Study of Segment Regeneration and Fibonacci-ratio development with the aid of Polynomial-life models

• Project/Area Number: 18K12036
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 90110:Biomedical engineering-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 吉田 寛 九州大学, 数理学研究院, 准教授 (60401262)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2021: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2020: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2019: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 再生 / 動的平衡 / 乱数 / 細胞協働 / セグメント再生 / パターンマッチ / 対数周期 / 節のモデル / セグメント / Polynomial-life model / 多項式生命モデル / フィボナッチ比発生 / 植物的器官・動物的器官

Outline of Annual Research Achievements

動物の肢を構成する複数の節（関節間）の長さの比率はダヴィンチの人体図で描かれて居るようにフィボナッチ比率とも黄金比率ともいわれている。しかし、ど
のようにそれらの比率が発生過程で形作られているのかは分かっていない。また、コオロギ脚などは切断されても、その先の関節も含めて再生できる（セグメン
ト再生） 。
R４年度までに築した再生の為の数理モデルを流用して、リンデンマイヤシステムと乱数と崩壊とによるアプローチを試した。これは多細胞では環境からの外乱が影響してくるためであり、崩壊現象を積極的に取り入れる為であった。崩壊現象に対応する規則：形式言語における右辺が空文字となる消去規則を多用した数理モデルが以下の２つである。
○相互作用のないモデル （〇Lモデル）： 血液細胞の系譜を扱い乱数によるランダムさや崩壊もモデルに積極的に取り入れた。このモデルによって赤血球の動的恒常維持には「崩壊」を調整することが重要だと解った。さらに、外乱の種類としてホワイトノイズ・ピンクノイズ （ｆ分の１ノイズ）・２次無理数に対応するノイズを想定し、それらによるパラメータのゆらぎが在った場合、更にはそれらのノイズを治療に積極的に活用できないかを試し始めている。
○緑藻類の進化・再生・癌化：緑藻のゴニウムからユードリナの進化・再生をモデル化すべく３次元形状を扱うリンデンマイヤシステムモデルの構築を目指した。ここでも崩壊(Elimination規則)を取り入れ癌化の抑制や理解に向けたモデル化を始めつつある。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

R５年度は３次元形状のモデル化に失敗したため。

Strategy for Future Research Activity

崩壊(Elimination：消去規則)を積極的に取り入れ癌化の抑制や理解に向けたモデル化を始める。

Research Products

• [Journal Article] A mathematical model demonstrating the dynamic homeostasis of red blood and white blood cells (2024)
  • Author(s): K. Ishida and H. Yoshida
  • Journal Title: 29th International Symposium on Artificial Life and Robotics Volume: - Pages: 507-511
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A model of cells' regeneration towards smart healthcare (2023)
  • Author(s): H. Yoshida
  • Journal Title: Human Assisted Intelligent Computing: Modelling, Simulations and Its Applications Volume: -
  • Peer Reviewed
• [Presentation] A mathematical model demonstrating the dynamic homeostasis of red blood and white blood cells (2024)
  • Author(s): 石田航己 吉田寛
  • Organizer: AROB 29th, 別府
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A model of leg-segment regeneration with the aid of log-periodic curves (2022)
  • Author(s): H. Yoshida
  • Organizer: AROB-ISBC-SWARM
• [Presentation] A model of regenerating patterns using a random-walk model (2019)
  • Author(s): Hiroshi Yoshida
  • Organizer: Moscow Conference on Computational Molecular Biology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A model of regenerating patterns using a random-walk model (2019)
  • Author(s): 吉田 寛
  • Organizer: 令和元年度日本数理生物学会
• [Presentation] A model of regenerating pattern using multivariable polynomials-Polynomial Life (2018)
  • Author(s): Hiroshi Yoshida
  • Organizer: International Conference on Bioinformatics and Systems Biology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A model for analyzing phenomena in multicellular organisms with multivariable polynomials: Polynomial-life model (2018)
  • Author(s): 吉田 寛
  • Organizer: 第５６回 生物物理学会