hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
嗅覚応答を利用したアブラムシの新防除技術開発に向けた基礎的研究

狭食性アブラムシの一種、ネギアブラムシの寄主植物に対する嗅覚応答を個体別に調査するため、Y字型オルファクトメーターを用いて、ニラ香気に対する行動を調査した。昨年度実施した集団での試験結果と同様に個体別でもニラ香気に誘引性が認められたが、誘引性の強さは集団に比べ劣っていた。この結果から、寄主植物香気への誘引には個体間の相互作用も働く可能性が示唆された。アブラムシの植物香気成分に対する嗅覚応答を電気生理学的に解明するため、ネギアブラムシおよびゴボウヒゲナガアブラムシを用いて、触角電位図法の確立を試みた。両種とも、生存虫の触覚先端を記録電極につなぎ、複眼を不関電極につないで測定したところ、電位図を取れることは示されたが、安定した結果を得ることは困難であった。触角の節間を記録電極につないで測定する方法でも安定した結果は得られなかった。いずれにせよ行動学試験の結果、本種はdipropyl trisulfideやdiallyl disulfideなどネギ類特有の硫黄化合物を、寄主探索における嗅覚情報として用いていることが判明した。代表的な狭食性アブラムシの一種であるネギアブラムシの寄主植物香気に対する嗅覚応答を線形通路付きオルファクトメーターで調査した。本種の寄主であることを確認した、ネギ、タマネギ、ニラ、チャイブの4種に対しての行動を調査した結果、ネギ、タマネギ、ニラには誘引されることが示されたが、チャイブには若干の誘引傾向は示すものの有意な誘引性は示さなかった。タマネギとニラの香気をアブラムシに選択させたところ、アブラムシはどちらか一方を選択することはなかったが、ネギとニラを選択させたところ、アブラムシはネギの方に若干多く誘引された。次に、上記4種の植物香気のヘッドスペース成分をSPME法により抽出し、GC-MSで分析した。分析の結果、ニラを除いたいずれの植物も、その主成分はdipropyl disulfideであることが判明し、次にtraps-1-propenyl propyl disulfideを多く含み、その他、dipropyl trisulfideの存在が確認された。タマネギとチャイブの香気成分の構成は類似しており、dipropyl trisulfideはわずかな量しか含有していなかったが、ネギ香気は比較的多くの量を含有していた。これら3種の植物の香気成分に対してニラの香気成分は異なり、その主成分はdiallyl disulfideであることが判明した。そこで、オルファクトメーターを用いた化合物の誘引性検定法の確立を試みた。予備試験の結果、これら香気成分は高い揮発性のために、検定時間中に消失する可能性が示されたため、流動パラフィンで所定濃度に希釈した試験物質を徐放剤(ビスコパール)に含浸させて供試する方法をとったところ、消失は認められず、dipropyl trisulfideの0.05%濃度処理において、弱いながらも有意な誘引性を示すことを確認した。
MNAMを介するSirt1安定化メカニズムによる加齢性難聴発症予防

脱アセチル化酵素であるSirt1は細胞の老化において極めて重要な役割を担っている。従来、NADを介するSirt1の活性化がSirt1の持つ様々な生理機能の発現に重要であると考えられていたが、最近、NMAM(N1-methylnicotinamide)を介するSirt1タンパクの安定化が、Sirt1の機能発現に重要であることが報告された(Hong S, etal. Nature medicine 2015 )。そこで、本研究では、このMNAMを介するSirt1安定化メカニズムに着目し、蝸牛におけるその存在の確認、そして、MNAM投与によるSirt1タンパクの安定化メカニズムによる加齢性難聴発症の抑制の可能性について検討を行った。高脂肪食(HFD)負荷により、より確実な検討が行えるように低脂肪食(LFD)群、HFD群、HFDを与えたマウスにMNAMを6か月間投与するHFD+MNAM群の3群を設定し、比較検討を行った。また、組織解析において、HFD負荷による加齢性難聴モデルでは、全蝸牛回転のらせん靭帯(SL)、有毛細胞(HC)、らせん神経節細胞(SGC)におけるSirt1の発現が加齢とともに減少した。これらの加齢性難聴モデルマウスに対して経口的にMNAMを6か月間投与することにより、SL、HC、SGCにおけるSirt1の発現低下を防止できた。薬剤を6か月間投与した結果がスムースに出ており、組織サンプル作成が順調に進んでいるため。しかしながら、in vitro実験がCO2インキュベーターの不具合により遅れている。C57BL/6マウスを用いた実験において、同マウスは加齢性難聴のモデルとして知られているが、蝸牛における組織検討ではいくつかの矛盾が生じており、別系統のマウスを用いた実験が必要である。また、in vitro実験を進め、蝸牛培養細胞でも先行研究と同様の結果となるかどうか確認する。脱アセチル化酵素であるSirtlは細胞の老化において極めて重要な役割を担っている。従来、NADを介するSirt1の活性化がSirt1の持つ様々な生理機能の発現に重要であると考えられていたが、最近、MNAM(N1-methylnicotinamide)を介するSirt1タンパクの安定化が、Sirt1の機能発現に重要であることが報告された(Hong S, etal. Nature medicine 2015)。そこで、本研究では、このMNAMを介するSirtl安定化メカニズムに着目し、MNAM投与によるSirt1タンパクの安定化メカニズムによる加齢性難聴発症の抑制の可能性について検討を行う。加齢に伴う難聴は、認知機能低下、うつ病発症のリスクなどを増加させることが明らかとなっており、高齢化が急速に進行する我が国において、加齢性難聴の発症防止、治療法の開発は、国民のQOL、医療費の削減の面からも喫緊の課題である。本研究により、現在補聴器装用以外に有効な治療法がない加齢性難聴に対する新たな予防法の確立、ひいては治療法の確立にも大きく貢献できると考えている。今回、予備実験として、経口的に加齢性難聴モデルマウス(C57BL/6マウス)に対して、試料に混合したMNAMを3か月間投与し、加齢性難聴発症に対する防止効果について聴性脳幹反応(ABR)を用いて検討を行ったところ、MNAMを投与した群では投与していない群と比較して、有意に難聴発症が抑制されていることが明らかとなった。今後、これらのマウス蝸牛にNnmt、MNAM、Sirt1が存在するかを確認し、さらに蝸牛由来培養細胞であるHEI-OC1細胞をMNAM存在下で培養を行い、Sirt1 mRNAの発現動態を確認する予定である。試料の作製、マウスの飼育に時間がかかったこと。熊本地震による実験の中断でやり直しを余儀なくされたことが理由に挙げられる。今回、予備実験として、経口的に加齢性難聴モデルマウス(C57BL/6マウス)に対して、試料に混合したMNAMを6か月間投与し、加齢性難聴発症に対する防止効果について聴性脳幹反応(ABR)を用いて検討を行ったところ、MNAMを投与した群では投与していない群と比較して、有意に難聴発症が抑制されていることが明らかとなった。今後、これらのマウス蝸牛の凍結切片、パラフィン切片を作成し形態学的評価を行う予定である。

6か月間の試料投与の間に聴力測定器の故障があり、実験の中断で、それまでの期間のやり直しが必要であっため。脱アセチル化酵素であるSirt1は細胞の老化において極めて重要な役割を担っている。従来、NADを介するSirt1の活性化がSirt1の持つ様々な生理機能の発現に重要であると考えられていたが、最近、NMAM(N1-methylnicotinamide)を介するSirt1タンパクの安定化が、Sirt1の機能発現に重要であることが報告された(Hong S, etal. Nature medicine 2015 )。そこで、本研究では、このMNAMを介するSirt1安定化メカニズムに着目し、蝸牛におけるその存在の確認、そして、MNAM投与によるSirt1タンパクの安定化メカニズムによる加齢性難聴発症の抑制の可能性について検討を行った。高脂肪食(HFD)負荷により、より確実な検討が行えるように低脂肪食(LFD)群、HFD群、HFDを与えたマウスにMNAMを6か月間投与するHFD+MNAM群の3群を設定し、比較検討を行った。また、組織解析において、HFD負荷による加齢性難聴モデルでは、全蝸牛回転のらせん靭帯(SL)、有毛細胞(HC)、らせん神経節細胞(SGC)におけるSirt1の発現が加齢とともに減少した。これらの加齢性難聴モデルマウスに対して経口的にMNAMを6か月間投与することにより、SL、HC、SGCにおけるSirt1の発現低下を防止できた。薬剤を6か月間投与した結果がスムースに出ており、組織サンプル作成が順調に進んでいるため。しかしながら、in vitro実験がCO2インキュベーターの不具合により遅れている。マウスの飼育実験を先に開始し、その後比較的時間のかからないと思われるin vitroの実験を進める。6か月間飼育で得た蝸牛について、凍結切片およびパラフィン切片を作成し形態学的評価を行う。また、Real time PCR法を用いてmRNA量を測定し、mRNAの変化について解析を進める。C57BL/6マウスを用いた実験において、同マウスは加齢性難聴のモデルとして知られているが、蝸牛における組織検討ではいくつかの矛盾が生じており、別系統のマウスを用いた実験が必要である。また、in vitro実験を進め、蝸牛培養細胞でも先行研究と同様の結果となるかどうか確認する。昨年生じた熊本地震による機材の破損および研究のための消耗品の購入運送に時間を要し、研究の一時中断を余儀なくされたため。昨年故障した聴力検査機器(ABR機器)の復旧に時間を要し、研究の一時中断を余儀なくされたため。故障した機材の再購入と、再設定、また学会発表の旅費および学術論文の校正費に使用する予定である。in vitro実験がCO2インキュベーターの不具合により遅延しているため、延期が必要となった。破損した器械や器材の修復および再購入と、消耗品の購入、さらに昨年地震のため参加できなかった学会発表のための旅費に使用する予定である。
量子共鳴効果を用いた熱ふく射制御と熱光起電力発電への応用

本研究では、材料表面に作製したマイクロ-ナノスケールの周期構造を利用した新しい熱放射スペクトルの制御法に関し、数値計算と実験による基礎的研究を行い、得られた知見を熱放射を利用したシステム、とくに熱光起電力(TPV)発電へ応用することを目的とする。昨年度までの2年間で、Rigorous Coupled-Wave Analysis (RCWA)法に基づく数値解析により、本研究で対象とするTPV発電用の熱放射素子(選択エミッタ)と太陽光選択吸収材料を実現するための設計パラメータをそれぞれ周期1.0μm及びアスペクト比1.0、周期0.5μm及びアスペクト比1.0と決定した。また、二つの高周期性アルミナ膜及び電子線描画の二つのリソグラフィ技術と高速原子線エッチングにより、バルクのタングスチン(W)基板上に設計値に基づく微細な周期構造を製作することに成功した。さらに、それらの吸収・放射特性を実験的に評価し、表面微細構造により所望のスペクトル特性が得られることを実証した。本年度は、微細加工選択エミッタの最適化を行うと共に、実際に作製した選択エミッタを用いてTPV発電実験を行った。実際の試料の製作に当たっては製作誤差が不可避であり、それを考慮して改めて設計を行い、周期1.0-1.2μmの試料を作製した。これにより可視2.0μmの放射率が増大し、波長特性が改善された。また、微細構造のパラメータを変化させた試料の放射特性の比較から、今回得られた熱放射特性の変化は、主としてマイクロキャビティ効果に起因することが実験的に示された。市販品のInGaAsフォトダイオート(感度波長0.9-1.7μm)をPVセルとして作製したW選択エミッタを用いて発電実験を行い、選択性の無いSiCエミッタ(放射率0.9)及び平面Wエミッタを用いた場合の発電特性と比較検討した。実験の結果、W選択エミッタはその熱放射光の大部分をPVセルの感度内に放射するためにSiCエミッタよりも効率が23倍高いことが示された。また、放射強度もSiCエミッタと同程度の値が得られ、今回作製したW微細周期構造が高効率・高発電密度を両立する優れた選択エミッタとして振舞うことが確認された。昨年度は、高融点金属表面に作製した微細構造とスペクトル特性の関連をRigorous Coupled-Wave Analysis(RCWA)法に基づく数値解析により調べ、本研究で対象とするTPV発電用の熱放射素子(選択エミッタ)と太陽光選択吸収材料を実現するための設計パラメータを評価した。結果、選択エミッタには周期1.0μm、アスペクト比1.0程度の構造、選択吸収材料には周期0.5μm、アスペクト比1.0程度の構造が適することが分かってきた。また、本学VBL(Venture Business Lab.)施設に現有するマイクロマシニング用のエッチング装置を利用し、設計パラメータ通りの試料を実現するプロセスの検討を行った。本年度は、実際に試料を作製し、その特性を評価した。材料にはWとMoの圧延板を使用し、これを粒度2000の研磨盤で機械研磨したものを基板とした。微細構造は、A:高周期性ポーラスアルミナ膜をマスクとした高速原子線(FAB)エッチング、B:電子線露光による微細構造の作製とFABによる転写、の二つの方法で行った。Aは、自然界が形作る周期構造を利用するもので、得られる周期が最大で0.5μm程度であり、作製できる構造や周期が限定される欠点があるものの、安価に大面積の微細構造を作れる利点がある。Bは時間とコストがかかるが、任意の形状を実現できる利点がある。太陽光選択吸収材料はAの方法で、選択エミッタはBの方法で作製した。作製した試料は数値計算で示されたように可視近赤外域で選択的な吸収を示し、真空雰囲気下で1100Kまで昇温しても安定であることが分かった。また、観察窓を有する電気ヒータと外部光源が導入できるFTIR分光器を組み合わせ、熱放射測定システムを構築した。これを用いて選択エミッタの熱放射スペクトルを測定し、波長選択的な熱放射が実現できることを実験的に検証した。

本年度は、微細加工選択エミッタの最適化を行うと共に、実際に作製した選択エミッタを用いてTPV発電実験を行った。実際の試料の製作に当たっては製作誤差が不可避であり、それを考慮して改めて設計を行い、周期1.0-1.2μmの試料を作製した。これにより可視2.0μmの放射率が増大し、波長特性が改善された。また、微細構造のパラメータを変化させた試料の放射特性の比較から、今回得られた熱放射特性の変化は、主としてマイクロキャビティ効果に起因することが実験的に示された。市販品のInGaAsフォトダイオート(感度波長0.9-1.7μm)をPVセルとして作製したW選択エミッタを用いて発電実験を行い、選択性の無いSiCエミッタ(放射率0.9)及び平面Wエミッタを用いた場合の発電特性と比較検討した。実験の結果、W選択エミッタはその熱放射光の大部分をPVセルの感度内に放射するためにSiCエミッタよりも効率が23倍高いことが示された。また、放射強度もSiCエミッタと同程度の値が得られ、今回作製したW微細周期構造が高効率・高発電密度を両立する優れた選択エミッタとして振舞うことが確認された。
海霧による12GHz衛星放送波の減衰

10GHzを越える電波は降雨、降雪、霧などの大気条件によって減衰することは知られているが、釧路地方で発生する濃い海霧が12GHz帯衛星放送波の減衰に及ぼす影響については解明されていない。海霧発生時における衛星放送波の減衰について、より正確な実測データを得るため、受信レベルの測定地点における気象データ収集システムと、海霧等の視程値を計測する視程計測システムを製作した。これらのシステムを用い、これまで得られたデータから、次のような結果を得た。雨の場合は、雨量に応じて衛星放送波の受信レベルが減衰している。これに対し、海霧が発生している時の受信レベルは、その減衰量は少ないが絶えず細かく変動している。この受信レベルの細かな変動は、局所的な海霧の濃さの変動によるものだけではなく、海霧の空間的形状にも深く関係していると考えられる。また、視程がほぼ同じであっても、海霧の粒径により受信レベルに与える影響に差がある。粒径が大きな霧(湿った霧)ほど、受信レベルに与える影響が大きい。降雨による衛星放送波の減衰と、ガイシの絶縁特性の低下の間に相関関係があることもわかってきた。降水量が多い場合には、ガイシ表面の汚損物質が洗い流されて絶縁特性が再び回復するが、霧や小雨の場合は絶縁特性を低下させるだけである。特に海霧の場合は、その中に含まれる海塩粒子が絶縁特性をより低下させている。釧路地方で発生する海霧は、その濃さが場所によってかなり異なる。今後の展開として、衛星放送波の減衰と海霧の画像データから、海霧の動きを予想することも期待される。
進化型ニューラルネットによるマルチエージェント強化学習手法

本研究の代表者らが提案している進化型ニューラルネットに基づくマルチエージェント強化学習手法は,マルチエージェント強化学習を行う上で問題となる行動政策空間の爆発に対応可能なだけでなく,(i)連続および離散値の入出力への対応,(ii)連続および離散時間への対応ならびに(iii)大域的に良好な行動政策の獲得などの可能性を有しており,マルチエージェント強化学習手法の基本的枠組みとして有望である.本研究ではまず,比較的小規模ではあるが,従来のマルチエージェント強化学習手法では設計困難なクラスのマルチエージェントシステムをとりあげ,それらの設計問題への適用を通して,進化型ニューラルネットおよびその発展版である共進化型ニューラルネットに基づくマルチエージェント強化学習手法の有効性を確認した.しかしながら,進化/共進化型ニューラルネット手法によるシステムの設計には膨大な計算論的コストが要求され,大規模かつ複雑なマルチエージェントシステムの設計問題に対して,同手法をそのまま適用することは現実的とはいえない.そこで本研究では,マルチエージェントシステム全体のタスクを階層的なサブタスクに分解し,進化/共進化型ニューラルネットに基づき,それらを段階的に設計することに基礎をおくマルチエージェントシステムの段階的設計法を提案し,その有効性を確認した.ここでは特にRoboCupサッカーチームの設計問題をとりあげ,それを(i)サッカーエージェントの基本タスク,(ii)基本タスク間の相互作用および(iii)エージェント間の連携タスクの設計問題に分解すると共に,進化/共進化型ニューラルネットに基づき,それらを段階的に設計することによって,大規模かつ複雑なマルチエージェントシステムが効果的に設計可能であることを実験的に明らかにした.本研究の代表者らが提案している進化型ニューラルネットに基づくマルチエージェント強化学習手法は,マルチエージェント強化学習を行う上で問題となる行動政策空間の爆発に対応可能なだけでなく,(i)連続および離散値の入出力への対応,(ii)連続および離散時間への対応ならびに(iii)大域的に良好な行動政策の獲得などの可能性を有しており,マルチエージェント強化学習手法の基本的枠組みとして有望である.本研究ではまず,比較的小規模ではあるが,従来のマルチエージェント強化学習手法では設計困難なクラスのマルチエージェントシステムをとりあげ,それらの設計問題への適用を通して,進化型ニューラルネットおよびその発展版である共進化型ニューラルネットに基づくマルチエージェント強化学習手法の有効性を確認した.しかしながら,進化/共進化型ニューラルネット手法によるシステムの設計には膨大な計算論的コストが要求され,大規模かつ複雑なマルチエージェントシステムの設計問題に対して,同手法をそのまま適用することは現実的とはいえない.そこで本研究では,マルチエージェントシステム全体のタスクを階層的なサブタスクに分解し,進化/共進化型ニューラルネットに基づき,それらを段階的に設計することに基礎をおくマルチエージェントシステムの段階的設計法を提案し,その有効性を確認した.ここでは特にRoboCupサッカーチームの設計問題をとりあげ,それを(i)サッカーエージェントの基本タスク,(ii)基本タスク間の相互作用および(iii)エージェント間の連携タスクの設計問題に分解すると共に,進化/共進化型ニューラルネットに基づき,それらを段階的に設計することによって,大規模かつ複雑なマルチエージェントシステムが効果的に設計可能であることを実験的に明らかにした.本研究の代表者らが提案している進化型ニュートラルネットに基づくマルチエージェント強化学習手法は,マルチエージェント強化学習を行う上で問題となる行動政策空間の爆発に対応可能なだけでなく,(i)連続および離散値の入出力への対応,(ii)連続および離散時間への対応ならびに(iii)大域的に良好な行動政策の獲得などの可能性を有しており,マルチエージェント強化学習手法の基本的枠組みとして有望である.平成14年度は,以下の研究成果を得た.●マルチエージェント強化学習手法としての評価:従来のマルチエージェント強化学習手法が備えていない上記の特色を有する進化型ニューラルネット手法をマルチエージェント強化学習手法として評価することを目的として,従来のマルチエージェント強化学習手法では対応が難しい型のマルチエージェントシステム設計問題を取り上げ,それらへの適用事例を通して,進化型ニューラルネット手法の有効性を確認した.適用事例としては,非同期型シーソー均衡化問題および2次元ホッケーゲームを取り上げた.●競争的なマルチエージェント環境への応用を考慮した要素技術の開拓:RobCupサッカーに代表される対戦型ゲームは,各エージェントの絶対的な評価値を計算することができないために,進化計算に基礎をおく進化型ニューラルネット手法では対応が難しい.この問題点を克服するための要素技術として,対戦型ゲームのような競争的マルチエージェント環境におかれたエージェントの政策を共進化的に獲得するための共進化型世代交代モデルを提案し,その有効性を確認した.本研究の代表者らが提案している進化型ニューラルネットに基づくマルチエージェント強化学習手法は,マルチエージェント強化学習を行う上で問題となる行動政策空間の爆発に対応可能なだけでなく,現実的なマルチエジェントシステムを設計する上で要求される諸要件(連続/離散値の入出力への対応,連続/離散時間への対応ならびに大域的に良好な行動政策の獲得など)を満たしており,マルチエージェント強化学習手法の基本的枠組みとして有望である.本研究では以下の成果を得た.●マルチエージェント強化学習手法としての評価:従来のマルチエージェント強化学習手法が備えていない上記の特色を有する進化型ニューラルネット手法をマルチエージェント強化学習手法として評価することを目的として,従来手法では対応が難しい型のマルチエージェントシステム設計間題を取り上げ,それらへの適用事例を通して,進化型ニューラルネット手法の有効性を確認した.適用事例としては,非同期型シーソー均衡化問題および2次元ホッケーゲームを取り上げた.●競争的なマルチエージェント環境への応用を考慮した要素技術の提案:RoboCup

サッカーに代表される対戦型ゲームは,各エージェントの絶対的な評価値を計算することができないために,進化計算に基礎をおく進化型ニューラルネット手法では対応が難しい.この問題点を克服するための要素技術として,対戦型ゲームのような競争的マルチエージェント環境におかれたエージェントの政策を共進化的に獲得するための共進化型世代交代モデルさらにはその改良版を提案し,その有効性を確認した.●進化型ニューラルネット手法の高速化のための要素技術の提案:進化計算に基礎をおく進化型ニューラルネット手法には膨大な計算量が要求される.この問題点を軽減するための要素技術として,例題とエージェントの共進化手法および進化戦略型ニューラルネット手法を提案し,それらの有効性を確認した.
コミュニケーションの時間窓を決定する周期的脳活動

周期的脳活動の一つである脳波の神経振動子協調が,脳内の動的な神経ネットワーク形成を実現していることが指摘されている.この神経振動子協調は,脳内の情報伝達のみに留まらず,脳と脳の間の情報伝達,つまりコミュニケーションにおいても重要な戦略であるとして,近年,注目を集め始めている.例えば音声コミュニケーションにおいては,話者の発話のリズムと,音声聴取中の聞き手の脳内の神経振動子が位相協調することが報告されている.さらに,音声提示前の脳波位相によって聴取成績が変化することも示されており,この脳波位相が話者の音声発話タイミングの予測に関与しているものと考えられる.つまり,音声コミュニケーションにおいて適切な時間窓を実現する脳内メカニズムが,神経振動子の音声提示前後における位相協調であると考えられる.そこで本申請課題では,ヒトを対象とした脳波計測,および脳波と機能的MRIの同時計測を実施することで,脳波の位相に依存して音声聴取成績が変化することを示すとともに,そのときの皮質回路の音声提示前後の変化を検証することを目的とした.本研究課題では,音声聴取課題遂行中の脳波計測を実施することで,音声提示前後の神経ネットワークの切り替えに関与している脳波成分を同定した.この脳波成分の発生に関連する脳部位の同定を目的として,音声聴取課題遂行中の脳波と機能的MRIの同時計測を実施した.その結果,音声提示前後の神経ネットワークとして,音声の生成に関連する運動皮質の活動が明らかになった.この部位はミラーニューロンシステムと呼ばれる他者の運動を予測する部位であり,他者の運動予測を脳波の位相情報を用いて実施することにより,コミュニケーションの時間窓を調整していることが明らかになった.27年度が最終年度であるため、記入しない。27年度が最終年度であるため、記入しない。周期的脳活動の一つである脳波の神経振動子協調が,脳内の動的な神経ネットワーク形成を実現していることが指摘されている.この神経振動子協調は,脳内の情報伝達のみに留まらず,脳と脳の間の情報伝達,つまりコミュニケーションにおいても重要な戦略であるとして,近年,注目を集め始めている.例えば音声コミュニケーションにおいては,話者の発話のリズムと,音声聴取中の聞き手の脳内の神経振動子が位相協調することが報告されている.さらに,音声提示前の脳波位相によって聴取成績が変化することも示されており,この脳波位相が話者の音声発話タイミングの予測に関与しているものと考えられる.つまり,音声コミュニケーションにおいて適切な時間窓を実現する脳内メカニズムが,神経振動子の音声提示前後における位相協調であると考えられる.そこで本申請課題では,ヒトを対象とした脳波計測,および脳波と機能的MRIの同時計測を実施することで,脳波の位相に依存して音声聴取成績が変化することを示すとともに,そのときの皮質回路の音声提示前後の変化を検証することを目的としている.平成26年度においては,音声聴取課題遂行中の脳波計測を実施することで,音声提示前後の神経ネットワークの切り替えに関与している脳波成分を同定した.従来の研究においては,音の聴取前の低い周波数の脳波活動の位相によって,その聴取成績が変化することが報告されている.また,音声聴取は複数の周波数帯の音声成分に対応する脳波活動の神経振動子協調により実現されていることが報告されている.つまり音声聴取時において,複数の音声成分に対応する神経振動子活動が位相協調することで,音声聴取に必要な神経ネットワークを動的に形成していることが考えられる.そこで本研究課題では,音声聴取前の脳波成分,および聴取時の脳内の神経振動子による神経ネットワークの動的形成に着目して音声聴取課題を用いた.周期的脳活動の一つである脳波の神経振動子協調が,脳内の動的な神経ネットワーク形成を実現していることが指摘されている.この神経振動子協調は,脳内の情報伝達のみに留まらず,脳と脳の間の情報伝達,つまりコミュニケーションにおいても重要な戦略であるとして,近年,注目を集め始めている.例えば音声コミュニケーションにおいては,話者の発話のリズムと,音声聴取中の聞き手の脳内の神経振動子が位相協調することが報告されている.さらに,音声提示前の脳波位相によって聴取成績が変化することも示されており,この脳波位相が話者の音声発話タイミングの予測に関与しているものと考えられる.つまり,音声コミュニケーションにおいて適切な時間窓を実現する脳内メカニズムが,神経振動子の音声提示前後における位相協調であると考えられる.そこで本申請課題では,ヒトを対象とした脳波計測,および脳波と機能的MRIの同時計測を実施することで,脳波の位相に依存して音声聴取成績が変化することを示すとともに,そのときの皮質回路の音声提示前後の変化を検証することを目的とした.本研究課題では,音声聴取課題遂行中の脳波計測を実施することで,音声提示前後の神経ネットワークの切り替えに関与している脳波成分を同定した.この脳波成分の発生に関連する脳部位の同定を目的として,音声聴取課題遂行中の脳波と機能的MRIの同時計測を実施した.その結果,音声提示前後の神経ネットワークとして,音声の生成に関連する運動皮質の活動が明らかになった.この部位はミラーニューロンシステムと呼ばれる他者の運動を予測する部位であり,他者の運動予測を脳波の位相情報を用いて実施することにより,コミュニケーションの時間窓を調整していることが明らかになった.当初の予定では,平成26年度において音声聴取課題遂行中の脳波計測を実施することで,音声提示前後の神経ネットワークの切り替えに関与している脳波成分を同定することを計画していた.

現在までに音声聴取課題遂行中の脳波計測を完了するとともに,脳波解析においては,位相に依存して変化する音声聴取成績を示す脳波成分を同定している.以上のことから,おおむね当初の予定通り計画が進んでいると評価できる.27年度が最終年度であるため、記入しない。平成27年度には,前年度までに同定した脳波活動に関連した神経ネットワークを同定するための脳波と機能的MRIの同時計測を実施する.前年度までに実施した頭皮脳波計測では,頭皮上での活動を同定するのみであり,どのような神経ネットワークによる脳波位相を反映しているかは不明である.そこで,脳波と機能的MRIを用いることで,刺激提示前後の脳波位相関係に依存して音声聴取成績の変化を示す脳波成分に関連した皮質ネットワークを同定する.得られた脳波データを用いて,脳波計測により同定した脳波成分のパワーの時間変化に相関した皮質部位を同定する.ただし,頭皮上で観察される脳波パワーの変化は単に一か所の皮質部位の局所場電位の増減を意味しているわけではない.脳波解析において脳波電極の平均場を参照電位とした場合には,脳波パワーの増加は神経ネットワークの中に含まれる複数のノード(皮質)の位相同期を意味することになる.したがって,脳波パワーの時間変化に相関する部位を機能的MRI解析により同定することで,この脳波パワーを生成している神経ネットワークを同定する.27年度が最終年度であるため、記入しない。
歯周病菌ジペプチジルペプチダーゼ遺伝子群の網羅的解析

本研究では歯周病原性細菌Porphyromonas gingivalisのジペプチジルペプチダーゼ(DPP)活性に関連した栄養要求性について検討した。P. gingivalis野生株に比して,4種のDPP遺伝子破壊株では細菌増殖が顕著に遅延し,本菌の増殖にはDPP活性が重要であることが明らかになった。P. gingivalisでのアミノ酸,及びオリゴペプチドの取り込み・代謝が蛍光色素レサズリンを用いた代謝測定系により可能であることが判明した。その結果,本菌の栄養源としてはもっぱらジペプチドの形態でアミノ酸が菌体内に取り込まれることが判明した。歯周病原性細菌Porphyromonas gingivalisは解糖系酵素の欠損によりグルコースを代謝することができず,嫌気条件下でのアミノ酸代謝によりATPを産生する。アミノ酸は主にジペプチドとして菌体内に取り込まれるが,オリゴペプチドからジペプチドを産生する加水分解酵素ジペプチジルペプチダーゼ(DPP)はP. gingivalisにおけるエネルギー代謝の起点と考えられる。本研究では,について検討した。3種類の既知のDPPの組換え分子標品について種々の合成ジペプチド蛍光基質を用いて基質特異性を検討したところ,P1位置はDPP4がPro,DPP7が疎水性アミノ酸,DPP11がAsp/Glu特異性を示し,さらにP2位置についてはDPP11では疎水性残基が優位性を示した。DPP7ではP1及びP2位置の疎水性度の合計に依存してDPP活性が上昇することを明らかにした。推定Ala-DPP及びDPP3遺伝子を発現精製したところAla-DPPはいずれの既存の基質に対しても加水分解活性を示さなかった。DPP3はArg特異的なDPP活性を有し,これまで報告のあった酵母,及びBacteroides thetaiotaomicronオルソログと類似する活性であることを認めた。さらに,prolyl-oligopeptidase遺伝子はこれまで真菌類のみで報告のあったDPP5であることが明らかとなった。P. gingivalis 33277株とDPP遺伝子4種破壊株NDP212および全ジンジパイン遺伝子破壊株KDP136をエンリッチBHI培地で培養し,その成長速度を測定すると野生株、NDP212株、KDP136株の順で増殖に差があり,本菌の増殖にはDPP活性が重要であることを認めた。P. gingivalisの全DPP遺伝子破壊株および全ジンジパイン遺伝子破壊株KDP136をアミノ酸やオリゴペプチドの非存在下かつタンパク質添加条件での成長速度は野生株に比して遅いことを昨年度に報告した。BHI培地では栄養成分としてBHIや酵母エキストラクトを含むため、添加ジペプチドやアミノ酸の影響がつかめ正確には把握できなかった。そこでより単純なリン酸緩衝液やHEPES緩衝液にアミノ酸やジペプチドを加えた系で成長速度を観察したところ、何種類かのジペプチド添加でアミノ酸よりも成長促進傾向はあるものの再現性が良くなかった。その改良法として細胞内の酸化還元状態により生存細胞で蛍光を発する蛍光色素Alamar Blueを用いて実験条件を決定した。その結果、P. gingivaalis野生株では添加したアミノ酸、ジペプチドの種類によって生存に差が見られ、ジペプチドの方が蛍光強度の増加が大きいことからアミノ酸よりもジペプチドの方が取り込みが多く、菌の生存に寄与していることを示すことができた。大腸菌ではジペプチド、アミノ酸の取り込みに差がなく大腸菌では糖を利用できるため積極的にアミノ酸やペプチド形態で取り込む必要がないと考えられた。Porphyromonas gingivalisは糖非発酵性歯周病原性で,エネルギー源,炭素源としてアミノ酸を代謝することから,菌体外ペプチド分解とその代謝産物の取り込みは密接に関連すると考えられる。そこで本研究では、本菌でのオリゴペプチドの取り込み・代謝効率の評価法を開発するとともに、本法を用いて、菌体内に取り込まれるペプチド種を明らかにすることを目的とした.P. gingivalis ATCC 33277,ジペプチド産生4酵素の欠損株(Δdpp4-5-7-11),及びEscherichia coli, Streptococcus anginosus, S. mutansを培養し,前定常期の菌体を調製した。50 mM HEPES (pH7.4)、濁度(0.25)の菌液に1-10 mMアミノ酸単体や当量のGly含有ジペプチド,オリゴペプチドを添加し,レサズリンを用いて蛍光強度(Em/Ex=585/550nm)の経時変化を測定すると、各菌株の代謝活性評価が可能であった.S. anginosus,S. mutansではアミノ酸単体及び種々のジペプチド添加による代謝活性の上昇率に差はなく,E. coliではGly-Glu, Gly-Gly添加で蛍光強度は上昇した.一方, P. gingivalisではジペプチド(Gly-Gly等)添加で蛍光強度が顕著に上昇し、より長いオリゴペプチドでは低かった.この現象は,ジペプチドの構成アミノ酸の添加では再現されないことから, P. gingivalisがアミノ酸をもっぱらジペプチドの形態で菌体内に取り込むことが判明した.P. gingivalisのSer/Thr transporter欠失株,oligo peptide transporter(OPT)欠失株,proton-dependent oligopeptidetransporter(POT)欠失株を作成した。これらの欠損株を用いてそれぞれのトランスポーターが担う輸送分子をさらに検討中である。以上の結果から、P. gingivalisがこれらのトランスポーターを介して主にジペプチドの形でアミノ酸を取り込むことが明らかとなった。

本研究では歯周病原性細菌Porphyromonas gingivalisのジペプチジルペプチダーゼ(DPP)活性に関連した栄養要求性について検討した。P. gingivalis野生株に比して,4種のDPP遺伝子破壊株では細菌増殖が顕著に遅延し,本菌の増殖にはDPP活性が重要であることが明らかになった。P. gingivalisでのアミノ酸,及びオリゴペプチドの取り込み・代謝が蛍光色素レサズリンを用いた代謝測定系により可能であることが判明した。その結果,本菌の栄養源としてはもっぱらジペプチドの形態でアミノ酸が菌体内に取り込まれることが判明した。エンリッチBHI培地よりも単純化した培地中の栄養要求性の解析で手間取り、各種株の成長挙動を確定できなかったため、Alamar Blue色素による細胞代謝活性を利用した解析に方向転換し、その条件設定を行っていたため。口腔生化学上記のとおりAlamar Blue蛍光色素による解析は順調で、可能な限り多くのペプチドを試し、ペプチド類似の阻害剤を可能な限り早く見つけることが課題である。一般的なエンリッチBHI培地よりも単純化した組成の培地でのP.gingivalis菌の培養条件がなかなか見つからないため、蛋白質栄養要求性の解析が難しい状態である。培養条件の探索に並行してジペプチジルペプチダーゼ基質のアミノ酸特異性から阻害剤の合成や活性阻害挙動の検討から行う予定である。当初当該年度に購入予定だったパソコンの購入が次年度になり、消耗品の購入が少なかったため。当初当該年度に購入予定だったパソコンを購入予定である。少なかった消耗品の購入のうち合成ペプチドの購入が増える予定である。
骨髄間葉系幹細胞の頭部外傷性高次脳機能障害に対する治療改善機構の解析

骨髄間葉系幹細胞(MSCs)とその分泌タンパク質、TNF-alpha stimulated gene/protein 6 (TSG-6)の投与により脳外傷モデルマウスの外傷性脳損傷と高次脳機能障害に改善がみられることが明らかとなった。さらに、この時血液脳関門の破綻が抑制されていた。MSCはアストロサイトの活性化を介して血液脳関門の破綻を抑制している可能性が示唆された。またTSG-6の投与により新生神経細胞の増加が起きることが明らかとなった。この研究成果によりMSC及びTSG-6が新たな頭部外傷の治療方法となる可能性が示唆された。我々は頭部外傷モデルマウスにMSCsおよびMSCsが分泌する免疫調整作用を持つタンパク質であるTSG-6を静脈投与し、神経障害、特に記憶障害に対して改善効果が見られることを明らかにしてきた。本年はTSG-6の作用機序についてまず検討した。TSG-6の投与により、頭部外傷後の海馬歯状回の神経前駆細胞の数が増加していることが明らかとなった。海馬歯状回の神経前駆細胞は記憶と密接に関わっているため、TSG-6はこの神経前駆細胞を増加させることを介して記憶学習障害を改善している可能性が示唆された。またMSCsおよびTSG-6の投与時期・濃度・経路を調べるために、簡便に神経障害を評価する方法の検討を行った。マウスに頭部外傷を作成し、その3日後に小動物用MRIでT2強調像を撮像すると、顕著な浮腫を伴った神経障害が白く抜けたように観察された。この結果により、頭部外傷後、特に初期の神経障害の解析にMRIが有用であることが明らかとなった。さらにこのMRIを用いた解析法を用いて頭部外傷後にMSCを投与した群の神経障害を評価したところ、vehicle投与群に比べて有意に神経障害が抑制されていた。以上の結果から、従来の方法だと数か月かかっていた頭部外傷後の神経障害の評価が、1週間程度で行えるようになった。来年度以降は、この評価法を用いてMSCsおよびTSG-6の投与時期・濃度・経路の解析を行う予定である。頭部外傷(TBI)は交通事故や高所からの落下などにより引き起こされる神経外傷性疾患であり、急性期の死亡や全身性機能不全を免れても、慢性期に認知障害や情緒障害のため社会適応障害(高次脳機能障害)が顕著となる症例が多く報告されている。申請者は、骨髄間葉系幹細胞(MSCs)から分泌される組織保護性タンパク質、TNFαstimulated gene/protein6 (TSG-6)を脳外傷モデルマウスに投与した結果、外傷性脳損傷の抑制に加え、記憶障害と鬱様行動が改善されることを明らかにした。またこの時、好中球の障害部位への浸潤と、血液脳関門の崩壊が抑制されていた。さらに海馬における神経新生を調べたところ、TSG6の投与によって新生ニューロンのマーカーであるDCX陽性細胞が有意に増加していた。以上の結果からTSG-6は神経障害の抑制、さらに神経新生の促進の両面から頭部外傷を改善していることが明らかとなった。また新しく確立したMRIを用いた脳障害の評価法によってMSCの2回静脈投与が神経障害を顕著に抑制することが明らかとなった。またこのとき静脈投与されたMSCの大部分は肺にトラップされ、障害部位である脳にはほとんど到達していないことが分かった。このことから肺にトラップされたMSCは何らかの障害シグナルを受け取りTSG6を分泌し、それが脳に到達することによって神経障害を抑制している可能性が示唆された。また、このMSCが分泌しているTSG-6のタンパク質量は外部から投与して有効な効果が得られる量に比べて極めて少量であることが明らかとなり、MSCはなんらかのタンパク質輸送システムを持っていることが示唆された。申請者は、骨髄間葉系幹細胞(MSCs)から分泌される組織保護性タンパク質、TNFαstimulated gene/protein6 (TSG6)を脳外傷モデルマウスに投与した結果、外傷性脳損傷の抑制に加え、記憶障害と鬱様行動が改善されることを明らかにした。以上の結果からTSG6は神経障害の抑制を改善していることが明らかとなった。また、このMSCが分泌しているTSG6のタンパク質量は外部から投与して有効な効果が得られる量に比べて極めて少量であることが明らかとなり、MSCはなんらかのタンパク質輸送システムを持っていることが示唆された。このことからMSCは神経保護と神経新生の促進の両面から頭部外傷後の高次脳機能障害を抑制していることが示唆された。研究者の多忙及び健康上の理由により実験計画に遅延が生じた。

本研究により骨髄由来間葉系幹細胞(MSCs)と、その分泌タンパク質TSG-6が頭部外傷モデルマウスの頭部外傷領域を減少させることが明らかとなった。さらに行動テストにより記憶障害と鬱様行動が改善させることを見出した。このとき、好中球の組織浸潤と血液脳関門(BBB)の崩壊が抑制されていた。このことから、MSCsおよびTSG-6は好中球浸潤による炎症を減少させることによって血液脳関門の破綻を抑制し、二次的な脳損傷を改善していることが示唆された。さらに脳の記憶によって重要な部位である海馬の神経新生について解析を行った。頭部外傷後の新生神経細胞数を、doublecortinの免疫染色によって調べたところ、TSG-6投与によって増加していることがを明らかとなった。興味深いことにSham群においてもこの神経新生細胞の増加は確認された。このことからTSG-6は神経新生を促進している可能性が示唆された。またMSCが血液脳関門の破綻を抑制する機構を解析するため、BBBの構成細胞のひとつであるアストロサイトの活性化に注目して実験を行った。頭部外傷作成3日後で、MSC投与群においてアストロサイトのマーカーであるGFAPタンパク質発現が顕著に増加していることが明らかとなった。さらに培養アストロサイトにおいてScratch woundモデルを作成しMSCsと共培養したところ、傷の修復が顕著に促進されることが明らかとなった。これらの結果はMSCsがアストロサイトの活性化を介して頭部外傷後のBBB破綻を抑制することを示唆している。骨髄間葉系幹細胞(MSCs)とその分泌タンパク質、TNF-alpha stimulated gene/protein 6 (TSG-6)の投与により脳外傷モデルマウスの外傷性脳損傷と高次脳機能障害に改善がみられることが明らかとなった。さらに、この時血液脳関門の破綻が抑制されていた。MSCはアストロサイトの活性化を介して血液脳関門の破綻を抑制している可能性が示唆された。またTSG-6の投与により新生神経細胞の増加が起きることが明らかとなった。この研究成果によりMSC及びTSG-6が新たな頭部外傷の治療方法となる可能性が示唆された。申請者が当該年度から昭和大学医学部解剖学講座から昭和大学共同施設遺伝子組換え実験室へと移動になったことから研究外の仕事を新しく覚える必要があり、予定通りに実験を進めることが出来なかった。当該年度の研究により、MSCは神経新生を促進していることが明らかとなった。今後はそのメカニズムについて明らかにしていく予定である。神経組織学・神経発生学当該年度の研究により、MSCはタンパク質やmiRNAなどを効率よく障害部位に輸送する何らかのシステムを持っていることが予想された。今後はそのシステムを明らかにしていく予定である。当初の計画ではMSCsおよびTSG-6の投与時期・濃度・経路の検討については本年度中に終了している予定であったが、その神経障害の評価方法の確立に時間がかかったため、やや目的の達成から遅れている。ただし本年度の研究成果によって簡便で迅速な評価方法が確立できたため、来年度以降の研究はより効率的に進められると考えている。
グラスアイオノマーセメント系修復材,合着材の象牙質界面の走査電子顕微鏡観察

光硬化型グラスアイオノマーセメントの象牙質接着性を向上するためには,象牙質面とセメントに加えられたレンジ成分とのマイクロメカニカルな接着方式を取り入れた接着が必要があるという考えのもとにプライマーを開発した(基盤A課題番号08557107)。開発されたプライマーは,コンディショナ-(酸液)の機能としてのスミア-層の除去とプライマーとしての機能としての象牙質面の改質を行うものである。新しいプライマーを含めた種々の接着補助を用い光硬化型グラスアイオノマーセメントの剪断接着強さと象牙質接合界面のSEM観察を行ない接着界面の解明を目的とした。供試した光硬化型グラスアイオノマーセメントは,フジIILC(GC)とビトレマ-(3M)を選択した。プライマーは、新開発プライマーと製品添付の前処理材を使用した。被験歯としては、ウシの下顎前歯あるいはヒトの第三大臼歯を使用した。象牙質接着性試験は,試片製作後,24時間37°C精製水中に保管しインストロン万能試験器(を用いてその剪断接着強さの測定した。SEM観察は,従来型走査電子顕微鏡,環境型電子顕微鏡によって観察した。その結果,光硬化型グラスアイオノマーセメントに接着性モノマーを含有する新開発プライマーを使用した場合の象牙質接着性は,メーカーの指示方法で製作されたものに対して明らかに高い接着力を計測した。それらの接合界面には,セメントマトリックス様の数μm電子密度の低い層が観察された。アルゴンエッチングを行い,SEM観察するとこのセメント層は,表層脱灰象牙質およびセメントとは異なる像を示し光重合型レンジでみられるハイブリッド層のように表層脱灰像牙質に侵入した層として観察された。さらに,最表層象牙質をX線マイクロアナライザーでX線回析で元素分析したところ,セメント組成中の元素の侵入が確認された。
次世代陸域モデルの構築による地球人間系の水・エネルギー・物質循環の定量評価

【全球河川水温モデルの検証】河川水質や物質の反応速度はその水温に大きく影響される.全球河川水質(物質輸送)モデルを開発する前段階として,これまで開発してきた全球河川水温モデルについて,世界各地の観測データを用いて検証した.その結果,河川氾濫の考慮によって数度程度の温度上昇が生じ,融雪期の高緯度河川や雨季の低緯度河川における水温の季節変動の再現性が向上することが分かった.【全球熱輸送量の推計と沿岸への影響】上記のモデルを用いて,河川による全球の熱輸送量の定量評価を行った.河川は上流部における気候の影響を下流部に伝播する役割を有する.特に南から北に流れる高緯度河川では,上流からの温暖な水の流入によって,河口部の河川水温は沿岸域の海水温度よりも数度程度高く,結果として北極海沿岸部の熱収支に約10%の寄与が存在することが分かった.これらの結果から,物質輸送に関しても河川が地球システムにおいて一定の役割を果たしていると予想される.【全球河川水質モデルの開発と検証】上記のモデルを拡張して,河川の水質を計算するモデルを開発した.その開発のため,既往の地域スケールの河川や湖沼の水質モデルのレビューも行った.豊富な観測データが存在するドナウ川で検証を行った結果,窒素や酸素の量の再現性が良好であることが確認された.【河川・湖沼結合モデルの開発】湖沼は成層化等によって水質に大きく影響するが,これまでのモデルでは水動態でも湖沼が考慮されていなかった.湖沼を考慮した河道網を構築するため,90m高解像度の全球地形データと,全球湖沼水面分布データの結合を行った.河川水温の記述論文が水文学におけるトップジャーナルの1つであるWater Resources Researchから発行された.またそれを用いた全球熱輸送の解析に関する論文の準備も最終段階に入っている.全球河川水質モデルの開発について,現状ではドナウ川のみでパラメータ設定を行って計算を行った.地域によって生物種が異なるため他地域ではパラメータを再設定する必要があるが,全球で水質が計算可能なモデルは順調に開発が進んでいる.一方で,より頑健なモデルを構築するために湖沼過程を導入する必要がある.そもそも湖沼を考慮した河道網や河川モデルが存在しないため,水温水質のみならず水動態の計算すら出来ない現状である.本研究では,高解像度の地形データと湖沼水面データを結合して新たなデータセットを構築する段階から行っている.予定よりも時間を要しているものの,順調に開発は進行している.まず,湖沼を考慮した河道網の自動構築アルゴリズムの開発を行う.その入力となるデータセットの開発はおおむね完了しているが,河道網のデータ形式などについては,今後河川・湖沼結合モデルの開発を並行しながら決定する.その後,湖沼からの流出量の計算方法についてレビュー・開発を行う.五大湖など既往の研究が蓄積されている湖沼に関しては,半経験的な式の提案などが行われているが,全球の大部分の湖沼に関しては,その流出量の計算方法が確立されていない.ダム湖は既往のダム操作モデルを援用すると同時に,自然湖については物理的に整合のとれた計算式を開発する必要がある.上記の研究によって計算された水動態の検証と同時に,熱収支モジュールを結合して,湖沼の水温分布の検証も行う.琵琶湖など水温の鉛直分布に関する観測データを収集すると同時に,観測研究のレビューも行い,定量的・定性的両面の検証を行う必要がある.その後,湖沼における物質動態モジュールの結合を行い,全球スケールで河川による物質輸送の定量評価を行う.【全球河川水温モデルの検証】河川水質や物質の反応速度はその水温に大きく影響される.全球河川水質(物質輸送)モデルを開発する前段階として,これまで開発してきた全球河川水温モデルについて,世界各地の観測データを用いて検証した.その結果,河川氾濫の考慮によって数度程度の温度上昇が生じ,融雪期の高緯度河川や雨季の低緯度河川における水温の季節変動の再現性が向上することが分かった.【全球熱輸送量の推計と沿岸への影響】上記のモデルを用いて,河川による全球の熱輸送量の定量評価を行った.河川は上流部における気候の影響を下流部に伝播する役割を有する.特に南から北に流れる高緯度河川では,上流からの温暖な水の流入によって,河口部の河川水温は沿岸域の海水温度よりも数度程度高く,結果として北極海沿岸部の熱収支に約10%の寄与が存在することが分かった.これらの結果から,物質輸送に関しても河川が地球システムにおいて一定の役割を果たしていると予想される.【全球河川水質モデルの開発と検証】上記のモデルを拡張して,河川の水質を計算するモデルを開発した.その開発のため,既往の地域スケールの河川や湖沼の水質モデルのレビューも行った.豊富な観測データが存在するドナウ川で検証を行った結果,窒素や酸素の量の再現性が良好であることが確認された.【河川・湖沼結合モデルの開発】湖沼は成層化等によって水質に大きく影響するが,これまでのモデルでは水動態でも湖沼が考慮されていなかった.湖沼を考慮した河道網を構築するため,90m高解像度の全球地形データと,全球湖沼水面分布データの結合を行った.河川水温の記述論文が水文学におけるトップジャーナルの1つであるWater Resources Researchから発行された.またそれを用いた全球熱輸送の解析に関する論文の準備も最終段階に入っている.全球河川水質モデルの開発について,現状ではドナウ川のみでパラメータ設定を行って計算を行った.

地域によって生物種が異なるため他地域ではパラメータを再設定する必要があるが,全球で水質が計算可能なモデルは順調に開発が進んでいる.一方で,より頑健なモデルを構築するために湖沼過程を導入する必要がある.そもそも湖沼を考慮した河道網や河川モデルが存在しないため,水温水質のみならず水動態の計算すら出来ない現状である.本研究では,高解像度の地形データと湖沼水面データを結合して新たなデータセットを構築する段階から行っている.予定よりも時間を要しているものの,順調に開発は進行している.まず,湖沼を考慮した河道網の自動構築アルゴリズムの開発を行う.その入力となるデータセットの開発はおおむね完了しているが,河道網のデータ形式などについては,今後河川・湖沼結合モデルの開発を並行しながら決定する.その後,湖沼からの流出量の計算方法についてレビュー・開発を行う.五大湖など既往の研究が蓄積されている湖沼に関しては,半経験的な式の提案などが行われているが,全球の大部分の湖沼に関しては,その流出量の計算方法が確立されていない.ダム湖は既往のダム操作モデルを援用すると同時に,自然湖については物理的に整合のとれた計算式を開発する必要がある.上記の研究によって計算された水動態の検証と同時に,熱収支モジュールを結合して,湖沼の水温分布の検証も行う.琵琶湖など水温の鉛直分布に関する観測データを収集すると同時に,観測研究のレビューも行い,定量的・定性的両面の検証を行う必要がある.その後,湖沼における物質動態モジュールの結合を行い,全球スケールで河川による物質輸送の定量評価を行う.