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論文 【 表示 ／ 非表示 】
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Patterning in stratified epithelia depends on cell-cell adhesion 査読あり
Yosuke Mai, Yasuaki Kobayashi, Hiroyuki Kitahata, Takashi Seo, Takuma Nohara, Sota Itamoto, Shoko Mai, Junichi Kumamoto, Masaharu Nagayama, Wataru Nishie, Hideyuki Ujiie, Ken Natsuga
Life Science Alliance 7 ( 9 ) 1 - 14 2024年07月
記述言語：英語 掲載種別：研究論文（学術雑誌）
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On the reaction–diffusion type modelling of the self-propelled object motion 査読あり
Masaharu Nagayama, Harunori Monobe, Koya Sakakibara, Ken-Ichi Nakamura, Yasuaki Kobayashi, Hiroyuki Kitahata
Scientific Reports 13 ( 1 ) 2023年08月
掲載種別：研究論文（学術雑誌） 出版者・発行元：Springer Science and Business Media LLC
Abstract
In this study, we propose a mathematical model of self-propelled objects based on the Allen–Cahn type phase-field equation. We combine it with the equation for the concentration of surfactant used in previous studies to construct a model that can handle self-propelled object motion with shape change. A distinctive feature of our mathematical model is that it can represent both deformable self-propelled objects, such as droplets, and solid objects, such as camphor disks, by controlling a single parameter. Furthermore, we demonstrate that, by taking the singular limit, this phase-field based model can be reduced to a free boundary model, which is equivalent to the $$L^2$$-gradient flow model of self-propelled objects derived by the variational principle from the interfacial energy, which gives a physical interpretation to the phase-field model. -
Keisuke Imafuku, Hiroaki Iwata, Ken Natsuga, Makoto Okumura, Yasuaki Kobayashi, Hiroyuki Kitahata, Akiharu Kubo, Masaharu Nagayama, Hideyuki Ujiie
Cell Proliferation 2023年03月
掲載種別：研究論文（学術雑誌） 出版者・発行元：Wiley
DOI： 10.1111/cpr.13441
その他リンク： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full-xml/10.1111/cpr.13441
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A computational model of the epidermis with the deformable dermis and its application to skin diseases 査読あり
Kota Ohno, Yasuaki Kobayashi, Masaaki Uesaka, Takeshi Gotoda, Mitsuhiro Denda, Hideyuki Kosumi, Mika Watanabe, Ken Natsuga, Masaharu Nagayama
Scientific Reports 11 13234 2021年06月
担当区分：筆頭著者 掲載種別：研究論文（学術雑誌）
The skin barrier is provided by the organized multi-layer structure of epidermal cells, which is dynamically maintained by a continuous supply of cells from the basal layer. The epidermal homeostasis can be disrupted by various skin diseases, which often cause morphological changes not only in the epidermis but in the dermis. We present a three-dimensional agent-based computational model of the epidermis that takes into account the deformability of the dermis. Our model can produce a stable epidermal structure with well-organized layers. We show that its stability depends on the cell supply rate from the basal layer. Modeling the morphological change of the dermis also enables us to investigate how the stiffness of the dermis affects the structure and barrier functions of the epidermis. Besides, we show that our model can simulate the formation of a corn (clavus) by assuming hyperproliferation and rapid differentiation. We also provide experimental data for human corn, which supports the model assumptions and the simulation result.
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Temporal coherency of mechanical stimuli modulates tactile form perception 査読あり
Masashi Nakatani, Yasuaki Kobayashi, Kota Ohno, Masaaki Uesaka, Sayako Mogami, Zixia Zhao, Takamichi Sushida, Hiroyuki Kitahata, Masaharu Nagayama
Scientific Reports 11 11737 2021年06月
担当区分：筆頭著者 掲載種別：研究論文（学術雑誌）
The human hand can detect both form and texture information of a contact surface. The detection of skin displacement (sustained stimulus) and changes in skin displacement (transient stimulus) are thought to be mediated in different tactile channels; however, tactile form perception may use both types of information. Here, we studied whether both the temporal frequency and the temporal coherency information of tactile stimuli encoded in sensory neurons could be used to recognize the form of contact surfaces. We used the fishbone tactile illusion (FTI), a known tactile phenomenon, as a probe for tactile form perception in humans. This illusion typically occurs with a surface geometry that has a smooth bar and coarse textures in its adjacent areas. When stroking the central bar back and forth with a fingertip, a human observer perceives a hollow surface geometry even though the bar is physically flat. We used a passive high-density pin matrix to extract only the vertical information of the contact surface, suppressing tangential displacement from surface rubbing. Participants in the psychological experiment reported indented surface geometry by tracing over the FTI textures with pin matrices of the different spatial densities (1.0 and 2.0 mm pin intervals). Human participants reported that the relative magnitude of perceived surface indentation steeply decreased when pins in the adjacent areas vibrated in synchrony. To address possible mechanisms for tactile form perception in the FTI, we developed a computational model of sensory neurons to estimate temporal patterns of action potentials from tactile receptive fields. Our computational data suggest that (1) the temporal asynchrony of sensory neuron responses is correlated with the relative magnitude of perceived surface indentation and (2) the spatiotemporal change of displacements in tactile stimuli are correlated with the asynchrony of simulated sensory neuron responses for the fishbone surface patterns. Based on these results, we propose that both the frequency and the asynchrony of temporal activity in sensory neurons could produce tactile form perception.
MISC 【 表示 ／ 非表示 】
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塑性変形可能な基底膜モデルを用いた毛包形成メカニズムの数理的考察—A mathematical study of the mechanism of hair follicle formation using a plastic deformable basement membrane model
奥村 真善美, 小林 康明, 長山 雅晴, 藤原 裕展, 安ヶ平 祐介, 大野 航太
計算工学講演会論文集 = Proceedings of the Conference on Computational Engineering and Science / 日本計算工学会 編 27 456 - 459 2022年06月
記述言語：日本語 出版者・発行元：日本計算工学会
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大野 航太, 小林 康明, 熊本 淳一, 傳田 光洋, 長山 雅晴
計算工学講演会論文集 Proceedings of the Conference on Computational Engineering and Science 26 360 - 364 2021年06月
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大野 航太, 小林 康明, 後藤田 剛, 上坂 正晃, 安ケ平 祐介, 北畑 裕之, 傳田 光洋, 長山 雅晴
計算工学講演会論文集 Proceedings of the Conference on Computational Engineering and Science 25 3p 2020年06月
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表皮構造の数理モデルにおける細胞の扁平化と細胞の多面体形状について
上坂 正晃, 後藤田 剛, 一本嶋 佐理, 北畑 裕之, 小林 康明, 安ヶ平 裕介, 傳田 光洋, 長山 雅晴
24 5p 2019年05月
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後藤田 剛, 上坂 正晃, 安ケ平 裕介, 小林 康明, 北畑 裕之, 傳田 光洋, 長山 雅晴
24 5p 2019年05月
講演・口頭発表等 【 表示 ／ 非表示 】
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Dynamics and distribution of epidermal stem cells on a membrane 招待あり 国際会議
Yasuaki Kobayashi, Masaharu Nagayama
A3-NIMS Joint Workshop on Mathematical Biology, the National Institute of Mathematical Sciences, Daejeon, South Korea 2017年03月
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Modeling of phase-shifted oscillatory signals driven by Hes7 oscillations
Yasuaki Kobayashi, Hiroshi Kori
5th Annual Winter q-bio Meeting in Kauai, Grand Hyatt Kauai, Hawaii, U.S.A. 2017年02月
開催年月日： 2017年02月
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Synchronization failure caused by interplay between noise and network heterogeneity
Yasuaki Kobayashi, Hiroshi Kori
International Conference Patterns and Waves 2016, Hokkaido University Confer- ence Hall, Sapporo, Japan 2016年08月
開催年月日： 2016年08月
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Synchronization failure caused by interplay between noise and network hetero- geneity
Yasuaki Kobayashi, Hiroshi Kori
NetSci2016: International School and Conference on Network Science, K-Hotel, Seoul, South Korea 2016年05月
開催年月日： 2016年05月
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Reentrant transition in coupled noisy oscillators
Yasuaki Kobayashi, Hiroshi Kori
International Workshop: New Frontiers in Nonlinear Sciences, Hotel KAN- RONOMORI, Niseko, Japan 2016年03月
開催年月日： 2016年03月
科研費（文科省・学振）獲得実績 【 表示 ／ 非表示 】
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時空間パターンを形成する細胞シートの連続体モデル構築と解析
研究課題/領域番号：22K03428 2022年04月 - 2025年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(C)
小林 康明
配分額：4030000円 （ 直接経費：3100000円 、 間接経費：930000円 ）
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やわらかい組織の上で増殖する細胞系の連続体モデル構築と解析
研究課題/領域番号：19K03629 2019年04月 - 2023年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(C)
小林 康明
配分額：4030000円 （ 直接経費：3100000円 、 間接経費：930000円 ）
これまでのモデルに修正を加え，基底層と基底膜の接着の相互作用を，幹細胞の位置でデルタ関数的に大きくなるものから，幹細胞の位置にピークをもち連続的に減衰する関数に変更したモデルを考案し，数理モデルを導出した．このモデルの数値計算を行い，以前と同様に幹細胞の位置で上向きの突起が形成されることを示した.このモデルにおいて，接着強度が空間的に一様であっても一様状態が不安定化し，周期的な空間構造が発生することを明らかにした．線形安定性解析を行い，一様解が不安定化する波長と基底膜の物性，基底膜と基底層の接着強度の間の関係を求めた．幹細胞数と膜の弾性に対する相図を作成し，形成される突起の数と形状の分類を行った．
続いて基底層の細胞同士の接着を考慮した数理モデルの構築を行った．細胞密度と圧力の２変数の連続体モデルの解析を行い，細胞密度の変化によって空間一様な状態が不安定化し，周期構造が現れることを示した．細胞の収縮力と細胞密度の相図を示し，空間パターンを生じる細胞密度に上限と下限が存在することを示した．初期細胞密度が周期的に分布している場合，低波数では最終パターンの細胞集団数は波数に一致するが，高波数では一致せず一山の集団が生じることを示した．
また基底膜と接着を保ちつつ細胞分裂を繰り返す系の大変形を記述する数理モデルの構築を行った．これまでの数理モデルを，基底膜が塑性変形を伴う場合に拡張し，細胞分裂の力によって膜の大変形を引き起こすような現象をよく記述する結果を得ることに成功した．大変形を扱うことが可能になることで，乾癬のような真皮の形態変化を伴う病態をシミュレーションすることも可能になり，様々な応用が期待できる．