3次元形態を表現する数学的基盤の構築

• 研究領域: 生物の３Ｄ形態を構築するロジック
• 研究課題/領域番号: 15H05857
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 生物系
• 研究機関: 明治大学 (2019-2020); 北海道大学 (2015-2018)
• 研究代表者: 秋山 正和 明治大学, 研究・知財戦略機構(中野), 特任准教授 (10583908)
• 研究分担者: 須志田 隆道 サレジオ工業高等専門学校, その他部局等, 講師 (00751158)
• 研究期間 (年度): 2015-06-29 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 56,810千円 (直接経費: 43,700千円、間接経費: 13,110千円); 2019年度: 11,050千円 (直接経費: 8,500千円、間接経費: 2,550千円); 2018年度: 11,050千円 (直接経費: 8,500千円、間接経費: 2,550千円); 2017年度: 11,050千円 (直接経費: 8,500千円、間接経費: 2,550千円); 2016年度: 11,050千円 (直接経費: 8,500千円、間接経費: 2,550千円); 2015年度: 12,610千円 (直接経費: 9,700千円、間接経費: 2,910千円)
• キーワード: 現象の数理モデル / 形態形成 / 数値計算 / test / 数理モデル / 応用数学 / シミューレーション / 集団細胞遊走 / 細胞極性 / 数理モデリング / 三次元バーテックスダイナミクスモデル / 数値シミュレーション / フェーズフィールド

研究成果の概要

３Dの時空間的な変化を伴う形態形成は非常に複雑であり，理解のためには，現象をできるだけ簡単な数理モデルで表現することが必須であった．本研究では成果として，細胞を粒子で表現した細胞運動の数理モデル，カブトムシ角の形態形成に関する数理的研究，Phase Field型多細胞形態形成モデル，上皮シートのパターン形成に関する数理モデル，ショウジョウバエ中腸の左右性形成機構の実験的・数理的研究などが論文として出版された．

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究における最大の成果は，生物学の問題を数学の問題として定式化し，問題解決の糸口を生物学からではなく，数学から示唆できたことにある．また，生物の形態形成の正しい仕組みを理解できたことで，その仕組みの破綻として生ずる病気の発生メカニズムも同時に知ることができたことである．また，分野横断的かつ，多数の対象に対する共同研究が生まれ，研究コミュニティが生物学と数学の両方にできたことも大きい．

研究成果

• [雑誌論文] Collective nuclear behavior shapes bilateral nuclear symmetry for subsequent left-right asymmetric morphogenesis in Drosophila (2021)
  • 著者名/発表者名: Shin Dongsun、Nakamura Mitsutoshi、Morishita Yoshitaka、Eiraku Mototsugu、Yamakawa Tomoko、Sasamura Takeshi、Akiyama Masakazu、Inaki Mikiko、Matsuno Kenji
  • 雑誌名: DEVELOPMENT 巻: in press
  • DOI: 10.1101/2020.10.15.340521
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Osmotic gradients induce stable dome morphogenesis on extracellular matrix (2020)
  • 著者名/発表者名: Ishida-Ishihara Sumire、Akiyama Masakazu、Furusawa Kazuya、Naguro Isao、Ryuno Hiroki、Sushida Takamichi、Ishihara Seiichiro、Haga Hisashi
  • 雑誌名: Journal of Cell Science 巻: 133 号: 14 ページ: 243865-243865
  • DOI: 10.1242/jcs.243865
  • NAID: 120007124455
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Numerical study on spindle positioning using phase field method (2019)
  • 著者名/発表者名: Akiyama, M. Nonomura, M. Tero, A. Kobayashi, R.
  • 雑誌名: Physical Biology 巻: 16 号: 1 ページ: 016005-016005
  • DOI: 10.1088/1478-3975/aaee45
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Complex furrows in a 2D epithelial sheet code the 3D structure of a beetle horn (2017)
  • 著者名/発表者名: Matsuda Keisuke、Gotoh Hiroki、Tajika Yuki、Sushida Takamichi、Aonuma Hitoshi、Niimi Teruyuki、Akiyama Masakazu、Inoue Yasuhiro、Kondo Shigeru
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 号: 1 ページ: 13939-13939
  • DOI: 10.1038/s41598-017-14170-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mathematical Model of Collective Cell Migrations Based on Cell Polarity (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Akiyama, T. Sushida, S. Ishida, H. Haga
  • 雑誌名: Dev. Growth Differ 巻: 59 号: 5 ページ: 471-490
  • DOI: 10.1111/dgd.12381
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Theta-alpha EEG phase distributions in the frontal area for dissociation of visual and auditory working memory (2017)
  • 著者名/発表者名: Masakazu Akiyama, Atsuchi Tero, Masahiro Kawasaki, Yasumasa Nishiura, Yoko Yamaguchi
  • 雑誌名: Scientific Report 巻: 7 号: 1 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1038/srep42776
  • NAID: 120007134960
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 細胞極性に着目した細胞群の運動モデル (2017)
  • 著者名/発表者名: 秋山正和,須志田隆道
  • 雑誌名: 計算工学講演会論文集 巻: -
  • NAID: 40021223433
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] ゲル基質上の上皮細胞シー卜が引き起こす浸透圧勾配依存的なドーム形成とその数理モデル (2020)
  • 著者名/発表者名: 秋山正和，石原（石田）すみれ，須志田隆道，芳賀永
  • 学会等名: 日本応用数理学会2020年年会
• [学会発表] 人間の心臓はなぜ左側に偏っているのか？～生物の形の非対称性とその数理～ (2020)
  • 著者名/発表者名: 秋山正和，須志田隆道，稲木美紀子，松野健治
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 上皮細胞シートが引き起こす浸透圧勾配依存的なパターン形成とその数理モデル (2020)
  • 著者名/発表者名: 秋山正和，石原（石田）すみれ，須志田隆道，芳賀永
  • 学会等名: 2020年度（第30回）日本数理生物学会年会
• [学会発表] 動物繊維をもちいたオタマボヤの「ハウス」建築 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小沼健，秋山正和，山崎慎太郎，近藤滋，西田宏記
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会年会
• [学会発表] The tiling mechanism of the compound eye (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Sato，T. Hayashi，Masakazu Akiyama，S. Ei，Takamichi Sushida M. Sato，T. Hayashi，M. Akiyama，S. Ei，T. Sushida
  • 学会等名: ICIAM2019 (The 9th International Congress on Industrial and Applied Mathematics)
  • 国際学会
• [学会発表] Shape representation of cells and phase field method (2019)
  • 著者名/発表者名: Masakazu Akiyama，Takamichi Sushida，Yue Tong，Harunobu Kametani，Atsuko Shimada M. Akiyama，T. Sushida，Y.Tong，H. Kametani，A. Shimada
  • 学会等名: ICIAM2019 (The 9th International Congress on Industrial and Applied Mathematics)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 細胞の集団運動と3次元形態形成に対する数理的アプローチ (2019)
  • 著者名/発表者名: 秋山正和，石原（石田）すみれ，須志田隆道，芳賀永
  • 学会等名: 第92回日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞の集団運動と形態形成に関する数理モデル (2019)
  • 著者名/発表者名: 秋山正和，石原（石田）すみれ，須志田隆道，芳賀永
  • 学会等名: 第42回日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Shape representation of cells and phase field method (2019)
  • 著者名/発表者名: Masakazu Akiyama，Takamichi Sushida，Yue Tong，Atsuko Shimada，Hiroyuki Takeda
  • 学会等名: International Conference on Spatio-temporal patterns on various levels of the hierarchy of life
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ショウジョウバエ後腸の捻転メカニズム解明に向けた数理的・実験的アプローチ (2019)
  • 著者名/発表者名: 秋山正和，須志田隆道，稲木美紀子，松野健治
  • 学会等名: 京都大学，RIMS研究集会，第16回生物数学の理論とその応用 シンポジウム「発生・パターン形成に対する数理モデリングと数値解析」
  • 招待講演
• [学会発表] ゲル基質上の上皮細胞シートが引き起こす浸透圧勾配依存的なドーム形成とその数理モデル (2019)
  • 著者名/発表者名: 秋山正和，石田すみれ，須志田隆道，古澤和也，芳賀永
  • 学会等名: 日本応用数理学会2019年年会
• [学会発表] Tiling mechanism of the compound eye (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Hayashi，M. Akiyama，S. Ei，T. Sushida，M. Sato
  • 学会等名: 2019年度（第29回）日本数理生物学会大会
• [学会発表] 平面内細胞極性を司る新奇制御機構の解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 鮎川友紀，秋山正和，八月朔日泰和，山崎正和
  • 学会等名: 第92回日本生化学会大会
• [学会発表] 体毛の配向パターンを司る新奇制御機構の解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 鮎川友紀，秋山正和，八月朔日泰和，山崎 正和
  • 学会等名: 第42回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 上皮組織の三次元シミュレーションを用いた消化管 の左右非対称な捻転を引き起こす細胞変形の素過程 の同定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 稲木美紀子，須志田 隆道，秋山正和，井上 康博，松野健治
  • 学会等名: 第42回日本分子生物学会年会
• [学会発表] A mathematical model of 3D collective cell igrations using phase-field model (2018)
  • 著者名/発表者名: 秋山正和，須志田隆道，森瞳，石田すみれ，芳賀永
  • 学会等名: The 3rd A3 International workshop for athematical and Life Sciences
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ショウジョウバエ後腸の捻転現象を 3D バーテックスダイナミクスモデルから考える (2018)
  • 著者名/発表者名: 秋山正和,須志田隆道(北海道大学),井上康博(京都大学）,大久保明野（大阪大学）,稲木美紀子（大阪大学）,松野健治（大阪大学）
  • 学会等名: 第56回日本生物物理学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞の集団運動を表現するための自己駆動粒子系の数理モデル (2018)
  • 著者名/発表者名: 秋山正和，須志田隆道，森瞳，石田すみれ，芳賀永
  • 学会等名: 第41回日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] ショウジョウバエ後腸の左右性を理解するための3Dバーテックスダイナミクスモデル (2018)
  • 著者名/発表者名: 秋山正和,須志田隆道(北海道大学),井上康博(京都大学）,大久保明野（大阪大学）,稲木美紀子（大阪大学）,松野健治（大阪大学）
  • 学会等名: 2018年度応用数学合同研究集会
  • 招待講演
• [学会発表] 基底膜に覆われた細胞群の回転運動を表現するための数理モデル (2018)
  • 著者名/発表者名: 須志田隆道,森瞳,石田すみれ,古澤和也,芳賀永,秋山正和
  • 学会等名: 日本数学会 2018年度年会
• [学会発表] A three-dimensional vertex dynamics model for understanding the rotating phenomenon of the hindgut of Drosophila embryo (2018)
  • 著者名/発表者名: M.Akiyama, T. Sushida, Y.Inoue, M.Inaki, A.Ookubo, k. Matsuno
  • 学会等名: NCBS(National center for Biological Sciences)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 細胞極性と細胞移動の数理モデル (2017)
  • 著者名/発表者名: 秋山正和
  • 学会等名: 数理生物研究会2017
  • 発表場所: 北海道大学（北海道札幌市）
  • 年月日: 2017-03-09
• [学会発表] A mathematical model of collective cell migration based on cell polarity (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Akiyama
  • 学会等名: A3-NIMS Joint Workshop on 「Interdisciplinary Research Connecting Mathematics and Biology」
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 数学のメガネで生物を見てみよう！ (2017)
  • 著者名/発表者名: 秋山正和
  • 学会等名: 第１１０回システム情報科学研究会（ＳＳＩセミナー）
  • 招待講演
• [学会発表] 上皮細胞組織変形の三次元シミュレーションを用いたショウジョウバエ消化管の左右非対称な捻転を起こす細胞変形の素過程の同定 (2017)
  • 著者名/発表者名: 稲木美紀子, 大久保明野, 須志田隆道, 秋山正和
  • 学会等名: 第69回日本細胞生物学会大会
• [学会発表] A mathematical model of cell polarity and cell migration (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Sushida, M. Akiyama
  • 学会等名: isdb Singapore 2017「18th International Congress of Developmental Biology 」
  • 国際学会
• [学会発表] 細胞極性と細胞移動の数理モデル (2017)
  • 著者名/発表者名: 秋山正和,須志田隆道,石田すみれ,芳賀永
  • 学会等名: 「生物の3D形態を構築するロジック」2017年度 班会議
• [学会発表] 細胞集団の回転運動による3D形態形成のロジック (2017)
  • 著者名/発表者名: 仝 悦,亀谷治頌,島田敦子,秋山正和
  • 学会等名: 「生物の3D形態を構築するロジック」2017年度 班会議
• [学会発表] A self-propelled particle model based on cell polarity for understanding collective cell migrations (2017)
  • 著者名/発表者名: M.Akiyama,T.Sushida
  • 学会等名: Equadiff 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 細胞極性と細胞移動の数理モデル (2017)
  • 著者名/発表者名: 秋山正和,須志田隆道,石田すみれ,芳賀永
  • 学会等名: 第27回 日本数理生物学会
• [学会発表] A self-propelled particle model based on cell polarity for understanding collective cell migrations (2017)
  • 著者名/発表者名: M.Akiyama,T.Sushida,S.Ishida,H.Haga
  • 学会等名: 2017年度 人・環境と物質をつなぐイノベーション創出 ダイナミックイナミックアライアンスG3若手研究者交流会
  • 招待講演
• [学会発表] 基底膜に覆われた細胞群の回転運動を表現するための数理モデル (2017)
  • 著者名/発表者名: 須志田隆道,森瞳,石田すみれ,古澤和也,芳賀永,秋山正和
  • 学会等名: 2017年度応用数学合同研究集会
• [学会発表] A three-dimensional vertex dynamics model for understanding the twisting phenomenon of cylindrical cell tissues in Drosophila (2017)
  • 著者名/発表者名: T.Sushida,A.Ookubo,M.Inaki,Y.Inoue,K.Matsuno,M.Akiyama
  • 学会等名: 第18回電子研国際シンポジウム（The 18th RIES-HOKUDAI International Symposium ）
  • 国際学会
• [学会発表] A self-propelled particle model based on cell polarity for understanding collective cell migrations (2017)
  • 著者名/発表者名: M.Akiyama,T.Sushida,S.Ishida,H.Haga
  • 学会等名: 第18回電子研国際シンポジウム（The 18th RIES-HOKUDAI International Symposium ）
  • 国際学会
• [学会発表] A Mathematical Model of Cell Polarity and Cell Migration (2017)
  • 著者名/発表者名: M.Akiyama,T.Sushida,S.Ishida, H.Haga
  • 学会等名: 北海道大学電子科学研究所 平成29年度 研究交流会
• [学会発表] 細胞極性と細胞移動の数理モデル (2016)
  • 著者名/発表者名: 須志田隆道、秋山正和
  • 学会等名: 2016年度応用数学合同研究集会
  • 発表場所: 龍谷大学瀬田キャンパス（滋賀県大津市）
  • 年月日: 2016-12-15
• [学会発表] A Mathematical Analysis of Planar Cell Polarity Model (2016)
  • 著者名/発表者名: M.Akiyama, T.Ayukawa, M.Yamazaki
  • 学会等名: H27年度電子科学研究所国際シンポジウム
  • 発表場所: 北海道大学（北海道札幌市）
  • 年月日: 2016-12-13
  • 国際学会
• [学会発表] A Mathematical Model for Cell Polarity and Cell Migration (2016)
  • 著者名/発表者名: T.Sudhida, M.Akiyama
  • 学会等名: H27年度電子科学研究所国際シンポジウム
  • 発表場所: 北海道大学（北海道札幌市）
  • 年月日: 2016-12-13
  • 国際学会
• [学会発表] A Mathematical Analysis of Planar Cell Polarity Model (2016)
  • 著者名/発表者名: M.Akiyama, T.Sushida
  • 学会等名: Japan -Austria joint meeting 「Understanding the logic behind developmental dynamics」
  • 発表場所: Vienna(Austria)
  • 年月日: 2016-11-28
  • 国際学会
• [学会発表] 細胞極性と細胞移動の数理モデル (2016)
  • 著者名/発表者名: 秋山正和、須志田隆道
  • 学会等名: RIMS研究集会 第13回「生物数学の理論とその応用」-連続および離散モデルのモデリングと解析-」
  • 発表場所: 京都大学数理解析研究所（京都府京都市）
  • 年月日: 2016-11-14
• [学会発表] 毛 の 方 向 が 一 方 向 に 揃 う 現 象 に 関 す る 数 理 モ デ ル (2016)
  • 著者名/発表者名: 秋山正和、山崎正和、鮎川友紀
  • 学会等名: 第４回アライアンス若手研究交流会
  • 発表場所: 北海道大学（北海道札幌市）
  • 年月日: 2016-11-09
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞極性と細胞移動の数理モデル (2016)
  • 著者名/発表者名: 秋山正和、須志田隆道
  • 学会等名: 第４回アライアンス若手研究交流会
  • 発表場所: 北海道大学（北海道札幌市）
  • 年月日: 2016-11-09
• [学会発表] 細胞極性と細胞移動の数理モデル (2016)
  • 著者名/発表者名: 秋山正和、須志田隆道
  • 学会等名: RIMS研究集会「集団ダイナミクスに現れる時空間パターンの数理」
  • 発表場所: 京都大学数理解析研究所（京都府京都市）
  • 年月日: 2016-10-12
  • 招待講演
• [学会発表] 3次元形態を表現する数学的基盤の構築 (2016)
  • 著者名/発表者名: 須志田隆道、秋山正和
  • 学会等名: RIMS研究集会「集団ダイナミクスに現れる時空間パターンの数理」
  • 発表場所: 京都大学数理解析研究所（京都府京都市）
  • 年月日: 2016-10-12
• [学会発表] 樟脳の自律運動に対する対流の影響 (2016)
  • 著者名/発表者名: 岡本守、長山雅晴、秋山正和
  • 学会等名: RIMS研究集会「現象解明に向けた数値解析学の新展開Ⅱ」
  • 発表場所: 京都大学数理解析研究所（京都府京都市）
  • 年月日: 2016-10-12
• [学会発表] Tetragonal versus hexagonal tiling of the Drosophila eye (2016)
  • 著者名/発表者名: 林貴史、秋山正和、佐藤純
  • 学会等名: 12th Japanese Drosophila Research Conference(第１２回 日本ショウジョウバエ研究会)
  • 発表場所: 立教大学（東京都豊島区）
  • 年月日: 2016-09-09
• [学会発表] 平面内細胞極性の数理モデル (2016)
  • 著者名/発表者名: 秋山正和、鮎川友紀、山崎正和
  • 学会等名: 数理で解き明かす森羅万象
  • 発表場所: 広島大学（広島県東広島市）
  • 年月日: 2016-08-20
  • 招待講演
• [学会発表] A Mathematical Model of Planar Cell Polarity (2016)
  • 著者名/発表者名: M.Akiyama, T.Ayukawa, M.Yamazaki
  • 学会等名: International Conference: Patterns and Waves 2016
  • 発表場所: 北海道大学（北海道札幌市）
  • 年月日: 2016-08-01
  • 国際学会
• [学会発表] A Mathematical Model of Planar Cell Polarity (2016)
  • 著者名/発表者名: M.Akiyama,T.Ayukawa, M.Yamazaki
  • 学会等名: E.C.M.T.B.2016（ヨーロッパ数理生物学会）
  • 発表場所: Nottingham(U.K.)
  • 年月日: 2016-07-11
  • 国際学会
• [学会発表] 平面内細胞極性の数理モデル (2016)
  • 著者名/発表者名: 秋山正和、鮎川友紀、山崎正和
  • 学会等名: 基生研研究会「物理学は生物現象の謎を解けるか」
  • 発表場所: 基礎生物学研究所（愛知県岡崎市）
  • 年月日: 2016-01-05
  • 招待講演
• [学会発表] 3次元形態を表現する数学的基盤の構築 (2016)
  • 著者名/発表者名: 須志田隆道、秋山正和
  • 学会等名: 日本数学会 異分野・異業種研究交流会2016
  • 発表場所: 明治大学中野キャンパス（東京都中野区）
• [学会発表] 平面内細胞極性の数理モデル (2015)
  • 著者名/発表者名: 秋山正和、鮎川友紀、山崎正和
  • 学会等名: 応用数学合同研究集会
  • 発表場所: 龍谷大学瀬田キャンパス（滋賀県大津市）
  • 年月日: 2015-12-17
• [学会発表] 平面内細胞極性の数理モデル (2015)
  • 著者名/発表者名: 秋山正和、鮎川友紀、山崎正和
  • 学会等名: アライアンス第三回若手研究会
  • 発表場所: 九州大学 先導物質化学研究所（福岡県福岡市）
  • 年月日: 2015-11-16
• [学会発表] A Mathematical Model of Planar Cell Polarity (2015)
  • 著者名/発表者名: M.Akiyama, T.Ayukawa, M.Yamazaki
  • 学会等名: H27年度電子科学研究所国際シンポジウム
  • 発表場所: シャトレーゼ・がトーキングダムサッポロ（北海道札幌市）
  • 年月日: 2015-11-10
  • 国際学会
• [学会発表] 平面内細胞極性の数理モデル (2015)
  • 著者名/発表者名: 秋山正和、鮎川友紀、山崎正和
  • 学会等名: 共同利用・共同研究拠点 MIMS 現象数理学拠点 共同研究集会「自然、社会に現れる複雑現象の数理」
  • 発表場所: 明治大学（東京都中野区）
  • 年月日: 2015-10-05
• [学会発表] A Mathematical Model of Planar Cell Polarity (2015)
  • 著者名/発表者名: M.Akiyama, T.Ayukawa, M.Yamazaki
  • 学会等名: Mini-workshop on Collaborative study with mathematics and biology for dermatology
  • 発表場所: 北海道大学(北海道札幌市)
  • 年月日: 2015-09-25
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 平面内細胞極性の数理モデル (2015)
  • 著者名/発表者名: 秋山正和、鮎川友紀、山崎正和
  • 学会等名: 応用数理学会
  • 発表場所: 金沢大学 角間キャンパス(石川県金沢市)
  • 年月日: 2015-09-09
• [学会発表] A Mathematical Model of Planar Cell Polarity (2015)
  • 著者名/発表者名: M.Akiyama, T.Ayukawa, M. Yamazaki
  • 学会等名: 国際学会ICIAM 2015
  • 発表場所: Beijing（China）
  • 年月日: 2015-08-09
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 卵割の数理モデル (2015)
  • 著者名/発表者名: 秋山正和、手老篤史、小林亮
  • 学会等名: 細胞運動系研究交流セミナー
  • 発表場所: 北海道大学（北海道札幌市）
  • 年月日: 2015-07-04
  • 招待講演