hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
屍体足・人工筋骨格ハイブリッドロボットによる二足歩行の適応機能解明

本研究課題では,脳やせき髄からの投射がない場合の,歩行状態における人間の足部の機械的特性を計測するために,歩行状態を再現するための歩行シミュレータを作成し,これに屍体の足部を取り付け,二方向エックス線透視撮影装置の中で歩行させることによって,足部内部の骨の動きを観察するためのプラットフォームを開発した.これに関連して,歩行状態を再現するための歩行シミュレータの制御や,透過画像から各骨の三次元運動を精密に再構成するための画像処理技術などを開発した.足部に存在する機械的特性のうち,中足骨関節に着目し,同等の機能の足部をもつ二足歩行ロボットを開発,実験によって中足骨関節の歩行安定性への寄与を調べた.平成23年度には,屍体足部を駆動するための筋骨格構造を持つ下肢ロボットの試作,観察のためのレントゲン施設の整備,足部データに基づく動的シミュレータの作成を行った.○筋骨格構造を持つ下肢ロボットの試作:屍体足を駆動するための,空気圧人工筋によって駆動される二足下肢ロボットを試作した.下肢ロボットは,下記のレントゲンシステム内で歩行可能であり,かつヒト歩行の動的な振る舞いをある程度再現するように設計されている.またヒト足部のCTデータから,足部の骨の詳細なデータを作成し,これを基にシリコン製人工皮膚を持つ人工足部を試作,下肢ロボットに取り付け,歩行時の様子を観察した.その結果,構造として骨だけを再現しても足部の振る舞いがヒトのそれに似ないことを確認し,内部の腱と筋を付加する重要性を認めた.○観察のためのレントゲン施設の整備:本研究で使用するための,ステレオレントゲンシステムの性能を詳細に検討し,島津製作所に依頼して,二枚のフラットパネルを有する特注の3次元計測用ステレオシステムを構築し,慶應義塾大学医学部に導入した.○足部の動的シミュレータの作成:ヒトの足部CTデータより,足部の骨構造のモデル化を行った.これらの骨構造の詳細な動きを模擬するためのダイナミックシミュレータについて検討し,コンピュータシステムおよびソフトウエアを導入,運用を開始した.またヒトの筋電位をオンラインで測定するための測定システムを構築した.平成25年度は,歩行中の足部の骨の動きを詳細に観察するために,2方向エックス線透過撮影装置内で動作する歩行ロボットを試作,慶応大学医学部において,屍体足を用いた実験を始めた.その内容は以下のとおりである.○ロボットに屍体足を装着,駆動する技術を開発した.エックス線透過撮影装置は,エックス線の漏えい防止のために,サイズの限られた空間内でしか実験できない.このサイズに収まり,かつ歩行が可能なロボットを開発する必要がある.また,そのロボットに屍体足を固定し,いくつかの外来筋を,外部から駆動する必要がある.これらを実現するために,歩行ロボット(歩行シミュレータと呼ぶ),屍体足を固定するための脛骨と腓骨のCTデータに基づくクランプ,腱を駆動するための空気圧人工筋の固定方法などを開発した○歩行ロボットに,数例の足部標本を取り付け,歩行実験を行った.屍体足を装着したロボットが歩行する実験は,本件が世界初であり,この観測データを解析することによって,足部の機能解明が進むことが期待される.その過程の中で,実験結果の安定性の確保,実験より得られる歩行パターンがヒトのそれと近くなるような実験設定などについて,詳しく検討を行った.また,ロボットを2方向エックス線装置の中に入れ,足部の観察実験の試行をした.○得られた2方向エックス線装置の画像に,あらかじめCTによって得た骨の3次元データを自動的にレジストレーションすることにより,骨の動きを推定する方法を開発した.平成24年度には,前年度に導入したレントゲン施設の運用開始,屍体足部を駆動するための筋骨格構造を持つ下肢ロボットの製作,人工足部を持ったロボットの実験,生体のCTデータを基にした足部の動的モデルの構築と有限要素法を用いた動的シミュレータの作成などを行った.○レントゲン施設の運用開始:前年度に,これまで日本で見ることができなかった3Dステレオレントゲンシステムを構築した.本年はこのシステム内に,筋骨格ロボットを入れ,歩行を実現するためのシステムの調整を行った.また屍体足部をロボットに装着せず,単体としてレントゲンシステムに挿入し,2枚のレントゲン画像から骨の3次元的な位置,姿勢を再構築するシステムの開発を行った.○筋骨格構造を持つ下肢ロボットの試作:レントゲンシステム内で屍体足を駆動するための,空気圧人工筋によって駆動される二足下肢ロボットを試作した.一方で,ヒトの足部の骨の動きをシミュレートする現実モデルとして,前年度より引き続き,ヒトのCTデータを基にした人工足部を開発し,これを二足下肢ロボットに取り付けることにより,足部の骨がどのように動くかを観察した.○有限要素法を用いた動的シミュレータの開発:ヒトのCTデータを基に,ヒトの足部の詳細な骨構造をモデル化した.これに,皮膚と腱のダイナミクスを付加した,ヒト足部の有限要素モデルを構築し,ヒトの歩行データを基にした床への押し付けをシミュレートして,その反力と,変形について,実際のヒトの歩行中のデータとの比較を行った.1.2方向エックス線透過装置による屍体足の観察実験:昨年度に引き続き,2方向エックス線透過装置による屍体足の観察実験を,9回,慶応大学医学部解剖学教室で行った.得られた知見を以下に示す.

(1)歩行中に足部にかかる力や幾何学的拘束を再現するための歩行シミュレータ(ロボット)については,研究初年度から開発を進めているが,人間の歩行で生じるような床反力パターンを創り出すために,ロボットをどのように駆動すればよいか,駆動様式とその制御方法について検討を加えた.その結果,ほぼ人間と同等の床反力を再現することができる歩行シミュレータの開発に成功した.(2)歩行シミュレータを用いた屍体足への負荷実験を行い,その際の2方向エックス線透過装置の出力データを得た.そして,その出力データから自動的に骨の位置・姿勢を推定するためのアルゴリズムを開発した.また,実験結果より,足部内の骨の動きを定量的に評価した.2.足部有限要素モデルによるシミュレーション:有限要素法に基づく足部のモデルを作成し,動的シミュレーションを実施した.その結果,足首に実際の歩行中の変位を与え,アキレス腱などの外来筋に適当な力を発生させることによって,人間の自然な歩行のような床反力パターンを生成できることを示した.3.ヒト様の足部を持つヒューマノイドロボットの試作と実験:ヒトに見られるような横足根関節の構造を真似たロボット足部を試作し,二足ロボットの装着,歩行を実現することによって,このような関節が歩行の安定性に関与しているという実験データを得た.1.2方向エックス線透過装置による屍体足の観察実験を,慶応大学医学部解剖学教室にて,7回実施した.得られた知見を以下に示す.(1)歩行中に足部にかかる力や幾何学的拘束を再現するための歩行シミュレータ(ロボット)については,研究初年度から開発を進めているが,人間の歩行で生じるような床反力パターンを創り出すために,ロボットをどのように駆動すればよいか,駆動様式とその制御方法についてさらなる検討を加えた.本年度は,実験の再現性を担保するために,シミュレータ全体の剛性を上げ,人間様の床反力を発生するための駆動方法を開発した.(2)歩行シミュレータを用いた屍体足への負荷実験を行い,その際の2方向エックス線透過装置の出力データを得た.前年までに開発した,自動的に骨の位置・姿勢を推定するためのアルゴリズムを適用し,骨の観測を行い,足部内の骨の動きを定量的に評価した.2.有限要素法に基づく足部のモデルを作成し,動的シミュレーションを実施した.その結果,足首に実際の歩行中の変位を与え,アキレス腱などの外来筋に適当な力を発生させることによって,人間の自然な歩行のような床反力パターンを生成できることを示した.3.ヒトに見られるような横足根関節の構造を真似たロボット足部を試作し,二足ロボットの装着,歩行を実現することによって,このような関節が歩行の安定性に関与しているという実験データを得た.4.一連の研究で得られた成果を,学会誌解説や著書で社会的に公開した.本研究課題では,脳やせき髄からの投射がない場合の,歩行状態における人間の足部の機械的特性を計測するために,歩行状態を再現するための歩行シミュレータを作成し,これに屍体の足部を取り付け,二方向エックス線透視撮影装置の中で歩行させることによって,足部内部の骨の動きを観察するためのプラットフォームを開発した.これに関連して,歩行状態を再現するための歩行シミュレータの制御や,透過画像から各骨の三次元運動を精密に再構成するための画像処理技術などを開発した.
“放射線痴呆ラット"モデルを用いた大脳白質障害性痴呆の基礎的研究

ラットに放射線照射を施行、“痴呆モデル"を作製して照射方法及び照射量と白質障害との関係を解析・検討を行ってきた。生後6ケ月のFischer344雄ラットの全脳に、1回照射30Gy(A群)、25Gy(B群)、分割照射40Gy(5Gy×8/4週、C群)及びControl(D群)の照射を施行し、A、C群はその6ケ月、9ケ月及び12ケ月後に、B群はその12ケ月後にD群と共に脳高次機能障害の有無をMorrisの水迷路、受動的回避学習の2つの課題を用いて検討、組織学的検索を行った。結果、照射6ケ月後では脳高次機能障害も白質の壊死も認められず、A群でGFAP陽性のastrocyteの増加を認めた。9ケ月後ではA群で有意にB群でも少数に脳高次機能障害を認め、A群では海馬采、内包、脳梁に壊死を認め始め、白質でのGFAP陽性のastrocyteの増加を認めた。12ケ月後では、A、B、C群共有意に脳高次機能障害を認め、A>B>Cの順に障害の程度に差を認めた。また、A群では全例の脳梁、海馬采、内包のいずれか又は、全てに壊死を認めたが、B群では約60%の脳梁及びその周囲白質にのみ壊死を認め、C群では、壊死の出現は認めなかった。A、B、C群の脳の白質では壊死の有無にかかわらずGFAP陽性のastrocyteの著明な増加を認めた。この変化はいわゆる白質障害型の痴呆の組織学的変化に類似すると思われた。また、白質障害と壊死やアポトーシスの関連を検討する目的で、生後7日目のFischer344ラットの右大脳半球に5、10Gy及び15Gyの照射を施行し、Apop.Tagを用いてアポトーシスの有無を経時的に観察した。照射後6時間から照射側白質において、陽性細胞が多数認められ、15Gyでは、12時間後に、5Gy、10Gyでは24時間後に陽性細胞を最も多く認めたが、5日後にはいずれの群も認められなくなった。これは照射による、急性期のoligodendrocyteの直接の障害を観察していると考えた。ラットに放射線照射を施行することによって“痴呆モデル"を作製し、以下のような解析を行った。1.生後6カ月のFischer344ラットを、全脳に25Gy照射した群とコントロール群に分け、体重や行動の変化を観察した。さらに処置後12カ月の時期に、Morrisの水迷路と受動的回避学習の二つの課題を用いて高次機能障害の出現の有無を検討した。照射群で明らかに障害を認めた。組織学的検索では、照射群の白質に壊死巣とGFAP陽性のastrocyteの増加を認めた。2.同様の方法で、生後6カ月のFischer344ラットの全脳に1回5Gyで計40Gyの分割照射を施行した場合は、高次機能障害が出現しても白質に壊死は認めなかったが、GFAP陽性のastrocyteの増加を認めた。

3.照射方法および照射量と白質障害の関係を検討するため、生後6カ月のFischer344ラットの全脳に30Gy照射した群、全脳に1回5Gyで計40Gyの分割照射を施行した群、コントロール群で、処置後6カ月の時期に、高次機能障害の出現の有無を検討した。どの群間でも有意差はなく、その組織学的検索では、白質に壊死は認めず、30Gyの1回照射群で、GFAP陽性のastrocyteの増加を認めた。今後、9カ月目に同様の検索を行い、高次機能障害の出現時期と、白質でのastrocyteの増加や、壊死の出現との関連を検討する予定である。ラットに放射線照射を施行することによって"痴呆モデル"を作製し、解析を行ってきた。平成7年度は照射方法および照射量と白質障害の関係を検討するため、生後6カ月のFischer344ラットの全脳に30Gy照射した群(A群)、全脳に1回5Gyで計40Gyの分割照射を施行した群(B群)、コントロール群(C群)で、処置後6カ月の時期に、高次機能障害の出現の有無を、Morrisの水迷路と受動的回避学習の二つの課題を用いて検討したが、どの群間でも有意差はなかった。その組織学的検索では、いずれの群でも白質に壊死は認めず、A群で、GFAP陽性のastrocyteの増加を認めた。平成8年度は9カ月目に同様の検討を行ったが、A群で明らかに高次機能障害の出現したラットが多数認められ、B群にも少数認められたが、C群では認められなかった。組織学的検索では、A群では白質でのastrocyteの増加や、壊死の出現を認めたが、B群では白質の壊死は認めなかった。今後、12カ月目に同様の検索を行い、高次機能障害の出現時期と、白質でのastrocyteの増加や壊死の出現との関連を検討する予定である。また、白質障害と、壊死やアポトーシスの関連を検討する目的で、生後7日目のFischer344ラットの右半球に、15Gyの照射を施行し、Apop Tagを用いてアポトーシスの有無を経時的に観察した。照射後6時間から、照射側の白質において陽性細胞が明らかに多く認められ、照射1日後が最も著明で、4日後には認められなくなった。これは照射による、急性期のoligodendrogliaの直接の障害を観察していると考えた。次にA、B、C群のラットで照射後9カ月目にApop Tagを用いて検討すると、A群の場合に壊死の周辺部の白質と壊死のない部分の血管に陽性細胞を少数ながら認めた。これは照射後長期間を経過しても何らかの機序でアポトーシスが起こり、それが高次機能障害の原因になりうる可能性を示唆した。ラットに放射線照射を施行することによって、“痴呆モデル"を作製し、解析を行ってきた。平成7,8年度は、照射方法及び照射量の関係を検討、生後6カ月のFischer344ラットの全脳に、A群:30Gy/1回照射、B群:5Gy×8回=40Gy分割照射/4週間、C群:Control、の照射を行い、その6カ月及び9カ月後に脳高次機能障害の有無をMorrisの水迷路、受動的回避学習の2つの課題を用いて検討し、組織学的検索を行った。結果、ABC各群共、照射後6カ月では脳高次機能障害が認められず、9カ月後ではA群で有意にB群でも少数ながら、脳高次機能障害が認められた。組織学的検索では。AB分共、6カ月後では壊死を認めず、9カ月後ではA群に壊死を認めた。平成9年度は、ABC群の他に、D群:25Gy/1回照射を加え12カ月後の検討を同様に行った。脳高次機能障害ではABD群共有無に障害が認められA〉D〉Bの順に障害の程度に差を認めた。組織学的には、壊死はA群で大多数に認め、海馬采、内包、脳梁が主体であった。B群でも約60%に壊死を認め、主に脳梁及びそれに近接する白質が殆どであった。C群では、壊死の出現は殆どなかった。しかしABCいずれの群も、壊死の認められた白質部は、壊死の有無にかかわらず、GFAP陽性のastrocyteの増加が認められた。
擬アノソフ写像類のエントロピーと三次元双曲ファイバー多様体の多面的研究

曲面の写像類から写像トーラスとよばれる3次元ファイバー多様体が定まる.写像類が擬アノソフであることと,写像トーラスが双曲的であることは同値である.1次元ベッチ数が1より大きな3次元ファイバー双曲多様体Mを固定するとき,写像トーラスとしてのMの表し方は無限個ある.すなわち(位相型が同じと限らない)曲面の写像類の無限列があり,そこから得られる写像トーラスの無限列がMと同相になる.本研究ではマジック多様体Nについて,写像トーラスがNと同相になるような擬アノソフ写像類の全てを具体的に構成した.この結果を用いて, 3次元ファイバー双曲多様体の基本群の両側不変順序の性質を調べた.曲面の写像類群を考える.曲面Sを固定すると, S上の擬アノソフ写像類のエントロピーの集合には最小値Lが存在する. Lを実現する写像類や,エントロピーが小さい(つまりLに近いエントロピーを持つ)擬アノソフ写像類の構成について取り組んでいる.このような研究には,マジック多様体(これをNとおく)という1つの3次元ファイバー双曲多様体が重要な役割を果たすことが本研究によって既にわかっている.昨年度の成果は, Nの各fibrationのモノドロミーを具体的に構成したことであった.本年度の成果は以下の2つ.(1)昨年度の上の構成法を単純化し,幾何的にした.具体的には以下の通り. Oertelは, 3次元双曲ファイバー多様体のfibrationのファイバーやそのモノドロミーを考察するため,分岐曲面を導入した.この分岐曲面を, Nの場合に具体的に構成した.構成にはOertelによるアイデアと,マジック多様体の性質(本研究で示された性質)を使った.これは高沢光彦氏(東京工業大)との共同研究である.(2)一般に穴あき円板上の擬アノソフ写像類は組紐によって表される.漸近的にエントロピーが小さい擬アノソフ組紐の無限族の単純な構成法を与えた.以下はこの構成法の応用である;種数gの閉曲面上の写像類であって,超楕円的対合と可換なものの成す部分群は,球面2g-組紐群の部分群と同型である.このような球面組紐群の部分群の中で,擬アノソフ組紐全体の最小のエントロピーのgに関する漸近挙動について考察した.その結果,考えている部分群の最小エントロピーの漸近挙動は,球面組紐群のそれと同じであることが証明できた.これは廣瀬進氏(東京理科大)との共同研究である.曲面の写像類群の元のなかで一般的なものは,擬アノソフ写像類である.擬アノソフ写像類の写像トーラスは完備双曲構造を許容する.従って写像トーラスの双曲体積は擬アノソフ写像類の不変量となる.擬アノソフ写像類はエントロピーというもう1つの不変量を持つ.曲面Sを固定すると, S上の擬アノソフ写像類のエントロピーの集合には最小値L(S)が存在する.一方, 3次元双曲ファイバー多様体Mのfibrationのモノドロミーは擬アノソフである.従ってMのfibrationごとに擬アノソフの(位相的)エントロピーが定まる.さらにMの第2ベッチ数が2以上であるとき, Mは(ファイバーのトポロジーが異なるような)無限個のfibrationを許容する.よって多様体Mから擬アノソフ写像類の無限族が得られる.これまでに本研究では,マジック多様体(これをNとおく)とよばれる1つのファイバー双曲多様体に対して, fibrationのエントロピーを組織的に調べた.最小エントロピーを実現することが既に決定されている写像類や,あるいは知られている例の中で最小のエントロピーを持つ写像類は, NをDehn fillingして得られる円周上の曲面束のfibrationのモノドロミーになることが,本研究で示されている.エントロピーが小さいという意味で重要な写像類を生み出すマジック多様体のファイバーのモノドロミーであるが,写像類としてがどのような``形"をしているのか,これまでに知られていなかった.本年度の実績は以下である:1. Nの各のfibrationの擬アノソフモノドロミーを具体的に記述した.2.さらに,擬アノソフに付随するtrain track mapを具体的に記述した.(1)曲面の写像類群を考える.曲面Sを固定すると, S上の擬アノソフ写像のエントロピーの集合には最小値が存在する.このような研究には,マジック多様体(これをNとおく)という1つの3次元ファイバー双曲多様体が重要な役割を果たすことが本研究で明らかになっている.曲面を固定したとき,エントロピーが最小,あるいは知られている例の中で最小である擬アノソフは,これまでのところマジック多様体のモノドロミーとして現れている. 26年度は,論文``Dynamics of the monodromies of the fibrations on the magic 3-manifold"を執筆した. (現在投稿中.)この中で, Nの各fibrationのモノドロミーとそのファイバー,さらにtrain track mapを具体的に構成した.fibrationを無限個許容するような3次元ファイバー双曲多様体において,全ての擬アノソフモノドロミーを記述するという研究はこれまでになく,マジック多様体が最初の例である.(2)曲面の基本群の両側不変順序を保つ写像類,特に擬アノソフ写像類とそのエントロピーについて研究を行った(Dale Rolfsen氏との共同研究)

その結果として, n点穴あき球面(あるいはn点穴あきトーラス)の上の擬アノソフ写像類の列で,曲面の基本群(この場合は自由群)の,ある両側不変順序を保つようなものが大量に構成出来ることがわかった.列をうまく選ぶと,エントロピーが0に収束するようなものが存在することもわかった.上の(1)の結果を使うと,ホワイトヘッド絡み目の補空間の基本群は両側不変順序を許容することがわかった.[曲面の基本群の両側不変順序を保つ写像類の研究.]穴あき曲面Sの写像類fを考える.写像類fは穴あき曲面Sの基本群,すなわち自由群の外部自己同型写像を誘導する.自由群は両側不変順序群である(つまり自由群は,両側不変なある順序を許容する)ことが知られてる.本年度は, (問題1)どのような写像類fが,自由群の両側不変順序を保つ(以下,たんに自由群の順序を保つ,という)か?(問題2)擬アノソフ写像類の中で,自由群の順序を保たないものが存在するか?についてDale Rolfsen氏と共同研究を行った.なお問題1は, (問題1')写像類fの写像トーラスの基本群が両側不変順序群になるのはどのようなfか?という問題と言い換えられることに注意する.曲面Sがn個の穴あき球面のとき,写像類が周期的(写像類群の元として位数が有限)の場合に問題1について完全な解答を得た.さらに周期的な写像類が自由群の順序を保つ場合には,保たれる不変順序の具体的を与えた.問題2については,自由群の順序を決して保たない擬アノソフ写像類の無限列を具体的に与えた.この結果を用いることによって(-2,3,8)-プレッツェルリンク補空間や,エントロピー最小の擬アノソフ3-組紐の写像トーラスの基本群が,両側不変順序群でないことを示した.[写像類群の部分群の最小エントロピーに関する研究.]種数gの閉曲面の写像類群の超楕円的ハンドル体群や超楕円的ゲーリッツ群といった2つの部分群の擬アノソフ写像類の最小エントロピーについて,種数gに関する漸近的挙動を決定した.一般に,超楕円的写像類は球面組ひもで記述できるという利点を持つ.本研究では,これら2つの部分群に属す,エントロピーが小さい擬アノソフを球面組ひもを経由して具体的に構成した.これは廣瀬進氏との共同研究である.曲面の写像類から写像トーラスとよばれる3次元ファイバー多様体が定まる.写像類が擬アノソフであることと,写像トーラスが双曲的であることは同値である.1次元ベッチ数が1より大きな3次元ファイバー双曲多様体Mを固定するとき,写像トーラスとしてのMの表し方は無限個ある.すなわち(位相型が同じと限らない)曲面の写像類の無限列があり,そこから得られる写像トーラスの無限列がMと同相になる.本研究ではマジック多様体Nについて,写像トーラスがNと同相になるような擬アノソフ写像類の全てを具体的に構成した.この結果を用いて, 3次元ファイバー双曲多様体の基本群の両側不変順序の性質を調べた.研究実績の概要で述べた論文を完成させた.平成25年度の本研究の結果として,超楕円的ハンドル体群の最小エントロピーの漸近挙動の決定(廣瀬進氏との共同研究)があるが,この内容を含む論文はほぼ完成している. 27年度の夏までには完成させる.研究実績の概要の(2)で述べたが,曲面の両側不変順序を保つ擬アノソフ写像類の研究をスタートできた.また研究の比較的早い段階で, (2)で述べた結果を得られた.
アルカリハイライド結晶の一重項自己束縛励起子による過渡的光吸収スペクトルの検出

本研究は、電子-格子強結合系の典型であるアルカリハライド結晶における自己束縛励起子(STE)の緩和形態の研究に関連し,従来未解決であった一重項STEの緩和形態およびその電子状態を明らかにすることを目的とするものである。本研究では、一重項STEの寿命(数ns)内における過渡的光吸収スペクトルを赤外域から紫外域までの広い波長領域で測定することにより,一重項STEの緩和形態を実験的に検証することを意図し,そのための分光光学系の設計・制作を行った.特に,赤外部に現れることが期待される電子遷移による吸収帯を検出するために,高速かつ高感度のHgCdTe赤外線検出器を新規に導入する等の分光系の改良をすすめ,0.12eV以上の領域で3nsの検出時間分解能(ただし,励起光源であるエキシマレーザのパルス幅により,系全体の時間分解能は20nsに制限されている)をもつ赤外過渡吸収スペクトル測定系を制作した。次に,典型となる対象物質としてKBr,KIおよびKC1:Iを用い,一重項STEによる過渡的光吸収スペクトルの検出を試みた.その結果,一重項STEによる光吸収は装置の測定限界(光学密度0.01)以下であることがわかり,現時点では所期の目的を達するには至らなかった.その原因として,励起光源による時間分解能の不足が危惧されるため,更に短パルスのレーザによる励起を検討することを今後の課題としたい.本研究は、電子-格子強結合系の典型であるアルカリハライド結晶における自己束縛励起子(STE)の緩和形態の研究に関連し,従来未解決であった一重項STEの緩和形態およびその電子状態を明らかにすることを目的とするものである。次に,典型となる対象物質としてKBr,KIおよびKC1:Iを用い,一重項STEによる過渡的光吸収スペクトルの検出を試みた.その結果,一重項STEによる光吸収は装置の測定限界(光学密度0.01)以下であることがわかり,現時点では所期の目的を達するには至らなかった.その原因として,励起光源による時間分解能の不足が危惧されるため,更に短パルスのレーザによる励起を検討することを今後の課題としたい.
非線形発展方程式の複雑な爆発解に対する数値解析的研究

非線形発展方程式の解は必ずしも時間大域的には存在せず,しばしば有限時間で特異性を生じる.このような現象を解の爆発,特異性の生じる時刻を爆発時刻と呼んでいる.また,特異性の発生に伴って解のなんらかのノルムが無限大に発散するが,その発散のオーダーは爆発レートと呼ばれている.様々な方程式に現れる爆発解に対して多様な解析が行われているが,それらの中に複雑な爆発レートを持つ解の存在が指摘されているものがしばしば見受けられる.このような複雑な爆発レートを持つ爆発解を,統一的に数値計算によって捕まえることはかなりの困難を伴った問題である.我々は,2017年にスケール変換不変性をもつ非線形発展方程式に対して,リスケーリング・アルゴリズムを利用して,爆発解の爆発レートを見積もる方法を提案した.本研究の第一の目的は,この提案手法の精密化と適用範囲の拡大であり,第二の目的は,解析的にはその爆発レートが知られていない未知の問題への提案手法の適用とそれに基づいた数学解析である.提案手法では,リスケーリング・アルゴリズムの数値的な実現から得られるある数列の挙動の情報を引き出す必要があり,そのための方法の確立が本研究の第一の課題であった.2018年度には,このための一方法を提案し,幾つかの方程式に対する数値計算を通じてその有効性を確かめた.この手法では,リスケーリング・アルゴリズムに含まれるパラメータを有効に利用することができることも付記する.また,平面曲線の曲率流の解の爆発に伴う爆発集合の境界での挙動の数値的観測も本研究課題の一つであったが,その点についての検討も行った.これらの成果について国内外の研究集会で発表するとともに,その内容を数理解析研究所講究録に投稿した.また,解析的に爆発レートの知られていない面積保存の曲率流・周長保存の曲率流に対する提案手法による数値実験を行った.本研究課題申請時の計画では,上記爆発レートに対する提案手法について,以下のことを行うことになっていた.1.提案方法の改良・精密化(数値計算から上記数列の挙動の情報を引き出す方法の研究.精度保証付き数値計算の利用の検討.リスケーリング・アルゴリズムに含まれるパラメータの利用方法の確立.)2.提案方法の適用範囲の拡大(藤田タイプの半線形放物型偏微分方程式,Keller-Segel方程式等への適用の検討.爆発集合の境界上では解の最大値の爆発レートとは異なるレートで解が爆発する状況の検討.完全にはスケール変換不変性を持たないような方程式に対する提案手法の有効性の検討.)3.未知の問題に対する適用と数学解析(面積保存の曲率流などへの適用と数学解析の検討.)上記の計画の内,2018年度には以下のことを行った.数値計算から上記数列の挙動の情報を引き出す方法の研究.リスケーリング・アルゴリズムに含まれるパラメータの利用方法の確立.爆発集合の境界上では解の最大値の爆発レートとは異なるレートで解が爆発する状況の検討.面積保存の曲率流などへの適用の検討.上記のように研究計画の内の多くの課題に着手し着実に研究成果をあげるとともに,国内外の研究集会でその成果を発表していることから,本課題の進捗状況はおおむね順調に進展していると考えている.本研究のテーマとなっている爆発問題については,以前より,早稲田高等学院の穴田浩一氏・芝浦工業大学の石渡哲哉氏と定期的に議論を行いながら研究を推進してきた.今年度も引き続き一ヶ月に一度程度の頻度で両氏との研究打ち合わせを行いながら研究を進める.また申請時の計画通り,7月にスペイン・バレンシアで行われる国際会議ICIMA2019に参加し,本課題に関する研究成果を発表するとともに,本研究課題に関連する情報収集を行う予定である.また,やはり申請時の計画通り,高速のノートパソコンを導入し,数値計算環境を充実させる.これによって,本課題の遂行に必須の数値計算プログラム開発が今まで以上に機動的に行えるようになることが期待される.具体的な研究課題としては,上記申請時の計画の内,上記数列の挙動の情報を引き出す方法の研究の継続,精度保証付き数値計算の利用の検討,藤田タイプやKeller-Segel方程式等への適用の検討,爆発集合の境界での爆発解の挙動に関する研究の継続,面積保存の曲率流・周長保存の曲率流に対する適用に関する研究の継続とそれらに対する数学解析,等を行う.当面の数値計算上の目標は上述したいくつかの問題に対する数値実験例の蓄積である.また,昨年度行った数値実験から,偏微分方程式に対して提案手法を適用する際に生じる困難がいくつか明らかになっている.一つは,問題によっては,上記数列の計算時間が膨大になるという問題である.また,別の問題は,上記数列の項数を増やして正確に求めるためには,偏微分方程式の近似の精度をあげなければならないという問題である.本年度はこれらの困難点について,理論的な解決を試みる.非線形発展方程式の解は必ずしも時間大域的には存在せず,しばしば有限時間で特異性を生じる.このような現象を解の爆発,特異性の生じる時刻を爆発時刻と呼んでいる.また,特異性の発生に伴って解のなんらかのノルムが無限大に発散するが,その発散のオーダーは爆発レートと呼ばれている.様々な方程式に現れる爆発解に対して多様な解析が行われているが,それらの中に複雑な爆発レートを持つ解の存在が指摘されているものがしばしば見受けられる.このような複雑な爆発レートを持つ爆発解を,統一的に数値計算によって捕まえることはかなりの困難を伴った問題である.

我々は,2017年にスケール変換不変性をもつ非線形発展方程式に対して,リスケーリング・アルゴリズムを利用して,爆発解の爆発レートを見積もる方法を提案した.本研究の第一の目的は,この提案手法の精密化と適用範囲の拡大であり,第二の目的は,解析的にはその爆発レートが知られていない未知の問題への提案手法の適用とそれに基づいた数学解析である.提案手法では,リスケーリング・アルゴリズムの数値的な実現から得られるある数列の挙動の情報を引き出す必要があり,そのための方法の確立が本研究の第一の課題であった.2018年度には,このための一方法を提案し,幾つかの方程式に対する数値計算を通じてその有効性を確かめた.この手法では,リスケーリング・アルゴリズムに含まれるパラメータを有効に利用することができることも付記する.また,平面曲線の曲率流の解の爆発に伴う爆発集合の境界での挙動の数値的観測も本研究課題の一つであったが,その点についての検討も行った.これらの成果について国内外の研究集会で発表するとともに,その内容を数理解析研究所講究録に投稿した.また,解析的に爆発レートの知られていない面積保存の曲率流・周長保存の曲率流に対する提案手法による数値実験を行った.本研究課題申請時の計画では,上記爆発レートに対する提案手法について,以下のことを行うことになっていた.1.提案方法の改良・精密化(数値計算から上記数列の挙動の情報を引き出す方法の研究.精度保証付き数値計算の利用の検討.リスケーリング・アルゴリズムに含まれるパラメータの利用方法の確立.)2.提案方法の適用範囲の拡大(藤田タイプの半線形放物型偏微分方程式,Keller-Segel方程式等への適用の検討.爆発集合の境界上では解の最大値の爆発レートとは異なるレートで解が爆発する状況の検討.完全にはスケール変換不変性を持たないような方程式に対する提案手法の有効性の検討.)3.未知の問題に対する適用と数学解析(面積保存の曲率流などへの適用と数学解析の検討.)上記の計画の内,2018年度には以下のことを行った.数値計算から上記数列の挙動の情報を引き出す方法の研究.リスケーリング・アルゴリズムに含まれるパラメータの利用方法の確立.爆発集合の境界上では解の最大値の爆発レートとは異なるレートで解が爆発する状況の検討.面積保存の曲率流などへの適用の検討.上記のように研究計画の内の多くの課題に着手し着実に研究成果をあげるとともに,国内外の研究集会でその成果を発表していることから,本課題の進捗状況はおおむね順調に進展していると考えている.本研究のテーマとなっている爆発問題については,以前より,早稲田高等学院の穴田浩一氏・芝浦工業大学の石渡哲哉氏と定期的に議論を行いながら研究を推進してきた.今年度も引き続き一ヶ月に一度程度の頻度で両氏との研究打ち合わせを行いながら研究を進める.また申請時の計画通り,7月にスペイン・バレンシアで行われる国際会議ICIMA2019に参加し,本課題に関する研究成果を発表するとともに,本研究課題に関連する情報収集を行う予定である.
グリオ-マ由来変異原性蛋白に関する基礎的・臨床的研究

膠芽腫は多形性に富み、浸潤性、時には多巣性に発育し、浸潤先端部では血管内皮細胞増殖が著明で、また硬膜に接する部では線維芽細胞の腫瘍性増殖がみとめられる。すなわち、膠芽腫細胞は近接する他の正常細胞に対して変異原性作用を有しているものと思われる。本研究は、膠芽腫細胞が産生する変異原性蛋白を明らかにする目的で行なわれた。まずはじめに、培養グリオ-マ細胞の培養液を分画し、分子量2万以下の分画に増殖促進因子に含まれていることを見いだした。分子量2万以下の粗分画を家兎に免疫して得られた抗体でスクリ-ニングしたところ、この抗体と反応する分子量2万以下の蛋白は、培養液中には検出されなかったが、細胞抽出液中に存在し、分子量が17kdの蛋白が主体であった。そこで、細胞抽出液から電気泳動的に17kd蛋白を精製し、家兎に免疫して抗血清をつくり、アフィニィティクロマトグラフィ-で抗体および抗原の精製を行なった。その結果、この抗体の認識する抗原は血小板由来増殖因子(platelet derived growthfactor:PDGF)と関連する蛋白群であることが判明した。グリオ-マにおけるPDGF関連蛋白群は以下のような特徴を示した。1)17kdモノマ-は重合し高分子となるが、高分子の中でも56kd蛋白がもっとも安定した形である。2)17kdモノマ-は燐酸化されないが、高分子になる段階で燐酸化を受け、しかも56kd蛋白がより長時間燐酸化された状態で存続する。3)細胞外においても、燐酸化された56kd蛋白のみが安定して存在する。4)56kd蛋白を培養細胞に投与するとラッフル膜形成を促進し、アクチン線維の配列を変える。5)脳腫瘍は良性、悪性を問わず、また腫瘍の種類を問わず、すべての腫瘍がPDGF関連蛋白を産生しており、腫瘍細胞として存続しつづけるための必須蛋白である。6)BrdU標識法による増殖(S)期細胞率と、PDGF関連蛋白量を比較すると、腫瘍群間では相関性はないが、各腫瘍群内においては正の相関を示す傾向がみられる。グリオ-マ細胞培養液中の変異原性蛋白の検索1)ヒトグリオ-マ細胞株KNSー42を無血清培養液で培養したCdーDEMには、線維芽細胞,血管内皮細胞,およびグリオ-マ細胞の分裂増殖を促進する物質が含まれていることを確認した。2)CdーDEMを分子量2万でカットし、2万以下の分画を家兎に免疫し抗体を作製した。この抗体が認識する抗原は、いろいろあるが、56Kd抗原に着目した。なぜなら、抗56Kd抗体は、細胞内の17Kdと反応し、この17Kdは、また抗PDGFーBモノクロナ-ル抗体でも認識されたからである。3)抗GdーPDGF抗体無血清培養液から56Kd蛋白の精製は困難だったため、細胞内17Kd蛋白を抽出し、家兎に免疫した。この抗体は細胞外の56Kd蛋白とも反応することを確認した。

この抗体の認識する抗原は、抗PDGF抗体とも反応することから、グリオ-マ由来PDGF(GdーPDGF)に対する抗体である。4)GdーPDGFの生物活性抗GdーPDGFの認識する抗原は、無血清培養液中には56Kdのみであった。また細胞内から抽出した17Kdは、ただちに56Kd蛋白に転換した。56Kd蛋白を培養液に加えることにより、グリオ-マ細胞や線維芽細胞のruffling membrane形成を促進し、かつアクチン線維の再分布を惹起した。PDGFも同様の作用があり、56KdGdーPDGFは、グリオ-マ細胞が産生する変異原性物質のなかのひとつと思われる。膠芽腫は多形性に富み、浸潤性、時には多巣性に発育し、浸潤先端部では血管内皮細胞増殖が著明で、また硬膜に接する部では線維芽細胞の腫瘍性増殖がみとめられる。すなわち、膠芽腫細胞は近接する他の正常細胞に対して変異原性作用を有しているものと思われる。本研究は、膠芽腫細胞が産生する変異原性蛋白を明らかにする目的で行なわれた。まずはじめに、培養グリオ-マ細胞の培養液を分画し、分子量2万以下の分画に増殖促進因子が含まれていることを見いだした。分子量2万以下の粗分画を家兎に免疫して得られた抗体でスクリ-ニングしたところ、この抗体と反応する分子量2万以下の蛋白は、培養液中には検出されなかったが、細胞抽出液中に存在し、分子量が17kdの蛋白が主体であった。そこで、細胞抽出液から電気泳動的に17kd蛋白を精製し、家兎に免疫して抗血清をつくり、アフィニティクロマトグラフィ-で抗体および抗原の精製を行なった。その結果、この抗体の認識する抗原は血小板由来増殖因子(platelet derived growthfactor:PDGF)と関連する蛋白群であることが判明した。グリオ-マにおけるPDGF関連蛋白群は以下のような特徴を示した。1)17kdモノマ-は重合し高分子となるが、高分子の中でも56kd蛋白がもっとも安定した形である。2)17kdモノマ-は燐酸化されないが、高分子になる段階で燐酸化を受け、しかも56kd蛋白がより長時間燐酸化された状態で存続する。3)細胞外においても、燐酸化された56kd蛋白のみが安定して存在する。4)56kd蛋白を培養細胞に投与するとラッフル膜形成を促進し、アクチン線維の配列を変える。5)脳腫瘍は良性、悪性を問わず、また腫瘍の種類を問わず、すべての腫瘍がPDGF関連蛋白を産生しており、腫瘍細胞として存続しつづけるための必須蛋白である。6)BrdU標識法による増殖(S)期細胞率と、PDGF関連蛋白量を比較すると、腫瘍群間では相関性はないが、各腫瘍群内においては正の相関を示す傾向がみられる。
有機金属錯体からの還元的脱離とβ-脱離における選択性

これまで,一連の有機金(III)化合物や有機ニッケル(II)化合物を単離し,その熱分解反応を詳細に検討し,炭素-炭素結合生成を伴う還元的脱離反応における支配因子について検討してきた.ここでは有機遷移金属錯対の熱分解反応におけるもう一つの低エネルギー経路としてのβ-脱離反応について検討した.従来β-水素脱離反応については比較的よく検討されてきたが,水素以外のβ-位の置換基の脱離反応についてはあまり検討されきいない.ベンゼン中,デトラキス(トリフェニルホスフィン)白金(II)とβ-ブロモフェネトールの反応を行ったところ,酸化的付加反応が起き, β-行にフェノキシ基を持つ新しい有機白金錯体, (β-フェノキシエチル)(ブロモ)ビス(トリフェニルホスフィン)白金(II)を単離することができた.この錯体は赤外およびNMRスペクトル,元素分析,単結晶X線-構造解析および化学反応性から同定した.この錯体の熱分解反応を行うと,エチレンおよびビニルフェニルエーテルが生成し, β-位の水素のみならず,フェノキシ基も競争的に脱離することが分かった.このフェノキシ基の脱離反応によるエチレンの生成を動力学的に検討した結果,三級ホスフィン,無水マレイン酸等のπ酸, BF3・Et20等のルイス酸等を系に添加するこによりフェノキシ基の脱離反応は著しく加速されることが分り, 5配位中間体を通り反応が進むのではないかと推定した.このようなβ-位の置換基の脱離反応の立体化学を明らかにするため, β-位に置換基を持つ,スレオおよびエリスロのsec-ブチル白金(II)錯体からのβ-脱離生成物を検討したところ,アセトキシ基やヒドロキシ基の脱離反応は本来シス脱離であると考えられた.しかしブロモ基の場合には逆にトランス脱離であった.また,ニッケルやパラジウム錯体でも同様であった.これまで,一連の有機金(III)化合物や有機ニッケル(II)化合物を単離し,その熱分解反応を詳細に検討し,炭素-炭素結合生成を伴う還元的脱離反応における支配因子について検討してきた.ここでは有機遷移金属錯対の熱分解反応におけるもう一つの低エネルギー経路としてのβ-脱離反応について検討した.従来β-水素脱離反応については比較的よく検討されてきたが,水素以外のβ-位の置換基の脱離反応についてはあまり検討されきいない.ベンゼン中,デトラキス(トリフェニルホスフィン)白金(II)とβ-ブロモフェネトールの反応を行ったところ,酸化的付加反応が起き, β-行にフェノキシ基を持つ新しい有機白金錯体, (β-フェノキシエチル)(ブロモ)ビス(トリフェニルホスフィン)白金(II)を単離することができた.この錯体は赤外およびNMRスペクトル,元素分析,単結晶X線-構造解析および化学反応性から同定した.この錯体の熱分解反応を行うと,エチレンおよびビニルフェニルエーテルが生成し, β-位の水素のみならず,フェノキシ基も競争的に脱離することが分かった.このフェノキシ基の脱離反応によるエチレンの生成を動力学的に検討した結果,三級ホスフィン,無水マレイン酸等のπ酸, BF3・Et20等のルイス酸等を系に添加するこによりフェノキシ基の脱離反応は著しく加速されることが分り, 5配位中間体を通り反応が進むのではないかと推定した.このようなβ-位の置換基の脱離反応の立体化学を明らかにするため, β-位に置換基を持つ,スレオおよびエリスロのsec-ブチル白金(II)錯体からのβ-脱離生成物を検討したところ,アセトキシ基やヒドロキシ基の脱離反応は本来シス脱離であると考えられた.しかしブロモ基の場合には逆にトランス脱離であった.また,ニッケルやパラジウム錯体でも同様であった.
エンドサイトーシスからのエスケープ機能を装備した新規治療用人工ウイルスの開発

我々は膵癌におけるエンドサイトーシス経路を解明し、抗癌剤内包人工ウイルスを作成した。インテグリンβ3がインテグリンβ5と比較し著しく高発現した膵癌ではアデノウイルス導入遺伝子の発現が低下していることが分かり、インテグリンβ3発現をsiRNAを用いて抑制した膵癌細胞では、アデノウイルス導入遺伝子の発現が高くなっているという結果が得られた。人工ウイルス作成では、プロテアーゼシグナルによりインテグリンβ3のsiRNAが放出されるように人工ウイルスを改変した本研究の目的は、アデノウイルスの細胞内侵入に関わる因子を同定し、アデノウイルスの細胞内侵入を模倣した薬剤内包型新規機能化人工ウイルスを作成し、その効率的癌細胞内導入方法を新規に開発することである。昨年度、我々は膵癌におけるエンドサイトーシス経路を解明し、抗癌剤内包人工ウイルスを作成した。人工ウイルス作成では、このインテグリンに注目し、プロテアーゼシグナルによりインテグリンβ3のsiRNAが放出されるように人工ウイルスを改変した。本年度は、まず人工ウイルスの細胞毒性試験をMTTアッセイ等で評価し、毒性がない事を確認した。また蛍光ラベルした人工ウイルスをマウスに静注し、超高感度CCDカメラ装着イメージングシステムで主要臓器への集積性や滞留性を評価した。次に、アデノウイルス治療が膵癌細胞株に対してどのように作用するか検討するためin vitroの実験を行ったところ、HGF/MET経路を介した癌間質相互作用が膵癌細胞へのウイルス取り込みを抑制する事が分かり、ウイルス治療と並行して間質を制御する必要性が確認された。さらには、膵癌治療薬として代表的なゲムシタビン治療とアデノウイルス治療との関連を検討したところ、ゲムシタビン治療抵抗性を示す膵癌細胞株において、より効率よくウイルスが取り込まれ、治療効率も高い事が示された。本年度我々は以下1.- 2.について研究した。1.膵癌におけるendocytosis経路の解明:アデノウイルスの細胞表面への接着に関わるCoxackie virus and adenovirus receptor (CAR)、アデノウイルスのエンドソームへの移行とそこからの脱出に関わるintegrin αv, integrin β3, integrin β5, dynamin 2の膵癌における発現状況とアデノウイルス導入遺伝子の発現との関係を検討した。その結果、integrin β3がintegrin β5と比較し著しく高発現した膵癌ではアデノウイルス導入遺伝子の発現が低下していることが分かった。さらに、integrin β3をsiRNAを用いて抑制しその効果を評価した結果、siRNAによりintegrin β3の発現を抑制した膵癌細胞では、アデノウイルス導入遺伝子の発現が高くなっているという結果が得られた。2.抗癌剤内包人工ウイルスの作成:integrinに注目し、プロテアーゼシグナルによりintegrinβ3のsiRNAが放出されるように人工ウイルスを改変した。具体的には、独自に開発した古細菌Methanococcusjannaschiiが作るsmall heat shock proteinに由来するタンパク質ナノカプセルMj285(人工ウイルス)に、ゲムシタビン(GEM)及びintegrinβ3のsiRNAを内包させ、さらにアミド結合によるbioconjugationによりMUC1抗体を付加することに成功した。交付申請書作成時に記載した本年度の研究実施計画と比較して、おおむね順調に進展しているため。本年度作成した新規人工ウイルスの膵癌細胞への集積率、治療効果をin vitro、in vivoにおいて検証する。新規人工ウイルスによる膵癌細胞内への導入効率の改善が不十分であれば、エンドサイトーシスエスケープに大きな影響を与える他の分子候補をターゲットとしたsiRNAを内包した新規人工ウイルスを作成し膵癌細胞内への導入効率を検証する。in vitro実験に伴うsiRNA試薬などの費用がかかる。得られた知見は欧米雑誌に投稿もしくは国際学会にて発表予定であり、それに伴う経費も計上する。
運動神経細胞の選択的脆弱性に関する分子細胞機構の解明

運動神経細胞において,代謝ストレスによりグリシン放出が促進され,本来は抑制性作用を示すこの神経伝達物質がシナプス間隙においてspilloverし,NMDA受容体に対しては共作動物質として機能し,最終的には興奮性作用のあるNMDA受容体活性が増強され,選択的に細胞死が誘導されることを,世界で初めて電気生理学的に証明した.運動神経細胞において,代謝ストレスによりグリシン放出が促進され,本来は抑制性作用を示すこの神経伝達物質がシナプス間隙においてspilloverし,NMDA受容体に対しては共作動物質として機能し,最終的には興奮性作用のあるNMDA受容体活性が増強され,選択的に細胞死が誘導されることを,世界で初めて電気生理学的に証明した.運動神経細胞(MNs)は代謝ストレスに対して選択的な脆弱性を示すが,その「選択的脆弱性」の分子機構は未解明である.私は,その分子機構を解明することが,MNsが選択的に障害される神経変性疾患の一つである筋萎縮性硬化症(ALS)の発症機序を解明する一助に成ると考え,低酸素状態における舌下神経MNsと迷走神経背側核(dmX)のシナプス入力を比較検討した.左記神経核を選択した理由として,両神経核が下部延髄において互いに隣接し,いずれもコリン作動性大型神経細胞から構成されているにもかかわらず,舌下神経はMNsの集合であるのに対し,dmXはnon-MNsの集合であることがあげられた.若年ラットの急性脳幹スライスを作成し,パッチクランプ法により,局所神経回路の構造を維持した状態で,舌下神経MNsとdmXを実験的な低酸素状態に置き,テトロドトキシン存在下に膜電位,膜電流,シナプス後電流を測定した.その結果,(1)舌下神経MNsでは,低酸素負荷に伴い,内向き電流,グリシン放出の増加,NMDA受容体電流の増強が認められた.(2)一方,dmXでは外向き電流が生じ,神経伝達物質放出の変化は認められなかった,という電気生理学的特長を証明した。以上の結果は,MNsにおいては,代謝ストレスによりグリシン放出が促進され,本来は抑制性作用を示すこの神経伝達物質がシナプス間隙においてspilloverし,NMDA受容体に対しては共作動物質として機能し,最終的には興奮性作用のあるNMDA受容体活性が増強され,選択的に細胞死が誘導されることを,世界で初めて電気生理学的に証明したものであり、この結果はALSの病態解明には重要な役割を果たす現象であると考えております.なおこの結果は次ページにも述べる雑誌にて報告した。(Eur J Neurosci 25;1748-1757,2007)運動神経細胞(MNs)は代謝ストレスに対して「選択的脆弱性」を示すが,その分子機構は未解明である.選択的脆弱性の分子機構を解明することは,MNsが選択的に障害される神経変性疾患の一つである筋萎縮性側索硬化症(ALS)の治療開発には必要不可欠と考えられる.私は,この分子機構の解明を目的とした研究を行っており,平成18年度は,ラットの舌下神経MNsでは,代謝ストレスにより,グリシン放出が誘導され,その結果NMDA受容体活性が高まることを証明し報告した(EurJNeurosci 25;1748-1757,2007).平成19年度は,この結果をもとに各種MNsにおけるグリシン放出率とグリシン結合阻害による細胞死抑制に関して研究を進めた.対象としたMNsとして,ALS罹患時に舌下神経MNsと同様に障害をうけるが,障害の程度が軽い,顔面神経MNsを対象とした.具体的には,若年ラットの急性脳幹スライスを作成し,パッチクランプ法により,局所神経回路の構造を維持した状態で,顔面神経MNsを実験的な低酸素状態に置き,抗酸化作用のあるascorbic acidやNa channel抑制効果のあるriluzoleなどの薬剤投与を行いながら,膜電位,膜電流,シナプス後電流を測定した.その結果,(1)舌下神経MNsと同様に顔面神経MNsでも,低酸素負荷に伴い,内向き電流,グリシン放出の増加が認められた.(2)一方,内向き電流,グリシン放出の増加の程度としては舌下神経MNsと比較すると軽度であった,という電気生理学的特長を証明した.以上の結果により,MNsにおいては,代謝ストレスによりグリシン放出が促進されるが,その脆弱性には細胞間により差があることが証明された.今後は,この結果をもとに,実際のALSモデルマウスを使用し,各MNsにおける代謝ストレスに対する分子機構解明を予定している.運動神経細胞(MNs)が選択的に障害される神経変性疾患の筋萎縮性側策硬化症(ALS)において、MNsは代謝ストレスに対して「選択的脆弱性」を示すが,その分子機構は未解明である.私は,この分子機構の解明を目的とした研究を行っており,平成18年度は,ラットの舌下神経MNsでは,代謝ストレスにより,グリシン放出が誘導され,その結果NMDA受容体活性が高まることを証明し,報告した(Eur J Neurosci25 ; 1748-1757, 2007).この結果をもとに各種MNsにおけるグリシン放出率とグリシン結合阻害による細胞死抑制に関して研究を進めた.具体的には,平成19年度には、顔面神経MNsでの検討を、平成20年度には、ALSでは障害されにくい動眼神経MNsでの検討を行った。

具体的には,若年ラットの急性脳幹スライスを作成し,パッチクランプ法により,局所神経回路の構造を維持した状態で,顔面神経MNsと動眼神経MNsを実験的な低酸素状態に置き, TTX存在下に,抗酸化作用のあるascorbicacidやNachamel抑制効果のあるriluzoleなどの薬剤投与を行い,膜電位,膜電流,シナプス後電流を測定した.その結果, (1)舌下神経MNsと同様に顔面神経MNsでも,低酸素負荷に伴い,内向き電流,グリシン放出の増加が認められた.(2)顔面神経MNsでは、内向き電流,グリシン放出の増加の程度としては舌下神経MNsと比較すると軽度であった,(3)動眼神経MNsでは、舌下・顔面MNsとは異なり、内向き電流は発生せず、グリシン放出がほとんど認められない、という電気生理学的特長を証明した.以上の結果により, MNsにおいては,代謝ストレスによりグリシン放出が促進されるが,その脆弱性には細胞間により差があることが明確に証明された.今回の結果は、2009年11月に開催される北米神経科学学会にて発表予定である。