ポイント
- ① 精子は精细管注1の中で波状に作られ、その波の向きは途中で変わるが、その仕组みは不明だった
- ② 数理モデルと大规模なシミュレーションにより、発达时の精细管の伸びが波の向きを自然に决める可能性を示した
- ③ 男性生殖机能の基础理解と応用研究にも期待
概要
哺乳类の精子は、精巣の中にある精细管で作られます。マウスでは、精子のもととなる细胞の成熟段阶が管に沿って并び、波状に精子が管の両端から内侧に进むことが知られていました。そのため、必ずどこかで波の向きが切り替わります。しかし、波の向きが途中で切り替わる场所がどのように生じるのか、また、なぜ両端から内向きに进むのかは分かっておらず、その仕组みの解明が求められていました。
今回、本研究グループは、この精子形成注2の波の向きの切り替わりが、数理モデルの中で安定して生じることを示すとともに、発达时の管の伸びが向きを内向きに揃える可能性を解明しました。
明治大学総合数理学部の関坂歩干助教、小川知之教授、九州大学大学院医学研究院の杉原圭助教、叁浦岳教授の研究グループは、マウス精细管における精子形成の波の作られ方を表す反応拡散モデル注3を改良し、大规模な计算机シミュレーション注4を行いました。その结果、波の向きが途中で切り替わるパターン自体は生体に近い条件で高频度に现れる一方、両端から内向きに进むという特徴は、精细管が発达时に伸长する条件を加えたときに最もよく説明できることを明らかにしました。さらに、长い精细管ほどこのような复雑な波パターンが现れやすく、局所的に生じた一方向の波が基本単位となって全体の构造を形成する可能性を提案しました。
今回の成果は、精子形成がどのように时空间的な秩序を保って起こるのかを理解する手がかりとなるものです。今后、精细管の成长过程や波の実际の动きを详しく计测することで、男性生殖机能の基础理解や、精子形成异常の仕组みの解明につながることが期待されます。
本研究成果は国际学术誌『Mathematical Biosciences』に2026年3月26日（木）に掲载されました。
今回、本研究グループは、この精子形成注2の波の向きの切り替わりが、数理モデルの中で安定して生じることを示すとともに、発达时の管の伸びが向きを内向きに揃える可能性を解明しました。
明治大学総合数理学部の関坂歩干助教、小川知之教授、九州大学大学院医学研究院の杉原圭助教、叁浦岳教授の研究グループは、マウス精细管における精子形成の波の作られ方を表す反応拡散モデル注3を改良し、大规模な计算机シミュレーション注4を行いました。その结果、波の向きが途中で切り替わるパターン自体は生体に近い条件で高频度に现れる一方、両端から内向きに进むという特徴は、精细管が発达时に伸长する条件を加えたときに最もよく説明できることを明らかにしました。さらに、长い精细管ほどこのような复雑な波パターンが现れやすく、局所的に生じた一方向の波が基本単位となって全体の构造を形成する可能性を提案しました。
今回の成果は、精子形成がどのように时空间的な秩序を保って起こるのかを理解する手がかりとなるものです。今后、精细管の成长过程や波の実际の动きを详しく计测することで、男性生殖机能の基础理解や、精子形成异常の仕组みの解明につながることが期待されます。
本研究成果は国际学术誌『Mathematical Biosciences』に2026年3月26日（木）に掲载されました。
精子形成の波の向きとその成り立ち
マウスで见られる精子形成の波の向きが精细管の伸びによって决まる可能性を示す模式図。
研究者からひとこと
波ができる管の伸長という変化そのものが、その波の向きまで決めてしまう可能性があるという結果は、予想外の結果でした。生物の詳しい分子メカニズムが分かっていない現象でも、数理モデリングによってその原理に迫れることは大きな魅力だと感じています。また、この現象が数学的になぜ現れるのかも興味深いです。（杉原 圭）
研究の背景と経纬
精子は、精巣内の「精细管」と呼ばれる细い管の中で作られます。マウスでは、精子になる细胞の成熟段阶が精细管に沿って一定の顺序で并ぶことで、精子形成は波が进むように起こることが知られています。さらに、その波は精细管の両端から内侧へ向かって进むため、途中には必ず波の向きが切り替わる场所（反転点）が生じます。こうした切り替わりは复数见つかることもあります。
しかし、この切り替わりがどのように生まれるのか、また、なぜ波が両端から内向きに进むのかは分かっていませんでした。
本研究グループはこれまでに、精细管で见られる波のヒトとマウスでの违いを再现する反応拡散モデルを提案していました。そこで本研究では、このモデルをマウスの実际の精细管の长さや精子形成の波の周期に近づけて改良し、波の切り替わりがどのような条件で生じるのか、また、その向きの偏りを生む仕组みが何かを详しく调べました。
しかし、この切り替わりがどのように生まれるのか、また、なぜ波が両端から内向きに进むのかは分かっていませんでした。
本研究グループはこれまでに、精细管で见られる波のヒトとマウスでの违いを再现する反応拡散モデルを提案していました。そこで本研究では、このモデルをマウスの実际の精细管の长さや精子形成の波の周期に近づけて改良し、波の切り替わりがどのような条件で生じるのか、また、その向きの偏りを生む仕组みが何かを详しく调べました。
研究の内容と成果
本研究グループは、改良した数理モデルを用いて大规模な计算机シミュレーションを行いました。
その结果、まず、実际のマウスの精细管に近い条件でも、波の向きが途中で切り替わるパターンが高频度で生じることが分かりました。これは、反転部位が特别な例外ではなく、モデルの中で自然に生まれうることを示しています。
一方で、実际のマウスで见られる「両端から内向きに进む」という特徴は、このモデルだけでは十分に説明できませんでした。そこで、発达に伴う精细管の伸び、管内の流れ、管の太さの変化、両端付近での特殊な制御といった复数の要因を比较したところ、発生期の精细管の伸び、中でも両端の部分での盛んな成长が、内向きに进むという特徴を一番よく説明できることが分かりました。
さらに、精细管が长いほど向きの切り替わりを含む复雑なパターンが生じやすく、こうしたパターンは长期间保たれることも示されました。加えて、波が同じ向きに进む区间の长さには一定の统计的な规则があり、短すぎる区间は安定に存在しにくいことから、狭い领域で生じた波どうしの向きが相互に影响し合うことで、全体の向きの切り替わりが形づくられる可能性を示しました。
その结果、まず、実际のマウスの精细管に近い条件でも、波の向きが途中で切り替わるパターンが高频度で生じることが分かりました。これは、反転部位が特别な例外ではなく、モデルの中で自然に生まれうることを示しています。
一方で、実际のマウスで见られる「両端から内向きに进む」という特徴は、このモデルだけでは十分に説明できませんでした。そこで、発达に伴う精细管の伸び、管内の流れ、管の太さの変化、両端付近での特殊な制御といった复数の要因を比较したところ、発生期の精细管の伸び、中でも両端の部分での盛んな成长が、内向きに进むという特徴を一番よく説明できることが分かりました。
さらに、精细管が长いほど向きの切り替わりを含む复雑なパターンが生じやすく、こうしたパターンは长期间保たれることも示されました。加えて、波が同じ向きに进む区间の长さには一定の统计的な规则があり、短すぎる区间は安定に存在しにくいことから、狭い领域で生じた波どうしの向きが相互に影响し合うことで、全体の向きの切り替わりが形づくられる可能性を示しました。
今后の展开
本研究の成果を足がかりにして、精细管の成长の様子や细胞増殖の空间分布を生物试料を用いて详しく调べることで、波の方向性を决めている実体が明らかになることが期待されます。また、空间オミクス解析注5やライブイメージング技术注6といった近年进展してきた技术を组み合わせることにより、精子形成の时空间制御机构をより详细に理解できる可能性があります。
本研究で得られた知见は、生殖机能の理解や男性不妊研究に贡献するだけでなく、発生生物学や生体パターン形成注7の一般原理の解明にもつながると期待されます。
本研究で得られた知见は、生殖机能の理解や男性不妊研究に贡献するだけでなく、発生生物学や生体パターン形成注7の一般原理の解明にもつながると期待されます。
参考図
図1 マウス精细管で见られる「波」の模式図
（左）精巣の模式図。精巣には複数の精細管があり、精巣網 (赤) につながる。
（右）精细管の両端から内侧へ向かって、精子形成は波のように进む。
その结果、管の途中には、波の进行方向が切り替わる地点が生じる。
図2 数理モデルで再现された波の向きの切り替わり
（左）精细管の伸长の模式図。特に端付近で伸びる场合を示す。
（右）改良した数理モデルでは、管が伸びる场合、
両端で波が内向きに进みやすくなり、実际の観察结果を説明しやすくなる。
用语解説
- 注1 精细管：精巣の中で精子が作られる管状构造。
- 注2 精子形成：精子のもとになる细胞が分裂?分化を繰り返し、成熟した精子になるまでの过程。
- 注3 反応拡散モデル：物质や状态が、その场での相互作用（反応）と空间的な広がり（拡散）によって、时间とともにどのようなパターンを作るかを表す数理モデル。生物の模様や周期的な现象の解析によく用いられる。
- 注4 シミュレーション：コンピューター上で现象を再现?解析する手法。実験だけでは调べにくい条件の违いや长期的な変化を検讨できる。
- 注5 空间オミクス解析：遗伝子やタンパク质などの情报を、组织のどこに存在するかという位置情报とあわせて调べる解析技术。细胞の働きの空间的な违いを详しく调べられる。
- 注6 ライブイメージング技术：生きた细胞や组织を、时间を追って観察する技术。発生や细胞の动きなど、动的な変化を直接见ることができる。
- 注7 パターン形成：生体の中で、细胞や组织が一定の规则に従って配置や构造を作る现象。
谢辞
本研究はJSPS科研費 （JP24H01484, JP21K13839）の助成を受けたものです。
论文情报
掲载誌
Mathematical Biosciences
タイトル
Segmented wavetrains and sites of reversal in the mouse seminiferous tubules
着者名
Kei Sugihara, Ayuki Sekisaka, Toshiyuki Ogawa, Takashi Miura
DOI
お问合せ先
研究に関すること
九州大学 大学院医学研究院 系统解剖学分野 助教 杉原 圭（スギハラ ケイ）
罢贰尝：092-642-6049
贵础齿：092-647-6923
惭补颈濒：蝉耻驳颈丑补谤补.办别颈.134蔼尘.办测耻蝉丑耻-耻.补肠.箩辫
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报道に関すること
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