2021 Fiscal Year Annual Research Report
流体構造生化学連成解析によるニューロンの移動モードと大脳皮質形成の力学の解明
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21H04541
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
今井 陽介 神戸大学, 工学研究科, 教授 (60431524)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
林 周宏 慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 講師 (60373354)
滝沢 研二 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (60415809)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2024-03-31
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| Keywords | 計算生体流体力学 / 計算バイオメカニクス / 流体構造連成解析 / 細胞運動 / 組織形成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
哺乳類の大脳皮質深部で誕生した神経細胞（ニューロン）は，三種類の移動モードを駆使して脳表層に到着し，インサイドアウトと呼ばれる六層構造の大脳皮質を形成する．
本研究の目的は，流体構造生化学連成解析とイン・ビボ細胞実験の統合的な手法によって，ニューロンの移動モードの変化とインサイドアウト構造の形成メカニズムを力学に基づいて明らかにすることである．そのための基盤計算技術として，細胞膜の固体力学，細胞質と細胞外の液体の流体力学，細胞接着タンパクと細胞骨格タンパクの生化学反応を連成するトランススケール流体構造生化学連成解析手法を開発する．
２０２１年度は，ニューロンの先導突起の挙動を再現できるトランススケール流体構造生化学連成解析手法の基礎を構築した．生体組織の成長理論をヒントに，局所的な生体膜の面積増加と薄膜の力学を連成する手法を開発した．非一様有理Ｂスプライン（ＮＵＲＢＳ）関数を用いて高次に表現した曲面に対し，細胞膜に対する代表的な構成則であるスカラックのひずみエネルギー関数（Skalak et al., Biophys. J., 1973）とヘルフリッヒの曲げエネルギー関数（Helfrich, Zeitschrift fur Naturforschung C, 1973）を弱形式で記述し，アイソジオメトリック解析を適用した．マッシュルーム形状の先導突起や長く伸びた先導突起を再現することに成功し，さらに，これらの先導突起の形状を記述する理論解を導出した．
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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
当初の予定通り，ニューロンの先導突起の挙動を再現できるトランススケール流体構造生化学連成解析手法の基礎を構築することができている．また，数値解析と理論解析の結果から先導突起の形状にスケールを超えた普遍性があることも示唆されており，当初計画にはなかった成果も得られつつある．これらより，順調に進展していると判断している．
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度は，これらの手法をロコモーションやトランスロケーションにみられる長く伸びた先導突起に応用し，ロコモーションとトランスロケーションの再現を試みる．
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[Presentation] Computational fluid dynamics analysis of effect of ciliary motion on cerebrospinal fluid flow2021
Author(s)
Yoshida, H., Ishida, S., Yamamoto, T., Takeuchi, K., Nagata, Y., Ueno, H., and Imai, Y.
Organizer
11th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
Int'l Joint Research
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