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．

2022 annual は, Lord に "ラ マ ン イ メ ー ジ ン グ と Deep learning に よ る の 単 a cell temperature measurement technique の 発" and び "コ ヒ ー レ ン ト ア ン チ ス ト ー ク ス ラ マ ン scattered (CARS) 顕 micromirror に よ る cells の ラ マ ン イ メ ー ジ measuring technique の established" を into め た. Temperature measurement に つ い て は, 単 の every field in a cell (と cytoplasm) に つ い て, そ の を average temperature is 0.5 ℃ の presumption error で す る gimmick に の established successful し た. こ の gimmick で は ま ず, others 々 な temperature に お け る HeLa の ス ペ ク ト ル を obtain す る こ と で teachers デ ー タ を made し た. 顕 micro mirror with cultivating シ ス テ ム を with い て HeLa を cultivate し た デ ィ ッ シ ュ all の temperature を suppression し な が ら, various temperature に お け る HeLa の ラ マ ン イ メ ー ジ (ス ペ ク ト ル) を obtain し た. Have ら れ た ラ マ ン イ メ ー ジ と 応 seaborne す る temperature の numerical を with い て 畳 み 込 み ニ ュ ー ラ ル ネ ッ ト ワ ー ク (CNN) を learning し た. Have to ら れ た CNN は イ メ ー ジ の 1 ピ ク セ ル (about 1 square microns の field に 応 seaborne) when た り is about 1.3 ℃ の error presumption temperature を で す る こ と が で き た. の こ の CNN を い, cell nucleus と cytoplasm の field に つ い て on average numerical を o め る こ と で, various fields の is about 0.5 ℃ temperature を で の error measurement す る こ と が may で あ る. CARS 顕 micromirror に よ る cells の ラ マ ン イ メ ー ジ に つ い て は, CARS イ メ ー ジ determination シ ス テ ム の constructs and び 単 a cell の CARS イ メ ー ジ determination technique の open 発 を line っ た. ま ず, affiliated laboratory の ピ コ seconds パ ル ス レ ー ザ ー and び optical 顕 micro mirror を い る こ と で, micro 顕 microscopically で CARS light を 検 out し ス ペ ク ト ル を obtain す る こ と に successful し た. More に 顕 micromirror に ピ エ ゾ ス テ ー ジ を import し, CCD カ メ ラ and び ピ エ ゾ ス テ ー ジ を に system at the same time the royal す る ソ フ ト ウ ェ ア を making し た. こ れ に よ り CARS ス ペ ク ト ル を 続 determination し, a cell の 単 CARS ハ イ パ ー ス ペ ク ト ル イ メ ー ジ を obtain す る シ ス テ ム の open 発 に successful し た.