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光学的手法による神経分泌細胞の電気活動とホルモン合成活動の解析

脊椎動物の神経分泌系は、いわゆる神経ホルモンを分泌することにより,個体のさまざまな生理機能の調節に重要な役割を果していると考えられている。しかし,神経分泌細胞による神経ホルモンの合成と分泌が,体外や体内の環境の変動に対応して,どのように制御されているかはよく分かっていない。そこで,本研究では光学顕微鏡を二次元の顕微分光測光機として使用し,個々の細胞のレベルでのホルモン合成活動をin situ hybridization法および免疫組織化学法で,ホルモン分泌活動を電位差感受性の蛍光色素を用いる膜電位測光法で,定量的に解析することを試みてきた。神経分泌細胞によるペプチド性の神経葉ホルモンの合成活動は,細胞質中のホルモン前駆体mRNAを,独自に開発した合成DNAを用いるin situ hybridization法で検出・解析した。なお,本研究は,当初,上に述べた問題を哺乳類のラットあるいはマウスの視床下部ー下垂体神経葉系を用いて実施することを予定していたが,研究代表者の現職への転任に伴い,主な実験材料を硬骨魚に変更した。ところが,魚類では,神経葉ホルモン前駆体mRNAの塩基配列が知られていなかったので,まずそれを解析した後,神経分泌細胞のさまざまな細胞活動,中でも神経ホルモンの合成活動と分泌活動についての研究を開始した。得られた主な結果は以下のことに関するものである。1.高張食塩水あるいは絶水に伴うラット神経葉ホルモンの合成活動の変動の解析2.マウスの個体発生に伴うバソプレシンP前駆体遺伝子の発現の変動の解析3.シロサケおよびヤマメの神経葉ホルモン前駆体をコ-ドするcDNAのクロ-ニングと塩基配列の決定4.ニジマスにおける環境の浸透圧の変化に伴う神経葉ホルモン前駆体遺伝子の発現の変動の解析脊椎動物の神経分泌系は、いわゆる神経ホルモンを分泌することにより,個体のさまざまな生理機能の調節に重要な役割を果していると考えられている。1.高張食塩水あるいは絶水に伴うラット神経葉ホルモンの合成活動の変動の解析2.マウスの個体発生に伴うバソプレシンP前駆体遺伝子の発現の変動の解析3.シロサケおよびヤマメの神経葉ホルモン前駆体をコ-ドするcDNAのクロ-ニングと塩基配列の決定4.ニジマスにおける環境の浸透圧の変化に伴う神経葉ホルモン前駆体遺伝子の発現の変動の解析本研究は脊椎動物の視床下部神経分泌系の神経ホルモン合成活動と分泌活動を、主として光学的な手法を用いて解明することを目的にしている。当初の計画では主にウナギを用いて実験を進める予定であったが、年度の途中で大型魚類の飼育設備を使用できる海洋研究所に移ったので、材料の再吟味を行った。免疫染色した何種類かの魚類の脳の組織標本を比較し、基本的にはサケ科魚類を用い、神経葉ホルモンを産生・分泌している視索前核-神経下垂体系について研究を進めることにした。なお、サケ科魚類の神経葉ホルモンはバソトシンとイソトシンであることが確立している。現在までに以下の結果が得られている。1.バソトシンおよびイソトシンについて、免疫化学的な手法(ラジオイムノアッセイ、ドットブロットあるいは免疫組織化学)を用いて合成活動および分泌活動を解析するために、抗体の作製を試み、バソトシンに対して高い抗体価を示す抗血清がえられた。2.バソトシン遺伝子およびイソトシン遺伝子の発現を切片上ハイブリダイゼーション、ドットハイブリダイゼーション、あるいはノーザンプロット法などにより解析するために、シロサケの神経葉ホルモンmRNAの塩基配列を調べ始めた。シロサケ視床下部のcDNAライブラリーから、ヒキガエルのバソトシンcDNAおよびメソトシンcDNAを用いてホモロジーを利用したスクリーニングを行い、シロサケイソトシンのcDNAをインサートに持つクローンを得ることができた。塩基配列の解析結果から、シロサケには2種類のイソトシン前駆体があることがわかった。3.電位差感受性蛍光色素を用いて、神経分泌ニューロンの分泌活動の指標であるスパイク発射活動を記録するための準備を進めており、そのための膜電位測光装置のセットアップが完了した。本研究は脊椎動物の視床下部神経分泌系の神経ホルモン合成活動と分泌活動を、主として光学的な手法を用いて解明することを目的にしている。基本的にはサケ科魚類をの脳視床下部-神経性下垂体系を材料として用い、神経葉ホルモンを産生・分泌している視索前核の神経分泌

ニュ-ロンについて研究を進めてきた。なお、サケ科魚類の神経葉ホルモンは、少なくともシロサケでは、バソトシンとイソトシンであることが確認されている。今年度は現在までに以下の結果が得られている。1.神経葉ホルモンの合成活動のレベルを、遺伝子レベルで、顕微鏡下に観察するために、合成オリゴヌクレオチドをプロ-ブとして用いる切片上ハイブリダイゼ-ション法を確立した。さらに、その方法により、脱水にともなうラット視床下部の神経葉ホルモンmRNA量の変動を明らかにした。2.サケ科魚類の神経分泌系でのバソトシン遺伝子およびイソトシン遺伝子の発現を切片上ハイブリダイゼ-ション、ドットハイブリダイゼ-ション、あるいはノ-ザンブロット法などにより解析するためにシロサケの神経葉ホルモンmRNAの塩基配列を調べた。シロサケ視床下部のcDNAライブラリ-から、ヒキガエルのバソトシンcDNAおよびメソトシンcDNAを用いてホモロジ-を利用したスクリ-ニングを行い、イソトシンのcDNAを、また合成オリゴヌクレオチドを用いてバソトシンのcDNAをインサ-トに持つクロ-ンを得ることができた。塩基配列の解析結果から、シロサケにはそれぞれ2種類のイソトシン前駆体とバソトシン前駆体があることがわかった。3.電位差感受性蛍光色素を用いて、神経分泌ニュ-ロンの分泌活動の指標であるスパイク発射活動を記録するための準備を進めており、そのための計算機とプログラムのセットアップが完了した。脊椎動物の神経分泌系は,いわゆる神経ホルモンを分泌することにより,個体のさまざまな生理機能の調節に重要な役割を果していると考えられている.しかし,神経分泌細胞による神経ホルモンの合成と分泌が,体外や体内の環境の変動に対応して,どのように制御されているかはよく分かっていない.そこで,本研究では光学顕微鏡を二次元の顕微分光測光機として使用し,個々の細胞のレベルでのホルモン合成活動をin situ hybridization法および免疫組織化学法で,ホルモン分泌活動を電位差感受性の蛍光色素を用いる膜電位測光法で,定量的に解析することを試みてきた.神経分泌細胞によるペプチド性の神経葉ホルモンの合成活動は,細胞質中のホルモン前駆体mRNAを,独自に開発した合成DNAを用いるin situ hybridization法で検出・解析した.本年度は以下に示すような結果を得ることができた.1.マウスの個体発生に伴うバソプレシン前駆体遺伝子の発現の変動の解析:出生直後に,一過性に神経分泌細胞当りのバソプレシン前駆体mRNA量が増加することが分かった.2.シロサケおよびヤマメの神経葉ホルモン前駆体をコ-ドするcDNAのクロ-ニングと塩基配列の決定.3.ニジマスにおける環境の浸透圧の変化に伴う神経葉ホルモン前駆体遺伝子の発現の変動の解析:海水適応により発現が低下し,淡水適応により発現が高まった.
人工神経回路網の手法を応用したパラメトリック脳機能解析手法の研究

脳の状態変化の新しい定量化法の開発を目的として,人工神経回路網(ニューラルネットワーク,ANN)を用いた時系列信号解析法について研究を行った.脳の状態測定には従来から広く用いられている脳波を使用した.本年度は脳波計測・解析システムの構築・改善,脳波測定実験の実施と測定データの解析,解析手法の検討を行った.1.脳波測定実験の実施とデータ解析脳の前年度に改善した脳波測定システム(測定電極数の増加,心電図の同時計測,ディスポーザル電極の使用,サンプリング周波数の高速化)を用いて脳波測定を行った.手法の検証のためには脳に実際に状態変化が起きていると思われる状態をつくる必要があるが,そのためにカルニチンを摂取し前後の脳波を計測し状態変化の検出を試みた.カルニチンはダイエット効果があるとして食品に添加されることも増えてきているが一種の覚醒効果も期待されているアミノ酸である.解析の結果,周波数解析では一定の傾向のある変化が観測されたものの,ANNを用いた解析では顕著な結果が得られなかった.2.解析手法の検討前年度では脳波の測定データを数10秒の短期間に区切り,各解析区間毎に移動平均型ANNを用いて学習させ,区間毎にANNの結合荷重を用いて比較する手法について検討した.本年度は結合荷重の比較の際に従来の内積およびベクトルの大きさの比較による定量化に加えて,多変量解析の一つである主成分分析を用いて,結合荷重ベクトルの変化分の主成分を抽出し,比較する方法を考案し,基礎的な検討を行った.運動時及びその前後の血流速度波形を例に検討を行った結果,第2主成分までの分布図を描くことによりで各運動状態で領域に分かれることが確認できた.今後,脳波の状態解析にも適用し有用性を確認することが必要である.脳の状態変化の新しい定量化方法の開発研究を目的として,人工神経回路網(ニューラルネットワーク)を用いた時系列信号解析方法について研究を行った.研究は1.脳波計測・解析システムの構築,2.解析手法の確立の2つに分けて行った.1.脳波計測・解析システムの構築脳波計測は現有の生体アンプ(脳波計)のアナログ信号出力を多チャンネルのA/D変換ボード(インターフェース社製PCI-3177C)を用いて数値化しパーソナルコンピュータ(デル社製OptiPlexGX270)に取り込み独自開発のアプリケーションを用いてデータとして記録するとともに,簡単な周波数解析を行い波形とともに実時間表示を行うしすてむを作成した.解析用高速パーソナルコンピュータ(アップル社PowerMacG5)を用い,ニューラルネットワークを用いた解析プログラムを作成した.また解析用コンピュータでも脳波波形の観察が行うことができるような独自開発のアプリケーションを開発した.計測データは既存のデータ蓄積用サーバに記録し,必要に応じて利用できるようなシステムとした.2.解析手法の確立移動平均型ニューラルネットワークによる時系列信号解析の基礎的な特性を明らかにするために,ARモデルやMachey and Glassモデルなどの単純なシステムを用いてシステムパラメータの変化をニューラルネットワークで容易に捉えることができる指標について検討し,結合荷重の大きさおよび内積による比較を用いると有効であることが示された.またこれらの指標を用いて測定した脳波の解析を行い有効性を確かめた.ただし脳波の解析に用いる時系列データのサンプリング周波数や前処理についてはさらに検討を進めることが必要である.脳の状態変化の新しい定量化法の開発を目的として,人工神経回路網(ニューラルネットワーク)を用いた時系列信号解析法について研究を行った.脳の状態測定には従来から広く用いられている脳波を使用した.本年度は脳波計測・解析システムの構築・改善,脳波測定実験の実施と測定データの解析,解析手法の検討を行った.脳波測定は本研究で構築した多チャンネル脳波測定システムを用いた.脳波測定においては心電図,眼球運動により発生する電位は雑音となり解析結果に悪影響を及ぼす.そこで独立成分分析を用いた方法および移動平均型のニューラルネットワークを用いて雑音を除去することを試みた.本研究で検討を行った解析方法は,脳波の測定データを数10秒の短時間に区切り,各解析区間毎に移動平均型のニューラルネットワークで学習することによって脳波を発生するシステムをモデル化し,各区間のシステムの比較をニューラルネットワークの結合荷重ベクトルにより比較,定量化するものである.結合荷重ベクトルの比較はベクトルの内積,ノルム等を用いて指標化した.まずこの方法の妥当性を調べるためにARモデルや非線形微分差分方程式を用いたモデルでパラメータの変化を検出できるかどうかについて検討した結果,なるべく小さな構造のニューラルネットワークを用いれば有効であることが分かった.そこで脳波の解析にはニューラルネットワークの構造をモンテカルロ法を用いて計測例毎に最適なものを決定して指標化を行い,一般的に用いられている周波数解析と比較して同等な結果を得られる事を確認した.脳の状態変化の新しい定量化法の開発を目的として,人工神経回路網(ニューラルネットワーク,ANN)を用いた時系列信号解析法について研究を行った.脳の状態測定には従来から広く用いられている脳波を使用した.本年度は脳波計測・解析システムの構築・改善,脳波測定実験の実施と測定データの解析,解析手法の検討を行った.1.脳波測定実験の実施とデータ解析脳の前年度に改善した脳波測定システム(測定電極数の増加,心電図の同時計測,ディスポーザル電極の使用,サンプリング周波数の高速化)を用いて脳波測定を行った.手法の検証のためには脳に実際に状態変化が起きていると思われる状態をつくる必要があるが,そのためにカルニチンを摂取し前後の脳波を計測し状態変化の検出を試みた.

カルニチンはダイエット効果があるとして食品に添加されることも増えてきているが一種の覚醒効果も期待されているアミノ酸である.解析の結果,周波数解析では一定の傾向のある変化が観測されたものの,ANNを用いた解析では顕著な結果が得られなかった.2.解析手法の検討前年度では脳波の測定データを数10秒の短期間に区切り,各解析区間毎に移動平均型ANNを用いて学習させ,区間毎にANNの結合荷重を用いて比較する手法について検討した.本年度は結合荷重の比較の際に従来の内積およびベクトルの大きさの比較による定量化に加えて,多変量解析の一つである主成分分析を用いて,結合荷重ベクトルの変化分の主成分を抽出し,比較する方法を考案し,基礎的な検討を行った.運動時及びその前後の血流速度波形を例に検討を行った結果,第2主成分までの分布図を描くことによりで各運動状態で領域に分かれることが確認できた.今後,脳波の状態解析にも適用し有用性を確認することが必要である.
高立体選択的なカスケード型ヘテロ付加環化反応の開発と生物活性天然物の合成

2価のパラジウム触媒による立体選択的な環化付加反応を経由して、ピペリジンアルカロイド(+)-dienomycineの全合成、yessotoxinのポリテトラヒドロピラン構造部の合成、糖類(D-ribose、D-deoxyriboe、スピロC-アリールグリコリボシド誘導体)の合成、spirofungin類の基本骨格であるスピロケタール環の合成に成功した。又、spirofungin類の共役ジエン部の立体選択的な合成法の開発も行なった。papulacandin型スピロ環状化合物のリボースアナローグを合成する目的で、(cis)-2-butene-1, 4-diolを出発原料とし、酵素を用いる不斉アシル化を行い、得られた光学活性モノアセチル体の側鎖の変換を行いアルデヒド体とし、次いで、1-ヒドロキシメチル-2-ブロモベンゼンから誘導したGrignard試薬との反応、2価のPd触媒を用いる環化反応を行うことにより、アリルアルコール部を有するケトン体を合成した。このケトン体を2価のパラジウム触媒で処理したところ、反応はスムーズに進行し、スピロ環状化合物を得ることが出来た。現在、このスピロ環状化合物からpapulacandin型リボースアナローグへの変換を検討中である。また、bistramide Aのスピロ環部の合成を試みた。すなわち、1, 3-propandiolを出発原料とし、常法に従い、スルホン体を合成した。次に、光学活性なプロピオン酸誘導体を用いてアルデヒド体を合成し、得られたスルホン体とアルデヒド体のJuliaカップリング,生成した水酸基の酸化、スルホンの除去を順次行い、環化前駆体を合成した。この環化前駆体をPd(II)触媒で処理したところ、環化反応がスムーズに進行し、bistramide Aのスピロ環部の合成に成功した。さらに、2価のパラジウム触媒を用いる環化反応を鍵反応として、(+)-dienomycinCの不斉全合成に成功した。また同様の手法を繰り返し利用することによって、梯子上ポリエーテ天然物であるyssotoxinのAC環部の立体選択的な合成にも成功した。アリルアルコールを両末端に持つ(炭素鎖3で結合)ケトン体をPd(II)触媒を用いる環化反応に付すことにより,bistramide Aのスピロ骨格部の合成に成功した。環化反応の基質のケトン体は,1,3-propandiolから誘導したアリルアルコー部を有するスルホン体と光学活性なプロピオン酸誘導体から誘導しアルデヒドとのJuliaカップリングを経由して合成した。現在,合成に成功したスピロ体からbistramide Aへの変換を検討している。また,papulacadin DのC-アリールリボース類の合成も検討した。(cis)-2-butene-1,4-diolから,酵素を用いる不斉アシル化,酸化,Grignard反応等を経て,アリルアルコール部とアルコール部を有するケトン体を合成した。次いで,2価のPd触媒を用いてケトン体の環化反応を行なったところ,スピロ体を合成することが出来た。さらに,得られたスピロ体のベンゼン環に様々な置換基を導入し,papulacadin DのC-アリールリボース類の合成に成功した。現在,これらC-アリールリボース類の薬理活性を調査中である。申請者は、2価のパラジウム錯体が、アリルアルコールへのヘテロ付加環化反応を極めて有効に触媒し、緩和な条件で立体選択的にヘテロ環が生成する事を見出し、この反応を鍵反応として、以下に示すように、ヘテロ脂環式生物活性天然有機化合物の立体選択的な合成を行なった。(1)マイコバクテリアに対する生物活性を示す(+)-dienomycineの全合成を行い、その絶対配置を明らかにした。(2)陸奥湾産のホタテガイPatinopecteny yessoensisの中腸腺から単離された海産毒yessotoxinのトランス縮環ポリテトラヒドロピラン構造部の合成を、2価のパラジウム触媒による立体選択的なヘテロ付加環化反応を反復使用することにより達成した。(3)ヘミアセタールをヘテロ付加環化反応の求核種とすることで、D-riboseやD-deoxyriboeの合成を行ない、種々の五単糖や六単糖の合成への新しいルートを確立した。また、同様の手法を用いて、薬理活性が期待できるスピロC-アリールグリコリボシド誘導体の合成も行なった。(4)ヘミアセタール中間体を経由するヘテロ付加環化反応をカスケード型の反応に応用し、スピロケタール環の立体選択的な合成に成功した。現在、スピロケタール環を有するspirofungin等のポリケチド類の合成を行なっている。(5)spirofungin類の合成を行なうにあたって、共役ジエンの立体選択的な合成法の開発が必要となり検討した結果、パラジウム触媒とトリメチルアルミを用いるカップリング反応が極めて有効である事を見いだした。

特に、著者らの開発したヘミアセタール中間体を経由するカスケード型のヘテロ付加環化反応は、糖類やスピロケタール環を有する天然物の合成に極めて有用な手段を提供するものと考えられ、さらなる展開が期待される。
必須多価不飽和脂肪酸を指標にした認知症に伴う周辺症状の発症予測の試み

アルツハイマー型認知症と軽度認知障害の患者を対象に、赤血球膜脂肪酸組成を測定し、認知機能と介護負担度を含む周辺症状との関連を検討した。また、補助診断用検査として行った認知機能検査と頭部画像検査(MRIと脳血流検査)の各指標について、それぞれの関連を検討した。さらに、同対象者の一年後の縦断的検査所見からの検討を行った。その結果、認知機能や周辺症状の程度あるいは介護負担度に、必須多価不飽和脂肪酸の割合との相関が認められた。現在、脳画像診断も含めた経時的変化を追うための症例数も増えつつあり、形態変化とEPUFAsやBPSDとの関連について検討も予定している。今後さらに症例数を増やし、これらを詳細に検討していく予定である。当科の「ものわすれ外来」を受診している、アルツハイマー型認知症と軽度認知障害(mild cognitive impairment)と診断される患者について、神経心理学評価・周辺症状評価・介護者負担評価を実施した。同患者の末梢血サンプルから、細胞膜必須多価不飽和脂肪酸組成を解析した。同患者の脳MRIと脳血流SPECTの画像検査所見を解析した。現在、サンプル集積中である。現在のところ、必須多価不飽和脂肪酸と認知機能および周辺症状との間に関連がありそうである。すなわち、認知機能と末梢血赤血球膜の必須多価不飽和脂肪酸量との間には正の相関があり、家族の介護負担度と患者の末梢血赤血球膜の必須多価不飽和脂肪酸量との間には負の相関が在るようである。また、軽度認知障害とアルツハイマー型認知症における脳画像所見の類似と差異についても解析し複数の所見を同定している。例えば、アルツハイマー型認知症よりも軽度認知障害においては海馬萎縮と記憶機能減退とが有意に相関していた。これらの画像所見と必須多価不飽和脂肪酸や周辺症状や介護負担度との関連についても解析をすすめることとしている。さらに経過をフォローできた症例での縦断的検討も行うこととしている。高齢化社会において認知症ケアの課題は非常に重要である。なかでも介護負担に大きな影響を与えている周辺症状の生物学的基盤を解明するこの試みは、予防的介入方法の模索でもあり、社会的要請に沿うものと考える。その結果、必須多価不飽和脂肪酸と認知機能および周辺症状との間に関連があった。すなわち、認知機能と末梢血赤血球膜の必須多価不飽和脂肪酸量との間には正の相関があり、家族の介護負担度と患者の末梢血赤血球膜の必須多価不飽和脂肪酸量との間には負の相関があった。必須多価不飽和脂肪酸量が多い患者ほど認知機能が良く、周辺症状が少なく、その家族の介護負担度も少ないことが示された。認知症と周辺症状における、食事内容の重要性を示唆する所見と言え、予防的見地から重要と考える。また、軽度認知障害とアルツハイマー型認知症における脳画像所見の類似と差異についても解析し、複数の所見を同定した。例えば、患者の神経心理学的検査の得点と相関があったのは、アルツハイマー型認知症では海馬萎縮程度と脳血流低下程度であったが、軽度認知障害においては脳血流低下程度であった。これらは、早期診断の段階においては、脳MRI形態画像よりも脳血流SPECT画像の検査の方が鋭敏であることを示唆する所見と言える。軽度認知機能障害とアルツハイマー型認知症の検査所見の異同を明らかにし、さらに介護負担に大きな影響を与えている周辺症状の生物学的基盤を解明するこの試みは、予防的介入方法の模索でもあり、社会的要請に沿うものと考える。
保存を目的とした服飾民俗資料の記録方法の研究-アイヌ衣服を例として

1.図化→土佐林コレクションの代表的な衣服を、5分の一の縮小で図化して、切り伏せ、刺繍の位置、布剥ぎ位置、縫製順序を記録した。2.衣服全体、布地の様子、縫いの状況の観察と記録→布地の様子、縫いの状況は、拡大カメラで観察しながら、ビデオプリンター、カメラで記録した。衣服によっては、かなり小さな布片を剥ぎ合わせているものもある。基本的には、左右対称の剥ぎを原則としているが、布が足りないときは、適宜応用している様子が伺われる。また切り伏せは大きな布は使わず、小布をうまく使いこなしている。中には、かなり劣化した生地の良い部分だけ取って使用したと思われるものもあった。3.劣化の観察と記録→劣化表を作成し、部位別の損傷内容を個々に把握した。このコレクションは本学に収納された際に、クリーニングに出されている。汚れが比較的顕著でないのはそのためである。しかし、折ってたとう紙に収納されているので、皺、折れがかなり見受けられる。当初より劣化した絹地を使って仕立てているものもあるので、収納方法による劣化の促進が懸念される。4.本コレクションの劣化の特徴→コレクションをつぶさに観察していくと、日々の生活の中で作られ、着用され伝世したものであることがわかる。劣化表を今後パソコン処理し、全体の傾向をより鮮明にする必要がある。今後全コレクションの劣化表を作成し、他のアイヌ衣服とも比較し検討していきたい。
転写因子の高次構造に基づくゲノム情報科学

DNA結合タンパク質には特徴的な正電荷の表面が存在することが判ってきた。現在その正電荷表面がDNAのリン酸骨格に対応できるような表面であるかどうかを判定するためのソフトウェアーを開発中である。また2本鎖DNAに特異的に結合するDNA結合タンパク質を同定するためのDNAチップも開発した。ある特定の配列のDNAチップに結合するタンパク質を同定できるようになった。現在感度の向上と再現性をチェックしている。またDNA結合タンパク質の立体構造をNMR法により決定し表面構造を計算してDNA結合能との相関を求めた。テロメア結合タンパク質のTRF1のMybモチーフとDNAとの複合体の立体構造とhRap1のMybモチーフの立体構造を決定した。両方のMybモチーフとも構造解析の結果3個のヘリックスを持っていた。TRF1のMybモチーフは1個でテロメアDNAと特異的に結合し、フレキシブルなN末がDNAの小さな溝で特異的に結合し3番目のヘリックスがDNAの大きな溝で塩基配列を認識していた。タンパク質表面はDNAと特異的に結合できるように正の表面電荷分布を持っていた。hRap1のMybモチーフの表面には特異的な正電荷の分布が無かった。DNA結合タンパク質を同定するためのソフトウェアーの開発は世界的に見て独自技術である。またDNA結合タンパク質を同定するためのDNAチップの開発は世界的に種々の方法で行われているがその殆どはタンパク質を何らかの方法でラベルしているが我々はDNA側をラベルしておいてDNA結合タンパク質を同定できる新手法を開発した。hRap1のMybモチーフの構造とテロメアDNAとテロメアタンパク質のhTRF1の複合体の立体構造を世界に先駆けて決定しテロメアDNAの塩基配列の認識機構を解明した。
電力システムにおける監視・制御技術の高度化による大事故時の停電範囲の極小化

当該年度では,事故直後の過渡安定度領域における過渡安定度問題と電圧安定度問題について扱い,系統安定化を可能とするFACTS機器や二次電池の動的な緊急制御手法について検討した。過渡安定度の安定化に対しては,系統のエネルギー関数の増加速度の減少や,危険発電機の回転子角速度の加速(または減速)の抑制を制御指標とした電力制御機器の制御手法を開発した。さらに,二次電池の有効電力と無効電力を制御対象とするにあたっては,同一容量の変換器を用いてできるだけ高い安定度向上効果が得られるように,二つの操作変数の変化量に対して最適な変換器容量配分を行うための手法を開発した。本手法では,エネルギー関数の時間微分値を負の方向に最大化するように,変換器容量の配分を行うことが可能である。これらの提案法の有効性について,UPFCや二次電池が設置された複数の多機電力系統において検証した結果,系統構成や,制御対象とする機器の設置位置・台数に依らず,高い信頼度をもって電力系統の過渡安定度を高めることを確認した。次に,電圧安定度を考慮した電力系統の安定化に対しては,系統電圧の制御効果が高い並列接続型の電力制御部(ex.UPFCによる無効電力制御,二次電池による有効電力・無効電力制御)を制御対象として,過渡安定度・電圧安定度安定化制御手法を提案した。この手法は,先に述べた系統安定化制御手法を基本として,過渡安定度を高めることができるタイミングで系統側に有効電力や無効電力を注入することで,過渡安定度と電圧安定度の双方を高める安定化制御手法である。提案法の有効性について,二次電池の設置を仮定した複数の多機電力系統において検証した結果,電圧安定度が不安定要因となる事故ケースに対しても,系統構成や,機器の設置位置・設置台数に依らず,高い信頼度をもって系統を安定化できることを確認した。このように,提案した新たな緊急制御手法によって,送電網に設置された応答性の高いFACTS機器や二次電池を制御することで,電力系統の安定化に貢献できる可能性があることが明らかとなった。平成23年度で辞退のため、平成24年度以降は実施せず平成23年度で辞退のため、平成24年度以降は実施せず当該年度では,事故直後の過渡安定度領域における過渡安定度問題と電圧安定度問題について扱い,系統安定化を可能とするFACTS機器や二次電池の動的な緊急制御手法について検討した。平成23年度で辞退のため、平成24年度以降は実施せず平成23年度で辞退のため、平成24年度以降は実施せず
奄美群島における開発政治の展開と地域政治構造の変容

本年度には、前年度から引きつづきデータベースの作成作業と奄美大島での聞き取り調査を行った。同時に、復帰後の奄美群島の開発問題と地域政治の関連は、奄美群島の復帰のあり方に相当程度規定されていたと考え、奄美群島の復帰運動史の再検討の作業に着手した。復帰前の新聞や雑誌を中心に資料を読み直すことによって、復帰後の奄美群島を規定するアイデンティティの問題を明らかにすることができた。その成果の一部を、平成13年10月に立教大学で開催された日本政治学会において「周辺地域からみたナショナリティ-戦後奄美の政治を事例として-」という題目で報告した。本科学研究費による調査・研究により、奄美群島の政治を考察するうえで重要な基礎資料の収集と、同地域における開発問題と地域政治の関連についてのアウトラインを明らかにすることができ、また、方法論的な問題や比較分析の領域でも一定の成果をあげることができた。しかしながら、収集資料に基づくより詳細な分析や膨大な資料のデータベース化については、当初の計画を消化することはできなかった。平成15年12月が奄美群島の復帰50周年にあたるので、それまでに復帰運動、復帰前後、復帰後という時系列に沿って奄美群島における開発問題と地域政治の関連を総括する作業を終える予定であり、同時に復帰後50年を総括する本の出版の準備を進めているところである。1953年12月の日本復帰以後の奄美群島の開発政治は、復帰と同時に始まった復興開発計画及びその後継の事業である振興開発計画を中心として展開されてきた。これまでの奄美の戦後政治に関して書かれた文献のほとんどが復帰運動について書かれたものであり、開発政治の観点から系統的に分析したものは皆無に等しいことから、本年度は、この開発計画導入とその後の展開に関わる資料(行政機関による調査報告書等、各種団体の活動報告書や町村長会、町村議長会等の議事録、市町村史、関係者の回顧録等)の収集と、関係者からのヒアリング調査を行い、基礎資料の整理を行った。資料調査の結果、行政機関による調査報告書等の資料は系統的に収集できたが、それ以外の資料については散逸しており、今後も私蔵資料も含めて収集にあたらなければならないことが判明した。また、復興開発計画及び振興開発計画は、五年ごとに事業の見直しとそれに基づく延長の手続きがなされているが、時代とともに事業延長の根拠が変化していること、また、奄美群島内部での計画立案のプロセスそれ自体にも変化が見られることなどを資料的にも明らかにしうる目途が立った。次年度以降は、以上のような基礎的資料の収集を引き続き行う作業と並行して、最初の復興開発計画導入の際の政治過程、及び、高度経済成長期における開発計画の変容を背景とした奄美群島内の開発問題と地域政治構造の変容を明らかにする研究成果を公表する予定である。本年度は、前年度に引き続き復帰前後の時期を中心とした奄美群島の開発政治にかかわる文献・資料の収集と関係者からのヒアリングを行った。この作業のなかで、復帰問題の窓口となった南方連絡事務局関連の資料や、東京での復帰運動に関わった人々の記録を収集することができた。これらの資料やヒアリングと外交資料館所蔵の復帰関係資料を中心に分析する作業をすすめるなかで、すでに復帰以前の段階から復帰後の奄美群島の開発問題がクローズアップされており、開発問題の位置付けと復帰のタイミングや方法の問題が密接に関連していたこと、そして復帰前後の開発問題の扱いが復帰後の奄美の政治構造をも規定することになったことなどを、一定程度明らかにすることができた。さらに、奄美群島の開発問題は、復帰以前については、米国、琉球政府、日本政府、奄美現地の運動の四つのアクターが、復帰後については、日本政府と鹿児島県、県の出先機関である大島支庁の三つのアクターの動向が重要であることも把握することができた。これらの点については、1999年3月に韓国・釜山で開催された釜山政治学会での報告のなかで取り上げ、さらに、経済学者らとの共同研究の成果として出版された『ちょっとまて公共事業』に収録された論文のなかでも触れることとなった。

また、諸資料を基にした第二次世界大戦後の奄美群島の政治経済の動向を中心とした歴史年表づくりも進めており、入力済みの資料とともに、近々ホームページ上での公開を予定している。本年度は、喜界島での聞き取り調査と文献調査を行った。これまでの調査は基本的に奄美大島を中心に行ってきたが、昨年度の沖永良部島に続き、奄美大島以外の島嶼地域の政治動向を探るのが目的であった。喜界島では、議員経験者や住民運動に関与している人物に、喜界島における復帰運動、奄美群島振興開発計画と戦後の喜界島の政治との関連、現在問題になっている像のオリ建設問題をめぐる動向等についてのインタビューを行った。また、文献調査は、喜界島図書館を中心に行った。また、奄美大島でも文献調査を行った。鹿児島県立図書館奄美分館で、復帰前後の資料の調査や奄美群島振興開発計画関連の資料の調査を引き続き行うとともに、地元新聞である南海日日新聞社の資料室で、同社の所蔵する新聞及び資料を閲覧した。同紙の戦後政治や奄美振興開発計画に関連する記事を中心に必要な資料のコピーを行った。また、これまでの調査で収集した資料等を整理し、逐次コンピュータに入力する作業を進めた。その内の一部については、戦後奄美政治略年表としてホームページ上で公開した。さらに、地域における開発と政治に関する理論動向をさぐるため、海外の開発問題に関連する文献を収集した。比較政治の観点からも奄美群島の開発問題を位置づけられないか検討を進めている。本研究の最終年度となる次年度では、これまで収集した資料に基づき、戦後の奄美群島の政治についての研究をまとめる予定である。本年度には、前年度から引きつづきデータベースの作成作業と奄美大島での聞き取り調査を行った。同時に、復帰後の奄美群島の開発問題と地域政治の関連は、奄美群島の復帰のあり方に相当程度規定されていたと考え、奄美群島の復帰運動史の再検討の作業に着手した。復帰前の新聞や雑誌を中心に資料を読み直すことによって、復帰後の奄美群島を規定するアイデンティティの問題を明らかにすることができた。その成果の一部を、平成13年10月に立教大学で開催された日本政治学会において「周辺地域からみたナショナリティー戦後奄美の政治を事例として-」という題目で報告した。本科学研究費による調査・研究により、奄美群島の政治を考察するうえで重要な基礎資料の収集と、同地域における開発問題と地域政治の関連についてのアウトラインを明らかにすることができ、また、方法論的な問題や比較分析の領域でも一定の成果をあげることができた。しかしながら、収集資料に基づくより詳細な分析や膨大な資料のデータベース化については、当初の計画を消化することはできなかった。平成15年12月が奄美群島の復帰50周年にあたるので、それまでに復帰運動、復帰前後、復帰後という時系列に沿って奄美群島における開発問題と地域政治の関連を総括する作業を終える予定であり、同時に復帰後50年を総括する本の出版の準備を進めているところである。
グループ・ディスカッションにおける合意形成の成り立ちと問題点

本研究は,大学生によるグループ・ディスカッションの実データをもとに,ディスカッションにおける合意形成の成り立ちと問題点を談話分析的に解明するものである。データから観察されるディスカッションの全体構造,参加者の言語・非言語行動を分析し,合意形成にあたって起こりうる問題点を3つに類型化した。さらに,これらの問題点をふまえ,大学生のディスカッションをサポートする支援ツール「議論ステップモデル」を試作した。このツールを使って,グループ・ディスカッションの典型的な流れを知り,限られた時間の中で系統立てて議論するトレーニングを行うことは,学生にとって実社会でのディスカッションの場でも自律的にふるまうための基礎となると考えられる。本研究は,合意形成型グループ・ディスカッションにおける合意形成の成り立ちと問題点を談話分析的に解明するものである.参加者自身が合意形成の過程をチェックし,合意内容の妥当性を検証できるようにするための基礎研究として,グループ・ディスカッションの収録ビデオおよびその文字化資料と参加者のアンケートをデータとして,(a)グループでの合意形成の過程,(b)合意内容への個々人の意見や全体での討論の反映度,(c)合意内容に対する参加者の態度および意識を明らかにする.そして,参加者の発言や言語行動から合意形成にあたって起こりうる問題の在処を特定・類型化し,合意形成型グループ・ディスカッション全般への応用可能性を探るものである.本年度は,実際のディスカッションデータについて,以下の(A),(B)を完了した.(A)収録済みのディスカッションデータの文字起こし,およびアンケート回答の入力を行った.(B)ディスカッションの全体構造の中から「個別討論」段階と「合意に向けた最終検討」段階を分離し,後者へ移行するタイミング,主導者,言語表現などの項目を特定した.また,最終検討段階に見られる,「これまでの議論のまとめ」→「結論案の提示」→「結論案の承認(否認)」→「合意形成」の流れの大まかなパターンをいくつか特定し,それを制御する発話を抽出した.さらに,年度当初の計画には盛り込まれていなかったが,合意を形成する上で欠かせないと考えられる要素・手順を盛り込んだ「議論ステップモデル」を作成し,それにしたがって行われたディスカッションも収録し,文字化した.議論の流れや効率の点で,モデルを使用していないディスカッションと比較・対照することを次年度試みる.本研究は,大学生によるグループ・ディスカッションの実データをもとに,グループ・ディスカッションにおける合意形成の成り立ちと問題点を談話分析的に解明するものである。さらに,解明された問題点をふまえ,ディスカッションを支援するツールの開発も手がけた。本年度は,昨年度に引き続きビデオ収録したディスカッションを分析し,合意形成を妨げる問題点を以下の3つに集約した。1.全体の流れの見通しの欠如:なにをどう話し合えばよいのかわからない,または場の全員に共有されていない。そのために,議論を始めてすぐ「賛成」「反対」などを言い合い,そのあと長い沈黙が生じてしまう,制限時間内にまとまらなかったり逆に時間をもてあましてしまう,などの問題が生じる。2.課題の理解不足:与えられた課題自体を分析せずに意見表明を行う。そのため,同じ言葉で指し示しているものが人によって異なっていて話がかみあわなかったり,意見表明の際に各人が異なる側面を根拠として挙げてしまい議論が平行線になり妥協点を見出せない,などの問題が生じる。3.個々の発言の検討不足:場に出された発言の妥当性を客観的・論理的に検討しないまま次の発言を出す。そのため,各人が意見を言いっぱなしになって議論が積み重なっていかない,逆に意見に対する反論を個人的な攻撃とみなして感情的になってしまう,などの問題が生じる。これらの問題点をふまえ,本研究の一環として,大学生のディスカッションをサポートする支援ツール「議論ステップモデル」作成し,芝浦工業大学の授業で実際に使用してもらった上で改良を試みた。このツールを使って,グループ・ディスカッションの典型的な流れを知り,系統立てて議論するトレーニングを行うことは,学生にとって実社会でのディスカッションの場でも自律的にふるまうための基礎となるだろう。
術中アミノ酸投与の大手術における術後筋萎縮予防効果に関する検討

本研究はアミノ酸投与と筋萎縮抑制の関係に注目した研究である。今回,術中の適切なアミノ酸投与量を推定するために,集中治療領域での研究を参考にしようとしたが,蛋白投与量が予後を改善するという報告は発見できなかった。このことについてsystematic reviewを発表した。また蛋白投与量がリハビリテーションの状態に影響を与える可能性を後方視研究で明らかにした。この知見は術中および集中治療室における栄養介入の基礎になることが期待できる。本研究はアミノ酸の術中の投与がタンパクの崩壊を抑制し,筋萎縮を予防できるのではという仮説を検証することを目的としている。初年度はラット開腹モデルを用いて,3ーメチルヒスチジン,筋組織を検討することで仮説を証明することを計画した。しかし,検証をすすめる上で,ラット開腹モデルのみでは不十分とわかり,どのようなモデルが適切であるかを文献を元に再度,検討した。その結果,ある程度,腸管への刺激を加える方がよいということがわかり,最終的に腸管に一定の擦過を加えるモデルを使用することを決定した。これを元に再度,平成26年度に検討を行う。周術期管理方法の工夫により術後患者の回復を促すことが,周術期のトピックスとして実践されている。この中で,特に重要と考えられるのが周術期栄養管理である。術前,術後の栄養介入に関して研究が進んできているが,術中栄養に関しての研究はほとんどなされていない。本研究では,術中のアミノ酸含有輸液が,患者の異化亢進に伴う筋萎縮を抑制するという仮説を基礎研究と臨床研究で検証することを目的とした。今回,基礎研究では十分にアミノ酸輸液と筋萎縮との関係を明らかにすることはできなかったが,臨床研究においてその可能性について明らかにすることができた。術中の適切なアミノ酸投与量を推定するために,集中治療領域での研究を参考にしようとエビデンスを集積したが,蛋白投与量が予後を改善するという報告は発見できなかった。まず,このことについてsystematic reviewを論文として発表した。蛋白投与量が筋力に影響を与えているかについては,後方視研究を行うことで蛋白投与量がリハビリテーションの状態に影響を与える可能性を明らかにできた。この知見をもとに術中および集中治療室における栄養介入が患者の筋萎縮を抑制できることが明確になれば,早期離床から早期退院を可能にし,患者にとって福音になるだけでなく,医療費抑制にも寄与することが期待できる。周術期管理初年度計画した基礎研究の検討を進める上で,より腸管に侵襲を与える方がアミノ酸の影響を明確にできる可能性がでてきた。そのため,基礎研究は1年で終了の予定であったが,やや遅れている。初年度の検討の結果,ラット開腹モデルのみよりは,腸管への擦過を加える方が,今回の研究の仮説を検証する上で妥当性が高いと判断した。そのため,研究計画の一部に変更が必要であったが,引き続き基礎研究を行うことで仮説を証明するようにする。実験計画の修正を行ったため,研究にやや遅れが生じたため,使用額に計画と差が出た。基礎研究を行う上で必要な物品,検査費などに計画書に基づいて充当する。
スクラムジェットエンジン分離部における擬似衝撃波の流動機構に関する研究

スクラムジェットエンジン内の分離部のような断面積一定の管内の垂直衝撃波は,壁面に沿って発達する境界層と干渉して擬似衝撃波となる.擬似衝撃波に及ぼす擬似衝撃波直前の境界層の影響が実験的及び理論的に明らかにされる.また,衝撃波を伴う超音速流れを定量的に測定することができる光学系を提案する.さらに曲り管内の圧縮流れを実験的に研究する.スクラムジェットエンジン内の分離部のような断面積一定の管内の垂直衝撃波は,壁面に沿って発達する境界層と干渉して擬似衝撃波となる.擬似衝撃波に及ぼす擬似衝撃波直前の境界層の影響が実験的及び理論的に明らかにされる.また,衝撃波を伴う超音速流れを定量的に測定することができる光学系を提案する.さらに曲り管内の圧縮流れを実験的に研究する.実験は,間欠式の大気吹出し式超音速風洞と連続式の大気吸込み式超音速風洞を用いて行った.断面積一定の管内における擬似衝撃波の流動機構に及ぼす擬似衝撃波直前の境界層厚さの影響を調べる実験から次のことがわかった.(1)擬似衝撃波直前の主流マッハ数が一定のとき,擬似衝撃波直前の境界層相対厚さの増加にともない擬似衝撃波による圧力上昇が小さくなる.(2)擬似衝撃波の長さは,擬似衝撃波直前の境界層相対厚さの増加とともに増加する.(3)境界層を考慮した流れモデルを提案し,擬似衝撃波前後の圧力上昇を解析的に求めて本実験結果と比較検討した結果,解析結果は本実験結果と定性的に良く一致する.(4)境界層相対厚さが厚いとき,垂直衝撃波はその直前の主流マツハ数が1.5以下の場合でも境界層との干渉により,ショックトレーンになる.スロート近くの垂直衝撃波と層流境界層の干渉結果から以下のことがわかった.(1)衝撃波直前の主流マッハ数が1.3以下の場合でも,垂直衝撃波は層流境界層との干渉の結果ショックトレーンになる.(2)擬似衝撃波前後の静圧比は,境界層相対厚さの増加にともない減少する.また,レインボーフィルターを作製して,軸対称ノズルからの超音速噴流の断面における密度を定量的に精度良く求める可視化法を開発した.以上の結果は,スクラムジェットエンジンを開発する際の重要な設計指針になることが考えられる.断面積一定の管内における擬似衝撃波領域の壁面静圧測定および流路中心軸上の静圧測定を行った.流路中心軸上の静圧を測定するための通しピトー管は,外径2.2mm,内径2.0mmの外管の中に外径1.9mm,内径1.7mmの内管を挿入した二重管構造になっている.内管には幅1.7mmで長さ200のスリットが設けられ,スリットの中心には内管に設けた直径0.5mmの静圧孔が位置する.内管の静圧孔の直後に半導体圧力センサーを取り付けた.通しピトー管の外管の一方の端はノズル上流のよどみ室に,他方の端は測定部の十分下流で一次元のトラバース装置に取り付けられる.本実験における擬似衝撃波直前の主流マッハ数は約1.3でブロッケージ比B(管断面積に対する境界層の占める割合)は6.9%8.9%である.流れを光学観察するためにカラーシュリーレン法を用いた.光源には発光時間20nsのキセノンフラッシュ光源を用いた.本実験によって得られた結論は以下の通りである.(1)衝撃波直前の主流マッハ数が1.5以下の場合でもブロッケージ比Bが0.078を超えると,垂直衝撃波は壁面境界層との干渉の結果ショックトレーンとなる.(2)擬似衝撃波を構成するショックトレーン領域では,流路中心軸上の静圧は波状に変化する.なお,スルーチューブを挿入することで,ショックトレーンの先頭衝撃波は垂直衝撃波に近くなる.(3)本実験では,ショックトレーン直後の混合領域の長さはほとんどない.(4)ブロッケージ比の増加に伴い,流路中心軸上のショックトレーンによる静圧の波状の変化は小さくなる.スクラムジェットエンジンの分離部の一部は,曲り管となっている場合があるため,ベンドやエルボ等の曲り管を通る圧縮流れの実験的研究を行った.その結果を要約すると以下の通りとなる.(1)風洞圧力比を増加させると,ベンドを通る圧縮流れはベンド出口でチョークするが,エルボを通る圧縮流れはエルボ内部でチョークし,その背後にショックトレーンを伴う.(2)曲り管を通る圧縮流れを,損失を伴う一次元流れと仮定して解析を行い,直角ベンドと直角エルボの損失係数を評価した.つぎに,将来的に円管内の擬似衝撃波の特性を定量的に調べるための光学系としてレインボーシュリーレン偏向法を開発した.その結果をまとめると以下のようになる.(1)レインボーシュリーレン偏向法とピトー管による適正膨張超音速噴流内の密度分布の計測値は定量的に非常に良く一致する.(2)レインボーシュリーレン偏向法による測定の空間分解能は,約18.5μmである.ただし,これは光学系のピンホールの大きさ,集光レンズの焦点距離レインボーフィルターの色相の解像度,デジタルカメラの解像度に依存する.(3)レインボーシュリーレン偏向法は衝撃波と膨張波を伴う超音速噴流を定量的に光学観察できる.
実空間グリッド法によるハイブリッドDFT汎関数の開発とその超並列化

実空間グリッドによるKohn-Sham DFT法において、Hartree-Fock交換エネルギーの計算を超並列実装することが本研究の主目的である。当初の計画では、Hartree-Fockの交換ポテンシャルをポアソン方程式の解法により計算することを目標とし、それを完了した。昨年度までの開発では、この方法に加えて、全ての軌道をCPUに分配し、軌道対の積が作る静電場をFFT法で計算することによって並列化を実現する方法も開発した。残念ながら、どちらの方法も当初期待したほどの並列化効率を実現することができなかった。前者では、SD法やCG法による繰り返し計算の各ステップにおいて全てのCPUが小規模のデータのやり取りを近隣のCPUと行うことになる。この方法では、小さいデータを多数回に渡ってsend, receiveすることになり、正味のデータ通信に対してそれに関わるオーバーヘッドの比率が大きくなる。結果として計算の効率が低下してしまう。また、後者では、すべての軌道のデータをCPUに分配することになるので、通信コスト自体が大きくなってしまい、大規模系の計算に向かないという欠点がある。これらの問題を解決する為に、本年度は、3次元FFT自体を並列化する方法をポアソン方程式の解法に実装する方法を開発した。3次元FFTを空間分割によって並列化するプログラム自体は、M. Pippigがweb上で公開しているルーチンを用いた。この方法では、3次元の実空間セルのx, y,及びz軸方向にそれぞれ、空間分割された1次元FFTを実行することにより3次元FFTの並列計算を実現する。この方法では、FFTの向きをx軸からy,及びz方向に変更するたびにMPIのall_to_allの集団通信を実施する。この方法によれば、上記の2つの方法に比べて高効率の並列計算が実行できることが明らかとなった。昨年度末に、それまで試してきた2つの方法があまり芳しく無かった為、他の研究者に相談し、並列実装された3次元FFTをポアソンソルバーに実装する作業をお願いした。この開発が予想以上に速く進展したことで、前半の遅れを挽回することが可能になった。また、HPCIの研究課題でインテルのCPUを搭載する大型の並列計算機を使える状況にあったことも、プログラム開発やベンチマーク計算を大きく促進した要因の一つである。我々の方法は、これまでに報告された方法と比べて遜色ないか、優れていると言えるものであり、今後、論文として発表する為に準備中である。プログラム自体は、HF交換エネルギーと、その周辺の計算も含めてある程度の高速化が完了している。この開発の内容を論文にまとめる一方で、これを応用計算に適用して行く計画である。具体的には、既に進行中のPSIIに埋め込まれたMnクラスター(OEC)のQM/MMシミュレーションに応用する。OECの電子構造は、ハイブリッドDFTに含まれるHF交換エネルギーの比率に大きく依存することが知られており、交換汎関数にHFの交換エネルギーを導入することは重要である。特にB3LYPとよばれる業界標準の汎関数の実装は必須である。上で述べた方法で並列実装したHF交換エネルギーを、ハイブリッドDFTを用いるOECのQM/MMシミュレーションに応用し、酸素分子発生のメカニズムを明らかにする。また、水の界面における酸の解離反応の自由エネルギー計算においてもハイブリッド汎関数が重要であることが分かっており、この反応にも本手法を適用する計画である。実空間グリッドを基底とする電子密度汎関数法において、HFの交換エネルギーを並列化する方法には2通りある。1つは、KS-DFTの軌道の全対の積を並列計算機のノードに分配し、それらの積の作る静電ポテンシャルをFFT法によって計算する方法であり、もう1つは軌道のペアの積をドメイン分割し、これらをノードに分配することによって、ポアソン方程式を局所演算によって解く方法である。以下、前者の方法を並列(A)、後者を並列(B)と参照する。現在、上記の並列(A)および(B)の2つの実装が完了し、酢酸イオンと水分子4個からなる比較的小規模な系において数値的なテスト計算を実行したところであり、どちらの方法でも同等の結果を与えることが確認された。さらに、水分子19個からなる中規模サイズの分子クラスターについて、並列(B)の超並列計算をスパコンCrayXC30において実施した。フラットMPIの並列数は、64, 128, 256,および512である。我々にとって想定外であったのは、ポアソン方程式の2階微分に関わる所謂、袖領域の通信にかなり大きな時間がかかっていることである。実際、64個のCPUによる計算ではSCFの1ステップ当たり、約11.2 sもかかっている。幸い、この時間は並列度とともに減少する傾向にあり、512個のCPUを用いる場合には約4.9 sまで減少する。しかし、これはあくまでもdragonfly topologyを有するスパコンの高速なネットワークを利用した場合の話であり、通常のクラスターの使用を想定する場合には全く十分とは言えない。今後、袖領域の通信方法について、その高速化を図る他、別の方法論も吟味する必要がある。ポアソン方程式の2階微分を差分表現して、実空間実装する場合、各ノードは袖領域と呼ばれる情報を隣接するCPUと通信する必要がある。この領域の通信時間が、我々の想定を超えて大きいものであったことが、進捗の遅れの原因となっている。通信時間の具体的な解析は、以下の通り。

CrayXC30の通信バンド幅は、我々のパケットのデータ量32KBにおいては、1.4 GBなので、1回の6方向の通信で137マイクロ秒かかり、これをCGのiteration 100回行うと、13.7 ms.さらに、これを79個の軌道の全対について行うと、約43.3 sとなる。CGのiteration回数のデフォルト値を20回に設定するなどして、通信時間を8 s程度まで減少させることが可能であるが、まだ十分とは言えない。実空間グリッドによるKohn-Sham DFT法において、Hartree-Fock交換エネルギーの計算を超並列実装することが本研究の主目的である。当初の計画では、Hartree-Fockの交換ポテンシャルをポアソン方程式の解法により計算することを目標とし、それを完了した。昨年度までの開発では、この方法に加えて、全ての軌道をCPUに分配し、軌道対の積が作る静電場をFFT法で計算することによって並列化を実現する方法も開発した。残念ながら、どちらの方法も当初期待したほどの並列化効率を実現することができなかった。前者では、SD法やCG法による繰り返し計算の各ステップにおいて全てのCPUが小規模のデータのやり取りを近隣のCPUと行うことになる。この方法では、小さいデータを多数回に渡ってsend, receiveすることになり、正味のデータ通信に対してそれに関わるオーバーヘッドの比率が大きくなる。結果として計算の効率が低下してしまう。また、後者では、すべての軌道のデータをCPUに分配することになるので、通信コスト自体が大きくなってしまい、大規模系の計算に向かないという欠点がある。これらの問題を解決する為に、本年度は、3次元FFT自体を並列化する方法をポアソン方程式の解法に実装する方法を開発した。3次元FFTを空間分割によって並列化するプログラム自体は、M. Pippigがweb上で公開しているルーチンを用いた。この方法では、3次元の実空間セルのx, y,及びz軸方向にそれぞれ、空間分割された1次元FFTを実行することにより3次元FFTの並列計算を実現する。この方法では、FFTの向きをx軸からy,及びz方向に変更するたびにMPIのall_to_allの集団通信を実施する。この方法によれば、上記の2つの方法に比べて高効率の並列計算が実行できることが明らかとなった。昨年度末に、それまで試してきた2つの方法があまり芳しく無かった為、他の研究者に相談し、並列実装された3次元FFTをポアソンソルバーに実装する作業をお願いした。この開発が予想以上に速く進展したことで、前半の遅れを挽回することが可能になった。また、HPCIの研究課題でインテルのCPUを搭載する大型の並列計算機を使える状況にあったことも、プログラム開発やベンチマーク計算を大きく促進した要因の一つである。我々の方法は、これまでに報告された方法と比べて遜色ないか、優れていると言えるものであり、今後、論文として発表する為に準備中である。上記の問題の抜本的な解決方法として、ドメイン分割によるポアソン方程式の並列化の高速化と平行して、FFTによる並列実装も視野に入れる。既往の研究において、3次元FFTの問題を実装上