2018 Fiscal Year Annual Research Report
時間と場が制御する脳発生の数理モデル化とシミュレーション
| Project Area | Interplay of developmental clock and extracellular environment in brain formation |
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| Project/Area Number |
16H06486
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
安達 泰治 京都大学, ウイルス・再生医科学研究所, 教授 (40243323)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
亀尾 佳貴 京都大学, ウイルス・再生医科学研究所, 助教 (60611431)
武石 直樹 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (30787669)
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| Project Period (FY) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| Keywords | 脳・神経 / 発生・分化 / 細胞・組織 / 生物物理学 / 数理工学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、現象の数理モデル化とシミュレーションを駆使し、時間と場に依存した脳発生制御機構を分子・細胞ダイナミクスに基づいて統合的に理解することを目的としている。そのために、実験・観察により得られた分子・細胞・組織・器官レベルにおける個別の知見をコンピュータ上に集約し、それらを統合した脳発生シミュレーションプラットフォームの構築を進めている。以下に、本年度中の主な研究実施内容と得られた成果をまとめる。
(A) 多細胞間隙を通り抜けるニューロン移動の数理モデリング：ニューロンの放射状移動が時間的・空間的に安定して実現される機構を明らかにするため、単一ニューロンを超弾性体の細胞膜で覆われたカプセルとしてモデル化し、シミュレーションにより、脳深部に位置するニューロンが、多数の既存ニューロンの間隙を通り抜け、脳表層へと至る過程を再現した。
(B) 能動的な細胞移動を考慮した大脳皮質形態形成の数理モデリング：昨年度までに構築した細胞増殖とランダムな細胞移動にともなう組織形態形成の数理モデルを拡張し、能動的な細胞移動による組織の変形と成長を表現可能な連続体モデルを構築した。本数理モデルに基づくシミュレーションにより、大脳皮質の形態形成過程において、化学物質の濃度勾配等により引き起こされる能動的なニューロン移動の影響を解析することが可能となった。
(C) 組織形態形成における多様性と安定性の理解に向けたエネルギー地形アプローチの提案：組織の形態形成が生体内のゆらぎの中でも安定的に進行する機構を理解するため、形態形成過程において組織に蓄積されるひずみエネルギー地形を描写した。その結果、組織形態の多様性はエネルギー状態の分岐にともなう複数の局所安定状態の出現に起因し、また、その形態の安定性は局所安定状態間のエネルギー障壁の拡大に起因することが示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の計画通り、大脳形態形成過程において異なる空間スケールで生じる現象に着目し、マルチスケールな観点から、多細胞間隙を通り抜けるニューロン移動と能動的な細胞移動にともなう大脳皮質形態形成の数理モデルを構築することができた。さらに、組織形態形成において多様性と安定性の両立が実現される機構を理解するため、エネルギー地形を用いた全く新しいアプローチを提案することができた。よって、本研究はおおむね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究により構築したニューロンの放射状移動、大脳皮質層構造の形成、大脳皮質の形態形成の数理モデルを発展させ、それら異なる空間スケールにおける数理モデルの統合を図る。これにより、時間と場の連携的な制御機構を考慮した脳発生シミュレーションの数理的枠組みを完成へと近づける。本モデルに基づき、大脳皮質の形態形成が生体内のゆらぎの中においても安定的に進行する機構について検討するとともに、コンピュータ上で再現される大脳皮質形態形成過程と実現象との比較を通じ、実験研究へのフィードバックを試みる。
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