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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.
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 .
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.
鈴木 芳代; 坂下 哲哉; 辻 敏夫*; 小林 泰彦
Lecture Notes in Computer Science 6352, p.291 - 300, 2010/09
changes its NaCl-associated behavior from attraction to avoidance following exposure to NaCl in the absence of food (salt chemotaxis learning). To understand the changes induced by chemotaxis learning at the neuronal network level, we modeled a neuronal network of chemotaxis and estimated the changes that occurred in the nervous system by comparing the neuronal connection weights prior to and after chemotaxis learning. Our results revealed that neurotransmission involving ASE and AIA neurons differed prior to and after chemotaxis learning. This partially corresponded to the experimental findings of previous studies. In addition, our computational inference results suggest the involvement of novel synapse connections in chemotaxis learning. Our approach to estimate changes of neurotransmission corresponding to learning may help in planning experiments in order of importance.
服部 佑哉; 鈴木 芳代; 曽 智*; 小林 泰彦; 辻 敏夫*
Lecture Notes in Computer Science 6352, p.401 - 410, 2010/09
Neural oscillators with a ladder-like structure is one of the central pattern generator (CPG) model that is used to simulate rhythmic movements in living organisms. However, it is not easy to realize rhythmical cycles by tuning many parameters of neural oscillators. In this study, we propose an automatic tuning method. We derive the tuning rules for both the time constants and the coefficients of amplitude by linearizing the nonlinear equations of the neural oscillators. Other parameters such as neural connection weights are tuned using a genetic algorithm (GA). Through numerical experiments, we confirmed that the proposed tuning method can successfully tune all parameters.
辻 敏夫*; 鈴木 芳代; 滝口 昇*; 大竹 久夫*
Artificial Life, 16(2), p.155 - 177, 2010/03
被引用回数：7 パーセンタイル：55.76(Computer Science, Artificial Intelligence)In this paper, we selected the bacterium as a target organism because it has a relatively simple molecular and organizational structure, which can be characterized using biochemical and genetic analyses. We particularly focused on a motility response known as chemotaxis and developed a computer model that includes not only intracellular information processing but also motor control. After confirming the effectiveness and validity of the proposed model by a series of computer simulations, we applied it to a mobile robot control problem. This is probably the first study showing that a bacterial model can be used as an autonomous control algorithm.
辻 敏夫*; 鈴木 芳代; 曽 智*; 寺脇 充*; 滝口 昇*; 大竹 久夫*
ソフトウェアバイオロジー, 9, p.3 - 12, 2010/03
生物は現在の工学技術では実現することができないような複雑で優れた環境適応・運動制御メカニズムを有しており、そのメカニズムを知能機械の設計や制御に採り入れることができれば、現存する知能機械の性能を飛躍的に向上できる可能性がある。われわれの研究チームでは、工学的な視点から生物の優れた情報処理能力に着目し、線虫, げっ歯類(ラット及びマウス), 小型魚類(メダカ及びゼブラフィッシュ)を対象として、生物の情報処理メカニズムの工学的理解とその利用に関する研究課題に取り組んでいる。本稿では、特に、(1)線虫の神経-筋モデルの構築とシミュレーション、(2)ラットの嗅覚系モデルの構築と糸球体活動パターン予測シミュレーション、(3)メダカを「生きたセンサ」として利用したバイオアッセイシステムの開発という3つの研究課題の概要と現在までの取り組みを紹介する。
鈴木 芳代; 坂下 哲哉; 簗瀬 澄乃*; 菊地 正博; 大庭 寛史; 東谷 篤志*; 浜田 信行*; 舟山 知夫; 深本 花菜; 辻 敏夫*; et al.
Journal of Radiation Research, 50(2), p.119 - 125, 2009/04
被引用回数：8 パーセンタイル：29.52(Biology)We examined the effects of ionizing radiation (IR) on locomotory behavior and mechanosensation using a model organism, the nematode . Bacterial mechanosensation in induces the dopamine-mediated slowing of locomotion in the presence of bacteria (food), known as the basal slowing response. We previously reported an IR-induced reduction of locomotory rate in the absence of food. In the present study, we observed a similar IR-induced reduction of locomotory rate in the 
mutant, which is defective in bacterial mechanosensation. The dose response pattern of the locomotory rate in the presence of food was relatively flat in wild-type animals, but not in mutants. This suggests that the dopamine system, which is related to bacterial mechanosensation in , might have a dominant effect on locomotory rate in the presence of food, which masks the effects of other stimuli. Moreover, we found that the behavioral responses of hydrogen peroxide-exposed wild-type animals are similar to those of IR-exposed animals. Our findings suggest that the IR-induced reduction of locomotory rate in the absence of food is mediated by a different pathway from that for bacterial mechanosensation, at least partially through IR-produced hydrogen peroxide.
坂下 哲哉; 浜田 信行*; 鈴木 芳代*; 辻 敏夫*; 柿崎 竹彦; 和田 成一*; 舟山 知夫; 小林 泰彦
JAEA-Review 2006-042, JAEA Takasaki Annual Report 2005, P. 109, 2007/02
We investigated the effects of ionizing radiation on the food-NaCl associative learning using , well known as a model organism for a nervous system. Normally, moves towards NaCl, but animals show behavior to avoid NaCl when they have experienced starvation and NaCl simultaneously. This behavior has been termed "associative learning". The results of 
-ray irradiation experiments revealed the followings: (1) Radiation responses occurred only in the animals conditioned with starvation and NaCl, (2) The changes consisted of early- and late-phase components. In addition, the preparation of animals for heavy ion microbeam irradiation has been developed for the food-NaCl associative learning of . Using the preparation, we found that chemotaxis towards NaCl was not affected by the targeted irradiation to the nervous ring of . Furthermore, the simulation model that reflected a neuron network of food-NaCl associative learning has been developed.
坂下 哲哉; 和田 成一; 舟山 知夫; 小林 泰彦; 池田 大祐*; 鈴木 芳代*; 辻 敏夫*
KEK Proceedings 2005-5, p.53 - 56, 2005/10
脳腫瘍の放射線治療や火星への有人宇宙飛行を目指している現在、神経系、特に中枢機能への放射線照射の影響をよく理解しておくことは重要である。われわれは、神経系のモデル生物として知られている線虫を用いて、ニューロンネットワークへの放射線照射の影響を学習と記憶の観点から明らかにすることを目的としている。これまでに、線虫のNaClの走化性において観察される連合学習に対する
Co線照射の影響を調べてきた。その結果、学習前の照射は連合学習の低下をもたらし、学習中の照射は連合学習を促進することを明らかにした。学習中の照射による連合学習の促進効果については、これまでに報告例がなく、まったくの新規の発見であるため、放射線応答の標的が何であるかはわかっていない。そこで、マイクロビーム照射装置を用いて、神経系あるいは個体のどの部位に放射線が照射されたときに、このような効果がもたらされるのかについて検討を進めて行きたいと考えている。
中曽根 祐司*; 辻 宏和; 大場 敏夫*; 田辺 龍彦*; 八木 晃一*; 中島 甫
Creep: Characterization,Damage and Life Assessments, p.551 - 555, 1992/00
高温ガス炉高温部構造用ハステロイXR系合金を供試材料として、1次冷却材を模擬したヘリウムガス中で、1123~1273Kの4温度水準において、クリープ中断試験を行い、クリープひずみが5%までの初期クリープ損傷過程における微小粒界ボイドの統計的特性を調べた。ボイド寸法は対数正規分布、Aパラメータ(クリープ損傷の認められる結晶粒界の存在割合)はワイブル分布にそれぞれ従っていた。最大ボイド寸法及びAパラメータとクリープ中断ひずみの関係から、ボロン添加によって粒界ボイドの発生と成長が抑制されていることを確認するとともに、鍛造材の方が管財よりも同一クリープひずみへの到達時間は長いもののクリープ損傷は逆に大きくなっている等の知見を得た。これは、鍛造材の方が管材よりも結晶粒の変形が生じにくいことに起因していると考えられた。
線照射効果坂下 哲哉; 池田 大祐*; 浜田 信行; 鈴木 芳代*; 辻 敏夫*; 和田 成一; 舟山 知夫; 小林 泰彦
no journal, ,
50年以上にわたって、学習への電離放射線の生物学的影響が研究されてきた。現在、放射線による学習と記憶の障害は海馬における新生ニューロンの生成抑制に起因すると報告されているが、電離放射線がどのようにニューロン・ネットワーク自体に影響を及ぼすかは未だに不明な点が多い。線虫は、ニューロン・ネットワークの機能がある程度個々のニューロンと関連付けられているモデル生物である。本研究では、新生ニューロンの生成がない成虫段階の線虫を用いて線照射に対するニューロン・ネットワークの2つの機能、すなわち、NaClに対する化学走性とfood-NaCl連合学習の応答を調べることを目的とした。線虫をCo-60線(0, 100, 500と1000Gy)で照射した結果、500Gy以下ではNaCl化学走性が抑制されることはなかった。また、food-NaCl連合学習により生じる化学走性の低下は、非照射群と比較して、照射により有意に亢進した(100-500Gy:化学走性に影響を与えない線量域)。これらの結果は、同じニューロン・ネットワーク内であっても、NaCl化学走性とfood-NaCl連合学習に関係する神経回路の間で線照射に対する応答が異なることを示唆している。
坂下 哲哉; 池田 大祐*; 浜田 信行*; 鈴木 芳代*; 辻 敏夫*; 和田 成一*; 舟山 知夫; 小林 泰彦
no journal, ,
放射線療法は、ガンを治療する有望な手法であるが、脳腫瘍などで脳神経系への放射線治療を受けた患者の一部において、認知不全などの脳機能の障害を引き起こすことが知られている。現在、放射線照射による新生ニューロンの生成抑制が学習と記憶に障害を与えると考えられているが、放射線がどのように新生ニューロンを除いたニューロン・ネットワーク自身に影響を及ぼすかは、不明な点が多い。そこで、本研究では、神経のモデル生物である成虫段階(新生ニューロンの影響がない)の線虫()の食物-NaCl連合学習について、放射線応答について詳細に検討したので、その結果について報告する。線虫の化学走性に有意な影響を与えない0-500Gyの線照射により、線虫の連合学習は、その条件付けの間の照射においてのみ、放射線応答を示した。その応答は、照射直後に線量に応じて連合学習が進み(定義上)、その後数時間の間連合学習が停止するものであった。この結果は、ニューロンネットワークの機能レベルの放射線応答には、2つのフェーズがあることを意味している。今後は、それぞれの応答機構を調べる予定である。
鈴木 芳代; 坂下 哲哉; 浜田 信行*; 和田 成一*; 柿崎 竹彦; 舟山 知夫; 小林 泰彦; 辻 敏夫*
no journal, ,
Co 線を用いて線虫()のFood-NaCl連合学習の放射線応答を調べた結果、連合学習に伴うNaClへの化学走性の変化が、学習時の放射線照射においてのみ大きく変動する傾向が観察された。また、照射直後に化学走性が低下(連合学習の進行、又は、化学走性の攪乱を意味する)し、その後、学習が停止するなどの応答が観られた。以上の結果から、線虫のFood-NaCl連合学習の放射線応答が、(1)学習時の照射により特異的に観察されるものであること,(2)照射後の応答には2つの時間的なフェーズが存在することを初めて明らかにした。
線照射効果坂下 哲哉; 池田 大祐*; 浜田 信行*; 鈴木 芳代; 辻 敏夫*; 和田 成一*; 舟山 知夫; 小林 泰彦
no journal, ,
新生ニューロンの影響を考慮しなくてもよく、かつ簡単な味覚連合学習を扱うことが可能な成虫段階の線虫を用いて、神経系で処理される連合学習と放射線照射との関係を機能レベルで明らかにすることを目的とした。はじめに、連合学習の基礎となる化学走性自身に影響がない線量領域を決め、次に各種条件付け時の放射線照射効果を調べた結果、(1)当該線量域において、放射線に曝露した線虫の学習能力の低下は認められない,(2)連合学習の条件付けの途中で放射線を照射したときのみ顕著な化学走性の応答が観察される,(3)(2)の応答には初期と後期応答があり、初期応答には神経伝達物質の異常に伴う走行性の異常が関与している可能性があることが明らかとなった。これらの結果は、放射線が神経系の機能が変化する際に働く因子に作用する可能性を示唆している。
の化学走性神経回路モデルによるストレス応答シミュレーション鈴木 芳代; 坂下 哲哉; 辻 敏夫*; 深本 花菜; 浜田 信行*; 和田 成一*; 原 孝光*; 柿崎 竹彦; 小林 泰彦
no journal, ,
神経系のモデル生物として知られる線虫()は、化学物質に応じた誘引,忌避行動(化学走性)を示す。また、水溶性の誘引物質であるNaClと餌の有無を組合せて条件付けすると、餌がない状態でNaClにさらした場合では、NaClを忌避するように化学走性が変化する連合学習能を有している。われわれは、NaClと餌との連合学習の最中に線照射による一種のストレスを加えるとNaClに対する化学走性の攪乱が生じること及び揮発性の誘引物質であるベンズアルデヒドに対する化学走性には変化が生じないことを見いだし、線照射によってNaClの情報伝達に関与する神経回路上のいずれかの部位に変化が生じたものと予想された。そこで、化学走性にかかわる神経回路上で放射線ストレスによって変化する部位を探るために、全ニューロンと神経接続のデータベースをもとに、化学走性に関与するニューロン及び接続を再現する神経回路モデルを作成し、照射前後の応答をコンピュータ上でシミュレートすることで、神経回路上で生じた変化の予測を試みた。
線の照射効果の経時変化坂下 哲哉; 池田 大祐*; 浜田 信行*; 鈴木 芳代*; 辻 敏夫*; 柿崎 竹彦; 和田 成一*; 舟山 知夫; 小林 泰彦
no journal, ,
本発表では、炭素イオンビームと線の照射効果について、特に経時変化に着目して報告する。線虫には、本来、NaClに誘引される性質(化学走性)があるが、食物(大腸菌)がないNaClを含んだ寒天培地上に線虫を数時間置く(条件付け)と、化学走性が低下するように変化する。この食物とNaClとの間で成立する連合学習への放射線照射効果を照射後経過時間0, 1, 3, 5時間において化学走性指標を用いて調べた。連合学習のための条件付けの間に炭素イオン又は線を照射した結果、両放射線ともに照射直後に線量に依存した著しい化学走性の低下が観察された。しかしながら、照射後の経時変化(直後
5時間)に関して、線を照射した線虫では化学走性の低下(連合学習)の停止・再開もしくは回復・停止といった変化が観られたのに対して、炭素イオン照射時には、化学走性が低下したまま維持される結果が得られた。今後は、両放射線効果の違いの原因について調べる予定である。
; Is there any change on networks by exposure to ionizing radiation?鈴木 芳代*; 坂下 哲哉; 辻 敏夫*; 深本 花菜; 浜田 信行*; 小林 泰彦
no journal, ,
われわれは、線虫()のNaClとエサとの連合学習の最中に線を照射すると、NaClに対する化学走性に攪乱が生じること、及び揮発性の誘引物質であるベンズアルデヒドに対する化学走性は変化しないことを発見した。NaClとベンズアルデヒドを受容する感覚ニューロンは異なるが、複数の介在ニューロンと運動ニューロンは重複する部分がある。したがって、線照射では、NaClの情報伝達に関与する神経回路上のいずれかの部位に変化が生じるものと予想されるが、放射線照射による変化が神経回路上のどの部位に生じるのかについては、現在までのところ明らかになっていない。そこで、本研究では、化学走性にかかわる神経回路上で放射線照射によって変化する部位を探ることを目的として、神経接続データベースをもとに、化学走性に関与するニューロン及び接続を再現する神経回路モデルを作成した。そして、照射前後の応答をコンピュータ上でシミュレートすることで、神経回路上に生じる変化の予測を試みた。
