| Project Area | Heterogeneous swarm intelligence: Innovative design of swarm intelligence inspired by collective behavior of variety of cells |
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| Project/Area Number |
21H05105
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (II)
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| Research Institution | Osaka University (2023)
Tohoku University (2021-2022) |
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Principal Investigator |
Umetsu Daiki 大阪大学, 大学院理学研究科, 講師 (60620474)
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| Project Period (FY) |
2021-08-23 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥41,860,000 (Direct Cost: ¥32,200,000、Indirect Cost: ¥9,660,000)
Fiscal Year 2023: ¥8,190,000 (Direct Cost: ¥6,300,000、Indirect Cost: ¥1,890,000)
Fiscal Year 2022: ¥20,020,000 (Direct Cost: ¥15,400,000、Indirect Cost: ¥4,620,000)
Fiscal Year 2021: ¥13,650,000 (Direct Cost: ¥10,500,000、Indirect Cost: ¥3,150,000)
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| Keywords | 群知能 / ヘテロ性 / 細胞遊走 / 組織リモデリング / 骨格筋 / 形態形成 / 自己組織化 / ライブイメージング / ショウジョウバエ |
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| Outline of Research at the Start |
ショウジョウバエの変態期に起こる筋肉リモデリングは、自己駆動する細胞が合目的的に秩序構造を形成する現象と言える。この過程を群知能現象を理解するためのモデルとし、環境変化に対して柔軟に筋組織を構築する制御則の解明を目指す。筋繊維が一旦バラバラになって生じる筋断片が全く新しい秩序パターンに再集合する過程において、筋断片群は、自由度が高くヘテロな動態活性を持つ比較的無秩序の状態から、動きの低下を伴った秩序状態へと相転移的な動態を示す。この動態の創発メカニズムの解明が群知能の原理解明の鍵と位置づけ、筋細胞の動態を制御する分子メカニズム、個々が従うアルゴリズム、環境適応性の解明を目指す。
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| Outline of Final Research Achievements |
Similar to the phenomenon of "swarm intelligence" observed in animal swarms such as birds and fish, there is a process in cellular societies where migratory cell populations build ordered structures. This study aimed to elucidate the principles by which heterogeneous cell populations form ordered structures, using the dynamics of muscle cell "swarms" observed during the metamorphosis of Drosophila as a model. Through quantitative analysis of cell dynamics in vivo and simulation analysis using mathematical models, it was demonstrated that heterogeneous groups of two sizes of migrating cells intermingle and create a reticular pattern through interspecies interactions. This revealed part of the mechanism by which a limited number of self-propelling agents maximize the area that they cover, providing insights for engineering applications.
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| Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements |
これまでの細胞遊走研究では、外界からの誘引／忌避因子や基質の硬さに対する応答など、細胞が刺激に対して決定論的に動きを制御する仕組みが研究対象であった。一方で、群としての挙動には確率論的な側面が大きく、従来の細胞遊走研究とは性質が異なることから、本研究を通じて得られた成果は細胞生物学などの関連分野に新規の視点をもたらす。さらに、自律分散制御原理の理解から工学分野への波及効果も期待される。また、筋組織は癌の致死性の要因、免疫系との連関など、生命維持に非常に重要な生理的役割を持つことが近年の研究で明らかになってきている。将来的に筋組織機能の改善を介した新たな医療技術の開発に役立つことも期待される。
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