Research 生体医工学研究センター
about
ストレスを可視化し、ストレスをマネージ。
高齢化社会を支えるヘルスサポートシステムの構築を目指しています。
概要
- 生体医工学研究センターとは
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深刻な社会問題「熱中症対策」へ東洋大学の英知を結集してアプローチする
本生体医工学研究センターは、2010年私立大学戦略基盤研究に採択され、5か年計画で始まった脳科学研究を基盤とした「ストレスの可視化研究」がスタートとなっています。このストレス可視化応答の研究成果を継続し発展させるため、2016年から「暑熱ストレス」に焦点をあて研究プロジェクトを始めました。新体制となった生体医工学研究センターは、この重大かつ緊急な暑熱問題に対して、分子生物学、細胞生物学、動物生理学、脳神経科学、循環生理学、熱流体工学、人間工学そして食品科学を専門とする研究者の英知を結集し、科学的な根拠に基づく暑熱ストレスコーピング研究を実施します。
- 設置目的
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地球規模の温暖化やヒートアイランド現象等による持続的な暑熱ストレス負荷が原因で発症する“熱中症”は、2010年頃から急激に増加し、関東圏のみならず日本国内各地で深刻な社会問題となっています。さらに2020年の夏に開催される東京オリンピック／パラリンピックの選手・関係者および観戦客の猛暑対策も、重要な国家課題として議論されています。
2016年度より新体制となった生体医工学研究センターは、この重大かつ緊急な暑熱問題に対して、分子生物学、細胞生物学、動物生理学、脳神経科学、循環生理学、熱流体工学、人間工学そして食品科学を専門とする研究者の英知を結集し、科学的な根拠に基づく暑熱ストレスコーピング研究を実施します。
本研究センターでは、生体が受ける暑熱ストレスを遺伝子・細胞レベルから動物・人間の個体まで多階層的に解析し、その研究成果を熱中症等の予知・検知する低侵襲性診断機器や熱中症予防のための栄養成分を含む飲料水等の開発を産官学連携、地域貢献そして国際連携で実施し、社会に貢献していきます。
- 実験・研究環境
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脳機能解析環境
ヒトの脳機能を解析するため、脳波測定装置と光トポグラフィーを中心にベッドサイドモニター等を備えています。
呼吸の状態や血圧変動等を計測しながら脳活動の変化が計測できます。
生活実験環境／ストレス試験環境
センターでは日常生活や睡眠を行う実験環境も整えています。
この施設ではマルチテレメーターシステムを用いて心電図、呼吸、筋電図、脳波等の生体情報を長時間計測可能です。また、モニターを別の建物から行う事も可能です。
ストレス試験環境では、起立ストレス等の様々なストレスを負荷した際の身体反応を開発した装置と標準法である従来の複数の装置を用いて計測し、開発した装置の性能評価を行っています。
生活実験環境では、日常生活におけるストレスマネージメントが可能か、検証を行います。
被験者が開発した装置を装着した状態で生活して睡眠や入浴などを行い、これまで測定できなかった長時間お身体反応を計測し可視化します。
基盤的生命科学研究環境
フローサイトメーターをはじめとして、DNAシーケンサー、共焦点レーザー顕微鏡、リアルタイムPCR、マルチモードマイクロプレートレーダー等、様々な計測装置を備えた解析環境です。
暑熱ストレスが及ぼす生体応答反応を脳神経科学、循環内分泌学、遺伝子細胞生物学の観点から総合的にまとめあげます。
ストレスの可視化システム開発環境
ミストサウナ装置および温熱治療装置を備えた暑熱ストレス負荷実験環境です。
ストレス負荷時における体液中バイオマーカー上昇のヒト介入試験の実施とデータ解析を行い、実用化検討を行います。
- 概要
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ストレスによる生体調節計の破綻を防ぎ身体の恒常性の維持を念頭に「医工学」「脳科学」「免疫学」の観点から研究を進めていきます。
ストレスマネージメントのための新しいコンセプトによる測定法、可視化手法及び装置の開発を行いバイオフィードバックシステムに代表される総合的ストレスマネージメントプログラムの開発を行います。
バイオフィードバックシステムは、「脳」「自律神経系」「内分泌系」「免疫系」のそれぞれの活動を可視化し、その情報をシステムの利用者に伝え健康維持に役立てていくシステムです。システム開発のために、脳科学の観点から局所脳ヘモグロビン濃度の揺らぎ解析手法の確立及びストレス時における脳機能変化の解明を目指します。免疫学的な観点から抗体エンジニアリングによる、免疫機能バイオマーカーの開発を進めます。
- 暑熱ストレスコーピングのシームレスな多階層的研究
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生体が受ける暑熱ストレスを遺伝子・細胞レベルから動物・人間の固体まで多階層的に解析し、診断機器・食品開発等の『ものづくり』の実用化研究を通じて、熱中症等の予知・検知、対応策として社会への貢献をめざします。
これまでの生体ストレス応答の可視化プロジェクトを基盤として、学際融合的に生命科学、医科学、理工学、食品化学を駆使し、更に環境化学的アプローチを加えて、イノベーティブな研究をめざしています。
基礎生命科学研究
様々な飼育環境の構築や多様な行動実験を行うことができ、動物の行動観察・記録・解析が総合的にできる環境の構築、細胞の酷暑ストレス下によるタンパク質プロファイル作成、暑熱バイオマーカー候補の探索、暑熱ストレス応答遺伝子候補の解析など、研究基盤整備を行った後、暑熱バイオマーカーの測定系の確立、動物モデルによる暑熱ストレス応答の解析、暑熱バイオマーカー測定と熱中症予防成分の予防効果のヒト介入試験を行います。
ケアマネージメント研究
暑熱ストレス暴露による血管機能を非踏襲的に測定し血管機能評価系を作成します。高齢者を対象とした暑熱ストレスの運動機能低下の定量化に向けて書字行動解析技術を確立、メンタルヘルス不調の予兆把握技術・診断法の確立、暑熱ストレス感受性遺伝子測定システムの構築など、暑熱ストレスを非侵襲で可視化できるシステムを構築します。
暑熱ストレスによる生理学的変調の解析と熱中症予防候補成分のコーピング効果の検討を行った後、暑熱ストレスとメンタルヘルスのヒト介入試験を実施します。
ストレス可視化研究
光トポグラフィーを用いて脳背景活動の可視化技術を確立します。ストレスによるヒトの認知機能の変動の可視化・定量化、生体モデルを用いた体表面からの熱発生と流れの可視化を行います。また、前頭部の血流変化を解析し暑熱ストレスに特徴的な生体信号を探索します。
これらの実験研究の後、暑熱ストレス評価装置のヒト介入試験を行います。
- ストレスの可視化
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脳科学的なアプローチからストレスの可視化を目指しています。様々なストレスに対する身体の反応は血圧上昇、心拍数上昇、体温上昇など、運動による起こる反応と同様の反応を示します。ラットによる実験では脳内の神経ネットワークは、精神的ストレスと運動では異なる事が確認されています。脳科学的によるアプローチでは、ラットによる研究と平行してヒトにおいても脳活動の違いからストレスの分類と可視化を行います。
120チャンネル光トポグラフィ、脳波測定装置を中心に脳機能解析環境を構築。視覚刺激や音刺激など、様々なストレスによる脳活動変化を局所脳ヘモグロビン濃度測定により解析を行っています。局所脳ヘモグロビン濃度は、脳活動部位で上昇すると言われており、この濃度変化を測定する事で脳の活性部位が特定できます。
また、海外の研究機関と共同でラットにおけるストレス負荷時の脳内神経活動をマッピングし神経経路の可視化を試みています。
- バイオフィードバック装置の開発
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医工学からのアプローチとして、ストレスにより生じる生体反応を捉え、計測する装置の開発を行っています。起立ストレスや温熱ストレス、精神性のストレス等によってヒトの循環動態は変化します。この変化は血圧、心拍数、体温、呼吸、血流、神経活動など多岐にわたります。これらの変化を非侵襲的に計測できる装置の開発に取り組んでいます。
ストレス状態を被験者に表示し、認識させることが、自己調節能力を高める最初の一歩だと考え、バイオフィードバック装置による総合的ストレスマネージメントシステムの構築を目指しています。
- 目的
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「バイオミメティクス」は、生物が進化の過程で獲得した分子・構造・機能・生産・物質循環・情報処理をお手本として、それらを科学、工学、医学などに生かす概念である。第１期目の成果を継承する形で、第２期目も、①生物の構造や形に着想した高機能なものづくり、②生物の有する持続可能な生産方法に倣ったものづくり、③生物がおこなう情報プロセシングの活用、に取り組み、SDGsの17の目標のうち、3．すべての人に健康と福祉を、8．働きがいも経済成長も、9．産業と技術革新の基盤をつくろう、11．住み続けられるまちづくりを、12．つくる責任つかう責任、の達成に貢献する。加えて、文理融合研究として、③初等～高等教育へのバイオミメティクスの普及と、④井上円了哲学からみたバイオミメティクスの価値の探究をおこない、「いのち総合研究機構」の一翼を担いつつ、本学における「未来を哲学する東洋大学」「命と食が輝くスマートキャンパス」のコンセプトを支える主力ブランドの一つとしてのバイオミメティクスという立場を確立する。
- 概要
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① 生物の持つ構造や形に着想した高機能なものづくり：自然の中で生み出され、融合する生物の形態に着目し、学術的に裏付けられたスポーツギアを開発し事業化する。既存の建築ストック等の耐震化・再利用を目指すなかで、生物の構造に着想を得た歴史的建築物の耐震化を研究する。生物の光フィルターに倣う医用計測器の開発をおこなう。生物の濡れ戦略に倣った医工学に有用なものづくり研究に関しても取り組む。
② 生物の有する持続可能な生産方法に倣ったものづくり：炭素・水素・酸素・リン・窒素・硫黄などの汎用性元素のみで構成される導電性有機材料を基にしたバイオフレンドリーなエレクトロニクスの創製、生物の仕組みに着想を得た医療機器の開発をおこない、低環境負荷型・物質循環型のものづくりへの代替を促す。
③ 生物が利用する情報プロセシングを活用したものづくり：生物の視覚・嗅覚機構とその情報処理に倣った高度情報プロセシングの開発や、細胞間コミュニケーションに倣った新しい免疫調整システムの構築、および生物界における共存共生システムの活用を目指す。そこから得られる大規模な素データをAI技術で解析し、生物に倣ったバイオ情報学に基づく新しい健康支援システムを提唱する。
④ 初等～高等教育へのバイオミメティクスの普及：バイオミメティクスは、今後さらに社会の様々な分野に影響を与えうる根源的概念である。そこで、学校教育のなかにもこの考え方を断片的ではなくしっかり位置付けていく。学ぶとは「まねぶ」が語源とも言われる通り、しなやかにたくましくこれからの時代を生き抜く若い世代に、生物のしたたかさや生き残り戦略から学ぶこと、まねぶことを学習指導要領や教科書、カリキュラムの改訂を通して位置づけ、伝えていくことを目指す。
⑤ 井上円了哲学からみたバイオミメティクスの価値の探究：井上円了哲学を基盤とした文理融合研究として、多様な生物の命に関わるバイオミメティクス概念の哲学的な検討をおこない、森羅万象を複数のパースペクティブから捉える「総合の大観」という方法論、すなわち人間だけでなくあらゆる無機物・有機物(＝いのち)が相互に依存し合って生きているという「相含」の思想を発展させ、母なる自然に内包されている価値の再評価をおこなうことで、サステナビリティを積極的に内包する共生社会システムの在り方の変化を検討する。
- 目的
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本研究では、生育多様性に関する生命科学研究で得られた知見を文理融合によって社会還元することを目標に掲げています。
ジェンダー問題、障がい者問題、ストレス障害や精神疾患、認知症の問題などによって生ずる様々な多様性に関する問題を解消することは極めて難しいことです。これらの問題の背景にある生物学的基盤解明を目指した研究が行われていますが、それらの研究成果を社会に還元していくための方法論は限定的で、今後生物学的多様性（biodiversity）の研究については生命科学系と人文系・社会学系との連携による学際的、総合的なアプローチが必要です。 そこで、本研究では、社会への還元の内容別にいくつかの研究チームを編成し、生命科学研究と保育、教育、療育の等の現場をつなぐ活動を展開します。
誰もが well-beingな生活を送れる社会の実現に向けた支援体制を構築することを目標に掲げた本研究は、SDGs の17項目のうち、 3「全ての人に健康と福祉を」、4「全ての人に質の高い教育を」、5「ジェンダー平等を実現しよう」の達成に貢献します。 - 概要
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生命科学分野では、性分化および性差を決定するメカニズム研究、ならびにモデル動物等を用いた神経精神疾患の脳内メカニズムに関する研究を推進し、保育、教育、療育の各現場で活用できる知見を集約します。また、人文・社会学分野では、学生の食事に関する実態調査、保育所など児童施設における保育者の技術に関する実態調査、特別支援等の自立活動に関する実態調査を実施し、上記の生命科学分野の研究との接点を探ります。
具体的には以下の5つの研究チームを編成し、生命科学分野の研究成果を保育、療育、教育現場で実践に応用していくための活動を行います。
〈チーム 1〉科学的根拠に基づく情報発信
- 保育者や教育者等、子どもの保育・教育に携わる職業従事者に対する情報発信のフィールドを開拓し、適切な情報を提供する。
- 発達障害、メンタルヘルス不調、認知症等を扱う医療従事者に対して適切な情報を提供する。
- 多様性の尊重やジェンダー平等に関する知見を社会一般へ発信するツールを開発し、有用かつ質の高い情報を提供する。
〈チーム 2〉生命科学と保育・子育て支援の現場との連携
- 生命科学研究によって得られた成果を、保育・子育て支援および母子保健の現場で活用するためのツールの開発を検討する。特に生命科学の基礎研究により有効性の証明された自閉症スペクトラム障がい児への超早期介入や感覚異常に対する支援機器等の開発を実践する。
- 保育・子育て支援の現場や、保育士、保健師等、乳幼児保育に関わる職業従事者への研修を企画・立案し、多様性を前提とした保育者教育を実践する。
〈チーム 3〉生命科学と教育・療育の現場との連携
- 学童期の教育・療育に携わる専門教育者の指導力向上のための教育支援プランを作成する。
教育・療育に携わる専門教育者を対象とした子ども理解の促進および指導力向上のための研修を企画・立案し、多様性を志向する教育者教育を実践する。一つの実践対象として、東洋大学卒業生教職 OBに対してリカレント教育の一環として実施する予定である。
〈チーム 4〉生命科学研究を基盤とした適切な栄養指導
- 乳幼児から高齢者まで年齢に応じた適切な栄養指導の方法を検討し、個別指導および公開講座等で実践する。
- ASD 児の食嗜好の実態を調査し、偏食への個別対応と腸内環境の改善を含めた支援を実施する。
- モデル動物より得られたデータを基にヒトの気分障害やPTSDを総合的・客観的に可視化できる測定および診断支援技術を確立する。
- 調査によりメンタルヘルス不調の予兆がみられた対象者に対して、認知行動療法を実践する。
- 研究メンバー
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研究代表者
児島 伸彦 生命科学部生命科学科 教授
研究分担者
根建 拓 生命科学部応用生物科学科 教授
川口 英夫 生命科学部生命科学科 教授
金子 律子 生命科学部生命科学科 教授
小柴 和子 生命科学部応用生物科学科 教授
吉永 淳 生命科学部応用生物科学科 教授
堀内 城司 理工学部生体医工学科 教授
鈴木 裕 理工学部生体医工学科 准教授
後藤 顕一 食環境科学部食環境科学科 教授
大瀬良 知子 食環境科学部健康栄養学科 准教授
高野 聡子 文学部教育学科 教授
松田 英子 社会学部社会心理学科 教授
高山 静子 福祉社会デザイン学部子ども支援学科 教授
鈴木 崇之 福祉社会デザイン学部子ども支援学科 教授 - 目的
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「バイオミメティクス」とは、生物が進化の過程で獲得してきた構造・機能・生産方法・物質循環から着想を得て、それらを科学、医学、産業などの様々な分野に生かそうとする概念です。本プログラムでは、①生物の構造や形に着想した高機能なものづくり、②生物の有する持続可能な生産方法に倣ったものづくり、③生物がおこなう情報プロセンシングの活用、④バイオミメティクスとイノベーション推進、に取り組み、SDGｓの１７の目標のうち、「３，すべての人に健康と福祉を」「８，働きがいも経済成長も」「９，産業と技術革新の基盤をつくろう」「１１，住み続けられるまちづくりを」「１２，つくる責任つかう責任」の達成に貢献します。この４つの柱の研究を実施しながら、理系のみならず文系も含めた多様かつ高度な研究・教育がおこなわれている国際的総合大学としての人財育成と研究力の確立を目指します。
- 概要
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①生物の持つ構造や形に着想した高機能なものづくり
自然の中で生み出され融合する生物の形態に着目し、学術的に裏付けられたスポーツギアを開発し事業化します。また、持続可能な社会を考え、建築物を新築するのではなく、既存の建築ストック等の耐震化をおこない、活用することがもとめられています。そこで、端緒として、動植物の構造に着想を得た伝統木造建築物の耐震化方法を研究します。さらに得られた知見を、他種構造建築物やインフラ構造物に適応することで、バイオミメティクスを活用した災害に強い建築・都市環境デザインを目指した未来都市デザインを提案します。
②生物の有する持続可能な生産方法に倣ったものづくり
炭素・水素・酸素・リン・窒素・硫黄などの汎用性元素のみから構成される導電性有機物質に根ざした低環境負荷かつバイオフレンドリーなエレクトロニクスの創製、生物の分子構造や代謝機構からヒントを得た高性能医療機器の開発をおこない、現在の希少元素に依存したものづくりから低環境負荷型・物質循環型のものづくりへの代替を促します。
③生物が利用する情報プロセシングを活用したものづくり
人間や昆虫の視覚・嗅覚機構とその情報処理に倣った高度情報プロセシングの開発や、ハエの複眼を模したプリミティブなセンサアレイシスエムを開発します。そしてそこから得られる大規模な０次元的な点データをAI技術で解析し、生活のハブとなる見守りシステムを構築します。このようなバイオセンシングと情報学分野を融合したバイオミメティクスの新しい活用法としての健康支援システムを提唱します。
④バイオミメティクスとイノベーション推進
１５０万種におよぶ多様性をもった真核生物のなかに眠る未活用な生物模倣シーズと企業・産業分野のニーズとをマッチングさせる可能性および新しい方法論を開拓します。ひいては自然資本の再評価によるSustainabilityを積極的に内包する社会経済システムの在り方の変化を検討します。ソーシャル・バイオミミクリィに基づいたレジリエンスの高い大学組織・教育スタイルを創造しアントレプレナーシップの涵養とスタートアップ推進を支援します。
- 小学生向けサイト「夏休み自由研究プロジェクト 生物に学ぶものづくり」
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本研究プロジェクトの活動の中で、「Co-MoreBiomimetics」という東洋大学の大学院生が主体の研究会が発足し、「夏休みの自由研究のお役立ちサイト」を小学生にバイオミメティクスの面白さを広める第一歩として設立しました。ぜひご覧ください。
- 取組一覧
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平成27年・28年
- 里山の森を活用したバイオミメティクスによるストレスコーピングについて
- ストレス・コーピングの効果を科学的根拠に基づいた評価が可能な可視化法、定量化法を開発
平成26年度
- 総合的ストレスマネージメントプログラムとしてのヘルスサポートシステムの構築
平成25年度
- 前期の成果を基にして、ストレスの可視化とストレスマネージメントとしての運動プログラム、バイオフィードバック装置の開発
平成24年度
- ストレスマネージメントにおける脳神経科学アプローチと免疫科学アプローチ
- ストレスの可視化に向けた生体センサー、バイオマーカーの開発
平成23年度
- 脳のニューラル活動と脳循環調節との連関
- 脳循環調節とストレス・運動に関する検討
平成22年度
- 脳背景活動の機能的意義解明に向けた局所脳ヘモグロビン濃度の揺らぎ解析手法の確立
- ストレスと運動時における脳・神経系の機能的活動変化と可視化に関する検討
研究プロジェクト
東洋大学重点研究推進プログラム【biomimetics 第二期】
未来を拓くバイオミメティクス
Pioneering the Future through Biomimetic Imagination
本研究プログラムは2024年4月1日より開始しました。
東洋大学重点研究推進プログラム【developmental diversity】
本プログラムは２０２３年４月１日より開始いたしました。
生育のdiversityを生むメカニズムの解明とwell-beingな社会の実現に向けた支援体制の構築
Elucidation of the mechanism for generating growth diversity and establishment of support system for realization of a well-being society
東洋大学重点研究推進プログラム【biomimetics】
本プログラムは２０２１年４月１日より開始いたしました。
バイオミメティクス活用による高機能かつ持続可能なものづくり
High-performance and Sustainable Manufacturing by utillizing biomimetics
これまでの取り組み
本研究センターでは、これまでに総合的ストレスマネージメントプログラムとしてのヘルスサポートシステムの構築。日常生活でのストレスマネージメントをサポートする総合システムの構築を目的とし、以下のような年次計画で進めてきました。