教員紹介 複雑系知能学科

プロフィール

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生き物の賢さは一体どのように生み出されるのでしょうか？　単細胞生物である粘菌を主なモデルとして、生物の情報処理能力の高さを実験により評価し、さ らにそのしくみをダイナミクスの観点から解明しようとしています。生物らしい情報処理の方法を捉えることができれば、人 間の感性になじみの良いインターフェースを持った機械を作ることにもつながると期待しています。

最終学歴：名古屋大学人間情報学研究科

学位：学術博士（名古屋大学）

前歴：北海道大学　電子科学研究所　准教授

着任時期：2010年4月1日

 

仕事の紹介

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生物の行う情報処理を研究しています。ヒトも含めて生き物は、すばらしい能力を兼ね備えています。長い年月をかけた進化による洗練の賜物でしょう。たとえば、野球選手はフライボールの落下点に向かって走っていけます。いとも簡単にやってのけますが、どのような方法で着地点を割り出しているのか、実はまだよくわかっておりません。ニュートンの運動方程式を解いてボールの弾道計算をしている、とは思えませんから、何か別の方法があるはずです。一体どのような仕組みなのでしょうか？　情報処理の生き物らしさとは？　翻って、単細胞生物を見てみましょう。単細胞とて、生きたシステムですから、生き物らしい情報処理をして然るべきです。単純な分、生き物らしさの本質に迫りやすいかもしれません。私たちは、このような考えに基づき、比較的単純な生き物を中心に、その情報処理を調べています。どれほど難しい問題を解くことができるのか？　その解法はどうか？　さらに、単純生物の研究を軸に、ヒトも含めた生物全般に共通する情報処理の特徴抽出にも取り組んでいます。「単細胞」などと侮ることなかれ、多くのことを学ぶことができるのです。

粘菌行動の賢さ

粘菌は巨大なアメーバ型生物でありながら、迷路の最短経路を探し出す計算能力を持っていました。環境条件があちこちで異なるような場所では、全体を通じて危険度が最小になる経路を探し出すこともできました。あちこちに小さい餌場所が点在する場合では、多目的（経済性、耐故障性、効率）に最適化されたネットワーク構造を作りだし、なるべく多くの餌場所にありつくことができました。これらは、単細胞レベルでの予想以上の賢さを示す証拠として注目されています。その解法はいかに？　粘菌の動きを実験で調べ、粘菌の計算方法を再現する数理モデルを構成することに成功しました。粘菌の計算能力についてさらに研究を押し進めています。

工学的な応用

粘菌の解法は、新しい最適化アルゴリズムとして工学的な応用が期待されています。一例として、カーナビがあげられます。現行のダイクストラ法を補うような、変動する渋滞状況に柔軟に対応する性質や大体良い経路をいくつもあげる性質が示されています。また、多目的最適化能力の応用例として、都市間交通ネットワークのデザインにも援用できるかもしれません。一般的な最適化手法として、現実の粘菌に拘る事なく、より洗練されたアルゴリズムへと開発することも興味深いテーマです。

記憶学習、迷い、心理

生き物らしい情報処理の一面として、記憶学習能力などのいわゆる高次脳機能があげられます。それらは既に単細胞の段階で既に存在するようです。たとえば、粘菌は、何度も周期的に刺激を受けますと、次の刺激のタイミングを予測するようになります。その後しばらくしてから再び刺激をしますと以前経験した刺激の周期を思い出すこともあります。このようなリズム性の時間記憶能力は、体内の代謝反応が作り出すリズムの自然な性質として表れうる事がわかりました。この種の時間記憶は、生物界全般にみられるものと予想しています。また、粘菌は、弱い毒に遭遇すると、しばらく立ち止まった後、乗り越えるか、引き返します。どちらの行動をとるかは、個体によって異なります。個性や迷いの表れと思われます。これら比較的高次な情報処理機能の仕組みを、反応拡散方程式と呼ばれるある種の運動方程式（偏微分方程式）で捉えています。更なる高次心理的な行動の探索と機構解明を目指しています。

複雑知能システムとしての生物の集団挙動

粘菌は巨大な多核単細胞体ですが、多数の単核単細胞の集団と見ることもできます。同質な細胞からなる集団が、集団レベルでは思いもよらぬ機能性を発揮しているのです。生物システムでは、多様な集団、例えば、蟻や魚や鳥の群れ、歩行者の流れ、脳内の神経細胞集団など、があります。集団挙動として初めて表れる機能性は、「創発」現象として複雑系科学の中心テーマになっています。複雑系科学の進展に伴い、実体の違いを超えて通底する基本数理構造があるのではないかと言われています。生物に特有の「適応性」をキーワードにして、創発現象を統一的に捉える試みを続けています。

身体、運動、知

生物システムの「運動」は、情報処理のアウトプットであり、環境へのはたらきかけです。脳に代表される生物の情報処理システムはすばらしいものですが、現実世界との関わりを持つのは身体であり、身体と情報系の相互作用が興味深い問題としてあります。もとより、進化の歴史を俯瞰してみますと、身体系と情報系は元来不可分のものでした。この観点から、そもそも運動の制御が進化的にどのように発達してきたかを、アメーバ、線虫、ウジ虫、プラナリア、貝、芋虫、ミミズ、ヘビ、ヤスデなど、一連の運動形態の多様性を比較して、メカニクスの観点から捉え直すことを目指しています。

私たちの研究成果は、 NATUREやSCIENCEといった一流の科学雑誌に何度か紹介され、その質の高さが示されています。また、米•独•仏•英•伊など、各国のTV、新聞、雑誌などでもしばしば紹介され、関心の目が向けられました。2008年には裏ノーベル賞とも呼ばれるイグノーベル賞（認知科学賞）を受賞し、また2010年には爆ノーベル賞（NHK番組「爆笑問題の日本の教養」主催）のほか函館市長賞や二度目のイグノーベル賞（交通計画賞）を受賞し、研究のユニークさが強調されました。これらの成果は、多くの科学者の力を借りて、国際的、国内的な共同研究プロジェクトを押し進めてきた賜物です。また、研究テーマの身近さ、なじみやすさから、小学•中学•高校生や市民への科学コミュニケーションの機会も多数頂き、積極的に取り組んで参りました。科学は、知的なエンターテイメントであり、それだけでも人間に喜びをもたらすものだと思っています。多くの方々と、科学のすばらしさを分かち合えることは私たち自身の喜びでもあります。

最近の著作

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（2000年以降）

単行本

中垣俊之、"粘菌ーその驚くべき知性ー"、PHPサイエンスワールド新書、PHP研究所 (2010)

査読付き論文

T. Latty, K. Pamsch, K. Ito, M. Middendorf, T. Nakagaki, M. Beekman: “Construction of seld-organized transportation networks in the polydomous Argentine ant”, Journal of The Royal Society, Interface, doi:10.1098/rsif.2010.0612, (2011)

K. Ueda, S. Takagi, Y. Nishiura, and T. Nakagaki : “Mathematical model for contemplative amoeboid locomotion”, Physical Review E, 83, 021916 (2011)

Y. Tanaka, T. Nakagaki: “Cellular computation realizing intelligence of slime mold Physarum polycephalum”, Journal of Computational and Theoretical Nanoscience, invited review, accepted in May 15, 2010.

K. Ito, D. Sumpter, T. Nakagaki : “Risk management in spatio-temporally varying field by true slime mold”, NOLTA (Nonlinear Theory and Application) journal, IEICE. Vol.1, 26-36 (2010)

U. Takuya, K. Takeda, T. Nakagaki, R. Kobayashi, A. Ishiguro : “A soft-bodied fluid-driven amoeboid robot inspired by plasmodium of true slime mold”, The proceedings of the 2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2010)

梅舘拓也，武田光一，中垣俊之，小林　亮，石黒章夫，真正粘菌変形体から着想を得た自律分散制御方策の実験的検証，計測自動制御学会論文集，46-11, 706-712 (2010)

T. Nakagaki : “Fully decentralized control of a soft-bodied robot inspired by true slime mold”, Biological Cybernetics, 102, 261-269 (2010)

Atsushi Tero, Toshiyuki Nakagaki, Kazutaka Toyabe, Kenji Yumiki and Ryo Kobayashi : "A method inspired by Physarum for solving the Steiner problem", International Journal of Unconventional Computing, 6, 109-123 (2010)

A. Tero, S. Takagi, T. Saigusa, K. Ito, D. P. Bebber, M. D. Fricker, K. Yumiki, R. Kobayashi and T. Nakagaki : “Rules for biologically-inspired adaptive network design”, Science, 327 : 439-442 (2010)

T. Yamamoto, S. Mitsuru, K. Takashi, M. Seiji, M. Yamaguchi, A. Tero, S. Takagi and T. Nakagaki : “Kinetic study of anti-viral ribavirin uptake mediated by hCNT3 and hENT1 in Xenopus laevis oocytes”, Biophysical Chemistry, 147, 59-65 (2010)

T. Umedachi, K. Takeda, T. Nakagaki, R. Kobayashi and A. Ishiguro : “Taming Large Degrees of Freedom -A Case Study with an Amoeboid Robot-”, The proceedings of 2010 IEEE International Conference on Robotics and Automation (2010)

T. Umedachi, T. Kitamura, T. Nakagaki, R. Kobayashi and A. Ishiguro : "A modular robot driven by protoplasmic streaming", DISTRIBUTED AUTONOMOUS ROBOTIC SYSTEMS 8 (Eds. H.Asama et al.), 193-202, Springer (2009)

Mark D. Fricker, Lynne Boddy, Toshiyuki Nakagaki, Daniel Bebber: “Adaptive biological networks” in [Adaptive Networks: Theory, Models and Applications] edited by T. Gross and H. Sayama, 51-70, Springer Verlag (2009)

Atsushi Tero, Tetsu Saigusa and Toshiyuki Nakagaki: "Protoplasmic computing to memorize and recall periodic environmental events", Proceedings of International Workshop on Natural Computing (Springer-verlag ), PICT 1, Springer-verlag : 213-221- (2009)

Toshiyuki Nakagaki, Atsushi Tero, Ryo Kobayashi, Isamu Onishi, Tomoyuki Miyaji: "Computational ability of cells based on cell dynamics and adaptability", New Generation Computing, Ohmsha-Springer, 27(1) : 57-81 (2008)

A. Ishiguro, T. Umedachi, T. Kitamura, T. Nakagaki and R. Kobayashi : "A fully decentralized morphology control of an amoeboid robot by exploiting the law of conservation of protoplasmic mass", Proceedings of IROS WS 2008 (2008)

Atsushi Tero, Kenji Yumiki, Ryo Kobayashi, Tetsu Saigusa, Toshiyuki Nakagaki: " Flow-network adaptation in Physarum amoebae", Theory in Biosciences. Vol. 127, 89-94 (2008)

Hiroyasu Yamada and Toshiyuki Nakagaki : "Flow rate by peristaltic movement in plasmodial tube of Physarum polycephalum", American Institute of Physics Conference Proceedings 1028, Collective dynamics: Topics on Competition and Cooperation in the Biosciences, 210-214 (2008)

Tomoyuki Miyaji, Isao Ohnishi, Atsushi Tero and Toshiyuki Nakagaki "Failure to the shortest path decision of an adaptive transport network with double edges in Plasmodium system", International Journal of Dynamical Systems and Differential Equations, Vol. 1, 210-219 (2008)

Kenji Matsumoto, Seiji Takagi and Toshiyuki Nakagaki : "Locomotive Mechanism of Physarum Plasmodia based on Spatiotemporal Analysis of Protoplasmic Streaming", Biophysical Journal, Vol. 94, 2492-2504 (2008)

Tetsu Saigusa, Atsushi Tero, Toshiyuki Nakagaki and Kuramoto Yoshiki : "Amoebae anticipate periodic events", Physical Review Letters, Vol. 100, 018101 (2008)

Toshiyuki Nakagaki & Robert Guy: "Intelligent behaviors of amoeboid movement based on complex dynamics of soft matter", Soft Matter, Vol. 4, 57-67 (2008)

Tetsu Saigusa, Toshiyuki Nakagaki : "Anticipation of periodic environmental changes in an amoeba.", Noise and Fluctuations American Institute of Physics Conference Proceedings Vol. 922, 655-658 (2007)

Toshiyuki Nakagaki, Makoto Iima, Tetsuo Ueda, Yasumasa Nishiura, Tetsu Saigusa, Atsushi Tero, Ryo Kobayashi and Kenneth Showalter : "Minimum-risk path finding by an adaptive amoebal network", Physical Review Letters, Vol. 99, 068104 (2007)

Hiroyasu Yamada, Toshiyuki Nakagaki, Ruth E. Baker, Philip K. Maini: “Dispersion relation in oscillatory reaction-diffusion systems with self-consistent flow in true slime mold”, Journal of Mathematical Biology, Vol. 54, 745-760 (2007)

Seiji Takagi, Yasumasa Nishiura, Toshiyuki Nakagaki, Tetsuo Ueda, Kei-ichi Ueda: “Indecisive behavior of amoeba crossing an environmental barrier”, Proceedings of Int. Symp. On Topological Aspects of Critical Systems and Networks (World Scientific Publishing Co.), 86-93 (2007)

Toshiyuki Nakagaki, Tetsu Saigusa, Atsushi Tero, Ryo Kobayashi: “Effects of amount of food on path selection in the transport network of an amoeboid organsim”, Proceedings of Int. Symp. On Topological Aspects of Critical Systems and Networks (World Scientific Publishing Co.), 94-100 (2007)

Atsushi Tero, Ryo Kobayashi and Toshiyuki Nakagaki: “Mathematical model for adaptive transport network in path finding by true slime mold”, Journal of Theoretical Biology, Vol. 244, 553-564 (2007)

Ryo Kobayashi, Atsushi Tero and Toshiyuki Nakagaki: “Mathematical model for rhythmic amoeboid movement in the true slime mold”, Journal of Mathematical Biology, Vol.53, 273-286 (2006)

Atsushi Tero, Ryo Kobayashi, Toshiyuki Nakagaki: "Physarum solver – a biologically inspired method for road-network navigation -", Physica A, Vol.363, 115-119 (2006)

Hu Yan, Hatsuki Shiga, Etsuro Ito, Toshiyuki Nakagaki, Seiji Takagi,Tetsuo Ueda, and Kaoru Tsujii,  “Super Water-Repellent Surfaces with Fractal Structures and their Potential Application to Biological Studies”, Colloid. Surf. A, Vol.284-285, 115-119 (2006)

Hisashi Haga, Irahara Chikako, Ryo Kobayashi, Toshiyuki Nakagaki and Kazushige Kawabata: "Collective movement of epithelial cells on a collagen gel substrate", Biophysical Journal, Vol.88 (2005), 1-7.

Atsushi Tero, Ryo Kobayashi and Toshiyuki Nakagaki: "Coupled oscillator model with a conservation law in rhythmic amoeboid movements of plasmodial slime mold", Physica D Vol.205 (2005), 125-135.

Toshiyuki Nakagaki, Ryo Kobayashi, Tetsuo Ueda and Yasumasa Nishiura: "Obtainning multiple separate food sources: Behavioural intelligence in the Physarum plasmodium", Proc. R. Soc. Lond. B, Vol.271(2004), 2305-2310.

Hiroyasu Yamada, Reiko Tanaka and Toshiyuki Nakagaki: "Sequences of symmetry-breaking in phyllotactic transitions", Bulletin Math. Biol., Vol.66 (2004), 779-789.

Toshiyuki Nakagaki, Hiroyasu Yamada and Masahiko Hara: "Smart network solutions in an amoeboid organism", Biophys. Chem., Vol.107 (2004), 1-5.

Hiroyasu Yamada, and Toshiyuki Nakagaki: “Oscillation patterns in cytoplasmic networks of the Physarum plasmodium” Traffic and Granular Flow ’01 (edited by M. Fukui, Y. Sugiyama, M. Schreckenberg, D. E. Wolf) Springer-Verlag, (2003), 563-568.

Toshiyuki Nakagaki: “Smart behavior of true slime mold in labyrinth” Research in Microbiology Vol.152 (2001), 767-770.  [Invited review].

Toshiyuki Nakagaki, Hiroyasu Yamada and A’gota To’th: “Path finding by tube morphologenesis in an amoeboid organism” Biophys. Chem. Vol.92 (2001), 47-52.

Atsuko Takamatsu, Reiko Tanaka, Hiroyasu Yamada, Toshiyuki Nakagaki, Teruo Fujii and Isao Endo: “ Spatio-temporal symmetry in rings of coupled biological oscillators of Physarum Plasmodium” Phys. Rev. Lett. Vol.87 (2001), 0781021-4.

Toshiyuki Nakagaki, Hiroyasu Yamada and A’gota To’th: “Maze-solving by an amoeboid organism” Nature Vol.407 (2000), 470

Toshiyuki Nakagaki, Hiroyasu Yamada and Tetsuo Ueda: “Interaction between cell shape and contraction pattern” Biophys. Chem. Vol.84 (2000), 195-204.

総説、解説など

高木清二、中垣俊之: “真正粘菌による自己組織的な鉄道網設計”, 現代化学、NO. 477, 48-51（2010年12月）

T. Nakagaki : “Foraging behaviors and potential computational ability of problem-solving in an amoeba”, Proceedings in Information and Communications Technology (PICT2) Natural Computing, Proceedings of the 4th Int. Workshop on Natural Computing, Ed. by F. Pepper, H. Umeo, N. Matsui, T. Isokawa, Springer, 42-54 (2010)

中垣俊之: “粘菌の記憶と迷いのエソロジカルダイナミクス” 京都大学数理解析研究所講究録 NO.1704 第６回生物数学の理論とその応用 (2010-8) 165-171.

T. Umedachi, K. Takeda, T. Nakagaki, R. Kobayashi and A. Ishiguro : “Taming Large Degrees of Freedom -A Case Study with an Amoeboid Robot-”, The proceedings of 2010 IEEE International Conference on Robotics and Automation (2010)

T. Umedachi, T. Kitamura, T. Nakagaki, R. Kobayashi and A. Ishiguro : "A modular robot driven by protoplasmic streaming", DISTRIBUTED AUTONOMOUS ROBOTIC SYSTEMS 8 (Eds. H.Asama et al.), 193-202, Springer (2009)

M. D. Fricker, B. Lynne, T. Nakagaki and D. P. Bebber : “Adaptive biological networks”, Adaptive Networks: Theory, Models and Applications [Edited by T. Gross and H. Sayama], Springer : 51-70 (2009)

中垣俊之：“単細胞生物に見る北海道の「開拓者精神」”、月刊クオリティ姉妹誌うおんつ、Vol. 79, 1-20 (2009)

中垣俊之：“かしこい粘菌の話”、朝日小学生新聞、6/6より週一回計８回連載 (2009)

中垣俊之：“「薬学」から粘菌の「迷路解き」へ”、ファルマシア、Vol. 45, 547-552 (2009)

中垣俊之：“イグノーベル賞授賞式顛末記”、Journal of English Teaching UNICORN JOURNAL、NO. 69, 31-33 (2009)

手老 篤史、小林 亮、中垣 俊之 :「アメーバの迷路解きに学ぼう」, 数理科学, NO.535, 7-11, (2008)

手老 篤史、中垣 俊之、小林 亮 : 「アメーバに学ぶ経路探索の方法」, Materials Integration, 20(5) : 55-60 (2007)

小林 亮、手老 篤史、中垣 俊之 : 「粘菌による迷路の解法」, 細胞工学, 26(7) : 769-773 (2007)

中垣 俊之 : 「粘菌の行動に見る賢さ」, 粘菌　ー驚くべき生命力の謎ー　（松本淳解説、伊沢正名写真）誠文堂新光社（東京）: 118-119 (2007)

中垣俊之、手老篤史、小林亮: “粘菌の作る輸送ネットワークのダイナミクス” 第21回生体・生理工学シンポジウム論文集, 97-100 (2006)

手老篤史、小林亮、中垣俊之: “真正粘菌変形体による最適ネットワーク” 京都大学数理解析研究所講究録 NO.1499 (2006) 159-166.

中垣 俊之: 「あるアメーバ様生物の行動に見る賢さ−粘菌変形体のリズム性運動と編目体形−」,科学（岩波書店） 75: (2005) 1393-1395.

Toshiyuki Nakagaki “How does an amoeba tackle some geometrical puzzles?” Proc. SICE Ann. Conf. (2005) 3537-3542.

中垣俊之、山田裕康 “粘菌変形体の形と機能 ” “アメーバの形と機能” [形の科学百科事典（形の科学会編集）] (2004) 253-256 朝倉書店

中垣俊之  “アメーバ様生物が作るコミュニケーションネットワークの形と機能”計測自動制御学会　システム・情報部門学術講演会資料集 (2003)

中垣俊之、小林亮 “真正粘菌変形体の運動とゾルゲル流路ネットワークの生理” 京都大学数理解析研究所講究録NO.1305（2003）1-7

小林亮、中垣俊之 “真正粘菌変形体の運動と形態形成に関する数理モデル” 京都大学数理解析研究所講究録NO.1305（2003）8-14

中垣俊之  “真正粘菌” [かたちの事典（高木隆司編著）] (2003) 386-387, 丸善

中垣俊之 “粘菌の流路ネットワーク形成と細胞リズム” 第17回生体・生理工学シンポジウム論文集(2002), 373－3 76.

中垣俊之 “アメーバ様生物粘菌の行動と計算” 電気学会産業システム情報化研究会資料NO.IIS-02-28（2002）29-32.

中垣俊之 “生物専攻課程に数理生物学を” 数学のたのしみ 30号（2002）43-48

中垣俊之 “To be stationary or oscillatory, that is a question? ” 日本時間生物学会会誌 8（2002）32-37

高松敦子、田中玲子、山田裕康、中垣俊之 “リング状に結合した粘菌振動子系における時空間振動パターン” 第13回自律分散システム・シンポジウム資料 (2001) 411－414

田中玲子、山田裕康、高松敦子、中垣俊之 “結合振動子系の解析－対称系のHopf分岐理論の適用” 第13回自律分散システム・シンポジウム資料(2001) 415－420

山田裕康、中垣俊之、田中玲子、高松敦子 “振動子の結合形態と位相パターン－粘菌ネットワーク形態ダイナミクスの解析をめざして－” 第13回自律分散システム・シンポジウム資料(2001) 421－4 24

中垣俊之、山田裕康 “粘菌の経路探索” 第13回自律分散システム・シンポジウム資料(2001) 425－428

Toshiyuki Nakagaki  “Do single-cell organisms have intelligence? Slime mould, for one, can solve a maze and find food” Times Higher Educational Supplement. No.1479 (2001, March 23) 24

Toshiyuki Nakagaki  “Amoeboid organisms may be much clever than we thought! ” Newsletter of RIKEN Frontier Research System (2001, February) 8-12.

中垣俊之 “迷路を解く単細胞生物” 遺伝 55巻3号(2001) 23-25

中垣俊之 “迷路を解く巨大アメーバ細胞：粘菌” 生物物理 41巻 (2001) 224-226

中垣俊之、山田裕康  “粘菌の収縮リズムと数理モデル” 京都大学数理解析研究所講究録 NO.1167 (2000) 65-68

Toshiyuki Nakagaki & Hiroyasu Yamada  “Rhythmic contraction and its fluctuations in an amoeboid organism of the Physarum plasmodium” [Quantum Information II. (Eds. T. Hida & K. Saito)] (2000) 107-123. World Scientific Publishing Co.

山田裕康、中垣俊之 “粘菌変形体の形態形成と細胞行動” 第12自律分散システム・シンポジウム資料（2000）303－306

翻訳書

中垣俊之監訳：[キーナー／スネイド著　数理生理学　上巻　細胞生理学] (2005) 日本評論社 1-408.

中垣俊之監訳：[キーナー／スネイド著　数理生理学　下巻　システム生理学] (2005) 日本評論社 1-419.

田中玲子、山田裕康、高松敦子、中垣俊之　訳 [ゴルビツキー／スチュワート　対称性の破れとパターン形成の数理] (2003) 丸善 1-562.