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中垣　俊之 (ナカガキ　トシユキ)

電子科学研究所　附属社会創造数学研究センター教授
人間知・脳・ＡＩ研究教育センター教授
附属グリーンナノテクノロジー研究センター教授

1963年愛知県生まれ。昭和６２年北海道大学薬学部卒、平成元年同大薬学研究科修士修了、製薬企業に就職し５年間勤務したのち退社。名古屋大学人間情報学研究科博士課程に入学、その間、通信制高校非常勤講師を兼務しながら、平成９年に同博士修了し学術博士となる。理化学研究所研究員を経て、平成１２年北海道大学電子科学研究所助教授、平成２２年公立はこだて未来大学システム情報科学部教授を務め、平成２５年北海道大学電子科学研究所教授となり、平成２９年４月から令和３年３月まで同所長。専門は物理エソロジー。2008年イグノーベル賞認知科学賞、2010年イグノーベル賞交通計画賞、2010年NHK番組「爆笑問題の日本の教養」による爆ノーベル賞、2011年函館市長賞。趣味は、庭での野菜作りと園芸。

研究者基本情報

■ 学位
  • 博士(学術), 名古屋大学
  • 修士(薬学), 北海道大学
  • 学士(薬学), 北海道大学
■ URL
researchmap URLホームページURL■ ID 各種
J-Global ID■ 研究キーワード・分野
研究キーワード
  • 原生生物行動学
  • 物理エソロジー
  • 実験及び理論細胞生物学
研究分野
  • ライフサイエンス, 生物物理学, 物理エソロジー
■ 担当教育組織

経歴

■ 経歴
経歴
  • 2025年04月 - 現在
    北海道大学 電子科学研究所 附属社会創造数学研究センター 長
  • 2025年04月 - 現在
    中部大学フェロー
  • 2022年04月 - 現在
    公立はこだて未来大学 理事（非常勤）
  • 2013年10月 - 現在
    北海道大学, 電子科学研究所, 教授
  • 2017年04月 - 2021年03月
    北海道大学, 電子科学研究所, 所長, 日本国
  • 2010年04月 - 2013年09月
    公立はこだて未来大学, システム情報科学部, 教授
  • 2000年11月 - 2010年03月
    北海道大学, 電子科学研究所, 准教授
  • 2000年04月 - 2000年10月
    理化学研究所, フロンティア研究員
  • 1997年04月 - 2000年03月
    理化学研究所, バイオミメティックコントロール研究センター, 基礎科学特別研究員
  • 1995年04月 - 1997年03月
    愛知県立旭陵高等学校, 非常勤講師
  • 1989年04月 - 1994年05月
    ファイザー製薬（株）, 名古屋中央研究所, 研究員
学歴
  • 1994年04月 - 1997年03月, 名古屋大学, 人間情報学研究科, 物質・生命・情報学専攻, 日本国
  • 1987年04月 - 1989年03月, 北海道大学, 薬学研究科, 製薬化学専攻
  • 1982年04月 - 1987年03月, 北海道大学, 薬学部, 製薬化学専攻, 日本国
学内役職歴
  • 教育研究評議会評議員, 2017年4月1日 - 2019年3月31日
  • 教育研究評議会評議員, 2019年4月1日 - 2021年3月31日
  • 電子科学研究所長, 2017年4月1日 - 2019年3月31日
  • 電子科学研究所長, 2019年4月1日 - 2021年3月31日

研究活動情報

■ 受賞
  • 2011年, NHKテレビ番組「爆笑問題の日本の教養」, 爆ノーベル賞
    中垣 俊之
  • 2010年, 函館市長賞
    中垣 俊之
  • 2010年, イグノーベル賞 交通計画賞
    中垣 俊之
  • 2008年, イグノーベル賞 認知科学賞
    中垣 俊之
■ 論文
  • Statistical and mechanical analysis of multi-pseudopodial locomotion in a testate amoeba, <i>Arcella</i> sp.
    Genta MATSUMOTO; Atsushi TANIGUCHI; Mami NOMURA; Satoshi SHIMANO; Jean-Paul RIEU; Katsuhiko SATO; Toshiyuki NAKAGAKI; Yukinori NISHIGAMI
    Proceedings of the Japan Academy, Series B, 102, 1, 57, 70, Japan Academy, 2026年01月09日
    研究論文（学術雑誌）
  • Geometrical preference of anchoring sites in the unicellular organism Stentor coeruleus
    Syun Echigoya; Takuya Ohmura; Katsuhiko Sato; Toshiyuki Nakagaki; Yukinori Nishigami
    Cold Spring Harbor Laboratory, 2025年07月21日
    Abstract

    Organisms often inhabit environments comprising complex structures across various scales. Animals rely on visual information from surrounding geometrical structures for navigation. Even at the microscale, various microsediments form complex structures in microbial habitats. The movement of microorganisms is passively affected by collisions and hydrodynamic interactions with surrounding structures. However, the influence of microenvironmental geometry on behavioral changes of unicellular organisms that lack visual perception remains unclear. Here, we developed geometrically structured chambers to investigate anchoring site preferences in the swimming ciliate Stentor coeruleus. S. coeruleus tended to anchor in narrow areas based on geometrical features such as corner angle, depth, and curvature at the corner end. Before anchoring, free-swimming S. coeruleus changed its behavior to move along the boundary wall of the chambers, accompanied by Ca2+-induced asymmetrical body deformation. To further investigate how S. coeruleus moves along the wall continuously, we conducted a hydrodynamic simulation and revealed that the asymmetric morphology causes asymmetric propulsive forces, explaining wall-following behavior through physical interactions with a wall. Thus, morphological change near a wall causes wall-following behavior, facilitating the identification of these narrow anchoring sites. Our findings indicate that environmental geometry drives behavioral transitions in S. coeruleus through simple biophysical processes, enabling spatial selection without visual cues. Overall, these results suggest that microgeometry plays a key role in shaping ecological niches for unicellular microorganisms.

    Significance statement

    Animals use various natural structures as landmarks for navigation. In microorganism habitats, microsediments also form geometrically complex environments. Is there a relationship between the geometrical features of structures and the behavior in unicellular organisms lacking visual cues? Here we report that the free-swimming unicellular organism, Stentor coeruleus, selects the anchoring sites depending on the surrounding shapes. Further observations and numerical simulations reveal that an asymmetric morphological change causes a temporary switch from ballistic to wall-following exploration, driven by surrounding structures. These results indicate that one simple behavioral response underlies the preference of anchoring sites with specific geometrical features in non-neural unicellular organisms. The findings shed light on the role of microenvironmental geometry in forming ecological niches for microorganisms.
  • Measurement of protoplasmic streaming over the entire body of Physarum plasmodium, and estimation of the transport and mixing of protoplasma through the intricate vein network
    Yo Sato; Charles Fosseprez; Yukinori Nishigami; Katsuhiko Sato; Hiroshi Orihara; Toshiyuki Nakagaki
    Biophysics and Physicobiology, 22, 1, e220002, Biophysical Society of Japan, 2025年, ［最終著者, 責任著者］, ［国内誌］
    英語, 研究論文（学術雑誌）, Transport networks spanning the entire body of an organism are key infrastructures for achieving a functional system and facilitating the distribution of nutrients and signals. The large amoeba-like organism Physarum polycephalum has gained attention as a useful model for studying biological transport networks owing to its visible and rapidly adapting vein structure. Using particle-tracking velocimetry, we measured the flow velocity of protoplasmic streaming over the entire body of Physarum plasmodia during the development of its intricate vein network. Based on these measurements, we estimated how the protoplasm is transported and mixed throughout the body. Our findings suggest that the vein network significantly enhances effective mixing of the protoplasm throughout the organism, which may have important physiological implications for nutrient distribution and signaling.
  • Dynamics of centipede locomotion revealed by large-scale traction force microscopy
    J. P. Rieu; H. Delanoë-Ayari; C. Barentin; T. Nakagaki; S. Kuroda
    Journal of Royal Society Interface, 21, 20230439, 20230450, 2024年05月, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Cellular Ethological Dynamics in Diorama Environments
    Yukinori Nishigami; Itsuki Kunita; Katsuhiko Sato; Toshiyuki Nakagaki
    Journal of the Physical Society of Japan, 2023年12月15日, ［査読有り］, ［最終著者, 責任著者］
    研究論文（学術雑誌）
  • Caenorhabditis elegans transfers across a gap under an electric field as dispersal behavior.
    Takuya Chiba; Etsuko Okumura; Yukinori Nishigami; Toshiyuki Nakagaki; Takuma Sugi; Katsuhiko Sato
    Current biology : CB, 33, 13, 2668, 2677, 2023年06月14日, ［査読有り］, ［国際誌］
    英語, 研究論文（学術雑誌）, Interactions between different animal species are a critical determinant of each species' evolution and range expansion. Chemical, visual, and mechanical interactions have been abundantly reported, but the importance of electric interactions is not well understood. Here, we report the discovery that the nematode Caenorhabditis elegans transfers across electric fields to achieve phoretic attachment to insects. First, we found that dauer larvae of C. elegans nictating on a substrate in a Petri dish moved directly to the lid through the air due to the electrostatic force from the lid. To more systematically investigate the transfer behavior, we constructed an assay system with well-controlled electric fields: the worms flew up regardless of whether a positive or negative electric field was applied, suggesting that an induced charge within the worm is related to this transfer. The mean take-off speed is 0.86 m/s, and the worm flies up under an electric field exceeding 200 kV/m. This worm transfer occurs even when the worms form a nictation column composed of up to 100 worms; we term this behavior "multiworm transfer." These observations led us to conclude that C. elegans can transfer and attach to the bumblebee Bombus terrestris, which was charged by rubbing with flower pollen in the lab. The charge on the bumblebee was measured with a coulomb-meter to be 806 pC, which was within the range of bumblebee charges and of the same order of flying insect charges observed in nature, suggesting that electrical interactions occur among different species.
  • Light-sheet microscopy reveals dorsoventral asymmetric membrane dynamics of Amoeba proteus during pressure-driven locomotion
    Atsushi Taniguchi; Yukinori Nishigami; Hiroko Kajiura-Kobayashi; Daisuke Takao; Daisuke Tamaoki; Toshiyuki Nakagaki; Shigenori Nonaka; Seiji Sonobe
    Biology Open, 12, 2, 2023年01月30日, ［査読有り］, ［国際誌］
    英語, 研究論文（学術雑誌）, Amoebae are found all around the world and play an essential role in the carbon cycle in the environment. Therefore, the behavior of amoebae is a crucial factor when considering the global environment. Amoebae change their distribution through amoeboid locomotion, which are classified into several modes. In the pressure-driven mode, intracellular hydrostatic pressure generated by the contraction of cellular cortex actomyosin causes the pseudopod to extend. During amoeboid locomotion, the cellular surface exhibits dynamic deformation. Therefore, to understand the mechanism of amoeboid locomotion, it is important to characterize cellular membrane dynamics. Here, to clarify membrane dynamics during pressure-driven amoeboid locomotion, we developed a polkadot membrane staining method and performed light-sheet microscopy in Amoeba proteus, which exhibits typical pressure-driven amoeboid locomotion. It was observed that the whole cell membrane moved in the direction of movement, and the dorsal cell membrane in the posterior part of the cell moved more slowly than the other membrane. In addition, membrane complexity varied depending on the focused characteristic size of the membrane structure, and in general, the dorsal side was more complex than the ventral side. In summary, the membrane dynamics of Amoeba proteus during pressure-driven locomotion are asymmetric between the dorsal and ventral sides. This article has an associated interview with the co-first authors of the paper.
  • Editorial: Ethological dynamics in diorama environments.
    Toshiyuki Nakagaki; Audrey Dussutour; Laurence Wilson; Takuji Ishikawa
    Frontiers in cell and developmental biology, 11, 1347957, 1347957, 2023年, ［筆頭著者］, ［国際誌］
    英語
  • Switching of behavioral modes and their modulation by a geometrical cue in the ciliate Stentor coeruleus
    Syun Echigoya; Katsuhiko Sato; Osamu Kishida; Toshiyuki Nakagaki; Yukinori Nishigami
    Frontiers in Cell and Developmental Biology, 10, 1021469, 1021469, 2022年11月01日, ［査読有り］, ［国際誌］
    英語, 研究論文（学術雑誌）, Protists ubiquitously live in nature and play key roles in the food web chain. Their habitats consist of various geometrical structures, such as porous media and rigid surfaces, affecting their motilities. A kind of protist, Stentor coeruleus, exhibits free swimming and adhering for feeding. Under environmental and culture conditions, these organisms are often found in sediments with complex geometries. The determination of anchoring location is essential for their lives. However, the factors that induce the behavioral transition from swimming to adhering are still unknown. In this study, we quantitatively characterized the behavioral transitions in S. coeruleus and observed the behavior in a chamber with dead ends made by a simple structure mimicking the environmental structures. As a result, the cell adheres and feeds in narrow spaces between the structure and the chamber wall. It may be reasonable for the organism to hide itself from predators and capture prey in these spaces. The behavioral strategy for the exploration and exploitation of spaces with a wide variety of geometries in their habitats is discussed.
  • A model for simulating emergent patterns of cities and roads on real-world landscapes.
    Takaaki Aoki; Naoya Fujiwara; Mark Fricker; Toshiyuki Nakagaki
    Scientific reports, 12, 1, 10093, 10093, 2022年06月16日, ［最終著者］, ［国際誌］
    英語, 研究論文（学術雑誌）, Emergence of cities and road networks have characterised human activity and movement over millennia. However, this anthropogenic infrastructure does not develop in isolation, but is deeply embedded in the natural landscape, which strongly influences the resultant spatial patterns. Nevertheless, the precise impact that landscape has on the location, size and connectivity of cities is a long-standing, unresolved problem. To address this issue, we incorporate high-resolution topographic maps into a Turing-like pattern forming system, in which local reinforcement rules result in co-evolving centres of population and transport networks. Using Italy as a case study, we show that the model constrained solely by topography results in an emergent spatial pattern that is consistent with Zipf's Law and comparable to the census data. Thus, we infer the natural landscape may play a dominant role in establishing the baseline macro-scale population pattern, that is then modified by higher-level historical, socio-economic or cultural factors.
  • Dynamic Control of Microbial Movement by Photoswitchable ATP Antagonists
    Sampreeth Thayyil; Yukinori Nishigami; Md. Jahirul Islam; P. K. Hashim; Ken'ya Furuta; Kazuhiro Oiwa; Jian Yu; Min Yao; Toshiyuki Nakagaki; Nobuyuki Tamaoki
    Chemistry – A European Journal, 28, 30, e202200807, Wiley, 2022年05月25日, ［査読有り］, ［国際誌］
    英語, 研究論文（学術雑誌）, Adenosine triphosphate (ATP) is the energy source for various biochemical processes and biomolecular motors in living things. Development of ATP antagonists and their stimuli-controlled actions offer a novel approach to regulate biological processes. Herein, we developed azobenzene-based photoswitchable ATP antagonists for controlling the activity of motor proteins; cytoplasmic and axonemal dyneins. The new ATP antagonists showed reversible photoswitching of cytoplasmic dynein activity in an in vitro dynein-microtubule system due to the trans and cis photoisomerization of their azobenzene segment. Importantly, our ATP antagonists reversibly regulated the axonemal dynein motor activity for the force generation in a demembranated model of Chlamydomonas reinhardtii. We found that the trans and cis isomers of ATP antagonists significantly differ in their affinity to the ATP binding site.
  • Gait switching with phase reversal of locomotory waves in the centipede Scolopocryptops rubiginosus
    Shigeru Kuroda; Nariya Uchida; Toshiyuki Nakagaki
    Bioinspiration and Biomimetics, 17, 2, 026005, 026005, IOP Publishing, 2022年03月01日, ［最終著者］, ［国際誌］
    英語, 研究論文（学術雑誌）, Abstract
    Crawling using locomotory waves is a common method of locomotion for limbless and many-legged invertebrates and stimulates the biomimetic engineering of flexible locomotion. It is generally believed that the direction of locomotory waves is fixed for a given species. However, we found that a centipede, Scolopocryptops rubiginosus, flexibly generated its gait to allow for locomotory waves that varied in direction, depending on (i) locomotion speed and (ii) the physical conditions of terrain. We also found a new type of centipede’s swimming gait unlike eel-like way known so far which is using posteriorly traveling waves of horizontal body undulation. The gait patterns of the centipede were examined in various conditions and analyzed how the waves switched in detailed. We showed that gait patterns were associated with control of stride length rather than stride frequency. Discussion was made on a possible scenario of the gait transition in the centipede compatible with our observations. This finding may give a hint at bio-inspired control of flexible gait switching in response to irregular terrain.
  • Binocular stereo-microscopy for deforming intact amoeba
    Kenji Matsumoto; Yukinori Nishigami; Toshiyuki Nakagaki
    Optics Express, 30, 2, 2424, 2437, The Optical Society, 2022年01月17日, ［査読有り］, ［最終著者］, ［国際誌］
    英語, 研究論文（学術雑誌）, A powerful and convenient method for measuring three-dimensional (3D) deformation of moving amoeboid cells will assist the progress of environmental and cytological studies as protists amoebae play a role in the fundamental environmental ecosystem. Here we develop an inexpensive and useful method for measuring 3D deformation of single protists amoeba through binocular microscopy and a newly proposed algorithm of stereo-scopy. From the movies taken from the left and right optical tubes of the binocular microscope, we detect the 3D positions of many intrinsic intracellular vesicles and reconstruct cellular surfaces of amoeboid cells in 3D space. Some observations of sampled behaviors are shown in a single-celled organism of Amoeba proteus. The resultant surface time series is then analyzed to obtain surface velocity, curvature and volume increasing rates of pseudo-pods for characterizing the movements of amoeboid cells. The limitations and errors of this method are also discussed.
  • Thermal Conductivity and Thermal Diffusivity of Slime Mold (Physarum Polycephalum)
    Syou Maki; Shigeru Kuroda; Seiji Fujiwara; Seiichi Tanaka; Eka Erzalia; Mizuki Kato; Katsumasa Higo; Toshiaki Arata; Toshiyuki Nakagaki
    Biomedical Journal of Scientific & Technical Research, 31, 3, 24140, 24145, Biomedical Research Network, LLC, 2020年10月22日, ［査読有り］, ［最終著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Uni-cellular integration of complex spatial information in slime moulds and ciliates
    Daniel Schenz; Yukinori Nishigami; Katsuhiko Sato; Toshiyuki Nakagaki
    Current Opinion in Genetics and Development, 57, 78, 83, 2019年08月, ［査読有り］, ［最終著者, 責任著者］, ［国際誌］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Dynamic gait transition in the Scolopendromorpha scolopocryptops rubiginosus L. Kochcentipede
    Shigeru Kuroda; Nariya Uchida; Toshiyuki Nakagaki
    Cold Spring Harbor Laboratory, 2018年05月, ［最終著者］
  • モジホコリ
    高木 清二; 佐藤 勝彦; 中垣 俊之
    生物工学, 96, 8, 488, 492, 2018年, ［招待有り］, ［最終著者］
    日本語, 研究論文（その他学術会議資料等）
  • Does being multi-headed make you better at solving problems? A survey of Physarum-based models and computations
    Chao Gao; Chen Liu; Daniel Schenz; Xuelong Li; Zili Zhang; Marko Jusup; Zhen Wang; Madeleine Beekman; Toshiyuki Nakagaki
    Physics of Life Reviews, 29, 1, 26, Elsevier B.V., 2018年, ［査読有り］, ［最終著者］, ［国際誌］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • A mathematical model for adaptive vein formation during exploratory migration of Physarum polycephalum: routing while scouting
    Daniel Schenz; Yasuaki Shima; Shigeru Kuroda; Toshiyuki Nakagaki; Kei-Ichi Ueda
    JOURNAL OF PHYSICS D-APPLIED PHYSICS, 50, 43, 434001, 2017年11月, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Behavioural differentiation induced by environmental variation when crossing a toxic zone in an amoeba
    Itsuki Kunita; Kei-Ichi Ueda; Dai Akita; Shigeru Kuroda; Toshiyuki Nakagaki
    JOURNAL OF PHYSICS D-APPLIED PHYSICS, 50, 35, 354002, 2017年09月, ［査読有り］, ［最終著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Response to various periods of mechanical stimuli in Physarum plasmodium
    Takuya Umedachi; Kentaro Ito; Ryo Kobayashi; Akio Ishiguro; Toshiyuki Nakagaki
    JOURNAL OF PHYSICS D-APPLIED PHYSICS, 50, 25, 2017年06月, ［査読有り］, ［最終著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Current reinforcement model reproduces center-in-center vein trajectory of Physarum polycephalum
    Dai Akita; Daniel Schenz; Shigeru Kuroda; Katsuhiko Sato; Kei-ichi Ueda; Toshiyuki Nakagaki
    DEVELOPMENT GROWTH & DIFFERENTIATION, 59, 5, 465, 470, 2017年06月, ［査読有り］, ［最終著者, 責任著者］, ［国内誌］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Automated analysis of Physarum network structure and dynamics
    Mark D. Fricker; Dai Akita; Luke L. M. Heaton; Nick Jones; Boguslaw Obara; Toshiyuki Nakagaki
    JOURNAL OF PHYSICS D-APPLIED PHYSICS, 50, 25, 254005, 2017年06月, ［査読有り］, ［最終著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Studies of the phase gradient at the boundary of the phase diffusion equation, motivated by peculiar wave patterns of rhythmic contraction in the amoeboid movement of Physarum polycephalum
    Makoto Iima; Hiroshi Kori; Toshiyuki Nakagaki
    JOURNAL OF PHYSICS D-APPLIED PHYSICS, 50, 15, 2017年04月, ［査読有り］, ［最終著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Direct observation of orientation distributions of actin filaments in a solution undergoing shear banding
    K. Sato; I. Kunita; Y. Takikawa; D. Takeuchi; Y. Tanaka; T. Nakagaki; H. Orihara
    SOFT MATTER, 13, 14, 2708, 2716, 2017年04月, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • The role of noise in self-organized decision making by the true slime mold Physarum polycephalum
    Bernd Meyer; Cedrick Ansorge; Toshiyuki Nakagaki
    PLOS ONE, 12, 3, e0172933, 2017年03月, ［査読有り］, ［最終著者］, ［国際誌］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Experimental models for Murray's law
    Dai Akita; Itsuki Kunita; Mark D. Fricker; Shigeru Kuroda; Katsuhiko Sato; Toshiyuki Nakagaki
    JOURNAL OF PHYSICS D-APPLIED PHYSICS, 50, 2, 024001, 2017年01月, ［査読有り］, ［最終著者, 責任著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Physical ethology of unicellular organism
    S. Kuroda; S. Takagi; T. Saigusa; T. Nakagaki
    Brain evolution by design -From Neural origin to cognitive architecture- (Ed. by S. Shigeno, Y. Murakami, T. Nomura) ISBN: 978-4-431-56467-6, Springer-Verlag, 3, 23, 2017年, ［査読有り］, ［最終著者, 責任著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Physical ethology of single-celled organism
    Toshiyuki Nakagaki
    INTERNATIONAL JOURNAL OF PSYCHOLOGY, 51, 574, 574, 2016年07月
    英語, 研究論文（研究会，シンポジウム資料等）
  • A ciliate memorizes the geometry of a swimming arena
    Itsuki Kunita; Tatsuya Yamaguchi; Atsushi Tero; Masakazu Akiyama; Shigeru Kuroda; Toshiyuki Nakagaki
    JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY INTERFACE, 13, 118, 20160155, 2016年05月, ［査読有り］, ［最終著者, 責任著者］, ［国際誌］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • 粘菌の用不用適応能に倣った形状最適化設計法の検討
    吉原一詞; 中垣俊之
    土木学会論文集 A2（応用力学）, 72, 2, 3, 11, 2016年, ［招待有り］, ［最終著者, 責任著者］
    日本語
  • Allometry in Physarum plasmodium during free locomotion: size versus shape, speed and rhythm
    Shigeru Kuroda; Seiji Takagi; Toshiyuki Nakagaki; Tetsuo Ueda
    JOURNAL OF EXPERIMENTAL BIOLOGY, 218, 23, 3729, 3738, 2015年12月, ［査読有り］, ［国際誌］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Periodic traction in migrating large amoeba of Physarum polycephalum
    Jean-Paul Rieu; Helene Delanoe-Ayari; Seiji Takagi; Yoshimi Tanaka; Toshiyuki Nakagaki
    Journal of the Royal Society Interface, 12, 106, 2015年05月, ［査読有り］, ［最終著者］, ［国際誌］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Attempts to retreat from a dead-ended long capillary by backward swimming in Paramecium
    Itsuki Kunita; Shigeru Kuroda; Kaito Ohki; Toshiyuki Nakagaki
    FRONTIERS IN MICROBIOLOGY, 5, 270, 270, 2014年06月, ［査読有り］, ［最終著者］, ［国際誌］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Common mechanics of mode switching in locomotion of limbless and legged animals
    Shigeru Kuroda; Itsuki Kunita; Yoshimi Tanaka; Akio Ishiguro; Ryo Kobayashi; Toshiyuki Nakagaki
    JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY INTERFACE, 11, 95, 20140205, 20140205, 2014年06月, ［査読有り］, ［最終著者］, ［国際誌］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Current-reinforced random walks for constructing transport networks
    Qi Ma; Anders Johansson; Atsushi Tero; Toshiyuki Nakagaki; David J.T. Sumpter
    Journal of the Royal Society Interface, 10, 80, 2013年03月06日, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • A Design Principle of the Decentralized Control and its Applications
    Ryo Kobayashi; Toshiyuki Nakagaki; Akio Ishiguro
    11TH INTERNATIONAL CONFERENCE OF NUMERICAL ANALYSIS AND APPLIED MATHEMATICS 2013, PTS 1 AND 2 (ICNAAM 2013), 1558, 2440, 2443, 2013年, ［査読有り］
    英語, 研究論文（国際会議プロシーディングス）
  • Adaptive path-finding and transport network formation by the amoeba-like organism {\it Physarum}
    Itsuki Kunita; Kazunori Yoshihara; Atsushi Tero; Kentaro Ito; Chiu Fan Lee; Mark D. Fricker; Toshiyuki Nakagaki
    Natural Computing and Beyond, Proceedings in Information and Communications Technology (PICT), Springer-Verlag,, 6, 14, 29, 2013年, ［査読有り］, ［最終著者, 責任著者］
    英語, 研究論文（国際会議プロシーディングス）
  • Ethological response to periodic stimulation in {\it Chara} and {\it Brepharisma}
    Itsuki Kunita; Sho Sato; Tetsu Saigusa; Toshiyuki Nakagaki
    Natural Computing and Beyond, Proceedings in Information and Communications Technology (PICT), Springer-Verlag, 6, 3, 13, 2013年, ［査読有り］, ［最終著者, 責任著者］
    英語, 研究論文（国際会議プロシーディングス）
  • Shear Banding in an F-Actin Solution
    Itsuki Kunita; Katsuhiko Sato; Yoshimi Tanaka; Yoshinori Takikawa; Hiroshi Orihara; Toshiyuki Nakagaki
    PHYSICAL REVIEW LETTERS, 109, 24, 248303, 248303, 2012年12月, ［査読有り］, ［最終著者］, ［国際誌］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Peristaltic transport and mixing of cytosol through the whole body of Physarum plasmodium
    Makoto Iima; Toshiyuki Nakagaki
    MATHEMATICAL MEDICINE AND BIOLOGY-A JOURNAL OF THE IMA, 29, 3, 263, 281, 2012年09月, ［査読有り］, ［最終著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Tactic direction determined by the interaction between oscillatory chemical waves and rheological deformation in an amoeba
    Kei-Ichi Ueda; Seiji Takagi; Toshiyuki Nakagaki
    PHYSICAL REVIEW E, 86, 1, 011927, 2012年07月, ［査読有り］, ［最終著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Mechanics of peristaltic locomotion and role of anchoring
    Yoshimi Tanaka; Kentaro Ito; Toshiyuki Nakagaki; Ryo Kobayashi
    JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY INTERFACE, 9, 67, 222, 233, 2012年02月, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Transport and mixing of chemicals inside the body of a micro-organism
    Makoto Iima; Toshiyuki Nakagaki
    Journal of Mathematical Medicine and Biology, 29, 263, 281, 2012年, ［査読有り］, ［最終著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Fluid-Filled Soft-Bodied Amoeboid Robot Inspired by Plasmodium of True Slime Mold
    Takuya Umedachi; Ryo Idei; Toshiyuki Nakagaki; Ryo Kobayashi; Akio Ishiguro
    ADVANCED ROBOTICS, 26, 7, 693, 707, 2012年, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Novel control principle based on the discrepancy function
    Ryo Kobayashi; Toshiyuki Nakagaki; Akio Ishiguro
    京都大学数理解析研究所講究録別冊, B31, 61, 77, 京都大学, 2012年
    英語, 研究論文（研究会，シンポジウム資料等）
  • Traffic optimization in railroad networks using an algorithm mimicking an amoeba-like organism, Physarum plasmodium
    Shin Watanabe; Atsushi Tero; Atsuko Takamatsu; Toshiyuki Nakagaki
    BIOSYSTEMS, 105, 3, 225, 232, 2011年09月, ［査読有り］, ［最終著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Structure and formation of ant transportation networks
    Tanya Latty; Kai Ramsch; Kentaro Ito; Toshiyuki Nakagaki; David J. T. Sumpter; Martin Middendorf; Madeleine Beekman
    JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY INTERFACE, 8, 62, 1298, 1306, 2011年09月, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Flow-induced channel formation in the cytoplasm of motile cells
    Robert D. Guy; Toshiyuki Nakagaki; Grady B. Wright
    PHYSICAL REVIEW E, 84, 1, 2011年07月, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Cellular Computation Realizing Intelligence of Slime Mold Physarum Polycephalum
    Yoshimi Tanaka; Toshiyuki Nakagaki
    JOURNAL OF COMPUTATIONAL AND THEORETICAL NANOSCIENCE, 8, 3, 383, 390, 2011年03月, ［査読有り］, ［最終著者］
    英語
  • Mathematical model for contemplative amoeboid locomotion
    Kei-Ichi Ueda; Seiji Takagi; Yasumasa Nishiura; Toshiyuki Nakagaki
    Physical Review E - Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics, 83, 2, 021916, 2011年02月28日, ［査読有り］, ［最終著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • A Soft Deformable Amoeboid Robot Inspired by Plasmodium of True Slime Mold
    Takuya Umedachi; Koichi Takeda; Toshiyuki Nakagaki; Ryo Kobayashi; Akio Ishiguro
    INTERNATIONAL JOURNAL OF UNCONVENTIONAL COMPUTING, 7, 6, 449, 462, 2011年, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Convergence properties for the Physarum solver
    Kentaro Ito; Anders Johansson; Toshiyuki Nakagaki; Atsushi Tero
    arXiv:1101.5249v1[math.OC] 27 Jan 2011, 2011年01月
    英語, 研究論文（その他学術会議資料等）
  • Kinetic study of anti-viral ribavirin uptake mediated by hCNT3 and hENT1 in Xenopus laevis oocytes
    Takashi Yamamoto; Mitsuru Sugawara; Takashi Kikukawa; Seiji Miyauchi; Masahiro Yamaguchi; Atsushi Tero; Seiji Takagi; Toshiyuki Nakagaki
    BIOPHYSICAL CHEMISTRY, 147, 1-2, 59, 65, 2010年03月, ［査読有り］, ［最終著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • 真正粘菌変形体から探る大自由度ソフトロボットの自律分散制御
    梅舘拓也; 武田光一; 中垣俊之; 小林亮; 石黒章夫
    日本ロボット学会学術講演会予稿集(CD-ROM), 102, 3, 261, 269, 2010年03月, ［査読有り］
    英語
  • 原形質量保存則を活用したアメーバ様ソフトロボットの実機開発
    武田光一; 梅舘拓也; 中垣俊之; 小林亮; 石黒章夫
    第22回自律分散システム・シンポジウム, 2010年01月30日
    日本語, 研究論文（その他学術会議資料等）
  • The Birth of Physarum Computing
    Toshiyuki Nakagaki
    INTERNATIONAL JOURNAL OF UNCONVENTIONAL COMPUTING, 6, 2, 75, 77, 2010年, ［査読有り］
    英語
  • Taming Large Degrees of Freedom A Case Study with an Amoeboid Robot
    Takuya Umedachi; Koichi Takeda; Toshiyuki Nakagaki; Ryo Kobayashi; Akio Ishiguro
    2010 IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON ROBOTICS AND AUTOMATION (ICRA), 3787, 3792, 2010年, ［査読有り］
    英語, 研究論文（国際会議プロシーディングス）
  • Foraging behaviorsand potential computational ability ofproblem-solving in an amoeba
    中垣 俊之
    Proceedings inInformation and Communications Technology(PICT2) Natural Computing, Proceedings ofthe 4th Int. Workshop on Natural Computing,Ed. by F. Pepper, H. Umeo, N. Matsui, T.Isokawa, Springer, 2, 42, 54, 2010年, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Rules for Biologically Inspired Adaptive Network Design
    Atsushi Tero; Seiji Takagi; Tetsu Saigusa; Kentaro Ito; Dan P. Bebber; Mark D. Fricker; Kenji Yumiki; Ryo Kobayashi; Toshiyuki Nakagaki
    SCIENCE, 327, 5964, 439, 442, 2010年01月, ［査読有り］, ［最終著者, 責任著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • A Method Inspired by Physarum for Solving the Steiner Problem
    Aisushi Tero; Toshiyuki Nakagaki; Kazutaka Toyabe; Kenji Yumiki; Ryo Kobayashi
    INTERNATIONAL JOURNAL OF UNCONVENTIONAL COMPUTING, 6, 2, 109, 123, 2010年, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • A Soft-bodied Fluid-driven Amoeboid Robot Inspired by Plasmodium of True Slime Mold
    Takuya Umedachi; Koichi Takeda; Toshiyuki Nakagaki; Ryo Kobayashi; Akio Ishiguro
    IEEE/RSJ 2010 INTERNATIONAL CONFERENCE ON INTELLIGENT ROBOTS AND SYSTEMS (IROS 2010), 2401, 2406, 2010年, ［査読有り］
    英語, 研究論文（国際会議プロシーディングス）
  • Risk management in spatio-temporally varying field by true slime mold
    Kentaro Ito; David Sumpter; Toshiyuki Nakagaki
    NOLTA (Nonlinear Theory and Application) journal, IEICE., 1, 1, 26, 36, 一般社団法人 電子情報通信学会, 2010年, ［査読有り］, ［最終著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）, Revealing how lower organisms solve complicated problems is a challenging research area, which could reveal the evolutionary origin of biological information processing. Here we report on the ability of a single-celled organism, true slime mold, to find a smart solution of risk management under spatio-temporally varying conditions. We designed test conditions under which there were three food-locations at vertices of equilateral triangle and a toxic light illuminated the organism on alternating halves of the triangle. We found that the organism behavior depended on the period of the repeated illumination, even though the total exposure time was kept the same . A simple mathematical model for the experimental results is proposed from a dynamical system point of view. We discuss our results in the context of a strategy of risk management by Physarum.
  • 真正粘菌変形体から着想を得た自律分散制御方策の実験的検証
    梅舘拓也; 武田光一; 中垣俊之; 小林 亮; 石黒章夫
    計測自動制御学会論文集, 46, 11, 706, 712, The Society of Instrument and Control Engineers, 2010年, ［査読有り］
    日本語, 研究論文（学術雑誌）, This paper presents a fully decentralized control inspired by plasmodium of true slime mold and its validity using a soft-bodied amoeboid robot. The notable features of this paper are twofold: (1) the robot has truly soft and deformable body stemming from real-time tunable springs and a balloon, the former is utilized as an outer skin of the body and the latter serves as protoplasm; and (2) a fully decentralized control using coupled oscillators with completely local sensory feedback mechanism is realized by exploiting the long-distance physical interaction between the body parts induced by the law of conservation of protoplasmic mass. Experimental results show that this robot exhibits truly supple locomotion without relying on any hierarchical structure. The results obtained are expected to shed new light on design scheme for autonomous decentralized control system.
  • アメーバ様ロコモーションから探る大自由度システムの自律分散制御方策
    武田光一; 梅舘拓也; 中垣俊之; 小林亮; 石黒章夫
    第15回創発システム・シンポジウム, P02 83, 86, 2009年08月08日
    日本語, 研究論文（その他学術会議資料等）, 第15回創発システム・シンポジウム ベストポスター優秀賞
  • 真正粘菌をモチーフとした大自由度ソフトロボットの実機開発
    武田 光一; 北村 太一; 梅舘 拓也; 中垣 俊之; 小林 亮; 石黒 章夫
    第21回自律分散システム・シンポジウムProceedings, 2009年01月22日
    英語, 研究論文（その他学術会議資料等）
  • Adaptive biological networks
    Mark D. Fricker; Lynne Boddy; Toshiyuki Nakagaki; Daniel P. Bebber
    Understanding Complex Systems, 2009, 51, 70, 2009年, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Foraging Behaviors and Potential Computational Ability of Problem-Solving in an Amoeba.
    Toshiyuki Nakagaki
    Natural Computing - 4th International Workshop on Natural Computing, IWNC 2009, Himeji, Japan, September 2009, Proceedings, 42, 54, Springer, 2009年, ［査読有り］
  • A Modular Robot Driven by Protoplasmic Streaming
    Takuya Umedachi; Thichi Kitamura; Koichi Takeda; Toshiyuki Nakagaki; Ryo Kobayashi; Akio Ishiguro
    DISTRIBUTED AUTONOMOUS ROBOTIC SYSTEMS 8, 193, +, 2009年, ［査読有り］
    英語, 研究論文（国際会議プロシーディングス）
  • Protoplasmic Computing to Memorize and Recall Periodic Environmental Events
    Atsushi Tero; Tetsu Saigusa; Toshiyuku Nakagaki
    NATURAL COMPUTING, PROCEEDINGS, 1, 213, 221, 2009年
    英語, 研究論文（国際会議プロシーディングス）
  • 真正粘菌から探る大自由度ロボットの自律分散制御方策
    北村 太一; 梅舘 拓也; 武田 光一; 中垣 俊之; 小林 亮; 石黒 章夫
    計測自動制御学会SI部門講演会SI2008予稿集, 139, 140, 2008年12月05日
    日本語, 研究論文（その他学術会議資料等）
  • Computational Ability of Cells based on Cell Dynamics and Adaptability
    Toshiyuki Nakagaki; Atsushi Tero; Ryo Kobayashi; Isamu Onishi; Tomoyuki Miyaji
    NEW GENERATION COMPUTING, 27, 1, 57, 81, 2008年11月, ［査読有り］, ［筆頭著者, 責任著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • A Fully Decentralized Morphology Control of an Amoeboid Robot by Exploiting the Law of Conservation of Protoplasmic Mass
    Akio Ishiguro; Takuya Umedachi; Taichi Kitamura; Toshiyuki Nakagaki; Ryo Kobayashi
    IEEE/RSJ 2008 International Conference on Intelligent RObots and Systems, 2008年09月22日, ［査読有り］
    英語, 研究論文（国際会議プロシーディングス）
  • Failure to the shortest path decision of an adaptive transport network with double edges in Plasmodium system
    Tomoyuki Miyaji; Isamu Ohnishi; Atsushi Tero; Toshiyuki Nakagaki
    International Journal of Dynamical Systems and Differential Equations, 1, 3, 210, 219, 2008年07月, ［査読有り］, ［最終著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Flow-network adaptation in Physarum amoebae
    Atsushi Tero; Kenji Yumiki; Ryo Kobayashi; Tetsu Saigusa; Toshiyuki Nakagaki
    THEORY IN BIOSCIENCES, 127, 2, 89, 94, 2008年06月, ［査読有り］, ［最終著者, 責任著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Locomotive mechanism of Physarum plasmodia based on spatiotemporal analysis of protoplasmic streaming
    Kenji Matsumoto; Seiji Takagi; Toshiyuki Nakagaki
    BIOPHYSICAL JOURNAL, 94, 7, 2492, 2504, 2008年04月, ［査読有り］, ［最終著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Flow rate driven by peristaltic movement in plasmodial tube of Physarum polycephalum
    Hiroyasu Yamada; Toshiyuki Nakagaki
    COLLECTIVE DYNAMICS: TOPICS ON COMPETITION AND COOPERATION IN THE BIOSCIENCES, 1028, 210, +, 2008年, ［査読有り］, ［最終著者］
    英語, 研究論文（国際会議プロシーディングス）
  • Intelligent behaviors of amoeboid movement based on complex dynamics of soft matter
    Toshiyuki Nakagaki; Robert D. Guy
    SOFT MATTER, 4, 1, 57, 67, 2008年, ［査読有り］, ［最終著者, 責任著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Amoebae anticipate periodic events
    Tetsu Saigusa; Atsushi Tero; Toshiyuki Nakagaki; Yoshiki Kuramoto
    PHYSICAL REVIEW LETTERS, 100, 1, 018101, 2008年01月, ［査読有り］, ［責任著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Minimum-risk path finding by an adaptive amoebal network
    Toshiyuki Nakagaki; Makoto Iima; Tetsuo Ueda; Yasumasa Nishiura; Tetsu Saigusa; Atsushi Tero; Ryo Kobayashi; Kenneth Showalter
    PHYSICAL REVIEW LETTERS, 99, 6, 068104, 2007年08月, ［査読有り］, ［筆頭著者, 責任著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Dispersion relation in oscillatory reaction-diffusion systems with self-consistent flow in true slime mold
    H. Yamada; T. Nakagaki; R. E. Baker; P. K. Maini
    JOURNAL OF MATHEMATICAL BIOLOGY, 54, 6, 745, 760, 2007年06月, ［責任著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • A mathematical model for adaptive transport network in path finding by true slime mold
    Atsushi Tero; Ryo Kobayashi; Toshiyuki Nakagaki
    JOURNAL OF THEORETICAL BIOLOGY, 244, 4, 553, 564, 2007年02月, ［査読有り］, ［最終著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Effects of amount of food on path selection in the transport network of an amoeboid organsim
    Toshiyuki Nakagaki; Tetsu Saigusa; Atsushi Tero; Ryo Kobayashi
    Proceedings of Int. Symp. On Topological Aspects of Critical Systems and Networks (World Scientific Publishing Co.), 94, 100, 2007年, ［筆頭著者, 責任著者］
  • Indecisive behavior of amoeba crossing an environmental barrier
    Seiji Takagi; Yasumasa Nishiura; Toshiyuki Nakagaki; Tetsuo Ueda; Kei-ichi Ueda
    Proceedings of Int. Symp. On Topological Aspects of Critical Systems and Networks (World Scientific Publishing Co.), 86, 93, 2007年
  • Mathematical model for rhythmic protoplasmic movement in the true slime mold
    Ryo Kobayashi; Atsushi Tero; Toshiyuki Nakagaki
    JOURNAL OF MATHEMATICAL BIOLOGY, 53, 2, 273, 286, 2006年08月, ［査読有り］, ［最終著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Super water-repellent surfaces with fractal structures and their potential application to biological studies
    Hu Yan; Hatsuki Shiga; Etsuro Ito; Toshiyuki Nakagaki; Seiji Takagi; Tetsuo Ueda; Kaoru Tsujii
    COLLOIDS AND SURFACES A-PHYSICOCHEMICAL AND ENGINEERING ASPECTS, 284, 490, 494, 2006年08月, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Physarum solver – a biologically inspired method for road-network navigation -
    Atsushi Tero; Ryo Kobayashi; Toshiyuki Nakagaki
    Physica, 363, 1, 115, 119, 2006年04月, ［最終著者, 責任著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Spatiotemporal symmetry in rings of coupled biological oscillators of Physarum plasmodial slime mold
    A Takamatsu; R Tanaka; H Yamada; T Nakagaki; T Fujii; Endo, I
    PHYSICAL REVIEW LETTERS, 87, 7, 0781021-4., 2001年08月, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Maze-solving by an amoeboid organism
    T Nakagaki; H Yamada; A Toth
    NATURE, 407, 6803, 470, 470, 2000年09月, ［査読有り］, ［筆頭著者, 責任著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Interaction between cell shape and contraction pattern in the Physarum plasmodium (vol 84, pg 195, 2000)
    T Nakagaki; H Yamada; T Ueda
    BIOPHYSICAL CHEMISTRY, 87, 1, 85, 86, 2000年09月, ［査読有り］, ［筆頭著者, 責任著者］
    英語
  • Modulation of cellular rhythm and photoavoidance by oscillatory irradiation in the Physarum plasmodium
    T Nakagaki; H Yamada; T Ueda
    BIOPHYSICAL CHEMISTRY, 82, 1, 23, 28, 1999年11月, ［査読有り］, ［筆頭著者, 責任著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Reaction-diffusion-advection model for pattern formation of rhythmic contraction in a giant amoeboid cell of the Physarum Plasmodium
    T Nakagaki; H Yamada; M Ito
    JOURNAL OF THEORETICAL BIOLOGY, 197, 4, 497, 506, 1999年04月, ［査読有り］, ［筆頭著者, 責任著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Pattern formation of a reaction-diffusion system with self-consistent flow in the amoeboid organism Physarum plasmodium
    H Yamada; T Nakagaki; M Ito
    PHYSICAL REVIEW E, 59, 1, 1009, 1014, 1999年01月, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Action spectrum for sporulation and photoavoidance in the plasmodium of Physarum polycephalum, as modified differentially by temperature and starvation
    T Nakagaki; S Umemura; Y Kakiuchi; T Ueda
    PHOTOCHEMISTRY AND PHOTOBIOLOGY, 64, 5, 859, 862, 1996年11月, ［査読有り］, ［筆頭著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Phase switching of oscillatory contraction in relation to the regulation of amoeboid behavior by the Plasmodium of Physarum polycephalum
    T Nakagaki; T Ueda
    JOURNAL OF THEORETICAL BIOLOGY, 179, 3, 261, 267, 1996年04月, ［査読有り］, ［筆頭著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • NONSPECIFIC ACTIVITY OF (+/-)CP-96,345 IN MODELS OF PAIN AND INFLAMMATION
    A NAGAHISA; R ASAI; Y KANAI; A MURASE; M TSUCHIYANAKAGAKI; T NAKAGAKI; TC SHIEH; K TANIGUCHI
    REGULATORY PEPTIDES, 46, 1-2, 433, 436, 1993年07月
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • NONSPECIFIC ACTIVITY OF (+/-) CP-96,345 IN MODELS OF PAIN AND INFLAMMATION
    A NAGAHISA; R ASAI; Y KANAI; A MURASE; M TSUCHIYANAKAGAKI; T NAKAGAKI; T SHIEH; K TANIGUCHI
    REGULATORY PEPTIDES, 107, 2, S122, S122, 1992年09月
    英語
  • ULTRAVIOLET ACTION SPECTRUM FOR INTRACELLULAR FREE CA-2+ INCREASE IN HUMAN EPIDERMAL-KERATINOCYTES
    T NAKAGAKI; J ODA; H KOIZUMI; T FUKAYA; C YASUI; T UEDA
    CELL STRUCTURE AND FUNCTION, 15, 4, 175, 179, 1990年08月, ［査読有り］, ［筆頭著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • DYNAMIC ORGANIZATION OF ATP AND BIREFRINGENT FIBRILS DURING FREE LOCOMOTION AND GALVANOTAXIS IN THE PLASMODIUM OF PHYSARUM-POLYCEPHALUM
    T UEDA; T NAKAGAKI; T YAMADA
    JOURNAL OF CELL BIOLOGY, 110, 4, 1097, 1102, 1990年04月, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • ACTION SPECTRA FOR SUPEROXIDE GENERATION AND UV AND VISIBLE-LIGHT PHOTOAVOIDANCE IN PLASMODIA OF PHYSARUM-POLYCEPHALUM
    T UEDA; Y MORI; T NAKAGAKI; Y KOBATAKE
    PHOTOCHEMISTRY AND PHOTOBIOLOGY, 48, 5, 705, 709, 1988年11月, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Changes in cAMP and cGMP concentration, birefringent fibrils and contractile activity accompanying “UV and blue light photoavoidance in plasmodia of an albino strain of Physarum polycephalum
    Tetsuo Ueda; Yoshihito Mori; Toshiyuki Nakagaki; Yonosuke Kobatake
    Photochem. Photobiol., 47, 2, 271, 275, 1988年02月, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Patterns in intracellular ATP distribution and rhythmic contraction in relation to amoeboid locomotion in the plasmodium of Physarum polycephalum
    Tetsuo Ueda; Toshiyuki Nakagaki; Yonosuke Kobatake
    Protoplasma, Suppl 1, 51, 56, 1988年, ［査読有り］
    英語
■ その他活動・業績
■ 書籍等出版物
■ 主な担当授業
  • ソフトマター物理学特論, 2024年, 修士課程, 生命科学院
  • 生命機能制御科学特論, 2024年, 修士課程, 生命科学院
  • 大学院共通授業科目（教育プログラム）：教養深化プログラム, 2024年, 修士課程, 大学院共通科目
  • 数学総合講義Ⅰ, 2024年, 学士課程, 理学部
  • 生物系のための物理学, 2024年, 学士課程, 理学部
■ 所属学協会
  • 2014年
    日本数理生物学会
  • 2008年
    形の科学会
  • 2008年
    日本生物物理学会
  • 日本時間生物学会
  • 日本原生生物学会
■ 共同研究・競争的資金等の研究課題
  • 人工･天然バイオ界面現象の理解に基づく生体親和性材料の設計・合成
    CORE2-Aラボ
    2025年04月 - 2026年03月
    田中賢; 林智広; 中垣俊之; 西上幸範; 大村拓也; 櫻井保志; 井関隆之
    人と知と物質で未来を創るクロスオーバーアライアンス, 2025C002
  • 繊毛虫・アメーバの集団的空間探査と空間活用のアルゴリズムの解明
    科学研究費助成事業
    2021年10月 - 2026年03月
    棟朝雅晴; 田中良巳; 佐藤勝彦; 國田樹
    日本学術振興会, 学術変革領域研究（A）, 北海道大学, 研究代表者
  • ジオラマ環境で覚醒する原生知能を定式化する細胞行動力学
    科学研究費助成事業
    2021年10月 - 2026年03月
    石川拓司; 紫加田知幸; 柴小菊; 篠原恭介; 菊池謙次; 石本健太; 飯間信
    日本学術振興会, 学術変革領域研究（A）, 北海道大学, 研究代表者
  • 先端バイオイメージング支援プラットフォーム
    科学研究費助成事業
    2016年 - 2021年
    狩野 方伸; 狩野 方伸; 上野 直人; 丸山 めぐみ; 真野 昌二; 渡邉 貴樹; 平岡 泰; 甲本 真也; 宮澤 淳夫; 定藤 規弘; 島貫 瑞樹; 今村 健志; 野中 茂紀; 藤森 俊彦; 松田 道行; 鍋倉 淳一; 稲葉 一男; 東山 哲也; 根本 知己; 岡田 康志; 古田 寿昭; 菅谷 佑樹; 中垣 俊之; 光岡 薫; 坂本 浩隆; 中村 桂一郎; 小池 正人; 古瀬 幹夫; 深澤 有吾; 渡辺 雅彦; 青木 茂樹; 笠井 清登; 内田 誠一; 安永 卓生; 檜垣 匠; 小田 祥久; 木森 義隆; 馳澤 盛一郎
    本支援活動では、生理学研究所と基礎生物学研究所を中核機関としたバイオイメージング支援のネットワークを構築し、科研費取得者に対して、最先端の光学顕微鏡技術、電子顕微鏡技術、磁気共鳴画像技術、画像解析技術を提供した。申請課題として、生物系におけるほとんどの審査区分から、また、ほぼ全ての研究種目からの応募があり、幅広い研究支援を行った(6年間で1,506件)。その成果の一部は396報の論文として発表される(2022年3月31日現在)など、高度なバイオイメージング技術を必要とする科研費課題の推進に貢献した。
    日本学術振興会, 新学術領域研究（研究領域提案型）『学術研究支援基盤形成』, 生理学研究所, 16H06280
  • 非平衡定常状態におけるソフトマターのゆらぎとレオロジー
    科学研究費助成事業
    2013年06月 - 2018年03月
    折原 宏; 長屋 智之; 佐藤 勝彦; 日高 芳樹; 中垣 俊之
    せん断流は、ソフトマターの空間構造を一変させるだけでなく、時間反転対称性を破ることによりゆらぎや応答の性質をも変化させる。本研究ではレオメーターと共焦点レーザー顕微鏡を組み合わせた装置を製作し、主にせん断流下でソフトマターの非平衡構造とゆらぎの研究を行った。液晶、コロイド、アクチン水溶液等のソフトマターにせん断を印加し、ゆらぎと応答を測定した結果、非平衡系に特有な現象が観測された。例えば、せん断流下の液晶およびコロイド粒子系では非平衡系に特有な非保存力が出現し、異常なゆらぎや応答が観測された。液晶に関しては、液晶のダイナミクスを記述するエリクセン－レスリー理論を用いて実験結果を考察した。
    日本学術振興会, 新学術領域研究(研究領域提案型), 北海道大学, 25103006
  • 数理科学と生体生命情報科学との連携による生命知の基本アルゴリズムの探求
    科学研究費補助金
    2014年04月 - 2017年03月
    中垣俊之
    日本学術振興会, 研究代表者, 競争的資金
  • せん断流下における非ニュートン流体のマイクロレオロジー
    科学研究費助成事業
    2014年04月 - 2017年03月
    折原 宏; 佐々木 裕司; 中垣 俊之
    高分子、液晶等のソフトマターはミクロな構造を持ち、この構造は流れと相互作用をする。本研究では、構造が特にせん断流と関係したレオロジー的性質に及ぼす影響をマイクロレオロジー的手法を用いることによって明らかにした。先ず、平衡状態におけるネマチック液晶の配向ゆらぎとせん断流れを同時に観測し、これらの相互相関関数を求めることによって、相互作用がゆらぎにおいても存在することを明らかにした。さらに、相関関数をレスリー・エリクセン理論から導出し、実験結果と比較した。次に、キサンタン水溶液にせん断を印加したときの分散粒子のブラウン運動を観測し、キサンタン分子間の相互作用に起因する拡散があることを明らかにした。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 26289032
  • 細胞運動における細胞レオロジーと応力場のクロストーク
    科学研究費補助金
    2013年04月 - 2015年03月
    中垣俊之
    日本学術振興会, 研究代表者, 競争的資金
  • 単細胞生物に学ぶ生命知の基本アルゴリズム
    研究助成
    2013年04月 - 2014年03月
    中垣 俊之
    秋山記念生命科学振興財団, 研究代表者, 競争的資金
  • 生物輸送ネットワークのダイナミクス
    戦略的国際科学技術協力推進事業
    2011年04月 - 2014年03月
    中垣 俊之
    科学技術振興機構, 研究代表者, 競争的資金
  • 生物ロコモーションに学ぶ大自由度システムの新展開
    戦略的創造研究推進事業
    2008年04月 - 2013年03月
    小林亮
    科学技術振興機構, 競争的資金
  • 自己駆動する境界運動と流れの相互作用による推進・輸送現象の解明
    科学研究費助成事業
    2011年 - 2013年
    飯間 信; 中垣 俊之; 郡 宏
    複数のバネ支持円柱を一様流中に置いた場合，渦剥離を伴う場合でも同期が発生することを示し，その条件について数値的に調べた． 剥離渦によるバネ支持円柱の振動を一つの振動子と捉え,2つの振動子間の相互作用の結合関数を位相差の関数として計算データから得た. また粘菌の微小変形体の蠕動運動の発生要因として化学物質の輸送と振動が結合したモデルと境界での位相勾配を与えた位相振動子モデルを検討し，微小変形体に特有の蠕動運動パターンを再現することに成功した．
    日本学術振興会, 基盤研究(C), 広島大学, 23540433
  • 時間記憶能の系統進化に対する実験的評価と非線形動力学構造
    科学研究費助成事業
    2008年04月 - 2012年03月
    中垣 俊之; 三枝 徹
    生物システムは天与の情報機械であり、その動作原理の解明は、基礎科学として興味深いばかりでなく、また新規情報技術の創成にもつながり社会的にも重要である。本研究では、単細胞生物である粘菌変形体を主なモデル生物として、その情報処理能力、特に時間記憶能の最も基本的なあり方を実験的に評価し、情報処理のアルゴリズムを考察した。細胞レベルで既に周期的なイベントの予測と想起の能力があること、それは代謝反応の多重リズム的な運動から表れることをつきとめた。同様な能力が、原生生物界から動物界、植物界にいたるまで広く共通して見られることを示唆できた。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 研究代表者, 競争的資金, 20300105
  • 散逸系孤立波の相互作用理論の新展開
    科学研究費助成事業
    2009年 - 2012年
    西浦 廉政; 上田 肇一; 寺本 敬; 飯間 信; 中垣 俊之; 高木 清二; 栄 伸一郎; 長山 雅晴
    空間的に局在し、自走する粒子解とよばれるパターンは神経パルス、ガス放電現象、2相対流問題、さらに真正粘菌ダイナミクス等に現れる。粒子解同士あるいは不均一媒質等の環境との強い相互作用で、これらは消滅、合体、分裂等の多彩なダイナミクスを示す。これらの統一的理解のために、高い余次元をもつ分岐特異点解析、数値的大域分岐解析、有限次元への縮約理論を組み合わせることにより、環境との相互作用を含む様々な衝突現象をその遷移ダイナミクスまで含めて明らかにした。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 21340019
  • Optimization in Natural System: ants, bees and slime moulds
    Research Grant
    2007年09月 - 2010年08月
    SUMPTER David
    Human Frontier Science Program, 競争的資金
  • 生物における構造形成と情報に関する数理的研究
    科学研究費助成事業
    2007年 - 2010年
    小林 亮; 中垣 俊之; 三浦 岳
    真正粘菌が鉄道網のような輸送ネットワークと等価なネットワークを形成する能力があることを実験的に示し、その数理モデルを構築することによって、ネットワークの新しい設計手法を提案した。また、卵割初期における空間的配位の決定や、肺や血管網の分岐構造の形成において、情報がどのような機序で働いているかを記述するモデルを提案した。これらの研究を通して、生物の構造形成と情報を結ぶしくみを記述する数理的手法を開発した。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 広島大学, 19340023
  • トポロジー理工学の創成
    21世紀COEプログラム
    2004年04月 - 2008年03月
    丹田 聡
    文部科学省, 競争的資金
  • 粘菌アルゴリズム:制約条件付き最適化問題の生物模倣型解法
    科学研究費助成事業
    2006年04月 - 2007年
    中垣 俊之; 小林 亮
    アメーバ生物である粘菌変形体は、何ら分化した器官を持たないので、環境のセンシング・判断・運動を体全体で渾然一体となって行う。感じる体、判断する体である。その体は高度に均質なサブシステムからなっている。したがって、均質な要素からなる系の集団運動から情報機能が創発するしくみを解明するにはまたとないモデル系である。この利点を最大限に活かして、粘菌の最適化アルゴリズムの抽出に取り組み、以下の成果を得た。
    1)小さい餌場所を数個程度あちこちに配置すると粘菌はネットワーク形態を成して全ての餌場所にありついた。このネットワークは、全長が短くなるような性質を有しており、時々、真に最短なルートしめした。これにヒントを得て、一般的なスタイナー問題(平面上に任意の個数の点が任意の場所にある場合、全ての点を結ぶ最短経路を求める問題)を解く計算法を考案し、パラメタサーチと性能評価をくりかえし、ソルバーを提案できた。
    2)都市間交通(道路や鉄道など)ネットワークの持つべき性質である、全長の最短性、任意の二つの餌場所間の連絡性、事故による管の断線に対する連結補償性に関して、これら三つの性質の重みを変えて自在に設計するような粘菌型計算法を提案できた。
    粘菌の計算能力はまだまだ底が知れないこともわかった。今後、この実験系をさらに利用することにより、新たな生物型計算法のヒントが得られるものと期待できる。そのような発展的糸口を与えることが、本萌芽研究により成し遂げられた。
    日本学術振興会, 萌芽研究, 北海道大学, 研究代表者, 競争的資金, 18650054
  • 生物に学ぶ動的ネットワーク最適化問題の研究
    科学研究費助成事業
    2006年 - 2007年
    小林 亮; 中垣 俊之
    真正粘菌変形体は原始的な神経系さえ持たない、単純な体制を持った多核単細胞生物であるが、迷路を解いたり最短経路問題を解く能力があることが、中垣らによって示されている。彼らが迷路を解く際には最終的なルートに管を残すという形を取るが、単純に迷路を解くというだけでなく、餌の量の多さによって多重にルートを残したり、単独の管を残したりと、状況に応じた反応をしている。我々はこのことを実験的に明らかにし、それを再現する数理モデルを提出した。
    また、真正粘菌変形体は多くの餌を提示された場合には、それらをできるだけ総長が短い経路でつなぐが、これは数理的にいえばスタイナー問題を近似的に解いていることに他ならない。NP完全問題であるスタイナー問題は、最短経路探索問題よりも遙かに困難な問題であり、まともに解けば計算時間の指数的発散という問題に直面するわけであるが、ここでも真正粘菌変形体は「知性」を発揮している。我々はPhysarum Solverを以下のように拡張することにより、スタイナー問題を近似的に解く方法を開発した。まず与えられた点を含む凸包を細かいネットワークで覆い、短い時間間隔ごとに2頂点のペアをランダムに選び(実際はまず一方を選び、他方はそれからなるべく遠い頂点を選ぶ)、それにPhysarum Solverを適用するのである。このようにすると、スタイナー最小木ではないが、それと位相的に等価な経路を求めることができる。これを元にスタイナー点の位置を緩和することにより、スタイナー最小木に到達できるのである。少なくとも正解がわかる程度に頂点数が少ない場合についてはほぼ確実に正解に到達することがシミュレーションによって確かめられた。
    日本学術振興会, 萌芽研究, 広島大学, 18654022
  • 多様な動的パターンの選択に基づく細胞インテリジェンスの創発
    科学研究費助成事業
    2006年 - 2007年
    高木 清二; 上田 哲男; 中垣 俊之
    本研究課題の目的は真正粘菌の変形体を非平衡開放系で時間発展するシステムとしてとらえ、その高度な情報処理能力とその原理を調べ、生命現象を包括的に理解することである。主に以下の研究成果が得られた。
    1.変形体によるフラクタル表面の認識
    変形体は表面の物理的形状の違いを認識する事を明らかにした。ワックス(アルキルケテンダイマー)の表面にフラクタル次元が約2.3次元の部分と2次元の部分を作り、両方を同面積覆うように変形体を置いた結果、移植後細胞全体で同相同期していた振動はおよそ10分後にフラクタル次元の異なる表面の間で逆位相となった。
    2.摘出内質ゾルの発展過程に現れる多様な動的パターン
    巨大な変形体から嫡出した内質ゾルは調整後10分程度で収縮弛緩運動を開始し、その時空間パターンは時間経過とともに1)定在波、2)時空間カオス、3)回転ラセン波、4)同期パターンと発展する。同期パターンを示す変形体は管構造を形成し、同期パターンから回転ラセン波に遷移すると管構造が破壊される事が分かった。
    3.原形質流動の流速場測定システムの構築
    微小変形体を顕微鏡下で観察し、細胞内の原形質流動の流れ場と細胞の変形を同時に計測する画像解析システムを開発した。変形体の規則的な収縮弛緩運動、原形質流動および細胞の移動の相関を調べる事により、細胞運動のメカニズムを明らかにした。
    4.複合刺激の情報統合機構
    粘菌変形体に忌避・誘引の混合刺激を与えた際の応答を膜受容、収縮弛緩振動のダイナミクス、細胞行動レベルで調べ、細胞の情報統合機構を調べた。その結果共存する誘引物質濃度が高くなると共に忌避行動の現れる忌避刺激強度も高くなる事が分かった。また、変形体が行動判断を行う際、収縮弛緩周期よりもおよそ10倍長い周期の遅い位相変調ダイナミクスが顕在化し、そのリズムで位相波の方向が変化し、行動が決定されることが明らかになった。
    日本学術振興会, 基盤研究(C), 北海道大学, 18500229
  • 単細胞生物粘菌による幾何学的パズル問題の解決法と細胞内計算アルゴリズム
    科学研究費助成事業
    2003年04月 - 2006年
    上田 哲男; 中垣 俊之; 中垣 俊之; 高木 清二; 西浦 廉政; 小林 亮; 上田 哲男; 高橋 健吾
    巨大なアメーバ様細胞である真正粘菌変形体の特徴を活用し、細胞に秘められたる計算の能力を引き出す実験を行うと共に、その計算アルゴリズムを細胞内非線形化学ダイナミクスに基づいた数理モデルを構築し、解析・シミュレーションした。(1)粘菌による最短経路探索問題(スタイナー問題、迷路問題)の解法:粘菌を迷路内に一面に這わせ、2点(出入り口)に餌を置く。粘菌は餌に集まりながら迷路内に管を形成するが、迷路内の最短コースを管でつなぐ(迷路問題を解いた)。粘菌を限られた領域内で一様に広がらせて、何箇所かに餌を置き、領域内部での管パターンの形成を見る。2点の場合、最短コースで結ぶ管が、3点の場合、中央で分岐したパターンが、4点の場合、2箇所で3つに分岐するパターンというスタイナーのミニマム・ツリーが形成された。(2)粘菌における最適ネットワーク(最短性、断線補償性、連絡効率)設計問題:粘菌の一部を忌避刺激である光で照射し管形成をみた。粘菌は危険領域を短くし、丁度光が屈折(フェルマーの定理)するように、管を作った。このように管パターン形成には環境情報をも組み入れられている。複数個に餌を置くと、最短性のみならず、一箇所で断線しても全体としてつながって一体性を維持する(断線補償性)という複数の要請下で管形成をすることがわかった。(3)管構造の数学的表現と粘菌の移動の数学的表現:振動する化学反応を振動子とし、これらが結合して集団運動する数理モデルを構築した。全体の原形質が保存されるという条件、粘菌の粘弾性が場所により異なるという条件を入れることで、粘菌の現実に合うような運動を再現することができた。(4)アルゴリズム:管は、流れが激しいとよりよく形成され、逆に流れが弱いと管は小さくなっていく。この管形成の順応性を要素ダイナミクスとして取り入れ、グローバルな管ネットワーク形成の数理モデルを構築した。迷路問題、スタイナー問題、フェルマー問題等実験結果のダイナミクスまでもシミュレートできた。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 研究代表者, 競争的資金, 15300098
  • 生物における管のネットワークのダイナミクスの数理的研究
    科学研究費助成事業
    2004年 - 2005年
    小林 亮; 中垣 俊之
    中垣らは、真正粘菌変形体が迷路を解いたり、最短経路探索問題を解く能力があることを、2000年にNatureに発表した。我々は真正粘菌変形体がどのようにこれらの問題を解いているのかを観察し、それを数理的に記述することにより、グラフ上の最短経路探索問題を解く新しいシステム□Physarum Solver-を開発した。
    各エッジに長さが与えられた連結無向グラフにおいて2つのノード間の最も短いパスを見いだすのが、最短経路探索問題であるが、迷路の問題はこのような形で記述される。
    グラフを水道管のネットワークとみなし、2つのノードの一方から水を流し込み、他のノードから水が流れ出るという状況を考えると、水の流れの様子はネットワーク上のPoisson方程式を解くことで求めることができる。粘菌では原形質流動の流量に対し管の太さが適応的に変化するという性質があり、このことが迷路を解くことを可能にしていると考えられる。これに倣って、流量に対し管の太さが適応的に変化するようにモデルを構成すると、ある管は時間とともに太くなり、ある管は細くなるといった変化が生じる。そして、最終的に残った管が迷路の解を与えるのである。いずれの場合も、袋小路の部分は直ちに消えるが、適応的な変化を与える関数形によって、競合的なパスの漸近挙動は異なる。関数が線形である場合には、どのような初期値に対しても必ず最終的に最短経路が得られることが、シミュレーションにより確認された(簡単なグラフの場合には数学的証明も可能)。このPhysarum Solverでは計算時間がノード数の約1.32乗に比例しており、最短経路探査苦悶を解くアルゴリズムとしてはかなり速いものであり、しかも必ず最短経路に到達できるという長所がある。カーナビゲーションやインターネットにおける経路探索への応用が考えられる。
    日本学術振興会, 萌芽研究, 広島大学, 16654017
  • 粘菌における迷路解法と細胞システム構築の動的メカニズム
    科学研究費助成事業
    2001年04月 - 2002年
    中垣 俊之; 上田 哲男
    アメーバ細胞は、代謝反応を伴うゾル・ゲル溶液と見なせるもっとも原始的な生命体であるが、環境情報を受容し、判断し、適切に環境に働きかける能力がある。すなわち生命システムにおける情報機能の発現やシステム構築の原理を物質レベルから解明するのに格好の研究対象である。粘菌変形体は巨大なアメーバ様細胞で、細胞全体にシンクロナイズした収縮リズム、往復原形質流動を示し、外部環境に応じて多種多様な細胞形状をとる。本プロジェクトは、粘菌という複雑系における機能発現のメカニズムを解明することをめざした。
    機能的ネットワークの設計能力の実験的証明
    与える餌の数(3,6,7,12,64個)と配置を様々に変えると、それに応じて餌場所を繋ぐ太い管のネットワークの形も劇的に変わった。これらのネットワークは、効果的な輸送ネットワークの持つべき幾つかの基準を満たした。すなわち、管の総長の短さ、餌場所間の密な繋がり、事故による管の断線に対する耐久性は、いずれも良い値を示した。このような複雑な状況での最適化アルゴリズムは現代科学技術の困難な問題であるが、単細胞の粘菌は予想以上に高い計算能力を有することが解明された。
    粘菌振動素子の集団的振る舞いのシミュレーション
    粘菌の計算アルゴリズムを解明するために、管の形成機構を収縮リズムの観点から数理モデル化の可能性を検討した。管形成には三つの時間スケール、2分の収縮リズムと20分の管形成過程と200分の管ネットワークの再編成過程が存在する。最も基本にある収縮リズムの数理モデルを構成した。化学振動子と粘菌の原形質流動を表現する偏微分方程式モデルである。これにより往復原形質流動の時空パタンと粘菌の走性を再現できた。このモデルを基にして、管形成もモデルへの糸口が得られたので、今後の研究展開が期待できる。
    日本学術振興会, 基盤研究(C), 北海道大学, 研究代表者, 競争的資金, 13831001
  • 巨大アメーバ・粘菌の形状変化に基づく細胞インテリジェンスの創発
    科学研究費助成事業
    2001年 - 2002年
    上田 哲男; 中垣 俊之
    原始的な巨大アメーバ細胞である粘菌変形体は、外部環境に応じて形状変化を伴う多種多様な行動をとる。細胞インテリジェンスの創発の観点から、粘菌変形体におけるリズムの階層性ならびに管形状の合理性を実験的に見出し、シミュレーションによりリズム素子のシンクロナイゼーション機構を解明した。
    粘菌リズムの階層性と規則性:粘菌の変形に伴う7つの多重リズムを見出し、その周期は、次のように2重の等比数列をなす。T_/T_i=7.5、T_/T_=2.8ここにi=1,2,3である。このように粘菌の多重リズムは階層的時間秩序を示す。
    粘菌の輸送ネットワークの最適性:寒天ゲル上に複数の餌を与えると、粘菌は全ての餌場所をたかだか二三本の管で結ぶような管ネットワークを形成した。このネットワークの幾何学的形を統計的に解析し、機能的なネットワークが持つべき複数の基準:全長の最短性、餌場所間の密な結合、事故による管の断線に対する連結補償性をすべて満足していることを示した。すなわち粘菌変形体のネットワークはインテリジェントで、最適性を満たしている。
    粘菌の動的挙動の数理モデリング:粘菌変形体を、原形質の要素が自励振動し、原形質ゲルが内部のゾルを取り囲みシート状に広がっているものとみなし、時間空間的に相互作用しながら発展する粘菌の数理モデルを構築した。硬さパラメータの位置依存性により、同心円状に広がる粘菌でみられる同調した振動や、フェニルアラニン存在下あるいは高温下における粘菌でみられる全体としては協調しない振動を再現できた。
    日本学術振興会, 基盤研究(C), 北海道大学, 13650266
  • 代謝・運動リズムのシンクロナイゼーションに基づくアメーバ様細胞の情報システム設計
    科学研究費助成事業
    2001年 - 2002年
    上田 哲男; 中垣 俊之
    原始的な巨大アメーバ細胞である粘菌変形体は、外部環境に応じて形状変化を伴う多言種多様な行動をとる。細胞インテリジェンスの創発の観点から、粘菌変形体におけるリズムの階層性ならびに管形状の合理性を実験的に見出し、シミュレーションによりリズム素子のシンクロナイゼーション機構を解明した。
    粘菌リズムの階層性と規則性:粘菌の変形に伴う7つの多重リズムを見出し、その周期は、次のように2重の等比数列をなす。T_/T_i=7.5、T_/T_i=2.8 ここにi=1,2,3である。このように粘菌の多重リズムは階層的時間秩序を示す。
    粘菌の輸送ネットワークの最適性:寒天ゲル上に複数の餌を与えると、粘菌は全ての餌場所をたかだか二三本の管で結ぶような管ネットワークを形成した。このネットワークの幾何学的形を統計的に解析し、機能的なネットワークが持つべき複数の基準:全長の最短性、餌場所間の密な結合、事故による管の断線に対する連結補償性をすべて満足していることを示した。すなわち粘菌変形体のネットワークはインテリジェントで、最適性を満たしている。
    粘菌の動的挙動の数理モデリング:粘菌変形体を、原形質の要素が自励振動し、原形質ゲルが内部のゾルを取り囲みシート状に広がっているものとみなし、時間空間的に相互作用しながら発展する粘菌の数理モデルを構築した。硬さパラメータの位置依存性により、同心円状に広がる粘菌でみられる同調した振動や、フェニルアラニン存在下あるいは高温下における粘菌でみられる全体としては協調しない振動を再現できた。
    日本学術振興会, 特定領域研究, 北海道大学, 13022202
  • 分子シンクロナイゼーションを発現するミクロ領域における構造と物性に関する研究
    科学研究費助成事業
    1999年 - 2000年
    原 正彦; 山崎 裕一; 中嶋 健; 中垣 俊之
    1.ナノレオロジー測定システムの構築
    単一分子を原子間力顕微鏡のカンチレバーと金属単結晶基板の間に挟み、任意の波形で分子の延伸と圧縮を繰返すカンチレバー操作用ピエゾ駆動部の構築ならびにその試料調整法を検討した。また、カンチレバーによる単一分子の延伸と圧縮に対して、同位相同周期で分子が反応する場合の観測結果に加えて、圧縮するとさらに引力(分子が縮む力)が働く逆位相現象が確認された。
    2.単一分子リフォールディング現象のシミュレーション
    上述の現象は分子自体がある延伸長の領域で自発的にリフォールディング(3次元的再構成)とアンフォールディングを繰返していることに相当すると考えられる。
    そこで、フォースカーブ測定から実測されたように、分子のバネ定数が延伸長に依存する系(分子のバネ定数が不連続に変化する系)を仮定してシミュレーションを試みたところ、実験結果を再現する波形が得られ、本研究におけるプローブ手法によって単一分子を対象としたナノレオロジー計測の可能性が示唆された。
    また本ナノレオロジー計測システムを用いて、単一高分子鎖の伸張実験、両末端をSH置換したポリスチレンでの再現性のあるデータを取得している。
    以上の成果は、本研究におけるプローブ手法が、分子シンクロナイゼーションに関する、個々の分子に対するレオロジーに代表される動的現象に対して重要な知見を与えることを示している。
    日本学術振興会, 特定領域研究(A), 理化学研究所, 11167282
  • 粘菌行動の反応拡散移流モデルに学ぶシステムの自己組織化
    科学研究費助成事業
    1999年 - 2000年
    中垣 俊之
    我々は、アメーバ様細胞である粘菌変形体が、迷路の経路探索問題の最短解を見出すことができることを発見した。迷路いっぱいに広がる粘菌に、餌を二ヶ所に与えると、行き止まりの経路に伸びている粘菌が衰退し、餌場所を繋ぐ経路にのみ管を残した。この管の配置は、出口を結ぶ全ての経路を示している。これは、見方を変えれば迷路の解をすべてあげつらっていることになる。さらに、時間が経つと、餌場所を繋ぐ管のうち長いものから衰退し、最後には最も短い管だけが残った。この経路は迷路の最短経路である。衰退した部分は、餌場所へ運ばれ餌を包み込んだ。これにより、粘菌は迷路のような複雑な状況でも、二つの餌場所から効率よく養分を吸収できるだろう。粘菌は、経路の長さという評価基準で、迷路の全ての解を序列付けることができた。粘菌の計算能力の高さが伺われる。このような粘菌の迷路探索機構は、反応拡散方程式のパターン形成としてモデル化できることを示した。粘菌の変形運動は、局所的に発生する自励的化学リズムの織り成す時空パターンに基づくことが分った。
    粘菌を用いた実験を行うことにより解を求めるという粘菌コンピューターの可能性が生まれた。計算量の爆発を伴う組合せ最適化問題への適用が期待される。粘菌は、原形質と呼ばれる物質の塊であるから、粘菌の計算能力が明らかになれば、物質による情報機能の再構成などの機能性材料の設計原理に新たな方向となる。また、生物情報処理機構の研究に全く新しい切り口を与えた。単細胞生物のこのような高い情報機能は、脳にみる高次情報機能の一つの進化的起源として極めて興味深い。
    日本学術振興会, 奨励研究(A), 理化学研究所, 研究代表者, 競争的資金, 11750222