著者
下澤 楯夫
出版者
日本比較生理生化学会
雑誌
比較生理生化学 (ISSN:09163786)
巻号頁・発行日
vol.33, no.3, pp.98-107, 2016-09-29 (Released:2016-10-17)
参考文献数
28

生物の生きる仕組みの動作原理をヒトの技術へ転化するバイオミメティクスを紹介する。生物の機能の全ては,特定の構造に裏付けられている。生きる仕組みの理解を目指す生理学では,「構造の無い機能は幽霊,機能の無い構造は死体」である。生物は全ての機能的(適応的)構造を,極ありふれた元素のみから作る。コガネムシが金の原子を1個も使わずに常温常圧で金色の鞘翅を作り上げる能力は,技術と呼ぶにふさわしい。ガルバーニが,金属との接触でカエルの筋肉が攣縮する仕組みを追い求めたことが,電池の発明を惹き起こして世界を一変させた。パソコンでクリックした際に動作するシュミットトリガー回路は,イカの巨大神経軸索のパルス発生機構に由来し,現実の世界経済を支えている。サカナの眼のレンズは単に球形なのではなく,中心部の屈折率が高い屈折率分布レンズで,球面収差が補正されている。生理学ではマーティセン比として知られるこの結像原理の二次元版が光ファイバであり,現在の光通信を支えている。物理学が人間の英知で解き明かし制定したかのように言い触らしている法則の多くは,生物が既に十分に使いこなして物作り技術にまで高めていた自然の性質の1億年遅れの再発見に過ぎない。
著者
下澤 楯夫 青沼 仁志 西野 浩史
巻号頁・発行日
2003 (Released:2003-04-01)

神経系はなぜ多数の繊維からなる束なのか?多細胞生物としての当然の帰結なのか?これらの疑問は、つまるところ、神経系は進化の上での如何なる淘汰圧への適応の産物なのか、またその適応にはいかなる拘束条件が付きまとったのか、を問うことである。情報の生成(観測)にはエネルギー散逸が避けられず、感覚細胞における情報のエネルギーコストは統計熱力学上の理論限界である0.7K_BT[Joule/bit]に近い。本研究は、細胞の熱雑音感受性は進化を通して達成した適応ではなく、生命の起源に遡る拘束であることを明らかにし、資源や危害が時間的空間的に偏在する生存環境は情報伝送(観測)速度増大の淘汰圧として働くこと、それに対する唯一の適応方策は神経細胞の並列化であること、を次のように明らかにした。1)気流感覚毛で、揺動散逸定理に従ったブラウン運動を観察できることを光学計測によって示した。コオロギ尾葉上の近傍にある二つの気流感覚毛のブラウン運動の無相関性の計測は達成できなかった。2)気流感覚毛のブラウン運動と感覚細胞の電気的応答の相関(コヒーレンス)の実証には至らなかった。3)神経細胞は熱雑音領域で動作しており、情報伝送素子としての信号対雑音比が極めて低いことを、実証した。4)計測と平行して、信号対雑音比の極めて低い神経細胞のパルス列からでも、介在神経へのシナプス加重によって信号を再構成できることを理論的に示した。確率統計学や情報理論で、標本の平均値が母集団の真の平均値から外れる確率が標本数の平方根に反比例して少なくなる「加算平均原理」に着目し、熱雑音に拘束された細胞でも多数による加算平均によって、熱雑音以下の信号の検出精度が向上することを示した。もちろん「束」の前提として多細胞化は必要であるが、多細胞化の直接的生存価自体も、「加算平均原理」で説明できることを示した
著者
下澤 楯夫
出版者
日本比較生理生化学会
雑誌
比較生理生化学 (ISSN:09163786)
巻号頁・発行日
vol.23, no.3, pp.153-164, 2006-08-20 (Released:2007-10-05)
参考文献数
19

Part 6. Entropy cost of information in living neuron is estimated to be very close to the thermodynamic limit at 0.7kB per bit of information. Parallel transmission and principle of summation average with stochastic sampling is explained as the essential way of adaptation under the inevitable thermal noise. Theoretical arguments on Maxwell's demon and the negative entropy principle of information or the irreversibility of measurement are explained. Origin of life and the evolution of life are discussed from the information theoretic standpoint, in reference to the actual values of rate of information and the energy threshold of living cell.
著者
村上 準 下澤 楯夫 馬場 欣哉
出版者
一般社団法人電子情報通信学会
雑誌
電子情報通信学会技術研究報告. MBE, MEとバイオサイバネティックス
巻号頁・発行日
vol.96, no.113, pp.25-32, 1996-06-20
被引用文献数
6

Stochastic Resonance (SR)とは、通常は検出できない雑音に埋れた弱い周期信号を、非線形な素子を用いることで、むしろ雑音の助けを借りて検出する現象である。神経学の分野でもF.Moss等によって、ザリガニの水流感覚器に小さな周期信号とともに閾値に近い大きい雑音を人工的に加えて、SRの起こることが報告されている。実際の感覚神経が小さな周期信号を検出するとき、外部にこのように大きな雑音が共存するとは限らない。今回私達は、コオロギの気流感覚器では感覚神経細胞内部に雑音源を持ち、内部雑音のみで外部の周期信号とSRを起こして、検出感度を高めていることを、Hodgkin-Huxley方程式を用いたシミュレーションとともに示す。
著者
下澤 楯夫
出版者
日本比較生理生化学会
雑誌
比較生理生化学 (ISSN:09163786)
巻号頁・発行日
vol.23, no.2, pp.38-43, 2006-04-20 (Released:2007-10-05)
参考文献数
14

Part 5. Actual measurement of the rate of information transmitted along cricket wind sensory neurons is shown. Input-output coherence is measured for the practical calculation of neuronal information, instead of signal-to-noise ratio. The measurement reveals that the sensory neuron can transmit information at the rate of 400 bit per second at its maximum. Energy threshold of the sensory neuron is determined to be at the order of kBT. Based on these measurements, entropy cost of information in living neuron is also estimated to be very close to the thermo dynamic limit of 0.7kB per bit of information.
著者
下澤 楯夫
出版者
一般社団法人 日本生体医工学会
雑誌
BME (ISSN:09137556)
巻号頁・発行日
vol.10, no.11, pp.29-37, 1996-11-10 (Released:2011-09-21)
参考文献数
29
著者
下澤 楯夫 西野 浩史 馬場 欣也 水波 誠 青沼 仁志
出版者
北海道大学
雑誌
基盤研究(B)
巻号頁・発行日
2000 (Released:2000-04-01)

機械受容は、動物と外界との相互作用の「基本要素」であり、機械刺激の受容機構を抜きにして動物の進化・適応は語れない。従来、機械受容は「膜の張力によるイオンチャネルの開閉」といった「マクロで単純すぎる」図式でとらえられて来た。また、機械感覚の超高感度性の例として、ヒトやクサカゲロウの聴覚閾値での鼓膜の変位量が0.1オングストローム、つまり水素原子の直径の1/10に過ぎないことも、数多く示されてきた。しかし、変位で機械感度を議論するのは明らかに誤っている。感覚細胞は外界のエネルギーを情報エントロピーに変換する観測器であり、その性能はエネルギー感度で表現すべきである。エネルギーの授受無しの観測は「Maxwellの魔物」で代表される統計熱力学上の矛盾に行き着くから、いかなる感覚細胞も応答に際し刺激からエネルギーを受け取っている。コオロギの気流感覚細胞は、単一分子の常温における熱搖動ブラウン運動)エネルギーkBT(300°Kで4×10^<-21>[Joule])と同程度の刺激に反応してしまう。機械エネルギーが感覚細胞の反応に変換される仕組み、特にその初期過程は全く解明されていない。この未知の細胞機構を解明するため、ブラウン運動に近いレベルの微弱な機械刺激を気流感覚毛に与えたときの感覚細胞の膜電流応答の計測に、真正面から取り組んだ。長さ約1000μmのコオロギ気流感覚毛を根元から100μmで切断し、ピエゾ素子に取付けた電極を被せてナノメートル領域で動かし、気流感覚細胞の膜電流応答を計測した。長さ1000μmの気流感覚毛の先端は、ブラウン運動によって約14nm揺らいでいることは計測済みである。先端を切除した気流感覚毛を10-100nmの範囲で動かしたときの膜電流応答のエネルギーを計測し、刺激入力として与えた機械エネルギーと比べたところ、すでに10^6倍ほどのエネルギー増幅を受けていた。従って、機械受容器の初期過程は細胞膜にあるイオンチャンネルの開閉以前の分子機構にあることが明らかとなった。
著者
渡部 忠洋 下澤 楯夫
出版者
一般社団法人電子情報通信学会
雑誌
電子情報通信学会技術研究報告. MBE, MEとバイオサイバネティックス (ISSN:09135685)
巻号頁・発行日
vol.101, no.733, pp.115-120, 2002-03-11
被引用文献数
1

コオロギの気流感覚毛の慣性モーメントI、感覚毛を支えるバネの強さS、感覚毛を支える基部の内部抵抗Rと気流・感覚毛間の摩擦抵抗Dの和(R+D)といった機械要素の値を、毛のブラウン運動(熱揺動)を光学計測しそのパワースペクトルより求めた。その結果、これらの機械要素の値は風刺激により感覚毛を大きく揺動させてレーザードップラー速度計で角変位を計測して得られた値とほぼ一致した。感覚毛基部の内部抵抗Rと気流・感覚毛間の摩擦抵抗Dの値はほぼ等しくなっており、インピーダンス整合がおこなわれ、感覚毛の基部にある細胞に気流の持つエネルギーが最も効率良く供給されるような機械設計になっていることが解かった。
著者
下澤 楯夫
出版者
日本比較生理生化学会
雑誌
比較生理生化学 (ISSN:09163786)
巻号頁・発行日
vol.23, no.1, pp.32-36, 2006-01-30 (Released:2007-10-05)
参考文献数
3

Part 4. Rate of information transmission through a noisy channel and other related concepts are formulated as an extension of Shannonian information theory introduced in Part 3. Ergodicity of stochastic process and Gaussian probability distribution are also explained. Auto- and Cross-correlation functions and convolution integral are introduced with their Fourier transforms for elimination of effect of noise in system identification.
著者
村上 準 熊谷 恒子 下澤 楯夫
出版者
一般社団法人電子情報通信学会
雑誌
電子情報通信学会技術研究報告. MBE, MEとバイオサイバネティックス
巻号頁・発行日
vol.97, no.621, pp.43-50, 1998-03-19
被引用文献数
3

感覚細胞のような閾値を持った変換器では、本来なら検出できない閾値以下の大きさの信号でも、信号が周期性を持てば閾値と同程度の大きさの雑音の助けを借りて検出が可能になる、Stochastic Resonance(SR)と呼ばれる現象がおこる。コオロギの気流感覚細胞でも、閾値以下の正弦波刺激とともに外部雑音を与えると、神経パルス列に正弦波信号の周波数のスペクトル強度が増すSRが起こる。本報告では、閾値付近の微弱な正弦波刺激に対する2つの感覚神経細胞の神経パルス出力を同時記録し、その発火時刻のゆらぎの細胞間での相関を調べた。その結果、感覚細胞はそれぞれ内部に互いに独立な雑音源を持ち、そのエネルギーレベルは常温の熱雑音レベルに近いことが判明した。