hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
細菌における高度不飽和脂肪酸含有生体膜ドメインの形成機構と生理機能

高度不飽和脂肪酸(PUFA)生産性細菌において、PUFAは生体膜リン脂質のアシル鎖として生理機能を発揮すると考えられている。一方、さまざまなタンパク質がアシル鎖修飾を受けることから、PUFAがタンパク質を修飾することで、その機能や局在性を制御する可能性も考えられる。しかし、PUFA修飾型タンパク質の存在についてはこれまで明らかにされてこなかった。本研究では、PUFAの一種であるエイコサペンタエン酸(EPA)を生産する細菌Shewanella livingstonensis Ac10にEPA修飾型タンパク質が存在するか検討した。EPAのω末端メチル基をエチニル基で置換したEPAアナログ(eEPA)の存在下で培養した菌体の膜画分をクリックケミストリーの手法でビオチン標識し、ストレプトアビジンビーズを用いたアフィニティー精製に供した結果、eEPA添加条件で菌体を培養したときにのみビーズに結合するタンパク質が見いだされた。eEPA依存的にビーズに結合したタンパク質をペプチドマスフィンガープリンティング解析に供した結果、5種類のタンパク質が同定された。それらのうち、外膜タンパク質と推定されるOmp74には細菌の脂肪酸修飾タンパク質に保存されるリポボックス配列が存在しなかったことから、従来知られていた脂肪酸修飾とは異なる様式でEPAが付加していることが示唆された。本菌の主要な脂肪酸であるパルミトレイン酸(PAL)のω末端メチル基をエチニル基で置換したPALアナログ(ePAL)を用いて同様の実験を行った結果、ePAL修飾型Omp74の含量はeEPA修飾型Omp74の含量よりも少ないことが見いだされ、Omp74がEPAによる選択的修飾を受けていることが示唆された。平成29年度が最終年度であるため、記入しない。(1)エイコサペンタエン酸の生体内での動態を解析するためのツールとして、EPAのω末端にエチニル基(炭素-炭素三重結合をもつ官能基)を導入した化合物(cEPA)を合成した。全12段階の反応でcEPAを合成する方法を確立し、これにより収率5.2%でcEPAを得ることに成功した。対照実験で用いるためのcPAL(パルミトレイン酸のω末端にエチニル基を導入した化合物)の合成法も確立した。次に、cEPAをShewanella livingstonensis Ac10のEPA欠損株に添加し、cEPAがEPAの機能を代替できるか調べた。本菌のEPA欠損株は、低温での生育速度が野生株に比べて著しく遅く、また、異常に伸長した細胞を形成するが、EPAを培地に添加することで、これらの生育阻害が抑制される。cEPAを培地に添加したところ、天然型EPAを添加したときと同様、生育遅延と異常な細胞伸長が抑制された。また、cEPAがリン脂質のアシル鎖として取り込まれることも明らかとなった。以上のことから、本菌においてcEPAは天然型EPAと同様に機能すると考えられた。(2) S. livingstonensis Ac10の野生株およびEPA欠損株を、cEPAあるいはcPALを添加した培地で、4 °Cで培養した。培養後の菌体を化学固定した後に、アジド基をもつ蛍光色素AlexaFluorTM 488 azideを添加し、クリックケミストリーによりω末端エチニル基を蛍光標識することで、cEPAとcPALを可視化した。cPALを添加した場合、細胞全体に拡散した蛍光シグナルが検出される細胞が多かったのに対して、cEPAを添加した場合では、細胞内に不均一に蛍光シグナルが分布した細胞が多く観察された。cEPAの効率的な合成法を確立するとともに、その細胞内での可視化に成功するなど、大きな進展があった。一方、EPAのリン脂質への導入を触媒する酵素PlsC1の細胞内局在化機構の解明には至っていないことから、「おおむね順調に進展している」と評価することが妥当と考えられる。エイコサペンタエン酸(EPA)の欠損で細胞分裂不全が生じる細菌Shewanellalivingstonensis Ac10を用いて、細胞分裂におけるEPAの機能発現機構を解析した。まず、細胞分裂時に核様体閉鎖領域でリング状に会合するFtsZに対する抗体を調製した。これを用いて、S. livingstonensis Ac10の野生株とEPA欠損株のFtsZを免疫蛍光染色の手法で可視化した。その結果、FtsZが形成するリング構造(Zリング)は野生株では観察されたが、EPA欠損株では観察されなかった。このことから、EPAはFtsZの正常な会合に要求されると考えられた。次に、EPAとFtsZの関係をより詳細に調べるため、EPAのω末端メチル基をエチニル基(-C≡CH)に置換したEPAアナログ(eEPA)を用いて、eEPAとFtsZの共局在性を解析した。S. livingstonensis Ac10のEPA欠損株にeEPAを取り込ませるとeEPAがEPAの機能を代替し、細胞分裂阻害が抑制されるが、この細胞について、eEPAを蛍光標識アジド化合物(Alexa Fluor 488 azide)とクリックケミストリーの手法で結合させることで可視化した。その結果、eEPA含有リン脂質が濃縮されたと考えられるドット状の蛍光シグナルが細胞内に観察された。さらに、FtsZを免疫蛍光染色によって可視化することでeEPAとの共局在性を解析したが、eEPAとFtsZとの共局在は観察されなかった。

これらの結果から、EPAはZリングの形成に関与するが、EPAとFtsZとの間に恒常的な相互作用はなく、Zリング形成時に一過的に相互作用することや、EPAが間接的にFtsZの会合に影響を及ぼすことが示唆された。EPAがFtsZによるZリング形成に関与することを明らかにし、また、eEPAとFtsZの共染色に成功するなど大きな進展があった。一方、Zリング形成におけるEPAの具体的役割については未解明であり、また、細胞分裂に伴って形成される高曲率の膜構造へのEPA含有リン脂質の局在性も明らかにできていないため、「おおむね順調に進展している」と評価することが妥当と考えられる。高度不飽和脂肪酸(PUFA)生産性細菌において、PUFAは生体膜リン脂質のアシル鎖として生理機能を発揮すると考えられている。一方、さまざまなタンパク質がアシル鎖修飾を受けることから、PUFAがタンパク質を修飾することで、その機能や局在性を制御する可能性も考えられる。しかし、PUFA修飾型タンパク質の存在についてはこれまで明らかにされてこなかった。本研究では、PUFAの一種であるエイコサペンタエン酸(EPA)を生産する細菌Shewanella livingstonensis Ac10にEPA修飾型タンパク質が存在するか検討した。EPAのω末端メチル基をエチニル基で置換したEPAアナログ(eEPA)の存在下で培養した菌体の膜画分をクリックケミストリーの手法でビオチン標識し、ストレプトアビジンビーズを用いたアフィニティー精製に供した結果、eEPA添加条件で菌体を培養したときにのみビーズに結合するタンパク質が見いだされた。eEPA依存的にビーズに結合したタンパク質をペプチドマスフィンガープリンティング解析に供した結果、5種類のタンパク質が同定された。それらのうち、外膜タンパク質と推定されるOmp74には細菌の脂肪酸修飾タンパク質に保存されるリポボックス配列が存在しなかったことから、従来知られていた脂肪酸修飾とは異なる様式でEPAが付加していることが示唆された。本菌の主要な脂肪酸であるパルミトレイン酸(PAL)のω末端メチル基をエチニル基で置換したPALアナログ(ePAL)を用いて同様の実験を行った結果、ePAL修飾型Omp74の含量はeEPA修飾型Omp74の含量よりも少ないことが見いだされ、Omp74がEPAによる選択的修飾を受けていることが示唆された。PlsC1の特性解析、特に細胞内局在性と局在化機構の解析を重点的に進める。また、EPAがリン脂質のアシル鎖としてのみならず、タンパク質の修飾剤として機能することが示唆されているので、cEPAを細胞に添加し、cEPA修飾タンパク質を同定する実験も進める。EPAのリン脂質への導入を担うPlsC1と、FtsZなどの細胞分裂関連タンパク質の相互作用や、PlsC1の局在性とEPA含有リン脂質の局在性の相関について解析を進める。EPA含有リン脂質との相互作用やEPAによる修飾が膜タンパク質の構造と機能におよぼす影響についても解析を進める。平成29年度が最終年度であるため、記入しない。
河口域での底生甲殻類の餌生物摂食に伴う重金属の生体移行性に与える溶存有機物の影響

都市周辺水域における重金属類の水生生物への毒性影響を想定して、下水処理水中溶存有機物の水環境中での紫外線照射に伴う重金属の化学形態と毒性の変化に関する基礎実験を行い、元素ごとに錯形成能の増減(毒性の増減と関連)が異なることを示した。また、重金属の餌生物(藻類)への吸収過程を経た底生甲殻類カイミジンコへの毒性影響に関する用量反応関係を明らかにし、摂食による毒性も溶存重金属摂取と同程度に重要であることが示された。本申請研究の目的は、都市周辺の水域における重金属類の水生生物への毒性影響を想定して、溶存有機物との錯形成や複数の生物を介した移行特性、底質を含めた挙動について知見を得ることである。本年度の研究により得られた結果は以下のとおりである。1.底層水環境中での汚染物質の移行と生物影響評価底生端脚類のニホンドロソコエビを用いて、新規の非致死エンドポイントである摂食量の評価手法を検討した。短時間で計測可能な指標を目指し底質曝露開始1時間後に4.1μm蛍光ビーズを25mg/Lになるよう添加し、30分間ののち試験個体を回収して、体内のビーズ数を計数した。個体によるばらつきが大きく今後の更なる改善が必要であるが、ある程度の毒性傾向を検出することができた。さらにニホンドロソコエビの異なる塩分濃度下での試験法の検討を行い、毒性物質非存在下で535‰の範囲で致死率には統計的な有意差がないこと、摂食量については高塩分濃度(35‰)下で減少が認められることが分かった。甲殻類への餌となる藻類の細胞内重金属類分布について、緑藻Scenedesmus acutusに異なる濃度の亜鉛・銅を投与して検討を行った。どちらの元素についても細胞内の超遠心分離による沈降画分の寄与が大きかったが、銅については細胞内の非沈降画分が亜鉛と比較して大きく、捕食者への食餌由来毒性影響に差異があることが推測される結果となった。2.錯形成能特性評価重金属の錯形成に関する特性評価にフーリエ変換質量分析計を利用するための分析条件の検討を行った。EDTAによる亜鉛の錯形成については、m/zピークのシフトを確認し、錯形成の状態を確認できた。一方、市販フミン酸に鉄と亜鉛を添加した系についても、錯形成前後のマススペクトルを比較したところ、錯形成によるピークシフトと推定される変化が観察された。今後は他の分析手法と併用することで、詳細な解析を行う必要がある。1.底層水環境中での汚染物質の移行と生物影響評価藻類の細胞内への重金属類の移行と捕食生物への移行性画分の評価について、さらなるデータの蓄積を進めた。緑藻Chlorella vulgarisを銅・亜鉛・カドミウムで汚染してカイミジンコHeterocypris incongruensに投与する実験を実施し、前年度に行った別種の藻類の結果と合わせて総合的な評価を行った。これらの重金属に対し、水系曝露と同等の餌由来曝露の致死毒性影響が示された。これは固相由来の重金属に対する底生生物の用量反応関係という有用性の高い新規の基礎的データである。なお二種の緑藻類を用いたが、全体的にデータそのもののばらつきが大きく、種による差異は明確ではなかった。ニッケルを用いた同様の実験も実施したが、用いた濃度範囲では明確な毒性影響が認められなかった。また下水処理水由来溶存有機物を添加した系での同様の実験にも着手した。2.錯形成能特性評価キレート樹脂法を用い、下水処理水中溶存有機物の重金属錯形成能の特性評価を行った。特に水環境中での紫外線による構造変化に着目し、波長310nmの紫外光照射前後の錯形成能の変化を調べた。照射後に銅の錯形成能が低下し、カドミウムの錯形成能は向上した。フーリエ変換質量分析計(FTーMS)を用いた特性評価については、異なる固相抽出カラムを用いて溶存有機物を分画する検討に着手した。1.底層水環境中での汚染物質の移行と生物影響評価藻類の細胞内への重金属類の移行と捕食底生生物への移行性画分の評価について、下水処理水由来溶存有機物を添加した系での実験を行った。2箇所の都市下水処理水に01.3 mg/Lの範囲で5段階の濃度の銅を添加し、緑藻類Scenedesmus acutusを10日間培養した。増殖に伴うpH上昇を緩和するためTrisバッファを添加した系も同様に実験を行った。

培養末期の溶存態銅濃度と固相(藻類細胞)中銅濃度との関係は2つの下水処理水試料でほぼ同様であったが、バッファ添加により固相への移行が大きく低下した。増殖した銅汚染藻類細胞を回収し、底生甲殻類Heterocypris incongruensの餌として投与して、6日間飼育後の致死率を定量した。餌中銅濃度と致死率との用量反応関係は、藻類培養時のバッファ添加の有無による差異よりも、下水処理水試料ごとの差異の方が顕著であった。一方の下水処理水を用いた際の用量反応関係はC培地を用いた際の関係(前年度成果)とほぼ同様であったのに対し、もう一方は毒性影響が大幅に低い結果となった。この差異と、藻類細胞内の銅の分画結果との明確な関係性は認められなかった。2.錯形成能特性評価前年度の予備的検討を踏まえ、下水処理水中溶存有機物の環境中での光反応に伴う錯形成能特性変化を、UV-LEDを用いて確認した。10kJ/m2の線量で312nmおよび340nmの紫外線を下水処理水にそれぞれ照射し、照射前後の錯形成能を調べたところ、312nmではニッケル錯形成能低下、カドミウム錯形成能上昇、340nmではニッケル錯形成能低下、銅および亜鉛錯形成能上昇が統計的に有意であった。3次元励起蛍光分析からも波長による変化の差異が確認された。別の時期に同一の下水処理場にて採取した処理水に340nmの紫外線をより高線量(82.4kJ/m2)で照射した場合でも、錯形成能変化の元素依存性の傾向は同様であった。26年度が最終年度であるため、記入しない。都市環境工学26年度が最終年度であるため、記入しない。交付申請書に記載した研究項目のうち、底層水環境中での汚染物質の移行と生物影響評価については計画通り進捗し、一部は既に学会発表も行い、また論文投稿も進んでいる。錯形成能特性評価については、より新規性の高いフーリエ変換質量分析計の分析条件の検討に注力し着実に進展している。環境試料中溶存有機物の錯形成評価については既存のデータの再整理を行い、学術雑誌への掲載が決定している。交付申請書に記載した研究項目のうち、底層水環境中での汚染物質の移行と生物影響評価については計画通り進捗し、当該分野での代表的な国際誌への論文掲載も決定し、国内学会発表でも受賞するなど成果を社会に発信し、評価されている。錯形成能特性評価については、環境中での紫外線による変化の実験に新たに着手し、新規性の高い知見が得られつつある。計画通り進捗しており、特記すべき計画変更や課題はない。おおむね計画通りに推進するが、上述したとおり、水環境中での紫外線による錯形成能の変化に関して新規性の高い知見が得られつつあることから、最終年度はその知見の体系化に注力する予定である。当初、平成25年2月開催の国際会議(米国)での発表を想定して口頭発表申し込みをしていたがポスター発表での採択となったため、より成果発表に適した国際会議として平成25年6月開催の国際会議に投稿することに変更した。そのための旅費および会議参加登録費を平成25年度に繰り越すこととした(口頭発表での採択が決定済みである、それ以外については計画通り進捗しており、経費使用について変更はない。当初、外国人研究員を一年間雇用する予定でいたが、11月より他機関に転出し、後任が決定しなかったため主として人件費分を繰り越すこととした。
各種配属問題への安定マッチングの応用

例えば大学の研究室配属において、各学生が研究室を志望順に順位付けし、同様に各研究室が学生を順位付けし、それらの希望に基づいて「安定条件」を満たす配属を求める問題を安定結婚問題という。この問題は、特に病院に研修医を配属することに応用されており、日本でも最近、研修医配属に本問題を利用し始めたことで、注目を集めている。本年度は以下の結果を得た。1.希望リストに同順位と不完全性を許した場合に、最大サイズの安定マッチングを求める問題はNP困難である。本研究では1.875-近似アルゴリズムを完成させ、昨年度の2007年のACM-SIAM Symposium on Discrete Algorithms(SODA)で発表したが、今年度はその結果を1.8まで改良し、証明を完成させ国際論文誌へ投稿した。2.安定マッチングを求める単純なアルゴリズムは、研修医側または病院側に優位に働くという特徴がある。できるだけ両者に平等な安定マッチングを求める問題はNP困難である。本研究では、多項式時間近似アルゴリズムの開発を行い、与えたパラメータに依存していくらでも最適に近い解を求めるアルゴリズムを開発した。この結果は、2007年のWorkshop on Algorithms and Data Structures(WADS 2007)で発表した。この問題は、特に病院に研修医を配属することに応用されており、世界でも5つほどの応用例がある。日本でも最近、研修医配属に本問題を利用し始めたことで、注目を集めている。希望リストに同順位と不完全性を許した場合に、1つの例題に対して様々なサイズの安定マッチングが存在することが、これまでの研究から分かっている。また、それらの中で最大サイズのものを求める問題がNP困難であることも既に知られている。本研究の課題の1つは、実用的時間内でできるだけ最大サイズに近い安定マッチングを求めるアルゴリズムを開発することである。これまでで最も良い近似アルゴリズムは、最適解の少なくとも(2-c logN/N)分の1以上のサイズの解を求める近似アルゴリズムであった(cは例題に関係のない定数で、Nは例題中の男性の数)。本研究ではこの値を(2-c/√N)に改良した。この結果は、2005年12月の16th International Symposium on Algorithms and Computation(ISAAC 2005)にて発表した。最大サイズの半分以上の安定マッチングを求めるアルゴリズムは簡単に構築できるが、それを本質的に改良することの可否が未解決であった。本研究において、少なくとも1/1.875のサイズの解を求めるアルゴリズムを開発し、この未解決問題に答を与えた。このアルゴリズムは逐次改善型であり、与えられた安定マッチングのサイズを増やすことができ、応用も広い。この結果は、2007年のACM-SIAM Symposium on Discrete Algorithms(SODA)で発表した。またその後の研究で、上記の1.875という値を1.8にまで改良した。
共感と自己・他者理解：音楽脳ネットワークのイメージング研究

機能的結合(functional connectivity)解析によって、脳内機能ネットワークの一部に、音大生と一般大生の間で有意差を示すものがあることが示された(Tanaka and Kirino, 2018)。音楽においては聴覚と運動機能が重要である。したがって、長期の音楽トレーニングを積んだ音大生の脳内機能的結合は、聴覚野と運動野間に一般大生との違いが見られることが予想された。そこで、両グループの学生の安静時fMRIデータを取得し、機能的結合解析を行った。その結果、聴覚野と運動野間の直接的な結合強度に有意差は見られず、parietal operculumを介する両野の間接的な結合の強度に統計的有意差が認められた。この結果は、音楽における聴覚・運動協調の理解を深めることが期待される。次に、音楽家を被験者として、本研究課題で考案した「イメージ演奏実験」を行い成果を得た(Tanaka and Kirino, 2019)。イメージ演奏では実際の音は出さないが、演奏プランニングは脳内で行われる(Tanaka and Kirino, 2017)。今回新たに行った解析は、角回(angular gyrus)をハブにする脳内ネットワークがイメージ演奏中に強化されることを示した。このネットワークは演奏プランニングに関わるネットワーク(補足運動野をハブとする)とは明確に区別され、記憶の想起、イメージの構築、社会的感情の処理に関わるものであることが、結合プロファイルから推測される。この結果は、音楽家のイメージ演奏中の脳内で、演奏プランニングとイメージ・感情の処理(表現)が2つの異なるネットワークによって並行して行われることを世界で初めて示したものである。予定していた機能的結合(functional connectivity)解析が順調に進んでいる。今後さらに実験データを蓄積して、信頼性の高い機能的結合解析を進める。この解析は、拡散MRIの結果と合わせることによって、より深い解釈が可能になる。現在、両社の結果を統合した解釈・意味づけを試みている。その中のひとつである皮質・線条体ネットワークは手続き記憶の主要ネットワークであり、楽器演奏においても重要な働きをすると考えられる。音大生のこのネットワークは、一般大生のそれと比べて規模は縮小しているが、演奏に関連すると考えられる部位との結合が強くなっていた。長期の音楽トレーニングによって、取捨選択と(必要な結合の)強化が行われたものと解釈できる。さらに、イメージ演奏実験を行い、期待以上の結果を得ている。現在、被験者数を増やしているので、今後も新たな結果が得られることが期待できる。音楽家のイメージ演奏実験の被験者数の増加にともない、声楽と器楽奏者間の比較なども新たに可能になりつつあるので、その解析を始める。新年度からは、構造ネットワークの拡散テンソル解析との比較も始める。解析に必要なデータ(diffusion MRI data)は初年度から取得しつつある。これも音大生と一般大生が被験者になっているので、群間比較や個別解析が可能である。VBM (voxel-based morphometry)法による脳の局所体積比較によって、音大生と一般大生の間で有意差を示す脳部位が複数認められた(複数の高次視覚野、下部前頭回(とくに右側)、大脳基底核線条体の一部など)(Sato, Tanaka and Kirino, 2015)。一般大生を音楽経験の有無によって2つのグループに分けて解析を行い、有意差を示すすべての脳部位において、音大生、音楽経験のある一般大生、音楽経験のない一般大生の順で3段階の変化を示していることから、これらの有意差は音楽トレーニングによって生じたものであると判断できる。全脳体積には有意差は認められなかった。脳の局所体積の変化は脳の可塑性によるものである。音楽が脳や知性の発達によい効果をもたらすことが語られることが多くなっているが、本研究はその証拠を提示するものとして意義がある。さらに、どの部位がどの程度変化するかを見れば、音楽にどのような情報処理が必要であるかということもある程度推測できるので、脳科学のみならず音楽学や音楽教育学などへの貢献も期待できる。興味深いことに、音大生のみに有意差が見られる部位と、音大生と音楽経験のある一般大生に対して音楽経験のない一般大生に有意差が見られる部位があり、これは長期の(あるいは高いレベルの)音楽トレーニングによってはじめて変化が顕著に見られる部位と軽度の音楽トレーニングによっても変化が現れる部位があることを意味する。初年度にfMRI実験データが順調に取得できたため、次年度に予定していた機能的結合(functional connectivity)解析も始めることができた。この解析は、VBMによる局所体積比較の結果と合わせることによって、より深い解釈が可能になる。皮質・線条体ネットワークの機能的結合解析によって、音大生の方が一般大生と比べて、このネットワークが有意に縮小していることを示した(Tanaka and Kirino, 2016a)。

これは昨年度の成果である、線条体の体積が音大生の方が一般大生と比べて有意に小さいことと対応して、長期の音楽トレーニングによって体積のみならず、機能的ネットワークも縮小していること示した点で興味深い。無駄な結合が省かれること(刈り込み)によって生じたものであると解釈できるが、同類の研究は今のところ存在しない(世界初)。次に、心的イメージを形成する際に主要な働きをすると考えられているprecuneusという部位の機能的結合解析を行い、operculumとの結合が音大生で一般大生より有意に強いという結果が得られた(Tanaka and Kirino, 2016b)。Operculumは言語とともに音楽でも重要な部位で、とくに演奏との関連が興味深い。演奏においては、心的イメージを音楽表現に用いることが多く、音大生は音楽トレーニングによって、その機能が強化されていることを示している。本研究により、心的イメージを音楽表現に用いことの脳内メカニズムの解明に向けた第一歩を踏み出すことができた。これに関しては引き続き研究を行っていく予定である。本年度に予定していた機能的結合(functional connectivity)解析を行うことができた。今後さらに実験データを蓄積して、信頼性の高い機能的結合解析を進める。この解析は、VBMによる局所体積比較の結果と合わせることによって、より深い解釈が可能になる。現在、両社の結果を統合した解釈・意味づけを試みている。その中のひとつである皮質・線条体ネットワークは手続き記憶の主要ネットワークであり、楽器演奏においても重要な働きをすると考えられる。音大生のこのネットワークは、一般大生のそれと比べて規模は縮小しているが、演奏に関連すると考えられる部位との結合が強くなっていた。長期の音楽トレーニングによって、取捨選択と(必要な結合の)強化が行われたものと解釈できる。本年度のもうひとつの研究であるprecuneusの機能的結合解析についても、予定通り終えた。来年度に予定していたそれ以外の機能的結合解析も、本年度中に始めている。本年度は予定していた多くの実験が成果をもたらした。その中で最も価値が高い(他に研究例がなく、かつ学術的に意義深い)と考えられるのは、イメージ演奏時の脳内ネットワークの解析である。安静時と比べて、イメージ演奏時の補足運動野のネットワークは、後部・下部頭頂葉、後頭葉(視覚野)、後部側頭葉、前頭極(前頭葉の先端部)、感覚運動野、小脳との結合が有意に強かった。補足運動野の機能によれば、このネットワークは運動(演奏)プランニングを行うネットワークであると考えられる。感覚運動野と小脳との結合が強くなるのは運動制御と結びつけるため、高次視覚野、後部頭頂葉、後部側頭葉との結合強度の増加は、視覚、空間、社会認知などの情報の統合を行うため、前頭極との結合強度の増加は意思決定などのメンタルな働きが関わるためであると推測される。
簡易脳波計測器による欲求の抽出および官能評価

本研究では,簡易脳波計測器を製作し,人間の生理的欲求・習慣的欲求および官能評価の研究を行うために,21年度は脳波計測装置の確立を行なった.研究を遂行するにあたって,21年度はFP1箇所のみを測定するセンサを用いて生体情報をAD変換ボードから取り込み,バンドパスフィルタによって医学的に有意な周波数を取得する簡易脳波計測器を製作した.簡易脳波計測器は,多くの電極をもつ従来の脳波計測器を用いた際と同等の計測を可能にした測定器として設計した.さらに得られる脳波に対してSimple-FLDAを用いたオンライン特徴抽出システムを用いて脳はとノイズに分類し,脳波から生理的欲求・習慣的欲求をパターンとして分類する前に前処理を行なうことで,意味のある信号のみを取り出すことができた.本アルゴリズムを用いることで,人間の生理的欲求(トイレに行きたい,食事を取りたい)の脳波を検出することができた.また生理的欲求には15Hzおよび18Hzが重要である事が解明された.また習慣的欲求(喫煙や飲酒)の脳波をそれぞれ分類することも成功した.本研究では,簡易脳波計測器を製作し,人間の生理的欲求・習慣的欲求および官能評価の研究を行うために,21年度は脳波計測装置の確立を行なった.研究を遂行するにあたって,21年度はFP1箇所のみを測定するセンサを用いて生体情報をAD変換ボードから取り込み,バンドパスフィルタによって医学的に有意な周波数を取得する簡易脳波計測器を製作した.簡易脳波計測器は,多くの電極をもつ従来の脳波計測器を用いた際と同等の計測を可能にした測定器として設計した.さらに得られる脳波に対してSimple-FLDAを用いたオンライン特徴抽出システムを用いて脳はとノイズに分類し,脳波から生理的欲求・習慣的欲求をパターンとして分類する前に前処理を行なうことで,意味のある信号のみを取り出すことができた.本アルゴリズムを用いることで,人間の生理的欲求(トイレに行きたい,食事を取りたい)の脳波を検出することができた.また生理的欲求には15Hzおよび18Hzが重要である事が解明された.また習慣的欲求(喫煙や飲酒)の脳波をそれぞれ分類することも成功した.本研究では,簡易脳波計測器を製作し,人間の生理的欲求・習慣的欲求および官能評価の研究を行うために,21年度は脳波計測装置の確立を行なった.研究を遂行するにあたって,21年度はFP1箇所のみを測定するセンサを用いて生体情報をAD変換ボードか6取り込み,バンドパスフィルタによつて医学的に有意な周波数を取得する簡易脳波計測器を製作する.簡易脳波計測器は,多くの電極をもつ従来の脳波計測器を用いた際と同等の計測を可能にした測定器として設計する.さらに得られる脳波に対してSimple-FLDAを用いたオンライン特徴抽出システムを用いて脳はとノイズに分類し,脳波から生理的欲求・習慣的欲求をパターンとして分類する前に前処理を行なうことで,意味のある信号のみを取り出すことができた.本アルゴリズムを用いることで,人間の生理的欲求(トイレに行きたい,食事を取りたい)の脳波を検出することができた.また生理的欲求には15Hzおよび18Hzが重要である事が解明された.また習慣的欲求(喫煙や飲酒)の脳波をそれぞれ分類することも成功した.ただし,周波数領域でどの周波数が重要であるか特定するまでには至らなかった.これらに関しては次年度解明予定である.本研究では,簡易脳波計測器を製作し,人間の生理的欲求・習慣的欲求および官能評価の研究を行うために,21年度は脳波計測装置の確立を行なった.また,21年度に脳波から生理的欲求・習慣的欲求をパターンとして分類する前に前処理を行なうことで,意味のある信号のみを取り出すことができた.本アルゴリズムを用いることで,人間の生理的欲求(トイレに行きたい,食事を取りたい)の脳波を検出することができた(21年度).そこで本年度は21年度に得られた脳波の特徴から,トイレに行きたいときには具体的に周波数の○HZと○HZ(組み合わせ)が重要である,という脳波の周波数特定を目指し研究を行った.その結果,生理的欲求には11Hzと14Hzの組み合わせが大きく影響していることを突き止めた.さらに,これらの周波数の組み合わせには個人ごとに差があるものの11Hzと14Hzの組み合わせが重要であることは変わりないことを証明し,個人差による影響を防ぐためにこれらの周波数の組み合わせを見る際に重みを付ける方法を提案した.重み決定方法には遺伝的アルゴリズムを用いて決定することでそれぞれの個人による差を軽減することができた.これらによって,脳波から生理的欲求を取得するために重要な周波数の組み合わせと個人差による影響を防ぐためのアレンジを行うことができ,研究実施計画どおり進めることができたと考えている.
力触覚提示機能を有するネットワーク型脳外科手術シミュレータの開発

本研究は,力触覚提示機能を有する脳外科手術シミュレータの開発,および,脳外科手術シミュレータのネットワーク接続による遠隔ユーザ間VR環境共有の実現を目的として行われた.2016年度は,前年度に開発したメッシュ生成手法の三次元化と,力覚提示のための接触問題解法および安定化手法についての研究を行い,以下の成果を得た.(1)医用画像に基づくメッシュ生成手法を三次元化し,脳裂の狭い溝構造が反映された有限要素メッシュの自動生成を実現した.これにより,従来より専門家の手作業が必要とされてきた患者固有モデル生成タスクの労力が削減された.この成果は国際会議MICCAI2016で発表した.(2)前述のメッシュ生成手法は対象領域とメッシュの間で境界適合性を満たさない.この不適合性を考慮した接触判定法として,符号付き距離場を変形座標に対応付けて用いる高速な接触判定法を採用した.同手法は脳組織圧排シミュレーションに有効であることが確認されたため,日本コンピュータ外科学会誌に論文を投稿し採択された.(3)高品質な力覚提示の実現には,安定かつ高速な接触シミュレーションの実現が必要となる.そこで,計算量削減のために接触問題をペナルティ法により定式化し,また,30ms程度の時間刻みにおいて安定性を得られるよう,陰的時間積分を適用した計算法を示した.同手法を評価しIEEE ROBIO 2016で発表した.上記のようにシミュレータの基本機能開発は順調に進行したが,ネットワーク接続による遠隔ユーザ間VR環境共有の研究は十分に取り組むことができなかった.これは物理エンジンの開発に想定以上の時間が必要であったことと,研究過程の副産物で有用性が高かったメッシュ生成手法の成果発表を優先したためである.このように課題は残ったが,手術シミュレータの研究分野に重要な貢献を行うことができたと考えている.28年度が最終年度であるため、記入しない。28年度が最終年度であるため、記入しない。本研究は,力触覚提示機能を有する脳外科手術シミュレータの開発,および,脳外科手術シミュレータのネットワーク接続による遠隔ユーザ間VR環境共有の実現を目的としている.昨年度は手術シミュレータの要素技術開発を行い以下(1)-(3)のような結果を得た.これらにより,脳外科手術シミュレータの基本的な機能を実現し,次年度におけるシミュレータのネットワーク接続に向けた基礎を構築することができた.(1)リアルタイム手術シミュレーションの研究分野では,メスによる切開などの鋭的剥離のモデリングが盛んに行われてきたが,組織の材料特性に基づく鈍的剥離のモデリングは十分に行われていなかった.鈍的剥離シミュレーションの問題として,破壊に伴う不安定化と計算量の増加があり,本研究では要素削除に基づいたシンプルかつ高速な安定化手法を開発した.(2)本研究では,生体軟組織の変形計算において信頼性を保証するため,高精度な数値計算が可能な有限要素法を採用しているが,脳全体の変形計算を行うためには数値計算を高度に最適化し高速計算を行う必要がある.そこで,共回転系定式化に基づく有限要素法をGPUによる並列計算によって高速化し,脳全体モデルの変形計算において,マルチコアCPUによる実装に対し2倍の計算速度を実現した.(3)医用画像に基づく患者固有の臓器メッシュ生成は手術シミュレータの課題のひとつである.特に,脳は多くの溝構造を持ち,これをメッシュに反映することは困難であった.本研究ではこの問題を解決するため,重複要素を用いて溝構造を保存する有限要素メッシュ生成手法を開発した.平成27年度は,実時間計算可能な計算コストという制限下で,可能な限りの物理的正当性を実現する数値モデルの開発,および,シミュレータのネットワーク結合のための基礎的システム構築を予定していた.数値モデルの開発については,GPUに適したアルゴリズムを開発・検証し,現行の計算リソースにおいて有限要素法に基づくモデルを実用的に利用できることが確認されたため,雑誌論文で発表した.さらに,当初の予定通り,高精細グラフィクスと有限要素メッシュの分離により視覚的妥当性の向上を図った.また,患者固有モデルの生成を容易にするため,医用画像に基づいた任意解像度の有限要素メッシュ生成手法の開発と基礎的検討を行い,国内会議で発表した.これらの成果によって脳外科手術シミュレータの基本的な機能を実現することができた.しかしながら,生体軟組織の変形モデリングと高速計算手法の要素技術開発に期間を要したため,当初予定していたネットワークを利用した複数遠隔ユーザによる同一仮想手術の共有についての基礎検討に取り組むことができなかった.この点については次年度の課題である.本研究は,力触覚提示機能を有する脳外科手術シミュレータの開発,および,脳外科手術シミュレータのネットワーク接続による遠隔ユーザ間VR環境共有の実現を目的として行われた.2016年度は,前年度に開発したメッシュ生成手法の三次元化と,力覚提示のための接触問題解法および安定化手法についての研究を行い,以下の成果を得た.(1)医用画像に基づくメッシュ生成手法を三次元化し,脳裂の狭い溝構造が反映された有限要素メッシュの自動生成を実現した.これにより,従来より専門家の手作業が必要とされてきた患者固有モデル生成タスクの労力が削減された.この成果は国際会議MICCAI2016で発表した.(2)前述のメッシュ生成手法は対象領域とメッシュの間で境界適合性を満たさない.この不適合性を考慮した接触判定法として,符号付き距離場を変形座標に対応付けて用いる高速な接触判定法を採用した.同手法は脳組織圧排シミュレーションに有効であることが確認されたため,日本コンピュータ外科学会誌に論文を投稿し採択された.

(3)高品質な力覚提示の実現には,安定かつ高速な接触シミュレーションの実現が必要となる.そこで,計算量削減のために接触問題をペナルティ法により定式化し,また,30ms程度の時間刻みにおいて安定性を得られるよう,陰的時間積分を適用した計算法を示した.同手法を評価しIEEE ROBIO 2016で発表した.上記のようにシミュレータの基本機能開発は順調に進行したが,ネットワーク接続による遠隔ユーザ間VR環境共有の研究は十分に取り組むことができなかった.これは物理エンジンの開発に想定以上の時間が必要であったことと,研究過程の副産物で有用性が高かったメッシュ生成手法の成果発表を優先したためである.このように課題は残ったが,手術シミュレータの研究分野に重要な貢献を行うことができたと考えている.本年度は(1)開発した要素技術の洗練および論文・国際会議等による発表を行うとともに,(2)手術シミュレータのネットワーク接続による仮想手術環境の共有を目指した基礎研究を進める.(1)前年度に開発した医用画像に基づくメッシュ生成手法は,二次元問題において検証されたが三次元問題については未検証であったため,これに取り組む.さらに,同メッシュ生成手法は医用画像のボクセルデータを一様格子メッシュに埋め込むアプローチをとっているため,メッシュの境界適合性がない.これを解決するための剛性マトリクスの構築法や接触判定法の開発を行う.これらの成果は雑誌論文等へ投稿予定である(7月投稿予定).(2)遠隔地の複数ユーザが参加可能なシステムを構築し,複数ユーザが脳べらによる脳組織の圧排の力感覚を共有可能なアプリケーションの開発を目指す(8月以降).まずは研究室内でシステムを構築し,通信遅延のモデルをローカルコンピュータの中に取り入れることで遅延のあるネットワークを模擬する.その後,前年度開発した手術シミュレータをネットワーク結合し,複数ユーザの同時作用を可能とする基礎研究を行う.同一仮想環境への複数ユーザのインタラクションについてはゲーム産業におけるオンラインマルチプレイを,遅延のある触覚の共有についてはロボットマニピュレータの遠隔操作の研究などを参考にする.特に目的である脳べらによる術野確保時の触覚の共有を念頭に置き,実用性を考慮しながら基礎的課題を抽出する.研究室における基礎研究の後,実際に遠隔地同士の通信を行うことで有効性を確認する.ここでは病院や他大学の研究室などに協力を依頼する予定である.なお,遠隔力覚インタラクションを優先的に取り組み,PCクラスタやモバイル端末のネットワーク接続による個々の端末の性能を活かした役割分担は,残りの時間で基礎的な検討を行うこととする.28年度が最終年度であるため、記入しない。28年度が最終年度であるため、記入しない。
ヒト脂肪酸酸化系諸酵素の系統的解析法の確立と3頭酵素欠損症の病因解明

脂肪酸酸化系の生理的、病態的役割について、酵素学的立場から研究してきた過程でミトコンドリア内膜結合型の新しい酵素である極長鎖アシル-CoAデヒドロゲナーゼとエノイル-CoAヒドラターゼ/3-ヒドロキシアシル-CoAデヒドロゲナーゼ/3-ケトアシル-CoAチオラーゼ3頭酵素(以下3頭酵素と略す)を発見し、かつこれら酵素の欠損症を見いだした。本研究ではこれら酵素欠損症について解析した。1.極長鎖アシル-CoAデヒドロゲナーゼ欠損症十数名の患者について、遺伝子変異を明らかにした。2.ヒドラターゼ、デヒドロゲナーゼ、チオラーゼ活性を有するヒト酵素を精製し、分子的、触媒的性質を明らかにした。その過程で、新しいエノイル-CoAヒドラターゼと3-ヒドロキシアシル-CoAデヒドロゲナーゼを見いだした。3.3頭酵素はエノイル-CoAヒドラターゼと3-ヒドロキシアシル-CoAデヒドロゲナーゼ活性を有するαサブユニットと3-ケトアシル-CoAチオラーゼ活性を有するβサブユニットからなる酵素複合体である。3頭酵素欠損症はタンパク質が存在し、デヒドロゲナーゼ活性のみが欠損するタイプとタンパク質がなく、3活性とも欠損するタイプに大別されることを明らかにした。前者の患者数は多く、かつその多くはαサブユニットのデヒドロゲナーゼ部位の点変異(G1528C)であることを示した。後者のタイプの患者は少ないがその病因はαサブユニットかβサブユニット何れかの変異のため、酵素複合体が形成されず、生合成された酵素タンパク質が急速に分解されることによることを明らかにした。1.酵素活性測定法の確立ミトコンドリア脂肪酸β-酸化サイクルの4段階の反応を触媒する酵素の活性測定について、酵素抽出条件、酵素の安定性、基質特異性、抗体による酵素滴定条件を検討し、患者由来の皮膚繊維芽細胞の酵素活性を測定できる条件を確立した。2.新酵素の検索酵素活性測定法確立の過程で中鎖基質に特異性を示す新しいエノイル-CoAヒドラターゼの存在に気づいた。本酵素活性はヒト皮膚線維芽細胞の中鎖基質活性の約70%を占める。酵素精製をおこなったところ1つはヒドラターゼと3-CoAデヒドロゲナーゼ活性を有する2頭酵素であり、他の1つはヒドラターゼ活性のみを有する単機能酵素であることが分かった。3.3頭酵素欠損症の病因解明3頭酵素欠損症はヘテロであることを認めた。1群は酵素タンパク質は存在し、デヒドロゲナーゼ活性のみの欠損を認めるもので、α-サブユニット内の点変異と推定され、この変異の疫学的調査を行っている。他の群はα-サブユニットかβサブユニットの異常のため酵素タンパク質の著名な減少を認め、3つの活性とも欠損しているもので、発現実験等によって酵素複合体形成ができないサブユニットはミトコンドリア内で急速に分解されることを明らかにした。4.ペルオキシソーム脂肪酸酸化系酵素ペルオキシソーム脂肪酸酸化系酵素の酵素活性測定法や酵素欠損症についても検索を行った。

その過程で、新しいエノイル-CoAヒドラターゼと3-ヒドロキシアシル-CoAデヒドロゲナーゼを見いだした。3.3頭酵素はエノイル-CoAヒドラターゼと3-ヒドロキシアシル-CoAデヒドロゲナーゼ活性を有するαサブユニットと3-ケトアシル-CoAチオラーゼ活性を有するβサブユニットからなる酵素複合体である。3頭酵素欠損症はタンパク質が存在し、デヒドロゲナーゼ活性のみが欠損するタイプとタンパク質がなく、3活性とも欠損するタイプに大別されることを明らかにした。前者の患者数は多く、かつその多くはαサブユニットのデヒドロゲナーゼ部位の点変異(G1528C)であることを示した。後者のタイプの患者は少ないがその病因はαサブユニットかβサブユニット何れかの変異のため、酵素複合体が形成されず、生合成された酵素タンパク質が急速に分解されることによることを明らかにした。
18歳以上の青年期虐待被害者への自立支援システム構築の基礎調査

本年度は、19年度に計画してた日本子ども虐待防止学会自主シンポジュウムを本年度開催した。90名定員の会場に127名の参加者があった。シンポジストは、子どもシェルターと自立援助ホームを運営している組織の弁護士・児童相談所が運営している若者自律支援センター担当者・子どもの生活支援と自立援助ホームを運営しているNPOの事務局の3名による実践と課題について報告していただいた。その経過で、組織間のネットワーク構築の課題が明確になるとともに、それぞれの活動について情報がいきわたっていないことも分かった。これまでのインタビューデータの分析により、医療的なアドバイスや情報が不足していること、地方によって自立支援への取り組みに大きな格差があることが明らかになった。また、自立支援の問題は中学卒業後に養護施設に入所していないケースでは深刻な状態であることが分かった。受け皿である自立援助ホームは現在57ヶ所で、さらに増加傾向にあるが、設置認可は国が行っているが設置は自治体の努力義務であり、地方格差があった(島根3ヶ所・北海道1ヶ所・九州地区2ヶ所など)。6月に開催された世界看護学会に参加して、児童虐待被害児・者の自立支援における看護師の活動について情報収集を行った。昨年度参加した国際子ども虐待防止学会では、看護師の発表がほとんどなく、法制度や福祉制度の違いにより18歳以上のサポートは継続して行われていることが多いことは明らかになったが、看護師の役割は不明であった。世界看護学会は、南アフリカで開催されたこともあってアフリカの貧困・飢餓による子どもの生活環境の劣悪さの改善指導に関する発表が複数あった。情報交換によって、韓国・台湾・中国でも児童虐待が増加しているとのことであったが、18歳以上の被害者の自立支援についての取り組みは行われていないようであった。現在、これまでの調査結果をまとめた論文を執筆中であり英文誌に投稿予定である。1.はがきによる現状調査18才以上の虐待被害者の支援の実態を把握するためにはがきによる調査を実施した。対象は、児童相談所、全国の児童虐待防止センター、自立支援ホームなど275箇所で回収率は57%であった。「通告時18才以上の対象がいた体験」を持つ施設は50ケ所(32%)であり、「保護後に18歳以上となった事例の体験」をもつ施設は55ケ所(35%)であった。通告時18才以上のケースに対応している機関は17に及び、保護後に18歳となった事例でも、17ケ所であったが、対応機関に違いがあった。また、自由記載欄は81所の施設で意見が記載されていた。その概要は「体験」「意見・要望」に分類された。体験の中でも、現状と法的な整備とネットワーク構築がないため苦慮している現状が明らかであった。意見・要望では、保護しているケースを年齢で法的に保護対象でなくなることの矛盾、18歳となっても虐待による2次的障害として対人関係、社会性の未熟さなどの問題を抱えていたり、発達障害や知的障害があるとさらに支援の継続が必要であることが述べられていた。また、いわゆる18才問題ではなくても、中学卒業後は、ホームレスになったり、生活拠点を失っている子どもが多く存在していることも明らかになった。このような現状の中で、NPOを立ち上げて子供たちの支援を行っているグループが大都市圏を中心に存在していた。子の中でも目立支援ホームは、今後さらに増えていくことが求められると考えられた。これらの結果は、来年度論文化して発表予定である。2.インタビューは、当初予定していたChild Advocacy Network(CAN)、施設入所経験者の自助グループと自立支援センターとシェルターでインタビューを実施した。来年度は、これらの施設から傷害された自立支援センター2ケ所にインタビュー予定である。インタビューでは、弁護士を中心としたグループによる、シェルターと自立支援ホームの設立と児童相談所との連携について知ることができた。医療との連携が大きな課題となり、積極的な参与が求められるものと考える。昨年実施した、児童相談所および関連機関を対象にした18歳以上の虐待被害者支援の実態と連携機関について論文にまとめた。日本子どもの虐待防止学会において、調査の自由記載欄の88の記載内容を中心に口演を行った。研究計画書では、自主企画「虐待被害者の自立支援を考える」を予定いていたが、大会会場の都合で自主企画自体が中止となり、学会発表とした。この学会においてシンポジュウム「高齢児童の自立支援」にも参加した。弁護士を中心とした企画で自立支援ホームの必要性についてディスカッションがあった。日本には、現在46ケ所の自立支援ホームがある。今後は、全都道府県に設置されていくものと予測されるが、課題も山積している。入所者は、1ホームで数人程度であり、経営上の経済的な問題、入所者の働く場の確保、確実の生じる人間関係の問や抑うつ状態などに対処するための医療と福祉の連携の未整備などである。また、親権の問題も大きく弁護士の役割は大きいが、大都市圏以外では、子供の虐待問題に取り組んでいる弁護士が圧倒的に少ない現状もある。本年度は、国際学会で情報収集も行った。2年ごとに開催される世界児童虐待防止学会(香港)に参加して、イタリア、オーストラリア、南アメリカなどの関係者から、18歳以上の被害者の支援の実態について情報収集を行った。ひとつの課題として明らかになったことは、日本には10代のための支援機関が存在しないことであった。

オーストラリアは、虐待被害者も含めて、その後摂食障害、薬物依存、性的逸脱行動などに対応する10代のための公的機関がある。21年度に、福岡市に子どもの村福岡が開村されるが。これは世界的な取り組みの初の日本導入であるが、入所対象は幼児、学童であった。本年度は、19年度に計画してた日本子ども虐待防止学会自主シンポジュウムを本年度開催した。90名定員の会場に127名の参加者があった。シンポジストは、子どもシェルターと自立援助ホームを運営している組織の弁護士・児童相談所が運営している若者自律支援センター担当者・子どもの生活支援と自立援助ホームを運営しているNPOの事務局の3名による実践と課題について報告していただいた。その経過で、組織間のネットワーク構築の課題が明確になるとともに、それぞれの活動について情報がいきわたっていないことも分かった。これまでのインタビューデータの分析により、医療的なアドバイスや情報が不足していること、地方によって自立支援への取り組みに大きな格差があることが明らかになった。また、自立支援の問題は中学卒業後に養護施設に入所していないケースでは深刻な状態であることが分かった。受け皿である自立援助ホームは現在57ヶ所で、さらに増加傾向にあるが、設置認可は国が行っているが設置は自治体の努力義務であり、地方格差があった(島根3ヶ所・北海道1ヶ所・九州地区2ヶ所など)。6月に開催された世界看護学会に参加して、児童虐待被害児・者の自立支援における看護師の活動について情報収集を行った。昨年度参加した国際子ども虐待防止学会では、看護師の発表がほとんどなく、法制度や福祉制度の違いにより18歳以上のサポートは継続して行われていることが多いことは明らかになったが、看護師の役割は不明であった。世界看護学会は、南アフリカで開催されたこともあってアフリカの貧困・飢餓による子どもの生活環境の劣悪さの改善指導に関する発表が複数あった。情報交換によって、韓国・台湾・中国でも児童虐待が増加しているとのことであったが、18歳以上の被害者の自立支援についての取り組みは行われていないようであった。現在、これまでの調査結果をまとめた論文を執筆中であり英文誌に投稿予定である。