2019 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)
武石 直樹 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (30787669)
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| Project Period (FY) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| Keywords | 脳・神経 / 発生・分化 / 細胞・組織 / 生物物理学 / 数理工学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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、時間と場に依存した脳発生制御機構を多細胞ダイナミクスに基づいて統合的に理解することを目的としている。そのため、分子・細胞・組織・器官レベルにおいて得られた個別の知見をコンピュータ内に集約し、それらを統合した脳発生シミュレーションプラットフォームの構築を進めている。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。
(A) ニューロンの放射状移動による大脳皮質形態形成の数理モデリング：時間依存的な細胞分裂により生まれたニューロン群の集団移動を記述する支配方程式を、細胞増殖に起因する組織の変形と成長を表現する連続体モデルに組み込み、能動的な細胞移動にともなう大脳皮質形態形成を表現するための数理モデルを構築した。本数理モデルに基づく１次元大脳皮質形態形成シミュレーションにより、リーリン存在下における正常なインサイドアウト様式の層形成と、その欠損にともなう層構造の逆転を再現した。
(B) 顆粒細胞の移動にともなう小脳のしわ発達機構の検討：上記(A)で構築した数理モデルを小脳の形態形成に応用し、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機構を検討した。小脳の形態形成におけるしわの伸長や分岐は、顆粒細胞が表層から深部に向かい、バーグマングリアに沿って移動することが関連していると考えられているが、その詳細な仕組みは未だ明らかでない。そこで、組織変形に依存した細胞移動により生じる組織の不均一な成長がしわの発達を促進させるという仮説を立て、連続体力学に基づく組織成長と細胞移動の連成数理モデルを用いたシミュレーションにより、その検証を行った。
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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、ニューロン移動における細胞間の力学的・生化学的相互作用を考慮した大脳皮質形態形成の数理モデルを完成させ、それに基づき、場に依存したニューロン群の集団移動が大脳皮質の形態形成に及ぼす影響を解析することができた。さらに、構築した数理モデルを小脳の形態形成に応用することにより、大脳皮質と小脳皮質とで特徴の異なるしわ構造が形成される要因を探るための基礎的検討を行うことができた。よって、本研究はおおむね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに構築したニューロンの分裂・増殖、分化、移動などの数理モデルを統合し、時間と場の連携的な制御機構を組み込んだ脳発生シミュレーションプラットフォームの完成を目指す。本モデルに基づき、大脳皮質の形態形成過程において、脳深層部で時間依存的に分裂・増殖したニューロンが分化しながら表層部へと移動し、秩序ある層構造を形成する過程を再現するとともに、時間と場の連携的な細胞制御が、ロバストな大脳皮質形態形成を実現する機構を探る。さらに、構築した脳発生シミュレーションプラットフォームを小脳の形態形成へと応用展開し、大脳皮質と小脳皮質とでしわが形成される共通メカニズムを調べることにより、両者のしわ構造の違いを生み出す主たる要因を探る。
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