三次元構造物内における巨大アメーバ様単細胞生物の細胞行動学

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K13864
• Research Institution: Future University-Hakodate
• Principal Investigator: 高木 清二 公立はこだて未来大学, システム情報科学部, 准教授 (80372259)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 真正粘菌 / 三次元細胞行動 / 三次元ネットワーク

Outline of Annual Research Achievements

１）三次元構造物の作成：立方単純格子，ダイヤモンド構造，面心立方格子，ランダムメッシュなどの格子構造をもつ３次元構造物のCADデータをプログラミングにより生成し，光重合型3Dプリンタにより0.02mmの解像度で出力する事で一辺約5cmの３次元構造物を作製した．作製した構造物は光重合波長域の紫外線照射により後処理をした後，真性粘菌との親和性を高めるために2.0wt%の寒天ゲルで表面をコーティングした．構造体の上部に粘菌を移植した後，構造物全体に粘菌が伸展する様子が観察された．
２）３次元構造物内を移動する粘菌の観察方法の開発：構造物内における粘菌の観察は構造物が障害となるため，多視点からの撮影を行う．マイコンボードによりサンプルを乗せた回転ステージとカメラのシャッターを同期させ，多方向から構造物内の粘菌のタイムラプス撮影を行う．その多視点画像から，粘菌部分を抽出し再構成する．方法としては，透過光照明による光トモグラフィ及び通常の反射光撮影による三角測量の２通りを試みた．前者の場合，構造物を透明の素材で作製しサンプルを透過光撮影し，後者の場合は構造物を不透明の素材で作製し反射光撮影した．前者の場合計算機トモグラフィーによる再構築を試みたが，構造物による反射屈折などにより虚像が多く生じることが問題となり，後者の三角測量を元にした再構成方法を採用することとなった．
３）構造物内における三次元管ネットワークの形成：三次元構造物内で正四面体の頂点の位置関係にある4つの餌場を繋ぐ管ネットワーク形成の実験を行い，手老・小林により提案された粘菌管成長の数理モデルを３次元に拡張した数値シミュレーションとの比較を行った．その結果，粘菌は多くの場合構造物内でサイクルを含んだネットワークを形成し，数値シミュレーションではあるパラメータ領域で同様のネットワークが形成されることが分かった．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

観察方法の一候補である光トモグラフィを応用した方法が虚像の発生など予想以上の問題が発生し，照明方法，構造物の処理，解析アルゴリズムの修正などの工夫を試みたが，最終的には克服は困難であると判断し，三角測量を応用した方法に切り替えている．粘菌の行動に適した構造物の作製方法，粘菌の行動及び管ネットワークの形成実験方法，多視点からのタイムラプス撮影装置の作成については予定通りに進んではいるが，3次元構造物内における粘菌の観察方法の確立を一目標としており，上記の粘菌の3次元な形状の解析方法がまだ目標を達成できていないことから上記の評価とした．

Strategy for Future Research Activity

昨年度の実績を踏まえ，以下の方針で研究を進める．
１）構造物内に広がる粘菌の三次元再構成：サンプルの回転軸を原点とし，微小角度回転させて撮影した2枚の画像間において対応する点のずれから，3次元空間内の位置を計算する．2画像間の対応点は，画像相関法（2画像間で一辺数ピクセルの部分画像の相互相関の最も高い位置を対応点とする）により求め，フローを求める．また，特徴点抽出方法としてSIFTを用いた２画像間の対応付けを行う方法も試みる．
２）構造物内の細胞行動：構造物の格子構造の違い（立方単純格子や面心立法など）による，粘菌の移動速度や移動様式の違いを上記の方法により解析する．また，構造物内での走化性，走光性などの細胞行動を解析する．
３）３次元ネットワーク：昨年度はまずは4点を結ぶ管ネットワークについて調べたが，位数5の完全グラフが平面グラフで無いように，三次元にすることで二次元平面上では不可能なトポロジーをもつネットワークを形成することが可能である．現在は構造物の外部に餌場を設置しているが，構造物内部にも餌場を設置することでより多数の餌場を繋ぐネットワークの形成について調べる．

Causes of Carryover

発注物品が欠品状態で，次年度での納品となったため．

Expenditure Plan for Carryover Budget

平成28年度残額は35,339円であり，平成29年度配分額700,000円と合わせて，735,339円を平成29年度に使用する計画である．そのうち平成28年度残額分は，現時点ですでに前年度発注物品でほぼ使用済みである．そのため，平成29年度配分額700,000円をすでに提出した使用計画書通り使用する予定である．