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研究について
生き物の賢さは一体どのようにして生み出されるのでしょうか？ 生命システム特有の情報処理のしくみは、古代ギリシャ時代から今日に至るまで、その時代の学問を総動員して連綿と問い直されてきた手強い課題です。これに取り組むことは、基礎学問として、人間そのものの理解を深めます。生物らしい情報処理の方法を捉えることができれば、人の感性になじみの良いインターフェースをもった機械をつくるというイノベーションにもつながります。
私たちは、単細胞生物を主な対象として、生物の情報処理能力の高さを実験により評価し、さらにそのしくみをダイナミクスの観点から解明しようとしています。単純な体制を活かして、モノの運動法則から生物行動へと切り込んでいます。いわば生命情報処理の原点への探検です。そのために、理論や実験やフィールド観察を、また生物学や数学や物理学および情報科学を活用します。
研究テーマ
アメーバからヒトにいたる生命知の基本アルゴリズムの探求
ヒトにやさしい機械インターフェースの設計指針の探索
単細胞生物の行動と情報処理過程の可視化技術の開発
生物行動の多様性と柔軟性を担うダイナミクスの解明
生体システムの用不用適応則から読み解く形状と機能の最適化
バイオレオロジーによる生体運動の力学機構の解明
物理エソロジーとは
生命現象とて物理現象であろう.だとすれば、物の理から生命的なるものを解き明かすことも成立する。では、生命的なるものとは？これには、長い議論があって（たとえば古代ギリシアのアリストテレスの考察）、そしてそれはまだ進行中である（たとえば分子システム生物学や数理生物学などの比較的新しい学問が提示する生命観）。我々はより踏み込んで、物の理からエソロジーを考えたい。エソロジー（ethology）とは動物行動学のこと。ただし、対象とする生物は出来るだけ簡単なものが良いだろう。たとえば、単細胞生物である。これまで単細胞生物の行動実験は、刺激に対して寄るか逃げるかを調べるような、比較的単純なものが多かった。複雑な状況での行動、たとえば迷路解きなどは、脳をもつ生き物に限定されてきた。しかし単細胞とて、複雑な状況におかれればそれなりの判断を示すことが少しずつわかってきた。我々は単細胞生物の物理エソロジーに挑戦している。
参考書、解説等
中垣俊之 (2023) “考える粘菌 生物の知の根源を探る” (山と渓谷社)
中垣 俊之, 佐藤 勝彦, 西上 幸範, ”粘菌変形体における環境依存的な輸送ネットワーク形成”
植物科学最前線 13 151 2022年8月
大村 拓也, 西上 幸範, 市川 正敏, ”流体模型で明らかになる繊毛虫の機械受容と応答システム”生物物理 第61巻 第1号 (2021) pp. 016-019.
中垣俊之 (2010) “粘菌 その驚くべき知性” (PHPサイエンス・ワールド新書)
中垣俊之 (2013) “生命情報処理の現象数理：粘菌の迷路解き”, 三村 昌泰 (編) 「現象数理学入門」東京大学出版
中垣俊之 (2014) “粘菌 偉大なる単細胞が人類を救う” (文春新書)
黒田茂、中垣俊之 (2014) “生命現象の物理学 生物行動の運動方程式をめざして”, 日本評論社編集部(編) 「物理学ガイダンス」 189-216, 日本評論社 [誤植訂正]
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
黒田茂、國田樹(2015) “生命のリズムを取り出す”, 日本比較生理生化学会(編)「研究者が教える動物実験３（行動）」共立出版 [誤植訂正] (draft in HUSCAP)
学術論文
preprint
S. Kuroda, N. Uchida, T. Nakagaki “Dynamic gait transition in the Scolopendromorpha scolopocryptops rubiginosus L. Koch centipede”, bioRxiv 312280, (2018) DOI: 10.1101/312280 https://www.biorxiv.org/content/10.1101/312280v1.full
M. Nakajima, K. Iizuka, N. Ueki, A. Isu, K. Yoshimura, T. Nakagaki, T. Hisabori, K. Sato, K. Wakabayashi “Basis for the phototaxis sign reversal in the green alga Chlamydomonas reinhardtii studied by high-speed observation”, bioRxiv, (2020) DOI: 10.1101/2020.12.06.414052 https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.12.06.414052v1
2023年
Yukinori Nishigami, Itsuki Kunita, Katsuhiko Sato, Toshiyuki Nakagaki “Cellular Ethological Dynamics in Diorama Environments ” Journal of the Physical Society of Japan 92, 121009 2023年
Mami Nomura, Keisuke Ohta, Yukinori Nishigami, Takuro Nakayama, Kei-Ichiro Nakamura, Kenjiro Tadakuma, Josephine Galipon “Three-dimensional architecture and assembly mechanism of the egg-shaped shell in testate amoeba Paulinella micropora” Frontiers in Cell and Developmental Biology, 11, 1232685 (2023)
Takuya Chiba, Etsuko Okumura, Yukinori Nishigami, Toshiyuki Nakagaki, Takuma Sugi, Katsuhiko Sato, Caenorhabditis elegans transfers across a gap under an electric field as dispersal behavior, Current Biology, 33, 2668-2677 (2023).
Atsushi Taniguchi, Yukinori Nishigami, Hiroko Kajiura-Kobayashi, Daisuke Takao, Daisuke Tamaoki, Toshiyuki Nakagaki, Shigenori Nonaka, Seiji Sonobe, Light-sheet microscopy reveals dorsoventral asymmetric membrane dynamics of Amoeba proteus during pressure-driven locomotion,Biology Open, 12 bio059671 (2023)
2022年
Takuya Ohmura, Yukinori Nishigami, Masatoshi Ichikawa “Simple dynamics underlying the survival behaviors of ciliates” Biophysics and Physicobiology 19, e190026 2022年
Takaaki Aoki, Naoya Fujiwara, Mark Fricker, Toshiyuki Nakagaki “A model for simulating emergent patterns of cities and roads on real-world landscapes” Scientific Reports 12, 10093 2022年6月16日
Satoru Okuda, Katsuhiko Sato “Polarized interfacial tension induces collective migration of cells, as a cluster, in a 3D tissue”, Biophysical Journal 121(10) 1856-1867 2022年5月17日
Sampreeth Thayyil, Yukinori Nishigami, Md. Jahirul Islam, P. K. Hashim, Kenya Furuta, Kazuhiro Oiwa, Jian Yu, Min Yao, Toshiyuki Nakagaki, Nobuyuki Tamaoki “Dynamic control of microbial movement by photoswitchable ATP antagonists”, Chemistry – A European Journal 28 e2022008 2022年3月25日
Kenji Matsumoto, Yukinori Nishigami, Toshiyuki Nakagaki “Binocular stereo-microscopy for deforming intact amoeba”, Optics Express 30(2) 2424 2022年1月17日
2021年
Kohei Okuyama, Yukinori Nishigami, Takuya Ohmura, Masatoshi Ichikawa “Accumulation of Tetrahymena pyriformis on Interfaces”, Micromachines 12(11) 1339-1339 2021年10月30日
Takuya Ohmura, Yukinori Nishigami, Atsushi Taniguchi, Shigenori Nonaka, Takuji Ishikawa, Masatoshi Ichikawa “Near-wall rheotaxis of the ciliate Tetrahymena induced by the kinesthetic sensing of cilia”, Science Advances 7(43) abi5878 2021年10月22日
2020年
S. Maki, S. Kuroda, S. Fujiwara, S. Tanaka, E. Erzalia, M. Kato, K. Higo, T. Arata, T. Nakagaki “Thermal Conductivity and Thermal Diffusivity of Slime Mold (Physarum Polycephalum)”, Biomedical Journal of Scientific & Technical Research 31, 3, pp. 24140-24145, (2020) DOI: 10.26717/BJSTR.2020.31.005090 https://biomedres.us/fulltexts/BJSTR.MS.ID.005090.php
C. Oettmeier, T. Nakagaki, H. G. Döbereiner “Slime mold on the rise: the physics of Physarum polycephalum”, Journal of Physics D: Applied Physics 53, 310201, (2020) DOI: 10.1088/1361-6463/ab866c https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6463/ab866c/metaY. Hirata, Y. Sato, D. Faranda “Permutations uniquely identify states and unknown external forces in non-autonomous”, Chaos 30, 103103, (2020) DOI: 10.1063/5.0009450 https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0009450
D. Faranda, I. P. Castillo, O. Hulme, A. Jezequel, J. SW Lamb, Y. Sato, E. L Thompson “Asymptotic estimates of SARS-CoV-2 infection counts and their sensitivity to stochastic perturbation”, Chaos 30, 051107, (2020) DOI: 10.1063/5.0008834 https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0008834
修士学位:松本絃汰, 生命科学院, 有殻アメーバ Arcella sp. の細胞運動の力学計測
修士学位:越後谷駿, 生命科学院, 繊毛虫ソライロラッパムシの遊泳と固着の行動切替
卒業論文:神田幸輝, 理学部 生物科学科, 繊毛虫ハルテリアの高速遊泳の特徴づけ
2019
C. Gao, C. Liu, D. Schenz, X. Li, Z. Zhang, M. Jusup, Z. Wang, M. Beekman, T. Nakagaki “Physarum inspires research beyond biomimetic algorithms: Reply to comments on “Does being multi-headed make you better at solving problems?””, Physics of Life Reviews 29, 51-54, (2019) DOI: 10.1016/j.plrev.2019.07.002
D. Faranda, Y. Sato, G. Messori, NR. Moloney, P. Yiou “Minimal dynamical systems model of the northern hemisphere jet stream via embedding of climate data”, Earth System Dynamics 10, 3, 555-567 (2019) DOI: 10.5194/esd-10-555-2019 https://esd.copernicus.org/articles/10/555/2019/
Y. Sato, R. Klages “Anomalous diffusion in random dynamical systems”, Physical review letters 122, 174101 (2019) DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.174101 https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.174101
N.R. Moloney, D. Faranda, Y. Sato “An overview of the extremal index”, Chaos 29, 022101, (2019) DOI: 10.1063/1.5079656 https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.507965
修士学位:飯塚洸介, 生命科学院, クラミドモナスの集団光応答に現れる非対称パターン
修士学位:佐藤耀, 生命科学院, 真正粘菌 Physarum polycephalum の原形質の流れと管形成との関係
修士学位:千葉拓也, 生命科学院, 線虫 Caenorhabditis elegans の高速度跳躍の力学的メカニズム
2018
修士学位:越智翔太, 生命科学院, 線虫 Caenorhabditis elegans の集団分散と社会性集合
博士学位：Daniel Thorsten Schenz,生命科学院,博士（生命科学）, Transportation Network Optimisation during Exploratory Migration in Physarum polycephalum (モジホコリの探索移動中の輸送網効率化)
Kunihiko Esashi, Tamotsu Onozaki, Yoshitaka Saiki, and Yuzuru Sato, “Intermittent transition between synchronization and desynchronization in multi-regional business cycles,” Structural Change and Economic Dynamics, 44, pp.68-76, (2018).
S. Okuda, E. Kuranaga, K. Sato “Apical Junctional Fluctuations Lead to Cell Flow while Maintaining Epithelial Integrity”, Biophysical Journal 116, 1159-1170, (2019).
C. Gao, C. Liu, D. Schenz, X. Li, Z. Zhang, M. Jusup, Z. Wang, M. Beekman and T. Nakagaki: “Does being multi-headed make you better at solving problem? A survey of Physarum-based models and computations”, Physics of Life Reviews (2018). DOI: 10.1016/j.plrev.2018.05.002
高木 清二, 佐藤 勝彦, 中垣 俊之, 「モジホコリ」生物工学 第96巻 第8号 (2018) pp. 488-492.
2017
2016
Kunita,I., Yamaguchi,T., Tero,A., Akiyama,M., Kuroda,S., Nakagaki,Y., ” A ciliate memorizes the geometry of a swimming arena”, J. R. Soc. Interface 13: 20160155 (2016)Previous Papers (from 2012)
主な過去の学術論文
Tanaka,Y. Ito,K. Nakagaki,T. Kobayashi,R. J R Soc Interface 9(2012) 222-233.
A. Tero, S. Takagi, T. Saigusa, K. Ito, D. P. Bebber, M. D. Fricker, K. Yumiki, R. Kobayashi and T. Nakagaki : “Rules for biologically-inspired adaptive network design”, Science, 327 : 439-442 (2010)
Kenji Matsumoto, Seiji Takagi and Toshiyuki Nakagaki : “Locomotive Mechanism of Physarum Plasmodia based on Spatiotemporal Analysis of Protoplasmic Streaming”, Biophysical Journal, Vol. 94, 2492-2504 (2008)
Seiji Takagi, Yasumasa Nishiura, Toshiyuki Nakagaki, Tetsuo Ueda, Kei-ichi Ueda: “Indecisive behavior of amoeba crossing an environmental barrier”, Proceedings of Int. Symp. On Topological Aspects of Critical Systems and Networks (World Scientific Publishing Co.), 86-93 (2007)
Atsushi Tero, Ryo Kobayashi and Toshiyuki Nakagaki: “Mathematical model for adaptive transport network in path finding by true slime mold”, Journal of Theoretical Biology, Vol. 244, 553-564 (2007)
Toshiyuki Nakagaki, Hiroyasu Yamada and A’gota To’th: “Maze-solving by an amoeboid organism”Nature Vol.407 (2000), 470
メディア等
2019.01.28 朝日新聞 「科学の扉「粘菌単細胞でも賢い！？-体を伸縮し迷路を解く 交通網などに応用-」」
2018.11.18 北海道新聞 「がん、気象 先端科学知るー函館で移動大学北大教員が講演ー」
2018.11.18 函館新聞 「研究者が最新技術紹介 先端科学移動大学に100人」
2018.11.2 北海道新聞 「北海道から平成がわかる-ノーベル賞 イグノーベル賞 探究心 道民に刺激-」
2018.10.4 読売KODOMO新聞 「イグノーベル賞の世界 -下品が最高-」
2018.06.04 北海道新聞 「粘菌の生態 雌雄逆の昆虫ーユニーク研究を紹介ー北大で講演」
2018.06.04 朝日新聞 「イグノーベル受賞者と語るー北大で100回目「サイエンスカフェ札幌」ー」
2018.06.04 読売新聞 「科学を市民に 100回目講演 イグノーベル受賞者登壇」
2018.04.01 THE BIG ISSUE 日本版 VOL.332 「特集「こんにちは！変形菌」で２ページ記事「粘菌がつくる賢いネットワークは知の原型」として紹介された。」
2018.04.01 日立自動分析情報誌 Lab SCOPE VOL.56 「INVITATIONコーナーにて「知性とは何か。単細胞生物にそのメカニズムを探る。」という３ページ記事。」
2018.06.03 HTBテレビニュース 「北大 イグノーベル賞の二人が講演」
2018.07.21 – 2019.09.02 和歌山県立自然博物館 平成３０年度特別展「小さな粘菌の大きなワンダーランド」
2018.09.15 – 2018.11.18 南方熊楠記念館 2018特別展示「不思議ないきもの・粘菌展」
2018.02.17 – 2018.06.10 茨城県自然博物館ミュージアムパークの第７１回企画展「変形菌-ふしぎ？かわいい！森の妖精-」に協力