hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
量子ホール系におけるナノスケール核スピン共鳴イメージング

我々は、電気抵抗測定による核スピン共鳴検出技術と局所的な核スピン共鳴技術を組み合わせることで、半導体量子構造に適した走査核スピン共鳴顕微鏡を開発した。この技術により、半導体量子構造中の核スピン共鳴強度および量子電子スピンの分布を実空間観察することが可能である。この新奇の技術を量子ホール効果ブレークダウンに適用して測定を行った結果、電流によって励起された核スピン偏極や量子ホール電子スピン偏極が局所変化を観測することに成功した。我々の技術は、様々な量子デバイスにおけるナノスケール核スピン共鳴イメージングへの道を切り開くものである。奇数ランダウ準位充填率nu = 1で、量子ホール効果ブレークダウンで生じる核スピン偏極強度の2次元空間分布を走査核スピン共鳴顕微鏡で可視化することに成功した。この実験は、GaAs/AlGaAs量子井戸構造を加工して作成したホールバー内で電流励起核スピン偏極を行ながら、探針直下に交流電界を照射し局所的な核スピン共鳴を行い、それに伴う縦抵抗の変化量を捉えることにより行った。探針を走査しながらこれらの一連の測定を繰り返した結果、ホールバーの片方の端に沿ったパターン、ホールバー全体に現れる振動パターンをそれぞれ異なる試料で発見した。それぞれ、ホールバー端またはバルク領域で生じる量子ホールブレークダウンに伴い生じている核スピンを捉えたと解釈できる。核スピン偏極の強度マッピングの成功に加え、電子スピン偏極の空間分布を反映した核スピン共鳴スペクトラムの共鳴周波数のずれ、いわゆるナイトシフトの1次元空間マッピングにも成功した。これは、ホールバー端領域で生じる量子ホール効果ブレークダウン状態で、ホールバー両端間の直線上の各点で核スピン共鳴スペクトラムを測定し、ナイトシフトを空間マップすることで行った。その結果、核スピン強度の大きなホールバー端付近ではナイトシフトが大きく、ホールバーのバルク領域にいくに従い、ナイトシフトが急激に減少することが分かった。これらの結果から、我々が開発した走査核スピン共鳴顕微鏡により、量子ホールブレークダウンの電子・核スピン偏極の両方の空間分布を捉えたといえる。本年度は、核スピンマッピングのデータを理解するために必要不可欠な、量子ホール効果ブレークダウンの電流の流れを反映する走査ゲート顕微鏡マッピングを行った。その結果、核スピンの分布の重点率依存性に類似したいくつかの特徴的なパターンを観測した。これらは、量子ホール状態の非圧縮性領域でのランダウレベル間散乱に関連したものと考えれられる。この結果から、核スピン偏極がどのように量子ホール状態と関連しているかを考えるうえで重要な知見を得ることができた。また、昨年得られた核スピン共鳴強度マッピングのラジオ波の周波数及びパワー依存性データのまとめを行った。これにより、核スピン共鳴の基本周波数と二倍周波数の交流電界を走査探針から印可することで、局所的な核スピン共鳴が可能であり、核スピン分布を測定できることを明らかにした。さらに、電界強度依存性を考察した結果、基本周波数の電界照射では、非局所的な共鳴が生じ、局所共鳴シグナルにオバーラップすることが分かった。一方、二倍周波数電界を照射した場合は、非局所共鳴は生じず、純粋な局所核スピン共鳴を観測できることが分かった。これらの結果により、核スピン共鳴強度マッピングだけではなくナイトシフトマッピングに二倍周波数電界を用いることの重要性が明らかになった。核スピンマッピング関連の実験では、ナイトシフトマッピングの検証実験を行ったが、装置の不具が生じたため、本年度は修理やそれに必要となった装置のパーツ作成を行い装置の改善を行った。ナイトシフトマッピングの確証データを今年度中に得る予定であったが、装置の不具合などでうまく実験が進まなかったため。独自に開発した走査核スピン共鳴顕微鏡を用いた核スピンナイトシフトマッピングを行うことで、電子スピン偏極度の空間分布の実空間マッピングに成功した。その結果、量子ホール効果ブレークダウン臨界電流近傍I = 1.4 μmでは電子偏極度の空間変化は小さくほぼ一定であるが、I = 2.6 μmまで電流を大きすることで、顕著な空間変化が生じることを見出した。後者の量子ホールブレークダウン領域では、電流注入側から20μm離れた位置で、電子スピン偏極が約20パーセント程度減少することが分かった。この空間変化は、量子ホールブレークダウンのメカニズムの一つであるブートストラップメカニズム(電子が電界で加速されるために生じる雪崩式電子励起)により電子温度が空間的に上昇したためであると考えられる。この結果は、量子ホールブレークダウンの電子スピン状態の空間分布分を初めて可視化したものであり、量子ホールブレークダウンの微視的なメカニズムの解明につながると考えられる。また、走査核スピン共鳴顕微鏡が、他の量子ホール電子スピン偏極度の空間分布を測定するための強力なツールとなりうることが証明された。これらの結果は、8月に中国の北京で行われたInternational Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS2016)でも高く評価されれ、招待講演に採択された。

また、走査核スピン共鳴顕微鏡による量子ホール効果ブレークダウンでの電流励起核スピン偏極の局所測定に関する実験結果をまとめ、ジャーナルAIP ADVANCES 6, 075024(2016)に発表した。26年度は、予備実験で得られている核スピン共鳴1次元マッピングを2次元マッピングに拡張し、ホールバー全体における電流励起核スピン偏極の均一性を調べることが目的であったが、この目的を達成できた。この成果に加え、27年度に実施予定であったナイトシフトによる電子スピン分布のマッピングも可能であることを見出した。したがって、当初の計画以上に進展していると言える。装置の不具合を解消し、ナイトシフトマッピングの追試データを収集する。その上で、量子ホールスピン電子状態のマッピングを行い、核スピン共鳴強度マッピングで得られた核スピン偏極の空間分布との関係を明らかにする。また、これらのイメージングにおける、空間、周波数分解能などの基本的な特性をあきらかにする。最終年度である次年度は、同時並行で上記の結果を解析・考察しまとめを行う。ナノスケール量子伝導物性量子ホール効果ブレークダウンによるバルク全体にわたって生じる核スピン偏極を用いて、量子ホール状態での電子スピンの実空間マッピングを行う。電子スピン偏極を捉えるためにはナイトシフトを測定する必要があるが、2次元マッピングにおいてすべての点で核スピン共鳴スペクトラムを測定するためには膨大な測定時間を要する。時間を節約するため、スペクトラムをとる代わりに周波数を固定した交流電界を照射し核スピン緩和をマッピングする手法を用いる。試料や装置の不具合により液体ヘリウムを使用する実験が予定通り行えず、その分の液体ヘリウム代が浮いたため測定上の問題があった場合に高精度測定機器を購入しようとしていたが、測定がうまくいったため見送ったため昨年度の実験の遅れを取り戻すため低温実験の回数を増やす予定であり、そのための液体ヘリウム代に使用する。当初予定よりも実験準備が早く整ったため、今年度の実験回数を増やす予定である。それに伴う液体ヘリウムの使用増加分に充てる予定である。
H.pylori感染可能ラット種の分離と実験潰瘍系の確立

H.pyloriはヒト胃粘膜には感染するが,ラットに慢性持続感染させることはできなかった.しかし,申請者らはマウスに感染しうるH.pyloriであるシドニー株が(1)ある頻度でSDラットに適応し,慢性感染しうること,(2)SDラットから遺伝的にH.pylori感染が可能な純系ラットを分離できる可能性があること、を見いだした.本研究の目的は,近交弱性による不妊動物を排除し,純系ラットの交配を進めることにより遺伝的にH.pylori憾染が高率で可能な純系ラットを分離することである。さらには,純系ラットを用いてH.pylori慢性感染モデルを作製し、in vivo studyに応用することである.そこで我々は,遺伝的に純粋なH.pylori易感染系ラットの作成のために定型的手段【生後4週でH.pyloriシドニー株を3回投与→8週で感染確認(胃液中のウレアーゼ測定)→選別し交配→次世代を誕生させる】を用いて近親交配を継続させてきた.現在までに,易感染系(SDi)ラット系は第13世代,難感染系(SDn)ラット系は第11世代を誕生させたところである.純系ラット(第20世代>を分離するまでにさらに1年以上を費やすものと思われるが、純系ラットの確立はH.pylori感染の病態解明に有用であると考えられるので今後も引き続き進めていきたいH.pylori慢性感染モデルラットの胃粘膜傷害の程度を測定する方法と、免疫学的な病態解明に必要となるH.pyloriの表面抗原に特異的な血清IgG及びIgA抗体の測定法(菌体固相化ELISA)を開発中し報告した。1. 34週齢雄性SDラットおよび雌性SDラットにヘリコバクターピロリSS-4株を経口接種した.接種後4週に細径内視鏡を用いて胃粘膜の生検を試みたが,生検後の胃粘膜損傷によりラットの大部分が死亡したため(16匹中12匹死亡),以後は経口胃ゾンデ挿入により採取した胃液のウレアーゼテストおよび培養でヘリコバクターピロリSS-4株感染の有無を確認した.2.ヘリコバクターピロリSS-4株感染SDラット(SD infected:SDi)雌雄およびヘリコバクターピロリSS-4株感染阻止SDラット(コントロール群:SD non-infected:SDn)雌雄を交配させ第2世代を出産させた.それぞれSDi2,SDn2と名付けた.3.同様の手技により菌の接種,感染の確認をおこない.第3世代(SDi3,SDn3)以降を誕生させた.4.現在,第4世代(SDi4, SDn4)を誕生させたところである.5.現在までのところ,SDi種には感染率の増加が,SDn種には感染率の減少が認められるが,感染率(あるいは感染阻止率)を90%以上に高めるには至っていない.今後さらに交配を継続し,遺伝的に純系とすることで,感染率(あるいは感染阻止率)を高めることが可能と考えている.6.純系ラットを分離できた後には慢性感染モデルとして下記のような胃十二指腸粘膜障害実験をおこなう予定である.(1)酸投与,(2)虚血再灌流,(3)酢酸潰瘍,(4)エタノール障害現在,軽微な粘膜障害を定量的に測定する方法について検討している.

51クロムを使用したEDTAを軽静脈的に投与し,胃および十二指腸粘膜からの漏出量を測定する方法が有望で,(特に十二指腸灌流において)新しい手技の確立を試みている.1.34週齢雄性SDラットおよび雌性SDラットにヘリコバクターピロリを経口接種した.接種後4週に細径内視鏡を用いて胃粘膜の生検を試みたが,生検後の胃粘膜損傷によりラットの大部分が死亡したため(16匹中12匹死亡),以後は経口胃ゾンデ挿入により採取した胃液のウレアーゼテストおよび培養でヘリコバクターピロリ感染の有無を確認した.2.ヘリコバクターピロリ感染SDラット(SD infected:SDi)兄妹雌雄およびヘリコバクターピロリ感染阻止SDラット(コントロール群:SD non-infected:SDn)兄妹雌雄を交配させ第2世代を出産させた.それぞれSDi2,SDn2と名付けた.3.同様の手技により菌の接種,感染の確認をおこない.第3世代(SDi3,SDn3)以降を誕生させた.4.現在,第67世代(SDi7,SDn6)を交配させているところである.5.現在までのところ,SDi種には感染率の増加が,SDn種には感染率の減少が認められるが,感染率(あるいは感染阻止率)を90%以上に高めるには至っていない.今後さらに交配を継続し,遺伝的に純系とすることで,感染率(あるいは感染阻止率)を高めることが可能と考えている.10代を過ぎたあたりから近交弱性が始まり,不妊のラットが増加してくることが予想されるため,ラインを(今以上に)可能な限り多くして,途絶えないように注意しながらすすめていく.6.純系ラットを分離できた後には慢性感染モデルとして下記のような胃・十二指腸粘膜障害実験をおこなう予定である.(1)病理組織学的検索,(2)酸付加,(3)虚血再灌流,(4)酢酸潰瘍,(5)エタノール付加現在,51クロムを使用したEDTAを経静脈的に投与し、胃および十二指腸粘膜からの漏出量を測定することにより,軽微な粘膜障害を定量的に測定する方法手技の確立を試みている.1.34週齢雄性SDラットおよび雌性SDラットにヘリコバクターピロリを経口接種した.接種後4週に経口胃ゾンデ挿入により採取した胃液のウレアーゼテストおよび培養でヘリコバクターピロリ感染の有無を確認した.2.ヘリコバクターピロリ感染SDラット(SD infected:SDi)兄妹雌雄およびヘリコバクターピロリ感染阻止SDラット(コントロール群:SD non-infected:SDn)兄妹雌雄を交配させ第2世代を出産させた.それぞれSDi2,SDn2と名付けた.3.同様の手技により菌の接種,感染の確認をおこない.第3世代(SDi3,SDn3)以降を誕生させた.4.現在,第910世代(SDi10,SDn9)を交配させているところである.5.現在までのところ,SDi種には感染率の増加が,SDn種には感染率の減少が認められる.今後さらに交配を継続し,遺伝的に純系とすることで,感染率(あるいは感染阻止率)をさらに高めることが可能と考えている.10代を過ぎたあたりから近交弱性が始まり,不妊のラットが増加してくることが予想されるため,交配させる組み合わせを今以上に多くして,途絶えないように注意しながらすすめていく.6.純系ラットを分離できた後には慢性感染モデルとして下記のような胃・十二指腸粘膜障害実験をおこなう予定である.(1)病理組織学的検索,(2)酸付加,(3)虚血再灌流,(4)酢酸潰瘍,(5)エタノール付加による障害7.さらに,(5)薬剤によるH.pylori除菌や,(6)H.pylori分布の変化に対する効果を検討することも考えている.H.pyloriはヒト胃粘膜には感染するが,ラットに慢性持続感染させることはできなかった.
福島県の脳卒中医療における地域格差と予後に関する研究

新規登録では、平成30年は2,188例の登録があった。平成29年は2,228例であったことから、福島県立医科大学脳神経外科同門の10病院では、年間2,200例前後の脳卒中を入院・加療していることがわかった。平成25年度(2013年1月1日12月31日)の遡り調査では、県北から全県までの出張採録が行われた。登録対象は5,451件で26医療機関からの採録がなされた。男性が2,978件(54.6%)、女性は2,473件(45.4%)であった。年齢階級別では、男性は70歳代、女性は80歳代が最多であった。発症時間の記載があったのは3,661例で、0時5時、6時11時、12時17時、18時23時とすると、6時11時、18時23時の発症がそれぞれ39.1%、42.6%であった。脳卒中の分類別では、脳梗塞が3,791件(69.6%)、脳内出血が1,275件(23.4%)、くも膜下出血が378件(6.9%)、その他の脳卒中が7件(0,1%)であった。初発例は3,930件(72.1%)であったが、再発例は1,422件(26.1%)であった。病型別の再発率は、脳梗塞で28.5%、脳内出血で23.9%、くも膜下出血で9.3%であった。脳梗塞に対してのtPA投与率は4.4%であった。発症から来院までの時間は2時間以内が35.4%、3時間以内が46.2%、6時間以内が61.4%で、24時間以内の来院が85.6%であった。発症から24時間以上経過しての来院は14.4%であった。発症から24時間以降に来院したのは脳梗塞で17.1%、脳内出血で8.7%、くも膜下出血で8.6%であった。遡り調査では5,451件のデータが収集でき、ある程度の解析を行うことができた。調査項目すべての解析には、もう少し時間が必要である。遡り調査で得られた5,400件あまりのデータ解析を進めていく。脳卒中発症登録は2019年1月から福島県の事業に格上げになったので、新規データの利用は困難な状況になった。既存のデータを解析し、論文という形で仕上げたい。研究代表者の所属する福島県立医科大学脳神経外科の同門10施設に症例登録を依頼した。平成29年は2074件のエントリーシートの登録を得ることができた。施設によって1ヶ月まとめて登録、年に何度か登録、年末に登録など、さまざまな登録方法があるが、引き続きエントリーシートの登録に関する啓蒙を行い、登録数を伸ばしていく予定である。平成25年度(2013年1月1日12月31日)までの遡り調査は、福島県北部の4病院(福島県立医科大学附属病院、福島赤十字病院、南東北福島病院、枡記念病院)から訪問調査を開始し、計1032例の発症登録を完成させた。脳梗塞は691例、脳内出血は244例、くも膜下出血は81例であった。脳梗塞ではアテローム血栓性脳梗塞が30%、心原性脳梗塞が29%、ラクナ梗塞が24%で、その他の塞栓症が11%であった。t-PAは5%(34例)に投与されるに留まっていた。脳内出血は保存的に治療されたものが80%(196例)、手術を行ったものが20%(48例)であった。くも膜下出血はクリッピング術が32%(26例)、コイル塞栓術が31%(25例)であり、保存的加療となったのは32%(26例)であった。発症から病院受診までの時間の中央値は、脳梗塞で4.58時間、脳出血で2.35時間、くも膜下出血で1.32時間であったが、平均値は、脳梗塞は27.7時間、脳出血は43.5時間、くも膜下出血は63.3時間と非常に時間がかかっていることがわかった。患者の年齢に着目すると、40歳代、50歳代の病院受診までの時間が、各病型とも明らかに長くかかっていた。症状が軽度であったこと、発症が休前日だったため月曜日まで待って受診したこと、かかりつけ医に受診してから病院を紹介受診したことが要因と考えられた。同門各病院からの情報提供(エントリーシートの登録)は軌道にのってきたが、神経内科からの登録や、関連施設以外の脳神経外科からの情報提供が不十分である。県内の研究会や講演会等で、脳卒中登録事業を施行していることを発表し、協力を依頼しているが、個人情報の問題や医師が多忙であることなどを理由に、十分な協力が得られていないのが現状である。一方、エントリーシートで登録された患者情報から、各病院への出張採録を行っているが、患者数に比して採録調査員の数が少ないことや、患者カルテから必要な情報を読み取るために膨大な時間を要していることで、遡り調査もようやく県北地区が修了し、県中地区に取りかかっている状況である。

平成29年は2,228例であったことから、福島県立医科大学脳神経外科同門の10病院では、年間2,200例前後の脳卒中を入院・加療していることがわかった。平成25年度(2013年1月1日12月31日)の遡り調査では、県北から全県までの出張採録が行われた。登録対象は5,451件で26医療機関からの採録がなされた。男性が2,978件(54.6%)、女性は2,473件(45.4%)であった。年齢階級別では、男性は70歳代、女性は80歳代が最多であった。発症時間の記載があったのは3,661例で、0時5時、6時11時、12時17時、18時23時とすると、6時11時、18時23時の発症がそれぞれ39.1%、42.6%であった。脳卒中の分類別では、脳梗塞が3,791件(69.6%)、脳内出血が1,275件(23.4%)、くも膜下出血が378件(6.9%)、その他の脳卒中が7件(0,1%)であった。初発例は3,930件(72.1%)であったが、再発例は1,422件(26.1%)であった。病型別の再発率は、脳梗塞で28.5%、脳内出血で23.9%、くも膜下出血で9.3%であった。脳梗塞に対してのtPA投与率は4.4%であった。発症から来院までの時間は2時間以内が35.4%、3時間以内が46.2%、6時間以内が61.4%で、24時間以内の来院が85.6%であった。発症から24時間以上経過しての来院は14.4%であった。発症から24時間以降に来院したのは脳梗塞で17.1%、脳内出血で8.7%、くも膜下出血で8.6%であった。遡り調査では5,451件のデータが収集でき、ある程度の解析を行うことができた。調査項目すべての解析には、もう少し時間が必要である。引き続き脳卒中登録事業の啓蒙を進めるとともに、福島県の医師会、各地区の医師会、あるいは福島県に働きかけることで、症例登録への協力を加速させる。採録員の数を増やす。現在までの採録の結果から、脳卒中発症登録表を簡略化し、情報の修得にかかる労力の軽減を図る。これについては簡略版を作成して、4月の調査分から試用を開始しているところである。遡り調査で得られた5,400件あまりのデータ解析を進めていく。脳卒中発症登録は2019年1月から福島県の事業に格上げになったので、新規データの利用は困難な状況になった。既存のデータを解析し、論文という形で仕上げたい。調査員の数が充足されていないため、調査に使用するパソコンの購入代数が少なかった。調査員は疫学講座および県民健康科学センターに所属していたことで、出張採録をする際の交通費や謝礼が、他講座の講座研究費から支出されたために人件費がかからなかった。次年度は、上記予算からの交通費等の拠出が困難であるため、本研究費からの支出が充てられる予定である。データ解析費用出張採録のための旅費報告書作成のための費用
目撃証言における誘導情報の機能に関する実験的研究

1.実験に用いる刺激の撮影本研究は,誤った情報が目撃証言に対してどのような影響を及ぼすのかを潜在記憶課題を用いて検討することを目的としているので,まずこの研究目的に適する刺激を作成した.刺激は,目撃証言に関する既存の研究と比較することができ,かつ潜在記憶課題を用いることができることが必須条件である.このような条件を満たす刺激として,大学生の日常生活を表現した一連のスライド写真を用いることとし,東京大学文学部図書委員会の許可を待って,図書館における学生の行動を表したスライド写真50枚ほどを撮影した.2.実験装置の設置スライド写真を被験者に瞬間呈示するための実験装置として,スライド・プロジェクタに電磁シャッタを取りつけ,ハーフ・ミラーを用いて被験者前のスクリーンに呈示する実験装置を組み立てた.3.予備実験の実施上記の刺激および実験装置を用いて,以下の予備実験を行った.(1)先行研究と同様の実験事態で先行研究の結果が追試できることの確認.具体的には,誤導情報の与え方,学習と記憶テストとの遅延時間などを決定することである.(2)潜在記憶課題の実験手続きの決定.潜在記憶課題では,被験者が学習時のことを意識的に想起できないようにしなければならないので,被験者に対する教示,課題の難易度,刺激の呈示時間などが最適な条件になるよう調整を行った.1.実験に用いる刺激の撮影本研究は,誤った情報が目撃証言に対してどのような影響を及ぼすのかを潜在記憶課題を用いて検討することを目的としているので,まずこの研究目的に適する刺激を作成した.刺激は,目撃証言に関する既存の研究と比較することができ,かつ潜在記憶課題を用いることができることが必須条件である.このような条件を満たす刺激として,大学生の日常生活を表現した一連のスライド写真を用いることとし,東京大学文学部図書委員会の許可を待って,図書館における学生の行動を表したスライド写真50枚ほどを撮影した.2.実験装置の設置スライド写真を被験者に瞬間呈示するための実験装置として,スライド・プロジェクタに電磁シャッタを取りつけ,ハーフ・ミラーを用いて被験者前のスクリーンに呈示する実験装置を組み立てた.3.予備実験の実施上記の刺激および実験装置を用いて,以下の予備実験を行った.(1)先行研究と同様の実験事態で先行研究の結果が追試できることの確認.具体的には,誤導情報の与え方,学習と記憶テストとの遅延時間などを決定することである.(2)潜在記憶課題の実験手続きの決定.潜在記憶課題では,被験者が学習時のことを意識的に想起できないようにしなければならないので,被験者に対する教示,課題の難易度,刺激の呈示時間などが最適な条件になるよう調整を行った.
超高精度光位相差検出法の開発

本研究は極めて小さい光学位相の変化を超高感度,高安定に計測しうる当研究者独自の方式のループ形ディレイライン干渉計を開発し,重力波検出用干渉計システムの開発にその成果を応用することを目的としている。前年度にテスト用モデル干渉計を構成し,その動作確認を行っており,今年度はこの新しい干渉形の測定感度とその制限要因についての基礎実験を行うとともに,実際の測定システムで生じる問題点の把握とその解決を目指した。実験では光源として2mWのHeNeレーザーを用い,干渉計光路長は6mで光路内の電気光学位相変調器により生じる位相変化を計測した。その結果,完全光路長が同一のはずの右回り左回りの光路長に2nm程度の差が残り,背景光となってショット雑音レベルを押し上げていることが分かった。残留光路差をバイアスとして1次形振動変位を測定したときの測定限界は測定系の電気雑音で制限され,10^<-11>m程度(帯域30Hz,ショットノイズ限界の3桁上)であった。レーザパワーの高出力化と電気増幅器の導入により測定感度は10^<-17>mに向上が可能で,帯域を重力波検出に適当なkHz程度に広げても,10^<-16>m程度と光源の周波数,出力や干渉計に何の安定化を施していないにもかかわらず最高水準に到達する。一方,バイアスが最暗部にあるとして変位検出をした場合はほぼショットノイズ限界に達したが,前述の漏れ光のため10^<-10>m/√<Hz>程度と満足できるものではなかった。残留光の原因は2光波の波面ズレと鏡の横方向時間変動が主なものと予想される。緩和されたとは言え,干渉計の反射鏡の除振,安定化は重要であり,光路長が100kmとなればこの影響はより大きくなる。今後この方面の改良を進めていく予定である。
ニコチンによる術後鎮痛-インビボパッチクランプ法を用いた検討

In vivoパッチクランプ法による脊髄後角シナプス応答記録を安定して行えるよう実験設備を整えた。ニコチン脊髄灌流により脊髄後角第I層神経細胞の抑制性シナプス電流(IPSCs)の頻度、電流量は濃度依存性に増加し、脊髄レベルでの鎮痛メカニズムを示すと考えられた。しかしニコチン全身投与(静脈内投与)ではIPSCsに影響を認めなかった。興奮性シナプス伝達、活動電位に対する作用、さらに急性痛(術後痛)モデルでの作用が残された課題である。本研究は、ラット術後痛モデルでin vivoパッチクランプ法を行い、ニコチンによる急性痛に対する鎮痛機序の解明を目的とする。平成21年度研究度実施計画のうち、1)in vivoパッチクランプ実験環境の整備、2)in vivo標本の作製、3)in vivoパッチクランプ記録法による実際の興奮性シナプス電流(EPSCs)および抑制性シナプス電流(IPSCs)の記録、の3点まで実施した。1)では、空気ばね式除振装置(ADZ-A1007,明立精機)の台上に動物固定装置、マイクロスコープ、ファイバー光源を設置した。パッチクランプアンプ(Axopatch 200B. Axon Instrumnts, USA)のヘッドステージはマイクロマニピュレーターで操作できるようにした。ファラデーケージを作製し、セットアップ全体をシールドし、記録に電気的ノイズの混入が少ない環境を作った。2)では、4-7週齢のラットを用い、ウレタン麻酔下にin vivo標本のプレパレーションを行った。椎弓切除(第12胸椎-第2腰椎)、硬膜の開窓、脊髄および第3-5腰椎神経根の露出、さらに神経根を上下にずらすことによる脊髄後角へ向けて電極を刺入するスペースの確保、電極刺入部位のクモ膜/軟膜の開窓を行った。3)では、ラットのウレタン麻酔を継続した状態で行った。脊髄表面を加温および酸素化したリンゲル液で灌流した。パッチクランプアンプのヘッドステージにガラス電極を装着し、マイクロマニピュレーターを用いて電極を脊髄後角に刺入し、第II層の神経細胞を標的としてホールセル状態の作成を行った。自発的なEPSCsおよびIPSCs、感覚刺激に応答するそれらの記録に成功した。In vivoパッチクランプ記録において、短時間かつ少ない出血量で標本を作成することが重要であり、操作手技の向上を図り、長時間の安定した記録が徐々に可能となってきた。本研究は、ラット術後痛モデルでin vivoパッチクランプ法を行い、急性痛に対するニコチンの鎮痛機序の解明が目的である。平成21年度はin vivoパッチクランプ記録のためのセットアップを立ち上げ、ウレタン麻酔下のラットでin vivoパッチクランプ法による脊髄後角第II層の神経細胞の興奮性シナプス電流(EPSCs)、抑制性シナプス電流(IPSCs)の記録に成功した。平成22年度の研究実施計画は、1)in vivoパッチクランプ記録の安定化、2)術後痛モデルの作製とシナプス応答の評価、3)ニコチン脊髄灌流のEPSCs、IPSCsに対する作用を調べることであった。2) 3)の評価のためには安定した神経活動の記録が必要条件となるが、平成22年度は記録の安定性を高めることに予定外に苦慮した。実験台、動物固定装置、灌流システムの改良を行い、新たにマイクロスコープとモニターの設置し、記録精度の向上に取り組んだ。さらに短時間、低侵襲手技によるin vivo標本作製により、電極刺入10回に13回のホールセル状態、1回に2040分の記録ができるようになった。現在、2)の急性痛モデル作成、急性痛および機械刺激に対する神経細胞応答を調べており、過去の報告のように、活動電位の発生様式にいくつかのタイプが存在することを確認した。その評価、そしてニコチン脊髄表面灌流の神経応答への影響については次年度に持ち越すことになった。平成21年度、平成22年度とin vivoパッチクランプ法の実験環境の整備を進め、また学外の専門家の指導により、in vivo標本の作成および記録に関する技術的な問題点についても徐々に解決されてきた。平成23年度は、さらに記録の安定性を高めることに努め、ニコチン投与による脊髄後角シナプス活動への作用について検討を開始した。現時点までに、抑制性シナプス電流(IPSCs)に対するニコチンの作用を記録した。脊髄後角第1層神経細胞でIPSCsを記録した。ニコチンの脊髄灌流では(10μM,100μM)、IPSCsの頻度および電流の大きさともに濃度依存性に増加した。この結果は脊髄スライスでの結果と一致するもので、ニコチンの鎮痛効果の脊髄レベルでのメカニズムを示す1つと考えられた。しかしニコチンの静脈内投与では、低用量(0.75μg)では明らかな影響を認めず、中等-高用量(7.5,15,30μg)では、一時的に数分間だけIPSCsの頻度および電流量が抑制された後に、投与前に回復するという結果が得られた。

つまりニコチンの全身投与ではIPSCsには明らかな影響は認められなかった。また低用量の選択的α2アゴニストのデキサメデトミジンにIPSCs増強作用があるこという結果を得たため詳細な検討を現在すすめている。本研究計画以前からの研究テーマに関しても並行して取り組んだ。ミクログリアP2X_4受容体への全身麻酔薬の作用の検討では、臨床濃度のプロポフォールがP2X_4受容体を増強する結果を得た。プロトンチャネルに対する抑制作用に関する検討では、弱塩基である局所麻酔薬による細胞内pH上昇がそのメカニズムであることを明らかにし、プロトンチャネルが局所麻酔薬の膜内外の動態のモニターとして有用であることを示す結果を得た。
揺らぎによるシトクロムｃ多量体形成と機能

シトクロムc(cyt c)はミトコンドリアにおいて電子伝達を行うとともに、アポトーシス誘導の際、ミトコンドリアから放出される。研究代表者らは2010年、cyt cがC末端領域のαへリックスをドメインスワッピングすることにより多量体を連続的に形成しポリマー化することを明らかにした。平成24年度は、酸化型ウマcyt c二量体の紫外可視吸収スペクトルのソーレー帯およびQ帯がシアン化物イオン添加により短波長シフトし、cyt c二量体がシアン化物イオンと比較的強く結合することを見出した。シアン化物イオン結合型cyt c二量体のFe-CN伸縮振動数より、cyt c二量体へのシアン化物イオンの結合が他のヘムタンパク質より弱いことが判明した。シアン化物イオンの結合により、cyt c二量体の二次構造は大きく変化しないが、二量体の単量体への解離速度が増加し、解離温度が減少することも明らかとなった。好熱性水素細菌由来シトクロムc552(cyt c552)の酸化型にエタノールを添加すると多量体が得られた。Cyt c552溶液にエタノールを50°Cで加えると、メチオニンがヘム鉄から一部解離することが分かった。Cyt c552二量体の立体構造では、N末端αヘリックスとヘムを含む領域が別分子の対応する領域とドメインスワッピングすることが明らかとなった。Cyt c552ではヘム鉄に配位するメチオニン残基の周辺のループで比較的強い水素結合ネットワークが形成されているため、二量化するとき、C末端αヘリックスは残りのタンパク質部分から解離しなかったと推測された。Cyt c552二量体ではメチオニンはヘム鉄に配位していたが、メチオニンはヘムが属しているプロトマーとは異なるプロトマーに属していた。Cyt c552単量体の熱安定性に重要なアミノ酸残基のパッキングは二量体でも保たれ、二量体は高い熱安定性を示した。24年度が最終年度であるため、記入しない。研究代表者らは2010年、cy cがC末端領域のαヘリックスをドメインスワッピングすることにより多量体を連続的に形成しポリマー化することを明らかにした。本研究では、揺らぎがcyt c多量体形成に及ぼす影響およびcyt c多量体の機能を解明することを目指す。平成23年度は、ウマcyt cおよび緑膿菌シトクロムc_<551>(cyt c_<551>)の多量体形成について調べた。酸化型ウマcyt c溶液にエタノールを添加して得られた上清分画に多くの単量体と少量の二量体が検出されたが、二量体より高次の多量体は検出されなかった。一方、沈澱分画には高次多量体が多く検出された。エタノール溶液中では、二量体などの多量体の溶解度は単量体より低く、多量体はエタノール添加によって形成し、沈澱することが示唆された。酸化型cyt cの軸配位子Met80はエタノール溶液中でヘム鉄から解離するが、cyt cのα-ヘリックス構造は保持され、Met80以降のC末端ヘリックスはタンパク質部分から大きく解離しないことが示唆された。沈澱状態のcytc多量体は単量体と類似したα-ヘリックス構造と球状構造を保持していることも示唆された。cytc_<551>についてもエタノールを添加することで多量体が得られた。cytc_<551>の二量体の活性部位と二次構造は、単量体と類似していることが吸収とCDスペクトルより示唆された。X線結晶構造解析より、cyt c_<551>単量体でループを形成するThr20からMet22のアミノ酸残基の構造が二量体形成に伴い変化し、二量体はヘムを含むN末端ヘリックスを交換したドメインスワッピング構造を有し、ヒスチジンとメチオニンの二つの配位子は別々のプロトマーに属することが明らかとなった。

Cyt c552溶液にエタノールを50°Cで加えると、メチオニンがヘム鉄から一部解離することが分かった。Cyt c552二量体の立体構造では、N末端αヘリックスとヘムを含む領域が別分子の対応する領域とドメインスワッピングすることが明らかとなった。Cyt c552ではヘム鉄に配位するメチオニン残基の周辺のループで比較的強い水素結合ネットワークが形成されているため、二量化するとき、C末端αヘリックスは残りのタンパク質部分から解離しなかったと推測された。Cyt c552二量体ではメチオニンはヘム鉄に配位していたが、メチオニンはヘムが属しているプロトマーとは異なるプロトマーに属していた。Cyt c552単量体の熱安定性に重要なアミノ酸残基のパッキングは二量体でも保たれ、二量体は高い熱安定性を示した。24年度が最終年度であるため、記入しない。ウマcyt cや緑膿菌cytc_<551>とは異なる他のcyt cでの多量体形成を調べる。変異型cyt cを作製し、多量体形成機構を種々の分光法を用いて調べるとともに、安定な高次多量体の作製を目指す。さらに、生体内でのcyt c多量体の形成についても調べ、多量体の機能解明を目指す。
腫瘍細胞を骨芽細胞に分化誘導させる研究

OCTおよびrBMPをゲル内投与したコラーゲンゲル上に唾液腺腫瘍由来細胞株であるHSG-AZA3を播種し、同条件でOsteoblasticな細胞に分化、誘導されることが報告されているラット大体骨骨髄由来の間葉細胞の系と比較検討した。光学顕微鏡による形態学的観察では、骨髄由来のは非常に多くの細胞突起を有する星状細胞網を形成し、所々に石灰下結節が認められた。それに対し、HSG-AZA3は細胞突起を殆ど有さない敷石状で、上皮由来の細胞様の像を示すものが多くみられた。しかし、中には、石灰化を伴う結節の認められる物があった。生化学的な分析では、骨髄由来の細胞の系は、骨芽細胞のマーカーであるALP活性、BGP量、Ca量/DNA量が2-4週にかけTime-dependentに増加し、その後ALP活性は低下しBGP量、Ca量はプラトーに到達した。それに対し、HSG-AZA3ではALP活性の上昇およびBGP量の増加を認めなかったが、Ca量/DNA量には緩やかな上昇を認めた。BSP量に関しては、Cell matrix、Mediumとも分析を試みたが、ゲルに使用したコラーゲンとの接着性が強くその分析法の開発に着手しているところである。現段階で得られた知見では、コラーゲンゲル上で培養することによりHSG-AZA3は石灰化を起こすが、骨様組織の誘導に伴なう特有な変化、マーカーの発現を認めない。この系は、正常な骨様組織誘導のIn vitroモデルではなく、唾石等の異所性に起こる病的な石灰化のIn vitroモデルとして確立する可能性が高い。現在これらの所見については、投稿準備中である。今後は前述したBSPの分析法の確立および石灰化物のCa/P比、含有コラーゲン量等組成の分析を進め、この石灰化のメカニズムの分析を進めていきたい。
触覚受容に関わる分子の探索と再構成

動物とは動く生物であり、外界の情報を感覚入力により認知し、行動という形で出力する。動物の感覚系としては五感が昔から知られているが、その1つである触覚は一次感覚ニューロンの末端が皮膚下に存在することが知られ、受容体分子も近年見つかりつつあるが、触覚受容や伝達の分子メカニズムには不明の点が多く残されている。本研究で研究代表者はゼブラフィッシュを動物モデルに、触刺激応答に異常のあるゼブラフィッシュ変異体を足がかりにして触覚に関わる分子を同定し、その分子機能をゼブラフィッシュを用いたin vivo解析および培養細胞を用いたin vitro解析で明らかにし、触覚受容や伝達の分子メカニズムの解明を目指す。
立体音像再生の制約を緩和する動的バイノーラル音における頭部運動の役割に関する研究

立体音像の知覚における受聴者の頭部運動が果たす役割を明らかにするために、音像定位中の受聴者の頭部の動きを詳細に計測し解析するとともに、水平面と正中面の音像定位における頭部運動の効果を評価する実験を行った。その結果、水平面でも正中面でも、受聴者は音像を定位するときに音像方向に頭部を向けて左右に振るという頭部運動戦略を用いていることが分かった。また、水平面でも正中面でも、頭部回転運動を許した場合の音像定位精度は頭部を静止させた場合よりも有意に高かった。さらに、頭部運動を修飾した動きや手腕部の動きに伴う動的バイノーラル音を用いても、音像定位精度は静的バイノーラル音を用いた場合よりも有意に高かった。これらの結果は、頭部運動は時変の両耳音響特徴を与えることにより立体音像の定位を容易にするが、頭部運動でなくとも立体音像の定位を容易にする時変の両耳音響特徴を含む動的バイノーラル音を生成できることを示唆する。バイノーラル信号によって再生される立体音像の知覚において受聴者の頭部運動が果たす役割を体系的に明らかにするために、平成22年度は以下の研究を行った。第一に、音像定位における頭部運動の効果を明らかにするために、音像定位実験中の被験者の頭部運動を記録するシステムを構築し、実音源に対する頭部静止条件と頭部運動条件での音像定位実験中の頭部運動を記録し、その一部を解析した3その結果、頭部静止条件では被験者の頭部回転角度は1.4度以下であること、胴部運動条件では被験者は音像方向に頭部を回転させるが音像が正面に来るようには頭部を動かさないことがわかった。第二に、動的聴覚ディスプレイを用いて、受聴者自身のHRTF、他人のHRTF、受聴者の頭部形状から算出したHRTFの3種類を用いて合成したバイノーラル信号に対する正中面と水平面の音像定位実験結果を解析した。その結果、いずれのHRTFを用いた場合も頭部運動を反映した動的バイノーラル信号を用いることにより、音像定位精度は高くなることがわかった。また、実験に用いる被験者のHRTFを短時間で計測する方法についても検討を行い、その有効性を確認した。さらに、音像定位実験用ヘッドホンの音圧較正と応答特性の計測に使用するIEC711型人工耳の妥当性についても検証した。第三に、他人のダミーヘッドをテレヘッドに装着して実音源に対する水平面と正中面の音像定位実験を行った。その結果、自分のHRTFとは異なる他人のダミーヘッドを用いても、頭部回旋運動を行うことによって、水平面でも正中面でも音像定位精度は頭部静止条件よりも高くなることが分かった。第四に、音像定位処理に関与する聴覚生理学の理解の現状について調査しそれらをまとめた。バイノーラル信号によって再生される立体音像の知覚において受聴者の頭部運動が果たす役割を体系的に明らかにすることを目的として、平成23度は以下の研究を行った。第一に、実音源を実耳受聴する条件と、ダミーヘッドで収録したバイノーラル音をイヤホンで受聴する条件で、平面と正中面の音像定位実験を行った。また、音像定位実験中の頭部運動を記録し、それらを解析した。

その結果、水平面でも正中面でも、実験条件によらず、音源信号の帯域幅が広くても狭くても、受聴者に頭部回転運動を許すと音像定位正答率は高くなった。また、正中面の音像定位に対してもヨー(回旋)方向の頭部運動が有効で、その運動戦略はより大きく回旋させるというものであることがわかった第二に、被験者の頭部運動に伴う自然な音像の動きを妨げる、あるいは被験者の頭部運動に伴って予測される音像の動きとは異なる動きを実現する頭部運動変換ルーチンを作成し、どのような頭部運動変換関数が音像定位を阻害/促進するかについての予備実験を行った。その結果、運動速度と運動方向を修飾する運動変換関数はその修飾の多寡によらず、音像定位を促進することがわかった。第三に、頭部運動に伴う何の情報が、音像定位をし易くするのかを明らかにするために、手腕でダミーヘッドの運動を制御したときの音像定位実験を行った結果、手腕部で制御しても頭部で制御しても、同程度に音像定位しやすくなることがわかった。第四に、聴覚系と運動系が相互作用する神経生理学的知見を調査した結果、聴覚系の音像定位処理における頭部運動の寄与についての神経生理学的な知見はほとんど無いことがわかった。第五に、音像定位実験に用いるバイノーラル音を合成するために、頭部伝達関数の高速計測システムを構築した。また、それを用いた計測過程で、両耳間時間差の周波数依存性の成因が頭部の反射による受音波形の位相のずれであることを見出した。バイノーラル信号によって再生される立体音像の知覚において受聴者の頭部運動が果たす役割を体系的に明らかにすることを目的として、平成24度は以下の研究を行った。第一に、昨年度に導入した新型テレヘッドの最終調整を行うとともに、その運動特性と音響特性を明らかにした。その結果、新型テレヘッドの頭部追従遅延時間は10 ms以下、ライン混入雑音レベルは20 dB以下で、旧型のテレヘッドより性能が高いことを確認した。第二に、頭部運動追従遅延時間が約120 msの旧型テレヘッドと10 ms以下の新型テレヘッドを比較した場合、頭部運動条件における頭外音像定位正答率には有意差が無いことがわかった。一方、遅延時間が短い新型の方が、受聴している立体音のリアリティは高いこともわかった。このことは、音像定位実験の音像定位正答率からは定量的に判定することはできず、新たな立体音のリアリティ知覚を評価する方法の検討が必要である事を示唆する。第三に、被験者の頭部運動速度と運動方向を修飾する運動変換関数を用いてテレヘッドを動作させた場合の音像定位実験を行った。その結果、昨年度実施した予備実験の結果と同様に、運動速度と運動方向の修飾の多寡によらず、頭部運動がありさえすれば、音像定位がしやすくなることを確認した。第五に、音像定位処理における頭部運動の寄与に関する神経生理学的基盤の理解の現状について総括した。立体音像の知覚における受聴者の頭部運動が果たす役割を明らかにするために、音像定位中の受聴者の頭部の動きを詳細に計測し解析するとともに、水平面と正中面の音像定位における頭部運動の効果を評価する実験を行った。その結果、水平面でも正中面でも、受聴者は音像を定位するときに音像方向に頭部を向けて左右に振るという頭部運動戦略を用いていることが分かった。また、水平面でも正中面でも、頭部回転運動を許した場合の音像定位精度は頭部を静止させた場合よりも有意に高かった。さらに、頭部運動を修飾した動きや手腕部の動きに伴う動的バイノーラル音を用いても、音像定位精度は静的バイノーラル音を用いた場合よりも有意に高かった。これらの結果は、頭部運動は時変の両耳音響特徴を与えることにより立体音像の定位を容易にするが、頭部運動でなくとも立体音像の定位を容易にする時変の両耳音響特徴を含む動的バイノーラル音を生成できることを示唆する。計画していた、(1)正中面
新生仔大脳皮質の入力依存的な神経回路発達ダイナミクス及びメカニズムの解明

大脳皮質の神経回路は生後初期に神経入力依存的に大きく再編されることで高度な情報処理能力を獲得する。しかし、生体内でどのような過程を経て再編が達成されているのかはほとんど不明であった。その実態解明のため、私はマウス大脳皮質体性感覚野の「バレル」構造をモデルに研究を進めてきた。個々のバレルでは、1本のヒゲからの情報を伝達する視床皮質軸索がクラスターを形成しており、その周りを取り囲む神経細胞が単一のクラスターに向けて樹状突起を伸ばすことで、1本のヒゲ情報が選択的に処理されている。バレルは生後1週間の内に神経入力依存的に形成され、その形態から回路の機能成熟を検出できるため、発達期の入力依存的回路再編機構を理解するための有用なモデルとされてきた。本研究課題では、バレル形成過程を生きた個体脳内で直接観察するという独自のアプローチを進めてきた。これまでに、生後2,3日齢から生後6日齢までというバレル形成が劇的に進む期間をターゲットとした新生仔大脳皮質の長期生体イメージング手法を確立し、神経細胞が1つのバレル選択的に樹状突起を展開するようになる過程での動態の定性/定量解析を行ってきた。本年度はさらに、ヒゲからの情報を脳に伝える眼窩下神経を外科的に切断した新生仔マウスの長期生体イメージング、蛍光カルシウムプローブを用いた神経活動の生体イメージングとその解析等を行った。新生仔の大脳皮質で入力依存的に神経回路が再編される過程を1匹の個体で通して直接観察し、その機構の一端を解明したこれまでの成果は、論文としてまとめ、現在投稿中である。29年度が最終年度であるため、記入しない。大脳皮質の神経回路は生まれた時には未成熟であり、生後に神経活動依存的に再構築され、機能的に成熟した回路となるが、その機構には多くの謎が残されている。私は、マウス大脳皮質体性感覚野の「バレル」をモデルとし、その機構の解明を目指している。バレルはげっ歯類体性感覚野第4層に存在する、ヒゲ感覚の基盤となる神経回路である。個々のバレルでは、1本のヒゲからの情報を伝える視床皮質軸索群が1つのクラスターを形成し、それを取り囲むように第4層spiny stellate neuronが配置、その樹状突起を選択的にバレルの内側に伸ばしている。この方向性により1つのspiny stellate neuronが1本のヒゲからの情報を選択的に処理すること、またこうした特徴的な形態が生後1週間の間に神経活動依存的に形成されることから、バレルは機能と形態が同調した神経回路発達のモデルとして多く用いられてきた。しかし、未成熟な第4層神経細胞がどのような過程を経てspiny stellate neuronに分化し、バレルを形成するのか、その細胞動態は依然不明なままであった。この課題に取り組むため、私はバレル形成の全主要過程を通した新生仔マウス大脳皮質のin vivoタイムラプスイメージングを試みている。これまでに当研究室は生後5日齢から18時間に及ぶin vivoイメージング技法を開発し、spiny stellate neuronの樹状突起の方向性強化動態を報告した(Mizuno et al., Neuron 2014)。私はさらに早い時期から長期間に及ぶタイムラプスイメージングを行うため、技法の開発・洗練に取り組んできた。その結果、バレル形成の最も重要な期間を通した長期タイムプススイメージング手法を確立するに至った。さらにそのイメージング技法を通して、未成熟な細胞のspiny stellate neuronへの分化過程、樹状突起方向性の獲得過程の動態解明を進めている。この研究により、大脳皮質神経回路の生後の再構築機構が明らかにできるであろう。大脳皮質の神経回路は生まれた時には未成熟であり、生後に神経活動依存的に再構築され、機能的に成熟した回路となるが、その動態はほとんど不明であった。組織学的解析より、バレルの形成は生後3日から6日ごろの間に大部分が進行することがわかっている。私はバレル形成過程の全主要過程を観察するために、生後3日から6日齢のタイムラプスイメージングを目指して技術改良を行ってきた。当研究室はこれまでに生後5日齢から18時間の撮影技法を開発していた(Mizuno et al., 2014)。私は同様の技法により生後3日から6日齢の撮影を試みた。バレルの標識には当研究室で開発された視床皮質軸索特異的GFP発現Tgマウスを用い、in vivoでのバレルの可視化を行った。第4層細胞の標識には単一細胞標識法(Supernova法, Mizuno et al., 2014)により高輝度かつまばらな標識を行うことで、その成長過程の形態観察を可能にした。しかし、2つの大きな課題が立ちはだかった。1つは手術の難しさである。撮影のためには観察用器具を新生仔の頭部に装着する手術が必要だが、生後間もない仔は弱く、頭蓋骨が非常に柔らかいため、手術は非常に困難であった。この問題に対し手術手技の見直し・洗練を進めることで、生後3日齢での手術が可能となった。もう1つの問題は仔育てである。仔の成長には母親のケアが不可欠であるが、手術を行った仔を母親に戻すと、観察用器具が壊されてしまうことが問題になった。この問題を解決するために新しい観察用器具の設計、母仔の飼育条件の検討を進めた。

その結果、手術をした仔の、観察用器具を保ったままでの母親との6日齢までの飼育が安定して可能になった。仔の体重の増加、及びバレル形成に大きな異常がないことも確認した。これらの技術を組み合わせることで、生後3日齢から、その後8時間おき、生後6日齢までの72時間に渡る同一細胞の細胞動態の観察に成功している。大脳皮質の神経回路は生まれた時には未成熟であり、生後に神経活動依存的に再構築され、機能的に成熟した回路となるが、その機構には多くの謎が残されている。本研究ではマウス大脳皮質体性感覚野の「バレル」をモデルとし、その機構の解明を目指している。バレルはげっ歯類体性感覚野第4層に存在する、ヒゲ感覚の基盤となる神経回路である。個々のバレルでは、1本のヒゲからの情報を伝える視床皮質軸索群が1つのクラスターを形成し、それを取り囲むように第4層spiny stellate neuronが配置、その樹状突起を選択的にバレルの内側に伸ばしている。樹状突起の方向性は特定の細胞が特定のヒゲ情報を選択的に処理するために非常に重要であり、この方向性は特徴的な形態が生後1週間の間に神経活動依存的に形成されることが知られている。しかし、未成熟なspiny stellate neuronが特定のヒゲ情報を処理する神経回路に組み込まれる動態はほとんど明らかになっていなかった。本研究ではバレル形成の全主要過程を通した新生仔マウス大脳皮質のin vivoタイムラプスイメージングにより、その課題に取り組んでいる。これまでに、バレル形成に重要な生後3日齢から生後6日齢までを通した長期in vivoタイムプススイメージング手法を立ち上げ、データの収集を行ってきた。本年度は手法の改良、データ収集を継続して行い、未成熟なspiny stellateneuronの樹状突起がバレル内向き方向性を獲得する過程の観察を進めてきた。そうして得られたデータを4次元で解析することで、細胞動態の定量化を試みている。本年度は昨年度に成功していた生後3日から生後6日目までのタイムラプスイメージングによるデータ収集に加え、1日早い生後2日目からの撮影にも成功し、より細胞が未成熟な状態からの観察ができた。これらのイメージングデータを解析することにより、生後成長の過程でspiny stellateneuronの樹状突起がバレル内向き方向性を獲得し、1つのヒゲ情報を特異的に処理するようになる機構を定性/定量解析を進めることができている。大脳皮質の神経回路は生後初期に神経入力依存的に大きく再編されることで高度な情報処理能力を獲得する。しかし、生体内でどのような過程を経て再編が達成されているのかはほとんど不明であった。その実態解明のため、私はマウス大脳皮質体性感覚野の「バレル」構造をモデルに研究を進めてきた。個々のバレルでは、1本のヒゲからの情報を伝達する視床皮質軸索がクラスターを形成しており、その周りを取り囲む神経細胞が単一のクラスターに向けて樹状突起を伸ばすことで、1本のヒゲ情報が選択的に処理されている。バレルは生後1週間の内に神経入力依存的に形成され、その形態から回路の機能成熟を検出できるため、発達期の入力依存的回路再編機構を理解するための有用なモデルとされてきた。本研究課題では、バレル形成過程を生きた個体脳内で直接観察するという独自のアプローチを進めてきた。
電子線位置制御による高密度極微電極島の自然形成

Si基板上のエピタキシャルCaF_2薄膜表面上に自然形成的に形成される金属極微細電極の形成位置を制御する方法により、新しい単電子デバイス製作プロセスを開発することを目的として行った。本年度の成果は主に以下の二つである。1. CaF_2表面ステップ上に形成した一次元金属ドットアレイによる単電子トランジスタの動作実証エピタキシャルCaF_2の表面に一方向に揃った単分子層のステップを形成し、ここにGaとAlの分子線供給による凝集金属ドットを一列に高密度配列させる手法を用い、電子ビームリソグラフィでソース、ゲート、ドレインの三端子を形成することによって、横方向多重トンネル接合を有する単電子トランジスタを製作した。温度18Kでドレイン電流のゲート変調特性を観測し、この材料系と基本構造で単電子トランジスタが実現できることを実証した。2. CaF_2表面の直接電子ビーム照射による二次元的位置制御法における高密度形成の達成集束電子ビーム露光によってCaF_2表面を局所的に表面改質しそこに金属ドットを選択的に凝集させる手法において、従来用いてきた表向の金属As層を取り去って直接露光することでドット間距離を距離を大幅に縮小することができた。金属As層を使わないためにプロセス途中で生じるCaF_2表向の有機汚染を紫外線励起のオゾンクリーニング法で除去する方法の有効性を示し、また、直接露光したCaF_2表面に微小な炭素ドットが堆積されることを見出しこれを凝集核として利用することを行った。その結果、隣接ドット中心間距離が14nmでドット直径が約10nmの完全位置制御されたGaドットアレイの製作に成功した。