hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
目撃記憶形成の探求：一瞥に人は何を見て何を覚えるのか？

本年度は記憶に結びつく、オブジェクトの認識に関する研究が進んだ。特に新しい発見はオブジェクトの持つ機能的側面に注目し、オブジェクトのベーシックカテゴリ(類黎明)、上位カテゴリ名、機能カテゴリ名を提示し、その後オブジェクトの認識(オブジェクトの同定判断)を行うと、機能カテゴリ判断が上位カテゴリの判断より早く行われる事が明らかになった。これは類似した二つの実験で明らかになった。さらに第3実験では発見の一般性の検証のためにRSVP課題でのターゲット検出を行なったが、この検出でも機能カテゴリにおける検出が、ベーシックレベルの検出とほぼ同等の検出力を持つ事がわかり、上位概念に対する機能概念の優位性が明らかになった。次に、短時間の目撃における記憶形成では、夜間における近距離から移動人物を目撃するという実験において、どれほど正確な記憶形成ができるかどうかを検討した。実験1では対象がいないラインナップを使用しての記憶テストを実施した。その結果、積極的に人物を選んで誤った者が40%を超えるという結果であった。実験2では、ターゲットの入ったラインナップでの実験を行い、ヒットの程度の検討を行った。結果は偶然誤差を除くと7%程度のヒット率で、しかもその正当であった識別も、詳細の説明ができないような、推測に基づく可能性が指摘された。このことから、短時間での記憶形成は人物記憶においては極めて困難であることが明らかになった。以上のプロジェクトの結果はすでに3本の論文の形式になっており、英文校正も1本は終えている。またオブジェクト認識における機能カテゴリの処理に関する実験結果が極めて興味深い結果であったので、このプログラムを使用しての実験的検討が可能になった。科研費補助の期間は過ぎたものの、この機能カテゴリからのオブジェクト認識の脳内過程におけるfMRI実験を東京医科歯科大学で実施予定である。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本年度の実績は以下のとおりである。まず、瞬時の記憶にいたるまでに視覚的情報処理段階で何が起こるのかに関する過去の研究をレビューし、RSVP課題における視覚情報処理と記憶形成の処理に関する装置の準備を行った。また、数千枚に及ぶ自然シーンの視覚刺激を使用するために、MIT(マサチューセッツ工科大学)のポッター教授に使用を願い出て、その刺激の提供を受けた。その後、視覚的短期記憶の実験プログラムを作成し、予備実験に入った。また、瞬時の刺激提示で視覚的特徴が先か、それとも概念的処理が先に行われるのか、その関係を問うプログラムを作成した。これも予備実験で終わった。以上の二つの課題が進行しており、2017年度に継続される。かなり明確で、興味深い実験結果としては、チェンジブラインドネス研究で、そのブラインドネスが起こる原因としての人物記憶における逆向干渉が原因である可能性を明らかにしたことである。これが第15回ヨーロッパ心理学会の大会にアクセプトされ発表(2017年7月アムステルダム)の運びとなった。この実験によって、チェンジブラインドネスのメカニズムの解明が進められる。また視覚的作動記憶の実験結果として注意の役割を明らかにした研究を公刊することができた。脳科学的データとしては、奥行き近くにおけるMTcomplexの脳内機序に関する研究を公刊できた。さらにNirsデータによる研究では、認知的共感が身体姿勢の視覚的知覚を制御している可能性を明らかにできた。また、目撃者供述の正確さが出来事の知覚時間によって影響が出るかどうかの知識を学生がどのように判断しているのかに関する調査(目撃要因に関する他の項目と共に)を行った。短時間の視覚情報処理の課題としてのチェンジブラインドネス研究は順調に進んだ。特にチェンジブラインドネスに関する研究は要因計画に従った3つの実験を行うことができた。そのうちの一つの実験で、人物の入れ替えに気づかないチェンジブラインドネスの原因が、最初の人物の記憶が、置き換えられた2番目に登場した人物の記憶によって干渉を受けるとという、逆向干渉の効果を見出した。Victoria大学のLindsay教授も新しい発見と言い、この原因についてさらに実験を追加して行い、どのような要因がこの干渉に関わるのかを明らかにする研究計画を検討した。当初の計画に関しては、瞬時の知覚から記憶の脳科学研究がメインであったが、現実には基礎的研究が中心となってしまった点があげられる。これは、厳島の担当した瞬時の知覚から記憶形成へというテーマの実験プログラムの開発に時間がかかってしまったこと、そして予備実験に取り掛かるということができたのが粘土を超えてしまったので、脳科学担当へのプログラムの提供が遅れ、また刺激提示機器から脳データ測定の機器への信号のやりとりの準備に時間がかかってしまったことがあげられる。しかし、2017年度に向けての準備がしっかりできたので、そういう意味では総合的に、研究データが産出できる準備が整のったと言える。目撃要因調査の研究ではそれなりの結果も得られ、こちらもあらたな要因(提示方法等)の検討が可能であり、概ね順調と判断した。本年度は、まず、変化盲の実験的研究における成果をヨーロパ心理学会で報告できた。この研究では一瞥のレベルが数秒という条件であるが、変化盲の原因が人物を複数目撃することによって起こる、干渉効果の可能性があることを示した。次に、RSVP課題による実験的検討で、自然シーンの対象認知に対象の事物の機能というカテゴリーがどのような影響を及ぼすのかを検討し、その対象が所属する上位概念よりもより正確かつ速く処理されることを明らかにした。この実験結果は本年度のPsychonomic SocietyもしくはECVPにて発表予定である。またこの課題を使用して、対象の識別や再認、そして機能の同定の脳内メカニズムの検討の未知が開かれたことになる。

また、一瞥の事態における目撃で、比較的照明が乏しい(10から5ルックス程度)条件での、未知人物の目撃実験を行った。これは、未知人物を既知人物と見誤るという可能性のある、現実の事件からヒントを得た実験であった。目撃後の人物識別では、ラインナップに既知人物から構成されるラインナップを用意して識別をおこなったところ(誰を選んでも実は誤りとなる)、41%の参加者が誤って識別を行うという結果であった。しかし、興味深いのは未知人物からも約半数を選んでいて、既知未知の持つ意味がどのような識別での役割を担うのか、極めて難しい解釈となった。この問題は未だ提起されておらず、今後、大きな反響を呼ぶ可能性がある。特にヴィクトリア大学のリンゼイ教授との検討で、教授はさらなる解明の必要性を強調し、共同研究をするとの申し出をしてくれた。さらに、RSVP課題による対象認知の実験から、人間の対象の持つ機能の同定や再認が極めて速くかつ正確に行われる結果を見出した。また、凶器注目効果の生起に関与する要因の検討では、凶器そのものの存在と、文脈の一致不一致、また注意の要因が複合的に関与することを明らかにした。昨年は脳機能研究を担当する東京医科歯科大学の優れた研究分担者の突然の死亡ということがあり、fMRI研究の進行が少々遅れた。しかし、同じ研究室に所属する臼井助教によって、研究の推進が図られることが明らかになり、30年度には厳島グループの用意した実験プログラム2本による実験が可能となった。特にこの2本のプログラムに関しては、一つがRSVP課題であり、対象物の持つ機能に関する実験結果が極めて興味深いことから(実績の概要に記した)、対象の機能の脳内機序を明らかにできる可能性が出てきた。また、人物の目撃では、既知人物は未知人物の目撃に比較して誤りにくいと言われてきている。しかし、実際にそうなのか?例えば短時間の目撃ではどうなのか?前年度はこのテーマにも手を染め、未知人物を目撃しているにもかかわらず、既知人物を識別で選ぶ可能性が決して低くないことを示すデータを得た。この現象がなぜ生じるのかに関する理論的説明は(顔の類似ということでは説明できない。なぜなら短時間提示でしかも照度が認知のために必要なレベルになかったため)今のところ無いと思われる。この重要なテーマに関する継続的な研究が必須である。また、凶器注目現象の生起に関わる要因に関しては、幾つかの重要な説(自動的な処理、注意、文脈一致不一致)があるがこれを解明する必要がある。もちろん現象生起は単一の要因によるのではないかもしれないが、複数の場合の生起機序を明らかにしていく必要がある。本年度は記憶に結びつく、オブジェクトの認識に関する研究が進んだ。
東大寺文書目録・点検記録・写本の基礎的研究

平成30(2018)年度は、東京大学史料編纂所、奈良県立図書情報館、金沢市立玉川図書館近世史料館、東洋文庫等における関係史料の調査と分析・考察を進め、本研究課題の総括を図った。その一部は「『東大寺古文書』と『諸文書部類』ー東大寺文書写本の紹介ー」、「『東大寺古文書』と『諸文書部類』の諸問題」として、学術雑誌に投稿中である。これらは、学界未知の文書を紹介するとともに、両写本が柳原紀光による『続史愚抄』編纂や、東南院文書第1櫃第89巻の現状成立過程を解明する重要な史料であることを指摘する内容である。口頭報告「観世音寺関係文書二題」は、一昨年行った同題の口頭報告を増補・改訂し、末寺観世音寺の掌握に腐心する東大寺の姿、東大寺印蔵保管文書の動態と活用を示す新出文書に検討を加えたもので、現在、活字化を進めている。研究期間全体を通じた課題のうち、平安鎌倉期に作成された東大寺文書目録の基礎的研究については、ほぼ予定通りに、記載文書の比定、データの一覧表化、出納日記と合わせた文書出納の全体像解明を進めることができた。これは、史料学・史料伝来論・東大寺史研究の基礎データとしての価値を有するが、分析の過程で、公験としての東大寺文書の中核たる東南院文書の現状成立過程を考慮する必要が痛感されたため、その検討結果を踏まえての公表を意図している。もう1つの課題、東大寺文書の点検記録・写本の集成と分析のうち、点検記録については、水戸徳川家、加賀前田家による史料採訪事業を中心に考察を加え、学術論文を執筆中である。写本の検討では、特定の文書が書写される傾向を看取することができた。これは、公開する東大寺側の意図と、史料採訪に基づく写本の流布・転写が反映したものと考えられるが、内容未確認の史料もあり、国学者・好古家による知のネットワークの、さらなる考察を組み込んで全体像を提示する予定である。平成28(2016)年度は、まず1214世紀に作成された東大寺文書の目録(文書が引用、列記された問注記等を含む)の基礎的研究を行った。具体的には、記載文書の具体的な比定、論拠を伴った形でのデータの一覧表化、出納日記と合わせた文書出納の全体像の解明等であり、そのために東京大学史料編纂所、宮内庁書陵部、国立国会図書館、国立公文書館(内閣文庫)において、関係史料、写真帳その他の調査を実施するとともに、関係データ・写真版(東南院文書、東大寺成巻文書、寺外流出文書等)・図書を入手・購入し研究に活用した。東大寺文書の点検記録・写本の調査・分析は、次年度に進める予定であったが、調査に際して合わせて対象とする方が効率的であると考えられたので、点検記録・写本の調査を一部、先行して実施し(『集古文書』『大橋長憙草稿』『諸文書部類』等)、成果の一部は、口頭報告「『諸文書部類』に見える東大寺文書」として公表している。その内容は、当該写本が学界未紹介の文書を含み、現状では乱れている文書の対応関係や、柳原紀光による『続史愚抄』編纂、東南院文書第1櫃第8巻、第9巻の現状成立過程の解明に手がかりとなることを指摘するもので、現在成稿中である。また本年度、東京大学史料編纂所の共同研究員を委嘱され、同所の研究資源利用に便宜が与えられたことにより、計画段階では判明しなかった関係史料の存在を確認することができ、それらを含めた分析が可能になった。本研究課題の根底にある史料学、史料伝来論の深化に関わるものとして、「(書評と紹介)佐藤長門編『遣唐使と入唐僧の研究附校訂『入唐五家伝』」、「『入唐五家伝』の基礎的考察・補考」を公表している(前者は掲載誌の編集方針により、科研費使用の文言を入れられなかった)。本年度後半、調査を予定していた東大寺図書館が空調設備工事のため閲覧を停止したことは予想外の事態であったが、近年の修補に際して撮影された成巻文書のデータ入手、東京大学史料編纂所における積極的な調査等の代替手段を講じており、東大寺文書目録の基礎的研究に関しては、さらに考究するため掲載文書の比定や意義付け等について保留した部分があるものの、ほぼ予期した進捗状況である。また、次年度に具体的な調査を予定していた点検記録・写本について、効率性を考え一部、先行して調査を実施している。平成29(2017)年度は、東大寺文書の点検記録・写本を中心に調査・分析を進めた。具体的には、東京大学史料編纂所、国立国会図書館、国文学研究資料館、国立公文書館(内閣文庫)、金沢市立玉川図書館近世史料館、東洋文庫等において、関係史料(『松雲公採集遺編類纂』、『南都有之書物之覚』、『徴古雑抄』、『東大寺古文書』等)の調査・撮影およびデータ・写真版の入手を行った。それらに基づいて、点検記録・写本に記載された文書の具体的比定と分析、水戸徳川家、加賀前田家により行われた史料採訪事業について、両家と東大寺側の史料とを突き合わせながら事実確認の部分から検討し、現存写本との関係等について考察を進めた。それらの一部は、口頭報告「東大寺文書と史料採訪」(2017年度九州史学研究会大会、平成29年)、「観世音寺関係文書二題」(第105回九州史学研究会古代史部会、同年)として公表し、その後の知見を含め雑誌論文を作成中である。

上記の内容に関わる活動として、複製による正倉院文書ワークショップ(国立歴史民俗博物館、同年)に参加して、正倉院文書の精巧な複製を実見し、その特徴に関する知見を深めるとともに、第36回正倉院文書研究会(東大寺総合文化センター、同年)では、研究課題に関わる有益な研究報告に接した。第69回正倉院展(奈良国立博物館、同年)では、東南院文書および正倉院文書の原本熟覧を行い、日本国宝展(京都国立博物館、同年)等においても、出陳された古典籍・古文書等の展観を実施した。また、本年度も度東京大学史料編纂所特定共同研究「平安時代基本典籍・記録類の史料学的再検討」(代表者:山口英男)への参加が認められたことにより、同所架蔵の研究資源活用に便宜が与えられ、関係データの入手、史料学的考察を行う機会を得た。平成29(2017)年度の中心的課題として設定していた、東大寺文書の点検記録・写本の調査、分析に関しては、やや手間取ることが予想されたため、平成28年度から一部先行して実施していた。しかし、研究計画遂行の過程で、豊かな情報量を有する史料が見出されたため、その記載文書の比定、分析に予想以上の時間を要したこと、また江戸期に行われた史料採訪事業との関係を考察する上で、近世史料の読解に時間が必要であったこと、の2点が主な理由である。平成30(2018)年度は、東京大学史料編纂所、奈良県立図書情報館、金沢市立玉川図書館近世史料館、東洋文庫等における関係史料の調査と分析・考察を進め、本研究課題の総括を図った。その一部は「『東大寺古文書』と『諸文書部類』ー東大寺文書写本の紹介ー」、「『東大寺古文書』と『諸文書部類』の諸問題」として、学術雑誌に投稿中である。これらは、学界未知の文書を紹介するとともに、両写本が柳原紀光による『続史愚抄』編纂や、東南院文書第1櫃第89巻の現状成立過程を解明する重要な史料であることを指摘する内容である。口頭報告「観世音寺関係文書二題」は、一昨年行った同題の口頭報告を増補・改訂し、末寺観世音寺の掌握に腐心する東大寺の姿、東大寺印蔵保管文書の動態と活用を示す新出文書に検討を加えたもので、現在、活字化を進めている。研究期間全体を通じた課題のうち、平安鎌倉期に作成された東大寺文書目録の基礎的研究については、ほぼ予定通りに、記載文書の比定、データの一覧表化、出納日記と合わせた文書出納の全体像解明を進めることができた。これは、史料学・史料伝来論・東大寺史研究の基礎データとしての価値を有するが、分析の過程で、公験としての東大寺文書の中核たる東南院文書の現状成立過程を考慮する必要が痛感されたため、その検討結果を踏まえての公表を意図している。もう1つの課題、東大寺文書の点検記録・写本の集成と分析のうち、点検記録については、水戸徳川家、加賀前田家による史料採訪事業を中心に考察を加え、学術論文を執筆中である。写本の検討では、特定の文書が書写される傾向を看取することができた。これは、公開する東大寺側の意図と、史料採訪に基づく写本の流布・転写が反映したものと考えられるが、内容未確認の史料もあり、国学者・好古家による知のネットワークの、さらなる考察を組み込んで全体像を提示する予定である。引き続き研究計画に基づいて、東大寺文書目録・点検記録・写本についての基礎的なデータの集成・分析を実施し、最終的な取りまとめに向けて研究を進めてゆく予定である。本年度の調査を進める中で、古書肆の販売目録中に文書出納日記等が掲載された事例を見出したので、それらへの目配りも怠らないようにしたい。平成30(2018)年度は、当初計画の最終年度にあたるため、前年度までの成果を踏まえ本課題の研究を総括することになる。東大寺文書の点検記録
ウイルス発癌とNF-kappaB

ウイルスが感染した細胞でNF-kappaBが恒常的に活性化される分子メカニズムを解明することで、癌化のしくみを理解するとともに治療標的分子候補を見出すことをめざした。成人T細胞白血病細胞ではNF-kappaBを活性化する細胞リン酸化酵素NIKが翻訳前段階で過剰発現し活性化していること、同様な現象が固形癌である肺癌細胞においても見られること、NIKが有効な治療標的となりうることを報告した。研究代表者は悪性腫瘍における恒常的NF-kappaB活性化をもたらす分子機構として、NFKB2/p100プロセッシングを伴う非定型的NF-kappaB活性化経路が重要であることを、成人T細胞白血病(ATL)由来細胞とHodgkin Reed-Sternberg細胞で示してきた(Nonaka et al.,Oncogene,2005)。さらにその詳細を調べると、ATL由来細胞では原因ウイルス(HTLV-I)発癌タンパク質であるTax発現細胞とは対照的に短時間のarsenite処理ではIKK活性の低下が見られず、逆にタンパク質合成阻害により急速にIKK活性が失われた。しかもATL,細胞ではプロテアソーム阻害剤によりKK活性が著明に上昇した(Miura H.et al.,Exp.Cell Res.,2005)。これらの結果から、ATL細胞ではTaxを発現する細胞とは異なるメカニズムでIKK活性化が起こっており、それは半減期の短い細胞タンパク質により制御されていると考えられた。このメカニズムを解析する目的で、NF-kappaB Inducing Kinase(NIK) NIKの機能を調べ、その活性化によって細胞が悪性形質転換することをつきとめた。その際のIKK活性化機序がATLのそれにきわめて類似していることもわかった。IKKを標的としたATL,治療を目標として、複合体を形成したIKKの活性中心に結合するよう設計されたIKK阻害薬の抗腫瘍効果を、ATL患者末梢血由来細胞株を用いて調べたところ、低濃度で効果的に細胞死を誘導することがわかった。これらの成果を踏まえ、ウイルス性、非ウイルス性悪性腫瘍における恒常的NF-kappaB活性化の全容を明らかにし、がん治療に有効な新たな分子標的を定めることを目標に研究を継続している。1インターフェロンは正常な細胞増殖やアポトーシスを制御しており、悪性腫瘍細胞はこの制御から逸脱すると同時にウイルス感染に対する細胞自然免疫反応をも喪失する。NF-kappaBを活性化し悪性腫瘍で過剰発現していることが報告されているプロリルイソメラーゼPin1によって、インターフェロン産生が抑制されていることを明らかにした。成人T細胞白血病(ATL)細胞をはじめとする悪性腫瘍細胞は殺腫瘍ウイルスである変異Vbsicular StomatitisVirusなどへの感受性が高いことが知られており、Pin1はそのメカニズムの一端を担っている可能性がある。2腫瘍細胞における転写因子NF-kappaBの恒常的活性化機i構を解析し、上流分子NF-kappa Binducing kinase(NIK)の過剰発現を発見した。通常のリガンド結合によるシグナル伝達においては、NIKは蛋白分解の遅延によって活性調節されるのに対して、ウイルス抗原の発現が見られないATL患者末梢血腫瘍細胞およびNF-kappaB活性の高い非ウイルス性悪性腫瘍においては、翻訳よりも前の段階でNIK mRNAが過剰発現していることも見出した。重要なことに、RNA干渉によって癌細胞におけるNIKの発現を抑制するとNF-kappaB依存性転写活性が低下し免疫不全マウスでの腫瘍形成が抑制された。このことは、NIKが悪性腫瘍細胞の増殖を特異的に抑えるための有効な分子標的となりうることを示唆する。3 IkappaB kinase(IKK)に対するRNA干渉法およびIKKのATP結合部位にドッキングするよう設計された新規阻害剤IMD-0354を用いて、ATLおよび膵癌細胞株によるマウスでの腫瘍形成が抑制されることを示し、IKKが有効な分子標的となりうることを実証した。成人T細胞白血病(ATL)細胞やHodgkin Reed-Sternberg(H-RS)細胞における恒常的NF-kappaB活性化の原因解明にNF-kappaB inducing kinase(NIK)を軸に取り組み、NIK活性化のメカニズムを、蛋白、RNA、ゲノムレベルで解析した。具体的にはNIKに関しての、ウェスタン、免疫沈降、定量PCRによる分子生物学的動態解析とFISH法によるゲノムレベルでの異常検出を試みた。その結果、ATLおよびH-RS細胞株ではNIKタンパク質が過剰発現し、NIKのmRNAも高発現していること、とりわけATL患者の末梢血中の腫瘍細胞でもNIKのmRNAの高発現が21例中15例に認められることが明らかとなった。さらに、ラット線維芽細胞株でNIKを発現させNIKの細胞形質転換能を調べたところ、リン酸化酵素活性およびNF-kappaB活性依存性に細胞の足場非依存性増殖を誘導することがわかった。

ATL細胞に見られる恒常的NF-kappaB活性化におけるNIKの重要性を調べるために、ATL細胞株にNIK特異的shRNAを発現させることでNIKタンパク質発現を低下させたところ、NF-kappaB依存的レポーター遺伝子発現が低下し、さらにNF-kappaBにより制御されATL細胞で高発現していることが報告されている内因性遺伝子の発現も低下することが判明した。このような細胞を免疫不全マウスに移植すると、もとのATL細胞に比べて有意に腫瘍形成が抑制されていた。以上の結果は、NIKがATL細胞において恒常的NF-kappaB活性化に重要な役割を果たしていること、NIKがATL、H-RS細胞に対する有効な治療標的になりうることを強く示唆する。高脂血症治療薬として広く使用されているスタチンが、成人T細胞白血病(ATL)細胞に細胞死を誘導することを明らかにした。スタチンはコレステロールの生合成経路であるメバロン酸経路上のHMG-COA還元酵素を阻害することによってfarnesyl pyrophosphate(FPP)とその下流生成物であるコレステロール、Gerahylgeranyl pyrophosphate(GGPP)を減少させる。ATL細胞に細胞死を誘導するのが、転写因子NF-kappaB活性が低下するからではないことをルシフェラーゼアッセイで示し、細胞死誘導がGGPP量低下のためであることをスタチン存在下でGGPPを補えば細胞が生存することで明らかにした。コレステロール前駆体であるスクワレン添加では、細胞死誘導を阻止することはできなかった。さらにFPP、GGPPを標的蛋白質に付加するファルネシル化、ゲラニル化反応を触媒するFPP転移酵素、GGPP転移酵素の阻害剤(それぞれFTI-277、GGTI-298)を用いた実験により、GGPP付加蛋白質がATL細胞の生存に重要であることがわかった。実際、スタチン存在下では代表的GGPP付加標的であるsmall GTPase、Rab5bおよびRacのゲラニル化が抑制されていた。このことは、ATL腫瘍細胞におけるGGPP付加蛋白質の重要性を示すだけでなく、スタチンのATL治療への応用の可能性を示唆するものである。ウイルス感染および非感染癌細胞における恒常的NF-kappaB活性化メカニズムの解明をめざして、ヒトT細胞白血病ウイルス(HTLV-I)Tax発現T細胞株、乳癌、大腸癌および肺癌細胞株を用いた研究を遂行した。TaxをJurkat T細胞株で発現させるとNIKおよびp52発現量が著しく上昇したが、NIK発現をRNA干渉法で低下させても、あるいはNIKの機能喪失変異体発現細胞においても、Taxはp52の発現とNF-kappaB活性化を強く誘導したので、TaxはNIKに依存せず非定型的経路をとおしたNF-kappaB活性化を起こすことが判明した。NIKの発現がmRNAおよび蛋白レベルで上昇しているMDA-MB-231、BT549乳癌細胞、DLD-1、SW480大腸癌細胞、H1299肺癌細胞ではp100からp52へのプロセッシングが亢進し、RelB蛋白質が核内に顕著に存在することが明らかとなった。MDA-MB-235、H1299
虚血・再灌流不整脈の非線形ダイナミクスと心筋細胞死

冠動脈の閉塞に基づく心虚血によって、心筋細胞に対する酸素およびエネルギー基質の供給が低下し、さらに心筋代謝産物の貯留による細胞内環境の変化の結果、心筋細胞は死滅する。虚血による心筋細胞の不可逆的傷害機構を明らかにすることは、臨床的にも病態生理学的にも重要な課題である。従来病理学的には典型的なネクローシスと考えられてきた虚血性心疾患時における心筋細胞死に、能動的細胞死であるアポトーシスが関与していることが心筋梗塞患者の剖検心や虚血・再灌流動物実験モデルにおいて明らかにされてきた。本研究は、虚血・再灌流時における心臓拍動リズムのダイナミクスの変化と心筋細胞死との関連を解析することから、虚血性心疾患に伴う致死性不整脈の発生メカニズムを解明することを目的としている。本研究では、新生ラット心筋細胞の培養系および成ラット・ランゲンドルフ灌流心を実験対象とし、虚血・再灌流に伴う心筋細胞拍動リズムの変化とアポトーシスの誘導機構に関する研究を実施した。その研究成果は、以下の3点にまとめられる。1.新生ラット心筋細胞の培養系において新規タンパク質の合成を阻害すると、心筋細胞の拍動リズムが不安定になり、その後拍動は停止した。拍動停止の後に、細胞体の縮小が起こり、クロマチンの凝縮や粒状断片化を伴ったアポトーシス様心筋細胞死が生じた。その細胞死は、カスパーゼー3の活性化を阻害することで抑制さされた。2.新生ラット心筋細胞の培養系において、低酸素およびグルコース除去(in vitro ischemia)負荷を行った。負荷前には同期して安定な拍動をしていた心筋細胞群は、負荷により同期性を維持したまま拍動周期が延長し、やがて拍動が停止した。再び酸素とグルコースを加える(再灌流)ことによって、拍動リズムはほぼ負荷前の状態に回復した。3.成ラット・ランゲンドルフ灌流心においてGlobal ischemiaを行うと、心臓の拍動周期は徐々に延長し、やがて停止した。再灌流によっては心室細動が生じる場合と、そのままほぼ虚血前の状態に回復する場合とがあった。そして前者の場合には、心筋細胞死とくにTUNEL-positiveであるアポトーシスの存在が推定された。従来病理学的には典型的なネクローシスと考えられてきた虚血性心疾患時における心筋細胞死に、能動的細胞死であるアポトーシスが関与していることが心筋梗塞患者の剖検心や虚血・再潅流動物実験モデルにおいて明らかにされてきた。本研究は、虚血・再潅流時における心臓拍動リズムのダイナミクスの変化と心筋細胞死との関連を解析することから、虚血性心疾患に伴う致死性不整脈の発生メカニズムを解明することを目的としている。本年度は、新生ラット心筋細胞の培養系を実験対象とし、心筋細胞死とくにアポトーシスの誘導機構に関する研究を実施した。

1.培養液から血清を除去することによって、心筋細胞特異的な細胞死が誘導された。その細胞死は、形態学的特徴からアポトーシスとは考えられないが、明らかにネクローシスとも異なっていた。2.新規タンパク質の合成を阻害すると、心筋細胞の拍動リズムが不安定になり、その後拍動は停止した。拍動停止の後に、細胞体の縮小が起こり、クロマチンの凝縮や粒状断片化を伴ったアポトーシス様心筋細胞死が生じた。3.2の細胞死は、カスパーゼ-3の活性化を阻害することで抑制された。現在、以上述べた心筋細胞死のシグナル伝達機構の同定を行っている。冠動脈の閉塞に基づく心虚血によって、心筋細胞に対する酸素およびエネルギー基質の供給が低下し、さらに心筋代謝産物の貯留による細胞内環境の変化の結果、心筋細胞は死滅する。虚血による心筋細胞の不可逆的傷害機構を明らかにすることは、臨床的にも病態生理学的にも重要な課題である。従来病理学的には典型的なネクローシスと考えられてきた虚血性心疾患時における心筋細胞死に、能動的細胞死であるアポトーシスが関与していることが心筋梗塞患者の剖検心や虚血・再灌流動物実験モデルにおいて明らかにされてきた。本研究は、虚血・再灌流時における心臓拍動リズムのダイナミクスの変化と心筋細胞死との関連を解析することから、虚血性心疾患に伴う致死性不整脈の発生メカニズムを解明することを目的としている。本年度は、新生ラット心筋細胞の培養系および成ラット・ランゲンドルフ灌流心を実験対象とし、虚血・再灌流に伴う心筋細胞拍動リズムの変化とアポトーシスの誘導機構に関する研究を実施した。その研究結果は、以下の2点にまとめられる。1.新生ラット心筋細胞の培養系において、低酸素およびグルコース除去(in vitro ischemia)負荷を行った。負荷前には同期して安定な拍動をしていた心筋細胞群は、負荷により同期性を維持したまま拍動周期が延長し、やがて拍動が停止した。再び酸素とグルコースを加える(再灌流)ことによって、拍動リズムはほぼ負荷前の状態に回復した。2.成ラット・ランゲンドルフ灌流心においてGlobal ischemiaを行うと、心臓の拍動周期は徐々に延長し、やがて停止した。再灌流によっては心室細胞が生じる場合と、そのままほぼ虚血前の状態に回復する場合とがあった。そして前者の場合には、心筋細胞死とくにTUNEL-positiveであるアポトーシスの存在が推定された。
VA菌根菌の生長促進物質の探索と人工培養

VA菌根菌は植物と共生しなければ増殖できない絶対共生菌であるため,これまで本菌の人工培養は難しいといわれてきた。しかし,筆者らはバヒアグラス根抽出物の25%メタノール溶出液を用いて,VA菌根菌の単独無菌培養を世界に先駆けて成功した。そこで本研究では,この溶出液に含まれるVA菌根菌の生長促進物質の探索を行うとともに,現在のVA菌根歯の人工培養技術の改良を検討した。さらに,バヒアグラス根内に含まれるVA菌根菌生長促進物質と菌根形成との関係を探るための基礎的調査して,バヒアグラス根における菌根形成の季節的変化についても調査を行った。以下に,調査結果を示す。1.バヒアグラス根抽出物の25%メタノール溶出液から,3種類のVA菌根菌生長促進物質を単離しこのうちの1種類はユ-パリティンと同定した。この物質は,これまでにVA菌根菌の生長促進に効果あると報告されているフラボノイドとは異なるものであった。他の2種類はフラボノイドとは異質のものであり,現在,化学構造を検討中である。2.これまでに開発したVA菌根菌の人工培養を改良するために,培地条件の検討を行った。その結果VA菌根菌の培養に適する基本培地組成を作り上げた。この培地にさまさまの物質を添加し,VA菌根菌の生長に及ぽす影響を調査したところ,アルギン酸オリゴ糖,ポリアミン類,ユ-パリティンおよび未発表の物質は菌糸生長を著しく促進した。特に,未発表の物質,ユ-パリティンなどとの混合で菌糸の生長促進に対して相乗的な効果を示しただけでなく,本菌の休眠胞子の打破などにも顕著な効果を有していた。3.バヒアグラス根における菌根感染率は8月上・中旬をピークに,6月中旬から9月上旬の期間が高く,50%以上の高感染率を示した。本研究で得られた結果は下記に示すとおりである。VA菌根菌の生長促進物質の探索これまでの研究から,2種類の生長促進物質を単離し,そのうちの1種類については構造決定を終えた。この物質はユ-パリテインであり,これまでにVA菌根菌の生長促進に効果があると報告されているフラボノイドとは異なるものであった。他の1種類についてはフラボノイドとは異質のものであり,前述の物質よりはVA菌根菌の生長促進に対する活性が非常に強い。ただし,この物質の構造は現在のところ十分に解明できていないので,今後さらに調査を進める予定である。VA菌根菌の人工培養Gigaspora ramisporophoraというVA菌根菌の人工培養に成功し,その培養菌糸体による数種類の植物への感染性を確認した。この結果は園芸学会雑誌(別冊)で報告した。さらに,これまでの培地を改善し,この菌の人工培養をさらに効率的に行う手法を作り上げた。今後,他のVA菌根菌についても検討を行う予定である。以上,VA菌根菌の生長促進物質や人工培養に関する新しい知見を得ることができた。平成8年度ではさらに残りの課題について検討したいと考えている。本研究から得られた結果はVA菌根菌の生態的・生理的研究をさらに進展させる他,本菌を生かした農業体系(特に環境保全型農業体系)の構築にも大いに貢献できるものと考える。しかし,筆者らはバヒアグラス根抽出物の25%

メタノール溶出液を用いて,VA菌根菌の単独無菌培養を世界に先駆けて成功した。そこで本研究では,この溶出液に含まれるVA菌根菌の生長促進物質の探索を行うとともに,現在のVA菌根菌の人工培養技術の改良を検討した。さらに,バヒアグラス根内に含まれるVA菌根菌生長促進物質と菌根形成との関係を探るための基礎的調査して,バヒアグラス根における菌根形成の季節的変化についても調査を行った。以下に,調査結果を示す。1.バヒアグラス根抽出物の25%メタノール溶出液から,3種類のVA菌根菌生長促進物質を単離し,このうちの1種類はユ-パリティンと同定した。この物質は,これまでにVA菌根菌の生長促進に効果があると報告されているフラボノイドとは異なるものであった。他の2種類はフラボノイドとは異質のものであり,現在,化学構造を検討中である。2.これまでに開発したVA菌根菌の人工培養を改良するために,培地条件の検討を行った。その結果,VA菌根菌の培養に適する基本培地組成を作り上げた。この培地にさまざまの物質を添加し,VA菌根菌の生長に及ぼす影響を調査したところ,アルギン酸オリゴ糖,ポリアミン類,ユ-パリティンおよび未発表の物質は菌糸生長を著しく促進した。特に,未発表の物質は,ユ-パリティンなどとの混合で菌糸の生長促進に対して相乗的な効果を示しただけでなく,本菌の休眠胞子の打破などにも顕著な効果を有していた。3.バヒアグラス根における菌根感染率は8月上・中旬をピークに,6月中旬から9月上旬の期間が高く,50%以上の高感染率を示した。
スピナキュムレーション法による高温超伝導体のスピン緩和の研究

本研究は、スピンアキュムレーション法を用いて高温超伝導体の常伝導状態における伝導キャリアーのスピン緩和率を測定することを目的としたものである。背景には、高温超伝導体の常伝導状態における伝導電子(実際にはホール)のスピン緩和を測定することで局在スピンとの結合に関する情報を直接得られる可能性が大きいことが指摘されながら、一方でその代表的手法である電子スピン共鳴法がほとんど効力を発揮しない(おそらく大きなスピン揺らぎのためと考えらている)という難点があったことがあげられる。2年目の当年度は、高温超伝導体単結晶および金の薄膜をもちいて、実際のスピンアキュムレーション素子を作製・評価することを行なった。まず、試験的に金の薄膜に対して強磁性体(パーマロイを使用)を通してスピン偏極した電子の注入を行なうことを試み、その時点で素子作製における技術的問題を抽出した。特に問題になったのは強磁性体電極と金薄膜の接触抵抗値を小さくすることで、電極作製プロセスの改善をこの段階で行ない数十オーム程度にまで減少させることに成功した。引き続き高温超伝導体のスピンアキュムレーション素子の作製に取り掛かった。FZ法で作製したBi_2Sr_2CaCu_2O_8超伝導体が劈開により清浄表面が得られ易いのでこれを対象とした。しかし、金の場合と異なり酸化物超伝導体と合金の強磁性体電極間の接触抵抗を下げるのには困難を極めた。最終的には湿式プロセスを放棄し、完全に乾式プロセスに移行することで接触抵抗の低減を実現した。そのようにして作製した素子でスピン注入・検出の実験を行なったところ、常伝導状態のスピン緩和距離は1ミクロンを下回る程度まで小さく、乾式プロセスで作製できる電極間距離(10ミクロン以上)ではスピン検出が不可能であることがわかった。一方で超伝導状態になると信号の検出が可能になり、これはスピン偏極した準粒子のスピン緩和の状態を観測していることが判明した。信号には超伝導ギャップの大きさとスピン緩和の両方の温度変化が影響するが、その予想を違わぬ形の温度変化を示す信号が検出され、超伝導転移温度近傍での準粒子のスピン緩和距離は、数百ミクロン以上に及ぶという結果を導くにいたった。これは高温超伝導体で強磁性体経由で超伝導に注入された準粒子が実際にスピン偏極していることを初めて実験的に確認したものであり、今後の高温超伝導体ににおけるスピン緩和の様子を調べる有力な手段足り得る事を世界に先駆けて示したものである。背景には、高温超伝導体の常伝導状態における伝導電子(実際にはホール)のスピン緩和を測定することで局在スピンとの結合に関する情報を直接得られる可能性が大きいことが指摘されながら、一方でその代表的手法である電子スピン共鳴法がほとんど効力を発揮しない(おそらく大きなスピン揺らぎのためと考えられている)という難点があったことがあげられる。本年は、スピンアキュムレーションを行うための実験装置の組み立てと測定用ソフトウェアの開発を行ない、テストとして従来金属材料を用いたスピンアキュムレーション用素子を作製し基礎データを採取した。まず微小抵抗測定用にもっとも優れた感度を持つレジスタンスブリッジを使った4端子法抵抗測定システムを組み立てた。このシステムはサブμΩの測定も可能なように設計した。同時に、データ採取用にWindows95上で専用プログラムを開発した。また並行してフロー型クライオスタットと常伝導磁石による試料冷却システムを構築した。これを用いて評価・テスト用素子として作製した金を2種類のパ-マロイ合金でサンドイッチした構造の素子により金のスピン緩和に関する基礎データを採取し、パ-マロイの磁区反転に伴う抵抗変化を確認するとともに、測定系の感度が実際にサブμΩオーダーであることの確認も行った。これらの結果は初年度としては満足にいくものである。この結果をもとに2年目にあたる平成10年度は、高温超伝導体に同様の素子構造を作製してスピン緩和測定を実行する計画である。

そのようにして作製した素子でスピン注入・検出の実験を行なったところ、常伝導状態のスピン緩和距離は1ミクロンを下回る程度まで小さく、乾式プロセスで作製できる電極間距離(10ミクロン以上)ではスピン検出が不可能であることがわかった。一方で超伝導状態になると信号の検出が可能になり、これはスピン偏極した準粒子のスピン緩和の状態を観測していることが判明した。信号には超伝導ギャップの大きさとスピン緩和の両方の温度変化が影響するが、その予想を違わぬ形の温度変化を示す信号が検出され、超伝導転移温度近傍での準粒子のスピン緩和距離は、数百ミクロン以上に及ぶという結果を導くにいたった。これは高温超伝導体で強磁性体経由で超伝導に注入された準粒子が実際にスピン偏極していることを初めて実験的に確認したものであり、今後の高温超伝導体ににおけるスピン緩和の様子を調べる有力な手段足り得る事を世界に先駆けて示したものである。
すべてのオワンクラゲ由来蛍光タンパク質に共通する蛍光寿命と発色団周辺構造の相関

研究代表者はこれまでに、黄色蛍光タンパク質eYFPのY145変異体計20種類を作製し、時間分解蛍光測定によりその蛍光寿命を測定した。その結果、Y145変異体の蛍光寿命は、アミノ酸一つの違いで3.4 nsから82 psまで大きく変化し、145番アミノ酸側鎖体積が小さくなるほど蛍光寿命が短くなる、つまり光らなくなることを明らかにした。本申請課題では、eYFP Y145変異体の蛍光寿命の変化の起源を明らかにし、それを土台としてオワンクラゲ由来蛍光タンパク質に共通する性質を見出すことを目的とする。これまでに、eYFP野生型とその13種類の変異体(Y145D、Y145F、Y145G、Y145M、Y145Q、Y145T、Y145V、Y145W、Y145C、Y145E、Y145H、Y145L、Y145N)の結晶構造を決定した。得られた構造の比較から、Y145側鎖体積が小さい変異体では、発色団とY203(発色団とパイスタッキングすることでYFPの黄色シフトをもたらすアミノ酸)との距離が長くなっていることが明らかになった。そこで平成30年度は、これまでの知見をもとに発色団周辺のアミノ酸に変異を入れることで、戦略的に短寿命の変異体や長寿命の変異体を作製することを試みた。その結果、短寿命のeYFP Y145GにI167Y変異を入れることで長寿命化することに成功した。変異体作製、蛍光寿命測定、結晶構造解析を組み合わせることにより、eYFP Y145変異体の蛍光寿命は、発色団周辺の空隙の大きさによって変化することが明らかになった。得られた知見をもとに戦略的な蛍光タンパク質の創出にも成功したことで、当初の計画以上に進展していると考えている。引き続き構造未決定のeYFP Y145変異体の結晶化と構造解析を進める。その他の色の蛍光タンパク質については、必要に応じて結晶構造解析を行い、eYFPとは異なる体積依存性の起源を明らかにする。申請者はこれまでに、黄色蛍光タンパク質eYFPのY145変異体計20種類を作製し、時間分解蛍光測定によりその蛍光寿命を測定した。これまでに得られた結果を以下に示す。・eYFPとそのY145変異体の結晶構造解析上記計20種類の結晶化とX線結晶構造解析を行い、得られた構造からY145変異による寿命の変化の起源となる構造変化を見出す。平成29年度には、eYFP野生型とその13種類の変異体(Y145D、Y145F、Y145G、Y145M、Y145Q、Y145T、Y145V、Y145W、Y145C、Y145E、Y145H、Y145L、Y145N)の結晶構造を決定した。・「より光る」または「より光らない」新規蛍光タンパク質の予測・作製他の色のオワンクラゲ由来蛍光タンパク質、eBFP、eCFP、eGFPのY145変異体を作製し、その蛍光寿命を測定した。これらの変異体の蛍光寿命の側鎖体積依存性は、eYFPのそれとは異なる場合があることが明らかになった。eYFPとそのY145変異体の結晶構造解析は、当初の計画以上に進展している。アミノ酸一つの違いにもかかわらず同じ条件では結晶化しないが、類似の条件で結晶が得られることが分かってきたためである。その他の色のオワンクラゲ由来蛍光タンパク質、eBFP、eCFP、eGFPのY145変異体の作製も順調に行うことができた。

得られた構造の比較から、Y145側鎖体積が小さい変異体では、発色団とY203(発色団とパイスタッキングすることでYFPの黄色シフトをもたらすアミノ酸)との距離が長くなっていることが明らかになった。そこで平成30年度は、これまでの知見をもとに発色団周辺のアミノ酸に変異を入れることで、戦略的に短寿命の変異体や長寿命の変異体を作製することを試みた。その結果、短寿命のeYFP Y145GにI167Y変異を入れることで長寿命化することに成功した。変異体作製、蛍光寿命測定、結晶構造解析を組み合わせることにより、eYFP Y145変異体の蛍光寿命は、発色団周辺の空隙の大きさによって変化することが明らかになった。得られた知見をもとに戦略的な蛍光タンパク質の創出にも成功したことで、当初の計画以上に進展していると考えている。引き続き構造未決定のeYFP Y145変異体の結晶化と構造解析を進める。また、得られた知見を基に、まずeYFPについて最小限の変異で「より光る」または「より光らない」変異を予測し、変異体を作製する。作製した変異体の評価は、蛍光寿命測定と結晶構造解析によって行う。その他の色の蛍光タンパク質については、必要に応じて結晶構造解析を行い、eYFPとは異なる体積依存性の起源を明らかにする。タンパク質作製に必要な試薬やプラスチック製品などの消耗品購入に使用する予定である。平成30年度は変異体の作製等か効率的に行えたため、当初の予定よりも消耗品の使用を減らすことができたために次年度使用額が生じた。次年度使用額は結晶構造作製のための消耗品の購入に充てる予定である。
眼内血管新生病変におけるチミジンホスホリラーゼの発現とその阻害剤による治療

チミジンホスホリラーゼ(TP)の活性は正常組織に比べて癌組織中で亢進する。本研究では増殖糖尿病網膜症における増殖組織中でのTPの発現について、硝子体手術の際に摘出された増殖膜を用いてTPを免疫組織化学的に検討し、臨床所見との関連を検索した。その結果、TPは活動性の高い症例の増殖膜で発現しており、増殖糖尿病網膜症の血管新生に関わっている可能性が示された。チミジンホスホリラーゼ(TP)は、核酸代謝酵素のひとつで、その活性は正常組織に比べて癌組織中で亢進し、また血小板由来血管内皮増殖因子と同一タンパクであることが報告されている。また、眼内血管新生病変のひとつである脈絡膜新生血管においても、摘本出標本でその存在が確認され、特にマクロファージと血管内皮細胞で強く発現するという結果が得られている。本研究では、増殖糖尿病網膜症における増殖組織中でのTPの発現について、硝子体手術の際に摘出された増殖膜を用いてTPを免疫組織化学的に検討した。対象は増殖糖尿病網膜症の7例7眼(男性4例、女性3例)、年齢は43歳5ヶ月から59歳5ヶ月で平均年齢は52歳3ヶ月であった。摘出した検体を10%ホルマリン液にて固定し、パラフィンブロックとし、厚さ3μMにて薄切標本を作製し、免疫組織化学染色およびヘマトキシリンエオジン染色を行った。抗チミジンホスホリラーゼ抗体を用いた免疫染色では7症例中5例(71.4%)にTPの発現が認められた。TP発現細胞率は、0%から30%まであり平均は13.6%であった。これらより、TPは眼内血管新生病変において、脈絡膜新生血管だけでなく増殖糖尿病網膜症の血管新生にも関わっている可能性が示された。またTPに対する阻害薬が増殖糖尿病網膜症に対する治療薬となる可能性も示された。網膜静脈分枝閉塞症など他の新生血管病変についても、免疫組織学的検討が進行中である。一方、実験的に虚血網膜症モデルラットを作成し、その新生血管病変についても同様の検討を行っている。チミジンホスホリラーゼ(TP)の活性は正常組織に比べて癌組織中で亢進し、また血小板由来血管内皮増殖因子と同一タンパクであることが報告されている。本研究では、増殖糖尿病網膜症における増殖組織中でのTPの発現について、硝子体手術の際に摘出された増殖膜を用いてTPを免疫組織化学的に検討し、臨床所見との関連を検索した。症例は7例7眼(男性4例、女性3例)、年齢は43歳5ヶ月から59歳5ヶ月で平均年齢は52歳3ヶ月であった。発現率が20%以上の症例をA群(3例)、それより少ない物をB群(4例)とし、眼底出血、術後視力の改善度、増殖膜の線維化率について比較検討した。眼底が透見できない様な強い硝子体出血を伴う症例は、A群2例(67%)、B群1例(25%)に認められた。術後1ヶ月時点で術前より2段階以上の視力改善を認めた症例は、A群3例(100%)、B群1例(25%)に認められた。また増殖膜の線維化率の平均値は、A群50%、B群80%で優位差を認めた(P≦0.05)。これらより、TPは強い硝子体出血を伴う活動性の高い症例の増殖膜に発現し、硝子体手術を行っても視力の改善が見込めないほど病態が進行した症例の増殖膜は線維化が進んでおり、TPの発現もほとんど認められない事が分かった。これらよりTPが増殖糖尿病網膜症の血管新生に関わっている可能性が示され、またTPに対する阻害薬が増殖糖尿病網膜症に対する治療薬となる可能性も示された。
1nmスケールネオシリコン量子情報デバイス創製に向けたマルチスケール設計・解析

密度汎関数法第一原理シミュレーションSIESTAとGAUSSIANO3、および非平衡グリーン関数法による量子輸送計算シミュレーションTranSIESTA-Cを駆使して、シリコンナノ構造(ナノドット・ナノロッド)を有する量子ナノデバイスの電子状態・輸送特性の設計・解析を推進した。シリコンナノドット素子については、直径1nm近傍で安定結晶構造として見出された正二十面体の量子ドット構造を基本ユニットとし、量子ドット2個を強く結合させた構造を形成し、電荷量子ビットとしての基本特性を評価した。その結果、単一量子ドットのLUMO軌道をベースにして、2重量子ドット内に形成される結合・反結合軌道間のエネルギーギャップは、2つの量子ドット間の距離と配向に依存するため、原子インターコネクトにより量子ドットの相対的位置を固定することが必要であることがわかった。また、2重量子ドットの結合軸と平行に外部電界を印加すると、ナノスケールでのシュタルク効果により、エネルギーギャップを外部から変調することが可能であることを見出した。更に、この量子ビット近傍にナノ電極を配置した系でのシミュレーションに成功し、ナノ電極と量子ビット間の相互作用が2準位の形成に与える影響を初めて明らかにした。また、シリコンナノロッド素子については、水素終端されたナノロッドを金ナノ電極(111)に結合させたトランジスタ構造において、ナノロッドと電極界面の状態が、透過係数、状態密度、I-V特性等、量子輸送特性に与える影響を初めて評価した。その結果、電子の透過係数スペクトルは、ロッド/電極界面が、シリコン原子と金原子の直接的結合である場合と、水素原子を介した間接的結合である場合で異なり、その差はナノロッドの長さが短くなると、より顕著になることが見出された。LCAO(原子軌道の線型結合)をベースとした密度汎関数法第一原理計算SIESTAを用いて、シリコンナノ構造(ナノドット・ナノロッド)の電子状態設計・解析技術の構築を行った。単体のシリコンナノドットについては、直径サブ3nmの領域で表面を水素終端したナノドットの電子状態の解析を行い、直径1nm近傍での4種類の安定結晶構造を見出すとともに、それぞれの構造で、量子サイズ効果によるバンドギャップの直径依存性が異なることを見いだした。特に正二十面体構造に関しては構造の対称性が高く、マクロ原子のような離散的エネルギー構造を示すことを明らかにした。次に、このシリコンナノドット2個の結合系を利用して、量子コンピュータの基本構成単位である量子ビットを構成する可能性を検討した。上述の正二十面体シリコンナノドットの2結合系の電子状態の計算を行い、初めてドット間の相互干渉による準分子状態の観測に成功した。また結合状態-反結合状態間エネルギー差が、ドット間距離、またその相対的な位置関係に大きく依存し、ドット間を酸素原子などで架橋することで、より大きな分離がおこることを見出した。また、シリコンナノロッド素子については、ナノロッドをチャネルとする極限構造シリコントランジスタの電気特性を予測・解析するため、SIESTAと非平衡グリーン関数法による量子輸送計算を組み合わせたTranSIESTAを導入し、金ナノ電極(111)に水素終端されたナノロッドが挟まれた素子構造での透過係数、状態密度、I-V特性等、量子輸送特性を評価した。その結果、ナノロッドの長さが1nm以下になると、系全体が半導体的性質から金属的性質を強めることを示唆する結果が得られた。また、ナノロッドトランジスタの3端子電気特性を初めて計算し、アンビポーラ的な振る舞いを予測することに成功した。密度汎関数法第一原理シミュレーションSIESTAとGAUSSIAN03、および非平衡グリーン関数法による量子輸送計算シミュレーションTranSIESTA-Cを駆使して、シリコンナノ構造(ナノドット・ナノロッド)を有する量子ナノデバイスの電子状態・輸送特性の設計・解析を推進した。

その結果、単一量子ドットのLUMO軌道をベースにして、2重量子ドット内に形成される結合・反結合軌道間のエネルギーギャップは、2つの量子ドット間の距離と配向に依存するため、原子インターコネクトにより量子ドットの相対的位置を固定することが必要であることがわかった。また、2重量子ドットの結合軸と平行に外部電界を印加すると、ナノスケールでのシュタルク効果により、エネルギーギャップを外部から変調することが可能であることを見出した。更に、この量子ビット近傍にナノ電極を配置した系でのシミュレーションに成功し、ナノ電極と量子ビット間の相互作用が2準位の形成に与える影響を初めて明らかにした。また、シリコンナノロッド素子については、水素終端されたナノロッドを金ナノ電極(111)に結合させたトランジスタ構造において、ナノロッドと電極界面の状態が、透過係数、状態密度、I-V特性等、量子輸送特性に与える影響を初めて評価した。その結果、電子の透過係数スペクトルは、ロッド/電極界面が、シリコン原子と金原子の直接的結合である場合と、水素原子を介した間接的結合である場合で異なり、その差はナノロッドの長さが短くなると、より顕著になることが見出された。