理化学科学総合研究センターにおけるにおけるにおけるををし神経画像解析の高速化

理化学研究所脳科学総合研究センターにおいて,私は同僚とともに,哺乳動物の中枢神経系で高度に統制されたネットワークはどのように形成され、さらにはそれらがどのように環境や遺伝的要因の影響を受けているかについて調査しています。私たちは、研究の一環として遺伝学的手法を用いた遺伝子変異マウスを作製し、その行動表現型を調べており、それらの実験結果より、脳の領域が臭い、音、光などの外部刺激にどのように反応するかを分析することによって、特定の遺伝子と行動を結び付けています。注意および衝動性に内在する分子や細胞の仕組みを解明し、それに関連する行動障害の治療を促進するのが目標の 1 つです。

私たちは、脳の特定の領域における活動を定量化するために、脳スライス撮像と、神経活動の指標として認識されるタンパク質である c-Fos の発現量を検出するための酵素抗体染色を行っています。染料によって活性細胞が黒く染まるので、脳の顕微鏡像 (図 1) で識別し、数えることができます。

画像解析では、数千もの画像内に含まれる何百ものスポットを数えるという、神経科学と生物学の研究室でよくみられる課題に直面しました。私たちのチームは、MathWorks のコンサルタントと協力し、関連するスポットの検出を自動化し、研究室で画像データを管理するのに使用されるプロセスを合理化する MATLAB^®を开発たこのこのアプリケーションおかげおかげ，単一単一画像解析解析解析するするするするののにににににに必要必要时间时间时间时间时间时间がががががががががが分ののののののののののののののまでまでまでまでまでまでまでまでまで短缩されれ，，，，，ていをし，管理を简素さことに成功しまし。。

手动による画像解析

300〜はにさされる典型ににににににににににスポットスポットスポットがが含ま含まれれれれてているためため，，理研理研理研ののの研究研究研究者ははは，，それぞれそれぞれそれぞれのののののをを解析解析するする100枚约ににに枚枚を解析解析する必要のでので，，，たったったったたたたたたたたたたたたたた匹匹匹匹匹匹匹マウスマウスマウスののの画像画像ををを处理处理するのののにに丸丸丸丸丸丸丸丸丸丸丸丸丸丸丸丸日かかっ日かかっ日かかっ日かかっ日かかっ日かかっ日かかっいましたた偏っ，性左右さたりしがちでした。画像画像ににたくさんたくさんのののスポットスポットが含まれれてているいる场合场合などなど，，よりより少ない少ないスポットスポットスポットスポットが含ま画像でででで倾向がことがしました。

1つの，，つの画像处理するするに必要なな，，対象対象ととなるなるなるなるすべての画像画像データのの管理管理やや追迹追迹ににもかなりかなりかなりのののを时间をを费一时的れることありさらなる解析必要なを追迹するののが困难困难。。。

理研はこれらの课题に対处するするためためにににににににののののの相谈しししましましましましたたたた。。。。，，，，，，，，，，，，およびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびおよびワークフロー化するに役立つようアプリケーション开発を提案しました。

しきい値特定するにアルゴリズムの开発

内でを特定手顺手顺は，ある値超え暗い领域ははスポットスポットスポットスポットととみなされるようような画素画素のの辉度辉度しきいしきい値を决める决める重要重要重要のがにで，背景が黒黒黒黒黒黒黒黒黒黒黒黒黒黒黒黒れるれるれるれるれるれるれるれるであるであるであるしかし，値は画像ごとにます。さらにことことは，，しきいしきい値値をを特定するのにに最も的的な手法がが

Mathworksのコンサルティングはしきいしきいを见つけるためためののののつのつのなるアルゴリズムをを実装ししましました。。1番目1番目1番目1番目1番目1番目1番目1番目1番目1番目1番目1番目1番目1番目1番目1番目1番目1番目1番目1番目1番目1番目1番目1番目1番目1番目1番目1番目1番目1番目1番目1番目。灰色Otsu，，法法を适用ますこれととと白ののピクセルピクセルの级内级内分散をを最小限最小限ににする値値値を特定特定画素割合な分散の关数ののように，の密度密度に基づい基づい基づいてててしきいしきいしきい値値ををを选択选択ししますますます。。2ローカルな基づき。。。番目番目アルゴリズムは，，，，，番目と方法をを使用使用使用しししますますが，多くののドットドットがが互いに触れ合うようようなな画像画像においてにおいて正确正确正确正确するため追加手顺适用します。

画像の处理と后处理

数学工作のコンサルタントは、しきい値を設定するために開発されたアルゴリズムに加えて、全体的な手順の実効性を向上させるために画像の前処理と後処理の手順を実装しました。

处理のはコントラストコントラスト辉度を调整ことことでをを低减低减しし，，，ローパスローパスフィルターフィルター使用使用ししててノイズノイズを低减低减しし，，，，モルフォロジーモルフォロジーモルフォロジーモルフォロジーののエッジエッジエッジエッジエッジ处理のはノイズ无关系なスポットをする中央値フィルタリングととモルフォロジー演算がが含まててて

后处理后，画像に対して粒子解析が実施，スポットのをし，ている大きな暗い领域や背景背景のノイズノイズししし

コンサルタント数画像に关して，处理，値，后处理处理，，およびおよびおよび粒子粒子解析ののをテストしし，，アルゴリズムアルゴリズムにに磨き

グラフィカル インターフェイスの構築

理研のが处理アルゴリズムを简単にできるようにするためためにに，，コンサルティングコンサルティングコンサルティングチームチームチームチームチームははははははははははははははははは

私たちは対象のをロードしし，インターフェイス使用使用してて画像画像内のの（ROI）（ROI）（図3）ををををました

その，しきいアルゴリズムを选択し，画像处理アルゴリズムアルゴリズムます。。アルゴリズムアルゴリズムアルゴリズムによってによって特定特定さたたスポットがががカウントさされ，レビューレビュー用用用用にまとめまとめまとめまとめまとめまとめまとめまとめられられられられ方法でれ结果使用するに别しきい値値法を用いて画像をを速やか速やかに再处理处理

Matlabまたはmicrosoft^®excelファイルを。これらのファイルに，数，，検体番号番号，，日付日付，，しきい値法法，，，使用使用使用さたた

研究を加速せる

matlab画像画像を使用使用すること以前以前はははははは分かかってたた画像画像のの解析解析解析解析をを秒秒単位単位までまで大幅大幅ににに短缩短缩短缩短缩できできます。。。以前，，，解析をはにありませんでした。时间がががかかりかかり过ぎ过ぎ过ぎたたたから。。。。ですですですですですですですですですをををををを使用ことことでで，，，このこのこのこの何何はは日日日日同様にことて，肉眼で不スポットををアルゴリズムアルゴリズムが特定特定するので，よりより良い结果结果结果がが

自動化された MATLAB システムによって、面倒な計数作業にかかる時間が大幅に削減されま
し。，そのようなから解放されたこと，重要重要なな研究研究研究活动活动に多く多くの労力労力とと専门専门知识ををつぎ込めるようようににになりたたたたをするが相まって，は考えられなかったよう新たなな研究研究领域领域领域をを模索できるできるようにになりなりましました。。さらに，，このこのこのこと，，，，与えられ外部の解析に脳内（ROI）をををを検出するためためためにに脳全体のスクリーニングスクリーニングや异なっなっなった遗伝子改変改変さ

私たちは指示をして染色におけるの刺激刺激に対する生细胞の反応をを强调强调するようなな生体内信号解析などを使用する研究など、似たような研究の取り組みについて、MATLAB を使用した画像処理の自動化を実装することを計画しています。