流体構造生化学連成解析によるニューロンの移動モードと大脳皮質形成の力学の解明

• Project/Area Number: 21H04541
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 19:Fluid engineering, thermal engineering, and related fields
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 今井 陽介 神戸大学, 工学研究科, 教授 (60431524)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 林 周宏 慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 講師 (60373354) ; 滝沢 研二 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (60415809)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥43,290,000 (Direct Cost: ¥33,300,000、Indirect Cost: ¥9,990,000); Fiscal Year 2023: ¥8,970,000 (Direct Cost: ¥6,900,000、Indirect Cost: ¥2,070,000); Fiscal Year 2022: ¥8,970,000 (Direct Cost: ¥6,900,000、Indirect Cost: ¥2,070,000); Fiscal Year 2021: ¥25,350,000 (Direct Cost: ¥19,500,000、Indirect Cost: ¥5,850,000)
• Keywords: 計算生体流体力学 / 計算バイオメカニクス / 流体構造連成解析 / 細胞運動 / 組織形成

Outline of Research at the Start

哺乳類の大脳皮質深部で誕生した神経細胞（ニューロン）は，三種類の移動モードを駆使して脳表層に到着し，インサイドアウトと呼ばれる六層構造の大脳皮質を形成する．なぜニューロンは移動モードを変えられるのか？リーリンと呼ばれるタンパク質にはどのような役割があるのか？本研究課題では，流体構造生化学連成解析とイン・ビボ細胞実験の統合的な手法によって，インサイドアウト構造の形成メカニズムを解明することに挑戦する．

Outline of Annual Research Achievements

哺乳類の大脳皮質深部で誕生した神経細胞（ニューロン）は，三種類の移動モードを駆使して脳表層に到着し，インサイドアウトと呼ばれる六層構造の大脳皮質を形成する．本研究の目的は，流体構造生化学連成解析とイン・ビボ細胞実験の統合的な手法によって，ニューロンの移動モードの変化とインサイドアウト構造の形成メカニズムを力学に基づいて明らかにすることである．そのための基盤計算技術として，細胞膜の固体力学，細胞質と細胞外の液体の流体力学，細胞接着タンパクと細胞骨格タンパクの生化学反応を連成するトランススケール流体構造生化学連成解析手法を開発する．
２０２２年度は，第一に，２０２１年度に開発した局所的な生体膜の面積増加と薄膜の力学を記述する計算モデルを，細胞質および細胞外環境の流体力学と連成する計算手法を開発した．具体的には，ストークス流れの流体力学を境界積分方程式を用いて記述し，アイソジオメトリック解析に基づく境界積分法（アイソジオメトリック境界積分法）を新たに開発した．第二に，神経細胞の力学特性のみ（細胞膜の弾性と細胞質の粘性）を考慮した計算モデルを用いて，トランスロケーションにおける神経細胞の先導突起の短縮に必要となる力学条件を検討した．数値実験と過去の細胞実験の時間スケールを比較し，先導突起の短縮には，細胞骨格がブレーキのような作用している可能性が示唆された．これらの結果に基づき，細胞骨格の重合・脱重合と細胞膜の面積変化の数理モデル化に着手した．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

細胞膜の固体力学，細胞質と細胞外の液体の流体力学，細胞接着タンパクと細胞骨格タンパクの生化学反応を連成するトランススケール流体構造生化学連成解析手法の基礎技術の開発は完了した．樹状突起スパインの形態形成や好中球と血小板の相互作用への応用，さらには，Kirchhoff-Love shell理論に基づくシェルモデルとの連成計算など，当初計画にはなかった発展もあるなど，順調に進展している．

Strategy for Future Research Activity

これまでの研究において，神経細胞の先導突起の短縮には，細胞骨格がブレーキのような作用している可能性が示唆された．現在開発している細胞骨格の重合・脱重合と細胞膜の面積変化の計算モデルをトランススケール流体構造生化学連成解析手法に導入し，先導突起における細胞膜と細胞骨格の相互作用を数値解析する．また，細胞実験においても同様の現象がみられるか観察することに挑戦する．

Research Products

• [Journal Article] Effect of cilia-induced surface velocity on cerebrospinal fluid exchange in the lateral ventricles (2022)
  • Author(s): Yoshida Haruki、Ishida Shunichi、Yamamoto Taiki、Ishikawa Takayuki、Nagata Yuichi、Takeuchi Kazuhito、Ueno Hironori、Imai Yohsuke
  • Journal Title: Journal of The Royal Society Interface Volume: 19 Issue: 193 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1098/rsif.2022.0321
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Escape of small capsules from large capsules aligned in confined shear flow: a computational study (2022)
  • Author(s): Imai, Y., Ishida, S., Matsunaga, D.
  • Organizer: 9th World Congress of Biomechanics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] A computational model of leukocyte rolling (2022)
  • Author(s): 2.Seike, D., Ishida, S., Asai, Y., Takeda, H., Kitamura, N., Gonda, K., Imai, Y.
  • Organizer: 9th World Congress of Biomechanics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Computational fluid dynamics analysis of effect of ciliary motion on cerebrospinal fluid flow (2021)
  • Author(s): Yoshida, H., Ishida, S., Yamamoto, T., Takeuchi, K., Nagata, Y., Ueno, H., and Imai, Y.
  • Organizer: 11th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Isogeometric hyperelastic analysis for cell membrane protrusion (2021)
  • Author(s): Yamaguchi, Y., Takeda, H., Asai, Y., Ishida, S., and Imai, Y.
  • Organizer: 11th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
  • Int'l Joint Research