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横田 裕一郎; 舟山 知夫; 池田 裕子; 坂下 哲哉; 鈴木 芳代; 小林 泰彦
JAEA-Review 2015-022, JAEA Takasaki Annual Report 2014, P. 67, 2016/02
本研究ではバイスタンダー効果における一酸化窒素(NO)の役割を調べた。ヒト正常線維芽細胞に
線(LETは0.2keV/
m)あるいは炭素イオンビーム(108keV/m)を照射した後、非照射細胞と共培養した。24時間の共培養後に非照射細胞の生存率と培養液に含まれるNOの酸化物である亜硝酸イオンの濃度を測定した。非照射細胞の生存率低下は照射細胞に曝露する線量に依存したが線質には依存しなかった。非照射細胞の生存率と亜硝酸イオン濃度には負の相関関係が認められた。一方で、NO発生剤であるNOC12を培養液に加えるだけでは、細胞の生存率は低下しなかった。以上の結果から、細胞内で生成されるNOの量がバイスタンダー効果の決定因子の一つであるが、細胞間情報伝達因子ではない可能性が示された。
服部 佑哉; 鈴木 芳代; 舟山 知夫; 小林 泰彦; 横谷 明徳; 渡辺 立子
Radiation Protection Dosimetry, 166(1-4), p.142 - 147, 2015/09
被引用回数：5 パーセンタイル：39.96(Environmental Sciences)本研究では、細胞集団中の細胞間シグナル伝達と細胞周期の時間・空間的な動態を計算可能な数理モデルを構築し、照射する放射線の線量や照射領域によってシグナル伝達がどのように変化するのか、その結果、放射線応答として細胞周期や細胞の生存にどのような変化が現れるのかを明らかにすることを目的とする。提案する放射線応答モデルでは、細胞間のシグナルをギャップ結合経由のシグナルX、培養液経由のシグナルYとし、これら2つのシグナル伝達を誘発する放射線をシグナルZとして表現する。個々の細胞の細胞周期は、周期的な進行(G1, S, G2, M期)がシグナルX, Y, Zによって停止する仮想時計として表現する。講演では、2次元平面上に配置された細胞集団にシグナルZが入力されたとき、シグナルX, Yが拡散方程式に基づいて集団全体に伝達する様子と、各シグナルによって仮想時計(細胞周期)が変化する様子について、線量や照射領域を変えた計算結果の一例を示し、放射線応答の解析に対する本モデルの有用性を報告する。
mutants to microbeam irradiation坂下 哲哉; 鈴木 芳代; 服部 佑哉; 池田 裕子; 武藤 泰子*; 横田 裕一郎; 舟山 知夫; 浜田 信行*; 白井 花菜*; 小林 泰彦
JAEA-Review 2014-050, JAEA Takasaki Annual Report 2013, P. 74, 2015/03
昆虫・哺乳動物等を用いた実験から、放射線被ばくにより学習障害等の神経系への影響がもたらされることが示唆されている。我々は、神経系を研究するためのモデル生物として知られる線虫を用いて、化学走性学習が、特定の条件下においてのみコバルト60線照射の影響を受けることを明らかにした。しかし、線虫のどの部位における放射線応答が、化学走性学習行動の変化を誘導するかは明らかでない。そこで、我々は、炭素イオンマイクロビームを用いて、線虫の化学走性学習に対する直接的な放射線の影響部位を明らかにすることを目的とした。マイクロビーム照射技術は、細胞あるいは組織レベルでの直接的な放射線の影響を調べるための有効なツールとして知られている。本報告では、2つの線虫変異体(
, 
)に対して、マイクロビームの局部照射を行った結果について報告する。
鈴木 芳代; 服部 佑哉; 坂下 哲哉; 舟山 知夫; 横田 裕一郎; 池田 裕子; 小林 泰彦
JAEA-Review 2014-050, JAEA Takasaki Annual Report 2013, P. 88, 2015/03
The nematode 
is a good 
model system to examine radiation effects on vital functions such as locomotion, feeding, learning and memory. Using , we recently investigated the radiation effects on locomotion (snake-like crawling motion) and found that whole-body irradiation significantly reduced locomotion. Furthermore, we focused on the pharyngeal pumping motion (chewing and swallowing), which is a rapid periodic motion, and found that the proportion of pumping-motion arrest increased after whole-body irradiation. As the next step, we started to examine whether or not the effects observed after whole-body irradiation could be induced by microbeam irradiation to a very limited region. In this report, we summarize the results of microbeam irradiation experiments we carried out in the past few years. Main findings in this study are the following: (1) Effects of the region-specific microbeam irradiation differ depending on types of motion, and (2) effects of whole-body irradiation tend to be more effective than those of the region-specific microbeam irradiation at the same irradiation dose. Further studies on the mechanisms underlying the radiation-induced changes of movements are required.
横田 裕一郎; 舟山 知夫; 池田 裕子; 坂下 哲哉; 鈴木 芳代; 小林 泰彦
JAEA-Review 2014-050, JAEA Takasaki Annual Report 2013, P. 75, 2015/03
本研究では、異なる線量の線あるいは炭素イオンビームによって誘発されるバイスタンダー効果の線量及び線質依存性と、一酸化窒素(NO)ラジカルの役割について調べた。ヒト正常繊維芽細胞を実験に用い、線あるいは炭素イオンを照射した細胞と非照射細胞を多孔性メンブレンの上側と下側で24時間培養した。培養後、非照射細胞の生存率は照射細胞に曝露した線量の増加とともに低下し、0.5Gy以上では下げ止まった。このことから、バイスタンダー効果は照射細胞に曝露した放射線の線量に依存するが、線質には依存しないことが明らかになった。さらに、NOラジカルの特異的消去剤であるc-PTIOをあらかじめ培養液に加えておくと、非照射細胞の生存率の低下が抑制された。以上の結果から、線や重イオンビームによって誘発されるバイスタンダー効果にNOラジカルが重要な役割を果たすことが示された。
舟山 知夫; 横田 裕一郎; 鈴木 芳代; 坂下 哲哉; 小林 泰彦
JAEA-Review 2014-050, JAEA Takasaki Annual Report 2013, P. 73, 2015/03
原子力機構・マイクロビーム細胞照射研究グループでは、集束式重イオンマイクロビームを用いた、従来のコリメーション式重イオンマイクロビームを用いた照射より高速でかつ正確な細胞照準照射技術の開発を進めている。これまでに集束式重イオンマイクロビームを用いた細胞の照準照射のための要素技術の開発を行ってきた。そこで、2013年度は、これまでに確立したそれらの要素技術を用いて、実際の細胞への高速で正確な照準照射技術の確立を目指す実験を実施した。実験では、ヒト子宮頸がん細胞由来細胞株HeLaを用い、顕微鏡下で細胞試料へのスキャンビームを用いた照準照射を行った。その結果、CR-39上で検出したイオンヒット位置と、細胞核内に検出された H2AXフォーカスの位置が一致したことから、細胞への高速な照準照射を実現することができたことが確かめられた。
松本 英樹*; 冨田 雅典*; 大塚 健介*; 畑下 昌範*; 前田 宗利*; 舟山 知夫; 横田 裕一郎; 鈴木 芳代; 坂下 哲哉; 池田 裕子; et al.
JAEA-Review 2014-050, JAEA Takasaki Annual Report 2013, P. 76, 2015/03
低線量/低線量率放射線に対して生物が示す特異的な応答様式には、放射線適応応答、放射線誘発バイスタンダー応答、放射線超高感受性、遺伝的不安定性等がある。我々は、原子力機構において開発された細胞局部照射装置(HZ1)および深度制御種子照射装置(HY1)を用いて、放射線誘発バイスタンダー応答による放射線適応応答の誘導機構の解析を実施した。中央にスポットしたコロニーの細胞に520MeV 
Ar
をマイクロビーム照射し、4-6時間培養後に同Arをブロードビーム照射した結果、放射線適応応答の誘導が認められ、この誘導はNO特異的な捕捉剤であるcarboxy-PTIOの添加でほぼ完全に抑制された。このマイクロビーム照射による放射線適応応答の誘導が起きた細胞で、
遺伝子の発現が特異的に発現誘導されていることが見いだされ、放射線適応応答の誘導にNOを介したバイスタンダー効果の誘導が関与していることが強く示唆された。
冨田 雅典*; 松本 英樹*; 大塚 健介*; 舟山 知夫; 横田 裕一郎; 鈴木 芳代; 坂下 哲哉; 小林 泰彦
JAEA-Review 2014-050, JAEA Takasaki Annual Report 2013, P. 77, 2015/03
低粒子数の重イオン線による生物影響を解明する上で、DNA初期損傷量に依存しない「非標的効果」が注目されている。特に、放射線に直接曝露された細胞の近傍に存在する全く放射線に曝露されていない細胞において観察される「放射線誘発バイスタンダー応答」は、最も特徴的な非標的効果であり、その解明は放射線生物学のみならず、粒子線がん治療、宇宙放射線の生体影響評価においても重要である。本研究は、これまでの2次元での培養細胞を用いた研究から、組織レベルでの生体応答研究への展開を図るため、分化誘導させたヒト3次元培養皮膚モデルを用い、原子力機構の細胞局部照射装置を利用し、放射線誘発バイスタンダー応答によって生じるシグナル伝達経路の変化を明らかにすることを目的とした。2015年度は、ヒト3次元培養皮膚モデルへの重イオンマイクロビーム照射条件の検討を行い、照射した試料のMTT法による生細胞率測定を実施し、試料全体を重イオンビームで照射したものと比較した。その結果、全体照射した試料では生存率の低下が認められた一方、本条件でマイクロビーム照射した試料では生存率の低下が認められなかった。
locus in normal human fibroblasts induced by C-, Ne- and Ar-ion microbeams鈴木 雅雄*; 舟山 知夫; 横田 裕一郎; 武藤 泰子*; 鈴木 芳代; 池田 裕子; 服部 佑哉; 小林 泰彦
JAEA-Review 2014-050, JAEA Takasaki Annual Report 2013, P. 78, 2015/03
これまでに、バイスタンダー効果で誘発される細胞死や染色体変異における照射イオン種依存性の解析を進めてきた。2015年度の研究では、バイスタンダー効果による遺伝子の変異誘発におけるイオン種依存性を、ヒト正常線維芽細胞を用いて解析した。コンフルエントに培養した細胞試料に対し、16
16マトリックス照射法で、異なる核種(炭素,ネオン,アルゴン)のマイクロビーム照射を行った。遺伝子の変異誘発頻度は、6-チオグアニン耐性コロニーの頻度で測定した。炭素イオンマイクロビーム照射した試料では、非照射試料およびギャップジャンクション経由の細胞間情報伝達に特異的な阻害剤で処理した試料と較べ、変異頻度が6倍高くなった。一方、ネオン及びアルゴンマイクロビームで照射した試料では、このような変異頻度の上昇が認められなかった。この結果は、ギャップジャンクションを介したバイスタンダー効果による突然変異誘発において、イオン種依存性が存在すること意味する。
and simulation of chemotaxis-related information processing in the neural network坂本 一馬*; 曽 智*; 鈴木 芳代; 栗田 雄一*; 辻 敏夫*
Proceedings of SAI Intelligent Systems Conference 2015 (IntelliSys 2015), p.668 - 673, 2015/00
The nematode () is a simple multi-cellular organism consisting of approximately 1,000 cells including 302 neurons, and is the only creature whose connectome has been fully mapped. For these reasons, is ideal for studying information-processing mechanisms embedded in the neural network. This paper proposes a neural network model of with the actual neural structure preserved to simulate the worm's attraction to sodium chloride (NaCl). To implement attractant behavior, the worm's neural network must calculate the temporal and spatial gradients of NaCl concentration; however, the mechanism behind this complex information processing in the worm's neural network has not yet been fully elucidated. As a first step to analyze the information processing mechanism, the parameters of the neural network model were adjusted using the backpropagation through time (BPTT) algorithm, and the neural network model was verified for its ability to generate temporal and spatial gradients. Simulation for neuron ablation experiment was then carried out, and the results exhibited same trends as the biological experiment indicating that our approach can be used to predict the results of biological experiments, and can therefore be used as a tool to provide guidelines for such experiments.
in consideration of whole-body movements曽 智*; 鈴木 芳代; 栗田 雄一*; 辻 敏夫*
Proceedings of SAI Intelligent Systems Conference 2015 (IntelliSys 2015), p.651 - 656, 2015/00
The tiny roundworm () is one of the simplest multicellular organisms known, with a neural circuit consisting of just 302 neurons. Despite its simplicity, the worm can navigate efficiently to the source of a target chemical - a movement known as chemotaxis. Recent studies have revealed that the worm utilizes only two sensory neurons to determine the temporal and spatial gradients of chemical substances for chemotaxis, but its neural computation mechanism is not yet fully understood. The authors propose a mathematical model based on measurement data and neural connection structure to simulate chemotaxis and using a robot simulator platform in order to account for wholebody movements. The simulation results are used as a basis for discussion of how chemical gradients are calculated in neurons.
鈴木 雅雄*; Autsavapromporn, N.*; 宇佐美 徳子*; 舟山 知夫; Plante, I.*; 横田 裕一郎; 武藤 泰子*; 鈴木 芳代; 池田 裕子; 服部 佑哉; et al.
Journal of Radiation Research, 55(Suppl.1), P. i54, 2014/03
It is essentially important for evaluating risk such a low-dose-rate exposure as the accident of Fukushima Daiichi Nuclear Power Plants to examine bystander effects induced by low-LET electromagnetic radiations, such as X or rays. We have been studying the cellular responses in normal human fibroblasts by targeted cell nucleus irradiations with monochromatic X-ray microbeams (5.35 keV) produced by Photon Factory in High Energy Accelerator Research Organization. The results indicated that the bystander effect in cell- killing effect was observed in the targeted cell nucleus irradiation, not in the random irradiation containing both cell nucleus and cytoplasm by Poisson distribution. The results suggest that energy deposition in cytoplasm is an important role of inducing bystander effects in case of low-LET radiations. We have also been investigating high-LET-radiation induced bystander effects using the heavy-ion microbeams at Takasaki Ion Accelerators for Advanced Radiation Application in Japan Atomic Energy Agency. Only 0.04% of the total numbers of normal human fibroblasts were irradiated with C-ion (220 MeV), Ne-ion (260 MeV) and Ar-ion (460 MeV) microbeams collimated at 20 micro meter in diameter. Cell-killing effect and gene mutation at HPRT locus in the cells irradiated with C ions were higher beyond our expectations and returned the estimated values that only 0.04% of the total cells were irradiated when using the specific inhibitor of gap junctions. On the other hand, no induced biological effects were observed in Ne and Ar ions whether the inhibitor was applied or not. The result suggested that the C-ion microbeam was capable of inducing bystander cellular effects via gap junction mediated cell-cell communication. There is clear evidence that bystander cellular effects are dependent on radiation quality.
based on FitzHugh-Nagumo equations服部 佑哉; 鈴木 芳代; 曽 智*; 小林 泰彦; 辻 敏夫*
Artificial Life and Robotics, 17(2), p.173 - 179, 2012/12
The pharyngeal pumping motion to send food to the bowel is a rhythmic movement in . We proposed a computer simulation of the pumping motion to investigate the mechanisms of rhythm phenomena in living organisms. To conduct the simulations we developed a mathematical model of the pharyngeal muscle that corresponds to the actual structure at a muscular level, and which generates the pumping rhythms. Each of 29 cells was modeled as a membrane potential model based on FitzHugh-Nagumo Equations to simulate the internal response. The electrophysiological responses of the pharyngeal muscular cells were measured as an electropharyngeogram (EPG) that records the activities of the pharynx as a signal pattern, including the membrane potentials in multiple cells. We also developed an EPG model that calculated EPG based on the outputs of individual membrane-potential models. We confirmed that our model of the pharynx could generate rhythms similar to the EPG measured from .
坂下 哲哉; 鈴木 芳代; 浜田 信行*; 下澤 容子; 深本 花菜*; 横田 裕一郎; 楚良 桜*; 柿崎 竹彦*; 和田 成一*; 舟山 知夫; et al.
Biological Sciences in Space, 26, p.21 - 25, 2012/10
神経系のモデル生物として知られる線虫を用いて、化学走性学習に対する低LET及び高LET放射線の影響について調べた。また、野生型及び変異体の結果を比較した。高LET炭素線(
C, 18.3MeV/u, LET=113keV/m)及び
Co 線照射実験を行った結果、学習後期よりも初期の影響が大きい傾向及び変異体で応答が消失する点は両放射線で同じであった。以上の結果から、化学走性学習に関して低LET及び高LET放射線の両放射線とも影響を与えること、及びその作用メカニズムには遺伝子が関与していることが示唆された。
against high-LET radiation exposure坂下 哲哉; 鈴木 芳代; 浜田 信行*; 下澤 容子; 深本 花菜*; 横田 裕一郎; 楚良 桜*; 柿崎 竹彦*; 和田 成一*; 舟山 知夫; et al.
Biological Sciences in Space, 26, p.7 - 11, 2012/07
本論文では神経系のモデル生物として知られる線虫を用いて、運動と化学走性に対する高LET放射線耐性について調べた。また、放射線耐性の比較対象として孵化率を同時に観察した。高LET炭素線(C, 18.3MeV/u, LET=113keV/m)及びCo 線照射実験を行った結果、孵化率の生物学的効果比(Relative biological effectiveness: RBE)が4.5であるのに対して、運動と化学走性のRBEは、それぞれ1.4, 1.1であった。80%効果線量は、9.2Gy(孵化率), 272Gy(運動), 899Gy(化学走性)であった。以上の結果から、線虫の運動と化学走性は、孵化率と比較して顕著に高LET放射線に耐性であることが明らかになった。また、運動と化学走性に対する放射線照射効果の機序が、孵化率に対する機序とは異なることが予想された。
服部 佑哉; 鈴木 芳代; 曽 智*; 小林 泰彦; 辻 敏夫*
Neural Computation, 24(3), p.635 - 675, 2012/03
被引用回数：6 パーセンタイル：33.93(Computer Science, Artificial Intelligence)Neural oscillator with a double-chain structure is one of the central pattern generator models used to simulate and/or understand rhythmic movements in living organisms. However, it is difficult to reproduce desired rhythmic signals by tuning an enormous number of parameters of neural oscillators. In this study, we propose an automatic tuning method consisting of two parts. The first involves tuning rules for both the time constants and the amplitude of the oscillatory outputs based on theoretical analyses of the relationship between parameters and outputs of the neural oscillators. The second involves an evolutionary tuning method with a two-step genetic algorithm (GA), consisting of a global GA and a local GA, for tuning of parameters such as neural connection weights that have no exact tuning rule. Using numerical experiments, we confirmed that the proposed tuning method could successfully tune all parameters and generate sinusoidal waves. The tuning performance of the proposed method was less affected by factors such as the number of excitatory oscillators or the desired outputs. Furthermore, the proposed method was applied to the parameter-tuning problem of some types of artificial and biological wave reproduction, and yielded optimal parameter values that generated complex rhythmic signals in without trial and error.
服部 佑哉; 鈴木 芳代; 曽 智*; 小林 泰彦; 辻 敏夫*
Proceedings of 17th International Symposium on Artificial Life and Robotics (AROB 2012) (CD-ROM), p.690 - 695, 2012/01
The pharyngeal pumping motion to send food to bowel is one of rhythmic movements in . In the present study we introduce the computer simulation of biological responses to investigate the mechanism of rhythm generation of the pharyngeal muscle. To conduct the simulations, we develop a mathematical model of the pharynx that corresponds to the actual structure at a muscular level and is possible to generate the pumping rhythms. Each of 20 muscular cells was represented as an electrophysiological model that calculates the individual membrane potential to simulate the behavior of membrane potentials and the characteristics of each pharyngeal muscular cell. The connections between individual muscular-cell models were defined based on the actual electrical connections of muscular cells so as to transmit the membrane potentials. To examine whether the proposed model can generate the pumping rhythms in the pharynx, we simulated the electropharyngeogram (EPG), which is caused by the electrophysiological response of muscular cells and is one of the few signals possible to measure. We confirmed that the proposed model could generate rhythms similar to the EPG measured from . Moreover, our model could reproduce the EPG of a mutant. This is probably the first study that constructed a mathematical model of pharynx in and successfully simulated its rhythmic signals.
坂下 哲哉; 鈴木 芳代
放射線と産業, (131), p.37 - 41, 2011/12
モデル生物としての線虫、線虫を用いた放射線の生物影響について概説する。特に、原子力機構で実施している化学走性学習,ニューラルネットワーク解析,マイクロビーム照射実験に着目し、線虫のモデル生物としての利点や他の生物種では難しい研究手法について、わかりやすく解説する。線虫で見いだされた神経機能への放射線影響メカニズムは、ヒトなど高等生物の脳神経系機能に対する放射線照射の影響の解明に役立つ可能性がある。
における運動と学習を指標とした放射線影響解析坂下 哲哉; 鈴木 芳代
放射線生物研究, 46(1), p.30 - 46, 2011/04
放射線被ばくにより、学習障害など神経系に影響をもたらすことが示唆されている。われわれは、これまで神経系に対する放射線被ばくの影響を明らかにすることを目的として、神経系のモデル生物として知られる線虫を用いて、行動及び化学走性学習を指標として放射線の影響を調べてきた。われわれの研究の背景, 方法, 成果について、線虫のモデル生物としての利点や他の生物種での放射線影響のレビューを交えてわかりやすく概説する。線虫で見いだされた神経機能への放射線影響メカニズムは、ヒトなど高等生物の脳神経系機能に対する放射線照射の影響の解明に役立つ可能性がある。
坂下 哲哉; 鈴木 芳代; 大内 則幸; 伴 信彦*
放射線生物研究, 45(4), p.379 - 395, 2010/12
近年、放射線防護と放射線影響の分野において、生命現象を「多種多様な構成要素からなる複雑な大規模システム」として捉える「システムバイオロジー(Systems Biology)」を用いて放射線影響の理解を試みる「システム放射線生物学(Systems Radiation Biology)」の研究及びプロジェクトが欧米を中心に進められている。また、日本においてもシステム放射線生物学への関心が高まりつつある。本解説では、システム放射線生物学とはそもそもどのような研究分野であり何を目指しているのか、将来自分たちの研究にどのように役立つものなのか等について、4人の研究者が異なる立場からオムニバス形式にて概説する。
