Elucidation of crosstalk algorithms between cellular behaviour and environments

• Project Area: Advanced 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 Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (IV)
• Research Institution: Hiroshima 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: ¥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

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。

Research Products

• [Journal Article] Emergence of a Euglena bioconvection spot controlled by non-uniform light (2023)
  • 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
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Height-dependent oscillatory motion of a plastic cup with a camphor disk floated on water (2023)
  • 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
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dynamic lift enhancement mechanism of dragonfly wing model by vortex-corrugation interaction (2023)
  • Author(s): Fujita Yusuke、Iima Makoto
  • Journal Title: Physical Review Fluids Volume: 8 Issue: 12 Pages: 123101-123101
  • DOI: 10.1103/physrevfluids.8.123101
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reproduction of bacterial chemotaxis by a non-living self-propelled object (2023)
  • 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
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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
  • Journal Title: 日本流体力学会年会2023 講演論文集 Volume: 2023
• [Journal Article] 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
  • Journal Title: 日本流体力学会年会2023 講演論文集 Volume: 2023
• [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
  • Journal Title: 日本流体力学会年会2023 講演論文集 Volume: 2023
• [Journal Article] 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
  • Journal Title: 日本流体力学会年会2023 講演論文集 Volume: 2023
• [Journal Article] Long-time behavior of swimming Euglena gracilis in a heterogenous light environment (2023)
  • 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
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Bioconvection pattern of Euglena under periodical illumination (2023)
  • 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
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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
  • 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
• [Journal Article] Self-propelled camphor disk dependent on the depth of the sodium dodecyl sulfate aqueous phase (2021)
  • 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
  • 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
• [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
• [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
• [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
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] The detailed structure of the bioconvection spot: the cell-cluster radiation from single sinking region (2023)
  • Author(s): Hiroshi Yamashita, Touya Kamikubo, Nobuhiko J Suematsu, Makoto Iima
  • Organizer: 76th Annual Meeting of the Division of Fluid Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Flow analysis and control of vortex shedding using phase reduction theory (2023)
  • Author(s): Makoto Iima
  • Organizer: Vortex Dynamics: the Crossroads of Mathematics, Physics and Applications
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Relationship between vortex dynamics in lift enhancement mechanism of corrugated wing (2023)
  • Author(s): Yusuke Fujita and Makoto Iima
  • Organizer: 76th Annual Meeting of the Division of Fluid Dynamics
  • 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
• [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
  • Organizer: 日本流体力学会年会2023
• [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
• [Presentation] ミドリムシ遊泳の光環境応答モデル (2023)
  • Author(s): 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
• [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
• [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)
  • Author(s): 藤田雄介,飯間信
  • Organizer: 2023年度研究集会「生物流体力学における境界の役割」
• [Presentation] ミドリムシ走性モデル (2023)
  • Author(s): 上久保冬野, 山下博士, 末松 J.信彦, 飯間信
  • Organizer: 走性行動方程式研究会in広島
• [Presentation] ミドリムシの走光性による生物対流 (2023)
  • Author(s): 山下博士
  • Organizer: 走性行動方程式研究会in広島
  • Invited
• [Presentation] ホヤ精子走化性の数理モデルI, II (2023)
  • Author(s): 飯間信
  • Organizer: 走性行動方程式研究会in広島
• [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)
  • Author(s): 山下博士、上久保冬野、椋一輝、末松J.信彦、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」研究交流会
• [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」
  • 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)
  • Author(s): 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
• [Presentation] Bioconvection of Euglena suspension under heterogeneous light condition (2022)
  • Author(s): H. Yamashita, T. Kamikubo, K. Muku, N. J. Suematsu and M. Iima
  • Organizer: 8th International Symposium on Aero Aqua Bio-Mechanisms
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Control of the localized bioconvection unit of Euglena suspension by manipulating light environment (2022)
  • 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
  • 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
• [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-
• [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
  • Invited
• [Presentation] Phase reduction technique on oscillating flows towards to analysis of flapping flight (2021)
  • Author(s): Makoto Iima
  • Organizer: Biolocomotion Seminar
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Funded Workshop] INI-RIMS joint seminar (2023)
• [Funded Workshop] One-day workshop on the cellular level ethological dynamics towards "proto-intelligence" (2022)