2016 Fiscal Year Annual Research Report
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
| Project Area | Interplay of developmental clock and extracellular environment in brain formation |
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| Project/Area Number |
16H06486
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
安達 泰治 京都大学, ウイルス・再生医科学研究所, 教授 (40243323)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
亀尾 佳貴 京都大学, ウイルス・再生医科学研究所, 助教 (60611431)
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| Project Period (FY) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| Keywords | 生物物理 / 脳・神経 / 発生・分化 / 細胞・組織 / 数理工学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
脳発生の自律的な進行には、発生時計（時間）による細胞内因的な制御と細胞外環境（場）による細胞外因的な制御が重要な役割を果たしている。本研究では、現象の数理モデル化とシミュレーションを駆使し、時間と場の連携による脳発生制御機構を明らかにすることを目的としている。まず、本新学術領域内のグループ横断的な立場から、細胞内外における発生時間制御に関する個別の実験的知見を統合した脳発生の数理モデルを構築する。次に、本モデルに基づくシミュレーションにより、大脳皮質の発生過程を再現し、その過程における多細胞動態や分子機構に関する実験仮説の検証を行う。さらに、数値実験により、脳発生に重要な未知の分子機構を予測し、その知見を実験研究にフィードバックすることで新たな制御・検証実験を提案する。以上の研究を通じて、発生学と時間生物学とを融合した「発生時間生物学」のための実験・数理統合基盤を構築することを目指している。以下に、本年度中の主な研究実施内容と得られた成果をまとめる。
１．細胞外基質への細胞接着と細胞核運動の数理モデル構築：脳発生過程において、細胞外環境がニューロン移動に及ぼす影響を調べるための第一段階として、細胞骨格の動的な構造変化により制御される細胞接着と細胞核運動の基礎的数理モデルを構築した。
２．細胞間相互作用による細胞パターン形成の数理モデル構築：大脳皮質の精緻な層構造に代表されるような、形態・機能の異なるニューロンの組織化された多細胞動態を再現するため、細胞間相互作用による細胞パターン形成過程を数理モデルとして表現した。
３．細胞の増殖と収縮による形態形成の連続体モデル構築：ニューロンの細胞活動に基づいて大脳皮質の発生過程をコンピュータ上で再現するため、細胞活動の基本要素である増殖と収縮を考慮した形態形成の連続体力学モデルを提案し、非線形有限要素シミュレーションによる検証を行った。
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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
当初の計画通り、脳発生制御機構の全体像を理解する上で重要となるマルチスケールな観点から、細胞、組織、器官レベルにおいて基礎的な数理モデルを構築することができた。本新学術領域において共有される「脳構築における発生時計と場の連携」現象について、領域内において進められている実験的研究について、各研究グループと議論を行い、細胞一個体内外の相互作用、細胞間の相互作用、また、多細胞組織の連続体場との相互作用など、力学・生化学的な連成現象を抽出することができた。さらに、それらに基づいた数理モデルの基盤を構築することができたことから、本研究はおおむね順調に進展しているものと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は、主に細胞外環境（場）の影響に着目し、脳発生現象の数理モデル化を実施してきた。今後の研究では、発生過程において経時的に変化する場の影響を考慮することで構築した数理モデルを拡張し、多細胞中のニューロン移動や大脳皮質層構造の形成、さらには大脳形態形成の数理モデリングへと展開する予定である。これにより、時間と場の連携的な制御機構を組み込んだ脳発生の数理モデリング・シミュレーション基盤の構築を目指す。
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