TAKAMATSU, Atsuko

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Affiliation

Faculty of Science and Engineering, School of Advanced Science and Engineering

Job title

Professor

Homepage URL

http://www.f.waseda.jp/atsuko_ta/index.html

Concurrent Post 【 display / non-display

  • Faculty of Science and Engineering   Graduate School of Advanced Science and Engineering

  • Affiliated organization   Global Education Center

Research Institute 【 display / non-display

  • 2020
    -
    2022

    理工学術院総合研究所   兼任研究員

Education 【 display / non-display

  •  
    -
    1997

    Tokyo Institute of Technology   Others   Bioscience  

Degree 【 display / non-display

  • 東京工業大学   博士(理学)

Professional Memberships 【 display / non-display

  •  
     
     

    日本数理生物学会

  •  
     
     

    日本物理学会

  •  
     
     

    日本生物物理学会

 

Research Areas 【 display / non-display

  • Biophysics, chemical physics and soft matter physics

  • Intelligent informatics

  • Biophysics

Research Interests 【 display / non-display

  • 非線形

  • 集団

  • シアノバクテリア

  • 複雑系の生命科学

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Papers 【 display / non-display

  • 【細胞競合による生体制御とがん】細胞競合の力学・動態・数理 細胞競合の数理モデル 組織の運命を決めるものとは?

    西川 星也, 高松 敦子

    医学のあゆみ   274 ( 5 ) 545 - 550  2020.08

     View Summary

    細胞競合において、変異細胞は隣接した正常細胞によって排除される。初期に正常組織内へと導入された変異細胞は、多くの場合、完成した組織から駆逐される。しかし近年、初期に変異細胞が大規模に導入されることで、正常細胞による排除を受けながらも変異細胞がその数を増加させる場合があることが発見された。ここで、細胞競合を経た組織において、変異細胞が完全に駆逐されるか、それとも変異細胞が組織内で勢力を伸ばしてしまうのかという"組織の運命"が細胞のどのような性質によって決定されるのかが、発生過程において非常に重要な問題となる。そのため本稿では、ポピュレーションモデルに基づき細胞数の変化を記述する数理モデルを構築することで、この問題に取り組んだ、その結果、組織の運命を決定しているのは正常細胞と変異細胞が単独で組織を構成した場合に形成する組織サイズの比と、変異細胞の排除率と増殖率の比であることを数学的に明らかにした。(著者抄録)

  • Diversity in self-organized forms and migration modes in isolated epithelial cells

    Shota Mise, Shimon Shibagaki, Seiya Nishikawa, Hiroko Nakamura, Hiroshi Kimura, Atsuko Takamatsu

    Artificial Life and Robotics    2020

     View Summary

    © 2020, International Society of Artificial Life and Robotics (ISAROB). It is widely believed that cells, derived from different species or different cell lines, behave differently. However, this study reports that a variety of forms and migration modes in isolated epithelial cells of Madin–Darby Canine Kidney type were observed, although the cells were taken from the same cell line and the experimental conditions were kept constant. To understand the diverse formation processes in such cell behavior, a simple mathematical model, namely the particle-fiber model, was constructed. In this model, a single cell is assumed to be composed of a multiple of particles, interconnected by stress fibers. The particles mimic focal adhesion biding to a substrate. The stress fibers mimic a cytoskeleton, that plays an important role in maintaining the shape and the movement of the cell. Here, a growth process was introduced, which varied the size of the particles and the thickness of the fibers in dependence on the forces exerted on the particles. Simulation of the results showed that various cell shapes can be self-organized even if the parameters, which describe cell properties and their interactions with environment, were kept constant.

    DOI

  • Effects of cell death-induced proliferation on a cell competition system

    Seiya Nishikawa, Atsuko Takamatsu

    Mathematical Biosciences   316   108241  2019.10  [Refereed]

    DOI

  • Asymmetry in cilia configuration induces hydrodynamic phase locking

    Keiji Okumura, Seiya Nishikawa, Toshihiro Omori, Takuji Ishikawa, Atsuko Takamatsu

    Physical Review E   97 ( 3 ) 032411  2018.03  [Refereed]

     View Summary

    To gain insight into the nature of biological synchronization at the microscopic scale, we here investigate the hydrodynamic synchronization between conically rotating objects termed nodal cilia. A mechanical model of three rotating cilia is proposed with consideration of variation in their shapes and geometrical arrangement. We conduct numerical estimations of both near-field and far-field hydrodynamic interactions, and we apply a conventional averaging method for weakly coupled oscillators. In the nonidentical case, the three cilia showed stable locked-phase differences around ±π/2. However, such phase locking also occurred with three identical cilia when allocated in a triangle except for the equilateral triangle. The effects of inhomogeneity in cilia shapes and geometrical arrangement on such asymmetric interaction is discussed to understand the role of biological variation in synchronization via hydrodynamic interactions.

    DOI PubMed

  • 細胞競合の勝敗を規定する組織環境条件の遺伝学および数理学的解析

    片山 宰, 西川 星也, 大澤 志津江, 高松 敦子, 井垣 達吏

    生命科学系学会合同年次大会   2017年度   [3PT19 - 0392)]  2017.12

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Books and Other Publications 【 display / non-display

  • 対称性の破れとパターン形成の数理 The symmetry perspective

    マーチン・ゴルビツキー, イアン・スチュワート 著, 田中玲子, 山田裕康, 高松敦子, 中垣俊之

    丸善  2003

  • Construction of a living coupled oscillator system of plasmodial slime mold by a microfabricated structure Chap. 1.2 in Sensors Update

    Takamatsu, A, Fujii, T

    Wiley-VCH, Weinheim  2002

Misc 【 display / non-display

  • Perspective of cell competition using mathematical models : an agent-based model for cell competition

    西川 星也, 高松 敦子

    生体の科学   67 ( 2 ) 155 - 158  2016.03

    CiNii

  • Phase locking due to asymmetric arrangement in a model of three identical cilia

    Okumura K, Nishikawa S, Omori T, Ishikawa T, Takamatsu A

    Meeting Abstracts of the Physical Society of Japan   71 ( 0 ) 2782 - 2782  2016

     View Summary

    <p>マウス胚のノード繊毛は時計回りの回転運動をする。少数繊毛系等でこの回転運動が位相同期することが観測されている。我々は繊毛間の流体的な相互作用を境界要素法により数値的に求め、振動子モデルとして繊毛間の位相差を位相縮約法により解析した。本発表では同質な繊毛パラメータの場合、2繊毛系では位相同期が起こらない一方、3繊毛系では繊毛の空間的な配置の非対称性により位相同期が起こることを報告する。</p>

    CiNii

  • 22pBL-8 Synchronized oscillation in a model of three nodal cilia with hydrodynamic interaction

    Okumura K, Nishikawa S, Omori T, Ishikawa T, Takamatsu A

    Meeting Abstracts of the Physical Society of Japan   70 ( 0 )  2015

    CiNii

  • 16pCX-1 Parameter dependence on synchronization in a model of two nodal cilia

    Okumura K, Nishikawa S, Omori T, Ishikawa T, Takamatsu A

    Meeting Abstracts of the Physical Society of Japan   70 ( 0 )  2015

    CiNii

  • 粘菌アルゴリズムを用いた首都圏鉄道網の輸送量最適化

    渡邊晋, 手老篤史, 高松敦子, 中垣俊之

    日本数理生物学会大会講演要旨集   20th   55  2010

    J-GLOBAL

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Research Projects 【 display / non-display

  • 運動性シアノバクテリア集団の細胞間相互作用と動的パターン形成

    新学術領域研究(研究領域提案型)

  • 生きた結合振動子システムによる生物の非線形振動子集団のダイナミクスの研究

    奨励研究(A)

  • Control of switching behavior among multiple attractors in biological coupled oscillator systems.

  • 真正粘菌のネットワーク幾何と生物としての機能発現

    特定領域研究

  • 真正粘菌変形体の環境依存の動的ネットワーク形成による適応行動と機能創発

    特定領域研究

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Specific Research 【 display / non-display

  • 真正粘菌変形体輸送管ネットワークのスケール則

    2020  

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    真正粘菌変形体は、多核の巨大単細胞生物であり、その巨大な細胞体を維持するために、輸送管ネットワークを形成しタンパク質、栄養分、酸素などを身体中に運搬する。申請者のこれまでの研究で、様々なサイズの粘菌について通常環境で酸素消費量を計測した結果、大きいサイズの領域では、ほぼ(酸素消費量)∝(サイズ)^αのスケール則に従う(α<1)ことを見出している。ところが、小さいサイズの粘菌では、この法則には従わない。そこで本研究では、Westらの理論を応用し、粘菌がゾル部分とゲル部分で構成されることに着目し、不連続なスケール則が実現できることを確かめた。

  • 真正粘菌変形体細胞形状のスケール則

    2019  

     View Summary

    真正粘菌変形体は、多核の巨大単細胞生物であり、その巨大な細胞体を維持するために、輸送管ネットワークを形成しタンパク質、栄養分、酸素などを身体中に運搬する。申請者のこれまでの研究で、様々なサイズの粘菌について通常環境で酸素消費量を計測した結果、大きいサイズの領域では、ほぼ(酸素消費量)∝(サイズ)^αのスケール則に従う(α<1)ことを見出している。ところが、小さいサイズの粘菌では、この法則には従わない。そこで本研究では、スケール則から外れる臨界点前の粘菌形状を調べた。その結果、粘菌のサイズに応じてネットワークの分岐の深さが大きく異なることがわかった。さらに、Westらの理論を応用し、スケール則転移が階層性の深さだけで説明できるか検討した。

  • 脊椎動物における体節パターン形成の数理モデル構築

    2005  

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    マウス、ニワトリ、ゼブラフィッシュなどの脊椎動物の発生過程における体節形成には、胚の前後軸に沿って配列した未分節中胚葉(Presomitic mesodoerm; PMS)と呼ばれる細胞群で30~90分周期で発現する時計遺伝子群が大きく係わっていることが近年明らかにされてきた。これら細胞群の尾部側では全体が同期した周期的振動が見られるが、頭部に向かってこの振動の波が伝搬していく領域があり、やがでこの波は先端で静止し定在波となり、その部分で分節がおこり体節が順次形成されていく。 この特定課題では、尾部で発生した時計遺伝子群の時間的振動がどのようにして体節という空間周期構造を形成するのかについて数理的考察を行うことが研究目的であった。 反応拡散モデルという系では、パラメータに依存して、振動場、伝搬場、定在波場が形成されることが知られている。一方、ゼブラフィッシュでは尾部から頭部に向かってFGF(繊維芽細胞成長因子)活性が勾配を形成していることが知られているので、この事実に基づき反応拡散モデルにおいてパラメータの空間的勾配を設定した。その結果、ゼブラフィッシュやニワトリ胚に見られるような時計遺伝子群発現の時空間パターンを再現することに成功した。 次の段階として、時計遺伝子の周期的発現について構築された分子反応に基づいたモデルにNotch-Deltaによる細胞間相互作用を導入することで、結合振動子系としてのモデルを構築し解析を行っている。

  • 生物振動子系における時空間パターンの遷移現象の解析

    2004  

     View Summary

    生物系はそのまま観察したのでは複雑である。近年の複雑系の科学または数理生物学の発達により、複雑な振る舞いをする生物系についても数理的な考察が可能となってきた。生物系の数理的な扱い方には、大きく2つの流れがある。1つは、系や現象に特化したリアルな数理モデルを用いる方法であり、もう1つは、汎用的でシンプルな数理モデルを用いる方法である。後者は、生命現象について一般的な理解を深めるには重要な手法であるが、単純すぎるが故に、実験系における結果との比較が困難であった。そこで、逆に、生きたままの生物系を単純な要素にいったん分解し、システムとして人工的に再構築した上で、システマティックな観察を行える系を構築すれば、シンプルな数理モデルによる解析結果でも、直接的な比較が可能となる。研究代表者はこれまで、真正粘菌変形体という生きた細胞の形を、マイクロ加工技術を用いて制御し、細胞の要素間の相互作用などのパラメータを系統的に制御できる実験系を構築してきた。真正粘菌は振動性の細胞であり、細胞の部分と部分をつなぐチューブ構造のサイズを制御することにより相互作用を制御できる。その条件下で、振動の時空間パターンの観察・解析をおこなってきた。その結果、相互作用強度(パラメータ)に従い、結合振動子系と呼ばれるシンプルなモデルから予想される時空間パターンを得た。しかし、(1)1つの固定されたパラメータに対し複数の時空間パターンを得られること、(2)それらの複数の時空間パターン間を自発的に遷移するという、シンプルなモデルだけでは記述できない現象が見いだされた。この研究では、その結果をさらに発展させ、各相互作用強度毎に現れる振動パターンとその頻度、遷移規則を詳細に調べた。その結果、出現パターンの出現頻度には相互作用強度依存性があり、それに伴いパターン間の遷移確率も変化することがわかった。このような自発的に状態間を遷移する現象は、カオス的遍歴やヘテロクリニックサイクル、巡回カオスなどによって生じると理論的には予想されている。しかし、この分野の理論的解析は近年始まったばかりであり、体系化されているわけではない。この研究で観察された実験解析結果を新しい数理モデル構築へフィードバックするための検討を引き続き行う予定である。

 

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