hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
マクロファージのM1/M2バランスに関わる分子基盤解明と診断・治療への応用

がん組織におけるマクロファージはTumor associated macrophageと呼称されているが、TAMにはCD163が高発現している。これまで、マーカーとしてしか理解していなかったが、CD163に腫瘍促進性作用があることが明らかとなった。CD163遺伝子欠損マウスでは、マクロファージがM1-likeの活性化を有しており、腫瘍の発育も抑制された。肺転移も抑制されていた。この研究では、ヒト未分化肉腫検体を用いて、CD163陽性TAMが多い症例ほど予後が悪いことも明らかにした。本研究から、CD163を抑制することががん治療につながることが示唆された。リンパ節マクロファージはLySMあるいはSCSマクロファージとも呼称されており、抗原提示能を有すると言われている。食道癌と膀胱癌症例のリンパ節検体を用いてCD169陽性LySMと臨床病理学的因子の関連性を検討した。LySMにおけるCD169発現は、予後良因子であった。CD169発現が高い症例ほどがん組織へのリンパ球浸潤が高い傾向に有り、がん免疫反応との関連性が示唆された。膠芽腫は、治療抵抗性の腫瘍である。膠芽腫と正常脳との境界部位において傍突起膠細胞とマクロファージ・ミクログリアが増加していることを見出した。マクロファージから産生されるHB-EGFやIL-1bが膠芽腫細胞のコロニー形成を増加させることが明らかとなった。マクロファージが傍突起膠細胞の増殖を誘導している可能性も示唆された。がんとマクロファージの研究においては、TAMとLySMに関する研究を行った。2018年度は、Cancer ResearchやEBioMedicine、Cancer Scienceなどで論文を発表することができた。また、それ以外にも、脳悪性リンパ腫や腎細胞癌、膵癌における免疫微小環境の研究を発表した。神経変性疾患などに関しても共同研究を行った。現在、肺癌・乳癌における免疫チェックポイント分子の発現とマクロファージの関連性、乳癌におけるLySMの重要性、脳腫瘍におけるTAMの重要性、子宮内膜症におけるTAMの重要性、卵巣がんにおけるTAMの重要性、悪性リンパ腫におけるTAMの重要性を明らかにするとともに、M2/Protumor活性化を制御する化合物の探索も平行して行う。全身臓器に存在するマクロファージは、様々な刺激で活性化し種々のサイトカインを産生することで様々な病態の形成に関わっている。マクロファージの活性化を人為的に制御できれば、多くの病気の治療に応用できる可能性がある。CD163はマクロファージに特異的に発現するスカベンジャー受容体であり、多くの腫瘍/非腫瘍性疾患において有意に発現が増加することが知られているが、その意義については未解明である。本研究では、ヒト各種疾患の病理検体やヒト培養細胞、動物モデルを利用してCD163を介したマクロファージ活性化がどのように腫瘍あるいは種々の炎症病態へ関与するのかを明らかにしたい。CD163の診断マーカーとしての可能性や、CD163の活性化経路を阻害または活性化するという新しい治療戦略の提案につなげたい。28年度の研究では以下の点を明らかにした。悪性リンパ腫組織においてCD163陽性マクロファージはPD-L1/2を強発現しており、そのメカニズムにはIL-27/Stat3経路が関与していた。腎細胞癌においてはPD-L1/2の発現を解析したところ、TAMにおけるPD-L1/2発現は見られなかった。淡明型腎細胞癌での陽性例は約100症例中6症例程度であり、既存報告とはあわないデータであった。乳頭状腎細胞癌においては約3割の症例に陽性であった。CD163ノックアウトマウスを用いて、発癌やメタボリックシンドロームにおけるCD163の意義についても解析途中である。脂肪細胞とマウスマクロファージの共培養実験を行ったが、明らかな活性化分子の同定には至らず、今後も研究を継続していきたい。炎症性腸疾患とマクロファージにも関連性があるので、大腸炎モデルも研究してみたが、特段の研究成果は得られなかったある程度まとまった研究は、その都度論文として発表している。我々は、病理学教室という特性を生かして、これまでヒトの様々な病態におけるマクロファージ、特にM2のマーカーであるCD163/CD204に対する免疫染色を施行し、M2マクロファージとがんの臨床病理学的因子の相関性について解析してきた。昨年度は、遺伝子改変マウスを用いてCD163の機能の一端を明らかにし、論文発表を行った。CD163KOマウスでは腫瘍の発育が抑制され、IL6などの腫瘍促進性作用を有する因子の産生が抑制されていた。また、ヒト乳癌や腎癌、肉腫でもCD163, CD204に関する新たな知見を発表することができ、培養実験などを追加しつつある。乳癌や腎癌でもCD163, CD204に関する新たな知見を発表することができた。

がん組織におけるマクロファージはTumor associated macrophageと呼称されているが、TAMにはCD163が高発現している。これまで、マーカーとしてしか理解していなかったが、CD163に腫瘍促進性作用があることが明らかとなった。CD163遺伝子欠損マウスでは、マクロファージがM1-likeの活性化を有しており、腫瘍の発育も抑制された。肺転移も抑制されていた。この研究では、ヒト未分化肉腫検体を用いて、CD163陽性TAMが多い症例ほど予後が悪いことも明らかにした。本研究から、CD163を抑制することががん治療につながることが示唆された。リンパ節マクロファージはLySMあるいはSCSマクロファージとも呼称されており、抗原提示能を有すると言われている。食道癌と膀胱癌症例のリンパ節検体を用いてCD169陽性LySMと臨床病理学的因子の関連性を検討した。LySMにおけるCD169発現は、予後良因子であった。CD169発現が高い症例ほどがん組織へのリンパ球浸潤が高い傾向に有り、がん免疫反応との関連性が示唆された。膠芽腫は、治療抵抗性の腫瘍である。膠芽腫と正常脳との境界部位において傍突起膠細胞とマクロファージ・ミクログリアが増加していることを見出した。マクロファージから産生されるHB-EGFやIL-1bが膠芽腫細胞のコロニー形成を増加させることが明らかとなった。マクロファージが傍突起膠細胞の増殖を誘導している可能性も示唆された。がんとマクロファージの研究においては、TAMとLySMに関する研究を行った。2018年度は、Cancer ResearchやEBioMedicine、Cancer Scienceなどで論文を発表することができた。また、それ以外にも、脳悪性リンパ腫や腎細胞癌、膵癌における免疫微小環境の研究を発表した。神経変性疾患などに関しても共同研究を行った。当初の予定通り、研究を進めていく。特許などに関係の無い内容であれば、途中経過でも学会発表を行う。現在は、肉腫、肺癌、乳癌における微小環境における免疫細胞の役割について研究を進めている。現在、肺癌・乳癌における免疫チェックポイント分子の発現とマクロファージの関連性、乳癌におけるLySMの重要性、脳腫瘍におけるTAMの重要性、子宮内膜症におけるTAMの重要性、卵巣がんにおけるTAMの重要性、悪性リンパ腫におけるTAMの重要性を明らかにするとともに、M2/Protumor活性化を制御する化合物の探索も平行して行う。
運動器の慢性難治性疼痛の機序解明と治療法の確立

運動器の慢性疼痛の診断・治療に寄与すべく、疼痛の機序解明、客観的指標の検索、集学的治療の確立を目的とした。パッチクランプ法を用いた電気生理学的検索では、ラット神経根絞扼モデルの後根神経節細胞において、Na^<2+>電流量の増大など易興奮性が認められた。また、交感神経の関与が示唆された。脊髄レベルでの分析では、脊髄後角におけるグリア細胞の活性化や脊髄膠様質細胞の興奮性の増大が認められた。腰椎椎間板ヘルニア患者において、血清中CGRPが疼痛と相関を示した。慢性腰痛患者で、集学的治療プログラムを施行した群では、非施行群に比べSF-36が有意に高得点であった。1.慢性疼痛の発生メカニズムに関する研究(1)腰部神経根症モデルにおける後根神経細胞の電気生理学的検討神経根絞扼モデルにおいて、後肢足底のmechanical allodynia、thermal hyperalgesiaを認めた。神経根絞扼群の閾値電流量の低下や反復性dischargeの亢進、peak Na^+電流量の増加が認められ、絞扼側DRG neuronの興奮性亢進を確認した。本研究の結果より、神経損傷部位での異所性発火やNa^+チャネルの異常集積が、慢性神経根性疼痛の原因と推測された。(2)神経根性疼痛発生における交感神経の関与TH-IR fiberは神経根絞扼モデルの当該レベルDRGで増加しており、交感神経が本モデルの疼痛発生に影響を及ぼしていることが示唆された。また、神経根絞扼モデルで出現した疼痛関連行動は交感神経を切除することで抑制できた。即ち交感神経が神経根性疼痛発生に重要な役割を果たしていることが証明された。(3)ラット腰部神経根絞扼モデルにおける後根神経節の遺伝子発現の解析腰椎神経根障害モデルにおける、障害神経根の後根神経節における分子変化を同定した。Early phase群は16遺伝子が、mid-phase群では56遺伝子が、continuous群では17遺伝子が発現増加を示した。これらの遺伝子は、腰椎神経根障害の分子学的治療のtargetとしての可能性が考えられた。2.疼痛に関与する客観的指標に関する研究(1)腰椎椎間板切除術施行患者における血清および脳脊髄液中神経ペプチドの解析I.神経根絞扼モデルを用いた慢性疼痛メカニズムに関する研究1.電気生理学的検討1)神経根絞扼モデルの後根神経節細胞に対するノルエピネフリンの効果:神経根絞扼モデルにおいてnorepinephrine(NE)が後根神経節(DRG)細胞の興奮性に及ぼす影響を検討した。また、交感神経遮断薬を併用し、NEが作用するadrenoceptorのsubtypeを検索した。NEには神経根絞扼モデルのDRG細胞の興奮性を増強させる作用があった。NEの効果は、α2-antagonistでは抑制されたが、α1-antagonistでは抑制されず、DRG細胞に対する興奮増強作用はα2-adrenoceptorを介していると考えられた。慢性神経根性疼痛に対するα2-antagonistの治療薬としての可能性が考えられた。2.免疫組織化学的検討1)神経根絞扼モデルラットにおける脊髄のグリア細胞の活性化神経根絞扼モデルを用い、疼痛過敏の発生と維持のメカニズムにおけるグリア細胞の関与を検討した。免疫組織染色の結果、絞扼後1日、7日の障害側脊髄後角部を中心に、胞体が肥大化した活性化型のマイクリグリアが認められ、二重染色ではp-p38MAPKと共染した。絞扼後28日では形態変化やp-p38MAPKとの共染は見られなかった。Western blotによる定量解析の結果では、絞扼後1日、7日の脊髄においてp-p38MAPKは障害側で有意に増加していたが、絞扼後28日では有意差は認められなかった。マイクログリアは、疼痛過敏の状態の形成に主として関与し、その維持には関与していないことが示唆された。神経根性疼痛の発生の初期に脊髄のマイクログリアの活性化により産生された液性因子が関与していると考えられ、マイクログリアの抑制薬など、新たな治療方法の開発につながる可能性がある。1.基礎的研究:電気生理学的アプローチ(1).脊髄膠様質細胞におけるシナプス伝達の変化in vivo patch-clamp法を用いて,神経根絞扼後の膠様質細胞におけるシナプス伝達の変化を解析した。141個の膠様質細胞から記録を行った。L4,L5髄節では自発活動電位を発する細胞の割合は増加し,自発活動電位の発生頻度は有意に増加した。

また、触覚刺激,痛覚刺激により誘発されたEPSCの振幅は増大した。(2).神経根性疼痛における交感神経の関与神経根絞扼モデルを用い、交感神経切除が後根神経節細胞に及ぼす影響を検討した。その結果、神経根絞扼+交感神経切除群で、threshold currentの増加、反復性dischargeの抑制など、後根神経節細胞の易発火性が抑制された。2.臨床的研究:慢性腰痛患者の臨床像と集学的アプローチ慢性腰痛患者を対象とし、社会心理学的背景の分析を行った。また、難治性慢性腰痛患者に対し、理学療法、心理療法、生活環境整備からなる集学的治療を行い効果を検討した。(1).慢性腰痛患者の社会心理学的背景の分析CMIでは、慢性腰痛患者では神経症的傾向を示す領域IIIもしくはIVに分類される症例が多かった。慢性腰痛患者におけるSF-36総得点は、国民標準値換算で800点満点中324.4点であり、すべての下位尺度で国民標準値を下回っていた。身体機能とそれに基づく身体性社会的役割に関する点数が低値を示した。慢性腰痛におけるセルフエフィカシー得点は8.7点であり、一般成人値9.6点より下回っていた。(2).慢性腰痛患者に対する集学的治療集学的治療施行群における総得点は303.1点であり、全ての下位尺度において非施行群(218点)と比較して高得点であった。統計学的検討では、疼痛、活力、精神的健康感を除き、両群間に有意な差を認めた。
ヒトパピローマウイルスを用いた遺伝子発現とDNA複製の機能相関についての研究

(1)皮膚モデル培養系は皮膚の三次元的な分化を再現することが可能であり、HPVの複製を支持することの出来る細胞培養系として非常にユニークなものである。その系においてウイルスの遺伝子産物、特にE6とE7を中心に、それらが細胞分化や増殖に及ぼす影響を検討している。E6/E7の発現によりヒトケラチノサイトの細胞寿命は延長され、この細胞を利用して三次元培養系を構築すると未分化状態の細胞の過増殖が認められる。また通常DNA合成は基底部の細胞に限局しているが、ここではより幅広い領域でDNA合成が観察された。一方いわゆる「不死化」状態になる以前にこのE6/E7発現細胞を三次元培養に適用するとほぼ正常な分化像が観察された。このことはE6/E7の発現による細胞分化の変調はE6/E7の直接の作用ではなく、その延命効果を介した二次的なものである可能性を示唆している。(2)HPVoriを含むDNAの複製能は、その遺伝子発現活性と相関しうることを示した。この二つの機能の相関はHPVのE2によって媒介されており、その作用機構としてE2のDNA結合性がその転写活性化能によって調節されていることが考えられた。これはケラチノサイトの分化に伴って遺伝子発現の上昇が認められ、その際劇的にウイルスDNAのコピー数が増大する機構を反映している可能性がある。(3)HPVによって癌化した細胞ではE6/EE7の発現が認められるが、BPV1およびハイリスク型のHPVのE2の発現によってその転写は抑制される。HeLa細胞ではE2遺伝子の導入によって細胞の増殖が抑制されることが知られており、癌化細胞の増殖性維持にE6/E7の発現が重要であることが示唆された。HeLa細胞では恒常的にテロメラーゼ活性が高レベルで検出されるが、E2の導入によってその活性が抑制されることがわかった。このテロメラーゼの活性調節にもE6/E7が関与しており、現在その詳細な機構の解析を進めている。癌細胞が増殖を続けるためには、染色体の末端複製問題を克服することが必要となる。この染色体維持にはテロメレース活性が重要であることはよく知られている。体細胞では普通テロメレース活性は発現しておらず、細胞が分裂するのにつれてテロメアが削れていくことが細胞寿命の有限性を規定するのに関わっていると考えられており、細胞を不死化するには何らかのテロメア維持機構が必要と考えられる。多くの癌細胞株でテロメレース活性の亢進が認められる点もこのことを支持している。この研究課題では、HRV陽性の子宮頚癌由来細胞株であるHeLa細胞を用いて癌細胞におけるテロメレース活性に関して検討を加えた。HPV陽性の癌細胞はHPVE2の発現によりその増殖が阻害されることが知られている。HeLa細胞においてもやはりE2による増殖阻害が認められるが、この研究から、このとき細胞内でもともと高いレベルで発現しているテロメレース活性が低下すること、及びテロメアの短縮がおこっていることを見出した。このテロメアの短縮がHeLa細胞の増殖阻害に関与している可能性が高いと考えられた。我々は更にこのテロメレース活性抑制の機構の解析をすすめ、いくつかの示唆的なデータをた。これまでのE2によるHeLa細胞増殖阻害機構の解析により、我々はウイルスの転写因子であるE2がウイルスのもつ癌遺伝子E6/E7の発現を抑制しており、それが増殖阻害に関わっていることを見出した。さらに、このE6/E7の発現抑制が、E2によるテロメレース活性抑制にも関わっていることを明らかにした。

またE6/E7のうち、E7の発現のみにより、E2によって抑制されたテロメレース活性が回復したことから、HeLa細胞での高いテロメレース活性を保証しているのはE7であると思われる。今後このE7によるテロメレース活性維持機構の解析を通して、癌細胞でのテロメレース活性の意義やテロメア維持機構の詳細、また反対に通常の細胞でテロメア長を監視している機構の実体についても明らかにすることができるのではないかと期待している。当該研究期間に行われた研究の成果は以下の通りである。(1)皮膚モデル培養系は皮膚の三次元的な分化を再現することが可能であり、HPVの複製を支持することの出来る細胞培養系として非常にユニークなものである。その系においてウイルスの遺伝子産物、特にE6とE7を中心に、それらが細胞分化や増殖に及ぼす影響を検討している。E6/E7の発現によりヒトケラチノサイトの細胞寿命は延長され、この細胞を利用して三次元培養系を構築すると未分化状態の細胞の過増殖が認められる。また通常DNA合成は基底部の細胞に限局しているが、ここではより幅広い領域でDNA合成が観察された。一方いわゆる「不死化」状態になる以前にこのE6/E7発現細胞を三次元培養に適用するとほぼ正常な分化像が観察された。このことはE6/E7の発現による細胞分化の変調はE6/E7の直接の作用ではなく、その延命効果を介した二次的なものである可能性を示唆している。(2)HPV oriを含むDNAの複製能は、その遺伝子発現活性と相関しうることを示した。この二つの機能の相関はHPVのE2によって媒介されており、その作用機構としてE2のDNA結合性がその転写活性化能によって調節されていることが考えられた。これはケラチノサイトの分化に伴って遺伝子発現の上昇が認められ、その際劇的にウイルスDNAのコピー数が増大する機構を反映している可能性がある。(3)HPVによって癌化した細胞ではE6/EE7の発現が認められるが、BPV1およびハイリスク型のHPVのE2の発現によってその転写は抑制される。HeLa細胞ではE2遺伝子の導入によって細胞の増殖が抑制されることが知られており、癌化細胞の増殖性維持にE6/E7の発現が重要であることが示唆された。HeLa細胞では恒常的にテロメラーゼ活性が高レベルで検出されるが、E2の導入によってその活性が抑制されることがわかった。このテロメラーゼの活性調節にもE6/E7が関与しており、現在その詳細な機構の解析を進めている。
大地震の予報を受けた都市における対策決定手法に関する研究

現在の地震予知技術では、確実な情報として地震予知を送り出すことはできず、事前対策を決定する際には、予知情報の不確実性を考慮に入れる必要がある。この情報の内容としては、地震のマグニチュード、震源位置、発生時期が、ある程度の幅を持った値として与えられると予想され、これらは確率分布の形で表現することができる。これから、ある地域での地震動強さがやはり確率分布として求められる。対策は一般的にモデル化されたものとして扱うことにし、その対策の対象となるシステムでは、実行する対策のレベルにより、ある地震動強さに対する被害率が異なってくるという考え方で被害軽減効果の違いを表現した。先に計算した地震動の分布と対策後の被害率から予知情報に従う地震が発生した時の被害が計算できる。対策レベルの違いによる対策費と被害額の和として損失を定義した。このとき、対策の開始・完了時期と地震発生時期の前後関係を考えながら、発生確率に対する損失の期待値を求める。最適対策の決定には、決定理論で期待損失最小化基準を採用し、損失の期待値が最小になるものが最適であると定義し、このような対策を決定する。ここでの決定手法はあくまでモデル化された対策・システムについてのものだが、ある現実の対策・システムを選んだ場合にいくらかの準備のもとで本手法を利用して最適対策を決定することが可能となろう。また、ある要因が決定に与える影響を検討することもできるため、対策側から地震予知情報に関する重要度を規定できることにもなる。
神経スパイク特性に基づいた細胞分類法の確立

本研究の目標は2つある.第1に,行動中のサルの生理学実験によって得られたスパイク時系列の分析を通して,その時系列を生成した神経細胞の種類,細胞がおかれている層,などに関する情報を抽出することを目標とした.申請者が考案した新統計測度によって,スパイク時系列パターンの特性からそのスパイクを発生した細胞の特性を分類できることが明らかになってきた.この分類法は,これまでのスパイク波形などに基づいた,錐体細胞対介在細胞のような大分類ではなく,錐体細胞の細分類に対応していると考えられる.この統計手法に基づいて分類した細胞群は同一刺激に対して異なる反応を示すことも確認した.これまでに実験データの提供を受けた領野は前頭連合野,補足運動野,前補足運動野,帯状回などであるが,これらは細胞層の同定はなされていなかった.現在は側頭葉TE野の細胞活動の麻酔下計測,細胞層に関する推定根拠を有するデータの提供を受けたので,その分析を開始している.その準備的な解析によると,上のように分類された2種の神経細胞群は大脳皮質内の細胞層との相関を持っていることが明らかになりつつある.つまり神経スパイク特性に基づいた分類はその発信源の神経細胞がおかれている細胞層に強く関連している.第2に,脳切片スライス実験をおこない,そのデータに照らし合わせて定量的に神経スパイク発生条件を確定することを目標とした.脳切片スライス実験については長年にわたる準備を通してようやく本格的実験が行える状況になった.これらのデータを吟味するに当たって,ホジキン・ハクスリーのシングルコンパートメントモデルにいくつかのイオンチャンネルを付加したモデルを扱ってモデル選択を行った.本研究の目標は2つある.第1に,行動中のサルの生理学実験によって得られたスパイク時系列の分析を通して,その時系列を生成した神経細胞の種類,細胞がおかれている層,などに関する情報を抽出することを目標とした.申請者が考案した新統計測度によって,スパイク時系列パターンの特性からそのスパイクを発生した細胞の特性を分類できることが明らかになってきた.この分類法は,これまでのスパイク波形などに基づいた,錐体細胞対介在細胞のような大分類ではなく,錐体細胞の細分類に対応していると考えられる.この統計手法に基づいて分類した細胞群は同一刺激に対して異なる反応を示すことも確認した.これまでに実験データの提供を受けた領野は前頭連合野,補足運動野,前補足運動野,帯状回などであるが,これらは細胞層の同定はなされていなかった.現在は側頭葉TE野の細胞活動の麻酔下計測,細胞層に関する推定根拠を有するデータの提供を受けたので,その分析を開始している.その準備的な解析によると,上のように分類された2種の神経細胞群は大脳皮質内の細胞層との相関を持っていることが明らかになりつつある.つまり神経スパイク特性に基づいた分類はその発信源の神経細胞がおかれている細胞層に強く関連している.第2に,脳切片スライス実験をおこない,そのデータに照らし合わせて定量的に神経スパイク発生条件を確定することを目標とした.脳切片スライス実験については長年にわたる準備を通してようやく本格的実験が行える状況になった.これらのデータを吟味するに当たって,ホジキン・ハクスリーのシングルコンパートメントモデルにいくつかのイオンチャンネルを付加したモデルを扱ってモデル選択を行った.
網膜に内在する血管内皮細胞増殖制御因子の研究

(1)ウシ網膜から抽出された可溶性タンパク(34000Xg,60分遠心後)を,35%50%,50%70%の硫酸アンモニウムにて塩析し,Sephadex G-100でゲル濾過し多数の分画に分けると,ウシ網膜血管内皮細胞にたいして増殖効果のある分画がいくつか存在した.しかし,これらの分画の中には,血管内皮細胞のみを増殖させる生理活性物質は存在しなかった.(1)ウシ網膜から抽出された可溶性タンパク(34000Xg,60分遠心後)を,35%50%,50%70%の硫酸アンモニウムにて塩析し,Sephadex G-100でゲル濾過し多数の分画に分けると,ウシ網膜血管内皮細胞にたいして増殖効果のある分画がいくつか存在した.しかし,これらの分画の中には,血管内皮細胞のみを増殖させる生理活性物質は存在しなかった.
多重電子サイクロトロン加熱と電流駆動

多重周波電子サイクロトロン加熱の有効性を示すために、複周波数電子サイクロトロン加熱をWT-3トカマクで試みた。WT-3トカマクには56GHz帯の電子サイクロトロン加熱系がすでに備えられている。本研究では新たに48GHz、200kW、パルス幅30msecのパルスジャイロトロンを設計・試作し、48GHz帯の電子サイクロトロン加熱系を構成して、WT-3システムに付加した。既設の56GHzと新設の48GHzの複周波数電子サイクロトロン加熱をオーミック加熱プラズマと低域混成波電流駆動プラズマに加えた結果、後者の場合に極めて顕著な効果を得ることができた。56GHzまたは48GHzどちらか一方のみの単独周波数加熱の場合は、電子サイクロトロン第2高調波共鳴がプラズマ中心付近にあるときのみ中心電子温度の上昇が観測された。ターゲットプラズマの温度がおよそ350eVのとき、48GHzでは600eV程度、56GHzでは550eV程度まで中心電子温度が上昇する。56GHzの共鳴が磁気軸近傍に、48GHzの共鳴がおよそ小半径の半分程度弱磁場側に離れた位置になるようトロイダル磁場を設定した場合、中心電子温度が800eV程度まで上昇するのが観測された。複周波数電子サイクロトロン加熱の有効性が明らかに示されたと考えられる。(1)長波長ECH用電力源として用いるジャイロトロン(平成3年度製作予定)を動作させるに必要な磁界を発生するためのジャイロトロン用超伝導マグネット(英国オックスフォ-ド社製)の発注を終えた(平成3年3月20日納入予定:平成2年度科学研究費の第3次分)。(2)上記のマグネットを励磁するための直流電源の整備を完了した。(3)レイトレイシングコ-ドを使って、2波長同時入射の最適配位を見つけるべく計算を続行中である。(4)岡山大学工学部の福山助教授の開発した3次元フォッカ-・プランク・コ-ドを用いた電子サイクロトロン電流駆動の計算機コ-ドを多重周波電子サイクロトロン加熱及び電流駆動に適用すべく移植と改造に着手した。(5)長波長ECH用ジャイロトロンとして48GHzパルスジャイロトロンの詳細設計を完了し、製作図面の作製に取り掛かる段階である。(6)ランチャ-部のモデルによるコ-ルド・テストの結果は当初期待した性能をほぼ満たすものであった。(7)計画はほぼ順調に進んでおり、平成3年10月にWTー3ト-ラスで予定どうり実験を開始できる見通しである。(4)で述べた計算機コ-ドがうまく使えれば予定した以上の成果を上げることが出来るものと期待している。1.平成2年度に設置したジャイロトロン用超伝導マグネットの励磁試験を昨年度整備した直流電源を用いて実施し当初予定した性能が得られることを確認した。液体Heの蒸発量は期待した以上に少なく長時間の連続励磁が可能であることを確認した。2.ジャイロトロン用電子銃を購入し、平成2年度に行った詳細設計に基づき48GHzパルスジャイロトロンを製作した。3.上記の48GHzパルスジャイロトロンとジャイロトロン用超伝導マグネットを現有設備である高電圧電源装置と組み合わせて大電力マイクロ波パルスの発生試験を行った。4.発生試験の結果、発振周波数48.04GHz、最大出力227kW、最大パルス幅29ms、発振効率45%の性能が得られた。これは当初予定した性能をわずかに上回る。5.WTー3トカマクに上記の高電力マイクロ波パルスを入射し、電子サイクロトロン波を励起するための伝送系およびランチャ-を製作し上記のジャイロトロン出力を用いてホットテストを完了した。6.WTー3のトカマクプラズマに低磁場側から上記の大電力マイクロ波パルスを入射する実験を現在実施中である。7.3次元フォッカ-・プランク・コ-ドと電子サイクロトロン波の軌道計算コ-ドとを組み合わせたコ-ドが完成した。8.上記の計算機コ-ドを用いて多重周波電子サイクロトロン加熱及び電流駆動の解析を実施中である。9.本研究計画は当初3年計画で立案申請したが、平成2年度科学研究費の第3次分として研究期間2年で認められたため研究期間が若干不足し、目標を完全に達成するには至っていない。
新規c-kit低発現マウス造血幹細胞の特性と老化における役割の解明

造血幹細胞(HSC)は長くG0期に留まる。マウスLin-Sca-1+c-kit+CD150+CD48-HSCの中のc-kitlow亜分画にはG0期細胞が濃縮されている。BrdU取込みの観察等から、HSCは生体内で緩徐な速度で分裂し、インビボでは常に一定のc-kit発現レベルを保つのではなく、c-kit発現量は時間とともに変動すると考えられた。c-kitlow細胞分画には、増殖刺激に応答しない細胞が存在した。また、ミトコンドリアや活性酸素種に乏しかった。網羅的遺伝子解析では、c-kitlow細胞はc-kithigh細胞と比べ、細胞周期関連、転写、リン酸化、代謝等の遺伝子群発現に相違が認められた。申請者は高度に純化されたマウス骨髄CD150+CD48-Lin-Sca-1+c-kit+HSCをc-kit発現強度に基づき更に細分し、G0期HSCがc-kit低発現分画(c-kitlow)に高度に濃縮されていることを明らかにしてきた。このc-kitlow細胞の特性のさらなる解明を行い、静止期保持などの幹細胞性維持・制御に関与する因子の同定を試みている。まずin vitro条件下に検討を行った。c-kitlow細胞は、c-kit発現レベルが低いため、c-kitリガンドであるstemcell factorに対する反応性がc-kithigh細胞とは異なることが容易に推測されるが、実際、c-kitlow細胞の初回分裂はc-kithigh細胞のそれより2440時間程度遅れる。しかしながら、c-kit発現量とは一見無関係と思われるthrombopoietinに対する反応性においても両者には違いが認められ、stem cell factorの場合と同様にc-kitlow細胞の初回分裂に遅延が観察された。(結果の一部は、学会発表済。)次にin vivoにおける検討を開始した。マウス骨髄中においても両細胞分画には質的な差異が存在するかどうか明らかとするため、マウスにBrdU (Bromodeoxyuridine)を10日間投与の後、長期間、経時的に骨髄中の造血幹胞分画におけるBrdU標識の減衰について解析を行うべく実験を開始しており、現在、解析の途上である。申請者はHSCが高度に純化されたマウス骨髄CD150+CD48-Lin-Sca-1+c-kit+分画をc-kit発現強度により細分し、G0期HSCがc-kit低発現分画(c-kitlow)に高度に濃縮されていることを明らかにしてきた。このc-kitlow細胞の特性のさらなる解明を行い、幹細胞性維持・制御に関与する因子の同定を試みている。c-kitlow細胞は、c-kit発現レベルが低いことから、c-kitリガンドであるstem cell factor (SCF)に対する反応性がc-kit高発現分画(c-kithigh)細胞とは異なることが容易に推測されるが、実際、SCF存在下の無血清培養において、c-kitlow細胞の初回分裂はc-kithigh細胞のそれより2440時間程度遅れる。しかしながら、この遅延は、c-kit発現量とは無関係と思われるthrombopoietin (TPO)およびinterleukin (IL)-11においても認められ、G0期HSCの普遍性な特性であると考えられた。また、SCF、TPOおよびIL-11には、c-kitlow細胞の維持、増殖において相加、相乗効果が認められた。次にin vivoにおいても両細胞分画に質的差異が存在するかどうか明らかとするため、マウスにBrdU (Bromodeoxyuridine)を10日間投与の後、経時的に骨髄中の造血幹胞分画を解析し、BrdU標識の減衰割合とc-kit発現強度の間に関連性があるかどうか検討を行った。BrdU陽性HSC分画細胞は、観察開始後4か月までに速やかに減少し、8か月の観察期間内でほぼ消失した。この間、c-kitlow細胞とc-kithigh細胞の間にはBrdU減衰における明確な相違は認められなかった。in vivoにおいて、c-kitlow細胞とc-kit高発現分画(c-kithigh)細胞分画に質的差異が存在するかどうか明らかとするため、マウスにBrdU (Bromodeoxyuridine)を10日間投与し、経時的に骨髄中の造血幹胞分画を解析したが、BrdU標識の減衰割合とc-kit発現強度の間に関連性は認められなかった。この結果を検証するため、BrdUに代わりビオチンを投与し、膜表面に結合したビオチンの細胞分裂による減衰を計測することとした。検出感度の違いから、ビオチン投与後の観察可能期間はBrdU投与後のそれより短いが、BrdU投与実験同様に、ビオチン陽性率の経時的変化は、c-kitlow細胞とc-kithigh細胞の間に差異は認められなかった。このことから、c-kitlow細胞およびc-kithigh細胞はin vivoにおいてそれぞれ常にc-kitlowあるいはc-kithighであるのではなく、マウス造血幹細胞分画において細胞表面上のc-kit発現は変動し得ることを示唆していると考えられた。

c-kitlow細胞とc-kithigh細胞のDNAアレイデータを作成し比較すると、細胞周期の違いに反映されていると考えられる一連の遺伝子発現の相違に加え、転写、リン酸化、代謝等の遺伝子群の発現に相違が認められ、両細胞群の遺伝子発現には質的相違があると考えられた。従って、c-kitlow細胞およびc-kithigh細胞は生体内において定常状態にあるのではなく、遺伝子レベル、蛋白レベルにおいて常に変動していることが示唆された。造血幹細胞(HSC)は長くG0期に留まる。マウスLin-Sca-1+c-kit+CD150+CD48-HSCの中のc-kitlow亜分画にはG0期細胞が濃縮されている。BrdU取込みの観察等から、HSCは生体内で緩徐な速度で分裂し、インビボでは常に一定のc-kit発現レベルを保つのではなく、c-kit発現量は時間とともに変動すると考えられた。c-kitlow細胞分画には、増殖刺激に応答しない細胞が存在した。また、ミトコンドリアや活性酸素種に乏しかった。網羅的遺伝子解析では、c-kitlow細胞はc-kithigh細胞と比べ、細胞周期関連、転写、リン酸化、代謝等の遺伝子群発現に相違が認められた。当初の予想と異なり、BrdU投与後のBrdU標識減衰率には、c-kitlow細胞とc-kithigh細胞の間に明瞭な差異は認められなかった。これが手技的問題による帰結である可能性を排除するため、追加的検証として、BrdUの代わりにビオチンを投与し、膜表面に結合したビオチンの細胞分裂による減衰を計測することとした。実際、この検討は開始されたが、開始後飼育室の一部に発生した感染事故によって、実験を中断、全ての動物を廃棄せざるを得なくなり、再度実施する必要はあるが、開始は27年度となる予定である。当初の計画では、[4)非対称性分裂がc-kitlowHSCを作り出す可能性を検討する]の項目を26年度以降に行うとしているが、これは27年度に実施予定である。造血幹細胞平成27年度は、ビオチンが投与されたマウス骨髄造血幹細胞分画におけるビオチン標識を経時的に解析し、BrdU投与実験による結果と比較検討することから、結果の信頼性を高めたい。また、c-kitlow細胞の分裂像をイメージングフローサイトメーター等を用いて同定し、その特性を明らかとする。さらに、DNAアレイデータを基に、c-kitlow細胞とc-kithigh細胞の発現分子にどの様な差異が存在するか、逐一検討を行う予定である。当初の計画では、以下の3項目[1)c-kitlow HSCとd-HSCとの関連性を明らかにする。2) c-kitlow HSCの生理的特性を明らかにする。3) c-kitlow HSC生成のメカニズムを明らかにする。]の検討を平成25年度中に開始する予定であり、実際、これら3項目は、すべて平成25年度中に開始された。上記3項目の検討開始に先立ち、信頼度の高いデータを得るため基礎検討期間を要したため、部分的には予定と異なる進展状況となった。具体的には、1)において、BrdU標識の解析手法がc-kit発現強度の測定に干渉したため、解析手法の最適化を行った。
酸化ストレスによる血管傷害とレニン・アンジオテンシン系の役割

酸化ストレスによる血管内皮細胞(EC)アポトーシスの過程にレニン・アンジオテンシン系(RAS)が関与するかどうかを検討する目的で、ラット血管傷害モデルおよび培養ECを用いて、RAS調節による効果とその作用機序について解析した。ラット頸動脈内への低濃度過酸化水素短時間曝露によりECアポトーシスを誘導した。頸動脈組織のアンジオテンシン変換酵素(ACE)活性は増加せず、むしろ24時間後にはEC剥離に伴い低下した。傷害24時間後の頸動脈見開き標本を作製、Hoechst33342によるクロマチン染色から、アポトーシスEC数をカウントした。術前3日間の投与により、ACE阻害薬テモカプリルおよびAT1受容体拮抗薬オルメサルタンはECアポトーシスを抑制し、逆にアンジオテンシンIIはECアポトーシスを増加させた。また、テモカプリルの3日間投与で傷害2週間後の内膜肥厚は減少したことから、ECアポトーシスの抑制が内膜肥厚抑制につながった可能性が考えられる。培養ウシ頸動脈ECに対する過酸化水素曝露を行い、24時間後にアポトーシスを定量した。テモカプリルおよびオルメサルタンの添加によりECアポトーシスは有意に抑制されたが、AT2受容体拮抗薬PD123319は影響しなかった。また、NO合成酵素阻害薬L-NAMEの添加はテモカプリルの抑制効果に影響しなかった。アポトーシスに関連するシグナルとして、ERK、JNK、p38MAPキナーゼ、Aktの4種類のセリン/スレオニンキナーゼについて検討した。過酸化水素曝露30分後にはいずれの活性も上昇したが、アポトーシス誘導性のp38MAPキナーゼ活性のみテモカプリル添加により抑制された。以上の結果から、酸化ストレスによる血管障害の過程で、RAS、特にアンジオテンシンII-AT1受容体経路は、内皮細胞アポトーシスとそれに続く血管病変形成に促進的に作用すると考えられた。酸化ストレスによる血管内皮傷害/血管内皮細胞アポトーシスの過程にレニン・アンジオテンシン系(RAS)がどのように関与しているかを検討することが当該研究の目的である。今年度は主に、酸化ストレスによるinvivo内皮細胞アポトーシスモデルにおけるアンジオテンシン変換酵素(ACE)の役割を検討した。1)過酸化水素誘導性の内皮細胞傷害モデル(Sudoh N, et al.:Circulation, 2001)において、傷害血管組織中のACE活性は術後24時間までは有意な上昇を認めなかった。ただし、得られるタンパク量が少ないためより高感度のアッセイで今後検討する必要がある。12週間後の内膜肥厚形成期にはACE活性は上昇しており、少なくとも内膜肥厚への関与はあると思われる。2)同モデルへのACE阻害薬・テモカプリル投与により、内皮細胞アポトーシスが抑制されるかどうかを検討した。テモカプリル(10mg/kg/day,術前3日間)投与は、対照(vehicle投与)群と比べて血圧、心拍数に有意な変化を認めなかった。傷害血管の見開き標本を用いた術後24時間での内皮細胞アポトーシスは、対照群で12.4±0.6%(mean±SE, n=10)であったのに対し、テモカプリル投与群で7.4±0.6%(n=12)と有意に減少していた。これらの結果から、内皮細胞傷害におけるACEの活性化は明らかでないものの、ACE活性を抑制することにより内皮細胞アポトーシスを抑制できることが示された。今後、アンジオテンシン受容体拮抗薬との比較およびNitric Oxideの役割を検討する必要がある。

さらに、抗酸化剤や消去剤などを用いて酸化ストレスそのものを抑制した場合に傷害反応性がどうなるかを検討したい。当該研究の目的は、酸化ストレスによる血管内皮細胞アポトーシスの過程にレニン・アンジオテンシン系(RAS)がどのように関与するか検討することである。今年度は、ラットのモデルおよび培養内皮細胞を用いて、RAS調節による効果とその作用機序について解析した。1.雄Wistarラット頸動脈内への低濃度過酸化水素短時間暴露(H_2O_20.01mM,5分間)により24時間後に誘導される内皮細胞アポトーシスは、アンジオテンシンII type1受容体拮抗薬オルメサルタン投与(1mg/kg/day、術前3日間)により、対照群(9.8±0.5%, mean±SE)に比べて有意に低下した(6.6±0.8%, p<0.01)。この程度はACE阻害薬テモカプリルの効果と同等であった。逆に、アンジオテンシンII(0.7mg/kg/day)の投与は内皮細胞アポトーシスを増加させた。2.ウシ頸動脈由来培養内皮細胞を低濃度過酸化水素(H_2O_20.2mmol/L、1.5時間)で処理した後、経時的に細胞を回収し、DNAの断片化および細胞内Caspase-3活性測定によりアポトーシスを定量した。内皮細胞に対するH_2O_2傷害前24時間のテモカプリル(10100μmol/L)添加により、アポトーシスは濃度依存性に有意に抑制された。同様に、H_2O_2傷害前24時間のオルメサルタン(10μmol/L)添加は内皮細胞アポトーシスを有意に抑制したが、type2受容体拮抗薬PD123319は影響しなかった。また、テモカプリルの効果にnitric oxide合成酵素阻害薬L-NAMEは影響しなかったことから、RASによる内皮細胞アポトーシスの促進作用はンジオテンシンIItype1受容体を介すると考えられた。
BMP/decapentaplegicファミリーによる形態形式の制御機構

細胞内の遊離カルシウムの増加は授精時の卵の活性化において重要な役割を担うことが考えられている。初期胚発生においても、フォスファチヂルイノシトール(PI)の代謝回転を阻害するLiClが、二次胚形成を誘導し、細胞内イノシトール3リン酸(IP3)の濃度を減少させることが知られており、初期胚発生において重要な役割を担うことが考えられている。しかしながら、背腹軸決定過程を含む初期胚発生における細胞内情報伝達機構およびセカンドメッセンジャーの正体については、不明の点が多い。本研究は、アフリカツメガエルの系を用いて、PIシグナル伝達系に焦点を絞り、授精時の卵の活性化並びに初期胚の形態形成の分子機構を明らかにすることを目的とする。これまでにアフリカツメガエルIP3受容体に対する特異的なポリクローナル抗体を用いて初期胚におけるIP3受容体の発現の局在を解析し、さらに正常発生過程におけるこのシグナル伝達系のセカンド・メッセンジャー(すなわちIP3)の定量を行った。今年度は、1)IP3のシグナル伝達系の胚発生における作用機構を詳細に検討するため、アフリカツメガエルIP3受容体に対する特異的阻害活性をもつモノクロール抗体を単離し、この阻害抗体を用いてIP3受容体の初期胚における形態形成の役割を検討し(loss-of-function)た。これらの結果により、IP3によるカルシウム放出は腹側化シグナルであり、IP3/Ca2+シグナルを阻害すると、腹側が背側へ運命転換されると考えられた。さらに2)卵成熟の過程における小胞体並びに小胞体上のIP3受容体の動態を調べた。
熱拡散法によるCMOSデバイスの試作

半導体工学教育の場において、簡単なものであれCMOS集積回路を製作できるようにすることは、CMOSの有用性から意義のあることと考えられる。本研究の目的は、安価な設備でCMOSを製作できるようにするために、不純物導入を熱拡散法のみで行なう教育用プロセスを見い出すことである。具体的には、CMOS回路の最も簡単なものであるインバータ回路の製作を目指して行なった。前年度の研究では、n型Si基板上にp型ウェルとよばれる深い拡散層を形成する条件を調べ、Si基板とp型ウェルとの間、およびp型ウェルとその上に形成したn型拡散層との間にpn接合を形成できることを確認した。今年度の研究は、前年度の結果を踏まえ、CMOSインバータ回路の製作を行なった。CMOSの特徴は、同一Si基板上にpチャネルとnチャネルのMOSFETが形成されていることである。各FETのゲート長は50μmで設計した。フォトマスクの原図は、PCの描画ソフトで作成しA4の用紙に印刷したものを用いた。写真引伸機を用いて、その原図をフォトマスク乾板に縮小焼付けし、8枚のフォトマスクを製作した。試料製作プロセスは、ウェルの形成、pMOSのソース・ドレイン形成、nMOSのソース・ドレイン形成、ゲート酸化膜形成、アルミ配線形成の順で行なった。全部で10枚の試料を製作したが、最終プロセスまで行えたのは6試料であった。試料のテスト領域の測定から、pMOSはほとんどの試料でほぼ設計どおりの特性を示すものが製作できていたが、nMOSが形成されている試料は1試料のみであった。この試料は、不完全なインバータ動作を示した。その原因は、nMOSのゲート部に損傷があり、わずかに漏洩電流が流れたためと考えられる。今年度の研究において、正常に動作するインバータ回路を製作することはできなかったが、製作可能性は十分に確認できたと考えられる。本研究の目的は、高価なイオン注入装置を使用せず、熱拡散法のみでCMOSデバイス製作する教育用のプロセスを開発することである。今年度の目標は、CMOSデバイス製作に必須のウェル形成のプロセス条件を確立することであった。CMOSデバイスでは、同一のシリコン基板上にpMOS-FETとnMOS-FETを製作しなければならない。チャネルドープをしないで製作可能なそれぞれのFETのしきい値電圧を考慮して、シリコシ基板はn型を用いた。その基板上に、nMOSが製作できる十分な深さのp型ウェルを形成できるかどうかを調べる試料を製作するため、ウェル形成領域の穴明け、nMOSのソースとドレインに相当するn型拡散領域の穴明け、コンタクトホールの形成、電極形成などを行なうために4枚のフォトマスクを製作した。試料製作は、実際にCMOSインバータ回路を製作するプロセスを模擬して行なった。測定は、基板とウェルおよびウェルとn型拡散領域のそれぞれで形成されるpn接合の電流-電圧特性を測定した。また、ウェル領域とn型拡散領域の面抵抗を測定した。その結果、ウェルとn型拡散領域のpn接合において、降伏特性にばらつきが大きいことから、実施した製作条件ではウェルの深さがまだ不十分であると考えられたが、CMOSインバータ回路が製作可能であることが確かめられた。今年度の研究は、前年度のウェル形成テストの結果を踏まえ、当初計画していた拡散熱処理の条件を多少変更してCMOSインバータ回路の製作を行なった。CMOSの特徴は、同一Si基板上にPチャネルとnチャネルのMOSFETが形成されていることである。インバータ回路における各FETのゲート長は50μmで設計した。

写真引伸機を用いて、その原図をフォトマスク乾板に縮小焼付けし、8枚のフォトマスクを製作した。試料製作プロセスは、n型Si基板にフィールド酸化やフォトリソグラフフィなどを繰り返し施しながら、p型ウェルの形成、pMOSのソース・ドレイン形成およびnMOSのソース・ドレイン形成のための拡散熱処理、その後ゲート酸化膜形成とアルミ配線形成を行なって試料を製作した。全部で10枚の試料を製作したが、最終プロセスまで行えたのは6試料であった。試料のテスト領域に形成した個別のMOSFETについての測定から、pMOSはほとんどの試料でほぼ設計どおりの特性を示すものが製作できていたが、nMOSが形成されている試料は1試料のみであった。この試料は、不完全なインパータ動作を示した。その原因は、nMOSのゲート部に損傷があり、わずかに漏洩電流が流れたためと考えられる。最終年度である今年度の研究において、試作したインバータ回路の動作は完全なものとは言えなかったが、製作可能性は十分に確認できたと考えられる。
レ-ザスペックル法に画像処理を援用した金属材料の損傷の検出

本研究では,金属材料の表面にレ-ザを照射した場合に反射光の散乱によって生じるスペックルの分布を観測することによって材料の損傷を評価する方法について検討した.スペックルパタ-ンはCCDカメラを用いて画像処理システムに入力することにより定量的に測定を行なった.本年度の研究では,NECのパ-ソナルコンピュ-タPCー9801をホストコンピュ-タとし,ボ-ド上に1024×512の容量の画像メモリ-と,RISC型の32ビットCPU,Tー800(トランスピュ-タ)を持つ画像処理システムにより,高速処理を行なうためのシステムを構築した.このシステムを用いることにより,従来のパ-ソナルコンピュ-タのCPUを用いて処理を行なうシステムに比べて効率的にプログラムが作成でき,はるかに高速処理ができることがわかった.レ-ザスペックルの強度分布は拡散表面の周期構造と関係していることが知られている.そこで本年度の研究では,炭素鋼材に一軸方向の引張りによって塑性変形を与えた場合の試験片の表面あらさ及び断面曲線の周波数と塑性ひずみとの関係を調べた.また,これとレ-ザスペックルパタ-ンとの関係を調べ,それらの対応関係について検討してみた.塑性変形を与えた試験片の表面あらさを測定すると同時に,断面曲線を画像処理システムに入力し,フ-リエ解析を行なうことによって断面の周波数分布を調べた.その結果,断面曲線の周波数分布は塑性ひずみが大きくなるにつれて高周波側に広がって行くことがわかった.そしてレ-ザスペックルの光の強さの分布と良く似た傾向を示すことがわかった.スペックルの分布と断面曲線の周波数の分布の間の関係は表面あらさとの間よりも相関が良いことがわかった.レ-ザスペックルの強度分布は試験片表面の周波数の二次元的な分布に対応していると考えられるが,この分布と塑性ひずみの大きさとの間の関係は再現性がよく,この関係を用いて塑性ひずみの測定が可能であることが明らかになった.本研究では,金属材料の表面にレ-ザを照射した場合に反射光の散乱によって生じるスペックルの分布を観測することによって材料の損傷を評価する方法について検討した.スペックルパタ-ンはCCDカメラを用いて画像処理システムに入力することにより定量的に測定を行なった.本年度の研究では,NECのパ-ソナルコンピュ-タPCー9801をホストコンピュ-タとし,ボ-ド上に1024×512の容量の画像メモリ-と,RISC型の32ビットCPU,Tー800(トランスピュ-タ)を持つ画像処理システムにより,高速処理を行なうためのシステムを構築した.このシステムを用いることにより,従来のパ-ソナルコンピュ-タのCPUを用いて処理を行なうシステムに比べて効率的にプログラムが作成でき,はるかに高速処理ができることがわかった.レ-ザスペックルの強度分布は拡散表面の周期構造と関係していることが知られている.そこで本年度の研究では,炭素鋼材に一軸方向の引張りによって塑性変形を与えた場合の試験片の表面あらさ及び断面曲線の周波数と塑性ひずみとの関係を調べた.また,これとレ-ザスペックルパタ-ンとの関係を調べ,それらの対応関係について検討してみた.塑性変形を与えた試験片の表面あらさを測定すると同時に,断面曲線を画像処理システムに入力し,フ-リエ解析を行なうことによって断面の周波数分布を調べた.その結果,断面曲線の周波数分布は塑性ひずみが大きくなるにつれて高周波側に広がって行くことがわかった.そしてレ-ザスペックルの光の強さの分布と良く似た傾向を示すことがわかった.スペックルの分布と断面曲線の周波数の分布の間の関係は表面あらさとの間よりも相関が良いことがわかった.レ-ザスペックルの強度分布は試験片表面の周波数の二次元的な分布に対応していると考えられるが,この分布と塑性ひずみの大きさとの間の関係は再現性がよく,この関係を用いて塑性ひずみの測定が可能であることが明らかになった.
動作空間測定ソフトウェアの開発

一般のパソコン・ビデオ機器・デジタルカメラ等を用いて、動作空間を測定するソフトウェアを開発した。AVI形式の動画ファイルを読み込んで、対象の輪郭線を求めて、その輪郭線を重ね合わせて示し、人が指定した位置を実際の値に較正して示すことで、動作空間を求めるものである。輪郭線の抽出は、対象が無い状態での画像(基準画像)を、対象が加わった画像(分析画像)と比較して、異なる部分を対象として抽出した。基準画像と分析画像の比較は、各画素についてそのまま単純に比較する以外に、両画面を、色差(赤・緑・青の値の差)、3種類の方法で求めた輪郭線抽出画像としてからも行った。また、各画素ごとの比較ではなく、基準画像、分析画像、および差分画像(基準画像と分析画像の差分)の間で、小さな方形範囲(1辺が3から9画素)において相関を求め、その相関から、各方形範囲に対象が含まれているかいないかの判断を行った。以上と他の2つの方法は基準画像と分析画像を比較することで対象を抽出する。基準画像とは関係無く、分析画像の特定の色の部分について対象への抽出または排除を行なう色識別法も加えた。これらの識別方法を選択・複合して総合的な判断を行なう。色識別法を用いることで、特定の部位を対象とすることと複数の対象を識別することが可能となった。対象の設定の自由度が増すと共に、各対象の中心座標も求めるようにすることで、動作空間の決定に影響を与える要因を調べるための動作・姿勢分析的な機能も持った。また各画素について、対象の存在についての情報として、頻度、回数、最長持続時間、最長非存在持続時間、標準偏差などを分布図と値のファイルとして求めることができる。これらの情報で空間利用の量的な観点から動作空間を決定することもできる。今年度の実施計画事項は、分析対象となる画像のコンピュータへの入力と、対象とする部分(人)の背景からの抽出である。画像を出力する一般的な装置としては、ビデオカメラ(アナログ、デジタル)、デジタルカメラがあり、これらは複数の出力形式を含んでおり、また今後も新たな機器や形式が出てくる可能性がある。そのためこれらの装置の出力を直接扱うのではなく、これらの装置を用いて作成された動画ファイルを用いることで、画像を入力することにした。動画ファイル形式としては、本ソフトウェアが動作するOS(windows)上では一般的なAVI形式とした。先ずこのファイル形式のファイルを開いて、動画の各コマを並べて表示できるようにすることで、ファイルのどの位置に目的とする動作があるかを知ることができるようにした。背景と人との分離については、研究計画において記したように、以前作成した測定システムと同様に、人の無い背景を記録し、その記録と人が加わった画像を比較することで試みた。動画記録における雑音への対応として、背景の記録は複数の画像の平均として求められるようにした。同一対象を記録していて発生するランダムなノイズについて、デジタル記録とアナログ記録の比較を行い、デジタル記録の方がかなり小さいことが分かった。人と背景との分離のための各画素の比較での閾値を大きくすることで、分離した人の輪郭線が不正確となるのを防ぐために、画像における輪郭線についても、背景画像との変化から求めて、分離判断に加えた。輪郭線抽出方法として独自のものも加えて数種類について検討した。テンプレート法などの傾斜の感度の高い方法では、デジタル画像での圧縮による区画化が原因となってノイズになりやすく、不適当であることが分かった。輪郭線を用いることでの人の抽出性の改善は、ある程度はあるが、小さかった。輪郭線抽出のための閾値の設定および対象の分離について再検討した。