JP2014095678A - Information processing apparatus, and information processing program - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technology to estimate, from a state where the number of cells included in an image is unknown, the number of cells, and the shapes and activity time series of the respective cells quickly in a sufficiently accurate and stable manner, without the need to separately set initial conditions.SOLUTION: An information processing apparatus represents the activity of cells by the product of the shapes of the cells a(x,y) represented by a non-negative value and a change in calcium concentration v(t) derived from the spike time series u(t) represented by a non-negative value; and determines, on the basis of a model in which observation data f(t,x,y) is described by using the linear sum of the plurality of cell activities and a baseline, the positions and activity of the cells assumed from the estimation based on the Bayesian theory obtained from the observation data, the model, and a prior distribution.

Description

本発明は、情報処理技術に関し、特に、神経細胞の活動電位を画像処理等により推測する情報処理技術に関する。   The present invention relates to information processing technology, and more particularly to information processing technology for estimating action potentials of nerve cells by image processing or the like.

神経細胞は活動電位(スパイク)を発生した際に他の神経細胞に情報を伝達する。脳内の神経細胞集団がどのように情報処理を行っているかを理解するためには複数の神経細胞の活動電位を同時に記録する必要がある。活動電位を発生する際には細胞内のカルシウム濃度が上昇するため、カルシウム濃度に依存して光る蛍光タンパク質を導入した脳を二光子顕微鏡で動画として記録することにより、複数の細胞に活動電位が生じている様子を観察することができる。   Neurons transmit information to other neurons when action potentials (spikes) are generated. In order to understand how neuronal populations in the brain perform information processing, it is necessary to simultaneously record the action potentials of multiple neurons. When an action potential is generated, the intracellular calcium concentration rises. Therefore, by recording a brain with a fluorescent protein that shines depending on the calcium concentration as a moving image with a two-photon microscope, the action potential is applied to multiple cells. You can observe what is happening.

しかしながら、実際に神経細胞集団のデータとして扱うためには動画データから、各細胞の位置と活動の時系列を抽出する必要がある。実際には、データにはノイズが多く含まれるため、得られるのは確定した情報ではなく、データを元に推定された情報である。大容量の記録データから、高速・高精度に細胞位置と活動時系列を推定することが重要である。   However, in order to actually handle the data as a neuron population, it is necessary to extract the time series of the position and activity of each cell from the moving image data. Actually, since the data contains a lot of noise, what is obtained is not fixed information but information estimated based on the data. It is important to estimate cell positions and activity time series from high-capacity recorded data at high speed and high accuracy.

従来手法として主に用いられている手法は、まず主成分分析などを用いて類似した活動パターンを見せる領域を見つけ、いくつかの処理をすることでROI(Region of Interest)と呼ばれる個々の細胞の形状を確定させ、その領域内での蛍光タンパク質の反応の平均をその細胞の活動と見なし、必要であればスパイクタイミングを正確に求めるという手順を取るものである(下記非特許文献1参照)。当該非特許文献は、主成分分析/独立成分分析によるROI決定アルゴリズムに関する。   The method that is mainly used as a conventional method is to first find a region that shows a similar activity pattern using principal component analysis, etc., and then perform some processing to determine the individual cells called ROI (Region of Interest). The procedure is such that the shape is fixed, the average of the fluorescent protein reaction in the region is regarded as the activity of the cell, and the spike timing is accurately obtained if necessary (see Non-Patent Document 1 below). This non-patent document relates to an ROI determination algorithm based on principal component analysis / independent component analysis.

実際には細胞集団は3次元の構造を持ち2次元で射影した画像データ中では複数の細胞が重なっている領域が多数あるが、そのクロストークを考慮していないことを解決するために、本発明のベースとなるモデルに関する論文として、近年、観測画像のモデルとして複数細胞の活動の総和を用いる考え方が提唱され、そのモデルに基づいて初期条件を与えて反復法により収束させることで細胞の位置と活動を推定できることをデモンストレーションにより示させている(下記非特許文献2参照)。   Actually, the cell population has a three-dimensional structure, and there are many areas where multiple cells overlap in the image data projected in two dimensions. As a paper on the model that forms the basis of the invention, in recent years, the idea of using the sum of the activities of multiple cells as an observation image model has been proposed. The demonstration shows that the activity can be estimated (see Non-Patent Document 2 below).

Automated anlalysis of cellular signals from large-scale calcium imaging data, E. A. Mukamel, A. Nimmerjahn and M. J. Schnitzer, Neuron 63, 747-760, (2009).Automated anlalysis of cellular signals from large-scale calcium imaging data, E. A. Mukamel, A. Nimmerjahn and M. J. Schnitzer, Neuron 63, 747-760, (2009). Fast nonnegative deconvolution for spike train inference from population calcium imaging, J. T. Vogelstein, A. M. Packer, T. A. Machado, T. Sippy, B. Babadi, R Yuste and L Paninski, J. Neurophysiol 104:3691-3704 (2010).Fast nonnegative deconvolution for spike train inference from population calcium imaging, J. T. Vogelstein, A. M. Packer, T. A. Machado, T. Sippy, B. Babadi, R Yuste and L Paninski, J. Neurophysiol 104: 3691-3704 (2010).

非特許文献1のような方法の問題点は、実際には細胞集団は3次元の構造を持ち2次元で射影した画像データ中では複数の細胞が重なっている領域が多数あるが、そのクロストークを考慮していないことである。   The problem with the method as described in Non-Patent Document 1 is that the cell population actually has a three-dimensional structure, and there are many regions where a plurality of cells overlap in image data projected in two dimensions. Is not considering.

また、非特許文献2の方法は、現実の大容量データを処理するには多くの問題点が存在する。   Further, the method of Non-Patent Document 2 has many problems in processing actual large-capacity data.

以下に、非特許文献2に開示されている既存処理の内容とその問題点について図面を参照しながら説明を行う。
(既存処理)
図4は、非特許文献2に示される既存処理を行う情報処理装置の一構成例を示す機能ブロック図であり、図5は、非特許文献2に示される既存処理の流れを示すフローチャート図である。まず、ステップS101で情報処理を開始すると、ステップS102で、データ読み込み部101が、データの読み込みを行う。読み込むデータとして、位置(x,y)における時刻tでの蛍光強度f(t,x,y)がデータとして与えられる。ただし、t,x,yはそれぞれT,X,Y以下の自然数で、サンプリングレートおよび空間解像度から決まるスケールになっているとする。蛍光強度fは相対的な値であるため、何らかのベースラインを規定する必要がある。
Below, the content of the existing process currently disclosed by the nonpatent literature 2 and its problem are demonstrated, referring drawings.
(Existing processing)
FIG. 4 is a functional block diagram showing a configuration example of an information processing apparatus that performs the existing processing shown in Non-Patent Document 2, and FIG. 5 is a flowchart showing the flow of the existing processing shown in Non-Patent Document 2. is there. First, when information processing is started in step S101, the data reading unit 101 reads data in step S102. As data to be read, fluorescence intensity f (t, x, y) at time t at position (x, y) is given as data. However, it is assumed that t, x, and y are natural numbers less than or equal to T, X, and Y, respectively, and have a scale determined from the sampling rate and spatial resolution. Since the fluorescence intensity f is a relative value, it is necessary to define some baseline.

Figure 2014095678
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Figure 2014095678
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時間軸に対するカルシウム濃度はスパイク(図3参照)によりデルタ関数的に増加し、その後、減衰する。uc(0)=vc(0)よりuc,vcは一方の時系列からもう一方が線形変換で導出可能である。 The calcium concentration with respect to the time axis increases in a delta function by a spike (see FIG. 3), and then decays. From u c (0) = v c (0), u c and v c can be derived from one time series by linear transformation.

Figure 2014095678
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ベースラインは平均あるいはmedianで初期設定する。
Figure 2014095678
Baseline is initially set as average or median.

Figure 2014095678
vc(t)=0として、式(4)よりσ2を設定する。
Figure 2014095678
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v c (t) = 0 and σ 2 is set from the equation (4).
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但し、細胞の個数Cおよび細胞の形状ac(x,y)の求め方は規定されておらず、これらの初期条件を得る何らかの手順を別途設定する必要があるが、解が適切に収束するためには初期条件が解に十分近い必要がある。 However, how to find the number of cells C and the shape of cell a c (x, y) is not specified, and some procedure to obtain these initial conditions must be set separately, but the solution converges appropriately In order to do this, the initial conditions need to be close enough to the solution.

次いで、ステップS104において、カルシウム濃度/スパイク時系列演算部105が、カルシウム濃度vおよびスパイク時系列uを求める。上記の式(1),(2),(3)において、ac,abaselineおよびパラメータσ,λcを固定して、u,vに関するMAP(事後分布最大化)推定を行うと、式(2)の条件下で次の二次計画問題を解くことになる。このとき、ベースラインが固定されており、かつ非負拘束条件が設定されているため、固定されたベースラインの影響を強く受け系全体としての適切な解が得られない。 Next, in step S104, the calcium concentration / spike time series calculation unit 105 obtains the calcium concentration v and the spike time series u. In the above formulas (1), (2), and (3), when a c and a baseline and parameters σ and λ c are fixed and MAP (posterior distribution maximization) estimation for u and v is performed, formula ( The following quadratic programming problem is solved under the condition of 2). At this time, since the baseline is fixed and the non-negative constraint condition is set, the influence of the fixed baseline is strongly received, and an appropriate solution as the entire system cannot be obtained.

Figure 2014095678
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Log障壁法とニュートン法を用いてこの最小化問題を解く。C=1ならば3重対角行列になり比較的容易に解けるが、C>1では3重ブロック対角行列を考える必要があり、精度よく解くことは困難である。   This minimization problem is solved using Log barrier method and Newton method. If C = 1, it becomes a tridiagonal matrix and can be solved relatively easily, but if C> 1, it is necessary to consider a triblock diagonal matrix and it is difficult to solve with high accuracy.

次いで、ステップS105において、正規化部107が、各細胞候補のスパイク時系列と細胞形状を正規化する処理を行う。   Next, in step S105, the normalization unit 107 performs a process of normalizing the spike time series and cell shape of each cell candidate.

各細胞の信号はfc(t,x,y)=ac(x,y)vc(t)と表されるが、

Figure 2014095678
としても信号全体は変わらない。 The signal of each cell is expressed as f c (t, x, y) = a c (x, y) v c (t)
Figure 2014095678
But the whole signal doesn't change.

しかし、式(7)は最小二乗の項とuに対するペナルティ項の和になっているため、式(2)より、scを大きくすればするほどペナルティ項が小さくなり目的関数の値は小さくなってしまう。これではペナルティ項の意味がないため、何らかの形で正規化する必要がある。そこで、sc=maxvcとする。しかし、拘束条件sc=maxvcをいれて問題を解いたわけではないため、正規化後は式(7)の解になっていない。 However, Equation (7) because it has a sum of the penalty term for least squares term and u, the equation (2), the value of the objective function penalty term decreases larger the s c is smaller End up. This has no meaning for the penalty term, so it must be normalized in some way. Therefore, s c = maxv c . However, since the problem is not solved by entering the constraint condition s c = maxv c , the solution of the equation (7) is not obtained after normalization.

ステップS106で、細胞形状/ベースライン演算部が、細胞形状acおよびベースラインabaselineを求める。ここではu,vを固定して、式(7)が最小となるac,abaselineを求める。最尤法を行うと、ピクセルごとに独立して考えることができて、(9)式をそれぞれ解けばよい。 In step S106, the cell shape / baseline calculation unit obtains the cell shape ac and the baseline a baseline . Here, u and v are fixed, and a c and a baseline that minimize Equation (7) are obtained. When the maximum likelihood method is performed, each pixel can be considered independently, and Equation (9) may be solved.

Figure 2014095678
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これは、拘束条件がないので簡単に解けるが、ac(x,y)には負の値も含まれるため細胞の形状はノイズの影響を強く受け、安定しない。 This is easy to solve because there is no constraint, but since a c (x, y) includes negative values, the shape of the cell is strongly affected by noise and is not stable.

ステップS107で、パラメータ更新部111が、パラメータの更新を行う。式(4)、(5)に従いパラメータを更新する。しかしながら、真の解で規定されるべきパラメータを現在の仮の値で近似しており、事前分布が変数から定義されることになるため、目的関数を正しく設定できない。   In step S107, the parameter update unit 111 updates the parameters. The parameters are updated according to equations (4) and (5). However, since the parameter to be specified by the true solution is approximated with the current temporary value and the prior distribution is defined from the variable, the objective function cannot be set correctly.

ステップS104とS107の処理を、反復・収束判定部117が、反復・収束判定する。ステップS108で処理が終了すると、出力部121が結果を出力する。   The iterative / convergence determining unit 117 performs the iterative / convergent determination for the processes in steps S104 and S107. When the process ends in step S108, the output unit 121 outputs the result.

正規化処理の説明においても述べたように、そもそも問題設定が不良のため最終的な収束判定が不能であるため、各ステップを適当な回数繰り返したところで打ち切ることになる。   As described in the description of the normalization process, since the problem setting is poor in the first place and the final convergence determination is impossible, each step is terminated after being repeated an appropriate number of times.

このように、非特許文献2の問題点としては、アルゴリズム中で細胞数が固定であること、初期条件として細胞の形状を正しい形状に十分近くしなければならないこと、示された解法では速度および精度が不十分であること、多数の細胞が存在する際に適切な収束が得られないこと、などである。   Thus, the problems of Non-Patent Document 2 are that the number of cells is fixed in the algorithm, that the cell shape must be sufficiently close to the correct shape as an initial condition, the speed and For example, the accuracy is insufficient and proper convergence cannot be obtained when there are a large number of cells.

本発明は、画像に含まれる細胞数が不明な状態から初期条件を個別に設定することなく高速に十分な精度で安定して細胞数およびそれぞれの細胞の形状、活動時系列を推定する技術を提供することを目的とする。   The present invention is a technique for estimating the number of cells, the shape of each cell, and the time series of activity stably at a high speed with sufficient accuracy without individually setting initial conditions from a state in which the number of cells contained in the image is unknown. The purpose is to provide.

本発明では、パラメータの非負拘束条件と適切な事前分布の設定による正規化項(ペナルティ項)をモデルに導入し得られる解の精度を向上させた上で、多数の細胞候補を画像中に重なりを持たせて密に埋め尽くす様な初期条件設定と、細胞候補の取捨選択の工夫により、細胞数とパラメータを正しく推定できる装置(プログラム)を開発した。主たるアルゴリズムとしては、形状と時間変化を交互に反復して改善する反復法を用い、途中でノイズレベル以下の小さな信号しか持たない細胞候補を取り除き、類似した活動状態を持つ細胞候補を統合することで計算量を削減しながら画像中に含まれる活動した細胞をすべて正しく検出する。各ステップで必要な非線形計画の解法には、主双対内点法および大規模一次方程式の高速な解法としての共役勾配法を用いた独自の並列化実装を用いる。   In the present invention, the accuracy of a solution obtained by introducing a normalization term (penalty term) by setting a non-negative constraint condition of a parameter and an appropriate prior distribution into a model is improved, and a large number of cell candidates are overlapped in an image. We have developed a device (program) that can correctly estimate the number of cells and parameters by setting initial conditions that are filled in tightly and by devising selection of cell candidates. The main algorithm is to use an iterative method that iteratively and repeatedly improves shape and time change, removes cell candidates that have only small signals below the noise level, and integrates cell candidates that have similar activity states. Detects all active cells in the image correctly while reducing the amount of computation. To solve the nonlinear programming required at each step, a unique parallel implementation using the main dual interior point method and the conjugate gradient method as a fast solution method for large-scale linear equations is used.

最終的に、画像に含まれる細胞数が不明な状態から初期条件を個別に設定することなく高速に十分な精度で安定して細胞数およびそれぞれの細胞の形状、活動時系列を推定することができるプログラムが得られた。   Finally, it is possible to stably estimate the number of cells, the shape of each cell, and the time series of each cell quickly and with sufficient accuracy without individually setting the initial conditions from the state in which the number of cells contained in the image is unknown. A program that can be obtained.

従来法2では、細胞数が固定かつ初期条件が厳しいという問題点がある。そこで、多数の細胞候補を画像中に重なりを持たせて密に埋め尽くす様に初期条件を設定し、解が疎になるような条件をモデルに付け加える。前者の工夫により、真の細胞はいずれかの細胞候補の十分近くにあることになるため取りこぼすことなく細胞を検出でき、かつ後者の工夫とクロストークをきちんと考慮したモデルを用いている効果により多数の細胞候補があっても必要以上に真の細胞が複数の細胞候補に分割されてしまうことを防ぐことができる。実際、アルゴリズムの反復を繰り返すと関連度自動決定と呼ばれる効果により大きな信号を持つ細胞候補と、ノイズレベル以下の小さな信号しか持たない細胞候補が生じるようになるため、小さな信号の細胞候補を取り除き、類似した活動状態を持つ細胞候補を統合することで最終的に画像中に含まれる活動した細胞をすべて正しく検出できる。ここで新しく提案した手法は、観測画像が各細胞の活動の和であるというモデルに対して適切な拘束条件を入れることで、反復法が正しく収束することをサポートしている。   Conventional method 2 has a problem that the number of cells is fixed and initial conditions are severe. Therefore, an initial condition is set so that a large number of cell candidates are filled with an overlap in the image, and a condition that makes the solution sparse is added to the model. Due to the effect of the former device, a true cell is sufficiently close to one of the cell candidates so that it can be detected without being missed. Even if there are a large number of cell candidates, it is possible to prevent a true cell from being divided into a plurality of cell candidates more than necessary. In fact, repeated iterations of the algorithm will result in cell candidates with a large signal due to an effect called automatic relevance determination and cell candidates with only a small signal below the noise level. By integrating cell candidates having similar activity states, it is possible to correctly detect all activated cells finally included in the image. The newly proposed method supports the convergence of the iterative method correctly by putting an appropriate constraint on the model that the observed image is the sum of the activities of each cell.

この手法では、多数の細胞候補を用意するという性質上、多くのメモリおよび計算量を必要とすることになるが、画像を適切なサイズに分割して前処理しそれらの結果を統合する方針をとることで計算量を大幅に削減することができ、個々のステップでの適切な解法と並列化による高速化した実装により現実的な実行時間で目的を達成することができるようになっている。   This method requires a lot of memory and computational complexity due to the nature of preparing a large number of cell candidates, but it is a policy to divide the image into appropriate sizes, pre-process them, and integrate the results. By doing so, the amount of calculation can be greatly reduced, and the objective can be achieved in a realistic execution time by an appropriate solution in each step and a high-speed implementation by parallelization.

最終的に、画像に含まれる細胞数が不明な状態から初期条件を個別に設定することなく高速に十分な精度で安定して細胞数およびそれぞれの細胞の形状、活動時系列を推定することができる様になった。   Finally, it is possible to stably estimate the number of cells, the shape of each cell, and the time series of each cell quickly and with sufficient accuracy without individually setting the initial conditions from the state in which the number of cells contained in the image is unknown. I can do it now.

本発明の一観点によれば、細胞の活動を非負の値で表現される細胞形状ac(x,y)と非負の値で表現されるスパイク時系列uc(t)より導出されるカルシウム濃度変化vc(t)の積により表現し、観測データf(t,x,y)を複数の細胞活動の線形和とベースラインを用いて記述するモデルに基づいて、観測データとモデルと事前分布を元にしたベイズ理論に基づく推定により想定される細胞の位置と活動を求める情報処理装置であって、細胞のスパイク生成に起因する細胞内のカルシウム濃度の上昇に伴って起こる蛍光タンパク質からの発光を位置(x,y)における時刻tでの蛍光強度f(t,x,y)として読み取るデータ読み取り部と、スパイク時系列uc(t)とカルシウム濃度変化vc(t)との関係式と細胞形状ac(x,y)とスパイク時系列uc(t)に関する事前分布を設定するパラメータ設定部と、前記データ読み取り部により読みとられた位置(x,y)における時刻tでの蛍光強度f(t,x,y)に基づいて細胞形状ac(x,y)の細胞候補を配置し、ベースラインを蛍光強度f(t,x,y)の統計量に基づいて設定する初期設定部と、前記ベイズ理論に基づく推定で導出される最小化問題の目的関数を減少させ、細胞形状ac(x,y)、カルシウム濃度変化vc(t)およびベースラインをより真の解に近い推定値に更新する演算部と、前記演算部における更新で目的関数の変化が十分小さくなった場合に目的関数が収束したと判定して処理を終了する収束判定部と、を有することを特徴とする情報処理装置が提供される。 According to one aspect of the present invention, calcium derived from a cell shape a c (x, y) expressed by a non-negative value of a cell activity and a spike time series u c (t) expressed by a non-negative value Based on a model that expresses the observed data f (t, x, y) using a linear sum of multiple cell activities and a baseline, expressed as a product of the concentration change v c (t). An information processing device that obtains the location and activity of cells that are assumed by estimation based on Bayesian theory based on the distribution, from fluorescent proteins caused by the increase in intracellular calcium concentration caused by cell spike generation Data reading unit that reads luminescence as fluorescence intensity f (t, x, y) at time t at position (x, y), and relationship between spike time series u c (t) and calcium concentration change v c (t) wherein the cell shape a c (x, y) and parameters to configure a pre-distribution for spike time series u c (t) A setting unit, the data reading unit by read position (x, y) fluorescence intensity f at time t in the (t, x, y) the cell candidate cell shape a c (x, y) on the basis of the The initial setting unit that sets and sets the baseline based on the statistic of the fluorescence intensity f (t, x, y), and reduces the objective function of the minimization problem derived by the estimation based on the Bayesian theory, The calculation unit that updates the shape a c (x, y), the calcium concentration change v c (t) and the baseline to an estimated value closer to the true solution, and the update in the calculation unit sufficiently reduces the change in the objective function. And a convergence determining unit that determines that the objective function has converged and terminates the processing when the objective function is converged.

前記演算部において、空間ベースラインabaseline(x,y)に加えて時間ベースラインvbaseline(t)を導入したモデルに基づいた推定値更新を行うことを特徴とする。 The calculation unit updates the estimated value based on a model in which a time baseline v baseline (t) is introduced in addition to a spatial baseline a baseline (x, y).

また、前記パラメータ設定部において、スパイク時系列に対するカルシウム濃度変化のインパルス応答に基づいた変換行列により、スパイク時系列とカルシウム濃度変化との関係式を設定し、前記演算部において、変換行列に基づいた推定値更新を行うことを特徴とする。   Further, in the parameter setting unit, a relational expression between the spike time series and the calcium concentration change is set by a conversion matrix based on the impulse response of the calcium concentration change with respect to the spike time series, and based on the conversion matrix in the calculation unit The estimated value is updated.

また、前記パラメータ設定部において、細胞cの細胞形状ac(x,y)とスパイク時系列uc(t)の事前分布を細胞の平均サイズ、スパイクの発火率、それらの積である信号強度を考慮した指数分布として設定し、前記演算部において、設定された事前分布に基づいた推定値更新を行うことを特徴とする。 Further, in the parameter setting unit, the prior distribution of the cell shape a c (x, y) and the spike time series u c (t) of the cell c represents the average cell size, the firing rate of the spike, and the signal intensity that is the product of them. Is set as an exponential distribution in consideration of the above, and the calculation unit updates the estimated value based on the set prior distribution.

また、前記演算部においてスパイク時系列uc(t)に加えて細胞形状ac(x,y)に対する非負拘束条件を導入したモデルに基づいた推定値更新を行うことを特徴とする。 Further, the calculation unit updates the estimated value based on a model in which a non-negative constraint condition for the cell shape a c (x, y) is introduced in addition to the spike time series u c (t).

これにより、疎な解を得られるような条件で推定を行うことで関連度自動決定の効果が働き、不要な細胞候補は自動的に縮退し(信号が小さくなり)細胞数が自動的に決定される。   In this way, the effect of automatic relevance determination works by performing estimation under conditions that can obtain a sparse solution, and unnecessary cell candidates are automatically degenerated (signal becomes smaller) and the number of cells is automatically determined. Is done.

また、前記初期設定部において、想定される細胞のサイズより大きめの特定の領域を覆うような細胞候補を十分な重なりを持たせて画像全体を埋め尽くすように真の細胞の位置に無関係に多数配置することを特徴とする。   In the initial setting unit, a large number of cell candidates covering a specific region larger than the assumed cell size are sufficiently overlapped regardless of the true cell position so as to fill the entire image. It is characterized by arranging.

さらに、前記スパイク時系列/時間方向のベースライン演算部と、前記細胞形状/空間方向のベースライン演算部と、の出力の少なくともいずれか一方に対して縮退した細胞候補の除去を行う縮退細胞候補除去部を有することを特徴とする。   Further, a degenerate cell candidate that removes a degenerated cell candidate with respect to at least one of the output of the spike time series / time direction baseline calculation unit and the cell shape / space direction baseline calculation unit It has a removal part.

さらに、前記スパイク時系列/時間方向のベースライン演算部と、前記細胞形状/空間方向のベースライン演算部と、の出力の少なくともいずれか一方に対して類似した細胞候補を統合する類似細胞統合部を有することを特徴とする。   Further, a similar cell integration unit that integrates similar cell candidates with respect to at least one of the outputs of the spike time series / time direction baseline calculation unit and the cell shape / space direction baseline calculation unit It is characterized by having.

また、前記演算部は、定められたモデル、拘束条件、事前分布のもとでMAP推定の目的関数を減少させる演算を行う。尚、MAP推定はベイズ推定という枠組みの中の比較的簡易な推定方法の例示であり、広く「ベイズ理論に基づく推定」を用いることができる。具体的には、定められたモデル、拘束条件、事前分布のもとで事後分布を近似したテスト関数が真の事後分布に近づくような演算を行う。   In addition, the calculation unit performs a calculation for reducing the objective function of the MAP estimation based on a predetermined model, constraint conditions, and prior distribution. MAP estimation is an example of a relatively simple estimation method in the framework of Bayesian estimation, and “estimation based on Bayesian theory” can be widely used. Specifically, an operation is performed such that a test function approximating the posterior distribution under a predetermined model, constraint condition, and prior distribution approaches the true posterior distribution.

このベイズ推定法による定量的カルシウム動態推定については、以下発表を参照することができる。
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、信学技報, vol. 111, no. 483, NC2011-175, pp. 317-322, 2012年3月.
http://www.ieice.org/ken/paper/20120316a0pt/
The following announcement can be referred to for quantitative calcium dynamics estimation by this Bayesian estimation method.
Takamasa Tsunoda, Yoshiaki Oda, Toshiaki Omori, Masashi Inoue, Hiroyoshi Miyagawa, Masato Okada, Jun Aonishi, IEICE Tech., Vol. 111, no. .
http://www.ieice.org/ken/paper/20120316a0pt/

さらに、前記演算部は、細胞形状ac(x,y)と空間ベースラインabaseline(x,y)を固定し、スパイク時系列の変数値が非負という拘束条件のもとで、MAP推定の目的関数を最小化するカルシウム濃度変化vc(t)と時間ベースラインvbaseline(t)を求める(C+1)T次元の二次計画問題を解くカルシウム濃度変化/時間方向ベースライン演算部と、カルシウム濃度変化vc(t)と時間ベースラインvbaseline(t)を固定し、細胞形状の変数値が非負という拘束条件のもとで、MAP推定の目的関数を最小化する細胞形状ac(x,y)と空間ベースラインabaseline(x,y)を求めるXY個の(C+1)次元の二次計画問題を解く細胞形状/空間方向ベースライン演算部とを有することを特徴とする。 Furthermore, the calculation unit fixes the cell shape a c (x, y) and the spatial baseline a baseline (x, y), and performs the MAP estimation under the constraint that the spike time series variable value is non-negative. Calculating calcium concentration change v c (t) and time baseline v baseline (t) to minimize objective function (C + 1) Calculating calcium concentration change / time direction baseline calculation unit to solve T-dimensional quadratic programming problem Cell shape a c that minimizes the objective function of MAP estimation under the constraint that the calcium concentration change v c (t) and the time baseline v baseline (t) are fixed and the cell shape variable value is non-negative It has a cell shape / space direction baseline calculation unit that solves XY (C + 1) -dimensional quadratic programming problems to obtain (x, y) and a space baseline a baseline (x, y) To do.

前記カルシウム濃度変化/時間方向ベースライン演算部において、当該二次計画問題を主双対内点法と(前処理付き)共役勾配法を用いて反復的に解くことを特徴とする。   In the calcium concentration change / time direction baseline calculation section, the quadratic programming problem is iteratively solved using a main dual interior point method and a conjugate gradient method (with preprocessing).

本発明の他の観点によれば、細胞の活動を非負の値で表現される細胞形状ac(x,y)と非負の値で表現されるスパイク時系列uc(t)より導出されるカルシウム濃度変化vc(t)の積により表現し、観測データf(t,x,y)を複数の細胞活動の線形和とベースラインを用いて記述するモデルに基づいて、観測データとモデルと事前分布を元にしたベイズ理論に基づく推定により想定される細胞の位置と活動を求める情報処理装置を用いた情報処理方法であって、細胞のスパイク生成に起因する細胞内のカルシウム濃度の上昇に伴って起こる蛍光タンパク質からの発光位置(x,y)における時刻tでの蛍光強度f(t,x,y)を読み取るデータ読み取りステップと、スパイク時系列uc(t)とカルシウム濃度変化vc(t)との関係式と細胞形状ac(x,y)とスパイク時系列uc(t)に関する事前分布を設定するパラメータ設定ステップと、前記データ読み取り部により読みとられた位置(x,y)における時刻tでの蛍光強度f(t,x,y)に基づいて細胞形状ac(x,y)の細胞候補を配置し、ベースラインを蛍光強度f(t,x,y)の統計量に基づいて設定する初期設定ステップと、前記ベイズ理論に基づく推定で導出される最小化問題の目的関数を減少させ、細胞形状ac(x,y)、カルシウム濃度変化vc(t)およびベースラインをより真の解に近い推定値に更新する演算ステップと、前記演算ステップにおける更新で目的関数の変化が十分小さくなった場合に目的関数が収束したと判定して処理を終了する収束判定ステップとを有することを特徴とする情報処理方法が提供される。 According to another aspect of the present invention, cell activity is derived from a cell shape a c (x, y) expressed by a non-negative value and a spike time series u c (t) expressed by a non-negative value. Based on a model that expresses the observation data f (t, x, y) using a linear sum of multiple cell activities and a baseline, expressed as a product of the calcium concentration change v c (t). An information processing method using an information processing device that calculates the location and activity of a cell that is assumed by estimation based on Bayesian theory based on prior distribution, in which the intracellular calcium concentration is increased due to cell spike generation. A data reading step for reading the fluorescence intensity f (t, x, y) at time t at the emission position (x, y) from the fluorescent protein that accompanies, spike time series u c (t) and calcium concentration change v c (t) and the relationship cell shape a c (x, y) and pre relates spike time series u c (t) A parameter setting step of setting the fabric, the data reading unit by read position (x, y) fluorescence intensity f at time t in the (t, x, y) cell shape based on a c (x, y ) Cell candidates, and an initial setting step for setting a baseline based on a statistic of fluorescence intensity f (t, x, y), and an objective function for a minimization problem derived by estimation based on the Bayesian theory And calculating the cell shape a c (x, y), the calcium concentration change v c (t) and the baseline to an estimated value closer to the true solution, and updating the objective function by updating in the calculation step. There is provided an information processing method comprising a convergence determination step for determining that the objective function has converged when the change becomes sufficiently small and terminating the processing.

本発明は、コンピュータに上記に記載の情報処理方法を実行させるためのプログラムであっても良く、当該プログラムを記録するコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であっても良い。   The present invention may be a program for causing a computer to execute the information processing method described above, or a computer-readable storage medium for recording the program.

本発明によれば、画像に含まれる細胞数が不明な状態から初期条件を個別に設定することなく高速に十分な精度で安定して細胞数およびそれぞれの細胞の形状、活動時系列を推定することができる。   According to the present invention, the number of cells, the shape of each cell, and the time series of activity are stably estimated with sufficient accuracy at high speed without individually setting initial conditions from a state in which the number of cells contained in the image is unknown. be able to.

本発明の一実施の形態による情報処理装置の一構成例を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the example of 1 structure of the information processing apparatus by one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態による情報処理装置による情報処理の流れを示すフローチャート図である。It is a flowchart figure which shows the flow of the information processing by the information processing apparatus by one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態による情報処理装置による情報処理の流れを示すフローチャート図であり、図2Aに続く図である。It is a flowchart figure which shows the flow of the information processing by the information processing apparatus by one embodiment of this invention, and is a figure following FIG. 2A. 本発明の一実施の形態による情報処理装置による情報処理の概要を示す模式的な図である。It is a schematic diagram showing an outline of information processing by the information processing apparatus according to an embodiment of the present invention. 非特許文献2に記載の情報処理装置の一構成例を示す機能ブロック図である。FIG. 11 is a functional block diagram illustrating a configuration example of an information processing device described in Non-Patent Document 2. 非特許文献2に記載の情報処理装置による情報処理の流れを示すフローチャート図である。FIG. 10 is a flowchart showing a flow of information processing by the information processing apparatus described in Non-Patent Document 2.

以下、本発明の一実施の形態による情報処理技術について図面を参照しながら説明を行う。
本発明は、パラメータの非負拘束条件と適切な事前分布の設定による正規化項(ペナルティ項)をモデルに導入し得られる解の精度を向上させた上で、多数の細胞候補を画像中に重なりを持たせて密に埋め尽くす様な初期条件設定と、細胞候補の取捨選択の工夫により、細胞数とパラメータを正しく推定できる技術に関するものである。主たるアルゴリズムとしては、形状と時間変化を交互に反復して改善する反復法を用い、途中でノイズレベル以下の小さな信号しか持たない細胞候補を取り除き、類似した活動状態を持つ細胞候補を統合することで計算量を削減しながら画像中に含まれる活動した細胞をすべて正しく検出する。各ステップで必要な非線形計画の解法には、主双対内点法および大規模一次方程式の高速な解法としての共役勾配法を用いた独自の並列化実装を用いる。
Hereinafter, an information processing technique according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
The present invention improves the accuracy of a solution obtained by introducing a normalization term (penalty term) into a model by setting a non-negative constraint condition of parameters and an appropriate prior distribution, and then overlapping a large number of cell candidates in an image. The present invention relates to a technology that can correctly estimate the number of cells and parameters by setting initial conditions so as to fill them tightly and devising selection of cell candidates. The main algorithm is to use an iterative method that iteratively and repeatedly improves shape and time change, removes cell candidates that have only small signals below the noise level, and integrates cell candidates that have similar activity states. Detects all active cells in the image correctly while reducing the amount of computation. To solve the nonlinear programming required at each step, a unique parallel implementation using the main dual interior point method and the conjugate gradient method as a fast solution method for large-scale linear equations is used.

図3は、本実施の形態による情報処理の概要を示す模式的な図である。多数の画像からなる動画像を観察し、ある時間tとその時間tにおける活動電位を発生する際における細胞内のカルシウム濃度の上昇に起因する蛍光タンパク質からの発光を二光子顕微鏡で観察した動画像を元に、蛍光強度f(t,x,y)を得ることができる。   FIG. 3 is a schematic diagram showing an outline of information processing according to the present embodiment. A moving image in which a moving image consisting of a large number of images is observed, and light emission from a fluorescent protein caused by an increase in intracellular calcium concentration when an action potential is generated at a certain time t and at that time t is observed with a two-photon microscope Based on the above, the fluorescence intensity f (t, x, y) can be obtained.

この蛍光強度f(t,x,y)の観測値を読み込み、初期条件を設定して、細胞の形状とスパイク列の対応するカルシウム濃度との乗算値の総和を求めることで、細胞数及びそれぞれの細胞の形状、活動時系列を求めることができる。   By reading the observed value of this fluorescence intensity f (t, x, y), setting the initial conditions, and calculating the sum of the product of the cell shape and the corresponding calcium concentration of the spike train, the number of cells and each Cell shape and activity time series.

本実施の形態では、既存手法の問題点を解消するため、以下のような工夫を行った。
1)既存手法のモデルに条件等を追加して問題設定を明確化し、解が一意に求まるようにする。
2)併せて、目的に合致した解の性質を持つようにモデルを改良する。
3)細胞数および細胞位置が未定である状態を想定し、多数の細胞候補から関連度自動決定により適切な細胞数および細胞位置を正しく推定できるようにする。
4)大規模なデータに対しても高精度に推定が行えるようなモデルに即した解法を示す。
In the present embodiment, in order to solve the problems of the existing method, the following device has been devised.
1) Add a condition to the model of the existing method to clarify the problem setting so that the solution can be obtained uniquely.
2) At the same time, improve the model so that it has the solution properties that meet the objectives.
3) Assuming a state in which the number of cells and the cell position are undecided, an appropriate cell number and cell position can be correctly estimated from a large number of cell candidates by automatically determining the degree of association.
4) Show a solution based on a model that enables high-precision estimation even for large-scale data.

図1は、本実施の形態による情報処理装置(画像処理装置)の一構成例を示す機能ブロック図であり、図2A、図2Bは、情報処理の流れを示す機能ブロック図であり、図3は、情報処理の概要を示す模式的な図である。   1 is a functional block diagram showing an example of the configuration of the information processing apparatus (image processing apparatus) according to the present embodiment, and FIGS. 2A and 2B are functional block diagrams showing the flow of information processing. These are the typical figures which show the outline | summary of information processing.

まず、処理を開始すると(ステップS1)、ステップS2において、データ読み出し部1が、ある時間tとその時間tにおける活動電位を発生する際における細胞内のカルシウム濃度が上昇に起因する蛍光タンパク質からの発光を二光子顕微鏡で観察した動画像データを読み込み、パラメータを設定する。読み込むデータとしては、位置(x,y)における時刻tでの蛍光強度f(t,x,y)がデータとして与えられる。ただし、t,x,yはそれぞれT,X,Y以下の自然数で、サンプリングレートおよび空間解像度から決まるスケールになっているとする。尚、サンプリングレートS[Hz]、記録時間R[sec]とすると、T=SRである。また、X、Yは画像のピクセル数である。蛍光強度fは相対的な値であるため、何らかのベースラインを規定する必要がある。解析モデル記憶部21に記憶される変数を更新する本実施の形態によるモデルは、既存手法のモデルに対して以下の変更を行ったモデルである。   First, when processing is started (step S1), in step S2, the data reading unit 1 starts from a fluorescent protein caused by an increase in intracellular calcium concentration when generating an action potential at a certain time t and that time t. Loads moving image data observed with a two-photon microscope and sets parameters. As data to be read, fluorescence intensity f (t, x, y) at time t at position (x, y) is given as data. However, it is assumed that t, x, and y are natural numbers less than or equal to T, X, and Y, respectively, and have a scale determined from the sampling rate and spatial resolution. If the sampling rate is S [Hz] and the recording time is R [sec], T = SR. X and Y are the number of pixels of the image. Since the fluorescence intensity f is a relative value, it is necessary to define some baseline. The model according to the present embodiment that updates the variables stored in the analysis model storage unit 21 is a model obtained by making the following changes to the model of the existing method.

1)時間方向のベースラインvbaseline(t)を導入
既存手法のモデルでは、式(1)のように空間方向のみについてベースラインを考慮したが、本実施の形態では、時系列推定時に時間ベースラインvbaseline(t)を同時に推定することで、解が正しく収束するようにする。
1) Introduction of baseline in time direction v baseline (t) In the model of the existing method, the baseline is considered only in the spatial direction as shown in Equation (1), but in this embodiment, the time base is used for time series estimation. By simultaneously estimating the line v baseline (t), the solution converges correctly.

Figure 2014095678
Figure 2014095678

Figure 2014095678
Figure 2014095678

2)
既存手法では、ucとvcの対応を式(2)の形に限定していたが、本実施の形態では、より一般的な形に拡張することで、現実のカルシウム応答に近づけより精度の高い解が得られるようにする。
2)
In the existing method, the correspondence between u c and v c is limited to the form of Equation (2). However, in this embodiment, the accuracy is closer to the actual calcium response by extending to a more general form. To obtain a high solution.

拡張したモデルでは、カルシウム濃度vc=[vc(1) vc(2) ・・・ vc(T)]Tはインパルス応答 [g1,g2,・・・]とスパイク時系列uc=[uc(1) uc(2) ・・・ uc(T)]Tとのたたみ込みで記述される。 In the expanded model, the calcium concentration v c = [v c (1) v c (2) ・ ・ ・ v c (T)] T is the impulse response [g 1 , g 2 , ...] and the spike time series u c = [u c (1) u c (2) ... u c (T)] Described by convolution with T.

Figure 2014095678
Figure 2014095678

Figure 2014095678
Figure 2014095678

Figure 2014095678
Figure 2014095678

たとえば、既存の方法ではインパルス応答を指数関数で{1,γ,γ2,・・・,γT}と定義していた。このとき、R=1である。 For example, in the existing method, the impulse response is defined as an exponential function {1, γ, γ 2 ,..., Γ T }. At this time, R = 1.

Figure 2014095678
Figure 2014095678

現実的な拡張としては、カルシウム濃度の立ち上がりにデルタ関数ではなく有限の値の時定数γ1での立ち上がりを仮定した{1,(γ1 22 2)/(γ12),(γ1 32 3)/(γ12),・・・,(γ1 T2 T)/(γ12)}という形のインパルス応答を定義して以下の式(14)を用いることが考えられる。このとき、R=2 である。 As a practical extension, we assumed that the calcium concentration rises with a finite time constant γ 1 instead of a delta function {1, (γ 1 22 2 ) / (γ 12 ) , (γ 1 32 3 ) / (γ 12 ), ..., (γ 1 T2 T ) / (γ 12 )} It is conceivable to use the following formula (14). At this time, R = 2.

Figure 2014095678
Figure 2014095678

このように、本実施の形態によれば、わずかな計算量の増加でモデルを拡張することができる。   Thus, according to the present embodiment, the model can be expanded with a slight increase in calculation amount.

3)acに対する非負拘束条件を導入
上記既存手法では、式(3)および(5)により結果的にペナルティ項が定数となってしまい、解が一意に定まらない。スパイク時系列uc(t)には非負条件が課されているが、細胞の形状ac(x,y)の拘束条件が規定されておらず負の値もとり得るため、細胞とは実際には無関係な領域の影響を受けてしまう。本実施の形態では、本来の物理的な条件を反映させ細胞形状ac(x,y)にも非負の拘束条件を導入する。対応する細胞に対する相関が十分強い領域のみが値を持ち、それ以外がすべて0となる(解が疎になる)ため、細胞の形状が明確になる(図3参照)。
3) Introducing a non-negative constraint condition for a c In the above existing method, the penalty term becomes a constant as a result of equations (3) and (5), and the solution is not uniquely determined. The spike time series u c (t) has a non-negative condition, but the cell shape a c (x, y) is not defined and can be negative. Will be affected by unrelated areas. In the present embodiment, non-negative constraint conditions are also introduced to the cell shape a c (x, y) to reflect the original physical conditions. Only a region having a sufficiently strong correlation with the corresponding cell has a value, and all others are 0 (the solution becomes sparse), so that the shape of the cell becomes clear (see FIG. 3).

Figure 2014095678
Figure 2014095678

Figure 2014095678
既存手法では、式(3)の事前分布のハイパーパラメータが式(5)により変数自身により決定される自己一貫性が要求されており、解が一意に定まらなかった。また、スパイク時系列のみに事前分布が設定されているため、信号を形成する細胞形状とスパイク時系列の比も一意に定まらなかった。本実施の形態では、細胞形状とスパイク時系列に関して式(16)の形式の事前分布を導入する。
Figure 2014095678
The existing method requires self-consistency in which the hyperparameter of the prior distribution of Equation (3) is determined by the variable itself according to Equation (5), and the solution cannot be determined uniquely. In addition, since the prior distribution is set only for the spike time series, the ratio of the cell shape forming the signal to the spike time series could not be determined uniquely. In the present embodiment, a prior distribution in the form of Equation (16) is introduced with respect to the cell shape and spike time series.

Figure 2014095678
であり、a0,u0,s0は事前分布のハイパーパラメータである。この事前分布はモデルにおいてスパイク時系列の発火率および細胞形状の領域サイズさらにそれらの積で表される細胞の信号強度に対してハイパーパラメータで表現される事前知識を用いることに対応し、MAP推定においてはac,uc,acucに関するL1ノルム正規化項を加えることに対応する。この事前分布の導入により、MAP推定における解が一意に定まり、式(12)(15)と併せてより疎な解を得ることができる。
Figure 2014095678
A 0 , u 0 , s 0 are hyperparameters of the prior distribution. This prior distribution corresponds to the use of prior knowledge expressed by hyperparameters in the model for the firing rate of spike time series and the region size of the cell shape and the signal strength of the cell represented by the product of them. Corresponds to adding an L1 norm normalization term for a c , u c , a c u c . By introducing this prior distribution, the solution in the MAP estimation is uniquely determined, and a sparse solution can be obtained together with the equations (12) and (15).

目的関数とパラメータ設定処理においては、拘束条件(式(12),(15))、尤度関数(式(10))、事前分布(式(16)(17))のMAP推定は、拘束条件(式(12),(15))の元で目的関数式(18)を最小化する細胞数Cと変数ac,abaseline,vc,vbaselineを求める問題となる。 In objective function and parameter setting processing, MAP estimation of constraint conditions (Equations (12) and (15)), likelihood functions (Equation (10)), and prior distributions (Equations (16) and (17)) This is a problem of obtaining the number of cells C and variables a c , a baseline , v c , and v baseline that minimize the objective function equation (18) under (Equations (12) and (15)).

Figure 2014095678
Figure 2014095678

σ2は真の解が得られたときの二乗誤差であり現時点では不明であるため、全体を定数σ2倍した上で、パラメータρau,ρを用いて次のように置き換える。 Since σ 2 is a square error when a true solution is obtained and is unknown at this time, the whole is multiplied by a constant σ 2 and replaced by the following using parameters ρ a , ρ u , ρ.

Figure 2014095678
Figure 2014095678

ただし、任意の正の定数sに対して、

Figure 2014095678
としても目的関数の値も個々の細胞の信号も変わらずac,ucの比を変化させるだけであるため、ρauの比は解の実質的な形に影響しない。このため、パラメータγ,ρau,ρを定めて式(19)を最小化する解を求めておいてから、必要であれば正の定数sを用いて(20)の変換を行うことにより最終的なac,vcのスケールを決めればよい。(19)を最小化する解は、適当なac,abaselineを初期条件として設定した上で、ac,abaselineを固定することにより(19)をvc,vbaselineに関する二次計画問題として解く時間変数更新ステップと、vc,vbaselineを固定することにより式(19)をac,abaselineに関する二次計画問題として解く空間変数更新ステップとを交互に繰り返すことにより、目的関数を減少させ最終的に収束させることで求める。ベースラインの初期条件としては、最小二乗法により簡単に求めることのできる細胞が存在しない場合の最適値を設定し、細胞形状に関しては想定される細胞のサイズより大きめの特定の領域を覆うような細胞候補を十分な重なりを持たせて画像全体を埋め尽くすように多数配置する。不要な細胞候補は関連度自動決定により縮退するため、自動的に正しい細胞数が得られる。 However, for any positive constant s,
Figure 2014095678
However, the ratio of ρ a and ρ u does not affect the substantial form of the solution because the value of the objective function and the signal of the individual cells are not changed and only the ratio of a c and u c is changed. For this reason, after determining the parameters γ, ρ a , ρ u , ρ and obtaining a solution that minimizes the equation (19), the conversion of (20) is performed using a positive constant s if necessary. Thus, the final scale of a c and v c can be determined. The solution to minimize (19) is the quadratic programming problem for v c , v baseline by setting a c , a baseline as an initial condition and fixing a c , a baseline. By alternately repeating the time variable update step solved as follows and the spatial variable update step solved as a quadratic programming problem with respect to a c , a baseline by fixing v c , v baseline , the objective function is Decrease and finally converge. As an initial condition of the baseline, an optimal value is set when there is no cell that can be easily obtained by the least square method, and the cell shape covers a specific region larger than the assumed cell size. A large number of cell candidates are arranged so as to fill the entire image with sufficient overlap. Since unnecessary cell candidates are degenerated by automatically determining the degree of association, the correct number of cells is automatically obtained.

パラメータは、予想される細胞の画像上での大きさAsize、発火率UfreqおよびSN比Sに基づいて設定する。具体的にはac,ucの解がそれぞれ2つの値{0,σ},{0,S}しかとらず、σの値をとるピクセル数がAsize、Sの値をとる確率がUfreqであることを想定して、ρa≒σAsizeu≒STUfreqと設定する。 The parameters are set based on the expected size A size of the cell, firing rate U freq, and SN ratio S. Specifically, the solutions of a c and u c have only two values {0, σ} and {0, S}, respectively, and the number of pixels taking the value of σ is A size and the probability of taking the value of S is U Assuming freq , ρ a ≈σ A size and ρ u ≈STU freq are set.

上記のアルゴリズムを用いることで、ここで設定した問題の大域解を高精度に求めることができる。   By using the above algorithm, the global solution of the problem set here can be obtained with high accuracy.

次いで、ステップS3において、初期設定部3が、ベースライン、細胞の個数および細胞の形状を初期設定する。例えば、細胞が存在しないと仮定した場合の最適なベースラインを初期条件として設定する。   Next, in step S3, the initial setting unit 3 initializes the baseline, the number of cells, and the shape of the cells. For example, an optimal baseline when it is assumed that no cells exist is set as an initial condition.

ここで、想定される細胞のサイズより大きめの特定の領域を覆うような細胞候補を十分な重なりを持たせて画像全体を埋め尽くすように真の細胞の位置に無関係に多数配置する。疎な解を得られるような条件でMAP推定を行うことで関連度自動決定の効果が働き、不要な細胞候補は自動的に縮退し(信号が小さくなり)細胞数が自動的に決定される。   Here, a large number of cell candidates covering a specific area larger than the assumed cell size are arranged regardless of the true cell position so as to fill the entire image with sufficient overlap. By performing MAP estimation under conditions that can obtain a sparse solution, the effect of automatic relevance determination works, unnecessary cell candidates are automatically degenerated (signal becomes smaller), and the number of cells is automatically determined. .

次いで、ステップS4において、スパイク時系列/時間方向のベースライン演算部5が、スパイク時系列および時間方向のベースラインを求める。   Next, in step S4, the spike time series / time direction baseline calculation unit 5 obtains the spike time series and time direction baseline.

スパイク時系列/時間方向のベースライン演算部5は、拘束条件(式(2))のもとで、下記の目的関数(式(17))を最小化するvc,vbaseline,ucを求めるCT+T次元の二次計画問題を解く。 The baseline calculation unit 5 in the spike time series / time direction calculates v c , v baseline , u c that minimizes the following objective function (equation (17)) under the constraint condition (equation (2)). Solve the CT + T-dimensional quadratic programming problem.

ac,abaselineを固定すると、拘束条件(12)(15)のもとで目的関数(21)を最小化するvc,vbaselineを求めるCT+T次元の二次計画問題となる。この問題を主双対内点法と前処理付き共役勾配法を組み合わせて解く。 If a c and a baseline are fixed, it becomes a CT + T-dimensional quadratic programming problem for obtaining v c and v baseline that minimizes the objective function (21) under the constraint conditions (12) and (15). This problem is solved by combining the main dual interior point method and the preconditioned conjugate gradient method.

Figure 2014095678
ただし、etはt番目の要素が1となる規定ベクトルとし、パラメータは次の式で表される。
Figure 2014095678
Here, et is a defined vector whose t-th element is 1, and the parameters are expressed by the following equations.

Figure 2014095678
Figure 2014095678

・主双対内点法
二次計画問題(21)の基本的な解法として主双対内点法を導入する。主双対内点法では変数vc,vbaseline,ucおよびスラック変数scに対して初期条件を設定し、それらの値を目的の二次計画問題の解に近づくように更新していく。更新する方向は次の線形方程式の解により決定される。ここで、βは制御パラメータ、eは要素がすべて1のベクトルである。
・ Main dual interior point method The main dual interior point method is introduced as a basic solution of the quadratic programming problem (21). In the main dual interior point method, initial conditions are set for variables v c , v baseline , u c and slack variable s c , and these values are updated so as to approach the solution of the target quadratic programming problem. The updating direction is determined by the solution of the following linear equation. Here, β is a control parameter, and e is a vector whose elements are all ones.

Figure 2014095678
Figure 2014095678
Figure 2014095678
Figure 2014095678

Figure 2014095678
このとき、(21)からΔvbaseline,Δs,Δuを消去すると、CT次元の線形方程式(28)が得られる。
Figure 2014095678
At this time, if Δv baseline , Δs, Δu is deleted from (21), a CT-dimensional linear equation (28) is obtained.

Figure 2014095678
ただし、
Figure 2014095678
である。
Figure 2014095678
However,
Figure 2014095678
It is.

CT次元の線形方程式は通常の解法では膨大なメモリと計算量が必要となるが、共役勾配法では対象となる行列と任意のベクトルの積が計算できればよいので、(28)のA’およびQijのみ記憶し、その構造を利用して消費メモリO(C2+CTR)および計算量O(C2T+CTR)で行列とベクトルの積を計算することにより、(前処理付きの)共役勾配法を適用する。通常CT×CT次元の行列とCT次元のベクトルの積の計算量および消費メモリはO(C2T2)である。 The CT linear equation requires a large amount of memory and computational complexity, but the conjugate gradient method only needs to be able to calculate the product of the target matrix and any vector, so A 'and Q in (28) Conjugate (with preprocessing) by memorizing only ij and using the structure to calculate the product of matrix and vector with consumption memory O (C 2 + CTR) and complexity O (C 2 T + CTR) Apply the gradient method. Usually, the amount of computation and memory consumption of the product of a CT × CT dimensional matrix and a CT dimensional vector is O (C 2 T 2 ).

一方、ステップS9において、細胞形状/空間ベースライン演算部5が、細胞形状および空間方向のベースラインを求める。   On the other hand, in step S9, the cell shape / space baseline calculation unit 5 obtains a cell shape and a baseline in the spatial direction.

vc,vbaselineを固定すると、(15)の拘束条件のもとで目的関数(19)を最小化するac,abaselineを求めるXY個の(C+1)次元の二次計画問題となる。この問題を主双対内点法を用いて解く。ここでは、時間方向と違い問題の次元は比較的小さいので線形方程式の解法にはコレスキー分解を用いた直接法を用いる。このとき、各問題を並列処理で解くことで速度を向上させることができる。 When v c and v baseline are fixed, XY (C + 1) -dimensional quadratic programming problems for obtaining a c and a baseline that minimize the objective function (19) under the constraint of (15) Become. This problem is solved using the principal dual interior point method. Here, since the dimension of the problem is relatively small unlike the time direction, the direct method using Cholesky decomposition is used to solve the linear equation. At this time, the speed can be improved by solving each problem by parallel processing.

Figure 2014095678
Figure 2014095678

次いで、ステップS4、ステップS10の後に、ステップS5又はステップS10において、縮退細胞候補除去部11が、縮退した細胞候補の除去を行う。時系列および細胞形状を求める各ステップについてステップ後に細胞候補の除去を試みる。この際のアルゴリズムとして、縮退した細胞候補を含んだ形で計算を進めても良いが、縮退した細胞候補に関しても通常の細胞候補と同様の計算量がかかるため、適切に早めに除去していくことが望ましい。このため、maxac×maxvc<10-4σの場合に細胞候補を除去すると良い。 Next, after step S4 and step S10, the degenerated cell candidate removal unit 11 removes the degenerated cell candidate in step S5 or step S10. For each step of obtaining the time series and the cell shape, an attempt is made to remove the cell candidate after the step. As an algorithm at this time, the calculation may be performed in a form including degenerated cell candidates, but degenerate cell candidates also require the same amount of calculation as normal cell candidates, so they are removed appropriately and early It is desirable. For this reason, cell candidates are preferably removed when maxa c × maxv c <10 −4 σ.

また必要に応じて、スパイク時系列/時間方向のベースライン演算部5と、細胞形状/空間方向のベースライン演算部7と、の出力の少なくともいずれか一方に対して、類似した細胞候補を統合する類似細胞統合部13を任意に設けても良い(ステップS6,ステップS11)。   If necessary, similar cell candidates are integrated into at least one of the output of the spike time series / time direction baseline calculation unit 5 and the cell shape / space direction baseline calculation unit 7. The similar cell integration unit 13 may be optionally provided (step S6, step S11).

類似細胞統合部13は、複数の細胞候補の時系列の比較を行い十分に類似性が高いと判定した場合に、細胞形状を足し合わせた細胞候補を新たに導入し、元の細胞候補を除去することにより、同一細胞が複数の細胞候補に分割されることを防ぐことができる。   When the similar cell integration unit 13 compares the time series of a plurality of cell candidates and determines that the similarity is sufficiently high, the similar cell integration unit 13 newly introduces cell candidates obtained by adding the cell shapes and removes the original cell candidates By doing so, it is possible to prevent the same cell from being divided into a plurality of cell candidates.

ただし、関連度自動決定の効果によりこのような統合処理を必要としない場合もあるため、関連度自動決定の効果に依存して、これを設けるかどうかを決めれば良い。   However, since there is a case where such integration processing is not required due to the effect of automatic determination of the degree of association, it may be determined whether to provide this depending on the effect of automatic determination of the degree of association.

次いで、ステップS7又はステップS12において、反復・収束判定部15が、収束判定を行う。目的関数の変化が十分小さくかつ除去された細胞候補がない場合に収束したと判定して終了する(ステップS8、S13)。ステップS7で収束していないと判定されると、ステップS9に進み、ステップS12で収束していないと判定されると、ステップS4に戻る。   Next, in step S7 or step S12, the iterative / convergence determination unit 15 performs convergence determination. If the change in the objective function is sufficiently small and there is no removed cell candidate, it is determined that the target function has converged, and the process ends (steps S8 and S13). If it is determined in step S7 that it has not converged, the process proceeds to step S9. If it is determined in step S12 that it has not converged, the process returns to step S4.

尚、収束の判定は、例えば、細胞がない場合の二乗誤差をσ0 2、目的関数を0.5σ0 2としたとき、各ステップでの目的関数の変化が、閾値0.001σ0 2以下であれば収束したとして終了することができる。この閾値の値は、経験則で決めることができるが、この方法に限定されるものではない。 In the convergence determination, for example, when the square error when there is no cell is σ 0 2 and the objective function is 0.5σ 0 2 , the change of the objective function in each step is a threshold value of 0.001σ 0 2 or less. If so, it can be concluded that it has converged. The threshold value can be determined by an empirical rule, but is not limited to this method.

以上の処理を繰り返すことで収束すると、細胞数Cと変数ac,abaseline,vc,vbaselineおよびucすべてが全て求まり、これらの値を出力部17が結果を出力することができる。 When convergence is achieved by repeating the above processing, the number of cells C and all of the variables a c , a baseline , v c , v baseline, and u c are obtained, and the output unit 17 can output the results of these values.

上記の実施の形態において、添付図面に図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれるものである。   In the above-described embodiment, the configuration and the like illustrated in the accompanying drawings are not limited to these, and can be appropriately changed within a range in which the effect of the present invention is exhibited. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the object of the present invention. Each component of the present invention can be arbitrarily selected, and an invention having a selected configuration is also included in the present invention.

また、本実施の形態で説明した機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各部の処理を行ってもよい。尚、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。   In addition, a program for realizing the functions described in the present embodiment is recorded on a computer-readable recording medium, and the program recorded on the recording medium is read into a computer system and executed to execute processing of each unit. May be performed. The “computer system” here includes an OS and hardware such as peripheral devices.

本発明は、情報処理装置として利用可能である。   The present invention can be used as an information processing apparatus.

A…情報処理装置、1…データ読み込み部、3…初期設定部、5…スパイク時系列/時間ベースライン演算部、7…細胞形状/空間ベースライン演算部、11…縮退細胞除去部、15…反復・収束判定部、17…出力部、21…解析モデル記憶部。 A ... information processing device, 1 ... data reading unit, 3 ... initial setting unit, 5 ... spike time series / time baseline calculation unit, 7 ... cell shape / space baseline calculation unit, 11 ... degenerate cell removal unit, 15 ... Repetition / convergence determination unit, 17 ... output unit, 21 ... analysis model storage unit.

Claims (11)

細胞の活動を非負の値で表現される細胞形状ac(x,y)と非負の値で表現されるスパイク時系列uc(t)より導出されるカルシウム濃度変化vc(t)の積により表現し、観測データf(t,x,y)を複数の細胞活動の線形和とベースラインを用いて記述するモデルに基づいて、観測データとモデルと事前分布を元にしたベイズ理論に基づく推定により想定される細胞の位置と活動を求める情報処理装置であって、
細胞のスパイク生成に起因する細胞内のカルシウム濃度の上昇に伴って起こる蛍光タンパク質からの発光を位置(x,y)における時刻tでの蛍光強度f(t,x,y)として読み取るデータ読み取り部と、
スパイク時系列uc(t)とカルシウム濃度変化vc(t)との関係式と細胞形状ac(x,y)とスパイク時系列uc(t)に関する事前分布を設定するパラメータ設定部と、
前記データ読み取り部により読みとられた位置(x,y)における時刻tでの蛍光強度f(t,x,y)に基づいて細胞形状ac(x,y)の細胞候補を配置し、ベースラインを蛍光強度f(t,x,y)の統計量に基づいて設定する初期設定部と、
前記ベイズ理論に基づく推定で導出される最小化問題の目的関数を減少させ、細胞形状ac(x,y)、カルシウム濃度変化vc(t)およびベースラインをより真の解に近い推定値に更新する演算部と、
前記演算部における更新で目的関数の変化が十分小さくなった場合に目的関数が収束したと判定して処理を終了する収束判定部とを有することを特徴とする情報処理装置。
The product of the cell shape a c (x, y) expressed as a non-negative value of cell activity and the calcium concentration change v c (t) derived from the spike time series u c (t) expressed as a non-negative value Based on a model that describes observation data f (t, x, y) using a linear sum of multiple cell activities and a baseline, based on Bayesian theory based on observation data, model, and prior distribution An information processing apparatus for obtaining a cell position and activity assumed by estimation,
Data reading unit that reads light emission from the fluorescent protein accompanying the increase in intracellular calcium concentration caused by cell spike generation as fluorescence intensity f (t, x, y) at time t at position (x, y) When,
A parameter setting unit for setting a prior expression for the relationship between the spike time series u c (t) and the calcium concentration change v c (t), the cell shape a c (x, y), and the spike time series u c (t); ,
A cell candidate having a cell shape a c (x, y) is arranged based on the fluorescence intensity f (t, x, y) at the time t at the position (x, y) read by the data reading unit, and the base An initial setting unit for setting a line based on a statistic of fluorescence intensity f (t, x, y);
Reduce the objective function of the minimization problem derived by the estimation based on the Bayesian theory, and estimate the cell shape a c (x, y), calcium concentration change v c (t), and baseline closer to the true solution An arithmetic unit to be updated to
An information processing apparatus comprising: a convergence determining unit that determines that the objective function has converged when the change in the objective function is sufficiently small by the update in the arithmetic unit and ends the process.
前記演算部において、
空間ベースラインabaseline(x,y)に加えて時間ベースラインvbaseline(t)を導入したモデルに基づいた推定値更新を行うことを特徴とする請求項1に記載の情報処理装置。
In the calculation unit,
The information processing apparatus according to claim 1, wherein the estimated value is updated based on a model in which a time baseline v baseline (t) is introduced in addition to the spatial baseline a baseline (x, y).
前記パラメータ設定部において、
スパイク時系列に対するカルシウム濃度変化のインパルス応答に基づいた変換行列により、スパイク時系列とカルシウム濃度変化との関係式を設定し、
前記演算部において、
変換行列に基づいた推定値更新を行うことを特徴とする請求項1又は2に記載の情報処理装置。
In the parameter setting unit,
Using the transformation matrix based on the impulse response of the calcium concentration change for the spike time series, set the relational expression between the spike time series and the calcium concentration change,
In the calculation unit,
The information processing apparatus according to claim 1, wherein the estimated value is updated based on a transformation matrix.
前記パラメータ設定部において、
Figure 2014095678
前記演算部において、
設定された事前分布に基づいた推定値更新を行うことを特徴とする請求項1から3までのいずれか1項に記載の情報処理装置。
In the parameter setting unit,
Figure 2014095678
In the calculation unit,
The information processing apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the estimated value is updated based on the set prior distribution.
前記初期設定部において、
想定される細胞のサイズより大きめの特定の領域を覆うような細胞候補を十分な重なりを持たせて画像全体を埋め尽くすように真の細胞の位置に無関係に多数配置することを特徴とする請求項1から4までのいずれか1項に記載の情報処理装置。
In the initial setting unit,
A number of cell candidates covering a specific area larger than the assumed cell size are arranged regardless of the true cell position so as to fill the entire image with sufficient overlap. Item 5. The information processing device according to any one of Items 1 to 4.
さらに、前記スパイク時系列/時間方向のベースライン演算部と、前記細胞形状/空間方向のベースライン演算部と、の出力の少なくともいずれか一方に対して縮退した細胞候補の除去を行う縮退細胞候補除去部を有することを特徴とする請求項1から5までのいずれか1項に記載の情報処理装置。   Further, a degenerate cell candidate that removes a degenerated cell candidate with respect to at least one of the output of the spike time series / time direction baseline calculation unit and the cell shape / space direction baseline calculation unit 6. The information processing apparatus according to claim 1, further comprising a removal unit. さらに、前記スパイク時系列/時間方向のベースライン演算部と、前記細胞形状/空間方向のベースライン演算部と、の出力の少なくともいずれか一方に対して類似した細胞候補を統合する類似細胞統合部
を有することを特徴とする請求項1から6までのいずれか1項に記載の情報処理装置。
Further, a similar cell integration unit that integrates similar cell candidates with respect to at least one of the outputs of the spike time series / time direction baseline calculation unit and the cell shape / space direction baseline calculation unit The information processing apparatus according to claim 1, wherein the information processing apparatus includes:
前記演算部は、
細胞形状ac(x,y)と空間ベースラインabaseline(x,y)を固定し、スパイク時系列の変数値が非負という拘束条件のもとで、MAP推定の目的関数を最小化するカルシウム濃度変化vc(t)と時間ベースラインvbaseline(t)を求めるCT+T次元の二次計画問題を解くカルシウム濃度変化/時間方向ベースライン演算部と、
カルシウム濃度変化vc(t)と時間ベースラインvbaseline(t)を固定し、細胞形状の変数値が非負という拘束条件のもとで、MAP推定の目的関数を最小化する細胞形状ac(x,y)と空間ベースラインabaseline(x,y)を求めるXY個の(C+1)次元の二次計画問題を解く細胞形状/空間方向ベースライン演算部と
を有することを特徴とする請求項1から7までのいずれか1項に記載の情報処理装置。
The computing unit is
Calcium that minimizes the objective function of MAP estimation under the constraint that the cell shape a c (x, y) and the spatial baseline a baseline (x, y) are fixed and the variable value of the spike time series is nonnegative A calcium concentration change / time direction baseline calculation unit for solving a CT + T-dimensional quadratic programming problem to obtain a concentration change v c (t) and a time baseline v baseline (t);
Cell shape a c (which minimizes the objective function of MAP estimation under the constraint that the calcium concentration change v c (t) and time baseline v baseline (t) are fixed and the cell shape variable value is non-negative. a cell shape / space direction baseline calculation unit that solves XY (C + 1) -dimensional quadratic programming problems for obtaining x, y) and a space baseline a baseline (x, y) The information processing apparatus according to any one of claims 1 to 7.
前記カルシウム濃度変化/時間方向ベースライン演算部において、
当該二次計画問題を主双対内点法と共役勾配法を用いて反復的に解くことを特徴とする請求項8に記載の情報処理装置。
In the calcium concentration change / time direction baseline calculation unit,
The information processing apparatus according to claim 8, wherein the quadratic programming problem is iteratively solved using a main dual interior point method and a conjugate gradient method.
細胞の活動を非負の値で表現される細胞形状ac(x,y)と非負の値で表現されるスパイク時系列uc(t)より導出されるカルシウム濃度変化vc(t)の積により表現し、観測データf(t,x,y)を複数の細胞活動の線形和とベースラインを用いて記述するモデルに基づいて、観測データとモデルと事前分布を元にしたベイズ理論に基づく推定により想定される細胞の位置と活動を求める情報処理装置を用いた情報処理方法であって、
細胞のスパイク生成に起因する細胞内のカルシウム濃度の上昇に伴って起こる蛍光タンパク質からの発光位置(x,y)における時刻tでの蛍光強度f(t,x,y)を読み取るデータ読み取りステップと、
スパイク時系列uc(t)とカルシウム濃度変化vc(t)との関係式と細胞形状ac(x,y)とスパイク時系列uc(t)に関する事前分布を設定するパラメータ設定ステップと、
前記データ読み取り部により読みとられた位置(x,y)における時刻tでの蛍光強度f(t,x,y)に基づいて細胞形状ac(x,y)の細胞候補を配置し、ベースラインを蛍光強度f(t,x,y)の統計量に基づいて設定する初期設定ステップと、
前記ベイズ理論に基づく推定で導出される最小化問題の目的関数を減少させ、細胞形状ac(x,y)、カルシウム濃度変化vc(t)およびベースラインをより真の解に近い推定値に更新する演算ステップと、
前記演算ステップにおける更新で目的関数の変化が十分小さくなった場合に目的関数が収束したと判定して処理を終了する収束判定ステップと
を有することを特徴とする情報処理方法。
The product of the cell shape a c (x, y) expressed as a non-negative value of cell activity and the calcium concentration change v c (t) derived from the spike time series u c (t) expressed as a non-negative value Based on a model that describes observation data f (t, x, y) using a linear sum of multiple cell activities and a baseline, based on Bayesian theory based on observation data, model, and prior distribution An information processing method using an information processing device for obtaining a cell position and activity assumed by estimation,
A data reading step for reading the fluorescence intensity f (t, x, y) at time t at the light emission position (x, y) from the fluorescent protein that occurs as the intracellular calcium concentration increases due to the spike formation of the cell; ,
A parameter setting step for setting a prior expression for the relationship between the spike time series u c (t) and the calcium concentration change v c (t) and the cell shape a c (x, y) and the spike time series u c (t); ,
A cell candidate having a cell shape a c (x, y) is arranged based on the fluorescence intensity f (t, x, y) at the time t at the position (x, y) read by the data reading unit, and the base An initial setting step for setting a line based on a statistic of fluorescence intensity f (t, x, y);
Reduce the objective function of the minimization problem derived by the estimation based on the Bayesian theory, and estimate the cell shape a c (x, y), calcium concentration change v c (t), and baseline closer to the true solution A calculation step to be updated to
A convergence determination step of determining that the objective function has converged when the change in the objective function is sufficiently small by the update in the calculation step, and ending the processing.
コンピュータに請求項10に記載の情報処理方法を実行させるためのプログラム。   A program for causing a computer to execute the information processing method according to claim 10.
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