【研究領域課題番号】19K12214 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

がん / シミュレーション / 進化 / 深層学習

【研究成果の概要】

本研究ではがんの多様な進化様式を統一的に記述するシミュレーションモデルを構築、スーパーコンピューターを活用した超並列シミュレーション及びパラメータ感度分析を通じてがんの腫瘍内不均一性(ITH)生成機構の探索を行なった。その結果、いくつかの興味深い知見が引き出せた。例えば高い変異率は中立進化によって広範なITHを形成するが、がん幹細胞階層は見かけの変異率を高めることも同様に中立なITHの形成に寄与することを明らかにした。また大腸腫瘍の発生過程において観察される進化的シフトは、短時間に発生し、1つか少数の細胞に著しい体力向上をもたらす劇的な進化的イベントによって引き起こされる可能性を見出した。

【研究の社会的意義】

がんは細胞のゲノムに変異が蓄積し増殖能力、悪性度の高い細胞が進化的に選択された結果生じる進化の病気だと捉えることができる。がんはその進化能力の高さゆえ、治療によって変わった環境にも適応し容易に治療抵抗性を獲得してしまうので、がんの進化原理の理解は治療戦略を練る上でも重要な問題である。本研究はがんの進化を理解する上での数理的な基盤を提供することで、今後のがんの治療抵抗性の理解及びそれに基づいた治療戦略の開発に資すると期待される。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2019-04-01 - 2022-03-31

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究領域課題番号】18K06397 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

適応放散 / 種分化 / 数理モデル / シミュレーション / 幾何学的形態測定学 / 鳥類 / 海洋島 / 分散力 / 進化的制約 / 進化

【研究成果の概要】

本研究では、「なぜ鳥は海洋島で適応放散を起こすことができるのか？」、「海洋島で適応放散を起こす鳥と起こさない鳥はどう違うのか？」を調査した。第一の問いについては、海上分散力に富むはずの祖先種が、なぜ群島内の狭い海峡で遺伝的交流を断たれるのかが謎であったが、コンピュータシミュレーションにより、適応放散の起きる条件下では、自然選択が分散力の急激な減少をもたらす可能性を明らかにできた。第二の問いについては、鳥類が環境に適応する際に重要な役割を果たすくちばしの形態の進化可能性が適応放散が起きるか否かを決めるとの仮説があったが、カラス類を用いた3次元幾何学的形態測定学の研究は、この仮説を支持しなかった。

【研究の社会的意義】

人類の活動により、生物多様性の急激な喪失が続いている現代において、生物多様性についての理解の深化は急務である。海洋島の鳥の適応放散は、生物多様性の創出メカニズムを解明するための理想的な材料とみなされてきた。それは著しく多様な種を含む一方、観察がきわめて容易という特性を持つためである（海洋島の生態系はシンプルであり、そこに住む鳥は人間に対する警戒心を欠く）。本研究は、このように重要な題材について、「高い海上分散力を持つはずの鳥類がなぜ海洋島において多数の種に分化することができるのか」という、長年の謎を解決できた。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2018-04-01 - 2022-03-31

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】生命・健康・医療情報学

【研究領域課題番号】17K12773 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シミュレーション / がん / 進化 / スーパーコンピュータ / 可視化 / 癌

【研究成果の概要】

がん細胞は正常細胞が変異獲得、自然選択を繰り返す進化過程によって生み出されていると考えられます。その進化過程を理解するために我々はこれまでにシミュレーションを用いたがんの進化ダイナミクスの研究を行ってきました。本研究では進化ダイナミクスがどのようにパラメータに依存するかを調べる感受性解析手法MASSIVEを開発しました。MASSIVEは膨大なシミュレーションをスーパーコンピュータ上で試行しその結果を対話的可視化ツールMASSIVE viewerによって解析します。また、応用例として次元格子上でのがん進化シミュレーションを用いて解析し、栄養の空間的偏りが分岐進化を促進することを見出しました。

【研究の社会的意義】

本研究で開発した新しいパラメータ感受性解析手法 MASSIVEはこれまでの感受性解析手法とは全く異なる超並列計算と対話的可視化という二つの計算科学的技術を組み合わせ、幅広いパラメータ空間を直感的に探索可能にした点に新規性がある。我々はがんの進化シミュレーションの解析を目的に開発を行っているが、シミュレーション一般に応用可能な技術であり、感受性解析のデファクトスタンダードになると期待される。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2019-03-31

【配分額】4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)

【研究分野】応用人類学

【研究領域課題番号】16K14823 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

皮膚色 / 進化 / 自然選択 / アジア / 移住 / 単塩基多型 / メラニン合成関連遺伝子 / 多型 / アジア人 / オセアニア人 / 遺伝子多型 / シミュレーション

【研究成果の概要】

ヒトの皮膚色は、環境に適応すべく進化した最も多様な形質の一つである。出アフリカ以降、東アジア人の皮膚色は明るく変化したが、メラネシア人はアフリカ人と同程度の暗い皮膚色を保っている。両者の祖先は3～4万年前に分岐しており、わずか数万年間でこれほどの違いを生んだ進化過程についてはよくわかっていない。本研究では、タイ人とメラネシア人を対象に、皮膚色関連多型を調べ、アリル頻度分布の相違を指標として皮膚色が変化した過程について考察した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)

【研究分野】社会心理学

【研究領域課題番号】16K13462 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

道徳 / 進化シミュレーション / コーディネーション問題 / 正直な信号 / 進化心理学 / 非難 / 称賛 / コストリーシグナル / 進化 / 社会系心理学 / シミュレーション

【研究成果の概要】

道徳とは、正しい行いとは何だろうか？本研究は、道徳の本質は、その内容（公平性や純潔性など）ではなく、その形式にあると提唱した「動的調整理論」を発展させた。動的調整理論によれば、ある善悪の基準が、性別や年齢、身分などに関係なく、誰もに適用されることが道徳の本質であるという。本研究では、このような道徳が進化するための条件を検討するために、コンピュータ上で進化シミュレーションを実施した。その結果、コストをかけて道徳主張が行われ、受け手がそのコストを主張の正しさの判断材料に用いることによって、内容に依存しない「道徳」が進化する可能性が示唆された。

【研究の社会的意義】

本研究から、道徳的主張（称賛や非難）の本質的な機能は、集団内で対立する陣営に対して自陣営の優勢を得ることにあり、主張の内容そのものの正しさへの信念は必ずしも重要でないことが示唆される。学術的には、従来の主流である「道徳内容の適応的意義」から道徳進化を探るアプローチに対して、全く異なる視点を提供するものである。また社会的には、ソーシャルネットワークにおける「炎上」など、道徳的な非難が急速に広まる現象を理解する上で、新たな視座を提供するものと言えるだろう。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2020-03-31

【配分額】3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)

【研究分野】自然人類学

【研究領域課題番号】15H04428 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

biomechanics / neural activity / EMG / primates / rat / evolution / 二足歩行 / 前適応 / 神経活動 / 筋活動 / 姿勢制御 / シミュレーション / 生体機構 / ロコモーション / 霊長類 / 筋電図 / 運動解析

【研究成果の概要】

ヒトは何故、二足で歩けるのか？直立二足歩行の獲得に際して、運動・姿勢戦略にどのような変化があったのかを探るため、本研究では、神経、筋、運動の各レベルにおける二足歩行の特異性を明らかにすることを目的とした。ニホンザルとラットモデル、およびヒトを用いた実験的アプローチから、二足歩行時には特に足の動きが四足歩行時から大きく変わること、ヒト的歩行には後肢のスティフネスが重要であること等が明らかとなった。また、二足歩行の神経制御には反射経路の抑制が関与していること、不安定性には拮抗筋ペアの共収縮で対処すること、大脳皮質運動野は強い機能的可塑性を有することも示唆された。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】16,380千円 (直接経費: 12,600千円、間接経費: 3,780千円)

【研究分野】人類学(含生理人類学)

【研究領域課題番号】07640956 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

直立2足歩行 / 進化 / 適応 / 神経筋骨格モデル / 運動発生 / 遺伝的アルゴリズム / シミュレーション / 人工生命

【研究成果の概要】

直立2足歩行の様々な仮想進化戦略に応じ、体形と歩行運動を自律的に相互適応させることができる計算機シミュレーション手法を開発した。身体は頭胸部と骨盤部および左右の上肢、大腿、下腿、足部の合計10節に分割し、各関節には受動軟部組織に相当するトルクばねを付けた。各節の運動は基本的には矢状面内に拘束されるが、体幹節は垂直軸まわりに回旋できるものとした。また、筋骨格系は下肢と肩および腰部の左右合計26筋群でモデル化した。神経系は各関節の屈伸リズムを発生する18の振動子と、それらを相互に結合して筋への出力を発生する運動ニューロンからなる。この神経回路網には歩行の持続に必要な上位中枢からの定常入力と、力学系の運動情報としての関節角度、および弾性指示面と足との接触情報を与えた。自律的歩行は神経回路網の発振と身体多重振子系の振動との非線形相互引き込みによるリミットサイクルとして生成される。
神経パラメータの探索と体形の進化には遺伝的アルゴリズムを用いた。すわなち、身体特性を表す遺伝子から形質の異なる50個体を発生させ、実歩行の解析から妥当な運動決定基準と考えられる移動仕事率と筋疲労度が大きい歩行を行う個体を淘汰すると共に、筋負荷による筋断面積の修正や屈伸トルクに対応した関節可動域の修正を行い、これらの獲得形質の遺伝と突然変異によって新たな個体群を発生させた。本手法を用い、ヒトの祖型に近似するチンパンジーの身体特性を初期条件として世代交代を行った結果、ほぼ現代人体形の直立2足歩行に至ることが分かった。また、歩行速度の増大や骨格負荷の軽減などの様々な淘汰基準を用いて進化体形を比較した結果、現生人類への進化には長距離歩行と体形の大型化が関係している可能性が高いことが分かった。さらに、全身骨格が発見されたネアンデルタール人幼児の歩行復元など、様々な応用を試みた。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1995 - 1996

【配分額】1,900千円 (直接経費: 1,900千円)

【研究分野】人類学

【研究領域課題番号】02304013 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ホミノイド / 2足歩行 / 進化 / 形態 / 生機根 / シミュレ-ション / 化石 / 生機構

【研究成果の概要】

人類の2足歩行の起源、進化の考察は化石資料を始め、現生霊長類の身体移動様式のさまざまな適応比較,現代人身体の2足歩行能の特性を機能態学的,生理学的,生体工学的に解析する,などの多方面の学際的研究の綜合的成果によって始めて可能性がもたらされる。当然その成果をみのらせるためにはそれにりの時日を要するので,限られた2年間での綜合研究の成果のみですべて達成されるものではない。しかし各人のそれぞれの立場から,当初の研究計画をふまえて行われた今回の成果はめざましいものがあり,ここにその要点を記すことにする。まず化石骨格の檢討からみると,石田のケニアにおける調査が数多くのケニアピテクスの資料をしゅう集中で現地博物館で整理されつつある。今回は、尺骨近位部の詳細な檢討から,垂直木登りの適応の可能性を論じ,それが直立2足歩行の前適応として重要であることを指摘した。アウストラロピテクスの骨格構造から馬場は,ヒトの直立2足姿勢への進化について、身体の各部で均等に生じたものではなく,下方から順に変化したものであるとの考察を行った。筋系ではこのテ-マにおいてはさけて通ることの出来ない背筋群について,態倉はヒトとチンパンジ-の背柱起立筋を詳細に比較して身体移動様式との関連を論じている。生体工学的には動作はすべてその消費エルネギ-の最小化にむかうことから,アウストラロピテクス・アフェレンシスを歩かせると,骨盤を前傾し,胸部をそりかえらせる姿勢が最もだ当で,形態学的復原の成果とむじゅんしないと山崎は結論する。エネルギ-最小消費の面からは,現生画表類ではチンパンジ-の2足歩行が最も有効なことを木村が檢討している。現代人では遠藤が2足進立姿勢の安定性の指標を導入し,久保は歩行中の頭の動搖に注目している。歩行制御の脳の適応とその進化については,小脳運動系を中心に類人猿とヒトの比較神経的考察が行われた(俣野)。

【研究種目】総合研究(A)

【研究期間】1990 - 1991

【配分額】13,500千円 (直接経費: 13,500千円)