hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
日本語発音学習を支援するダイナミック・アセスメント・システムの開発

2017年度は一対比較法を用いて発音テストの試行した。その結果、一対比較法では、学習者の発話に対する適切な診断ができないことが分かった。そこで2018年度は、欧米で採用されている、Comprehensibility, Foreign Accentedness, Intelligilibityの3つの観点をもとにした評価システムの構築を目指した。2018年度に作成したテストでは、評価の対象項目を、音声、リズム、文末イントネーションに分けて、刺激を作成した。生成テストでは、これらの要素を刺激に取り交ぜ、間違えた個所が生成の問題を反映するようにした。また、知覚問題では、これらのそれぞれの特徴について、間違えやすい錯乱枝を作成し、どの錯乱枝を選んだかによって、学習者の知覚の問題がわかるようにした。中国語を母語とする日本語学習者と英語を母語とする日本語学習者に試行し、データを統計的に分析した。その結果、生成課題については、おおむね期待通りの成績であった。また音素とイントネーションについても期待通りの成績が得られた。しかし、アクセントの知覚課題は易しすぎる傾向が見られた。しかし、知覚問題は音声に集中させるため、現実の聞き取り場面を反映できた以内という問題も明らかになった。これらの結果について、2018年度は国内での学会発表と国際大会での学会発表を行ったほか、論文1本を発表した。さらに2018年度は発音練習問題を作成した。従来のリピート課題ではなく、より学習者が楽しんで音声に取り組めるようゲーム形式やクイズ形式のものを作成している。アクセントの知覚問題が想定したよりもやさしかったため、これを修正するのに時間を要している。また、より現実的なリスニング環境で音声に注意をしなければならない環境をテストに取り入れるため、会話形式のテスト問題を作成している。この事前調査を3月から始め、現在データの解析中である。そのため、知覚テストの完成が遅れている。また、発音診断については、想定していない間違いが散見されるため、フィードバックの仕方について、さらに検討が必要である。新しいテスト問題は中国語母語話者と英語母語話者に試行し、現在分析を進めている。この分析結果については、2019年度の国内学会と2020年度の応用言語学の世界大会に向けて投稿するとともに、論文の執筆をする。2019年5月からは、より多様な学習者に対応できるか検討するため、中国語と英語以外の学習者のデータを現在収集している。7月までに、項目分析を行い、テスト項目の精度を上げ、9月から10月にかけて本実験を行う予定である。また、2019年度は、発音生成のフィードバックの方法と再検討し、印象評価と突き合わせる。最後に、音声練習モジュールについては、2019年度中にほぼ完成させ、2020年度中にアプリにできるようにする。2017年度は(1)mdprefを統計手法として音声評価に応用する可能性の検証、(2)英語と中国語を母語とする学習者の日本語音声の問題に関する先行文献の考察、(3)英語と中国語を母語とする日本語学習者の日本語の発音習得に影響する認知的要因の探索的研究、(4)言語評価理論に関する先行文献の考察、そして(5)音声指導の日本語のカリキュラムへの組み込み方について考察した。(1)については、mdprefでは発音要因の影響度の傾向を示すことが困難であることがわかり、mdprefに依存しないクラウドソーシングによる評価システムを構築することにした。(2)については、先行研究で指摘されている学習者の問題は、音声の対照研究に基づくものが多く、必ずしも現場の教師の意見とは一致しないことが分かった。(3)については、英語母語話者と中国語母語話者では、知覚能力の発音に対する影響度が異なるが、知識やモニター力については母語にかかわらず重要であることが分かった。また、英語母語話者の知覚能力の低さが発音習得を妨げる可能性も示唆された。(4)に関して、第二言語としての日本語の評価理論は欧米の80年代の理論を踏襲しており、その後の理論的進展があまり見られないこと、特に、国内の発音評価に関する考え方はいわゆる母語話者を到達目標とする考え方が主流であるのに対し、欧米ではintelligibility, comprehensibility, foreign-accentedness, fluencyを指標とする考え方に移行していることがわかった。(5)については、日本語の発音指導にはテクノロジー的には優れたものがみられ、様々なツールを用いて音声の自律学習をさせている機関があることもわかったが、初級者と対象としたものが少ないこと、リピートが多く指導法にバラエティが少ないことが分かった。2017年度の基礎調査をもとに、以下のような評価システムの構成および練習モジュールの構成を決定した。評価システムは、生成テストと知覚テストから成る。生成テストでは、学習者の発話をintelligibility, comprehensibility, foreign-accentednessの指標を用い、クラウドソーシングによる判断を可能とする。知覚テストは、リズム、アクセント、音素、拍感覚のテストを含み、自動評価システムとする。指導モジュールも生成練習と知覚練習からなり、リズム、アクセント、音素、拍感覚の指導を評価システムの診断結果をもとに、学習者に提案する。練習モジュールは、繰り返しだけではなく、積極的にモニター力を養う、ゲーム性の高いものを取り入れ、モチベーションの維持を目指す。生成においてはダイナミック・アセスメントで用いられるフィードバックの提示法を用いる。語彙と文法は複数の初級の教科書に共通して出現するものを優先し、初級後半の学習者から、授業に取り込めるようにする。

さらに対象とする音声特徴は学習者の音声的逸脱すべてを対象とするのではなく、母語話者や理解を妨げるか、母語話者による評価を下げやすいものに限定する。現在は、評価システムの刺激語と刺激文がテストとして機能するか事前調査をしている。また、オンラインは芯をするため、アプリを作成するプログラマーを米国で探し、内諾を得た。2017年度は一対比較法を用いて発音テストの試行した。その結果、一対比較法では、学習者の発話に対する適切な診断ができないことが分かった。そこで2018年度は、欧米で採用されている、Comprehensibility, Foreign Accentedness, Intelligilibityの3つの観点をもとにした評価システムの構築を目指した。2018年度に作成したテストでは、評価の対象項目を、音声、リズム、文末イントネーションに分けて、刺激を作成した。生成テストでは、これらの要素を刺激に取り交ぜ、間違えた個所が生成の問題を反映するようにした。また、知覚問題では、これらのそれぞれの特徴について、間違えやすい錯乱枝を作成し、どの錯乱枝を選んだかによって、学習者の知覚の問題がわかるようにした。中国語を母語とする日本語学習者と英語を母語とする日本語学習者に試行し、データを統計的に分析した。その結果、生成課題については、おおむね期待通りの成績であった。また音素とイントネーションについても期待通りの成績が得られた。しかし、アクセントの知覚課題は易しすぎる傾向が見られた。しかし、知覚問題は音声に集中させるため、現実の聞き取り場面を反映できた以内という問題も明らかになった。これらの結果について、2018年度は国内での学会発表と国際大会での学会発表を行ったほか、論文1本を発表した。さらに2018年度は発音練習問題を作成した。従来のリピート課題ではなく、より学習者が楽しんで音声に取り組めるようゲーム形式やクイズ形式のものを作成している。アクセントの知覚問題が想定したよりもやさしかったため、これを修正するのに時間を要している。また、より現実的なリスニング環境で音声に注意をしなければならない環境をテストに取り入れるため、会話形式のテスト問題を作成している。この事前調査を3月から始め、現在データの解析中である。そのため、知覚テストの完成が遅れている。また、発音診断については、想定していない間違いが散見されるため、フィードバックの仕方について、さらに検討が必要である。2018年度を通して、評価システムをオンラインで構築し、国内と米国で中国人とアメリカ人を対象に試行し、精度が上がった時点でアプリ化し、試行する。また、2018年6月以降は、特殊拍を中心とした知覚練習モジュールの作成の一部に取り掛かり、2018年度後半に事前調査を始める。新しいテスト問題は中国語母語話者と英語母語話者に試行し、現在分析を進めている。
乾燥血液および尿濾紙を用いたペルオキシゾ-ム病スクリ-ニングシステムの開発

本研究はペルオキシゾ-ム病のスクリ-ニング法と早期診断法の開発を目的として、生化学的、細胞生物学的手法を用いて解析を行なったものである。以下に主な成績を述べる。(1)血液中スフィンゴミエリン構成極長鎖脂肪酸分析と乾燥血液ろ紙によるペルオキシゾ-ム病のスクリ-ニングシステムを確立した。これにより将来のより広範なスクリ-ニングが可能であることを示した。(2)尿中有機酸分析ではジカルボン酸の増加、セバシン酸/アジピン酸比の高値、2ーヒドロキシセバシン酸の検出がスクリ-ニングとして有用であることが明らかになった。(3)直腸粘膜組織において、βー酸化系酵素蛋白の検出、プラスマロ-ゲン合成系酵素活性の測定、ペルオキシゾ-ムの形態学的解析が可能であることを明らかにし、早期診断に有用であることを示した。(4)培養線維芽細胞、培養羊水細胞において、βー酸化活性の測定、間接蛍光抗体染色によるペルオキシゾ-ムの形態的解析が可能であることを明らかにし、出生前診断に有用であることを示した。(5)スクリ-ニングされた症例の分析により、従来の報告にない新たなペルオキシゾ-ム病を発見した。相補性解析の結果、ペルオキシゾ-ム欠損症には強い遺伝的異質性が存在することを明らかにした。ペルオキシゾ-ム病の研究は近年緒についたばかりであり、スクリ-ニング法を確立して早期に診断する体制を整備することは、今後、本疾患の診療を進歩させる上で極めて重要であり、本研究の成果が少なからず貢献できるものと考える。研究初年度の本年はペルオキシソーム病スクリーニングシステム開発の基礎として、尿中有機酸分析法と血中極長鎖脂肪酸分析法の検討、およびスクリーニングで陽性とされた症例の二次診断として線維芽細胞・直腸粘膜を用いた診断法について検討した。(1)尿中有機酸分析では各種ペルオキシソーム病の有機酸パターンを解析した。Zellweger症候群においては非ケトン性ジカルボン酸尿が高度に見られ、特にsebacate/adipate比が高値であった。チロシン代謝産物の排泄も著明で、2ーhydroxy sebacateも高率に検出された。他のペルオキシソーム病でも同様のパターンが認められた。これらの有機酸パターンはペルオキシソーム病の診断マーカーとして意義が大きいと考えられ、濾紙法への応用が可能と判断された。(2)血中極長鎖脂肪酸分析では、まず既知のペルオキシソーム病の脂肪酸値を検討し、C_<24:0>、C_<25:0>、C_<26:0>などの蓄積を確認した。また血液濾紙からの脂肪酸抽出法の検討、濾紙の保存条件の検討を行い、濾紙からでも血清に準じた分析が可能であることが明らかとなった。多検体処理のために抽出法の改良と自動化についての検討をさらに行う予定である。(3)線維芽細胞におけるC_<24:0>酸化活性の測定およびイムノブロット法によるβ酸化系酵素蛋白量の測定は病因解析に有用で、出生前診断にも応用可能であった。(4)直腸粘膜生検によって得られた組織において、ペルオキシソームの免疫組織化学的および電子顕微鏡的な観察が可能であること、また生化学的にも、β酸化系酵素蛋白量、プラスマローゲン合成活性などの評価ができることを明らかにし、生後早期の非侵襲的な診断に有用であった。(1)乾燥血液濾紙を用いた脂肪酸分析では、現在使用されているガスリ-検査用の濾紙からの抽出法を確立し、正常範囲の検討を行った。本法によっても極長鎖脂肪酸の蓄積を検出できることから、Zellweger症候群や副腎白質変性症のスクリ-ニングが可能なことが示された。

また、常温保存した血清(1週間以内)を用いても凍結血清とほぼ同様のデ-タが得られることから、輸送の手間、コストを低減できると思われた。(2)尿中有機酸分析では、Zellweger症候群や新生児型副腎白質変性症などのペルオキシソ-ムβ酸化系障害をきたす疾患でジカルボン酸の増加、セバシン酸/アジピン酸比の高値、2-ヒドロキシセバシン酸陽性が認められ、スクリ-ニングに有用であると考えられた。現在、尿濾紙での検討を行っている。(3)脂肪酸代謝に異常がなく、プラスマロ-ゲンの低下が認められる疾患の診断法として直腸粘膜組織を用いたプラスマロ-ゲン合成系酵素活性の測定法の開発を行った。また、直腸粘膜でのペルオキシソ-ムの形態的検討、ウエスタンブロットによるβ酸化系酵素の検出によりZellweger症候群などの早期診断が可能となった。(4)出生前診断として羊水細胞の脂肪酸代謝、蛍光抗体法の検討を行った。1-〔^<14>C〕lignoceric acidの酸化活性はペルオキシソ-ムβ酸化系に障害のある多くの疾患に応用可能であった。また、抗ヒトカタラ-ゼ抗体とFITCラベル二次抗体を用いて蛍光抗体染色を行うと羊水細胞、線維芽細胞でも明瞭にペルオキシソ-ムが観察され、ペルオキシソ-ム欠損性疾患の出生前診断に有用と思われた。本研究はペルオキシゾ-ム病のスクリ-ニング法と早期診断法の開発を目的として、生化学的、細胞生物学的手法を用いて解析を行なったものである。以下に主な成績を述べる。(1)血液中スフィンゴミエリン構成極長鎖脂肪酸分析と乾燥血液ろ紙によるペルオキシゾ-ム病のスクリ-ニングシステムを確立した。これにより将来のより広範なスクリ-ニングが可能であることを示した。(2)尿中有機酸分析ではジカルボン酸の増加、セバシン酸/アジピン酸比の高値、2ーヒドロキシセバシン酸の検出がスクリ-ニングとして有用であることが明らかになった。(3)直腸粘膜組織において、βー酸化系酵素蛋白の検出、プラスマロ-ゲン合成系酵素活性の測定、ペルオキシゾ-ムの形態学的解析が可能であることを明らかにし、早期診断に有用であることを示した。(4)培養線維芽細胞、培養羊水細胞において、βー酸化活性の測定、間接蛍光抗体染色によるペルオキシゾ-ムの形態的解析が可能であることを明らかにし、出生前診断に有用であることを示した。(5)スクリ-ニングされた症例の分析により、従来の報告にない新たなペルオキシゾ-ム病を発見した。相補性解析の結果、ペルオキシゾ-ム欠損症には強い遺伝的異質性が存在することを明らかにした。ペルオキシゾ-ム病の研究は近年緒についたばかりであり、スクリ-ニング法を確立して早期に診断する体制を整備することは、今後、本疾患の診療を進歩させる上で極めて重要であり、本研究の成果が少なからず貢献できるものと考える。
光合成水分解系におけるマンガン複合体の分子機構とモデル化合物の合成

水分解反応を行う光合成光化学系II(PSII)の基本的機能を有する複合体はMn、3種類の膜表在性蛋白質(17KDa、23KDa、33KDa)とPSII反応中心コア複合体(47KDa、43KDa、33KDa(D2)、32KDa(D1)、Cytochrome b-559(Cyt b-559)(9KDa、4KDa)数ケの低分子蛋白質)および集光性クロロフィル蛋白質複合体(28KDa、26KDa、24KDa)から構成されている。このうち水分解能を保持する蛋白質最小単位はPSII反応中心コア複合体と膜表在性33KDaサブユニット蛋白質から出来ている。直接、水の酸化に携わる光合成水分解酵素複合体の活性中心は4個のMn原子が含まれていることが知られているが、その結合蛋白質は未だ単離同定出来ていない。また活性中心Mnに直接結合していないが、このMn錯体安定化に寄与している膜表在性33KDa蛋白質の結合部位やその結合様式については未解決のままであった。本研究では、水分解活性中心Mnの安定化に寄与している膜表在性33KDa蛋白質の結合部位の同定に関する結果を報告する。水分解能を保持したPSIIコア複合体を比較的穏和な膜可溶化剤(n-オクチル-β-Dグルコシド(OG)、n-ドデシル-β-Dマルトシド(DM)を用いて解体し、それぞれ機能性分子(Chla、Pheoa、β-Carotene、Plastoquinone A、heme)を保持した3種類の副複合体(Complex1;47KDa/43KDa/D2/D1/Cyt b-559/低分子蛋白質、Complex2;47KDa/D2/D1/Cyt b-559/低分子蛋白質、Complex3;D2/D1/Cyt b-559/低分子蛋白質)およびChlaを保持した47KDaと43KDaサブユニット蛋白質の単離に成功した。これらを可溶化剤、OGやDM中で複合体に再構成し、それぞれについて、膜表剤性33KDa蛋白質に対する再結合実験を行った。その結果、活性中心Mnの安定化機能を持つこの33KDa蛋白質を複合体に結合させるには43KDaのサブユニット蛋白質が複合体中に存在することが必要であることが明らかになった。
有機半導体薄膜を用いた室温動作光制御ポラリトンデバイスの作成

キャビティ中に閉じ込められた光子と有機半導体の励起子が強結合して生成されるキャビティ励起子ポラリトン(以下ポラリトンと省略)は、室温環境下において量子的な性質を示すポラリトン凝縮状態を生成し、その基礎的な物性、光デバイスへの応用の面で非常に興味深い量子系である。本研究では有機半導体薄膜を活性層とした分布反射型(DBR)マイクロキャビティをマグネトロンスパッタと熱蒸着装置を利用して作成した。角度依存反射スペクトルの計測から、ポラリトンに特有の反交差型の分散曲線が得られ、その解析から相互作用の強度を示す真空ラビ分裂パラメータV=230meVという値が得られ、ポラリトンの生成を確認した。また、UVレーザー光で閾値以上の強度で励起することにより、ポラリトン凝縮状態の生成も確認できた。発光強度の励起光入射角、励起波長及び励起強度依存性を測定し、励起光の入射角度に対する依存性はあまり強くないが、ポラリトンの下枝分散曲線に沿って、共鳴励起を行なった場合に最も効率の良いk=0状態からの発光が観測されることが確認された。これらの結果は従来多く用いられていた非共鳴的にポラリトンを励起して、そこからの緩和で最低準位にポピュレーションを供給する手法とは対照的であり、可変な励起波長光源が必要となるが、有機薄膜に対するダメージを避けて低閾値で励起するためには望ましい手法である。これらの実験と並行して、ダブルパルス励起による有機半導体単結晶のTHzコヒーレントフォノン振幅制御実験を行い、34THz周辺に存在する複数の振動モード間の相対振幅について、ダブルパルス間の遅延時間を制御することにより、質の高い振幅制御を実施することができた。特定の振動モードの励起は特定の結晶ひずみの誘起を可能とし、さらに電子フォノン相互作用の制御などに繋がると期待しており、さらなる本手法の発展を計画している。実際にDBRミラーを自分で設計製作するところから開始して、室温においてポラリトン凝縮状態を実現できる試料作成のノウハウを得ることができたことは大きな前進である。ポラリトン凝縮閾値の評価でも先行する研究にそれほど遜色のない結果が得られており、実験室環境のデメリット(真空チャンバー中での一貫したサンプル作成ができない)などを考慮すれば、十分納得のできる結果であると考えている。ポラリトンの物性評価のための光学装置系の構築も、角度依存反射分光装置や角度依存励起-k空間(運動量空間)イメージング測定装置を立ち上げることができ、今後の実験で必要となる基礎的な測定手法及び測定装置を確立することができた。一連の実験により、最も効率よくポラリトン凝縮状態を達成できる励起パルスの条件について解明することができた。有機半導体薄膜に対するダメージを軽減する上で、低閾値で励起実験を行えることは非常に重要であり、その意味でも意味のある成果であると言える。また、これとは別にTHz領域でのコヒーレント制御実験も行い、有機半導体単結晶をターゲットとして、マルチモードのTHz振動モード間の振幅制御をダブルパルス励起のタイミングを操作することで複数のモードの振幅比率を熱平衡分布から大きく外れた状態に準備する手法が確立できた。今後、ポラリトンベースの実験とこれまで行って来たコヒーレント制御実験の手法を統合して行くことで、目標としているポラリトンをターゲットしたコヒーレント制御に挑戦して行く予定である。励起子ポラリトンからの発光、特に閾値以上の励起光を入射してポラリトンレージングしている状態での発光の時空間コヒーレンスの評価、及び時間プロファイルの評価を行うための装置を作成する。現在の励起手法では、励起光の位相は終状態(k=0の状態)の位相に影響を与えず、中間の緩和過程によって一度コヒーレンスは失われていると考えられる。終状態のコヒーレンスは現在自然発生的に成長すると考えているが、もし、シードとなるコヒーレントな光を適切なタイミングで入射した場合、そのシード光を源として増幅していくメカニズムが存在すると考えている。通常の光レーザー発振におけるoptical parametric oscillatorのようなイメージである。有機半導体を用いたポラリトンレージングにおいて、パラメトリック増幅過程の報告はこれまでになく、この現象の実現を次の段階の目標として研究を進める予定である。本手法はシード光のレイアウトを変えればアップコンバージョン分光実験にも使用できる装置となるため、ポラリトンからの発光の時間プロファイルを計測する手法にも応用できると考えている。実際にはアップコンバージョンで200nm周辺の光を生成するよりもダウンコンバージョンで400nm近辺の発光を生成した方が測定を行いやすい可能性もあるため、どちらの手法を用いるかは実際に実験を行いつつ決定する。また、当初からの計画にあったマルチスポットによる励起実験の準備にも取り掛かる。400nm周辺の波長は液晶位相変調素子にダメージを与える可能性があるため、800nmの光に位相変調を行い、その後二倍波をとることで、間隔の隣接したダブルスポット励起形状などを準備する。非線形過程を経ることで波面制御に複雑な過程が加わるものの、ダブルスポット励起のような単純な波面制御であれば問題なく実施できると考えており、実験によってその確認を行う。本研究では有機半導体薄膜を活性層とした分布反射型(DBR)

マイクロキャビティをマグネトロンスパッタと熱蒸着装置を利用して作成した。角度依存反射スペクトルの計測から、ポラリトンに特有の反交差型の分散曲線が得られ、その解析から相互作用の強度を示す真空ラビ分裂パラメータV=230meVという値が得られ、ポラリトンの生成を確認した。また、UVレーザー光で閾値以上の強度で励起することにより、ポラリトン凝縮状態の生成も確認できた。発光強度の励起光入射角、励起波長及び励起強度依存性を測定し、励起光の入射角度に対する依存性はあまり強くないが、ポラリトンの下枝分散曲線に沿って、共鳴励起を行なった場合に最も効率の良いk=0状態からの発光が観測されることが確認された。これらの結果は従来多く用いられていた非共鳴的にポラリトンを励起して、そこからの緩和で最低準位にポピュレーションを供給する手法とは対照的であり、可変な励起波長光源が必要となるが、有機薄膜に対するダメージを避けて低閾値で励起するためには望ましい手法である。これらの実験と並行して、ダブルパルス励起による有機半導体単結晶のTHzコヒーレントフォノン振幅制御実験を行い、34THz周辺に存在する複数の振動モード間の相対振幅について、ダブルパルス間の遅延時間を制御することにより、質の高い振幅制御を実施することができた。特定の振動モードの励起は特定の結晶ひずみの誘起を可能とし、さらに電子フォノン相互作用の制御などに繋がると期待しており、さらなる本手法の発展を計画している。実際にDBRミラーを自分で設計製作するところから開始して、室温においてポラリトン凝縮状態を実現できる試料作成のノウハウを得ることができたことは大きな前進である。ポラリトン凝縮閾値の評価でも先行する研究にそれほど遜色のない結果が得られており、実験室環境のデメリット(真空チャンバー中での一貫したサンプル作成ができない)などを考慮すれば、十分納得のできる結果であると考えている。ポラリトンの物性評価のための光学装置系の構築も、角度依存反射分光装置や角度依存励起-k空間(運動量空間)イメージング測定装置を立ち上げることができ、今後の実験で必要となる基礎的な測定手法及び測定装置を確立することができた。一連の実験により、最も効率よくポラリトン凝縮状態を達成できる励起パルスの条件について解明することができた。有機半導体薄膜に対するダメージを軽減する上で、低閾値で励起実験を行えることは非常に重要であり、その意味でも意味のある成果であると言える。また、これとは別にTHz領域でのコヒーレント制御実験も行い、有機半導体単結晶をターゲットとして、マルチモードのTHz振動モード間の振幅制御をダブルパルス励起のタイミングを操作することで複数のモードの振幅比率を熱平衡分布から大きく外れた状態に準備する手法が確立できた。今後、ポラリトンベースの実験とこれまで行って来たコヒーレント制御実験の手法を統合して行くことで、目標としているポラリトンをターゲットしたコヒーレント制御に挑戦して行く予定である。励起子ポラリトンからの発光、特に閾値以上の励起光を入射してポラリトンレージングしている状態での発光の時空間コヒーレンスの評価、及び時間プロファイルの評価を行うための装置を作成する。
新生児白質障害モデルへの細胞移植におけるIGF-2を用いた新規治療法の開発

新生児白質障害(DWMI)は早産児においてオリゴデンドロサイトの選択的障害により軽度の脳性麻痺や認知機能障害を起こす病態で、オリゴデンドロサイト前駆細胞(OPC)が正常に分化・成熟できないために起こる。DWMIモデルラットの脳内にOPCを移植することによる病態の改善を目指しているが、DWMI脳内では移植されたOPCも分化が抑制されている。DWMI脳内ではIGF-2の発現増加が見られ、代償的に分化を促進させる作用があることが期待される。IGF-2の作用を検証しDWMI脳内でのOPC分化を促進させることで病態の改善を図ることが目的である。
階層的複合構造特性に基づいた生体内骨組織応力検出法

骨組織は、無機質成分のハイドロキシアパタイト(HAp)結晶やコラーゲン分子のナノレベルから、皮質骨、海綿骨といった組織構造のマクロレベルまで非常に複雑な階層構造を示す。本研究では、ナノレベルのHAp結晶変形からマクロな骨組織レベルの応力検出手法を考案した。負荷時による階層構造特性の実験手法を提案し、その特徴を表示する階層構造パラメータを整理した。さらに、生体内計測を想定した残留応力計測法を開発し、無負荷でも骨組織には各部位によって特徴的な残留応力が生じていることを示した。(1)HApとColの階層的複合構造である生体皮質骨に生じた応力を非侵襲に測定する原理および手法の提案を目的とする。(2)まず、HAp結晶格子ひずみをX線回折法で高精度に測定する。そしてこのナノレベルのひずみから皮質骨の特有な階層的複合構造特性を考慮した組織レベルのマクロひずみを推定する。(3)測定精度を検証するため、HAp結晶の変形状態のみではなく、基質であるColの超高分子状態の変形特性を測定する必要がある。中性子散乱法を用いて、Colのミクロ変形と組織ひずみの関係を求める。(4)これらのことにより構成要素のHApおよびColと骨組織ひずみとの関係を表現する数理モデルを提案する。(5)このモデルを用いれば、HApひずみのみから骨組織ひずみが高精度に推定できる。次に組織ひずみから異方性組織応力を算出する構成式を作る。(6)また回折X線画像から照射位置の平面(二次元)ひずみ成分を算出する手法を考案する。(7)これらの目標を達成するための実験装置は非常に重要である。X線回折装置を改良し、回折画像も検出できる方法を考案する。本研究は、HApとColの階層的複合構造である生体皮質骨に生じた応力を非侵襲に測定する原理および手法の提案を目的とする。4年計画の初年度である今年度は、以下の事項を実施した。1)HAp結晶構造解析:牛大腿骨試料を用いて、皮質骨HApのX線極点図を測定し、結晶配向性を部位別に評価した。HAp結晶方位とX線回折原理の関係から、変形状態の回折面と測定結晶格子ひずみの関係を構造解析的に求めた。2)回折X線二次検出器による測定:二次検出器(イメージングプレート:IP)を用いて、皮質骨表面の平面ひずみを高精度に検出する方法を検討した。3)HAp結晶有効測定回折角:IPによる回折X線強度プロファイルから高精度に最適回折角を測定する手法を検討した。皮質骨のどのような方向でも検出可能な格子面を詳細に探索した。4)回折プロファイル形態法によるひずみ測定:骨組織内HApは結晶性が低いため、回折強度が低く、回折波形がなだらかな形状となる。そのためピーク位置を特定できない。そこで、我々は回折波形の全体形状からひずみを計算する手法を提案した。これによって測定精度の大幅な向上が達成された。これをIPによる回折波形に適用した。5)骨組織ひずみ関係式:X線回折で測定されたHAp結晶格子ひずみから骨組織ひずみを算出する手法を考案した。HApとColの配置、体積比、各弾性率をパラメータとし、マクロ変形とHAp結晶ひずみの関係を検討した。6)中性子散乱によるHAp,Colひずみ測定:北大加速器パルス中性子源実験施設を利用し、骨組織の中性子回折・散乱実験を行い、特徴的に出現する回折および散乱波形を調査した。本研究は、HApとColの階層的複合構造である生体皮質骨に生じた応力を非侵襲に測定する原理、および手法の提案を目的とする。4年計画の2年目である今年度は、以下の事項を実施した。1)骨組織ひずみ関係式: X線回折で測定されたHAp結晶格子ひずみから骨組織ひずみを算出する手法を検討した。これには結晶性の程度を考慮した。2)骨組織応力測定用回折X線装置の検討:昨年度購入した回折X線装置を整備し、骨組織残留応力システムを製作した。回折用検出器(イメージングプレート)(現有)をX線装置内に設置し、残留応力測定のためのX線照射条件を検討した。3)変形中の骨組織成分挙動と結晶化度依存異方性構成式:引張負荷中における骨組織HAp-Col複合体のマクロ変形とHAp結晶のミクロひずみを同時に測定した。これは、X線照射中に微小引張試験を行った。この装置は試作し、マクロ変形はひずみゲージで、ミクロひずみはX線で測定した。4)表層面応力成分算出法: IPで測定されたひずみ成分から皮質骨表層面の二軸応力成分を高精度に算出するため、X線の最適な入射強度と入射角を決定した。得られたひずみ成分から、異方性構成式を用いて骨組織の応力成分を求めた。

5)測定アルゴリズムの回折X線測定装置への組込み:前項の測定法のアルゴリズムを整理・プログラム化し測定の自動化を図った。6)中性子散乱による骨組織ひずみ:中性子散乱実験により、外的負荷を与えた場合の骨組織ひずみとHAp、Colの両ひずみの関係を求める。この関係から、HApのX線回折波形のみから骨組織ひずみが推定可能となる。この結果を受けて、異方性構成式や応力計算法の精度が向上する。本研究は、HApとColの階層的複合構造である生体皮質骨に生じた応力を非侵襲に測定する原理および手法の提案を目的とする。4年計画の3年目である今年度は、以下の事項を実施した。1)骨組織ひずみ-HApひずみ関係式:X線回折で測定されたHAp結晶格子ひずみから骨組織ひずみを算出する手法を整備した。これにはHApとColの配置、体積比、各弾性率等をパラメータとした。2)骨組織応力測定用回折X線システム:回折X線装置の計測システムおよびデータ処理を整備し、骨組織残留応力システムの精度向上を図った。回折用検出器をX線装置内に設置し、残留応力測定のためのX線照射条件を整理した。具体的に家兎、牛大腿骨の残留応力を測定し、その生理学的特徴を確認した。3)変形中の骨組織成分挙動:引張負荷中における骨組織HAp-Col複合体のマクロ変形とHAp結晶のミクロひずみを同時に測定した。これは、X線照射中に微小引張試験を行った。この装置は試作し、マクロ変形はひずみゲージで、ミクロひずみはX線で測定した。4)表層面応力成分算出法:IPで測定されたひずみ成分から皮質骨表層面の二軸応力成分を高精度に算出する手法を考案した。得られたひずみ成分から、異方性構成式を用いて骨組織の応力成分を求めた。5)中性子散乱による骨組織構造:中性子散乱実験により、骨組織のHAp、Colの微視的構造の特徴を求めた。4年計画の最終年度である今年度は、以下の事項を実施した。1)骨組織ひずみ-HApひずみ関係式:X線回折で測定されたHAp結晶格子ひずみと骨組織ひずみの関係式を引き続き検討した。これには骨軸方向、結晶方位、負荷方向を考慮した。また結晶性との関連も調べた。ミクロスケールとして皮質骨のOsteon-Woven Bone構造との関連も調査した。2)骨組織応力測定用回折X線システム:回折X線装置の計測システムおよびデータ処理を整備し、骨組織残留応力システムを検討した。残留応力測定のためのX線照射条件の精度向上を図った。3)変形中の骨組織成分挙動と結晶化度依存異方性構成式:引張負荷中における骨組織HAp-Col複合体のマクロ変形とHAp結晶のミクロひずみを同時に測定した。これは、皮質骨と海綿骨骨梁についてもX線照射中に微小引張試験を行った。4)表層面応力成分算出法:IPで測定されたひずみ成分から皮質骨表層面の二軸応力成分を高精度に算出する方法を整理した。5)中性子散乱による骨組織ひずみ:中性子散乱実験により、外的負荷を与えた場合の骨組織ひずみとHAp、Colの両ひずみの関係を求めた。6)生体骨の残留応力測定:in vivo(生体内)骨組織内の応力測定手法を検討した。その精度と各条件を求める。実験には家兎を用いる。
マイクロボイドの階層的形成制御 : 準結晶の場合

Zn-Fe-Sc正20面体準結晶は2004年に発見された安定相である。この準結晶は約824°Cで調和融解するので、ミリメートルサイズの単結晶の作製が容易である。また、直径150μmのマイクロボイドが多数形成する。これらのボイドは、正20面体対称性を反映したhabit planeで囲まれた形状を有している。従って、液相から準結晶が形成する過程、およびさらなる徐冷の過程でボイドがどのように形成し、成長するかを研究するのに適したシステムである。本研究では、冷却速度および焼き入れ温度を系統的に変化させ、ボイド形状、密度、および空隙率の変化を調べた。また、原料のFe、Scに含まれている残留ガスがボイド形成に与える影響についても調べた。その結果を以下にまとめる。(1)ボイドの形は焼き入れ温度に依存する。焼き入れ温度が700°C以下の場合、正12面体形状のボイドが形成するのに対して、800°Cでは、複雑な面取りのボイドが多く形成する。(2)ボイドサイズは、冷却速度、焼き入れ温度に対して系統的に変化する。200K/hよりも速く冷却した場合には、平均半径は2μm以下であったが、それより遅い冷却では、焼き入温度が低い(600°C)場合に大きなボイドが形成した。しかし、平均半径は10μmを超えることはなかった。また、ボイド成長の活性化エネルギーは約3.1eVと見積もられた。これらの結果は、ボイド形成が、空孔または残留ガス原子、分子などの熱活性な移動により生じていることを示している。(3)最近の研究で、FeとScを予めアーク炉で合金化したものを材料として使って合金試料を作製すると、ボイド密度が10^4個/mm^3から10^3個/mm^3へ減少するという結果が得られた。これは原材料に含まれているガスの影響を示唆している。正20面体準結晶に形成されるマイクロボイドの形成と成長について研究した。ここでは、2004年に我々が発見したZn-Fe-Sc準結晶を研究対象とした。この準結晶は、熱力学的な安定相であるばかりでなく、約824°Cにおいて調和融解することが明らかとなった。さらに、液相からの徐冷によってミリメートルサイズの単準結晶が形成した。このような単結晶のなかに直径150μmのマイクロボイドを多数観察した。これらのボイドは、正20面体対称性を反映した多面体の形状を持っていた。冷却速度を6.6362K/h、焼き入れ温度を800600°Cと変化させて一連の合金試料を作製し、ボイドの平均サイズや体積密度の熱処理依存性を調べた。その結果、ボイドの成長は活性化エネルギーは約3.1eVの熱活性化過程であることが判った。また、作製したほぼ全ての試料において空隙率が1.43.4%と、ほぼ一定であることが明らかとなった。従って、ボイドの成長は本質的にオストワルド成長と考えられる。これは、他の準結晶合金について提唱されていた「過剰熱空孔の凝集によってボイドの形成・成長が生じる」とする解釈とは相容れない。むしろ、液体から準結晶に固化した時点で、既にマイクロボイドが多数形成されて、その後の熱処理過程において成長すると考える方が妥当であるZn-Fe-Sc正20面体準結晶は2004年に発見された安定相である。
骨梁構造の力学的異方性を考慮した骨体の患者別小規模モデルの構築

X線CT画像に基づく患者別有限要素解析の解析結果の信頼性を高めることを目的として、骨の構造異方性を考慮した解析技術について検討を行った。CT画像から緻密骨内部の微小管構造を抽出し、これを数値化するアルゴリズムを提案した。本アルゴリズムは、異方性情報の抽出に加え、CT画像の信頼性を低下させるパーシャルボリューム効果を低減することが可能である。数値化した異方性情報を有限要素モデルに設定した応力解析を実施し、異方性情報を考慮することの重要性を示した。生体骨の力学状態を患者別に解析した結果は、筋骨格系疾患の診断や治療に非常に有用である。しかし、医師が利用する一般的なパーソナルコンピュータで扱える小規模モデルでは、骨体を等方性材料としてモデル化されることが多く、より正確に生体硬組織を解析するためにはその材料特性を異方性材料として設定することが求められている。そこで本研究では、以下の二つの研究目的を設定している。第一の研究目的:海面骨の骨梁構造に起因する骨体の力学的異方性の情報を、三次元医用画像から抽出するアルゴリズムを構築すること。第二の研究目的:力学的異方性を考慮した小規模患者別モデリングを実施し、等方性材料を設定した従来モデルよりも信頼性の高い応力解析を実施すること。平成23年度に実施した研究により緻密骨の構造異方性の可視化および数値化を実現しているが、いくつか検証が不十分な部分があったため、平成24年度はまずその検証および問題点の改善を実施した。まず、構造異方性の数値化については、平成23年度は硬組織の連続性に基づいた数値化を実施したが、可視化情報との連携を高めるため、これを軟組織の連続性に基づくよう改変することにより定性的な評価を容易とした。また、有限要素解析モデルに異方性情報を設定する際の問題点を検出し、これを改善した。一方、構造異方性と力学的異方性の関係を把握することを目的として、X線CT装置内の圧縮試験装置を新規製作した。予備実験として、骨と類似した管構造を有する試験片を試作し、それを圧縮した際の挙動について解析モデルとの比較を実施した。平成25年度はまず、本研究でこれまでに提案している異方性情報抽出アルゴリズムに対して機能追加を実施した。この機能追加により、異方性情報の抽出と同時に、パーシャルボリュームエフェクトと呼ばれるCT値の不正確性を補正することに成功した。パーシャルボリュームエフェクトとは対象物(骨)表面でCT値が低下する現象であり、パーシャルボリュームエフェクトが生じたCT画像に基づいて物性値の設定を行うと骨表面で本来よりも低い弾性率が設定されてしまうため、正確な患者別応力解析のために解決が求められていた。さらに、これまでの研究では緻密骨に注目していたが、海綿骨に適用した場合の解析信頼性の検証を目的として、異方性を有する海綿骨状試験片の製作を行った。実際の海綿骨の骨梁構造のような異方性を有した模擬海面骨を作成する方法として、発泡樹脂に対して振動刺激を与えることにより空孔の形状および分布に異方性を設けることを試みたところ、生成される多孔質構造には明らかな方向性を観察することができた。まだ異方性の細かい制御には至っていないが、新しい模擬骨生成手段として期待される。以上のことから、骨体の患者別応力解析において異方性の考慮を実現したことに加え、付随成果としてパーシャルボリューム効果の影響低減を実現し、骨種別の適用範囲も広がったことから、本研究の目的とする解析精度向上を達成できたと考える。平成23年度は、主に第一の研究目的を達成することを目指して研究を遂行し、緻密骨の構造異方性の可視化および数値化を実現した。まず、鶏橈骨のマイクロフォーカスX線CT画像から微小管構造の情報を抽出する方法を考案し、その適用結果から骨の構造異方性をCT画像で観察可能であることを確認した。そして、CT画像群によって構成される三次元空間に対して局所領域を調査し、骨領域の連続量をもとに各方向の構造異方性を数値化する方法を提案した。また、数値ファントムおよび鶏橈骨のCT画像に対して個体別モデリングを試み、CT画像から抽出される異方性情報をモデルに設定することによって応力解析結果に差異が生じることを確認した。

下記に示すように、研究はおおむね順調に進展している。本年度は、初めに、前年度に提案した手法の検証および改善から着手した。まず、平成23年度に実施した研究により緻密骨の構造異方性の可視化および数値化を実現しているが、その性能検証が不十分な部分が2点あった。第一に、可視化手法と数値化手法の実現手段が統一されていないため、両者の性能を共通の指標で評価することができなかったことである。すなわち、平成23年度は硬組織の連続性に基づいた数値化を実施しているのに対し、平成24年度の研究では可視化と同様に軟組織の連続性に基づいた数値化を行い、その性能評価を実施した。第二に、数値化された異方性情報を設定した有限要素モデルの妥当性を検証できていなかったことである。本年度に改めて検証した結果、X線CT画像から数値化される異方性情報が適切にモデルに反映できていないことが明らかとなった。そこで、材料パラメータ設定ツールを新規に開発し、それを用いて材料設定した有限要素モデルを用いて改めて骨の応力状態を解析することを試みた。一方、構造異方性と力学的異方性の関係を把握することを目的として、X線CT装置内の圧縮試験装置を新規製作した。申請者は、これまでにもX線CT装置内で圧縮実験するための機構を用いていたが、圧縮力が非常に弱かったため十分な実験ができなかった。そこで本年度予算を用いてより高出力のアクチュエータを購入し、構築したものである。そして、骨と類似した管構造を有する試験片を試作し、それを圧縮した際の挙動について解析モデルとの比較を実施した。初めに、緻密骨の構造異方性を確認するためにX線CT画像から構造異方性を抽出し、可視化する方法を考案した。鶏橈骨のCT画像には多数の黒点が観察され、これは緻密骨に存在する微小管構造であると考えられた。そこで、CT画像の積層によって得られる三次元空間に対して連続性を抽出するプログラムを作成し適用したところ、緻密骨の微小管構造と定性的に一致する構造異方性の可視化を実現した。実験に使用するX線CT装置により骨の異方性情報を抽出可能であることを確認できたため、次に、構造異方性の数値化アルゴリズムについて検討した。このアルゴリズムでは、微小領域を三次元的に観察し、各方向にどれだけ骨領域が連続して存在しているかを判別する。そして、各方向の連続量に応じて算出される各方向の異方性度をパラメータ化する。コンピュータ上で作成したCT画像に対して数値化アルゴリズムを適用し、評価した。また、当初計画よりも先行して、数値ファントム及び鶏橈骨を対象として個体別モデリングおよび有限要素解析を試みた。本来、三次元的な異方性材料の力学状態について検討するためには、三方向の縦弾性係数・横弾性係数・ポアソン比の9つのパラメータを同時に考慮する必要があるが、検討の第一段階として、構造異方性はヤング率だけに影響すると仮定し、方向比を元のヤング率に乗ずることで異方性モデルのヤング率を決定した。解析結果より、異方性を考慮することにより応力分布に差異が生じることを確認した。
知能の力学的情報処理モデルの展開

1.力学的情報処理理論力学敵情報処理を行うメカニズムの設計法として,多項式および物理的力学系を用いた手法を確立した.また,力学系の可塑性パラメータを導入し,その可塑性に基づく学習と発達のモデルを構築するとともに,力学的引き込み現象としてのコミュニケーションモデルを実現した.2.ミラーニューロンの数学モデル隠れマルコフモデル(HMM)を用いたミラーニューロン数学モデルとその計算法を確立し,HMMの多重階層化による行為の抽象化を実現した.また,常識データベースをもつ言語解析システムと多重階層化ミラーニューロンモデルとの結合を行った.3.ヒューマノイドロボットによる行為の受容と生成の実験従外力運動をするヒューマノイドロボットの試作を行い,人間動作計測に基づいて動作パターンを獲得して制御系を設計する手法を開発した.また,ヒューマノイドロボットと力学情報処理および言語解析システム,行動受容生成システムの結合実験を行った.4.人間の筋・骨格詳細モデルによる大規模センサリ・モータ系のシミュレーションモーションキャプチャデータに基づく筋張力の推定と動力学シミュレーションを行う手法を開発した.また,人間詳細モデルの動力学計算の並列計算による高速化を実現した.大規模センサリ・モータ系としてのヒューマンキデルシミュレータを開発し,力学的情報処理モデルとの結合を実現した.1.力学的情報処理理論力学敵情報処理を行うメカニズムの設計法として,多項式および物理的力学系を用いた手法を確立した.また,力学系の可塑性パラメータを導入し,その可塑性に基づく学習と発達のモデルを構築するとともに,力学的引き込み現象としてのコミュニケーションモデルを実現した.2.ミラーニューロンの数学モデル隠れマルコフモデル(HMM)を用いたミラーニューロン数学モデルとその計算法を確立し,HMMの多重階層化による行為の抽象化を実現した.また,常識データベースをもつ言語解析システムと多重階層化ミラーニューロンモデルとの結合を行った.3.ヒューマノイドロボットによる行為の受容と生成の実験従外力運動をするヒューマノイドロボットの試作を行い,人間動作計測に基づいて動作パターンを獲得して制御系を設計する手法を開発した.また,ヒューマノイドロボットと力学情報処理および言語解析システム,行動受容生成システムの結合実験を行った.4.人間の筋・骨格詳細モデルによる大規模センサリ・モータ系のシミュレーションモーションキャプチャデータに基づく筋張力の推定と動力学シミュレーションを行う手法を開発した.また,人間詳細モデルの動力学計算の並列計算による高速化を実現した.大規模センサリ・モータ系としてのヒューマンキデルシミュレータを開発し,力学的情報処理モデルとの結合を実現した.身体の力学系と脳神経系が多重階層的,連続的に構造化された複雑系が示す非線形力学系の挙動の中に,人の知能や心の情報処理の本質があると考えられるようになってきた.このような視点は脳科学,生理学,物理学,哲学,認知心理学,発達心理学などの広い分野において,少なくない研究者たちに共有されている世界観である.本研究では,機械知能を力学的情報処理によって実現するためのモデル仮説を構築することを目的とする.ここでいう機械知能とはシンボルの操作,及びそこから発展する言語的な世界理解や自己内省,それらを用いた他者とのコミュニケーションなどの特徴をもつ認知機能を,機械が自分の体のセンサリ・モータ・マップを多重階層的に発達させることにより獲得するための基本原理である.この基本原理を構成論的に明らかにし,ヒューマノイドロボットの実験と詳細人間モデルを用いたシミュレーションによって実証することを目標とする.今年度は以下の研究課題に取り組んだ.(1)力学的情報処理理論力学系の多項式設計法:力学系に任意ベクトル場を指定しそれを状態の多項式で近似する実時間アルゴリズムを開発する.(2)ミラーニューロンの数学モデル隠れマルコフモデル(HMM)を用いたミラーニューロン数学モデルとその計算法:連続型HMMを用いた行為の分節化と離散型HMMによる行為の受容(認識)と生成の双方向計算の効率化と実装する.(3)ヒューマノイドロボットによる行為の受容と生成の実験従外力運動をするヒューマノイドロボットの試作:外界からの力を受けて運動を変化させることができるヒューマノイドのメカニズムを開発する.(4)人間の筋・骨格詳細モデルによる大規模センサリ・モータ系のシミュレーションモーションキャプチャデータに基づいて筋肉の緊張を順逆動力学計算:既開発のリアルタイムモーションキャプチャシステムと筋・骨格力学モデルを結合してキャプチャーデータから人間の内部感覚情報を計算する.1.力学的情報処理理論力学的引き込み現象としてのコミュニケーション音声の非言語情報を利用し,ロボットと人との間で内部状態の運動を同期させることを基本原理とするコミュニケーションの理論を構築した.2.ミラーニューロンの数学モデルHMMの多重階層化による行為の抽象化HMMの自己組織化による多重階層化とそれに基づく行為の抽象化の方法を開発し,多様なレベルでの抽象化と運動認識の効率化を実現した.3.ヒューマノイドロボットによる行為の受容と生成の実験人間動作計測に基づくヒューマノイド動作パターン獲得とその制征系設計人間の動作を観察して基本動作パターンを自動解析し収集するシステムを開発し、その代表的な動作に対する制御系を設計した.従外力運動をするヒューマノイドロボットの試作(継続)外界からの力を受けて運動を変化させることができるヒューマノイドのメカニズムを開発し,基礎的な動作実験を行った.4.人問の筋・骨格詳細モデルによる大規模センサリ・モータ系のシミュレーション人間詳細モデルの順逆動力学計算の並列計雄による高速化人間詳細モデルの動力学計算のクラスター並列計算による高速化について検討した.本研究では,機械知能を力学的情報処理によって実現するためのモデル仮説を構築することを目的としている。

機械知能とはシンボルの操作,そこから発展する言語的な世界理解や自己内省,それらを用いた他者とのコミュニケーションなどの特徴をもつ認知機能を,機械が自分の体のセンサリ・モータ・マップを多重階層的に発達させることにより獲得するための基本原理である。平成17年度は以下のような研究を実施した。(1)ミラーニューロンの数学モデルと力学的情報処理の結合・全身運動パターンの教師なし学習なしオンラインセグメンテーション法の開発・非単調シグモイド関数を用いた運動記号の階層的抽象化・ミメシスモデルにおける部分観察情報からの運動認識と運動生成・大規模全身運動パターンデータの分類のための重み付けとそれを用いた運動合成法(2)ヒューマノイドロボットと力学情報処理の結合実験・統計的情報処理に基づいて獲得した記号を用いたコミュニケーション理論・ヒューマノイドと人間のリアルタイム身体的コミュニケーション・意匠設計の自由度を高めるヒューマノイドロボットの開発・車輪移動型ヒューマノイドのための一球車移動機構(バスケットボールライダ)の開発(3)大規模センサリ・モータ系としてのヒューマンモデルシミュレータの開発・人間の全身運動パターンと筋張力パターンを統合したミメシスモデルの情報処理・人間の運動パターンからの逆動力学計算による神経筋骨格情報の計算法の開発(1)運動データの分節化手法の開発一連のモーションキャプチャデータを意味のある個別の運動パターンに自動的に分節化するための手法を開発した.これは,隠れマルコフモデルを用い,観察した運動データと既知の運動パターンとが一致する確率の変動に着目したものである.(2)運動データの階層化と記号化上記の方法で分節化された運動パターンを素材として,さまざまな人から得られた多種の運動パターン間の階層関係を抽出し,複数の粒度で運動を抽象化する手法を開発した.非単調な活性化関数を持つ連想記憶ニューラルネットワークを認識に用い,活性度と粒度を密に関連させることができる.またこれとは別のアプローチとして,個々の運動パターンおよびそれらから創られた抽象的な運動パターンをまとめ3次元的に配置した,デンドログラムを構築する方法を開発した.この3次元的な運動データベースを用いて,観察した運動を高速に認識したり,新たな運動を生成したりすることが可能になった.(3)マルチモーダルなデータによる運動認識関節角データだけでなく,筋張力・床反力などのマルチモーダルなデータを用いた運動認識手法を開発した.運動の認識・記号化に用いたモダリティの重要度を定義し,認識された運動データベース上の傾向として重要な次元を求め,その次元に注目して認識することによって,認識精度の向上や計算量の削減を実現した.
聴覚における時間分解能の客観的評価法の開発-残聴を有する高度難聴者への人工内耳適応の試み-

補聴手段として補聴器を選択するか人工内耳を選択するかを術前に判断するために、とくに残存聴力を有する患者の語音聴取能力を適正に評価する検査法の開発を本研究の目的としている。本年度は実際に残存聴力を有して人工内耳を施行した症例2例と同一症例で人工内耳の使用電極数が変化した症例について各種検査で評価した。残存聴力を有する両側高度難聴患者2名にたいして、純音聴力検査のほかに、補聴器および人工内耳装用下における矯正聴力と一定音圧呈示による語音聴取検査をおこなった。その結果、補聴器による矯正聴力と人工内耳による矯正聴力の間に差を認めなかった。各種語音聴取検査では人工内耳装用時の成績は補聴器装用時の成績を大きく上回った。このことから、一定の条件を満たせば補聴器よりも人工内耳の方が語音聴取の上で有利であることが判明した。同一症例で人工内耳の使用電極数が変化した症例について、電極数の変化前後で矯正聴力と語音聴力検査を施行した。矯正聴力には変化はなかったが、語音聴力検査成績は大きく変化した。さらに人工内耳の装用に読唇を併用するか否かで語音聴取検査の結果は異なった。本症例からは人工内耳による語音聴取の過程で、読唇の併用した場合と併用しない場合では中枢での語音処理過程が異なることが示唆された。以上の結果はThe first Asia Pacific Symposium on Cochlear Implant and Related Sciencesにて口演する。今後の本研究の展開としては、人工内耳の装用効果が補聴器の装用効果を上回る条件をさらに詳細に把握することを目的とした臨床研究を実施する予定である。具体的には歪み語音による聴取検査を実施し、内耳機能としての時間分解能を評価する検査手法を開発することを計画している。