hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ムスカリン様アセチルコリン受容体におけるサブグラスとその特異的反応についての研究

従来, M2サブタイプに属し,単一のサブタイプからなると考えられている心筋ムスカリン様受容対のアゴニストに対する親和性を解析すると, supernigh(SH),high(H),low(L)の三つの親和性を持つ状態の混在していることが明らかとなった.これらは, GTP,DTNB(SH基修飾剤)などによって相互に変換しあう.本研究において,我々はモルモット心筋を用いて,相互変換の様相をコンピュータを用いた非線型最小二乗法によって解析し,それが少なくとも現象的には, M2α(SH【tautomer】H)とM2β(H【tautomer】L)の二つのGTP,DTNBによって相互変換する群(サブクラス?)に分けられることを見出した.アゴニストであるカルバコールの保護下に特異的ムスカリン様受容対アルキル化剤で膜を処理すると, M2βのみがアルキル化され, M2αのみが残る.この時,アデニレートシクラーゼ抑制能も残っており,各アゴニストのアデニレートシクラーゼ活性抑制の親和性はHのそれと一致するため, M2αの低親和状態がAdenylate eyalaseと共役していることが明らかとなった.一方,モルモット心筋スライス標本を用いて, PIレスポンスを測定すると,各種ムスカリニックアゴニストの親和性は, Lの親和性と一致した.以上の結果より, M2αがアデニレートシクラーゼ活性抑制反応と共役しており, M2βはPIレスポンスと共役していることが明らかとなった.従来, M2サブタイプに属し,単一のサブタイプからなると考えられている心筋ムスカリン様受容対のアゴニストに対する親和性を解析すると, supernigh(SH),high(H),low(L)の三つの親和性を持つ状態の混在していることが明らかとなった.これらは, GTP,DTNB(SH基修飾剤)などによって相互に変換しあう.本研究において,我々はモルモット心筋を用いて,相互変換の様相をコンピュータを用いた非線型最小二乗法によって解析し,それが少なくとも現象的には, M2α(SH【tautomer】H)とM2β(H【tautomer】L)の二つのGTP,DTNBによって相互変換する群(サブクラス?)に分けられることを見出した.アゴニストであるカルバコールの保護下に特異的ムスカリン様受容対アルキル化剤で膜を処理すると, M2βのみがアルキル化され, M2αのみが残る.この時,アデニレートシクラーゼ抑制能も残っており,各アゴニストのアデニレートシクラーゼ活性抑制の親和性はHのそれと一致するため, M2αの低親和状態がAdenylate eyalaseと共役していることが明らかとなった.一方,モルモット心筋スライス標本を用いて, PIレスポンスを測定すると,各種ムスカリニックアゴニストの親和性は, Lの親和性と一致した.以上の結果より, M2αがアデニレートシクラーゼ活性抑制反応と共役しており, M2βはPIレスポンスと共役していることが明らかとなった.ムスカリン様受容体(M-AChR)には、少くとも二つのサブタイプ、M1(神経性)、M2(末梢性)の存在することが知られている。我々はM2サブタイプに属する心筋M-AChRがアゴニストに対して3つの異った親和性の混在状態をとっていることを示し、Super-high(SH),High(H),Low(L)affinityagonist binding stateと呼んだ。これら、3つの状態は、guanine nucleotide,SH試薬などによって複雑な変動を起こすが、これをコンピューターを用いた非線型最小二乗法によって詳く解析すると、SH【→!←】H,H【→!←】Lと相互変喚する二つのサブグループに分けられることが判明した。一方、M-AChRによる心筋受容体反応として、adenylate cyclase(AC)抑制、PI反応、膜イオン透過性変化などが知られているが、今回、我々は、AC活性抑制反応が、SH【→!←】H,H【→!←】Lのどちらのグループと共役しているかをしらべた。モルモット心筋膜分画における、各種ムスカリニックアゴニストのAC抑制のKD値は前述のHstateのKDとよく一致した。M-AChRの特異的アルキル化剤、PrBCM処理によってM-AChR量を減らしてゆくと、AC活性の最大抑制率は減少するが、各アゴニストのKDは変化しないため、この組織ではM-AChRのスペアレセプターは存在せず、AC抑制から求めた見かけのKD値は、真のKDと一致すると考えられる。アゴニストのカルバコールの保護下に、PrBCM処理を行うと、カルバコール濃度と処理時間を適当に選ぶと、SH【→!←】Hグループのみを残し、H【→!←】Lグループを失活させることができる。この条件下で、AC活性抑制能は残っていた。以上の結果は、M-AChR受容体反応としてのAC活性抑制は、SH【→!←】Hグループと共役しており、その親和性はHstateと一致していることが証明された。次年度は他の受容体反応との共役について調べる予定である。
低線量被曝からMDS発症に至る疫学的解析および分子発症プロセスの解明

骨髄異形成症候群関連疾患の遺伝子変異を解析したところ,低線量被曝例では2km以内の直接被爆者よりもむしろ高率にRUNX1変異が認められた。特に黒い雨被曝例はいずれもRUNX1変異を有する慢性骨髄単球性白血病(CMML)であった。そこでCMMLを含む骨髄異形成/骨髄増殖性腫瘍症例を集積し,発症機序の解析を行った。CMMLではRUNX1変異が高頻度であり,スプライシング因子変異に関連して病期進展に伴い短縮型RUNX1a高発現が認められた。低線量被曝によりRUNX1変異が生じやすいという仮説に加え,RUNX1変異造血幹細胞が放射線傷害に耐性で残存し,クローン性に増殖する機序も想定された。骨髄異形成症候群(MDS)の発症機構の主要部を担う遺伝子異常の一つであるRUNX1変異は,化学療法や放射線療法後の治療関連造血器腫瘍症例に高率に認められ,放射線や化学療法によるMDSのバイオマーカーの1つと考えられる。原爆被爆者では,遠距離直爆例などの低線量被曝症例にも認められることから,これまでほとんど解析されていなかった低線量被曝に注目した。本研究「低線量被曝からMDS発症に至る疫学的解析および分子発症プロセスの解明」は,低線量被曝後非常に長い期間を経てMDSを発症する症例を解析し,過剰発生率の推定およびRUNX1変異を中心とした遺伝子異常の解明を試み,低線量被曝による長期的な健康被害の実態解明と示唆を行うものである。MDS/AML患者について,被爆状況特に黒い雨への曝露歴などを聞き取り調査して低線量被曝者を抽出し,検体を採取する。また被爆者データベース(ABS)を用いて,過去の患者(主に2003年以降,可能であれば1962年2002年の期間も)においても低線量被曝症例を抽出する。新規または保存患者サンプルを用いてRUNX1変異などの遺伝子異常を検索し,被曝線量との関係を解析する。また新規サンプルを用いた網羅的な遺伝子発現・遺伝子変異の解析を行い,低線量被曝後MDS/AMLの発症に関わる遺伝子異常を解明する。さらに,低線量被曝がMDS/AML発症に及ぼす影響について,統計学的解析を行い,低線量被曝による人体影響を予測する。平成25年度は,既存の症例および新規患者から抽出したDNAを用いて変異解析を行い,放射線被曝との関連が認められるRUNX1変異と様々な協調遺伝子との関連について,変異解析並びに発現量解析を行った。MDS患者について,被爆状況特に黒い雨への曝露歴などを聞き取り調査し,低線量被曝したと考えられる2km以遠での直爆、入市や黒い雨曝露症例を抽出した。新規または保存患者サンプルを用いてRUNX1変異などの遺伝子異常を検索した結果,2km以内の直接被爆者よりもむしろやや多い割合で変異が認められた。また,RUNX1変異による家族性MDS家系において,発端者の祖母が入市被曝者であったことについても,被曝の影響について解析を進めている。さらに,低線量被曝者で増加の見られるMDSにおいて,放射線被曝により高頻度に変異が生じるRUNX1遺伝子に注目し,RUNX1変異によるMDS発症機序の解析を行った。その結果,様々な遺伝子異常と協調して造血機能破綻をきたすことを解明し,被曝後年月を経てMDSを発症する機序が少しずつ明らかになりつつある。原爆被爆者では遠距離直爆例などの低線量被曝症例にも認められることから,これまでほとんど解析されていなかった低線量被曝に注目し,低線量被曝後非常に長い期間を経てMDSを発症した症例のRUNX1変異を中心とした遺伝子異常の解明を試みた。低線量被曝が疑われる新規または保存患者サンプルを用いてRUNX1変異などの遺伝子異常を検索した結果,2km以内の直接被爆者よりもむしろやや多い割合で変異が認められた。さらに,低線量被曝MDS患者に認められたRUNX1変異が,様々な遺伝子異常と協調して造血機能破綻をきたすことを解明し,被曝後年月を経てMDSを発症する機序が少しずつ明らかになりつつある。最近,RUNX1欠損マウスの造血幹細胞は放射線に対する感受性が低いことが明らかにされた。すなわち,RUNX1欠損造血幹細胞は,放射線傷害によるアポトーシスから逸脱し,いわば耐性を獲得していると推測される。このことは,放射線によりRUNX1変異が生じやすいという仮説に加え,既存のRUNX1変異を有する造血幹細胞が放射線傷害に耐性で残存し,そこからクローン性に増殖することも想定される。

後者の仮説を検証するために,MDS未発症の低線量被曝者におけるRUNX1変異を評価するRUNX1変異微小クローンの検出法開発を行った。骨髄異形成症候群関連疾患の遺伝子変異を解析したところ,低線量被曝例では2km以内の直接被爆者よりもむしろ高率にRUNX1変異が認められた。特に黒い雨被曝例はいずれもRUNX1変異を有する慢性骨髄単球性白血病(CMML)であった。そこでCMMLを含む骨髄異形成/骨髄増殖性腫瘍症例を集積し,発症機序の解析を行った。CMMLではRUNX1変異が高頻度であり,スプライシング因子変異に関連して病期進展に伴い短縮型RUNX1a高発現が認められた。低線量被曝によりRUNX1変異が生じやすいという仮説に加え,RUNX1変異造血幹細胞が放射線傷害に耐性で残存し,クローン性に増殖する機序も想定された。MDS患者について,被爆状況特に黒い雨への曝露歴などを聞き取り調査し,低線量被曝したと考えられる2km以遠での直爆,入市や黒い雨曝露症例を抽出した。新規または保存患者サンプルを用いてRUNX1変異などの遺伝子異常を検索した結果,このような低線量被曝が疑われる症例では,2km以内の直接被爆者よりもむしろやや多い割合でRUNX1変異が認められた。RUNX1変異は,これまでにセミパラチンスク核実験場周辺住民(黒い雨と同様のフォールアウトによる被曝)に発生するMDSにおいて,線量依存性に頻度が高くなることを示しており,低線量被曝によるMDS発症に重要な役割を果たすと考えられている。そこでRUNX1変異により被曝後長期間を経てMDSを発症する機序の解明を試み,様々な遺伝子異常との協調作用を中心に,発症機序の一端を解明することができた。血液内科学低線量被曝者で増加の見られるMDSにおいて,放射線被曝により高頻度に変異が生じるRUNX1遺伝子に注目し,RUNX1変異によるMDS発症機序の解析を行ってきた。その結果,様々な遺伝子異常と協調して造血機能破綻をきたすことが想定され,一部は既に報告したが,多くの強調遺伝子については現在も解析中である。引き続きこれらの解析を行い,被曝後年月を経てMDSを発症する機序の解明を進めていく。また,変異以外のRUNX1異常も認められたことから,その解析も推し進める。さらに,RUNX1変異による家族性MDS家系において,発端者の祖母が入市被曝者であったことについても,被曝の影響についての解析を開始したところであり,さらに解明を進めていく。研究代表者が所属機関を変更(広島大学から順天堂大学)したため、研究環境の立ち上げに多少時間を要した。しかし、既に研究環境整備は完了し、広島大学との共同研究体制も問題なく行えることから、本研究課題実施期間において研究を達成できる予定である。年度末(平成27年3月)に行った解析の一部が、次年度(平成27年4月)にずれ込んでしまった。前年度に十分行えなかった低線量被曝症例の抽出を行い、遺伝子異常を解析する。“黒い雨"などの低線量被曝症例の抽出(1)新規発症MDS/AML患者
超対称模型に固有なCPの破れと暗黒物質およびニュートリノ振動への影響

超対称性を入れた模型で二番目に軽い超対称粒子(NLSP)となりうるスタウが、一番軽い超対称粒子(LSP)と非常に近い質量を持つ場合に元素合成におけるリチウム問題が解決しうることを具体的に示した。リチウム問題というのは、通常の元素合成の理論的計算に比べて実際に観測されているリチウムの量が少ない、というものでしたがってリチウムを壊す機構が初期宇宙に必要となることを示唆している、というものである。このため機構が質量が縮退することにより長寿命化したスタウの存在である。暗黒物質の残存量を説明するためにはcoannihilationといわれる機構が働く必要があるが、それは自動的にこのような縮退を要求する。そしてその縮退が強い極限を考えると、質量が縮退することによりスタウが元素合成の時期まで生き残るほど長寿命になる。そのようなスタウはリチウム7やベリリウム7と束縛状態を作るが、スタウがそれらの原子核と非常に近い位置にあるため実質的にパイ中間子を出す崩壊が可能になることにより寿命が十分短くなる一方、そのパイオンを受けるそれらの原子核が違う原子核にすぐに崩壊すること、によりほどよくリチウムが壊されると言うことを定量的に示した。他にも、余剰次元を持つ模型に右巻き型のニュートリノを導入した模型を考え、この模型における暗黒物質の残存量を定量的に計算した。通常の余剰次元を持つ模型と違い、右巻き型のニュートリノが導入されたことで、暗黒物質の組成が変わり、それにより、余剰次元のスケールも通常に比べて低く見積もられることが分かった。この変更はLHC実験を考える上で重要であることも指摘した。超対称を持つように拡張された標準理論は、様々な理由から現在の標準理論を超える物理を提供すると考えられている。その理由の一つとして、暗黒物質の残存量を説明しうる点が上げられる。この拡張された模型は、もうすぐLHCである程度のことが観測できると期待されている。この観測において、宇宙の暗黒物質の残存量を説明するあるパラメタ領域において、stauと呼ばれる粒子が大変超寿命になることを示し、このことが、宇宙の観測との重要なクロスチェックになることを示した。さらには、このチェックを通してレプトンフレーバーの破れへのヒントを得られることも示した。一方、このような新しい物理は、将来のニュートリノ振動実験において、新しい信号を出しうる。具体的には、ループの二重勘定や、不確定性関係、そして荷電レプトンにおけるレプトンフレーバーの破れに関する現在の制限をきちんと考慮して計算した。残念ながら、荷電レプトンにおけるレプトンフレーバーの破れとの相関が強く、それらの現在の実験からの制限を考慮に入れるとあまり大きくなりそうにはないことが分かった。そのため、より詳しい実験を行う必要があることから、今までとは違うタイプの実験を提案した。具体的には原子核による電子捕獲を利用してニュートリノを作ろうというもので、この過程においては、原子核の静止系におけるニュートリノのエネルギーが非常に良く定まっていることから、より精密な実験ができる可能性があることを示した。超対称性を入れた標準理論の対抗馬として盛んに研究されているUniversal ExtraDimension模型において、ニュートリノ振動を説明するために、Dirac型の質量を入れた模型を考察した。この類の模型では、美技巻き型ニュートリノのKalza-Kleinモードが暗黒物質の候補となり得るが、このことについて詳細に調べた。その結果、この類の模型ではこれまでのニュートリノを考慮していない模型で問題であった「重力子のKalza-Kleinモードが暗黒物質になってしまい、それによってこれより少しだけ重い粒子が宇宙の発展のかなり後まで残り、それが重力子へ壊れることによって背景光子についての予言が現在の観測と異なる」という問題が解決できることを見いだした。これらの研究については、既に何回も国際会議で発表を行っており、もうすぐ論文も出版できる予定である。一方で、ニュートリノ振動実験においてエネルギーが精度よく決まったビームを作るためのアイデアとして、電子捕獲によるニュートリノを使うという案を以前出した。このままでは補角率が低いのでそれを大幅にあげるため、親の原子核にレーザーを当てるというアイデアを考え、このアイデアが妥当かどうかについて計算を行った。その結果は、充分強度のあるレーザーであれば数桁補角率を上げる可能性があるというものだった。こちらも、既に何回も発表を行っており、さらにはProgress of Theoretical Physicsへの掲載も決まっている。

他にも、余剰次元を持つ模型に右巻き型のニュートリノを導入した模型を考え、この模型における暗黒物質の残存量を定量的に計算した。通常の余剰次元を持つ模型と違い、右巻き型のニュートリノが導入されたことで、暗黒物質の組成が変わり、それにより、余剰次元のスケールも通常に比べて低く見積もられることが分かった。この変更はLHC実験を考える上で重要であることも指摘した。
電気化学工業史と水俣病問題との構造的関連に関する実証的研究

本研究の主な課題は、第1に1982年度に収集した昭和電工(株)の膨大な内部資料(以下昭電資科)の整理と分析に着手することにあり、第2には並行して、チッソを始めとする当業界他社の資料の補充収集し、業界・企業関係者および化学工業史研究者などからの補充聞取調査を行なうことにあった。第1課題のうち昭電資料の整理は、膨大なコピーを再度閲覧しファイリングないし製本する作業を、ほぼ終了することが出来た。しかし同資料のカード化作業現在も続行しているもののまだ終っていない。なお同資料入手に便宜を計って下さった方々の希望を尊重し、分析結果の執筆を当分見合わせざるを得ない状況にある。また昭電資料の分析には化学工業史・電気化学工業史・電力産業史と同社の内部事情に精通した知識が必要であり、今後下記の第2課題の追求と並行して、同分析作業を深めていく予定である。第2課題のうち他社資料の補充収集に関しては、各社社史の収集がほぼ終り、電気化学工業(株)に関しては、水俣病の原因となった同じアセトアルデヒド工程を持つ新潟・青海工場の工場新聞の全号、および戦前の工場建設以来の写真多数を入手することが出来た。チッソ(株)に関しては1937年刊行の社史があるのみであったが、近年同社関係者による『日本窒素史への証言』の刊行が現在も進行中である。また戦後財閥解体で同社から分離した旭化成工業(株)の延岡工場史に相当する『薬品部三十年史』を入手することが出来た。当業界の戦前史分析には電力業界史の参照が不可欠だが、特にチッソに関わる戦前九州の電力各社社史と宮崎県の『県外送電反対運動史』を収集した。以上のチッソ関係資料と『延岡市史』を用いて裏面記載の第4論文を執筆し、収集済の熊本・新潟両県の内部資料を用いて、第13論文を執筆した。今後昭電とともに他社の資料分析を深め、当業界の展開過程の全体像の中に、水俣病の発生原因を解明したい。
ヒト歯髄の器官培養系における象牙芽細胞の分化の機構について

平成7年9年度の3年間にわたり生化学的,分子生物学的アプローチ中心として多角的に解析を行った結果,歯髄細胞から象牙芽細胞への分化を引き起こす誘因についていくつかの点で明らかに出来た。1.ヒト歯髄由来の培養線維芽細胞に歯科用セメントから溶出した成分を間接的に与えたところ,非常に毒性の低いものがあることが判明した。これらの歯科用セメントは,今後のIn vitroでの分化誘導物質として有用と思われた。2.ヒト歯髄の細胞周期とアルカリフォスファターゼ活性の加齢に対する影響を調べた結果,細胞周期と加齢変化との相関はほとんど見られなかったのに対し,アルカリフォスファターゼ活性は,明らかに若年者の方が高かった。歯髄器官培養系における新生象牙芽細胞の分化の指標の1つとしてこのアルカリフォスファターゼ活性の上昇が考えられると思われた。3.ヒト歯髄の器官培養に単独でTGF-β1やBMPを加えても,象牙芽細胞の分化および明白な硬組織形成の証拠は得られなかった。培養条件をいろいろ変えて行っても同様の結果であったことを考えると,In vitroでの象牙芽細胞の分化の誘導にも,In vivoで起こっていると思われる複雑な細胞間あるいは各種サイトカインの相互作用などを同時に引き起こす環境を作る必要があると思われた。4.臨床症状から炎症状態にあると思われる歯髄および健康状態にあると思われる抜去埋伏歯の歯髄を摘出し,各種サイトカインのmRNAの発現状況をRT-PCRを用いた分子生物学的アプローチで検索したところ,どのような状態の歯髄からもTGF-β1のmRNAの発現が確認された。上記のようにTGF-β1単独では象牙芽細胞への分化を引き起こすことはなく,むしろ歯髄の安定化,恒常性を保つのに役立っているのではと考えられた。ヒト歯髄由来の培養細胞を用いたバックグラウンド実験および歯髄の器官培養を用いて象牙芽細胞の分化の様子を検索し以下の知見を得た。1.歯科用セメントから溶出する成分をヒト歯髄由来の培養線維芽細胞に間接的に与えたところ、各種セメントによって受ける影響がかなり異なることが分かった。特に毒性がほとんど見られなかったセメントは、臨床的には象牙質を介して軽度な刺激を歯髄に与え、直下に象牙芽細胞の分化を誘導する可能性があり、今後ヒト歯髄の器官培養に対する刺激として有用と思われた。2.ヒト抜去歯髄内の各種サイトカインのmRNAの発現状況をRT-PCRを用いて調べ、急性炎症状態を呈していた歯髄からは、TGF-β、TNF-β、M-CSFのmRNAの発現が確認され、慢性炎症状態を呈していた歯髄からはTGF-β、M-CSFのmRNAの発現が確認された。また、コントロールとして用いた抜去埋伏歯の歯髄からはTGF-βのmRNAの発現が確認された。以上のことより、歯髄組織内においてTGF-βがその恒常性に強く影響を及ぼしている可能性が示唆された。3.ヒト新鮮抜去歯30症例につき、マルチガスインキュベータ-による器官培養を行った結果、従来よりもその成功率は確実に上昇した。また、TGF-β1やBMP等のTGF-βスーパーファミリーや象牙質中の非コラーゲン性蛋白質を器官培養系に応用することにより、象牙芽細胞の分化に影響があるという事実が確認された。今後、この分化過程をより詳細に検討するために、透過型電子顕微鏡を用いて細胞内小器官の分布や細胞間結合の観察を、また各種モノクローナル抗体による免疫組織染色等を用いて細胞外気質の形成や酵素活性の変化を調べていく予定である。

平成7年度に引き続きヒト歯髄由来の継代培養細胞およびヒト歯髄の器官培養を用いて象牙芽細胞の分化機構のを検索し以下の知見を得た。1.ヒト抜去歯髄内の各種サイトカインのmRNAの発現状況をRT-PCRを用いて調べる研究の症例数を増やしたところ、臨床的症状から炎症状態にあると思われる歯髄および健康状態にあると思われる抜去埋伏歯の歯髄のどちらからもTGF-βのmRNAの発現が確認された。また細胞増殖の制御およびアポトーシスに関与しているといわれている癌遺伝子c-fos、c-mys、および癌抑制遺伝子p53の歯髄内でのmRNAの発現状況もあわせて検索したところ、いくつかの症例でc-fosあるいはp53の発現が認められた。これらの遺伝子と各種サイトカインの相互作用が象牙芽細胞への分化に影響を及ぼしている可能性が示唆された。2.ヒト歯髄由来の継代培養細胞を飢餓培養し、増殖休止期に保ったのち血清で刺激し細胞増殖を再開させる実験系で、所定の経過時間後にLPSを添加し細胞増殖の変化を見たところ、コントロールに比較して強く細胞増殖が生じる時間およびLPS濃度が確認された。LPSの刺激は歯髄の正常な増殖制御に変化を与えることより、歯髄器官培養での象牙芽細胞の分化を引き起こせる外部因子の可能性が示唆された。3.ヒト歯髄の器官培養にTGF-β1あるいはBMPを加えて35日間器官培養を行い、パラフィン切片を作製して組織学的観察をしたところ、象牙芽細胞様細胞は認められたものの硬組織の形成は認められなかった。ヒト歯髄細胞から象牙芽細胞への分化はTGF-β1あるいはBMPの単独投与では引き起こされないと思われた。今後器官培養のステージや方法の変更,各種サイトカインの配合投与などにつき検索していく必要があると思われる。平成8年度に引き続きヒト歯髄由来の継代培養細胞およびヒト歯髄の器官培養を用いて象牙芽細胞の分化機構のを検索すると共に,ラット歯髄由来の株細胞(RPC-C2A)を用いて毒性のない濃度の歯科用セメント抽出液で刺激したときの細胞増殖活性の変化を調べ、以下の知見を得た。1.平成8年度と同様にヒト歯髄由来の継代培養細胞を飢餓培養し、増殖休止期に保ったのち血清で刺激し細胞増殖を再開させる実験系で、所定の経過時間後に細胞毒性のない濃度のセメント抽出液を添加し細胞増殖の変化を見たところ、コントロールに比較して細胞増殖が減少することが確認された。しかし,ヒト歯髄由来培養細胞では,継代が進む毎にその反応にばらちつきが強く見られてきたので,ラット歯髄由来の株細胞(RPC-C2A)を用いて,同様の実験を行った。この際,増殖の刺激には,上皮増殖因子であるEGFを用いたところ,歯科用セメントの種類によって,細胞毒性がほとんどない濃度においてもEGFの増殖活性を強く抑制することが分かった。これらの刺激は,細胞増殖のコントロールには成り得るが,細胞分化の刺激には成りにくいことが判明した。2.平成8年度と同様にヒト歯髄の器官培養の象牙芽細胞への分化に関する様々な条件設定を探ってみた。コラーゲンゲルを細胞外気質として用いた場合,血清濃度の変化,TGF-β1の添加濃度を変化させても細胞の分化より増殖の方向へ誘導されることが多かった。寒天を変わりに細胞外気質として用いた場合もコラーゲンゲルとほとんど変わらなかった。また,Osteoblastの分化誘導に関与すると言われているBMPを投与し,TGF-β1との比較を行ったが,どちらもコントロールとほとんど差が見られなかった。
プレゼンテーションスキルの向上を支援する模範音声の自動生成システム

本研究課題では、人工知能の一分野である音声言語処理の技術を用いて、発表者にとって模範となる理想的な発表音声を自動生成することにより、発表の効果的な自主練習を支援するシステムの構築を目指している。平成30年度は、以下の2つの研究について取り組んだ。【実施内容1】「えっとー」「あのー」などの間投詞や言い淀みといった冗長表現を発表音声から自動検出するアルゴリズムの研究開発を行った。具体的には、日本語話し言葉コーパスに含まれる講演音声を学習データとして、音声から抽出された音響的な特徴量(基本周波数やゼロ交差率、およびそれらの統計量など)に基づいて冗長表現を検出する検出器を、深層学習の手法の中でも特に時系列データの扱いに有効なLong short-term memory (LSTM)ネットワークによって学習した。評価実験を行った結果、標準的な機械学習を用いた検出器よりも高い検出精度を達成することができた。今後は、音響的な特徴量だけでなく、言語的な特徴量も併用することで、さらに検出精度の改善を目指したい。【実施内容2】発表音声に含まれる用法の不適切な語彙や、難解で理解しにくい語句を、より平易かつ適切な語句に変換するアルゴリズムの研究開発も行った。具体的には、やさしい日本語コーパスに含まれる日本語の言い換えペアを学習データとして、入力された文中の語句を平易に言い換える変換器を、深層学習の手法の一つである注意機構付きLSTMによるエンコーダ・デコーダモデルを用いて学習した。これにより、一部の語句について、よりわかりやすい語句に変換を行えることが確認できた。今後は、より多くの学習データを用いることにより、さらに変換精度の改善を目指したい。【実施内容3】本研究課題の提案するシステムの概要、および前述の研究成果について、国内の学会で発表を行った。本研究課題では、提案するシステムを実現するために、4つの要素技術の研究開発を行うことを計画している。初年度である平成30年度では、これら4つのうち、2つの要素技術について研究開発を行い、一定の実績が得られたため、おおむね順調に進展していると判断する。平成31年度は、以下の研究内容を実施する。【実施内容1】平成30年度に研究開発を行った、冗長表現の自動検出アルゴリズムをさらに改良する。具体的には、音響的な特徴量だけでなく、言語的な特徴量も併用することで、検出の高精度化を図る。特に、発表音声の書き起こしデータあるいは音声認識結果の文字列や単語列を、分散表現ベクトルに変換して用いることで、語句の意味を考慮した検出アルゴリズムに拡張する。開発したアルゴリズムは、講演音声あるいは発表音声を対象とした評価実験により評価を行う。【実施内容2】平成30年度に研究開発を行った、語句の言い換えアルゴリズムをさらに改良する。具体的には、より多くの学習データを用いることにより、入力文の文構造を維持しながら、高精度に言い換えを行うアルゴリズムの実現を目指す。【実施内容3】語彙だけでなく、文構造や係り受けといった構文レベルの言い換えを行うアルゴリズムについて研究開発を開始する。このような言い換えを行うためには、統計的機械翻訳の技術を応用し、入力された発話中のフレーズを、耳で聞いて理解しやすい順番に並べ替える必要がある。そこで、文法規則に基づく言語的な区切りと、話し言葉特有の間の置き方や息継ぎタイミングに基づく音響的な区切りを同時に考慮するような並び替えモデルを構築する。【実施内容4】研究開発を行った各要素技術について、国内外の音声言語処理・自然言語処理に関する学会で発表を行う。

初年度である平成30年度では、これら4つのうち、2つの要素技術について研究開発を行い、一定の実績が得られたため、おおむね順調に進展していると判断する。平成31年度は、以下の研究内容を実施する。【実施内容1】平成30年度に研究開発を行った、冗長表現の自動検出アルゴリズムをさらに改良する。具体的には、音響的な特徴量だけでなく、言語的な特徴量も併用することで、検出の高精度化を図る。特に、発表音声の書き起こしデータあるいは音声認識結果の文字列や単語列を、分散表現ベクトルに変換して用いることで、語句の意味を考慮した検出アルゴリズムに拡張する。開発したアルゴリズムは、講演音声あるいは発表音声を対象とした評価実験により評価を行う。【実施内容2】平成30年度に研究開発を行った、語句の言い換えアルゴリズムをさらに改良する。具体的には、より多くの学習データを用いることにより、入力文の文構造を維持しながら、高精度に言い換えを行うアルゴリズムの実現を目指す。【実施内容3】語彙だけでなく、文構造や係り受けといった構文レベルの言い換えを行うアルゴリズムについて研究開発を開始する。このような言い換えを行うためには、統計的機械翻訳の技術を応用し、入力された発話中のフレーズを、耳で聞いて理解しやすい順番に並べ替える必要がある。そこで、文法規則に基づく言語的な区切りと、話し言葉特有の間の置き方や息継ぎタイミングに基づく音響的な区切りを同時に考慮するような並び替えモデルを構築する。【実施内容4】研究開発を行った各要素技術について、国内外の音声言語処理・自然言語処理に関する学会で発表を行う。物品費については、物品の価格にわずかな変動があったため、少額の繰越額が発生した。旅費については、当初の予定とは異なる学会で発表を行ったため、少額の繰越額が発生した。それぞれ本年度の物品費および旅費として活用する。
18FDG PETを用いた心骨格筋代謝イメージングによるインスリン抵抗性画像診断

インスリン抵抗性は、糖尿病の重要な病因のひとつであり、糖尿病の病勢を評価する上でも重要であるが、インスリン抵抗性をあらわすGDR(全身glucose disposal rate、インスリンクランプ時の全身糖消費量)は、インスリン抵抗性を示すとされる、糖尿病、高中性脂肪血症、高血圧各病態で低下し、それは、ほぼ骨格筋糖代謝の低下と関連しており、骨格筋糖代謝がGDRと強い関連をもち、インスリン抵抗性と関連することが示された。また心筋糖代謝も骨格筋糖代謝ほどではないが、GDRと関連することが示されたTroglitazoneは血中FFAの変化によらず、NIDDM患者の骨格筋糖消費を改善し、全身インスリン抵抗性を改善できると考えられた。このように本研究により、骨格筋糖消費が、F-18FDGを用いたポジトロンCT検査で定量でき、GDRと同様にインスリン抵抗性を評価でき、糖尿病をはじめとする各病態でのインスリン抵抗性評価や、内服治療によるインスリン抵抗性改善評価に有用であることが示された。糖尿病による動脈硬化も非常に重要な問題であるが、以前より我々は、N-13NH_3心筋ポジトロンCTにより、糖尿病では、動脈硬化による血管拡張反応の低下による血流予備能低下には、インスリン抵抗性よりも、高血糖の持続がより大きな影響因子であることを示してきたが、今回本研究により、血糖コントロールにより、糖尿病のおそらく初期動脈硬化による血流予備能の低下が改善することが示された。同様な動脈硬化による血管拡張反応の低下による血流予備能低下を、高コレステロール血症患者でも、我々は示してきたが、内服治療による高コレステロール血症の改善により、血流予備能が改善することが本研究により示された。高トリグリセリド(TG)血症17例と年齢を合わせた対照例12例にインスリンクランプ法でF-18FDGPET検査を施行し、骨格筋、心筋糖代謝を測定した。インスリンクランプ時の全身glucose disposal rate(GDR)(4.5±1.4vsl0.0±3.0p<0.00001)は高TG血症で低下した(4.5±1.4VS10.0±3.0p<0.00001)。骨格筋糖代謝(KcomplexとSUVで測定)も高TG血症で低下した(0.007±0.003vs 0.018±0.01p<0.0001 0.725±0.282vs1.86±1.06)。心筋糖代謝は低下傾向であったが有意でなかった。上記高TG血症例と糖尿病例(NIDDM)20例にN-13NH3PETで心筋血流予備能、F-18FDGPETで心筋骨格筋糖代謝を測定した。冠血流予備能(CFR)はNIDDM症例で対照に対し有意に低下し、HbA1Cと有意に逆相関した。GDRとは有意な逆相関ではなかった。高TG血症、インスリン抵抗性のあるNIDDM、インスリン抵抗性の少ないNIDDMいずれでもCFRは低下した。GDRは高TG血症、インスリン抵抗性のあるNIDDMで低下した。骨格筋糖代謝は高TG血症、インスリン抵抗性あるNIDDMで低下し、GDRと骨格筋糖代謝はよく相関した。心筋糖代謝とGDRの相関は弱かった。高血圧のないNIDDMでは骨格筋糖代謝は著明低下、心筋糖代謝は低下、CFRは低下であり、高血圧のあるNIDDMでは心筋糖代謝があまり低下しない点が異なった。高TG血症では骨格筋糖代謝は低下、心筋糖代謝はやや低下傾向程度、CFRは低下であった。PET dynamic imagingにより、インスリン抵抗性症候群の病態生理をより明確に明らかにすることができた。

インスリン抵抗性は、糖尿病の重要な病因のひとつであり、糖尿病の病勢を評価する上でも重要であるが、インスリン抵抗性をあらわすGDR(全身glucose disposal rate、インスリンクランプ時の全身糖消費量)は、インスリン抵抗性を示すとされる、糖尿病、高中性脂肪血症、高血圧各病態で低下し、それは、ほぼ骨格筋糖代謝の低下と関連しており、骨格筋糖代謝がGDRと強い関連をもち、インスリン抵抗性と関連することが本年度の研究により示された。また心筋糖代謝も骨格筋糖代謝ほどではないが、GDRと関連することが本年度の研究により示されたTroglitazoneは血中FFAの変化によらず、NIDDM患者の骨格筋糖消費を改善し、全身インスリン抵抗性を改善できることが本年度の研究により示された。このように本研究により、骨格筋糖消費が、F-18FDGを用いたポジトロンCT検査で定量でき、GDRと同様にインスリン抵抗性を評価でき、糖尿病をはじめとする各病態でのインスリン抵抗性評価や、内服治療によるインスリン抵抗性改善評価に有用であることが示された。糖尿病による動脈硬化も非常に重要な問題であるが、以前より我々は、N-13NH_3心筋ポジトロンCTにより、糖尿病では、動脈硬化による血管拡張反応の低下による血流予備能低下には、インスリン抵抗性よりも、高血糖の持続がより大きな影響因子であることを示してきたが、本年度の研究により、血糖コントロールにより、糖尿病のおそらく初期動脈硬化による血流予備能の低下が改善することが示された。インスリン抵抗性改善評価とともに、血糖コントロールによる糖尿病の初期動脈硬化改善評価ができたことが本年度研究の大きな成果であったと考える。
低酸素/脳虚血負荷による神経細胞死誘導機構の解明

オートファジーは、細胞内の代表的な分解機構であるが、低酸素/脳虚血負荷後に起こる神経細胞死の一因ともなる。一方、自然免疫に関わるToll様受容体(TLR) 2も障害後、早期炎症性サイトカインの過剰発現を誘発し神経細胞死を引き起こす。本研究では、低酸素/脳虚血後のTLR2とオートファジー誘導機構の関連を探索した。結果、TLR2シグナル経路の活性化がオートファジーを誘導することが示唆された。一方で、オートファジー不全マウスにおいても早期炎症性サイトカインの発現抑制が認められたことより、低酸素/脳虚血障害後TLRの活性化とオートファジー誘導は相乗的に惹起され神経細胞死を引き起こすことが示唆された。我々は、低酸素/脳虚血負荷後に誘導されるオートファジーが神経細胞死の一因となることを見出している。一方で、Toll様受容体2(TLR2)遺伝子欠損マウスにおいても障害後早期炎症性サイトカインの発現が抑制されることで神経細胞死が減少することを明らかにした。本研究では、まずTLRとオートファジー誘導の関連性を確認するため、TLR2遺伝子欠損マウスの障害6時間後の海馬において、オートファジー誘導の指標となるLC3のI型からII型への転換をウェスタンブロット法により検討した。結果、TLR2遺伝子欠損マウスでは、野生型マウスで認められたオートファジーの誘導が抑制されていることが示唆された。一方、オートファジー不全マウスであるAtg7遺伝子欠損マウスでは、TLRの下流で誘導される早期炎症性サイトカインの発現が抑制されていた。以上の結果は、低酸素/脳虚血負荷後TLRの活性化とオートファジーの誘導は相乗的に惹起され神経細胞死を引き起こすことが示唆された。また、低酸素/脳虚血負荷後に早期炎症性サイトカインを発現する細胞種を探索するため、2013年度包括脳リソース・技術支援「遺伝子改変マウス作製ドライバーマウス支援」により、新潟大学崎村建司教授と共同でTLR2のfloxedマウスを作製した。現在、神経細胞とミクログリア細胞で特異的にTLR2を欠失させ、低酸素/脳虚血負荷後の早期炎症性サイトカイン発現機序を確認する予定である。また、オートファジーとの関連を検討するため、同様に神経細胞とミクログリア細胞で特異的にAtg7遺伝子を欠損させたマウスにおける低酸素/脳虚血負荷に対する耐性も併せて確認する。オートファジーは、細胞内の不要なタンパク質や細胞小器官を隔離膜により取り囲みリソソームへ輸送する分解機構である。一方で、Toll様受容体2(TLR2)遺伝子欠損マウスにおいても障害後、早期炎症性サイトカインの発現が抑制されることで神経細胞死が減少することを明らかにした。本研究では、まずTLRとオートファジー誘導の関連性を確認するため、TLR2遺伝子欠損マウスの障害6時間後の海馬においてオートファジー誘導の指標となるLC3のI型からII型への転換をウェスタンブロット法により検討した。以上の結果より低酸素/脳虚血負荷後、TLRの活性化とオートファジーの誘導は相乗的に惹起され神経細胞死を引き起こすことが示唆された。また、より詳細に神経細胞死の機序を解明するため、2013年度包括脳リソース・技術支援「遺伝子改変マウス作製ドライバーマウス支援」により、新潟大学崎村建司教授と共同でTLR2、4のfloxedマウスを作製した。以上の結果の一部は「American Journal of Pathology誌」に報告した。現在までに低酸素/脳虚血負荷後にToll様受容体(TLR)を介した炎症性サイトカインの発現とオートファジーの誘導は相乗的に惹起され神経細胞死を引き起こすことが示唆された。また、低酸素/脳虚血負荷後の神経細胞死を誘導する責任細胞を特定するため新潟大学崎村建司教授と共同でTLR2のfloxedマウスを作製した。上記の一部は第36回日本神経科学大会においてポスター発表した。神経生物学代表者は、前年度までに新潟大学崎村建司教授と共同でTLR2のfloxedマウスを作製した。本年度は同マウスと幼若な神経細胞特異的に発現するbeta-tubulinIII-Creマウス、ミクログリア細胞

特異的に発現するCD11b-Creマウスとそれぞれ交配し、低酸素/脳虚血負荷後どの細胞種が早期炎症性サイトカインを発現し神経細胞死を誘導するか検討する。具体的には、神経細胞、ミクログリア細胞特異的なTLR2遺伝子欠損マウスを低酸素/脳虚血負荷に暴露し、海馬錐体細胞の神経細胞死(TUNEL染色)、オートファジーの誘導(ウェスタンブロットによるLC3のI型からII型への転換の検討、LC3の組織免疫化学染色、電子顕微鏡観察)、及び早期炎症性サイトカインの発現量(定量的PCR法)を検討する。本研究により、低酸素/脳虚血負荷後の神経細胞死を誘導する責任細胞が特定でき、新規薬剤の標的を明確にできるものと考える。TLR2-floxedマウスの作製に当初予定より時間がかかり、動物飼育費を次年度に繰り越すこととした。消耗品は、基礎細胞培養培地、細胞培養用皿、免疫学的染色用抗体、スライドグラス、その他の実験用プラスチック製品等の購入予定である。また、透過型電子顕微鏡を用いた観察を行うため、オスミウムや樹脂といった試薬の費用、および動物飼育費も併せて算出した。また、旅費に関しては国内学の学会において研究成果を報告するために計上した。
N-アシル-9-トリプチシルアミン誘導体の動的立体化学

N-アシル-9-トリプチシルアミン誘導体として,N-9-トリプチシルアセトアミド(1),そのN-アルキル誘導体(アルキル基としてメチル,エチル,ベンジル基)およびN-フェニル体を研究対象とした.合成は9-トリプチシルアミンをアルキル化ないしフェニル化したのち,アセチル化することにより達成された.それぞれの化合物についてX線結晶構造解析をおこない,結晶中での分子構造を確定した.最大の特徴は,母体の1を除いてアミド窒素がかなり三角錐化していることであった.またアミド結合はN-エチル体ではZ配置とE配置のものが共存したが,それ以外の化合物ではZ配置で存在した.溶液中ではN-アルキル体はEおよびZ両異性体の平衡混合物として存在し,Z体比率は溶媒の極性とともに増大する傾向が見られた.各種溶媒における平衡定数の温度依存性を測定し,平衡の熱力学的パラメータを求めた.Z【double arrow】E異性化は室温前後でNMR時間尺度で起こることがわかり,速度定数を完全線形解析法と飽和移動法によって求めて,異性化の速度論的パラメータを算出した.異性化障壁も溶媒の極性とともに増大した.低温での^1HNMRスペクトルの線形はTp-N結合の動的立体化学に依存しており,エチル体・ベンジル体では,-70°C以下の低温でメチレンプロトンが非等価に観測された.これは溶液中でのアミド窒素の三角錐化を反映していると解釈される.Tp-N結合まわりの動的挙動は,N-置換基が窒素の反転を伴ってo-ベンゼノ基を飛び越す過程の組み合わせとして理解できることを明らかにし,各過程のエネルギー障壁について考察した.窒素に第二級アルキル基であるイソプロピル基が結合した誘導体の合成を種々試みたが,今のところ成功していない.恐らく立体障害が極めて大きいためと考えられる.N-アシル-9-トリプチシルアミン誘導体として,N-9-トリプチシルアセトアミド(1),そのN-アルキル誘導体(アルキル基としてメチル,エチル,ベンジル基)およびN-フェニル体を研究対象とした.合成は9-トリプチシルアミンをアルキル化ないしフェニル化したのち,アセチル化することにより達成された.それぞれの化合物についてX線結晶構造解析をおこない,結晶中での分子構造を確定した.最大の特徴は,母体の1を除いてアミド窒素がかなり三角錐化していることであった.またアミド結合はN-エチル体ではZ配置とE配置のものが共存したが,それ以外の化合物ではZ配置で存在した.溶液中ではN-アルキル体はEおよびZ両異性体の平衡混合物として存在し,Z体比率は溶媒の極性とともに増大する傾向が見られた.各種溶媒における平衡定数の温度依存性を測定し,平衡の熱力学的パラメータを求めた.Z【double arrow】E異性化は室温前後でNMR時間尺度で起こることがわかり,速度定数を完全線形解析法と飽和移動法によって求めて,異性化の速度論的パラメータを算出した.異性化障壁も溶媒の極性とともに増大した.低温での^1HNMRスペクトルの線形はTp-N結合の動的立体化学に依存しており,エチル体・ベンジル体では,-70°C以下の低温でメチレンプロトンが非等価に観測された.これは溶液中でのアミド窒素の三角錐化を反映していると解釈される.Tp-N結合まわりの動的挙動は,N-置換基が窒素の反転を伴ってo-ベンゼノ基を飛び越す過程の組み合わせとして理解できることを明らかにし,各過程のエネルギー障壁について考察した.窒素に第二級アルキル基であるイソプロピル基が結合した誘導体の合成を種々試みたが,今のところ成功していない.恐らく立体障害が極めて大きいためと考えられる.N-アシル-9-トリプチシルアミン誘導体として、本年度はN-ベンジル-N-9-トリプチシルアセトアミド(1)およびN-フェニル-N-9-トリプチシルアセトアミド(2)を研究対象として選んだ。合成は9-トリプチシルアミンをベンジル化ないしフェニル化したのち、アセチル化することにより達成された。化合物1では、X線結晶構造解析より結晶中でアミド結合がZの配座で存在すること、アミド窒素がかなり三角錘化していること(窒素原子周りの結合角の和は350°)が観測された。三角錐化の程度はすでに報告したN-メチル体やN-エチル体に比べて大きい。溶液中ではアミド結合に関してEおよびZ両異性体の平衡混合物として存在し、その平衡組成は溶媒によって大きく変化した。各種溶媒における平衡定数の温度依存性を測定し、平衡の熱力学的パラメータを求めた。Z E異性化は室温前後でNMR時間尺度で起こることがわかり、速度定数を完全線形解析法と飽和移動法によって求めて、異性化の速度論的パラメータを算出した。異性化の速さも溶媒に大きく依存することがわかった。^1HNMRスペクトルの線形はTp-N結合の回転の速さにも依存し、-70°C以下の低温ではベンジルメチレンプロトンが非等価に観測された。これはアミド窒素が三角錐化した構造に凍結されたものと解釈できる。現在、化合物2について溶液中でのNMRの測定および解析、X線構造解析のための単結晶作成を進めている。次年度はさらに窒素に第2級アルキル基が結合した誘導体の合成とその挙動の測定と解析を行いたい。

N-アシル-9-トリプチシルアミン誘導体として,N-9-トリプチシルアセトアミド(1),そのN-アルキル誘導体(アルキル基としてメチル,エチル,ベンジル基)およびN-フェニル体を研究対象とした.合成は9-トリプチシルアミンをアルキル化ないしフェニル化したのち,アセチル化することにより達成された.それぞれの化合物についてX線結晶構造解析をおこない,結晶中での分子構造を確定した.最大の特徴は,母体の1を除いてアミド窒素がかなり三角錐化していることであった.またアミド結合はN-エチル体ではZ配置とE配置のものが共存したが,それ以外の化合物ではZ配置で存在した.溶液中ではN-アルキル体はEおよびZ両異性体の平衡混合物として存在し,Z体比率は溶媒の極性とともに増大する傾向が見られた.各種溶媒における平衡定数の温度依存性を測定し,平衡の熱力学的パラメータを求めた.Z【double arrow】E異性化は室温前後でNMR時間尺度で起こることがわかり,速度定数を完全線形解析法と飽和移動法によって求めて,異性化の速度論的パラメータを算出した.異性化障壁も溶媒の極性とともに増大した.低温での^1HNMRスペクトルの線形はTp-N結合の動的立体化学に依存しており,エチル体・ベンジル体では,-70°C以下の低温でメチレンプロトンが非等価に観測された.これは溶液中でのアミド窒素の三角錐化を反映していると解釈される.Tp-N結合まわりの動的挙動は,N-置換基が窒素の反転を伴ってo-ベンゼノ基を飛び越す過程の組み合わせとして理解できることを明らかにし,各過程のエネルギー障壁について考察した.窒素に第二級アルキル基であるイソプロピル基が結合した誘導体の合成を種々試みたが,今のところ成功していない.恐らく立体障害が極めて大きいためと考えられる.
電子系とのアナロジーによるトポロジカルな光輸送現象の開拓

電子系における量子ホール系やトポロジカル絶縁体における特異な輸送特性を光の系に移植し,これまでにない光輸送特性を実現するのが本研究の目的である。そのため、磁気光学効果や電気磁気光学効果をもつ物質からなるフォトニック結晶をターゲットとし、電磁場の第一原理計算などにより、系のもつトポロジカルな構造を明らかにした。その結果、様々な特性をもった、光カイラルエッジ状態や光ヘリカルエッジ状態を理論的に実現した。また、なぜそのような結果が得られるのかを系のもつ対称性や自由度の解析と、有効ハミルトニアンを用いて明らかにした。電子系とのアナロジーにより、光の系において、運動量空間のトポロジーに起因する新奇な輸送現象を開拓するのが、本研究の目的である。今年度は以下のことを明らかにした。1.アクシオン電磁力学による光の散乱問題の厳密解:トポロジカル絶縁体を記述する電磁場の有効ラグラジアンには、いわゆるアクシオン項が含まれる。この項は光にとって、第2のスピン軌道相互作用になることに着目し、その光散乱への影響を理論的に調べた。その結果、単純な幾何学的形状の場合には解析的に解けること、またその解を用いて、ファラデー回転の増強、パリティを破る光散乱、双極子輻射の増強がおきることを示した。2.光学におけるパリティ異常:蜂の巣格子フォトニック結晶をもちいると、ブリルアンゾーンの角で1次の分散曲線をもつフォトニックバンドが得られる。その結果、2+1次元のDirac Fermionがもつ「パリティ異常」が(古典)光学系で実現できることを示した。またブリルアンゾーン中心で得られる2次の分散曲線のバンドの場合でも、これに類似した現象がおきること、またそれがエッジ状態に反映することを示した。3. Domain-wallphotonとその変調:有限質量のDirac型スペクトルをもつ媒質を2つ、質量項の符号が異なるペアで張り合わせると、その付近で線形のスペクトルをもつ"Domain-wall fermion"が生じることが知られている。フォトニック結晶において、「質量」は構造をいじることで容易に変えることができる。そこで、様々なタイプの接合によって、"Domain-wall photon"の性質が変調できることを示した。電子系におけるトポロジカルな電子輸送現象を光の系に転写することを目標としている。今年度はQuadraticな有効ハミルトニアンをもつ格子模型について前年度までの成果を発展させた。具体的にはガンマ点で2重縮退を許す格子模型(ある種の2次元フォトニック結晶における光や、周期ポテンシャル中の2次元電子など)について、時間反転対称性や、空間反転対称性を破る摂動を加えた場合の有効ハミルトニアンを格子の空間群の表現論から、そのとりうる形を決定した。またこの摂動によりギャップが開き、その結果、非自明なチャーン数をもちうることを示した。さらに、この系にドメイン壁構造を導入し、そこで生じる2つのドメイン壁局在モードの性質を解析的に明らかにした。これらのモードは漸近的にバンド端と一致するような分散曲線をもち、擬スピンが反転している。以上は有効ハミルトニンから得られる性質だが、2次元フォトニック結晶における光の第一原理計算からも同様の結果が得られることを確かめた。この成果は論文一報にまとめた。また光版グラフェンのもつ様々な性質についてReviewし、論文にまとめた。またこれまで本研究課題で扱っていた構造は構造の厚みが波長よりもずっと大きい、いわゆる2次元フォトニック結晶であったが、薄膜型フォトニック結晶についても2重縮退が対称性の破れによって分裂する際に、非自明なトポロジーが発現する場合がある。この場合についても理論的に解析し、preliminaryな結果を得た。本研究は電子系であらわれる特異な輸送現象を、光の系に焼き直し、新たな光学特性を開拓する試みである。特に光にとってのスピン軌道相互作用に着目し、光のスピンと軌道自由度を用いた新機能を目指している。今年度は、トポロジカル絶縁体において誘起されるU(1)ゲージ場のアクシオン項が光にとってのスピン軌道相互作用とみなせることに着目し、その光散乱への影響を調べた。また時間反転対称性を破らないキラル物質との比較をおこなった。光スピン軌道相互作用を増強させるには、光の状態密度を強く変調するような複合(周期系など)が必要となる。それらへの応用を想定し、複合系のbuilding blockとなりうる単純な形状(球、円筒、板)を仮定した。まず、光散乱を記述する汎用のツールであるS行列を解析的に導出した。これはいわゆるMie散乱の解析解の拡張にあたる。次いで、S行列を用いて、以下の3つの現象を理論的に確かめた。1)ブラッグ積層構造におけるファラディ回転の増強、2)球や円筒におけるパリティを破る光散乱、3)球内におけれた振動双極子による双極子輻射の強い摂動。