hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
癌原遺伝子EVI1/PRDM16によって制御される神経幹細胞自己複製の機構解明

ChIP-seq手法により幹細胞におけるEvi1標的遺伝子を調べHes1を重要な標的因子と同定した。Evi1はCSL/NICD複合体のNotch標的遺伝子プロモーターへのアクセスビリティを制御していた。E13.5マウス胎仔の嗅上皮、中脳及び皮質における候補因子をin situ mRNAを用いて調べそれらの因子の発現を確かめた。現在Evi1とPrdm16の変異体において候補因子の発現も調べている。また、Evi1とPrdm16はどちらも皮膚発達過程の時系列で発現することを確かめた。神経幹細胞がいかに制御されているか解明することは神経幹細胞生物学の全容を理解する鍵となり、幹細胞治療戦略の進歩には不可欠である。癌原遺伝子Evi1をChIP-seqにより解析した。そして幹細胞でNotchシグナルが制御することが知られている候補因子を調べHes1を重要な標的因子に同定した。さらにはBrdUパルスチェイス分析により幹細胞の自己増殖能の変化を調べた。また幹細胞の細胞周期パラメーターにおける重要な候補因子の解析ため、mKO2-hCdt1とmAG-hGemを用いて、細胞培養プロトコルを独自に開発した。E13.5マウス胎仔の嗅上皮、中脳及び皮質における候補因子のmRNA発現をChIP-seqにより同定した候補遺伝子の発現と比較した。これらの遺伝子はEvi1変異体の嗅覚幹細胞では制御されていないことを確かめた。Evi1は転写活性化因子であり、同時に転写抑制因子として作用すると考えられていたが、我々はEvi1が神経幹細胞において主に転写因子を活性化する役目があることを明らかにした。驚いたことにEvi1はCSL/NICD複合体のNotch標的遺伝子プロモーターへのアクセスビリティをコントロールしていた。新たに確認されたこのメカニズムを通してEvi1はNotchシグナルを介したHes1遺伝子やその他のNotch制御因子の働きを活性化させ、細胞の自己再生を促進させていることが考えられる。加えて、Evi1およびPrdm16は異なる(Evi1は嗅覚幹細胞、Prdm16は皮質幹細胞において)神経系領域で幹細胞の自己再生を制御することを示唆してきたが、このたび我々はEvi1とPrdm16はどちらも皮膚発達過程の時系列で発現することを確かめた。Eiv1のChIPアッセイの最適化をはかり、神経幹細胞におけるEvilのプロモーター結合データを作成し解析した。まず、神経幹細胞でNotchシグナルが制御することが知られている候補因子を解析し、その結果、Hes1とHey1を重要な標的因子に同定した。さらにEvi1ミュータントマウスの嗅覚幹細胞ではこれら二つの標的因子が制御されていないことを確認した。Evi1は転写因子を活性化及び抑制する機能がある可能性はすでに示唆されている。本研究ではまず、Evi1が神経幹細胞において転写因子を活性化する役目があることを明らかにした。次に、Evi1がCSL/NICD複合体の標的遺伝子プロモーターへのアクセスビリティをコントロールしていることを確認した。このメカニズムを通してEvi1はNotchシグナルを介したHes1遺伝子やその他のNotch制御因子の働きを活性化させ、細胞の自己再生を促進させていることが考えられる。これまでの研究データではEvi1およびPrdm16は異なる(Evi1は嗅覚幹細胞、Prdm16は皮膚幹細胞において)神経系領域で幹細胞の自己再生を制御することを示唆してきたが、このたびEvi1とPrdm16はどちらも皮膚発達過程の時系列で発現することを確かめた。Evi1の発現は一過性であり、皮膚発達過程で発現しなくなる。そして、Evi1が発現しなくなるとPrdm16が発現を始めた。この結果より、Evi1はいくつかの因子の発現を誘導し、それからPrdm16がEvi1の役割を引き継ぐ可能性を示唆している。つまり、Evi1とPrdm16は脳の同じ領域で活性して同じ遺伝子標的の活性化をコントロールしていることが考えられる。Eiv1のChIPアッセイの最適化をはかり、候補遺伝子の解析から、Evilの標的遺伝子を同定した。これらの標的遺伝子がEvi1の標的であることを確かめるために、候補遺伝子の活性化と不活性化を調べた。胚13.5日(E13.5)マウス胎仔から胎生期の神経組織を実験材料としmRNA in situを用いて発現を調べると、神経発生時にこれらの候補遺伝子が発現することが確認できた。さらにEvi1をChIP-Seq法での検討を開始する。現在、Prdm16のChIP-Sep法を最適化している。Evi1から得た結果を用い、Prdm16ミュータントで制御されてない因子のいくつかを同定できた。現在、生体内でPrdm16がこれらの候補因子を直接コントロールするか検討している。これまでに嗅上皮、中脳および皮質においてEvi1とPrdm16が共有する遺伝子座を同定した。

また、幹細胞の自己増殖能の変化を調べるためにBrdUパルスチェイス分析の最適化を図った。さらに、候補遺伝子が幹細胞の細胞周期パラメーターにおいてどのような役割をするのか検討するためにmKO2-hCdt1およびmAG-hGemを使った細胞培養プロトコルを開発した。2012年度はEvi1とPrdm16のChIP-Seqを続け、その後バイオインフォマティクス分析を行なう予定である。pCAGSベクターを用いて同定した候補因子をクローンする。子宮内のE12.5マウス胎仔脳室帯へエレクトロポレーション法(pCAGS-GFPをマーカーとして)により遺伝子候補を導入する。その後、電気穿孔した幹細胞において神経分化の頻度に対する幹細胞の自己増殖能を比較するためにBrdUパルスチェイス法を行なう。当該年度予算の367,104円が未使用となったが、これはChIP-Seq実験において予期せぬ遅れが生じたためでる。次年度の研究費はこの繰越額も含めて、マウス、分子生物実験消耗品、神経幹細胞培養、シークエンス等に支出する計画である。
マウス腸炎モデルを用いたサルモネラ炎症制御機構の解析

サルモネラ感染機構における病原性発現の分子基盤は、III型分泌機構により分泌されるエフェクターと宿主細胞の標的分子との相互作用にある。本研究では、サルモネラIII型エフェクターのうち、NF-κB経路を標的としたエフェクターを同定し、サルモネラ腸炎における炎症制御機構の解明に取り組んだ。その結果、6つの炎症制御エフェクターを同定し、それぞれの機能解析を行った。3つのSseKファミリーは、TRADD及びFADDを標的タンパク質とし、シグナル伝達を阻害することが示唆された。SreA/SreBは、NF-κBのサブユニットであるRelAを切断するメタロプロテアーゼであることを明らかにした。サルモネラ(Salmonella enterica)は初期感染の場である腸管粘膜において、炎症反応を誘導し、その後全身感染へと進んでいく。本菌の感染現象を解明する上で、サルモネラIII型分泌機構およびその分泌タンパク質(III型エフェクター)が、極めて重要な因子である。本研究では、サルモネラのIII型エフェクターにより制御される宿主の免疫応答について、マウス腸管感染モデルを用いて解析し、サルモネラ初期感染過程における炎症応答制御機構を明らかにすることを目的とし、本年度は、サルモネラの炎症誘導および炎症抑制に関わるIII型エフェクターを介した感染宿主との相互作用に焦点を絞り、解析を行った。まず、サルモネラ炎症制御エフェクターの同定のために、SPI1エフェクター11個、SPI2エフェクター17個およびSPI1/2エフェクター10個、をそれぞれ発現する哺乳動物発現ベクターを作成した。各プラスミドDNAをHeLa細胞、RAW264.7細胞およびDC2.4細胞に形質転換し、細胞内での発現を確認した。いくつかのIII型エフェクターは、形質転換後、細胞死を誘導することを見いだした。また、培養細胞内での発現量が低いエフェクターについては、大腸菌での発現を確認する予定である。今後、形質転換体に対するサルモネラ野生株の感染でサイトカインの産生量を比較することで、炎症抑制型のエフェクターの同定を行う。炎症抑制型エフェクターとして同定したSseK1、SseK2およびSseK3による炎症抑制機構は、Ssek1およびSseK3において、TNF-α経路刺激によるNF-κBの活性化を抑制していることを明らかにした。一方、IL-1およびPKC経路における抑制は全くみられなかったことから、現在、Ssek1と相互作用するTNF-α経路に関わる宿主因子の同定を、GSTおよびFLAG pull-down法で進めている。サルモネラは、腸管粘膜で感染し、粘膜上皮細胞を通過し粘膜固有層に至る。この感染過程において、サルモネラが三型分泌機構を介して分泌する三型エフェクターにより炎症が誘導される。本研究では、サルモネラの三型エフェクターにより制御される宿主の免疫応答について、マウス腸管感染モデルを用いて解析し、サルモネラ感染初期過程における炎症応答制御機構を明らかにすることを目的とする。平成26年度は、これまでに同定した炎症抑制に関わる三型エフェクターについて、その作用機序を明らかにするとともに相互作用する宿主因子の同定を試みた。サルモネラの三型エフェクターとして同定されている38個のタンパク質のうち、炎症特抑制型エフェクターを6個見いだした。このうち、炎症抑制型のSseK1、SseK2及びSseK3の標的分子は、TRADD及びFADDなどのdeath domainであることを明らかにし、GlcNAc転移活性を有するこれら3つのエフェクターは、TNF-αによるシグナル伝達経路にあるTRADDを酵素的に修飾し、シグナル伝達を阻害することが示唆された。一方、別の炎症抑制型エフェクターであるエフェクターAおよびエフェクターBは、標的分子が、NF-κBのp65分子であり、酵素的にp65の分解を促進することを明らかにした。エフェクターCについては、現在その標的分子の探索を行っている。SseK1、SseK2及びSseK3のマウスに対する病原性の評価をマウス腸炎モデルにより評価した。それぞれの遺伝を単独に欠失した変異株では、野生株と比較して病原性の違いは認められなかった。そこで、全ての遺伝子を欠失した三重変異株を作成し、腸管感染に対する病原性の違いを比較したが、同様に野生株との違いはみられず、新たなマウス腸炎評価系の構築が今後の課題となった。NF-κBの活性化を抑制するサルモネラIII型エフェクターを同定し、in vitro及びin vivoにおける機能解析を行った。SseK1/2/3においては、TNF-αまたはIL-1刺激に対してTNFレセプターを介したNF-κBの転写活性のみを抑制すること、免疫沈降反応よりTRADDと直接相互作用することを明らかにした。一方、Balb/cマウスを用いたサルモネラ腸炎モデルでは、SseK1、SseK2、SseK3各欠失変異株およびSseK1/2/3欠失変異株による腸管感染は、細菌学的、病理組織学的、免疫学的解析により野生株との明らかな違いはみられなかった。現在、サルモネラ慢性感染モデルに用いられるNramp+であるマウス系統を用いた腸炎モデルにおいて、野生株とSseK1/2/3欠失変異株において盲腸に対する炎症強度に違いが観察されており、解析を続けている。SreA及びSreB(signal regulated effector:Sre)は、いずれもサルモネラ特異的なIII型エフェクターである。

これまでに、NF-κBのサブユニットの1つであるRelA(p65)を特異的に切断するメタロプロテアーゼであることを明らかにしている。SreA/SreBは、TNF-α及びIL-1刺激に対対するNF-κBの転写活性を全て抑制した。また、酵素活性ドメインのアミノ酸置換により、NF-κB経路の活性化を阻害できず、さらに、RelAに対するプロテアーゼ活性が消失したことから、SreA/SreBはともにRelAを酵素的に分解することにより、NF-κB活性化経路を抑制することを明らかにした。現在、これらのエフェクターにおけるRelA以外の標的タンパク質の有無について探索を続けている。サルモネラ感染機構における病原性発現の分子基盤は、III型分泌機構により分泌されるエフェクターと宿主細胞の標的分子との相互作用にある。本研究では、サルモネラIII型エフェクターのうち、NF-κB経路を標的としたエフェクターを同定し、サルモネラ腸炎における炎症制御機構の解明に取り組んだ。その結果、6つの炎症制御エフェクターを同定し、それぞれの機能解析を行った。3つのSseKファミリーは、TRADD及びFADDを標的タンパク質とし、シグナル伝達を阻害することが示唆された。SreA/SreBは、NF-κBのサブユニットであるRelAを切断するメタロプロテアーゼであることを明らかにした。サルモネラの三型エフェクターとして同定されている38個のタンパク質のうち、炎症抑制型エフェクターを6個見いだした。このうち3個はサルモネラでは初めて同定されたエフェクター機能であった。それぞれ炎症抑制型エフェクターの標的分子を同定し、その機能についても明らかにすることができた。炎症抑制型エフェクターの同定後、順調に機能解析を進めることができ、ほぼ予定の実験を終了したことになる。一方で、予定していたサルモネラ感染過程における炎症抑制型エフェクターの役割をマウス腸管モデルにより明らかにするところまでは達成することができなかった。これは、予想された範囲内のことであり、マウス感染実験の条件検討を行った後、予想される成果を得ることができると考えている。27年度が最終年度であるため、記入しない。医歯薬学新たに同定した炎症抑制型エフェクターのうちエフェクターCは、サルモネラに特異的なタンパク質であり、サルモネラ以外には相同性を持つ三型エフェクターが存在しないことから、サルモネラの感染過程を特徴付ける重要なエフェクターの1つであることが予想される。したがって、エフェクターCの標的分子及び機能解析をさらに進めていくことで、サルモネラの感染機構を明らかにしていく。また、炎症抑制型エフェクターのin vivoにおける機能解析のために、マウス腸管モデルによる感染実験を表現型が最も良く現れるよう改良を加える。そのために、マウスの種類、感染時間、感染量などいくつかの実験項条件について検討し、最適化を行い、野生株とエフェクター欠失株との間に、病理学的、免疫学的な違いが明らかになるような感染条件を整える。サルモネラIII型エフェクターのクローニングおよび培養細胞内での発現確認を行うところでやや時間がかかったため、炎症抑制型エフェクターの同定までは進めることはできなかったが、既知のエフェクターについてはすべて発現プラスミドを作成したことから、今後の実験の進行は速やかに進めることが可能である。
メディアと場面の相互連関に基づく英語定型表現の分析とインデックス化

2018年度は、(a)英語の言語データからの定型表現の抽出に関する手法の検討と実際の定型表現のリストアップの作業、(b)ディスコースマーカー(談話標識)と定型表現の関連性の探索、(c)国内外の発達認知心理学、情報学およびロボティクス分野の研究者への定型表現およびその基盤となる人の認知能力に関する知見提供をおこなった。(a)については、具体的には、自然言語処理およびパターン・ラティスの手法を用いて、英語の書き言葉データおよび話しことばデータから定型表現の候補となる表現のリストを抽出した。抽出したリストの有効性についての検討や、文脈依存的、あるいは「その場限り」の定型表現の取扱をどのようにするか、研究者と意見交換をおこなった。意見交換をとおして、言語の慣習化についてのモデルの精緻化に関して研究者と新たな知見を見出すことができた。(b)については、文頭に出現する定型的な表現のリストを作成し、それらがディスコースマーカーとしての機能を有するか否かについて、研究者と意見交換をおこなった。(c)については、人工知能、ロボット、そして人間の言語習得について国内外の研究者と活発な議論をおこなった。定型表現という一見固定化したような言語表現の創造的な使用例の提示をとおして、人間の言語学習を定型的な記憶という側面から知見を提供した。その他にも、人の言語のアウトプットと瞳孔の状態との関連性を調査するためのツールの開発をおこなっている(継続中)。現在までの研究の進捗状況としては、定型表現のリストアップとその検討を前半、今後の研究を展開させる活動を後半に主におこった。データの収集作業については、2018年度で一定の目処をつけており、国際学会等での成果発表に向けた準備を進めている。また、2018年度後半の発展的な研究活動によって、2020年度以降の研究のさらなる発展が期待できるので、2018年度の研究はおおむね順調に進展していると考える。本課題は、認知科学の知見に基づいた理論的枠組の策定を2017年度に、枠組みに基づいた言語データの分析と検討を2018年度におこなった。この2年間でいくつかの重要な知見が得られたので、それらの研究成果を国内外の学会で発表すると同時に、2020年度以降の研究に向けたロードマップの策定をおこないたい。本研究課題は、コミュニケーション形態と文脈に応じて使い分けられる定型表現を実際の会話データから収集し、その理論的な体系化と英語教育への応用を目指している。平成29年度は、これまでに収録した会話データを対象にパターン束分析をおこない、対面会話・電話会話・メールのやりとりのそれぞれのコミュニケーション形態に特徴的な表現パターンがあるかを分析した。分析の結果、コミュニケーション形態ごとに使い回される表現パターンには、具体的な語彙が出現している一方、すべての形態に共通する表現パターンには、前置詞や代名詞などの抽象的な語彙が中心的であった。この結果から、人が使用している定型表現の記憶は、コミュニケーション形態や文脈等と密接にかかわっており、人はコミュニケーションの文脈に最も適した定型表現を、過去の類似文脈の会話の記憶から手繰り寄せていると考察した。また、抽出された表現パターンの生起状況を確認し、それらがコミュニケーションの円滑化に関わっているかを検討した。この分析、考察、およびパターンの検討内容を、学会・研究会での発表および論文として発表した。また、定型表現の記憶と利用に強く関連する認知的な現象として無意識的剽窃(cryptomnesia)を挙げ、ただの発話の引用に過ぎなかった言語表現が次第に個人の発話の資源へと内在化されていく過程は、元表現の情報源に関する記憶の希薄化によるものであるという仮説を立てた。この仮説については、定型表現に関する研究会にて、国内外の研究者と意見交換をおこなった。今回、協力者である英語話者の大学院生の募集とスケジュールの調整に時間を要した。また、専門領域がそれぞれ大きく異なる協力者が集まったため、協力者同士の共通する話題であり、かつ英語教育に応用可能な会話トピックを検討するために、会話データの収録開始が遅れた。

現在までの研究の進捗状況としては、定型表現のリストアップとその検討を前半、今後の研究を展開させる活動を後半に主におこった。データの収集作業については、2018年度で一定の目処をつけており、国際学会等での成果発表に向けた準備を進めている。また、2018年度後半の発展的な研究活動によって、2020年度以降の研究のさらなる発展が期待できるので、2018年度の研究はおおむね順調に進展していると考える。まず、会話トピックを、従来とは異なる方法で設定したうえで、会話データの収録作業をおこなうこととする。また、同時並行的に、(a)これまでに収録したデータを、昨年度に確立したパターン束分析の手法を用いて分析し、(b)抽出された表現パターンの検討をおこない、英語母語話者からの意見を募る。同時に、これまでに得られた知見を発表するために、出版予定の論文集および書籍の執筆を進める。本課題は、認知科学の知見に基づいた理論的枠組の策定を2017年度に、枠組みに基づいた言語データの分析と検討を2018年度におこなった。この2年間でいくつかの重要な知見が得られたので、それらの研究成果を国内外の学会で発表すると同時に、2020年度以降の研究に向けたロードマップの策定をおこないたい。当該年度中に会話データの収録および書き起こし作業を予定していたが、最初の募集では、収録協力者が十分に集まらなかったことで、人件費・謝金の使用額が当初予定したものよりも少なくなった。現在、収録作業を実施しており、未使用の交付金については、次年度中に使用する予定である。開催された学会や研究会の開催地が福岡市内だったことが多かった関係上、予算を旅費で使用することがなく、結果的に2018年度の旅費の支出が予想以上に少なかった。
脳磁図を用いた聴覚中枢処理及び突発性難聴による脳の可塑性の研究

突発性難聴は急激に聴力が低下する原因不明の疾患で、どの治療法が有効かいまだ判明していない。本研究では突発性難聴患者に、健側耳を耳栓で塞ぎ病側耳を積極的に活用する「病側耳集中音響療法」を行うことで、聴力がより回復すること、脳活動が健常者の反応に近づくことを明らかにした。また、耳鳴り患者の脳活動を非侵襲的に計測することで、耳鳴りの聞こえる耳では抑制系の神経活動が低下していることを明らかにした。突発性難聴は急激に発症し、難聴・耳閉感・目眩等を主訴とする原因不明の疾患である。その受療率は厚生省研究班の調査によると、1993年には人口100万人に対して192.4人であったのが、2001年には275.0人と急速に増加している。残念ながら突発性難聴の発症メカニズムはいまだに不明であり、薬剤治療の有効性も明らかではない。申請者は脳神経活動の可塑的な変化に注目し、音楽を音刺激として用いた音響療法を試みた。以前の研究より、突発性難聴の発症により脳神経活動が可塑性変化を起こし、本来病側耳からの音刺激に対して反応していた脳活動部位が健常耳からの刺激に応答するようになることが知られている。そこで、健常耳への音刺激を抑え、病側耳への音刺激を増すことで脳神経活動の賦活化を試みた。その結果、中等度の突発性難聴患者の聴力を薬剤単独療法に比べてより改善させることに成功した。また、突発性難聴などの感音難聴を有する患者の多くが耳鳴りに悩まされている。耳鳴りはそれ自体が直接命を脅かす疾患ではないが、生活の質を大きく低下させる疾患であり非常に多くの人々が苦しんでいる。耳鳴りは、実際に音源がないのに不快な音を知覚する疾患であり、耳鳴りの知覚には脳中枢神経の関与が示唆されている。そこで申請者は難聴や耳鳴りを理解するためには、脳が「静寂」をどのように処理しているかが重要であると考えた。そこで脳磁図を用いた基礎研究を通じて、ヒト聴覚野において「静寂」が脳神経活動に様々な影響を与えることが分かった。突発性難聴は急激な聴力低下を主訴とする原因不明の疾患であり、本邦における医療機関受療率は2001年度の段階では人口100万人に対して275人であった。しかしながら、最近の報告によると突発性難聴の受療率はさらに高いのではないかと示唆されている。現在は突発性難聴に対してはステロイドによる治療が主流となっているが、残念ながらその科学的根拠は乏しく、様々な新しい治療法が試みられている。申請者らは神経回路の特徴のひとつである「可塑性」に注目し、リハビリテーション的なアプローチで治療を試みている。具体的には、純音聴力閾値が上昇した病側の耳を用いて音を聞くように促して、聴力低下のない健側耳ばかりを用いないよう耳栓をして聞こえにくくした。この「病側耳集中音響療法」は以前我々が発表した論文(Sci Rep, 2014)内においても方法は記載されていたが、通常の薬物療法とは大きく異なっているため馴染みのない医療関係者にとってその施行はハードルが高かった。そこでオープンアクセスのビデオ論文誌として「病側耳集中音響療法」の施行方法に焦点をあてて、動画及び論文として発表した(J Vis Exp. 2016)。また難聴患者にとって大きな問題となるのは語音聴取能の低下である。語音聴取には周波数変調音の知覚が重要な役割を担っているが、ヒト脳におけるその神経メカニズムにはまだ不明な点が多い。そこで申請者は脳磁図を用いた基礎研究により、周波数変調がヒト脳活動に与える影響を調べている。突発性難聴に対する「病側耳集中音響療法」の施行方法に焦点を当てたビデオ論文を発表した。これにより「病側耳集中音響療法」の理解が深まり研究協力施設の増加につながると考えられる。また複数の臨床施設と協力しながらデータの蓄積を継続して行っている。さらに、基礎研究を通してヒト脳における音信号処理に関して理解を深めその研究成果を国際学術誌に投稿し掲載された。周波数変調音の知覚に関する神経メカニズムの解明は、将来語音聴取能の向上に貢献すると考えられる。突発性難聴の患者は聴覚閾値の上昇に加え、耳鳴りにも苦しめられることが多い。耳鳴りは患者数の非常に多い疾患で、本邦における耳鳴りの有病率は10%前後と報告されている。しかしながら、その神経メカニズムにはいまだに不明な点が多く科学的根拠に基づいた治療も限られている。その原因として、動物モデルの作成が困難であることやヒトを対象とした場合は個人差が大きい点などが挙げられる。そこで申請者らは、難聴の影響や個人差を小さくするために、聴覚閾値には左右差はないが、片側のみに耳鳴りが聞こえる耳鳴り患者を対象に実験を行った。静寂下及び周波数除去雑音下に、耳鳴りの音とピッチマッチされた同一の純音を耳鳴りの聞こえる耳、または耳鳴りの聞こえない耳に聞かせ、惹起された脳神経活動を脳磁図で計測・記録した。その結果、耳鳴りの聞こえる耳に音を聞かせた場合、静寂下においては耳鳴りの聞こえない耳に音を聞かせた場合よりも振幅の大きい聴覚誘発脳磁界反応が得られたが、周波数除去雑音下においてはその逆で振幅はより小さくなった。この結果は耳鳴りの聞こえる耳側では耳鳴りの聞こえない耳側に比べ、population-

levelでの周波数特異性が低下していることを意味している。本研究の結果は、耳鳴りの発症には抑制系の神経ネットワーク、たとえば側方抑制などが重要な役割を果たしていることを示唆している。現在、主観的耳鳴りの診断は患者の主訴のみに頼っており、客観的なデータによる診断は非常に難しい状態である。しかしながら本研究を発展させることで、耳鳴りの神経メカニズムの解明や客観的な診断方法の開発を通して、より有効で副作用のない新しい耳鳴りの治療法につながっていくのではないかと考えている。突発性難聴は急激に聴力が低下する原因不明の疾患で、どの治療法が有効かいまだ判明していない。本研究では突発性難聴患者に、健側耳を耳栓で塞ぎ病側耳を積極的に活用する「病側耳集中音響療法」を行うことで、聴力がより回復すること、脳活動が健常者の反応に近づくことを明らかにした。また、耳鳴り患者の脳活動を非侵襲的に計測することで、耳鳴りの聞こえる耳では抑制系の神経活動が低下していることを明らかにした。突発性難聴に対する音楽を用いた音響療法に関して、国内外の学会や研究会で発表を行った。また、どのような重症度の患者に対してどのような効果があるのか、発症から治療までの期間はどのような影響をもたらすか等、まだまだ不明な点も多く残されているため、複数の臨床施設と共同で突発性難聴に対する音響療法を施行しデータの蓄積を行っている。また、突発性難聴では病側耳の蝸牛から脳に対して神経活動の入力が行われないわけであるが、そのような蝸牛から脳への神経刺激入力がない「静寂」がヒト聴覚野における脳活動にどのような影響をあたえるかを基礎研究を通して調べ、その研究結果を論文としてまとめ国際学術誌に投稿し掲載された。「静寂」の神経メカニズムの解明は、難聴・耳鳴り等の聴覚疾患の理解や治療に貢献すると考えられる。今後も国内外の研究機関・臨床機関と連絡を取りながら、突発性難聴に対する音響療法を施行しデータを収集する。また難聴や耳鳴りがヒト脳活動、特に集団レベルでの周波数特異性にどのような影響を与えるのかを高い時間分解能と高い空間分解能を有する脳磁図を用いて調べる。さらに語音聴取に重要な役割を果たしている周波数変調音の知覚に関しても、脳磁法を用いて神経活動を非侵襲的に計測しそのメカニズムを解明することで、コミュニケーションを円滑に遂行することが難しい難聴者や高齢者の語音聴取能力の改善につながるのではないかと考えている。聴覚医学今後も国内外の学会や研究会での発表を通して多くの研究機関・臨床施設に働きかけ、突発性難聴に対する音響療法が施行可能な施設数を増やしデータを蓄積する。難聴・耳鳴りがヒト脳活動にどのような影響を及ぼすかを、完全に非侵襲に静かな環境で高い時間分解能で計測できる脳磁図(magnetoencephalography)を用いて記録して新しい神経生理学的知見を得ることで、疾患のメカニズムの解明や今後の新しい治療法の開発に貢献する。ヒトが他者と会話を行う際には、周波数変調音の知覚が重要な役割を担っていることが知られている。ヒト脳における周波数変調音を知覚する神経メカニズムを解明することで難聴患者や高齢者のコミュニケーション能力の改善やリハビリテーションの開発に繋がるのではないかと考え、周波数変調音提示時のヒト脳活動を脳磁図を用いて計測する。
サイトカインの支配下に造血細胞の生死を決定するBim/Dlc複合体の機能解析

IL-3依存性Baf-3細胞のIL-3受容体からのシグナルは、Ras/PI3KまたはRaf/MAPK経路を経て細胞死誘導因子Bimの発現を抑制する。またサイトカイン欠乏による細胞周期の停止に関わるp27^<KIP1>の発現も概ね同じ経路で制御されている。この際、Bimやp27の発現制御はmRNAレベルであるため、われわれは転写調節が重要な役割を果たしているものと考えたが、これらの遺伝子の発現制御領城内にサイトカイン依存的に機能するシスエレメントを同定することができなかった。そこでBimやp27のmRNAを試験管内で合成して、Baf-3細胞の細胞質抽出液中での半減期を測定した。IL-3存在下で培養した細胞抽出液中の半減期は5-10分に対し、IL-3非存在下では30分以上と大きな差があった。pull downアッセイを行ったところ、70KDa近辺にIL-3非存在時に増強するバンドを認めた。質量解析器で同定したところ、ヒートショック蛋白Hsc70であった。Hsc70の精製蛋白をIL-3存在下での細胞抽出液に加えたところ、mRNA半減期の延長が認められた。Baf-3細胞中のHsc70の発現量はIL-3の有無によらず一定であるため、われわれはIL-3の標的因子がHsc70のRNA結合能を抑制している可能性を検索した。その結果Bag-4(SODD)がIL-3依存的に発現すること、Hsc70のRNA結合能を低下させることが判明した。またBaf-3細胞にBag-4を強制発現すると、IL-3欠乏時にも細胞周期は完全に停止せず、アポトーシスも抑制された。以上の結果より、Baf-3細胞ではIL-3受容体からのシグナルがBag-4などコシャペロンの発現を促進し、Hsc70のRNA結合能を低下させてBimやp27のmRNAを不安定化させることによってその発現を抑制することが判明した。サイトカイン依存性アポトーシスを制御するBcl-2ファミリー因子のうち中心的な存在であるBimの発現を制御するシステムの解明を目指し、研究を進めている。これまでのわれわれやオランダのグループの成果により、mRNA発現レベルの調節であることに疑問の余地は少ないが、転写調節であるか、mRNA寿命調節であるかについては決着を見ていない。オランダのグループは転写調節であると結論付けているが、そのデータはやや信憑性に欠け、サイトカイン欠乏時のBimメッセージの大きな変化を説明できるようなものではないと思われる。nuclear run off assayによりまずこのいずれかを決定すべく検討を重ねたが、発現レベルが比較的弱いこともあって、現時点までに確信を持てる結果が得られていないので、われわれは転写調節と寿命調節の両面から検討を進めた。転写調節を想定して、定法通りBim遺伝子前後200Kbにわたって5ケ所のDNAse高感受性領域を決定し、これらの領域をレポーターコンストラクトに組み込んでアッセイを行うことにより、プロモータ/エンハンサ/サイレンサ領域の決定を試みた。転写開始点より上流700bpに非常に強い転写促進活性を、第一イントロンに強い転写抑制活性を認めたが、いずれもサイトカイン依存性ではなかった。そこでさらにサイトカイン依存性のシス領域を求めて検討を進めている。また寿命の観点からも検討を進めており、3'非翻訳領域を中心に、寿命を調節する領域の単離を試みている。

一部の領域がサイトカイン依存性に寿命を調節することに関与している感触を得ているが、十分に説得力のあるデータとはいい難く、なお検討を進めている段階である。IL-3依存性Baf-3細胞のIL-3受容体からのシグナルは、Ras/PI3KまたはRaf/MAPK経路を経て細胞死誘導因子Bimの発現を抑制する。またサイトカイン欠乏による細胞周期の停止に関わるp27^<KIP1>の発現も概ね同じ経路で制御されている。この際、Bimやp27の発現制御はmRNAレベルであるため、われわれは転写調節が重要な役割を果たしているものと考えたが、これらの遺伝子の発現制御領域内にサイトカイン依存的に機能するシスエレメントを同定することができなかった。そこでBimやp27のmRNAを試験管内で合成して、Baf-3細胞の細胞質抽出液中での半減期を測定した。IL-3存在下で培養した細胞抽出液中の半減期は5-10分に対し、IL-3非存在下では30分以上と大きな差があった。pull downアッセイを行ったところ、70KDa近辺にIL-3非存在時に増強するバンドを認めた。質量解析器で同定したところ、ヒートショック蛋白Hsc70であった。Hsc70の精製蛋白をIL-3存在下での細胞抽出液に加えたところ、mRNA半減期の延長が認められた。Baf-3細胞中のHsc70の発現量はIL-3の有無によらず一定であるため、われわれはIL-3の標的因子がHsc70のRNA結合能を抑制している可能性を検索した。その結果Bag-4(SODD)がIL-3依存的に発現すること、Hsc70のRNA結合能を低下させることが判明した。またBaf-3細胞にBag-4を強制発現すると、IL-3欠乏時にも細胞周期は完全に停止せず、アポトーシスも抑制された。以上の結果より、Baf-3細胞ではIL-3受容体からのシグナルがBag-4などコシャペロンの発現を促進し、Hsc70のRNA結合能を低下させてBimやp27のmRNAを不安定化させることによってその発現を抑制することが判明した。
血管新生制御による腫瘍増殖抑制効果及びTNF抗腫瘍効果増殖作用についての検討

【目的】TNFの固形腫瘍に対する抗腫瘍効果のメカニズムの一つとして腫瘍血管に作用して凝固因子の発現を増強し、腫瘍内に虚血変化を起こすことがある。本研究では腫瘍由来因子の発現とTNFの抗腫瘍効果の関連および、血管新生阻害(TNP-470)併用投与による抗腫瘍効果について検討した。【結果】皮下腫瘍においてTNF抗腫瘍効果がみられた細胞株(MC38、Glioma、4JK、MCA203)でVEGFのmRNAの発現は増強し、MC38でVGEFの発現が増強する条件下(腫瘍径>12mm)ではTNF抗腫瘍効果は増強した。TNP-470とTNFの併用群で80%の抗腫瘍効果が得られ、TNF単独群に比べて有意(p<0.005)であった。HUVECのDNA synthesisはTNP-470濃度依存性に併用効果を認めたが、MC38に対して併用効果はみられなかった。【結語】TNFの固形腫瘍に対する抗腫瘍効果は腫瘍由来の血管増殖因子の発現が重要な役割を果たし、血管新生抑制物質との併用により抗腫瘍増強効果が得られる可能性がある。
機能創発型分子システムの構築による高性能化学計測法の創製

地球的視野から見て,環境・医療分析における高性能/高コスト技術推進の限界は明かである.これに替わるアプローチ「高性能簡易分析法」実現のための方法論自体の研究と,これを引き続き発展させて,特定領域研究へ応募するための基本戦略を練ることが本研究の目的である.「簡易分析法の高性能化」という目的の下に,簡易分析のリアルニーズを熟知するメンバーが集合し,個々のケースを題材に議論を深め,その相互作用の中から新たな簡易分析システムの創出を図るとともに,「高性能」を実現する化学システムヘのアプローチ,すなわち「分子システム構築による機能創発論」を基本的指導原理として確立し,本研究から特定領域研究を企画・展開することを議論した.各班員は計測系を成す以下のパートのいずれかを担当し,1)システム全体のグランドデザイン,2)サンプリング・前処理および汚染制卸,3)計測可能な状態への化学的変換,4)分光学等の計測手段,5)データ処理・表現,分析技術としてのバリデーション,それぞれに研究活動を行った.その結果を持ち寄り,「簡易分析法の高性能化」のために突破すべき問題点を調査し特定領域研究構築のための将来構想を討論した.企画調査の成果を公表する講演会(東京五名および仙台四名)を含む4回の研究打合会を開催し,計測上の緊急二ーズと,その解決に関する高性能簡易分析法のフロンティアを集約して,小冊子を刊行することをもって本企画研究成果の公表とすることを決定している.地球的視野から見て,環境・医療分析における高性能/高コスト技術推進の限界は明かである.これに替わるアプローチ「高性能簡易分析法」実現のための方法論自体の研究と,これを引き続き発展させて,特定領域研究へ応募するための基本戦略を練ることが本研究の目的である.「簡易分析法の高性能化」という目的の下に,簡易分析のリアルニーズを熟知するメンバーが集合し,個々のケースを題材に議論を深め,その相互作用の中から新たな簡易分析システムの創出を図るとともに,「高性能」を実現する化学システムヘのアプローチ,すなわち「分子システム構築による機能創発論」を基本的指導原理として確立し,本研究から特定領域研究を企画・展開することを議論した.各班員は計測系を成す以下のパートのいずれかを担当し,1)システム全体のグランドデザイン,2)サンプリング・前処理および汚染制卸,3)計測可能な状態への化学的変換,4)分光学等の計測手段,5)データ処理・表現,分析技術としてのバリデーション,それぞれに研究活動を行った.その結果を持ち寄り,「簡易分析法の高性能化」のために突破すべき問題点を調査し特定領域研究構築のための将来構想を討論した.企画調査の成果を公表する講演会(東京五名および仙台四名)を含む4回の研究打合会を開催し,計測上の緊急二ーズと,その解決に関する高性能簡易分析法のフロンティアを集約して,小冊子を刊行することをもって本企画研究成果の公表とすることを決定している.
表皮における樹枝状T細胞の胸腺外分化

我々は骨髄由来樹枝状表皮T細胞(dendritic epidermal Tcell:DETC)は胎仔胸腺由来DETCと異なり、Tcell receptor(TCR)-alphabeta,CD8を発現しており、表皮に遊走後表皮内である程度分化する可能性を示した。つまり、それは表皮に遊走してきた時点(骨髄移植34ケ月後)では殆どの骨髄由来DETCはTCR-alphabeta^-/CD3^-であるのに対し、その後時間の経過(6ケ月1年後)とともに殆どの骨髄由来DETCはTCR-alphabeta^+/CD3^+となるという事実に基づいている。このDETCが表皮内で分化する可能性を直接証明すめため、骨髄由来DETCが宿主マウス表皮に出現した時点で表皮(皮膚)を採取し、それを第2の宿主マウスに移植し骨髄由来DETCのTCR-alphabeta/CD3の発現を経時的に観察した。なおこの際、第1,第2の宿主マウスの胸腺は摘除しておくことにより胸腺の影響を全く除くことが出来る。当初は表皮のみの移植を試みたが生着しないものが多く、しかもたとえ生着しても表皮内の骨髄由来DETCは皮膚移植後著しく減少してしまうため、この方法での移植は断念せざるを得なかった。そこで真皮も含めた全層皮により同様の検討を行った。全層植皮の場合でもやはり骨髄由来DETCの移植後の減少はある程度認められたものの、TCR-alphabeta^+/CD3^+DETCの比率は移植後の時間の経過とともに増加した。この結果は、表皮のみを移植したわけではないため、表皮に到達した骨髄由来DETCが表皮内で分化したという証明にはならないものの、少なくとも皮膚の中である程度分化しうることが直接的に証明されたといえよう。
蛋白質の運動と連動する水和水のコヒーレントな集団運動の探索

蛋白質運動に不可欠な水分子集団移動の有無やその容態を分子動力学計算トラジェクトリから検討する計算コードを開発した。グルタミン酸脱水素酵素の1ナノ秒トラジェクトリにおいて見出された複数のドメイン開閉運動時間領域に対して適用した結果、ドメイン運動に連動しながら、活性クレフト内に存在する水分子のコヒーレントな集団運動が発生することが明らかになった。今後、このような現象を実験的に明らかにする方法を検討中である。蛋白質立体構造データバンクの中ではあまり利用されていなかった蛋白質周辺での水和水分布について、その構造情報を抽出し、蛋白質表面の11種類の親水性アミノ酸残基に含まれる酸素、窒素原子周辺での経験的水和水確率分布関数を得た。また、その分布関数を用いて、蛋白質の水和構造予測を可能とする計算コードを開発し、その適用可能性を複数の蛋白質について調べた。経験的水和水確率分布関数は、結晶構造解析における構造精密化の際にも参照データを与えるので、構造精密化した蛋白質の水和構造モデルの検定方法も考案した。ドメイン運動に伴う水和構造変化、蛋白質会合での水和の役割などを詳細に解析するために、X線構造解析を試み、機能発現時に予想される構造・水和構造変化の可視化を目指している。昨年度作出したグルタミン酸脱水素酵素の補酵素結合型結晶、チバクロン青色素分子結合のX線回折強度データ収集を実施した。補酵素結合型結晶は分解能の向上が必要であり、また色素結合型では、色素の占有率がモデル構築を可能とするレベルではなかった。蛋白質ジスルフィド結合異性化酵素の酸化還元に伴う構造及び溶媒和の変化をX線小角散乱と核磁気共鳴を組み合わせた実験で明らかにした。シタロン脱水酵素変異体、アリールマロン酸脱炭酸酵素のリガンド非結合状態の分解能向上を図り、それぞれ、1.9A、1.95A分解能での結晶解析を行った。またアリールマロン酸脱炭酸酵素のリガンド結合状態の構造を1.45A分解能で解析した結果、反応中間状態を捉えていることが明らかとなり、補強データを得るために、生化学的実験を実施した。超高度好熱菌由来の多重基質認識型アミノ基転移酵素については、そのリガンド非結合状態の立体構造を3.0Aで解析し、なぜ、多様な基質特異性が現れるのかを議論できる基礎データを得た。超高度好熱菌由来のグルタミン酸脱水素酵素においては、補酵素NADを得、データ収集を行った。まだ分解能が低いために、今後、結晶化条件改善などが必要である。さらに、光受容蛋白質フォトトロピン1と2の光受容ドメインの結晶構造解析が完了した。超高度好熱菌由来のグルタミン酸脱水素酵素の分子動力学計算結果から、これまでに開発してきた空間分割による水分子の運動解析プログラムを踏まえ、蛋白質の自発的構造揺らぎとそれに付随した水和構造の変化について解析を行うためのプログラムを作成した。特に、蛋白質のドメイン、フラグメント運動に不可欠な水分子のコヒーレントな集団運動を探索することを試みた。まず、BPTIと呼ばれる小さな蛋白質の分子どう力学計算結果に対してベンチマ-クテストを行うとともに、水に関する分子動力学計算の論文を参照しながら、どのような物理量によって水の集団運動、クラスターサイズやその寿命などについての特徴づけを行うのが最適なのかを検討した。また、プロテインデータバンクの座標から水和構造の特徴を抽出して蛋白質極性原子団周辺の水和水確率分布関数を得るとともに、その関数を用いた水和構造予測を可能とするアルゴリズムを開発した。
伸展調節による骨髄幹細胞の増殖・分化による腱/靭帯の線維芽細胞の生成

近年、細胞を利用して生体の治癒力を高め、生体組織を再生しようという再生医療の試みが注目されている。再生医療の目的は、細胞を利用した生体組織の再生と臓器機能の代替による病気の治療である。この実現には、再生現象にかかわる増殖・分化ポテンシャルの高い幹細胞の生物医学研究が非常に重要であるが、それに加えて、細胞に生体組織の再生を誘導する手法の研究も不可欠である。本研究では、骨髄幹細胞を対象として、細胞伸展などの力学的な刺激やマイクロ波の電場による電気的な刺激などを与え、細胞増殖・分化のメカニズムを解明し、骨髄幹細胞により腱/靭帯の線維芽細胞の生成の最適条件の発見を目的とする。本年度は以下の実績を得た。1.骨髄幹細胞の増殖メカニズムの解明培養された骨髄幹細胞を一定の密度でシリコン皿に導入し、シリコン皿の伸展によって、細胞に一定の負荷で力学的な刺激を与えることを実現した。また、マイクロ波の電場による電気的な刺激を加えることに成功した。さらに、伸展の振幅、周波数、作用時間およびマイクロ波の周波数、電場強さ、照射時間などが骨髄幹細胞の増殖に及ぼす影響について明らかにした。2.骨髄幹細胞の分化メカニズムの解明シリコン皿の伸展による力学的な刺激および電場による電気的な刺激の単独また総合的な作用により、骨髄幹細胞の分化により腱/靭帯の線維芽細胞の生成条件を見出した。さらに、伸展の振幅、周波数、作用時間およびマイクロ波の周波数、電場強さ、照射時間などの刺激条件が骨髄幹細胞の分化によって腱/靭帯の線維芽細胞の生成に及ぼす影響について明らかにした。1.骨髄幹細胞の培養および実験システムの構築凍結状態の骨髄幹細胞を解凍し、細胞の洗浄、培養、継代を行い、活性度の高い骨髄幹細胞の増殖培養を実現した。一方、複数の伸縮自由なシリコン皿を同じ方向に同時に引っ張可能なステージに固定させ、均一的な一軸機械伸展システムを構築した。さらに伸展の振幅および周波数を制御可能な細胞伸展システムを開発した。また、細胞に高周波数な電場振動を印加でき、周波数、出力パワ、印加時間などを制御できるマイクロ波照射システムを構築した。2.骨髄幹細胞増殖の最適条件の発見培養された骨髄幹細胞を一定の密度でシリコン皿に導入し、培地中に安定させた後、シリコン皿の伸展によって、細胞に一定の負荷で力学的な刺激を与えることを実現した。また、伸展の振幅、周波数、作用時間などを制御することにより、骨髄幹細胞増殖のメカニズムの解明に向けての基礎的な知見を得た。さらにマイクロ波の電場による電気的な刺激を加えることも実現した。
日本と中国の間の技術移転の研究

本年度は、3月6月に現地調査のために訪中した。そして第3回日中経済・技術シンポジウムを瀋陽(5月24日26日)で、第4回を東京(9月24日27日)で開催した。現地調査では中国東北工学院の協力を得て、中国企業に対してアンケート調査をした。現地調査ではアンケート調査のほか、営口,大連,長春,ハルビンなどの経済計画委員会、科学技術委員会、市政府、中国企業などにインタビュー調査を行なった。本年度の研究成果は以下の通りである。1.中国側の科学技術政策および企業の経営管理組織が変化したことにより、技術移転プロセスが急速に変りはじめた。中央政府の権限の下放委譲により、技術移転の決定が早くなったこと、企業の技術導入の自主性が出てきたこと、さらに経営管理組織が共産党主導から経営トップ主導へと移行しはじめたことによって技術移転メカニズムが政治的性格の強いものから、経済性の強いものへと変化しはじめたことである。しかし自由化政策が大幅に進み過ぎたとして引締政策に転換したので、少し後退傾向にある。2.第7次5ヶ年計画によって、技術移転の技術的戦略のほかに方向性を与えたことと、科学技術政策にそった国際的技術移転戦略を展開し始めた。3.社会主義社会では一般にアンケート調査は自由ではない。この場合も、共産党の秘密委員会で共同調査は許可されなかったが、中国側の単独調査の形式をとって、一応の目的は達成することができた。中国企業の技術移転メカニズムは、自由市場経済社会のそれが利潤動機によって動かされるのに対して、利権動機が大きく働く。
粒子の形とガラス転移－微視的理論によるアプローチ

ガラス転移における二つの重要課題に取り組んだ。(1)ランダムピン系の理想ガラス転移:液体系で熱力学的なガラス転移が存在するかは分野の最重要問題のひとつであるが、未だ確たる結論は得られていない。本研究では、ランダムピン系と呼ばれる特殊な模型に注目することで、はじめて計算機実験で理想ガラス転移を実現することに成功した。(2)多成分系のガラス転移のレプリカ理論:現実のガラス系は往々にして多成分系であるが、その興味深い振る舞いの多くは理論的に理解されていない。本研究では、多段階のレプリカ対称性の破れを許したレプリカ理論を構築することで、多成分系特有のデカップリング現象を記述することに成功した。液体を急冷すると、その構造は乱雑なままに、粘性が発散的に増大する。これがガラス転移だ。これまでガラス転移の理論研究では、球状粒子系などの、現実の液体を極度に簡単かしたモデルが考えられてきた。一方で実験的には、様々な形を持った分子のガラス転移が研究され、そして、分子の形や相互作用に応じてガラス転移が実に多彩な特徴を持つことが指摘されてきた。本研究は、この実験と理論のギャップを埋め、粒子の形の及ぼすガラス転移への影響を理解することを目的とする。その第一歩として、球状粒子系に対して発展してきたレプリカ理論を、単純な異方性粒子へと拡張し、そのガラス転移を論ずる。具体的なモデルとして、楕円体系とネットワーク性粒子系に注目し、そのランダム最密充填やフラジリティの起源に、初めての微視的理論による理解をもたらす。昨年度は、(1)ネットワーク性液体にレプリカ理論を適用した。具体的には、Coslovich-Pastore模型と呼ばれるネットワーク性液体の最も単純な模型に対して、初めてレプリカ理論による解析を行った。その結果、レプリカ理論がシミュレーションで見られたフラジリティを再現することが明らかになった。詳細な解析の結果、フラジリティの起源には配位数が決定的な役割を果たしていることを指摘した。(2)楕円体系にレプリカ理論を適用した。これは初めての、レプリカ理論の異方性粒子への拡張である。理論解析の結果、回転運動についてのガラス化も、レプリカ理論で記述できることがわかった。一方で、回転・並進デカップリングのような複数のガラス相が関与する問題に対しては、既存のレプリカ理論そのものが非力であることも明らかになった。これまでガラス転移の理論的研究では、単成分の剛体球系のような簡単な系が注目され研究されてきた。しかし実際のガラス系は多彩であり、実験と理論の間には大きなギャップがある。このギャップを埋める目的で、大きく分けて以下の三つの研究を行った。(1)ガラス転移におけるデカップリング現象のレプリカ理論:実際のガラス転移ではしばしば、系の複数の自由度が別々の温度でガラス化する現象が見られる。これをデカップリング現象と呼ぶ。この現象は、従来のガラス転移のレプリカ理論では記述できなかった。我々はレプリカ理論を拡張することで、この現象を記述することに成功した。我々はまずデカップリング現象を示すスピングラス模型を構築し、レプリカ理論による解析を行ったところ、エネルギー地形に階層構造が出現することがデカップリング現象を引き起こすことを見出した。そして、この効果を取り込んだ液体のレプリカ理論を構築し、二成分剛体球形における大粒子と小粒子のデカップリングを記述することに成功した。この理論的枠組みは、二成分系にとどまらず、デカップリングを示す様々なガラス系に応用できるものであり、理論に本質的な進展をもたらしたといえる。(2)ランダムピン系における理想ガラス転移:これまでのガラス転移の理論は、平均場のレベルにとどまっており、有限次元系ではガラス転移の存否すらわかっていない。この問題の難しさの起源は、遅いダイナミクスのために、転移近傍での実験(数値実験)が出来ないことにある。我々は粒子をランダムピンすることで起こるガラス転移を研究することで、この難点を回避し、熱力学的なガラス転移を数値実験で観測することに成功した。(3)その他:柔らかい粒子のガラス転移に注目し平均場的なガラス転移の詳細を明らかにする研究、ジャミング転移近傍での振動と力学物性を統一的に解析する研究も行った。昨年度は、(1)ネットワーク性液体のレプリカ理論による解析、(2)異方性粒子のレプリカ理論による解析を行った。成果の詳細は以下のとおりである。(1)ガラス形成系を特徴付ける概念として、フラジリティがある。フラジリティが高いとは、温度低下とともに緩和時間が非アレニウス型に発散的に増大する場合を指し、フラジリティが低いとは、緩和時間がアレニウス型に増大する系を指す。興味深いことに、ネットワーク性液体の方がフラジリティが低くなる傾向があるが、その理由は分かっていなかった。

本研究では、ネットワーク性液体の最も単純な模型であるCoslovich-Pastore模型にレプリカ理論を適用し、そのフラジリティの低さの起源を探った。計算結果から、この模型と通常のLJ粒子系では、配置エントロピーの温度依存性が定性的にすら異なることがわかった。具体的には、ネットワーク性液体の場合は、配置エントロピーが鋭く減少せず、低温でも大きいままとなった。この結果とAdam-Gibbsの現象論を組み合わせると、フラジリティの違いを説明できる。さらに配置エントロピーの違いには、配位数が少ないことが決定的な役割を果たしていることがわかった。(2)これまでレプリカ理論は、等方的な相互作用をする粒子系にしか適用できなかった。そこで本研究では、楕円体系を題材にとり、レプリカ理論の異方性粒子への拡張を行った。具体的には、従来のレプリカ間の並進オーバーラップに加えて、回転状態のオーバーラップも秩序変数として加えた自由エネルギーをHNC理論の枠組みで導出し、その振る舞いを解析した。理論解析の結果、回転運動についてのガラス化も、レプリカ理論で記述できることがわかった。一方で、回転・並進デカップリングのような複数のガラス相が関与する問題に対しては、既存のレプリカ理論そのものが非力であることも明らかになった。27年度が最終年度であるため、記入しない。化学物理本年度は、(1)複数のガラス転移を持つガラス系を記述するように、レプリカ理論を本質的に拡張し、楕円体を含む様々な系に応用する、(2)これらの系のジャミング転移を理論的に記述する、という二点に取り組む。目標(1)については、すでに理論的検討を進めている。昨年度の研究の過程で、従来の一段階レプリカ対称性の破れを記述するレプリカ理論を二段階レプリカ対称性を許すように拡張することで、複数のガラス相を矛盾なく記述することを着想した。この拡張に現在取り組んでおり、すでに平均場スピン模型やサイズ比の大きい二成分粒子系については、満足のいく記述が得られることが明らかになってきた。これは楕円体系の理論につながる結果であるだけでなく、独立の重大な価値を持つ成果であるので、まずこの部分のみで発表論文にする計画である。さらにこの結果に基づいて、楕円体系のレプリカ理論をさらに拡張することで、並進・回転デカップリングを記述したい。目標(2)については、昨年度はレプリカHNC理論に基づく計算を行ったが、これをジャミング転移近傍でより正確になる有効液体近似へと変更するところから始める。これにより、単一のガラス相に付随するジャミング転移が記述できる。さらに興味深いのは、複数のガラス相が現れるとき、ジャミング転移は異なる特徴を持つかという問いである。目標(1)の研究で二段階レプリカ対称性の破れを伴う理論を得て、この本質的な問いにアプローチする。