著者

宮川 博義 青西 亨

出版者

一般社団法人 日本物理学会

雑誌

日本物理学会誌 (ISSN:00290181)

巻号頁・発行日

vol.71, no.6, pp.352-361, 2016-06-05 (Released:2016-08-10)

参考文献数

23

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脳機能を探る目的で神経組織から磁気共鳴機能画像法(fMRI: functional magnetic resonance imaging),陽電子放射断層撮影(PET: positron emission tomography),脳波(EEG: electro-encephalogram),脳磁図(MEG: magneto-encephalogram)など様々な巨視的信号が記録されている.これらを用いた脳科学の研究成果が日常的にメディアに登場し,一見脳機能の理解が進んでいるようであるが,現実には脳科学はまだまだ未熟な段階にある.窮屈になってきた社会状況のためか,精神疾患の患者が増えているが,疾患の原因の解明あるいは治療法の開発に脳科学はまだしっかりとした貢献ができていない.問題の一端は,細胞・分子レベルの微視的な知見と,脳・個体レベルの巨視的な知見との乖離にあるように思われる.知覚・認知・意図・意識等の高次脳機能を支えているのは,脳を構成するニューロンのミリ秒レベルの速い電気的活動であろう.ところがf MRI,PET等はニューロンの速い活動を捕らえているわけではなく,脳活動にともなうエネルギー代謝に関わる信号を検出しているに過ぎず,充分な時間的精度を持たない.それに対し,EEGおよびMEGはニューロンの速い電気的活動に由来する信号を検出・記録することができる.しかし,得られる信号はやはり巨視的であり,微視的なニューロン活動との関係は不明である.例えば総合失調症の原因解明や診断のために,発症にともなう脳波の異常を見つけようとする試みがなされていて,P300やミスマッチ陰性電位(mismatch negativity)といった脳電位が検討されている.残念ながらこれらの電位が,脳のどの部位の活動に起因するものであるかは明瞭でなく,ニューロンレベルのどのような異常と関連しているかもはっきりしない.脳波あるいは細胞外電位から電流源を求め,その部位のニューロン活動との関係が明確になれば研究が大きく進むのだが,それができないでいる現状にある.通常,神経組織の電流と電位との関係にはオームの法則が成り立ち,誘電率を考慮する必要はないと仮定して脳波の逆問題を解いている.ところが,生体組織が数Hz程度の低周波領域において極めて大きな誘電率(比誘電率106以上)を示すことが古くから知られている.巨視的な脳波信号と微視的なニューロン活動との関係が不明確なのは脳組織の誘電率を考慮していないことに一因があるのかもしれない.我々は,ある程度の長さの突起を持った細胞が生体組織中に存在すると,細胞膜の特性とケーブル特性により低周波において大きな誘電率を示しうることを理論的研究により見出した.さらに,その研究過程において,電気的な意味での「細胞外スペース」の描像を明確にし,脳波の解析の際に誘電率をあらわに考慮して細胞外電位と電流源との関係を示す一般的記述を得た.

著者

宮川 博義

出版者

日本神経回路学会

雑誌

日本神経回路学会誌 (ISSN:1340766X)

巻号頁・発行日

vol.2, no.2, pp.43-47, 1995-06-05 (Released:2010-12-01)

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脳の動作原理を理解するための戦略には大きく分けて, 分析的戦略と構成的戦略とがある. 理学的と工学的, あるいは実験的と理論的といってもよい. 神経回路学会の会員諸氏の多くは構成的戦略も取っておられるであろう. 構成的戦略を取る研究者が, 分析的戦略から得られた成果, すなわち神経細胞の特性や脳の動作様式に関する最新の, あるいは一般的な知見を得たいと思っても, なかなか容易ではない. 分析的手法を取る者と構成的手法を取る者との間のギャップは意外に深いのである. このギャップをうめるためには教育システムの改変が必要なのだと筆者は考えるが, 現時点では, 各研究者が個人的な努力をして勉強せざるをえない. 本稿は, その様な研究者のための勉強の指針である. 筆者は細胞および局所回路網レベルでの神経生理学的研究をしている. その立場から, 1)どのようなギャップが深刻かという現状の(一人よがりな)分析をまず述べ, 2)神経回路学会の会員諸氏がそのギャップをうめるには, 何処から情報を引き出せばよいのかを示すことにしたい.

著者

丸山 隆一 前田 佳主馬 宮川 博義 青西 亨

雑誌

研究報告 バイオ情報学(BIO)

巻号頁・発行日

vol.2011, no.2, pp.1-6, 2011-06-16

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カルシウムイメージング法は広範囲の神経活動の記録を可能にする.多細胞からのカルシウムイメージングの普及に伴い,画像データの解析手法が求められており,その第一段階として細胞位置検出の問題がある細胞検出のための有力な手法として,先行研究では独立成分分析 (ICA) を用いたアルゴリズムが提案されている.本報告では別のアプローチをとり,非負行列因子分解法 (NMF) を用いた,モデルとデータの適合による手法を提案するこのような手法が用いられて来なかった理由にベースラインの扱いに困難があることを指摘し,NMF アルゴリズムに変更を加えることでそれを解決する.カルシウムイメージング画像を模擬した人工データを用いて提案手法を評価する.最後にラット海馬スライスからのカルシウムイメージング画像に対して提案手法を適用し,実データにおいて実際に細胞検出が可能であることを示す.Calcium imaging enables simultaneous recording from multiple neurons and glial cells. As the amount of data obtained by calcium imaging increases, efficient methods for data analysis is required. Finding cells from the movie data (cell sorting) is the first step in analyzing the calcium imaging data from multiple cells. In a recent study, a robust method for cell sorting using independent component analysis (ICA) was developed. Here, we take a different approach and propose a simple cell detection method by fitting data to generative model, making use of non-negative matrix factorization (NMF). Our understanding is that such simple model-based approaches have not been applied to calcium imaging data due to the difficulty in handling baseline intensity caused by background signals and artifacts. Thus we modify the NMF algorithm to handle baseline intensity explicitly. We tested our algorithm on artificial movie data and evaluated its performance. We then applied the algorithm to the imaging data of CA1 region of rat hippocampal slices obtained by confocal microscopy system to show that our method can indeed detect cells.

著者

宮川博義 井上雅司共著

出版者

丸善出版

巻号頁・発行日

2013

著者

青西 亨 宮川 博義

出版者

東京工業大学

雑誌

基盤研究(C)

巻号頁・発行日

2011

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近年、2光子顕微鏡などのイメージング装置の急激な発展により、細胞内のカルシウム動態を時空間的に高解像度で計測可能となった。我々は、高解像度カルシウムイメージングデータの解析手法を開発した。研究I:カルシウムイオン濃度と観測可能な蛍光シグナルの間にある物理過程を状態空間モデルで記述し、細胞内カルシウム濃度を推定するベイズ統計手法を開発した。研究II: 樹状突起内のカルシウム波を定量的に解析する手法を開発した。研究III: 高解像度多細胞イメージングデータに非負値行列因子分解を適用し、細胞体や樹状突起などの機能単位の蛍光信号を自動的に分離するアルゴリズムを開発した。