hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ラット慢性エンドトキシン血症の神経筋接合部に及ぼす影響と機序

3) CLP後7、14および21日において、約半数のラットで筋力が減弱していた.4) CLP後4、7、14および21日において、58%-67%のラットに血清抗AchR抗体が検出できた.以上により、CLPの回復期に筋AchRは自己免疫機序により減少することが示された.慢性腹膜炎が抗AchR抗体を作る機序は不明であるが、慢性感染症が重要な役割を果たしていると考えられる.感染あるいは炎症を引き金として抗アセチルコリン受容体抗体が発現し重症筋無力症が発生する可能性が以前より指摘されていた。腸内細菌の膜タンパクの一部とアセチルコリン受容体のαsubunitの一部に高次構造の類似性があり、アセチルコリン受容体抗体発現の引き金になる。よって、慢性腹腔内感染症も重症筋無力症を起こす可能性がある。Cecal ligationand puncture(CLP)は実験的敗血症性ショックモデルとして通常用いられるが、盲腸尖孔を小さくして、慢性腹腔内感染症モデルを作成し、21日間筋アセチルコリン受容体の変化を研究した。アセチルコリン受容体数は前腓腹筋ではCLP後7、14、21日で、横隔膜では7、14日後で、sham群と比較して有意に低下した。CLP施行7、14、21日後、約半数のラットで筋力低下が認められ、非脱分極性筋弛緩薬d-tubocurarineの感受性は増加した。血清抗アセチルコリン受容体lgG抗体価はCLP施行後4日より21日まで低濃度ではあるが持続的に出現した。抗アセチルコリン受容体lgG抗体は重症筋無力症に特異的であり、神経筋接合部の受容体の代謝回転を促進する。よって、本研究は慢性感染症が抗アセチルコリン受容体抗体発現の引き金となり、神経筋伝達障害を起こし重症筋無力症を発症させるという従来の仮説を初めて実験的に証明した。火傷による全身炎症反応では筋アセチルコリン受容体数は増加する。一方、Chagas病(Trypanosoma cruzi感染)やAIDSなどの慢性感染症では抗アセチルコリン受容体抗体が現れ、重症筋無力症が合併する。Cecal ligationand puncture(CLP)は通常急性敗血症モデルとして使用されている。ラットにごく軽度のCLPを施行し、神経筋機能の変化を研究すると、慢性期に重症筋無力症様症状が現れた。すなわち、前腓腹筋と横隔膜におけるアセチルコリン受容体数の低下、少なくとも二種類の抗アセチルコリン受容体抗体(blocking抗体とnonblocking抗体)の出現、筋力低下、非脱分極性筋弛緩薬に対する感受性増加、神経反復電気刺激後の筋力減衰反応、そしてネオスチグミン投与後の筋力減衰反応の消失した)。Stefanson等は1985年に腸内細菌(E.coli, K.pneumoniae, P.vulgaris)の膜タンパクの一部とアセチルコリン受容体のαsubunitの一部に分子相同性があり、これが抗アセチルコリン受容体抗体発現の引き金になることを発表した。よって、これらの研究結果は腹腔内感染症と重症筋無力症との関連を示唆し、抗アセチルコリン受容体抗体発現の一つの機序にせまるものである。しかし、本モデルでみられた神経筋機能障害に対する抗アセチルコリン受容体抗体の役割はいまだあきらにできておりません(Anesthesiology投稿中)。
非平衡緩和法による計算科学的物性研究

統計物理学・物性理論の主要な目標の1つは、原子・分子から出発して物質の相や相転移・臨界現象を理論的に記述し、予測する事である。この目標に向けて前世紀の初頭以来研究が続けられ、多くの成果が得られているが、多様な物性を自在に記述するには至っていない。一方、1980年代以降の計算科学の台頭に伴い、この分野でも計算機シミュレーションが強力な研究手段と認識されるようになり今日に至っている。数値的手法で最も重要なことは、同じ量を評価するために計算量が最も少ない方法はなにか、ということである。1950年代に計算機シミュレーションによる物性研究が始まって以来、より効率的な解析方法を求めて多くの手法が提案されてきた。そのほとんどは、まず時間平均として熱平衡状態を実現しその上でうまい統計量を評価し解析するという戦略に沿っての提案である。1990年代に入りこれとは正反対の戦略が本研究代表者らにより提案された。「非平衡緩和法」と名付けられたこの方法は、平衡戦略とは正反対に非平衡状態から熱平衡状態への近付き方(非平衡緩和過程)から相や相転移・臨界現象を解析するものである。本研究はこの非平衡緩和法とその応用をさらに発展させ、合わせて広く使いやすいものにすることである。具体的には、(1)非平衡緩和法のさらなる発展、(2)非平衡緩和法の物性評価計算手法としての整備、(3)非平衡緩和法による物性自動解析ソフトウェア開発の準備、の3点を目標として平成15年度に発足し、平成18年度までの4年間の研究期間中に上記の目標をほぼ達成することができた。スピン系のKT転移の解析手法を完成させ、2次元アルダー転移がKT転移であることを明らかとするなど残っていた課題は解決し、相と相転移についての研究は一段落した。また、粒子系の非平衡過程を効果的にシミュレートする手法(棄却なしモンテカルロアルゴリズム)を開発し、また固相中での構造と非平衡挙動(拡散)との関係とを解析した結果を公表した。棄却なしモンテカルロ法は剛体球系の高密度でのシミュレーションを、従来のモンテカルロ法や粒子動力学法に比べて、格段に(密度にもよるが数倍から数百倍以上)高速化する方法である。また非平衡緩和の初期過程が粒子の位置秩序により記述できることが明らかとなった。これにより非平衡緩和法により粒子系の熱平衡状態を解析する上での指針が得られた。また金子・四方模型として知られる化学反応系を使い、非線形非平衡挙動の統計力学的な研究に途をつけた。さらに非平衡緩和法を解析の核とした物性自動解析ソフトウエアNERANALYZERの開発に着手し、暫定仕様に基づいたプログラムを開発し、汎用ソフトウェアに向けての課題を検討した。さらに非平衡緩和法を解析の核とした物性自動解析ソフトウエア

NERANALYZERの開発に着手し、暫定仕様に基づいたプログラムを開発し、汎用ソフトウェアに向けての課題を検討した。統計物理学・物性理論の主要な目標の1つは、原子・分子から出発して物質の相や相転移・臨界現象を理論的に記述し予測する事であり、計算機シミュレーションがそのためには不可欠であることは広く認識されている。このような目的の計算機シミュレーションの、最も有効な解析方法の1つが、1990年代に本研究代表者らにより提案された「非平衡緩和法」である。本研究の目的は、これまでのこうした研究に基づき非平衡緩和法のさらなる発展と計算手法としての整備を進め、必ずしも非平衡緩和過程を専門とはしない研究者や開発者の信頼できる道具として普及させるにあたっての課題を明らかとし、さらに非平衡緩和法に基づく物性自動解析ソフトウエア開発の準備を行うことである。今年度の研究実績は以下のとおりである:・AMD OPTERONプロセッサに基づいた並列計算機環境を整備し、レナード・ジョーンズ粒子系などのシミュレーションプログラムを整備した。・現在世界最高性能の計算機である地球シミュレータ用の、イジング模型および粒子系のシミュレーションのプログラムを開発した。イジンク模型用のis3desは、地球シミュレータの512ノードを使って6648x6648x6656の大きさの系(約3000億自由度系)を、毎秒19兆6千億自由度格子する性能を記録した。これは力学自由度の処理速度の世界記録であろう。・このis3desを使い3次元イジンク模型の臨界点の評価を、逆温度で0.2216547(5)と改良した。・テラフロップス級のスーパーコンピュータによる非平衡緩和シミュレーションの準備とデータ解析とが円滑に進む環境を整えるために、非平衡緩和法に基づく汎用解析ソフトウエア(略称NERANALYZER)の開発に着手した。そして、Windows XP上で動作する強磁性転移用の解析プログラムを開発した。・非平衡緩和法によるKT転移の研究を行い、揺らぎの非平衡緩和過程を使った臨界指数の評価に成功した。特に剛体円盤系の融解転移に伴う2回のKT転移の際の臨界指数を決定した。・ラシュブルッケ不等式を非平衡緩和関数に拡張した。統計物理学・物性理論の主要な目標の一つは、原子・分子から出発して物質の相や相転移・臨界現象を理論的に記述し予測する事であり、計算機シミュレーションがそのためには不可欠であることは広く認識されている。物性の基本的な問題を、非平衡緩和法を中心とした計算統計物理学的研究により解決することを目指した研究を遂行した。今年度の主要な研究成果は以下のとおりである。・剛体円盤系の固体・流体転移を主に非平衡緩和法により解析し、単分散系の転移の詳細と多分散系の性質とを解明した。単分散系については既に、非平衡緩和法によりKT転移2回を経て転移することを明らかとしたが、この転移に伴う相関関数および動的指数の値をゆらぎの非平衡緩和解析から得た。さらに大小2種類の剛体円盤が同数混ざった系を解析し、ある分散値で中間相が消失する原因が明らかとなった。さらにこの多分散系で、正方格子構造が安定である条件を得た。縦横の大きさの比率に対し、有限系スケーリング関数が未知の臨界的依存性を持つことを示唆する結果を得た。
高齢者の歩行能力の質を定量評価する簡便な計測システムの開発

高齢化社会の到来に伴い、高齢者が自分の脚によって歩行し、年を老いても自分の力で移動できる能力を維持することが重要な因子である。ところが、従来法では高齢者の歩行の質やその推移に関して、高齢者自身が簡便に定量評価する手法は存在していない。そこで、高齢者の歩行運動を非接触で検出する技術を用い、従来法では困難だった“歩行の質"の定量評価を行なう技術を確立した。本研究では、被験者の歩行運動による人体電位変動を、被験者から数メートル離れた位置に設置した電極に誘起される静電誘導電流を検出した。これにより非接触で歩行信号を検知し、歩行運動の質の定量評価法を確立した。本研究では高齢者の歩行運動を非接触で検出することにより、安否確認のみならず、従来法では困難だった高齢者の“歩行の質"の評価を行なう技術を確立することを目的としている。我々は、被験者の歩行運動による人体電位変動を、被験者から数メートル離れた位置に設置した電極に誘起される静電誘導電流を検出することにより非接触で歩行運動を検出する技術を開発した。この技術を用い、本年度は、歩行信号計測用小型センサの試作と性能評価を実施した。当初目標としていたサイズ(80mm×50mm×20mm)のセンサを試作し、歩行信号の検出が可能であることを検証した。さらに、静電誘導電極の小型化を行なうため、歩行信号の検出感度を向上させることにより電極サイズを2cm角まで小型化することを可能にした。また、センサ内部にこの電極を組み込んだ小型センサを製作し、センサとパソコン間の配線を不要とするため、XBeeを用いることによりデータ通信をワイヤレス化するシステムを構築した。さらに、試作したワイヤレスセンサを用いて被験者の歩行運動を非接触で検出することを試みた。その結果、センサと被験者の距離を5m程度まで離しても、静電誘導電流波形には歩行運動による足の接地や離地のタイミングで発生するピークが検出可能であることを検証した。さらに、歩行データ解析を迅速化するため、データ解析にLabVIEWを用いた。これにより、ほぼリアルタイムで歩行運動の僅かな差異を明らかにするデータ解析システムを開発した。さらに、被験者のポケットやベルトに装着可能なワイヤレスセンサを試作し、被験者の歩行運動に表れる歩行周期の“ゆらぎ"の検出が可能であることを明らかにした。この技術を用い、本年度は、全年度に開発した歩行信号計測用小型センサを用い、歩行の質を推定する手法の確立を試みた。その結果、従来の万歩計や加速度計では検出が困難な足裏接地面積の時間変化に比例する値を定量的に評価することが可能であることが分かった。すなわち、元気な歩行運動においては、足が離地する際に足裏接地面積の時間変化は大きい。しかし、足に負荷を掛けた場合は足が離地する際に足裏接地面積の時間変化は小さくなることを明らかにした。足に負荷を掛けて模擬的に不自由な歩行運動した際には、歩行信号波形のスペクトルを求めると、低周波領域に通常歩行運動では現れていなかった新たなピークが出現することが分かった。加えて、歩行運動のような「ゆらぎ」有する信号を解析する手法として、リカレンスプロットを用いた解析を行なった。その結果、リカレンスプロットから導出した特徴量ベクトルを用いることで、歩行運動により誘起された静電誘導電流波形の被験者間の差異を明らかにした。さらに、本手法を用いて歩行運動のみならず、高齢者を想定した寝床中の寝返り動作や寝床周辺の歩行動作等の検出が可能であることを明らかにした。前年度に開発した静電誘導センサを用いて、被験者の歩行運動により誘起される静電誘導電流波形を数メートル離れた位置から検出しデータを蓄積した。得られたデータを解析することにより、足に負荷を掛けて模擬的に不自由な歩行運動した際には、歩行信号波形のスペクトルの低周波領域に通常歩行運動では現れていなかった新たなピークが出現することが分かった。このピークの強度が歩行の質と密接に関係していると考えている。さらに、歩行運動のような「ゆらぎ」有する信号を解析する手法として、リカレンスプロットを用いた解析を行い、リカレンスプロットから導出した特徴量ベクトルを求めた。この手法により、歩行運動により誘起された静電誘導電流波形の被験者間の差異を明らかにすることができた。この技術を用いて初年度は、歩行運動による人体電位変動により誘起される静電誘導電流波形を簡便に検出可能な小型システムを試作した。次年度は、試作した装置を用いて被験者の歩行信号計測を行ない、被験者の歩行の質を評価する具体的手法を確立した。

最終年度は、システムの有効性の確認と歩行の質の定量化を評価する実証実験を行ない、本システムの運用上の課題を抽出した。その結果以下の成果を得た。(1)静電誘導電流波形のピーク値は足が離地する際に足裏接地面積の時間微分に比例するため、このピーク値は歩行能力の指標として有効であることを明らかにした。(2)足に負荷を掛けた模擬歩行試験では、足が離地する際に足裏接地面積の時間微分は小さくなることを明らかにした。さらに、歩行信号波形のスペクトルを求めると、低周波領域に通常歩行運動では現れていなかった新たなピークが出現することが分かった。(3)歩行周期の「ゆらぎ」についてローレンツプロットやリカレンスプロットを用いて解析することにより、歩行能力の質を評価する際に有効であることが分かった。(4)リカレンスプロットから導出した特徴量ベクトルを用いることで、歩行運動により誘起された静電誘導電流波形から、被験者の歩行機能の推移や被験者間の歩行機能の差異を明らかにした。(5)本手法を用いて歩行運動のみならず、寝床中の寝返り動作や椅子への乗り移り等の日常動作を非接触・無装着で検出可能であることを示した。高齢化社会の到来に伴い、高齢者が自分の脚によって歩行し、年を老いても自分の力で移動できる能力を維持することが重要な因子である。ところが、従来法では高齢者の歩行の質やその推移に関して、高齢者自身が簡便に定量評価する手法は存在していない。そこで、高齢者の歩行運動を非接触で検出する技術を用い、従来法では困難だった“歩行の質"の定量評価を行なう技術を確立した。本研究では、被験者の歩行運動による人体電位変動を、被験者から数メートル離れた位置に設置した電極に誘起される静電誘導電流を検出した。これにより非接触で歩行信号を検知し、歩行運動の質の定量評価法を確立した。静電誘導センサの小型化とワイヤレス化を実現し、センサと被験者の距離を5m程度まで離しても、静電誘導電流波形には歩行運動による足の接地や離地のタイミングで発生するピークが検出可能であることを検証した。さらに、歩行データ解析を迅速化するため、データ解析にLabVIEWを用いることにより、ほぼリアルタイムで歩行運動の僅かな差異を明らかにするデータ解析システムを開発した。また、被験者のポケットやベルトに装着可能なワイヤレスセンサを試作し、被験者の歩行運動に表れる歩行周期の“ゆらぎ"の検出が可能であることを確認しており、順調に進展している。当初の計画どおり、複数の被験者の歩行信号波形データを蓄積し、評価システムと運用上の課題を抽出する。屋内の天井に本センサを設置し、被験者の歩行運動を長時間に亘り計測する。周波数解析やリカレンスプロットを用いた特徴量を抽出し、歩行の質の推定法確立を目指す。センシングシステムの開発当初の計画どおり、被験者の歩行信号波形から歩行の質の推定法確立を目指す。H26年度研究にて試作した装置を用いて被験者の歩行信号計測を行ない、被験者の歩行信号データを蓄積する。また、歩行データを算出する時間間隔、及び算出したデータを転送する具体的な方法について最適化を行なう。現時点で着目している被験者の歩行の質を評価する具体的手法は、歩行信号のスペクトルを解析し、低周波領域に現れるピーク値の増減、歩行信号の高調波の有無に着目する予定である。この手法を確立し、被験者に対して自らの歩行の質を定量化する方法を確立する。
細いフィラメントの構造におよぼすカルシウムイオンの影響

食用ガエル半腱様筋の収縮中のX線回折パターンを、二次元X線検出器を用いて記録した。半腱様筋は太いフィラメントと細いフィラメントの重なりの無いサルコメア長(4.0μm以上)に引き伸ばした。発生張力は小さく(0.2Kg/【cm^2】以下)、その大部分は回折パターンを生じていない腱に近い部分で発生していると考えられるので、収縮中のX線回折強度の変化はミオシンとアクチンの相互作用の結果ではなく、細胞内カルシウム濃度の上昇による細いフィラメントの構造変化に起因するものと思われる。細いフィラメントに由来する反射の強度変化の主要な点は次のとうりである。(1)第1層線の強度は、5.9nm層線の静止時の全強度の約50%低下する。(2)第二層線は同じく約8%増加する。(3)5.9nm層線は静止時の約10%増加する。以上の知見に基いて、細いフィラメントの構造変化を検討した。アクチン分子のモデルとして、2つの球状のドメインの連結した形状を仮定し、トロポミオシン分子はアクチン二重らせんに沿った連続した円柱を仮定した。このモデルは各々の分子を適当に配置することにより、静止状態での半腱様筋からの細いフィラメントの回折パターンを良く説明する。このモデルでトロポミオシン分子を移動させて上記の強度変化が生じるか否かを検討したが、電子顕微鏡で見られているような程度の移動では十分ではなく、アクチン分子自身に構造変化が生じている可能性が示唆された。高エネルギー物理学研究所放射光実験施設での実験(雨宮慶幸博士との共同実験)では、第二層線の強度変化が刺激後約2030msで最大に達することが見い出された。この結果も、この強度変化がカルシウムによる細いフィラメントの構造変化に起因することを裏付ける。
クロロフィルb合成遺伝子CAOから見た葉緑体と核との相互作用

光合成器官である葉緑体では,捕捉した光エネルギーの過不足や波長特性の異なる光によって,電子伝達系の酸化還元状態の偏りや,還元力の供給と利用速度とのアンバランスが生じる。このようなアンバランスを解消するため,光エネルギーを捕捉する集光装置の大きさが制御されなくてはならない。これらのアンバランスの認識と集光装置の制御は核によって行われているため,核と葉緑体間の何らかのクロストークが必要と考えられる。クロロフィルaオキシゲナーゼ(CAO)は2段階の酸素添加反応を触媒し,クロロフィルaをクロロフィルbに転換する酵素であり,クロロフィルbの合成速度と集光装置の大きさを制御している。このため,葉緑体の何らかの状態,例えば過剰な光エネルギーを捕捉したときに起こる電子伝達系の還元状態がCAOの発現を調節していることが考えられる。そこで,フィトクロームや青色受容体の変異株が、光強度を認識し集光装置の大きさを変化させるかを調べた。その結果,これらの変異株においても、低照度では大きな光化学系が作られ、高照度では小さな光化学系が形成された。この結果は、フィトクロームや青色色素は、光強度を認識する受容体では無いことを示唆しており、光強度の認識は葉緑体が行っていると予想される。次に、CAOの欠損株に35Sプロモータをつないたものを導入し、光環境への適応を調べた。この株は光強度を下げても,集光装置は大きくならなかった。これらのことから、CAOの発現が葉緑体からの何らかのシグナルによって制御され、これが集光装置の大きさを制御していると考えられる。
公平性を中心とした集団的意思決定における配分・評価の理論分析

異なる対象を比較しそれぞれを評価する、あるいは集団内で利益分配をするというような場面での集団による意思決定問題を理論的に考察した。計画に則り、自身の過去の研究を踏まえ、既存の公平性を吟味する形で研究を進めた。前年度(最終年度)については特に、以下の研究を進展させた。提携型ゲーム理論において、公平性に関する利益分配方法の性質として対称性と限界貢献度差依存性が知られている。対称性は同質と考えられる主体は等しい結果を得るという性質であり、また、限界貢献度差依存性は二主体間の結果の差はその二主体間の限界生産性(限界貢献度)の差のみに依存するという性質である。これらのお互いに異なる性質の背後にある要求を吟味することで、両性質を包含するより弱い公平性の性質を新しく定式化した。この新しい性質は既存の良く知られた(公平性とは異なる)性質と組み合わせることで、前述の既存の公平性をそれぞれ含意する。具体的には、ナルプレイヤー性と組み合わせることで対称性を含意し、また、加法性と組み合わせることで限界貢献度差依存性を含意する。ナルプレイヤー性や加法性は対称性や限界貢献度差依存性などと組み合わせて既存の様々な利益分配方法を特徴付けている。そのため、それらの様々な特徴付けはすべて新しい公平性で一般化が可能である。この結果はそれらの利益分配方法の公平性に関するより詳細な側面を明らかにする。これらをまとめた論文を国際学会で報告し、聴衆からのコメントを受け、その議論を深めた。本研究では、ミクロ経済学におけるいくつかの経済モデルを集団的意思決定問題として統一的に捉えている。それぞれの経済モデルにおいて、配分や評価の公平性に特に注目しながら、具体的な配分・評価方法を理論的に特徴付けている。平成27年度は、以前から取り組んでいた(1)研究者の業績評価指標に関する公理的特徴付けに関する研究を進展させ、論文として海外の査読付き雑誌に公刊した。業績評価指標として最もよく知られているものはh指標である。しかしながら、h指標は莫大な回数引用される論文が1編あっても、それは論文1編分としかカウントされない。そのような論文の価値を重視し、場合によっては論文複数編分としてカウントする指標の一つにg指標がある。このg指標を含む、(1A)あるクラスの業績評価指標をまとめて特徴付けた。さらに、それにいくつかの公理を加えることで、そのクラスの中から(1B)g指標だけを特徴付けた。この研究により、他の指標との比較においてg指標の特徴がより明確になり、指標選択の基準を新たに与えた(安達剛氏との共同研究)。また、他にも(2)提携型ゲーム理論における、解の公理的特徴付けにも取り組んだ。ある主体がその余剰生産能力を完全に失った際に他の主体に与える影響に注目した新しい公理を考察し、その公理を主として(2A)均等分配値を新たに特徴付けた。さらにその公理をより吟味することで、(2B)余剰均等分配値と均等分配値の線形結合を新たに特徴付けた。この研究により、ある主体の変化が他者に共通の影響を与える(つまり、他者を公平に扱う)ことと、均等分配の間の強い関連性が明確になった。研究実績の概要に挙げた(1)については、平成27年度に複数の国際会議でその内容を報告した。報告を通じて国内外の関連分野の研究者にコメントをもらうことができ、それを通じて内容をより洗練させた。そして最終的に、当該分野において代表的な、海外の査読付きの雑誌Journal of Informetricsにて論文として公刊するに至った。(2)については、論文として整え、国内の大学でセミナー報告をした。そこでもらったコメントに基づいて内容を再度検討し、議論をより深めた。さらに、平成28年7月にデンマーク・オーデンセにて開催予定の国際会議SING12(European (Spain Italy Netherlands) Meeting on Game Theory 12)に投稿した。現時点で、その国際会議での報告が決定している。こういった自身の研究成果の報告の機会以外にも、平成27年度は予算とスケジュールが許す限り、国内外の学会、研究集会等に積極的に参加した。そういった活動を通じて、同じ分野、または関連する分野の数多くの研究者と最新の研究の情報を共有し、またそれぞれの専門分野における最新の研究動向を把握するに至った。さらに、今後の研究として取り組む価値のある新たな問題を見つけるに至った。したがって、研究は当初の目的に沿って順調に進んでいるといってよい。本研究ではミクロ経済学におけるいくつかの経済モデルを理論的に考察している。平成28年度は提携型ゲーム理論についての研究を主に進展させた。これは、複数の経済的主体などによる協調的行動の成果として得られた経済的余剰を、主体間でどのように配分するかを考察する。このような集団的意思決定問題は我々の身の回りに様々な形でみられ、その公平な余剰配分の重要性は歴然である。より具体的に、平成28年度に中心的に取り組んだ研究は以下の2つである。(1)前年度から取り組んでいた、均等分配と余剰均等分配のアフィン結合の特徴づけを精緻化した。前年度までに既に得られていた、ある主体が生産能力を失った際の他の主体への影響に関する公平性に基づいたその特徴づけに、ある主体の限界生産能力の変化とその主体への配分の変化に関する単調性を加えることで、両分配の凸結合を特徴づけた。現実の配分問題において、両分配のアフィン結合によってあらわされる分配は直観に反する配分をもたらす可能性がある。

したがって、そのような不自然な解を排除することにより、配分の受け入れられやすさ、公平性がより高まる。(2)提携型ゲーム理論で公平性の性質として挙げられる、任意の二者間での貢献度の均等という性質を吟味した。この性質を適用する対象を任意の二者間ではなく、生産能力が同等である任意の二者間のみに限定し、公平性に関連する新しい性質を定式化した。この性質は単独では、生産能力が同等である二者に異なる配分をすることを許容する。しかしながら、他のいくつかの性質と同時に考慮することで、生産能力が同等である任意の二者に常に同じ配分をする性質(対称性)と同様に機能することを示した。この結果は集団による余剰配分に関して、公平性の新たな側面を明らかにしている(横手康二氏との共同研究)。研究業績の概要に挙げた(1)については、平成28年7月にデンマーク・オーデンセで開催された国際会議European Meeting on Game Theory(SING12)でその内容を報告した。そのような活動を通じてこの研究に関して国内外の研究者からもらったコメントに基づき、上述のように議論を進展させた。平成28年度末の段階で、当該分野の国際的な査読雑誌に投稿し、匿名の査読者による審査を経て、修正・再投稿を求められている状況にあり、今後の論文受理が見込まれる。(2)については、論文の完成と、自身のスケジュール、学会・国際会議・研究会の応募の時期があわなかったため、研究報告する機会は得られなかった。しかしながら、論文完成後、比較的短期間のうちに、当該分野の国際的な査読雑誌であるOperations Research Lettersにて公刊するに至った。また、現時点では完成された段階にはないものの、平成29年度あるいは平成30年度には完成が十分に見込める予備的成果もすでにいくつか得られている。上記の国際会議での自身の研究報告以外にも,自身の研究に関連する分野の国内外の様々な学会・研究会・ワークショップなどに積極的に参加するように努めた。それを通じて、自身の研究と関連する新たな研究のアイデアなどを得ており、これらについても今後の進展が期待される。上記を踏まえると、研究は当初の目的に沿って順調に進んでいるといえる。本研究では、提携型ゲーム理論をはじめとした集団的意思決定を描写するいくつかの経済モデルについて、公平な結果を理論的に考察している。結果の公平性は、そういったモデルで定式化できる社会問題において、多くの主体が自発的参加するために重要であり、その解決にむけて欠かせない視点といえる。そこで、既存の公平性の基準を吟味し、いくつかの新たな公平性を定式化、その公平性に則った配分ルールを考察した。今年度に中心的に取り組み、一定の成果としてまとまった研究は以下四つである。(1)全体への貢献が等しい二者間での貢献の均等という新たな公平性の基準を定式化し、シャープレイ値と均等分配の凸結合を特徴づけた。この結果は、対極にあると考えられる二つの配分方法に共通する新たな公平性を見出した(横手康二氏、船木由喜彦氏との共同研究)。
脳性バベシア症における原虫感染赤血球接着機構の解明

バベシア・ボビス(Babesia bovis)によって引き起こされるウシのバベシア症では原虫感染赤血球が脳毛細血管に栓塞することで神経症状を引き起こす「脳性バベシア症」という特徴的な病態が知られているが、この病態形成の分子機序については殆ど分かっておらず、ves-1α及びves-1βと呼ばれる多重遺伝子属によってコードされたVESAタンパク質が関わるという事のみが知られている。本年度はまずVESA-1に対する抗体を作製した。得られた抗体を用いて間接蛍光抗体法にてVESAタンパク質が原虫感染赤血球表面近傍に局在することを確認すると共に、ウエスタンブロットにおいてもその発現を確認した。また、ウシ脳毛細血管内皮細胞に接着するB. bovis感染赤血球の選抜を試みた結果、同細胞に接着性と非接着性の原虫集団が選抜できた。現在各集団から原虫株をクローン化し、両者間でのゲノム比較解析を行っている。
動脈性化学受容細胞における二酸化炭素受容機構の解明

前年度までの研究で、ラット頚動脈小体におけるチロシン水酸化酵素mRNAおよび血管内皮細胞増殖因子mRNAは、低酸素暴露、高二酸化炭素暴露あるいは低酸素と高二酸化炭素の同時暴露によってそれぞれ異なる発現変化を示すことを明らかにした。チロシン水酸化酵素は頚動脈小体におけるドーパミンの合成を誘導することで、血管内皮細胞増殖因子は血管透過性の亢進や血管拡張を誘導することで、それぞれ頚動脈小体における化学受容調節に関与していると考えられる。暴露するガス環境により、化学受容調節に関与する分子群の発現変化が異なることから呼吸変化もガス環境によって異なる可能性があると考え、ラットに対して低酸素暴露、高二酸化炭素暴露あるいは低酸素と高二酸化炭素の同時暴露を行った際の呼吸数および呼吸深度を測定した。いずれの暴露によっても呼吸数および呼吸深度の増加は観察されたが、暴露後しばらくしてから観察される呼吸促進が抑制され正常化に向かう反応に違いが観察された。低酸素暴露では呼吸抑制と呼吸促進が交互に誘起され正常な呼吸に戻っていく反応が、高二酸化炭素暴露では低酸素に比べると呼吸の正常化はゆっくりと進む反応が、そして低酸素と高二酸化炭素の同時暴露では呼吸の正常化が最もゆっくりと観察される結果が得られた。これら、様々なガス暴露に対する呼吸調節の違いは化学受容調節分子の発現の違いを反映している可能性があることが示唆された。慢性低酸素による発現増強が確認されているチロシン水酸化酵素と血管内皮成長因子のmRNAが、低酸素暴露あるいは高二酸化炭素暴露、そしてこれらの同時暴露を行った際にどのような発現変動を示すかを調べた。それぞれ0、2、6、12、24時間におけるmRNAの発現量をリアルタイムRT-PCRにより調べた結果、血管内皮成長因子mRNAは全ての暴露群において発現増強がみられなかった。しかしチロシン水酸化酵素mRNAは、高二酸化炭素暴露による発現変化は観察されず、低酸素暴露では6時間をピークとする発現増強が観察され、同時暴露では12時間をピークとする発現増強が観察された。低酸素暴露6時間におけるチロシン水酸化酵素mRNAの発現量と同時暴露12時間におけるチロシン水酸化酵素mRNAの発現量の間に、差はほとんど認められなかった。以上より、高二酸化炭素は単独ではチロシン水酸化酵素mRNAの発現増強を引き起こすことはないが、低酸素によるチロシン水酸化酵素mRNAの発現増強を遅延させる作用を持つことがわかった。また、高二酸化炭素暴露により発現変化を示すと考えられていた炭酸脱水素酵素mRNAの発現量をリアルタイムRT-PCRにより測定したところ、10%24時間の刺激では変化しないことがわかった。高二酸化炭素暴露により発現が変化する分子は知られていないため、マイクロアレイ実験によるmRNAの網羅的解析を行う必要がある。現在このマイクロアレイ実験を行うための条件を検討中である。頚動脈小体におけるチロシン水酸化酵素(TH)および血管内皮成長因子(VEGF)のmRNAの発現変化をより詳細に調べるため2、4、6、8、12、24時間の低酸素暴露、高二酸化炭素暴露および低酸素と高二酸化炭素の同時暴露を行い、リアルタイムRT-PCRを用いた解析を行った。その結果、低酸素暴露において、TH mRNAは8時間をピークとする発現増加(約7.8倍)を、VEGF mRNAは4時間をピークとする発現増加(約5.5倍)を示した。低酸素と高二酸化炭素の同時暴露ではTH mRNAは12時間をピークとする発現増加(約5.8倍)を、VEGF mRNAは8時間をピークとする発現増加(約3.4倍)を示した。高二酸化炭素暴露によるTH mRNAおよびVEGF mRNAの発現変化は観察されなかった。また、THに関してはmRNAのみならずタンパクの発現変化を観察するために間接蛍光抗体法を行い、蛍光強度を測定することで発現量の半定量を行った。その結果、低酸素暴露では12時間から約1.4倍の発現増加が観察され、24時間でも約1.5倍の発現増加を示した。低酸素と高二酸化炭素の同時暴露では12時間では発現増加を示さなかったが、24時間では約1.5倍の発現増加を示した。高二酸化炭素暴露によるTHタンパクの発現変化は観察されなかった。以上より、高二酸化炭素は単独ではTH mRNAおよびVEGF mRNAの発現量に影響を与えないが、低酸素による発現増加を抑制する働きを持つことが示唆された。さらに、頚動脈小体において3種の暴露条件によって影響を受ける分子群の網羅的な解析を行うためマイクロアレイ実験を行った。現在、得られたデータから化学受容に関与すると考えられる分子を検索中である。化学受容に関与すると思われる分子については、リアルタイムRT-PCRを用いたより詳細な発現変化の解析を行う予定である。

低酸素暴露では呼吸抑制と呼吸促進が交互に誘起され正常な呼吸に戻っていく反応が、高二酸化炭素暴露では低酸素に比べると呼吸の正常化はゆっくりと進む反応が、そして低酸素と高二酸化炭素の同時暴露では呼吸の正常化が最もゆっくりと観察される結果が得られた。これら、様々なガス暴露に対する呼吸調節の違いは化学受容調節分子の発現の違いを反映している可能性があることが示唆された。
メタボリック症候群マネジメントのための特定健診データ分析法と評価システムの構築

平成20年4月より内臓脂肪症候群(メタボリックシンドローム)に焦点を当て,生活習慣病の予防を目的とした特定健康診査及び特定保健指導(以降,特定健診)が実施されている.そこで本研究では,特定健診の枠組みとデータ構成に則して,大規模データを柔軟に扱え,個々の受診者の保健指導に役立てることのできる新しい評価システムの構築を目指した.特定健診のデータは健康状態を示す検診データと生活習慣を反映する問診データから構成されており,受診者はそのデータに基づいて積極的支援,動機づけ支援,情報提供,及び保健指導対象外の各レベルに階層化され,そのレベルに応じて保健指導が行われている.本研究では,問診データについて主要因子の抽出を行い,検診と問診の両データへの知見をもとに,検診と問診の両因子を包含するベイジアンネットワークを構築し,受診者の特定健診データに基づくリスク評価システムとしての可能性を検討した.平成20年4月より内臓脂肪症候群(メタボリックシンドローム)に焦点を当て,生活習慣病の予防を目的とした特定健康診査及び特定保健指導(以降,特定健診)が実施されている.そこで本研究では,特定健診の枠組みとデータ構成に則して,大規模データを柔軟に扱え,個々の受診者の保健指導に役立てることのできる新しい評価システムの構築を目指した.特定健診のデータは健康状態を示す検診データと生活習慣を反映する問診データから構成されており,受診者はそのデータに基づいて積極的支援,動機づけ支援,情報提供,及び保健指導対象外の各レベルに階層化され,そのレベルに応じて保健指導が行われている.本研究では,問診データについて主要因子の抽出を行い,検診と問診の両データへの知見をもとに,検診と問診の両因子を包含するベイジアンネットワークを構築し,受診者の特定健診データに基づくリスク評価システムとしての可能性を検討した.特定健診のデータは健康状態を示す健診データと生活習慣を反映する問診データから構成されており,受診者はそのデータに基づいて階層化(積極的支援,動機づけ支援,情報提供,及び保健指導対象外の各レベル)され,レベルに応じて保健指導が行われる.本研究では,まず,健診データと問診データについて,それぞれ別々に主要因子の抽出を行い,その経年変化に着目して両者の傾向や特徴を明らかにする.本年度は,某事業所での実施結果(約12000件/年,男性約7500件,女性約4500件)を対象に,次の1,2に従って研究を遂行した.1.特定健診における対象データの前処理とデータベース化:データ項目は,健康状態を示す健診項目(腹囲とBMI,空腹時血糖とHbAlc,中性脂肪とHDLコレステロール,収縮期血圧と拡張期血圧),および生活習慣を反映する問診項目(運動面,栄養面,生活面を問う計,約40項目)からなる.全データは,受診者の氏名等を匿名コード化したうえで提供を受け,リレーショナルデータベースに格納し,SQLで種々の検索や処理ができるようにした.2.健診データと問診データおよびその関係性の分析:1で作成したデータベースから,継続的に経年受診している者のデータをデータ群として抽出し,それらのデータ群に対して以下の手順で分析を進めた.(1)健診データに関して統計解析的分析を行う.各データ項目のデータ分布,経年でのデータの推移を評価する.(2)健診データの主成分分析・因子分析に基づいて各データ項目間の関係を分析する.(3)健診データの経年での推移を分析し,更にマルコフ過程モデルによる評価も行う.続いて,問診データに関しても(1)(3)の健診データと同様の分析・評価を行った.さらに,健診と問診の両データの特徴を踏まえ,両者の相関分析をはじめ,ナイーブベイズ法等を適用し,健診と問診間の関係性を分析した.その結果から,保健指導上のポイントとなる健康状態と生活習慣の具体的な結びつきの特性について検討した.前年度に引き続いて,作成したデータベースに新たな特定健診データを追加し,規模の拡大したデータ群に対して下記[1]の分析を行い,再吟味を掛け,それと並行して下記[2]を実施した.[1]健診データと問診データおよびその関係性の分析:拡充したデータベースから,継続的に経年受診している者のデータをデータ群として抽出し,それらのデータ群に対して以下の手順で分析を進めた.(1)健診データに関して統計解析的分析を行い,各データ項目のデータ分布,経年でのデータの推移を評価した.(2)健診データの主成分分析・因子分析に基づいて各データ項目間の関係を分析した.(3)健診データの経年での推移を分析し,更にマルコフ過程モデルによる評価も行った.続いて,問診データに関しても(1)(3)の健診データと同様の分析・評価を行った.その結果から,保健指導上のポイントとなる健康状態と生活習慣の具体的な結びつきの特性について検討した.[2]健診・問診の両データ項目を包含するベイジアンネットワークの検討:[1]で得られた分析結果と知見に基づき,健診と問診の両データ項目を適切な形で包含するベイジァンネットワークのモデリングを行った.具体的には男女別に,まず健診項目ごとにベイジアンネットワークを構成し,各健診項目を良い状態,悪い状態に設定した場合における各問診項目の変化を捉え,両者の比較を通して腹囲・BMI,空腹時血糖・HbAlc,中性脂肪・HDLコレステロール,拡張期・収縮期血圧の各健診項目に関連の深い生活習慣の問診項目を抽出・評価した.次に特定保健指導の階層レベルを含む全項目

統合型のベイジアンネットワークを構成し,これにより積極的支援,動機づけ支援,情報提供,及び保健指導対象外の各レベルに設定した場合のネットワークでの問診項目と健診項目の状態変化を捉え,特定保健指導の階層化レベルと健診項目・問診項目の関係性を抽出・評価した.当該年度においては,研究目的において述べた本申請課題の達成に向けて,前年度に引き続いて,保健指導での受診者リスク評価と評価システムのプロトタイプ構築に関する下記の内容を実施した.これまでに構成されたベイジアンネットワーク上で,生活習慣に関する問診項目ノード値の変更(栄養面や生活面の悪化など)によるリスク変化について詳細に調べ,各受診者の個別事例に対するリスク評価の可能性を検討した.さらに,ベイジアンネットワーク構成時に用いるデータセットの組合せとして,同年データセットと越年データセットを用意し,問診データと健診データの因果関係をより良く反映しているデータセットの特定を行った.これによって,保健指導上のポイントとなる健康状態と生活習慣の具体的な結びつきの特性がより明確になった.以上の評価を通して,実際の保健指導場面での適切な予測及び判断のための条件やポイントを浮かび上がらせることができた.今後も,これにマッチしたユーザフレンドリーなGUIを強化することで,本研究における特定健診での評価システムのプロトタイプの充実を更に進めてゆきたい.採用ベイジアンネットツールへの対象データの導入がほぼ事前検討での段取り通りに実施できたため.24年度が最終年度であるため、記入しない。現時点まで,科研費申請時に記載した「研究の目的」および「研究計画」に沿ってほぼ実施されてきているので,今後も予定通り研究を遂行してゆく.24年度が最終年度であるため、記入しない。
言語の状況依存性の認知モデルと文脈理解システムの研究

本研究の目的は言語のもつ状況依存性を、認知意味論、認知心理学、自然言語処理という三つの観点から研究を進め、それらの成果を統合して語の多義性、曖昧性を扱うための認知モデルの構築とそれを用いた言語理解システムを作成することである。認知意味論では、第1に品詞論との関係について、動詞、名詞、形容詞の3つの領域で多義発生の原理の記述法を検討し、それぞれの品詞の機能的役割が多義現象にどのように反映されるかを明らかにした。第2に、対象把握と内容把握の2つの水準を措定し、発話の意味付けにおける多義問題を文の水準で明らかにした。認知心理学では、ことばの意味の曖昧性を言語的曖昧性と、言語によって指示される概念の認知的曖昧性を区別し、主に後者について取り上げ、意味の認知的曖昧性がどのような場合に起こるかを実験により同定し、さらに言語理解の中で人がそのような曖昧性を解消する際の認知プロセスモデルを構築した。自然言語処理では、効率的なオンライン連想実験システムを構築し、概念のもつさまざまな特徴を多数収集した。それらの特徴を用いて概念の体系化と距離空間上での表現を実現した。そこでは、名詞(もの概念)に関係する動詞(動作概念)や、状況を表す環境概念の抽出を可能にした。それらの状況や文脈が、語の意味の曖昧性の確定に役立つことを示すため距離空間上のモデルを構築し、上記の認知意味論や認知心理学における研究成果を総合して、文脈理解システムへの見通しを得た。本研究の目的は言語のもつ状況依存性を認知意味論、認知心理学、自然言語処理という三つの観点から研究をすすめ、それらの成果を統合して語の多義性、曖昧性を扱うための認知モデルの構築と、それを用いた文脈理解システムを作成することである。今年度は連想実験システムを整備して、多数の被験者が実験可能なようにキャンパスネットワーク上で稼働可能にした。また、連想実験データの内部修正や改良可能なように、データ修正システムを開発した。さらに、もの概念から動作を連想したり、その動作が生じる環境を連想させることによって文脈情報を収集可能にした。また、状況依存性に基づいて動詞や名詞の意味がどのように変化するかを定量的に調べ、知識モデル化するために、今年度は状況依存性の基礎を連想実験などにより研究し知識としてモデル化するための見通しを得た。多義現象の品詞別モデル化の研究では、基本語の多義性と空間詞の日英比較を行った。多義性問題については、名詞・動詞・形容詞の3品詞を取り上げ、品詞の機能的特質と多義の特性の関係を探った。空間詞の日英語比較については、周辺空間詞(例「そば」、「よこ」、「となり」)に注目し、言語使用の平面で視点と空間詞の選択の関係において、言語間の共通性と相違点を明らかにした。自然言語と画像情報の融合のためには空間指示語の曖昧性の解消が大きな課題である。今年度はこのため、ワークステーション上のモデル空間上で事物をさまざまな要因をコントロールしながらシステマティックに置き、表示できる実験システムを構築した。さらに、この実験システムを基に「前」「後」「左」「右」などの基本的な空間指示語の解釈がどのような文脈でどのように変化するかを調べ、これらの空間指示語の曖昧性の解消のためには従来のように定量的な側面のみでは不十分であり、定性的側面を定量モデルに組み込む必要があるという知見を得た。本研究の目的は、言語の持つ状況依存性を認知意味論、認知心理学、自然言語処理という三つの観点から研究を進め、それらの成果を統合して語の多義性、曖昧性を扱うための認知モデルの構築とそれを用いた文脈理解システムを構築することである。本年度は、連想実験の対象を学習基本語彙のうち類義語を除く全データ約800語に拡大して連想実験を実施した。また、概念間の距離を定量的に扱うことを可能にするために、線形計画法を用いた距離の計算法を開発し有効性を確認した。

状況を考慮した自然言語処理を実現するために、画像と音声を統合した自然言語処理の実現を目指して、顔画像と自然言語処理の統合、マルチモーダル対話のコーパス構築のための検討を行った。空間関係を表す英語の前置詞と日本語の空間表現とを比較した。まず日本語の助詞の機能を考察し、日英語の比較の可能性を探り、助詞と前置詞は日英語の文法体系内でどのように異質な役割を演じているかを研究した。英語の前置詞の多義性をどう定式化するという問題を取り上げ、Lexical Network Modelとコア図式論の比較を行い、コア図式論の有効性を論証した。また、周辺空間詞の言語使用における日英語比較を試みた。今年度はワークステーション上の仮想空間におかれた物体の空間指示表現の曖昧性に関する実験データの質的分析と統計的分析を進めた。空間指示語の曖昧性の原因、使用する情報、処理プロセスのモデル化に必要な基礎情報を得ることができた。また、移動動詞の意味構造について、日本語と英語の母語話が持つ知識、その知識が、第二言語の学習に与える影響についても研究を着手し、データ収集のための実験システムを開発した。本研究の目的は、言語の持つ状況依存性を認知意味論、認知心理学、自然言語処理という三つの観点から研究を進め、それらの成果を統合して語の多義性、曖昧性を扱うための認知モデルの構築とそれを用いた文脈理解システムを構築することである。本年度は、基本名詞語撃彙を刺激語として得られた連想語に基づいて、文脈情報を直接表す連想語や、名詞に対する動作概念の連想語などを対象に、刺激語と連想語の距離を定量的に計算する方式を開発して文脈理解システム構築のための基礎を研究した。また名詞の持つイメージを属性に関する連想語から抽出し、名詞の周りの状況をイメージとして定量化し、自然言語処理へ応用するための基礎データを収集し、システム化の見通しを得た。基本語彙の概念形成に関する言語学的なモデル化を行った。この概念形成モデルの特徴は、基礎レベル仮説に「差異化」「一般化」「典型化」の3つの認知プロセスを組み込むことで、一般名詞の概念形成と抽象(及び集合)名詞の概念形成との関係を明示的に示すと同時に、プロトタイブ(典型概念)の形成に2つの経路があることを示したことである。認知心理学から文脈に基づく意味の曖昧性を捕える研究では、空間指示表現の曖昧性を、方向の基準の取り方に基づく人間の言語使用の仕組みを明らかにした。また、幼児が名詞の持つ意味の曖昧性を捕えて、概念を学習し発達していく機構を、概念のカテゴリー化にするいくつかの原理を用いて説明できることを系統的に示した。
半導体微小ディスクレーザにおける極低しきい値発振と自然放出制御

本研究では昨年度までにGaInAsP/InP半導体微小ディスクレーザを製作・評価し,既に直径2ミクロンの世界最小レーザ,40マイクロアンペアの世界最低しきい値電流を実現している.本年度は本素子の利用法を拡大する技術として,光励起動作,完全単一モード構造,電極集積化の3点について研究を行った.光励起動作については室温パルス発振が他機関より報告されているが,連続動作については特殊な放熱構造を設ける必要があり,またしきい値が高いという問題があった.本研究で最適設計を行い,さらにこれまで培ってきた高精度プロセスを利用して,高精度で放熱構造なしの素子を製作した.その結果,20マイクロワットという従来より1/50程度の極低しきい値での室温連続動作を達成した.この素子を電流注入素子と共に利用すれば,全光制御型集積回路が構成できる可能性があり,本素子の応用範囲が広がった.次に完全単一モードについては,新たにディスクに回折格子を設けたマイクロギア構造を提案した.数値解析の結果,この構造は縦横両モードの他に,従来の回折格子では制御不可能な位相の異なるモードも完全に単一化できることがわかった.試作も行い,効果を確認しつつある.電極集積化については,素子を絶縁樹脂で埋め込み,上部電極を別途形成するプロセスを確立した.これにより,素子の大規模集積化が可能になった.以上の研究から,ディスクレーザの極限動作に近づき,その幅広い応用の可能性を実証するという本研究の目的は達成されたものと考える.本研究では昨年度までにGaInAsP/InP半導体微小ディスクレーザを製作・評価し,既に直径2ミクロンの世界最小レーザ,40マイクロアンペアの世界最低しきい値電流を実現している.本年度は本素子の利用法を拡大する技術として,光励起動作,完全単一モード構造,電極集積化の3点について研究を行った.光励起動作については室温パルス発振が他機関より報告されているが,連続動作については特殊な放熱構造を設ける必要があり,またしきい値が高いという問題があった.本研究で最適設計を行い,さらにこれまで培ってきた高精度プロセスを利用して,高精度で放熱構造なしの素子を製作した.その結果,20マイクロワットという従来より1/50程度の極低しきい値での室温連続動作を達成した.この素子を電流注入素子と共に利用すれば,全光制御型集積回路が構成できる可能性があり,本素子の応用範囲が広がった.次に完全単一モードについては,新たにディスクに回折格子を設けたマイクロギア構造を提案した.数値解析の結果,この構造は縦横両モードの他に,従来の回折格子では制御不可能な位相の異なるモードも完全に単一化できることがわかった.試作も行い,効果を確認しつつある.電極集積化については,素子を絶縁樹脂で埋め込み,上部電極を別途形成するプロセスを確立した.これにより,素子の大規模集積化が可能になった.以上の研究から,ディスクレーザの極限動作に近づき,その幅広い応用の可能性を実証するという本研究の目的は達成されたものと考える.半導体微小ディスクレーザは,半導体と空気の境界面での全反射により強い光閉じこめ,高い共振器Q値を実現し,低しきい値電流注入にて発振を起こす.本研究代表者は本研究開始以前に1)世界最小レーザとなるディスク直径2μmの素子の実現,2)ディスクレーザでは世界初となる電流注入による室温連続動作,3)光通信波長帯レーザでは世界最低しきい値となる150μAでの発振,という3つの成果をあげていた.本研究ではさらに極限性能をねらうべく,まずこのレーザの詳しい理論解析を行った.このレーザはキャリア拡散によって光利得が発生し,周回モードで発振を起こすことが大きな特徴となっているが,これらを考慮した解析はこれまで行われていなかった.時間領域有限差分法とキャリア拡散を含むレート方程式を組み合わせた解析を行った結果,極限しきい値電流は約10μAであることがわかった.また実験では半導体加工精度の向上を図った.その結果,10°C以下の近室温ではあるが,連続動作しきい値50μAが得られた.また,このとき自然放出制御の割合を表す自然放出光係数は0.03と初めて測定された.この値は光励起で動作する素子に対して概算されてきた0.2という値に比べて低く,電流注入素子のキャリア拡散がこの効果を制限していることが示唆された.次にこの本研究では,このレーザからの光取り出し法を検討した.そしてレーザと類似の扇形ディスクを近接配置させれば,エバネセント結合により光がこのディスクに乗り移り,扇の端部から光を放射できることを思いついた.この効果を時間領域有限差分法で理論解析したところ,普通のレーザと同等の70%という高い効率にて光を取り出せることが判明した.さらにこれを実現するためのレーザと扇形ディスクの間の間隔0.3μmが可能なことを実験で確認した.次年度はこの光取り出し技術の確立を目指す.半導体微小ディスクレーザは,二つの支柱が半導体円形ディスク活性層を支える単純な共振器により,超微小共振器,超低しきい値が可能な素子である.本研究では,研究代表者がこれまで実現してきたGaInAsP半導体デバイスにおける世界最小共振器(直径2ミクロン),世界最低しきい値電流(150マイクロアンペア)の記録を更新し,理論的に予測される自然放出制御の効果を観測することを目的とした.そのため,まず従来のメタン系ドライエッチングを用いた素子加工プロセスから塩素系誘導結合プラズマエッチングを用いたプロセスへと変更した.