【研究分野】解析学基礎

【研究領域課題番号】16K05214 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

腫瘍浸潤モデル / 非局所項 / 生体モデル / 偏微分方程式 / コンピュータシミュレーション / 解の存在と挙動 / 走化性方程式 / 非線形発展方程式 / 数理モデル / 腫瘍浸潤現象 / シミュレーション / ケラージーゲル系 / 一般化された微分作用素 / 解の挙動 / Nカドヘリン / 解析学 / 数理生物 / 腫瘍 / 自己組織化

【研究成果の概要】

M.Chaplainらによる非局所腫瘍浸潤モデルにおいて抽象的に与えられた非局所項について適切な数学的枠組みを設定しその特徴づけと、滑らかな時間大域解の存在及び解の挙動を示した。非局所項における定義域の不整合がChaplainら自身によって修正され、それを用いて定義域の拡張を行い特異積分作用素等に類似した一般化された微分作用素として捉え、モデルのエネルギー評価式を導き、上記の結果を得ることで、モデルとして及び数学的な妥当性を保証することに成功した。
モデルの妥当性の根拠として、彼らは非局所項のテイラー展開を用いたが、彼らの数学解析ではこれに必要な解の滑らかさは得られず、ここが困難点となっていた。

【研究の社会的意義】

がんや腫瘍の特定と治療は早急に克服すべき人類最大の課題の一つである。そのため腫瘍の発現や発達のメカニズムの解明は急務であろう。しかしこれらの多くは数学的に新しい問題を内在しているが、その数理モデルの導出原理や方程式の理論解析が十分とはいえない。本課題研究では生命科学で重要な研究対象である「腫瘍」の数理モデルの数学解析と医学への応用について研究する。そのため十分な説得力をもつ非局所腫瘍浸潤モデルを取り上げ、適切な数学的枠組みを与え、滑らかな時間大域解の存在とその漸近挙動を示した。これはモデルとシミュレーションの妥当性を保証し、測定不可能な腫瘍侵潤部分、進行速度の特定など医学への貢献が期待される。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)

【研究分野】固体地球惑星物理学

【研究領域課題番号】26400444 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

地震 / 深発地震 / 異常震域 / MOW / 地震波伝播シミュレーション / 太平洋プレート / 差分法 / シミュレーション / 地震波 / 地震波伝播 / スラブ内地震 / 数値シミュレーション / 強震動 / プレート内地震 / コンピュータシミュレーション

【研究成果の概要】

日本海下で起きる深発地震の広帯域地震波形を調査し、深さ400 km以深の地震においてS波初動部の波形が変化し、低周波数の先駆波が見られることを明らかにした。これをスラブ内部に相転移遅れにより生じた薄い、くさび形状の低速度層（MOW）によるものと考え、2010年２月12日に発生したウラジオストックの深発地震（578 km, Mw6.8）の地震波形を差分法に基づき計算し、MOWの存在を確認するとともに、その物性（低速度異常）を明確化した。スラブ深部のMOWは、周波数2-４Hzの地震波をスラブ上部に向け強く放射することで、MOWが無い場合の３倍の導波効果を生み出していることを確認した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)

【研究分野】生命・健康・医療情報学

【研究領域課題番号】25330356 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

リウマチ / シミュレーション / F759マウス / 炎症アンプ / IL-6 / NFkB / コンピュータシミュレーション / 滑膜細胞 / Th17 / マクロファージ

【研究成果の概要】

リウマチ発症のモデルを題材に、細胞内反応と細胞群の挙動を同時に計算して体内での変化を計算する手法を確立した。滑膜細胞内の炎症アンプと呼ばれるIL-6/STAT3の伝達経路とIL-17/NFkBの伝達経路からなる細胞内反応系をモデル化し、ケモカインで誘引されるmacrophageとTh17が血管から関節に侵入して炎症アンプを活性化する過程をモデル化した。F759マウスと呼ばれるIL-6レセプタの突然変異マウスの挙動を再現し、IL-6の産生について培養細胞の実験結果と比較した。sensitivity analylsisにより、炎症アンプの内、IL-6/STAT3の方が重要であることが示唆された。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)

【研究分野】スポーツ科学

【研究領域課題番号】22500568 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

野球 / 投球速度 / 拮抗筋活動 / ボール速度 / 体幹近位 / 動作分析 / コンピュータシミュレーション / 投球 / シミュレーション

【研究成果の概要】

野球の投球のボールリリース直前に肩関節や肘関節の運動にブレーキをかけると、ボール速度が増すという考えがある。この研究の目的は、そのようなことが起こりうるのかをコンピュータシミュレーションを用いて調べる事である。ヒトの上半身、投球腕とボールからなるモデルをコンピュータ内で作り、それを用いての投球運動中に上述のブレーキをかけたが、ボール速度が増すことはなかった。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)

【研究分野】胸部外科学

【研究領域課題番号】21591823 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

凍結療法 / 肺がん / 転移性肺腫瘍 / 癌の低侵襲治療 / コンピュータシミュレーション / 3次元モデル / コンピュータシュミレーシヨン / 肺癌 / コンピュータシュミレーション / シミュレーション / コンピュータ支援システム

【研究成果の概要】

動物実験データから凍結治療時の肺内の熱分布の理論式を作成した。次に凍結実験を行った動物肺のCT画像と病理標本およびその時の温度分布から実際の臨床でCT画面上に現れる陰影と、動物実験から得られる理論地との補正を可能にした。
以上により至適な端子の刺入方向と留置位置を事前に描出するコンピュータ支援システムが構築する基礎データが揃った。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2009 - 2011

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】生体生命情報学

【研究領域課題番号】18700290 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

コンピュータ・シミュレーション / 心筋細胞 / 発生過程 / 遺伝子発現 / 数理モデル / システム生物学 / シミュレーション / E-Cell / 発生 / 遺伝的アルゴリズム

【研究成果の概要】

複雑な多細胞生物は、さまざまな遺伝子発現パターンによって、ひとつのゲノム情報から多彩な機能を持つ細胞を発生・分化させている。近年、生物個体を構成する空間的・時間的な発現パターンのプロファイルが大量に獲得されているが、それぞれの発現パターンの機能的意義は必ずしも明らかではない。本研究では、心筋細胞の発生過程の連続的なモデリングに取り組んだ。すでに構築していた胎生初期、胎生後期、新生仔期、成体の4段階のモデルを結ぶ中間部分のモデル化を試みた。その過程で、より妥当な発生経路を同定するために、心筋細胞がおかれている環境 (外的拘束)だけでなく、遺伝子発現量を決定する発現調節システム(内的拘束)についても考慮することが有用であるとの洞察を得た。真核生物に特徴的な発現調節システムによって、実現可能なデザインは大きな制約を受けていると思われる。内的拘束に基づいて心筋細胞が存在可能な状態空間を限定し、その上で外的拘束に基づき現実に心筋細胞が発生過程とともに推移する状態の軌跡を同定することを試み、内的拘束の数理モデルを構築した。こうした試みは、さまざまな生命システムのデザインが、どの程度の必然性をもって成立しているかを探る上で有用となるものである。心筋細胞の発生過程という時間に沿った変化のモデル化と平行し、空間に沿った変化のモデル化にも取り込んだ。対象には空間的な発現パターンの不均質性を持つ肝小葉のアンモニア代謝を選択し、髪歯類の肝臓に見られる部位特異的な遺伝子発現調節が、アンモニア代謝のエネルギー効率向上に寄与している可能性を示した。今後、これらの探究を展開することにより、各対象についての個別の理解を得るとともに、遺伝子発現パターンの多様性によって構成される高次生命現象が持つ共通の特徴の抽出を試みる。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2006 - 2007

【配分額】3,700千円 (直接経費: 3,700千円)

【研究分野】医用生体工学・生体材料学

【研究領域課題番号】12308046 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

不整脈 / コンピュータシミュレーション / Spiral Reentry / LR2次元 / 光学的心筋細胞膜活動電位マッピングシステム / 電気刺激に対する心臓全体の応答 / 心筋二次元標本 / Spiral Reentryのダイナミクス / Siral Reentry / LR2次元バイドメイン仮想心室筋モデル / 心室細動電気的除細動メカニズム / Siral Reentr のダイナミクス / M細胞 / 広領域心臓活動電位計測 / 機能的ブロックライン / 心筋細胞膜活動電位光学マッピングシステム / シミュレーション / LRモデル / スーパーコンピュータ / 心臓の興奮伝播の可視化 / 高速DVCR / 抗不整脈薬

【研究成果の概要】

本研究では、コンピュータシミュレーション技術を応用し、不整脈発生時の心臓興奮伝播や関連現象を解析するとともに、心筋細胞膜活動電位計測システムを開発し、実験的に発生したSpiral Reentryを観察してシミュレーション結果と比較するべく、以下の研究を行った。(1)心筋活動電位モデルによるシミュレーションと心臓興奮伝播の可視化:単位心筋をLRモデルによる微分方程式で記述し、スーパーコンピュータで不整脈のシミュレーションを実施した。またSpiral Wave理論に基づき心臓興奮伝播を再現し、ワークステーション上でCG手法による動画像表現での可視化に成功した。(2)光学的心筋細胞膜活動電位マッピングシステムの開発と光信号の解析による電気刺激に対する心臓全体の応答の検討:膜電位感受性色素Di-4-ANEPPSで染色したウサギのLangendorff灌流心の膜電位伝播の様子を観察可能とするため、高速度ディジタルビデオカメラ(DVCR)を用いて高分解能光学マッピングシステムを開発した。また2台のDVCRにより、広領域心臓活動電位の計測を可能とした。これによる光学マッピング下に電気刺激を与え、光信号の解析により、電気刺激に対する心臓全体の応答を詳細に検討することができた。さらに仮想電極の発生や任意条件で任意個所を刺激可能とする刺激系の作製などにより、伝導系に異常を生じた心臓に光信号のフィードバックで脈を発生することを可能ならしめた。(3)ウサギ灌流心標本のSpiral Reentryのダイナミクスと活動電位の関係や抗不整脈薬の作用についての検討:光学マッピングシステムを用い、ウサギ灌流心二次元標本のSpiral Reentryについて、興奮旋回のダイナミクスと活動電位波形との変化や抗不整脈薬作用の面から検討した。その結果、心室筋Spiral Reentryのダイナミクスは、(1)興奮波前面と終末部との相互作用、(2)興奮前面の曲率による効果、および(3)心筋構築の異方性により規定されることが判明した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2000 - 2002

【配分額】33,160千円 (直接経費: 28,300千円、間接経費: 4,860千円)

【研究分野】経営学

【研究領域課題番号】09630111 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

組織生態学 / 組織内エコロジー / エージェント・ベースト・モデル / 組織学習 / 組織ルーチン / 複雑系 / コンピュータ・シミュレーション / コミュニケーション競争モデル / エコロジカル・モデル / マルチ・エージェント / 学習曲線 / ゲートキーパー / 製品開発論 / 生態学的モデル / シミュレーション / 組織間関係 / 生存時間解析 / マルチエージェント / 意思決定原理 / 未来傾斜原理 / 終身コミットメント / 生態学モデル / 組織学習モデル / 組織慣性

【研究成果の概要】

この研究計画では、生態学的なシミュレーションを使って、さまざまな角度から組織現象の分析を試みている。
まず、組織学習を組織内エコロジーとして定式化したJ.G.Marchのシミュレーション・モデルの欠陥と結論の誤りを指摘しつつ、これを再構築している。組織学習とは組織内エコロジーによる組織の適応プロセスであり、組織学習のパフォーマンス向上のためには、組織ルーチンの持続性がある程度必要なのである。同時に、主要研究を、組織学習とはどんな組織プロセスなのか、学習するのが個人ではなくて組織であるとは何を意味しているのかといった観点から整理を試み、組織ルーチンは、個人の手続的記憶を要素としたシステムで、この個人記憶が置き換えられても、要素間の関係パターンについては持続性が生き残り続けるような性質をもっていることを明らかにしている。
さらに、複雑系(complexity)の分野を象徴するエージェント・ベースド・シミュレーション(agent-based simulation)を使った分析が試みられる。ここでいうエージェントとは、ユーザの設定したルールに基づいてコンピュータ上で行動する主体を指している。マルチ・エージェント型ではエージェントが複数いて、そのエージェント同士が互いに影響を与え合うことになるので、ルール自体は簡単なものでも、個別エージェントの行動を積み上げた全体では予測できない複雑な動きをすることになる。この研究では、エージェントがより多くの「アイデア」とコミュニケートできるようなポジションを求めて競争する「コミュニケーショイ競争モデル」を開発し、クラスターがどのように形成されるのかをシミュレーションで分析する。イノベーションの分野でよく言及されるT.Allenのゲートキーパーに対応した「大きな」エージェントの機能については特に詳しく調べている。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1997 - 2000

【配分額】3,400千円 (直接経費: 3,400千円)

【研究分野】社会システム工学

【研究領域課題番号】05558040 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バーチャルリアリティ(VR) / 安全空間 / 避難 / 人間行動 / コンピュータグラフィクス(CG) / コンピュータシミュレーション / 火事 / 迷路 / 避難行動 / シミュレーション

【研究成果の概要】

平成5〜6年度の2年間で,バーチャルリアリティ(VR)を用いた安全空間設計シミュレータの開発を目的として,迷路内の人間の避難行動実験を対象としたVRシミュレーションシステムを構築した.そして以下に示すように,実迷路を用いた被験者実験とVRシミュレーションの比較から,VR実験の再現性と防災上の訓練効果を確認した.
(1)VRシステムの完成:CGを用いて作成した仮想空間を閉空間とする人間行動解析用のVRアプリケーションソフトおよび行動軌跡追跡ソフトの完成.
(2)VRシステムを用いた迷路実験の再現:平成5年度に作成した避難空間を基に,迷路内照明・ドアの開閉,壁・天井・床などの質感の向上などの問題を解決し,平成6年度には,より実際に近い避難環境を再現した.
(3)実迷路を用いた実験とVR実験との比較研究:東京消防庁池袋防災センター内にある煙体験コーナーの迷路を用いて被験者実験を行い,VRシステムの再現性の確認と防災訓練上の効果を検証した.すなわち,「実迷路のみを用いて避難行動をするグループ」「VR訓練(自分でVR操作する+VR画像のみの訓練)を受けた後に実迷路で避難行動をするグループ」「迷路の平面図を見た後に実迷路で避難行動をするグループ」に分けて,避難行動実験を行った.そして,実迷路を用いた避難行動とVRシニュレーション結果を比較することにより,VR空間での人間行動の再現性とVRによる擬似体験の防災訓練上の有効性を確認した.
(4)より汎用性のある安全空間設計シミュレータ開発に向けた問題点のまとめと提言:上記(1),(2)、(3)によって行った実験並びにVRシミュレーション結果を検討・分析し,まとめた.また研究を通して浮かび上げってきた問題点を整理し,本研究で開発したシミュレーションシステムの今後の課題と展望を検討した.

【研究種目】試験研究(B)

【研究期間】1993 - 1994

【配分額】9,600千円 (直接経費: 9,600千円)