2022/10/01 更新

写真a

タカマツ アツコ
高松 敦子
所属
理工学術院 先進理工学部
職名
教授

兼担

  • 理工学術院   大学院先進理工学研究科

  • 附属機関・学校   グローバルエデュケーションセンター

学内研究所等

  • 2020年
    -
    2022年

    理工学術院総合研究所   兼任研究員

学歴

  •  
    -
    1997年

    東京工業大学   生命理工学研究科   バイオサイエンス専攻  

学位

  • 東京工業大学   博士(理学)

所属学協会

  •  
     
     

    日本数理生物学会

  •  
     
     

    日本物理学会

  •  
     
     

    日本生物物理学会

 

研究分野

  • 生物物理、化学物理、ソフトマターの物理

  • 生物物理学

  • 知能情報学

研究キーワード

  • 非線形

  • 集団

  • シアノバクテリア

  • 複雑系の生命科学

  • 非平衡

  • 真正粘菌

  • パターン形成

  • リズム

  • 結合振動子系

  • 生物物理学

  • 数理生物学

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論文

  • 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   25 ( 4 ) 523 - 528  2020年  [査読有り]  [招待有り]

    担当区分:責任著者

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    © 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

  • Mathematical model for cell competition: Predator-prey interactions at the interface between two groups of cells in monolayer tissue

    Seiya Nishikawa, Atsuko Takamatsu, Shizue Ohsawa, Tatsushi Igaki

    JOURNAL OF THEORETICAL BIOLOGY   404   40 - 50  2016年09月  [査読有り]

    担当区分:責任著者

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    The phenomenon of 'cell competition' has been implicated in the normal development and maintenance of organs, such as in the regulation of organ size and suppression of neoplastic development. In cell competition, one group of cells competes with another group through an interaction at their interface. Which cell group "wins" is governed by a certain relative fitness within the cells. However, this idea of cellular fitness has not been clearly defined. We construct two types of mathematical models to describe this phenomenon of cell competition by considering the interaction at the interface as a predator-prey type interaction in a monolayer tissue such as epithelium. Both of these models can reproduce several typical experimental observations involving systems of mutant cells (losers) and normal cells (winners). By analyzing one of the model and defining an index for the degree of fitness in groups of cells, we show that the fate of each group mainly depends on the relative carrying capacities of certain resources and the strength of the predator-prey interaction at the interface. This contradicts the classical hypothesis in which the relative proliferation rate determines the winner. (C) 2016 Elsevier Ltd. All rights reserved.

    DOI PubMed

  • Hydrodynamic Phase Locking in Mouse Node Cilia

    Atsuko Takamatsu, Kyosuke Shinohara, Takuji Ishikawa, Hiroshi Hamada

    PHYSICAL REVIEW LETTERS   110 ( 24 ) 248107  2013年06月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者, 責任著者

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    Rotational movement of mouse node cilia generates leftward fluid flow in the node cavity, playing an important role in left-right determination in the embryo. Although rotation of numerous cilia was believed necessary to trigger the determination, recent reports indicate the action of two cilia to be sufficient. We examine cooperative cilia movement via hydrodynamic interaction. Results show cilia to be cooperative, having phases locked in a certain relation; a system with a pair of nonidentical cilia can achieve phase-locked states more easily than one with a pair of identical cilia.

    DOI PubMed

  • Asymmetric rotational stroke in mouse node cilia during left-right determination

    Atsuko Takamatsu, Takuji Ishikawa, Kyosuke Shinohara, Hiroshi Hamada

    Physical Review E - Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics   87 ( 5 ) 050701  2013年05月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者, 責任著者

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    Rotational movement of isolated single cilia in mice embryo was investigated, which generates leftward fluid flow in the node cavity and plays an important role in left-right determination. The leftward unidirectional flow results from tilting of the rotational axis of the cilium to the posterior side. By combining computational fluid dynamics with experimental observations, we demonstrate that the leftward stroke can be more effective than expected for cases in which cilia tilting alone is considered with the no-slip condition under constant driving torque. Our results suggest that the driving torque is asymmetric. © 2013 American Physical Society.

    DOI PubMed

  • Two rotating cilia in the node cavity are sufficient to break left-right symmetry in the mouse embryo

    Kyosuke Shinohara, Aiko Kawasumi, Atsuko Takamatsu, Satoko Yoshiba, Yanick Botilde, Noboru Motoyama, Walter Reith, Benedicte Durand, Hidetaka Shiratori, Hiroshi Hamada

    NATURE COMMUNICATIONS   3   622  2012年01月  [査読有り]

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    Determination of left-right asymmetry in mouse embryos is achieved by a leftward fluid flow (nodal flow) in the node cavity that is generated by clockwise rotational movement of 200-300 cilia in the node. The precise action of nodal flow and how much flow input is required for the robust read-out of left-right determination remains unknown. Here we show that a local leftward flow generated by as few as two rotating cilia is sufficient to break left-right symmetry. Quantitative analysis of fluid flow and ciliary rotation in the node of mouse embryos shows that left-right asymmetry is already established within a few hours after the onset of rotation by a subset of nodal cilia. Examination of various ciliary mutant mice shows that two rotating cilia are sufficient to initiate left-right asymmetric gene expression. Our results suggest the existence of a highly sensitive system in the node that is able to sense an extremely weak unidirectional flow, and may favour a model in which the flow is sensed as a mechanical force.

    DOI PubMed

  • Characterization of Adaptation by Morphology in a Planar Biological Network of Plasmodial Slime Mold

    Masateru Ito, Riki Okamoto, Atsuko Takamatsu

    JOURNAL OF THE PHYSICAL SOCIETY OF JAPAN   80 ( 7 )  2011年07月  [査読有り]

    担当区分:責任著者

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    Growth processes of a planar biological network of plasmodium of a true slime mold, Physarum polycephalum, were analyzed quantitatively. The plasmodium forms a transportation network through which protoplasm conveys nutrients, oxygen, and cellular organelles similarly to blood in a mammalian vascular network. To analyze the network structure, vertices were defined at tube bifurcation points. Then edges were defined for the tubes connecting both end vertices. Morphological analysis was attempted along with conventional topological analysis, revealing that the growth process of the plasmodial network structure depends on environmental conditions. In an attractive condition, the network is a polygonal lattice with more than six edges per vertex at the early stage and the hexagonal lattice at a later stage. Through all growing stages, the tube structure was not highly developed but an unstructured protoplasmic thin sheet was dominantly formed. The network size is small. In contrast, in the repulsive condition, the network is a mixture of polygonal lattice and tree-graph. More specifically, the polygonal lattice has more than six edges per vertex in the early stage, then a tree-graph structure is added to the lattice network at a later stage. The thick tube structure was highly developed. The network size, in the meaning of Euclidean distance but not topological one, grows considerably. Finally, the biological meaning of the environment-dependent network structure in the plasmodium is discussed.

    DOI

  • Environment-dependent morphology in plasmodium of true slime mold Physarum polycephalum and a network growth model

    Atsuko Takamatsu, Eri Takaba, Ginjiro Takizawa

    JOURNAL OF THEORETICAL BIOLOGY   256 ( 1 ) 29 - 44  2009年01月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者, 責任著者

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    Branching network growth patterns, depending on environmental conditions. in plasmodium of true slime mold Physarum polycephalum were investigated. Surprisingly, the patterns resemble those in bacterial colonies even though the biological mechanisms differ greatly. Bacterial colonies are collectives of microorganisms in which individual organisms have motility and interact through nutritious and chemical fields. In contrast, the plasmodium is a giant amoeba-like multinucleated unicellular organism that forms a network of tubular structures through which protoplasm streams. The cell motility of the plasmodium is generated by oscillation phenomena observed in the partial bodies, which interact through the tubular structures. First, we analyze characteristics of the morphology quantitatively, then we abstract local rules governing the growing process to construct a simple network growth model. This model is independent of specific systems, in which only two rules are applied. Finally, we discuss the mechanism of commonly observed biological pattern formations through comparison with the system of bacterial colonies. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

    DOI

  • Spontaneous switching among multiple spatio-temporal patterns in three-oscillator systems constructed with oscillatory cells of true slime mold

    Atsuko Takamatsu

    PHYSICA D-NONLINEAR PHENOMENA   223 ( 2 ) 180 - 188  2006年11月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者, 責任著者

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    Three-oscillator systems with plasmodia of true slime mold, Physarum polycephalum, which is an oscillatory amoeba-like unicellular organism, were experimentally constructed and their spatio-temporal patterns were investigated. Three typical spatio-temporal patterns were found: rotation (R), partial in-phase (PI), and partial anti-phase with double frequency (PA). In pattern R, phase differences between adjacent oscillators were almost 120 degrees. In pattern PI, two oscillators were in-phase and the third oscillator showed anti-phase against the two oscillators. In pattern PA, two oscillators showed anti-phase and the third oscillator showed frequency doubling oscillation with small amplitude. Actually each pattern is not perfectly stable but quasi-stable. Interestingly, the system shows spontaneous switching among the multiple quasi-stable patterns. Statistical analyses revealed a characteristic in the residence time of each pattern: the histograms seem to have Gamma-like distribution form but with a sharp peak and a tail on the side of long period. That suggests the attractor of this system has complex structure composed of at least three types of sub-attractors: a "Gamma attractor"-involved with several Poisson processes, a "deterministic attractor"-the residence time is deterministic, and a "stable attractor"-each pattern is stable. When the coupling strength was small, only the Gamma attractor was observed and switching behavior among patterns R, PI, and PA almost always via an asynchronous pattern named O. A conjecture is as follows: Internal/external noise exposes each pattern of R, PI, and PA coexisting around bifurcation points: That is observed as the Gamma attractor. As coupling strength increases, the deterministic attractor appears then followed by the stable attractor, always accompanied with the Gamma attractor. Switching behavior could be caused by regular existence of the Gamma attractor. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

    DOI

  • Hidden symmetry in chains of biological coupled oscillators

    A Takamatsu, R Tanaka, T Fujii

    PHYSICAL REVIEW LETTERS   92 ( 22 ) 228102  2004年06月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者, 責任著者

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    We experimentally investigated spatiotemporal patterns in chains of coupled biological oscillators with boundaries and found hidden symmetric patterns that are not straightforwardly derived from explicit geometrical symmetry of the systems. We propose a model of coupled oscillators in chains with a hidden oscillator interconnecting its boundaries. The model can explain all observed patterns including the hidden symmetric ones, while other models such as discrete analogs of Neumann boundary conditions in continuous systems cannot.

    DOI

  • Spatiotemporal symmetry in rings of coupled biological oscillators of Physarum plasmodial slime mold

    A Takamatsu, R Tanaka, H Yamada, T Nakagaki, T Fujii, Endo, I

    PHYSICAL REVIEW LETTERS   87 ( 7 ) 78102  2001年08月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者, 責任著者

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    Spatiotemporal patterns in rings of coupled biological oscillators of the plasmodial slime mold, Physarum polycephalum, were investigated by comparing with results analyzed by the symmetric Hopf bifurcation theory based on group theory. In three-, four-, and five-oscillator systems, all types of oscillation modes predicted by the theory were observed including a novel oscillation mode, a half period oscillation, which has not been reported anywhere in practical systems. Our results support the effectiveness of the symmetric Hopf bifurcation theory in practical systems.

    DOI

  • Time delay effect in a living coupled oscillator system with the plasmodium of Physarum polycephalum

    A Takamatsu, T Fujii, Endo, I

    PHYSICAL REVIEW LETTERS   85 ( 9 ) 2026 - 2029  2000年08月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者, 責任著者

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    A living coupled oscillator system was constructed by a cell patterning method with a plasmodial slime mold, in which parameters such as coupling strength and distance between the oscillators can be systematically controlled. Rich oscillation phenomena between the two-coupled oscillators, namely, desynchronizing and antiphase/in-phase synchronization were observed according to these parameters. Both experimental and theoretical approaches showed that these phenomena are closely related to the time delay effect in interactions between the oscillators.

    DOI

  • Scattered migrating colony formation in the filamentous cyanobacterium, Pseudanabaena sp. NIES-4403

    Hiroki Yamamoto, Yuki Fukasawa, Yu Shoji, Shumpei Hisamoto, Tomohiro Kikuchi, Atsuko Takamatsu, Hideo Iwasaki

    BMC Microbiology   21 ( 1 )  2021年12月  [査読有り]

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    Background: Bacteria have been reported to exhibit complicated morphological colony patterns on solid media, depending on intracellular, and extracellular factors such as motility, cell propagation, and cell-cell interaction. We isolated the filamentous cyanobacterium, Pseudanabaena sp. NIES-4403 (Pseudanabaena, hereafter), that forms scattered (discrete) migrating colonies on solid media. While the scattered colony pattern has been observed in some bacterial species, the mechanism underlying such a pattern still remains obscure. Results: We studied the morphology of Pseudanabaena migrating collectively and found that this species forms randomly scattered clusters varying in size and further consists of a mixture of comet-like wandering clusters and disk-like rotating clusters. Quantitative analysis of the formation of these wandering and rotating clusters showed that bacterial filaments tend to follow trajectories of previously migrating filaments at velocities that are dependent on filament length. Collisions between filaments occurred without crossing paths, which enhanced their nematic alignments, giving rise to bundle-like colonies. As cells increased and bundles aggregated, comet-like wandering clusters developed. The direction and velocity of the movement of cells in comet-like wandering clusters were highly coordinated. When the wandering clusters entered into a circular orbit, they turned into rotating clusters, maintaining a more stable location. Disk-like rotating clusters may rotate for days, and the speed of cells within a rotating cluster increases from the center to the outmost part of the cluster. Using a mathematical modeling with simplified assumption we reproduced some features of the scattered pattern including migrating clusters. Conclusion: Based on these observations, we propose that Pseudanabaena forms scattered migrating colonies that undergo a series of transitions involving several morphological patterns. A simplified model is able to reproduce some features of the observed migrating clusters.

    DOI PubMed

  • 【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年08月  [招待有り]

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    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)

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

    Seiya Nishikawa, Atsuko Takamatsu

    Mathematical Biosciences   316   108241  2019年10月  [査読有り]

    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年03月  [査読有り]

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    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年12月

  • Energy-saving with low dimensional network in Physarum plasmodium

    Atsuko Takamatsu, Takuma Gomi, Tatsuya Endo, Tomo Hirai, Takato Sasaki

    JOURNAL OF PHYSICS D-APPLIED PHYSICS   50 ( 15 ) 154993  2017年04月  [査読有り]  [招待有り]

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    An adaptation process in the transportation network of Physarum plasmodium was investigated by measuring oxygen consumption during network formation. Simultaneously, the fractal dimension as a measure of network structure was estimated. Oxygen consumption decreased during the development of the network, whereas the network structure changed from a thin mesh-type to a thick dendritic type. Our data suggested that the morphology of the plasmodial network governed energy consumption; a low dimensional network in the sense of the fractal dimension reduced energy consumption. These data were supported by experimental results excluding biological reasons, such as differences in starvation/nutrientfullness states, and aspects of mitochondrial distribution. Model analysis using the Physarum algorithm with volume conservation constraints confirmed the above findings.

    DOI

  • Body-to-body and body-to-environment interaction emerging dynamical behavior in cell group of motile cyanobacteria.

    Atsuko Takamatsu

    2017 56TH ANNUAL CONFERENCE OF THE SOCIETY OF INSTRUMENT AND CONTROL ENGINEERS OF JAPAN (SICE)     1 - 2  2017年  [査読有り]

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    Dynamical colony pattern formation in motile cyanobacteria Pseudanabaena sp. was investigated. Collectives of the bodies are self-organized and form various motile colony patterns on agar plates. The coexistence of collective movements of four types was observed: translationally moving single strands, bundles, comet-like colonies, and a rotating disk. Additionally, the colony patterns switch to others. Existence of body-to-body and body-to-environment interactions were supposed through experimental observations and the analyses. Investigation by a self-propelled particle model revealed that both interactions are necessary for the diversity of colony morphologies and internal and/or external perturbations can trigger the switching phenomena among the colonies.

    DOI

  • Asymmetry of Arrangement Induces Phase Synchronization in Mouse Node Cilia

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

    26th IUPAP International conference on Statistical Physics     421  2016年07月

  • 遺伝学と理論的アプローチによる細胞競合機構の解析

    馬場 翔子, 大澤 志津江, 西川 星也, 高松 敦子, 井垣 達吏

    日本生化学会大会・日本分子生物学会年会合同大会講演要旨集   88回・38回   [1LBA029] - [1LBA029]  2015年12月

  • 細胞社会を支える適者生存システム 細胞競合の分子基盤とその役割 細胞競合の数理モデル 上皮細胞群境界における捕食者-被食者相互作用

    西川 星也, 高松 敦子

    日本細胞生物学会大会講演要旨集   67回   102 - 102  2015年06月

  • 動物のからだの左右を決める回転繊毛間の流体相互作用 (生物流体力学における流れ構造の解析と役割)

    高松 敦子, 石川 拓司, 篠原 恭介, 濱田 博司

    数理解析研究所講究録   1900   97 - 104  2014年06月

    CiNii

  • Transportation Network with Fluctuating Input/Output Designed by the Bio-Inspired Physarum Algorithm

    Shin Watanabe, Atsuko Takamatsu

    PLOS ONE   9 ( 2 ) e89231  2014年02月  [査読有り]

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    In this paper, we propose designing transportation network topology and traffic distribution under fluctuating conditions using a bio-inspired algorithm. The algorithm is inspired by the adaptive behavior observed in an amoeba-like organism, plasmodial slime mold, more formally known as plasmodium of Physarum plycephalum. This organism forms a transportation network to distribute its protoplasm, the fluidic contents of its cell, throughout its large cell body. In this process, the diameter of the transportation tubes adapts to the flux of the protoplasm. The Physarum algorithm, which mimics this adaptive behavior, has been widely applied to complex problems, such as maze solving and designing the topology of railroad grids, under static conditions. However, in most situations, environmental conditions fluctuate; for example, in power grids, the consumption of electric power shows daily, weekly, and annual periodicity depending on the lifestyles or the business needs of the individual consumers. This paper studies the design of network topology and traffic distribution with oscillatory input and output traffic flows. The network topology proposed by the Physarum algorithm is controlled by a parameter of the adaptation process of the tubes. We observe various rich topologies such as complete mesh, partial mesh, Y-shaped, and V-shaped networks depending on this adaptation parameter and evaluate them on the basis of three performance functions: loss, cost, and vulnerability. Our results indicate that consideration of the oscillatory conditions and the phase-lags in the multiple outputs of the network is important: The building and/or maintenance cost of the network can be reduced by introducing the oscillating condition, and when the phase-lag among the outputs is large, the transportation loss can also be reduced. We use stability analysis to reveal how the system exhibits various topologies depending on the parameter.

    DOI PubMed

  • 7G12 マウス胚の左右を決めるノード繊毛運動の協同性(OS17 繊毛・鞭毛・微生物のバイオメカニクス)

    篠原 恭介, 高松 敦子, 石川 拓司, 濱田 博司

    バイオエンジニアリング講演会講演論文集   2012 ( 24 ) "7G12 - 1"-"7G12-2"  2012年01月

    CiNii

  • Fluid flow and interlinked feedback loops establish left-right asymmetric decay of Cerl2 mRNA.

    Tetsuya Nakamura, Daisuke Saito, Aiko Kawasumi, Kyosuke Shinohara, Yasuko Asai, Katsuyoshi Takaoka, Fenglan Dong, Atsuko Takamatsu, Jose Antonio Belo, Atsushi Mochizuki, Hiroshi Hamada

    Nature communications   3   1322 - 1322  2012年  [査読有り]  [国際誌]

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    Breaking of left-right symmetry in mouse embryos requires fluid flow at the node, but the precise action of the flow has remained unknown. Here we show that the left-right asymmetry of Cerl2 expression around the node, a target of the flow, is determined post-transcriptionally by decay of Cerl2 mRNA in a manner dependent on its 3' untranslated region. Cerl2 mRNA is absent specifically from the apical region of crown cells on the left side of the node. Preferential decay of Cerl2 mRNA on the left is initiated by the leftward flow and further enhanced by the operation of Wnt-Cerl2 interlinked feedback loops, in which Wnt3 upregulates Wnt3 expression and promotes Cerl2 mRNA decay, whereas Cerl2 promotes Wnt degradation. Mathematical modelling and experimental data suggest that these feedback loops behave as a bistable switch that can amplify in a noise-resistant manner a small bias conferred by fluid flow.

    DOI PubMed

  • 1SF-02 マウスの左右決定の過程に見られるノード繊毛の回転運動の同調(1SF 生物の動きと変形への理論的アプローチ,シンポジウム,日本生物物理学会第50回年会(2012年度))

    高松 敦子, Shinohara Kyosuke, Ishikawa Takuji, Hamada Hiroshi

    生物物理   52   S6  2012年

    DOI CiNii

  • Traffic optimization in railroad networks using an algorithm mimicking an amoeba-like organism, Physarum plasmodium

    Shin Watanabe, Atsushi Tero, Atsuko Takamatsu, Toshiyuki Nakagaki

    BIOSYSTEMS   105 ( 3 ) 225 - 232  2011年09月  [査読有り]

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    Traffic optimization of railroad networks was considered using an algorithm that was biologically inspired by an amoeba-like organism, plasmodium of the true slime mold, Physarum polycephalum. The organism developed a transportation network consisting of a tubular structure to transport protoplasm. It was reported that plasmodium can find the shortest path interconnecting multiple food sites during an adaptation process (Nakagaki et al., 2001. Biophys. Chem. 92, 47-52). By mimicking the adaptation process a path finding algorithm was developed by Tero et al. (2007). In this paper, the algorithm is newly modified for applications of traffic distribution optimization in transportation networks of infrastructure such as railroads under the constraint that the network topology is given. Application of the algorithm to a railroad in metropolitan Tokyo, Japan is demonstrated. The results are evaluated using three performance functions related to cost, traveling efficiency, and network weakness. The traffic distribution suggests that the modified Physarum algorithm balances the performances under a certain parameter range, indicating a biological process. (C) 2011 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

    DOI PubMed

  • A215 マウス初期胚の左右軸を決めるノード繊毛の協同性(A2-3 細胞工学・マイクロバイオメカニクス3)

    篠原 恭介, 高松 敦子, 石川 拓司, 橋本 昌和, 川住 愛子, 吉場 聡子, 濱田 博司

    バイオフロンティア講演会講演論文集   2010 ( 21 ) 67 - 68  2010年11月

    CiNii

  • Emergence of traveling waves in the zebrafish segmentation clock

    Kana Ishimatsu, Atsuko Takamatsu, Hiroyuki Takeda

    DEVELOPMENT   137 ( 10 ) 1595 - 1599  2010年05月  [査読有り]

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    The spatial and temporal periodicity of somite formation is controlled by the segmentation clock, in which numerous cells cyclically express hairy-related transcriptional repressors with a posterior-to-anterior phase delay, creating 'traveling waves' of her1 expression. In zebrafish, the first traveling wave buds off from the synchronous oscillation zone in the blastoderm margin. Here we show that the emergence of a traveling wave coincides with the anterior expansion of Fgf signaling and that transplanted Fgf8b-soaked beads induce ectopic traveling waves. We thus propose that as development proceeds, the activity of Fgf signaling gradually expands anteriorly, starting from the margin, so that cells initiate her1 oscillation with a posterior-to-anterior phase delay. Furthermore, we suggest that Fgf has an essential role in establishing the period gradient that is required for the her1 spatial oscillation pattern at the emergence of the traveling wave.

    DOI PubMed

  • Synchronization and spatiotemporal patterns in coupled phase oscillators on a weighted planer network

    Kagawa, Y, Takamatsu, A

    Phys. Rev. E.   79 ( 4 Pt 2 ) 46216  2009年04月  [査読有り]

    DOI PubMed

  • Rail grid optimization by an algorithm biologically inspired from an amoeba-like organism of true slime mold

    S. Watanabe, A. Tero, A. Takamatsu, T. Nakagaki

    Proceedings of the 2009 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications, Hokkaido     356 - 359  2009年

  • Raid grid optimization by an algorithm inspired from Physarum

    S. Watanabe, A. Tero, A. Takamatsu, T. Nakagaki

    Proceedings of 3nd International Symposium on Mobiligence in Awaji     399 - 402  2009年

  • Adaptation by environment-dependent-dynamical network in Physarum

    A. Takamatsu, R. Okamoto, M. Ito, T. Gomi

    Proceedings of 3nd International Symposium on Mobiligence in Awaji     357 - 360  2009年

  • 生物の輸送管ネットワークの環境適応機構から学ぶ

    伊藤昌明, 高松敦子

    第51回自動制御連合講演会     336 - 340  2008年

    DOI

  • 真正粘菌変形体における環境依存の輸送管ネットワークトポロジー解析

    伊藤昌明, 高松敦子

    第21回自律分散システムシンポジウム資料     337 - 342  2008年

  • 重み付き2次元ネットワーク上の結合力学系における協同現象〜真正粘菌変形体の適応行動発現の解明に向けて〜

    加川友己, 伊藤昌明, 高松敦子

    第20回自律分散システムシンポジウム資料     353 - 358  2008年

  • 細胞の形による適応戦略-真正粘菌変形体の環境依存形態のネットワーク解析-

    高松敦子

    Proceedings of the 52th Annual Conference of the Institute of Systems, Control and Information engineers, Kyoto     149 - 150  2008年

  • 1P-301 1次元形状に制御した真正粘菌変形体におけるアロメトリックスケール則(数理生物学,第46回日本生物物理学会年会)

    Hirai Tomo, Gomi Takuma, Takamatsu Atsuko

    生物物理   48   S68 - S69  2008年

    DOI CiNii

  • Network geometry analysis in plasmodial slime mold

    Takamatsu, A, Ito, M, Kagawa, Y

    Proceedings in 2nd International Symposium on Mobiligence in Awaji     275 - 278  2007年

  • Mobiligence in an amoeboid cell, plasmodium of Physarum polycephalum

    Takamatsu, A

    Proceedings in 2nd International Symposium on Mobiligence in Awaji     48 - 51  2007年

  • MPS法によるマイクロ流路内細胞付着流れのシミュレーション (Numerical simulation of adhesion of cells in micro channels using the MPS method.)

    鈴木幸人, 小石川雅紀, 越塚誠一, 岡本拓士, 金子直嗣, 高松敦子, 藤井輝夫

    日本機会学会論文集B   72 ( 721 ) 2109 - 2116  2006年

    DOI

  • Relationship between hydrophobic beads attachment and fluid flow in PDMS microchannel

    T. Okamoto, T. Yamamoto, A. Takamatsu, N. Kaneko, T. Fujii

    2006 INTERNATIONAL CONFERENCE ON MICROTECHNOLOGIES IN MEDICINE AND BIOLOGY     119 - +  2006年

     概要を見る

    The hydrophobic beads as mimic of the living cell attachment to microchannel in fluid flow were observed and analyzed. Beads were collided to the microchannel wall by the right angle flow. We found that beads attachment in the fluid flow should be decided by the fluid velocity to the wall, and hydrophobic interaction between the channel and beads. Shear force is less effective in this case.

    DOI

  • Localised stimulation of slime mould using microfluidic devices

    S Koster, T Kraus, A Takamatsu, T Fujii, E Verpoorte, N de Rooij

    Micro Total Analysis Systems 2004, Vol 1   ( 296 ) 75 - 77  2005年

     概要を見る

    We present a 3-D microfluidic device that enables localized drug delivery to living slime mould, a giant amoeba-like cell. The device features a flow cell in which drugs can be introduced at several positions, allowing drugs to be delivered to the slime mould at eight different locations. This is in contrast to devices reported in the literature, which allow cells to be addressed at only a few positions. Slime mould patterning is accomplished by insertion of SU-8 structures containing mould into the flow cell. This assembly allowed us to deliver drugs to the cell to evoke a measurable change in its oscillation behaviour.

  • 形が行動を決める-真正粘菌変形体のパターン形成-

    高松敦子

    形の科学会誌   20 ( 1 ) 47 - 48  2005年

  • マイクロ流路内における疎水性粒子の付着パターン解析

    岡本拓士, 金子直嗣, 高松敦子, 山本貴富喜, 藤井輝夫

    可視化情報(第33回可視化情報シンポジウム講演論文集)   25 ( suppl. no.1 ) 293 - 294  2005年

     概要を見る

    Microfluidic devices for cell culture have recently been fabricated for perfusion culture, which can provide more likely in vivo environments for cells by continuously supplying nutrition and oxygen, and removing wastes. To design integrated cell culture microfluidic devices with higher density and larger numbers of cells, a fundamental understanding of relationship between cell adhesions and fluid flow in the channel is necessary Eight types of obstacles were made in centre of the PDMS (polydimetylsyloxane) microchannel, and hydrophobic beads as mimic of living cells were introduced. We found that beads are mostly attached to certain positions of obstacles and microchannel walls, even in the high velocity gradient area. The surface of PDMS microchannel is hydrophobic, and the strong hydrophobic beads are more easily attached to the microchannel wall than that of weak hydrophobic beads. The beads are easily sedimented in the channels with square and circular obstacles, and sometimes finally blocked the fluid flow. Establishment of the evaluation method by the beads would be broadened to integrated cell devices.

    DOI CiNii

  • MPS法によるマイクロ流路内人工細胞付着流れのシミュレーション

    鈴木幸人, 小石川雅紀, 越塚誠一, 岡本拓士, 金子直嗣, 高松敦子, 藤井輝夫

    計算工学講演会論文集   10  2005年

  • Pattern formation of adhesive beads to channels in microfluidic devices for cell culture

    T Okamoto, N Kaneko, A Takamatsu, T Fujii

    2005 3rd IEEE/EMBS Special Topic Conference on Microtechnology in Medicine and Biology     176 - 179  2005年

     概要を見る

    The hydrophobic beads as mimic of the living cell attached to the microchannel were observed. We found that beads are mostly attached to certain positions of obstacles and microchannel walls, even in the high velocity gradient area.

    DOI

  • Spontaneous switching of frequency-locking by periodic stimulus in oscillators of plasmodium of the true slime mold

    A Takamatsu, T Yamamoto, T Fujii

    BIOSYSTEMS   76 ( 1-3 ) 133 - 140  2004年08月

     概要を見る

    Microfabrication technique was used to construct a model system with a living cell of plasmodium of the true slime mold, Physarum polycephalum, a living coupled oscillator system. Its parameters can be systematically controlled as in computer simulations, so that results are directly comparable to those of general mathematical models. As the first step, we investigated responses in oscillatory cells, the oscillators of the plasmodium, to periodic stimuli by temperature changes to elucidate characteristics of the cells as nonlinear systems whose internal dynamics are unknown because of their complexity. We observed that the forced oscillator of the plasmodium show 1: 1, 2:1, 3:1 frequency locking inside so-called Arnold tongues regions as well as in other nonlinear systems such as chemical systems and other biological systems. In addition, we found spontaneous switching behavior from certain frequency locking states to other states, even under certain fixed parameters. This technique can be applied to more complex systems with multiple elements, such as coupled oscillator systems, and would be useful to investigate complicated phenomena in biological systems such as information processing. (C) 2004 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

    DOI

  • 粘菌のみせる数理的世界

    田中玲子, 高松敦子

    バイオメカニズム学会誌   28   22 - 26  2004年

    DOI

  • Spontaneous switching in coupled biological oscillator systems constructed with living cells of the true slime mold

    A Takamatsu, T Fujii

    SICE 2004 ANNUAL CONFERENCE, VOLS 1-3     1760 - 1763  2004年

     概要を見る

    Coupled oscillator systems with oscillating cells of plasmodium of the true slime mold were constructed with a cell pattering method using microfabrication technique. Parameters in this system such as coupling strength can be systematically controlled like in computer simulations. We constructed three-oscillator systems in rings and observed spontaneous switching among typical spatio-temporal patterns even when coupling strength was fixed.

  • Control of oscillation patterns in a symmetric coupled biological oscillator system

    A Takamatsu, R Tanaka, T Yamamoto, T Fujii

    EXPERIMENTAL CHAOS   676   230 - 235  2003年

     概要を見る

    A chain of three-oscillator system was constructed with living biological oscillators of phasmodial slime mold, Physarum polycehalum and the oscillation patterns were analyzed by the symmetric Hopf bifurcation theory using group theory. Multi-stability of oscillation patterns was observed, even when the coupling strength was fixed. This suggests that the coupling strength is not an effective parameter to obtain a desired oscillation pattern among the multiple patterns. Here we propose a method to control oscillation patterns using resonance to external stimulus and demonstrate pattern switching induced by frequency resonance given to only one of oscillators in the system.

  • BZ反応振動子による結合系の振動パターンの実験的解析と制御

    堀口奈美, 高松敦子, 田中玲子, 相吉英太郎

    計測自動制御学会 システム・情報部門学術講演会2002 講演論文集     111 - 116  2002年

  • Observation of response to stimuli in oscillating cells patterned by microfabricated structure

    Takamatsu, A, Fujii, T

    Micro Total Analysis Systems Baba, Y. et al. eds., Vol. 1,     10 - 12  2002年

  • 粘菌振動子系の解析-対照系のHopf分岐理論の適用

    田中玲子, 山田裕泰, 高松敦子, 中垣俊之

    第14回自律分散システムシンポジウム 資料    2001年

  • 生きた細胞による数理モデルの構築-粘菌結合振動子系-

    高松敦子, 藤井輝夫

    第7回創発システムシンポジウム ポスター講演資料    2001年

  • 振動子系の結合形態と位相パターン-粘菌ネットワーク形態ダイナミクスの解析をめざして-

    山田裕泰, 中垣俊之, 田中玲子, 高松敦子

    第15回自律分散システムシンポジウム 資料    2001年

  • リング状に結合した粘菌振動子系における時空間振動パターン

    高松敦子, 田中玲子, 山田裕泰, 中垣俊之, 藤井輝夫, 遠藤勲

    第13回自律分散システムシンポジウム 資料    2001年

  • マイクロ構造を用いたウエットシステムの構築

    藤井輝夫, 高松敦子

    生産研究, 東京大学 生産技術研究所 発行   53   24 - 25  2001年

  • Control of interaction strength in a network of the true slime mold by a microfabricated structure

    A Takamatsu, T Fujii, Endo, I

    BIOSYSTEMS   55 ( 1-3 ) 33 - 38  2000年02月

     概要を見る

    The plasmodium of the true slime mold, Physarum polycephalum, which shows various nonlinear oscillatory phenomena, for example, in its thickness, protoplasmic streaming and concentration of intracellular chemicals, can be regarded as a collective of nonlinear oscillators. The plasmodial oscillators are interconnected by microscale tubes whose dimensions can be closely related to the strength of interaction between the oscillators. Investigation of the collective behavior of the oscillators under the conditions in which the interaction strength can be systematically controlled gives significant information on the characteristics of the system. In this study, we proposed a living model system of a coupled oscillator system in the Physarum plasmodium. We patterned the geometry and dimensions of the microscale tube structure in the plasmodium by a microfabricated structure (microstructure). As the first step, we constructed a two-oscillator system for the plasmodium that has two wells (oscillator part) and a channel (coupling part). We investigated the oscillation behavior by monitoring the thickness oscillation of the plasmodium in the microstructure with various channel widths. It was found that the oscillation behavior of two oscillators dynamically changed depending on the channel width. Based on the results of measurements of the tube dimensions and the velocity of the protoplasmic streaming in the tube, we discuss how the channel width relates to the interaction strength of the coupled oscillator system. (C) 2000 Elsevier Science Ireland Ltd. All rights reserved.

    DOI

  • 粘菌振動子系における時空間振動パターン

    高松敦子

    第10回非線形反応と協同現象研究会 予稿集    2000年

  • マイクロ構造によるパラメータ制御可能な生きた結合振動子系

    高松敦子, 藤井輝夫, 遠藤勲

    第12回自律分散システム・シンポジウム 資料    2000年

  • Controlling the geometry and the coupling strength of the oscillator system in plasmodium of Physarum polycephalum by microfabricated structure

    A Takamatsu, T Fujii, H Yokota, K Hosokawa, T Higuchi, Endo, I

    PROTOPLASMA   210 ( 3-4 ) 164 - 171  2000年

     概要を見る

    The plasmodium of the true slime mold Physarum polycephalum, which shows various oscillatory phenomena, can be regarded as a collective of nonlinear oscillators. Partial bodies in the plasmodium, which are assumed to be nonlinear oscillators, are mutually connected by microscale tubes named plasmodial strand. The interactions among the oscillators can be strongly affected by the geometry and the dimension of the tube network. Investigation of the collective behavior under the condition that the configuration of the network can be manipulated gives significant information on the characteristics of the plasmodium from the viewpoint of nonlinear dynamics. In this study, we have developed a new method to control the geometry and the tube dimension of the plasmodium with a microfabricated structure. It is shown that the geometry of the plasmodium can be manipulated with a microstructure which is fabricated of ultrathick photoresist resin by photolithographic processes. In order to confirm that not only the geometry but also the dimension of the tubes can be controlled with the microstructure, we observed the cross section of the patterned plasmodium with a three-dimensional internal-structure microscope. By observing the oscillatory behavior of the partial bodies of the patterned plasmodium, it was confirmed that the coupling strength between two oscillators, which corresponds to the dimension of the plasmodial strand. can be controlled by the microstructure. It is concluded that the present method is suitable for further studies of the network of Physarum plasmodium as a collective nonlinear oscillator system.

    DOI

  • Frequency coupling model for dynamics of responses to stimuli in plasmodium of Physarum polycephalum

    A Takamatsu, K Takahashi, M Nagao, Y Tsuchiya

    JOURNAL OF THE PHYSICAL SOCIETY OF JAPAN   66 ( 6 ) 1638 - 1646  1997年06月

     概要を見る

    Gathering or escaping behavior in the plasmodium of Physarum polycephalum is considered to relate to an entrainment of the coupled nonlinear oscillators. The behavior has been explained to be caused by the formation of phase gradient between those oscillators, which results from the local frequency modulation at the stimulated site. However, it has not yet been elucidated how the formation process relates to the migration of the plasmodium. In this paper, we have introduced a model with frequency coupling besides the phase coupling in the system of coupled oscillators. By the simulation, we have shown that not only the phase gradient but also the concentration gradient of substances such as Ca2+ and ATP are self-organized and their reverse by the stimulus results in the migration of plasmodium.

    DOI

  • Asymmetry in the self-sustained oscillation of Physarum plasmodial strands

    K Takahashi, A Takamatsu, ZS Hu, Y Tsuchiya

    PROTOPLASMA   197 ( 1-2 ) 132 - 135  1997年

     概要を見る

    The characteristics of the self-sustained oscillation in the plasmodial strand of Physarum polycephalum have been investigated in one steady and two transient conditions. An isolated Physarum strand changes its length periodically when it is suspended. In the behaviour of the self-sustained oscillation under the conditions, we provide the first demonstration that the changes in the periods of the oscillation can be ascribed to effects on the shortening phase, while the lengthening periods are almost unaffected. This result means that the asymmetric self-sustained oscillation of the Physarum strand is composed of an active contracting process, presumably due to actin filaments and myosin-like molecules in the strand, and a passive lengthening process which is merely an extension of the strand under a load.

  • STOCHASTIC-BEHAVIOR OF ORGANELLE MOTION IN NITELLA INTERNODAL CELLS

    T NEMOTO, G UCHIDA, A TAKAMATSU, Y TSUCHIYA

    BIOCHEMICAL AND BIOPHYSICAL RESEARCH COMMUNICATIONS   214 ( 3 ) 1102 - 1107  1995年09月

     概要を見る

    The stochastic behavior of organelles during the recovery process of protoplasmic streaming is investigated in Nitella internodal cells at a nanometer space resolution. The motions of organelles in the components parallel and perpendicular to the alignment of actin filaments in the cell are analysed from the traces of displacement of 860 organelles in 1/30s (=video rate). The analysis of those traces shows that the generation of motive forces to the organelle follows the Poisson process. Therefore, we have been able to estimate the step size corresponding to the single force generation as similar to 100 nm. (C) 1995 Academic Press.

    DOI

  • CA2+ EFFECT ON PROTOPLASMIC STREAMING IN NITELLA INTERNODAL CELL

    A TAKAMATSU, T AOKI, Y TSUCHIYA

    BIOPHYSICAL JOURNAL   64 ( 1 ) 182 - 186  1993年01月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者

     概要を見る

    Ca2+ ion effect on protoplasmic streaming in an internodal cell of Nitella has been investigated for various temperatures. We have found that the protoplasmic streaming at low temperature is remarkably affected by the Ca2+ ions in the internodal cell but larger concentrations of the Ca2+ ions are needed to suppress the streaming velocity at higher temperatures. These streaming behaviors of the protoplasm, furthermore, have been elucidated on the basis of the reaction equations which take into account ATP hydrolysis due to actin-myosin molecules and inactivity of the molecules due to the Ca2+ ions.

    DOI

  • RECOVERY PROCESS OF PROTOPLASMIC STREAMING FROM ITS CESSATION IN NITELLA INTERNODAL CELL

    CY YANG, A TAKAMATSU, Y TSUCHIYA

    JOURNAL OF THE PHYSICAL SOCIETY OF JAPAN   60 ( 9 ) 2847 - 2850  1991年09月

     概要を見る

    Recovery process of protoplasmic streaming in a Nitella internodal cell has been investigated at various temperatures. It has been found that the protoplasmic streaming, after its cessation by a current stimulus to the cell, begins to occur slowly and more quickly recovers to its original steady flow with larger velocity at higher temperatures. The steady velocity exponentially decreases with increasing inverse temperature, and the recovery time, which is defined as the time required for the protoplasmic streaming to recover to the half-value of its steady velocity, shortens with increasing temperature. It has been shown that the recovery process of protoplasmic streaming is expressed by a function of nondimensional velocity and time scaled by the steady value and the recovery time, respectively. These results have been elucidated on the basis of two motional equations describing the flow dynamics of the protoplasm.

    DOI

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書籍等出版物

  • 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年

  • 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年

Misc

  • 細胞競合による分化能維持機構の数理モデル-運動性の効果-

    田野口佳奈, 西川星也, 高松敦子

    日本数理生物学会年会(Web)   31st  2021年

    J-GLOBAL

  • 粒子-ファイバーモデルを用いた細胞-基質間の接着性による形態制御

    八塚剛志, 三瀬翔太, 柴垣志文, 西川星也, 岡本直樹, 高松敦子

    日本数理生物学会年会(Web)   31st  2021年

    J-GLOBAL

  • 細胞が多様な運動と形態モードを生成する機構に関する数理モデル

    三瀬翔太, 柴垣志文, 西川星也, 八塚剛志, 中村寛子, 木村啓志, 高松敦子

    日本数理生物学会年会(Web)   30th  2020年

    J-GLOBAL

  • 上皮組織における異常細胞の排出現象の数理解析

    西川星也, 高松敦子

    自律分散システム・シンポジウム(CD-ROM)   31st  2019年

    J-GLOBAL

  • 数理の立場から細胞競合を眺める : 自己駆動粒子を用いた細胞競合のモデルとシミュレーション (特集 細胞の社会学 : 細胞間で繰り広げられる協調と競争) -- (細胞の競争と協調の数理モデル)

    西川 星也, 高松 敦子

    生体の科学   67 ( 2 ) 155 - 158  2016年03月

    CiNii

  • Agent-basedmodelを用いた細胞競合現象のシミュレーション

    西川星也, 高松敦子

    自律分散システム・シンポジウム(CD-ROM)   28th  2016年

    J-GLOBAL

  • 非対称配置による同質な3繊毛モデルでの位相同期

    奥村 圭司, 西川 星也, 大森 俊宏, 石川 拓司, 高松 敦子

    日本物理学会講演概要集   71 ( 0 ) 2782 - 2782  2016年

     概要を見る

    <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>

    DOI CiNii

  • 22pBL-8 流体的相互作用する繊毛回転運動のモデル化と同期解析

    奥村 圭司, 西川 星也, 大森 俊宏, 石川 拓司, 高松 敦子

    日本物理学会講演概要集   70 ( 0 ) 3030 - 3030  2015年

    DOI CiNii

  • 16pCX-1 2繊毛モデルにおける同期のパラメータ依存性

    奥村 圭司, 西川 星也, 大森 俊宏, 石川 拓司, 高松 敦子

    日本物理学会講演概要集   70 ( 0 ) 2595 - 2595  2015年

    DOI CiNii

  • Lotka-Volterra competition modelに基づく細胞競合モデル

    西川星也, 高松敦子, 大澤志津江, 井垣達吏

    日本数理生物学会大会講演要旨集   23rd  2013年

    J-GLOBAL

  • アリの運動量と個体数の関係

    久本峻平, 西川星也, 高松敦子

    日本数理生物学会大会講演要旨集   23rd  2013年

    J-GLOBAL

  • 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年

    J-GLOBAL

  • 1601 マウス初期胚ノード繊毛の可視化計測(OS16-1 生物・生体工学に関する流れ,オーガナイズドセッション)

    篠原 恭介, 高松 敦子, 橋本 昌和, 吉場 聡子, 川住 愛子, 濱田 博司

    流体工学部門講演会講演論文集   2009   483 - 484  2009年11月

     概要を見る

    The synchronized oscillation plays an important role in physiological functions in biological systems. Synchronized motion of motile cilia realizes unidirectional transport of fluid in vertebrate body. The collective behavior is believed to arise by hydrodynamic interactions via the extracellular fluid, but how this synchrony appears and develops during the embryogenesis are unknown. We analyze synchrony dynamics of nodal cilia, which determine the left-right axis, by quantifying the fluid flow and cilia rotation. We construct a model based on coupled phase oscillators explaining the offset of the synchronization of cilia after the left-right axis determination. This suggests that the synchronization of nodal cilia is governed by global and local hydrodynamic coupling.

    CiNii

  • Collective behavior in coupled dynamical systems on two-dimensional weighted networks: A step toward understanding adaptive behavior of true slime mold

    Yuki Kagawa, Atsuko Takamatsu

       2009年04月

    機関テクニカルレポート,技術報告書,プレプリント等  

     概要を見る

    Plasmodium of true slime mold, Physarum polycephalum, is an amoeboid<br />
    organism, which spreads with developing tubular network structure and crawls on<br />
    two-dimensional plane with oscillating the cell thickness. The plasmodium<br />
    transforms its tubular network structure to adapt to the environment. To reveal<br />
    the effect of the network structure on the oscillating behavior of the<br />
    plasmodium, we constructed coupled map systems on two-dimensional weighted<br />
    networks as models of the plasmodium, and investigated the relation between the<br />
    distribution of weights on the network edges and the synchronization in the<br />
    system. We found the probability that the system shows phase synchronization<br />
    changes drastically with the weight distribution even if the total weight is<br />
    constant. This implies the oscillating patterns observed in the plasmodium are<br />
    controlled by the tube widths or cross-sections in the tubular networks.

  • 30aTB-1 環境依存の真正粘菌ネットワーク解析(30aTB ネットワーク一般I,領域11(統計力学,物性基礎論,応用数学,力学,流体物理))

    高松 敦子, 伊藤 昌明, 岡本 力

    日本物理学会講演概要集   64 ( 1 ) 316 - 316  2009年03月

    CiNii

  • 30pVC-8 真正粘菌変形体の原形質流動を介した相互作用に関する位相応答曲線の測定(30pVC 生物物理,領域12(ソフトマター物理,化学物理,生物物理))

    松本 秀明, 高松 敦子

    日本物理学会講演概要集   64 ( 1 ) 399 - 399  2009年03月

    CiNii

  • 25pWE-15 重み付き2次元ネットワーク上の結合振動子系のダイナミクス(生物・生態系,領域11,統計力学,物性基礎論,応用数学,力学,流体物理)

    加川 友己, 伊藤 昌明, 高松 敦子

    日本物理学会講演概要集   63 ( 1 ) 314 - 314  2008年02月

    CiNii

  • 生物の形と機能 : 真正粘菌変形体ネットワークの時空間構造から学ぶ

    高松 敦子

    表面科学 = Journal of The Surface Science Society of Japan   28 ( 11 ) 653 - 658  2007年11月

     概要を見る

    Plasmodium of true slime mold, &lt;I&gt;Physarum polycephalum&lt;/I&gt;, is an amoeba-like unicellular organism. It crawls in environment with oscillating the cell thickness. The oscillating parts of the plasmodium are connected through tube structures where the protoplasm (intracellular substance) streams. Thus the plasmodium can be modeled as a network consisting of oscillating nodes (or vertices) and links (or edges). In this paper, the network geometries in various environments were analyzed with considering the relation with the spatio-temporal oscillating pattern in the each network. We show the geometry of the networks depends on environmental condition:It forms lattice networks in pleasant environment, tree-graph networks in unpleasant environment, and intermixture of them in neutral environment. The relation between the morphology and the biological function of the plasmodia is discussed in the context of spatio-temporal structure.

    DOI CiNii

  • 21pTP-5 重み付き2次元ネットワーク上の結合写像系における同期(生物・生態系(社会・言語・ゲーム等含む)2,領域11,統計力学,物性基礎論,応用数学,力学,流体物理)

    加川 友己, 伊藤 昌明, 高松 敦子

    日本物理学会講演概要集   62 ( 2 ) 266 - 266  2007年08月

    CiNii

  • 21pTP-8 真正粘菌変形体の成長に伴って形成する輸送管ネットワークの解析(生物・生態系(社会・言語・ゲーム等含む)2,領域11,統計力学,物性基礎論,応用数学,力学,流体物理)

    伊藤 昌明, 高松 敦子

    日本物理学会講演概要集   62 ( 2 ) 267 - 267  2007年08月

    CiNii

  • 1P280 ゼブラフィッシュ体節形成における時空間パターンの数理解析(数理生物学、非平衡・生体リズム,ポスター発表,第45回日本生物物理学会年会)

    印口 淳史, 高松 敦子

    生物物理   47 ( 0 ) S93  2007年

    DOI CiNii

  • 1P283 二次元生物真正粘菌変形体におけるアロメトリックスケール則(数理生物学、非平衡・生体リズム,ポスター発表,第45回日本生物物理学会年会)

    五味 拓真, 高松 敦子

    生物物理   47 ( 0 ) S94  2007年

    DOI CiNii

  • MPS法によるマイクロ流路内細胞付着流れのシミュレーション

    鈴木 幸人, 小石川 雅紀, 越塚 誠一, 岡本 拓士, 金子 直嗣, 高松 敦子, 藤井 輝夫

    日本機械学會論文集. B編 = Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers. B   72 ( 721 ) 2109 - 2116  2006年09月

     概要を見る

    The MPS method is a particle method which simulates motion of continua with a finite number of particles. Thus it is relatively easy to simulate complex flows such as those in a bioreactor in which the geometry of flow is continuously modified by adhesion of cells. In this study, flows with adhesion of cells in a micro channel are simulated using the MPS method. The adhesion pattern of cells is well reproduced by the simulation.

    DOI CiNii

  • 真正粘菌アメーバから学ぶ要素集団系のシステム生物学的アプローチ(<特集>システムとしての生命に学ぶ)

    高松 敦子

    日本機械学会誌   109 ( 1049 ) 253 - 256  2006年

    CiNii

  • 粘菌のみせる数理的世界(<特集>生物に学ぶおもしろさ)

    田中 玲子, 高松 敦子

    バイオメカニズム学会誌   28 ( 1 ) 22 - 26  2004年02月

     概要を見る

    真正粘菌変形体というアメーバ様の多核単細胞生物は,一見「単純」な生物にみえるが,実は局所的に得られた情報を細胞全体に伝達して行動するなど,複雑な情報処理や作業を行っている.単純な構造をもつ粘菌が,どのようにして複雑な情報処理を実現しているのかを理解することは,生物学,物理学,または工学の立場から見ても興味深く,我々が粘菌から学ぶべきことはまだまだ多い.しかし,生物であるがゆえに,その扱いは難しく,観測される現象は複雑である.そこで,この複雑な生物現象を系統的に扱う方法が必須となる.本稿では,その一例として,マイクロ加工技術を用いて粘菌結合振動子系を構成する方法を示し,その系の示す美しい数理的世界である,非線形振動が織りなす時空間パターンを紹介する.

    DOI CiNii

  • 3O1130 真正粘菌結合振動子系における時空間対称振動の制御(25.非平衡・生体リズム,一般講演,日本生物物理学会第40回年会)

    高松 敦子, 田中 玲子, 山本 貴富喜, 藤井 輝夫

    生物物理   42 ( 2 ) S202  2002年

    DOI CiNii

  • 8pTC-10 BZ反応系における時間遅れ効果(反応拡散系・振幅方程式系,領域11)

    高松 敦子, 中島 健, 田中 玲子, 相吉 英太郎, 藤井 輝夫

    日本物理学会講演概要集   57 ( 0 ) 272 - 272  2002年

    CiNii

  • <論説>マイクロ構造を用いたウェットシステムの構築 (<特集>工学とバイオ)

    藤井 輝夫, 高松 敦子

    生産研究   53 ( 3 ) 172 - 173  2001年03月

     概要を見る

    工学とバイオ

    DOI CiNii

  • マイクロ構造物によるパラメータ制御可能な生きた結合振動子系

    高松 敦子, 藤井 輝夫, 遠藤 勲

    自律分散システム・シンポジウム資料 = SICE Symposium on Decentralized Autonomous Systems   12   299 - 302  2000年01月

    CiNii

  • 1M1330 真正粘菌変形体の3振動子系における時間遅れ効果

    高松 敦子, 藤井 輝夫, 遠藤 勲

    生物物理   40 ( 0 ) S100  2000年

    DOI CiNii

  • マイクロ構造を用いた粘菌変形体ネットワークの結合制御

    高松 敦子, 藤井 輝夫, 細川 和生, 遠藤 勲

    自律分散システム・シンポジウム資料 = SICE Symposium on Decentralized Autonomous Systems   11   89 - 92  1999年01月

    CiNii

  • 3PD009 マイクロ構造物による生きた結合振動子系の構築 : 粘菌振動子系における時間遅れ効果

    高松 敦子, 藤井 輝夫, 遠藤 勲

    生物物理   39 ( 0 ) S199  1999年

    DOI CiNii

  • マイクロ加工技術を用いた真性粘菌変形体の非線形振動子集団としてのダイナミクスの解析

    高松 敦子, 藤井 輝夫, 細川 和生, 遠藤 勲

    生物物理   38 ( 2 ) S188  1998年09月

    CiNii

  • 3次元内部構造顕微鏡による真性粘菌変形体の微小チューブ構造の観察

    藤井輝夫, 高松 敦子, 横田 秀夫, 樋口 俊郎, 遠藤 勳

    生物物理   38 ( 2 ) S91  1998年

    CiNii

  • 粘菌変形体の接近・逃避行動における結合振動子モデル

    高松 敦子, 高橋 賢吾, 槌屋 嘉実

    日本物理学会講演概要集   1996 ( 0 ) 786 - 786  1996年

    CiNii

  • 31p-X-11 車軸藻の原形質流動における回復過程の細胞外Ca^<2+>濃度依存性

    高松 敦子, 青木 智一, 槌屋 嘉実, 川久保 達之

    日本物理学会講演概要集   45 ( 0 ) 452 - 452  1990年

    CiNii

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共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 不規則な生活の科学的理解と実践的な時間健康科学の確立

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 基盤研究(C)

    研究期間:

    2021年04月
    -
    2024年03月
     

    田原 優, 高松 敦子

  • 粘菌輸送管ネットワーク上のパターン形成に伴う時空間パターンの分岐現象と生物機能

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 基盤研究(C)

    研究期間:

    2019年04月
    -
    2022年03月
     

    高松 敦子

     概要を見る

    人工物から生物まで、非線形振動子間の同期現象は長い間研究者を引きつけてきた。近年、複雑ネットワークの研究が進展すると、ネットワーク上の結合振動子系の振る舞いも注目されてきた。さらに、同一の性質を持つ振動子集団でも、ある条件下では、同期する集団と非同期な集団に自発的に分かれてクラスター化する「キメラ状態」という現象が発見され、現在に至るまで多くの研究者の興味を引いている。しかしながら、その研究の多くは抽象的な数理モデルを用いた数値シミュレーションや数学的な解析に関する研究が主流であり、自然現象、特に生命現象の中での報告はまだない。
    そこで、本研究では、振動性細胞である、真正粘菌変形体をモデル生物として複雑ネットワーク上に現れる時空間振動パターンの解析を行う。粘菌は細胞の厚みを振動させながら環境中を這い回る。その巨大な細胞を維持するために輸送管ネットワークを発達させた。粘菌が新たな環境に置かれてから適応するまでの期間、ネットワーク形態と時空間振動パターンは大きく変化する。特に、振動数を分析すると、単一振動数から多重振動数へと分岐し、その分岐点が、ネットワーク形態と粘菌の行動の分岐点に対応することをこれまでに見いだしている。本研究では、2次元状の複雑ネットワーク上に粘菌に特化した結合振動子系の数理モデルを構築し、実験観測事実と照合しながら、多重振動数分岐現象の理解を進める。さらに、誘因・忌避などの多様な環境下での観察・解析を行うことで、多重振動数分岐機構の生物としての意味を探る。さらには、数理モデルを縮約し、一般の複雑ネットワークへの適用可能性を探ることを目指している。

  • ショウジョウバエを用いた細胞競合機構の遺伝学的解明

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 新学術領域研究(研究領域提案型)

    研究期間:

    2014年07月
    -
    2019年03月
     

    井垣 達吏, 高松 敦子, 大澤 志津江

     概要を見る

    上皮組織中に極性が崩壊したがん原性の変異細胞が生じると、周辺の正常細胞と「細胞競合」を起こし、その敗者となって組織から排除される。この細胞競合の分子メカニズムをショウジョウバエをモデル生物として用いて解析し、正常細胞がどのような分子を介して変異細胞を認識するのか、また変異細胞が正常細胞に近接するとどのような機構で組織から排除されるのかを明らかにした。

  • 粘菌輸送管ネットワーク形態による適応のしくみ

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 基盤研究(C)

    研究期間:

    2013年04月
    -
    2016年03月
     

    高松 敦子, 渡邉 晋, 碇 周介, 山口 高輝, 辻 喬, 豊田 悟史

     概要を見る

    粘菌変形体の輸送管網形態による適応戦略について、ネットワーク解析により以下の特徴を持つことが明らかとなった。誘引環境では、網目状の形態をとり、細い管が大部分を占める階層的なループ構造で構成される分散的ネットワークとなる。酸素消費の場は至る所にありエネルギー効率の点では劣るが、環境から効率良く栄養分を吸収する。忌避環境では、樹状の形態をとり、ほとんどが太い管で構成され中央集中型となる。より遠くへ探索の範囲を広げ、安全で良い環境を効率的に探すことができる。それと同時に、酸素消費の場である細い管は非常に少なく、エネルギー効率も高い。変動する環境下でもネットワーク形態による動的な適応過程が確認された。

  • 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

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 新学術領域研究(研究領域提案型)

    研究期間:

    2013年04月
    -
    2015年03月
     

    高松 敦子

     概要を見る

    運動性シアノバクテリアは、集団化することで、回転運動する円盤状コロニー、並進運動する束状、彗星状コロニーと多様な形態をとり、その形態間を自発遷移することがこれまでの観察からわかっている。本研究では、その形成メカニズムについて、理論・実験の両側面から明らかにすることを目的としている。
    H25年度は、この系に働く二つの相互作用のうち、細胞と場の相互作用に関与する粘液について詳細に調べ、コロニー周辺の分布状態について明らかにした。H26年度は、細胞間相互作用の様態解析に取り組んだ。H25年度に懸案であった、タイムラプス撮影の手法を改善し、細胞の速度の時空間分析から、細胞がある一定の距離に近づくと引き合う速度が最大化し、その後その速度は0に近づくことが定量的に確かめられた。また、細胞間の入射角についても検討し、真横から近づくとき最も最大速度が大きいことがわかった。
    以上の結果を踏まえ、バクテリア1個体を粒子とみたてた自己駆動粒子集団モデルを構築した。個体間には上述の事実に基づく距離と入射角に応じた引力関数を設定した。個体は場に粘液を分泌し、粘液上を個体が運動するときには速度が増加する(または抗力が減少する)と仮定した。この単純なモデルから、集団化によって円盤状コロニーのような回転集団や、束状あるいは彗星状コロニーのような並進運動集団が自発生成することが確かめられた。さらに、場の粘液はその空間分布に応じて、回転運動する集団を並進運動へ遷移させる効果と、場にトラップする効果があることがわかった。前者はコロニー形態間の遷移現象の一つを、後者は円盤状コロニーの安定的な回転運動を説明できる可能性がある。
    実際の遷移現象は、今回のシミュレーション結果よりも、もっと動的である。今後本モデルに細胞増殖などの効果を取り入れることで、実現可能だと期待される。

  • バクテリア集団が生成するマクロな秩序構造と生物機能

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 新学術領域研究(研究領域提案型)

    研究期間:

    2011年04月
    -
    2013年03月
     

    高松 敦子

     概要を見る

    運動性シアノバクテリア細胞は集団化することで、円盤形の回転型運動や彗星型運動など様々なマクロ構造をとる。H23年度は、標準環境下において、束状、円盤状、彗星状のそれぞれの集団形態の運動解析を行った。その結果、コロニー形態に係わらずバクテリア密度が高いほど運動生が優れていることを見いだした。そこで、H24年度はコロニー形態毎の運動速度の解析と、バクテリアが分泌する粘液を想定した理論モデルの構築に取り組んだ。
    並進運動を行うコロニー重心の運動速度は、一本鎖、束状、彗星状の順に大きいことが分かった。また、同じコロニー形態でもコロニーサイズ(設置面積)にわずかに依存して速度が大きくなる傾向が見られた。さらにコロニー速度は培地表面にバクテリア自身が分泌した粘液の有無に大きく左右されることがわかった。以上のことを纏めると、バクテリアが集合することで粘液分泌総量が増加し、それが培地から受ける抗力を低減するものと思われる。これを基に、彗星状の積層コロニーについて、底面細胞のみが駆動力を生成し、側面および底面細胞が全面、底面の水(または培地)からの抗力を受け、その他の細胞は粘液を分泌するという運動モデルを構築した。その結果、上述に見られたコロニー毎の運動特性の定性的な性質を説明することができた。
    しかしながら、バクテリアが自発的に集合し、それによって多様な運動が生成するメカニズムは解明されていない。鍵となる粘液の定量化、1本鎖同士の相互作用の定量的観察を通して、より現実的な数理モデル構築を行うことが今後の課題である。

  • マウスの左右を決めるノード流は繊毛の協同性から生じるか?

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 挑戦的萌芽研究

    研究期間:

    2009年
    -
    2010年
     

    高松 敦子, 濱田 博司

     概要を見る

    マウスの発生過程において左右差を初めて決めるメカニズムには、発生初期過程に現れるノードと呼ばれる窪みに並ぶ繊毛の回転運動が大きな役割を果たしていると考えられている。繊毛の回転運動によって、ノード流という体液の流れが生じるが、この流れを人工的に反転させるとマウスの左右も反転するという実験によって、流れ自体が、左右差を決定する2次的シグナルを生成することが示唆されてきた。ゾウリムシ表面のなどに通常良く見られる繊毛では、繊毛間の距離が非常に小さいため、繊毛同士協同的に運動することで効率的な全体の運動を生成することが良く知られている。一方、ノード繊毛は、1細胞に1本ずつという非常にまばらに生えている特殊な繊毛であり協同的な振る舞いは期待されていなかった。本研究では、ノード繊毛間の回転運動を調べ、協同性の有無を検証し、まばらで本数も少ないノード繊毛からどのようにして大局的な流れが生成されるのか、そのメカニズムを明らかにすることが目的である。
    前年度までに,左右差が決まる発生の各ステージで10-50繊毛の回転運動の協同性について解析を行,協同性は初期の過程で高く流速が大きくなる後期課程では低くなることがわかった.H22年度は,協同性が生じるしくみを明らかにするために,繊毛が生える本数が劇的に少ないミュータントマウスなどを用いて,2本~5,6本のみのノードの繊毛回転運動を観察した.H21に考察した結合振動子のトイ・モデルに流体力学的な考察をさらに加え,より現実的な数理モデルを構築し,上述の少数の繊毛間の協同性解析との結果と比較した.理論考察により,繊毛間には生物学的な結合(キャップジャンクションや分子シグナル)というよりは,流体による結合が存在し,それによって生じる協同的振舞いが何らかの形で初期のステージの小さい流をサポートし,より確実な左右差形成に寄与していることが示唆された.

  • 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

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 特定領域研究

    研究期間:

    2008年
    -
    2009年
     

    高松 敦子

     概要を見る

    真正粘菌変形体(Physarum polycephalum)は多核単細胞のアメーバ様細胞である。細胞の厚みを振動させながら環境中を遣いまわり、環境からの情報を細胞の状態・形態にフィードバックしながら行動する。一見、特異な生物だが、「移動知」という概念から見た場合、生物実験系のモデル生物として最適な生物システムのうちの1つであろう。
    この細胞は振動性の細胞であり、どの部分を人工的に切り取ってきても細胞の機能を失うことなく独立な細胞として振動し行動できるので、ほぼ同一の要素が集合した要素集団系(結合振動子系)として捉えることができる。この細胞全体を眺めて見ると管状構造のネットワークで構成されている。管内では原形質流動という往復流動が見られ細胞の部分間、つまり、要素間の相互作用はこの流動を通して行われている。興味深いことに、この細胞は環境の状況に応じてその形態(管ネットワークの形態)と振動周期を著しく変化させる。つまり、管ネットワークの幾何が生物としての機能に大きな影響を与えていることが予想される。
    本研究の目的は、管ネットワークのトポロジーと形態に着目し、構成論的手法により、原始的な生物の形態による環境の適応機構を明らかにすることである。具体的には、外部環境に応じて輸送管ネットワーク形態が著しく変化する現象について、(1)環境依存のネットワーク構造の特徴を抽出し、(2)環境適応の観点から生物機能がどのように機能的、効率的になっているかを調べ、粘菌の輸送管ネットワークの適応機構の解明を目指した。真栄養分摂取効率,エサ探索効率,エネルギー消費量,栄養分輸送効率などの指標を計測した結果、正粘菌変形体は、各環境毎に最も適応した輸送管ネットワーク形態をとっていることが明らかとなった。

  • 真正粘菌のネットワーク幾何と生物としての機能発現

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 特定領域研究

    研究期間:

    2006年
    -
    2007年
     

    高松 敦子, 加川 友己

     概要を見る

    振動しながら環境中をはい回るアメーバ様の単細胞生物、真正粘菌(Physarun polycephalum)変形体は、環境に応じてその形態を動的に変化させる。変形体の部分間は管状構造で結ばれており、その内部には原形質の流れが観察され細胞内物質や栄養分を運んでいるる。変形体の振動している各部分を振動子(あるいはノード)、ノード間を結ぶ管状構造をリンクと定義して、変形体全体をネットワークとして捉えることができる。興味深いことに、この細胞は環境の状況に応じてその形態(管状構造ネットワークの形態)と振動周期が著しく変化する。この環境依存の形態変化は一種の適応行動と見て取ることができる。
    本研究では、形態の動的な変化はこの細胞にどのように利益をもたらすのかを探るために、各環境における形態の特徴の解析と振動の時空間パターンを解析した。次に、変形体の管状構造ネットワークの形態に着目し、実験結果からネットワーク・トポロジーの特徴抽出を行った。実験結果解析で明らかにされたネットワーク・トポロジーに基づき結合セルモデルによるネットワーク形態依存の同期現象について解析し、最後に、ネットワーク形成モデルの提案を行い、非常に簡単な局所ルールだけで複雑なネットワークが生成できることが示した。これらの実験・モデル解析による構成論的手法により生物のネットワーク幾何と生物機能の関係について考察を行った。今後は、これらの実験事実に基づき、要素集合系の環境依存形態変化による適応行動のアルゴリズムの抽出を目指す。

  • 生物型結合振動子系に見られる複数アトラクター間の制御

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 基盤研究(C)

    研究期間:

    2005年
    -
    2006年
     

    高松 敦子, 加川 友己

     概要を見る

    本研究は、振動性の細胞である真正粘菌変形体細胞で構築した結合振動子系に見られる時空間パターンの遷移現象のダイナミクス解析を目的としている。
    平成17年度では、これまでに研究代表者らが見出した遷移現象について、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。
    また、複数見られる時空間振動の各パターンが生じるメカニズムを調べるために、数理モデルの構築に着手した。これまでの研究で位相方程式というシンプルな結合振動子モデルを想定してきたが、このモデルでは1つの安定な振動パターンしか得られない。そこで、真正粘菌細胞の振動は細胞の収縮弛緩によって引き起こされることから、系全体に原形質量保存則を適用したモデルを考案した。その結果、例えば、2振動子系、3振動子系で見られた全てのパターンを再現することができた。
    平成18年度では、遷移現象の背後のメカニズムを知るために各パターンに留まる滞在時間の分布を詳細に調べ、ガンマ分布(複数のボアソン過程から生じる分布)をベースとしたものであることを見出した。この結果から、背後にある力学系として次のような描像が得られる。結合強度を制御パラメータとした分岐構造があり、それらは多重の準安定状態にある。真正粘菌を始めとした生物系は常に内外ノイズにさらされており、分岐前後の近傍ではノイズによって多重準安定状態間を跳ばされてガンマ分布を形成していると考えられる。真正粘菌のエサ探索時にはランダムな時空間パターンが現れるが、このような機構を利用して固定化した行動ではなく自発行動が可能となると考えられる。これらの実験結果を踏まえた遷移現象のモデル化については今後の課題である。

  • 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

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 奨励研究(A)

    研究期間:

    2000年
    -
    2001年
     

    高松 敦子

     概要を見る

    真正粘菌変形体は、アメーバ様の単細胞生物であり、様々な振動現象を示す。本研究の目的は、真正粘菌変形体を用いて、生きたままの状態で結合振動子系を構築し、粘菌における非線形振動子集団のダイナミクスを調べることにある。
    これまでの研究で、申請者は2つの粘菌振動子が結合した系を構築してきた。この研究では、この方法を多数の振動子の結合系に拡張し、粘菌を2次元上にパターニングする方法を検討した。その結果、マイクロ加工技術の1つである、フォトリソグラフィーの方法を用いることで、粘菌結合振動子間の結合強度をシステマティックに制御できることがわかった。
    また、この粘菌結合振動子系を用いて外部刺激を入力しその応答を調べることで、非線形ダイナミクスに関して様々な知見を得られることが期待される。本年度の研究では、刺激入力方法として光り刺激による方法を検討した。光刺激は、コンピュータで光りの強弱を空間的にパターニングしたものをデジタルプロジェクタを用いて、粘菌試料に投射して与えた。その結果、光パターンに応じて粘菌の移動行動が観察された。よって、本研究により、このようなセットアップでの光刺激入力が粘菌結合振動子系においても有効であることが確認された。さらに、この刺激入力方法によって、生きた粘菌結合振動子系における刺激応答を観察し、非線形ダイナミクスを検討していくことが、今後の課題である。

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特定課題研究

  • 細胞接着-ファイバーモデルを用いた細胞の形態と運動性の多様性の解析

    2021年  

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    MDCKというイヌ腎臓尿細管上皮細胞由来の細胞を、ポリスチレン・シャーレに播種しタイムラプス観察すると、同一の遺伝子型を持つにも係わらず、自発的に多様な形態と運動性を示し、さらには、これらの多様な細胞形状間を遷移することを見出している。そこで、我々は、細胞を、基質への接着斑とその間を結ぶファイバーだけで構成される単純な数理モデルを構築した。本研究では、細胞がなぜ、多様性を持ち、遷移可能なのか、本モデルを用いて数値シミュレーションによって解析を進めた。その結果、実験で頻度高く観察された形状が、モデル方程式の安定解に対応しており、接着斑の確率的な接着・脱離過程が遷移現象を誘導していることがわかった。

  • 真正粘菌変形体輸送管ネットワークのスケール則

    2020年  

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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&lt;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年  

     概要を見る

    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&lt;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年  

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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年  

     概要を見る

    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。

 

現在担当している科目

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