Development of Novel Intracellular Analysis Methods by Integrating Raman Imaging and Machine Learning

通过集成拉曼成像和机器学习开发新型细胞内分析方法

• 批准号: 22KJ0287
• 负责人: 高橋 大智
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0287/
• 关键词: ラマンイメージング; Deep learning; 細胞内温度; CARS顕微鏡

2022年度は，主に「ラマンイメージングとDeep learningによる単一細胞内の温度測定手法の開発」及び「コヒーレントアンチストークスラマン散乱（CARS）顕微鏡による細胞のラマンイメージ測定手法の確立」を進めた．温度測定については，単一細胞内の各領域（核と細胞質）について，その平均温度を約0.5℃の誤差で推定する手法の確立に成功した．この手法ではまず，様々な温度におけるHeLa細胞のスペクトルを取得することで教師データを作成した．顕微鏡用培養システムを用いてHeLa細胞を培養したディッシュ全体の温度を制御しながら，各温度におけるHeLa細胞のラマンイメージ（スペクトル）を取得した．得られたラマンイメージと対応する温度の値を用いて畳み込みニューラルネットワーク（CNN）を学習した．得られたCNNはイメージ上の1ピクセル（約1平方μmの領域に対応）当たり約1.3℃の誤差で温度を推定することができた．このCNNを用い，細胞内の核と細胞質の領域について平均値を求めることで，各領域の温度を約0.5℃の誤差で測定することが可能である．CARS顕微鏡による細胞のラマンイメージについては，CARSイメージ測定システムの構築及び単一細胞のCARSイメージ測定手法の開発を行った．まず，所属研究室のピコ秒パルスレーザー及び光学顕微鏡を用いることで，顕微鏡下でCARS光を検出しスペクトルを取得することに成功した．更に，顕微鏡にピエゾステージを導入し，CCDカメラ及びピエゾステージを同時に制御するソフトウェアを製作した．これによりCARSスペクトルを連続測定し，単一細胞のCARSハイパースペクトルイメージを取得するシステムの開発に成功した．

In 2022, the main topics were "Development of temperature measurement method in cells" and "Establishment of temperature measurement method in cells with microscopes". Temperature measurement is successful in determining the mean temperature of each area (nucleus and cytoplasm) within a cell, and the error is approximately 0.5℃. The method is to create a temperature sensor for HeLa cells. HeLa cells were cultured for microscopical purposes. The temperature of HeLa cells was controlled. The temperature of the film is determined by the temperature of the film The error of temperature estimation is about 1.3℃. In this CNN application, the average value of the nuclear and cytoplasmic domains in the cell is calculated. The error of the temperature measurement in each domain is about 0.5℃.CARS microscopes are used to measure the cell's nuclear and cytoplasmic domains. The CARS microscopes are used to construct and develop the CARS microscopes. The research lab has successfully acquired the CARS optical microscope. In addition, the CCD camera and the CCD camera can be used to control the camera. The development of CARS in a single cell was successful.