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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。
中野 純一; 塚田 隆; 辻 宏和; 寺門 正吾; 高野 利夫; 遠藤 慎也
JAERI-Tech 2003-092, 54 Pages, 2004/01
JAERI-Tech-2003-092.pdf:14.05MB
照射誘起応力腐食割れ(Irradiation Assisted Stress Corrosion Cracking, IASCC)は中性子照射,応力及び高温水等の腐食環境が複雑に作用して生じる炉内構造材料の損傷現象であり、軽水炉の高経年化に伴う重要な検討課題となっている。IASCCにおけるき裂の発生・成長のメカニズムを解明するにはき裂成長のプロセスとき裂発生のプロセスを分離して検討することが必要である。そのため、照射材を用いて高温高圧水中での低ひずみ速度試験(Slow Strain Rate Test, SSRT)を無人で長時間連続して行いながら、試験片表面のその場観察が可能な装置を開発した。本装置の性能確証試験として、未照射のSUS304ステンレス鋼試験片を用いて561K, 9MPaの高温高圧水中において、試験片表面のその場観察を実施しながらの引張試験と未観察でのSSRTを行った。それらの結果から以下のことを確認した。(1)ホットセル内での遠隔操作による試験片の取扱・観察,データの記録が可能であること。(2)高温水中でのその場観察が可能であり、試験片形状は平板型が観察に適していること。(3)長期の試験期間において、試験条件を一定に制御可能であるとともに無人で安全にデータ取得が可能であること。
安藤 俊就; 礒野 高明; 濱田 一弥; 西島 元; 辻 博史; 富岡 章*; 坊野 敬昭*; 保川 幸雄*; 今野 雅行*; 上出 俊夫*
IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 11(1), p.2535 - 2538, 2001/03
被引用回数：6 パーセンタイル：42.23(Engineering, Electrical & Electronic)ITERの建設に必要な60kAの電流リードを高温超伝導体を用いて設計した。また、その設計の正当性を実証するためのR&Dを行った。特に超伝導コイルのクエンチ時での電流リードの安全性について新しいアイデアを提出し、その検証した結果を紹介する。
石田 真一; 松岡 守; 菊池 満; 辻 俊二; 西谷 健夫; 小出 芳彦; 小関 隆久; 藤田 隆明; 中村 博雄; 細金 延幸; et al.
Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research 1992, Vol.1, p.219 - 233, 1993/00
JT-60Uにおいて、高アスペクト比の高磁場非円形ダイバータ配位を用いて、高
実験を行った。その結果、Lモードスケーリングの3倍の閉じ込め改善度をもつ良好な閉じ込め改善領域を見い出した。炉心級の高温プラズマ(Ti~32keV)、高い核融合積(n
(0)
Ti(0)~4
10
m
・s・keV)が得られ、中性子発生率210
n/sに対するDT換算の等価核融合増倍率は、Q
~0.3に達した。閉じ込め改善特性には、パワー依存性があり、電流分布のピーキングは、得られる
値を向上させる効果がある。また、 collapse現象は、閉じ込め改善モードの保持を妨げ、高領域の限界を低下させることがわかった。1.5次元輸送解析の結果は、~2.1の高放電において、約0.7MAのブートストラップ電流が流されていることを示している。
中村 博雄; 辻 俊二; 清水 勝宏; 平山 俊雄; 細金 延幸; 吉田 英俊; 飛田 健次; 小出 芳彦; 西谷 健夫; 永島 圭介; et al.
核融合研究, 65(SPECIAL ISSUE), p.261 - 285, 1991/03
本報告は、JT-60の外側ダイバータおよび下側ダイバータ実験で行なった、粒子閉じ込め特性とヘリウム灰排気輸送に関する結果をまとめたものである。外側ダイバータ実験で、粒子閉じ込め時間やリサイクリング率の測定を行なった。また、ポンプリミタやダイバータ室粒子排気装置により、粒子排気特性を実証した。電子密度610
mの放電を行い、20MWのNBI加熱による補給粒子(3Pam
/s)を、ダイバータ排気装置で排気可能であることを示した。下側ダイバータ実験では、ヘリウムNBによりプラズマ中心領域への粒子補給を行い、10MWのNB加熱放電で、ヘリウム灰排気特性を調べた。その結果、高密度放電によりヘリウム灰排気が軽減されることを明らかにした。ヘリウム輸送は、電子よりも異常な内側ピンチが大きいことを示した。
中村 博雄; 辻 俊二; 永見 正幸; 小関 隆久; 石田 真一; 安積 正史; 秋場 真人; 安東 俊郎; 藤井 常幸; 福田 武司; et al.
Nuclear Fusion, 30(2), p.235 - 250, 1990/02
被引用回数：16 パーセンタイル：53.11(Physics, Fluids & Plasmas)JT-60の外側ダイバータおよび下側ダイバータにおけるHモード実験について述べた。外側ダイバータでは、従来の下側ダイバータと同様の特性を有するHモードが得られた。Hモードの閾値は、16MWおよび1.810mである。また、NB+ICRF、NB+LHRFの複合加熱においても、Hモードが観測された。更に、改造後の下側ダイバータにおいても、Hモードが得られた。上記の2つのダイバータ配位ともに、エネルギー閉じ込めの改善度は、約10%である。本論文では、Hモード放電の諸特性について述べるとともに、バルーニング/交換型不安定性の解析を行い、JT-60の外側X点ダイバータでも、安定領域が存在する事を示した。
中村 博雄; 辻 俊二; 永見 正幸; 小関 隆久; 石田 真一; 安積 正史; 秋場 真人; 安東 俊郎; 藤井 常幸; 福田 武司; et al.
JAERI-M 89-106, 52 Pages, 1989/08
本報告書は、JT-60の外側ダイバータおよび下側ダイバータにおけるH-mode実験結果について述べた。外側ダイバータ配位においても従来の下側あるいは上側ダイバータと同様に、H-modeが得られた。全吸収パワーおよび電子密度の閾値は、それぞれ、16MWおよび1.810 mである。エネルギー閉じ込め時間の改善は、約10%である。また、NB+ICRFおよびNB+LHRFの複合加熱実験においても、H-modeが得られた。また、新たに設置した下側ダイバータ実験でもH-modeが観測された。これらの結果をもとに、H-modeの特徴について、外側ダイバータと下側ダイバータの比較を行った。
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。
