2018 Fiscal Year Research-status Report
ニューロンの協調的な運動が創発する脳形成のダイナミクスの解明
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17K13015
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
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) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | ニューロン / 脳発生 / 大脳新皮質 / 細胞バイオメカニクス / 計算バイオメカニクス / 医工学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，脳発生の段階で見られるニューロンの協調的な移動を成立させる力学的条件と脳形成のダイナミクスの関係を解明し，細胞と組織間の階層を繋ぐ力学的概念を構築する．この目的に向け，実験データに基づく計算力学モデルを構築し，数値シミュレーションからニューロンの移動に起因した脳の成長に関わる組織スケールの力学因子を抽出する．そのため，外部の力場と細胞内生化学反応に着目して細胞移動を数理モデル化し，最終的に細胞膜の力学と生化学反応を連成した大規模な力学解析を行う．本年度は，昨年度に引き続き，細胞移動に関する数理モデル化及び計算力学モデルの構築と検証を行った．構築したモデルは，ナノスケールのアクチン重合反応をボトムアップ的に膜の伸展力として組み込んだ新たな細胞膜モデルであり，これにより，生化学反応としてのアクチン重合と細胞膜の変形を連成した数値シミュレーションが可能になった．単一細胞のみならず，多体干渉問題にまで拡張することに成功したが，組織スケールの脳の発生に言及するためには、より大規模な数値解析が必要であり、克服すべき技術的課題が依然残っている．今後は，新たな数理モデルの検討に加え、計算手法についても検討していく予定である．また、計算によって得られた細胞体の移動については、引き続き京都大学ウイルス・再生医科学研究所の安達泰治教授との研究グループと共に進めていく。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初の計画目標として，ニューロンの移動現象の数理モデル化と計算力学モデルの構築を掲げていたが，組織スケールへの展開を目指すには計算の大規模化が必須であり，そのために新たな数理モデルを検討する必要性があることがわかった．現時点で細胞の多体干渉問題にまで拡張することに成功しているが，ニューロンの移動と組織スケールでの脳実質の成長を関連付けるためには，より広域を対象とした解析が必要であり、それに適した数理モデルを検討する必要があると考えている．新たな数理モデルの構築と計算力学モデルの開発を開始したことによって，当初予定していたモデル構築までは到達していないと判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
細胞膜の伸展は，Tozluogluら(2013, Nat. Cell Biol.)が構築したモデルを参考に，各時刻で力学的平衡状態が満たされるように膜の変形を解析する．膜面の応力分布は細胞移動にかかる時間スケールにおいて緩和されるべきであり，この問題の定式化は、Tallinenら(2016, Nat. Phys.)が提案している塑性モデルを基に行う．既に，ナノスケールのアクチン重合反応をボトムアップ的に膜の伸展力として組み込んだ細胞膜モデルの構築に成功しているため，このモデルに、上述の手順で新たに細胞膜の力学モデルを実装する。構築したモデルを用いて、単一のニューロンの挙動について解析した後、細胞多体干渉問題へと拡張し，集団としての細胞移動と組織としての成長に関わるパラメータ（例えば，塑性変形に関わる時定数）の抽出を試みる．また，個々のニューロンの運動を阻害した場合についてシミュレーションし，組織成長のパラメータへの影響を調べる．
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