JP6825770B2 - Machine learning equipment, classification equipment and methods and programs - Google Patents
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Description
本技術は、機械学習装置、分類装置並びに方法及びプログラムに関する。 The present technology relates to machine learning devices, classification devices and methods and programs.
神経細胞は生物において様々な臓器の働きを調整し、中枢神経系では神経同士のネットワークを形成して活動する事で様々な情報処理を行う等をしていると考えられている。現在では細胞培養技術の発達により、生体から取り出した神経細胞や多能性幹細胞から分化した神経細胞を培養液中等で長期間に培養する事が可能になっている。 It is thought that nerve cells regulate the functions of various organs in living organisms, and in the central nervous system, they perform various information processing by forming a network of nerves and activating them. At present, with the development of cell culture technology, it has become possible to culture nerve cells extracted from a living body or nerve cells differentiated from pluripotent stem cells in a culture medium for a long period of time.
神経細胞の活動は、電気信号を用いて情報を伝達することにあり、神経細胞や神経線維における電気信号の発生の仕組みや、神経細胞を取り巻く膜の生化学的性質、神経細胞や神経線維に対する物質の薬理作用の解明のため、この神経細胞の膜内外の電位差を測定することが行われている。 The activity of nerve cells is to transmit information using electrical signals, such as the mechanism of electrical signal generation in nerve cells and nerve fibers, the biochemical properties of the membrane surrounding nerve cells, and the response to nerve cells and nerve fibers. In order to elucidate the pharmacological action of a substance, the potential difference between the inside and outside of the membrane of this nerve cell is measured.
培養神経細胞を測定対象とした場合、神経細胞の活動電位を測定する手法として、(1)細胞内電位記録法、(2)パッチ電極記録法、(3)細胞外電位記録法、が挙げられる。(1)と(2)はガラス微小電極を細胞内に刺入するか、細胞表面にあてて記録を行うものであることから直接的な膜電位を測定することはできるが、手技が困難であり細胞自体を傷つけるなど長期間の測定を行うことが困難である。これに対し(3)の細胞外電位記録法は、電極を細胞近傍に配置して細胞周囲に生じる電位変化を測定するものであり、技術的に比較的容易で、長時間の測定が可能であり、その応用範囲も広い。特に、多点平面電極(MEA:Multiple Electrode Array)を用いた細胞外電位記録法は、複数の電極や複数のサンプルから安定して同時計測できる方法として利用されている。 When cultured nerve cells are measured, as methods for measuring the action potential of nerve cells, (1) intracellular potential recording method, (2) patch electrode recording method, and (3) extracellular potential recording method can be mentioned. .. Since (1) and (2) are for inserting glass microelectrodes into cells or applying them to the cell surface for recording, it is possible to directly measure the membrane potential, but the procedure is difficult. It is difficult to perform long-term measurements such as damaging the cells themselves. On the other hand, the extracellular potential recording method (3) is to measure the potential change occurring around the cell by arranging the electrode near the cell, which is technically relatively easy and enables long-term measurement. Yes, and its application range is wide. In particular, the extracellular potential recording method using a multi-point planar electrode (MEA: Multiple Electrode Array) is used as a method capable of stably and simultaneously measuring from a plurality of electrodes and a plurality of samples.
従来、細胞外電位記録法に用いる計測装置として、異なる細胞または細胞群にそれぞれ配置された異なる微小電極にそれぞれ接続された信号線の間で生じる電磁誘導によるノイズが発生しないように、1つの細胞または細胞群に配置された微小電極に接続された信号線と、他の細胞または細胞群に配置された微小電極に接続された信号線とが、実質的に分離されてアンプに接続されているものが提案されている(例えば、特許文献1)。 Conventionally, as a measuring device used for the extracellular potential recording method, one cell is used so as not to generate noise due to electromagnetic induction generated between signal lines connected to different microelectrodes arranged in different cells or cell groups. Alternatively, the signal line connected to the microelectrodes arranged in the cell group and the signal line connected to the microelectrodes arranged in other cells or cell groups are substantially separated and connected to the amplifier. Those have been proposed (for example, Patent Document 1).
神経細胞の細胞電位変化の測定により得られた活動電位データから、神経活動パターンの解析を行うためには、計測された神経細胞の活動波形データからノイズを除外し、神経細胞の活動を表す発火を検出する。 In order to analyze the nerve activity pattern from the action potential data obtained by measuring the change in the cell potential of the nerve cell, noise is excluded from the measured activity waveform data of the nerve cell, and firing indicating the activity of the nerve cell is performed. Is detected.
しかし、現在このような神経細胞の細胞外電位変化の測定データから、神経細胞の活動を表すスパイクや連続してスパイクが発生するバースト等の神経細胞の発火を検出するためには、測定者が経験に基づく目視により検出する方法や、閾値を標準偏差の定数倍として発火を検出する方法が用いられている。しかし、単純な閾値の設定による分類では発火の誤検出が生じ、それを防ぐために人間が目視で修正を行う必要がある。人間の判断結果にもばらつきが生じるため、正確性や作業効率がよいとはいえなかった。 However, at present, in order to detect the firing of nerve cells such as spikes representing the activity of nerve cells and bursts in which continuous spikes occur, from the measurement data of such extracellular potential changes of nerve cells, the measurer is required. A method of visually detecting based on experience and a method of detecting ignition by setting the threshold value to a constant multiple of the standard deviation are used. However, classification by setting a simple threshold causes false detection of ignition, and it is necessary for humans to visually correct it in order to prevent it. Since the results of human judgment also vary, it cannot be said that the accuracy and work efficiency are good.
そこで、本発明は、神経細胞の細胞外電位データから発火を検出する作業の正確性及び効率を向上させる技術を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a technique for improving the accuracy and efficiency of the work of detecting firing from the extracellular potential data of nerve cells.
本発明に係る機械学習装置は、神経細胞の細胞外電位の経時変化を表すデータについて、所定の期間に測定された電位の値と、当該期間における発火の発生を表す教師値とを用いて、発火の有無と電位の値との関係を学習する。また、機械学習装置は、電位の値と、所定の関数とに基づいて特徴量を算出する特徴量算出部と、特徴量算出部が算出した特徴量に基づく値と、教師値とを用いて関数に用いられる係数を修正する学習処理部とを備える。 The machine learning device according to the present invention uses the value of the potential measured in a predetermined period and the teacher value indicating the occurrence of ignition in the period for the data representing the time course of the extracellular potential of the nerve cell. Learn the relationship between the presence or absence of ignition and the potential value. Further, the machine learning device uses a feature amount calculation unit that calculates the feature amount based on the potential value and a predetermined function, a value based on the feature amount calculated by the feature amount calculation unit, and a teacher value. It is provided with a learning processing unit that modifies the coefficients used in the function.
このようにすれば、例えばニューラルネットワークを用いた機械学習を行うことができる。細胞外電位のデータにおいて発火が発生しているか否かは、単純な閾値の設定のみでは分類できないところ、定式化しにくい分類基準を学習できるようになる。すなわち、神経細胞の細胞外電位データから発火を検出する作業の正確性及び効率を向上させることができる。 In this way, for example, machine learning using a neural network can be performed. Whether or not firing has occurred in the extracellular potential data cannot be classified only by setting a simple threshold value, but it becomes possible to learn classification criteria that are difficult to formulate. That is, it is possible to improve the accuracy and efficiency of the work of detecting firing from the extracellular potential data of nerve cells.
また、特徴量算出部は、電位の値又はそれに基づく特徴量を入力とし、入力側の全ノードが出力側の全ノードと結合された全結合層及び各結合に関連付けられた所定の係数に基づいて変換後の特徴量を算出するようにしてもよい。例えばこのように、いわゆる全結合層を含む構成を採用することができる。 In addition, the feature amount calculation unit takes the potential value or the feature amount based on the potential value as an input, and is based on a fully connected layer in which all the nodes on the input side are connected to all the nodes on the output side and a predetermined coefficient associated with each connection. The converted feature amount may be calculated. For example, in this way, a configuration including a so-called fully connected layer can be adopted.
また、特徴量算出部は、電位の値又はそれに基づく特徴量を入力として、入力側の一連のノードに対して前段のノードの処理結果に応じた値を後段のノードの処理に利用する関数に基づいて処理を行うリカレントニューラルネットワークにより変換後の特徴量を算出するようにしてもよい。例えばこのように、いわゆるリカレントレイヤを含む構成を採用するようにしてもよい。なお、リカレントニューラルネットワークによる処理は、時間の経過に沿った順方向の経時的特徴を学習するようにしてもよいし、時系列上、逆方向の経時的特徴を学習するようにしてもよく、また、両者を並列に実行するようにしてもよい。 In addition, the feature amount calculation unit is a function that takes the potential value or the feature amount based on it as an input and uses the value corresponding to the processing result of the previous stage node for the processing of the subsequent stage node for a series of nodes on the input side. The feature amount after conversion may be calculated by a recurrent neural network that performs processing based on the above. For example, in this way, a configuration including a so-called recurrent layer may be adopted. Note that the processing by the recurrent neural network may be to learn the temporal features in the forward direction along with the passage of time, or may be to learn the temporal features in the reverse direction in the time series. Further, both may be executed in parallel.
また、特徴量算出部は、電位の値又はそれに基づく特徴量を入力として、所定の畳み込みニューラルネットワークにより変換後の特徴量を算出するようにしてもよい。例えば時系列的に変化する電位の値の特徴を捉えることができる。 Further, the feature amount calculation unit may input the potential value or the feature amount based on the potential value or calculate the feature amount after conversion by a predetermined convolutional neural network. For example, it is possible to capture the characteristics of potential values that change over time.
また、前記細胞外電位の値は、神経細胞に接するように配置される複数の電極を介して測定され、特徴量算出部は異なる電極によって同時期に測定された複数の電位の値又はこれに基づく特徴量を用いて、変換後の特徴量を算出するようにしてもよい。このようにすれば、細胞の少なくとも一部において同時期に発生した発火パターンの共時的特徴を学習することができる。 Further, the value of the extracellular potential is measured via a plurality of electrodes arranged so as to be in contact with the nerve cell, and the feature amount calculation unit is a value of a plurality of potentials measured at the same time by different electrodes or a value thereof. The feature amount after conversion may be calculated by using the feature amount based on the feature amount. In this way, it is possible to learn the synchronic characteristics of firing patterns that occurred at the same time in at least a part of the cells.
また、前記細胞外電位の値は、神経細胞に接するように配置される1又は複数の電極を介して測定され、特徴量算出部は、同一の電極によって所定の期間内における異なる時点に測定された複数の電位の値又はこれに基づく特徴量を用いて、変換後の特徴量を算出するようにしてもよい。このようにすれば、各電極で検出される発火パターンの経時的変化の特徴を学習することができる。 Further, the value of the extracellular potential is measured via one or a plurality of electrodes arranged so as to be in contact with the nerve cell, and the feature amount calculation unit is measured by the same electrode at different time points within a predetermined period. The converted feature quantity may be calculated by using a plurality of potential values or a feature quantity based on the potential value. In this way, it is possible to learn the characteristics of the change over time in the ignition pattern detected at each electrode.
本発明の分類装置は、機械学習装置が備える学習処理部が修正した係数と、電位の値とを用いて、発火が発生したか否かを分類する。このようにすれば、機械学習装置によって学習した特徴に基づいて、細胞外電位のデータから発火が発生したか否か分類することができる。 The classification device of the present invention classifies whether or not ignition has occurred by using the coefficient corrected by the learning processing unit included in the machine learning device and the potential value. In this way, it is possible to classify whether or not firing has occurred from the extracellular potential data based on the characteristics learned by the machine learning device.
なお、課題を解決するための手段に記載の内容は、本発明の課題や技術的思想を逸脱しない範囲で可能な限り組み合わせることができる。また、課題を解決するための手段の内容は、コンピュータ等の装置若しくは複数の装置を含むシステム、コンピュータが実行する方法、又はコンピュータに実行させるプログラムとして提供することができる。該プログラムはネットワーク上で実行されるようにすることも可能である。また、当該プログラムを保持する記録媒体を提供するようにしてもよい。 The contents described in the means for solving the problems can be combined as much as possible without departing from the problems and technical ideas of the present invention. Further, the content of the means for solving the problem can be provided as a device such as a computer or a system including a plurality of devices, a method executed by the computer, or a program executed by the computer. The program can also be run on the network. Further, a recording medium for holding the program may be provided.
本発明によれば、神経細胞の細胞外電位データから発火を検出する作業の正確性及び効率を向上させることができる。 According to the present invention, it is possible to improve the accuracy and efficiency of the work of detecting firing from the extracellular potential data of nerve cells.
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、実施形態は例示であり、本発明は下記の構成には限定されない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The embodiment is an example, and the present invention is not limited to the following configuration.
<装置の構成>
図1は、本実施形態に係る測定装置の一例を示す斜視図である。測定装置1は、チップホルダ11と、電位計測装置12と、モニタ13と、機械学習装置14とを備える。チップホルダ11には、神経細胞群から細胞外電位を測定するための複数の電極を備えるチップ111が載置される。電位計測装置12は、内蔵するアンプによってチップ111の電極を介して測定される電位を増幅し、増幅された電位と、所定の基準電位との差を計測する。また、電位計測装置12によって計測された電位の値は機械学習装置14へ出力され、機械学習装置14は測定された電位の値を記録する。このとき、複数の電極の各々で測定された電位は、同期をとって処理できるよう、例えば測定時刻と関連付けて記録される。また、機械学習装置14は、DCNN(Deep Convolutional Neural Network)を利用して測定データから発火の特徴を学習したり、学習したモデルを用いて測定データから発火を検出する。モニタ13は、測定データや検出された発火に関する情報等を適宜表示する。なお、発火には、神経細胞の単発の発火であり、短期間に生じる電位の急激な上昇及び下降として測定されるスパイクと、連続する発火が断続的に発生する状態であるバーストがある。
<Device configuration>
FIG. 1 is a perspective view showing an example of a measuring device according to the present embodiment. The measuring
図2は、チップ(プローブ)111の一例を示す平面図である。チップ111の中央の領域には、組織切片が載置され、又は細胞が培養される。また、チップ111の中央の領域には、16個の測定電極1111(単に「電極」とも呼ぶ)が設けられており、細胞群のうち接触する領域に生じる電位を測定することができる。なお、測定電極1111から
は、機械学習装置14からの出力に応じて電流刺激を行うこともできる。また、細胞群を載置する領域の周囲には、電位の基準値を測定するための参照電極1112が設けられている。測定電極1111及び参照電極1112は、配線1113を介して電位計測装置12へ接続される。チップホルダ11は、図2に示すようなチップ111を複数載置し、複数の細胞群から電位データを測定できるようにしてもよい。なお、電極の数は1以上備えていればよく、また、電極を複数有する場合の配置に係る形状等は図2の例には限定されない。
FIG. 2 is a plan view showing an example of the chip (probe) 111. Tissue sections are placed or cells are cultured in the central region of
図3は、機械学習装置14の一例を示す機能ブロック図である。図3の機械学習装置14は、電位データ記憶部141と、機械学習部142と、分類モデル記憶部143と、分類処理部144と、分類結果記憶部145と、検証処理部146とを備える。機械学習装置14は、継続的に計測される電位の入力信号列を所定の期間(区間)ごとに区切り、各区間に対して発火の発生を学習すると共に、分類結果が未知の電位データに対して所定の区間ごとに発火の発生の有無を分類する。
FIG. 3 is a functional block diagram showing an example of the
図4は、測定装置1の複数の測定電極1111によって測定された細胞外電位の値の一例を示すグラフである。図4の例は、横軸に沿って矢印の方向に時間の経過を表しており、縦方向には、8個の測定電極1111によって検出された電位の値を示すグラフが、測定のタイミングが同期するように示されている。具体的には、電位の値は所定のサンプリング間隔で継続的に測定される数値の列として記録される。なお、本実施形態及び後述する実施例で用いた細胞外電位のデータは、東北工業大学知能エレクトロニクス学科鈴木郁郎研究室から提供を受けた。
FIG. 4 is a graph showing an example of the value of the extracellular potential measured by the plurality of measuring
また、本実施形態では、発火が発生したか否かを示す教師値(ラベル)を、学習のために用いる。教師値は、専門家が電位データに対して発火が発生したか否かを分類した結果であり、所定の区間ごとに記憶される。例えば、図4の波形を時間軸上の所定期間ごとに区切る破線の目盛りは、グラフを所定の区間に区切る境界の一例を表している。なお、測定電極1111によって測定される電位のサンプリング間隔は、所定の区間とは一致していなくてもよく、例えば図4の目盛りで区切った区間内に複数の測定値を取得するようにしてもよい。また、電位データのうち、教師値を有するデータ群をラベル有りデータセットと呼び、教師値のないデータ群をラベルなしデータセットと呼ぶ。ラベル有りデータセットにおいては、図4の目盛りで区切った区間の各々に対応付けて、発火が発生しているか否かを示す情報が保持される。具体的には、スパイクが発生しているか否か、スパイクが発生している場合にはさらにバーストが発生しているか否かを示す情報が保持されるようにしてもよいし、スパイクが発生しているか否かを示す情報のみ又はバーストが発生しているか否かを示す情報のみが保持されるようにしてもよい。また、ラベル有りデータセットのうち、後述する分類モデルの生成に用いるものを訓練データセットと呼び、分類モデルの評価に用いるものをテストデータセットと呼ぶ。生成される分類モデルを用いることで、ラベルなしデータセットに対して発火が発生したか否かを分類することができるようになる。
Further, in the present embodiment, a teacher value (label) indicating whether or not ignition has occurred is used for learning. The teacher value is the result of the expert classifying whether or not the potential data has been ignited, and is stored for each predetermined section. For example, the scale of the broken line that divides the waveform of FIG. 4 for each predetermined period on the time axis represents an example of the boundary that divides the graph into predetermined sections. The potential sampling interval measured by the
電位データ記憶部141は、図4に示したような電位データ、及び電位データの所定区間ごとに発火が発生したか否かを示す教師値を記憶する。本実施形態では、訓練データセット及びテストデータセットが予め記憶されているものとする。
The potential
機械学習部142は、ニューラルネットワーク(NN:Neural Network)及び訓練データセットを利用して機械学習を行う。詳細には、機械学習部142は、特徴量算出部1421と、学習処理部1422とを有する。特徴量算出部1421は、入力される電位データに対し、所定の構成のNNに基づく処理を行い、発火パターンの変化の特徴量を算出する処理を行う。具体的には、いわゆる畳み込みレイヤ(「畳み込み層」、「畳み込みNN」とも呼ぶ)や、リカレントレイヤ(「リカレント層」、「リカレントNN」とも呼ぶ)、全結合(FC:Full Connection)層(「全結合レイヤ」、「全結合NN」とも呼ぶ)を用いる。そして、1つの電極で測定される電位データ若しくは複数の電極で測定される電極ごとの電位データ、又は複数の電極の少なくとも一部で測定される電位データの経時的変化の特徴量を算出したり、複数の電極の少なくとも一部で測定される、同時期に発生する発火の特徴量を算出する。学習処理部1422は、電位データ記憶部141が保持している教師値とNNによって出力される特徴量との差に基づいて、NNの各層において適用される係数の値を更新する。
The
分類モデル記憶部143は、本実施形態において採用されるNNの構成や、機械学習部142によって生成された重み係数等のパラメータを記憶する。NNの構成、及びパラメータ等を、「分類モデル」と呼ぶものとする。分類処理部144は、電位データ記憶部141に保持されているテストデータやラベルなしデータ、及び分類モデル記憶部143に記憶されている分類モデルを用いて、電位データの所定区間ごとに、発火が発生しているか否かを分類する。分類結果記憶部145は、分類処理部144が分類した結果を記憶する。また、検証処理部146は、テストデータを用いて分類処理を行った結果について、教師値と比較し、分類処理の性能を評価する。
The classification
機械学習部142はいわゆるコンピュータであり、プロセッサが所定のプログラムを実行することにより、上述した機械学習部142、分類処理部144及び検証処理部146として機能する。また、電位データ記憶部141、分類モデル記憶部143及び分類結果記憶部145は、具体的には、コンピュータが備える主記憶装置又は補助記憶装置によって実現される。
The
<装置構成>
図5は、コンピュータの一例を示す装置構成図である。機械学習装置14は、例えば図5に示すようなコンピュータである。図5に示すコンピュータ1000は、CPU(Central Processing Unit)1001、主記憶装置1002、補助記憶装置1003、通信IF(Interface)1004、入出力IF(Interface)1005、ドライブ装置1006、通信バス1007を備えている。CPU1001は、プログラム(「ソフトウェア」又は「アプリケーション」とも呼ぶ)を実行することにより本実施の形態に係る処理等を行う。主記憶装置1002は、CPU1001が読み出したプログラムやデータをキャッシュしたり、CPUの作業領域を展開したりする。主記憶装置は、具体的には、RAM(Random Access Memory)やROM(Read Only Memory)等である。補助記憶装置1003は、CPU1001により実行されるプログラムや、本実施の形態で用いる設定情報などを記憶する。補助記憶装置1003は、具体的には、HDD(Hard-disk Drive)やSSD(Solid State Drive)、フラッシュメモリ等である。主記憶装置1002や補助記憶装置1003は、電位データ記憶部141、分類モデル記憶部143及び分類結果記憶部145として働く。なお、説明の便宜上、図3では複数の記憶部を示したが、物理的には1つの記憶装置でも複数の記憶装置でもよい。通信IF1004は、他のコンピュータとの間でデータを送受信する。機械学習装置14は、通信IF1004を介して接続された図示していないコンピュータから電位データ受信するようにしてもよい。通信IF1004は、具体的には、有線又は無線のネットワークカード等である。入出力IF1005は、入出力装置と接続され、ユーザから入力を受け付けたり、ユーザへ情報を出力したりする。入出力装置は、具体的には、キーボード、マウス、ディスプレイ、タッチパネル等である。ドライブ装置1006は、磁気ディスク、光磁気ディスク、光ディスク等の記憶媒体に記録されたデータを読み出したり、記憶媒体にデータを書き込んだりする。そして、以上のような構成要素が、通信バス1007で接続されている。なお、これらの構成要素はそれぞれ複数設けられていてもよいし、一部の構成要素(例えば、ドライブ装置1006)を設けないようにしてもよい。また、入出力装置がコンピュータと一体に構成されていてもよい。また、ドライブ装置1006で読み取り可能な可搬性の記憶媒体や、フラッシュメモリのような可搬性の補助記憶装置1003、通信IF1004などを介して、本実施の形態で実行されるプログラムが提供されるようにしてもよい。そして、CPU1001がプログラムを実行することにより、上記のようなコンピュータを図3に示した機械学習装置14として働かせる。
<Device configuration>
FIG. 5 is a device configuration diagram showing an example of a computer. The
なお、図3に例示した機能ブロックの一部を複数のコンピュータによって分担したり、処理するデータセットの一部を複数のコンピュータによって並列に処理したりしてもよい。また、コンピュータは、ネットワーク上のいわゆるクラウドサービスを提供するものであってもよい。 A part of the functional block illustrated in FIG. 3 may be shared by a plurality of computers, or a part of a data set to be processed may be processed in parallel by a plurality of computers. Further, the computer may provide a so-called cloud service on the network.
<機械学習処理>
図6は、測定装置1が実行する機械学習処理の一例を示す処理フロー図である。測定装置1は、まず、電位データのうち訓練データを用いて学習段階の処理を行う(S1)。本ステップでは、後述する構成のNN及び所定の係数を用いて、電位データに対し所定区間ごとに発火が発生している確率を算出すると共に、教師値に基づいて係数を更新する処理を繰り返す。
<Machine learning process>
FIG. 6 is a processing flow diagram showing an example of machine learning processing executed by the measuring
その後、測定装置1は、電位データのうちテストデータを用いてモデル評価段階の処理を行う(S2)。本ステップでは、後述する構成のNN及びS1で求められた係数を用いて、電位データに対し所定区間ごとに発火の発生の有無を分類すると共に、教師値と十分に一致するか評価する。本ステップにおいて教師値と十分に一致すると評価された分類モデルによれば、未知の電位データについても同程度の性能で発火の発生を見分けられると期待できる。
After that, the measuring
また、測定装置1は、電位データのうちラベルなしデータを用いて、運用段階の処理を行う(S3)。本ステップでは、後述する構成のNN及びS1で求められた係数を用いて、電位データに対し所定区間ごとに発火の発生の有無を分類する。なお、S1〜S3は、連続した処理として実行される必要はなく、予めS1において作成された分類モデル(すなわち、NN及び係数)を備え、S3の運用段階の処理のみを行う測定装置1(本発明に係る「分類装置」)を提供するようにしてもよい。
Further, the measuring
<ニューラルネットワークの構成>
図7は、複数の層(「レイヤ」とも呼ぶ)を含むNNの構成の一例を示す図である。図7のNNは、測定された電位の値が入力される入力層と分類結果を示す出力層との間で、複数の変換処理が行われる。入力層と出力層との間に存在するN1〜N5の構成及び処理を中間層と呼ぶ。また、図3に示した機械学習装置14の機械学習部142及び分類処理部144は、図6に示したS1〜S3の各々において、図7に示すNNを繰り返し利用し、処理を行う。
<Construction of neural network>
FIG. 7 is a diagram showing an example of the configuration of an NN including a plurality of layers (also referred to as “layers”). In the NN of FIG. 7, a plurality of conversion processes are performed between the input layer into which the measured potential value is input and the output layer in which the classification result is shown. The configuration and processing of N1 to N5 existing between the input layer and the output layer is called an intermediate layer. Further, the
まず、機械学習装置14の特徴量算出部1421は、所定区間ごとに区切られた電位データの入力を受けると、電極ごと且つ区間ごとに、時系列上連続する所定数の電位データを用いて、いわゆる畳み込みレイヤ(N1)による特徴量の算出を行う。なお、1つの区間には、複数の電位データが含まれる。また、上述した時系列上連続する所定数を表す範囲を、N1における「ウィンドウ」と呼ぶものとする。N1においては、例えば1つの電位データごとにウィンドウをスライドさせて入力値を変更し、畳み込み処理を行う。
First, when the feature
図8は、畳み込みレイヤを説明するための図である。上述の通り、畳み込みレイヤにおいては、ウィンドウによって選択された連続する所定数の電位データ(図8:x)に対し、所定のサイズの行列で表される重み係数Wを乗じ、特徴量(図8:y)を得る。図8の横方向の矢印は1つの区間における時間の流れを表し、横方向の矢印上に示した目盛りの各々が1つの電位データを表すものとする。畳み込みレイヤでは、連続する所定数の電位データを含むウィンドウを例えば1つの電位データごと後方にスライドさせて処理対象となる入力データを選択し、特徴量の算出を繰り返す。また、算出された特徴量に対してさらに数段階の畳み込みレイヤによる特徴量の算出を繰り返してもよい。また、畳み込みレイヤにより算出した特徴量に対し、いわゆるプーリングによって例えば平均値(average pooling)をとり、時間変動に対する汎化性能を向上させるようにしてもよい。本実施形態では、測定電極1111ごと且つ区間ごとに、測定値に対して畳み込みレイヤによる処理を行うことにより、波形の傾きやピークの大きさ等、各電極で検出される発火パターンの区間内における経時的変化の特徴量を算出することができる。
FIG. 8 is a diagram for explaining a convolution layer. As described above, in the convolution layer, a predetermined number of continuous potential data (FIG. 8: x) selected by the window is multiplied by a weighting coefficient W represented by a matrix of a predetermined size, and a feature amount (FIG. 8). : Y) is obtained. It is assumed that the horizontal arrows in FIG. 8 represent the flow of time in one section, and each of the scales shown on the horizontal arrows represents one potential data. In the convolution layer, a window containing a predetermined number of continuous potential data is slid backward for each potential data, for example, input data to be processed is selected, and the calculation of the feature amount is repeated. Further, the calculation of the feature amount by the convolution layer in several stages may be repeated with respect to the calculated feature amount. Further, for the feature amount calculated by the convolution layer, for example, an average pooling may be taken by so-called pooling to improve the generalization performance against time fluctuations. In the present embodiment, the measured values are processed by the convolution layer for each
また、特徴量算出部1421は、図7のN1で算出された特徴量(N2における入力値)に対し、全結合層による新たな特徴量(N2における出力値)の算出を行う(図7:N2)。N2においては、電極ごと且つ区間ごとに、含まれる入力値から所定の関数に基づいて新たな特徴量を算出する。
In addition, the feature
図9は、全結合層を説明するための図である。図9は、1つの区間に含まれる入力値xと出力値yとの関係を表している。全結合層においては、入力側のユニットxに対して重み係数Wに応じた処理を行い、出力側のユニットyの値を算出する。なお、N2では、N1で算出された特徴量(図8:y)が入力値(図9:x)となる。また、入力側の全ユニットと出力側の全ユニットとが結合され、入力値xから新たな特徴量yが求められる。xは、所定の要素数のベクトルであり、行列で表すことができる。また、yも、所定の要素数のベクトルであり、以下の式(1)で求められる。
y=Wx+b ・・・(1)
ここで、Wは重み係数であり、xの要素数×yの要素数の行列で表される。また、bはバイアス項であり、xと同数のベクトルで表すことができる。N2によっても、各電極で検出される発火パターンの区間ごとの特徴量を算出することができる。
FIG. 9 is a diagram for explaining a fully connected layer. FIG. 9 shows the relationship between the input value x and the output value y included in one section. In the fully connected layer, the input side unit x is processed according to the weighting coefficient W, and the value of the output side unit y is calculated. In N2, the feature amount (FIG. 8: y) calculated in N1 is the input value (FIG. 9: x). Further, all the units on the input side and all the units on the output side are combined, and a new feature amount y is obtained from the input value x. x is a vector having a predetermined number of elements and can be represented by a matrix. Further, y is also a vector having a predetermined number of elements, and is obtained by the following equation (1).
y = Wx + b ... (1)
Here, W is a weighting coefficient and is represented by a matrix of the number of elements of x × the number of elements of y. Further, b is a bias term and can be represented by the same number of vectors as x. With N2 as well, it is possible to calculate the feature amount for each section of the ignition pattern detected at each electrode.
また、特徴量算出部1421は、図7のN2で算出された特徴量に対し、いわゆるリカレントレイヤによる特徴量の算出を行う(図7:N3)。リカレントレイヤにおいても、入力値から所定の関数に基づいて特徴量を算出する。
In addition, the feature
図10は、リカレントレイヤを説明するための図である。リカレントレイヤは、内部にループを有し、例えば時系列上の前段のデータの処理に用いた情報Aを、後段のデータの処理に引き継いで用いるようになっている。換言すれば、前段のデータの処理においては入力値x及び情報Aに基づいて特徴量yを出力すると共に、前段のデータの処理に応じて決まる新たな情報Aを後段のデータの処理のために出力する。図10において角丸正方形で示す入力値x、出力値yの各々は、上述した所定区間において測定された電位の値に基づいて算出された特徴量を表すものとする。リカレントレイヤでは、N2によって出力された経時的特徴を含む値を入力値(図10:x)とし、より長期間における発火パターンの特徴量を算出する。すなわち、N3によれば、電極ごとに、複数の区間の間の経時的特徴量を算出することができる。 FIG. 10 is a diagram for explaining the recurrent layer. The recurrent layer has a loop inside, and for example, the information A used for processing the data in the previous stage on the time series is taken over and used in the processing of the data in the subsequent stage. In other words, in the processing of the data in the previous stage, the feature quantity y is output based on the input value x and the information A, and new information A determined according to the processing of the data in the previous stage is used for processing the data in the subsequent stage. Output. Each of the input value x and the output value y shown by the rounded squares in FIG. 10 represents a feature amount calculated based on the potential value measured in the predetermined section described above. In the recurrent layer, the value including the temporal feature output by N2 is used as the input value (FIG. 10: x), and the feature amount of the ignition pattern in a longer period is calculated. That is, according to N3, it is possible to calculate the feature amount over time between a plurality of sections for each electrode.
図11は、リカレントレイヤの詳細な構成の一例を示す図である。図10において角丸正方形で示した入力値x、出力値yは、図11の破線で表す角丸長方形に相当する。そして、1つの角丸長方形で囲われた複数の円(ノード)は、1つの区間において測定された電位の値に基づいて算出された特徴量を表す。また、図11のリカレントレイヤは、破線の長方形で表す「状態」(「内部状態」、「state」とも呼ぶ)を有している。ある区間の状態ztの値は、入力値xt及び所定の関数に基づいて算出され、次の区間の出力値yt+1及び状態zt+1へ出力される。そして、図11のリカレントレイヤの出力値
yt+1は、状態ztの値、入力値xt+1及び所定の関数に基づいて算出される。
FIG. 11 is a diagram showing an example of a detailed configuration of the recurrent layer. The input value x and the output value y shown by the rounded squares in FIG. 10 correspond to the rounded rectangles shown by the broken lines in FIG. A plurality of circles (nodes) surrounded by one rounded rectangle represent a feature amount calculated based on the potential value measured in one section. Further, the recurrent layer of FIG. 11 has a "state" (also referred to as "internal state" or "state") represented by a broken line rectangle. The value of the state z t in a certain section is calculated based on the input value x t and a predetermined function, and is output to the output value y t + 1 and the state z t + 1 in the next section. Then, the output value y t + 1 of the recurrent layer of FIG. 11 is calculated based on the value of the state z t , the input value x t + 1, and a predetermined function.
例えば、リカレントレイヤの出力値yt+1は、以下の式(2)を用いて算出するようにしてもよい。
yt+1=Wxt+1+Uzt+b ・・・(2)
この例では状態zt+1は、以下の式(3)を用いて算出することができる。
zt+1=Wxt+1+Uzt+b ・・・(3)
なお、W、Uは所定の重み係数、bは所定のバイアス項である。
For example, the output value y t + 1 of the recurrent layer may be calculated by using the following equation (2).
y t + 1 = Wx t + 1 + Uz t + b ... (2)
In this example, the state z t + 1 can be calculated using the following equation (3).
z t + 1 = Wx t + 1 + Uz t + b ... (3)
W and U are predetermined weighting coefficients, and b is a predetermined bias term.
このように、リカレントレイヤでは、一連のデータについて、前段のノードの処理結果に応じた値を後段のノードの処理に利用する既存の関数を利用する。例えば、時系列上の前後関係を有するデータに対し、前段のデータに対する処理によって生成される状態を、後段のデータに対する処理に利用することができる。なお、リカレントレイヤで用いる関数は上述の式(2)、式(3)には限定されず、ytとztとは異なる関数によって算出するようにしてもよいし、いわゆるLSTM(Long Short-Term Memory,以下の論文を参照)等を利用するようにしてもよい。
In this way, the recurrent layer uses an existing function that uses the value corresponding to the processing result of the node in the previous stage for the processing of the node in the subsequent stage for a series of data. For example, for data having a context in a time series, a state generated by processing the data in the previous stage can be used for processing the data in the subsequent stage. The function used in the recurrent layer is not limited to the above equations (2) and (3), and may be calculated by a function different from y t and z t , or so-called LSTM (Long Short-). Term Memory (see the following paper) may be used.
また、特徴量算出部1421は、図7のN3で算出された特徴量を入力として、全結合層による特徴量の算出を行う(図7:N4)。特に複数の電極を備えるチップ111を用いる場合は、一部又は全部の電極によって測定された電位データに基づく特徴値を入力として、全結合層による特徴量の算出を行うようにしてもよい。
Further, the feature
全結合層の構成は、図9と同様である。また、N4においては、異なる電極で測定された電位データに対し、上述のN1〜N3の処理を行った結果の特徴値を入力として処理を行う。すなわち、N4においては、図9における入力値xは、同一の区間における一部の電極又は全電極の特徴値となる。したがって、N4により、細胞群の少なくとも一部において同時期に発生した発火の共時的特徴量を算出することができる。神経細胞の発火は広範囲の細胞群において一斉に起こる傾向もあるため、特に全電極のように複数の電極で同時期に発生した発火の特徴を学習することで分類の精度を向上させることができる。 The structure of the fully connected layer is the same as that in FIG. Further, in N4, the potential data measured by different electrodes is processed by inputting the characteristic value as a result of performing the above-mentioned N1 to N3 processing. That is, in N4, the input value x in FIG. 9 is a characteristic value of some electrodes or all electrodes in the same section. Therefore, N4 can be used to calculate the synchronic features of firing that occurred at the same time in at least a part of the cell group. Since the firing of nerve cells tends to occur all at once in a wide range of cell groups, the accuracy of classification can be improved by learning the characteristics of firing that occurred at the same time in multiple electrodes, such as all electrodes. ..
また、N4の出力値yを用いて、各区間において発火が発生している確率、及び当該区間において発火が発生していない確率を求める(図7:N5)。なお、1つの電極を備えるチップ111を用いる場合は、当該電極で測定される電位データに対して上記確率を算出する。また、複数の電極を有するチップ111を用いる場合は、全電極に対して1組の発火が発生している確率及び発火が発生していない確率を算出してもよいし、電極毎に発火が発生している確率及び発火が発生していない確率を算出しても良い。
Further, using the output value y of N4, the probability that ignition has occurred in each section and the probability that ignition has not occurred in the section are obtained (FIG. 7: N5). When the
なお、N5においては、区間ごとに算出された発火が発生している確率、及び発火が発生していない確率として、それぞれ前後の所定数の区間の確率を用いて移動平均をとる処理をさらに行うようにしてもよい。一般的に、神経細胞のバーストはある程度の期間、継続して発生するため、特にバーストの発生を検知する場合には、移動平均をとることにより例えば一時的な発火頻度の低下をバーストの区切り目と分類することが少なくなる。すなわち、閾値における一種のヒステリシスとして機能し、バーストでない状態からバーストの発生と分類する場合、及びバーストが発生している状態からバーストの終了と分類する場合において、一時的なノイズや電位の揺らぎに対する応答性を低下させ、安定的な分類をすることができるようになる。 In N5, a process of taking a moving average is further performed using the probabilities of a predetermined number of sections before and after each as the probability of occurrence of ignition and the probability of no ignition calculated for each section. You may do so. In general, nerve cell bursts occur continuously for a certain period of time, so when the occurrence of bursts is detected, for example, a temporary decrease in firing frequency can be determined by taking a moving average. It is less likely to be classified as. That is, it functions as a kind of hysteresis in the threshold value, and in the case of classifying as the occurrence of a burst from the non-burst state and the case of classifying as the end of the burst from the state in which the burst is occurring, it is against temporary noise and potential fluctuation. It reduces responsiveness and enables stable classification.
また、学習処理部1422は、図6の学習処理(S1)においては、N5において出力された情報と教師値との差分に基づいて、各処理で用いられる関数の係数(例えば上述した重み係数やバイアス項の値)を修正する。すなわち、発火が発生している確率及び発火が発生していない確率と、教師値との差が小さくなるように係数を修正する。係数の修正には、バックプロパゲーション等、既存の技術を利用することができる。S1においては、図7のNNを用いた確率の算出と係数の修正とを繰り返し、訓練データセットに対して望ましい確率を出力するための係数を生成する。
Further, in the learning process (S1) of FIG. 6, the
また、生成された係数を含む分類モデルは、図6のS2及びS3において利用される。図6のモデル評価段階(S2)においては、例えば生成された分類モデルとテストデータセットとを用いて、分類処理部144が、各電極及び各区間において発火が発生しているか否かを分類して出力し、出力された情報と教師値との一致率等に基づいて検証処理部146が、生成されたモデルの精度を評価する。具体的には、S1と同様の手順で算出された、発火が発生している確率及び発火が発生していない確率のうち、例えば確率の大きい方を採用し、発火が発生しているか否か分類する。そして、例えば分類結果と教師値との一致率を算出し、生成された分類モデルの精度を評価する。また、図6の運用段階(S3)においては、S1で生成された分類モデルとラベルなしデータセットとを用いて、分類処理部144が、各電極及び各区間において発火が発生しているか否かを分類する。S3でも、S1と同様の手順で算出された、発火が発生している確率及び発火が発生していない確率のうち、例えば確率の大きい方を採用し、発火が発生しているか否か分類する。なお、発火が発生している確率及び発火が発生していない確率のいずれかを求め、所定の閾値を超えた場合に発火が発生している又は発火が発生していないと分類するようにしてもよい。
Further, the classification model including the generated coefficients is used in S2 and S3 of FIG. In the model evaluation stage (S2) of FIG. 6, for example, using the generated classification model and the test data set, the
また、NNの各層間においては、適宜、任意の活性化関数(伝達関数)を用いて、例えば非線形分離できるようにするものとする。 Further, in each layer of the NN, for example, non-linear separation can be performed by using an arbitrary activation function (transfer function) as appropriate.
<効果>
以上のような実施形態の構成によれば、1つの電極で測定される神経細胞の発火又は複数の電極の一部又は全部で測定される神経細胞の発火の経時的特徴と、複数の電極の一部または全部で同時期に測定される発火の共時的特徴とを学習すると共に、学習した特徴に基づいて細胞外電位のデータに対し発火の発生の有無を分類できるようになる。
<Effect>
According to the configuration of the above-described embodiment, the temporal characteristics of the firing of nerve cells measured by one electrode or the firing of nerve cells measured by a part or all of a plurality of electrodes and the firing of a plurality of electrodes. It becomes possible to learn the synchronic characteristics of firing measured at the same time in part or all, and to classify the presence or absence of firing based on the learned characteristics based on the data of extracellular potential.
<実施例>
神経細胞の細胞外電位データについて、バースト区間をラベル付けしたデータを用意した。また、細胞外電位データを10ミリ秒ごとの区間で分割し、バーストの始点及び終点を含む連続区間をデータセットとして抽出した。そして出現する順に連続区間を訓練データとテストデータとに分けた。また、訓練データは、バーストと非バーストとの比が1:1になるように調整した。このようにして作成した110分の訓練データを一般的なコンピュータによって5日間学習させた(図6:S1)。そして、学習後のモデルを用いてテストデータの各区間についてバースト又は非バーストに分類させた(図6:S2)。
<Example>
For the extracellular potential data of nerve cells, we prepared data labeled with burst sections. In addition, the extracellular potential data was divided into sections every 10 milliseconds, and continuous sections including the start point and end point of the burst were extracted as a data set. Then, the continuous section was divided into training data and test data in the order of appearance. The training data was adjusted so that the ratio of burst to non-burst was 1: 1. The 110-minute training data created in this way was trained by a general computer for 5 days (Fig. 6: S1). Then, using the trained model, each section of the test data was classified into burst or non-burst (FIG. 6: S2).
バーストの発見個所について、9割以上がラベルと一致した。バーストが発生しているか否かは単純な閾値の設定のみでは分類できないところ、本実施例における学習後のモデルは、定式化しにくい分類基準を学習できたといえる。また、ラベルと一致しなかった箇所の一部に、ラベルよりも分類処理における分類の方が正確な箇所が存在した。すなわち、人間による分類では発生し得る分類の誤りを低減できたといえる。したがって、実施例によって生成された分類モデルによれば、未知の電位データについて行う分類処理(図6:S3)においても、同程度の性能でバーストの発生を見分けられると期待できる。このような発火の分類技術によれば、薬剤の神経細胞に対する毒性や薬効の評価の効率や精度を向上させることができるようになる。また、神経細胞の記憶や学習の過程を精度よく観察できるようになる。 More than 90% of the locations where bursts were found matched the label. Since it is not possible to classify whether or not a burst has occurred by simply setting a threshold value, it can be said that the model after learning in this example was able to learn a classification standard that is difficult to formulate. In addition, there were some parts that did not match the label, where the classification in the classification process was more accurate than the label. In other words, it can be said that the classification errors that can occur in human classification can be reduced. Therefore, according to the classification model generated by the examples, it can be expected that the occurrence of bursts can be discriminated with the same performance even in the classification process (FIG. 6: S3) performed on unknown potential data. According to such a firing classification technique, it becomes possible to improve the efficiency and accuracy of evaluation of the toxicity and efficacy of a drug on nerve cells. In addition, it becomes possible to accurately observe the memory and learning processes of nerve cells.
<変形例1>
NNの構造は、図7に示した例には限定されない。上述したNNは、入力層と出力層との間に1層以上の中間層を備えているが、層の数や、各層に属するユニットの数等は、適宜変更することができる。また、図7に示したレイヤのうち、一部のレイヤによってNNを構成するようにしてもよいし、レイヤの順序を入れ替えるようにしてもよい。
<Modification example 1>
The structure of the NN is not limited to the example shown in FIG. The above-mentioned NN has one or more intermediate layers between the input layer and the output layer, but the number of layers, the number of units belonging to each layer, and the like can be appropriately changed. Further, among the layers shown in FIG. 7, the NN may be composed of some layers, or the order of the layers may be changed.
例えば、図7に示した入力層、全結合レイヤ、確率の算出、出力層からなるNNを採用するようにしてもよい。例えば全結合レイヤにおいては、電極ごと且つ区間ごとに、測定された電位データが図9の入力値xとなる。また、当該区間において発火が発生している確率、及び当該区間において発火が発生していない確率を出力値yとして求める。なお、入力層の値、確率算出の処理及び出力層の値は、上述した実施形態と同様である。また、全結合レイヤは、図9に示した構成を複数段階繰り返す構成としてもよい。また、全結合レイヤは、異なる電極によって同時期に測定された複数の電位の値又はこれに基づく特徴量を用いて変換後の特徴量を算出するようにしてもよいし、同一の電極によって所定の期間内における異なる時点に測定された複数の電位の値又はこれに基づく特徴量を用いて変換後の特徴量を算出するようにしてもよく、またこれらのレイヤを複数段階繰り返すようにしてもよい。 For example, the NN including the input layer, the fully connected layer, the probability calculation, and the output layer shown in FIG. 7 may be adopted. For example, in the fully coupled layer, the measured potential data is the input value x in FIG. 9 for each electrode and each section. Further, the probability that the ignition has occurred in the section and the probability that the ignition has not occurred in the section are obtained as the output value y. The value of the input layer, the processing of the probability calculation, and the value of the output layer are the same as those in the above-described embodiment. Further, the fully connected layer may have a configuration in which the configuration shown in FIG. 9 is repeated in a plurality of stages. Further, the fully coupled layer may calculate the converted feature amount using a plurality of potential values measured at the same time by different electrodes or a feature amount based on the potential value, or may be determined by the same electrode. The converted features may be calculated using the values of multiple potentials measured at different time points within the period of, or the features based on the values, or these layers may be repeated in multiple steps. Good.
<変形例2>
また、図7に示した入力層、畳み込みレイヤ、全結合レイヤ、確率の算出、出力層からなる畳み込みNNを採用するようにしてもよい。この場合、例えば、同一の電極における同一の区間内において図8に示したような畳み込みレイヤの処理を行う。また、電極ごと且つ区間ごとに、畳み込みレイヤの出力値を入力値xとし、当該区間において発火が発生している確率、及び当該区間において発火が発生していない確率を出力値yとして全結合レイヤの処理を行う。なお、入力層の値、確率算出の処理及び出力層の値は、上述した実施形態と同様である。また、畳み込みレイヤ、全結合レイヤは、それぞれ図8、図9に示した構成を複数段階繰り返す構成としてもよい。また、畳み込みレイヤ、全結合レイヤは、異なる電極によって同時期に測定された複数の電位の値又はこれに基づく特徴量を用いて変換後の特徴量を算出するようにしてもよいし、同一の電極によって所定の期間内における異なる時点に測定された複数の電位の値又はこれに基づく特徴量を用いて変換後の特徴量を算出するようにしてもよく、またこれらのレイヤを複数段階繰り返すようにしてもよい。
<
Further, the convolutional NN including the input layer, the convolutional layer, the fully connected layer, the probability calculation, and the output layer shown in FIG. 7 may be adopted. In this case, for example, the convolution layer as shown in FIG. 8 is processed in the same section with the same electrode. Further, the output value of the convolution layer is set as the input value x for each electrode and each section, and the probability that ignition has occurred in the section and the probability that ignition has not occurred in the section are set as the output value y, and the fully coupled layer Is processed. The value of the input layer, the processing of the probability calculation, and the value of the output layer are the same as those in the above-described embodiment. Further, the convolution layer and the fully connected layer may have a configuration in which the configurations shown in FIGS. 8 and 9, respectively, are repeated in a plurality of steps. Further, for the convolution layer and the fully coupled layer, the converted feature amount may be calculated using a plurality of potential values measured at the same time by different electrodes or a feature amount based on the potential value, or the same feature amount may be calculated. The converted features may be calculated using the values of multiple potentials measured at different time points within a predetermined period by the electrodes or the features based on the potential values, or these layers may be repeated in multiple steps. It may be.
<変形例3>
また、図7に示した入力層、リカレントレイヤ、確率の算出、出力層からなるリカレントNNを採用するようにしてもよい。また、図10、11に示した構成において、例えば、電極ごとに、複数の電位データを入力値xとする。なお、入力層の値、分類レイヤの処理及び出力層の値は、上述した実施形態と同様である。また、リカレントレイヤは、図10、11に示した構成を複数段階繰り返す構成としてもよい。また、リカレントレイヤは、異なる電極によって同時期に測定された複数の電位の値又はこれに基づく特徴量を用いて変換後の特徴量を算出するようにしてもよいし、同一の電極によって所定の期間内における異なる時点に測定された複数の電位の値又はこれに基づく特徴量を用いて変換後の特徴量を算出するようにしてもよく、またこれらのレイヤを複数段階繰り返すようにしてもよい。
<Modification example 3>
Further, the recurrent NN including the input layer, the recurrent layer, the probability calculation, and the output layer shown in FIG. 7 may be adopted. Further, in the configuration shown in FIGS. 10 and 11, for example, a plurality of potential data are set as input values x for each electrode. The value of the input layer, the processing of the classification layer, and the value of the output layer are the same as those in the above-described embodiment. Further, the recurrent layer may have a configuration in which the configurations shown in FIGS. 10 and 11 are repeated in a plurality of stages. Further, the recurrent layer may calculate the converted feature amount using a plurality of potential values measured at the same time by different electrodes or a feature amount based on the potential value, or may be determined by the same electrode. The converted features may be calculated using the values of a plurality of potentials measured at different time points within the period or the features based on the potential values, or these layers may be repeated in a plurality of steps. ..
<変形例4>
また、図7に示した入力層、畳み込みレイヤ、リカレントレイヤ、確率の算出、出力層
からなる畳み込みリカレントNNを採用するようにしてもよい。この場合、例えば、同一の電極における同一の区間内において図8に示したような畳み込みレイヤの処理を行う。また、図10、11に示した構成において、例えば、電極ごとに、複数の電位データを入力値xとする。なお、入力層の値、確立算出の処理及び出力層の値は、上述した実施形態と同様である。また、畳み込みレイヤ、リカレントレイヤは、それぞれ図8、図10及び11に示した構成を複数段階繰り返す構成としてもよい。また、畳み込みレイヤ、リカレントレイヤは、異なる電極によって同時期に測定された複数の電位の値又はこれに基づく特徴量を用いて変換後の特徴量を算出するようにしてもよいし、同一の電極によって所定の期間内における異なる時点に測定された複数の電位の値又はこれに基づく特徴量を用いて変換後の特徴量を算出するようにしてもよく、またこれらのレイヤを複数段階繰り返すようにしてもよい。
<Modification example 4>
Further, the convolution recurrent NN including the input layer, the convolution layer, the recurrent layer, the probability calculation, and the output layer shown in FIG. 7 may be adopted. In this case, for example, the convolution layer as shown in FIG. 8 is processed in the same section with the same electrode. Further, in the configuration shown in FIGS. 10 and 11, for example, a plurality of potential data are set as input values x for each electrode. The value of the input layer, the process of calculating the probability, and the value of the output layer are the same as those in the above-described embodiment. Further, the convolution layer and the recurrent layer may have a configuration in which the configurations shown in FIGS. 8, 10 and 11, respectively, are repeated in a plurality of stages. Further, for the convolution layer and the recurrent layer, the converted feature amount may be calculated using a plurality of potential values measured at the same time by different electrodes or a feature amount based on the potential value, or the same electrode may be used. The converted feature quantity may be calculated using the value of a plurality of potentials measured at different time points within a predetermined period or the feature quantity based on the potential value, or these layers may be repeated in a plurality of steps. You may.
<変形例5>
また、図7に示したNNよりもさらに多くのレイヤを有する構成としてもよい。例えば、図7のN4の後にリカレントレイヤN6(図示せず)及び全結合層N7(図示せず)をさらに有する構成としてもよい。
<
Further, the configuration may have more layers than the NN shown in FIG. 7. For example, N4 in FIG. 7 may be followed by a recurrent layer N6 (not shown) and a fully connected layer N7 (not shown).
例えば、リカレントレイヤN6においては、特徴量算出部1421は、図7のN4で算出された特徴量に対し、時系列上、順方向に前後のデータの特徴量を算出するリカレントレイヤと、時系列上、逆方向に前後のデータの特徴量を算出するリカレントレイヤとによってそれぞれ特徴量の算出を行う。すなわち、順方向に前後のデータの特徴量を算出するリカレントレイヤにおいては、例えば図11に示した「状態」が、時系列上の先の区間の特徴量を処理する状態から、時系列上の後の区間の特徴量を処理する状態に向けて情報を引き継ぐように構成される。また、逆方向に前後のデータの特徴量を算出するリカレントレイヤにおいては、例えば図11に示した「状態」が、時系列上の後の区間の特徴量を処理する状態から、時系列上の先の区間の特徴量を処理する状態に向けて情報を引き継ぐように構成される。このような構成により、過去から未来へ向かう方向に対して見出される複数の区間の間の長期的な発火パターンの経時的特徴と、未来から過去へ向かう方向に対して見出される複数の区間の間の長期的な発火パターンの経時的特徴とを学習することができるようになる。
For example, in the recurrent layer N6, the feature
また、全結合層N7においては、特徴量算出部1421は、N6で算出された順方向及び逆方向の特徴量を対応する区間ごとに統合し、全結合層による特徴量の算出を行う。
Further, in the fully connected layer N7, the feature
図12は、N7における統合の処理を説明するための図である。N6の出力である順方向リカレントレイヤの出力は、第1区間の特徴量F11、F12・・・、第2区間の特徴量F21,F22・・・等を含む。また、逆方向リカレントレイヤの出力は、第1区間の特徴量R11、R12・・・、第2区間の特徴量R21、R22・・・等を含む。この場合、N7における統合の処理では、区間ごとに順方向リカレントレイヤの出力と逆方向リカレントレイヤの出力とを結合し、第1区間の特徴量F11,F12・・・R11,R12・・・、第2区間の特徴量F21、F22・・・R21、R22・・・等を含む行列が出力される。このように、N7においては、順方向の特徴及び逆方向の特徴を統合する処理を行う。 FIG. 12 is a diagram for explaining the integration process in N7. The output of the forward recurrent layer, which is the output of N6, includes the feature amounts F11, F12 ... Of the first section, the feature amounts F21, F22 ... Of the second section, and the like. Further, the output of the reverse recurrent layer includes the feature amounts R11, R12 ... Of the first section, the feature amounts R21, R22 ... Of the second section, and the like. In this case, in the integration process in N7, the output of the forward recurrent layer and the output of the reverse recurrent layer are combined for each section, and the features F11, F12 ... R11, R12 ... Of the first section are combined. A matrix including the feature quantities F21, F22 ... R21, R22 ... Of the second section is output. In this way, in N7, the process of integrating the features in the forward direction and the features in the reverse direction is performed.
また、統合後の出力に対して、全結合層による特徴量の算出を行う。全結合層の構成は、図9と同様である。また図7のN5においては、N7で算出された同一の区間における特徴量に基づいて、各電極において、当該区間において発火が発生している確率、及び当該区間において発火が発生していない確率を求める。なお、1つの電極の場合は、当該電極で測定される電位データに対して上記確率を算出する。また、複数の電極の場合は、全電極に対して1組の発火が発生している確率及び発火が発生していない確率を算出してもよいし、電極毎に発火が発生している確率及び発火が発生していない確率を算出しても良い。 In addition, for the output after integration, the feature amount by the fully connected layer is calculated. The structure of the fully connected layer is the same as that in FIG. Further, in N5 of FIG. 7, based on the feature amount in the same section calculated in N7, the probability that ignition has occurred in the section and the probability that ignition has not occurred in the section are calculated for each electrode. Ask. In the case of one electrode, the above probability is calculated with respect to the potential data measured by the electrode. Further, in the case of a plurality of electrodes, the probability that one set of ignition has occurred and the probability that ignition has not occurred may be calculated for all the electrodes, or the probability that ignition has occurred for each electrode. And the probability that no ignition has occurred may be calculated.
なお、処理対象の連続する複数の区間のうち、前後の端部付近の分類結果には、順方向又は逆方向の経時的特徴が十分に反映されない。よって、前後の端部付近の区間については分類結果を採用しないようにしてもよい。 It should be noted that, of the plurality of continuous sections to be processed, the classification results near the front and rear ends do not sufficiently reflect the temporal characteristics in the forward or reverse direction. Therefore, the classification result may not be adopted for the sections near the front and rear ends.
<その他>
本発明は、上述した処理を実行するコンピュータプログラムや、当該プログラムを記録した、コンピュータ読み取り可能な記録媒体を含む。当該プログラムが記録された記録媒体は、プログラムをコンピュータに実行させることにより、上述の処理が可能となる。
<Others>
The present invention includes a computer program that executes the above-mentioned processing and a computer-readable recording medium that records the program. The recording medium on which the program is recorded can perform the above-mentioned processing by causing the computer to execute the program.
ここで、コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、データやプログラム等の情報を電気的、磁気的、光学的、機械的、または化学的作用によって蓄積し、コンピュータから読み取ることができる記録媒体をいう。このような記録媒体のうちコンピュータから取り外し可能なものとしては、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、光ディスク、磁気テープ、メモリカード等がある。また、コンピュータに固定された記録媒体としては、HDDやSSD(Solid State Drive)、ROM等がある。 Here, the computer-readable recording medium means a recording medium in which information such as data and programs is stored by electrical, magnetic, optical, mechanical, or chemical action and can be read from a computer. Among such recording media, those that can be removed from a computer include flexible disks, magneto-optical disks, optical disks, magnetic tapes, memory cards, and the like. Further, as the recording medium fixed to the computer, there are HDD, SSD (Solid State Drive), ROM and the like.
1 :測定装置
11 :チップホルダ
111 :チップ
1111 :測定電極
1112 :参照電極
1113 :配線
12 :電位計測装置
13 :モニタ
14 :機械学習装置
141 :電位データ記憶部
142 :機械学習部
1421 :特徴量算出部
1422 :学習処理部
143 :分類モデル記憶部
144 :分類処理部
145 :分類結果記憶部
146 :検証処理部
1: Measuring device 11: Chip holder 111: Chip 1111: Measuring electrode 1112: Reference electrode 1113: Wiring 12: Potential measuring device 13: Monitor 14: Machine learning device 141: Potential data storage unit 142: Machine learning unit 1421: Feature quantity Calculation unit 1422: Learning processing unit 143: Classification model storage unit 144: Classification processing unit 145: Classification result storage unit 146: Verification processing unit
Claims (11)
前記電位の値と、所定の関数とに基づいて特徴量を算出する特徴量算出部と、
前記特徴量算出部が算出した特徴量に基づく値と、前記教師値とを用いて前記関数に用いられる係数を修正する学習処理部と、
を備える機械学習装置。 Regarding the data representing the time course of the extracellular potential of a nerve cell, the value of the potential measured in a predetermined period and the occurrence of ignition during the period in which the user classifies whether or not the data has been ignited. It is a machine learning device that learns the relationship between the presence or absence of ignition and the value of the electric potential by using a teacher value representing.
A feature amount calculation unit that calculates a feature amount based on the potential value and a predetermined function,
A learning processing unit that modifies the coefficient used in the function by using the value based on the feature amount calculated by the feature amount calculation unit and the teacher value.
A machine learning device equipped with.
請求項1に記載の機械学習装置。 The feature amount calculation unit takes the value of the potential or the feature amount based on the potential value as an input, and all the nodes on the input side are connected to all the nodes on the output side to the fully connected layer and a predetermined coefficient associated with each connection. The machine learning device according to claim 1, wherein the converted feature amount is calculated based on the above.
請求項1又は2に記載の機械学習装置。 The feature amount calculation unit is a function that takes the potential value or a feature amount based on the potential value as an input and uses a value corresponding to the processing result of the node in the previous stage for the processing of the node in the subsequent stage for a series of nodes on the input side. The machine learning device according to claim 1 or 2, wherein the feature amount after conversion is calculated by a recurrent neural network that performs processing based on.
請求項1から3のいずれか一項に記載の機械学習装置。 The machine learning according to any one of claims 1 to 3, wherein the feature amount calculation unit calculates the feature amount after conversion by a predetermined convolutional neural network by inputting the potential value or the feature amount based on the potential value. apparatus.
請求項1から4のいずれか一項に記載の機械学習装置。 The value of the extracellular potential is measured via a plurality of electrodes arranged so as to be in contact with the nerve cell, and the feature amount calculation unit is the value of the plurality of potentials measured at the same time by different electrodes or the value thereof. The machine learning apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the converted feature amount is calculated by using the feature amount based on the feature amount.
測定され、前記特徴量算出部は、同一の電極によって前記所定の期間内における異なる時点に測定された複数の前記電位の値又はこれに基づく特徴量を用いて、変換後の特徴量を算出する
請求項1から4のいずれか一項に記載の機械学習装置。 The value of the extracellular potential is measured via one or a plurality of electrodes arranged so as to be in contact with the nerve cell, and the feature amount calculation unit is measured by the same electrode at different time points within the predetermined period. The machine learning apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the converted feature amount is calculated by using the plurality of potential values or the feature amount based on the potential value.
前記電位の値と、所定の関数とに基づいて特徴量を算出し、
算出された前記特徴量に基づく値と、前記教師値とを用いて前記関数に用いられる係数を修正する、
機械学習方法。 Regarding the data representing the time course of the extracellular potential of a nerve cell, the value of the potential measured in a predetermined period and the occurrence of ignition during the period in which the user classifies whether or not the data has been ignited. It is a machine learning method in which the relationship between the presence or absence of ignition and the value of the electric potential is learned by a computer using a teacher value representing.
The feature amount is calculated based on the potential value and a predetermined function.
The coefficient used for the function is modified by using the calculated value based on the feature amount and the teacher value.
Machine learning method.
前記電位の値と、所定の関数とに基づいて特徴量を算出し、
算出された前記特徴量に基づく値と、前記教師値とを用いて前記関数に用いられる係数を修正する、
機械学習プログラム。 Regarding the data representing the time course of the extracellular potential of a nerve cell, the value of the potential measured in a predetermined period and the occurrence of ignition during the period in which the user classifies whether or not the data has been ignited. It is a machine learning program that causes a computer to learn the relationship between the presence or absence of ignition and the value of the electric potential by using a teacher value representing.
The feature amount is calculated based on the potential value and a predetermined function.
The coefficient used for the function is modified by using the calculated value based on the feature amount and the teacher value.
Machine learning program.
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