Comparative architectonics of hollow fruits and embryonic brains: intramural assembly of tensile and compression materials

• Project Area: Elucidation of the strategies of mechanical optimization in plants toward the establishment of the bases for sustainable structure system
• Project/Area Number: 21H00363
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 宮田 卓樹 名古屋大学, 医学系研究科, 教授 (70311751)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2022: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2021: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
• Keywords: 脳発生 / 中空果実 / 残留応力 / 圧縮 / 引張り / 弾性 / 脳室 / マノメーター / 張力材・圧縮材 / 器官形成 / ドーム / 力学的要因 / 張力 / 計測 / シミュレーション

Outline of Research at the Start

本研究は，胎生期マウス脳原基が頭頂部の表皮・皮下組織によるアゴ方向への締め付けのもとそれに抗しながらドーム状に成長する発生現象を，植物の中空果実と比較しつつ研究する．脳胞横断リングを切開した際に起きる「外向き開き・反り」現象が，ピーマン，トマト等の中空果リングの切開時にも起きることにヒントを得て，(1)「カット時の開き」の力学的理由について，引張材・圧縮材としての役割を果たす細胞を同定し，壁全体あるいは局所にどのような「残留応力」が存在するか明らかにするとともに，(2)「輪カット時に開きを起こさせる原理」が実際に「ドーム強度」に貢献しているか明らかにする．

Outline of Annual Research Achievements

胎生期のマウス大脳の発生過程を支えるメカニカルなメカニズムを中空果実と比較しつつ理解すべく計画された研究である．まだ骨が頭部背側に形成されていない時期にあって，その背側方向に向けてドーム状に成長する大脳原基の壁が，周りの結合組織（表皮と間充織＝頭皮と総称）との間で，結合組織から脳に対する押しとどめ，脳から頭皮に対する押し・伸ばし，という力学的関係にあるということを前年度に報告したことを受け，脳原基壁のさらに奥にある，脳脊髄液をたたえた脳室が頭皮による締め付けによってどういう影響を受けているか，手製マノメータによる圧計測と頭皮に対する外科的および薬理学的操作を組み合わせて検討した．脳脊髄液の量や脳壁体積の貢献以上に脳室内圧の成立に「頭皮による締め付け」が大きく貢献していることが分かった．そして脳室・脳室内圧には，それ自体が積極的に脳壁ドームを「膨らませる」という，肺の発生過程で想定されているような「圧の内外差（内＞外）による構造拡張の働きではなく，頭皮からの締め付けのもとにある脳壁を受け止める「カウンターバランサー」としての役目があると分かった．そうして締め付ける頭皮と内で受け止める脳室に挟まれる脳壁は，神経前駆細胞の分裂によって産生されたニューロンを壁の外層に圧縮的に充満させ，先行して誕生したニューロンが伸長させる軸索（脳壁の周方向に沿う）と神経前駆細胞のファイバー（脳壁の法線方向に沿う）という２種類の相互直行関係にあるファイバー構造に張力を加えることで強度が確保される構造になっていることも分かった．加えて，壁の内面・頂端面が連続性・収縮性を有することが，壁の肥厚（ニューロン充填を通じた）を助けていることも明らかとなった．脳室の「カウンターバランシング」は，脳壁が，そうした収縮性を有する脳壁内面を脳室を狭めるようせり出させながら肥厚するということに対する許容性も帯びている．

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Actin crosslinking by α-actinin averts viscous dissipation of myosin force transmission in stress fibers (2023)
  • Author(s): Katsuta Hiroki、Okuda Satoru、Nagayama Kazuaki、Machiyama Hiroaki、Kidoaki Satoru、Kato Masashi、Sokabe Masahiro、Miyata Takaki、Hirata Hiroaki
  • Journal Title: iScience Volume: 26 Issue: 3 Pages: 106090-106090
  • DOI: 10.1016/j.isci.2023.106090
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] CD206+ macrophages transventricularly infiltrate the early embryonic cerebral wall to differentiate into microglia. (2023)
  • Author(s): Hattori Y, Kato D, Murayama F, Koike S, Asai H, Yamasaki A, Naito Y, Kawaguchi A, Hiroyuki Konishi H, Prinz M, Masuda T, Wake H, Miyata T.
  • Journal Title: Cell Rep Volume: 42 Issue: 2 Pages: 112092-112092
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2023.112092
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Stiffness of primordial germ cells is required for their extravasation in avian embryos (2022)
  • Author(s): Saito Daisuke、Tadokoro Ryosuke、Nagasaka Arata、Yoshino Daisuke、Teramoto Takayuki、Mizumoto Kanta、Funamoto Kenichi、Kidokoro Hinako、Miyata Takaki、Tamura Koji、Takahashi Yoshiko
  • Journal Title: iScience Volume: 25 Issue: 12 Pages: 105629-105629
  • DOI: 10.1016/j.isci.2022.105629
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Functional cooperation of α-synuclein and tau is essential for proper corticogenesis. (2022)
  • Author(s): 2.Wang S., Fu Y., Miyata T., Matsumoto S., Shinoda T., Itoh K., Harada A., Hirotsune S. and Jin M.
  • Journal Title: The Journal Neuroscience Volume: 42(37) Issue: 37 Pages: 7031-7046
  • DOI: 10.1523/jneurosci.0396-22.2022
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mid1 is associated with androgen-dependent axonal vulnerability of motor neurons in spinal and bulbar muscular atrophy (2022)
  • Author(s): Ogura Yosuke、Sahashi Kentaro、Hirunagi Tomoki、Iida Madoka、Miyata Takaki、Katsuno Masahisa
  • Journal Title: Cell Death & Disease Volume: 13 Issue: 7 Pages: 601-601
  • DOI: 10.1038/s41419-022-05001-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Developmentally interdependent stretcher-compressor relationship between the embryonic brain and the surrounding scalp in the preosteogenic head (2022)
  • Author(s): Tsujikawa K, Saito K, Nagasaka A, Miyata T
  • Journal Title: Developmental Dynamics Volume: 2022 Issue: 7 Pages: 451-451
  • DOI: 10.1002/dvdy.451
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Embryonic Pericytes Promote Microglial Homeostasis and Their Effects on Neural Progenitors in the Developing Cerebral Cortex (2022)
  • Author(s): Hattori Y, Itoh H, Tsugawa Y, Nishida Y, Kurata K, Uemura A, Miyata T
  • Journal Title: The Journal of Neuroscience Volume: 42 Issue: 3 Pages: 362-376
  • DOI: 10.1523/jneurosci.1201-21.2021
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mechanical collaboration between the embryonic brain and the surrounding scalp tissues (2021)
  • Author(s): Tsujikawa K, Saito K, Nagasaka A, Miyata T
  • Journal Title: bioRxiv Volume: 5 Pages: 442865-442865
  • DOI: 10.1101/2021.05.05.442865
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Comparison of the Mechanical Properties Between the Convex and Concave Inner/Apical Surfaces of the Developing Cerebrum. (2021)
  • Author(s): Nagasaka A and Miyata T
  • Journal Title: Front. Cell Dev. Biol. Volume: 9 Pages: 702068-702068
  • DOI: 10.3389/fcell.2021.702068
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 頭蓋骨未形成期の脳室内圧とは？-----成立のしくみと力学的意義 (2023)
  • Author(s): 辻川幸一郎，宮田卓樹
  • Organizer: 第128回日本解剖学会
• [Presentation] 動物の大脳というドーム構造の建築工法 (2022)
  • Author(s): 宮田卓樹
  • Organizer: 2022年度日本建築学会
• [Presentation] 胎生期の脳の成長と周囲頭皮組織のなす力学的相互作用と協働的形態形成 (2022)
  • Author(s): 辻川 幸一郎, 齋藤 加奈子, 長坂 新, 宮田 卓樹
  • Organizer: 第127回 日本解剖学会全国学術集会
• [Presentation] 脳の成長的建築：密に詰まった細胞たちによるセンシングとアクチュエーション (2022)
  • Author(s): 宮田 卓樹
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 胎生期の脳と周囲頭皮組織の力学的相互作用について (2021)
  • Author(s): 辻川 幸一郎, 齋藤 加奈子, 長坂 新, 宮田 卓樹
  • Organizer: 日本解剖学会中部支部学術集会