hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
遺伝的アルゴリズムによる多次元ディジタルフィルタの最適設計

1.分母分離形2次元ディジタルフィルタの周波数領域における最適設計問題を単純遺伝的アルゴリズムによって定式化した.最適化問題のコーディングにおいて,分母分離形伝達関数の分母の極の半径と偏角,および分子の係数をそれぞれ30ビットの遺伝子として表現し,これらを一つなぎにして染色体を構成した.2.上述の表現のもとで単純遺伝的アルゴリズムによって2乗誤差評価関数の最適化を行い,フィルタ設計が可能であることを確認し,またこの方法は従来法より近似誤差が小さいことを明らかにした.3.以上の設計手法を周波数領域の誤差の絶対値和,最大値,空間領域の誤差の2乗平均などの場合に対して拡張し,実際に2次元フィルタが設計可能であることが確認された.4.遺伝的アルゴリズムによる分母分離形フィルタの設計において,突然変異率を指数関数的に減少させる方策を取り入れ,収束誤差と収束時間の減少を目指した.この結果,これまでの手順の結果よりもより小さい近似誤差でフィルタを設計することが可能となった.5.これまでに検討した遺伝的アルゴリズムによるフィルタ設計を分母非分離形(一般形)フィルタに適用した.ここでは,フィルタの安定性を判別するために,単位インパルス応答の絶対値和を用いた.この結果,分母非分離形に対してもフィルタの設計が可能となった.ただし,分母非分離形フィルタの安定性の判別の難しさのために,設計精度は分母分離形よりも幾分劣る結果となった.1.分母分離形2次元ディジタルフィルタの周波数領域における最適設計問題を単純遺伝的アルゴリズムによって定式化した.最適化問題のコーディングにおいて,分母分離形伝達関数の分母の極の半径と偏角,および分子の係数をそれぞれ30ビットの遺伝子として表現し,これらを一つなぎにして染色体を構成した.2.上述の表現のもとで単純遺伝的アルゴリズムによって2乗誤差評価関数の最適化を行い,フィルタ設計が可能であることを確認し,またこの方法は従来法より近似誤差が小さいことを明らかにした.3.以上の設計手法を周波数領域の誤差の絶対値和,最大値,空間領域の誤差の2乗平均などの場合に対して拡張し,実際に2次元フィルタが設計可能であることが確認された.4.遺伝的アルゴリズムによる分母分離形フィルタの設計において,突然変異率を指数関数的に減少させる方策を取り入れ,収束誤差と収束時間の減少を目指した.この結果,これまでの手順の結果よりもより小さい近似誤差でフィルタを設計することが可能となった.5.これまでに検討した遺伝的アルゴリズムによるフィルタ設計を分母非分離形(一般形)フィルタに適用した.ここでは,フィルタの安定性を判別するために,単位インパルス応答の絶対値和を用いた.この結果,分母非分離形に対してもフィルタの設計が可能となった.ただし,分母非分離形フィルタの安定性の判別の難しさのために,設計精度は分母分離形よりも幾分劣る結果となった.本年度の成果:1.分母分離形2次元ディジタルフィルタの周波数領域における最適設計問題を単純遺伝的アルゴリズムによって定式化した.最適化問題のコーディングにおいて,分母分離形伝達関数の分母の極の半径と偏角,および分子の係数をそれぞれ30ビットの遺伝子として表現し,これらを一つなぎにして染色体を構成した.2.上述の表現のもとで単純遺伝的アルゴリズムによって2乗誤差評価関数の最適化を行い,フィルタ設計が可能であることを確認し,またこの方法は従来法より近似誤差が小さいことを明らかにした.例えば,低域通過特性を近似するために,(4,4)次の伝達関数を用いる場合,遺伝的アルゴリズムの世代更新数は479回であり,計算時間は6.79時間(100MIPSの計算機による),2乗平均誤差は9.64%であった.この方法の計算時間は従来法より極めて長いが,誤差は従来法の約1/2である.3.以上の設計手法を周波数領域の誤差の絶対値和,最大値,空間領域の誤差の2乗平均などの場合に対して拡張し,実際に2次元フィルタが設計可能であることが確認された.次年度の課題:提案手法を2次元の分母非分離形に拡張し,最適化の実験を行うとともに,3次元以上のディジタルフィルタに拡張・一般化し,提案手法の性能限界,利点,問題点を明らかにする.本年度は,遺伝的アルゴリズムによる分母分離形2次元ディジタルフィルタの最適設計に関する設計能力を詳細に検討し,かつこれを分母非分離形の場合に適用し,その設計能力を評価した.1.遺伝的アルゴリズムによる分母分離形フィルタの設計において,突然変異率を指数関数的に減少させる方策を取り入れ,収束誤差と収束時間の減少を目指した.この結果,昨年の結果よりもより小さい近似誤差でフィルタを設計することが可能となった.2.分母分離形フィルタの設計の評価関数において,振幅特性だけではなく,位相(群遅延)特性もいれることで,線形位相に近いフィルタの近似を行った.この結果,線形位相に近いフィルタを設計することが可能となった.3.これまでに検討した遺伝的アルゴリズムによるフィルタ設計を分母非分離形(一般形)フィルタに適用した.ここでは,フィルタの安定性を判別するために,単位インパルス応答の絶対値和を用いた.この結果,分母非分離形に対してもフィルタの設計が可能となった.ただし,分母非分離形フィルタの安定性の判別の難しさのために,設計精度は分母分離形よりも幾分劣る結果となった.
低酸素性がん細胞に対する放射線増感剤の開発と効果に関する研究

1.ニトロ系増感剤imidazole系以外に、nitro-benzene,-pyrimidine,-pyridine,-thiazole,-triazole系の多数の化合物を合成し、thymine水溶液中でのthymine-glycole産生量でまずscreeningし、ついでV79細胞での増感能をみた。in vitroで有効な化合物をin vivoで検定したがその多くは急速な代謝のためin vivo活性は低く、imidazole系、triazole系に有望な物質が得られた。とくにtriazole系では、中枢神経系移行性の低い増感物質があり、in vivo assayでも有効性を認めたが、misonidazoleより優れているとはいい難かった。またnitrofurazan系もin vivoでの有効性は低かった。nucleoside型側鎖をもつnitroimidazoleは、動物レベルでもmisonidazoleより高い毒性効果比が得られ、nitroimidazole側鎖置換体の開発が有用と考えられた。2,非ニトロ系増感剤3.膜活用物質phonothiazine系膜活用物質については、大腸菌に対する増感効果が軽い温度処理によって著しく増強し、また少量のmisonidazoleの併用で相乗効果が得られる事を見出した。
複数右辺項をもつ連立一次方程式の高速・高精度求解法の開発と科学技術計算への応用

本研究課題では,複数本の右辺ベクトルをもつ連立一次方程式を解くためのBlock Krylov部分空間反復法の高速・高精度アルゴリズムの研究を行った.本研究課題を通してBlock Krylov部分空間の安定化手法を開発し,同法の計算量削減による高速化を行った.開発手法を素粒子物理学分野の格子QCD計算に適用し,有効性を確認した.本研究課題では,複数本の右辺ベクトルをもつ連立一次方程式を解くためのBlock Krylov部分空間反復法の高速・高精度アルゴリズムの研究を行った.本研究課題を通してBlock Krylov部分空間の安定化手法を開発し,同法の計算量削減による高速化を行った.開発手法を素粒子物理学分野の格子QCD計算に適用し,有効性を確認した.本研究課題では,複数本の右辺ベクトルをもつ連立一次方程式を高速,かつ高精度に解く数値解法の開発を目的としている.このような連立一次方程式は,数値解析分野においては周回積分に基づく固有値解法,応用分野においては素粒子物理学の格子量子色力学(QCD)計算で現れ,連立一次方程式の高速解法は様々な分野で必要とされる基盤技術となっている.複数右辺ベクトルをもつ連立一次方程式の反復解法として,Block Krylov部分空間反復法がある.同法はKrylov部分空間反復法と比較して,少ない反復回数で解が得られることがあるが,右辺ベクトル数が増加すると数値的不安定性により解が得られない場合も存在する.平成22年度はBlock積型Krylov部分空間反復法の収束性向上を目的として研究を行った.積型の解法では,加速多項式と呼ばれる多項式を用いて解法が安定化される.これまで研究代表者が開発したBlock BiCGGR法は加速多項式のパラメータ数が1つであったため,収束性に問題があった.今年度は2つのパラメータをもつ加速多項式で解法を構築し,高い収束性をもち,かつ高精度近似解を生成する解法を構築した.開発手法は,格子QCD計算で現れる連立一次方程式に対しても,高い収束性を示すことが確認された.また,従来手法であるBlock BiCGSTAB法の不安定性の原因を解析し,安定化を図った.反復過程で複数ベクトルの線形独立性が失われていくと,Block BiCGSTAB法は数値的に不安定な状況に陥る.反復毎に複数ベクトルを直交化することで,Block BiCGSTAB法の収束性・解の精度が大きく改善されることが明らかになった.直交化付きBlock BiCGSTAB法も,格子QCD計算に対して有効であることが確認された.本研究課題では,複数右辺ベクトルをもつ大規模連立一次方程式を解くための高速・高精度数値解法の開発を目的としている.このような連立一次方程式に対する反復解法として,Block Krylov部分空間反復法があるが,右辺ベクトル数が多い場合は近似解の精度劣化の発生や,数値的不安定性により近似解が得られない場合がある.そのため,より頑健で高精度近似解を生成する解法の開発が必要とされている.平成23年度は,「積型」と呼ばれるカテゴリに属するBlock Krylov部分空間反復法の高精度化・安定化に重点をおき,研究を行った.研究代表者のこれまでの研究で開発されたBlock BiCGGR法は高精度近似解が生成可能であるが,右辺ベクトル数が増加すると数値的に不安定になり近似解が得られない場合があったBlock BiCGGR法における数値的不安定性の原因の解析を行った結果,反復過程で現れるベクトルの線形独立性が失われることが原因であることが明らかになった.この現象を回避するために,Block BiCGGR法の残差行列に直交化を施した新たな解法Block BiCGGRRO法を開発した.残差行列の直交化を行うことにより,反復過程で発生した数値的不安定性を抑制することに成功し,多くの右辺ベクトル数をもつ方程式を高精度かつ安定に解くことが可能になった.他のBlock積型Krylov部分空間反復法の研究として,GPBiCG法のブロック版解法の開発,及びその安定化・高精度化を行った.GPBiCG法は一般に高い収束性を示すため,GPBiCG法のブロック版解法も高い収束性を示すことが期待された.しかしながら,Block BiCGGR法と同じく数値的に不安定になり,得られる近似解の精度も非常に悪いことが明らかになった.近似解の精度劣化の原因解析を行い,漸化式を再構築することで高精度近似解が生成可能となり,より高い収束性をもつBlock Krylov部分空間反復法を構築することができた.本研究課題では,複数本の右辺ベクトルをもつ連立一次方程式に対する高速・高精度な数値解法の開発を目的としている.このような連立一次方程式は様々な応用分野において現れ,同方程式の求解部分が計算時間の大部分を占めているため,高速に解くことが求められている.複数右辺ベクトルをもつ連立一次方程式に対する反復解法としてBlock Krylov部分空間反復法があり,このカテゴリに属する解法が数多く提案されている.右辺ベクトル数が多い場合は,Block Krylov部分空間反復法は数値的に不安定な状況に陥り,高精度近似解が得られない,または残差が発散することがある.本研究課題を通して開発されたBlock BiCGGRRO法は,数値的不安定性の緩和を行うことで高精度近似解を生成でき,かつ高い収束性をもつ手法である.しかしながら,同法の反復過程では縦長行列の正規直交化を行う必要があり,この部分が計算時間を増大させていた.平成24年度は,Block BiCGGRRO法の収束性の維持と計算時間の削減を目的として,研究を行った.

同法において計算時間を削減するには,正規直交化の実行回数を減らす必要がある.しかしながら,強制的に正規直交化を実行しないようにすると,解法の収束性に悪影響を及ぼす.本研究課題では,反復過程で数値的不安定性を検知するための指標について研究を行い,正規直交化を行うかどうかを動的に判断する手法を開発した.同手法で必要とする計算量は極めて少ないため,計算時間に与える影響は少ない.開発手法において適切なパラメータを設定することにより,収束性に大きな影響を与えることなく計算時間を削減できることが確かめられた.また,格子量子色力学計算で現れる連立一次方程式に対して本手法を適用し,その有効性を確認した.平成23年度の研究を通して,高精度近似解を生成し数値的不安定性を抑制できるBlock Krylov部分空間反復法を構築できたため,「おおむね順調に進展している」と評価する.24年度が最終年度であるため、記入しない。平成24年度は,Block Krylov部分空間反復法の数値的不安定性について,より踏み込んだ解析を行う.不安定性の原因をより解析することで更なる収束性の改善のための糸口を見いだし,解法の改良に繋げる.また,様々な応用分野で現れる問題に対して開発手法を適用し,解法の有効性の検証,及び応用分野からのフィードバックによる解法の改良を行っていく.24年度が最終年度であるため、記入しない。
機械的破断接合法による単一有機分子の光スイッチング特性評価に関する研究

本年度の研究目標である,非弾性電子トンネル分光測定を取り入れた単一フォトクロミック分子の光スイッチング特性評価には,強固な金属-分子接合を与えるアンカ-分子の探索が不可欠である.そこで,昨年度までに開発した,自己破断接合法(self-breaking法)を応用し,アンカー部位としてチオールまたはアミンを有する分子について,その金属-単分子-金属接合の室温耐久性を定量的に比較評価した.その結果,アミン-金結合に比べ,チオール-金結合を有する単分子接合は、その熱破断寿命に換算すると、10000倍以上安定であることなどを明らかにし,自己破断接合法を用いた本測定技術が,単分子デバイスの信頼性評価において有用な手法となることを実証した.更に,信頼性の高い光スイッチング特性評価にとって重要である極低温下における安定な単分子接合の作製に向け,自己破断接合法を用い,金-ベンゼンジチオール-金接合について、その形成・破断メカニズムを調べた.その結果,分子接合形成の前段階において,分子接合と平行に金単原子接合が形成されていることを明らかにした.更に,破断接合法により得られる単分子接合の安定性は,金単原子接合の機械的伸張過程において分子接合にも蓄積される引っ張り応力の影響を大きく受けることを実験的に示した.以上の結果から,安定な単分子接合を作製するためには,分子接合と平行に形成される金単原子接合を,従来の機械的伸張ではなく,引っ張り伸張を伴わない熱活性破断機構を利用し破断させることが重要であることを明らかにした.本研究の実験基盤となるMCBJ(mechanically-controllable break junction)装置の設計・製作及び立ち上げを行った。MCBJユニットは,コールドヘッドタイプのクライオスタットに取り付け,極低温での測定が実施可能な構造に設計した。MCBJ試料作製にはナノ加工技術を応用した。試料作製工程は以下の通りである。作製したナノMCBJ試料を対象に破断接合法によるAu単原子接点コンダクタンス測定を行い,MCBJ装置のキャリブレーションを遂行した。測定系はGPIB制御し,測定・データ解析プログラムはVisual Basic 6により構築した。更に,プログラム自己組織化配線法を応用し,比較的長い光スイッチ分子(Diarylethene)を対象にその光スイッチング特性評価を行った。まず配線分子の設計を行った。配線分子はp-phenylenevinylene(PPV)を採用した。配線分子の長さは,PPV2-3ユニットとした。反応点分子にはヨードベンゼンチオールを用いた。この分子の全長は約8nm程度である。そこで,電子線描画法により,電極間距離8nm以下の極小ギャップ電極を作製した(基板:SiO_2)。電極金属はAu(35nm)/Ti(5nm)である。作製したギャップ電極を用い,分子配線合成を行った。反応後の電極を顕微鏡観察したところ,反応過程において電極金属が劣化することを明らかにした。その後,下地金属をTiからCrに変更することで,分子配線反応過程における電極金属の劣化を大きく低減させることに成功した。本年度の研究目標である,非弾性トンネル分光測定による単分子識別の実現には,安定な単分子接合の形成が不可欠である.そこでまず,昨年度立ち上げを行った微細加工MCBJ (Mechanically-controllable break junction)を用い,安定な単原子・分子接合の形成条件を模索すると共に,室温下における接合の熱・応力破断機構を調べた.その結果,室温下において接合は熱的に破断すること,安定な接合の形成にはサブピコメートルレベルの機械的安定性が必要となることなどを明らかにした.なおこの測定技術は,単分子接合の潜在的な熱・電気的耐久性評価を可能にするものであり,単分子デバイスの信頼性評価において有用な手法となることが期待できる.上記の実験を通して得られた知見を元に,低温(77K)下において,金-ベンゼヒジチオール単分子接合を対象として,安定な単分子接合の形成・保持を行うと共に,非弾性トンネル分光測定を試みた.はじめにピコアンメータを用いた電流-電圧特性測定を行い,伝導電子とベンゼンジチオールのC-S伸縮振動とのカップリングに対応した電気伝導度の変化が検出された.更に,より高精度での電流測定が可能なロックインアンプを導入した測定系を用い,振動スペクトルを計測したところ,同様の振動スペクトルが得られた,以上の結果から,非弾性トンネル分光測定により,単分子識別が可能であることを実験的に示すことに成功した.本年度の研究目標である,非弾性電子トンネル分光測定を取り入れた単一フォトクロミック分子の光スイッチング特性評価には,強固な金属-分子接合を与えるアンカ-分子の探索が不可欠である.そこで,昨年度までに開発した,自己破断接合法(self-breaking法)を応用し,アンカー部位としてチオールまたはアミンを有する分子について,その金属-単分子-金属接合の室温耐久性を定量的に比較評価した.その結果,アミン-金結合に比べ,チオール-金結合を有する単分子接合は、その熱破断寿命に換算すると、10000倍以上安定であることなどを明らかにし,自己破断接合法を用いた本測定技術が,単分子デバイスの信頼性評価において有用な手法となることを実証した.更に,信頼性の高い光スイッチング特性評価にとって重要である極低温下における安定な単分子接合の作製に向け,自己破断接合法を用い,金-ベンゼンジチオール-金接合について、その形成・破断メカニズムを調べた.その結果,分子接合形成の前段階において,分子接合と平行に金単原子接合が形成されていることを明らかにした.

更に,破断接合法により得られる単分子接合の安定性は,金単原子接合の機械的伸張過程において分子接合にも蓄積される引っ張り応力の影響を大きく受けることを実験的に示した.以上の結果から,安定な単分子接合を作製するためには,分子接合と平行に形成される金単原子接合を,従来の機械的伸張ではなく,引っ張り伸張を伴わない熱活性破断機構を利用し破断させることが重要であることを明らかにした.
一本鎖抗体を用いた子宮体癌に対する分子標的治療開発の基礎的検討

近年・日本のみならず、先進国において子宮体癌が増加傾向にあり、特に進行例や再発例では既存の化学療法や放射線療法に抵抗性の症例も少なくなく、早期発見をめざした診断法や新たな治療法の開発が望まれている。我々のグループは子宮体癌において、細胞表面の糖鎖であるLewis^b型糖鎖の発現異常が子宮体癌特異的であることを明らかにし、Lewis^b型糖鎖に対するマウス型モノクローナル抗体MSN-Iを作製することに成功した。(Nozawa S. et al.:Am.J. Obstet.Gynecol.161,1989)この抗体を利用して、子宮体癌細胞において選択的にマーカー遺伝子を導入することが可能となれば、癌の転移や浸潤などを治療前により的確に診断することが可能となり、治療成績の向上が見込まれる。我々はこのMSN-Iを利用したミサイル療法開発における基礎的な検討を行い、MSN-Iと植物毒Geloninとの複合体が、子宮体癌細胞において選択的殺細胞効果があることを報告した(Kaneta Y. et al.:Jpn.J.Cancer Res.,89,1998)。さらに、現在子宮体癌に有効な効果を示す薬物のひとつであるアドリアマイシンを用いて前臨床的な検討を行ったところ、子宮体癌培養細胞株を用いた殺細胞効果はMSN-Iと抗がん剤であるアドリアマイシンの複合体のIC50は5x10^<-4>μMであり、MSN-Iとアドリアマイシンの混合物を用いた場合の3x10^<-2>μMと比較して約60倍の効果が認められた。さらに、マウスを用いたin vivoにおいても明らかな副作用を示すことなく腫瘍退縮効果が認められ、MSN-Iを用いた分子標的療法は極めて有用であることが明らかとなった。そこで、子宮体癌細胞へ選択的に、さらに効率良く外来遺伝子を導入するために、MSN-Iとレポーター遺伝子との複合体を作製し、レポーター活性を測定したところ、コントロールと比較して3倍程度の活性上昇を認めた。今後、子宮体癌に対する遺伝子導入効率を高めると同時にヘルペスウイルス由来チミジンキナーゼ遺伝子やシトシンデアミナーゼなどの自殺遺伝子と組み合わせた複合体を作製し、子宮体癌に対する分子標的治療の可能性について検討する予定である。近年、日本のみならず、先進国において子宮体癌が増加傾向にあり、特に進行例や再発例では既存の化学療法や放射線療法に抵抗性の症例も少なくなく、早期発見をめざした診断法や新たな治療法の開発が望まれている。(Nozawa S.Etal:Am.J.Obstet.Gynecol.161,1989)この抗体を利用して、子宮体癌細胞において選択的にマーカー遺伝子を導入することが可能となれば、癌の転移や浸潤などを治療前により的確に診断することが可能となり、治療成績の向上が見込まれる。我々はこのMSN-Iを利用したミサイル療法開発における基礎的な検討を行い、MSN-Iと植物毒Geloninとの複合体が、子宮体癌細胞において選択的殺細胞効果があることを報告した(Kaneta Y.Etal:Jpn.J.Cancer Res.,89,1998)。そこで、今回は現在子宮体癌に有効な効果を示す薬物のひとつであるアドリアマイシンを用いて前臨床的な検討を行った。子宮体癌培養細胞株を用いた殺細胞効果はMSN-Iと抗がん剤であるアドリアマイシンの複合体のIC50は5x10^<-4>μMであり、MSN-Iとアドリアマイシンの混合物を用いた場合の3x10^<-2>μMと比較して約60倍の効果が認められ、マウスを用いたin vivoにおいても明らかな副作用を示すことなく、腫瘍退縮効果が認められた。したがって、MSN-Iを用いた分子標的療法は極めて有用であることが明らかとなった。今後は子宮体癌細胞へ選択的に、さらに効率良く外来遺伝子を導入するために、MSN-Iとレポーター遺伝子との複合体を作製する。この複合体を用いて子宮体癌に対する遺伝子導入効率を解析し、分子療法開発の基礎的検討をおこなう。さらに、ヘルペスウイルス由来チミジンキナーゼ遺伝子やシトシンデアミナーゼなどの自殺遺伝子と組み合わせた複合体を作製し、子宮体癌に対する分子標的治療の可能性について検討することは意義がある。(Nozawa S. et al.:Am.J. Obstet.Gynecol.161,1989)

この抗体を利用して、子宮体癌細胞において選択的にマーカー遺伝子を導入することが可能となれば、癌の転移や浸潤などを治療前により的確に診断することが可能となり、治療成績の向上が見込まれる。我々はこのMSN-Iを利用したミサイル療法開発における基礎的な検討を行い、MSN-Iと植物毒Geloninとの複合体が、子宮体癌細胞において選択的殺細胞効果があることを報告した(Kaneta Y. et al.:Jpn.J.Cancer Res.,89,1998)。さらに、現在子宮体癌に有効な効果を示す薬物のひとつであるアドリアマイシンを用いて前臨床的な検討を行ったところ、子宮体癌培養細胞株を用いた殺細胞効果はMSN-Iと抗がん剤であるアドリアマイシンの複合体のIC50は5x10^<-4>μMであり、MSN-Iとアドリアマイシンの混合物を用いた場合の3x10^<-2>μMと比較して約60倍の効果が認められた。さらに、マウスを用いたin vivoにおいても明らかな副作用を示すことなく腫瘍退縮効果が認められ、MSN-Iを用いた分子標的療法は極めて有用であることが明らかとなった。そこで、子宮体癌細胞へ選択的に、さらに効率良く外来遺伝子を導入するために、MSN-Iとレポーター遺伝子との複合体を作製し、レポーター活性を測定したところ、コントロールと比較して3倍程度の活性上昇を認めた。今後、子宮体癌に対する遺伝子導入効率を高めると同時にヘルペスウイルス由来チミジンキナーゼ遺伝子やシトシンデアミナーゼなどの自殺遺伝子と組み合わせた複合体を作製し、子宮体癌に対する分子標的治療の可能性について検討する予定である。
植物に共生するメタノール資化性細菌のランタノイドを利用した生育環境認識機構の解明

植物の細胞伸長や分裂に伴い放出されるメタノールは地球規模では年間一億トンを超えると言われている。このメタノールを葉上で直接利用して生育するMethyloruburum属やMethylobacterium属は植物の生育を促してメタノールを獲得するために様々な手段を講じている。例えば植物に対して様々な化学物質を供給するだけでなく、メタノールを得るために有利な環境を認識するためのメカニズムを有すると考えられる。そこで本研究ではこのメタノール資化性細菌が植物とともに生育し、その植物の生育状況に応じた生育環境認識機構を有することを明らかにすることを目的としており、このメカニズムは微生物生態学的な意義だけに限らず、農産物の効果的栽培や病原菌防御効果につながるものと期待している。本年度はMethyloruburum extorquens AM1株をモデル細菌として用いて研究を行った。植物の生育とMethyloruburumの植物体上の環境の認識、具体的にはMethyloruburumが生育する環境として根圏や土壌付近から植物体生長に伴い地上部へ、そして葉上などを認識するためにはこれまで生物体が利用する金属とは知られていなかったランタノイドが主要な役割を持っていると考えている。土壌に含まれるランタノイドが植物体の土壌部から地表部、頂上部に向けて濃度勾配を形成し、それを指標として酵素の補欠因子や酵素の誘導因子として利用することで代謝をコントロールしていることについて検討した。まず、ランタノイドに直接的な応答を示すメタノールデヒドロゲナーゼ(MDH)に着目した。M. extorquens AM1株はゲノム内に3種類のMDHアイソザイムが見出され、そのうち2つがランタノイドに誘導を受け、残る一つはランタノイドで発現が抑えられることが明らかになった。本年度の目標としては、環境認識機構の中心的な役割を持つと考えられるメタノール脱水素酵素(MDH)の発現プロファイルを確認するため、組換え株を作成してMethyloruburum extorquens AM1内でどのような誘導を受けているのか確認することを当初より計画していた。M. extorquens AM1内には3種類のMDHが確認されており、MxaF1, XoxF1, XoxF2と呼ばれている。この内XoxFタイプのMDHは環境認識に関わるランタノイド依存型であり、昨年度から本年度において野生型のプロモータの下流にHis-tagを付与した標識型のMDHを発現させるように組換株を作成した。これをウエスタンブロッティングを用いてランタノイドの有無や濃度変化への応答を確認した。また、His-tag標識されたMDHを精製することも容易になったことから、XoxF1とXoxF2を精製した結果、昨年度Formaldehyde acticating enzyme(Fae)と代謝酵素複合体を形成している可能性が示唆された。そこでFaeの欠損変異株も取得して解析している。以上のように組換株作成からその発現調節機構の解析および新たにFaeとの関係性を明らかにするための変異株の作成にも成功した。このことから、おおむね順調に進展していると考えられる。次年度は最終年度となることから、MDHアイソザイムのランタノイドとの関わりについて、本年度までに作成した様々な変異株及び育種株を駆使し、MethyloruburumのMDHを調節するメカニズム、及びそれに伴う植物葉上で優勢形成するメカニズムへの知見を得ることを目指す。また、Methyloruburumが生成する様々な植物生長を促す化合物に着目し、ランタノイドとの関係性、とくに植物体との共生において成長促進物質を生産する場所(環境)がランタノイド濃度が指標となっているとの推定を確証付けるデータを収集することを行いたい。学会発表や論文発表を通じて新たな知見を公表し、更に研究を展開して次のステージを目指す。特にこれまで明らかにしてきた知見はM. extorquens AM1にかぎらず、生態系で起こっている普遍的であるにもかかわらず、明らかにされていない事例であると考えられ得ることから、応用展開も見据えて研究を推進していく。植物共生細菌であるMethylobacterium属細菌の共生メカニズムを明らかにするため、共生を媒介する化合物や共生細菌の鍵となる代謝酵素に着目して研究を進めている。本年度はモデル菌株であるMethylobacterium extorquens AM1の3種のメタノールデヒドロゲナーゼ(MDH)アイソザイムののうち、ランタノイド依存型XoxF1とXoxF2について検討を行った。共にランタノイドを補欠因子として分子内に保有しているメタノールデヒドロゲナーゼであるがアイソザイムであるため触媒反応はPQQを補酵素とするメタノール脱水素反応であるため、酵素の活性として個々の詳細な解析が困難であった。このことから酵素の詳細については十分明らかになっていなかった。H29年度において、XoxF1とXoxF2遺伝子破壊株をそれぞれHis-tag融合型として相補させ、それぞれの酵素の発現を確認できる野生型相当の相補株、それに加えてXoxF1またはXoxF2単独で発現する株をそれぞれ作成した。His-tagを利用して、それぞれの酵素単独での取得が可能となったことから、これらのサブユニット構造を調べたところ、XoxF1およびXoxF2に由来する60kDaに加え、20KDaのタンパク質が結合していることが明らかになった。これをPeptide Mass Fingerprintingによる解析を行った結果、Formaldehyde activating enzymeの構造と一致した。これまでこのような報告話されておらず、メタノール代謝におけ鍵となる代謝酵素がヘテロなサブユニットを構成するメタボロンを形成していることが示唆された。

これに加えて、環境認識機構をコントロールしていると考えているランタノイドの応答機構についても蛍光タンパク質を用いたスクリーニング系の構築を行った。解析のための遺伝子破壊株を利用したメタノールデヒドロゲナーゼ発現株を目的の応じて4種が作製できた。これを用いた酵素タンパクの解析を行った結果、新たな知見としてXoxF1とXoxF2に別の代謝における鍵となるFormaldehyde activating enzyme(Fae)が結合して高次構造を形成していることを見出した。H30年度においては計画を追加し、Faeの細胞内局在を調べていくことを実施したい。並行してXoxF1とXoxF1がランタノイドを環境認識因子として利用していることを証明するため、XoxF1プロモーターの下流に蛍光タンパク質であるRFPを結合させ、導入した組換え株を作成した。これを用いてランタノイドの中でもLa, Ce, Pr, Ndの四種類に応答して、XoxF1を発現させていることを明らかにしたほか、ランタノイド濃度に応答していることが明らかになった。XoxF2およびMxaFの三種類について同様の組換え株を作成することを計画しており、H30年度には残り2株の作製を行う。土壌側の検討として、鍵となる物質と考えているメタノール、およびランタンを土壌に仮想根圏を作製して供給して菌叢変化を測定した。16SrRNA遺伝子を用いたアンプリコン解析を行ったが、肥沃で菌叢のしっかりした優良な土壌を用いたことから、変化はわずかで、現時点ではっきりとした仮説を導き出すところまでは進行できなかった。当初の検討は実施できていることから、遅れとまでは捉えていない。植物の細胞伸長や分裂に伴い放出されるメタノールは地球規模では年間一億トンを超えると言われている。このメタノールを葉上で直接利用して生育するMethyloruburum属やMethylobacterium属は植物の生育を促してメタノールを獲得するために様々な手段を講じている。例えば植物に対して様々な化学物質を供給するだけでなく、メタノールを得るために有利な環境を認識するためのメカニズムを有すると考えられる。そこで本研究ではこのメタノール資化性細菌が植物とともに生育し、その植物の生育状況に応じた生育環境認識機構を有することを明らかにすることを目的としており、このメカニズムは微生物生態学的な意義だけに限らず、農産物の効果的栽培や病原菌防御効果につながるものと期待している。本年度はMethyloruburum extorquens AM1株をモデル細菌として用いて研究を行った。植物の生育とMethyloruburumの植物体上の環境の認識、具体的にはMethyloruburumが生育する環境として根圏や土壌付近から植物体生長に伴い地上部へ、そして葉上などを認識するためにはこれまで生物体が利用する金属とは知られていなかったランタノイドが主要な役割を持っていると考えている。
羊膜の組織修復作用と骨再生能に着目した新規培養歯根膜由来細胞シートに関する研究

本研究の目的は,歯周組織再生に有効な新規培養細胞シートを開発することである.羊膜は抗炎症,感染抑制を有し,さまざまな細胞の培養基質としての有用性・有効性が注目されている生体材料である.われわれはこれまで,羊膜を基質に用いた培養ヒト歯根膜線維芽細胞(hPdLF)シートを作製し,実験動物への移植にて新生骨(歯周組織)再生能を有することを報告してきた.また,hPdLFの培養基質に羊膜を用いることで、ケモカインSDF-1/CXCL12やCXCL14の産生が促進され,羊膜の有用性を見出した.今回,羊膜がhPdLFのへの増殖・分化を誘導するシグナル(成長)因子の産生に与える影響について検討を行った.材料および方法については,羊膜は帝王切開時の胎盤より採取し,PDL細胞は抜去歯より採取した歯根膜を初代培養後,3から4代継代したものを研究に供した.上皮細胞を剥離,除去した羊膜上にてPDL細胞を約3週間の培養を行い,羊膜上培養PDL細胞シートを作製,組織再生・修復および骨再生に関する遺伝子解析を行った.なお,本研究は本学医学倫理審査委員会の許可を得た上で実施した.マイクロアレイによる遺伝子解析を行った結果,対照群と比較して羊膜上培養hPdLFシートでは,IGF-1, VEGF-Aの各遺伝子が高発現していた.一方、Dkk-1は遺伝子レベルでの発現の低下を認めた.また,培養上清中のIGF-1, VEGF-A, BNDF, NGFは有意に増加し,Dkk-1は有意に減少していた.上記研究結果より,羊膜上培養hPdLFシートは,自身が骨組織へ分化するだけでなく,成長因子(IGF-1, VEGF-A, BNDF, NGF)やケモカインの産生を促すことが示され,さらには,培養細胞シートは間葉系幹細胞の骨芽細胞への分化を阻害するDkk-1の産生を抑制していたことで,効率的に骨芽細胞へ分化誘導するものと推測された.羊膜上培養歯根膜由来細胞シートおよび歯根膜由来細胞に対して、組織再生・修復に関与する増殖因子などの発現について、そのメカニズムを解明するために、マイクロアレイ法にて網羅的に遺伝子発現を比較検討、ならびにreal time PCR法を用いた定量分析を実施しているが、試薬調達に時間を要しやや遅れが生じている。羊膜上培養歯根膜由来細胞シートのマイクロアレイによる遺伝子解析、ならびにreal time PCR法を用いた定量分析を行った結果,歯根膜由来細胞(対照群)と比較して、各種成長因子やケモカインの産生を促す研究データが得られた。よって、羊膜が歯根膜由来細胞のへの増殖・分化を誘導するシグナル(成長)因子の産生に影響を与える可能性が考えられ、今後これらの成長因子やケモカインについて検討を加えていく予定である。本研究の目的は,歯周組織再生に有効な新規培養細胞シートを開発することである.われわれはこれまで,羊膜を基質に用いた培養歯根膜由来細胞(PDL細胞)シートの作製に成功し,動物移植実験にて新生骨(歯周組織)再生能を有すことを報告してきた.近年,羊膜は細胞の培養基質としての有用性・有効性が注目されている生体材料であるが,その効果については不明な点が多い.そこで今回,羊膜上培養PDL細胞シートにおける羊膜の培養基質としての効果についての検討を行った.材料および方法については、羊膜は帝王切開時の胎盤より採取し,PDL細胞は抜去歯より採取した歯根膜を初代培養後,3から4代継代したものを研究に供した.上皮細胞を剥離,除去した羊膜上にてPDL細胞を約3週間の培養を行い,羊膜上培養PDL細胞シートを作製,組織再生・修復および骨再生に関する遺伝子解析を行った.なお,本研究は本学医学倫理審査委員会の許可を得た上で実施した.結果として,DNAマイクロアレイ法にて,羊膜上培養PDL細胞シートとPDL細胞の遺伝子群の発現因子を網羅的に解析した結果,羊膜上培養PDL細胞シートは,組織修復・血管新生に関与するStromal cell-derived factor-1(SDF-1)および細胞を骨芽細胞への分化を促進するインスリン様増殖遺伝子1(IGF-1)の遺伝子が強発現していた.またreal-time PCRによる遺伝子発現定量解析を行ったところ,羊膜上培養PDL細胞シートはPDL細胞と比較し,SDF-1およびIGF-1の発現量増加を示した.羊膜上培養PDL細胞シートは,組織修復作用ならびに骨再生能を有する結果が得られた.以上より,羊膜はPDL細胞の骨分化を促進する役割だけでなく,新生骨(歯周組織)の再生に有効な培養基質となる可能性が示された.羊膜上培養歯根膜由来細胞シートおよび歯根膜由来細胞に対して、組織再生・修復に関与するSDF-1、ならびに骨芽細胞への分化を促進するIGF-1などの発現について、そのメカニズムを解明するために、マイクロアレイ法にて網羅的に遺伝子発現を比較検討、ならびにreal time PCR法を用いた定量分析を実施しており、概ね順調に進展していると考えられる。本研究の最終目的は,歯周組織再生に有効な新規培養細胞シートを開発することである.羊膜は抗炎症,感染抑制を有し,さまざまな細胞の培養基質としての有用性・有効性が注目されている生体材料である.羊膜上培養歯根膜由来細胞(PDL細胞)シートの組織

修復作用および骨再生能についてのメカニズムを解明するために,同培養シートにおける歯周組織再生に関わる因子について探索を行った.羊膜上にてPDL細胞を3週間の培養を行い,羊膜上培養PDL細胞シートを作製した.上記にて得られた培養PDL細胞シートに対してDNAマイクロアレイ法による網羅的遺伝子発現解析,ならびにELISA法によるタンパクの定量測定を行った.なお,対照群はPDL細胞とした.マイクロアレイにて歯周組織再生に関与する遺伝子解析を行ったところ,PDL細胞と比較して羊膜上培養PDL細胞シートにて, SDF-1/CXCL12,CXCL14,およびIGF-1の各遺伝子が強発現しており,real-time PCRによる定量解析においても発現量増加を示していた.また,CXCL14,IGF-1においてタンパクの高発現が認められた.SDF-1/CXCL12とCXCL14は互いに作用し,様々な種類の間葉系幹細胞の遊走に重要な役割を果たすケモカインとされる.なかでも,SDF-1/CXCL12はPDL細胞で合成・分泌され,間葉系幹細胞の凝集を誘導することで歯根膜の再生と修復に関与すると考えられている.また,IGF-1は骨芽細胞の分化・機能に関与し,歯周組織の再生を促進する増殖因子とされる.本研究にて羊膜上培養PDL細胞シートはこれらの遺伝子の強発現および発現量が増加していたが,タンパクの高発現までを認められたのはCXCL14,IGF-1のみであった.今後,SDF-1/CXCL12のタンパク発現については,移植実験などによる検討が必要と考えている.羊膜上培養歯根膜由来細胞シートおよび歯根膜由来細胞に対して、組織再生・修復に関与する増殖因子などの発現について、そのメカニズムを解明するために、マイクロアレイ法にて網羅的に遺伝子発現を比較検討、ならびにreal time PCR法を用いた定量分析を実施しており、概ね順調に進展していると考えられる。本研究の目的は,歯周組織再生に有効な新規培養細胞シートを開発することである.羊膜は抗炎症,感染抑制を有し,さまざまな細胞の培養基質としての有用性・有効性が注目されている生体材料である.われわれはこれまで,羊膜を基質に用いた培養ヒト歯根膜線維芽細胞(hPdLF)シートを作製し,実験動物への移植にて新生骨(歯周組織)再生能を有することを報告してきた.また,hPdLFの培養基質に羊膜を用いることで、ケモカインSDF-1/CXCL12やCXCL14の産生が促進され,羊膜の有用性を見出した.今回,羊膜がhPdLFのへの増殖・分化を誘導するシグナル(成長)因子の産生に与える影響について検討を行った.材料および方法については,羊膜は帝王切開時の胎盤より採取し,PDL細胞は抜去歯より採取した歯根膜を初代培養後,3から4代継代したものを研究に供した.上皮細胞を剥離,除去した羊膜上にてPDL細胞を約3週間の培養を行い,羊膜上培養PDL細胞シートを作製,組織再生・修復および骨再生に関する遺伝子解析を行った.なお,本研究は本学医学倫理審査委員会の許可を得た上で実施した.マイクロアレイによる遺伝子解析を行った結果,対照群と比較して羊膜上培養hPdLFシートでは,IGF-1, VEGF-Aの各遺伝子が高発現していた.
海中ロボット用電力供給・通信エネルギネットワークシステムの構築

海中ロボット駆動用の電力エネルギー,ならびに付随する通信システムを揺らぎのある海中にて供給可能なシステムについて検討を行った.電力エネルギーについては三角錐型のコーン型コイルを基本とした非接触伝送を基本に,模擬海中にて伝送の確認を行った.電解質である海中に於いても遜色なく電力供給が可能であり,通信システムの検証も併せ,海中充電ステーションの構築が可能である事がわかった.海中ロボット駆動用の電力エネルギー,ならびに付随する通信システムを揺らぎのある海中にて供給可能なシステムについて検討を行った.電力エネルギーについては三角錐型のコーン型コイルを基本とした非接触伝送を基本に,模擬海中にて伝送の確認を行った.電解質である海中に於いても遜色なく電力供給が可能であり,通信システムの検証も併せ,海中充電ステーションの構築が可能である事がわかった.海中ロボット用電力供給・通信エネルギネットワークシステムのうち,電力供給においては相対させた二つのコイルからなるトランスを用い,電磁誘電現象を利用した非接触給電システム方式の適用を考えた.今年度は実際の海中機器,水中ロボットへの組み込みを想定し,海中の揺らぎが生じても確実な電力供給が行える送受電コイル製作について検討を行った.着実に研究の進展を図る為に,まず机上でコイル同士が移動する場合の移動体負荷を想定して検討を進めた.移動体負荷用の平面コイルを製作する際,特に海中ロボット等の大電力機器を想定した伝送電力量を満たすコイル設計では,所望のインダクタンスおよびコイルサイズを実現するために縒り線を複数本並列に構成した.このとき各縒り線間に生じるインダクタンス差によって各縒り線に流れる電流にも差が生じてしまい,磁束分布のアンバランスが生じる原因となった.本検討において,大電力はもとより高周波を用いた給電対象を想定しているため縒り線間に発生する電流差が効率の低下に繋がってしまう.この電流差の発生を抑制する方法として,共振キャパシタを各縒り線に対して分割して接続する方法を考案し,キャパシタを分割しなかった場合の各縒り線に流れる電流比,分割した場合の電流比について検討を行った.分割の有無について,各縒り線のインダクタンス比と電流比との関係を見たところ,キャパシタを分割した場合,インダクタンス比の大小によらず電流差はほとんど発生しなかった.この結果は安定したコイル動作を実現し,海中での安定動作にも繋がるものと言える.海中ロボット用電力供給・通信エネルギネットワークシステムの構築において,トランス間の結合係数とコイルの性能指数を表すQ値との関係について検討を行った.特に海中での使用を想定した場合では,媒質が電解質を含んだ海水となるため,大気中と比較すると伝送効率に与える影響が多少考えられる.つまり電磁気的に弱い結合を保ちつつ,効率を最大限に得るための制御方法を見出す事が最良となる.過年度までの検討においては,電磁誘導方式を用いて,電気的結合を最大に高め,伝送コイル間でのエネルギ蓄積密度を大きくし,大電力を送電する事を行ってきた.特に本研究が目指す海中エネルギーネットワークシステムにおいては,多数の海中ロボット間での電力のやりとり,若しくは基幹送電ステーションでのドッキングにより電力伝送を行う事を想定しているために,近傍での電磁誘導給電システムは非常に有効である.このシステムに関する基礎検討については,本研究課題により進捗が図られたが,海中での揺らぎや,より多動性を有する海中ロボットの動作を支援するためには,距離を隔てたロボットに対しても電力伝送できる事が望ましいと考えられる事から,本検討を行うに至った.検討結果として,周波数をkHzオーダからMHzオーダまで従来よりも拡充し,コイルの銅損を制御する事で,コイルQ値を向上させた.その結果,結合係数とQ値の積で示される伝送効率において,Q値に依存する割合が大きくなり,一方,電磁気的結合係数の依存割合を低減させる事ができた.この事は,電力伝送コイル間の空隙を大きくしながらも伝送効率を補償する事を意味しており,揺らぎの多い,3次元的自由度を持つ海中空間においては有効に動作すると考えられる.この検討結果では,伝送電力を100Wレベルで確保する事に成功し,過年度までの方式との併用を想定して,今後システム構築を更に進める事とする.過年度までの研究結果におけるコーン型(三角錐型)形状のコイルを更に発展させて,送電側には空間的に広い電磁場領域が確保可能なスクエアコイル形状を用いて,海中ロボットのスケールモデル給電システムを検証した.また海中での揺らぎが発生する状況を,更に厳密な電磁気的シミュレーションで検証し,コイル間電磁気的結合の特性を確認した上で送電励磁側コイルの検討を進めた.前年度給電ステーションの基本形として,正四面体の水平方向に4つのコイルが設置される場合から検討を始めたが,今年度前述のコイルを検討した理由として,海中での揺らぎや,海中空間が3次元的自由度を保つことを最大限利用するために,海中空間に於いて広範囲な3次元的磁場分布を得られる様な送電側励磁コイルについて形状を決定した.海中ロボットに於いては,簡易的なスケールモデルを用い,また実際の水中を模擬した水中モデルを製作して実働させた.また送電側給電ステーションの検討には,海中ロボットスケールモデルに内蔵される受電側コンバータに機能性を持たせるシステムを組み込んだ.具体的には,将来エネルギと通信の海中ネットワークを構築するに当たり,給電ステーションのみならず,ロボットに内蔵された受電コイルが送電コイルへとその役割を変え,他のロボットへ電力エネルギと通信情報を送電・送信する事を理想とする旨の実験計画の基,超小型インバータを内蔵した.

実際は,内蔵コンバータを送電コイルユニットとして機能する様に製作した.実験結果として,海中を模擬した水中空間において,範囲を限定された空間に磁界を分布させ,スケールモデルである海中ロボットに実際に充電を行う事を確認した.また,スクエアコイルの効果としては,海中空間を模擬した揺らぎのある水中にて,安定給電を確認する事ができた.
小脳生後発達初期の登上線維シナプス競合におけるシナプス伝達素過程の機能的変化

脳幹聴覚中継核calyx of Heldで見られるシナプス抑圧に対するシナプス前・後機構の各要素の寄与が生後発達に伴いどのように変化するかを明らかにした。その結果、生後発達に従って(1)シナプス前終末の伝達物質放出確率の減少、(2)シナプス後細胞のAMPA受容体脱感作の減弱と回復時間の短縮、及び(3)グルタミン酸に対する感受性の減少の3要素が関わることで、シナプス抑圧に対する受容体脱感作の寄与の減少に至ることが明らかとなった。続いて小脳登上線維シナプスの発達シナプス競合による小脳回路の調節に焦点を当て、発生開始後14日から18日のニワトリ胚由来の小脳スライス標本を用い、電気生理学的および光学的な測定が可能となるような実験システムの確立を行い、中枢神経系の回路形成や恒常性維持に重要な神経栄養因子Brain derived neurotrophic factor (BDNF)の作用を検討した。小脳スライス標本に蛍光標識BDNFを投与し、BDNFとその受容体であるTrkBの挙動を観察した。その結果、小脳の特徴的なグリア細胞であるバーグマングリア細胞に対して極めて特異的にBDNFが結合し、細胞内に取り込まれ突起内を輸送されることを見出した。バーグマングリアに対するBDNFの生理機能は不明である。そこで、小脳スライス標本でバーグマングリア細胞からのwhole-cell記録と、蛍光標識したBDNFの高精度ライブイメージングの同時測定ができる実験系を構築し、稼働に成功した。・小脳登上線維-プルキンエ細胞シナプスは、脳の発達に伴い多重支配から単一入力へとシナプスの選択・除去が行われる。小脳発生の比較的早い段階に生じるシナプス競合のメカニズムを明らかにするため、発生開始から14-19日のさまざまな発生段階にあるニワトリ胚を用い、小脳の代表的な神経細胞であるプルキンエ細胞及びBermannグリアの関与・役割に着目した。・蛍光標識分子の1分子レベルでの検出が可能なイメージングを行うための顕微鏡システムを作成した。またこの高感度ライブイメージングと同時に電気生理学的実験を可能にするための実験装置を組み込んだ。・さまざまなニワトリ胚発生ステージにおける小脳スライス標本を作製し、微分干渉顕微鏡像によりBergmannグリアおよびプルキンエ細胞の位置や形態的構造を確認した。・蛍光色素Cy3を付加した脳由来神経栄養因子(BDNF)を精製・作成した。同様の合成条件で作成した蛍光神経成長因子でその生理活性が保持されていることを脊髄後根節神経細胞の軸索伸長反応をアッセイとして確認した。これを胚性14日(E14)、E17およびE19の小脳スライスに投与し蛍光観察を行ったところ、どのステージにおいてもBergmannグリアの突起膜上に強い結合がみられた。・継時的蛍光ライブイメージング観察を行いBergmannグリアの突起膜上におけるcy3-BDNF分子の動態を調べた。発生の比較的早い段階(E14)において活発にグリア突起膜上を細胞体側へ向かって移動するのが確認できた。・登上線維-プルキンエ細胞シナプスは強い短期シナプス可塑性を示す。短期シナプス抑圧のシナプス前・後機構の生後発達変化を明らかにするに当たって、短期シナプス抑圧に関する研究に適したラット脳幹聴覚中継核calyx of Heldシナプスにおける生後発達変化メカニズムを明らかにし、論文にまとめた。脳由来神経栄養因子(BDNF)は脳に広く存在し、シナプスの形成や生存といった神経発生初期に関わっているだけでなくシナプス伝達の調節にも重要な役割を果たす。本研究は神経栄養因子がシナプスの発生・発達に対する作用に関して、グリア細胞がどのように関わっているかを明らかにすることを目的としている。受精後14日から生後0日の異なる発生段階のニワトリ胚から急性小脳スライス標本(250μm)を作製した。微分干渉顕微鏡像によりマウス小脳の発生段階におけるステージと対応させた結果、受精後17日以降で分子層・プルキンエ細胞層・顆粒細胞層の3層構造となることが明らかとなった。

蛍光標識分子の1分子レベルでの検出可能なライブイメージングを行うための顕微鏡システムを作成し、同時に電気生理学的実験が可能になるようここに実験装置を組み込んだ。蛍光色素cy3でラベルしたBDNF(cy3-BDNF)を細胞外液に10nMの濃度で小脳スライス標本に全体投与し蛍光観察を行ったところ、cy3-BDNFはバーグマングリアの細胞内小胞膜上に強い蛍光輝点として観察され、これらの蛍光輝点が突起に沿って移動することが確認された。継時的ライブイメージング観察を行い、バーグマングリア細胞内小胞膜上を移動するcy3-BDNF分子の動態を解析した結果、発生の比較的早い段階(E14-E17)において突起に沿って小脳皮質表面から細胞体側へ、あるいは細胞体側から小脳皮質表面側へと蛍光輝点の活発な移動が観察された。cy3-BDNF分子の順方向性及び逆方向性の移動はバーグマングリアに発現するTrkB受容体を介した輸送によるものと考えられる。これらの結果により、BDNFはバーグマングリア細胞膜上のTrkB受容体と結合しエンドサイトーシスによって細胞内に取り込まれた後、小胞膜上を順方向性及び逆方向性に輸送されることが示唆された。