生命科学概論(電気系･物工･計数)

講義担当日 10月4日田畑 10月11日田畑 10月18日古川 10月25日佐久間 11月1日佐久間 11月8日関野 11月15日関野 11月22日廣瀬 11月29日廣瀬 12月6日高橋 12月13日高橋 12月20日高木 2024年 1月10日古川 -------------------------------- イントロダクション 　生命科学と物理との関わりについて講義する。最新の量子生命科学についても紹介する。 ＊ ゆらぎ機能とグリーンエレクトロニクス（田畑教授）　 細胞分化、筋伸縮、脳情報処理等、階層を超えて生命系活動に共通するゆらぎ機能を学ぶことで、超高感度センサや超低消費電力デバイス等のこれからのエレクトロニクス技術と生命科学との関わりについて講義する。 ＊ 生命系エネルギー変換とグリーンエレクトロニクス(田畑教授) 生命系のエネルギー変換システムの１つである光合成と人工的太陽光エネルギー変換システム（太陽電池、人工光合成）とを対比することで、エネルギー工学分野・エレクトロニクス分野における生命科学の関わり、今後の課題等について講義する。 ＊ 心臓の電気生理と心臓力学１（佐久間教授） 【心筋細胞の電気生理、循環器、心電現象】　 心臓は血液循環を維持する重要な臓器である心臓の、基本的な生理学について電気的・力学的な側面を学ぶ。特に心電現象の生成機構とそれが持つ情報の意味を生体医工学の視点で講義する。 ＊心臓の電気生理と心臓力学２（佐久間教授）　 【心臓ペースメーカ、電気的除細動、心電現象のコ計算機シミュレーション、補助循環】 　心臓の調律異常や異常興奮伝導の治療用医療機器としての心臓ペースメーカ・除細動器について、心臓の電気生理学と関連付けてその機能を解説する。またこれらの医工学技術に重要となる心電現象の計算機シミュレーションにも触れる。最後に心臓の血液循環機能を補助する補助循環装置を解説する。 ＊ 生体組織のバイオメカニクス１（古川准教授）　 生体組織は組織ごとに最適な固有の物理環境を再現できるように常に自らが系全体の制御を行っている．この制御がうまくいかないと病気が発症することがあり，本講義ではその実例と，工学的な考え方の基礎を概説する。 ＊ 生体組織のバイオメカニクス２（古川准教授）　 生体組織の物理的な性質や状況を，流体力学および材料力学の観点から捉える考え方を学ぶ．本講義では特に，力学モデルの考え方を学び，生体内の環境や系を定量的に扱い，解析する概念を解説する ＊バイオイメージング１（高橋教授）　 生体内部を可視化する手法について概観する、イメージングの原理、顕微鏡の原理と解像度の限界、電子顕微鏡、X線顕微鏡、医用X線診断法など、生命科学におけるイメージング法の現状と将来について講義する。 ＊バイオイメージング２（高橋教授）　 生体機能を可視化する手法のうち、核医学について詳細に学ぶ。代表的なγ線放出核種から放出されるγ線を利用したSPECT（単一光子放射断層撮像）、陽電子放出核種と消滅γ線を利用したPET(陽電子放射断層撮像）、の原理と実際について講義する。 ＊ スーパーコンピュータによる人体のシミュレーション１（高木教授）　 医用画像データに基づき，スーパーコンピュータ内に人体を構築し，疾患の早期発見や治療法の検討にコンピュータシミュレーションを利用する次世代型の新しい医療について説明する．初回は，主に医用画像データに適したシミュレーション手法と超音波治療に関するシミュレーションを紹介する． ＊ スーパーコンピュータによる人体のシミュレーション２（高木教授）　 　初回に引き続き，2回目は，血流や筋肉の動き，心臓のモデリングとシミュレーションなどについて説明し，スーパーコンピュータ「京」を用いた超大規模並列計算の計算例を紹介する． ＊ 脳機能計測とイメージング（関野教授） 脳機能計測装置、MRI、脳波、脳磁図、近赤外分光法（NIRS）、磁気刺激 ＊ 脳のモノとしての構造と機能：生理的側面（廣瀬教授） 【ニューロンとそのネットワーク構造、および脳機能分布の特徴と信号の特徴】 ＊ 脳のコトとしての構造と機能：情報的側面（廣瀬教授）　 【神経回路網のモデル化とパターン情報表現、学習の基盤、連想記憶、自己組織化】 ーーーーーーーーーーーーー 0. Introduction 　This lecture will cover the relationship between life science and physics. The latest quantum life science will also be introduced. 1. Fluctuating Functions and Green Electronics (Prof. Tabata)　 By learning about fluctuating functions common to all life system activities across hierarchical levels, such as cell differentiation, muscle stretch and contraction, and brain information processing, the lecture will discuss the relationship between life science and future electronics technologies, such as ultra-sensitive sensors and ultra-low power consumption devices. 2. 2) Energy conversion of living systems and green electronics (Prof. Tabata) By comparing photosynthesis, one of the energy conversion systems in living systems, with artificial solar energy conversion systems (solar cells and artificial photosynthesis), the lecture will discuss the relationship between life science and future issues in the fields of energy engineering and electronics. Electrophysiology and Cardiac Mechanics 1 (Prof. Sakuma) Electrophysiology of cardiac myocytes, circulatory organs, and electrocardiographic phenomena.　 Students will learn about the basic physiology of the heart, an important organ that maintains blood circulation, in terms of its electrical and mechanical aspects. In particular, the mechanism of generation of cardiac electrical phenomena and the meaning of the information it contains will be lectured from the perspective of biomedical engineering. Electrophysiology and Cardiac Mechanics 2 (Prof. Sakuma)　 Lecture on cardiac pacemakers, electrical defibrillation, co-computational simulation of electrocardiographic phenomena, and assisted circulation. 　Cardiac pacemakers and defibrillators as medical devices for the treatment of cardiac dysrhythmias and abnormal excitation conduction will be explained in relation to the electrophysiology of the heart and their functions. Computer simulation of electrocardiographic phenomena, which is important for these medical engineering technologies, will also be touched upon. Finally, assistive circulatory devices that assist the blood circulation function of the heart will be explained. 5. Biomechanics of Living Tissues 1 (Associate Prof. Furukawa)　 Biological tissues always control the entire system by themselves to reproduce the optimal unique physical environment for each tissue. If this control fails, diseases may develop. This lecture will outline actual examples of such cases and the basics of engineering concepts. 6. 6. biomechanics of living tissue 2 (Associate Prof. Furukawa)　 This lecture introduces the concept of understanding the physical properties and conditions of living tissues from the viewpoints of fluid mechanics and material mechanics. In this lecture, students learn the concept of mechanical modeling, and the concepts of quantitative treatment and analysis of in vivo environment and systems are explained. Bioimaging 1 (Prof. Takahashi)　 This lecture will provide an overview of methods to visualize the inside of living organisms, principles of imaging, microscopy and its resolution limitations, electron microscopy, X-ray microscopy, medical X-ray diagnostics, and other imaging methods in the life sciences: current status and future. 8. Bioimaging 2 (Prof. Takahashi)　 Among the methods to visualize biological functions, nuclear medicine will be studied in detail. The lecture will cover the principle and practice of SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) using γ-rays emitted from representative γ-ray emitting nuclides and PET (Positron Emission Tomography) using positron-emitting nuclides and annihilation γ-rays. 9 Human Body Simulation by Supercomputer 1 (Prof. Takagi)　 This lecture explains a new next-generation medical treatment that constructs the human body in a supercomputer based on medical image data and uses computer simulation for early detection of diseases and investigation of treatment methods. In the first part of the lecture, the simulation method suitable for medical image data and the simulation of ultrasound therapy will be introduced. 10. 10. human body simulation by supercomputer 2 (Prof. Takagi)　 　Continuing from the first lecture, the second lecture will explain the modeling and simulation of blood flow, muscle movement, and the heart, and introduce examples of very large-scale parallel computations using the supercomputer "K computer. 11. Brain function measurement and imaging (Prof. Sekino） Brain function measurement, MRI, EEG, MEG, NIRS, Magnetic stimulation 12. Structure and function of the brain: Physiological aspects (Prof. Hirose) Neurons and their networks, Brain function distributions, Neuron signals and representing equations 13. Structure and function of the brain: Information aspects (Prof. Hirose)　 Modeling of neural networks, Pattern information representation, Bases of learning, Associative memory, Self-organization

出席、レポート ーーーーーーーーーーー Attendance and Repots

「これからのバイオエンジニアリング」（羊土社）、詳細はITC-LMS

「これからのバイオエンジニアリング」（羊土社）、詳細はITC-LMS

指示しない

前提となる知識と項目：力学、電磁気学　など ーーーーーーー Mechanics, electromagnetics, etc. 応用先_分野と項目：工学の医工学応用