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論文

A Neural network model of $textit{Caenorhabditis elegans}$ 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 $textit{Caenorhabditis elegans}$($textit{C. elegans}$) 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, $textit{C. elegans}$ is ideal for studying information-processing mechanisms embedded in the neural network. This paper proposes a neural network model of $textit{C. elegans}$ 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.

論文

Computer simulation of chemotaxis in $textit{Caenorhabditis Elegans}$ 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 $textit{Caenorhabditis elegans}$ ($textit{C. elegans}$) 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 $textit{C. elegans}$ 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.

論文

Modeling of the pharyngeal muscle in $textit{Caenorhabditis elegans}$ 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 $textit{Caenorhabditis elegans}$. 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 $textit{C. elegans}$.

論文

Theoretical and evolutionary parameter tuning of neural oscillators with a double-chain structure for generating rhythmic signals

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:33.76(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 ${it C. elegans}$ without trial and error.

論文

An Electrophysiological model of the pharyngeal muscle in $textit{Caenorhabditis elegans}$

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 ${it Caenorhabditis elegans}$. 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 ${it C. elegans}$. Moreover, our model could reproduce the EPG of a mutant. This is probably the first study that constructed a mathematical model of pharynx in ${it C. elegans}$ and successfully simulated its rhythmic signals.

論文

Computational inferences on alteration of neurotransmission in chemotaxis learning in ${it Caenorhabditis elegans}$

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

${it Caenorhabditis elegans}$ 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.

論文

A Novel tuning method for neural oscillators with a ladder-like structure based on oscillation analysis

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.

論文

Biomimetic control based on a model of chemotaxis in ${it Escherichia coli}$

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:55.84(Computer Science, Artificial Intelligence)

In this paper, we selected the bacterium ${it Escherichia coli}$ 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.

論文

生物行動のシステム論的解釈と工学応用; 線虫, ラット, メダカを手掛かりとして

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。

論文

Effects of ionizing radiation on locomotory behavior and mechanosensation in ${it Caenorhabditis elegans}$

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:29.65(Biology)

We examined the effects of ionizing radiation (IR) on locomotory behavior and mechanosensation using a model organism, the nematode ${it Caenorhabditis elegans}$. Bacterial mechanosensation in ${it C. elegans}$ 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 ${it cat-2}$ 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 ${it cat-2}$ mutants. This suggests that the dopamine system, which is related to bacterial mechanosensation in ${it C. elegans}$, 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.

論文

線虫の神経中枢への重イオンマイクロビーム照射と効果予測シミュレーターの開発; 放射線照射によりなぜ線虫の連合学習が促進されるのか?

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 ${it Caenorhabditis elegans}$, well known as a model organism for a nervous system. Normally, ${it C. elegans}$ 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 $$gamma$$-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 ${it C. elegans}$. Using the preparation, we found that chemotaxis towards NaCl was not affected by the targeted irradiation to the nervous ring of ${it C. elegans}$. Furthermore, the simulation model that reflected a neuron network of food-NaCl associative learning has been developed.

論文

線虫の連合学習に対する放射線照射の影響とマイクロビーム

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${it Caenorhabditis elegans}$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$$^{60}$$Co$$gamma$$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。

報告書

NSRR照射済燃料実験での発熱量評価; JMTR照射燃料

中村 武彦; 笹島 栄夫; 更田 豊志; 鈴木 敏夫*; 高橋 正人*; 細山田 龍二*; 石島 清見

JAERI-Research 98-052, 55 Pages, 1998/09

JAERI-Research-98-052.pdf:2.6MB

NSRRでは燃焼の進んだ燃料のパルス照射実験により、反応度事故時挙動を調べる実験を実施している。反応度事故の大きさの指標である発熱量は、パルス照射により生成されたFP量の測定により評価する。照射済燃料の場合は、定常照射中の燃焼により生成したFPが、パルス実験時の生成量に比べて桁違いに大きいため、測定は簡単でない。この最も重要な実験パラメータである発熱量を精度よく評価するため、短半減期FP Ba-140を化学分離後定量する手法を開発した。さらにNSRR炉心核計算により実験燃料と炉心出力のカップリング係数を求めた。本報告書では、これらの測定・解析手法及び結果を、実験燃料の燃焼度と発熱量について、JMTR予備照射燃料についてまとめた。実測と解析の比較検討の結果、信頼性の高い発熱量と残留核分裂性物質の関係が得られた。

報告書

TMI-2デブリに対するガンマ線分析

上塚 寛; 永瀬 文久; 鈴木 敏夫*

JAERI-Research 95-084, 36 Pages, 1995/11

JAERI-Research-95-084.pdf:1.32MB

TMI-2デブリの放射化学的性質等を評価する基礎データを得るために、ペレット破片を含む8個のデブリサンプルに対するガンマ線分析を行った。計算コードに依拠しない評価手法により、デブリ中の燃料成分の燃焼度(3030~3600MWd/t)、Cs残留率(0.4~6%)、UO$$_{2}$$含有率(64.5~83.3wt%)を求めた。また、この評価法により、INELで得られたガンマ線分析データベースを再評価し、サンプル採取位置毎のFP放出特性や燃焼度分布を調べた。その結果、溶融プール領域から採取されたデブリと下部ヘッド上にリロケートしたデブリの特性は類似していることがわかった。以上で得られた知見とORIGENコードによる計算値から下部ヘッド上に堆積したデブリの発熱量を評価した。

報告書

高速増殖炉研究開発の現状,平成5年

岡田 敏夫; 庄野 彰*; 山田 栄吉*; 浅賀 健男*; 鈴木 惣十*; 三宅 収; 佐々木 修一

PNC TN1410 94-006, 57 Pages, 1994/11

PNC-TN1410-94-006.pdf:10.29MB

高速増殖炉は、プルトニウムをリサイクルすることによりウラン資源の有効利用を飛躍的に向上させることができ、更に、マイナーアクチニドをリサイクルすれば、それによって放射性廃棄物の負荷を軽減できる等の効果も期待できることから、我が国においては、高速増殖炉の将来の原子力エネルギーの主流にすべきものとして開発が進められております。動燃事業団は昭和42年発足以来、新型動力炉及び核燃料リサイクル全般に亘る研究開発に取り組んで参りましたが、高速増殖炉の開発については、実験炉「常陽」、これに続く原型炉「もんじゅ」を開発し、その成果を実証炉の開発に積極的に反映してきました。「常陽」は昭和52年4月の初臨界以来、着実な運転実績を積み重ね燃料材料の照射試験及び各種開発技術の実証の場として活用しております。更に、本年度からは「常陽」の照射性能の一層の向上を目指したMK-III計画に着手いたしました。また、「もんじゅ」は総合機能試験を終了し、平成5年10月より燃料装荷を開始し性能試験を実施しております。現在、臨界試験を慎重に、安全第一で進めており、本年4月に初臨界の予定であります。今後、プルトニウム利用技術の中核となる高速増殖炉の研究開発は基盤技術開発を中心にその実用化を目指して進めて行きます。そのため、高速増殖炉の高度化及びブレークスルーを可能とした革新技術の開発を進めております。これらの当事業団における最近の研究開発の成果を「高速増殖炉研究開発の現状」として皆様にお届けいたします。これまでの関係各位のご指導、ご協力に深く感謝致しますととともに今後とも一層のご理解とご支援を賜りますようお願い申し上げます。

論文

Comparison of calculated alues with measured values on the amount of TRU and FP nuclides accumulated in gadolinium bearing PWR spent fuels

安達 武雄; 中原 嘉則; 河野 信昭; 郡司 勝文; 鈴木 敏夫; 園部 保; 大貫 守; 加藤 金治; 立川 圓造; 井上 伸*; et al.

Journal of Nuclear Science and Technology, 31(10), p.1119 - 1129, 1994/10

 被引用回数:8 パーセンタイル:60.26(Nuclear Science & Technology)

ガドリ入り燃料から切り出された5個のグラム量使用済燃料試片の破壊分析を行い、アクチノイド及びFP核種を定量した。これらの分析値を用いて核設計コード(CASMO)と燃焼計算コード(ORIGEN-2)の両計算値の精度評価を行った。主要核分裂性核種($$^{235}$$U,$$^{239}$$Pu,$$^{241}$$Pu)についてのCASMOの計算値は、約3%以内と実測値に非常に良く一致した。一方OROGEN-2の計算値は、UO$$_{2}$$燃料に対して約5%、Gd$$_{2}$$O$$_{3}$$-UO$$_{2}$$燃料に対して約12%といずれも低い値を示した。この12%の過小評価は、ORIGEN-2の計算では、Gdの効果を考慮していないためであると考えられる。その他のマイナーアクチノイドについては、両計算コード間に大差はなく10%前後であったが試験間での変動が大きかった。FPについては、$$^{154}$$Eu及び$$^{125}$$Sbが非常に大きなくい違いを示した。

論文

Formation cross section of iron-60 with reactor neutrons in $$^{59}$$Fe(n,$$gamma$$)$$^{60}$$Fe reaction

佐藤 忠; 鈴木 敏夫

Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 170(2), p.367 - 372, 1993/00

 被引用回数:1 パーセンタイル:18.76(Chemistry, Analytical)

娘核種である$$^{60}$$Coの成長から$$^{60}$$Feの生成量を測定し、$$^{59}$$Fe(n,$$gamma$$)$$^{60}$$Fe反応の原子炉中性子に対する断面積を測定した。原子炉で重照射し、5年間冷却した天然同位体組成の鉄をイオン交換法、抽出法により$$^{60}$$Coを含む他の元素の放射性核種から十分に精製した。分離後4年間に成長した$$^{60}$$Coの放射能を$$gamma$$線測定により定量した。照射位置の中性子束は液体シンチレーションカウンティングにより得た$$^{55}$$Feの量と照射記録から求めた。ここで得た$$^{59}$$Fe(n,$$gamma$$)$$^{60}$$Fe反応の断面積12.5バーンは、これまでに報告されている$$^{59}$$Feの原子炉中性子による燃焼反応の上限値10バーンより少し大きい。

報告書

Pre-pulse irradiation examination, NSRR pulse irradiation and post-pulse irradiation examination of MH-2 fuel rod

柳澤 和章; 片西 昌司; 本間 功三*; 笹島 栄夫; 藤城 俊夫; 堀木 欧一郎; 三村 英明; 大枝 悦郎; 大和田 功; 本田 順一; et al.

JAERI-M 92-015, 211 Pages, 1992/02

JAERI-M-92-015.pdf:8.77MB

NSRR計画の一環として、美浜2号機で照射された燃料集合体K4/G08から得たセグメント燃料K4-2(MH-2)を用いたパルス照射がNSRRで1990年3月8日に実施された。当該燃料の発熱量は68cal/g・fuelであり、炉内計装機器やパルス後の照射後試験データからは、破損と結びつく兆候は認められなかった。本報は、セグメント燃料K4-2に関して燃料棒再製作時のデータ。NSRR照射時の炉内データ及びパルス照射後のデータをまとめたものである。

報告書

技術報告: NSRRを用いたシリサイド板状燃料実験の技術開発

柳澤 和章; 曽山 和彦; 市川 博喜; 根本 工; 星野 修; 宇野 久男; 梅田 政幸; 鈴木 敏夫; 金澤 浩之; 木村 康彦; et al.

JAERI-M 91-114, 67 Pages, 1991/08

JAERI-M-91-114.pdf:4.28MB

研究炉では、濃縮度低減のため、従来使用して来たアルミナイド板状燃料からシリサイド板状燃料に材質が変更されつつある。NSRRでは安全性の観点から、このシリサイド燃料に係るパルス照射実験を計画したが、実験開始に先立って、幾つかの克服すべき技術的課題に直面した。(1)シリサイドは金属燃料板であるため、照射実験を行っても、十分に安全が担保できる照射カプセルを設計・製作する必要性、(2)熱伝導性の良いアルミ被覆板に熱電対を抵抗溶接する技術の確立、(3)照射後試験については、NSRRでは実施経験がなく、あらたに幾つかの機器の準備、発熱量較正訓練、計量管理等を行うことの必要性、これらの技術的課題を、約4年の歳月をかけて解決したので、その成果を報告する。

報告書

$$^{242}$$Cm半減期の再測定

臼田 重和; 鈴木 敏夫; 河野 信昭; 梅澤 弘一

JAERI-M 90-030, 13 Pages, 1990/02

JAERI-M-90-030.pdf:0.47MB

高純度$$^{242}$$Cmを調製し、その半減期を再測定した。測定は2$$pi$$比例計数管検出器による$$alpha$$放射能測定、低ジオメトリーSi検出器による$$alpha$$線スペクトロメトリー及び低エネルギー測定用純Geプレナー型検出器による$$gamma$$(X)線スペクトロメトリーの独立した3種類の方法を用いて行った。最後は、$$^{242}$$Cmの半減期測定には今まで報告されたことのない方法である。これらの測定値の荷重平均として、161.41$$pm$$0.28日を得た。この値は、前回の我々の測定値161.35$$pm$$0.30日と一致するが、他の文献値より1%程度短い値である。

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