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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

J-PARCリニアックの現状

小栗 英知; 長谷川 和男; 伊藤 崇; 千代 悦司; 平野 耕一郎; 森下 卓俊; 篠崎 信一; 青 寛幸; 大越 清紀; 近藤 恭弘; et al.

Proceedings of 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.389 - 393, 2014/10

J-PARCリニアックでは現在、ビームユーザに対する利用運転を行うとともに、リニアック後段の3GeVシンクロトロンにて1MWビームを加速するためのビーム増強計画を進めている。リニアックのビーム増強計画では、加速エネルギー及びビーム電流をそれぞれ増強する。エネルギーについては、181MeVから400MeVに増強するためにACS空洞及びこれを駆動する972MHzクライストロンの開発を行ってきた。これら400MeV機器は平成24年までに量産を終了し、平成25年夏に設置工事を行った。平成26年1月に400MeV加速に成功し、現在、ビーム利用運転に供している。ビーム電流増強では、初段加速部(イオン源及びRFQ)を更新する。イオン源はセシウム添加高周波放電型、RFQは真空特性に優れる真空ロー付け接合タイプ空洞をそれぞれ採用し、平成25年春に製作が完了した。完成後は専用のテストスタンドにて性能確認試験を行っており、平成26年2月にRFQにて目標の50mAビーム加速に成功した。新初段加速部は、平成26年夏にビームラインに設置する予定である。

論文

Neutron spectroscopic factors of $$^{55}$$Ni hole-states from (p,d) transfer reactions

Sanetullaev, A.*; Tsang, M. B.*; Lynch, W. G.*; Lee, J.*; Bazin, D.*; Chan, K. P.*; Coupland, D.*; Hanzl, V.*; Hanzlova, D.*; Kilburn, M.*; et al.

Physics Letters B, 736, p.137 - 141, 2014/09

 被引用回数:6 パーセンタイル:49.44(Astronomy & Astrophysics)

$$^{55}$$Niの1/2$$^+$$状態は二重閉殻核$$^{56}$$Niの中性子s$$_{1/2}$$軌道が空となった一空孔状態が支配的であると考えられ、したがってその状態の性質は不安定核の殻構造を知る上で重要な情報となる。本論文では、$$^{55}$$Niの1/2$$^+$$状態における一空孔状態の割合となる分光学的因子を測定し、その値を最新の理論計算と比較した結果を報告した。実験はミシガン州立大学の超伝導サイクロトロンを用い、$$p$$($$^{56}$$Ni, $$^{55}$$Ni)$$d$$反応によって調べた。実験の解析の結果、s$$_{1/2}$$の一空孔状態が支配的な1/2$$^+$$状態は3.18MeVに現れ、その分光学的因子は1.0$$pm$$0.2であることがわかった。発表代表者が行った殻模型計算では対応する状態の励起エネルギーが3.75MeVで分光学的因子が1.21と実験値を比較的よく再現するのに対し、グリーン関数による第一原理計算では分光学的因子は1.10と良いものの、励起エネルギーが11.5MeVと実験値からの大きなずれが見られた。

論文

Demonstration of partially transparent thick metallic sodium in the vacuum ultraviolet spectral range

大道 博行; 鈴木 庸氏; 河内 哲哉; 福田 武司*; 中桐 俊男; 加来 正典*; 窪寺 昌一*

Optics Express (Internet), 21(23), p.28182 - 28188, 2013/11

 被引用回数:1 パーセンタイル:89.72(Optics)

一般に金属は紫外線を吸収するため、紫外線が金属を透過するとは考えられていなかった。実際、様々な金属に対する紫外線の透過率が調べられているが、数ミリ厚の金属を紫外線が透過する報告はない。一方、まだ十分に紫外線透過率が調べられていない金属もあり、そのひとつがナトリウムである。ナトリウムの透過特性の研究は1930年代に遡るが、正確な実験データの取得ができなかった。ナトリウムは空気中の水分と反応して性質が変わるため、安定した厚みをもつ試料の作成が難しい点が理由の一つと考えられる。今回、フッ化マグネシウムという紫外線を通す特殊な窓材の間にナトリウムを挟み込むことで安定な試料の作製に成功し、その結果、真空紫外線と呼ばれる波長115-170ナノメートル(ナノメートルは100万分の1ミリメートル)の光が、厚さ1mm$$sim$$8mmの固体金属ナトリウムや温度150$$^{circ}$$Cの液体金属ナトリウムを透過することを世界で初めて明らかにした。さらに厚さ8ミリメートルのナトリウムの陰に隠れた物体の透視を行い、その像を明瞭に撮影することにも成功した。

論文

Transmission imaging of sodium in the vacuum ultra-violet spectral range; New application for an intense VUV Source

大道 博行; 鈴木 庸氏; 河内 哲哉; 福田 武司*; 中桐 俊男; 加来 正典*; 窪寺 昌一*; Pirozhkov, A. S.

Proceedings of SPIE, Vol.8849, p.884908_1 - 884908_11, 2013/09

ナトリウムの光学的特性は20世紀前半から調べられてきた。1930年代にWoodにより紫外線域に透過の可能性があることが指摘された。その後の研究では透過像を取得するには至ってない。近年、大阪大学の福田らによりその重要性が指摘され、それに基づいて筆者らの研究グループではより厚いサンプルを用いた固体ナトリムの真空紫外域の透過スペクトル特性の詳細を調べた。その結果、大変高い透過率を観測し、透過イメージングにも成功した。これらを踏まえ、高強度真空紫外光源の必要性とそのナトリウム流動観察などへの応用等について講演する。

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:57.32

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

超新星での元素合成とニュートリノ振動

鈴木 俊夫*; 吉田 敬*; 千葉 敏; 梶野 敏貴*

日本物理学会誌, 67(1), p.49 - 54, 2012/01

超新星における$$^7$$Li, $$^{11}$$B, $$^{138}$$La, $$^{180}$$Ta等の元素合成には、ニュートリノ過程が重要な役割を果たす。最近の中性子過剰核を中心とした原子核物理の発展に基づいて新しい殻模型ハミルトニアンを構築し、実験との詳細な比較検討を行って、ニュートリノ-原子核反応断面積の理論計算を改善した。これにより、超新星で合成される$$^7$$Li, $$^{11}$$B等の軽元素合成量のより正確な評価が可能となった。物質振動(MSW)効果によって元素合成量がニュートリノ混合角$$theta_{13}$$と質量階層に強く依存することを利用して、われわれは未知のニュートリノ振動パラメータを決定する新しい方法を提案した。

論文

超新星での元素合成とニュートリノ振動

鈴木 俊夫*; 吉田 敬*; 千葉 敏; 梶野 敏貴*

日本物理学会誌, 67(1), p.49 - 54, 2012/01

超新星における$$^7$$Li, $$^{11}$$B, $$^{138}$$La, $$^{180}$$Ta等の元素合成には、ニュートリノ-原子核反応過程が重要な役割を果たす。最近の中性子過剰核を中心とした原子核物理の発展に基づいて新しい殻模型ハミルトニアンを構築し、原子核のスピン応答の記述を改善した。新しいハミルトニアンをニュートリノ-原子核反応断面積の理論計算に適用することによって、超新星で合成される$$^7$$Li, $$^{11}$$B等の軽元素合成量のより正確な評価が可能となった。物質振動(MSW)効果によって元素合成量がニュートリノ混合角$$theta_{13}$$と質量階層に強く依存することを利用して、われわれは未知のニュートリノ振動パラメータを決定する新しい方法を提案した。

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

Characterization of the dissolver sludge of MOX spent fuel at the Tokai Reprocessing Plant

鈴木 一之; 畑中 聡; 佐本 寛孝; 諏訪 登志雄; 田中 康介; 田中 志好

Proceedings of International Conference on Toward and Over the Fukushima Daiichi Accident (GLOBAL 2011) (CD-ROM), 6 Pages, 2011/12

使用済燃料の溶解工程では、白金族等のFP,燃料被覆管せん断片,溶解液からの再沈殿物などによる不溶性の残渣(以後、「スラッジ」という)が生じ、配管閉塞等の問題を引き起こす原因となる。軽水炉燃料の高燃焼度化及びMOX燃料の利用に伴いFP発生量は増加することから、スラッジの特性把握は円滑な再処理運転を行ううえで重要である。東海再処理工場(TRP)では工学規模でスラッジ性状の調査に取り組んでおり、本報告では、溶解槽から採取したATR-MOX燃料(ATR:Advanced Thermal Reactor Pu富化度約2%)に由来するスラッジとATR-UO$$_{2}$$燃料に由来するスラッジの性状の相違についての調査結果を報告する。本調査では、スラッジ溶融後のICP-AESによる組成分析及びスラッジのXRDによる結晶構造解析等を実施し、主要成分がモリブデン酸ジルコニウムであることと、元素の含有率等がUO$$_{2}$$燃料と相違のないことを確認した。また、より詳細なスラッジ性状の把握のために、EPMAによるPu等の微量元素の分布状態を確認した。TRPでは今後のより一層の高燃焼度化及びMOX利用に向けて、工学規模でスラッジ性状の調査を進める計画である。

論文

A Phase-field simulation of uranium dendrite growth on the cathode in the electrorefining process

澁田 靖*; 鵜浦 誠司*; 佐藤 匠; 柴田 裕樹; 倉田 正輝*; 鈴木 俊夫*

Journal of Nuclear Materials, 414(2), p.114 - 119, 2011/07

 被引用回数:8 パーセンタイル:34.47(Materials Science, Multidisciplinary)

乾式再処理プロセスの電解精製における溶融塩中からの陰極へのウランの電析について、フェイズフィールド法を用いたシミュレーション計算を行った。金属ウランはデンドライト状に析出するが、ジルコニウムが共存する環境下では樹状部があまり成長しないことが知られている。そこで、ウランの析出形態が変化するジルコニウム濃度のしきい値を電流密度の関数として評価し、そのしきい値は電流密度が低くなるほど大きくなることを明らかにした。

論文

The Configuration and electronic state of SO$$_{3}$$ adsorbed on Au surface

鈴木 知史; 中桐 俊男

Journal of Physics and Chemistry of Solids, 72(1), p.10 - 16, 2011/01

 被引用回数:3 パーセンタイル:78.77(Chemistry, Multidisciplinary)

日本原子力研究開発機構では、高速増殖炉で(FBR)発生する熱と電気を利用した水素製造プロセスとして、ハイブリッド熱化学法を開発している。このプロセスには、三酸化イオウ(SO$$_{3}$$)分解が含まれている。しかしながら、SO$$_{3}$$の電気分解の反応機構は明らかでなく、さらなる高性能化には、反応機構を明らかにする必要がある。これまでに、第一原理計算を実施してSO$$_{3}$$のPt電極表面への吸着・解離反応を明らかにしてきた。さらに電極の高性能化のため、実験より比較的優れた特性を示したAuについての検討を行うため、第一原理計算を実施した。計算結果より、Au表面上でSO$$_{3}$$は6種類の安定構造を取ることが明らかとなった。

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

High-energy, high-efficiency second-harmonic generation from a Nd-doped laser with high-quality CsB$$_{3}$$O$$_{5}$$ crystal

鈴木 将之; 桐山 博光; 中井 善基*; 岡田 大; 大東 出; Bolton, P.; 大道 博行; 近藤 公伯; 河西 俊一; 影林 由郎*; et al.

Proceedings of Conference on Lasers and Electro-Optics and The Quantum Electronics and Laser Science Conference (CLEO/QELS 2010) (CD-ROM), 2 Pages, 2010/05

高エネルギーNd系レーザーの第二高調波(波長532nm)は、チタンサファイア結晶や光パラメトリック増幅の励起源として用いられる。そのためこれらの増幅器の出力は、この第二高調波の出力に依存し、さらにレーザー駆動粒子線発生実験において入力レーザーエネルギーが高ければ、得られる粒子線のエネルギーも高くなると考えられている。以上のことから、波長1$$mu$$m帯レーザーの高効率波長変換は、粒子発生の高エネルギー化に関して重要な研究テーマの一つである。今回、われわれはCsB$$_{3}$$O$$_{5}$$(CBO)結晶の高い非線形光学定数(1.00pm/V),ダメージ閾値(26GWcm$$^{-2}$$)にいち早く着目し、波長1$$mu$$mのレーザーパルスの波長変換を行った。励起レーザーは、出力2.0J,パルス幅10ns,繰り返し10HzのNd:YAGレーザーを用いた。その結果、入力レーザーエネルギー2.0Jに対して第二高調波の出力エネルギー1.2Jを得た。このとき変換効率は最大で60%を達成した。この変換効率は、CBO結晶を用いた過去の結果と比較して最大であった。本実験結果よりCBO結晶は第二高調波生成に非常に有効な結晶であることがわかった。

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:5 パーセンタイル:43.75(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

Highly efficient frequency doubling of high-energy Nd:YAG laser using a CsB$$_{3}$$O$$_{5}$$ crystal

鈴木 将之; 桐山 博光; 中井 善基; 岡田 大; 大東 出; 影林 由郎*; 横田 利夫*; Bolton, P.; 大道 博行; 河西 俊一

Optics Communications, 283(3), p.451 - 453, 2010/02

 パーセンタイル:100(Optics)

レーザー駆動粒子加速における最大エネルギーのカットオフは、入力レーザーエネルギーに依存し、入力レーザーのチタンサファイアレーザーの出力は、その励起源であるNd:YAGレーザーの第二高調波(波長532nm)出力に依存する。そのため、波長1$$mu$$m帯レーザーにおける波長変換の高効率化は、粒子加速の高エネルギー化において非常に重要である。CsB$$_{3}$$O$$_{5}$$(CBO)結晶は、高い非線形光学定数,高ダメージ閾値から波長1$$mu$$m帯レーザーの第二高調波生成への応用が期待されていた。しかし、その結晶の高品質かつ大型化が困難であったため、第二高調波生成はほとんど行われていなかった。近年、トップシード法を用いることで高品質,大型のCBO結晶成長が可能となった。このような背景から高品質CBO結晶を用いて、波長1064nmレーザーパルスの波長変換を行った。その結果、入力レーザーエネルギー20Wに対して第二高調波の出力エネルギー12W,変換効率60%を達成した。平面波近似の式より、理論的に変換効率を評価したところ実験結果とおおむね一致した。本実験結果よりCBO結晶は第二高調波生成に非常に有効な結晶の一つであることがわかった。

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