魚類椎骨を対象とした数理解析と実験による骨の形態形成メカニズムの解明

本研究では，骨の多様な形態がつくられるメカニズムを，骨に加わる外力に基づき明らかにすることを目指している．研究対象の硬骨魚類の椎骨は，内部が種間で共通の砂時計型であるのに対して，外部の側面は種によって異なる多様な形を示す．比較形態観察から，これらの側面構造の多様性は各魚種の遊泳法との関連が予想された．このため，トポロジー最適化という外力依存的に構造が生成できる理論を用いて，椎骨の形態再現を試みた．前年度は，様々な荷重条件下でトポロジー最適化を実行し，それぞれの荷重に対して剛性の高い構造を生成した．これにより，魚類椎骨の多様な側面構造を複数再現することに成功した．本年度は，椎骨内部の砂時計型を定義するパラメータ値の違いによって，最適化結果が異なる側面構造を生成することがわかった．この側面構造の違いが，実際の椎骨の形態の違いと同様であったことから，本研究で構築した数理モデルの妥当性が検証できた．本年度ではこの結果を論文にまとめ，現在査読中である．加えて前年度は，マイクロCTによる構造観察から，椎骨が中心から放射方向に付加成長していると予想された．これを踏まえて本年度は，組織染色を用いて，骨形成に関わる細胞活動を調べた．結果，骨芽細胞が側面構造の末端に分布していることが示唆された．また，破骨細胞が，側面構造にある空洞の表面に局在することも示唆された．このことから，椎骨は付加成長しつつ，椎骨の中心部から骨が削られていると考えられる．同様の形成過程はトポロジー最適化によるシミュレーションでも見られたことから，魚類椎骨が外力に適応してつくられることが推測された．また，組織観察の結果に基づいて，トポロジー最適化に骨成長の異方性を導入し，生成される構造に違いが見られることを確認した．改良したモデルは，より多くの椎骨の形態を説明できる可能性があるため，今後も解析を継続していく．

本研究では，骨の多様な形態がつくられるメカニズムを，骨に加わる外力に基づき明らかにすることを目指している．研究対象の硬骨魚類の椎骨は，内部が種間で共通の砂時計型であるのに対して，外部の側面は種によって異なる多様な形を示す．比較形態観察から，これらの側面構造の多様性は各魚種の遊泳法との関連が予想された．このため，トポロジー最適化という外力依存的に構造が生成できる理論を用いて，椎骨の形態再現を試みた．前年度は，様々な荷重条件下でトポロジー最適化を実行し，それぞれの荷重に対して剛性の高い構造を生成した．これにより，魚類椎骨の多様な側面構造を複数再現することに成功した．本年度は，椎骨内部の砂時計型を定義するパラメータ値の違いによって，最適化結果が異なる側面構造を生成することがわかった．この側面構造の違いが，実際の椎骨の形態の違いと同様であったことから，本研究で構築した数理モデルの妥当性が検証できた．本年度ではこの結果を論文にまとめ，現在査読中である．加えて前年度は，マイクロCTによる構造観察から，椎骨が中心から放射方向に付加成長していると予想された．これを踏まえて本年度は，組織染色を用いて，骨形成に関わる細胞活動を調べた．結果，骨芽細胞が側面構造の末端に分布していることが示唆された．また，破骨細胞が，側面構造にある空洞の表面に局在することも示唆された．このことから，椎骨は付加成長しつつ，椎骨の中心部から骨が削られていると考えられる．同様の形成過程はトポロジー最適化によるシミュレーションでも見られたことから，魚類椎骨が外力に適応してつくられることが推測された．また，組織観察の結果に基づいて，トポロジー最適化に骨成長の異方性を導入し，生成される構造に違いが見られることを確認した．改良したモデルは，より多くの椎骨の形態を説明できる可能性があるため，今後も解析を継続していく．