hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
医療安全教育のためのeラーニングデータベース開発研究

平成30年度は,事故事例の背景にある原因に着目し,「医療事故情報収集等報告書」内の事故事例から,平成2829年度に作成した「人工呼吸器」「輸液管理」「胸腔ドレーン」「ペースメーカ」「胃ろう管理」「気管カニューレ管理」「転倒」「血糖管理薬剤の使用」「左右取り違え」に関するeラーニングの実装の他に,「清拭タオルによる熱傷」「膀胱留置カテーテルによる尿道損傷」「未滅菌の医療材料の使用」「オーバーテーブルを支えにした転倒」「薬剤の投与経路間違い」「与薬時の患者取り違え」「移動時のドレーン・チューブの抜去」「MRI検査室への磁性体(金属製品など)の持ち込み」「三方活栓の開放忘れ」「口頭による情報の解釈の誤り」に関して,根本原因分析を実施した上でeラーニング教材を設計した.教材の構成は,1状況設定の説明,2病室への入室と観察ポイントの確認,3医療安全のために必要な実施内容の確認,4実際の事例で生じた医療事故ないしはヒヤリ・ハットの内容の確認,5病室への入室時のポイントの再学習とした.実装した10コンテンツに関して,大学病院や訪問看護ステーションに医療機関に勤務する看護職を対象にアンケート調査ならびにeラーニングの学習ログ分析を行ったところ,正解に至るまでだけでなく,正解に至っても繰り返し学習していることが分かった.また,コンテンツの中でも特に2病室への入室と観察ポイントの確認に関して難易度が高いことも分かった.また,3医療安全のために必要な実施内容の確認に関しての満足度が高いことが明らかになった.よってこのeラーニングは,自己学習用教材として適していることが明らかになった.作成した教材に関する主観的調査(教材の難易度、教材の量、視覚性、操作性、有効性と、川上らのCourse Interest Survey日本語版尺度を参考に作成した学習意欲に関する評価)と、客観的調査(LMSのログ上のeラーニング内のテストの正解率、学習終了までの経過時間、複数利用回数、eラーニング経験の有無など)との相関により学習効果及び学習意欲を査定する。同時に、追加で10コンテンツを作成し、データベース構築に向けて研究を継続する。平成30年度はeラーニング教材の追加だけでなく,操作面での改善も視野に入れて研究を進める予定である.調査は,主観的調査(教材の難易度、教材の量、視覚性、操作性、有効性、川上らのCourse Interest Survey日本語版尺度を参考に作成した学習意欲に関する評価)と、客観的調査(学習支援システムのログ上のeラーニング内のテストの正解率、学習終了までの経過時間、複数利用回数、eラーニング経験の有無など)との相関により学習効果及び学習意欲を継続して査定する。)また,eラーニングと演習のブレンド型学習に関しても質問紙調査ならびにインタビューによる調査を実施した上で,データベースの構築を完了する.コンテンツ作成に関する謝金について、平成29年度に支出することとなったため参加を予定していた学会に校務により日程が合わず参加できなかったため次年度使用額が生じた.次年度は同学会に参加し研究報告ができるようにし,使用する.コンテンツ作成に関する謝金について、平成29年度に50万円を支出する。
等張性運動時の下肢着圧衣の心臓循環系機能への効果に関する研究

本年度の研究では等張性収縮時を想定し、自転車エルゴメータにより下肢に対して負荷を与えた際の心拍数及び心臓自律神経系活動と、新たに筋電図による筋活動計測も含め、靴下着圧と強着圧と弱着圧の2種類で差異が認められるかについて検討することを目的とした。スポーツ分野において多くの研究によって着圧衣の効果について調査され、さまざまな議論されている。現在では、多くの研究者らは着圧衣の効果について積極的な効果を認めている。しかし、着圧衣の生理学的なメカニズムについての科学的な根拠を与える報告はいまだに示されていない。実際の運動時において靴下着圧効果が認められるかについての科学的根拠を示すことが本研究の目標である。被験者は健常若年男子10名を用いて実施した。実験前にインフォームドコンセントをとり、被験者らの同意を得ている。また、本実験内容については大阪電気通信大学生体倫理委員会の承認を得たうえで実施した。着圧靴下として強着圧靴下と弱着圧靴下を2種類を準備した。今日着圧靴下は腓腹筋筋腹周辺で平均34.6mmHg、弱着圧靴下で平均11.6mmHgであった。被験者は2種類の靴下を着用し、次の手順で測定を実施した。実験開始から5分間安静座位姿勢で心拍数を計測、その後自転車エルゴメータに乗り、20Wの負荷から開始し、30秒で20Wずつ増大させて100Wに達してから5分間の運動をしてもらった。運動終了後、回復過程を観察するため、再度椅子に座り安静座位で10分間の測定を行った。また同時に大腿部の大腿直筋及び大腿二頭筋外側頭の筋電図も測定した。運動開始の負荷増大時及び回復過程において有意な心拍数の低下が観測された。また、自律神経系活動についても有意な差は観測されなかったが、副交感神経系活動の増大が示唆される結果を示した。結果より、仮説通り靴下着圧による心臓循環系機能への補助効果が示唆される結果を得た。本年度の研究結果より、自転車エルゴメータによる大腿四頭筋を始めとする一定負荷時での靴下着圧効果による心臓自律神経系活動の亢進と心拍数の低下が認められた。強着圧靴下着用時で弱着圧靴下着用時より有意な心拍数の低下が、運動の初期段階の負荷増大時及び回復過程において認められる結果を得た。心臓自律神経系活動についても心拍数の低下の働きをする副交感神経系活動の亢進を示す結果もあわせて得られた。これらの事実は、靴下着圧が皮膚表面上の毛細血管を圧迫することで静脈還流を促進されたものと推測される。静脈還流の増大によって、上体の血圧が上昇し、大動脈部にある圧受容器を刺激、孤束核へと投射され、疑核を亢進することで心臓の副交感神経活動を賦活させる。その結果心拍数が低下するような経路の存在が知られている。すでに申請者らの実験室内における生理学的研究により、姿勢変化や一定筋力負荷時において本研究結果となることが予測される結果を得ていた。本実験によって得られた結果は、これまでに得られた実験結果を支持する結果であり、仮説が正しいことを科学的に証明するための一助となる。申請段階では、着圧段階を変化させた際の心臓自律神経系活動の変化について検討するための予定を記述していた。今回の実験では、強着圧と弱着圧の2段階での着圧効果しか観察しておらず、当初予定していた着圧と心臓自律神経系活動との関係性についての研究は、まだ十分には取り組めていない。しかし、自転車エルゴメータを使用して、実際の運動時において弱着圧靴下より強着圧靴下の方が心拍数の低下と副交感神経系活動の亢進が観測された点については重要なデータが得られたと考えている。運動時において心拍数の低下については、いくつかの研究報告がみられたが、自律神経系活動への効果を認めた論文はない。以上より、全体的な研究進捗としておおむね順調に推移していると考えてよい。本研究では若年健常男子学生を対象に自転車エルゴメータ運動時における強着圧及び弱着圧靴下着用時の心拍変動による心臓自律神経系活動及び心拍数、また大腿部筋群として大腿直筋及び大腿二頭筋外側頭の筋活動を筋電図により評価した。結果として、強着圧靴下着用時の方が、弱着圧靴下着用時よりも心拍数の有意な低下が、段階的負荷時及び回復過程において認められた。また、心臓自律神経系活動についても危険率を0.1としたものの、有意な程度に強着圧靴下着用時の方が心臓自律神経系活動が総体的に上昇する傾向を示した。つまり、靴下着圧は適切な血圧調整のために静脈還流を促し、血圧低下を抑止する効果を担っており、心臓への負担を軽減する可能性を示唆した。また、大腿部筋群についても筋電図により振幅情報の比較により靴下着圧効果が認められるか観測を実施した。その結果、大腿部筋群は下腿部の靴下着圧に影響を及ぼさない可能性が示唆された。今後実施すべき研究として、今回の研究では大腿部の筋活動を計測したが、本来であれば下腿部の筋の状態を観測すべきである。

靴下着用時では下腿部の筋電図を測定することは難しかたっが、着圧衣をサポーター型にすることで下体の筋電図を同時に測定できるように工夫することとする。また、着圧段階をさらに増やして、より詳細な着圧強度と自律神経系活動との関係を明らかにする。着圧強度と自律神経系活動との関係が明らかになり時間的に余裕があれば、実際のグランドでのランニング等における効果が認められるかについても検討していく予定である。本年度の研究では等張性収縮時を想定し、自転車エルゴメータにより下肢に対して負荷を与えた際の心拍数及び心臓自律神経系活動と、新たに筋電図による筋活動計測も含め、靴下着圧と強着圧と弱着圧の2種類で差異が認められるかについて検討することを目的とした。スポーツ分野において多くの研究によって着圧衣の効果について調査され、さまざまな議論されている。現在では、多くの研究者らは着圧衣の効果について積極的な効果を認めている。しかし、着圧衣の生理学的なメカニズムについての科学的な根拠を与える報告はいまだに示されていない。実際の運動時において靴下着圧効果が認められるかについての科学的根拠を示すことが本研究の目標である。被験者は健常若年男子10名を用いて実施した。実験前にインフォームドコンセントをとり、被験者らの同意を得ている。また、本実験内容については大阪電気通信大学生体倫理委員会の承認を得たうえで実施した。着圧靴下として強着圧靴下と弱着圧靴下を2種類を準備した。今日着圧靴下は腓腹筋筋腹周辺で平均34.6mmHg、弱着圧靴下で平均11.6mmHgであった。被験者は2種類の靴下を着用し、次の手順で測定を実施した。実験開始から5分間安静座位姿勢で心拍数を計測、その後自転車エルゴメータに乗り、20Wの負荷から開始し、30秒で20Wずつ増大させて100Wに達してから5分間の運動をしてもらった。運動終了後、回復過程を観察するため、再度椅子に座り安静座位で10分間の測定を行った。また同時に大腿部の大腿直筋及び大腿二頭筋外側頭の筋電図も測定した。運動開始の負荷増大時及び回復過程において有意な心拍数の低下が観測された。また、自律神経系活動についても有意な差は観測されなかったが、副交感神経系活動の増大が示唆される結果を示した。結果より、仮説通り靴下着圧による心臓循環系機能への補助効果が示唆される結果を得た。本年度の研究結果より、自転車エルゴメータによる大腿四頭筋を始めとする一定負荷時での靴下着圧効果による心臓自律神経系活動の亢進と心拍数の低下が認められた。強着圧靴下着用時で弱着圧靴下着用時より有意な心拍数の低下が、運動の初期段階の負荷増大時及び回復過程において認められる結果を得た。心臓自律神経系活動についても心拍数の低下の働きをする副交感神経系活動の亢進を示す結果もあわせて得られた。これらの事実は、靴下着圧が皮膚表面上の毛細血管を圧迫することで静脈還流を促進されたものと推測される。静脈還流の増大によって、上体の血圧が上昇し、大動脈部にある圧受容器を刺激、孤束核へと投射され、疑核を亢進することで心臓の副交感神経活動を賦活させる。その結果心拍数が低下するような経路の存在が知られている。すでに申請者らの実験室内における生理学的研究により、姿勢変化や一定筋力負荷時において本研究結果となることが予測される結果を得ていた。本実験によって得られた結果は、これまでに得られた実験結果を支持する結果であり、仮説が正しいことを科学的に証明するための一助となる。申請段階では、着圧段階を変化させた際の心臓自律神経系活動の変化について検討するための予定を記述していた。今回の実験では、強着圧と弱着圧の2段階での着圧効果しか観察しておらず、当初予定していた着圧と心臓自律神経系活動との関係性についての研究は、まだ十分には取り組めていない。
全球海面水温場に出現するレジームシフトとその季節依存性

レジームシフトがいつ起こり,その前後でどのような変化が起こったのかを,海面水温(SST)場に着目して調べた.また,気圧や風の格子化データを用いて,SST変動に伴う大気循環場の変動を明らかにした.さらにレジームシフトとSST場の卓越変動モードやENSOイベントとの関係についても調べた.その結果,1910年代から1990年代にかけて、計5回のレジームシフトが全球スケールで起こっていたことがわかった.それらは,以前の研究において,北半球で見出されたレジームシフトのうち、熱帯変動を伴うものと一致していた.次に,レジームシフトとENSOイベントとの関係を調べたところ,すべてのシフトは,ENSOイベントの発生と同期して起こっていたことがわかった.すなわち,レジームシフトの起こったとき,熱帯太平洋のSSTは,ラ・ニーニャ(エル・ニーニョ)の状態からエル・ニーニョ(ラ・ニーニャ)の状態へ1年で遷移していた.これらのENSOイベントは,7-9月期に始まり,翌年の1-3月期に成熟期に達した後,翌年まで持続するという特徴的な季節発展を示していた.一方,レジームシフトに伴うSSTの変化は,ENSOイベントのものと比べ,1-3月期の北太平洋や北大西洋において顕著であった.また,それらの変化は,ほとんどの海域で,次のシフトまで持続していた.EOF解析により,全球SST場に卓越する変動パターンを抽出したところ,4つのモードが得られた.すなわち,1年を通して卓越するENSOモードと南半球トレンドモード,および,1-3月期に北半球で卓越する北太平洋モードと北極振動モードである.北半球と同様,全球規模においても,ENSOモード,北太平洋モードと北極振動モードが,レジームシフトに伴い,同期した有意な位相反転を示した.すなわち,北半球1-3月期においては,複数モードの同時符号反転があったために,ENSOイベントに伴う変化より大きな変化が見られたものと考えられる.また,北太平洋モードの符号反転は,熱帯太平洋西部における高気圧性(もしくは低気圧性)の大気循環をもたらし,レジームシフトに同期したエル・ニーニョ(ラ・ニーニャ)の終息を抑制する働きをしたことが示唆される.これらの成果はアメリカで開催されたワークショップや日本海洋学会ならびに日本気象学会で発表されるとともに,国際学会誌International Journal of Climatologyに掲載された.気候変動に関するいくつかの指数は、個々の状態の持続時間に比べて非常に短い時間で符号反転を示すことから、気候系の状態変化は「気候のジャンプ」あるいは「レジームシフト」と呼ばれている。過去の研究により、これまでにいくつかのレジームシフトが起こったことが知られているが、それらの記述は北半球に限られており、南半球海面水温場との関係はよく分かっていない。そこで、南半球におけるレジームシフトの有無、および北半球のレジームシフトとの関係を調べることを、本研究の目的とした。また、過去の長期変動研究は北半球冬季に注目して行われてきたが、南半球を含めた全球規模の特徴をうまく記述するために、北半球夏季(すなわち南半球冬季)に関する解析もあわせて行った。南半球は、北半球に比べてデータ数が限られており、特に長期変動に関する統一した見解は得られていない。そこで、まず、南半球の海面水温場に卓越する変動モードを得るために、EOF解析を行った。その結果、両季節を通して、エルニーニョ・南方振動(ENSO)に関連する変動と南半球環状モードに関連する変動の2つが卓越することが分かった。次に、各季節においてレジームシフトの検出を試みた。すなわち、格子化海面水温場において、急激な変化の起こった格子点の割合を年毎に計算し、その割合が大きい年をシフトの起こった年と見なし、レジームシフトの検出を行った。その結果、北半球冬季に全球規模で出現するレジームシフトは、その半年前の太平洋熱帯域の変動すなわちENSOイベントと関係していることが示唆された。また、これらのレジームシフトは、全球海面水温場の卓越変動モードであるENSOモード、北太平洋モード、北極振動モードでうまく記述できることが分かった。以上の解析結果を日本海洋学会、日本気象学会、および国内外で開催された国際学会・国際シンポジウムで発表した。レジームシフトがいつ起こり,その前後でどのような変化が起こったのかを,海面水温(SST)場に着目して調べた.また,気圧や風の格子化データを用いて,SST変動に伴う大気循環場の変動を明らかにした.さらにレジームシフトとSST場の卓越変動モードやENSOイベントとの関係についても調べた.その結果,1910年代から1990年代にかけて、計5回のレジームシフトが全球スケールで起こっていたことがわかった.それらは,以前の研究において,北半球で見出されたレジームシフトのうち、熱帯変動を伴うものと一致していた.次に,レジームシフトとENSOイベントとの関係を調べたところ,すべてのシフトは,ENSOイベントの発生と同期して起こっていたことがわかった.すなわち,レジームシフトの起こったとき,熱帯太平洋のSSTは,ラ・ニーニャ(エル・ニーニョ)の状態からエル・ニーニョ(ラ・ニーニャ)の状態へ1年で遷移していた.これらのENSOイベントは,7-9月期に始まり,翌年の1-3月期に成熟期に達した後,翌年まで持続するという特徴的な季節発展を示していた.一方,レジームシフトに伴うSSTの変化は,ENSOイベントのものと比べ,1-3月期の北太平洋や北大西洋において顕著であった.また,それらの変化は,ほとんどの海域で,次のシフトまで持続していた.

EOF解析により,全球SST場に卓越する変動パターンを抽出したところ,4つのモードが得られた.すなわち,1年を通して卓越するENSOモードと南半球トレンドモード,および,1-3月期に北半球で卓越する北太平洋モードと北極振動モードである.北半球と同様,全球規模においても,ENSOモード,北太平洋モードと北極振動モードが,レジームシフトに伴い,同期した有意な位相反転を示した.すなわち,北半球1-3月期においては,複数モードの同時符号反転があったために,ENSOイベントに伴う変化より大きな変化が見られたものと考えられる.また,北太平洋モードの符号反転は,熱帯太平洋西部における高気圧性(もしくは低気圧性)の大気循環をもたらし,レジームシフトに同期したエル・ニーニョ(ラ・ニーニャ)の終息を抑制する働きをしたことが示唆される.これらの成果はアメリカで開催されたワークショップや日本海洋学会ならびに日本気象学会で発表されるとともに,国際学会誌International Journal of Climatologyに掲載された.
哺乳類時計遺伝子を用いた生体リズムの分子機構の解明

1、in vivoにおける時計分子の機能を明らかにするために、ショウジョウバエnull変異体を用いたin vivo rescueの実験を行った。ショウジョウバエnull変異体に哺乳類時計遺伝子(Per2,Per3)を導入することにより、行動リズムが回復することを確認し、生体におけるPERの核移行を検討した。3、Differential display法を用いて、視交叉上核(SCN)由来のzinc-finger型転写因子(Lot1)を単離した。Lot1はP1からP10にかけてSCNにおいて強い発現が見られた。これはSCNニューロン間のシナプス形成の時期に一致しており、Lot1のシナプス形成における関与が示唆された。4、培養細胞の血清刺激により、時計蛋白(mPER2,mPER3)の発現に概日リズムがみられることを、特異抗体を用いたWesternブロット法により明らかにした。しかし、TIM蛋白の挙動には、概日リズムがみられなかった。また、NIH3T3細胞を50%血清処理した後、蛋白分解酵素阻害剤を処理することにより、蛋白量(mPER2,mPER3)変移の変化を検討した。さらに、血清処理細胞を10-40%グリセロールで分画した後、SDS-PAGE上で、時計蛋白(mPER2,mPER3)とプロテアソームとの会合を検討した。生体リズム、特に約24時間周期の概日リズムはほとんどすべての生物にみられる基本的生命現象である。最近、我々は数種類の哺乳類時計遺伝子を単離、解析した。本研究は、これらの時計遺伝子群を用いて、哺乳類概日系の時計遺伝子から細胞膜に至るリズム生成の情報伝達系及び光による同調機構を分子のレベルで明らかにしようとするものである。3、Defferential display法を用いて、視交叉上核(SCN)由来のzinc-finger型転写因子(Lot1)を単離した。生物リズム、特に約24時間周期の概日リズムはほとんどすべての生物にみられる基本的生命現象である。本研究は、これら時計遺伝子群を用いて、哺乳類概日系の時計遺伝子から細胞膜に至るリズム生成の情報伝達系及び光による同調機構を分子のレベルで明らかにしようとするものである。1、培養細胞の血清刺激により、時計蛋白(mPER2,mPER3)の発現に概日リズムがみられることを、特異抗体を用いたWesternブロット法により明らかにした。
電極反応機構の理論的研究

電極界面は基本的に2次元的であり、かつ高濃度の電解質イオンが吸着・凝縮している。従って、シミュレーションを含む理論的研究は大変に難しく、ボルタ以来200年の研究によっても未だ反応機構が十分解明されたとは言い難い。本研究は、電極反応における物理的本質をできるだけ明確にとらえるため、始めは分子モデルを比較的簡単化した系でモンテカルロシミュレーションを行い、徐々に実際的分子モデルに近づけるというストラテジーをとる。その第1段階として、全ての分子・イオンを球状に仮定し、さらに金属の鏡像力を考慮して、有限の大きさの球形容器の中に粒子を閉じこめてシミュレーションを行った。それを電子移動にたいする反応座標理論で解析した結果、電極界面でイオンおよび溶媒分子の揺らぎに大きな非線形性のあることが見いだされた。従って、線形応答を基礎にするマーカスのエネルギーギャップ則(パラボラ状)は反応の種類に依存して大きく変形する。このように異常に大きな非線形性が得られたのは、シミュレーションに用いた分子モデルを簡単化しすぎたためである可能性を検討する必要がある。そのために、溶媒分子を通常の水分子モデルtip3pに置き換え、熱平衡状態を完全に達成するためにmulticanonicalモンテカルロ法を採用する。さらに、有限の大きさの球状容器の境界条件による影響を緩和するために、容器の外側に水分子の揺らぎに相当するreaction fieldを発生させることにした。現在これらのプログラムを書き終え、データを集積中である。今年度は、上の作業と平行して、簡単な分子モデルで得られたシミュレーションデータを用いてさらに詳しい解析を行った。その結果、中性の反応体は電極表面に対して接近したり遠ざかる揺らぎが大きく、荷電反応体は揺らぎが小さい。すなわち、反応体の揺らぎ運動が非常に大きな非線形性を持つことが分かった。
３次元機能回復モデル規範型リハビリシステムの開発による麻痺手使用機会の向上

脳卒中片麻痺に対するリハビリテーションでは学習性不使用などの代償行動が顕著なため目標となる運動の訓練が困難になる.皮質脊髄路の再編成に着目した従来型神経リハビリテーション研究では,この学習性不使用の神経基盤を明らかにすることは出来なかった.そこで本研究では,研究代表者が確立した「運動学習の再最適化原理」に基づいて,運動野・小脳・基底核が担う異なる3種類の学習アルゴリズムのバランスに着目した新しい機能回復モデルを構築し,学習性不使用のメカニズムをシステム工学の立場から解明する.この工学的モデルを用いれば,行動から潜在的な不使用を推定し,それをロボットリハビリテーションに反映させることで不使用を克服・予防することが可能である.この新しいアプローチに基づいて,代償行動の統制を目的とする「計算論規範型ロボットリハビリテーション」の研究基盤を確立する。これまでに、リハビリテーションロボットの開発ならびに双碗化を実施した。また、一次運動野における運動の集団符号化に基づく運動生成モデルと強化学習モデルを組み合わせた機能回復の計算モデルを作成した。この計算モデルは、運動野のニューロンの一部を疑似的に取り除くことにより、脳卒中を模擬することができる。そして、学習アルゴリズムによって、損傷を受けていないニューロンの至適方向を学習し、代替機能を獲得することができる。さらに強化学習アルゴリズムとの組み合わせによって、回復の過程において行動の選択を変化させることができる。リハビリテーションにおいて、「学習性不使用」が問題となるが、提案モデルによって、「学習性不使用」をシミュレーションすることが出来た。また、「学習性不使用」を避けるリハビリテーション訓練の手法を提案した。サルの行動実験データのモデル規範型解析を通じて、本モデルの妥当性を検証した。これまでに、機能回復の計算理論の構築と実験環境の構築、計算機シミュレーションが終了した。平成29年度は、健常者による検証実験パラダイムの開発を行い、フィージビリティテストを実施した。また、これまでに2名の小脳失調患者に対する実験を行った。サル行動実験データのさらなる解析と、この解析結果をフィードバックとして理論の修正を行う。引き続き、健常者に対する実験と患者に対する実験を行う。「学習性不使用」の発生メカニズムを理解するために、集団符号化仮説に基づいた一次運動野のモデルと強化学習モデルを組み合わせた運動学習モデルを構築し、一次運動野の損傷からの回復プロセスの数値実験を実施した。この機能回復モデルを用いて、皮質の回復のスピードと行動決定のスピードの不一致によって、学習性不使用が導かれることを明らかにした。特に、神経細胞の受容野の特性が運動指令生成の基底関数を形成することにより、この基底関数の特性によって、学習性不使用への捕らわれやすさが変化することを明らかにした。このような特性に基づき、リハビリテーションロボットの制御手法を導き、数値実験によってその手法が有効であることを明らかにした。本モデルを用いることによって、機能回復中の基底関数の拡大が、代償的行動における感覚経験を理想的行動の獲得へ汎化させることにとって効果的であることが、初めて明らかになった。さらに、このような基底関数の拡大と同等の効果を、ロボットマニピュランダムによって、新奇の環境を呈示することによって可能であることを明らかにした。学会発表において本成果を発表した。本モデルの健常被験者における検証を行うために、実験パラダイム開発を行い、おおよそ50名の健常被験者で実験を実施し、パラダイムの調整と有効性の確認を行った。さらに、実際のリハビリテーションの場面でより重要になる左右手選択課題へモデルを拡張し、検証実験のための双碗型ロボットマニピュランダムの開発を行った。本研究を進めるうえで重要な双腕型ロボットマニピュランダムの開発を進め、必要なダイレクトドライブモータ、ドライバや各センサ類の選定・購入を進めた。さらに、マニピュランダムの設計と制作を行い、試作品の第一号が完成した。また、インピーダンス制御のプログラム開発が終了した。研究進捗の管理を行うために、研究分担者と月に1回のミーティングを開催し、本研究が目指すモデルベースドリハビリテーションに関する議論と研究の進捗報告を実施した。患者を対象とした実験を進めるために、実験プロトコルの精査を安全性の評価を行い、筑波大学付属病院の倫理委員会への申請を行った。年度内に実験プロトコルが承認され、本格的に疾患例に対する実験が可能になった。年度末には1回目の実験を脊髄小脳変性症を対象として行い、実験プロトコルのフィージビリティテストを行った。結果として、安全性が確認されただけではなく、運動スキルの運動方向ごとのバイアスと、学習に対する鋭敏性の差が観測され、このような差が運動スキルの意思決定に影響を与えていることが示唆された。

また、一次運動野における運動の集団符号化に基づく運動生成モデルと強化学習モデルを組み合わせた機能回復の計算モデルを作成した。この計算モデルは、運動野のニューロンの一部を疑似的に取り除くことにより、脳卒中を模擬することができる。そして、学習アルゴリズムによって、損傷を受けていないニューロンの至適方向を学習し、代替機能を獲得することができる。さらに強化学習アルゴリズムとの組み合わせによって、回復の過程において行動の選択を変化させることができる。リハビリテーションにおいて、「学習性不使用」が問題となるが、提案モデルによって、「学習性不使用」をシミュレーションすることが出来た。また、「学習性不使用」を避けるリハビリテーション訓練の手法を提案した。サルの行動実験データのモデル規範型解析を通じて、本モデルの妥当性を検証した。これまでに、機能回復の計算理論の構築と実験環境の構築、計算機シミュレーションが終了した。平成29年度は、健常者による検証実験パラダイムの開発を行い、フィージビリティテストを実施した。また、これまでに2名の小脳失調患者に対する実験を行った。引き続き計算論モデルの構築と数値実験を行い、学習性不使用からの脱却の条件を導く。特に、『学習性不使用は1脳卒中によって2増加した感覚予測誤差の影響を3最小化するために再最適化を行い4代償行動が過剰に選択される』という仮説に基づき、仮説のさらなる理論面での検証を実施し、機能回復モデルを強固にする。単椀型ロボットにおいて開発したモデル検証のための運動計測課題を双碗型ロボットマニピュランダムへ適用することにより、よりリハビリテーションの現実的な場面で重要になる左右手選択課題を実施できるようにする。機能回復モデルから導かれる学習性不使用からの脱却を導く力学的環境と訓練方法を、双碗型ロボットマニピュランダムへ適用し、健常被験者における検証実験を実施する。さらに、片麻痺を伴う疾患例に対して同様の訓練を実施し、その効果の短期効果を検証する。サル行動実験データのさらなる解析と、この解析結果をフィードバックとして理論の修正を行う。引き続き、健常者に対する実験と患者に対する実験を行う。
細胞・臓器イメージング用新規化学センシング分子試薬の開発

これまでにいくつかの革新的な蛍光プローブや蛍光測定技術が開発されてきたが、多くの生体物質を測りたいという要望に対して、分子センシングプローブの先端技術開発は十分ではない。本研究では、ユニークな特性を有する蛍光、発光プローブ、レドックスプローブおよび核磁気共鳴(MRI)プローブの設計と合成を行い、生体内物質の検出および挙動解析などを目指した数種の新規イメージングプローブの開発を行った。本年度は蛍光および発光イメージングの基本骨格となる、650-750nmに高い輝度(高い蛍光量子収率および大きいモル吸光係数)を持つ色素の開発を中心に研究を進めた。その場合、マウススケールまでの生体イメージングを可能とする近赤外領域に強い蛍光を持つ色素骨格を目指した。近赤外光(650-900nm)によるバイオイメージングは、簡便、高感度かつ非侵襲的な生体組織深部の動態観察が可能であり、マウススケールでのin vivoイメージングにおいて必要不可欠な手法の一つとなっている。しかしながら、in vivoイメージング技術の根幹を支える近赤外蛍光プローブは、その種類も少なく、光学特性(輝度や耐久性)も乏しいため、いまだに理想的な性能を有する色素の開発が模索されている。そこで我々は、色素骨格から設計することでこの問題点を解決することを考え、ボロンジピロメテン(BODIPY)を母骨格とした新たな蛍光色素骨格KeioFluor(KFL)を設計・合成した。KFLは、分子構造を変えることにより可視(547nm)から近赤外(738nm)領域内で発光波長を容易に調節できる色素基本骨格であり、これまでに計14種類のKFLを開発した(その内、近赤外蛍光を示すものは8種類)。加えて、これらはいずれも極めて高い蛍光量子収率(<98%)、高いモル吸光係数(<316,000M^<-1>cm^<-1>)、量子ドットよりも鋭い蛍光スペクトルを示し、既存の蛍光色素(ローダミン、オキサジン、シアニン、BODIPY)の特性を上回ることを確認し、世界最高水準の特性を得ることに成功した。近年のバイオ分析分野では、複数の検体を同時に分析することが求められており、蛍光イメージングプローブ開発においては、マルチ蛍光分析のニーズが高まっている。しかし、既存のマルチ蛍光色素ではそれぞれに適した励起波長が異なるため、複数のレーザーが必要である。そこで本研究では、エネルギー移動カセットを利用したマルチカラー有機蛍光色素PKFシリーズ(PKF-1,2,4)を設計、合成した。これらは365-384nm付近の吸収ピークで励起することで、それぞれ600,670,715nmの鋭いピークを持つ蛍光スペクトルを示し、単一光源で励起可能であった。細胞応用には、PKF-2とFura-2をHeLa細胞内に取り込ませ、単一波長励起で脂質とCa^<2+>濃度の同時イメージングに成功した。PyreneをドナーとするETCと既存のプローブを同時に用いたイメージングは初の成果である。一方、MRI(磁気共鳴イメージング)は、すでに病変の早期発見・早期治療の重要性が認識された画像診断法技術であるが、病変部位だけを特異的に描出する機能はない。早期発見には病変部位だけを特異的に描出することのできる造影剤が求められている。本研究では、心筋梗塞や脳梗塞に関連するアテローム性動脈硬化の脂質に富んだ血管内皮沈着物のソフトプラークをターゲットとしたMRI用造影剤開発を目指した。分子設計としては、ガドリニウム錯体をベースに、脂溶性ソフトプラークに親和性のあるベンゼンスルホン酸とミセル形成のための疎水性アルキル側鎖をつけた化合物(KMR-Micell)とした。合成したKMR-Micellは、疎水性アルキル鎖の長さを変えて検討したところ、市販のガドリニウム錯体Magnevistに比べて約24倍高く、高感度に病原部位を描出できることが示された。本年度も、昨年度に引き続き、新規の蛍光発光プローブ、および磁気共鳴(MRI)プローブの設計および合成を中心に研究を進めた。特に分子イメージングの分野で遺伝子発現タグが注目を集めていることから、GFPなどの蛍光タンパク質を用いた生物学的な手法と,有機蛍光色素などを用いた化学的な手法のメリットを組み合わせたケミカルバイオロジー的なプローブの創製を行った。まず、哺乳類細胞で高い発現を有するCMVプロモーターの下流に、遺伝子発現タグの一種であるハロタグ(Halo Tag)結合システムのレセプターの遺伝子、さらに膜貫通ドメインの遺伝子を融合タンパクとして発現させるプラスミドベクターを構築した。このプラスミドを細胞に導入すると、細胞膜の表面にハロタグタンパクのレセプターが発現した。また、ハロタグタンパクレセプターと特異的に結合するリガンドと、蛍光プローブやMRIプローブといった機能性分子を結合させた分子を合成し、細胞膜表面に機能を付与するシステムを構築した。さらに、蛍光色素を封入したハロタグリガンド結合リポソームと、非結合リポソームを作製し、ハロタグタンパク質発現細胞に作用させ、共焦点顕微鏡で結合を確認した。

その結果、ハロタグリガンド結合リポソームのみが対応するハロタグタンパク質発現細胞と結合する様子が観察され、ハロタグシステムの結合特異性を、リポソームを利用したこの研究コンセプトでも確認できた。実際に作製したリポソームに抗がん剤(ドキソルビシン)を封入し、ハロタグ発現細胞に作用させた。すると、ハロタグリガンド結合リポソームと非結合リポソームでは、抗がん作用に差を観察することができた。このような機能を付与した機能性細胞やリポソームは癌の検出に加えて、治療を可能とする機能付与へのマルチな応用が期待できる。
環境に配慮した水理構造物周辺流動の非定常応答特性に関する研究

本研究は,水理構造物や高水敷植生等の環境を意識した河道形態が洪水流が通過するときの非定常応答特性を明らかにすることおよび狭い意味での中規模の非定常性に着目した樹木群境界や水制後方で発生する非定常な大規模渦構造の特性を明らかにすることを目的として行われた.非定常流量制御システムによる高水敷樹木群を有する非定常流れの実験的研究と非定常の2次元水深平均の数値計算を行うとともに,樹木群境界および水制周辺の流れ構造の検討を行った.複断面では単断面に比べて低水路で流速のピークがかなり速く現れる.高水敷に樹木群がある場合,低水路の非定常性が大きくなり,特に低水路近くに樹木群がある場合この傾向が強い.高水敷の一部区間に樹木群模型がある場合,水位は樹木群上流で貯留効果を示し樹木群内で急激に水位が減少し,3次元的な流動が起こる.非定常2次元水深平均数値計算によって洪水流に及ぼす樹木群の影響が再現された.次に,高水敷高さと樹木群密生度を変化させた実験から,大規模渦の発生が確認され,密生度が大きくなるほど規則性が顕著となり,高水敷が高くなるほど周期的大規模渦の発生が抑制された.非定常の2次元平面流計算によってこのような周期的な大規模渦構造がある程度予測された.水制については,不透過の場合は固定床では明確な循環流が形成されるが,移動床では水制先端付近の局所洗掘と後方の峰状の堆積によって水制背後の循環流の規模が縮小した.屈折透過型水制の場合は循環流が形成されるが,逆流は小さく乱れも減少し,局所洗掘が大幅に減少した,水面の可視化画像解析から不透過型と透過型の水制のはく離渦構造の発生・変形過程の違いが明らかにされた.以上,河道の植生と河岸域の創造のための水制という2点に焦点を絞り,流量変化と時間変動という異なるスケールでの非定常性の影響について検討し,水工学上有用な成果が得られた.本研究は,水理構造物や高水敷植生等の環境を意識した河道形態が洪水流が通過するときの非定常応答特性を明らかにすることおよび狭い意味での中規模の非定常性に着目した樹木群境界や水制後方で発生する非定常な大規模渦構造の特性を明らかにすることを目的として行われた.非定常流量制御システムによる高水敷樹木群を有する非定常流れの実験的研究と非定常の2次元水深平均の数値計算を行うとともに,樹木群境界および水制周辺の流れ構造の検討を行った.複断面では単断面に比べて低水路で流速のピークがかなり速く現れる.高水敷に樹木群がある場合,低水路の非定常性が大きくなり,特に低水路近くに樹木群がある場合この傾向が強い.高水敷の一部区間に樹木群模型がある場合,水位は樹木群上流で貯留効果を示し樹木群内で急激に水位が減少し,3次元的な流動が起こる.非定常2次元水深平均数値計算によって洪水流に及ぼす樹木群の影響が再現された.次に,高水敷高さと樹木群密生度を変化させた実験から,大規模渦の発生が確認され,密生度が大きくなるほど規則性が顕著となり,高水敷が高くなるほど周期的大規模渦の発生が抑制された.非定常の2次元平面流計算によってこのような周期的な大規模渦構造がある程度予測された.水制については,不透過の場合は固定床では明確な循環流が形成されるが,移動床では水制先端付近の局所洗掘と後方の峰状の堆積によって水制背後の循環流の規模が縮小した.屈折透過型水制の場合は循環流が形成されるが,逆流は小さく乱れも減少し,局所洗掘が大幅に減少した,水面の可視化画像解析から不透過型と透過型の水制のはく離渦構造の発生・変形過程の違いが明らかにされた.以上,河道の植生と河岸域の創造のための水制という2点に焦点を絞り,流量変化と時間変動という異なるスケールでの非定常性の影響について検討し,水工学上有用な成果が得られた.本年度は、低水路護岸や高水敷植生が洪水時に受ける現象を検討した。流量が時間的に変化する洪水流を実験室で再現するためにインバータ-モーターと電磁流量計による流量制御システムを用い、パーソナルコンピュータによって波形制御およびデータ収集の自動システムを構築した。実験はプロペラ流速計および電磁流速計を用いた流量変化時の流速の点計測と、容量式波高計による波高の計測を同時に行い、3次元乱流構造の変化過程を時々刻々追跡した。実験条件として、対称および非対称の複断面水路における非定常流と高水敷の両側もしくは片側に樹木群模型を設置した対称複断面水路における非定常流を設定した。複断面の場合、単断面に比べて低水路で非定常性が著しく強くなり、流速のピークがかなり速い時間に現れることが示された。複断面水路の高水敷に樹木群がある場合、水位および低水路流速のピーク到達時間はほぼ等しいが、2重ピークの形状が異なった。増水期と減水期の低水路平均流速の非定常性は樹木列がある方が大きくなり、特に低水路近くに樹木群がある場合この傾向が強いことがわかった。非定常流では樹木群境界において定常流より大きな流速勾配と大きな乱れが生じる。また、樹木群区間を短くした場合の水位変化を検討した結果、樹木群上流は抵抗により堰き上げられ貯留効果を示し、樹木群内で急激に水位が減少し、下流にもこの変動の影響が及ぶことが明らかにされた。

1次元の運動方程式の数値計算によって洪水追跡計算を試みた。合成粗度係数を実験値から経験的に与えることにより実験値を良好に再現でき,樹木群を有する河道の水位の数値予測が可能であることが示された。次年度は,水制やわんどを通過する非定常流の水理特性を検討し,大規模渦構造および河床変動の時間変化を追跡するとともに,さらに2次元平面流れの基礎式に基づく非定常流の数値計算を試みる。本年度は昨年に引き続き局所的な高水敷樹木群を有する複断面開水路の,洪水流に対する非定常応答特性に関して実験と計算を行うとともに,新しく,樹木群境界流で発生する非定常な大規模渦構造についても検討した.次に,環境に配慮した水理構造物として透過型の水制を取り上げ,水制周辺の流れ特性について検討した.対称複断面水路の一部に樹木群模型を設置した非定常流実験を行った.水位は樹木群上流で抵抗により堰き上げられ貯留効果を示し,樹木群内で急激に水位が減少し、下流にもこの変動の影響が及ぶことが明らかにされた.また,樹木群を伴う複断面開水路流れの非定常流の2次元水深平均流としての数値計算法を開発し,実験値と良好な一致を得た.次に,片側複断面水路に樹木群模型を設置し,樹木群の密生度を変化させた大規模渦の実験を行った.いずれの密生度においてもほぼ同周期の大規模渦が発生したが,密生度が大きくなるほど規則性が顕著となり,また,高水敷高さが高くなるほど周期的大規模渦の発生が抑制された.染料による可視化実験および流速変動の時系列解析から,樹木群内の低速流が周期的に急激に外側へ押し出される流れ構造が明らかとなり、非定常の2次元平面流計算によってこのような周期的な大規模渦構造がある程度予測された.水理構造物に関してスリット状の透過部を持つ透過型水制に関する実験を行った.不透過の場合は固定床では明確な循環流が形成されるが,移動床においては水制先端付近で局所洗掘が生じ下流に流れと平行な峰状の堆積が起こるため、水制背後に流れが入り込み循環流は規模が縮小した.屈折透過型水制の場合は循環流が形成されるが,逆流は小さくなり乱れも減少し,局所洗掘が大幅に減少した.また,水面の可視化画像解析から不透過型と透過型の水制のはく離渦構造の発生・変形過程の違いが明らかにされた.
エンテロペプチダーゼの発現調節機構の検討

エンテロペプチダーゼはトリプシノーゲンをトリプシンに変換する活性化酵素であり、消化管内の蛋白分解におけるイニシエーターと考えられている。これまでに我々は本酵素のcDNAクローニングを通して、その基本構造や局在についての検討を行ってきた。今回その発現調節機構を明らかにするために、遺伝子レベル、蛋白レベルでの発現の検討を行った。またこれまでの検討により、本酵素は十二指腸上皮の最終分化のマーカーであることが強く示唆されている。そこでエンテロペプチダーゼ遺伝子の発現が、副腎皮質ステロイドにより制御されている可能性を探るために、幼若ラットにハイドロコーチゾンを投与し、グルココルチコイドによる本酵素の発現に対する影響について調べた。RT-PCRによる遺伝子発現の検討では、妊娠19日齢よりmRNAの発現がみられ、20、21日齢で急激な発現量の増加がみられた。出生後は徐々に発現量が増加し、離乳期と考えられる時期より一段と発現量が増加した。活性測定では、遺伝子発現にはやや遅れるものの、離乳期を境に酵素活性が増加した。免疫組織染色でも、酵素活性が上昇するにつれてその染まりも明瞭となった。これらの事実より、本酵素の発現調節は主に遺伝子の転写レベルで行われていると考えられた。一方、ステロイドホルモン投与による検討では、投与後3時間目より著しいmRNA発現の増加が認められ、速やかに発現のピークに達して持続した。このピーク時の発現量は、十分に成熟した成体ラットの発現量にほぼ匹敵する量であると考えられた。さらに、酵素活性による蛋白レベルでの発現量の検討では、遺伝子発現の増加にはやや遅れるものの、ほぼ同様の傾向で酵素活性の上昇が見られた。免疫組織化学による検討でも、投与群では活性がほぼピークになると考えられる48時間目にはbrush borderが濃染し、コントロール群と比べてその違いは明瞭となった。以上より、本酵素はハイドロコーチゾン投与により発現が誘導され、しかもその反応が比較的早期より見られることより、主にステロイドレセプターを介した直接作用と推測された。各臓器におけるエンテロペプチダーゼの局在をみるためのNorthern Blottingの検討では、十二指腸にのみ約4.4kbのエンテロペプチダーゼmRNAのシグナルが見られた。さらに微量な発現を確認するために行ったRT-PCRによる検討では、Northern Blottingと同様に、ます十二指腸においてシグナルが見られたが、反応のサイクル数を34回増やすことにより、空腸および回腸においても同様のシグナルが検出された。一方、合成基質を使用た酵素活性の測定では、十二指腸にのみ著しい活性が見られ、上部空腸での活性は僅かであり、それ以下の部位にはほとんど活性は認められなかった。今回我々が作成したエンテロペプチダーゼに対する特異抗体による免疫組織染色では、brush borderに一致した染まりが見られたが、その染色性には活性のデータと同様に十二指腸から回腸にかけての明らかな勾配が見られ、十二指腸で強い染色が見られたが、空腸、回腸での染まりはわずかであった。これらはの蛋白レベルでの発現のデータは、RT-PCRによる遺伝子レベルでの本酵素の発現のデータに添うかたちであり、本酵素の発現調節は翻訳レベルではなく転写レベルでなされているものと推測された。また、エンテロペプチダーゼ発現の主座である十二指腸粘膜局所に注目してみると、villiの頂部での染まりが最も強く基部に行くに従って染色性が弱くなり、cryptの部分では全く染色が見られなかった。

そこで、十二指腸粘膜局所での垂直方向における発現の違いを遺伝子レベルで調べるために、十二指腸粘膜の上皮のみを剥離し、上皮をvilliとcryptの部分に分けてRNAを抽出し、RT-PCRを行ってみると、やはりvilliの方にのみシグナルが見られ、cryptの方にはシグナルは見られなかった。エンテロペプチダーゼはトリプシノーゲンをトリプシンに変換する活性化酵素であり、消化管内の蛋白分解におけるイニシエーターと考えられている。これまでに我々は本酵素のcDNAクローニングを通して、その基本構造や局在についての検討を行ってきた。今回その発現調節機構を明らかにするために、遺伝子レベル、蛋白レベルでの発現の検討を行った。またこれまでの検討により、本酵素は十二指腸上皮の最終分化のマーカーであることが強く示唆されている。そこでエンテロペプチダーゼ遺伝子の発現が、副腎皮質ステロイドにより制御されている可能性を探るために、幼若ラットにハイドロコーチゾンを投与し、グルココルチコイドによる本酵素の発現に対する影響について調べた。RT-PCRによる遺伝子発現の検討では、妊娠19日齢よりmRNAの発現がみられ、20、21日齢で急激な発現量の増加がみられた。出生後は徐々に発現量が増加し、離乳期と考えられる時期より一段と発現量が増加した。活性測定では、遺伝子発現にはやや遅れるものの、離乳期を境に酵素活性が増加した。免疫組織染色でも、酵素活性が上昇するにつれてその染まりも明瞭となった。これらの事実より、本酵素の発現調節は主に遺伝子の転写レベルで行われていると考えられた。一方、ステロイドホルモン投与による検討では、投与後3時間目より著しいmRNA発現の増加が認められ、速やかに発現のピークに達して持続した。このピーク時の発現量は、十分に成熟した成体ラットの発現量にほぼ匹敵する量であると考えられた。さらに、酵素活性による蛋白レベルでの発現量の検討では、遺伝子発現の増加にはやや遅れるものの、ほぼ同様の傾向で酵素活性の上昇が見られた。免疫組織化学による検討でも、投与群では活性がほぼピークになると考えられる48時間目にはbrush borderが濃染し、コントロール群と比べてその違いは明瞭となった。以上より、本酵素はハイドロコーチゾン投与により発現が誘導され、しかもその反応が比較的早期より見られることより、主にステロイドレセプターを介した直接作用と推測された。
短周期地震波を用いた固体地球内部の不均質構造の解明

地球内部の不均質構造をより詳細に調べるための手法開発として,マルコフ近似理論に速度不連続境界を取り入れ,決定論的手法から求められる構造とランダム不均質構造を仮定した統計的手法の融合を行った.平面波入射の場合の理論は前年度の研究により構築されており,本年度は点震源から放射される球面波の場合へと拡張を行った.速度境界において平面波入射の場合に行った散乱波の角度分布の修正の他に,波面の曲率を修正することにより,短周期地震波エンベロープの理論的導出に成功した.決定論的手法によって地球内部にはいくつかの速度不連続境界が存在することが明らかになっており,本研究で導出した手法を用いることによって,大規模な構造を考慮し,そこに重畳するランダム不均質構造の推定が可能となった.これまでの研究例が少ないマントルにおける短波長不均質構造を解明するために,日本列島直下で発生した地震のS波とScS波をHi-net(防災科学技術研究所)の多観測点を用いて解析した.観測される地震波エンベロープの幅から,マントルにも短波長不均質構造が存在しているが,速度ゆらぎの程度は非常に弱いことを示唆された.この観測されたエンベロープに,本研究で導出したマルコフ近似に基づく手法を適用した結果,リソスフェアにおける短波長不均質は従来の研究と同程度であったが,マントルでは従来の報告例よりも弱い短波長な速度ゆらぎが推定された.この結果は,地震波の相によって受ける速度ゆらぎの影響が異なる可能性と,マントルに非等方な短波長速度ゆらぎが存在している可能性を示唆するものとなった.本研究の手法は浅部の地震に対しても適用可能であり,さまざまな大きさのスケールで地球内部の不均質構造を明らかにされることが期待される.これらの結果をIUGGと地震学会において発表した.また,理論導出の一部をEmoto et al. (2012)として公表した.固体地球内部の不均質構造をより精度よく調べるために,決定論的な速度構造と統計的な小規模の構造を融合させる研究を行った.背景速度に不連続構造があるランダム不均質媒質において,不連続境界での散乱波の角度分布を修正することによって,短周期地震波エンベロープの理論的導出に成功した.これは従来の無限媒質におけるマルコフ近似理論を拡張したものであり,これにより,深さごとに地震波速度が階段状に異なっている媒質において不均質の統計的パラメータを見積もることが可能になる.固体地球内部にはいくつかの速度不連続面があると考えられており,本手法は,実際のデータを解析する際に役立つと考えられる.また,差分法を用いて弾性体の運動方程式を解いたものと比較することによって,本手法を検証した結果,不連続面を透過する屈折波のみでなく,速度境界における変換波も精度よく合成できていることが確かめられた.さらに現実的なモデル構築を目的として,ランダム速度不均質構造に異方性を導入し,マルコフ近似によってエンベロープを合成した.差分法と比較することにより,マルコフ近似が成りたつ条件を数値的に導き出し,地表に鉛直に入射してくる地震波に対して,マルコフ近似が有用であることを示した.これらの成果を地震学会とAGUで発表し,まとめたものを論文として執筆中である.さらに,本手法を用いる上で,遠地Pよりも適していると考えられるScS波を,日本全国に分布しているHi-net観測点(防災科学技術研究所)を使用して解析している.地球内部の不均質構造をより詳細に調べるための手法開発として,マルコフ近似理論に速度不連続境界を取り入れ,決定論的手法から求められる構造とランダム不均質構造を仮定した統計的手法の融合を行った.平面波入射の場合の理論は前年度の研究により構築されており,本年度は点震源から放射される球面波の場合へと拡張を行った.速度境界において平面波入射の場合に行った散乱波の角度分布の修正の他に,波面の曲率を修正することにより,短周期地震波エンベロープの理論的導出に成功した.決定論的手法によって地球内部にはいくつかの速度不連続境界が存在することが明らかになっており,本研究で導出した手法を用いることによって,大規模な構造を考慮し,そこに重畳するランダム不均質構造の推定が可能となった.これまでの研究例が少ないマントルにおける短波長不均質構造を解明するために,日本列島直下で発生した地震のS波とScS波をHi-net(防災科学技術研究所)の多観測点を用いて解析した.観測される地震波エンベロープの幅から,マントルにも短波長不均質構造が存在しているが,速度ゆらぎの程度は非常に弱いことを示唆された.この観測されたエンベロープに,本研究で導出したマルコフ近似に基づく手法を適用した結果,リソスフェアにおける短波長不均質は従来の研究と同程度であったが,マントルでは従来の報告例よりも弱い短波長な速度ゆらぎが推定された.この結果は,地震波の相によって受ける速度ゆらぎの影響が異なる可能性と,マントルに非等方な短波長速度ゆらぎが存在している可能性を示唆するものとなった.本研究の手法は浅部の地震に対しても適用可能であり,さまざまな大きさのスケールで地球内部の不均質構造を明らかにされることが期待される.これらの結果をIUGGと地震学会において発表した.また,理論導出の一部をEmoto et al. (2012)として公表した.