イカの擬態行動におけるパターン変化に学ぶ動的パターン形成理論

从鱿鱼模仿行为的模式变化中学到的动态模式形成理论

基本信息

批准号：
21K12065
负责人：
岩本真裕子
金额：
$ 2.5万
依托单位：
Doshisha University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21K12065/
关键词：
動的パターン数理モデルパターン形成制御頭足類

项目摘要

本研究では、神経制御支配の動的なパターン形成のメカニズムを明らかにし、数値シミュレーションによるメカニズムの解明・および動的パターン形成の制御のために、実験的な報告をもとに数理モデルの構築した。イカ類は表皮表面に３つの色素細胞（黒・赤・黄）をうまく調整することで、瞬時に体表の色や模様を変化させることができる。軟体動物であるイカ類のとって筋肉は重要な組織であり、体表パターンを変化させる際にも、体表の色素胞の大きさを制御しているのは筋収縮である。また、イカ類は視覚能力が優れており、視覚情報に合わせて体表パターンを変化させることで環境に擬態すると言われている。これまでイカ類の体表パターンの変化については、観察・実験ベースの報告的な研究が多く、そのメカニズムに迫る数理的なアプローチは行われてこなかった。そこで本研究ではコウイカの体表パターンおよびそのメカニズムに潜む自己組織化現象について数理モデルの構築を目指した。ヨーロッパコウイカなどは、体表の全体にストライプパターンが、端にスポットパターンが出やすく、一見するとチューリングパターンに似ている。場所によってパターンが異なるメカニズムを、曲面でのパターン形成が要因であると捉え、コウイカのボディの形を簡略した簡単な多様体上でのチューリングパターンについて解析・考察した。また、色素細胞の集合体の時間変化からなる動的パターン形成を制御することを目指し、その基礎的な考察として、自己駆動粒子の群れのルール変化と形態変化について考察した。

在本研究中，我们阐明了神经控制神经支配动态模式形成的机制，并基于实验报告构建了数学模型，以便通过数值模拟来阐明该机制并控制动态模式形成。通过巧妙地调节表皮表面的黑、红、黄三种色素细胞，乌贼可以瞬间改变体表的颜色和图案。肌肉是鱿鱼这种软体动物的重要组织，肌肉收缩在改变体表图案时控制着体表色素细胞的大小。此外，鱿鱼具有出色的视觉能力，据说可以根据视觉信息改变体表图案来模仿环境。到目前为止，关于鱿鱼物种体表模式变化的大部分研究都是基于观察和实验报告，并且没有采用数学方法来研究其机制。因此，在本研究中，我们旨在构建墨鱼体表图案背后的自组织现象及其机制的数学模型。欧洲墨鱼的身体表面往往有条纹图案，边缘有斑点图案，乍一看很像图灵图案。我们考虑了曲面上的图案形成所导致的图案因位置而异的机制，并分析和讨论了以墨鱼的简化体形为基础的简单流形上的图灵图案。此外，为了控制由色素细胞聚集体的时间变化组成的动态图案形成，作为基本考虑，我们考虑了自驱动粒子组的规则和形态的变化。