hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
MRI歪み・信号むら汎用補正技術の開発による高精度脳萎縮縦断解析法の確立

本研究では近年認知症の早期診断などにおいて重要性が増している脳体積解析を正確に行うため、MRI画像の幾何的な歪みと信号むらを補正するためのファントム(基準模型)を開発した。また、開発した手法を広く脳研究のコミュニティに供するため、ファントム画像を自動的に解析するプログラムを併せて開発し、現在世界的に利用可能な複数の磁場強度のMR装置で補正効果を実証した。今後認知症診断における有効性を検証していく予定である。本研究はMRIを用いた精度の高い縦断的脳体積解析の系を確立し、認知症診断および今後の脳画像研究に貢献する事を目的としている。その具体的内容として、MRI特有の幾何歪みおよび信号むらを補正するためのファントム(基準模型)を複数の磁場強度の装置に対応させて開発する事、ファントムで測定された情報を利用して歪み・信号むらを補正するプログラムを開発しウェブ上に公開する事、縦断解析のアルゴリズムとパラメータの最適化を行ない縦断的脳形態解析手法を確立させる事、および実際に前向き研究を行なってこれらの効果を実証する事を実施項目としている。初年度である平成26年度はファントムおよび補正プログラムの開発を主として行った。アクリルパーツの切削において加工の精度不足や接着剤の染み出しなどで課題が発生したが、これらを解決して精度の高いアクリルファントムが完成し、特許を出願した(特願2014-239811)。現在は硫酸銅水溶液の封入における気泡の除去方法を検討中である。ファントム画像を用いた幾何歪み・信号むらの補正プログラムについては現在プロトタイプが完成し、補正後の画像を実際に生成するのに成功している。今後アルゴリズムやインターフェースの改良・最適化を行い、十分な動作検証を経て平成27年度中にウェブ上に公開する予定である。縦断解析アルゴリズム・パラメータの最適化については縦断的な信号むら補正が、時点毎の信号むら補正に対して追加効果を持つかについての検証を現在行なっている。初期検討では時点毎の信号むら補正が十分に行われれば、縦断的な信号むら補正処理の追加効果はあまり無い事が確認できている。これらの系を組み合わせた、縦断解析法の前向き実証研究は現在準備中である。ファントムの気泡除去が十分に行われた後に研究を開始する予定である。具体的内容として、複数の磁場強度に対応した3D撮像用のファントム(基準模型)を開発し、脳体積解析の精度を低下させる原因であるMR画像の幾何的な歪みと信号むらを補正する事、ファントムの自動解析プログラムを開発しウェブ上に公開する事、縦断解析のアルゴリズムとパラメータの最適化を行い縦断的脳形態解析手法を確立する事、および実際の前向き研究でこれらの効果を実証する事を実施項目としている。2年目である平成27年度は主に昨年度開発したファントム(特願2014-239811)のテスト撮像と補正プログラムの開発を行った。1.5テスラ、3テスラおよび7テスラのMR装置を用いた実験により、これら3つの磁場強度全てにおいて顕著な歪み補正、信号むら補正の効果が示され、ファントムの有用性が確かめられたといえる。本成果は第43回日本磁気共鳴医学会大会にて発表した。縦断解析アルゴリズム・パラメータの最適化については、昨年度に引き続き時点間の信号むら補正が時点毎の信号むら補正に対して追加の補正効果を持つかについての検討を行なっており、現在論文化を進めている。前向き研究については以前からの課題であるファントムの気泡除去が十分に行われてきたため、次年度中に実施可能な範囲で行う予定である。ファントムの気泡について、視察上は一度完全に除去されても、時間が経つと接着面の僅かな隙間からと思われるものが上がってくる現象が解決していない。状態を安定させるには超音波による脱気や長期間のエイジング、またはパーツ接着のさらなる工夫が必要と考えているが、現在のファントムは製作から大分時間が経過して気泡発生が落ち着いてきているため、平成28年度は縦断的な撮像、解析を実施する予定である。最終年度である平成28年度は、これまでの検討により幾何歪みと信号むらの補正効果を実証した1.5、3、7テスラ装置に加え、0.4テスラの低磁場MR装置での補正効果を検証した。本研究で開発した球形ファントム(PCT/JP2015/8350)を日立社製0.4テスラMR装置で撮像し、SPGR系、MPRAGE系の3DT1強調画像を得た。自動解析ソフトウェアを用いてファントム画像を解析して幾何歪みと信号むらの補正を行い、補正前後での比較を行った結果、幾何歪みについて、SPGR系、MPRAGE系で補正前の位置ずれの中央値がそれぞれ0.56mm、0.71mmであったのに対し、補正後はどちらも0.11mmとなり有意に減少していた(p<0.001、Wilcoxon signed-rank Test)。また、信号むらについて、中心球の平均信号値を1とした場合の基準構造の平均信号値の差分が、SPGR系では補正前中央値0.08、MPRAGE系で0.06であったのに対して、補正後でそれぞれ0.01と0.02となり、有意に減少していた(p<0.001、Wilcoxon signed-rank Test)。これらの結果より、0.4テスラ低磁場MRIにおいても、本手法による幾何歪みと信号むらの補正効果が実証されたと考えられた。

これまでの研究成果により、本手法が現在一般的に利用可能なほぼ全ての磁場強度のMR装置に対して有効であることが実証されたと考えられる。今後、健常ボランティアの撮像を行なって研究成果を論文化する予定である。本研究では近年認知症の早期診断などにおいて重要性が増している脳体積解析を正確に行うため、MRI画像の幾何的な歪みと信号むらを補正するためのファントム(基準模型)を開発した。また、開発した手法を広く脳研究のコミュニティに供するため、ファントム画像を自動的に解析するプログラムを併せて開発し、現在世界的に利用可能な複数の磁場強度のMR装置で補正効果を実証した。今後認知症診断における有効性を検証していく予定である。当初の予定通りファントムの形状は2回の試作の後に決定したが、接着剤が内側の液体封入部分に染み出す、また逆に接着が不十分なため溶液が染み出すなどの不完全な点があり、これらの解決のため切削加工の精度向上、および接着剤・接着方法の検討を重ねたため、十分な品質をもつファントムの完成が当初の予定よりやや遅れた。従って、ファントムが完成しないと実施できない歪み・むら補正効果の実証研究の開始がやや遅れている。ただし、ファントムの問題点は既にほぼ解決し年度内に特許出願を終えており、平成27年度中に十分巻き返しが可能であると考えている。最終平成28年度はマニュアルを整備した上でファントムの解析プログラムをウェブ上に公開する。ボランティアとファントムの撮像を行い、最適化した縦断解析アルゴリズムを用いてファントムによる補正効果を実証し、論文化を行う。医用画像解析現在7テスラMRIにおいてファントムのテスト撮像を重ねており、気泡の完全な除去が終わり次第、磁場強度の異なる複数のMR装置を対象として補正効果の実証研究を開始する予定である。経時解析の最適化は順調に進んでおり、経時的信号むら補正の効果については平成27年度中に論文を投稿する予定である。旅費、論文校正・投稿費用等の使用額が計画より少なかったため。ファントムの完成までに時間を要し、補正効果の実証研究の開始が遅れ、平成26年度内の解析用ワークステーションの購入を見合わせたため。論文校正・投稿料等に使用する。平成27年度の上半期に解析用ワークステーションを購入する予定である。
数学教師教育における「研究授業」の役割に関する比較文化的研究

本研究の目的は、数学科授業の改善のための指針およびその具体化のための実際的な方策を「研究授業」の役割と機能に着服して明らかにすることである。本研究では研究課題を次のテーマ1)4)に絞った。1)両国における「研究授業」の実態の解明2)「研究授業」実践における大学等の役割3)研究授業による数学教師の教授活動の変容4)ケーススタディによる「研究授業」詳細な分析本研究により「研究授業」を推進力とした数学科授業改善のための具体的な指針とそれを実践した成果が検証されよう。そして、最終的には研究の成果を教員養成プログラムに反映させて、教師資質の向上を目指した「研究授業」の具体化に寄与しうるものである。本研究は、最終的に、授業における「集団思考」に焦点をあて、経験豊かな日本の教師による授業(中学校第2学年、一次関数)の分析を試みた。そこでは、まず、集団思考をとらえる枠組みを「学習に対する責任」「数学的アイデアの源」からとらえ、「集団思考」を操作的に定義することを試み、分析枠組みを作成した。この枠組みに基づいて、授業分析を行い、その妥当性を確認した。また、いわゆる「授業の山場」と「学習に対する責任」「数学的アイデアの源」との関連を解明する手がかりを得るために、授業後に抽出生徒へのインタビューと授業者へのインタビューを実施し、そのデータを分析した。なお、「集団思考」に対して「研究授業」後の研究討議会などでは、どうとらえられ、評価されているのかは今後の課題とした。本研究の目的は、数学科授業の改善のための指針およびその具体化のための実際的な方策を「研究授業」の役割と機能に着眼して明らかにすることである。1)両国における「研究授業」の実態の解明2)「研究授業」実践における大学等の役割3)研究授業による数学教師の教授活動の変容4)ケーススタディによる「研究授業」の詳細な分析本研究により「研究授業」を推進力とした数学科授業改善のための具体的な指針とそれを実践した成果が検証されよう。そして、最終的には、研究の成果を教員養成プログラムに反映させ、教師資質の向上を目指した「研究授業」の具現化に寄与したいと考える。本年度は「研究授業」の実態を解明するための調査を実施し、初等教育と中等教育段階の差異を明らかにした。「研究授業」実践における大学等の役割を解明するために、研究分担者がそれぞれの大学で「研究授業」実践にどのように関わったかを事例研究として記録し、基礎的なデータを集積している。専門家としての数学教師の育成における「研究授業」の役割を明らかにするために、まず、初任者研修に焦点をあて「研究授業」の実際を資料としてできる限り収集した。「研究授業」の価値を高く評価し実践している学校を特定し、特に米国サンマテオ市の夏季集中授業研究会に参加し、種々のデータを収集した。第5学年の授業と「研究授業」については、一応の分析を終えた。そして、最終的には研究の成果を教員養成プログラムに反映させ、教師資質の向上を目指した「研究授業」の具体化に寄与したいと考える。本年度も昨年に引き続き「研究授業」の実態を解明するための調査を実施し、初等教育と中等教育段階の差異を明らかにしてきた。

「研究授業」実践における大学等の役割を解明するために、研究分担者がそれぞれの大学で「研究授業」実践にどのように関わったかを事例研究として記録し、基本的なデータを集積し分析している。本年度は、とくに授業における集団思考に焦点をあて、そこに経験豊かな教師とそうでない教師、あるいは日本の授業と米国の授業の差異がみいだせるのではないかという仮説を導くことができた。この仮説を検証すべく、シカゴのデポール大学授業研究会における「研究授業」を分析し、分析の枠組みを洗練している段階である。さらにこれと平行して、わが国の小学校算数科におけるいくつかの「研究授業」については、一応の分析を終えた。そして昨年のデータ(米国サンマテオ市の夏季集中授業研究会における「研究授業」)も改めて分析し、学会発表をおこなった。本研究の目的は、数学科授業の改善のための指針およびその具体化のための実際的な方策を「研究授業」の役割と機能に着服して明らかにすることである。本研究では研究課題を次のテーマ1)4)に絞った。1)両国における「研究授業」の実態の解明2)「研究授業」実践における大学等の役割3)研究授業による数学教師の教授活動の変容4)ケーススタディによる「研究授業」詳細な分析本研究により「研究授業」を推進力とした数学科授業改善のための具体的な指針とそれを実践した成果が検証されよう。そして、最終的には研究の成果を教員養成プログラムに反映させ、教師資質の向上を目指した「研究授業」の具体化に寄与したいと考える。本年度も昨年に引き続き「研究授業」の実態を解明するための調査を実施し、また、「研究授業」実践における大学等の役割を解明するために、研究分担者がそれぞれの大学で「研究授業」実践にどのように関わったかを事例研究として記録し、基本的なデータを集積し分析している。本年度は、昨年に引き続き、授業における集団思考に焦点をあて、経験豊かな日本の教師による授業分析を試みた。そこでは、まず、集団思考をとらえる枠組みを作成した。この枠組みに基づいて、授業分析を行い、内部であるが発表をおこない、その妥当性を確認し、学会発表に向けて準備中である。また、米国のデータに加えて本年度はオーストラリアのデータも分析し、比較文化的視点から集団思考の様相がより一層明確になりつつある段階である。本年度は、最終年度であり、昨年に引き続き、授業における「集団思考」に焦点をあて、経験豊かな日本の教師による授業(中学校第2学年、一次関数)の分析を試みた。そこでは、まず、集団思考をとらえる枠組みを「学習に対する責任」
革新的な磁気誘導による簡易埋込み式補聴システムの開発と臨床応用

老人性難聴の場合,比較的高い周波数成分を持つ子音が聞こえにくくなり,会話に支障を来すようになる。近年,デジタル技術の発達により,高音域の補聴特性を細かく制御することで,音声明瞭度の向上を目指した補聴器が開発されつつある。しかし,これらイアホンを用いた補聴器は,狭く複雑な形状をした外耳道で,高音域まで,正確な音圧増幅特性を実現するのは困難であるという問題を根本的に抱えている。この問題を解決するため,外耳道の音響特性の影響を受けず,駆動力が強く高音質であるなどの利点を有した電磁誘導型補聴器は中耳侵襲が少なく装着が容易で,高い補聴効果が得られ、耳小骨を直接駆動するため,歪みの少ない高音質が期待できる。振動磁場,マグネットの磁力,寸法,質量および取り付け位置を様々に変えて解析を行い,内耳に入力する音響エネルギーを求め,最適なコイルとマグネットの仕様および配置を決定した。FEM中耳モデルを発展させ,鼓膜外側ツチ骨柄上にマグネットを配置したモデルを,購入予定のパーソナルコンピュータを用いて構築した。構築したモデルを用い,スーパーコンピュータで,外耳道に与えた振動磁場中での中耳挙動を解析した。耳小骨を直接駆動するため,歪みの少ない高音質が期待できることがわかった。また,駆動力が大きいため,耳小骨固着など,中耳疾患を伴う場合にも適用可能である。振動磁場,マグネットの磁力,寸法,質量および取り付け位置を様々に変えて解析を行い,内耳に入力する音響エネルギーを求め,最適なコイルとマグネットの仕様および配置の決定を試みた。コイル,マグネットを試作し,モルモットおよびヒト側頭骨標本に組み込み,振動磁場を与えた場合の中耳振動を,研究室に現有する複合顕微鏡とレーザドップラ振動計を組み合わせたシステムにより測定した。FEM解析結果と測定結果を比較することで,マグネットとツチ骨との接合部などの未知な境界条件を決定し,解析の信頼性を高めることができた。この問題を解決するため,外耳道の音響特性の影響を受けず,駆動力が強く高音質であるなどの利点を有した電磁誘導型補聴器は中耳侵襲が少なく装着が容易で,高い補聴効果が得られる,FEM中耳モデルを発展させ,鼓膜外側ツチ骨柄上にマグネットを配置したモデルを,購入予定のパーソナルコンピュータを用いて構築した。
トランスジェニックマウスを用いる発がん性短期試験法に関する研究

ヒトプロト型c-Ha-ras遺伝子を導入したrasH2/CB6F1トランスジェニックマウスにgenotoxic carcinogenを投与し,遺伝子非導入マウスと比較した.本研究はrasH2/CB6F1トランスジェニックマウスを短期発がん性試験法のモデル動物として検討する嚆矢と位置づけられる.rasH2/CB6F1トランスジェニックマウスは遺伝子非導入マウスより,より早期に腫瘍が出現した.悪性の腫瘍はrasH2/CF6F1トランスジェニックマウスにのみ認められ,同様に行った遺伝子非導入マウスには認められなかった.それぞれの発がん性物質はrasH2/CB6F1トランスジェニックマウスの標的器官に対応した腫瘍が出現した.肺の腺腫のみが,6か月の発がん性試験期間中に自然発生腫瘍として認められた.これらの結果は,遺伝子非導入マウスよりもrasH2/CF6F1トランスジェニックマウスは,より悪性度の高い腫瘍の,より早期の出現時期と高い出現率が期待されることを示している.rasH2/CB6F1トランスジェニックマウスは,genotoxic carinogenを用いた場合,短期発がん性試験システムの開発に有用なモデル動物になるものと考えられた.ヒトプロト型c-Ha-ras遺伝子を導入したrasH2/CB6F1トランスジェニックマウスにgenotoxic carcinogenを投与し,遺伝子非導入マウスと比較した.本研究はrasH2/CB6F1トランスジェニックマウスを短期発がん性試験法のモデル動物として検討する嚆矢と位置づけられる.rasH2/CB6F1トランスジェニックマウスは遺伝子非導入マウスより,より早期に腫瘍が出現した.悪性の腫瘍はrasH2/CF6F1トランスジェニックマウスにのみ認められ,同様に行った遺伝子非導入マウスには認められなかった.それぞれの発がん性物質はrasH2/CB6F1トランスジェニックマウスの標的器官に対応した腫瘍が出現した.肺の腺腫のみが,6か月の発がん性試験期間中に自然発生腫瘍として認められた.これらの結果は,遺伝子非導入マウスよりもrasH2/CF6F1トランスジェニックマウスは,より悪性度の高い腫瘍の,より早期の出現時期と高い出現率が期待されることを示している.rasH2/CB6F1トランスジェニックマウスは,genotoxic carinogenを用いた場合,短期発がん性試験システムの開発に有用なモデル動物になるものと考えられた.1.ヒトプロト型c-Ha-ras遺伝子導入トランスジェニックマウスの生産ならびに供給本研究に用いたマウスの系統維持は,ホモ個体が得られないため,導入遺伝子をヘテロにもつC57BL/6J Jcl系♂と非導入BALB/cByJ系♀の戻し交配により行った.生産は,体外授精法により2細胞期まで発育させた胚を偽妊娠マウスに卵管移植し,さらに,SPF化のため胎児を帝王切開により摘出し清浄里親に哺育させた.本法による成績は,受精率は66.8%,出産率は52.3%,離乳率は88.8%,導入遺伝子が確認された率は53.8%であった.本年度は,358匹のトランスジェニックマウスを生産し283匹を供給した.なお,自然交配による生産についても検討したところ,その成績は出産率は71.2%,離乳率87.2%,導入遺伝子が確認された率は42.4%と体外受精および胚移植を応用した方法とほぼ同程度の成績が得られ,自然交配による方法も大量生産に有用な方法であると考えられた.2.導入遺伝子の解析法の開発トランスジェニックマウスの導入遺伝子の解析は,これまで切断尾部および発生した腫瘍について,PCR-サザンプロット法により遺伝子のコドン12の点突然変異を検索した.今回はさらにPCR-SSCP法により増幅した遺伝子のコドン12の点突然変異を検索した結果,PCR-SSCP法は,所要時間が短く放射性プローベを用いないことから,c-Ha-rasがん遺伝子解析のスクリーニング法として有用な方法であると考えられた.3.ヒトプロト型c-Ha-ras遺伝子導入トランスジェニックマウスの発がん性試験における特性,有用性(1)4NQO,CyclophosphamideおよびMNUを用いた試験:ヒトプロト型c-Ha-ras遺伝子導入トランスジェニックマウスに典型的なgenotoxic carcinogenである薬物をそれぞれ投与した結果,4NQOでは皮膚および肺に,Cyclophosphamideでは肺に,MNUでは皮膚および前胃に,それぞれ早期に高率に腫瘍が発生した.このことからヒトプロト型c-Ha-ras遺伝子導入トランスジェニックマウスは,genotoxic carcinogenの検索に有用な実験動物であると判断された.(2)四塩化炭素を用いた試験:ヒト活性型ras遺伝子を導入したマウスでは肝癌が高率に発生することが知られているが,今回用いたヒトプロト型ras遺伝子導入トランスジェニックマウスでは肝癌は発生しない.そこで,ヒトプロト型ras遺伝子導入トランスジェニックマウスに肝細胞壊死,再生を惹起する四塩化炭素を投与し,肝腫瘍の発生について検討したところ肝腫瘍の発生が認められた.したがって,ヒトプロト型ras遺伝子導入トランスジェニックマウスにおける肝腫瘍発生には,慢性的な壊死,再生等の要因が必要であることが示された.1.ヒトプロト型c-Ha-ras遺伝子導入トランスジェニックマウスの系統維持および生産:本研究に用いたトランスジェニックマウスは,ホモ個体が致死するため,導入遺伝子をヘテロにもつC57BL/6JJcl雄と非導入

BALB/cByJ雌の戻し交配により行っている.BALB/cByJ雌から得た卵に体外受精を行い,2細胞期胚を得,偽妊娠雌に胚移植して,トランスジェニックマウスを生産した.本法による成績は,受精率80.9%,出産率57.3%,離乳率87.8%,導入遺伝子が確認された率48.5%であった.2.ras癌遺伝子の点突然変異の安定性の検討:マウス体内のras癌遺伝子の点突然変異・性状がどの程度安定に保たれるかは不明の点が多い.そこで免疫不全動物に継代移植・維持したヒト腫瘍Xenongraftにおけるc-Ki-res癌遺伝子のコドン12の点突然変異の安定性をPCR-Southern blot法により検討した.ヒト腫瘍Xenongraftから精製したDNAに標識オリゴヌクレオチドプローブを用いて解析したところ,継代移植Xenongraftと原発腫瘍での点突然変異様式に差が認められなかったことから,移植によりマウス体内で長期間ヒト腫瘍を継代した場合でも,ras癌遺伝子の性状は安定であると考えられた.3.ヒトプロト型c-Ha-ras遺伝子導入トランスジェニックマウスのgenotoxic carcinogenによる発がん性試験:MNNGをトランスジェニックマウスに投与すると,雌雄ともに全例に前胃の乳頭腫および過形成が認められ,一部は偏平上皮癌も認められた.前年報告の4NQO,cyclophosphamide,MNU等と同様に,早期に高率に腫瘍が発生したことから,本マウスはgenotoxic carcinogenの検索に有用な実験動物であると判断された.4.ヒトプロト型c-Ha-ras遺伝子導入トランスジェニックマウスのnon-genotoxic carcinogenによる発がん性試験:砒素あるいはエチレンチオウレアをトランスジェニックマウスに投与したが,いずれも腫瘍の発生は認められなかった.しかし用量に依存した臓器重量の変化が認められことから,臓器特異性は非導入マウスと同様であると判断された.5.四塩化炭素を用いた試験:マウス肝細胞癌発生にはH-ras遺伝子の関与が推定され,また,四塩化炭素はマウスに肝細胞癌を惹起することが知られている.ヒトプロト型c-Ha-ras遺伝子導入トランスジェニックマウスに四塩化炭素を腹腔内に投与し,肝細胞癌の発生について検討した.投与20週でトランスジェニックマウスに肝細胞癌の発生が認められた.直径4mm以上の腫瘍はhepatocellular carcinoma(HCC)と診断した.32週では全例にHCCが発生した.本マウスでは四塩化炭素により肝細胞癌の発生が促進されることが明らかとなった.本年度のヒトプロト型c-Ha-ras遺伝子導入トランスジェニックマウス(Tgマウス)の計画生産は体外受精法により2細胞期胚を偽妊婦親マウスに移植する方法および凍結受精卵を移植する方法により行い520匹から10,557個の卵を採取し8,270個の2細胞期胚を得た.
インパクトを含む3次元非周期・多点接触動作の実時間生成

ロボットが実際の環境において作業を実行するためには、環境や対象物との接触が必要となる。特に歩行ロボットでは、環境との接触は避けるべきものとして動作生成手法が研究されてきたが、さまざまな作業を行えるようにするためにはこれらの接触を積極的に利用できるようにする必要がある。そこで、多点接触を行い、かつインパクトなどダイナミックなロボットの全身動作を生成できる手法を、最適化技法を用いて明らかにすることを目的として研究を進めた。具体的には、まずロボットの軌道を各関節角の時間関数で表し、これを複数の多項式関数の重みつき和として表現した。これらの重み係数を最適化パラメータとして、制約のモデル化とロボットの動力学的安定性の考慮という新たな観点を追加して最適化技法を適用し、多点接触を行うロボットの全身動作軌道の生成を行った。この手法により、ヒューマノイドなどの実際のロボットや、仮想空間でのデジタルアクターに適用可能な、動力学を考慮した最適な多点接触動作を生成することが可能となった。さらに、最適化に課す制約を調節することで、障害のある歩行を生成することも可能であることを示した。これまで、等身大のロボットで多くの点で接触する動作を、人間が行うようにダイナミックかつスムーズ行わせた例はほとんどなかった。本研究では、等身大のヒューマノイドロボットHRP-2を適用例として用い、例えば手を机の上について体を支え、大きく踏み出したり、机の下に手を伸ばして箱に物を入れたりする動作や、また机に手をついて体を支えながら椅子に座る動作を、本課題の研究成果を用いることでダイナミックな運動として軌道を生成し、実機のロボットで動作することを確認した。これらの動作は従来研究では行われていなかった複雑なもので、研究成果がトムソン・ロイターにより取材を受け報道されるなど、内外からの注目を集めることとなった。本研究では、本研究では、人間型ロボットのような多数の自由度を持つロボットが移動できる領域を拡張するため、必要に応じて環境との多数の点で接触してロボットの体を支え、またその接触の際のインパクトも考慮して、非周期的かつダイナミックな全身動作を高速にオンラインで生成する手法を明らかにすることを目的としている。平成21年度は、接触を含む動作生成の高速化を実現した。具体的には、まず、各関節の動作範囲と速度の制限範囲を陽に計算せずに、動作を記述するパラメータに制約を追加することで表現した。さらに、制約を多項式で表現することで、動作中のある時間の区間でこの制約が満たされていることを保障する手法を新たに構築した。これまでの手法では、区間で離散的にサンプリングした点が制約を満たしているかのみを検証しており、これらの点の間で制約が満たされることは保障されないうえ、計算時間も非常に多くかかることが問題であったが、提案した手法によりこれを解決した。さらに、連続的な等式制約を満たす動作を生成することも可能になった。これは、今後の研究でインパクトを含む多点接触を伴う移動動作を生成するために重要な要件である。提案した手法を、ヒューマノイドロボットHRP-2による実機実験により検証した。複数の制約を満たさなければならない動的な動作として、一方の手の位置・姿勢を一定に保ちつつ、片足で全身を支えて床面のボールを蹴る動作を取り上げた。全身の安定性を損なわずに目的とする動作を生成することができ、構築した手法の有効性が確認された。本研究では、環境との接触を積極的に利用する動作を生成するため、ロボットの関節軌道を区間多項式スプライン曲線で表現し、最適化手法を適用する手法を構築した。ヒューマノイドロボットに代表される多関節ロボットの動作生成の研究では、これまで、脚と環境との接触は考慮されるが、その他の部分と環境との接触については、むしろ回避する研究が中心であった。まず、最適化手法における連続的な等式・不等式制約も多項式で近似し、その極値の範囲を推定する方法を提案した。次に、多点接触に起因する接触力計の不静定性を解決するため、ロボットの関節軌道と他の最適化パラメータのみに依存する接触力の解析解を求める方法を導出した。これにより、多点接触に係る幾何的・動力学的な制約を満たし、かつ関節トルク制限などの動力学的な制約も考慮したうえで、エネルギー消費などの評価関数を最適化する動的な動作を生成することが可能となった。導出した動的な動作を、30関節以上を持つヒューマノイドロボットHRP-2に適用し、その有効性を検証した。脚と環境以外の接触を許すことで、これまでにヒューマノイドでは行われていないさまざまな動作を生成することができた。例えば、手を机について体を支えることで、通常より大きく踏み出す動作が可能となり、ボールを蹴る動作では、手をつかない場合に比較して50%もエネルギー消費を減らすことができた。また、机に手をついた着席動作、机の下に物を置くリーチング動作では、これまでの研究で行われていた静的に安定な姿勢のみを用いた手法では、足や手の接触位置の変更が多く、非常に時間がかかっていた。これらに提案手法を適用することで、自然かつ滑らかな動的動作により短時間でこれらを達成できることを示した。このように、これまでにヒューマノイドで行われていない接触を含む動作を行えるようになった点で、本研究の成果は意義深い。

特に歩行ロボットでは、環境との接触は避けるべきものとして動作生成手法が研究されてきたが、さまざまな作業を行えるようにするためにはこれらの接触を積極的に利用できるようにする必要がある。そこで、多点接触を行い、かつインパクトなどダイナミックなロボットの全身動作を生成できる手法を、最適化技法を用いて明らかにすることを目的として研究を進めた。具体的には、まずロボットの軌道を各関節角の時間関数で表し、これを複数の多項式関数の重みつき和として表現した。これらの重み係数を最適化パラメータとして、制約のモデル化とロボットの動力学的安定性の考慮という新たな観点を追加して最適化技法を適用し、多点接触を行うロボットの全身動作軌道の生成を行った。この手法により、ヒューマノイドなどの実際のロボットや、仮想空間でのデジタルアクターに適用可能な、動力学を考慮した最適な多点接触動作を生成することが可能となった。さらに、最適化に課す制約を調節することで、障害のある歩行を生成することも可能であることを示した。これまで、等身大のロボットで多くの点で接触する動作を、人間が行うようにダイナミックかつスムーズ行わせた例はほとんどなかった。本研究では、等身大のヒューマノイドロボットHRP-2を適用例として用い、例えば手を机の上について体を支え、大きく踏み出したり、机の下に手を伸ばして箱に物を入れたりする動作や、また机に手をついて体を支えながら椅子に座る動作を、本課題の研究成果を用いることでダイナミックな運動として軌道を生成し、実機のロボットで動作することを確認した。これらの動作は従来研究では行われていなかった複雑なもので、研究成果がトムソン・ロイターにより取材を受け報道されるなど、内外からの注目を集めることとなった。
C型インフルエンザウイルスHE蛋白の糖鎖はS-S結合の制御因子か

C型インフルエンザウイルスのヘムアグルチニン・エステラーゼ(HE)分子上には8つ(26位、61位、131位、144位、189位、395位、552位、603位)の糖鎖結合部位が存在し、そのうちの7つ(131位を除く)に糖鎖が付加されている。各々の糖鎖結合モチーフを破壊した変異蛋白の性状解析を進めた結果、昨年度までにHEの茎状部に位置する26位と603位の糖鎖を欠くと、HEは3量体を形成できず、その結果小胞体からゴルジ装置への輸送能を失うことを明らかにした。本年度は、この茎状部の糖鎖が高次構造と細胞内輸送に必要である理由が、小胞体に存在する糖鎖結合性シャペロン(カルネキシン)との結合性を担っているためであるとの作業仮説をたて、その正否を検討した。茎状部の糖鎖結合部位(26位、552位、603位)を1つ、2つ、又は3つのすべてを欠くHE変異蛋白が抗カルネキシン抗体を用いた免疫沈降法で共沈されるかにより、HEとカルネキシンとの結合を解析し以下の成績を得た。1)26位と603位の両方を欠くと、共沈されるHEの量が著しく減少したので、両部位の糖鎖がカルネキシンとの結合に与かる。2)茎状部のすべての糖鎖結合部位を欠いても少量の共沈が見られたことから、糖鎖を介さないシャペロン機能によってもカルネキシンが結合し得る可能性が示唆された。C型インフルエンザウイルスのスパイク蛋白であるヘムアグルチニン(HE)分子上には、糖鎖結合部位が8箇所(26位、61位、131位、144位、189位、395位、552位、603位)存在する。個々の糖鎖の役割を明らかにする目的で、各々の糖鎖結合モチーフ(N-X-S/T)を破壊した変異蛋白(M26、M61、M131、M144、M189、M395、M552、M603)を作成し、その性状分析を進めている。以下にこれまでの研究経過を要約する。1)各変異蛋白の分子量を正常のHEと比較したところ、1つの例外(M131)を除き、分子量の減少を認めた。従って131位以外の糖鎖結合モチーフには、実際に糖鎖が付加されていると結論される。なお131位のN残基は、アセチルエステラーゼの活性中心の形成にあずかることが知られている。2) 7つの抗原領域(A-1A-5、B-1B-2)を認識する11個の抗HE単クローン抗体との反応性を各変異HE蛋白について調べた結果、M144がA-1とA-2に位置する全てのconformationalepitopeに対する抗体との反応性を失っていることが明らかになった。この反応パターンは、糖鎖を一切持たないHEと同じである。従ってHE分子の頭状部の立体構造の形成に不可欠な糖鎖は144位に付加されるものと結論される。3)各変異蛋白の細胞表面への輸送能を赤血球吸着反応と膜蛍光抗体法で調べたところ、M26は細胞表面に全く輸送されず、M144とM603の輸送効率もかなり低下するのが認められた。従って輸送に決定的な役割を果たすのは茎状部の糖鎖だが(26位、603位)、頭状部の糖鎖の中にも輸送に影響を与えるものがあると推測される。4) 26位と144位の糖鎖が、HE蛋白の細胞内輸送や頭状部の立体構造の形成をそれぞれどのようなメカニズムで制御しているのかを解明することが、今後の課題になる。

C型インフルエンザウイルスのヘムアグルチニン・エステラーゼ(HE)分子上には8つ(26位、61位、131位、144位、189位、395位、552位、603位)の糖鎖結合部位が存在し、そのうちの7つ(131位を除く)に糖鎖が付加されている。各々の糖鎖結合モチーフを破壊した変異蛋白の性状解析を進めた結果、昨年度までに次の2点が明らかになった。1)144位への糖鎖の付加は、HEの球状部の高次構造の形成に不可欠である。2)茎状部に位置する26位と603位の糖鎖は、HEの細胞表面への輸送に決定的な役割を果たしているが、144位への糖鎖の付加も重要である。平成12年度の研究により、さらに次の知見を加えることができた。1)26位、144位、603位の糖鎖のいずれが欠けてもHEは3量体を形成できず、その結果、小胞体からゴルジ装置への輸送能を失う。2)144位への糖鎖の付加は、HE蛋白のアセチルエステラーゼ活性部位の形成に不可欠である。現在は以下の作業仮説に基づき、26位、144位、603位の糖鎖がHEの細胞内輸送や高次構造形成を制御しているメカニズムを解明しようとしている。1)26位と603位の糖鎖は、小胞体に存在する糖鎖結合性シャペロン(カルネキシン)との結合能を担っているのではないか。このためどちらの糖鎖を欠いてもカルネキシンと強く結合できず、その結果、HEは正常な高次構造を形成できなくなるのではないか。2)144位の近傍に位置する140位のCysは188位のCysとの間で分子内S-S結合を形成する。144位への糖鎖の付加が起こらないと、この結合が形成されず、球状部の高次構造が大きく変化するのではないか。各々の糖鎖結合モチーフを破壊した変異蛋白の性状解析を進めた結果、昨年度までにHEの茎状部に位置する26位と603位の糖鎖を欠くと、HEは3量体を形成できず、その結果小胞体からゴルジ装置への輸送能を失うことを明らかにした。本年度は、この茎状部の糖鎖が高次構造と細胞内輸送に必要である理由が、小胞体に存在する糖鎖結合性シャペロン(カルネキシン)との結合性を担っているためであるとの作業仮説をたて、その正否を検討した。茎状部の糖鎖結合部位(26位、552位、603位)を1つ、2つ、又は3つのすべてを欠くHE変異蛋白が抗カルネキシン抗体を用いた免疫沈降法で共沈されるかにより、HEとカルネキシンとの結合を解析し以下の成績を得た。1)26位と603位の両方を欠くと、共沈されるHEの量が著しく減少したので、両部位の糖鎖がカルネキシンとの結合に与かる。2)茎状部のすべての糖鎖結合部位を欠いても少量の共沈が見られたことから、糖鎖を介さないシャペロン機能によってもカルネキシンが結合し得る可能性が示唆された。
かんらん石の輻射伝導における結晶粒界散乱因子の決定

まず、加熱系と計測系からなる熱拡散率測定装置の制作を行った。HP34401マルチメータによって電流と電圧を計測し、電力が正弦的に変動するようにPCからHP6834Aプログラマブル電源に指令を送り、温度波を発生させた。温度波の周期は最短1秒まで可能であり、周期の誤差は0.2%以下である。交流周波数は500Hzとし、これにより500Sample/secまでの計測速度が可能になった。温度計測は2台のHP3458Aマルチメータよって行い、これによって計測速度500Sample/secの場合でも0.005°Cの精度での計測が可能になった。これまでは精度が0.5°C程度だったので、100倍精度が上がった事になる。ただし、ノイズを0.05°C以下に下げる事が今のところ成功していないので、実際のは10倍程度しか精度は上がっていない。この新しく制作された測定装置を用いて、既存の6-8式超高圧発生装置によって標準物質であるペリクレースの熱拡散率を測定し、測定系の信頼性を確認した。次に、今回目的としている物質であるMg2SiO4かんらん石の熱拡散率を圧力0GPaと6GPa、温度400-1500Kで測定した。これと平行して、新しく導入された大容量キュービックアンビルプレスの立ち上げを行った。ただし装置に初期不良があり、研究期間の2/3は使用する事が出来なかった。これまでに、8cm^3の体積に5GPaの高圧発生を行い、1900Kの高温発生に成功した。さらに、熱拡散率測定用に試料アセンブリの開発を行い、測定が可能となった。ただし、残念ながら当初の目的である結晶粒界散乱因子の決定には至らず、今後の課題として残った。
ショウジョウバエの神経発生に関与するBarHIのホメオドメイン部分の構造解析

真核生物のDNA結合蛋白質については,現在まで多くの事例について解析が進められている状況ではない.しかし,真核生物の遺伝子活性制御の複雑なメカニズムを理解するためには,これらのDNA結合蛋白質の構造解析が不可欠である.本研究では,真核生物であるショウジョウバエの複眼形成過程に関与するBarHI蛋白質のホメオドメイン様構造について切り出しを行ないNMR法を用いて水溶液における構造解析を目的とした.この蛋白質は,東京大学の西郷らによって単離同定されたものである,複眼形成の後期発生において重要な働きを行うことが知られている.この蛋白質のホメオドメイン部分についてNMR法による構造解析を行なうために,遺伝子上での操作により,全長のBarHIからアミノ酸60残基にあたるホメオドメイン部分の切り出しを行い,大量発現系の構築を行った.T7RNAポリメラーゼを用いた発現系を構築することによってこのホメオドメイン部分を発現することが可能となった.さらにNMR法による解析が可能な量の蛋白質を精製するための培養条件および精製法を確立した.これにより一次元NMR法の手法を題いてこのホメオドメイン部分の構造を調べたところβシート構造を示すようなαプロトンのちらばりは少なく,この蛋白質がhelix含量の多い蛋白質であり,従来からDNA結合蛋白質で知られているhelix-turn-helix様構造をもつことが示唆された.現在は,さらに精製された蛋白質の量をふやし,二次元NMR法によるシグナルの部位特異的な帰属および構造解析を進めている.真核生物のDNA結合蛋白質については,現在まで多くの事例について解析が進められている状況ではない.しかし,真核生物の遺伝子活性制御の複雑なメカニズムを理解するためには,これらのDNA結合蛋白質の構造解析が不可欠である.本研究では,真核生物であるショウジョウバエの複眼形成過程に関与するBarHI蛋白質のホメオドメイン様構造について切り出しを行ないNMR法を用いて水溶液における構造解析を目的とした.この蛋白質は,東京大学の西郷らによって単離同定されたものである,複眼形成の後期発生において重要な働きを行うことが知られている.この蛋白質のホメオドメイン部分についてNMR法による構造解析を行なうために,遺伝子上での操作により,全長のBarHIからアミノ酸60残基にあたるホメオドメイン部分の切り出しを行い,大量発現系の構築を行った.T7RNAポリメラーゼを用いた発現系を構築することによってこのホメオドメイン部分を発現することが可能となった.さらにNMR法による解析が可能な量の蛋白質を精製するための培養条件および精製法を確立した.これにより一次元NMR法の手法を題いてこのホメオドメイン部分の構造を調べたところβシート構造を示すようなαプロトンのちらばりは少なく,この蛋白質がhelix含量の多い蛋白質であり,従来からDNA結合蛋白質で知られているhelix-turn-helix様構造をもつことが示唆された.現在は,さらに精製された蛋白質の量をふやし,二次元NMR法によるシグナルの部位特異的な帰属および構造解析を進めている.
電子ノートシステムの提案とその導入効果の検証に関する研究

本研究課題は、電子ツールを利用した電子ノートシステムを提案し、その導入効果を検証することであり、以下の成果を得た。(1)デジタルペンで入力された電子ノートから、チェーンコードのヒストグラムやランレングス圧縮法を利用したDPマッチングで、キーワードを高速に検索する方法を開発した。また、電子ノートから頻度の高いキーワードを自動的に抽出する方法も開発した。(2)講義の受講者が作成した電子ノートや授業風景の画像の解析から、常時板書を写すタイプの受講者としばらく板書を眺めた後にメモを取り始める2つのタイプの受講者が存在することが分かった。これらの解析を通して、受講者の講義への集中度の計測が期待できる。本研究課題は、サングラス型カメラ、デジタルペンやペンタブレットといった電子ツールを利用した電子ノートシステムを提案する。更に、講義の聴講者が作成した電子ノートを解析し、受講者の講義への集中度や理解度を定量的に検証する方法を提案し、提案する電子ノートシステムの講義の理解度に対する有効性を検証することである。このうち、平成25年度の課題は、以下の2テーマである。(1)電子ノート内のキーワードの自動抽出とその索引への登録。特に、電子ノートへの電子ペンの書き出し用語や頻度の高い用語を自動抽出し、キーワードとする方法の提案。(2)固定カメラ映像から、電子ペンによる記入内容に一致する部分の自動抽出。特に、(a)サングラス型カメラの視線の変化、(b)電子ノートへの記入のタイミング、の2つの情報量を分析し、映像の大まかな分割に利用する。これに対して、平成25年度は、以下の研究成果を得た。(1)ペンタブレットで入力されたオンライン手書きノートから、チェーンコードのヒストグラムやランレングス圧縮法を利用することで、手書きキーワードをノート内から高速に検索する方法を開発した。また、オンライン手書きノートから頻度の高いキーワード自身を自動的に抽出する方法も開発した。(2)聴講者が講義者や板書を見ているか筆記中であるかを固定カメラやサングラス型カメラの映像から自動的に判断する方法を提案した。固定カメラの映像から、受講者の顔を肌色領域として抽出し、抽出した肌色領域の変化から、聞き手の顔の向きを推定し、聞き手の状態の判断を行っている。また、サングラス型のカメラの映像から、ペン先の動きを解析することで筆記中かどうかを判断している。実験では、複数の被験者に対して、顔の向きやペン先の動きから筆記中の状態を推定できている。本研究課題では、サングラス型カメラ、デジタルペンやペンタブレットといった電子ツールを利用した電子ノートシステムを提案する。更に、講義の聴講者が作成した電子ノートを解析し、受講者の講義への集中度や理解度を定量的に検証する方法を提案し、提案する電子ノートシステムの講義の理解度に対する有効性を検証する。そのうち、平成26年度の課題は、テーマ(3)の「固定カメラ映像とサングラス型カメラ映像の比較による講義への集中度の分析」である。そのためのサブテーマが以下の2つである。(i)固定カメラの映像を講義者の板書時と説明時に分離すること(ii)サングラス型カメラ映像における講義者、黒板、電子ノートへの受講者の視線変化を測定することこれらをもとに受講者個人および受講者全体の講義への集中度を定量的に分析する。講義の受講者の講義への集中度を分析するに当たり、受講者の視線が(a)ノートにメモを記入する時間及び(b)講師や板書の内容を見る時間に自動的に分割する方法を提案した。提案手法では、受講者を固定カメラで撮影した映像から、受講者たちの顔の向きを顔の肌色量の増減を利用して推定した。実験の結果、常時板書を写すタイプの受講者としばらく板書を眺めた後にメモを取り始めるタイプの2タイプの受講者が存在することが分かった。しかし、提案手法では、受講者が多い場合、複数の顔が重なって、顔の向きの判断ができない問題があることが分かった。次に、サングラス型カメラを着用した受講者の撮影した画像からの視線の動きの推定を行った。その結果、顔の動きで、ある程度の視線の推定ができることが分かった。しかし、顔の動く速度が異なると推定誤差が生じることも分かった。このため、視線の動きの推定精度を向上するには顔の動きの速度に応じた補正が必要である。サングラス型カメラ映像による集中度の分析は次年度への残された課題である。本研究課題では、サングラス型カメラ、デジタルペンやペンタブレットといった電子ツールを利用した電子ノートシステムを提案した。また、講義の聴講者が作成した電子ノートを解析し、受講者の講義への集中度や理解度を定量的に検証する方法を提案し、提案する電子ノートシステムの講義の理解度に対する有効性の検証に取り組んだ。特に、平成27年度の課題は、テーマ(4)「電子ノートのキーワードや理解度テストによる講義の理解度の分析」であった。そのためのサブテーマが以下の2つであった。(i)電子ノート内の講義者が指定したキーワードの個数の計算(ii)電子ノートを一読後、理解度テストを行った結果をもとに電子ノートの効果による個人および受講者全員の講義への集中度や理解度の定量的に分析する。理解度テストでは、通常の手書きノートや講義影像のみのグループとの比較も行う。これらのテーマに対して、電子ノートの有効性を調べるための実験を行った。最初に被験者達にビデオ映像で講義を受講してもらった。直後に理解度テストを実施した。

1週間後に講義映像を付加した電子ノートと映像の含まれない文字だけのノートの2グループに分けて、10分間の復習をしてもらった。その後に2グループに対して、被験者たちに再度確認テストを実施した。その結果、映像のある電子ノートを復習に利用したグループが正答率や解答時間で比較的大きな向上が見られた。実験の結果から、映像を付加した電子ノートのほうが学習効果が高いことがわかった。本研究課題は、電子ツールを利用した電子ノートシステムを提案し、その導入効果を検証することであり、以下の成果を得た。(1)デジタルペンで入力された電子ノートから、チェーンコードのヒストグラムやランレングス圧縮法を利用したDPマッチングで、キーワードを高速に検索する方法を開発した。また、電子ノートから頻度の高いキーワードを自動的に抽出する方法も開発した。(2)講義の受講者が作成した電子ノートや授業風景の画像の解析から、常時板書を写すタイプの受講者としばらく板書を眺めた後にメモを取り始める2つのタイプの受講者が存在することが分かった。これらの解析を通して、受講者の講義への集中度の計測が期待できる。平成26年度の「固定カメラ映像とサングラス型カメラ映像の比較による講義への集中度の分析」の2つのサブテーマ(1)固定カメラの映像を講義者の板書時と説明時に分離する方法の提案(2)サングラス型カメラ映像における講義者、黒板、電子ノートへの受講者の視線変化の推定のうち、(1)の手法は、開発、実験による検証を行うことができている。一方、(2)の視線変化の推定には十分な精度が得られていない。しかし、視線の動きの速さによる推定誤差が原因であることは分かっているので、その補正方法がわかれば必要な精度の推定は可能と予想している。画像情報工学最終年度は、サブテーマ(4)の「電子ノートのキーワードや理解度テストによる講義の理解度の分析」に取り組む。最初に、(1)受講者が作成した電子ノート内に、講義者が講義の目標としたキーワードが正しく記入されているかを調べる。この分析は、個人の講義の理解度を調べるだけでなく、この分析を講義の全受講者に行うことで、その講義の評価ー目的が受講者に正しく伝えられたかどうかーを明らかにする。次に、(2)映像を埋め込んだ電子ノートを作成する受講者と手書きノートのみ作成する受講者に対して、時間を空けて、キーワードに対しての理解度テストを行う。この調査から、電子ノートが従来の手書きノートに対して優位性があるかのどうかを検証する。また、前年度に残された課題である「サングラス型カメラ映像における講義者、黒板、電子ノートへの受講者の視線変化の推定」を行う。推定誤差の原因を取りのぞき、受講者の視線の動きの情報をもとに講義への集中度を測定し、最後に(1)や(2)で得られた理解度との関係を明らかにする。平成25年度は、2つのサブテーマ(1)電子ノート内のキーワードの自動抽出とその索引への登録。特に、電子ノートへの電子ペンの書き出し用語や頻度の高い用語を自動抽出し、キーワードとする方法の提案。(2)固定カメラ映像から、電子ペンによる記入内容に一致する部分の自動抽出。
妊娠期膵β細胞におけるインスリン分泌能亢進機構の解明

妊娠期母体ではインスリン抵抗性が引き起され、その代償として膵β細胞からのインスリン分泌能が増大するが、そのメカニズムの解明は妊娠糖尿病の病因究明のためにも重要な研究課題となっている。本研究ではノックアウトマウスを用いて1)妊娠期で分泌増加するATPがP2X7受容体を介してインスリン分泌能を亢進させること、また2)リスクアレルが妊娠糖尿病と関連があることが示唆されているCDKALの膵β細胞での発現低下が妊娠期でのインスリン分泌能亢進不全を引き起こす機構を明らかにした。妊娠期母体ではインスリン抵抗性が引き起され、その代償として膵β細胞からのインスリン分泌能が増大する。私達はこの妊娠期の代償性のインスリン分泌能増大にβ細胞におけるセロトニン合成亢進およびセロトニンHtr3受容体の活性化が関与していることを明らかにしてきた。一方、インスリン抵抗性は妊娠だけでなく、肥満によっても生じ、妊娠期と同様に代償性のインスリン分泌能増加が起こることが知られている。そこで、肥満における代償性インスリン分泌能亢進が妊娠期と同様のメカニズムで引き起されるかどうかを明らかにする目的で、本研究では肥満におけるインスリン分泌能増大に対するHtr3受容体の影響を高脂肪食投与Htr3ノックアウトマウスを主に用いて調べた。その結果、高脂肪食投与野生型マウスに比べ、高脂肪食投与Htr3ノックアウトマウスでは耐糖能異常を呈し、またβ細胞からのインスリン分泌増加が観察されなかったことから、妊娠と同様に肥満による代償性インスリン分泌能増大にもHtr3受容体の活性化が重要であることが明らかとなった。しかし、高脂肪食投与マウスβ細胞では妊娠期マウスβ細胞に見られるセロトニン合成亢進は認められなかったことから、妊娠とは異なり、肥満ではbasalレベルのセロトニンによるHtr3受容体活性化を介したインスリン分泌能の亢進が考えられ、このメカニズムの詳細を更に明らかにする必要がある。前年度までの研究により、私達は妊娠期膵β細胞からの代償性インスリン分泌亢進にHtr3aセロトニン受容体シグナルが重要であることを明らかにしているが、今年度はこのシグナルに加えてATP受容体(P2受容体)シグナルが妊娠期膵β細胞からの代償性インスリン分泌亢進調節を行っていることを見出した。ATPは膵β細胞内のインスリン顆粒に貯蔵されており、グルコース刺激に応じてインスリンと共に開口分泌されることが知られている。膵β細胞膜にはATP受容体であるP2受容体が局在しており、分泌されたATPのautocrine-paracrineによるP2受容体活性化を介したインスリン分泌調節が示唆されているが、未だ不明な点が多い。本研究では妊娠期β細胞でのインスリン分泌亢進にP2受容体シグナルが関与しているかどうかを明らかにするため、非妊娠期と妊娠期(妊娠14日目)マウスから単離した膵島を用いて各種P2受容体の発現、及び阻害薬のグルコース応答性インスリン分泌への効果を調べた。その結果、P2X7受容体阻害薬存在下では妊娠期膵島からのインスリン分泌亢進が有意に低下した。また、P2X7受容体ノックアウトマウスから調製した膵島では妊娠期のインスリン分泌亢進が野生型マウス膵島に比べて有意に低下していたことから、妊娠期β細胞からのインスリン分泌亢進にP2X7受容体シグナルが重要な役割を果たしていることが示唆された。来年度には、妊娠P2X7受容体ノックアウトマウスを用いてこのP2X7受容体シグナルによるインスリン分泌亢進の分子機構の詳細を明らかにしたいと考えている。各ノックアウトマウスの繁殖、また妊娠マウスの作成に苦労しているが、おおむね計画通りに研究が進展している。1.妊娠期母体では、胎児へのグルコース供給のためにインスリン抵抗性が惹起され、その代償のために膵β細胞はインスリン分泌を著しく亢進させる。前年度の研究により、妊娠期膵β細胞からの代償性インスリン分泌亢進にATP受容体であるP2X7受容体が重要な役割を果たしていることを見出した。今年度はP2X7受容体ノックアウトマウスを用いて検討をさらに進めた結果、妊娠時のATP放出増加によりP2X7受容体を介して代償性のグルコース応答性インスリン分泌亢進が引き起されることを、細胞外ATP定量とectonucleotidase阻害剤の効果の解析により示唆した。2.私達は既に2型糖尿病疾患感受性遺伝子であるCDKALのノックアウトマウスを用いて、CDKAL1発現低下が妊娠期の代償性インスリン分泌亢進不全を起こすことを明らかにしているが、その詳細な分子機構については未だ不明であることから解析を進めた。その結果、妊娠期CDKAL1ノックアウトマウスでのインスリン分泌亢進不全はβ細胞でのインスリン分泌能低下が主たる原因であること、またこの低下のメカニズムに強い小胞体ストレスとミトコンドリアの機能低下が関与していることを示唆した。今年度はP2X7受容体及びCDKAL1による妊娠時インスリン分泌亢進機構の解明のため妊娠P2X7受容体ノックアウトマウスとCDKAL1ノックアウトマウスを用いて研究を進める計画であった。しかしP2X7受容体ノックアウトマウスに関しては妊娠マウスが計画通り得られず、CDKAL1ノックアウトマウスに関しては食殺による産仔喪失が起こり、繁殖低下に陥った。結果、各ノックアウトマウスを用いたインスリン分泌解析が遅延することとなった。妊娠期母体はインスリン抵抗性を示し、これを代償するために膵β細胞からのインスリン分泌が増加する。