粒子フィルタによる神経細胞カルシウム蛍光時系列の解析

使用粒子滤波器分析神经元钙荧光时间序列

• 批准号: 11J08218
• 负责人: 角田 敬正
• 金额: $ 0.83万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2011
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2011 至 2013-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-11J08218/
• 关键词: 較正式; カルシウムイメージング; 状態空間法; パーティクルフィルタ; 拡張カルマンフィルタ; カルシウムダイナミクス; ベイズ推定

本年度,交付申請書に記載した2件の研究を行った.1件は,細胞内のカルシウムイオンをカルシウム指示色素によって測定する1波長カルシウムイメージングの1点の蛍光時系列から,細胞内カルシウムイオン濃度を推定する較正の問題である.この問題はカルシウム指示色素が実用化された初期の段階から定式化されてきた重要な問題で,以降決定論的な較正式と較正パラメータに対する実験的同定方法が多く提案されてきたが,細胞に侵襲等不可逆的操作を加えないで較正パラメータを同定することができない点,観測時にノイズによるシグナルの劣化が原理的に避けられないため決定論的な較正式では結果に誤差が生じてしまう点など,問題があった.本研究では,細胞内のカルシウムイオンが蛍光時系列として観測される過程を,カルシウム濃度,濃度変化の不連続点,色素濃度の3つを潜在変数とした状態空間モデルによってモデル化した.さらにパラメータに対し蛍光強度のダイナミックレンジという色素固有の性質をベイズ統計の枠組みにおけるパラメータの事前分布に用いることで,侵襲的な方法でのパラメータ同定を必要としない,かつノイズで劣化した時系列を用いて正しいカルシウム濃度の推定ができる統計的方法を開発した.提案した方法は,潜在変数に対しパラメータの周辺化事後確率を用いたベイズ推定を行う.それを逐次モンテカルロ法によって実現した.数値実験および生理実験データを用いて提案手法の有効性の検証を行った.もう1件の研究は,1件目の問題を空間的に拡張し,樹状突起を計測した多点の蛍光時系列から樹状突起上で生じる時空間的なカルシウム濃度変化とカルシウム流量を定量的に推定する問題である.樹状突起内でのカルシウムイオンと色素,カルシウムバッファの反応拡散過程をモデル化し,空間的な次元をもつ高次の状態空間モデルを構築する.パラメータと潜在変数の推定を行うアルゴリズムを拡張カルマンフィルタで実装した.数値実験によって提案手法の有効性を検証した.生理実験データを用いた検証は今後の課題である.

This year, 2 studies were carried out in the submission application. 1 study was conducted to determine the intracellular concentration of indicator pigments at 1 wavelength and 1 point in the fluorescence time series. The problem is that the indicator pigment is used in the initial stage of the process, and the problem is important. The deterministic method is more formal and more accurate. The method of identification is more accurate. When measuring time, the problem of deterioration of the principle of avoidance of determinism is solved. In this study, we found that the intracellular concentration, concentration change and independent point of pigment concentration are potential changes in the state space. In this paper, the statistical method for estimating the inherent properties of pigment is developed. The proposed method is based on the assumption that the potential number of errors in the estimation of the probability of error is zero. The first step is to create a new environment. The number of biological activities is very high. One of the main problems in this study is the measurement of dendrites in a multi-point illumination time series, the concentration change of dendrites in a time space generated on dendrites, and the quantitative estimation of dendrites flow. The structure of the structure of the dendrites, the pigment, the anti-dispersion process, the spatial dimension and the higher-order state space is constructed. The potential number of presumptions is estimated to be zero. The number of proposed methods and the effectiveness of the test. The physiological function is to test the future problems.

项目成果

Estimation of Dedritic Spatiotemporal Calcium Dynamics by Nonlinear State Space Modeling

通过非线性状态空间建模估计枝晶时空钙动力学

• 发表时间: 2011
• 作者: Takamasa Tsunoda;Yoshiaki Oda;Toshiaki Omori;Masato Okada;Masashi Inoue;Hiroyoshi Miyakawa and Toru Aonishi
• 通讯作者: Hiroyoshi Miyakawa and Toru Aonishi

拡張カルマンフィルタによる樹状突起時空間的カルシウム動態の推定

使用扩展卡尔曼滤波器估计树突中的时空钙动力学

• 发表时间: 2011
• 作者: 角田敬正;織田善晃;大森敏明;井上雅司;宮川博義;岡田真人;青西亨
• 通讯作者: 青西亨

ベイズ推定法による定量的カルシウム動態推定

使用贝叶斯估计方法进行定量钙动态估计

• 发表时间: 2012
• 期刊: 電子情報通信学会技術研究報告
• 作者: 角田敬正;織田善晃;大森敏明;井上雅司;宮川博義;岡田真人;青西亨
• 通讯作者: 青西亨