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

基本信息

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

项目摘要

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．

神经元（神经元）出生于哺乳动物大脑皮层深处的神经元使用三种类型的旅行模式到达大脑表面，形成了一个六层的大脑皮层，称为Inside-Ons-Out。这项研究的目的是阐明使用流体结构的综合方法生化偶联分析和基于机械的体内细胞实验的整合方法的内部结构的形成机制。作为此目的的基本计算技术，我们将开发一种跨尺度流体结构生化耦合分析方法，该方法结合了细胞膜的固体力学，细胞质和细胞外液体的流体力学以及细胞粘附蛋白和细胞骨架骨骼蛋白之间的生化反应。首先，在2022年，我们开发了一种计算方法，该方法结合了计算模型，该模型描述了局部生物膜面积的增加，并在2021年与细胞质和细胞外环境的流体力学开发了薄膜力学。具体而言，我们使用边界积分方程描述了Stokes流动的流体动力学，并基于等几何分析开发了一种新的边界积分方法（等级边界积分方法）。其次，我们使用了一个计算模型，该模型仅考虑了神经元的机械性能（细胞膜的弹性和细胞质的粘度），并检查了缩短易位过程中神经元主要突起所需的机械条件。比较数值实验的时间尺度和过去的细胞实验，建议细胞骨架可能在缩短前导突起时的刹车。基于这些结果，我们开始开发一个数学模型的细胞骨架聚合和解聚和细胞膜区域的变化。

项目成果

期刊论文数量（6）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Isogeometric hyperelastic analysis for cell membrane protrusion

细胞膜突出的等几何超弹分析

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
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

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
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

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
Yoshida;H.;Ishida;S.;Yamamoto;T.;Takeuchi;K.;Nagata;Y.;Ueno;H.;and Imai;Y.
通讯作者：
Y.

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

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