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Elucidation of crosstalk algorithms between cellular behaviour and environments

Planned Research

Project AreaAdvanced mechanics of cell behavior shapes formal algorithm of protozoan smartness awoken in giorama conditions.
Project/Area Number 21H05311
Research Category

Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (IV)
Research InstitutionHiroshima University

Principal Investigator

飯間 信  広島大学, 統合生命科学研究科(理), 教授 (90312412)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 山口 崇幸  滋賀大学, データサイエンス学系, 講師 (90748964)
Project Period (FY) 2021-09-10 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2025)
Budget Amount *help
¥90,610,000 (Direct Cost: ¥69,700,000、Indirect Cost: ¥20,910,000)
Fiscal Year 2025: ¥15,080,000 (Direct Cost: ¥11,600,000、Indirect Cost: ¥3,480,000)
Fiscal Year 2024: ¥14,040,000 (Direct Cost: ¥10,800,000、Indirect Cost: ¥3,240,000)
Fiscal Year 2023: ¥13,260,000 (Direct Cost: ¥10,200,000、Indirect Cost: ¥3,060,000)
Fiscal Year 2022: ¥20,020,000 (Direct Cost: ¥15,400,000、Indirect Cost: ¥4,620,000)
Fiscal Year 2021: ¥28,210,000 (Direct Cost: ¥21,700,000、Indirect Cost: ¥6,510,000)
Keywordsミドリムシ / 走光性 / 走化性 / 生物対流 / 微生物運動
Outline of Research at the Start

原生知能とは,個と環境が不可分で変動が大きい複雑な自然環境において原生動物が発揮する,環境への高度な適応能力を指す.原生知能を理解し応用につなげるにはアルゴリズムとしての記述と評価が必要となる.本研究では,微細藻類の好適環境探索を題材とし,適度に取捨選択された複雑環境のもとでの挙動を観測・解析することで原生知能のアルゴリズムを抽出し,その数理科学的特徴を明らかにすることを目指す.

Outline of Annual Research Achievements

本研究では,複雑環境下において微生物や運動細胞が好適環境の探索を実現する原生知能のアルゴリズムを記述し,その普遍性や応用可能性を検証することを目的とする。具体的なモデル生物としてミドリムシ等の微細藻類のほか、精子等の運動細胞を用いる。本年度は微生物の個体および集団運動の解析を行った。(1) ミドリムシ集団が一様な光環境において、3次元的な環境でも局在対流構造を持つことを実験的に示した。こうした構造は時空間的に非一様な光環境を活用することで制御出来、水深や濃度に依存して構造の詳細が変わる。(2)ミドリムシ個体が光環境下で運動する数理モデルを解析し、正および負の走光性を示すことや、光勾配への応答といった、実験で観測される挙動を再現することを示した。(3) ミドリムシを非一様な光環境に置いたときの長期的な個体運動を解析し、2乗平均距離(MSD)の挙動が光強度に依存して異なることを明らかとした。またミドリムシ個体運動の統計モデルについての研究に着手した。計画班内では定期的な進捗報告とともに必要に応じて個別の打ち合わせを行うなど、緊密に連絡を取り合っている。また他計画班とも同様に連絡体制を確立し、各計画班での研究課題に対する意見交換を進めている。特に今年度は(4) A01-2班と協力してホヤ精子の走化性挙動のモデル化およびアルゴリズム抽出の研究に着手した。国際的な取り組みとして、2023年10月に研究集会「生物流体力学における境界の役割」を開催し、この中で英国ニュートン研究所と国際共同セミナーを企画・実施し、本研究計画班の研究について議論をおこなった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

特任助教1名の協力により、実験および数値解析両面から研究が推進できるようになった。班内会議も引き続き月1度のペースで実施し、進捗状況を報告し合っている。また本課題の計画班同士での会合も別に月1度のペースで行っている。特に今年度はA01-2班との議論が深まり、共同研究に着手した。

Strategy for Future Research Activity

研究実施計画に沿って研究を着実に推進してゆく。主要テーマである、ジオラマ環境におけるモデル微生物の個体および集団運動の研究を引き続き進め、原生知能アルゴリズムの抽出・理解に役立てる。研究計画班での研究分担者および研究協力者とは緊密に連絡を取り合い、研究実施計画に基づいたそれぞれの課題を実行するとともに共同研究を進める。

Report

(3 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (40 results)

All 2024 2023 2022 2021

All Journal Article (13 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 7 results) Presentation (25 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 5 results) Funded Workshop (2 results)

  • [Journal Article] Emergence of a Euglena bioconvection spot controlled by non-uniform light2023

    • Author(s)
      Yamashita Hiroshi、Kamikubo Touya、Muku Kazuki、Suematsu Nobuhiko J.、Izumi Shunsuke、Iima Makoto
    • Journal Title

      Frontiers in Ecology and Evolution

      Volume: 11 Pages: 1132956-1132956

    • DOI

      10.3389/fevo.2023.1132956

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Height-dependent oscillatory motion of a plastic cup with a camphor disk floated on water2023

    • Author(s)
      Fujita Risa、Takayama Nami、Matsuo Muneyuki、Iima Makoto、Nakata Satoshi
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 25 Issue: 20 Pages: 14546-14551

    • DOI

      10.1039/d3cp00318c

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Dynamic lift enhancement mechanism of dragonfly wing model by vortex-corrugation interaction2023

    • Author(s)
      Fujita Yusuke、Iima Makoto
    • Journal Title

      Physical Review Fluids

      Volume: 8 Issue: 12 Pages: 123101-123101

    • DOI

      10.1103/physrevfluids.8.123101

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      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Reproduction of bacterial chemotaxis by a non-living self-propelled object2023

    • Author(s)
      Hamano Yuko、Ikeda Kota、Odagiri Kenta、Suematsu Nobuhiko J.
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13 Issue: 1 Pages: 8173-8173

    • DOI

      10.1038/s41598-023-34788-3

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  • [Journal Article] ミドリムシの遊泳軌道の光環境応答特性2023

    • Author(s)
      飯間信,松本廉,上久保冬野,山下博士,末松 J. 信彦
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      日本流体力学会年会2023 講演論文集

      Volume: 2023

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      山下博士,上久保冬野,末松 J. 信彦,飯間信
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      日本流体力学会年会2023 講演論文集

      Volume: 2023

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  • [Journal Article] ミドリムシ遊泳の光環境応答モデル2023

    • Author(s)
      上久保冬野, 飯間信, 山下博士, 末松 J.信彦
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      Volume: 2023

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      藤田雄介,飯間信
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      日本流体力学会年会2023 講演論文集

      Volume: 2023

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  • [Journal Article] Long-time behavior of swimming Euglena gracilis in a heterogenous light environment2023

    • Author(s)
      Muku Kazuki、Yamashita Hiroshi、Kamikubo Touya、Suematsu Nobuhiko J.、Iima Makoto
    • Journal Title

      Frontiers in Cell and Developmental Biology

      Volume: 11 Pages: 1133028-1133028

    • DOI

      10.3389/fcell.2023.1133028

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  • [Journal Article] Bioconvection pattern of Euglena under periodical illumination2023

    • Author(s)
      Suematsu Nobuhiko J.、Yamashita Hiroshi、Iima Makoto
    • Journal Title

      Frontiers in Cell and Developmental Biology

      Volume: 11 Pages: 1134002-1134002

    • DOI

      10.3389/fcell.2023.1134002

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  • [Journal Article] 非一様な光環境を用いたミドリムシ局在対流の制御実験2022

    • Author(s)
      山下博士, 上久保冬野, 椋一輝, 末松 J. 信彦, 飯間信
    • Journal Title

      日本流体力学会学会誌「ながれ」

      Volume: 41

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      2022 Annual Research Report
    • Open Access
  • [Journal Article] 非一様光環境下でのミドリムシ個体の光走性2022

    • Author(s)
      飯間信, 上久保冬野, 椋一輝, 山下博士, 末松 J. 信彦
    • Journal Title

      日本流体力学会 年会2022 講演論文集

      Volume: 2022

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      2022 Annual Research Report
  • [Journal Article] Self-propelled camphor disk dependent on the depth of the sodium dodecyl sulfate aqueous phase2021

    • Author(s)
      Yu Xu, Nami Takayama, Yui Komasu, Naho Takahara, Hiroyuki Kitahata, Makoto Iima and Satoshi Nakata
    • Journal Title

      Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects

      Volume: 635 Pages: 128087-128087

    • DOI

      10.1016/j.colsurfa.2021.128087

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      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] ホヤ精子走化性の数理モデル2024

    • Author(s)
      飯間信, 柴小菊, 吉田学, 稲葉一男
    • Organizer
      日本物理学会 2024年春季大会
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  • [Presentation] 負の走光性と影効果に基づくミドリムシ生物対流モデル2024

    • Author(s)
      山下博士, 山口崇幸, 末松 J. 信彦, 飯間信
    • Organizer
      日本物理学会 2024年春季大会
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  • [Presentation] 光環境変化におけるミドリムシ遊泳の3D軌道解析実験と数理モデル2024

    • Author(s)
      上久保冬野, 山下博士, 末松 J.信彦, 飯間信
    • Organizer
      日本物理学会 2024年春季大会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] トンボ翼周りの流体挙動における定量的解析2024

    • Author(s)
      藤田雄介,飯間信
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      日本物理学会2024年春季大会
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  • [Presentation] The detailed structure of the bioconvection spot: the cell-cluster radiation from single sinking region2023

    • Author(s)
      Hiroshi Yamashita, Touya Kamikubo, Nobuhiko J Suematsu, Makoto Iima
    • Organizer
      76th Annual Meeting of the Division of Fluid Dynamics
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Flow analysis and control of vortex shedding using phase reduction theory2023

    • Author(s)
      Makoto Iima
    • Organizer
      Vortex Dynamics: the Crossroads of Mathematics, Physics and Applications
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Relationship between vortex dynamics in lift enhancement mechanism of corrugated wing2023

    • Author(s)
      Yusuke Fujita and Makoto Iima
    • Organizer
      76th Annual Meeting of the Division of Fluid Dynamics
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ミドリムシの遊泳軌道の光環境応答特性2023

    • Author(s)
      飯間信,松本廉,上久保冬野,山下博士,末松 J. 信彦
    • Organizer
      日本流体力学会年会2023
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  • [Presentation] 光環境操作により発現したミドリムシ生物対流スポットのパラメータ依存性2023

    • Author(s)
      山下博士,上久保冬野,末松 J. 信彦,飯間信
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      日本流体力学会年会2023
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  • [Presentation] 水槽実験による凹凸翼模型周辺の流れ構造パターンの解析2023

    • Author(s)
      藤田雄介,飯間信
    • Organizer
      日本流体力学会年会2023
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  • [Presentation] ミドリムシ遊泳の光環境応答モデル2023

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      上久保冬野, 山下博士, 末松 J.信彦, 飯間信
    • Organizer
      日本流体力学会年会2023
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  • [Presentation] 流れの可視化実験による縮小バルハン模型後方の渦構造の遷移2023

    • Author(s)
      藤田雄介,西森拓,飯間信
    • Organizer
      日本物理学会第78回年次大会
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  • [Presentation] データ解析を活用した凹凸翼周辺の流れパターン解析2023

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      藤田雄介,飯間信
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  • [Presentation] ミドリムシ走性モデル2023

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      上久保冬野, 山下博士, 末松 J.信彦, 飯間信
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      走性行動方程式研究会in広島
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  • [Presentation] ミドリムシの走光性による生物対流2023

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      山下博士
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      走性行動方程式研究会in広島
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    • Invited
  • [Presentation] ホヤ精子走化性の数理モデルI, II2023

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      飯間信
    • Organizer
      走性行動方程式研究会in広島
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  • [Presentation] ジオラマ環境で発現するスポット対流:その構造と発生制御2022

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      「ジオラマ環境で覚醒する原生知能を定式化する細胞行動力学」研究交流会
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  • [Presentation] ミドリムシの運動の数理解析2022

    • Author(s)
      飯間信
    • Organizer
      第55回日本原生生物学会大会 活性化委員企画シンポジウム「原生生物のジオラマ行動力学」
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      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 非一様な光環境を用いたミドリムシ局在対流の制御実験2022

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      山下博士、上久保冬野、椋一輝、末松 J. 信彦、飯間信
    • Organizer
      日本流体力学会 年会2022
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  • [Presentation] Bioconvection of Euglena suspension under heterogeneous light condition2022

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      H. Yamashita, T. Kamikubo, K. Muku, N. J. Suematsu and M. Iima
    • Organizer
      8th International Symposium on Aero Aqua Bio-Mechanisms
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      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Control of the localized bioconvection unit of Euglena suspension by manipulating light environment2022

    • Author(s)
      H. Yamashita, T. Kamikubo, K. Muku, N. J. Suematsu and M. Iima
    • Organizer
      74th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
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      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 非一様光環境下でのミドリムシ個体の光走性2022

    • Author(s)
      飯間信,上久保冬野、椋一輝、山下博士、末松 J.信彦
    • Organizer
      日本流体力学会 年会2022
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 2種類のミドリムシの遊泳行動2022

    • Author(s)
      上久保冬野、飯間信
    • Organizer
      SSTB2023 -Spring School for Theoretical Biology 2023-
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  • [Presentation] 総括コメント:細胞行動力学モデルから原生知能へ2022

    • Author(s)
      飯間信
    • Organizer
      「ジオラマ環境で覚醒する原生知能を定式化する細胞行動力学」シンポジウム
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    • Invited
  • [Presentation] Phase reduction technique on oscillating flows towards to analysis of flapping flight2021

    • Author(s)
      Makoto Iima
    • Organizer
      Biolocomotion Seminar
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Funded Workshop] INI-RIMS joint seminar2023

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  • [Funded Workshop] One-day workshop on the cellular level ethological dynamics towards "proto-intelligence"2022

    • Related Report
      2022 Annual Research Report

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Published: 2021-10-22   Modified: 2025-06-20  

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