力学場の情報のフィードバックを考慮した消化管の機能的な運動機構の解明

消化管は，能動的に力を発揮する筋組織と，各組織を制御する神経叢，そして，食物と接触して力学的な場の情報を感知することが示唆されている粘膜組織から成る複合組織である．本研究では，消化管組織に生じた力学場の情報が，筋組織の振る舞いへとフィードバックされることに着目し，食物の輸送や撹拌といった消化管の機能的な運動において，このフィードバック機構が果たす役割を明らかにすることを目的とした．筋組織の収縮と弛緩にともなう消化管の運動と，組織に生じる力学場を解析するため，数理モデリングと数値シミュレーションを通じて，力学場の情報を利用して運動する機能的な生体システム構築の根本原理を解明することに挑戦する．2022年度は，消化管運動の数値シミュレーションを行うための準備として，筋組織の収縮と弛緩にともなう消化管運動と，消化管内部に存在する食物の流れの計算モデルを構築した．消化管組織を薄肉円筒の超弾性体，食物をNewton流体とみなし，Kirchhoff―Love shell理論による消化管組織の変形の記述と，境界積分法による流れの記述，そして，塑性力学理論に基づいた筋組織の収縮と弛緩のモデル化を行った．さらに，これらの数理モデルを連成させた流体―構造連成解析を行うために，アイソジオメトリック解析手法を構築した．また，構築した数値シミュレーション手法を用いて，筋組織の収縮と弛緩の時空間的な制御が，消化管運動と，食物の輸送に及ぼす影響を明らかにするための基礎的な検討を行った．

消化管は，能動的に力を発揮する筋組織と，各組織を制御する神経叢，そして，食物と接触して力学的な場の情報を感知することが示唆されている粘膜組織から成る複合組織である．本研究では，消化管組織に生じた力学場の情報が，筋組織の振る舞いへとフィードバックされることに着目し，食物の輸送や撹拌といった消化管の機能的な運動において，このフィードバック機構が果たす役割を明らかにすることを目的とした．筋組織の収縮と弛緩にともなう消化管の運動と，組織に生じる力学場を解析するため，数理モデリングと数値シミュレーションを通じて，力学場の情報を利用して運動する機能的な生体システム構築の根本原理を解明することに挑戦する．2022年度は，消化管運動の数値シミュレーションを行うための準備として，筋組織の収縮と弛緩にともなう消化管運動と，消化管内部に存在する食物の流れの計算モデルを構築した．消化管組織を薄肉円筒の超弾性体，食物をNewton流体とみなし，Kirchhoff―Love shell理論による消化管組織の変形の記述と，境界積分法による流れの記述，そして，塑性力学理論に基づいた筋組織の収縮と弛緩のモデル化を行った．さらに，これらの数理モデルを連成させた流体―構造連成解析を行うために，アイソジオメトリック解析手法を構築した．また，構築した数値シミュレーション手法を用いて，筋組織の収縮と弛緩の時空間的な制御が，消化管運動と，食物の輸送に及ぼす影響を明らかにするための基礎的な検討を行った．