隠れマルコフモデルを用いたマウス状態の自動判定と2値マルコフモデルによるコンソミックマウス系統の特徴付け

摘要

近年，マウスの遺伝的背景と社会的行動の関係を解明するために，C57BL/6JJcl（B6）とMSM/Ms（MSM）のコンソミック系統 B6-ChrN~(MSM) を用いた研究が進められている．コンソミック系統とは，マウス染色体21種類について，それぞれ1対の染色体のみが他系統の染色体と置き換えられた系統群のことであり，B6の1対の染色体のみがMSMのものと置き換えられており，残りの染色体は全てB6と同一である．研究にあたっては，遺伝的背景が同等の2匹のマウスをオープンフィールドに入れ，専門家が目視でマウスの行動状態を観察および判別し，コンソミック系統毎の特徴を検討することが行われているが，多大な時間と労力を要するという問題がある．そこで，本研究では隠れマルコフモデルを用いて，マウスの行動状態の自動判定を行い，その結果に基づいて社会行動に関わる遺伝的基盤の探索を試みた．一番単純な場合である2匹のマウスが“互いに無関心”か“社会的行動”をしているかを2つの状態とした場合についてモデルを作成し，自動判定の結果の妥当性を実証する．さらに判定結果より各コンソミック系統ごとのマルコフ遷移確率を求め，これを各コンソミック系統の社会的行動を特徴づける尺度として提案する．この尺度は2次元量であり平面に表示して検討することができる．その結果，コンソミック系統としての特性を反映して各コンソミック系統は概ねB6とMSMの間を結ぶ直線の近傍に分布すること，特にChr 6C 系統が特異な振る舞いをしていることなどが観察された．%Research has been conducted to find the relation between genetic character and social behavior of mice based on the consomic mouse B6-ChrN~(MSM), which is consomic strain between C57BL/6JJcl (B6) and MSM/Ms (MSM). A pair of genetically identical mice were put in a square open field and an expert identified segments of interactive states between the pair such as "indifference", "sniffing", "following", and so on. If we had numerous pairs to observe, this task would have been a major obstacle and a laborious and time-consuming process. In this study, we automated segmentation utilizing the hidden Markov model. Specifically, we developed a model that recognized whether the pair was "indifferent" or "interactive." The plausibility of the obtained segmentation was carefully examined from various aspects. Based on the segmentaion by the hidden Markov model, we calculated the Markov transition probability of each consomic strain. Markov transition probability is a two-dimensional quantity, and we proposed this quantity as a characteristic of social behavior of each consomic strain. Through a plot of Markov transition probability of consomic strains in a 2-dimensional plane, we observed the following two interesting facts: (i) consomic strains are located along the line connecting B6 and MSM reflecting the nature of consomic strains, (ii) of these, the Chr 6C consomic strain showed an exceptional singular behavior.