| 研究課題/領域番号 |
19K12140
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| 研究機関 | 琉球大学 |
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研究代表者 |
國田 樹 琉球大学, 工学部, 助教 (20645478)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 行動変容能 / 学習記憶能 / 環境適応能 / 単細胞生物 / ゾウリムシ / 膜電位動態 / 数理モデル / Hodgkin-Huxleyモデル |
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| 研究実績の概要 |
本研究は，自律的に移動可能なマイクロロボットの行動設計への応用を目指し，自然が創り出したマイクロロボットである単細胞生物の行動のしくみを明らかにすることを目的としている．具体的には，単細胞生物ゾウリムシの学習能をターゲットに，その学習能が高等生物と比較してどのくらいのレベルか，どのような細胞機能に基づいて実現されているかを生物実験と数理モデルの両面から明らかにしようとするものである．
その実現のために研究を3段階に分けて遂行している．第1段階は，ゾウリムシが通常の生活空間とは異なる形状の空間におかれたとき，空間形状に適した運動を試行錯誤的に獲得する行動変容能(学習能)を持つことを実験的に示す段階である．第2段階は，その行動変容が短期的に記憶できることを実験的に示す段階である．第3段階は，それら学習能および短期記憶能をゾウリムシの行動を制御する膜電気動態に基づいて数理モデルで表現する段階である．2019年度までに，上述の第1段階および第2段階の基礎となる実験的研究を終えていた．
2020年度は，第3段階のゾウリムシの行動モデルの構築を遂行した．これは実験で観察されるゾウリムシの行動と数理モデルのシミュレーション実験で得られるゾウリムシの行動とを対応付けることによって，現段階で得られている実験結果の妥当性や数理モデルの妥当性の全体像を把握する目的である．具体的には，ゾウリムシの膜電気動態を運動に変換するしくみを導入し，ゾウリムシの物理化学的な挙動から力学的な応答までを繋ぐモデルを構築した．構築したモデルの各種パラメータについて様々な値でシミュレーション実験を行い，特定のパラメータ条件で実験で得られたゾウリムシの力学刺激応答を再現することができた．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
実験結果を再現し得る数理モデルの基盤を構築できた．本研究プロジェクトでは，力学刺激と化学刺激の2つの種類の刺激が同時に存在する系を想定している．このうち力学刺激応答部分の数理モデルについて，ゾウリムシの内部状態から運動に変換するしくみを導入した数理モデルを構築した．この研究成果を第21回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会で発表した．研究期間の半分を終えた段階で実験と数理モデルの両方について成果の目途が立っており，概ね当初の計画通りに進行していると考える．
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| 今後の研究の推進方策 |
2021年度は，現段階で得られている結果に基づいて論文執筆にとりかかる．論文執筆を進めながら，論文完成のために必要な実験および数理モデルを中心に研究を遂行する．具体的には，ゾウリムシの行動に影響を与え得る化学物質を含む溶液条件下でのゾウリムシの行動変容を観察し，ゾウリムシの行動変容が生じるまでの時間や，行動変容の態様，行動変容の維持時間などに対する影響を実験的に検証する．また，数理モデルを2次元的な運動から3次元的な運動を再現できるモデルに改変するとともに，化学刺激応答にも対応できるように改変する．これらの研究成果を生物物理系もしくは数理生物学系の国内学会で発表する．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
2020年度は，COVID-19感染症拡大の影響により支出予定の旅費が不要となった．具体的には，学会が中止もしくはオンライン開催となったこと，国内研究者との打ち合わせをオンライン実施に切り替えたことが直接的な理由である．数理モデルの数値シミュレーションをより推進するためのデスクトップPCの購入，もしくは実験をより推進するための実験消耗品の購入を計画している．
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