イカの擬態行動におけるパターン変化に学ぶ動的パターン形成理論

• Project/Area Number: 21K12065
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 61040:Soft computing-related
• Research Institution: Doshisha University
• Principal Investigator: 岩本 真裕子 同志社大学, 文化情報学部, 准教授 (80738641)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2024: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000); Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: 動的パターン / 数理モデル / パターン形成 / 制御 / 頭足類

Outline of Research at the Start

イカやタコなどの頭足類は筋収縮により体表パターンを瞬時に変化させ擬態やコミュニケーションを行なっていると言われている。しかし、その動的なパターン形成のメカニズムは全く明らかにされていない。本研究は、自律分散型制御と中央集権型制御の共存に着目し、頭足類の筋収縮による動的パターン形成におけるパラレルなメカニズムのバランス制御に関して理解することを目的とする。
研究遂行にあたっては、数理モデルの構築を研究の中心に据え、微分方程式により記述した数理モデルの数値シミュレーションと強化学習などの機械学習の研究手法を駆使し、環境や状況に応じて最適な制御バランスを獲得する過程を考察する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、神経制御支配の動的なパターン形成のメカニズムを明らかにし、数値シミュレーションによるメカニズムの解明・および動的パターン形成の制御のために、実験的な報告をもとに数理モデルの構築した。
イカ類は表皮表面に３つの色素細胞（黒・赤・黄）をうまく調整することで、瞬時に体表の色や模様を変化させることができる。軟体動物であるイカ類のとって筋肉は重要な組織であり、体表パターンを変化させる際にも、体表の色素胞の大きさを制御しているのは筋収縮である。また、イカ類は視覚能力が優れており、視覚情報に合わせて体表パターンを変化させることで環境に擬態すると言われている。これまでイカ類の体表パターンの変化については、観察・実験ベースの報告的な研究が多く、そのメカニズムに迫る数理的なアプローチは行われてこなかった。そこで本研究ではコウイカの体表パターンおよびそのメカニズムに潜む自己組織化現象について数理モデルの構築を目指した。
ヨーロッパコウイカなどは、体表の全体にストライプパターンが、端にスポットパターンが出やすく、一見するとチューリングパターンに似ている。場所によってパターンが異なるメカニズムを、曲面でのパターン形成が要因であると捉え、コウイカのボディの形を簡略した簡単な多様体上でのチューリングパターンについて解析・考察した。また、色素細胞の集合体の時間変化からなる動的パターン形成を制御することを目指し、その基礎的な考察として、自己駆動粒子の群れのルール変化と形態変化について考察した。

Research Products

• [Presentation] 軟体動物に見られる動的パターン形成の数理モデル (2022)
  • Author(s): 岩本真裕子
  • Organizer: 京都大学応用数学セミナー（KUAMS）
  • Invited
• [Presentation] 数理モデルで理解する生物の群れと局所的相互作用 (2022)
  • Author(s): 岩本真裕子, 菊池雄斗
  • Organizer: 2022年度統計関連学会連合大会 企画セッション「諸分野に向かう統計・数理・データ科学」
  • Invited
• [Presentation] Model for Muscular Contraction Waves in Molluscs, (2022)
  • Author(s): Mayuko Iwamoto
  • Organizer: 京都大学数理解析研究所 共同研究(公開型)研究集会 パターン形成・伝播・界面現象の数理解析
  • Invited
• [Presentation] 3D Vicsek modelにおける局所相互作用と群れ形態 (2022)
  • Author(s): 岩本真裕子
  • Organizer: 統計物理と統計科学の連続オンラインセミナー
  • Invited