2021 Fiscal Year Research-status Report
理論と実験の協働による時空間リズムダイナミクス研究の新手法の開拓
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20K20520
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
國府 寛司 京都大学, 理学研究科, 教授 (50202057)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高橋 淑子 京都大学, 理学研究科, 教授 (10183857)
青柳 富誌生 京都大学, 情報学研究科, 教授 (90252486)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2024-03-31
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| Keywords | 力学系 / リズム / 時空間ダイナミクス / データ駆動 / モデルフリー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
[時空間ダイナミクスの全構造計算法] 昨年度に引き続き、遺伝子制御ネットワークの数理モデルであるSwitching 系のダイナミクス全構造計算法の研究を進めた。また、リザバー計算と呼ばれる機械学習法による時系列データからのダイナミクス推定が成功する数学的メカニズムの研究も継続した。
[普遍位相振動子結合系の時空間相互作用の推定] リミットサイクル振動が相互作用していると考えられる系の時系列データから、結合振動子モデルの存在だけを仮定し、その相互作用を推定するための理論的研究を更に進めた。①前年度のガウス過程回帰による相互作用関数推定手法を用いてカエルの鳴き声データの解析を行った。②複数の集団としてリズム生成する多自由度力学系の個別の素子の一部の変数や平均場などの部分的観測データから、集団間の実効的相互作用を抽出する検証を行った。③強い周期性を示すカオスに関して、振幅方向の不変測度による平均を用いた近似的位相縮約理論を構築した。また、その際に導出される位相の相互作用関数を上述の時系列解析で推定して、理論との一致を確認した。実験条件下では「リミットサイクル解＋ノイズ」と「周期性の強いカオス」の区別は困難だが、仮に後者の場合でも推定した相互作用関数理論に立脚した結果であることを保証する重要な成果である。
[時空間リズムダイナミクスの実験的研究] ニワトリ胚の腸由来細胞を用いた腸収縮オーガノイド作製法の最適化を進めた。また腸収縮オーガノイドへの遺伝子導入法について、エレクトロポレーション法とRCASウィルス法の両方とも効果的であることがわかった。細胞内のCa2＋を可視化するGCaMP遺伝子を導入したところ、オーガノイド内におけるCa2＋振動パターンが認められた。オーガノイド内のカハール介在細胞におけるCa２＋振動にも注目し、青柳班の振動子ネットワーク解析に向けてデータを収集中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
新型コロナウィルスパンデミックのため、研究活動への制約は依然として大きく、当初の予定の遅れは完全に取り戻せているとはいえない。予定していた海外学会への参加はできていないが、オンラインでの学会参加や関連研究者との研究打合せは進めており、特に理論研究においては徐々に研究活動を加速してきている。
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| Strategy for Future Research Activity |
時空間ダイナミクスの全構造計算については、特にリザバー計算で学習が成功した場合のリザバー相空間構造の解明を目標とする。位相振動子結合系の時空間相互作用の推定については、ネットワークとしての2体相互作用を推定するこれまでの手法を拡充して、時空間の現象に対してデー タ駆動型で偏微分方程式を導出する手法の開発と数値実験による実証を行う。これらを統合することで、直感的に数理モデルを構築するのが難しい腸の蠕動運動などの生物の実験データに適用し、データ駆動型の時空間ダイナミクス研究の基盤構築を行うことを目指す。
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| Causes of Carryover |
繰り越しの経費が大幅に大きかったのは、新型コロナウィルス感染拡大が想定よりも長期に及び、特に情報収集や学会の開催に関係する出張費が執行できなかったことによる。また、実験系の研究においても感染拡大状況が悪化した時には支障が出たこともその要因にある。
コロナ禍での研究活動の維持にも一定の見通しが立ち、遠隔で議論や共同研究をするための方法も確立しつつあるので、次年度はそれらに基づいて研究活動を進めることができると考えている。特に感染拡大への対応が安定してくることを想定して、学会等で成果を発表する経費にも積極的に使用する予定である。
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