2017 Fiscal Year Annual Research Report
神経-筋-身体動力学モデルに基づく線虫の運動生成メカニズム解析
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15H03950
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
辻 敏夫 広島大学, 工学研究科, 教授 (90179995)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 芳代 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 放射線生物応用研究部, 主幹研究員(定常) (10507437)
曽 智 広島大学, 工学研究科, 助教 (80724351)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | バイオメカニクス / C. elegans / 放射線影響 / 這行運動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，線虫の這行運動の生成メカニズムとその放射線影響の解明を目的として，神経-筋-身体動力学モデルに基づく線虫シミュレータの研究開発を進める．Ｈ２８年度までには以下の各項目（項目番号と英小文字記号は研究計画書に対応する）を明らかにした．
１．刺激受容から運動生成までの数理モデル化：(a)神経・筋モデルの構築（担当：辻，曽），２．数理モデルの最適化：(a) 線虫の運動撮影と画像解析による運動データの定量化（担当：鈴木）と(b) 線虫の運動データに基づくモデルパラメータの調整法の提案（担当：辻，曽），３．運動生成メカニズムの解析：(b)原因未解明の運動異常がある線虫の運動データの定量化（担当：鈴木）
Ｈ２９年度は，筋活動を蛍光標識した線虫を用いて，放射線が筋に与える影響の評価を試みた．線虫全身にγ線を照射したのち，動画像解析により線虫の運動と筋の蛍光強度を計測し，蛍光強度からγ線照射前後の筋活動を比較して放射線影響を評価した．また，抽出した身体の形状から局所的な屈曲角度を求め，運動と筋活動の関係を解析した．その結果，筋細胞がその膜電位に応じて収縮・弛緩する機能は完全には破壊されないが，筋活動の伝搬様式に強く影響が現れることを明らかにした．また，線虫の運動は剛性の影響が支配的であることを示し，粘性と剛性を考慮して構築した身体モデルを簡略化できる可能性を見出した．
また，前年度に引き続き，線虫の運動生成メカニズムを解析するため，野生型の線虫の正常な這行運動に加え，局所的に放射線を照射した直後の線虫の運動を撮影し，動画像解析により筋細胞の蛍光強度や，移動距離や屈曲角度（姿勢）等，種々の運動データを取得した．運動ニューロン-筋モデルを用いて，線虫の運動データを解析することで，線虫の運動に対する放射線の影響を明らかできる可能性がある．
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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
本研究の達成目標は次の４項目である．1．刺激受容から運動生成までの数理モデル化：(a) 身体動力学モデルの構築，(b) 実接続構造を保存した神経-筋モデルの構築，２．数理モデルの最適化： 線虫の運動データに基づくモデルパラメータ調整法と検証法の提案：(a) 線虫の運動撮影と画像解析による運動データの定量化，(b) 線虫の運動データに基づくモデルパラメータの調整法の提案 (c) 運動異常変異体の運動データを用いたパラメータ調整法の有効性の検証，３．運動生成メカニズムの解析： 線虫シミュレータを用いた運動異常解析と関与細胞集団の推定：(a) 制御工学的知見に基づく運動生成関与細胞の推定，(b) 原因未解明の運動異常がある線虫の運動データの定量化，(c) 線虫シミュレータによる放射線影響の運動再現と神経回路の動作異常解析，４．推定結果の見える化： 線虫３次元グラフィックス（3DCG）モデルの開発
平成２９年度までに１，２項はほぼ達成している．また，平成３０年度に計画した線虫３次元グラフィックスはすでに開発済みである．また，３項は平成２９年度において，線虫を用いて一部達成済みである．以上のようにほぼ当初の研究計画の通りに目標を達成しているため．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに，(1)実接続構造を保存した神経・筋・身体動力学モデルを構築するとともに，(2)運動生成が再現可能なモデルパラメータ調整法を新たに開発した．また，(3)筋細胞に蛍光タンパクを発現させた線虫の運動を撮影して蛍光強度と線虫の運動の関係を解析し，(4)解析結果を直観的に表現可能な線虫の３次元グラフィックスを開発した．
最終年度(平成30年度)は，これまでに得られた成果を学術雑誌や学術講演会等にて発表し，積極的に情報発信を行う．さらに，引き続き線虫の運動動画を撮影してモデルを用いた運動生成メカニズムの解析を行うとともに，放射線照射影響について解析する．
(1)線虫の身体動力学モデルと神経・筋モデルの構築：これまでに実神経構造を保存した神経回路モデルを構築し，這行運動を生成するための筋活動パターンの生成に成功している．平成30年度は実測した筋活動パターンと運動の関係に基づいて，神経・筋・身体動力学モデルを用いた運動生成メカニズムの解析を行う．
(2)数理モデルの最適化＆(3)運動生成メカニズムの解析：平成30年度はこれまでに開発した神経回路モデルのパラメータ調整法に基づいて，実測した筋活動パターンが生成可能な神経回路モデルのパラメータを求める．そして，得られたパラメータから放射線が筋活動に与える影響を解析する．また，昨年度に引き続き放射線照射直後から一定時間おきに運動と筋活動を撮影する．得られたデータが再現可能なモデルパラメータを求めることで，運動の経時変化（照射直後の一時的な運動低下と速やかな回復）の機序の解明を目指す．
(4)推定結果の見える化：これまでに開発した線虫の3DCGモデルを用いて，神経・筋・身体動力学を用いて推定した神経細胞の活動や接続の強さなどのパラメータを可視化し，直観的な解析結果の提示による情報発信を行う．
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Research Products
(2 results)
