2011 Fiscal Year Annual Research Report
生物行動のシステム工学的解釈とバイオミメティック・センサ・システムの提案
| Project Area | Systems molecular ethology to understand the operating principle of the nervous system |
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| Project/Area Number |
20115010
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
辻 敏夫 広島大学, 大学院・工学研究院, 教授 (90179995)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
滝口 昇 金沢大学, 理工研究域・自然システム学系, 准教授 (20304462)
鈴木 芳代 日本原子力研究開発機構, 量子ビーム応用研究部門, 研究員 (10507437)
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| Keywords | 線虫 / CPG / 遺伝的アルゴリズム / 動力学モデル / ゼブラフィッシュ / バイオアッセイ / 生体電気信号 / 呼吸波 |
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| Research Abstract |
近年,環境中に存在する化学物質が生物に与える影響を定量評価するためのセンサシステムの必要性が指摘されている.本研究では,線虫・マウス・小型魚類を主な対象として,生物の情報処理メカニズムを工学の立場から読み解き,融合し,革新的な生物模倣型(バイオミメティック)のセンサシステムの構築を目指す.本年度は,1)線虫の神経回路における情報処理メカニズムを明らかにするためのシミュレータプラットフォームの構築と,2)ゼブラフィッシュの生体信号と行動情報を利用した水質検査システムの構築を目指し,以下の成果を収めた.
1)線虫のシミュレータプラットフォームを用いた刺激受容-情報処理メカニズムの解明
環境モデル,神経モデル,身体モデルから構成される線虫シミュレータプラットフォームを構築し,線虫の運動と環境刺激の間の相互作用を勘案して,神経回路における情報処理メカニズムの解析を可能にした.また,線虫の身体を左右にくねらせるリズムを生成するためのCPGモデルを構築し,所望のリズムを励起するためのパラメータ最適化手法を提案した.提案法は,梯子状にニューロン素子が繋がったCPGモデルを対象として,数理解析と遺伝的アルゴリズムを組み合わせることによって,効率的なパラメータ探索を可能にした[Neural Computation]。
2)ゼブラフィッシュを用いた水質検査システムの構築
昨年度までに構築した小型魚類の生体信号計測システムを応用して,カメラシステムを用いずにゼブラフィッシュの行動を推定する新たな行動解析システムを構築した[自動制御計測学会論文集].提案システムは環境光の調節を必要としないため,試験魚に余分な光刺激を与えてしまう恐れがないという利点がある.また,生体信号計測システムとカメラを用いた動画像解析システムを融合し,行動情報と魚の呼吸情報からエタノール0.5%程度毒性を検知できる新たなバイオアッセイシステムを構築した[SI2011口頭発表]
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の目標であった線虫のシミュレータプラットフォームの構築はほぼ達成しており,移動ロボットの環境適応制御もシミュレータプラットフォームに基づいて構築中であり,順調に進展している.また,小型魚類を用いたバイオアッセイシステムの構築については,当初の目標を既に達成しているだけでなく,システムから計測された生体信号を用いて魚の行動を解析するという新たなシステムの構築に成功したため.
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度作成した線虫シミュレータプラットフォームに関しては,生物学分野において線虫の情報処理メカニズムを解析するためのツールとして使用できるようにユーザビリティーを高める.また,線虫の情報処理メカニズムに基づき,シミュレータプラットフォームを用いて移動ロボットを制御することで,線虫の実環境シミュレーションを可能にする.さらに,自律的な環境探索ロボットとして工学的な応用を目指す.
小型魚類を用いたバイオアッセイシステムに関しては,生体電気信号に基づく行動解析法を応用し,カメラレスで行動と呼吸情報から水質汚染を検知する新たなバイオアッセイシステムを目指す.
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