hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
一分子直接観察による好熱菌由来ATP合成酵素FOF1反応機構解明

ATP1分子の合成に使われるH^+の数とその自由エネルギー変化量好熱菌由来F_0F_1(TF_0F_1)のATP合成活性測定系を改良し、より定量的なATP合成活性測定を可能にした。具体的には、TF_0F_1を再構成させる人工膜小胞を構成する脂質組成を変更する事で更なるTF_0F_1のATP合成活性向上を図った。これまでに使用してきた大豆由来の脂質にアミン基を持つ脂質をわずかに添加した条件において、ATP合成活性がこれまでの値(20s^<-1>)より2倍近くの35s^<-1>まで上昇する事が分かった。この実験系を利用し、1つのATP合成反応に必要となるH^+の数と自由エネルギー変化量を調べた。ここでΔG^<0,>は標準状態における自由エネルギー変化量、nは1つのATP合成反応に必要となるH^+の数である。TF_0F_1のH^+の移動とATP合成、加水分解が釣り合う時、ΔG=0となる事から、様々な条件でこれらの釣り合うエネルギー(H^+駆動力:pmf)を求めればΔG^<0,>とnが求まる。そこで、[ATP]=0.5-2μM,[ADP]=20-640μM,[Pi]=0.1-10mMの範囲内で、ΔpHとΔΨを制御し、それぞれの釣り合うpmfを調べた。その結果、1つのATPを合成するために必要なH^+の数は3.3±0.4,自由エネルギー変化量は38.7±4kJ/molと求まった。須微鏡下での回転運動一分子直接観察我々がこれまでに調製した巨大人工膜小胞(GUV)には脂質の凝集体が付着していた。この凝集体は、GUVからのイオン等の漏れの原因となり、pmfの制御が困難であった。そこで、この脂質凝集体を排除する電気形成法と呼ばれる新たなGUV調製方法を試みた。この方法では、GUVの大きさがこれまでの手法より小さくなる傾向を持つが、形成したほとんどのGUVには脂質凝集体が確認されなかった。今後、この手法により形成したGUVを用いてH^+駆動の回転運動の観察を試みる。好熱菌由来F_0F_1のH^+駆動回転観察を行える最適条件が生化学実験より導けた一方、顕微鏡下における新規実験系構築が現時点で中途半端の段階であるため。これまで用いていたGUVの問題点であった脂質の凝集体を含まないGUV調製法を開発した。まずは、ATP加水分解駆動の回転運動の観察を行う。回転中にATP加水分解を抑える向きの電気パルスを与えた時のビーズの挙動を調べていく。電圧パルスに応じたビーズの挙動の変化が確認出来た後、電気パルスの振幅を上昇させていき、ATP加水分解反応時の回転運動(反時計方向)からATP合成反応時の回転運動(時計方向)へ移行する様子を観察していく。生化学実験によるATP合成活性測定好熱菌由来F_0F_1(TF_0F_1)の溶液中における見かけ上のATP合成活性が極めて低かったため(<0.5ATP/s)、顕微鏡下での一分子直接観察を試みる前に、TF_0F_1のATP合成活性向上を目指した再構成膜小胞(リポソーム)への再構成法の最適化を行い、ATP合成反応特性・駆動力依存性を調べた。生化学実験では、リポソーム外の溶液を瞬時に変える方法とK^+濃度勾配に従ったリポソームへのK^+流入により、ATP合成反応駆動力のH^+濃度勾配ΔpHと膜電位ΔΨを形成した。ΔΨ値はリポソーム内外のK^+濃度比から算出した。まず、大腸菌で発現、精製したTF_0F_1は凝集する性質を持っていたため、脂質と過剰量の界面活性剤存在下でTF_0F_1を単分散させた。界面活性剤の除去により形成したTF_0F_1-リポソームは室温でATP合成反応特性の決定に十分なATP合成活性(20ATP/s)を示し、高い再現性も得られた。ATP合成反応基質ADPとPiのK_mを調べたところそれぞれ13μM、550μMであった。しかし、ATP合成反応駆動力依存性を調べるにあたり、脂質に大量のK^+が混入しており、溶液中のK^+濃度の制御を行えず厳密なΔΨの制御を妨げる事が分かった。よって、混入しているK^+の除去を行い厳密なΔΨ制御を可能にしたところ、過去のリポソームを用いたATP合成反応の報告では確認されてこなかったΔΨのみによるATP合成反応駆動(ΔpH無し)に成功した。また、ΔΨとΔpHがATP合成活性に同等に寄与する事も明らかにした。顕微鏡下での回転運動一分子直接観察巨大リポソームを用いたATP合成反応時の一分子回転運動直接観察を目指している。現在、実験系を組み上げたが、電圧パルス印加により巨大リポソーム上に小さいリポソームが形成するなどの問題点の解決に取り組んでいる。

これまでに使用してきた大豆由来の脂質にアミン基を持つ脂質をわずかに添加した条件において、ATP合成活性がこれまでの値(20s^<-1>)より2倍近くの35s^<-1>まで上昇する事が分かった。この実験系を利用し、1つのATP合成反応に必要となるH^+の数と自由エネルギー変化量を調べた。ここでΔG^<0,>は標準状態における自由エネルギー変化量、nは1つのATP合成反応に必要となるH^+の数である。TF_0F_1のH^+の移動とATP合成、加水分解が釣り合う時、ΔG=0となる事から、様々な条件でこれらの釣り合うエネルギー(H^+駆動力:pmf)を求めればΔG^<0,>とnが求まる。そこで、[ATP]=0.5-2μM,[ADP]=20-640μM,[Pi]=0.1-10mMの範囲内で、ΔpHとΔΨを制御し、それぞれの釣り合うpmfを調べた。その結果、1つのATPを合成するために必要なH^+の数は3.3±0.4,自由エネルギー変化量は38.7±4kJ/molと求まった。須微鏡下での回転運動一分子直接観察我々がこれまでに調製した巨大人工膜小胞(GUV)には脂質の凝集体が付着していた。この凝集体は、GUVからのイオン等の漏れの原因となり、pmfの制御が困難であった。そこで、この脂質凝集体を排除する電気形成法と呼ばれる新たなGUV調製方法を試みた。この方法では、GUVの大きさがこれまでの手法より小さくなる傾向を持つが、形成したほとんどのGUVには脂質凝集体が確認されなかった。今後、この手法により形成したGUVを用いてH^+駆動の回転運動の観察を試みる。TF_0F_1のATP合成反応の最適条件を生化学実験で突き止めた。また、回転運動一分子観察実験系(光学系、ガラス修飾、温度調節ユニットなど)も一通り開発し、回転運動一分子直接観察を試みている。解決すべき問題点が残るが、おおむね順調である。好熱菌由来F_0F_1のH^+駆動回転観察を行える最適条件が生化学実験より導けた一方、顕微鏡下における新規実験系構築が現時点で中途半端の段階であるため。ΔΨのみでATP合成反応駆動を行えるという生化学実験の知見を基に研究を進めていく。具体的には、電圧パルス印加により形成したΔΨによるATP加水分解反応から合成反応に移行する際の可逆的な回転運動観察を試みる。まずATP加水分解反応時の回転運動観察中にATP合成反応を促す方向に電圧パルス印加によるΔψを形成し、加水分解反応回転速度が低下していく様子を確認していく。徐々に電圧パルス振幅を増加させていきATP加水分解反応時の回転運動(反時計方向)からATP合成反応時の回転運動(時計方向)へ移行する様子を観察していく。これまで用いていたGUVの問題点であった脂質の凝集体を含まないGUV調製法を開発した。まずは、ATP加水分解駆動の回転運動の観察を行う。回転中にATP加水分解を抑える向きの電気パルスを与えた時のビーズの挙動を調べていく。電圧パルスに応じたビーズの挙動の変化が確認出来た後、電気パルスの振幅を上昇させていき、ATP加水分解反応時の回転運動(反時計方向)からATP合成反応時の回転運動(時計方向)へ移行する様子を観察していく。
緊急通報伝達の確度向上に関する研究

災害発生時における警告,要救助通報,救難指令,避難指令の伝達は,時々刻々の変化の激しい状況下で,心理的にも極めて不安定な,不特定多数の当時者間で行わねばならないので,情報の伝達には,簡潔な表現と方式を考えて,伝達の確度向上を計る事が必要である.本研究は電話通報による要救助者の位置確認とそれに伴う救助指令または避難経路指示を地図データ・ベースを利用して簡潔な略図を作成し,画像で表現された指令として伝達し,救助活動,避難行動などの敏速化と正確化を計ることを目的として次の研究を行った.1.緊急通報の内容から位置確認に必要な情報をとりだし,要救助地点の確定を行うアルゴリズムの開発をおこなった.具体的事例として, JAL-123号機墜落地点発見までの記録を辿り,目撃者通報の言語情報をfuzzy numberで表現し,複数の情報を組み合わせることによって,実際の発見時より,かなり早期に位置確認できる可能性を見いだした.2.地図データ・ベースは現在,入手可能なものはすくないので,市販の地図を画像入力し,画像処理によって道路部分を抽出し,さらに複数の部分地図から,必要部分の合成道路地図をディスプレイするアルゴリズムを開発した.3.地図上で与えられた2地点間を結ぶ経路の中で,分かり易さを考慮した最適経路を算出するアルゴリズムを開発し,簡単な例について実行し,結果を略図として表すことに成功した.今後は,交通ネット・ワークの使用,略図にしたがった音声による説明機能を開発する.災害発生時における警告,要救助通報,救難指令,避難指令の伝達は,時々刻々の変化の激しい状況下で,心理的にも極めて不安定な,不特定多数の当時者間で行わねばならないので,情報の伝達には,簡潔な表現と方式を考えて,伝達の確度向上を計る事が必要である.本研究は電話通報による要救助者の位置確認とそれに伴う救助指令または避難経路指示を地図データ・ベースを利用して簡潔な略図を作成し,画像で表現された指令として伝達し,救助活動,避難行動などの敏速化と正確化を計ることを目的として次の研究を行った.1.緊急通報の内容から位置確認に必要な情報をとりだし,要救助地点の確定を行うアルゴリズムの開発をおこなった.具体的事例として, JAL-123号機墜落地点発見までの記録を辿り,目撃者通報の言語情報をfuzzy numberで表現し,複数の情報を組み合わせることによって,実際の発見時より,かなり早期に位置確認できる可能性を見いだした.2.地図データ・ベースは現在,入手可能なものはすくないので,市販の地図を画像入力し,画像処理によって道路部分を抽出し,さらに複数の部分地図から,必要部分の合成道路地図をディスプレイするアルゴリズムを開発した.3.地図上で与えられた2地点間を結ぶ経路の中で,分かり易さを考慮した最適経路を算出するアルゴリズムを開発し,簡単な例について実行し,結果を略図として表すことに成功した.今後は,交通ネット・ワークの使用,略図にしたがった音声による説明機能を開発する.
鋼部材のリユースに対応した地震応答低減機能を有する床構造システ厶の開発

本研究は,鋼構造骨組の床スラブと梁の問に粘弾性体を挿入することで,骨組の地震応答を低減する機能を付与した新たな床構造の開発を目的としている。提案する床構造を適用した1層骨組の数値解析と振動台実験によって,基本的な地震応答性状を確認した。その結果,骨組の地震応答低減には粘弾性体の形状係数を小さくした方がよいが,床と骨組のクリアランスが過大となるため適切な形状係数を選択する必要があるなど,地震応答低減に及ぼす種々のパラメータの影響を明らかにした。本研究は,床スラブと梁の間に粘弾性体を挿入することによって,骨組の地震応答を低減させることを意図した新たな床構造システムを提案するものである.当該年度では,1層鋼構造骨組を対象とし,1.エネルギーの釣合に基づく地震応答の予測方法を提案すること,ならびに2.床組の面内変形を無視した場合と考慮した場合の地震応答を比較・考察することを目的としている.まず,上記1.については,床構造システムと骨組を別々の質点系に分解した解析モデルを構築し,それぞれの系において減衰によって消散されるエネルギーと弾性歪エネルギーの比率を既往の研究に基づいて与えた上で,減衰によって消散されるエネルギーの総和と擬似速度応答スペクトルから推定される地震入力エネルギーを等置することによって,骨組や粘弾性体の最大応答を算出する方法を提案した.提案した予測方法に基づく計算結果と時刻歴応答解析結果を比較した結果,骨組が弾性範囲であれば両者は良い対応を示しているが,骨組が塑性化すると両者の差が大きくなることがわかった.この原因としては,提案した予測法において骨組と粘弾性体の変形の比を弾性1次モードで与えていること,塑性化後に最大振幅を正負2回履歴すると仮定していることが該当する.次に,上記2.については,床組の面内変形を考慮した解析モデルを既往の知見に基づいて構築し,各構面の層せん断剛性の比率・各構面の粘弾性体の貼付面積の比率・粘弾性体の形状係数などの広範なパラメータに対する時刻歴応答解析を実施した.その結果,各構面の層せん断剛性の差が大きくなるに伴って,層せん断剛性が大きな構面の最大層間変形が減少し,粘弾性体の最大せん断変形が増加すること,また,各構面の粘弾性体の貼付面積の差が大きくなるに伴って,粘弾性体の貼付面積の大きい構面の最大層間変形が増加し,粘弾性体の最大せん断変形が減少することが明らかになった.本研究は,2枚の鋼板の間に粘弾性体を接着し,これを床スラブと梁の間に挿入することで,鋼構造骨組に用いられる従来のRC床スラブの施工性を確保しつつ,鋼部材のリユースに対応し,さらには骨組の地震応答を低減する機能を併せ持った新たな床構造を研究・開発することを目的としている。これまでに,1層鋼構造骨組を対象とした時刻歴応答解析から,以下の2つの知見を得ている。[1]粘弾性体のエネルギー消費を利用して骨組の最大ベースシヤー係数を低減でき,粘弾性体の形状係数が小さいほどその低減効果は大きいが,粘弾性体のせん断変形が過大となる場合がある。[2]各構面の層せん断剛性の差が大きくなるに伴って,層せん断剛性の大きい構面における最大層間変位が減少し,粘弾性体の最大せん断変形は増加する。本年度の研究では,この床構造を適用した1層鋼構造骨組の振動台実験を通じて,既往の解析的検討で得られた知見の妥当性を確認する。実験では,3つの構面で構成される1/5程度の骨組に対して,構面方向の地震入力に対する弾性範囲の応答を確認する。実験パラメタは,粘弾性体の形状係数・床組の面内剛性・各構面の層せん断剛性や粘弾性体の貼付面積の比率である。粘弾性体の変形を拘束した場合の実験結果から,骨組の振動特性を同定し,これらの特性を利用して時刻歴応答解析を行った。その結果,時刻歴応答解析結果と振動台実験結果は概ね良い対応を示しており,上述した[1],[2]の解析的知見と同様の知見を確認することができた。以上の検討より,本年度の研究実績を以下にまとめる。・粘弾性体の形状係数が小さいほど,骨組の最大ベースシヤー係数が減少するが,一方で粘弾性体の最大せん断変形が増大する。・構面の層せん断剛性の差が大きくなるに伴って層せん断剛性の大きい構面における最大層間変位が減少し,粘弾性体の最大せん断変形が増加する。本研究は,2枚の鋼板の間に粘弾性体を接着し,これを床スラブと梁の間に挿入することで,鋼構造骨組に用いられる従来のRC床スラブの施工性を確保しつつ,鋼部材のリユースに対応し,さらには骨組の地震応答を低減する機能を併せ持った新たな床構造を研究・開発することを目的としている。

平成24年度の研究では,この床構造を適用した1層鋼構造骨組の振動台実験を実施した。試験体は,3つの構面で構成される1/5程度の骨組であり,実験パラメタは,骨組の塑性化の有無・粘弾性体の形状係数・床組の面内剛性・各構面の層せん断剛性や粘弾性体の貼付面積の比率などである。振動台実験の結果,平成23年度までに実施した骨組が弾性範囲を保つ場合の研究成果と同様に,粘弾性体の形状係数が小さいほど骨組の最大ベースシヤー係数が減少するが,一方で粘弾性体の最大せん断変形が増大することが確認できた。また,骨組の塑性化によって,粘弾性体のせん断変形による消費エネルギーが減少することも確認した。他方,粘弾性のせん断変形に対するクリアランスが小さい場合には,床と梁が衝突して一時的に極めて大きな加速度が作用すること,粘弾性体に床スラブの鉛直荷重を支持させると応答低減効果が十分に得られないことが振動台実験によって明らかになり,今後詳細な検討を要することを明らかにした。さらに,粘弾性体の変形を拘束した場合の実験結果から骨組の振動特性を同定し,これらの特性を利用して上記の実験パラメタと対応する時刻歴応答解析を行った。その結果,時刻歴応答解析結果と振動台実験結果は概ね良い対応を示しており,上述した実験的知見と同様の知見を確認することができた。平成23年度の交付申請書に記載した1層鋼構造骨組の振動台実験を行い,「9.研究実績の概要」で述べた知見を得ることができた。その結果,これまでの解析的手法の妥当性やそれを用いて得られた知見の妥当性を立証することができた。24年度が最終年度であるため、記入しない。これまでの検討では,対象を1層弾性骨組とし,1方向の地震入力に対する応答に限定して議論を進めてきた。今後は,これらの制約条件を1つずつ取り除き,より一般的な骨組について多次元的な入力に対する応答を数値解析と振動台実験を通じて明らかにする予定である。また,超大地震に対して粘弾性体の変形が過大となる場合の地震応答を確認し,最終的には,提案した床構造を適用する場合の応答予測法の構築をめざす。
抗IAP抗体スクリーニングアレイを用いた癌診断法の実用化

分子生物学の進歩に伴い,癌で発現が亢進あるいは低下し,浸潤・転移能の増強や治療抵抗性と密接に関与する分子群が,報告されるようになった。今回我々は,抗Survivin,抗Livinおよび抗XIAP自己抗体に着目し,自動分析機器に搭載可能な検出系を開発した。本検出系を用い,大腸癌や前癌病変である大腸ポリープにおける陽性率を,既存の腫瘍マーカーと比較検討した。いまだ途中経過であるが,大腸癌における抗Livin自己抗体の陽性率は2. 4%と低かった。また,比較対照とした既存の腫瘍マーカーであるCEA, CA19-9や抗p53自己抗体のそれは,それぞれ39. 8%, 21. 6%, 25. 0%であった。一方,抗Survivinと抗XIAP自己抗体に関しては,それぞれ37. 5%, 36. 3%と高く, CEAなど他の腫瘍マーカーと比べ,早期癌のみならず大腸ポリープの検出能が有意に優れていた。癌や造血器悪性腫瘍細胞では、IAP(inhibitor of apoptosis protein)ファミリーの発現が著しく高まっている。本研究ではこの点に着目し、血中抗IAPファミリー自己抗体の検出による、簡便かつ新たな癌診断法の開発と実用化を目指している。本年度はまず、各種癌患者の血清を用い、抗IAP(Survivin, Livin, XIAP)自己抗体の陽性率を、既存の腫瘍マーカーや抗p53自己抗体のそれと比較検討した。その結果、抗Survivin自己抗体の陽性率は抗Livin、抗XIAP自己抗体のそれよりも明らかに高く、既存の腫瘍マーカーや抗p53自己抗体と比べても優位であった。そこで、この点を明らかにするため、発生母地のほとんどがポリープであり、前癌病変の設定が容易な大腸癌に着目し、大規模比較試験を企画した。そのため、試料バンクの作製に着手し、現時点で大腸癌150例以上、大腸ポリープ250例以上を収集し得た。また、本比較試験を行うために必要な、IAPファミリー3者のリコンビナント蛋白の作製も終了した。今後、更なる試料の収集に努めるとともに、抗IAP自己抗体や既存の腫瘍マーカーおよび抗p53自己抗体の測定を実施し、最適なスクリーニング方法を結論づける。昨年度、各種癌患者の血清を用い、抗IAP(Survivin,Livin,XIAP)自己抗体の陽性率を、既存の腫瘍マーカーや抗p53自己抗体のそれと比較検討した。その結果、抗Survivin自己抗体の陽性率が他に比べ高いことを見い出した。現在、試料バンクの作製に着手し、最終的に大腸癌250例以上、大腸ポリープ300例以上の収集が可能となった。また、IAPファミリー3者の自己抗体測定における精度と処理能向上のため、自動分析機器への搭載条件の設定も終了した。さらに、ELISA系に影響を及ぼすヒト抗マウス抗体(HAMA)の出現頻度についても、解析を終えた。今後、抗IAP自己抗体や既存の腫瘍マーカーおよび抗p53自己抗体の測定を続け、臨床背景との関係も含め解析することで、最適なスクリーニング方法を結論づける。癌の血清学的診断に、各種腫瘍マーカーが汎用されている。しかし、感度および特異度の面で未だ満足すべき結果が得られていない。また、遺伝子診断法については感度は高いものの、検体採取上の問題から対象が限定される、検査コストが高く一般化しにくいなどの問題点がある。一方、癌や造血器悪性腫瘍細胞では、IAP(inhibitor of apoptosis protein)ファミリーの発現が著しく高まっている。本研究では、この点に着目し、血中抗工APファミリー自己抗体の検出による、簡便かつ新たな癌診断法の開発と実用化を目指している。これまで、各種癌患者の血清を用い、抗IAP自己抗体の中でも抗Survivin自己抗体の陽性率が他に比べ高いことを見い出してきた。昨年度はそれらの知見に基づき、前癌病変の設定が容易な大腸癌に着目し、大規模比較試験を企画した。

また、同時に、測定精度と処理能向上のため自動分析機器への搭載条件の設定も行った。大腸癌や大腸ポリープなど各種大腸疾患患者の試料は、順調に収集されている。現在、解析を進めているが、大腸癌における抗Livin自己抗体の陽性率は2.4%と低かった。また、比較対照としたCEA、CA19-9、抗p53自己抗体のそれは、それぞれ39.8%、21.6%、25.0%であった。一方、抗Survivinと抗XIAP自己抗体に関しては、それぞれ37.5%、36.3%と高く、特にCEAと比べ早期癌の検出率が有意に優れていた。症例数は増加中であり、臨床背景との関係や組み合わせ効果をさらに詳細に調べることで、新たな腫瘍マーカーとしての本法の有用性が実証可能となっている。
デジタルPCR法による好酸球増多症候群の診断のマルチバイオマーカーの開発

本研究はPCRアレイ法と次世代デジタルPCR法を組み合わせて診断が困難な好酸球増多症を早期に診断するためのシステムを開発することを目標とし、次の2段階のステップよりなる。1.診断マルチバイオマーカー候補遺伝子のスクリーニング:原因がさまざまな好酸球増多症の患者の末梢血由来単核球保存検体から合計数百に及ぶ遺伝子発現データはPCRアレイ法により既に得られている。その遺伝子発現解析データを基にした疾患関連因子のプロファイリングより、多変量解析とバイオインフォマティクスを用いて診断に有用なマルチバイオマーカーを探索する。2.デジタルPCR法により再現性を検証:得られた複数のバイオマーカー候補遺伝子発現量をより正確なデジタルPCR法で測定することにより、結果の再現性を検証し、診断に有用な遺伝子の組み合わせを導き出す。段階1では4種類のPCRアレイデータに共通して発現量が安定していると考えられる5つの内部標準遺伝子の中から、既知の統計学的手法により最も発現が安定している遺伝子を1つ選択した。その遺伝子で他のすべての遺伝子発現量を標準化した後、複数の多変量解析方法で症例の比較を行ったところ、腫瘍性(造血器と非造血器)や炎症性疾患などの原因に応じて好酸球増多症患者は明確に区別された。すなわちこの多数の遺伝子群の中には少なくとも腫瘍性か非腫瘍性好酸球増加症かを区別するための複数のバイオマーカー候補分子が確実に存在する。それどころか数個の分子に着目する従来の細胞実験や動物実験と異なり、本研究のように網羅的解析に近づく数百オーダーの遺伝子発現データに対し多変量解析を施すと、驚くべきことに多数の遺伝子群が連動してそれぞれの遺伝子発現プロファイリングの違いを形成していることが示される。本研究により生体内では多数の遺伝子がダイナミックに連関して変動していることが実証された。本研究ではその一方、伝統的な内部標準遺伝子による標準化法では常識から外れた結果も生じ得ることがわかった。その原因は腫瘍性疾患の群では非腫瘍性群に比べ遺伝子全体の発現量が増幅していることに由来する。近年海外の複数の研究グループも腫瘍性疾患ではc-myc高発現等により遺伝子の発現量が増幅していることを報告しており、もしも内部標準遺伝子(これも腫瘍では増幅する)で標準化すると腫瘍と非腫瘍性疾患のデータにひずみが生じ誤った解釈につながる問題が指摘されている。本研究の結果はまさしくこの現象が細胞実験や動物実験のみならず臨床研究にも見られることを示している。本研究はまだ臨床研究分野では十分に認知されていない従来の遺伝子標準化方法による問題を世界に向けて警鐘を鳴らす役割を担うと思われる。このような慣習的に行われてきた不適切なデータ前処理の問題はその後のデータ解析の結果の解釈を著しく歪めることに繋がるため、その対応策として他の研究者が考案したマイクロアレイ解析に開発された新規の標準化方法を本研究用に適合するよう改良し応用することを試みている。本研究の成果は今後の網羅的遺伝子発現解析の踏み台にもなることが想定される。現在はデータ解析結果の検証を再度試みている。また、最初の研究計画で予定した段階2のデジタルPCR法での検証実験に対しては、実験技術の向上を目指した予備実験を行った。最初の研究計画では疾患関連性遺伝子発現プロファイリングの病態分類と予測に対しては主に統計学的手法・多変量解析を行う予定であったが、今後はさらにバイオインフォインフォマティクスを適用し4種類のPCRアレイ法の結果を統合した解釈を加えることが有用と考える。バイオインフォインフォマティクスは統計的な解析結果に生物学的な知見を加えることにより診断的有用性が高い遺伝子を吟味し開発前段階で効率的に絞り込む効果が期待できる。これによりデジタルPCR法による検証実験の簡潔化と加速化を図る予定である。平成29年度には、さまざまな原因による好酸球増多症の複数患者の末梢血由来単核球保存検体に対して行った4種類のPCRアレイから得られた合計数百に及ぶ遺伝子発現データの中から、今後の遺伝子発現量解析に不可欠な内部標準遺伝子を統計学的手法により選出した。この内部標準遺伝子を用いて適切に基準化した遺伝子発現データをもとに複数の多変量解析を試みたところ、複数の解析方法で腫瘍性(造血器と非造血器)や炎症性疾患などの原因に応じて好酸球増多症患者が明確に区別されることをわかった。このことは、既に行ったPCRアレイに含まれる多数の遺伝子の中には好酸球増加症の原因を区別するための複数のバイオマーカー候補分子が存在する可能性を示唆している。続いてこの表現型の違いを反映した遺伝子発現プロファイリングに対し、生物学的意義を探索するための有効な方法を生物統計学者とともに検討した。統計学的解析と平行し、デジタルPCRにより発現量を解析するための準備として、内部標準遺伝子と少数の遺伝子発現量の測定を異なる条件下で繰り返し行った。これによりデジタルPCRで内部標準遺伝子とターゲット遺伝子の発現量測定を行うための適切な条件を確認することができ、安定した計量技術を確立することに成功した。上述のようにPCRアレイデータの中には好酸球増加症の診断に有用な遺伝子の存在は確認されたものの、発現量の違いをもとに好酸球増加症を区別するためには異なる生物学的意義を持つ複数の遺伝子を組み合わせて多角的に評価する必要性がある。そのため文献検索や学会講演での知見をもとに、アレイに含まれていない遺伝子も視野に広げて幅広い生物学領域から腫瘍性・反応性機序に関連性が期待されるバイオマーカー候補遺伝子も選出した。研究計画書に記した平成29年度の計画をほぼ計画通りに進めている。

多変量解析を用いたPCRアレイデータによる好酸球増多症の遺伝子発現プロファイリングは順調に進行しており、デジタルPCR法を用いた実験もおおむね順調に進展している。本研究はPCRアレイ法と次世代デジタルPCR法を組み合わせて診断が困難な好酸球増多症を早期に診断するためのシステムを開発することを目標とし、次の2段階のステップよりなる。1.診断マルチバイオマーカー候補遺伝子のスクリーニング:原因がさまざまな好酸球増多症の患者の末梢血由来単核球保存検体から合計数百に及ぶ遺伝子発現データはPCRアレイ法により既に得られている。その遺伝子発現解析データを基にした疾患関連因子のプロファイリングより、多変量解析とバイオインフォマティクスを用いて診断に有用なマルチバイオマーカーを探索する。2.デジタルPCR法により再現性を検証:得られた複数のバイオマーカー候補遺伝子発現量をより正確なデジタルPCR法で測定することにより、結果の再現性を検証し、診断に有用な遺伝子の組み合わせを導き出す。段階1では4種類のPCRアレイデータに共通して発現量が安定していると考えられる5つの内部標準遺伝子の中から、既知の統計学的手法により最も発現が安定している遺伝子を1つ選択した。その遺伝子で他のすべての遺伝子発現量を標準化した後、複数の多変量解析方法で症例の比較を行ったところ、腫瘍性(造血器と非造血器)や炎症性疾患などの原因に応じて好酸球増多症患者は明確に区別された。すなわちこの多数の遺伝子群の中には少なくとも腫瘍性か非腫瘍性好酸球増加症かを区別するための複数のバイオマーカー候補分子が確実に存在する。それどころか数個の分子に着目する従来の細胞実験や動物実験と異なり、本研究のように網羅的解析に近づく数百オーダーの遺伝子発現データに対し多変量解析を施すと、驚くべきことに多数の遺伝子群が連動してそれぞれの遺伝子発現プロファイリングの違いを形成していることが示される。本研究により生体内では多数の遺伝子がダイナミックに連関して変動していることが実証された。本研究ではその一方、伝統的な内部標準遺伝子による標準化法では常識から外れた結果も生じ得ることがわかった。その原因は腫瘍性疾患の群では非腫瘍性群に比べ遺伝子全体の発現量が増幅していることに由来する。近年海外の複数の研究グループも腫瘍性疾患ではc-myc高発現等により遺伝子の発現量が増幅していることを報告しており、もしも内部標準遺伝子(これも腫瘍では増幅する)で標準化すると腫瘍と非腫瘍性疾患のデータにひずみが生じ誤った解釈につながる問題が指摘されている。本研究の結果はまさしくこの現象が細胞実験や動物実験のみならず臨床研究にも見られることを示している。本研究はまだ臨床研究分野では十分に認知されていない従来の遺伝子標準化方法による問題を世界に向けて警鐘を鳴らす役割を担うと思われる。このような慣習的に行われてきた不適切なデータ前処理の問題はその後のデータ解析の結果の解釈を著しく歪めることに繋がるため、その対応策として他の研究者が考案したマイクロアレイ解析に開発された新規の標準化方法を本研究用に適合するよう改良し応用することを試みている。
胚着床の時間的・空間的な遺伝子発現プロファイルの完成

平成18年度の研究では、反間膜側と間膜側の遺伝子発現について、自己と非自己の認識に関与すると思われる分子群、また数々の転写調節因子の発現に大きな違いが認められた。着床現象は、妊娠4日目(膣栓確認日を妊娠1日)の正午付近で起こる一過性のエストロジェンの上昇(呼応して起こる白血病阻止因子の作用)により開始され、子宮の劇的な構造変化を伴う。今回の採材は、このエストロジェンの上昇に先立って行なわれたため、間膜側、反間膜側子宮上皮の双方で形態学的な変化は認められていない。にもかかわらず、分子のレベルではいくつかのものが20倍を越える発現の違いを示していた。平成19年度には、これら分子群に着目し、反間膜側と間膜側におけるタンパク質の発現の違いを検討した。本分子群に対応するリコンビナントクンパク質を作製し、抗体を作製した。抗体を用いた免疫組織化学およびウェスタンプロットにより発現解析を行った。結果、十分な抗体価が得られたにも関わらず、反間膜側と間膜側との間で発現量に有意な差は認められなかった。このことは、検討した分子群の転写レベルと翻訳レベルでの発現量には相関性がないことを示しており、特殊な制御機構が存在する可能性が示唆された。この制御機構には、マイクロRNAが介在している可能性が考えられ、網羅的なマイクロRNAの発現パターンについて解析を行う必要性そして遺伝子の転写および翻訳との相関性について検討する必要があることが明らかとなった。動物種を問わず、自発性・習慣性流産の95%以上は着床期に起こる。これら流産を抜本的に解決することは、動物食資源の確保、動物種の保存にとって非常に重要なことであり、解決のためには着床の分子機構の全貌を明らかにすることが必須である。しかし、これまで胚の着床を制御している分子機構については断片的な知見しかなく、流産回避の見込みも立っていない。胚の着床現象は、胚の子宮内の位置取り、子宮内膜への接着、母体の組織変化が相互に絡み合った非常に複雑な現象である。本研究では、マウス胚の着床現象を(1)胚が子宮表面に接着してから開始される母体の脱落膜化(2)胚が子宮内で等間隔に配列する事象(3)胚が反間膜側にのみ着床する事象の三つに分けたうちの(3)についてマイクロアレイ法を用いて網羅的な遺伝子解析を行った。反間膜側および間膜側上皮を分離し、着床期における両者の遺伝子発現の違いを検討した。結果、自己と非自己の認識に関与すると思われる分子群、また数々の転写調節因子の発現に大きな違いが認められた。着床現象は、妊娠4日目(膣栓確認目を妊娠1日)の正午付近で起こる一過性のエストロジェンの上昇(呼応して起こる白血病阻止因子の作用)により開始され、子宮の劇的な構造変化を伴う。にもかかわらず、分子のレベルではいくつかのものが20倍を越える発現の違いを示しており、着床の開始に先立って胚の着床部位は決定されている可能性が示唆されるとともに、今回検出された分子群の操作により着床現象を操作できる可能性が期待される。
環境ストレスによる光合成炭素代謝の制御機構

植物は限られた栄養源と様々な環境ストレス下で、光合成している。主にC_3,C_4植物を用い、環境条件として大気中より高いO_2またはCO_2濃度、光強度、低温、栄養源はNとPの欠乏を取り上げ、葉緑体の炭素代謝機能のみならず蔗糖合成や光呼吸経路など他の細胞器官との関連、葉の老化やSOURCE-SINK関係、気孔による調節にも注目した。高O_2下では活性酸素防御系のグルタチオンレダクターゼ活性が増加し、高CO_2下で、C_4植物はC_4経路の、C_3植物は光呼吸経路の活性が低下した。緑藻クラミドモナスは低CO_2下で葉緑体ピレノイド発達に対応してRuBPカルボキシラーゼ(RuBisCO)蛋白も増加した。高等植物RuBisCOに新活性調節部位があるとの証拠を示した。Pi欠乏でC_4植物の光合成能力が低下するのはC_4経路の律速酵素とRuBisCOの活性低下が原因となる。Nストレス下のC_3植物はN利用効率に種間差があるが、電子伝達系/RuBisCO炭酸固定能力の比は一定になる。また、N不足C_4植物がストレスから回復する過程で選択的に発現するC_4酵素PEPカルボキシラーゼ蛋白とそのmRNA蓄積に対し、グルタミンとサイトカイニンがシグナルの役割をする。キュウリの低温ストレスによる炭酸固定系の障害はFuBPホスファターゼの光活性化系酵素Fdチオレドキシンレダクターゼの失活による。また、つる植物を水平栽培することにより葉の被蔭と老化による影響を区別して検討した。イネの水ストレスによる光合成能の低下を同化箱法と酸素電極法で測定比較した結果、広範囲の水ストレスに対して気孔を介したCO_2供給低下が主要因であり、高湿度で生育すると水ストレス感受性が高くなる。Source-Sinkモデル実験系によりSink-limit条件ではRuBisCO活性が低下したので、野外で栽培密度を変えて生育したダイズで検討した結果、葉の蔗糖含量増加に伴い光合成能とRuBisCO活性が低下した。さまざまな環境ストレス下において植物の光合成炭酸固定経路とそれに関連する基幹炭素・窒素化合物代謝系がどの様に制御されているか明らかにするため、本年度に得られた研究成果を要約する。60%高酵素下で生育させたC_<23>2、C_<24>2植物はグルタチオンレダクタ-ゼ活性が増加した(金井)。なお、葉緑体内における活性酸素阻害の標的酵素について検討中である(浅田)。CO_<22>2固定酵素RuBPカルボキシラ-ゼ(RuBisCO)について、酵素化学的に活性調節機構を解明するとともに(横田)、緑藻クラミドモナスからRuBisCOが局在する葉緑体ピレノイドの単離条件を検討している(都筑)。N源ストレス下のC_<23>2植物ではRuBisCOとカ-ボニックアンヒドラ-ゼ量の変動に植物種問差があることが明らかになった(牧野)。また、Nストレスから回復する際、C_<24>2植物トウモロコシのPEPカルボキシラ-ゼ遺伝子の発現調査はグルタミン酸が代謝シグナルとなり、サイトカイニンが関与することを示す結果を得た(杉山)。P欠乏によるC_<24>

2植物の光合成阻害はRuBisCOやC_<24>2経路の諸酵素活性の低下によるもので、ショ糧合成系は影響を受けないことが示された(臼田)。植物の温度順化過程を明らかにするため、エゾノギシギシ生葉の光合成速度ー細胞間隙CO_<22>2濃度曲線をさまざまな生育温度で比較した(寺島)。また、ダイズの栽培密度を変えることにより光合成産物転流のSOURCEーSINK能の一方を律速条件にしたダイズ葉の炭素代謝産物レベルを比較した(沢田)。さらに、水ストレスによるイネの光合成低下に対する気孔開度と水ポテンシャルの影響を分けて評価し、葉位による違いを検討した(石原)。植物は限られた栄養源と様々な環境ストレス下で、光合成している。大気中より高濃度の1%CO_2で生育したC_4植物はPEPカルボキシラーゼの、C_3植物では光呼吸経路のグリコール酸オキシダーゼの活性低下が見られた(金井)。また、葉緑体内における活性酸素阻害の標的酵素について検討した(浅田)。単細胞緑藻クラミドモナスは低CO_2下で緑葉体ピレノイドの発達に対応して、そこに局在するRuBPカルボキシラーゼ(RuBisCO)蛋白も増加した(都筑)。高等植物RuBisCOの二相性反応はRuBPが反応中心とは別の活性調節部位にも結合するための履歴現象であるとの証拠を示した(横田)。無機リン酸欠乏によりC_4植物の光合成能力が低下する場合、C_4経路の律速要因となるピルビン酸Piジキナーゼ、PEPカルボキシラーゼ(PEPC)、RuBisCOの活性低下が原因となる(臼田)。窒素ストレスのC_4植物トウモロコシがN欠乏から回復する過程で選択的に発現するPEPC蛋白とそのmRNAの蓄積に対するグルタミンとサイトカイニンのシグナル的役割を解明した(杉山)。また、C_3植物ではN利用効率の種間差に拘らず光合成電子伝達系とRuBisCOによる炭酸固定能力の比は一定になることが示された(牧野)。キュウリの低温ストレスによる炭酸固定系の障害はFuBPホスファターゼの光活性化系であるFbチオレドキシンレダクターゼの失活によることが示された。また、つる植物を水平栽培することにより葉の被蔭と老化による影響を区別して検討した(寺島)。イネの水ストレスによる光合成能の低下を同化箱法と酸素電極法で測定比較した結果、広範囲の水ストレスに対して気孔を介したCO_2供給低下が主要因であること、高湿度で生育すると水ストレス感受性が高くなることが認められた(石原)。Source-Sinkモデル実験系によりSink-limit条件ではRuBisCO活性が低下したので、野外で栽培密度を変えて生育したダイズで検討した結果、葉の蔗糖含量増加に伴い光合成能とRiBisCO活性が低下した(沢田)。
位相異性

ビス(9-トリプチシル)X型化合物で発現される特異な立体異性現象-位相異性-について、残されたいくつかの重要な問題について取り組んだ。モデル化合物の合成が難航し、その合成しか行なうことができなかったが、次年度以降は当初の目的に沿って各種測定を行う予定であり、一部については既に始まっている。1.相関回転障壁の決定(1)モデル化合物X=CH_2、Y=F、Z=Hについては様々な試みにも拘らず、合成出来なかった。しかし^<19>FをDNMRのプロ-ブとして用いるにはフッ素は片側でもよく、その合成には成功した。(2)時間尺度の短いESRを用いる目的でケトンX=CO、Y、Z=HをTHF中Kで還元してみたところ、暗赤色に変化した。クエンチした結果は複雑であったが、目的の(形式的には共鳴安定化のない)ケチルの色である可能性もあり、ESRの測定を依頼している。2.絶対立体配置の決定とギヤ-スリップ機構の解明dl体の光学分割を行い、光学的に純粋な異性体を得ることが不可欠であり、2系列の化合物X=CH_2、Y=H、Z=OCH_3、CO_2CH_3について成功した。前者はエ-テルを一度加水分解し、光学活性2-フエニルプロピオン酸のモノエステルとして、後者は対応するメチル体を合成し、カルボキシル基に変換した後、光学活性α-フェニルエチルアミンのビスアミドとして、旨く光学分割することができた。現在単結晶の育成、およびd【double arrow】l相互変換の速度論的解析を行っている。
噴霧反応場を用いたナノ粒子の製造プロセスの開発

高結晶性を有し、化学量論比が精密に制御されたナノ粒子(サイズが100nm)を高速で合成できる新規噴霧熱分解法を開発した。この方法の特徴は、原料液体とともに自燃性物質を添加する手法である。結晶促進および凝集抑制効果を持ち、残留物の残らない方法を考案し、反応場であるミクロン液滴の中における結晶成長を制御および促進するために、サブミクロンレベルの伝熱を考慮した火炎を用いたプロセスを開発した。粒子合成する条件と最適となる粒子の微粒化過程との関連を明らかにした。本研究では、サイズを調整でき、大きさの揃った、しかも、高結晶性を有し、化学量論比が精密に制御された高性能ナノ粒子を高速で合成できる新規噴霧熱分解法を開発する。この方法の特徴は、噴霧液に原料物質とともに自燃性物質を添加する手法である。結晶促進および凝集抑制効果を持ち、残留物の残らない方法を考案し、反応場であるミクロン液滴の中における結晶成長を制御および促進するために、ナノメートルレベルでの伝熱を考慮した火炎を用いたプロセスを開発する。平成19年度には、火炎を高温場として、新規噴霧熱分解装置を製作した。原料溶液を噴霧発生器により、噴霧し液滴化させ、キャリアガスとして窒素または空気により管状型電気炉もしくは火炎中に導入した。モデル材料として、蛍光体材料のY_3Al_5O_<12>:Ce^<3+>および誘電体材料のBaTiO_3粒子である。捕集したナノ粒子を用いた成型体を作成し、それらの蛍光特性および電気特性を評価した。粒子を合成する条件と最適となるナノ粒子の特性を明らかにした。通常の電気炉(最高温度1500°C)に比べて、火炎ガスを用いた加熱により生成した粒子の結晶の方が促進された。実験と同時にミクロン液滴に対する伝熱および熱流体の数値計算を行い、エアロゾル(ガスと粒子)を加熱する工程が後の粒子結晶成長の過程が起きる加熱工程においても非常に重要な因子であることが示されている。本研究では、サイズを調整でき、大きさの揃った、しかも、高結晶性を有し、化学量論比が精密に制御された高性能ナノ粒子を高速で合成できる新規噴霧熱分解法を開発した。この方法の特徴は、噴霧液に原料物質とともに自燃性物質を添加する点である。これによって、結晶促進および凝集抑制効果が得られ、残留物が残らないという利点がある。本研究では、高温場として火炎を用いたプロセスを開発し、反応場であるミクロン液滴の中における結晶成長を制御および促進するために、ミクロンスケールでの伝熱を考慮した火炎を用いたプロセスを開発した。平成20年度には、平成19年度に設計・作製した火炎を高温場とした新規噴霧熱分解装置を用いて、次世代照明装置である白色LEDにも使用される蛍光体材料のY_3Al_5O_<12>:Ce^<3+>粒子の合成を行った。通常の噴霧熱分解法では、サイズが数ミクロンの噴霧液滴からサブミクロンの凝集粒子(二次粒子)が生成される。しかし、本研究では同じ数ミクロンの液滴および同じ原料溶液濃度から出発したにもかかわらず、数十ナノメーターの粒子(一次粒子)が生成されることを確認した。一つの液滴が複数の粒子に転換されたことになる。高温場に導入されたミクロン液滴中では、主に溶媒の蒸発、固化、溶質拡散などが生じるが、原料に添加された自燃性物質(尿素など)のガス化により、固化の過程では一次粒子が二次粒子に凝集されずに、生成粒子が一次粒子の状態のまま捕集できた。また捕集した粒子を用いた成型体を作成し、それらの蛍光特性を評価したところ、自燃性物質(尿素など)が凝集抑制効果を持つだけではなく、結晶促進にも働くことがわかった。
有機半導体のキャリア種と移動度に関する研究

有機半導体をデバイスとして使用する場合、その膜内のキャリア移動度はデバイスの応答速度を決定付ける重要な因子となる。本研究課題では、高移動度もつ有機半導体の分子設計指針を得ることを目的に、各種有機半導体薄膜のキャリア移動度をFET法,電気化学的手法などを用いて測定した。FET法では未ドープのサンプルを、電気化学法ではドープ率を制御したサンプルを対象に移動度と分子構造、発生キャリア種と移動度の関係を調査した。(1)FET法による移動度の評価本年度はオリゴチオフェン系、ナフトチオフェン系に加えセレノフェン系、n型有機半導体について、蒸着膜、スピンコート膜のX線回折,AFM表面観察を行い、分子構造,膜の作製条件の変化に伴い、膜の結晶構造,微結晶の会合状態,表面状態などがどのように変化するかを調査した。主なキャリアはホール(n型についてはエレクトロン)で分子設計により、ほぼ単結晶膜の作製に成功し、低分子膜では配向分子と基板との角度、微結晶のグレインサイズなどが膜内のキャリア移動度に敏感に反映されることが確認された。また、膜の配向を制御した、オリゴセレノフェン膜でホールの移動度が0.03cm^2V^<-1>s^<-1>と極めて高い値を示すセレノフェン系有機薄膜の作製に成功した。(2)キャリアの同定と電気化学法による移動度の評価主にポリ・オリゴチオフェン系の高分子を対象にドープ率(酸化状態)を制御した膜で、in-situ可視-近赤外分光測定、ならびにin-situ ESR測定を行い、発生キャリア種の同定を行った。酸化過程でキャリア種は著しく変化し、移動度も5桁以上の変化を観測した。新キャリア種の発見とともに、ドープ過程でのキャリア移動過程の機構解明に成功した。(1)FET法による移動度の評価オリゴチオフェン系、ナフトチオフェン系の低分子について、蒸着膜、スピンコート膜のX線回折,AFM表面観察を行い、分子構造,膜の作製条件の変化に伴い、膜の結晶構造,微結晶の会合状態,表面状態などがどのように変化するかを観測した。主なキャリアはホール(ポーラロン)で低分子膜では配向分子と基板との角度、微結晶のグレインサイズなどが膜内のキャリア移動度に敏感に反映されることが示唆された。(2)キャリア種の同定と電気化学法による移動度の評価主にオリゴチオフェン系の高分子を対象にドープ率(酸化状態)を制御した膜で、in-situ可視-近赤外分光測定、ならびにin-situ ESR測定を行い、発生キャリア種の同定を行った。分子構造を変化させることにより、ポーラロン・バイポーラロンの他にπダイマーなどの化学種を発生させる膜、πダイマーのみが生成する膜、πダイマーの生成が確認できない膜などが見つかった。次年度で、移動度との関連を明らかにしていく。
理科,数学の到達度とそれに影響を与える諸因子との関連に関する長期的追跡研究

理科と数学の到達度とそれに影響を与えるであろうと思われる諸因子との関連を平成4年度から5年度にかけて調査した。1.本研究の目的は,理科問題,数学問題,学習質問項目,教師質問項目,学校質問項目,態度質問項目,科学観調査項目,数学観調査項目,背景質問項目の各項目を作成調査し,その関連を分析することである。2.平成4年度に中学校2年(母集団1)と高等学校2年(母集団2)の生徒について2年間にわたる調査を実施した。3.五つの県立教育センターと国立校,私立校と共同して,5県の各1地域の公立校と,国立校(2母集団)および私立校(母集団1のみ)を対象として,調査を実施した。4.毎年各母集団約3000名の生徒を追跡調査対象として,9月上旬より11月末の間に各学校で3校時の調査と,学校および教師質問紙調査を実施した。本追跡調査研究は平成元年度に理科問題と科学に対する態度の調査を中心に始まった。4カ年の追跡調査結果を基に,小5から高2まで,理科学習への興味関心,相対的な理科の好き嫌い,教科間比較による成績,理科問題の得点の4変数について,前年度および当該年度の影響を調べた結果の一部を次に示す。1.同一学校段階でも異なる学校段階でも,ある目的変数に影響を与える説明変数は変化なかった。2.小学校6年の変数の,中学校1年の同一変数への影響は他の場合より小さく,特に理科の好き嫌いと理科の成績で顕著であった。理科と数学の到達度とそれに影響を与えるであろうと思われる諸因子との関連を経時的に調べるため,研究計画に基づき,次のとおり進めてきた。1.岩手県,宮城県,福島県,茨城県,山梨県の各県教育センターおよび東京都にある国立の中・高等学校,大阪府にある私立の中学校より研究委員として協力が得られ,68月には本調査参加の学校を対象に調査説明会を開催した。なお,五つの県においては,ある1地域内に設立されている公立の中学校および高等学校を調査対象学校としている。2.中学校2年生用および高等学校2年生用の理科と数学の学習調査として,理科問題,数学問題,学習質問項目,教師質問項目,学校質問項目を,科学的態度調査として,態度質問項目,科学観調査項目,数学観調査項目,背景質問項目を作成した。3.上記都府県を対象地域として,各母集団約3000名の生徒を調査対象として,9月上旬より11月末の間に各学校で3校時の調査と,学校および教師質問紙調査を実施した。4.今回は学校からの最終返送が1月であり,直ちに分析作業に入った。その結果について,3月に各県センターの指導主事らを加えた研究委員会議を開催し,分析結果の報告と今後の調査の進め方等についての総合的検討を行った。また,今年度の調査結果の第1次集計については,中間報告書にまとめた。理科、数学の到達度とそれに影響を与える諸因子との関連に関する長期的追跡研究理科と数学の到達度とそれに影響を与えるであろうと思われる諸因子との関連を経時的に調べるため、研究計画に基づき、次のとおり進めてきた。1.岩手県、宮城県、福島県、茨城県、山梨県の各県教育センターおよび東京都にある国立の中・高等学校、大阪府にある私立の中学校より改めて研究委員として協力を得た。また68月には本調査参加の学校を対象に再度調査説明会を開催した。なおこれは、研究主事や教師等の移動に対応するためでもある。なお、五つの県においては、ある1地域内に設立されている公立の中学校および高等学校を調査対象学校としている。2.中学校3年生用および高等学校3年生用の理科と数学の学習調査として、理科問題、数学問題、学習質問項目、教師質問項目、学校質問項目、を科学的態度調査として、態度質問項目、科学観調査項目、数学観調査項目、背景質問項目を作成した。3.上記都府県を対象地域として、各母集団約3000名の生徒を調査対象として、9月上旬より11月末の間に各学校で3校時の調査と、学校および教師質問紙調査を実施した。

4.今回は学校からの最終返送が2月であったため、1月より分析作業に入った。その結果について、3月に各県センターの指導主事らを加えた研究委員会議を開催し、分析結果の報告と今後の調査分析の進め方等についての総合的検討を行った。また、今年度の調査結果の第1次集計については、最終報告書にまとめた。
連想判別システムの最適化

連想判別とは,判別を行おうとするデータをパターン化し,連想記憶媒体(ニューラルネット)が,どのクラスを連想するかにより判別を行うものである。本研究で得られた研究成果の一つに,アソシアトロンによる連想判別がある。アソシアトロンは連想専門のネットワークであり,その想起のメカニズムも比較的単純ながら強い連想能力をもつ。また,そもそもが3値出力であり,ニュートラルと呼ばれる状態はオリジナルなアソシアトロンは初期状態の時以外はとらないが,出力関数を変更して安定3値出力にできる。加えてセルラニューラルネット(CNN)のように不定セルも発生しない。そこで,アソシアトロン連想判別システムで有名なあやめの分類の問題を解かせたところ,誤判別1という好成績が得られた。これはソフトコンピューティング手法では最高記録である。また,セルラニューラルネット(CNN)による連想判別に対してある種の最適化手法が得られた。CNNを用いた連想判別は申請者らにより,その緒がつけられた手法であるが,飽和関数の設計法などは未解決であった。これに対し,分担者の章らは,完全想起までの時間に着目し,最短時間での連想が可能となる飽和関数の設計を可能にした。この結果,肝臓病の診断結果において,従来に比べ良好な結果が得られている。また分担者の川畑らは飽和関数にヒシテリシスバンドを設けることにより,連想能力の向上を計った。その他バイナリーニューラルネットの研究や高速ウェーブレット変換による脳波解析など関連分野に対しても成果を得た。平成11年度における研究成果の一つに、アソシアトロンによる連想判別がある。アソシアトロンは連想専門のネットワークであり、その想起のメカニズムも比較的単純ながら強い連想能力をもつ。また、セルラニューラルネット(CNN)のように不定セルも発生しない。そこで、アソシアトロン連想判別システムで有名なあやめの分類の問題を解かせたところ、誤判別1という好成績が得られた。この一方で、CNNによる方法も研究対象としている。CNNの最速完全想起という概念に基づき、飽和出力関数の最適化を計り、新しい連想判別システムを構築した。それをプロトタイプのときに用いた肝臓病の診断に適用したところ、従来と比較して良好な結果が得られている。同時にバイナリーニューラルネットの収束特性を改善する方法について検討した。この研究はいまのところ、Nクィーン問題やTSPに関して成果を求めているが、将来的に連想判別システムの最適設計を視野に入れている。