Members

研究テーマ：蜘蛛の巣の画像データからの力学パラメータ推定と損傷応答解析御

研究テーマ：空間周期的な機械刺激に対する真正粘菌変形体の記憶

真正粘菌変形体（Physarum polycephalum）は忌避物質による空間周期的な化学刺激を受けると、刺激を与えていない仮想刺激区間でも、刺激時と同様の速度低下を示すことがある。このことから、真正粘菌変形体は空間周期的な化学刺激の周期を記憶したと考えることができる。そこで私の研究では、真正粘菌変形体が物理的な障害物による空間周期的な機械刺激の周期を記憶するのかについて調べている。具体的には、等間隔に3つの障害物が付いたレーン上で真正粘菌変形体を伸展させると、障害物を乗り越える際に伸展速度は低下する。そして、障害物を配置していない仮想刺激区間において、刺激区間と同一周期の地点で自発的な速度低下を示すのかについて調べるという実験を行なっている。また、粘菌内部で行われている振動が、刺激によってどのような影響を及ぼされるのかについても調べている。

研究テーマ：細胞集団と単細胞の動態を統合的に表現する Vertex–PF モデルの構築

創傷治癒や組織形成と言った生物学的プロセスにおいて、細胞の挙動は重要な役割を果たすことが知られている。しかし、細胞の実験や観察だけでは細胞や細胞集団の挙動の全てを明らかにすることはできない。そこで、高松研究室では数理モデルを用いた細胞や細胞集団の解析を行なっている。本研究では、細胞組織の挙動を表現することに長けているVertex モデルと、細胞単個体の運動や形態を表現することに長けている粒子-ファイバーモデル(Particle-Fiber モデル)の二つを融合した、細胞組織内部の細胞単個体の運動や形態を表現できるVertex-PFモデルの構築を行っている。この数理モデルを用いた解析で、生物学的プロセスの解明につながることを期待している。

研究テーマ：コラーゲン基質上における細胞挙動の解析に向けた基質-粒子-ファイバーモデル構築

細胞の運動および形態変化は，細胞-細胞外基質間の関係が密接に関係している．しかし，現在高松研で用いられている単細胞運動再現モデルである粒子-ファイバーモデル(Particle FIber Model, PF-Model)には細胞外基質濃度の変化に対応する機構が組み込まれていない．よって本研究では，実際の細胞外基質環境に近く，細胞–基質相互作用の解析において広く用いられるコラーゲン基質上の細胞を想定し，基質条件の変化に対応可能なモデルの構築を目指している．具体的には，細胞の多様な運動や形態を表現できる粒子–ファイバーモデルに基質依存性に対応する機構を導入し，基質濃度を変化させた場合の細胞の挙動及びコラーゲン基質上に見られる特有の運動・形態分布が数理モデルで再現可能かを検証している．

研究テーマ：粘菌にゲームをさせる

私の研究テーマは、単細胞生物である真正粘菌に「ゲーム」を行わせ、その情報処理の仕組みを明らかにすることです。
　本研究は、培養ニューロンに電気刺激を与えてビデオゲーム『Pong』を学習させたKaganらの先行研究から着想を得ており、同様のことが高い学習能力を持つ粘菌でも可能ではないかという仮説のもと進めています。ニューロンの実験では電気刺激を用いたのに対し、本研究では光刺激を用いて実験を行います。現段階では、寒天培地上を進む粘菌の先端座標や成長速度を正確かつ自動で測定・観察するため、産業カメラをPythonで制御し、リアルタイムに取得した先端座標に対して的確にプロジェクターの光を当てる自動追従システムを1から構築しています。
　今後は、自作したこのシステムを用いて粘菌の具体的な挙動と光刺激に対する応答を定量的に明らかにし、脳を持たない単細胞生物における学習能力の根源を解明したいと考えています。
【参考文献】
Kagan, B. J., et al. (2022). In vitro neurons learn and exhibit sentience when embodied in a simulated game-world. Neuron, 110(23), 3952-3966.

研究テーマ：運動性シアノバクテリアの双方向運動解析

生物の中には対称的な構造を持ちながら非対称的な運動を可能とする生物が存在する。私の研究では対称性が崩れ、非対称な運動が発生するメカニズムについて数理モデルを用いて解析し、新たな仮説を得ることを目的としている。
研究対象であるPseudanabaena NIES-4403（以下Pseudanabaena）は運動機構について明らかになっていないが、線毛様構造物(以下線毛)を持つことがわかっている。Pseudanabaenaはこの線毛を伸長し、先端を基質に付着させ、収縮することで、細胞を牽引していると考えられている。また、Pseudanabaenaには運動に前後がなく、双方向に細胞の長軸に沿った運動を行うことが明らかになっている。私の研究ではPseudanabaenaの運動機構を模した数理モデルを構築し、解析や確率シミュレーションにより双方向運動が生まれるメカニズムについて考える。

研究テーマ：化学的忌避環境における新正粘菌変形体の振る舞いについて

新正粘菌変形体（以下、粘菌）は、周期的に厚くなったり薄くなったりする厚み振動を行っている。この振動によって体内に原形質流動が生じ、粘菌は進展する。また、この進展の様子は、誘引物質が存在する環境と忌避物質が存在する環境で異なる。
本研究では、異なる化学的忌避刺激に対して、粘菌の内部でどのような動きの違いが生じるのかを比較する。
具体的には、代表的な忌避物質である塩化カリウムおよびキニーネを含む寒天培地のレーン上を粘菌が進展する様子を撮影・分析する。分析においては、進展時の形態の分析に加えて厚み振動解析も行う。同じ化学的忌避刺激でありながら、塩化カリウムは塩、キニーネは苦味物質という異なる性質をもつ。それぞれに対する粘菌の応答を比較することで、化学刺激の違いと粘菌内部の動きとの関係を明らかにすることを目指す。

研究テーマ：トレードオフ環境が引き出すシアノバクテリアの集団行動

私の研究では、鎖状の形態を持つ運動性シアノバクテリア Pseudanabaena NIES-4403 を対象とし、物理的障壁と必須塩濃度の偏りが混在する「トレードオフ環境」下での集団の意思決定メカニズムを解明することを目的としています。 具体的には、3Dプリンターで作製したY字型マイクロ流路内に、「高塩濃度だが障害物が密集する険しい経路」と「低塩濃度だが障害物のない平坦な経路」を設けます。この流路内にシアノバクテリアを導入し、分岐点における経路の選択率や、集団規模の違いが障害物エリアの突破率に与える影響を観察・解析します。 本研究を通じて、物理的負荷と化学的報酬のバランスから、生物の環境適応戦略について新たな知見を得ることを目指しています。 

研究テーマ：複合刺激に対する真正粘菌変形体の連想記憶

Physarum polycephalum（真正粘菌変形体）は、周期的な温度変化や湿度変化などの刺激を繰り返し与えると、刺激を与えていない仮想刺激区間においても、刺激時と同様の速度低下を示すことが知られている。このことから、真正粘菌変形体は刺激の周期性を記憶していると考えられている。そこで私の研究では、真正粘菌変形体が異なる種類の刺激を関連付けて記憶する「連想記憶」を持つのかについて調べている。
具体的には、温度刺激と湿度刺激のような異なる刺激を一定の順序で繰り返し与え、その後に片方の刺激のみを与えた際、もう一方の刺激を受けた時と同様の行動変化を示すかを観察している。
この研究を通して、脳や神経系を持たない単細胞生物が、どのように環境情報を統合し、過去の経験を利用して行動を変化させるのかを明らかにすることを目指している。

研究テーマ：創傷治癒における細胞集団運動のPIV解析

上皮組織において傷空間が生じると、それを修復しようと細胞集団が協調的に移動する創傷治癒が起こる。私の研究では、この創傷治癒過程における細胞集団運動の力学的特徴を明らかにするため、流れ場の速度ベクトルを計測するPIV(Particle Image Velocimetry)解析を用いて細胞の運動を評価する。PIV解析から得られる速度や方向性などの指標を用いて、創傷縁から後方へ広がる力学的な影響を推定する。この解析により、創傷治癒に伴う細胞集団運動の特徴を定量的に把握し、その力学的メカニズムの理解を深めることを目的とする。さらに、本研究で得られる集団レベルの運動データは、核染色を用いた個細胞速度解析との比較に向けた基盤の情報としても有用であると期待される。

研究テーマ：基質硬度及び集団サイズの違いに応じた細胞集団の移動速度解析

イヌ腎臓尿細管上皮細胞由来の細胞（MDCK細胞）を用いて細胞集団の運動性について研究を行なっています。具体的には、異なる硬度の培地においてサイズが異なる細胞集団の運動の様子を観察・解析し、基質硬度・集団サイズの違いによって運動性がどのように変化するのかについて調べています。

研究テーマ：温湿度による周期的な刺激に応じた粘菌の応答分析

真正粘菌変形体（Physarum polycephalum）は温湿度による周期的な忌避刺激を受けると、刺激を与えていないタイミングでも、周期的な刺激を受けることを予測したかのように刺激時と同様の振る舞いを示すことがある。そこで、わたしは温湿度による刺激を周期を変えて与えることで、粘菌がどのような応答を示すかを解析する。