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研究概要

生物は新規な状況や予測不能な環境において柔軟かつ多様な行動を示す。近年における分子生物学の発展にも関わらず、このようなの適応的行動の発現メカニズムはいまだ謎に包まれたままである。一方、このような生物特性の一般原理の本質的理解は、災害現場で実際に動けるロボットの実現を含む幅広い分野への応用が期待されている。私は数理モデリングを柱とする理論的研究と生物の行動学的実験研究の両面からこの問題に取り組んでいる。具体的項目は以下の通りである。

  1. 這行ロコモーションにおける共通力学と動的な歩容生成の研究
  2. ゾウリムシ等の繊毛虫が示す新規環境における適応行動とそのメカニズムの研究
  3. 真正粘菌変形体を用いた細胞運動や輸送ネットワーク形成の研究
  4. 脳海馬におけるエピソード記憶とカントールコーディング仮説 
  5. 体内時計の研究を支援する動画像解析プログラムの開発

研究内容の詳細

  • 這行ロコモーションにおける共通力学と動的な歩容生成の研究

  • 無脊椎動物における主要な移動方法である這行(しゃこう;這う移動)は多数の移動器官を時空間的に協調させることによって実現される移動方法であり、生物における自律分散制御の実態を明らかにする好材料である。我々は多足類(ムカデ等)の脚式這行および腹足類(カタツムリ等)や環形動物(ミミズ等)の示す非脚式這行について、力学的数理モデリングと高速撮影した動画の独自解析の両面から、その共通メカニズムを明らかにすると共に、非脚式這行から脚式這行への進化について新たな仮説を提示した。また、ロボット研究者(CREST)とロボットへの応用について端緒を開いた。
    1. 黒田茂, 田中良己, 中垣俊之 (2015)  脚式と非脚式の這行ロコモーションにおける運動モードスイッチングの共通力学",  計測と制御, 54, 248-253, 2015 (pdf in J-STAGE) (pdf in HUSCUP)
    2. Kuroda,S., Tanaka,Y., Kunita,I.,  Ishiguro,A., Kobayashi,R., Nakagaki,T.,  (2014) Common mechanics of mode switching in locomotion of limbless and legged animals, J. R. Soc. Interface, 11: 20140205 (link to the abstract) (eprint in HUSCUP

    • ゾウリムシ等の繊毛虫が示す新規環境における適応行動とそのメカニズムの研究
    ゾウリムシなどの単細胞繊毛虫は泳ぐ神経細胞と呼ばれ、生物における感覚・情報処理・運動の間の密接な関係を明らかにする好材料である。これまで我々は様々にデザインされた狭小空間を用いて、このような原始的な生物がもつ新規な適応行動や空間記憶能力を発見してきた。また生理学的知見をもとに数理モデルを構築し、そのメカニズムの解明を行っている。
      1. Kuroda,S., Takagi,S., Saegusa,T., Nakagaki,T., (2017) Physical ethology of unicellular organism, In Brain Evolution by Design (eds. Shigeno,S., Murakami,Y. Nomura,T) (Springer, New York) (http://www.springer.com/us/book/9784431564676)
      2. Kunita,I., Yamaguchi,T., Tero,A., Akiyama,M., Kuroda,S., Nakagaki,T. (2016) "A ciliate memorizes the geometry of a swimming arena", J. R. Soc. Interface, 13: 20160155 (http://rsif.royalsocietypublishing.org/content/13/118/20160155)
      3. Kunita,I., Kuorda,S., Ohki,K., Nakagaki,T., (2014) Attempts to retreat from a dead-ended long capillary by backward swimming in Paramecium, Frontiers in microbiology, 5, 270,  doi:10.3389/fmicb.2014.00270   (eprint in HUSCUP)
    • 真正粘菌変形体を用いた細胞運動や輸送ネットワーク形成の研究
    細胞のアメーバ様運動や多細胞生物の輸送ネットワーク形成のメカニズムを解明するための研究を、巨大な単細胞生物である真正粘菌変形体を用いて行った。これまで、自由運動中の真正粘菌変形体を用いて、細胞の大きさ、形状、伸展速度および原形質流動周期の間に成り立つスケーリング則の存在などを実験的に明らかにした。また、更に得られた知見に基づき数理モデルを構築し、そのメカニズムの解明を行っている。

      1. Akita,D.. Kunita,I. Fricker,M.D., Kuroda,S., Sato,K., Nakagaki,T. (2016) Experimental models for Murray's Law, J. Phys. D: Appl. Phys., 50,  024001 (11pp) (link to paper)
      2. Kuroda,S., Takagi,S., Nakagaki,T., Ueda,T. (2015) "Allometry in Physarum plasmodium during free locomotion : Size versus shape, speed and rhythm", The Journal of Experimental Biology, 218. 3729-3738. doi: 10.1242/jeb.124354  (http://jeb.biologists.org/content/218/23/3729)  (pdf in HUSCUP)

    • 脳海馬におけるエピソード記憶とカントールコーディング仮説 
    脳の部分領域である海馬はエピソード記憶生成に必須の部位として知られている。我々は力学系理論における情報論的考察(歪積変換の統計的性質と幾何学的性質)と当該脳部位の神経生理学的知見を照らし合わせて海馬の数理モデルを構築し、海馬において経験履歴情報がフラクタル集合上への動的コーディングされる可能性を提起した。更に、神経生理学者との共同研究を行い実験的に(in vitro) でこれを検証した。

      1. Yamaguti, Y., Kuroda, S., Fukushima, Y., Tsukada, M., Tsuda, I. (2010) A mathematical model for Cantor coding in the hippocampus. Neural Networks 24, 43--53 (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0893608010001577)
      2. Kuroda, S., Fukushima, Y., Yamaguti, Y., Tsukada, M.,Tsuda, I. (2009) Iterated function systems in the hippocampal CA1.  Cognitive Neurodynamics 3, 205--222.(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2727166/)   Erratum of KurodaS-ETAL:2009
      3. Fukushima, Y., Tsukada, M., Tsuda, I., Yamaguti, Y., Kuroda, S. (2007) Spatial clustering property and its self-similarity in membrane potentials of hippocampal CA1 pyramidal neurons for a spatio-temporal input sequence. Cognitive Neurodynamics 1, 305--316. (http://www.springerlink.com/content/j5456q2832127543/)
      4. Tsuda, I., Kuroda, S. (2004) A complex systems approach to an interpretation of dynamic brain activity II : Does Cantor coding provide a dynamic model for the formation of episodic memory. Lecture Notes in Computer Science 3146, 129--139. (http://www.springerlink.com/content/3l1ruahvejpknmge/)
      5. Tsuda, I., Kuroda, S. (2001) Cantor coding in the hippocampus. Japan journal of industrial and applied mathematics 18, 249--281.DOI:10.13140/2.1.4878.8480  (eprint in HUSCUP(http://link.springer.com/article/10.1007/BF03168573)
    • 体内時計の研究を支援する動画像解析プログラムの開発
    視交叉上核におけるカルシウム濃度, 数種の遺伝子発現の時空間ダイナミクスにおける周期構造を解析する動画像処理プログラムを独自に開発し、サーカディアンリズムを生み出す神経核の活動に大きな空間的異方性が存在することを明らかにした。(北大医学部時間生理学講座との共同研究)

      1. Yoshikawa,T., Inagaki,N., Takagi,S., Kuroda,S., Yamasaki,M., Watanabe,M., Honma,S., Honma,K.-I. (2017) Localization of Photoperiod Responsive Circadian Oscillators in the Mouse Suprachiasmatic Nucleus, Scientific reports 7:8210 (13pp) (Published on 2017.8.15)
        1. Ono,D., Honma,S., Nakajima,Y., Kuroda,S., Enoki,R., Honma,K., (2017) Dissociation of Per1 and Bmal1 circadian rhythms in the suprachiasmatic nucleus in parallel with behavioral outputs, PNAS, doi:10.1073/pnas.1613374114 (published on 2017.4.17) (プレス発表)
        2. Enoki,R. and Ono,D. and Kuroda,S. and Honma,S. and Honma,K-I. (2017) Dual origins of intracellular circadian calcium rhythm in the suprachiasmatic nucleus, Scientific Reports 7, 41733 (link to paper) (published on 2017.2.3)
        3. Enoki, R., Kuroda, S., Ono, D., Hasan, M. T., Honma, S., Ueda, T., Honma, K.(2012) Topological specificity and hierarchical network of the circadian calcium rhythm in the suprachiasmatic nucleus, PNAS, 109:21498-503, doi:10.1073/pnas.1214415110(http://www.pnas.org/content/early/2012/12
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