hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
顔知覚のしくみの解明:顔錯視と知覚学習からの多面的アプローチ

顔知覚のしくみを解明するため、顔錯視と知覚学習の観点から実験を行なった。心理物理学的測定方法を用いて顔における錯視および化粧による錯視効果を客観的・定量的に測定した結果、顔の内部特徴のみならず輪郭もまた「全体処理」されていること、また化粧は顔のパーツ間の複雑な錯視効果を生じることなどが見出された。知覚学習の観点からは、見慣れた知人の顔に似ている未知顔では似ている度合が誇張されて記憶されていること、また断片的にしか学習していない顔に対する単純接触効果が元の全体顔に般化することなどが見出された。人間による顔知覚のしくみを解明するため、顔錯視と知覚学習の両方の観点から実験を行なった。まず、錯視研究の方法を顔知覚に応用した実験研究を複数行った。研究1では「髪型により顔が小さく見える」という髪型の小顔効果を実験で測定した。顔の側面の輪郭が髪で部分的に遮蔽される場合、いわゆるアモーダル補完が生じるが、補完が顔幅縮小の方向にずれることが実証された。しかも、この効果は顔のパーツの配置が幅広いほど顕著に生じた。このことから、顔の輪郭が髪で部分的に遮蔽される場合に、人間の知覚システムはデフォールトとして平均的な顔立ちを想定していることが示唆された。研究2では、倒立した顔を観察する場合、太った顔がやや痩せて見えるというFat Face Thin錯視のメカニズムを検討した。その結果、痩せた顔を倒立させると逆にやや太めに見えるというThin Face Fat錯視も存在することを発見した。照明方向をも変えた顔刺激を用いた実験結果と合わせると、倒立顔では顔の正確な形がわかりにくいためデフォールトとしての平均的な顔立ちに近づいて見えるという要因と、照明が上方から当たるという暗黙の知覚仮説の要因とが、これらの錯視を起こしていることが判明した。研究3では、化粧(アイ・メイク)をほどこした顔において、目の領域が実際よりどのくらい大きく見えるかを、観察距離を長めにして(3m)測定した結果、目の大きさ錯視は観察距離が1mの場合よりむしろ小さくなった。これは俗に言う美人に見える条件「夜目、遠目、傘の内」という俗説に反する。さらなる検証が必要であろう。さらに研究4では知覚学習の観点から、顔を用いた単純接触効果が、学習済みの顔の平均顔にも般化するかどうかを検討した。その結果、学習時の提示時間が長い(1秒)と般化しないが、短い(100ms)と般化することが実証された。研究1では私たちが新たに発見した顔の錯視である「Head Size Illusion」について実験で詳しく測定した。その結果、顔の下半分(目から下)が肥っている場合、顔の上半分(目から上)も大きく見えることが判明した。この錯視は顔を倒立させると激減することから、錯視量の少なくとも50%は顔特有の現象であることが判明した。なお、この「Head Size Illusion」は米国のVision Sciences Societyの世界錯視コンテストにおいてトップ10に入選している。研究2では知覚学習の観点から、倒立した顔を長年見慣れることにより倒立顔の知覚が向上するかどうかを検討した。顔を反対方向から見慣れている職業人として歯科医師(臨床経験10年以上)に実験参加者になってもらい、統制群としては大学生を用いた。実験の結果、歯科医師に倒立顔再認課題でアドバンテージは見られなかった。このことは、顔知覚のメカニズムが生得的ないし発達初期に完成して、成人後の経験(知覚学習)の影響を受けないことを意味している。すなわち、顔知覚は一般物体の知覚の熟達化とは異なることが示唆された。さらに研究3でも知覚学習の観点から、顔を用いた単純接触効果が、学習済みの顔から作られた未学習の平均顔にも般化するかどうかを検討した。その結果、自人種の顔(日本人)では般化が見られたが、他人種(インド人)の顔では般化が見られずフォールスアラーム率も高かった。この結果は、顔の偶発学習でも意図的学習でも同じであった。人間による顔知覚のしくみを解明するため、顔錯視と知覚学習の両方の観点から実験研究を行なった。研究1では私たちが新たに発見した顔の錯視である「頭の大きさ錯視(Head Size Illusion)」(顔の下半分(目から下)が肥っている場合、顔の上半分(目から上)も大きく見える錯視)について測定実験を昨年度に引き続き継続し、その結果をヨーロッパ視知覚学会大会にて発表した。

なお、この「頭の大きさ錯視」は2012年の日本基礎心理学会主催第4回錯視コンテストで入賞した。研究2では化粧によって顔が変化して見える現象を錯視研究の手法を用いて測定した。その結果、アイラインまたはマスカラの使用により目の大きさは(長さ次元で)56%過大視されることが判明した。さらに、アイラインとマスカラの両方を併用する場合は、マスカラの効果が強いためアイラインの錯視効果が失われることが見出された。また、眉の傾きを変えると知覚される目の傾きも同方向に変化すること、眉と目の間隔が小さいほうが目が大きく見えることなど、眉が目の知覚に及ぼす錯視効果も見出された。さらに研究3では知覚学習の観点から、部分的に隠された顔に対する単純接触効果が知覚的にアモーダル補完された全体顔に般化することを実証した。部分的に隠された無意味図形の場合は単純接触効果が知覚的にアモーダル補完された全体図形に般化しないので、無意味刺激と顔のような有意味刺激では単純接触効果の生起機序が異なることが示唆された。数々の実験を行ない興味深い知見を得ている。倒立顔を見慣れている職業人として歯科医師に実験参加してもらうなど、独創的なアイディアの実験を遂行した。また、新しい顔錯視を発見した。24年度が最終年度であるため、記入しない。研究計画は順調に進展しているので、来年度もこの方向を推進する。来年度はさらに化粧の錯視効果の実験も行いたい。顔錯視と顔の知覚学習の両方の観点からの知見を総合して、顔知覚メカニズムの解明を行ないたい。論文の雑誌への投稿も進めたい。
並列計算機とGISによる都市気候解析システムの構築とヒートアイランド制御策の評価

本年度は、メソスケール気象モデル(RAMS)に電力中央研究所で開発された2次元の都市キャノピーモデルを導入した都市気候解析モデルによるシミュレーションを行った。関東地域を対象として都市キャノピーモデルを導入した場合と導入しない場合のシミュレーション結果を比較したところ、都市キャノピーモデルを導入した場合の方が気温や風系の現状再現性が高いことを確認した。計算にあたっては、地表面境界条件には、50mDEM、国土数値情報1/10メッシュ土地利用を利用し、初期条件には、NCEPの再解析データや気象官署データを利用した。また、ヒートアイランド制御策として注目されている屋上緑化が可能な屋上面積をデジタル空中写真と建物ベクタデータを利用し推計した結果に基づいて、屋上緑化の普及に関していくつかのシナリオを設定した。本年度は、モデルの通年シミュレーションを行うための高速の計算機の作成とモデルの境界条件をLandsat画像と現有の東京都都市計画情報データ(建築物の形状、階高等が入ったデータ)から作成するためのシステムの構築を行った。本研究で導入する気象モデル(RAMS)は、スーパーコンピュータのようなベクトル計算機ではなく、いくつものコンピュータを並列して利用する並列計算機での実行に最適化されている。これは、モデルが開発されたアメリカで単位価格当たりの計算能力が高い並列計算機が計算機の主流となっているためである。計算能力だけでなく安定性も考慮して、Pentium3 1Ghzのマシン17台の並列コンピュータを製作した。また、Landsat画像と都市計画情報データ(建築物の形状、階高等が入ったデータ)を解析し、キャノピー層モデルに入力する境界条件(屋上面、壁面、地表面のアルベド、熱容量、ボーエン比等)の作成をおこなうため、現有のARC/INFO Ver.8とArc View Ver.3.2などのベクタデータ解析用GISソフトウェアに加え、衛星画像の解析用のGISソフトウェア(ERDAS IMAGINE professional Ver8.5)を導入し、システムの構築を行った。このシステムを用いて、まず、潜在的に屋上緑化可能な面積の試算を東京都を対象に行った。本年度は、昨年度構築した衛星画像や建物ベクタデータの解析システムを用いて、東京都を対象に潜在的に屋上緑化が可能な面積の詳細な推定を行った。また、非静力学のメソスケールモデル(RAMS)を導入し、日本の詳細な地表面境界条件(50mDEM、国土数値情報1/10メッシュ土地利用)を利用できるようにソースコードの変更を行ない、昨年度作成した並列計算機を用いて試行的な計算を行った。これまでメソスケールモデルで取り扱うことが困難であった建築物の影響を考慮するために電力中央研究所で開発された2次元の建築キャノピーモデルを導入し、メソモデル(RAMS)へ組み込んで動作のチェックを行っている。地表面の状態を土地利用データに基づき推定するのではなく、衛星リモートセンシングや高解像度空中写真より直接推定するための基礎的な研究を幅広く行った。具体的には、LANDSATの熱赤外データを用いた地表面熱収支の推定、デジタル空中写真を用いた屋上緑化可能面積の推定、植生活性度と関係のある葉面積指数(LAI)の全天写真からの推定、LANDSATの可視、近赤外データを用いた積雪、非積雪地域の判別、などである。
マグネシウムパイプの曲げ半径極小化を実現するねじり・ねじり戻し加工プロセスの開発

環境調和性が高いプロセス制御型材料加工研究の一環として、ねじりのせん断を利用して曲げ半径が小さい高性能マグネシウムパイプを創製する、ねじり・ねじり戻し管材加工プロセスを開発することを目的として、微細・ランダム組織の形成メカニズムの解明と共に、平成29年度に実施できなかったAZ91Dマグネシウム合金パイプを用いた、ねじり・ねじり戻し加工のパラメーターの最適化を行った。最適化されたパラメータに準じて加工したAZ31Bマグネシウム合金パイプについて、SEM/EBSDおよびXRDを用いて、結晶方位,結晶粒径,結晶粒形状を明らかにした。平均の結晶方位差は約14°とランダムな再結晶粒組織を呈しており、その粒径は約3μmとなった。結晶粒の長軸と短軸の比で表されるアスペクト比はほぼ1である。曲げ角度60°の回転引き曲げ試験を行った結果、室温での曲げ半径の割合(曲げ比)は2.0程度となり、目標の1.0を達成することはできなかった。また、AZ91Dマグネシウム合金パイプに対して種々のパラメーターを組み合わせたねじり・ねじり戻し加工を実施した。パイプの表面状態やミクロ組織,硬さを測定した結果、安定したねじり・ねじり戻しが可能な温度393K,回転速度1rpm,回転角度360°の最適加工条件を見出した。アルミニウムの含有量が異なる2種のマグネシウム合金パイプはいずれも、同じ最適条件で適正なねじり・ねじり戻し加工ができることを明らかにした。平成30年度はねじり・ねじり戻し管材加工プロセスの開発として、ねじり・ねじり戻し加工に伴う微細・ランダム組織の形成メカニズムの解明を目標に掲げた。平成30年度の研究計画・方法と照合した結果、この目標は概ね達成できたと考えられる。なお、SEM/EBSDおよびXRDを用いた、パイプの広範囲・局所領域の結晶方位解析に時間を要したため、微細・ランダム組織の形成メカニズムの解明や室温での曲げ比1.0の実現には至らなかった。令和元年度に実施する予定である。令和元年度は、最適な条件下でねじり・ねじり戻し加工した2種のマグネシウム合金パイプを用いて引張試験や硬さ測定を行い、機械的性質や表面性状を明らかにする。また、曲げ比1.0をクリアする加工条件の最適化やチャック爪,コア材などの仕様を再検討する。平成29年度から令和元年度までの研究を通じて、微細でランダムなミクロ組織を呈し、良好な特性を持つマグネシウム合金パイプを製造する、ねじり・ねじり戻し加工プロセスを開発する。環境調和性が高いプロセス制御型材料加工研究の一環として、ねじりのせん断を利用して曲げ半径が小さい高性能マグネシウムパイプを創製する、ねじり・ねじり戻し管材加工プロセスを開発することを目的として、変形や割れを伴うことなく、安定してマグネシウムパイプが成形できるねじり・ねじり戻し加工の最適条件を確立した。ねじり・ねじり戻し加工機に付属する六爪チャックを改良して、パイプ表面にダメージを与えないチャックを設計すると共に、パイプの内側に低融点合金の丸棒を挿入することによって、パイプのつぶれ変形を防ぐ手法を開発した。また、ねじり・ねじり戻しに要する回転トルクをモニタリングするため、回転側のチャックにトルクセンサーを取り付けた。ねじり・ねじり戻し加工のパラメーターの中で最も重要な温度,回転速度,回転角度を変化させ、AZ31Bマグネシウム合金パイプに対してパラメーターを組み合わせたねじり・ねじり戻し加工を実施した。平成29年度はねじり・ねじり戻し管材加工プロセスの開発として、ねじり・ねじり戻し加工のパラメーターの最適化を目標に掲げた。研究計画調書の基盤C(一般)ー3, 4ページに記載した平成29年度の研究計画・方法と照合した結果、この目標は概ね達成できたと考えられる。なお、チャックの改良やコア材の選定に時間を要したため、もう一種類の供試材であるAZ91Dマグネシウム合金パイプを用いた実験ができなかった。平成30年度に実施する予定である。

アルミニウムの含有量が異なる2種のマグネシウム合金パイプはいずれも、同じ最適条件で適正なねじり・ねじり戻し加工ができることを明らかにした。平成30年度はねじり・ねじり戻し管材加工プロセスの開発として、ねじり・ねじり戻し加工に伴う微細・ランダム組織の形成メカニズムの解明を目標に掲げた。平成30年度の研究計画・方法と照合した結果、この目標は概ね達成できたと考えられる。なお、SEM/EBSDおよびXRDを用いた、パイプの広範囲・局所領域の結晶方位解析に時間を要したため、微細・ランダム組織の形成メカニズムの解明や室温での曲げ比1.0の実現には至らなかった。令和元年度に実施する予定である。平成30年度は微細・ランダム組織の形成メカニズムの解明と曲げ半径極小化,平成31年度ではパイプ特性の評価を通じて、微細でランダムなミクロ組織を作り込むための最適なねじり・ねじり戻し加工条件を確立し、製作したマグネシウム合金パイプの回転曲げ加工性,引張・疲労強度や硬度分布を明らかにする。加えて、結晶方位,結晶粒径および結晶粒形状のミクロ組織因子からねじり・ねじり戻し変形に伴うマグネシウムの特性向上のメカニズムを解明する予定である。令和元年度は、最適な条件下でねじり・ねじり戻し加工した2種のマグネシウム合金パイプを用いて引張試験や硬さ測定を行い、機械的性質や表面性状を明らかにする。また、曲げ比1.0をクリアする加工条件の最適化やチャック爪,コア材などの仕様を再検討する。平成29年度から令和元年度までの研究を通じて、微細でランダムなミクロ組織を呈し、良好な特性を持つマグネシウム合金パイプを製造する、ねじり・ねじり戻し加工プロセスを開発する。次年度使用額18,008円は実験消耗品の手配ミスにより発生した繰越金である。この金額および平成30年度請求額は、次年度の微細・ランダム組織の形成メカニズムの解明と曲げ半径極小化の研究を実施するための消耗品に充てる。年度末に発注した実験消耗品の納品,支払いが次年度になったため、150,471円の次年度使用額が発生した。次年度のパイプの特性評価を実施するために必要な、引張試験治具の購入や、引張試験片の加工費等に充てる。
途上国の水起因衛生リスク低減のための持続可能な適正下水処理技術の国際共同開発

インド・カルナール市において,下水を処理するUASB法の後段処理法として,我々研究グループが開発した下向流懸垂型スポンジ(Downflow Hanging Sponge:DHS)法の実規模リアクター(処理水量500m3/day,スポンジ容量に対するHRT:1.5時間)を導入し,有機物処理特性評価を行った。DHS処理水の有機物濃度はインドの排出基準を満たし,全期間を通じた平均全BODが6(標準偏差±4)mg/L,平均SSが8(±4)mg/Lであった.アンモニア性窒素除去率82%(処理水質:5mg/L)およびF.coli除去率1.90Log(処理水質:1.24×105MPN/100mL)を達成した.また,DHSでは,人為的な酸素供給を行なっていないにも関わらず,処理水のDOは5.5mg/1を得た.さらに,余剰汚泥発生量は0.11gSS/CODremovedであり,他の好気性プロセスと比較して明らかに少なかった.よって,DHS法は,優れた特長を損なわずにスケールアップ可能であるため,実下水処理場への適用も十分に可能であると示された.現在までにUASBの後段処理として報告がある好気性プロセスと比較して格段に少なかった.DHSは,メンテナンスフリーにも関わらず非常に安定した運転を長期間維持できたことにより,活性汚泥法に取って代わる開発途上国向けの新規下水処理技術としての波及が期待できる.インド・カルナール市において,下水を処理するUASB法の後段処理法として,我々研究グループが開発した下向流懸垂型スポンジ(Downflow Hanging Sponge:DHS)法の実規模リアクター(処理水量500m3/day,スポンジ容量に対するHRT:1.5時間)を導入し,有機物処理特性評価を行った。DHS処理水の有機物濃度はインドの排出基準を満たし,全期間を通じた平均全BODが6(標準偏差±4)mg/L,平均SSが8(±4)mg/Lであった.アンモニア性窒素除去率82%(処理水質:5mg/L)およびF.coli除去率1.90Log(処理水質:1.24×105MPN/100mL)を達成した.また,DHSでは,人為的な酸素供給を行なっていないにも関わらず,処理水のDOは5.5mg/1を得た.さらに,余剰汚泥発生量は0.11gSS/CODremovedであり,他の好気性プロセスと比較して明らかに少なかった.よって,DHS法は,優れた特長を損なわずにスケールアップ可能であるため,実下水処理場への適用も十分に可能であると示された.現在までにUASBの後段処理として報告がある好気性プロセスと比較して格段に少なかった.DHSは,メンテナンスフリーにも関わらず非常に安定した運転を長期間維持できたことにより,活性汚泥法に取って代わる開発途上国向けの新規下水処理技術としての波及が期待できる.我々研究グループは長年、途上国に適用可能な下水処理技術の開発に携わってきた。UASB法(上昇流嫌気性スラッジブランケット反応器)とDHSリアクター注)(スポンジカーテン担体散水ろ床方式(好気性))を組み合わせた新規下水処理システムは、エアレーション不要・余剰汚泥生成抑制の省エネルギー・環境低負荷型の新規下水処理装置であり、気候の温暖な(嫌気性処理に有利)途上国では、コストの高い活性汚泥法の代替として大きな可能性を秘めている。現在、インドでは下水処理方式として19箇所の下水処理場にUASB法が採用されている。しかし、UASB法単独では、6割前後の有機物除去率しか望めず、排出基準を満たしていない。そこでインド政府はUASBの後段処理として、我々の研究室が開発したDHS(Downflow Hanging Sponge:下向流懸垂型スポンジ)に着目し、実規模プラント(最大処理量1000m^3/day)を建設した。は、現地に滞在し、長期にわたる連続実験により本下水処理システムの処理性能の把握を行った。DHS実規模プラントの処理能力の評価は、インド政府がUASBの後段処理として設置している安定化池との比較により行った。下水の平均流入BODは151mg/Lであり、UASBにより51mg/Lまで除去され、DHS処理水では5mg/Lの良好な処理水質を得た。UASBとDHSを組み合わせた全システムのBOD除去率は96%であり、卓越した処理性能を全期間で発揮した。一方の安定化池処理水は41mg/LのBODが残存しており、現行システムの除去率は71%であった。下水の平均ふん便性大腸菌群数は1.0×10^<6.7>MPN100mLであったが、DHS処理水では1.0×10^<4.7>MPN/100mLとなり全システムでは約2オーダーの除去を達成し、DHSシステムは病原菌の除去においても高い能力を示した。また、DHS処理水のDOは5.5mg/Lに達しており、エアレーションが不要にも関わらず、酸素の取り込み能力が優れていることが確認された。我々研究グループは長年、途上国に適用可能な下水処理技術の開発に携わり、UASB法(上昇流嫌気性スラッジブランケット反応器)とDHS法(Down-flow Hanging Sponge :下向流懸垂型スポンジ(好気性))を組み合わせた新規下水処理システムを提案してきた。

UASB+DHSシステムは、エアレーション不要・余剰汚泥生成抑制の省エネルギー・環境低負荷型の新規下水処理システムであり、気候の温暖な(嫌気性処理に有利)途上国では、コストの高い活性汚泥法の代替として大きな可能性を秘めている。長岡技大グループが提唱する新規の下水処狸システムは、第4世代型まで進化し、実用化の一歩手前まで来ているが、何故卓越した処理性能を有しているのかと云った詳細な微生物反応学的メカニズムや、実用化のためのスケールアップの問題について、なお詳細な検討を要する。現在、インドでは下水処理方式として19箇所の下水処理場にUASB株が採用されている。しかし、UASB法単独では、6割前後の有機物除去率しか望めず、排出基準を満たしていない。そこでIITデリーと連携しながら、インドに設置された提案システムの第2世代型実証プラントよる長期連続処理調査を実施し、実規模での問題点の探索・対応策の検討、および途上国の気候や下水性状に合致したプラクティカルな条件下での長期連続実験による処理性能、安定性の把握、および基本設計指針を構築した。具体的な研究内容は、インドに設置された新規下水処理システムパイロット・プラント(第2世代型DHSリアクター)の長期連続処理実験により、UASB槽からの流出固形性有機物のスポンジリアクター内での捕捉・抑留機構可溶化反応の速度論的検討、スポンジ材質の影響、分子生物的手法による保持微生物叢の動態解析、DHSリアクターの微生物保持機能の解明と硝化・脱窒促進のため設計・操作方法、長期連続実験の維持・機構の解明と実用化技術の体系化、等検討を行った。開発している新規の下水処理システムは優れた有機物・窒素除去性能を有していることが明らかになっているが、何故卓越した処理性能を有しているのかと言った詳細な微生物反応メカニズムや実用化のためのスケールアップの問題について、なお詳細な検討を必要としていた。本研究では、都市下水処理場にリアクターを設置し、実下水を処理しながらその処理性能の把握を行った。またインドに設置しているリアクターの連続モニタリングを行った。両リアクターとも、優れた有機物・窒素除去能を示した。硝化活性試験などの結果は、国内リアクターではリアクター中部、下部で高くなったが、インドに設置したリアクターでは、上部が高くなった。これはリアクターのタイプが異なるためであり、スケールアップの際の重要な知見が得られた。また、硝化が上部で高くなった一因として、リアクター上部でアンモニアの大部分が酸化され、下部でアンモニアが残存していないことがあげられた。このことはリアクターの卓越性を示すと共に、リアクター設計の際のリアクターサイズを決定する際の大きな知見となる。リアクター高さ方向のプロファイルを見ると、有機物はリアクター上部で除去され、有機物濃度の減少に伴い、アンモニア濃度の減少が始まった。リアクター下部においては殆ど有機物・アンモニアは残存していなかったが、このエリアは流入負荷の変動が激しい下水処理において、高濃度の排水が流入した場合にもリアクターが安定した処理性能を示すためには不可欠であると考えられた。
ヒトβ３チューブリン変異が引き起こす神経発達異常のメカニズム解明

ヒトβ3チューブリンの262番目のアルギニン残基の変異により神経軸索の正常な伸長が阻害され、外眼筋線維症の原因となる分子メカニズムを明らかにした。この病気でみられる神経軸索の伸長異常をin vitroで再現し、更にここに結合するキネシンのKIF21AおよびKIF5Bに変異を入れることで分子の結合が回復すること、in vitroおよびin vivoでの神経軸索の伸長も回復できることを示した。これらのキネシンは、β3チューブリンの伸長、短縮を制御していると考えられるため、これらのキネシンが微小管の機能をを調節していることも示唆された。ヒト外眼筋繊維症の原因として同定された変異β3チューブリンがどのように神経軸索形成の異常を引き起こすか理解するため、ヒトのβ3チューブリンの組み換えタンパク質を発現精製した。発現精製条件を調整し、病気の患者さんから同定されたR262H変異体については発現量を大きく改善することができたが、モデル解析のためのアラニン置換変異体R262Aについては発現量があまり改善されなかったため、発現細胞の大量培養によって必要な量のタンパク質を精製した。これらチューブリンタンパク質を用いて、in vitroでキネシンとの相互作用を解析した。一分子蛍光観察では、これらの変異によってキネシンが微小管に結合できなくなることが明らかになったため、生化学的な解析からキネシンのATPaseサイクルの中のどこが正常に進行しないかなどのメカニズムを明らかにした。近年報告された構造学的な知見と照らし合わせると、ヒトβ3チューブリンのR262残基はキネシンーチューブリン結合に非常に重要な役割を果たしていると考えられるため、キネシン側の結合残基にも変異を入れたタンパク質も用いて相互作用を解析した。加えて、このin vitro実験で得られたβ3チューブリン-キネシンの相互作用が実際に神経系の形成に影響していることを確かめるため、マウス胎児の脳でこれらの遺伝子を発現させる実験を行い、影響が出るかどうかを確認しているところである。加えて、本研究で開発および改良している技術を応用することで、滑脳症などの原因遺伝子でもあるダイニンがどのようにチューブリンと相互作用するかを解析した結果が、Journal of Cell Biologyに掲載された。(vol. 208 p. 211-222, 2015年1月)ヒト外眼筋繊維症の原因として同定された変異β3チューブリンが神経軸索形成異常を引き起こす分子メカニズムを理解する実験を行なった。昨年度得られた結果では、ヒト外眼筋繊維症の原因となるβ3チューブリン変異の場所の1つ、R262がキネシンとの相互作用に重要であること、更に、その結合をキネシンL12ループの変異によってレスキューできることが明らかとなった。今年度はこの結果に基づき、チューブリンーキネシン相互作用が軸索形成異常にどのように関わっているか理解するため、マウス胎児脳でこれらの遺伝子を発現させ、神経の成長を解析した。その結果、β3チューブリン変異により脳梁の伸長が遅くなり脳梁が短くなること、更にレスキューできる変異キネシンを同時に発現させると脳梁の長さが回復することを見いだした。この脳梁は大脳皮質細胞から伸長してくる軸索の束であるため、マウス大脳皮質の初代培養細胞でもこれらの遺伝子を発現させたところ、これらの遺伝子は軸索の伸長に関わることが明らかとなった。すなわち、正常な神経細胞にはβ3チューブリンとキネシンとの相互作用により軸索伸長を促進するメカニズムがあり、変異体ではそれが阻害される結果、外眼筋繊維症の患者に観察される脳梁の異常が引き起こされることが確かめられた。この成果はNature Communications 7 10058 (2016)として公表した。同時に、この成果を所属機関からプレスリリースし、科学新聞やネイチャージャパンのウェブサイトに、日本語インタビュー記事として掲載された。今年度は、マウス胎児への遺伝子導入実験を行ない結果を得る予定であったが、ほぼ予想通りの結果が順調に得られたため、加えて、細胞レベルでの解析も行ない、微小管-キネシンの相互作用が神経軸索伸長に重要であることを確かめることができた。さらに、ここまでの成果を論文として公表するに至った。一方、構造解析については予備実験から技術的な困難が明らかとなったため、回避する方法を検討しているところである。そのような問題にも関わらず、全体としては今年度は当初の計画以上に研究を進展させることができた。昨年度までの本研究では、ヒトβ3チューブリン変異により微小管がキネシン、特にKIF21AやKIF5Bと相互作用できなくなることが原因となって、神経軸索の正常な伸長が阻害され、3型の先天性外眼筋線維症における神経軸索伸長の異常につながることを明らかにしてきた。得られた結果をこれまでの知見と組み合わせると、キネシンと微小管の相互作用により微小管のダイナミクスが制御されており、そのダイナミクスの変化が神経軸索の伸長に重要であることが予想される。このような視点や問題を明らかにするために、レビュー論文としてこれまでの成果と研究分野を俯瞰した論文を執筆した(掲載確定)。これと並行して、チューブリンの変異やキネシンとの相互作用がどのように微小管のダイナミクスを制御しているかを理解することを目指し、精製した変異チューブリンやキネシンを用いて、微小管のダイナミクスを測定することを試みた。その結果、チューブリンの変異によって微小管の重合・脱重合のダイナミクスが変化することを明らかにすることかできた。

更にその原因を明らかにするため、結晶構造解析を試み、幾つかの結果は得たが、重合ダイナミクスの変化を説明するための十分な成果が得られなかった。そのため、チューブリンへのヌクレオチドの結合状態の解析や、微小管の構造変化をクライオ電子顕微鏡を用いて詳しく解析することにより、チューブリンの変異がどのように微小管のダイナミクスの変化に結びつくのか、一定の成果を得た。この成果は論文として発表予定である(論文準備中)。ヒトβ3チューブリンの262番目のアルギニン残基の変異により神経軸索の正常な伸長が阻害され、外眼筋線維症の原因となる分子メカニズムを明らかにした。この病気でみられる神経軸索の伸長異常をin vitroで再現し、更にここに結合するキネシンのKIF21AおよびKIF5Bに変異を入れることで分子の結合が回復すること、in vitroおよびin vivoでの神経軸索の伸長も回復できることを示した。これらのキネシンは、β3チューブリンの伸長、短縮を制御していると考えられるため、これらのキネシンが微小管の機能をを調節していることも示唆された。β3チューブリンR262A変異体の発現量が少ないため、発現方法の改善を目指していくつかの方法を試したが、効率の良い方法は見いだせなかった。しかし、最終的には培養量を増やすことで、必要な量を確保することができた。その他はほぼ計画通りに実験が進行しており、順調である。外眼筋繊維症やその他の先天性神経疾患を引き起こす原因として、チューブリン変異によって引き起こされる微小管とキネシンとの相互作用の異常にとどまらず、チューブリンの重合能に異常がおこるという可能性も指摘されている。このメカニズムを明らかにするため、結晶構造解析を行なう予定であったが、必要な結晶を得るのが困難なため、電子顕微鏡観察と微小管のダイナミクス測定など別の手法で構造を明らかにする予定である。また、微小管の重合能を解析することにより、チューブリン変異と微小管のダイナミクスとの関係を明らかにしてゆく予定である。生物物理学今後、計画通りに実験を進めると同時に、培養細胞を用いて、これらの遺伝子がどのように軸索形成、軸索伸長に影響するかを観察し、より詳細なメカニズムも明らかにしてゆく計画である。前年度予定していた結晶構造解析の予備実験が頓挫し計画を見直したため、その費用を使わなかった。また、国際会議で発表することを見込んでいたが、論文出版前に成果を公表することを見合わせた。研究が順調に進行しているため、成果を論文として投稿中であるため、論文受理が確定するまで学会発表を延期した。また、実験が順調に進行しているため、実験の試行回数を予定よりも少なく済ませることができた。結晶構造解析の代わりに、電子顕微鏡による構造解析を行なうめどが付いたため、次年度は東京大学微細構造解析プラットフォームの共用設備を有償で借りて研究を行なう予定であり、繰り越した予算をそのために使用する。また、次年度5月の国際会議で成果を公表するため、繰り越した出張費用を使用する計画である。論文発表に合わせて次年度に学会発表を予定している。また、詳細なメカニズム解明のための、細胞レベルでの実験を追加するために使用する。
汎関数微分方程式を用いる無限次元非可積分系の研究

(い)筆者は前田吉昭氏と共同で、無限個のGrassmann生成元をもつFrechet-Grassmann代数をもとに有限次元のスーパー空間R^<m/n>を導入した。これにより、スピンをもった方程式、例えばPauli方程式にHamiltonian及び特性曲線を対応させる事が出来るようになり、その方程式の基本解を構成した。更に、この方法を少し修正することにより、Dirac方程式の基本解の構成についても新しい知見を加えることができた。(ろ)偏微分方程式系の研究は行列のもつ非可換性のゆえに手法が限られていたが上に述べた手法の有用性が示されつつある。これは、すべての行列はClifford関係を持つ行列を用いて展開出来ること、Clifford代数の元はGrassmann代数に作用する性質を持つことを、スーパー空間上の関数への微分作用素の作用と表現することによる。例えば、Douglis-Nirenbergの楕円型偏微分方程式系についての自然な考察もほぼ可能になり、これがGelfandが提出した楕円型偏微分方程式系の特徴付けの問題に適用出来ることが期待される。(は)物理学者が考えているボゾン-フェルミオン対応も数学的に考察できるようになりつつあり、これを用いてスーパー多様体上の熱方程式の基本解の性質からAtiyah-Singer Index Theoremを導けるようになりそうである。より一般にスーパー多様体を如何に構築し豊富な内容を持たせるようにしていくかは、今後の研究課題である。(に)平成5年11月全国から有志の人々を集め第3回解析セミナーを地方共済研修所富士桜荘(河口湖)で開催した。この科研費で将来を嘱望される院生に財政的援助をできたことをここに感謝する。詳細は別表に記す。詳細は別表に記す。
単独ベクターで産生量制御が可能な翻訳調節発現ベクターの開発

フェリナンの翻訳調節機構を応用した調節発現ベクターを構築するため、アコニターゼ結合部位を翻訳開始コドン上流にそれぞれ1個、3個または5個直列に持う発現ベクターを、CMVプロモーターとネオマイシン耐性遺伝子を持つ哺乳動物用発現ベクターを用いて構築した。との汎用ベクターに発現蛋白質の定量を行うため、ルシフェラーゼ遺伝子を挿入したレポーターベクターを構築した。このレポーター発現ベクターをCHO細胞、COS細胞に導入し、培養液に加える鉄イオン濃度をHemeまたは鉄イオンキレーターであるdesferrioxamineを用いて各々濃度を0100μMに変化させた上で、ルシフェラーゼ活性を用いて発現制御の定量評価を行った。その結果、アコニターゼ結合部位を3個または5個持つ発現ベクターを一過性に導入した場合、CHO細胞、COS細胞ともにdesferrioxamineを用いて鉄イオンをキレートした条件に対して、Hemeを100μM添加した条件で2.2倍の活性上昇がみられた。予想より低い活性制御がルシフェラーゼ遺伝子の安定性に起因する可能性を検討するため、ルシフェラーゼレポーター遺伝子がより短時間で代謝されるタイプに変更して検討した結果、鉄イオンをキレートした条件に対して、Hemeを100μM添加した条件で2.8倍の活性上昇がみられ、わずかながら活性制御が上昇した。汎用調節発現ベクターとして広く用いられるためには、発現制御が少なくとも、10倍以上必要と考えられる。以上の結果により、フェリチンの翻訳調節機構を応用した調節発現ベクターを広く用いられるようにするためには、さらに工夫が必要であることがわかった。
アスペクト指向プログラミングの展開的研究

横断的関心事や環境に適応した振舞をモジュール化するアスペクト指向プログラミング・文脈指向プログラミング言語に関して、基礎的な計算体系の構築・型システムの改良による記述力の向上・セキュリティ応用のための言語提案・事象に基づく制御機構を持った言語提案による応用範囲の拡大といった研究を行った。これらの提案はJava,AspectJを拡張した言語処理系を作成し、実際のアプリケーショプログラム記述を通して有効性を検証している。交付申請書に記載した研究実施計画に沿って、アスペクト指向プログラミング(AOP)の実証面、基礎面、親展面に3面に関して以下のような研究成果の得た。(実証面)分散ソフトウェアに対するセキュリティポリシーを適用するアスペクトを記述可能にするためのAOP機構について、効率的な実行方式を提案しJava言語上の処理系AspectKE*を試作した。従来の機構では、静的と動的に検査する場合について別々にポリシーを記述しなければいけなかったが、提案手法ではそれらを統一的に記述し、効率を悪くせずに見通しを良くしている点が特徴である。中間段階の成果を、国際ワークショップの査読付論文および国際会議におけるデモとして発表し、国際会議に論文投稿中である。(基礎面)本研究開始時点でAspectJ言語の型に関する問題点を解決する新しい機構として型緩和織込を提案していたが、本年度は型緩和織込機構の詳細な規則を定め、機構を形式化しその正当性を証明し、既存のAspectJ言語処理系を改造した織込器を作成した。さらに、ここまでの研究の発展として、別に提案されていたAspectJ言語の拡張であるStrongAspectJと融合させた言語StrongRelaxAJを提案した。これらの成果は、この分野で最も水準の高い国際会議の査読付論文、国際ワークショップの査読付論文、およびオープンソースの処理系の公開といった形で公表した。(新展開)文脈指向プログラミング(COP)について、ContextJ言語による実アプリケーション記述による有用性の評価、およびその問題点を解決するJCop言語の提案を行った。COPの有用性を実証的に検討している研究は他にほとんどなく、本成果は今後のCOP研究の方向付けとなることが期待できる。これらの成果は、会議における研究発表、オープンソースの処理系の公開、論文誌および国際会議への論文投稿といった形で公表を進めている。交付申請者に記載した研究実施計画に基づいて研究を進め、アスペクト指向プログラミング(AOP)とその関連分野の実証面、基礎面、親展開面に関して以下のような成果を得た。(実証面)分散ソフトウェアに対するセキュリティーポリシーをAOPによって記述・適用する言語AspectKlavaについての研究をデンマーク工科大のYangらよび北陸先端大の青谷と共同でまとめ国際会議にて発表した。実用性を評価するために、医療システムなどの実例を基にアクセス制御等の記述についての検討を行っている。(基礎面)前年度までに提案した型緩和織込機構の成果を全国大会で発表した。その過程で返値型に関する制限を発見したため、解決手法とともに国際ワークショップにて報告した。また、文脈指向プログラミング(COP)の意味論を独HPIのHirschfeldおよび京大の五十嵐と共同で検討を開始し、その予備的な成果を国際ワークショップで報告した。従来の意味論と異なり、部分メソッドの適用などについて複数方針を統一的に扱えるものとなっている。(新展開)Javaに基づくCOP言語ContextJの評価をHirschfeldのチームと共同で行ってまとめ、論文誌に発表した。さらに宣言的な文脈指向構文を持つJCop言語を共同で提案し、国際会議にて発表した。この研究と並行して、イベントによって文脈切替を行うCop言語EventCJを青谷および東大の紙名と共同で提案し、国際会議にて発表した。実世界の環境では非同期的な事象によって文脈が変化する場面も多いため、ここで提案した言語機構はCOPを実用に供する際に重要なものとなることが期待される。また、AOPやCOPなどによってモジュール化されたソフトウェアの開発支援機構として、トレースに基くデバガの研究員の櫻井とともに研究し、論文誌を発表した。研究の進展に伴い、年度当初の計画を修正してサブテーマ<<モジュール性応用>>を追加して研究を進めた。当初のサブテーマとあわせた成果は以下の通りである。<<動的検査を行うアスペクトの最適化>>分散システムのセキュリティに利用できる分散タイル空間に基づくAOP言語AspectKE*を作成し、アプリケーション記述を通してその表現力を検討した。<<型緩和織込>>型緩和織込機構の提案を通してAspectJ言語の汎化型に関して得た知見をもとに、型ごとにアスペクトを具体化する機構を提案した。特にキャッシュなどの横断的関心事を記述するアスペクトにおいてこの機構が有用であることを事例研究を通して調査し、実現のための型システムを検討を行った。<<文脈指向プログラミング>>昨年度までに提案したEventCJ言語に関して、意味論の定式化と開発方法論の検討を行った。意味論に関してはFeatherweightJava流の基本的なものを定義し、今後予定している検証・最適化システムでの利用に備えた。またJacobson流のユースケース記述から文脈を抽出する開発方法論を提案し、具体例を用いて有効性の検討している。<<モジュール性応用>

>これまでのプログラミング言語機構についての研究成果を実際のソフトウェアシステムに応用する方向で3つのプロジェクトを開始した。(1)モジュール化によって最適化機構を容易に追加できるGPU向け並列言語システム構築するため、言語処理系の初期設計を行った。(2)モジュール化を考慮していない大規模な既存プログラムを対象とした検索に基づく開発支援システムを構築した。(3)統合デバックシステムにおいてモジュール性を利用する方法を提案・実現し、実証実験を進めた。平成24年度は《文脈指向プログラミング》および《モジュール性応用》の2テーマについて研究を進め、以下の結果を得た。《文脈指向プログラミング》(1)現在開発を進めている事象に基づく文脈指向言語EventCJに関して合成層の提案を行い、さらにその定式化を行った。これまでの検討から、現実的なソフトウェアでは複数の文脈の組み合わせに対して特定の振舞いを行わせることも多いことが分かっている。合成層は、特定の層の組み合わせが活性なときに活性化されるような層であり、これを用いて上述の振舞をより直接的にモジュール化することが可能になると期待している。(2)意味論に関して前年度に提案したContextFJ体系を拡張した。従来の文脈指向言語は層が行うことができるのはすでに定義されたメソッドの振舞を変更することだけであった。これはインターフェースを追加するような変更では型安全性が自明に保証できなくなるためであったが、ここでは層の依存関係を宣言させ、その関係が満たされていることを保証する型システムを提案することによって解決する。これによって、より柔軟な文脈指向言語の設計についての指針を与えることができ、実用的な文脈指向言語の構築につながることが期待できる。《モジュール性応用》前年度に開始したモジュール機構の応用に関するプロジェクトの研究を進めた。(1)モジュール化によって最適化機構を容易に追加できるGPU向け並列言語システムを構築するための言語処理系の構築を進め、型推論を行ってコンパイルする処理系を試作した。(2)モジュール化を考慮していない大規模な既存プログラムを対象とした検索に基づく開発支援システムについて、機械学習によるパラメタ調整手法の提案とコード重複問題に関する解決策を提案した。(3)統合デバッグシステムにおいてモジュールを可視化する方法を提案した。研究の進展に伴い、当初計画に本年度より新しいサブテーマを追加した。そのため、予定していたサブテーマの一部については成果発表を中心に行うこととなった。
小胞体の形態形成に関わる膜タンパク質の機能解析

小胞体は生命の根幹を担う多機能なオルガネラであり,袋状の膜構造がチューブ状やシート状に変形し,複雑に組み合わさって細胞内全体に網目状に広がっている.この形態は真核生物で広く保存されていることから,小胞体の機能と関連すると考えられるが,どのように維持・管理されているのかは不明な点が多い.本研究では,小胞体形態形成を担う小胞体膜タンパク質に着目し,小胞体膜の分解との関わりを明らかにすることによって,小胞体の品質管理のしくみに迫る.小胞体は生命の根幹を担う多機能なオルガネラであり,袋状の膜構造がチューブ状やシート状に変形し,複雑に組み合わさって細胞内全体に網目状に広がっている.この形態は真核生物で広く保存されていることから,小胞体の機能と関連すると考えられるが,どのように維持・管理されているのかは不明な点が多い.本研究では,小胞体形態形成を担う小胞体膜タンパク質に着目し,小胞体膜の分解との関わりを明らかにすることによって,小胞体の品質管理のしくみに迫る.
肝硬変ラット肝の肝切除後Polyamine合成とEnergy chargeの動態による肝再生力の検討

肝硬変ラット肝を用い、ポリアミン合成の変動やエネルギーチャージの動態、さらには形態学的変化を検討することによって、臨床的に問題となっている肝切除後残存肝の再生力を評価し得る新しい因子の解明のため、本実験を計画した。ウィスター系雄性ラット(180-220g)に、20%四塩化炭素を週に2回皮下注し、肝硬変ラットを作製する。肝硬変ラットの作製には、約4ケ月を要した。致死率は約60%であった。コントロール群と肝硬変群にそれぞれ50%の肝切除を施行し、ポリアミン含量およびその律速酵素であるオルニチン脱炭酸酵素(ODC)活性、さらにエネルギーチャージの変化を、術後2時間ごとに経時的に12時間まで測定した。ポリアミン含量はhigh performance lipid chromatograpby(HPLC)と2-mercaptoethanolおよびo-phthalaldehydeによる発蛍光反応を組み合わせ、Seiler and Knodgen法に準じた。また、ODC活性の測定は、L-[1-^<14>C]オルニチンを基質として用い、micro assay systemで行った。エネルギーチャージは、ATP、ADP、AMPの比で算出し、形態学的変化は、HE染色およびマッソン染色により観察した。コントロール群に比し肝硬変群では、ポリアミン含量、特にプトレッシンの細胞内含量が低値を示し、ODC活性の上昇に伴う増加率も少なかった。また、コントロール群ではスペルミジンのわずかな増加を認めたが、肝硬変群ではほぼ不変であった。スペルミンに関しては、両群間に差を認めなかった。一方、肝硬変群でのODC活性の上昇は、コントロール群に比し少なく、またそのピークは、コントロール群のそれより約2時間遅い術後8時間に認められた。したがって、両群間にポリアミン合成系の代謝の違いが示唆されたが、しかし現在のところ各点のnが3でありさらに検討を要するまたエネルギーチャージは測定中であり組織学的変化も検討中である肝硬変ラット肝を用い、ポリアミン合成の変動やエネルギーチャージの動態、さらには形態学的変化を検討することによって、臨床的に問題となっている肝切除後残存肝の再生力を評価し得る新しい因子の解明のため、本実験を計画した。したがって、両群間にポリアミン合成系の代謝の違いが示唆されたが、しかし現在のところ各点のnが3でありさらに検討を要するまたエネルギーチャージは測定中であり組織学的変化も検討中である
ニコチンによる歯周組織破壊のメカニズムの解明-特にアポトーシス誘導に及ぼす影響-

本研究では過去には明らかでなかったニコチンがアポトーシスに与える影響について検討を加えた。アポトーシスの誘導にはUVを用い、誘導されるアポトーシスをDNAの断片化、シトクロムcの細胞質への放出、カスペースの活性化を指標にニコチンの影響を調べた。その結果、ニコチンはシトクロムcの細胞質への放出、カスペースの活性化、DNAの断片化というアポトーシスの経路をシトクロムcの細胞質への放出の段階で抑制することが示された。また、前年度の研究ではH2O2によるアポトーシスの誘導をニコチンが抑制し、ネクローシスが誘導されることが示されており、様々なアポトーシスの誘導因子の効果をニコチンが抑制することが示唆された。本結果から、喫煙による発癌の一因にこのようなニコチンのアポトーシス抑制効果が関与することが示唆された。また、炎症反応においてもアポトーシスがネクローシスに変化することによって、炎症反応による組織破壊が亢進し、歯周病などの炎症性疾患の症状を憎悪させる可能性も示された。なお、本研究結果はToxicol Lett 2001 Dec 15;125(1-3):61-5に掲載されている。喫煙は感染症の症状を増悪させることが知られている。口腔領域において喫煙は,歯周病による組織破壊を進行させるほか,急性壊死性潰瘍性歯肉炎の危険因子であると考えられている。本研究では喫煙が炎症による組織破壊の進行にどのような形で関与しているかを検索する目的で,タバコの主要な成分であるニコチンが単球のアポトーシス誘導にどの様な影響を与えるかU937細胞を用いて検討した。H_2O_2により誘導されるU937細胞のアポトーシスに与えるニコチンの影響について,細胞生存率,クロマチン凝縮の有無,DNAの断片化,カスペース活性,細胞内ATP量を測定した。H_2O_2により細胞の生存率は低下し,アポトーシスの特徴であるクロマチン凝縮,DNAの断片化,カスペース活性が誘導された。ニコチンで細胞を前処理した後,H_2O_2を加えると,細胞の生存率の低下に変化はなかったが,クロマチン凝縮,DNAの断片化,カスペース活性は抑制され,アポトーシス細胞は減少し,ネクローシス細胞が増加した。また,ニコチンはアポトーシスの誘導に必須であると考えられている細胞内ATP量を低下させた。以上の結果よりニコチンが細胞内ATP量の低下とカスペース活性の抑制を介して,アポトーシスを抑制していることが示された。このニコチンのアポトーシスの抑制とそれに代わるネクローシス誘導の作用が炎症症状の増悪と組織破壊の進行に関与していることが示唆された。
ANCA関連血管炎性中耳炎発症トリガーとなる中耳感染の関与とサイトカインの解析

ANCA関連血管炎の発症および再燃には、ANCA産生のトリガーとなり好中球を活性化させる細菌感染の関与が考えられている。ANCA関連血管炎性中耳炎の発症トリガーにおける細菌、またはウイルス感染の関与について調べるため、ANCA関連血管炎性中耳炎患者と、通常の成人滲出性中耳炎患者より採取した中耳貯留液中の細菌及びウイルス検出率を比較検討した。その結果、ANCA関連血管炎性中耳炎患者と、成人滲出性中耳炎患者の中耳貯留液中の細菌、及びウイルス検出率は低く、検出される細菌像にも差はなかった。ANCA関連血管炎性中耳炎の発症トリガーとして細菌感染の関与は証明できなかった。研究計画に基づいて、中耳貯留液中のreal time PCRを行い、細菌およびウイルスの検出率について成人滲出性中耳炎との比較を行った。中耳貯留液より分離したDNA/RNAの核酸濃度を調整し、反復実験を行い、再現性を確かめる必要がある。今後は、炎症局所での、血管炎進展に関わる免疫応答を解明するため、患者血清、及び中耳貯留液上清中の、TNF-alpha, IL-1beta, IL-4, IFN-gamma, IL-6, IL-10, TGF-beta、IL-17といったヘルパーT細胞、制御性Tリンパ球やTh17細胞の分化に関与する各種サイトカイン濃度を測定し、各種サイトカイン抗体、標的分子阻害抗体投与における慢性炎症の抑制の有無を含めてサイトカインネットワーク動態について調べる。前倒し支払い請求300000円によって、試薬購入に余裕ができたため繰越金が生じた。