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2006 年度 研究成果報告書概要

単細胞生物粘菌による幾何学的パズル問題の解決法と細胞内計算アルゴリズム

研究課題

研究課題/領域番号 15300098
研究種目

基盤研究(B)

配分区分補助金
応募区分一般
研究分野 生体生命情報学
研究機関北海道大学

研究代表者

上田 哲男  北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (20113524)

研究分担者 中垣 俊之  北海道大学, 電子科学研究所, 助教授 (70300887)
高木 清二  北海道大学, 電子科学研究所, 助手 (80372259)
西浦 廉政  北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (00131277)
小林 亮  広島大学, 大学院理学研究科, 教授 (60153657)
研究期間 (年度) 2003 – 2006
キーワード粘菌 / 細胞極性 / 計算アルゴリズム / 自己組織化 / 数理モデル / 結合振動子 / パターンダイナミクス / 情報統合
研究概要

巨大なアメーバ様細胞である真正粘菌変形体の特徴を活用し、細胞に秘められたる計算の能力を引き出す実験を行うと共に、その計算アルゴリズムを細胞内非線形化学ダイナミクスに基づいた数理モデルを構築し、解析・シミュレーションした。(1)粘菌による最短経路探索問題(スタイナー問題、迷路問題)の解法:粘菌を迷路内に一面に這わせ、2点(出入り口)に餌を置く。粘菌は餌に集まりながら迷路内に管を形成するが、迷路内の最短コースを管でつなぐ(迷路問題を解いた)。粘菌を限られた領域内で一様に広がらせて、何箇所かに餌を置き、領域内部での管パターンの形成を見る。2点の場合、最短コースで結ぶ管が、3点の場合、中央で分岐したパターンが、4点の場合、2箇所で3つに分岐するパターンというスタイナーのミニマム・ツリーが形成された。(2)粘菌における最適ネットワーク(最短性、断線補償性、連絡効率)設計問題:粘菌の一部を忌避刺激である光で照射し管形成をみた。粘菌は危険領域を短くし、丁度光が屈折(フェルマーの定理)するように、管を作った。このように管パターン形成には環境情報をも組み入れられている。複数個に餌を置くと、最短性のみならず、一箇所で断線しても全体としてつながって一体性を維持する(断線補償性)という複数の要請下で管形成をすることがわかった。(3)管構造の数学的表現と粘菌の移動の数学的表現:振動する化学反応を振動子とし、これらが結合して集団運動する数理モデルを構築した。全体の原形質が保存されるという条件、粘菌の粘弾性が場所により異なるという条件を入れることで、粘菌の現実に合うような運動を再現することができた。(4)アルゴリズム:管は、流れが激しいとよりよく形成され、逆に流れが弱いと管は小さくなっていく。この管形成の順応性を要素ダイナミクスとして取り入れ、グローバルな管ネットワーク形成の数理モデルを構築した。迷路問題、スタイナー問題、フェルマー問題等実験結果のダイナミクスまでもシミュレートできた。

  • 研究成果

    (36件)

すべて 2007 2006 2005 2004 2003 その他

すべて 雑誌論文 (28件) 図書 (8件)

  • [雑誌論文] Mathematical model for adaptive transport network in path finding by true slime mold2007

    • 著者名/発表者名
      Tero, A., Kobayashi, R., Nakagaki, T.
    • 雑誌名

      Journal of Theoretical Biology 244

      ページ: 553-564

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [雑誌論文] Indecisive behavior of amoeba crossing an environmental barrier2007

    • 著者名/発表者名
      Takagi, S., Nishiura, Y., Nakagaki, T., Ueda, T., K.-I.Ueda
    • 雑誌名

      WSPC-Proceedings (in press)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [雑誌論文] Dispersion relation in oscillatory reaction-diffusion systems with self-consistent flow in true slime mold2007

    • 著者名/発表者名
      Yamada, H., Nakagaki, T., Ruth E.Baker, Philip K.Maini
    • 雑誌名

      Journal of Mathematical Biology (to be published)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [雑誌論文] Indecisive behavior of amoeba crossing an environmental barrier2007

    • 著者名/発表者名
      Takagi, S., Nishiura, Y., Nakagaki, T., Ueda, T., K.-I.Ueda
    • 雑誌名

      Proceeding of Topological Aspects of Critical Systems and Networks (to be published)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [雑誌論文] Effects of amount of food on pathselection in the transport network of an amoeboid organsim2007

    • 著者名/発表者名
      Nakagaki, T, Saigusa, T., Tero, A., Kobayashi, R.
    • 雑誌名

      Proceeding of Topological Aspects of Critical Systems and Networks (to be published)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [雑誌論文] Mathematical model for adaptive transport network in path finding by true slime mold2007

    • 著者名/発表者名
      Tero, A., Kobayashi, R., Nakagaki, T.
    • 雑誌名

      Journal of Theoretical Biology, Vol. 244

      ページ: 553-564

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
  • [雑誌論文] Indecisive behavior of amoeba crossing an environmental barrier2007

    • 著者名/発表者名
      Takagi, S., Nishiura, Y., Nakagaki, T., Ueda, T., K.-I.Ueda.
    • 雑誌名

      WSPC-Proceedings (in press)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
  • [雑誌論文] Super water-repellent surfaces with fractal structures and their potential application to biological studies.2006

    • 著者名/発表者名
      Yan, H., Shiga, H., Ito, E., Nakagaki, T., Takagi, S., Ueda, T.
    • 雑誌名

      Colloids and Surfaces A : Physicochem.Eng.Aspects 284-285

      ページ: 490-494

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [雑誌論文] Multiple Oscillations in Changing Cell Shape by the Plasmodium of Physarum polycephalum : general formula governing oscillatory phenomena by the Physarum plasmodium.2006

    • 著者名/発表者名
      Kakiuchi, Y., Ueda, T.
    • 雑誌名

      Biological Rhythm 37

      ページ: 137-146

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [雑誌論文] Mathematical model for rhythmic amoeboid movement in the true slime mold2006

    • 著者名/発表者名
      Kobayashi, R., Tero, A., Nakagaki, T.
    • 雑誌名

      Journal of Mathematical Biology 53

      ページ: 273-286

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [雑誌論文] Physarum solver-a biologically inspired method for road-network navigation-2006

    • 著者名/発表者名
      Tero, A., Kobayashi, R., Nakagaki, T.
    • 雑誌名

      Physica A 363

      ページ: 115-119

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [雑誌論文] Super Water-Repellent Surfaces with Fractal Structures and their Potential Application to Biological Studies2006

    • 著者名/発表者名
      Yan, H., Shiga, H., Ito, E., Nakagaki, T., Takagi, S., Ueda, T., Tsujii, K.
    • 雑誌名

      Colloid. Surf. A 284-285

      ページ: 115-119

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [雑誌論文] Super water-repellent surfaces with fractal structures and their potential application to biological studies."2006

    • 著者名/発表者名
      Yan, H., Shiga, H., Ito, E., Nakagaki, T., Takagi, S., Ueda, T., Tsujii, K.
    • 雑誌名

      Colloids and Surfaces A : Physicochem.Eng.Aspects 284- 285

      ページ: 490-494

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
  • [雑誌論文] Physarum solved -a biologically inspired method for road-network navigation-2006

    • 著者名/発表者名
      Tero, A., Kobayashi, R., Nakagaki, T.
    • 雑誌名

      Physica A, Vol. 363

      ページ: 115-119

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
  • [雑誌論文] Super Water-Repellent Surfaces with Fractal Structures and their Potential Application to Biological Studies2006

    • 著者名/発表者名
      Yan, H., Shiga, H., Ito, E., Nakagaki, T., Takagi, S., Ueda, T., Tsujii, K.
    • 雑誌名

      Colloid. Surf. A, Vol. 284-285

      ページ: 115-119

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
  • [雑誌論文] Coupled oscillator model with a conservation law in rhythmic amoeboid movements of plasmodial slime mold2005

    • 著者名/発表者名
      Tero, A., Kobayashi, R., Nakagaki, T
    • 雑誌名

      Physica D 205

      ページ: 125-135

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [雑誌論文] 粘菌のインテリジェンス : 巨大アメーバ細胞を活用した計算原理と情報統合機構の研究2005

    • 著者名/発表者名
      上田哲男
    • 雑誌名

      化学と生物 43

      ページ: 445-446

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [雑誌論文] あるアメーバ様生物の行動に見る賢さ-粘菌変形体のリズム性運動と編目体形-2005

    • 著者名/発表者名
      中垣 俊之
    • 雑誌名

      科学 75

      ページ: 1393-1395

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [雑誌論文] How does an amoeba tackle some geometrical puzzles?2005

    • 著者名/発表者名
      Nakagaki, T
    • 雑誌名

      Proc. SICE Ann. Conf.

      ページ: 3537-3542

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [雑誌論文] Coupled oscillator model with a conservation law in rhythmic amoeboid movements of plasmodial slime mold2005

    • 著者名/発表者名
      Tero, A., Kobayashi, R., Nakagaki, T.
    • 雑誌名

      Physica D. 205

      ページ: 125-135

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
  • [雑誌論文] How does an amoeba tackle some geometrical puzzles?2005

    • 著者名/発表者名
      Nakagaki, T.
    • 雑誌名

      Proc. SICE Ann. Conf.

      ページ: 3537-3542

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
  • [雑誌論文] Obtaining multiple separate food sources : behavioral intelligence in the Physarum2004

    • 著者名/発表者名
      Nakagaki, T., Kobayashi, R., Nishiura, Y., Ueda, T.
    • 雑誌名

      Proc. R. Soc. Lond. B 271

      ページ: 2305-2310

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [雑誌論文] Coupled oscillator model with a conservation law in rhythmic amoeboid movements of plasmodial slime mold2004

    • 著者名/発表者名
      Nakagaki, T., Yamada, H., Hara, M
    • 雑誌名

      Biophys. Chem. 107

      ページ: 125-135

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [雑誌論文] Obtaining multiple separate food sources : behavioral intelligence in the Physarum.2004

    • 著者名/発表者名
      Nakagaki, T., Kobayashi, R., Nishiura, Y., Ueda, T.
    • 雑誌名

      Proc. R. Soc. Lond B 271

      ページ: 2305-2310

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
  • [雑誌論文] Smart network solutions in an amoeboid organism2004

    • 著者名/発表者名
      Nakagaki, T., Yamada, H., Hara, M.
    • 雑誌名

      Biophys. Chem 107

      ページ: 1-5

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
  • [雑誌論文] Dispersion relation in oscillatory re action-diffusion systems with self-consistent flow in true slime mold

    • 著者名/発表者名
      Yamada, H., Nakagaki, T, Ruth E.Baker, Philip K.Maini
    • 雑誌名

      Journal of Mathematical Biology (to be published)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
  • [雑誌論文] Indecisive behavior of amoeba crossing an environmental barrier

    • 著者名/発表者名
      Takagi, S., Nishiura, Y., Nakagaki, T., Ueda, T., K.-I.Ueda
    • 雑誌名

      Proceeding of Topological Aspects of Critical Systems and Networks (to be published)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
  • [雑誌論文] Effects of amount of food on pathselection in the transport network of an amoeboid organism

    • 著者名/発表者名
      Nakagaki, T, Saigusa, T., Tero, A., Kobayashi, R.
    • 雑誌名

      Proceeding of Topological Aspects of Critical Systems and Networks, to be published (to be published)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
  • [図書] 「生物物理学ハンドブック」生物のパターン形成と情報機能 : 反応拡散カップリング2007

    • 著者名/発表者名
      上田哲男
    • 総ページ数
      3
    • 出版者
      朝倉書店
    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [図書] 「プラントミメティックスー-植物に学ぶ」粘菌の行動と形態形成 : パターンダイナミクスと情報創発2006

    • 著者名/発表者名
      上田哲男
    • 総ページ数
      8
    • 出版者
      株式会社 エヌ・ティー・エス
    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [図書] An intelligent slime mold : a self-organizing system of cell shape and information. In "Networks of Interacting Machines : production organization in complex industrial systems and biological cells"2005

    • 著者名/発表者名
      Ueda, T
    • 総ページ数
      26
    • 出版者
      World Scientific Publishing Co.
    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [図書] 「形の科学事典」粘菌細胞の変形 : サイズ制御とリズム発現に伴う細胞骨格の構築2004

    • 著者名/発表者名
      上田哲男
    • 総ページ数
      3
    • 出版者
      朝倉書店
    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [図書] 脳のフィジックス(脳機能と力学系)(長谷川建治・吉岡亨編集)2004

    • 著者名/発表者名
      上田哲男
    • 総ページ数
      38
    • 出版者
      共立出版
    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [図書] 形の科学百科事典(粘菌変形体の形と機能)(アメーバの形と機能)(形の科学会編集)2004

    • 著者名/発表者名
      中垣俊之
    • 総ページ数
      4
    • 出版者
      朝倉書店
    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [図書] かたちの事典(真正粘菌)(高木隆司編著)2003

    • 著者名/発表者名
      中垣俊之
    • 総ページ数
      2
    • 出版者
      丸善
    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [図書] Traffic and Granular Flow '01 "Oscillation patterns in cytoplasmic networks of the Physarum plasmodium" (edited by M. Fukui, Y. Sugiyama,M. Schreckenberg, D. E. Wolf)2003

    • 著者名/発表者名
      Yamada, H.
    • 総ページ数
      6
    • 出版者
      Springer-Verlag
    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より

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公開日: 2008-05-27  

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