流体構造生化学連成解析によるニューロンの移動モードと大脳皮質形成の力学の解明

通过流体-结构-生化耦合分析阐明神经元迁移模式和大脑皮层形成的动力学

• 批准号: 21H04541
• 负责人: 今井 陽介
• 金额: $ 27.71万
• 依托单位: Kobe University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-05 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H04541/
• 关键词: 計算生体流体力学; 計算バイオメカニクス; 流体構造連成解析; 細胞運動; 組織形成

哺乳類の大脳皮質深部で誕生した神経細胞（ニューロン）は，三種類の移動モードを駆使して脳表層に到着し，インサイドアウトと呼ばれる六層構造の大脳皮質を形成する．本研究の目的は，流体構造生化学連成解析とイン・ビボ細胞実験の統合的な手法によって，ニューロンの移動モードの変化とインサイドアウト構造の形成メカニズムを力学に基づいて明らかにすることである．そのための基盤計算技術として，細胞膜の固体力学，細胞質と細胞外の液体の流体力学，細胞接着タンパクと細胞骨格タンパクの生化学反応を連成するトランススケール流体構造生化学連成解析手法を開発する．２０２２年度は，第一に，２０２１年度に開発した局所的な生体膜の面積増加と薄膜の力学を記述する計算モデルを，細胞質および細胞外環境の流体力学と連成する計算手法を開発した．具体的には，ストークス流れの流体力学を境界積分方程式を用いて記述し，アイソジオメトリック解析に基づく境界積分法（アイソジオメトリック境界積分法）を新たに開発した．第二に，神経細胞の力学特性のみ（細胞膜の弾性と細胞質の粘性）を考慮した計算モデルを用いて，トランスロケーションにおける神経細胞の先導突起の短縮に必要となる力学条件を検討した．数値実験と過去の細胞実験の時間スケールを比較し，先導突起の短縮には，細胞骨格がブレーキのような作用している可能性が示唆された．これらの結果に基づき，細胞骨格の重合・脱重合と細胞膜の面積変化の数理モデル化に着手した．

Mammalian brain cells are born deep in the cortex, and three types of migration occur from the surface to the outer layers, resulting in the formation of a six-layer structure of the cortex. The purpose of this study is to analyze the biochemical connection of fluid structure and to show the integrated methods of cell realization, the movement and transformation of fluid structure and the formation of fluid structure. In 2022, for the first time, in 2021, the area increase of biological membrane and the mechanical description of thin film were developed. Computational methods for the development of hydrodynamic linkages between cytoplasm and outer cell environment A new method of boundary integration is developed by describing the boundary integral equation of fluid dynamics in detail. Second, the mechanical properties of the neuron (the membrane viscosity and the cytoplasm viscosity) are considered. The mechanical conditions necessary for shortening the precursor processes of the neuron are discussed. The number of cells in the past has been compared with the number of cells in the past. As a result of this, the cell skeleton overlaps and disoverlaps, and the area of the cell membrane changes.

项目成果

Isogeometric hyperelastic analysis for cell membrane protrusion

细胞膜突出的等几何超弹分析

• 发表时间: 2021
• 作者: Yamaguchi;Y.;Takeda;H.;Asai;Y.;Ishida;S.;and Imai;Y.
• 通讯作者: Y.

A computational model of leukocyte rolling

白细胞滚动的计算模型

• 发表时间: 2022
• 作者: 2.Seike;D.;Ishida;S.;Asai;Y.;Takeda;H.;Kitamura;N.;Gonda;K.;Imai;Y.
• 通讯作者: Y.

Computational fluid dynamics analysis of effect of ciliary motion on cerebrospinal fluid flow

纤毛运动对脑脊液流动影响的计算流体动力学分析

• 发表时间: 2021
• 作者: Yoshida;H.;Ishida;S.;Yamamoto;T.;Takeuchi;K.;Nagata;Y.;Ueno;H.;and Imai;Y.
• 通讯作者: Y.

Escape of small capsules from large capsules aligned in confined shear flow: a computational study

小胶囊从在受限剪切流中排列的大胶囊中逸出：一项计算研究

• 发表时间: 2022
• 作者: Yohsuke Imai;Shunichi Ishida;Daiki Matsunaga
• 通讯作者: Daiki Matsunaga

Effect of cilia-induced surface velocity on cerebrospinal fluid exchange in the lateral ventricles

纤毛诱导的表面速度对侧脑室脑脊液交换的影响

• DOI: 10.1098/rsif.2022.0321
• 发表时间: 2022
• 期刊: Journal of The Royal Society Interface
• 影响因子: 3.9
• 作者: Yoshida Haruki;Ishida Shunichi;Yamamoto Taiki;Ishikawa Takayuki;Nagata Yuichi;Takeuchi Kazuhito;Ueno Hironori;Imai Yohsuke
• 通讯作者: Imai Yohsuke