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脳主幹動脈閉塞症における神経細胞障害の病態とその予防に関する研究

滋賀県立成人病センター研究所において、脳主幹動脈閉塞症における脳虚血による一次的障害としての虚血性神経細胞障害の病態を、PETと^<11>C-Flumazenilを用いて中枢性benzodiapepine受容体密度を測定し、明らかにした。脳主幹動脈のアテローム血栓性閉塞により局所脳組織灌流圧が低下して生じる血行力学的脳虚血が選択的神経細胞障害を引き起こすことを、脳主幹動脈閉塞症患者を対象とし、形態画像上異常のない大脳皮質におけるbenzodiazepine受容体低下を示すことで、ヒト多数例で明らかにした。まず、1)benzodiazepine受容体低下が、境界領域梗塞の存在と関連していることを明らかにし,境界領域梗塞を引き起こした血行力学的脳虚血が原因で,選択的神経細胞障害が生じることを示した.ついで、2)benzodiazepine受容体低下が、酸素摂取率上昇(血行力学的脳虚血の重症度)と関連していることを明らかにし,3)さらに、経時的検討により、脳循環障害の悪化とbenzodiazepine受容体低下進行との関連も示し、血栓性脳主幹動脈閉塞症では、慢性的な脳虚血が選択的神経細胞障害の原因となることを示した。これらの結果は,バイパス手術による神経細胞障害予防の可能性を示唆した。また神経保護作用を有する薬剤(statin系薬剤)を内服している患者では、benzodiazepine受容体低下の程度が軽いことも明らかになり、内科的な神経細胞障害の予防の可能性も示すことができた。脳主幹動脈閉塞症における一次的虚血に伴う神経細胞障害の自然経過、脳循環障害の程度との関連、治療による効果などについて、現在さらに経過観察による検討を継続している。本研究により、中枢性benzodiazepine受容体密度の定量測定により、生体で虚血性神経細胞障害のモニタリングができる可能性がはじめて示された。まず,脳主幹動脈閉塞症における選択的神経細胞障害の発生機序について検討した.脳主幹動脈のアテローム血栓性閉塞により局所脳組織灌流圧が低下して生じる血行力学的脳虚血が選択的神経細胞障害を引き起こすことをヒトで直接証明した報告はない.内頸動脈閉塞性疾患には、脳主幹動脈の最も遠位の血管床に位置するため組織灌流圧が低下しやすい境界領域に生じる境界領域梗塞が多く見られ、血行力学的発生機序が示唆されている.血行力学的脳虚血が,境界領域梗塞を引き起こすと同時に,梗塞領域を越えた大脳皮質領域においてbenzodiazepine受容体低下として検出される選択的神経細胞障害を引きおこすという仮説を検証する目的で,頭蓋外内頸動脈に60%以上の狭窄または閉塞を有する患者62名を対象とし,慢性期に,PETと^<11>C-Flumazenilを用いて中枢性benzodiazepine受容体密度を求めた.MRIにて虚血性病変のタイプ(皮質境界領域梗塞,その他の皮質梗塞,皮質下境界領域梗塞,線条体内包梗塞,ラクナ梗塞,およびその他の白質梗塞)を評価し,benzodiazepine受容体密度の血管病変側半球大脳皮質平均値(小脳比)(梗塞巣を除く)との関連を検討した.境界領域梗塞のある患者群(18名)では,ない患者群(44名)および健常群(10名)と比較して,大脳皮質benzodiazepine受容体密度が有意に低下していた.多変量解析により,皮質境界領域梗塞が,benzodiazepine受容体密度低下の独立した予測因子と判明した.選択的神経細胞障害と境界領域梗塞との関連は,境界領域梗塞を引き起こした血行力学的脳虚血が原因で,選択的神経細胞障害が生じたことを示唆している.

この結果は,ヒト脳主幹動脈閉塞症でも,動物実験で示されたように,脳梗塞が起こるよりも軽度の虚血により選択的神経細胞障害が生じることを示している.昨年度同様、脳主幹動脈閉塞症における脳虚血による一次的障害としての虚血性神経細胞障害の病態を、PETと11C-Flumazenilを用いて中枢性benzodiazepine受容体密度を測定し、明らかにした。脳主幹動脈のアテローム血栓性閉塞により局所脳組織灌流圧が低下して生じる血行力学的脳虚血が選択的神経細胞障害を引き起こすことを、脳主幹動脈閉塞症患者を対象とし、形態画像上異常のない大脳皮質におけるbenzodiazepine受容体低下を示すことで、ヒト多数例で明らかにしてきた。今年度は、1)benzodiazepine受容体低下が、酸素摂取率上昇(血行力学的脳虚血の重症度)と関連していることを明らかにし,2)さらに、経時的検討により、脳循環障害の悪化とbenzodiazepine受容体低下進行との関連も示し、血栓性脳主幹動脈閉塞症では、慢性的な脳虚血が選択的神経細胞障害の原因となることを示した。これらの結果は,バイパス手術による神経細胞障害予防の可能性を示唆した。また神経保護作用を有する薬剤(statin系薬剤)を内服している患者では、benzodiazepine受容体低下の程度が軽いことも明らかになり、内科的な神経細胞障害の予防の可能性も示すことができた。脳主幹動脈閉塞症における一次的虚血に伴う神経細胞障害の自然経過、脳循環障害の程度との関連、治療による効果などについて、現在さらに経過観察による検討を継続している。本研究により、中枢性benzodiazepine受容体密度の定量測定により、生体で虚血性神経細胞障害のモニタリングができる可能性がはじめて示された。
DNAメチル化による植物遺伝子発現の調節

1.高等植物の種子発芽の時、DNAメチル化の特異的な阻害剤である5-アザシチジン(azaC)を投与すると全DNAのメチル化が15%程低下するが、同時に植物体の矮性化を引き起こす(MGG,220,441,1990)。このことは植物の生長に関与する遺伝子がDNAの脱メチル化によって発現変化を受けたことを示唆する。2.どのような遺伝子が影響を受けたか調べるためにdifferential hybridizationによってスクリーニングした結果、ras-関連遺伝子rgplが同定された。アミノ酸coding部分をexpressionvectorに組み込んで調べたところ明らかにGTPを結合する蛋白であった。この事はrgplがsignal伝達系に係わっている可能性を示している。この遺伝子の発現は脱メチル化で抑制され、そのパターンは少なくとも第3代目まで遺伝した。これらの結果はrgplは生長に関与しており、その発現はDNAメチル化の状態に依存している事を示唆している(MGG,228,227,1991)。3.rgpl cDNAをタバコに導入したところ、矮性、頂芽優性の消矢、発芽の異常という3つの形態異常が見られた。これらはrgpl遺伝子ホルモン代謝に係わる情報伝達系に関与している事を示唆した(Plant J.2,799,1992)。1.アザシチジン(azaC)によりGenonic DNAの脱メチル化の結果生じた矮性の芽生えよりcDNAライブラリ-(λgt_<10>)を作った。2.Diffecential hybridizationによってazaC処理、未処理株より、それぞれに特有なクロ-ン6個を得た。3.そのうち2クロ-ンについてNorthen hybrdizationを行ってazaC処理で特異的に増加するmRNAであることを確認した。4.そこで、これらの塩基配列の一部を決定して、EMBCのライブラリ-を照合したところ、これまで知られていない遺伝子産物であることが明らかになった。5.他方、azaC処理によって生じた矮性の遺伝検定を行った。Field実験の結果、少くとも第3代(M3)までは安定に遺伝することが分った。6.M2、M3よりcDNAライブラリ-を作るために、あらかじめcONAをPCRで増加し、これを正常型cDNAとsugtiaction hybridizationさせたのちクロ-ニングする系を検討した。PCR法でcDNAは効率よく増加できる事が分った。(1)アザシチジン処理によって生じたイネ矮性株のseedlingsよりcDNAを得,λgt10でライブラリ-を作成した。約20,000クロ-ンをdifferentiac hybridizationによってスクリ-ニングした結果,矮性と正常にそれぞれ特有な6クロ-ンが得られた。(2)得られた6クロ-ンのうち,1.2Kb及び1.4KbのDNA配列を決定した.ホモロジ-サ-チの結果,1.4Kbのクロ-ンはガン関連rasー遺伝子の一種であることが判明した.これを<rgpl>___ーと名ずけた.1.2Kbのクロ-ンはこれまで知られていない遺伝子産物であった.<rgpl>___ーの発現はアザミチシン処理で抑制されていた.矮性M4のseedlingsでも<rgpl>___ー発現は低下していた.1.2Kbクロ-ンの発現は<rgpl>___ーとは逆にアザシチジン処理株,及びそのM4で増加していた.(4)アザシチジン処理で得られた矮性形質はM5まで安定に遺伝した.1.高等植物の種子発芽の時、DNAメチル化の特異的な阻害剤である5ーアザシチジン(azaC)を投与すると全DNAのメチル化が15%程低下するが、同時に植物体の矮性化を引き起こす(MGG、220、441、1990)。2.どのような遺伝子が影響を受けたか調べるためにdifferential hybridizationによってスクリ-ニングした結果、rasー関連遺伝子rgp1が同定された。アミノ酸coding部分をexpression

vectorに組み込んで調べたところ明らかにGTPを結合する蛋白であった。この事はrgplがsignal伝達系に係わっている可能性を示している。この遺伝子の発現は脱メチル化で抑制され、そのパタ-ンは少なくとも第3代目まで遺伝した。これらの結果はrgplは生長に関与しており、その発現はDNAメチル化の状態に依存している事を示唆している(MGG、228、227、1991)。3.rgp1cDNAをタバコに導入したところ、矮性、頂芽優性の消失、発芽の異常という3つの形態異常が見られた。これらはrgp1遺伝子ホルモン代謝に係わる情報伝達系に関与している事を示唆した(plant J.1992)。
複数話者の音声コミュニケーションの意図・状況理解

人間と共生する機械を実現するためには、システムがユーザのモデルを知覚し、それに応じて適応的に行動することが重要であると考えられる。本研究では、音声対話によるインタフェースにおいて、協調的な応答を生成するためのユーザモデルについて検討した。ユーザモデルの研究はこれまで、主として自然言語対話システムにおいてユーザの知識に重点をおいて行われてきた。これに対して音声対話システムでは、バージイン、応答までの時間など、テキストには含まれないがユーザの特徴を反映する情報が多く存在する。本研究ではこれらの特徴を考慮に入れながら、包括的なモデルを構成した。すなわち、システムに対する習熟度、タスクドメインに関する知識レベル、性急度の3つのユーザモデルを導入し、それに応じた対話制御を検討した。具体的には、習熟度の低いユーザに対しては、単語発話を誘導する質問を行うことや、質問を行う際に答え方の説明を付加するという対話戦略をとる。知識レベルの低いユーザに対しては、提示する情報を絞った上で、それについての説明を付加する。性急度の高いユーザに対しては最低限の入出力を行うという戦略をとる。現在我々が開発中の京都市バス運行情報案内システム(音声ポケロケ:075-326-3116)において、これらのモデルの判別方法の決定木学習・対話戦略の実装を行い、予備的評価を行った。
オンサイト・セルスペシフィック解析による水稲高温障害・窒素代謝改善効果の機構解明

閉鎖型人工気象室において背白粒の形成を誘導する高温条件を再現し,そこで成長中の玄米を対象に人工気象室隣接型のピコリットルセルプレッシャープローブエレクトロスプレーイオン化質量分析法を用いて、オンサイトかつサイトスペシフィックに細胞レベルの水分状態・代謝産物の解析を行った.具体的には,出穂後4日目の「コシヒカリ」ポット稲に窒素追肥した上で出穂後5日目から10日間に渡って高温処理を行い,この条件下で、玄米背側の外胚乳と果皮を対象に各細胞層から細胞液を採取し,前処理なしに,リアルタイムに採取した細胞溶液の代謝産物を分析した.同時に,高温条件下で継時的に玄米試料を採取し,固定後、透過型電子顕微鏡を用いて玄米の白濁化する領域の細胞内オルガネラの微細構造観察と、玄米背側のタンパク質分析を行った.その結果,新たに高温に伴なった背白粒形成と窒素施与による白濁化回避のメカニズムを見出した.圃場でも高温登熟条件下での施肥試験を行い,同様のメカニズムが働いていることが示唆された.フェーン型乳白粒についても,高温に伴なった背白粒形成に類似するメカニズムが働いていることも明らかにした.さらに,背白粒発生の品種間差解明のため,「コシヒカリ」(高温登熟性中)と「ふさおとめ」(高温登熟性強)のポット稲を供試し,不透明化領域である玄米背側外胚乳細胞と透明化する側面の外胚乳細胞とで同様の手法を用いて,部位別の品種間差の解析を行った.昨年度,人工気象室試験において,本課題の主テーマである高温に伴なった背白粒形成及び窒素施与による白濁化回避のメカニズムを解明した.さらに,圃場でも人工気象室試験に一致する機構が働いていることが確認された.また,フェーン型乳白粒の研究成果から,環境ストレスに伴う玄米白濁現象の機構に共通性があることも示唆された.昨年度までに背白粒の品種間差の解析を終え,探針エレクトロスプレーによるイオン化法の開発についても植物(玄米)組織解析用に改良が進んだことから,現段階で概ね目標を達成できたといえる.人工気象室で行った背白粒の品種間差の解析結果,窒素追肥による背白粒発生低減についての圃場での再現試験結果を取りまとめる.細胞生理学的な解析結果から得られた一連の知見に基づいて,高位高温耐性の育種方向と施肥体系改善の可能性を提示する.今年度,閉鎖型人工気象室において白未熟粒(背白粒)の形成を誘導する温暖化環境を再現し,そこで成長中の玄米の白濁・透明化部分を対象に,オンサイトかつセルスペシフィックな水分状態・代謝産物解析を行った.実験材料にはポット稲「コシヒカリ」を供試し,出穂後4日目に窒素追肥した上で出穂後5日目から10日間の高温処理を行った.解析は高温処理の期間中,背白粒の白濁推定領域である玄米の背部維管束周辺の果皮と白濁化推定領域である背側の外胚乳を対象に,各細胞層からピコリットルレベルの細胞液を採取し,これをセルプレッシャープローブエレクトロスプレーイオン化法を用い,前処理なしに試料中の代謝産物の質量分析を行った.同時に,セルプレッシャープローブを用いて各細胞層の水分状態(膨圧)を非破壊状態で計測した.並行して,高温ストレス条件下で継時的に玄米試料を採取,化学固定し,透過型電子顕微鏡を用いて白濁・透明化部分の細胞内オルガネラの微細構造を観察するとともに,タンパク質分析を行い,構築した仮説を検証した.その結果,背白粒形成と窒素施与による白濁化回避のメカニズムについて,仮説を裏付ける有力なエビデンスが得られた.また,動的に分子トレーサーとして窒素同位体(15N)を尿素の形で根圏から施与した上で,上述の細胞分子計測を行い,高温下で白濁化する細胞層のアミノ酸代謝を動的に解析できることが確認された.この方法を用いて,高温耐性の異なる複数の品種を供試し,追肥による品質改善程度の品種間差異を明らかにできる見込みである.閉鎖型人工気象室隣接型プレッシャープローブエレクトロスプレーイオン化質量分析を用いることで,高温条件に応答する細胞レベルの代謝産物を前処理なく,かつ,環境(温度等)変化に起因する外乱の影響を完全に排除した上で,成長中の玄米内の白濁化領域の細胞内代謝変化をオンサイト,かつリアルタイムに解析することができた.10月に当研究センターに博士研究員1名(畠山)を採用した.また、同研究センター(合志市)のウルトラミクロトーム・透過型電子顕微鏡を使って,センター内で代謝産物解析と透過型電子顕微鏡解析を行える環境が整ったことから,計画した一連の実験を前倒しで実施している.メカニズム解明については研究初年度で,構築した仮説を裏付ける有力な知見を得るに至っており,順調に研究が進展している.閉鎖型人工気象室において背白粒の形成を誘導する高温条件を再現し,そこで成長中の玄米を対象に人工気象室隣接型のピコリットルセルプレッシャープローブエレクトロスプレーイオン化質量分析法を用いて、オンサイトかつサイトスペシフィックに細胞レベルの水分状態・代謝産物の解析を行った.

具体的には,出穂後4日目の「コシヒカリ」ポット稲に窒素追肥した上で出穂後5日目から10日間に渡って高温処理を行い,この条件下で、玄米背側の外胚乳と果皮を対象に各細胞層から細胞液を採取し,前処理なしに,リアルタイムに採取した細胞溶液の代謝産物を分析した.同時に,高温条件下で継時的に玄米試料を採取し,固定後、透過型電子顕微鏡を用いて玄米の白濁化する領域の細胞内オルガネラの微細構造観察と、玄米背側のタンパク質分析を行った.その結果,新たに高温に伴なった背白粒形成と窒素施与による白濁化回避のメカニズムを見出した.圃場でも高温登熟条件下での施肥試験を行い,同様のメカニズムが働いていることが示唆された.フェーン型乳白粒についても,高温に伴なった背白粒形成に類似するメカニズムが働いていることも明らかにした.さらに,背白粒発生の品種間差解明のため,「コシヒカリ」(高温登熟性中)と「ふさおとめ」(高温登熟性強)のポット稲を供試し,不透明化領域である玄米背側外胚乳細胞と透明化する側面の外胚乳細胞とで同様の手法を用いて,部位別の品種間差の解析を行った.昨年度,人工気象室試験において,本課題の主テーマである高温に伴なった背白粒形成及び窒素施与による白濁化回避のメカニズムを解明した.さらに,圃場でも人工気象室試験に一致する機構が働いていることが確認された.また,フェーン型乳白粒の研究成果から,環境ストレスに伴う玄米白濁現象の機構に共通性があることも示唆された.昨年度までに背白粒の品種間差の解析を終え,探針エレクトロスプレーによるイオン化法の開発についても植物(玄米)組織解析用に改良が進んだことから,現段階で概ね目標を達成できたといえる.閉鎖型人工気象室において背白粒の形成を誘導する高温条件を再現し,そこで成長中の玄米の白濁・透明化部分を対象に,オンサイトかつサイトスペシフィックな水分状態・代謝産物解析を行った.実験材料には「コシヒカリ」のポット稲を供試した.出穂後4日目に窒素追肥した上で出穂後5日目から10日間の高温処理を行った.高温処理中,背白粒の白濁推定領域である玄米の背側の背部維管束周辺の果皮と白濁化推定領域である背側の外胚乳を対象に,各細胞層から細胞液を採取し,これを対象にピコリットルセルプレッシャープローブエレクトロスプレーイオン化法を用い,前処理なしに試料中の代謝産物の質量分析を行った.並行して,高温条件下で継時的に玄米試料を採取,化学固定後,透過型電子顕微鏡を用いて玄米の白濁化する領域の細胞内オルガネラの微細構造の観察とタンパク質分析を行った.以上のデータ解析を進めたところ,背白粒形成と窒素施与による白濁化回避のメカニズムについての仮説が裏付けられた.また,圃場での窒素施肥による背白米発生低減試験を行った.高温登熟した環境下で,窒素レベルを上げることで白濁が回避された.その形態観察から人工気象室試験と同様のメカニズムが関与していることが強く示唆された.また,反復したポット施肥試験において,窒素同位体(15N)分子トレーサーを根圏に施与した後,上述の細胞分子計測を行うことで,高温下で白濁化する細胞層のアミノ酸代謝を分子レベルで動的に捉えることもできた.閉鎖型人工気象室隣接型プレッシャープローブエレクトロスプレーイオン化質量分析を用いることで,高温に応答する細胞レベルの代謝産物を前処理なく,かつ,温度等の環境変化に起因する外乱の影響を排除し,成長中の玄米内の白濁化領域の細胞内代謝変化をオンサイト,かつリアルタイムに解析することができた.透過型電子顕微鏡(九州沖縄農業研究センター,熊本県合志市)に付属する印刷機の故障により、電顕画像の撮影が一時中断し,形態観察に遅れが生じたものの,その後、福岡市産学連携交流センター(福岡市)にて電顕観察を進め,遅れを取り戻した.メカニズム解明についてはデータの取得をほぼ終え,仮説を証明できる見込みである.
巨大RNA-タンパク質複合体vaultの構造に基づいた機能解明

1986年に米国UCLAのRomeらのグループによってラット肝臓より単離されたvaultは3種類の蛋白質と1種類のRNAによって構成されており、分子量約13MDa、サイズが約34×60nmでウィルスを除けば今日までに報告されている中では最大のRNA-蛋白質複合体である。ほとんどの粒子は細胞質内に存在し、全体量の5%程度が核膜孔複合体(NPC)とその周辺に局在することは知られているが、発見から18年以上を経た現在もなお詳細な機能は明らかになっていない。したがって、我々はvaultを構成成分にばらすことなく生体内に存在するそのままの状態で結晶化し、X線結晶構造解析によって粒子全体の立体構造を原子レベルで解明することにより、分子の形からvaultの本質的な機能解明に迫ることを目的として研究を行った。出発材料としては量も良く研究されているラット肝臓を用いた。我々はすでにポリエチレングリコールを沈澱剤として用いた結晶化条件で9Å分解能の反射を示す正方晶系の結晶を得ていたが、条件をさらに最適化することで空間群P1、格子定数α=440.9Å、b=600.8Å、c=635.7Å、α=67.1°、β=77.7°、γ=70.0°の新しいタイプの結晶を得た。この結晶は放射光施設SPring-8の生体超分子専用ビームラインBL44XUにおいて最高で4.5Å分解能の反射を示す良質の結晶であった。したがって、現在はこの結晶を用いて構造解析を進めており、すでに10Å分解能のNativeデータとMIRで位相決定を行うために必要な重金属誘導体の回折強度データは得ている。
ナノ結晶シリコン中の非輻射再結合過程

筆者らはナノ結晶中での非輻射再結合過程を追求し発光過程を明らかにすべく研究をすすめている。その中でもレーザーアブレーション法で作製されたナノ結晶は有望な材料系でこの材料を中心として研究を行った。またナノサイズのシリコンとの比較としてSiOx中のナノサイズシリコン、SiH2が豊富な非晶質シリコンに関して、ナノサイズ半導体との比較としてInAs量子ドットに関して発光過程の比較を行った。レーザーアブレーション法で作製された試料において励起光エネルギーを変化させたところ発光エネルギーが17eVから2.0eVまで変化した。従来この発光エネルギーの変化は量子サイズ効果の変化ととらえられることが多かったがこの研究で1.7eVと2.0eVの成分の合成として変化しているように見えることがわかった。SiOx系に関しても1.7eV付近に同様な発光が得られたことから1.7eV付近の発光はSiOxに関係したものであると考えられる。筆者らはこの系の発光が大きい理由をSiOx系、非晶質シリコン系の発光の温度依存性を比較検討することによって明らかにした。筆者らの作製したSiOx膜、a-Si : Hは均質でなくSiOx膜はSi相とSi02相に分離しa-Si : Hは多量のSiH2ボンドが含まれていることが特徴である。したがってこれらのSiOx膜、a-Si : H膜はバンドギャップの大きなSiO2相やSiH2ボンドの存在によって大きなバンドギャップ揺動がある系であるといえる。発光の温度依存性を綿密に測定したところ、このバンドギャップ揺動によって非発光中心への遷移が妨げられて発光強度が高くなっているとの結論を得た。レーザーアブレーション法で作製されたシリコンナノ結晶も同様な温度依存性を示し表面にSiO2相が存在することから非輻射遷移確率を増大させていると結論できた。この結果は高い発光効率を得るためには必ずしも量子効果は重要ではなくまた必ずしも結晶性がよいことがポイントにはならない事を示している。当助成金による筆者らの成果は今後の材料設計に於いて大きな意味を持つと考えている。筆者らはナノ結晶シリコン中での非輻射再結合過程を追求すべく研究を行っている。試料は希ガス中でレーザーアブレーション法で作製された。この試料に対して電子正孔対の励起方法を変化させたところ興味深い結果が得られた。2.5eVの光で励起すると2.0eV付近に幅の広い発光スペクトルがえられたのに対し3.8eVで励起したところ3.0、2.0、1.7eVに発光が見られた。3.8eVで励起した場合には吸収係数が高いために表面付近では電子状態がかなり異なることが予想される。またこの試料を純窒素中で800°Cでアニ一ルをし2.5eVで励起をしたところ2.0eVの発光は低エネルギー側にシフトし半値幅は増加した。これの現象はアニールすると1.7eVの幅の広い発光が現れ、2.0eVの幅の広い発光は1.7eV成分と2.0eV成分の合成になっていると仮定するとうまく説明が付く。この試料に対してエレクトロルミネッセンス(EL)を測定したところフォトルミネッセンス(PL)とは異なり1.7eVにピークを持つ発光がえられた。この1.7eVの発光はアニールした試料で見られた1.7eV成分に相当するものと見られる。

したがって発光中心はELとPLで同じものであるが励起されたキャリアの非発光再結合過程が異なりこれが発光スペクトルに変化を与えていることが分かった。またこの試料の発光寿命を測定したところ光照射によって発光寿命が短くなる現象をとらえた。この発光寿命の減少は発光強度の減少を伴っておらず非発光過程が減少しているようである。これはこの材料の発光効率を上げる上で重要でありさらに詳しく研究を行っていく予定である。筆者らはナノ結晶シリコン中での非輻射再結合過程を追求し発光現象を明らかにすべく研究を行っている。シリコン系の再結合過程の統一的な物理法則を見いだすために多角的に研究をすすめている。その中でも希ガス中でのレーザーアブレーション法で作成されたナノ結晶は将来有望な材料でありこの材料を中心に研究を行っているが、その他SiO_x系、非晶質シリコン系の材料に関しても同様な研究を行っている。レーザーアブレーション法で作製された試料に関しては光励起エネルギーを変化させたところ発光エネルギーが1.7eVから2.0eVまで変化した。従来この発光エネルギーの変化は量子サイズ効果の変化ととらえられることが多かったが、この研究で1.7eVと2.0eVの成分の合成として変化しているように見えることがわかった。SiO_x系に関しても1.7eV付近に同様な発光が得られたことから1.7eV付近の発光はSiO_xに関係したものであると考えられる。筆者らはこの系の発光強度が大きい理由をSiO_x系、非晶質シリコン系の発光の温度依存性を比較検討することによって明らかにした。筆者らの作製したSiO_x膜、a-Si:H膜は均質でなくSiO_x膜はSi相とSiO2相に分離しa-Si:Hは多量のSi-Hボンドが含まれている事が特徴である。従ってSiO_x膜、a-Si:H膜はバンドギャップの大きなSiO_2相やSi-H_2ボンドの存在によって大きなバンドギャップ揺動のある系である。発光の温度依存性を綿密に測定したところ、このバンドギャップ揺動によって非発光中心への遷移が妨げられて発光強度が高くなっているとの結論を得た。レーザーアブレーション法で作製したシリコンナノ結晶も同様な温度依存性を示し表面にSiO_2相が存在することから非輻射遷移確率の減少が発光効率を増大させていることが結論できシリコン系共通の非輻射再結合過程の議論を行うことが可能となった。
注視解析に基づく多属性意思決定時の認知プロセス分析法とマーケティングへの応用

本研究は,さまざまの属性を有する複数の代替案から最適だと判断するものを選び出すという多属性意思決定を実施する人間およびそこでの行動に着目し,眼球運動データに基づきそこで行われる認知プロセスを分析するための方法を構築した.この分析方法について,主たる適用領域であるマーケティングに関連して,レストランにおける人間行動を対象としたフィージビリティスタディを実施するとともに,高度な専門的職業である臨床工学技士の行動分析を対象としたフィージビリティスタディも実施し,ここで構築する方法の有用性を評価した.本研究は,さまざまの属性を有する複数の代替案から最適だと判断するものを選び出すという多属性意思決定(Multiple Attribute Decision Making: MADM))に着目し,マーケティング分野でのMADMの応用研究における限界について,眼球運動解析を導入することで解決を目指して実施しているものである.本年度は,昨年度に準備として実施した金融商品に着目した購買再現実験のデータに基づき分析を行い,一連の分析に基づき眼球運動解析導入に向けた分析フレームワークの構築を行った.このフレームワークの中では,特に意思決定に用いられる情報の内容およびフォーマットに基づく分類を導入している.これと眼球運動を組み合わせることで,意思決定のプロセスの観点から眼球運動に適切に解釈を与えられることを狙っている.さらに,異なるカテゴリーとして食品(レストランでの購買)を取り上げ,これを対象とした商品購買の再現実験を複数回実施し,眼球運動データおよび主観データを獲得し,予備的分析に着手したところである.予備的分析の中では,上記のフレームワークを拡張し,レストランにおける購買コンテクストを導入している.すなわち,フレームワークを異なる2つのカテゴリーにおける購買行動の分析に用いることができるように,拡張を行っている.上記の実施内容の中から,特に学術上有意義であると思われる分析フレームワークについては,学術論文としてまとめ発表した.また,予備的分析の結果に関しては学会で発表を予定している.初年度は,多属性意思決定の典型例として購買を取り上げ,その状況下での眼球運動データからいかに意味ある情報を読み取るか,その方法論の基礎となる枠組みを構築することを主たる目的としていた.これについては少なくとも2つの商品カテゴリーについては眼球運動データの解釈のための指針ならびにその具体的手順を準備するとともにそのフィージビリティスタディも実施できた.このことから,概ね予定どおりに進展していると考えている.本研究は,消費者の購買行動を,多様な属性を有する複数の代替案から最適だと個人が判断するものを選び出すという多属性意思決定(Multiple Attribute Decision Making: MADM)と特徴づけ,このプロセスの分析に眼球運動解析を導入することを目指して実施しているものである.本年度は,昨年度までに実施した購買再現実験のデータに基づき分析を行い,一連の分析に基づき眼球運動解析のための分析フレームワークの精緻化を行った.さらに,飲食店において大規模な購買再現実験を実施し,大量のデータを得た.昨年までに構築したフレームワークについて,タスク分析により明らかになる情報の内容およびフォーマット,およびそれらとのタスクとの関連性に基づく分類を,キーとなる概念として導入することで,フレームワークをさらに精緻なものに改良している.特に,大規模な実験を実施した飲食店のコンテクストに着目し,レストランでの購買行動の分析に適した方法として整備することにも注力をした.上記の実施内容の中から,特に学術上有意義であると思われる分析フレームワークおよび飲食店における適用から得られた実務的に有用なインプリケーションについて,学会で発表した.なお,飲食店におけるデータは大量であり,本年度の時点では終了していない.これらの分析は次年度以降も継続して実施し,その成果については逐一発表をしていく予定である.今年度は,購買行動のうち飲食店における行動に着目し,実店舗における大規模な購買行動再現実験を実施し,貴重なデータを大量に得た.これらに基づき,分析のためのフレームワークの精緻化を実施した.これは研究計画に記載していた実施事項であり,概ね予定どおりに進展していると考えている.最終年度では,これまでの実験により得られたデータの分析を完了し,消費者個人が知覚する重要な商品情報の観点から認知プロセスの特徴の分析を実施した.各消費者の傾向・特徴と個人の属性との関係についても考察し,示唆を得た.総括として,眼球運動解析を用いることの学術的・実務的意義と,そこから派生した新たな認知タスクの分析方法の適用可能性・有効性についても考察した.具体的には以下の2点について成果を得た.自由行動下での実験により得られたデータの分析を実施した.広くMADMを対象に一般化した方法を構築,さらに適用をすることにより,眼球運動の推移パターンから推測される,商品の吟味時に個人が主観的に重要だと知覚している情報について抽出を試みた.さらに,この方法を実務における具体的な問題発見・解決への抽出に向けた適用を狙い,実店舗内における情報表示に存在する潜在的問題点の抽出および解決に向けた指針を得るための分析手順に落とし込み,こちらについても方法論として整備をした.これまでの研究成果を総合し,本研究で構築した方法に関して,背後にある学術的根拠,適用可能な条件,適用をサポートするツール,ならびに限界を整理し,方法論の学術的・社会的意義,有用性,実施上の注意点,今後の課題についてまとめた.また,研究の中で実施した実験と実作業環境下での観測を通してわかった各種の知見についても,体系立てて整理し,今後の研究方針としてまとめた.本研究は,さまざまの属性を有する複数の代替案から最適だと判断するものを選び出すという多属性意思決定を実施する人間およびそこでの行動に着目し,眼球運動データに基づきそこで行われる認知プロセスを分析するための方法を構築した.

この分析方法について,主たる適用領域であるマーケティングに関連して,レストランにおける人間行動を対象としたフィージビリティスタディを実施するとともに,高度な専門的職業である臨床工学技士の行動分析を対象としたフィージビリティスタディも実施し,ここで構築する方法の有用性を評価した.今後は初年度に構築した分析枠組みについて精緻化をしていくとともに,現在進行している購買再現実験をさらに推進してデータを蓄積していく.実験データに対して分析枠組みを適用することで,購買意思決定でキーとなるプロセスを眼球運動から推測する分析へと展開していく予定である.得られた大量のデータに基づき分析を進めるとともに,一連の研究によって得られた方法群,知見,ならびにインプリケーションについて体系だて,実環境下における認知行動分析に向けた眼球運動の適用に資する形で整理することを計画している.経営工学
ピセン超伝導体の超伝導機構の解明

アルカリ金属をドープしたピセン超伝導体の物性研究を中心に進めた。2つの超伝導相において、(1)c軸方向の格子定数が異なること、(2)転移温度の圧力変化が異なることを見いだした。超伝導に最適な組成比はK3piceneであることがわかった。また、超伝導試料の電気抵抗測定から超伝導転移とゼロ抵抗の観測に成功し、バルクの超伝導体であることを示した。分子内電子格子相互作用の計算では、この系の超伝導が分子由来のフォノン機構で説明可能であることを示した。本研究では、芳香族多環縮合炭化水素ピセンへの化学的なキャリアドーピングによって実現した超伝導体に対象を絞って、その超伝導発現機構の解明を目指している。本年度はカリウムをドープしたピセンを対象とした。固相反応で得られた超伝導相のX線回折では、複数の結晶相が混在していることが明らかであった。未反応のピセンの他に、c軸が拡張する結晶構造を持つ相と縮小する構造を持つ相が主な相として存在していた。超伝導相の結晶構造を明らかにするためには単相化が不可欠であると判断し、カリウムドープビセンの精密相制御を進めた。合成の手法は、アンモニアやモノメチルアミンなどの分子を用いた液相合成法であり、より効果的に金属原子をインターカーレーションすることができる。モノメチルアミンを用いた低温合成法では、精密な結晶相の制御が可能であることを見出し、単相試料を得ることに成功した。また、この方法を用いることでKHなどの不純物相を制御することも可能である。また、この低温溶液法が様々な芳香族炭化水素へのキャリアドーピングに有効であることも合わせて示すことができた。単相化した試料ではピセン層間が拡張しており、カリウム原子はピセン層内だけでなく層間へも挿入された構造であることを示唆する結果を得た。この結果から理論的に予測されている準安定構造の存在を明らかにした。また、この単相試料は高い超伝導転移のみ示す相であることがわかった。一方、この合成過程で生成される前駆体((CH3NH2)yKxpicene)の構造と物性を評価した。この前駆体では、モノメチルアミン分子はピセン層間に挿入されている。また、この前駆体の磁性はキュリーワイス則に従っており、ピセン分子上の電子相関の重要性を示唆する結果を得た。これはピセン超伝導体の発現機構を考える上で電子相関を取り入れる必要があることを示している。本研究では、芳香族炭化水素ピセンへの化学的なキャリアドーピングによって実現した超伝導体に対象を絞って、合成法の確立と超伝導発現機構の解明を目指した。新規合成法では、低温液相合成法と電気化学合成法を行った。これは高温での固相合成法では複数の結晶相が混在し単相化が困難であることが明らかになったためである。超伝導相の単相化を目指し、Kドープピセンの精密相制御を進めた。低温合成法では、相制御が可能であり単相試料を得ることに成功した。電気化学反応を利用して高フラクション試料の合成を目指した。現在、電気化学合成法によるピセン超伝導体の高フラクション化を行っている。物性研究では、結晶構造、電子状態、基本物性を明確にすることを目的とした。格子定数はc軸が拡張する相と縮小する相が存在することがわかった。拡張する相は理論的に予想されるK1K2構造(1つのKがピセン層間、2つがピセン層内)と一致し、c軸が縮小する相はK3構造(3つのKがピセン層内)と一致する。これらは異なるTcを持つ超伝導相に対応する。ラマン散乱実験から超伝導に最適なキャリア数がK3piceneの組成比であることがわかった。また、分子内電子格子相互作用の計算から、超伝導相が分子由来のフォノン機構で説明可能であることを示した。2つのTcを持つ超伝導試料ではTcの圧力変化が異なることを見いだした。この結果も結晶構造の違いを反映していると考えられる。また、電気抵抗測定によって超伝導転移とゼロ抵抗の観測に成功し、バルクの超伝導体であることを示した。共同研究としては、ピセン薄膜にKをドープした試料で金属的なフェルミ端の観測に成功した。また、圧力下電気抵抗では、圧力効果の異なる二つの超伝導転移が確認された。各相は異なるTcの圧力依存性を示し、これは磁化測定から得られた結果と一致した。アンモニアやモノメチルアミンなどの溶媒を用いた液相合成法では、精密な結晶相の制御が可能である。

また、溶媒を用いた合成では、高温のTc=18Kの超伝導相が選択的に合成できることが明らかになった。これを用いて結晶構造の格子定数について解析を行い、c軸が拡張する相であることがわかった。これは理論的に予想されるK1K2構造(1つのカリウムがピセン層間、2つがピセン層内へ挿入される構造)と一致している。以前の解析からc軸が縮小するK3構造(3つのカリウムがピセン層内へ挿入される構造)の存在がわかっている。従って、2つの異なるTcの起源はカリウム位置の異なる結晶構造である可能性を示唆している。一方、これらの異なる2つのTcを持つ試料を用いて、超伝導転移の圧力依存性を測定し、圧力変化が異なることを見出した。この結果も結晶構造の違いを反映している可能性がある。これらの結果は米国物理学会誌PRBへ報告し、editors' suggestionに選ばれた。また、今まで超伝導の評価は磁化測定のみ行っていたが、本年度ペレットによる電気抵抗測定を行い、超伝導転移とゼロ抵抗の観測に成功した。これは超伝導機構を解明するうえで重要である。また、この電気抵抗の結果を米国物理学会誌PRBへ報告し、editors' suggestionに選ばれた。カリウムドープピセン超伝導体の2つの超伝導相の起源を明らかにするためには、単相試料で構造、物性評価が必要である。液相合成法による試料の単相化に成功しており、超伝導相が構造に敏感であることを示すことができた。25年度が最終年度であるため、記入しない。カリウムドープピセン超伝導体の2つの超伝導相に対して構造の違いを明らかにしたことは、超伝導機構の解明に重要である。また、超伝導転移を磁化測定だけでなく、電気抵抗で評価できたことは、超伝導がバルクで生じていることを示唆する結果である。ピセン超伝導体の超伝導相が構造に敏感であるので、今後は液相合成法によって結晶構造の異なる相をエンリッチした試料を合成し、構造や基本物性の違いを明らかにする。現在、高いTcを持つ相のエンリッチには成功していおり、その結晶構造が明らかになりつつあるが、今後は低いTc相を単相化することで超伝導と結晶構造の相関が明らかになると考えられる。ピセン超伝導体の超伝導相が構造に敏感であるので、今後は結晶構造の異なる相をエンリッチする手法を開発する必要がある。現在、この手法の開発が問題であるが、溶媒法の条件を詳細に検討することで対応できると考えている。これによって超伝導の結晶相の特定を行う。続いて、他のアルカリ金属をピセンへドーピングし、結晶構造や物性の評価を行い、ピセン超伝導相の機構解明を行う。
マルチスペクトル型熱イメージング法による高分子系複合材料の熱伝導特性の高機能化

本研究では、赤外分光型熱イメージング同時測定法の開発を行い、サーモスペクトロスコピーと称する新しい分野を世界に先駆けて切り開いた。この方法によれば、赤外分光スペクトルの空間的な2次元分布(赤外分光イメージング)と熱画像(熱輻射強度分布)(2次元温度分布)を同時に観測し、デジタル画像として保存することができ、世界でも最も高倍率の赤外顕微レンズにより、ミクロスケールの空間分解能を可能とした。熱伝導のミクロスケールの可視化のみでなく、化学反応や相転移を伴う動的な過程の分光情報も同時に取得することで、熱伝導に及ぼす化学構造の変化の寄与を正確に見積もることができるようになった。このことは、従来困難であった、化学組成あるいは状態の変化する系での輻射率ー温度変換による2次元の温度校正を実験的に可能にし、このことの意義は大きい。かつ取得周波数は200Hz以上と、十分な速度での測定を可能としている。この方法論の確立のうえに、最終年度は、高分子複合系として、フィラー混合系、発泡系、およびバイオメディカル分野の生体組織のサーモスペクトロスコピーによる応用展開を実施した。特に、バイオメディカル分野の応用では、ヒト前立腺がん細胞の初期過程の赤外分光スペクトルを、サーモスペクトロスコピーの手法により、通常の赤外線スペクトルイメージングに比較してコントラストの明確な画像取得により、精度良い描画に成功し、赤外分光における熱輻射の見積もりの重要性についても指摘することができ、本方法論の有用性を示した。赤外分光型熱イメージング同時測定法を用いて、相転移による熱の出入りや、熱現象に伴う化学的な変化を、熱の拡散現象と赤外分光イメージング同時に観測することで、熱伝導を制御した高分子系材料の分子構造設計と機能発現に関する基礎的研究を行なうことを目的とし、第一段階として,測定装置の検証を行なった。(1)入射光学系:赤外線FPA素子(赤外線カメラ)を用いた分光測定には、回折格子を用いた分散型分光器を試作し、光軸確認用のダイオードレーザー入射の切り替えを可能とした。機械式チョッパーを導入し、スペクトルと熱イメージの高速同時測定へ応用した。感度波長は中赤外線域とし、適切なブレーズ波長を選定し、中赤外の波長レンジにおいて、スペクトルの波長分解能を確認した。試料保持ステージは、試料の上下のヒーターを装着した温度調節機構を持たせ、観察窓の選定を行った。(2)出射光学系:集光系と平行光系の2系統の切り替え可能な設計とした。分光器を通過した単色光を楕円鏡を用いて集光し、さらに赤外顕微レンズを通してFPA素子上に撮像した。空間分解能は34 μmであることを確認した。(3)有機分子性結晶の相転移:赤外スペクトル・熱イメージング同時測定により、n-アルカンの結晶化、および回転相転移の結晶ラメラ成長における発熱とともに、赤外吸収スペクトルの波数シフトを観測することに成功した。相変化による輻射率の変化を考慮した、正確な温度を定量的に求める方法論を提案した。(4)一方、この手法を高分子収縮フィルムの表面の熱拡散率測定に応用した。ポリスチレンフィルムを熱収縮させ、一定の割合で空気を含有する表面の熱拡散率を、変調したレーザーをミクロスケールに集光して照射し、その面内の温度拡散の位相遅れのイメージングを行なった。空気含量の増大により、熱拡散率が減少することを定量的に確認した。マルチスペクトル分光型熱イメージング法の開発を進める上での、入射系、出射系および光学系の設計を検討し、波数分解能、空間分解能、ならびに得られる温度分解能を詳細に実験から確認する基礎実験を行い、順調に研究を立ち上げることができた。特定の赤外振動吸収と熱伝導の相関を明らかにするための,I.計測法の開発,II.複合系材料設計、等に注力した、詳細な熱解析の方法論の構築を進めている。前年度の装置設計と試作を受けて,実際の稼働を開始した。装置設計の最適化を行い,大容量データの高速取得における問題点の改良を行なう傍ら,具体的に,マルチスペクトラム分光熱イメージングデータの取得を開始した.波長分解能,空間分解能,時間分解能の正確な測定については,バンドパスフィルターや,USAFテストターゲット等を用いた測定により,確認した.相転移,化学反応化のダイナミック測定,スペクトルと熱画像の同時取得を,n-パラフィン,エリスリトール等の潜熱蓄熱材を代表例として,結晶化時の潜熱の発生,伝播と赤外透過スペクトルの相関を,吸収波長毎に,連続温度走査下にて行なった.さらに,高分子重合反応時の高分子生成界面の赤外分光スペクトルと熱輻射同時測定から,濃度変化に伴う正確な輻射率分布を実験的に校正する手法を提案し,反応界面の微弱な温度上昇を観測することに成功した.化学反応の界面では濃度分布が変化するため、輻射率も変化し、かつ反応による発熱に伴う温度変化についても考慮する必要がある。赤外透過スペクトルと赤外熱輻射の同時測定により、化学組成が変化し、かつ温度も変化する系での輻射率の実験からの導出を可能とした。一方、複合系熱電材料,空孔やフィラーを含む複雑系の熱伝導を,変調レーザー光照射による光熱変換効果を利用した微小試料内の温度波伝播の解析を行うための装置試作についても着手し、測定と解析のアルゴリズムを考案した.この方法により、複合系の熱拡散率分布測定を2次元まで拡張することを予定している。

マルチスペクトル分光型イメージング法の設計と試作をほぼ順調に進め、特定の振動吸収に対する温度依存性や空間分布を画像として同時取得できるようになった。本研究では、赤外分光型熱イメージング同時測定法の開発を行い、サーモスペクトロスコピーと称する新しい分野を世界に先駆けて切り開いた。この方法によれば、赤外分光スペクトルの空間的な2次元分布(赤外分光イメージング)と熱画像(熱輻射強度分布)(2次元温度分布)を同時に観測し、デジタル画像として保存することができ、世界でも最も高倍率の赤外顕微レンズにより、ミクロスケールの空間分解能を可能とした。熱伝導のミクロスケールの可視化のみでなく、化学反応や相転移を伴う動的な過程の分光情報も同時に取得することで、熱伝導に及ぼす化学構造の変化の寄与を正確に見積もることができるようになった。このことは、従来困難であった、化学組成あるいは状態の変化する系での輻射率ー温度変換による2次元の温度校正を実験的に可能にし、このことの意義は大きい。かつ取得周波数は200Hz以上と、十分な速度での測定を可能としている。この方法論の確立のうえに、最終年度は、高分子複合系として、フィラー混合系、発泡系、およびバイオメディカル分野の生体組織のサーモスペクトロスコピーによる応用展開を実施した。特に、バイオメディカル分野の応用では、ヒト前立腺がん細胞の初期過程の赤外分光スペクトルを、サーモスペクトロスコピーの手法により、通常の赤外線スペクトルイメージングに比較してコントラストの明確な画像取得により、精度良い描画に成功し、赤外分光における熱輻射の見積もりの重要性についても指摘することができ、本方法論の有用性を示した。前年度の装置設計と試作を受けて、大容量データの高速取得における問題点の改良を行なう傍ら、具体的に、より広範囲の材料について、マルチスペクトラム分光熱イメージングデータの取得を開始する。波長分解能、空間分解能、時間分解能のさらに正確な測定を、バンドパスフィルターや、USAFテストターゲット等を用いた測定上の分解能の確認実験により行なう。相転移、化学反応化のダイナミック測定・スペクトルと熱画像の同時取得を、潜熱蓄熱材等について、中赤外の吸収波長毎に,連続温度走査下にて行なう。複合系への適用は、空孔やフィラーを含む複雑系の熱伝導解析、物質間界面における急速熱伝達の解明、異方性熱伝導分布のイメージング等を目標に実験を進める。複合系へのさらなる本方法の適用を下記により進める。空孔やフィラーを含む複雑系の熱伝導解析,材料の変形時の吸発熱,破断初期過程の発熱検出,微細部分の融解挙動の解析,結晶化速度と熱伝導の比較,熱の流れと構造の発現,物質間界面における急速熱伝達の解明,ミクロ伝熱・ミクロ欠陥検出を目標に実験を進める.高強度・高断熱性材料の設計に欠かせない独立微細孔と無機・金属フィラー周囲のミクロ伝熱解析を詳細に行う.特定の振動吸収の発熱と,熱伝導性の相関について,逆問題解析も含めて,検討し,測定データを活かした,解析アルゴリズム開発を進める.高断熱性・高分子複合系材料の設計複合系のミクロ熱解析に基づき高強度・高断熱性・高分子複合系材料の設計と実際の試作を,ミクロ領域のみでなく,マクロな平均的な熱物性・力学物性も視野にいれて開発を進める.
モリブデンの環境動態に着目した毒性藍藻類の窒素固定特性と異常増殖メカニズムの解明

モリブデンや鉄などの微量栄養素は、毒性藍藻類の窒素固定や毒素生産特性と密接にかかわっている。本研究では、室内培養試験ならびに国内外の野外調査を通して、微量栄養素が藍藻毒の発生や藍藻の増殖に及ぼす影響を明らかにすることを目的とする。平成30年度の研究では、前年度に引き続き培養試験を継続することで、毒性藍藻類Raphidiopsis raciborskiiの増殖特性と窒素固定特性に及ぼす栄養素の影響を明らかにした。窒素固定(ニトロゲナーゼ酵素)に重要な鉄やモリブデンなどの微量栄養素に加え、主栄養塩である窒素の利用性が増殖・代謝特性に及ぼす影響を対象とした。その結果、微量栄養素欠乏下において窒素固定活性(アセチレン還元法)は低下したものの、毒素株(CS506)は無毒素株(CS509)と比較して、高い増殖速度を維持することができ、毒素株が窒素固定などのストレス環境下において優位である可能性が示唆された。また、昼夜通して行われる窒素固定活動は無毒素株より毒素株の方が高かった。以上の培養試験結果は、窒素や微量栄養素制限下における毒性藍藻類の生態的優位性を示している可能性がある。また、平成30年度における研究においても、国内外における野外調査(夏季を中心に)を継続して実施した。基礎水質項目に加え、微量金属濃度、栄養塩濃度、有機物濃度、毒素濃度、光合成活性等の観測データを取得し、さらに16s rRNAメタバーコーディングによる藍藻組成(属レベル)データを取得した。後述の通り、次年度の研究において観測データをとりまとめ、藍藻毒の発生と水質・環境パラメータの因果関係についての考察を行う。平成30年度の研究では、室内培養系において毒素生産が栄養制限状態での増殖や窒素固定に及ぼす影響を明らかにし、また、国内外における野外調査を継続して観測データを取得できたことから、研究進捗はおおむね順調であると判断する。平成31年度の研究では、前年度までに得られた観測データ(国内関東近郊、豪州シドニー等)を取りまとめ、統計解析(NMDS, PCA等)や機械学習等を通して、藍藻類組成と水質(毒素や微量金属等)の関連性を評価する。さらに、室内試験結果も考慮することにより、毒性藍藻類の発生と水質・環境パラメータの因果関係ついての考察を行う。モリブデンや鉄などの微量金属は、淡水性藍藻類の毒素生産や増殖に重要な窒素固定活性と密接な関係にある。本研究では、室内藻類培養試験ならびに国内外での野外調査を通して、微量金属が藍藻類の増殖や代謝特性を明らかにすることを目的としている。藍藻毒の生成過程において、細胞酸化ストレスが関与していることが指摘されていることから、室内試験では藍藻類(Cylindrospermopsis、Microcystis)の培養過程で微量金属を制限することによって細胞ストレスを与え、細胞ストレスと藍藻毒、窒素固定特性の関連性を明らかにする実験を行った。その結果、微量金属が不足する条件では細胞酸化ストレスが上昇し、細胞当たりの藍藻毒量が増加した。さらに、藍藻毒の生産速度は微量金属濃度が中程度(例えば鉄については100nM)において毒素生産が抑制された。窒素固定応答に対する微量金属の影響を調べた実験では、微量金属濃度が高い培養条件で細胞増殖と窒素固定活性が増加した。さらに、窒素固定培養下で毒素株の増殖速度は高かったことから、微量金属の生物利用性が毒性藻類の増殖や窒素固定に影響を及ぼすことが示された。国内外の野外調査では、夏季のアオコ発生時に藻類・水試料を採取し、藻類試料について16S rRNAシーケンス解析を実施した。その結果、藍藻類の中でも主としてMicrocystisやClylindrospermopsis、Anabaena等が検出された。環境・生態パラメータの統計解析を行った結果、モリブデンと鉄、コバルト濃度と酸化ストレス遺伝子の間に正の相関が見られた。さらに、藍藻毒の生成と微生物多様性指標には負の相関が見られた。以上の結果は、微量金属の生物利用性が細胞の酸化ストレスと関連し、細胞ストレスから生じる毒素生産が水域の微生物多様性に影響を及ぼしている可能性を示唆している。研究1年目となる平成29年度の研究では、国内外における野外調査の実施と水・藻類試料の採取、ならびに微量金属を含む種々の水質分析を実施した。さらに、藻類培養系を構築し、微量金属が藍藻類の毒素生産や窒素固定特性に及ぼす影響を調べた。従って、現在までの研究は、概ね順調に進んでいると判断する。

以上の培養試験結果は、窒素や微量栄養素制限下における毒性藍藻類の生態的優位性を示している可能性がある。また、平成30年度における研究においても、国内外における野外調査(夏季を中心に)を継続して実施した。基礎水質項目に加え、微量金属濃度、栄養塩濃度、有機物濃度、毒素濃度、光合成活性等の観測データを取得し、さらに16s rRNAメタバーコーディングによる藍藻組成(属レベル)データを取得した。後述の通り、次年度の研究において観測データをとりまとめ、藍藻毒の発生と水質・環境パラメータの因果関係についての考察を行う。平成30年度の研究では、室内培養系において毒素生産が栄養制限状態での増殖や窒素固定に及ぼす影響を明らかにし、また、国内外における野外調査を継続して観測データを取得できたことから、研究進捗はおおむね順調であると判断する。研究2年目となる平成30年度の研究では、国内外における野外調査を継続して実施すると共に、複数年における観測データを取りまとめ、統計学的手法も活用して藍藻類の増殖・代謝特性と微量金属の関連性を明らかにする。さらに、実験室内における藻類培養系を継続し、微量金属の変動に対する窒素固定、微量金属摂取、毒素生産の応答を網羅的に調べる予定である。平成31年度の研究では、前年度までに得られた観測データ(国内関東近郊、豪州シドニー等)を取りまとめ、統計解析(NMDS, PCA等)や機械学習等を通して、藍藻類組成と水質(毒素や微量金属等)の関連性を評価する。さらに、室内試験結果も考慮することにより、毒性藍藻類の発生と水質・環境パラメータの因果関係ついての考察を行う。