversarial Training for Generative Models2018

    • Author(s)
      A. Nitanda and T. Suzuki
    • Organizer
      The 21st International Conference on Artificial Intelligence and Statistics (AISTATS2018)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Functional gradient boosting based on residual network perception2018

    • Author(s)
      A. Nitanda and T. Suzuki
    • Organizer
      35th International Conference on Machine Learning (ICML2018)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Sample Efficient Stochastic Gradient Iterative Hard Thresholding Method for Stochastic Sparse Linear Regression with Limited Attribute Observation2018

    • Author(s)
      T. Murata and T. Suzuki
    • Organizer
      Thirty-second Conference on Neural Information Processing Systems (NeurIPS2018)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Short-term local weather forecast using dense weather station by deep neural network2018

    • Author(s)
      K. Yonekura, H. Hattori, T. Suzuki
    • Organizer
      2018 IEEE International Conference on Big Data
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Detection of Heat Stress Effects on Greenhouse Workers by Using Photoplethysmogram2018

    • Author(s)
      T. Zhao, N. Sviridova, K. Aihara, K. Okada, and A. Nakano
    • Organizer
      Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Reconstructed Dynamics of the Imaging Photoplethysmogram2018

    • Author(s)
      N. Sviridova, V. Savchenko, M. Savchenko, K. Aihara, K. Okada, and T. Zhao
    • Organizer
      Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 化学反応の非線形応答性から捉える免疫T細胞の抗原識別2018

    • Author(s)
      梶田真司,小林徹也,合原一幸
    • Organizer
      北海道大学Mathematical Modeling倶楽部 (HMMC)セミナー
  • [Presentation] 免疫T細胞か?多様な抗原から標的抗原を検出する数理的メカニズム2018

    • Author(s)
      梶田真司,合原一幸,小林徹也
    • Organizer
      新学術領域研究「細胞ダイバース」第二回若手ワークショップ
  • [Presentation] 同期性揺らぎ遺伝子の二つの新規抽出法2018

    • Author(s)
      奥 牧人
    • Organizer
      情報処理学会第56回バイオ情報学研究会
  • [Book] 'Integrated population biology and modeling' (eds A.S. Rao C.R. Rao), pp.93-1302018

    • Author(s)
      S. Nakaoka
    • Total Pages
      633
    • Publisher
      North Holland
    • ISBN
      9780444640727
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 気象予測システム、気象予測方法、および気象予測プログラム2018

    • Inventor(s)
      米倉一男 ,鈴木大慈
    • Industrial Property Rights Holder
      株式会社 IHI,国立大学法人東京大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2018-227904

URL: 

Published: 2021-01-27  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi