時間と場が制御する脳発生の数理モデル化とシミュレーション

• 研究領域: 脳構築における発生時計と場の連携
• 研究課題/領域番号: 16H06486
• 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: 京都大学
• 研究代表者: 安達 泰治 京都大学, ウイルス・再生医科学研究所, 教授 (40243323)
• 研究分担者: 亀尾 佳貴 京都大学, ウイルス・再生医科学研究所, 助教 (60611431) ; 武石 直樹 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (30787669)
• 研究期間 (年度): 2016-06-30 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 134,290千円 (直接経費: 103,300千円、間接経費: 30,990千円); 2020年度: 24,310千円 (直接経費: 18,700千円、間接経費: 5,610千円); 2019年度: 24,310千円 (直接経費: 18,700千円、間接経費: 5,610千円); 2018年度: 24,310千円 (直接経費: 18,700千円、間接経費: 5,610千円); 2017年度: 24,310千円 (直接経費: 18,700千円、間接経費: 5,610千円); 2016年度: 37,050千円 (直接経費: 28,500千円、間接経費: 8,550千円)
• キーワード: 脳・神経 / 発生・分化 / 細胞・組織 / 生物物理学 / 数理工学 / 生物物理

研究成果の概要

時間と場に依存した脳発生制御機構を明らかにすることを目指し、形態形成過程におけるニューロンの多細胞ダイナミクスと組織の成長・変形を統合的に解析可能な脳形態形成の数理モデルを構築した。構築した数理モデルに基づいて大脳皮質の層形成を再現し、ニューロンの力学的・生化学的相互作用が皮質層構造の形成に及ぼす影響を解析するとともに、小脳に特徴的な規則正しく深い脳溝を持つしわ構造が形成されるメカニズムを明らかにした。さらに、形態形成過程における組織の状態変化を、ひずみエネルギー地形上の運動として表現することにより，力学的に可容な形態形成の全体像を把握するための新たなアプローチを提案した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究で構築した脳形態形成の数理モデルは、多細胞の複雑な相互作用と、それにより生じる組織の時空間的な挙動をコンピュータ内で同時に解析するためのフレームワークであり、形態形成を通じて脳の複雑な構造と機能が創発されるメカニズムを力学的・生化学的観点から理解するための新しい研究アプローチを提供するものである。また、滑脳症や多小脳回をはじめ、脳の構造に異常をきたす脳神経疾患の原因究明や治療法の確立など、将来の臨床医療への多大な貢献が期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Cerebellar foliation via non-uniform cell accumulation caused by fiber-guided migration of granular cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Hironori Takeda, Yoshitaka Kameo, Takahiro Yamaguchi, Kazunori Nakajima, Taiji Adachi
  • 雑誌名: Journal of Biomechanical Science and Engineering 巻: 16 号: 1 ページ: 20-00516-20-00516
  • DOI: 10.1299/jbse.20-00516
  • NAID: 130008031763
  • ISSN: 1880-9863
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Continuum modeling for neuronal lamination during cerebral morphogenesis considering cell migration and tissue growth (2020)
  • 著者名/発表者名: Hironori Takeda, Yoshitaka Kameo, Taiji Adachi
  • 雑誌名: Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering 巻: - 号: 7 ページ: 799-805
  • DOI: 10.1080/10255842.2020.1852554
  • 査読あり
• [雑誌論文] An energy landscape approach to understanding variety and robustness in tissue morphogenesis (2020)
  • 著者名/発表者名: Hironori Takeda, Yoshitaka Kameo, Yasuhiro Inoue and Taiji Adachi
  • 雑誌名: Biomechanics and Modeling in Mechanobiology 巻: 19 号: 2 ページ: 471-479
  • DOI: 10.1007/s10237-019-01222-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 神経線維の配向に依存した小脳の平行なしわ形成過程の力学的検討 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山口嵩洋，竹田宏典，亀尾佳貴，安達泰治
  • 学会等名: 日本機械学会第32回バイオフロンティア講演会
• [学会発表] Mechanical modeling of brain morphogenesis caused by multicellular dynamics (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshitaka Kameo, Hironori Takeda, Taiji Adachi
  • 学会等名: International Symposium on Development and Plasticity of Neural System
  • 国際学会
• [学会発表] 神経細胞の増殖と移動にともなう脳形態形成の数理モデリング (2021)
  • 著者名/発表者名: 亀尾佳貴, 竹田宏典, 安達泰治
  • 学会等名: 第60回日本生体医工学会大会
• [学会発表] 生体組織の形態形成の理解に向けた連続体力学シミュレーション (2021)
  • 著者名/発表者名: 竹田宏典, 亀尾佳貴, 安達泰治
  • 学会等名: 日本機械学会第33回バイオエンジニアリング講演会
• [学会発表] 神経線維の配向による材料異方性を考慮した小脳しわ形成の有限要素解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山口嵩洋, 竹田宏典, 亀尾佳貴, 安達泰治
  • 学会等名: 日本機械学会第33回バイオエンジニアリング講演会
• [学会発表] 生体組織の成長により生じる分岐現象のエネルギー地形に基づく理解 (2021)
  • 著者名/発表者名: 竹田宏典，亀尾佳貴，安達泰治
  • 学会等名: 日本機械学会M&M2021材料力学カンファレンス
• [学会発表] Finite Element Analysis of Parallel Folding during Cerebellar Morphogenesis Considering Oriented Nerve Fibers (2021)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Yamaguchi, Hironori Takeda, Yoshitaka Kameo, Taiji Adachi
  • 学会等名: The 11th Asian-Pacific Conference on Biomechanics (APBiomech2021)
  • 国際学会
• [学会発表] 細胞移動と組織成長から生じる脳形態形成の有限要素解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 竹田宏典，亀尾佳貴，安達泰治
  • 学会等名: 日本機械学会第31回バイオフロンティア講演会
• [学会発表] Multiscale Biomechanics Approach to Understanding Roles of Forces in Multicellular Tissue Morphogenesis (2019)
  • 著者名/発表者名: Adachi, T.
  • 学会等名: Tissue Engineering & Regenerative Medicine International Society - AP Chapter and the 7th Asian Biomaterials Congress (TERMIS-AP2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Biomechanics of Epithelial Morphogenesis: From Molecular Mechanofeedback to Tissue Deformation (2019)
  • 著者名/発表者名: Adachi, T.
  • 学会等名: 8th International Conference on Mechanics of Biomaterials and Tissues
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 組織形態形成における多様性と安定性の理解に向けた非線形連続体力学に基づくエネルギー地形アプローチの提案 (2019)
  • 著者名/発表者名: 亀尾佳貴，竹田宏典，安達泰治
  • 学会等名: 日本機械学会第32回計算力学講演会
• [学会発表] エネルギー地形アプローチに基づく組織形態形成の多様性と安定性の探求（Exploring variety and robustness in tissue morphogenesis based on energy landscape approach） (2019)
  • 著者名/発表者名: 亀尾佳貴，竹田宏典，安達泰治
  • 学会等名: 第57回日本生物物理学会年会
• [学会発表] 脳形態形成におけるニューロン移動と大脳成長の連成数理モデリング（A coupled mathematical modeling for neuronal migration and cerebral growth in brain morphogenesis） (2019)
  • 著者名/発表者名: 竹田宏典，亀尾佳貴，安達泰治
  • 学会等名: 第57回日本生物物理学会年会
• [学会発表] 上皮形態形成における力の役割：多階層バイオメカニクスアプローチ（Forces and their feedback in epithelial tissue morphogenesis: Multiscale biomechanics approach） (2019)
  • 著者名/発表者名: 安達泰治
  • 学会等名: 第42回日本分子細胞生物学会年会
• [学会発表] 神経細胞移動にともなう脳形態形成の連続体力学モデル (2019)
  • 著者名/発表者名: 竹田宏典，亀尾佳貴，安達泰治
  • 学会等名: 日本機械学会第32回バイオエンジニアリング講演会
• [学会発表] 生物の形態形成の力学：分子から組織まで (2019)
  • 著者名/発表者名: 安達泰治
  • 学会等名: 理研シンポジウム：計算で物事を理解する予測する―データサイエンス, 自然知能, そして圏論へ―
  • 招待講演
• [学会発表] In-silico and in-vitro Studies on Mechanofeedback in Multicellular Tissue Morphogenesis (2018)
  • 著者名/発表者名: Taiji Adachi
  • 学会等名: International Conference on Medicine and Biology (ICMMB2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Force Feedback in Multicellular Morphogenesis from Molecule to Tissue: In vitro and in silico Studies (2018)
  • 著者名/発表者名: Taiji Adachi
  • 学会等名: ASME 2018 NanoEngineering for Medicine and Biology Conference (NEMB)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 多細胞組織の形態形成における分子・細胞バイオメカニクス：実験と数理アプローチ (2018)
  • 著者名/発表者名: 安達泰治
  • 学会等名: 第18回日本蛋白質科学会年会, ワークショップ「発生ダイナミクス解明のためのツール開発とその応用」
• [学会発表] A Coupled Model of Cell Migration and Tissue Deformation for Simulating Cerebral Cortex Morphogenesis (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshitaka Kameo, Hironori Takeda, Taiji Adachi
  • 学会等名: International Young Scientists Workshop on Neural Development & Stem Cells 2018
• [学会発表] Finite Element Analysis of Coupled Behavior of Tissue Deformation and Cell Movement in Morphogenesis (2018)
  • 著者名/発表者名: Hironori Takeda, Yoshitaka Kameo, Taiji Adachi
  • 学会等名: 8th World Congress of Biomechanics (WCB2018)
• [学会発表] リーリンはN-cadherinを基盤とした神経細胞接着を2つの経路で誘導する (2018)
  • 著者名/発表者名: 林 周宏, 仲尾信彦, 井上聖香, 安達泰治, 久保健一郎, 仲嶋一範
  • 学会等名: 第61回日本神経化学会大会
• [学会発表] 生体組織の成長と収縮のタイミングが形態形成に及ぼす影響 (2018)
  • 著者名/発表者名: 竹田宏典, 亀尾佳貴, 安達泰治
  • 学会等名: 日本機械学会第29回バイオフロンティア講演会
• [学会発表] 形態形成における組織形態多様化の理解に向けた力学的アプローチ (2018)
  • 著者名/発表者名: 竹田宏典, 亀尾佳貴, 安達泰治
  • 学会等名: 日本機械学会第31回バイオエンジニアリング講演会
• [学会発表] 細胞スケールの間質液流れに関する数値解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 武石直樹, 重松大輝, 堀川健介, 和田成夫
  • 学会等名: 日本機械学会第31回バイオエンジニアリング講演会
• [学会発表] 組織形態形成における細胞移動と組織変形の連成モデリング (2017)
  • 著者名/発表者名: 竹田宏典，亀尾佳貴，安達泰治
  • 学会等名: 日本機械学会第30回バイオエンジニアリング講演会
• [学会発表] 脳皮質形成における神経細胞運動の連続場モデリング (2017)
  • 著者名/発表者名: Guyot Yann，安達泰治
  • 学会等名: 日本機械学会第30回バイオエンジニアリング講演会
• [学会発表] 細胞接着を制限したメッシュ構造基板によるmES細胞の自己組織化誘導 (2017)
  • 著者名/発表者名: 安藤悠太，オケヨケネディ，安達泰治
  • 学会等名: 日本機械学会第30回バイオエンジニアリング講演会
• [学会発表] 眼杯の形態形成を引き起こす細胞活動の力学的作用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 竹田宏典，亀尾佳貴，安達泰治
  • 学会等名: 日本機械学会2017年度年次大会
• [学会発表] メッシュ構造基板を用いた接着領域制限下におけるmES細胞の未分化性評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 安藤悠太，オケヨケネディ，安達泰治
  • 学会等名: 日本機械学会2017年度年次大会
• [学会発表] 細胞接着制限環境下におけるmES細胞の培養 (2017)
  • 著者名/発表者名: 安藤悠太，オケヨケネディ，安達泰治
  • 学会等名: 第40回日本バイオレオロジー学会年会
• [学会発表] Role of Mechanical Force Feedback in Multicellular Morphogenesis: in silico and in vitro Studies (2016)
  • 著者名/発表者名: Taiji Adachi
  • 学会等名: The 16th International Conference on Biomedical Engineering (ICBME2016)
  • 発表場所: National University of Singapore (Singapore)
  • 年月日: 2016-12-06
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 立体組織の形態形成における力の役割：in silico実験 (2016)
  • 著者名/発表者名: 安達泰治
  • 学会等名: 日本バイオマテリアル学会シンポジウム2016
  • 発表場所: 福岡国際会議場（福岡県福岡市・博多区）
  • 年月日: 2016-11-21
  • 招待講演
• [学会発表] Finite Element Analysis of Optic-cup Morphogenesis Mechanically Regulated by Tissue Growth and Constriction (2016)
  • 著者名/発表者名: Hironori Takeda, Yoshitaka Kameo, Taiji Adachi
  • 学会等名: 日本機械学会第27回バイオフロンティア講演会
  • 発表場所: 北海道大学（北海道札幌市）
  • 年月日: 2016-10-22
• [学会発表] Cell Shapes within Self-organized Optic Cup from Embryoid Body (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuta Ando, Junko Sunaga, Taiji Adachi
  • 学会等名: 日本機械学会第27回バイオフロンティア講演会
  • 発表場所: 北海道大学（北海道札幌市）
  • 年月日: 2016-10-22
• [学会発表] Computational Biomechanics of Multicellular Tissue Morphogenesis (2016)
  • 著者名/発表者名: Taiji Adachi
  • 学会等名: The 3rd Joint Workshop between E-JUST and SRTA-City on Advanced Materials and Its Applications
  • 発表場所: Egypt-Japan University of Science and Technology (Egypt)
  • 国際学会 / 招待講演