hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
個人への対応に配慮した身体運動の力学的評価と身体運動支援機器の設計

これらの研究成果は、個人に適合する車いすを処方するリハビリテーションセンターなどの臨床の場で有効である。歩行動作、起立・着席動作などをシミュレーションするために、下肢の剛体リンクモデルを個人ごとに定める方法について検討し、それに対応した計測システムを製作した。被験者を用いた実験では、膝関節と股関節の2自由度までの運動方程式中のパラメータを高い精度で同定することに成功した。すでに成功していた平地歩行のシミュレーションに加えて、段差昇降のシミュレーションが行えるように、感覚系などからの上位指令を模擬した機構をシミュレータに組み入れた。シミュレーション結果を実験値と比較したところ、床反力の変動傾向は一致した。また、転倒のシミュレーションが可能となるように姿勢のフィードバックの影響や神経伝達遅れに配慮した修正を検討した。実験が困難な転倒のシミュレーションが一部可能となり、転倒防止のための対策につなげていく準備が整った。伝達遅れについては、人の伝達遅れに近いもので歩行が可能であることを確認した。人の身体運動における加齢特性をまとめ、図書として出版した(ハンドブックの分担執筆)。身体運動を支援する機器の設計開発に利用できる。身体筋骨格系に対応した筋類似のアクチュエータを付着させた剛体リンクモデルを用いた身体運動の力学的評価とその評価に基づいた身体運動支援機器の設計について研究した。車椅子を個人に適合させる問題では、対象者の発生可能関節トルクや体節の寸法を対象者に合わせたリンクモデルを構築し、車椅子駆動の実測値に基づいて駆動フォームや対象者に適合する車椅子の寸法などを数理計画的に割り出す方法を提案し、実験によってその有効性を確認した。3次元の股義足歩行のシミュレータを開発し、関節角や床反力の実測値と比較することによって、このシミュレータを用いて股義足を設計することが可能なことを確認した。肩関節亜脱臼の治療に機能的電気刺激を用いることを提案し、肩の筋骨格モデルによるシミュレーションを用いて、実際の治療が可能であることを確認した。これは、実際に電気刺激装置を埋め込んだ患者の実験と比較されシミュレーションが同様の治療の事前予測に有効であることがわかった。立位における姿勢安定性を定量的に評価することを目的に、この安定性に関与すると思われる生体内要素を組み込んだモデルを提案した。このモデルを用いた安定化メカニズムの評価は今後の課題である。姿勢安定化に重要な役割を果たす前庭系のモデルを個人の動作を予測できるようにする研究を行った。GAを用いたパラメータ探索によって、個人ごとにその前庭動眼反射を精度よく予測するモデルが得られた。これは、前庭系への関与が考えられる脳の高次機能に対する負荷(メンタルワークロード)を評価する際に利用することができることを実験的に確かめた。本研究によって、身体運動の評価と身体運動支援機器の設計にモデルベースアプローチが有効であることが確認でき、本研究では開発した種々のモデルを活用して人間の支援を行う機器を設計していく基礎が確立できた。
オステオネットワーク獲得機構の解明を目指した挑戦的研究

脊椎動物の進化に伴うオステオネットワークの獲得機構の解明を目指して種々の研究を行い、以下の研究成果を得た。1)真骨魚類の骨では骨細胞を有しないもの(無細胞性骨)と骨細胞を有するもの(細胞性骨)があり、細胞性骨でも骨細管系の発達は非常に悪かったが、両生類、爬虫類、哺乳類の骨では全ての種でよく発達した骨細胞・骨細管系が存在していた。2)ラットの骨組織はカルシウムの貯蔵庫としての機能を獲得しているが、カエルの骨ではそのような機能を獲得していないことを示唆する所見を得た。1)ラット骨組織のカルシウム貯蔵庫としての機能の解析ラットを低カルシウム食で飼育し、カルシウム欠乏状態にすると大腿骨遠心部の海綿骨(軟骨内骨化部)が急速に減少することをマイクロCTで確認した。また、ラットを低カルシウム食で飼育し、大腿骨の海綿骨と皮質骨及び頭頂骨の骨量減少の経時的変化をマイクロCTと組織学検索により解析し、カルシウム欠乏の状態ではこれらの骨の中で海綿骨における骨量減少が皮質骨に比べて早期に出現する傾向を確認できた。2)カエル骨組織のカルシウム貯蔵庫としての機能の解析アフリカツメガエルは生涯水中で生活する水生ガエルであるが、ウシガエルなどは水中と陸上の両方で生活する陸生ガエルである。陸生ガエルでは、耳のリンパ嚢(我々の耳石が入っている部に相当)が脊椎に沿って尾部まで延長し、傍脊椎石灰嚢(paravertebral lime sac: PVLS)を形成しており、PVSLは炭酸カルシウムからなる石灰化物を含んでいる。哺乳類は炭酸カルシウムを生理的に利用することができないが、カエルでは生理的に炭酸カルシウムを利用できるために、PVLSが陸生ガエルのカルシウム貯蔵庫ではないかと考えられている。この考えはカエルのカルシトニン分泌器官である後鰓体を除去するとPVLSの石灰化物が減少し、血清カルシム値が上昇する現象により支持されている(Yaoi Y, et al. Endocrinology 144:3287,2003)。本研究では、このような陸生ガエルの特性を生かし、成長ウシガエルを用いて以下の実験を行った。その結果、後鰓体除去群、後鰓体除去群+カルシトニン投与群、擬似手術群、擬似手術+カルシトニン投与群の4群のカエルの大腿骨内骨膜面の骨吸収窩を走査電子顕微鏡で解析した所、各群間で明瞭な骨吸収窩の差異は確認できなかった。本申請者は骨格を全身臓器・組織との関連の中で捉えなおす新機軸として「オステオネットワーク」という概念を提唱し、現在「オステオネットワークの維持・破綻機構」を解析している。脊椎動物は、進化の過程のその時々で生存に必要なオステオネットワークを構築し、様々な環境に適応した骨格を獲得してきたと考えられる。我々は、種々の脊椎動物の骨の形態学的解析により、陸生動物にみられる軟骨内骨化部は脊椎動物が上陸時に獲得した特有な構造で、カルシウム貯蔵庫として機能を担っているという仮説を立案した。本研究では、カエル、ラット、マウスの骨組織を用いた実験により、我々の仮説を検証し、「オステオネットワークの獲得・維持・破綻」という一連の統合研究へと発展させ、骨代謝研究の新たな潮流を創成することを目的とする。本研究では「オステオネットワーク獲得機構」を解明するための一環として、脊椎動物の骨組織が進化の過程でどのようにしてカルシウム貯蔵庫の機能を獲得してきたかを解析した。我々が哺乳類の骨組織で重要なカルシウム貯蔵庫と考えている軟骨内骨化部の動態をカルシウム欠乏ラットを用いて解析する。魚類、カエルでは爬虫類、哺乳類にみられる軟骨内骨化部がみられないので、水生動物の骨はカルシウム貯蔵庫の機能を獲得していないと推測できる。この点に関して、カエルの後鰓体(カエルのカルシトニン分泌器官)除去実験などの準備を行った。また、軟骨内骨化におけうrHedgehog遺伝子の役割を再検討した。カエルの飼育場所を検討するのに意外に時間がかかった。そのため、後鰓体(カエルのカルシトニン分泌器官)除去実験や遺伝子改変動物の作成に時間がかかっている。カエルの飼育場所を十分に検討し、後鰓体除去実験や遺伝子改変動物の作成を推進する。実験動物、標本作製用器具・試薬、遺伝子解析用試薬、旅費等。
高分子ナノセルラーフォームの気泡核生成メカニズムと超気泡性核剤の研究開発

超臨界二酸化炭素を発泡剤として活用し、気泡密度を10^15/cm^3以上で、数十ナノスケールのサイズの多孔構造をもった高分子発泡材料(ナノセルラーフォーム)を創製することを目指した。気泡が作るセル構造の最小化ならびに高密度化の基本手法として、1)ブレンド高分子のモルフォロジーをテンプレート利用したナノ発泡、2)起泡能力の高い核剤の開発、3)レーザーなどの外部からのエネルギー注入による気泡核生成の制御技術の観点からのアプローチを検討した超臨界二酸化炭素を発泡剤として活用し、気泡密度を10^15/cm^3以上で、数十ナノスケールのサイズの多孔構造をもった高分子発泡材料(ナノセルラーフォーム)を創製することを目指した。気泡が作るセル構造の最小化ならびに高密度化の基本手法として、1)ブレンド高分子のモルフォロジーをテンプレート利用したナノ発泡、2)起泡能力の高い核剤の開発、3)レーザーなどの外部からのエネルギー注入による気泡核生成の制御技術の観点からのアプローチを検討したナノ発泡体を作製するための原理として、ポリマーブレンドの海島構造のモルフォロジーを鋳型として、島に発泡剤の溶解度が海よりも高く、かつ海よりも粘弾性が低いポリマーを用意し、島に気泡の生成を優先的におこし、成長は、島を囲む海の粘弾性の高さにより押さえ込むという機構を考案し、実験により実証した。具体的には、PS-PMMAをナノブレンドし発泡することが、MMA:PSの重量比(1:1および1:2)において再現性をもって可能になった。PSとMMAをオートクレーブ内で加圧下で重合させる方法を開発し、均質なナノブレンドPS-PMMAを際限よく作製できた。さらにPP/PERブレンドなどオレフィン系とラバーのブレンドに研究を拡張しオレフィン系のナノ・マイクロ発泡体を創製することができた。一方、気泡核剤の研究は、静電紡糸法とゾルゲル法を融合して、サブミクロンの中空のファイバーならびにTiO2のシェルをもつナノ・マイクロサイズの中空粒子を作製し、中空粒子・ファイバーを核剤に使った発泡実験を計画した。本年は、水溶性樹脂のPVAと水の高分子溶液をTTIP中に射出して、加水分解を誘起し、TiO2のシェルファイバーを作製することに成功した。気泡が作るセル構造の最小化ならびに高密度化の基本手法として、1)ブレンド高分子のモルフォロジーをテンプレート利用したナノ発泡、2)起泡能力の高い核剤の開発、3)レーザーなどの外部からのエネルギー注入による気泡核生成の制御技術の観点からのアプローチを検討した。高分子ブレンドあるいはブロックポリマーが作り出すモルフォロジーをテンプレートとし、ナノスケールに分散したポリマー相に気泡の生成を選択的に誘起し、マトリックス相と分散相の粘弾性の差を活かして気泡の成長を抑制制御することでナノセルラーフォームを創成する概念を提示した。その概念をPP/PERならびにPP/HSBRなどの高分子ブレンド樹脂で実証した。また、このテンプレート利用したナノセルラーフォーム作成法を多成分ブレンド系に拡張し、様々な発泡セル構造が実現できることを示した。発泡核剤の研究については、酸化チタンの中空のナノファイバーを静電紡糸法により作成し、機械的強度の向上もかねて発泡核剤とする手法ならびに、1)の研究の成果の応用として、発泡剤である二酸化炭素とマトリックスポリマーに非相溶であるが分散性が高いポリマーを発泡核剤とすることを考案した。また、外部エネルギー注入による新しい発泡法として、レーザー照射による方法と紫外線照射によるUV硬化樹脂の発泡法を考案した。
レチノイン酸支配下の新しい成長因子ミッドカイン(MK)の研究

MKのジスルフィド結合の位置を次のように決定した:C12-C36,C20-C45,C27-C49,C54-C91,C69-C101。この結果、MKは-S-S-結合で結ばれた2つのドメインから成ることが分かった。マウスMK遺伝子(MK2mRNAタイプ)の上流2kbをCAT遺伝子に結びF9細胞に導入したところ、レチノイン酸処理により、CATの発現誘導が起った。上流2kbの中にレチノイン酸応答性のエンハンサーを見出し、そのコア配列を決定した。コア配列はレチノイン酸レセプターの結合配列と高いホモロジーを示し、実際、レチノイン酸レセプターのヘテロダイマー(RXR・RAR)と結合した。RXRあるいはRARのホモダイマーは結合しなかった。MKは10ng/mlの濃度で、マウス胚の後根神経節と脊髄の神経細胞、そしてマウス胚の中脳のドーパミン作動性神経細胞の生存を促進した。コリンアセチルトランスフェラーゼの活性も増大した。また、マウス胚の上皮細胞の増殖を促進した。なお、アフィニティー精製抗MK抗体を用いてMKの分布をマウス胚で調べ、脳、四肢、あご、骨、消化管上皮に強い発現を認めた。MKがプロテオグリカンであるシンデカン、さらに核タンパク質であるヌクレオリンと結合することを見出した。また、アフィニティークロスリンク法で、85KのMKレセプターと思われる細胞膜タンパク質を見出した。多くのヒト癌でMKの発現が増大する。ことに、ウィルムス腫瘍で6例の手術検体すべてについてMKの発現増大が起った。肝臓がん、食道がん、膵臓がんでもMKの発現増大は顕著であった。アルツハイマー病の患者脳の老人斑も例外なくMKを発現していた。正常脳はMK陰性であった。ラットの実験的脳梗塞に於て、MKが浮腫部分に一過性に、早期に発現した。以上のようにMKはレチノイン酸支配下の重要な成長因子で、ヒト疾患との関連も興味深い。MKタンパク質のトリプシン断片をHPLCにより分別した。この時蛍光標識法を用い、分光蛍光HPLCモニターが有用であった。さらに、ルードウィッヒ癌研究所の丸田博士と共同でペプチドを質量分析計によって同定した。この結果、MKの-S-S-結合の位置を決定できた。MKは-S-S-に結ばれた、2つの独立のドメインから成り、それぞれのドメインには、アミノ酸配列から考えると4本のβシート構造が存在すると予想できる。MK遺伝子を導入したトランスジェニックマウスについては作成中であり、なお検討を要するが、MK遺伝子の上流2kbをβ-ガラクトシダーゼ遺伝子につないだ合成遺伝子を導入したトランスジェニックマウスは作成した。β-ガラクトシダーゼの発現状況から、上流2kbがMK遺伝子の発生に伴う発現パターンの変化を司るのにほぼ十分であることが判明した。この2kbおよびその断片をCAT遺伝子につないでテラトカルシノーマ幹細胞F9に導入したところ、転写用始点より上流900ベースの近傍200ベースの所に、最も重要なレチノイン酸応答部位が存在することが明らかになった。I^<125>標識MKを用いたクロスリンク実験により、分子量8万の細胞膜タンパク質がMKレセプターの候補として浮び上がった。MKはウィルムス腫瘍をはじめとする多くのヒト癌に発現していた。

培養ウィルムス腫瘍細胞の増殖を抗MKが阻害することから、MKはウィルムス腫瘍の増殖にかかわる内在性の因子と考えられる。なお、抗MK抗体はMKをウサギに免役して得た抗血清からMKをリガンドとするアフィニティークロマトグラフィーで精製した。Pleiotrophin(別名HB-GAM)とは50%のホモロジーを持つにもかかわらず、抗MK抗体はpleiotrophinとは反応しなかった。抗MK抗体はアルツハイマー病患者の脳の老人性プラークを特異的に染色し、MKと脳変性疾患との関連も浮び上がった。MKのジスルフィド結合の位置を次のように決定した:C12-C36,C20-C45,C27-C49,C54-C91,C69-C101。この結果、MKは-S-S-結合で結ばれた2つのドメインから成ることが分かった。マウスMK遺伝子(MK2mRNAタイプ)の上流2kbをCAT遺伝子に結びF9細胞に導入したところ、レチノイン酸処理により、CATの発現誘導が起った。上流2kbの中にレチノイン酸応答性のエンハンサーを見出し、そのコア配列を決定した。コア配列はレチノイン酸レセプターの結合配列と高いホモロジーを示し、実際、レチノイン酸レセプターのヘテロダイマー(RXR・RAR)と結合した。RXRあるいはRARのホモダイマーは結合しなかった。MKは10ng/mlの濃度で、マウス胚の後根神経節と脊髄の神経細胞、そしてマウス胚の中脳のドーパミン作動性神経細胞の生存を促進した。コリンアセチルトランスフェラーゼの活性も増大した。また、マウス胚の上皮細胞の増殖を促進した。なお、アフィニティー精製抗MK抗体を用いてMKの分布をマウス胚で調べ、脳、四肢、あご、骨、消化管上皮に強い発現を認めた。MKがプロテオグリカンであるシンデカン、さらに核タンパク質であるヌクレオリンと結合することを見出した。また、アフィニティークロスリンク法で、85KのMKレセプターと思われる細胞膜タンパク質を見出した。多くのヒト癌でMKの発現が増大する。ことに、ウィルムス腫瘍で6例の手術検体すべてについてMKの発現増大が起こった。肝臓がん、食道がん、膵臓がんでもMKの発現増大は顕著であった。アルツハイマー病の患者脳の老人班も例外なくMKを発現していた。正常脳はMK陰性であった。ラットの実験的脳梗塞に於て、MKが浮腫部分に一過性に、早期に発現した。以上のようにMKはレチノイン酸支配下の重要な成長因子で、ヒト疾患との関連も興味深い。
バゾプレシンの中枢神経作用に関する研究

ストレスによりバゾプッシン(AVP)の下垂体後葉からの放出・視床下部での産生が促進されることが示されている。AVPはストレス下に中枢神経内においてneuromodulator、neurotransmitterとして作用していることが示唆される。先天的に視床下部におけるAVP産生が高度に障害されたラットを用い、ストレスによる胃潰瘍の形成、血圧の上昇、血中ACTHの上昇および血中カテコールアミンの上昇におけるAVPの役割を検討した。Brattleboro株遺伝性視床下部性尿崩症ラット(DI)ではLong-Evansラット(LE)に比し水浸拘束ストレスによる胃潰瘍の形成が有意に亢進していた。DIにおいて脳室内AVP投与はストレス潰瘍の形成を抑制し、LEにおいて脳室内V1受容体拮抗薬の投与は潰瘍形成を促進した。DIにおいてストレスによる血中ACTH濃度の上昇反応はLEに比し減弱していたが、脳室内AVPの投与により有意な反応の増加を認めた。また、LEにおいて脳室内V1拮抗薬の投与により反応の減弱を認めた。さらに、DIラットでは拘束ストレスによる血中アドレナリン(A)・ノルアドレナリン(NA)濃度の上昇反応もLEに比し減弱しており、脳室内AVP投与により回復した。LEでは脳室内V1拮抗薬により反応の減弱を認めた。一方、自然発症高血圧ラット(SHR)との反復交配により得られたAVP部分欠損SHRを用いた検討では、AVP部分欠損SHRではSHRに比し、慢性ストレスによる血圧の上昇が低下していた。以上の結果から、脳内AVPはストレスによる胃潰瘍の形成に対しては抑制的に作用し、ストレスによる血圧の上昇や血中ACTH、カテコールアミンの上昇に対しては重要な促進的役割を果たしていることが示唆された。自然発症高血圧ラット(SHR)と遺伝性下垂体性尿崩症ラットとの交配で得た、尿崩症保持自然発症高血圧ラット(SHRーDI)を用いてその昇圧の過程をSHRと比較した。SHRーDIは交配により自家繁殖しこれを実験に用いて居るので多数の実験群を用意することに困難があった。実験上現在迄に得られている成績は、次の様にまとめることが出来る。(1)高血圧の発症では、最終的な血圧水準ではSHRとSHRーDIの間に有意の差は得られていない。しかしながら、その昇圧過程ではSHRーDIではSHRに比してむしろ速かな血圧上昇の見られることが明かとなった。SHRーDIではいちじるしい多尿があり、体液量はむしろ減少に傾いている。その点でこの昇圧過程促進はむしろ中枢性バゾプレシン欠損による降圧神経系の機能障害が関与するものと考えられた。(2)SHRーDIの食塩感受性について検討をすすめた。SHRでは高食塩食を投与して飼育すると、その昇圧過程は促進され、より速かに高血圧状態に達することが知られている。SHRの形質を1/2有する1/2SHRーD1を用いて比較的軽症の自然発症高血圧における高血圧発症促進に及ぼす食塩とバゾプレシンの効果を検討すると,バゾプレシン、欠損動物(1/2SHRーDI)では、高食塩食投与による昇圧の促進は減じており,食塩によるSHRの昇圧促進にバゾプレシンが重要な役割を果していることが示唆された。(3)細胞レベルでのバゾプレシン作用発現の機序を、培養腎集合尿細管細胞と培養血管平滑筋細胞を用いて、これら細胞にバゾプレシンを添加したときの、細胞内遊離カルシウムの動態を検討した。腎集合尿細管細胞のバゾプレシン反応性eAMP産生促進には、細胞内遊離カルシウムに至適濃度があること,血管平滑筋細胞内カルシウムの変動は、細胞内ナトリウムの変動と共役していることを明かにした。

バゾプレシンの中枢神経作用を明かにする目的で遺伝性中枢性尿崩症ラットを用い、水浸拘束ストレスによる急性胃潰瘍の発生について検討を行った。ラットを抑臥位で固定し分間水中に体を浸すと、胃粘膜に点状の出血を招く。断頭にて殺後、胃を開き出血部の面積を画像解析装置により定量した。尿崩症ラットでは内因性バゾプレシン欠損状態にある。内因性バゾプレシンを保持する対照のロングエバンスラットに比較して、尿崩症ラットでは胃潰瘍の発生は有意に増加していた。次に、尿崩症ラットにおいて、脳室内にバゾプレシンを注入した後に水浸拘束の実験を行うと、バブプレシン非注入尿崩症ラットに比較して胃潰瘍の発生は有意に抑制された。このこの事実は脳内のバゾプレシンがストレスによって惹きおこされるラット胃潰瘍の発生では抑制因子として仂いていることを示している。この事実は、ロングエバンスラットの脳室内に_1、受容体に拮抗する合成アナログペプチドを注入してから、水浸拘束ストレスを負荷すると、非注入ロングエバンスラットに比較して胃潰瘍の発生が促進された。尿崩症ラットにおいて、水浸拘束ストレスによる胃潰瘍の発生が増強されることが、そのいちじるしい水利尿に関っているか否かを検討した。脳内にバゾプレシンを注入しても,末梢血中バゾプレシン濃度は有意の上昇を示さなかった。また、尿崩症ラットにV_2受容体アゴニストであるデスモブレシンを注入して尿量を減少させても、水浸拘束による胃潰瘍の発生は有意の抑制をうけなかった。以上の事実は、中枢神径系におけるバゾプレシンが水浸拘束による胃漬瘍発生の抑制因子となっていることを示している。上記実験と並行して,細胞レベルにおけるバゾプレシンの作用桟構を血管平滑筋及び骨細胞の培養元において検討した。ストレスに伴う交感神経系の興奮に及ぼす内因性バゾプレシン(AVP)の役割について検討を加えた。実験には12迎令の遺伝性視床下部性尿崩症ラット(Brattleboro株、DI)及び対照として同週令のLongEvansラット(LE)を用いた。実験5日前よりあらかじめラットの内頸静脈に留置したカテーテルより採血した後、金〓ケージにラットを入れ5分間の拘束ストレスを加え、ストレス負荷終了時に再び血管内カテーテルより採血を行った。血液はEGTA及び遺伝型グルタチオンを添加した試験管内に採取し、冷却遠沈後血泉に分離し凍結保存した。市販測定キット(カテコールアミン・リサーチ・アッセイシステム.アマシャムジャパン社)を用い、ラジオエンザイマチックアッセイにより、得られた血泉中のノルアドレナリン(NA)およびアドレナリン(A)濃度を測定した。5分間の拘束ストレスにより、DI及びLEとも有意な血中NAとAの濃度の上昇を認めた。ストレス負荷前の血中AおよびNA濃度には、DIとLEの間に有意の差を認めなかった。一方、DIにおけるストレス負荷後のNA濃度(pg/ml,M±SD)はLEに比して有意に(p<0.05)に低かった(1292±330VS,1994±577,n=6)。AVP欠〓症物において拘束ストレス後の血中カテコールアミンの放出が減弱していることが示され、内因性のAVPがストレスによる交感神経系の興奮に促進的に作用していることが示唆された。
複雑ネットワーク構造をもつセルラニューラルネットワークの開発と情報処理への応用

本研究では、研究代表者のグループがこれまでに行ってきた複雑系ネットワークの研究成果をセルラニューラルネットワーク(CNN)に組み込むことで、人間の脳での処理に近い高機能な情報処理をリアルタイムで行うことができる新しい複雑ネットワークCNNを開発する。CNNがもつリアルタイム性とアナログ非線形性の利点を最大限に活かしつつ、複雑系ネットワークの特徴である創発性や時空間変動性を積極的に利用し、また、計算機シミュレーション・回路実験・理論解析により、システム設計・特性調査・アプリケーション開発・回路実装までを行うことで、様々な実問題に適用可能な高度な情報処理システムを実現することを目的としている。平成30年度に得られた主たる成果は以下の通りである。1.遅延層を含む二層CNNによる画像処理:本研究では、二層CNNの第二層に、遅延テンプレートを含むCNNをもつCNNの開発を行った。計算機シミュレーションにより、本提案手法が、複雑な入力画像のエッジ検出に効果があることを確認することができた。2.二種類のテンプレートを含むCNN回路によるカラー画像処理:本研究では、二種類のテンプレートを市松模様に配置した二次元CNNを設計し、カラー画像の処理を行った。二種類のテンプレートをさまざまに変化させることで、入力画像のカラー情報に依存した処理を行うCNNを設計することができた。3.複雑系カオスネットワークの同期:本研究では、カオス回路をノードに持つ複雑系ネットワークにおいて、ノード間の結合の強さがノードの次数によって変化する場合にみられる複雑な同期現象についての調査を行った。計算機シミュレーションにより、ノードの次数がネットワーク全体の同期状態に強く影響を与えることが明らかとなった。平成28年度に得られた主たる成果は以下の通りである。1.テンプレート切り替えを行うCNNによる画像処理:本研究では、セルの状態値によって使うテンプレートが切り替わるようなCNNを提案し、そのエッジ抽出への応用について、計算機シミュレーションによる数値実験を行った。2.異なるトポロジーをもつ複雑系ネットワークのカオス伝搬についての研究:本研究では、カオスを発生する非線形電子回路を結合した複雑ネットワークを作成し、異なるカオス発生個所に対し、カオスがネットワーク全体に伝搬していく様子を調査した。また、複雑ネットワークのトポロジーを変化させたとき、伝搬の特性がどのように変化するのかについても、調査を行った。1年間を経過した段階で、研究目的に記載していた3年分の内容のおおむね3分の1を達成しており、かつ、それらの成果を着実に発表できていることから、おおむね順調に進展していると評価できる。平成29年度に得られた主たる成果は以下の通りである。1.部分的に遅延を与えたCNNによる画像処理:本研究では、入力画像の隣接する画素値の差の大小により、処理に遅延を与えることによって、より効果的な画像処理ができるCNNの開発を行った。計算機シミュレーションにより、本提案手法が、入力画像のエッジ検出に効果があることを確認することができた。2.メモリスタを含む複雑ネットワーク回路:本研究では、メモリスタを含むカオス発生回路、及び、結合部にメモリスタを用いた複雑ネットワーク回路の振る舞いに関する調査を行った。特に、基本的な現象の把握のために、2個のカオス回路をメモリスタで結合した簡素な系に見られる同期現象とその複雑な遷移現象について、様々な条件の下で、計算機シミュレーションを行い、詳細な調査を行った。2年間を経過した段階で、研究目的に記載していた3年分の内容のおおむね3分の2を達成しており、かつ、それらの成果を着実に発表できていることから、おおむね順調に進展していると評価できる。

計算機シミュレーションにより、本提案手法が、複雑な入力画像のエッジ検出に効果があることを確認することができた。2.二種類のテンプレートを含むCNN回路によるカラー画像処理:本研究では、二種類のテンプレートを市松模様に配置した二次元CNNを設計し、カラー画像の処理を行った。二種類のテンプレートをさまざまに変化させることで、入力画像のカラー情報に依存した処理を行うCNNを設計することができた。3.複雑系カオスネットワークの同期:本研究では、カオス回路をノードに持つ複雑系ネットワークにおいて、ノード間の結合の強さがノードの次数によって変化する場合にみられる複雑な同期現象についての調査を行った。計算機シミュレーションにより、ノードの次数がネットワーク全体の同期状態に強く影響を与えることが明らかとなった。研究計画に沿って、複雑ネットワークCNNの開発を行う。特に、計画を上回る成果を上げるための方策として、関連する研究を行う著名な海外研究者とコンタクトをとり、本研究成果の発展方法についてのディスカッションを行うことを計画している。一方、研究目的を達成する上での問題点については、現時点では特に見当たらない。多層構造をもつCNNの設計が予想を上回る広がりを見せたため、高次元セルをもつCNNの設計にかける予定であった時間を割いて、多層構造CNNの調査・研究を行った。その結果、高次元セルをもつCNNの設計にかける予定であった経費の支出が少なくなった。平成29年度は、多層構造をもつCNNの設計にかける時間を削減し、高次元セルをもつCNNの設計にかける時間を増やす計画である。高次元セルをもつCNNの設計に必要なパーソナルコンピュータや回路実験部品などの物品費、また、調査や資料収集のための旅費として、さらに、多層構造をもつCNNの設計に関する研究成果投稿料として、使用する計画である。
難治性口腔粘膜疾患と環境汚染物質(病因および発癌性に関する研究)

ddyマウスを用い,有機塩素系化合物を腹腔投与後経日的に屠殺し,舌,頬粘膜,歯肉を切除した.一部を光顕用にホルマリン固定後,残りは,ホモジナイズし生化学的検索用に保存した.固定した組織は通法通りパラフィン包埋し,その薄切切片をHE染色後,光顕観察を行った.その結果,投与群において濃度依存的に,歯肉および頬粘膜において,空胞様変性をはじめとする組織学的変化がみられた.舌においても相対的に弱いものの同様の変化がみられた.しかしながら,それらの変化は唾液腺組織ほどの変化ではなかった.生化学的検討としては,以下の測定を行った.以上より,有機塩素化合物の投与により,組織学的変化と生化学的変化が起こり,癌関連遺伝子の発現もみられることから,癌化に関連するような変化が起こっている可能性が示唆された.ddyマウスに有機塩素化合物であるPCBをはじめとする物質をコーンオイルに溶解し、腹腔投与した。投与後1日,4日,1週,2週,3週,4週,8週,16週,にネンブタール麻酔にてと殺した。電顕用資料作製のために灌流固定を行ない、舌、歯肉、顎下腺、耳下腺を摘出した。光顕用には、マウスと殺後同様に組織を摘出した。光顕観察は、HE染色を施し、各組織に投与後1週目に空胞変性を認めた。電顕観察は、酢酸ウラン、クエン酸鉛による二重染色を施し、観察した.各組織とも投与後1週目に強い変化が認められた.変化としては、核濃縮細胞質内空胞様変性が主に認められた.2週目,3週目にも変化は認められたが経時的に変化は弱くなっていった。HE染色標本の連続切片を用いて、LSAB法による免疫組織化学的染色を行った。抗体としては、cathepsinD,B,HL,PCNA,ki-67,p53,c-erbB,EGFリセプター,TGF-βリセプターのモノクロナール抗体およびボノクロナール抗体を用いた.有機塩素化合物投与群は対照群と比較して、CathepsiaD,Ki-67,p53,c-erbB,TGF-βリセプターの発現が強く認められた.同様に、HE染色標本の連続切片を用いて光顕によるin sitn hibridizationをTGF-β、EGFについて検討したが、投与群と対照群に差はみられなかった。ddyマウスを用い,有機塩素系化合物を腹腔投与後経日的に屠殺し,舌,頬粘膜,歯肉を切除した.一部を光顕用にホルマリン固定後,残りは,ホモジナイズし生化学的検索用に保存した.固定した組織は通法通りパラフィン包埋し,その薄切切片をHE染色後,光顕観察を行った.その結果,投与群において濃度依存的に,歯肉および頬粘膜において,空胞様変性をはじめとする組織学的変化がみられた.舌においても相対的に弱いものの同様の変化がみられた.しかしながら,それらの変化は唾液腺組織ほどの変化ではなかった.生化学的検討としては,以下の測定を行った.以上より,有機塩素化合物の投与により,組織学的変化と生化学的変化が起こり,癌関連遺伝子の発現もみられることから,癌化に関連するような変化が起こっている可能性が示唆された.
正常妊娠過程における母子境界領域の免疫応答

1)マグネット細胞単離法を用いて、子宮NK細胞を採取し、その培養子宮NK細胞とケモタキシス誘発因子の細胞外基質とアポプトーシス誘発あるいは制御因子を駆使して、子宮NK細胞の特異な動態をin vitroで明らかにした。2)培養子宮NK細胞の前駆物質を用いて、その分化に与える種々のサイトカイン、ケモカインおよびアポプトーシス因子の影響を調べた。特に、培養細胞の顆粒の形態と性状ならびに細胞障害活性に注目して調べ、解析した。3)ヒトCD3eトランスジェニックマウスは、子宮NK細胞の機能の検討には有効であることが分かった。このモデル動物を利用し、子宮NK細胞と血管内皮やVCAM、ICAMとの相互関連を検討し、明らかにした。また、MHCクラスII抗原の不適合による流産およびサイトカイン投与による実験的流産と子宮NK細胞の分化との相互関係を検討し、習慣性流産との関連を明らかにした。4)胎子ー母子境界領域の免疫応答は、受精卵着床から胎盤形成を経て分娩に至までの妊娠の成立にとって、決定的な要因の一つである。本研究は、in vivoでの着床を制御可能とし、原因不明の着床不全による習慣性流産への解明だけでなく、疾患モデル作製方法への新しい道を拓くものとなった。5)本研究を総括ならびに継続するために、アルゼンチン・ブエノスアイレス、アメリカ・ボストン(ハーバード大学医学部)およびディービス(カリフォルニア大学獣医学部)、カナダ・グエルフ(グエルフ大学)への出張、ならびに大学間協力研究の研究分担者であるグエルフ大学から研究者を招請した。先ず、各種マウス妊娠子宮における子宮NK細胞の動態を調べた。免疫不全モデルでは正常、自己免疫疾患モデルでは分布および分化において若干の異常が見られたが、胎盤完成期には正常であった。しかし、T細胞およびNK細胞を欠損するヒトCD3εトランスジェニックマウス妊娠子宮では、子宮NK細胞が欠損し、胎盤・胎子・間膜腺の発達が悪く、妊娠10-12日にかけて流産率が有意に高いことがわかった。このことは、子宮NK細胞が胎盤形成・胎子の生存に関して、決定的な役割を持つことを示唆する。しかも、このモデルでの胎盤血管構築に異常が見られたことから、子宮NK細胞は血管新生を促進していることが考えられる。ヒトCD3εトランスジェニックマウス妊娠子宮での子宮NK細胞欠損は、初めての知見である。次に、子宮NK細胞の機能解析のために、間膜腺体外培養法およびマグネット法を用いて子宮NK細胞を単離し、その単離細胞数、純度、生存率および形態を調べた。マグネット法にはマグネットビーズおよびマグネットパーティクルを用いた。採取細胞数は間膜腺体外培養法で>10^5cells/ml、マグネット法で>10^4cells/ml、純度は各々>98%、>85% (ビーズ法)、>60% (パーティクル法)で、生存率は各々90%、>70%であった。両方法でのin vitro子宮NK細胞は光顕的にも電顕的にもin vivo子宮NK細胞と同様であったが、間膜腺体外培養法による単離は1日要するのに対して、マグネット法では2.5時間で可能であった。短時間の単離隔は細胞傷害活性の測定に有利である。従って、マグネット法は子宮NK細胞の新しい単離法として有効であると考えられる。げっ歯類の顆粒性間膜腺(GMG)細胞,子宮NK細胞は流産に関連すると示唆されている。そこで、MHC class II抗原が不適合の交配およびNK細胞欠損のTgE26マウスの自然流産に着目した。MHCクラスII抗原不適合による自然流産モデルとして、CBA/2J(H-2^d)の雄を用いた時の妊娠1016日の流産率は、24%であった。perforin陽性、asialo GM1陽性のGMG細胞は、流産胎盤においても間膜腺および基底脱落膜に局在し、胎盤迷路部や胎子遺残物に侵襲している像は観察されなかった。

その細胞密度は正常と有意差はなく、さらに、perforinは依然細胞内に含有されており、流産に際して分泌された形跡はなかった。透過電顕による解析でも、流産と正常との間でGMG細胞の形態に差異は見られなかった。さらに、免疫電顕による顆粒内のperforin検出も有意差は認められなかった。一方、TgE26では、胎盤は対照の半分サイズしかなく、間膜腺の形成が認められなかった。さらに、GM1陽性のGM細胞はほとんど存在せず(対照の3%)、小器官および顆粒は著しく未発達であった。GMG細胞は血管周囲に集合する傾向を見せ、子宮細動脈の中膜は肥厚していた。以上の結果から、GMG細胞が流産を誘起させる可能性はないものと示唆される。CBA(♀)×DBA(♂)系において流産部位と正常な部位で差違が見られず、その一方でTgE26がGMG細胞を欠くと同時に高率に流産を起こしたことから、GMG細胞の存在は自然流産を誘起するものではなく、逆にGMG細胞の欠損が自然流産の誘起に関与することが示唆された。1)マグネット細胞単離法を用いて、子宮NK細胞を採取し、その培養子宮NK細胞とケモタキシス誘発因子の細胞外基質とアポプトーシス誘発あるいは制御因子を駆使して、子宮NK細胞の特異な動態をin vitroで明らかにした。2)培養子宮NK細胞の前駆物質を用いて、その分化に与える種々のサイトカイン、ケモカインおよびアポプトーシス因子の影響を調べた。特に、培養細胞の顆粒の形態と性状ならびに細胞障害活性に注目して調べ、解析した。3)ヒトCD3eトランスジェニックマウスは、子宮NK細胞の機能の検討には有効であることが分かった。このモデル動物を利用し、子宮NK細胞と血管内皮やVCAM、ICAMとの相互関連を検討し、明らかにした。また、MHCタラスII抗原の不適合による流産およびサイトカイン投与による実験的流産と子宮NK細胞の分化との相互関係を検討し、習慣性流産との関連を明らかにした。4)胎子一母子境界領域の免疫応答は、受精卵着床から胎盤形成を経て分娩に至までの妊娠の成立にとって、決定的な要因の一つである。本研究は、in vivoでの着床を制御可能とし、原因不明の着床不全による習慣性流産への解明だけでなく、疾患モデル作製方法への新しい道を拓くものとなった。5)本研究を総括ならびに継続するために、アルゼンチン・ブエノスアイレス、アメリカ・ボストン(ハーバード大学医学部)およびディービス(カリフォルニア大学獣医学部)、カナダ・グエルフ(グエルフ大学)への出張、ならびに大学間協力研究の研究分担者であるグエルフ大学から研究者を招請した。
中妻貝塚の多数合葬人骨の考古学的・形質人類学的研究

茨城県取手市の中妻貝塚で、縄文時代後期初頭の人骨100体以上がひとつの小さな土坑(直径約2m弱)からまとまって出土した。これまでに、縄文時代の遺跡からは多くの人骨が出土しているが、一つの小さな土坑からこのような多数の人骨が出土した例はない。しかも発掘状況からみて、これらの人骨は、堀之内2式期に、一度にまとめて再埋葬されたものである。従って、被葬者は一集落内に居住した血縁の濃い人々と推測される。古人骨から血縁関係を推定する方法として、歯冠計測値を用いた分析が注目されている。そこで中妻貝塚出土の多数合葬人骨についても、この方法を適用して血縁関係の抽出を試みた。中妻貝塚で発見された多数合葬墓の人骨約100体のうち歯冠計測値による血縁関係の分析に用いることができたのは29例であった。Qモード相関係数の基準値を0.7とかなり高く設定したが、抽出された組が血縁関係かどうかは信頼性がかなり低いものであった。そこで信頼できる血縁を抽出するため、他の縄文人を併せて比較するという手法を試みた。その結果、中妻貝塚人は相互相関の高い5つのグループに分類されたが、このうち血縁関係を構築している可能性が大きいのは2つのグループに属する人々であった。他の3つのグループについては、血縁関係と確証する十分な手掛かりは得られなかった。従って前者の2つのグループをそれぞれ一つの家系と想定した。なお血縁関係の分析に用いられた29個体に上顎片側の側切歯を抜歯された個体が5例認められたが、他の被葬者とは血縁が薄い傾向が示唆された。これらが族外の婚入者である可能性が考えられる。また土坑中の各個体の埋葬位置と血縁関係に注目したところ、家系ごとにまとめて再埋葬されたとは考えられなかった。埋葬及び再埋葬は、家系ではなく家族を中心に行われた可能性が推測された。中妻貝塚の1土坑から出土した約100体の人骨群は、おそらく1集落内に居住したごく短期間の血縁関係の近い人々が主体であろうと推測される。このような時間的・地理的にまとまった縄文人の形質を把握できる資料はこれまでに得られていない。その点で中妻貝塚人の形質を明らかにすることは、縄文人一般ではなく、一地域集団の形質的特徴を把握することになる。平成6年度の研究では、第一段階として、一括出土した人骨の整理・洗浄・接合・復原の作業を行った。その結果、被葬者は少なくとも106個体になることが明らかになった。年齢については、幼児から老年までランダムな割合で構成されており、また性別においては男性が多い傾向が認められた。いずれの人骨にも外傷は認められなかった。肉眼観察による形質的特徴としては、顔面形態の類似が数例の被葬者にみられるほか、通常では出現の稀な前頭縫合が老女と2体の子供の被葬者に一連してみられるなど、血縁的に近いグループが含まれることが示唆された。また全体的な傾向として、実際の年齢に比べて歯の磨耗が少ないこと、虫歯・歯槽膿漏などの歯科疾患が3割程度にみられた。平成7年度には考古学的検討として、1時期の中妻貝塚の人口の推定・ひとつの土坑に100体もの人骨が埋葬された理由あるいはそれに伴う儀礼・死因。

食性などを推定するが、今回得られた所見は、そのための基礎的データとなりうる。形質については引き続き計測的・非計測的データも採取し、他の縄文人との比較をおこなうことによって、中妻貝塚人の形質的特徴を明らかにする。合わせて、被葬者の血縁関係についても、コンピュータを用いた解析をおこなうことによって、より具体的に明らかにする。茨城県取手市の中妻貝塚で、縄文時代後期初頭の人骨100体以上がひとつの小さな土坑(直径約2m弱)からまとまって出土した。これまでに、縄文時代の遺跡からは多くの人骨が出土しているが、一つの小さな土坑からこのような多数の人骨が出土した例はない。しかも発掘状況からみて、これらの人骨は、堀之内2式期に、一度にまとめて再埋葬されたものである。従って、被葬者は一集落内に居住した血縁の濃い人々と推測される。古人骨から血縁関係を推定する方法として、歯冠計測値を用いた分析が注目されている。そこで中妻貝塚出土の多数合葬人骨についても、この方法を適用して血縁関係の抽出を試みた。中妻貝塚で発見された多数合葬墓の人骨約100体のうち歯冠計測値による血縁関係の分析に用いることができたのは29例であった。Qモード相関係数の基準値を0.7とかなり高く設定したが、抽出された組が血縁関係かどうかは信頼性がかなり低いものであった。そこで信頼できる血縁を抽出するため、他の縄文人を併せて比較するという手法を試みた。その結果、中妻貝塚人は相互相関の高い5つのグループに分類されたが、このうち血縁関係を構築している可能性が大きいのは2つのグループに属する人々であった。他の3つのグループについては、血縁関係と確証する十分な手掛かりは得られなかった。従って前者の2つのグループをそれぞれ一つの家系と想定した。なお血縁関係の分析に用いられた29個体に上顎片側の側切歯を抜歯された個体が5例認められたが、他の被葬者とは血縁が薄い傾向が示唆された。これらが族外の婚入者である可能性が考えられる。また土坑中の各個体の埋葬位置と血縁関係に注目したところ、家系ごとにまとめて再埋葬されたとは考えられなかった。埋葬及び再埋葬は、家系ではなく家族を中心に行われた可能性が推測された。
東南アジア産アナツバメ類の持続可能性に関する景観生態学的研究

本研究では,東南アジア地域の重要な産業基盤であるジャワアナツバメ(Aerodramus fuciphagus)の巣の持続的な利用を最終的な目的として,土地利用と採餌特性の関係を明らかにすることを目標とした.特に,都市部・田園地帯の個体群において,採餌する餌の構成比の違いと,採餌した土地利用環境に着目した.KuchingとBintuluの2つの地域で,アナツバメの巣を養殖するための人工的なハウスにおいてアナツバメの糞を採取し,また周辺植生において植物の葉のサンプリングを行った.糞に含まれる昆虫の5割以上は膜翅目であったが,都市部では双翅目もみられ,食性の違いが示唆された.また,糞と植物の安定同位体比δ13Cおよびδ15Nの解析から,都市部の糞の炭素同位体比が田園地帯の糞よりも高く,特にBintulu地域では,比較的高い炭素同位体比をもつマングローブ林などで採餌している可能性が示唆され,沿岸地域が採餌環境として重要であることが推測された.本研究では,東南アジア地域の重要な産業基盤であるジャワアナツバメ(Aerodramus fuciphagus)の巣の持続的な利用を最終的な目的として,土地利用と採餌特性の関係を明らかにすることを目標とした.特に,都市部・田園地帯の個体群において,採餌する餌の構成比の違いと,採餌した土地利用環境に着目した.KuchingとBintuluの2つの地域で,アナツバメの巣を養殖するための人工的なハウスにおいてアナツバメの糞を採取し,また周辺植生において植物の葉のサンプリングを行った.糞に含まれる昆虫の5割以上は膜翅目であったが,都市部では双翅目もみられ,食性の違いが示唆された.また,糞と植物の安定同位体比δ13Cおよびδ15Nの解析から,都市部の糞の炭素同位体比が田園地帯の糞よりも高く,特にBintulu地域では,比較的高い炭素同位体比をもつマングローブ林などで採餌している可能性が示唆され,沿岸地域が採餌環境として重要であることが推測された.食用ツバメの巣としての過剰採集により,アナツバメ類の個体群は激減した.特にマレーシア・サラワク州の景観は,近年急激にアブラヤシやアカシア植林地へと開発が進んでおり,アナツバメ類の採餌環境は悪化している.本研究では,東南アジア地域の重要な産業基盤であるアナツバメ類の巣の持続的な利用を目的として,その採餌環境の違いによる個体群特性への影響を明らかにする.特に,都市部・泥炭湿地域・田園地帯・森林地帯の個体群において,採餌する餌の構成比の違い,餌を採取した土地利用環境の違いと,巣の生産速度との関係を明らかにする.それにより,個体群特性に影響を与える土地利用形態を明らかにするだけでなく,アナツバメ類の持続可能性を高めるための望ましい景観のありかたについて,提案を行う.本研究を行うことで,東南アジア地域の重要な産業基盤であるアナツバメ類の持続可能性を,周辺の土地利用から評価することができる.この研究結果は,自然・養殖の産物であるアナツバメ類の巣と,都市化・プランテーション造成・農業などの土地利用との妥協点を探る最初の科学的知見となる.これは,景観全体を利用するその他の生物,例えばミツバチ,シカ・イノシシなどの狩猟鳥獣などにも応用できる可能性を秘めている.平成22年度には、マレーシア・サラワク州のクチン周辺において,都市・泥炭湿地域の調査コロニー(ツバメ養殖ハウス)の選定を行い,8つの養殖ハウスでオーナーに調査の許可を得て排泄物のサンプリングおよび周辺環境での昆虫のサンプリングを行った。採取した排泄物および昆虫のサンプルは60度で乾燥および99%エタノール液浸標本として保存した。食用ツバメの巣としての過剰採集により,アナツバメ類の個体群は激減した.特にマレーシア・サラワク州の景観は,近年急激にアブラヤシやアカシア植林地へと開発が進んでおり,アナツバメ類の採餌環境は悪化していると考えられる.本研究では,東南アジア地域の重要な産業基盤であるアナツバメ類の巣の持続的な利用を最終的な目的としており,本年度は土地利用と採餌特性の関係を明らかにすることを目標として調査研究を行った.特に,都市部・田園地帯の個体群において,採餌する餌の構成比の違いと,餌を採餌した土地利用環境に着目した.対象種は,最も経済的価値が高いEdible-nestSwiftlet (Aerodramus fuciphagus fuciphagus)とした.マレーシア・サラワク州における現地調査では,クチンとビントゥルの2つの地域で,アナツバメの巣を養殖するための人工的なハウス10件において,ツバメの糞のサンプリングを行った.また,鳥の個体群特性の指標として,巣の生産量についてツバメハウスのオーナーへの聞き取りを続けている.実体顕微鏡を用いて糞のなかで粉砕されずに残っている昆虫の頭部のみをより分け同定した結果,昆虫の頭部の5割以上は膜翅目(アリ)であることがわかった.そのほかに,双翅目や甲虫目などがみられた.また,糞の炭素・窒素安定同位体比を用いた分析からは,都市部のツバメ糞の炭素同位体比が田園地帯の糞よりも高いことが明らかになった.特に,ビントゥル地域では,比較的高い炭素同位体比をもつマングローブ林などで採餌している可能性が示唆された.

アナツバメがどのような植生環境で何を採餌しているのかについては,これまでほとんど報告がなく,鳥の生態環境を保全するための方策についても全く考えられてこなかったといってよい.本研究は,この状況を打破するための非常に基本的かつ実践的な情報を得ることができたと考えている.東南アジアの重要な産業であるアナツバメの巣を持続的に利用していくためには,鳥の生態を知る必要がある.本研究では,東南アジア地域の重要な産業基盤であるアナツバメ類の巣の持続的な利用を最終的な目的として,土地利用と採餌特性の関係を明らかにすることを目標とした.特に,都市部・田園地帯の個体群において,採餌する餌の構成比の違いと,餌を採餌した土地利用環境に着目した.対象種は,最も経済的価値が高いジャワアナツバメ(Aerodramus fuciphagus fuciphagus)とした.本研究ではマレーシア・サラワク州を中心として,東南アジア地域における土地利用とアナツバメの生態に関する研究を行った.現地調査はKuchingとBintuluの2つの地域で,アナツバメの巣を養殖するための人工的なハウスにおいて,アナツバメの糞およびハウス周辺の代表的な土地利用において植物の葉のサンプリングを行った.糞は実体顕微鏡を用いて比較的粉砕されずに残っている昆虫の頭部のみをより分け,目レベルまでの同定を行った.糞のなかに含まれる昆虫の頭部の5割以上は膜翅目であったが,都市部では双翅目もみられ,食性の違いが示唆された.また,糞と植物の安定同位体比δ13Cおよびδ15Nの測定を行った解析からは,都市部のツバメ糞の炭素同位体比が田園地帯の糞よりも高いことが明らかになった.Bintulu地域では,比較的高い炭素同位体比をもつマングローブ林などで採餌している可能性が示唆され,アナツバメがマングローブ林や泥炭湿地で頻繁に観察されることからも,沿岸地域が採餌環境として重要であることが推測された.今後はさらに多くの植生において,植物・昆虫のサンプリングなどを行い,より精度の高い分析を行っていく必要がある.目的の第一としてあげた,アナツバメの餌生物の同定と採餌環境の推定に関しては順調に進展しているが,結果の解釈の妥当性をより高い精度で分析する必要があると考える.目的の第二としてあげた,アナツバメの個体群パラメータに関しては,鳥を捕獲することによる巣生産への影響が甚大であることを考慮し,計画を変更する必要があった.そのため巣の生産量を個体群特性の指標とするため,ツバメハウスのオーナーへの聞き取りを続けている.24年度が最終年度であるため、記入しない。実験結果の解釈が正しいかどうかには十分なデータが必要であるため,今後も続けて地域の植物・昆虫のサンプリングなどを含め,より精度の高い分析を行う.特に,炭素・窒素だけでなく硫黄など異なる元素を用いた分析も新たに加える予定にしている.その結果に基づいて,論文発表を行う.24年度が最終年度であるため、記入しない。
シュレーディンガー作用素のスペクトルの超格子と量子ウォークへの応用

超格子構造とは異種半導体薄膜の積層で製造される人造の構造物で、量子効果を用いた半導体デバイスである。特定のエネルギーを透過または遮断する機能を持つが、透過域には真の透過域と準透過域が生じる難点がある。準透過域の生成の原因は不明で、その制御は難しい問題である。本研究はこの超格子構造を数学的対象ととらえてその特性を数学的に解析することにある。この問題は数学的には一次元のシュレーディンガー方程式の逆散乱問題のひとつであり、近年の代表者と共同研究者による研究から、超格子のスペクトル構造はそれを離散化したグラフ理論的モデルがより解析しやすいモデルになると分っている。本年度はこのグラフ理論的モデルのスペクトル構造、とくに埋蔵固有値ならびに共鳴順位の構造の解析、量子ウォークへの応用を行なった。まず、このグラフ理論的モデルにおいて埋蔵固有値ならびに共鳴順位が数学的に厳密に計算できることを兵庫県立大学の野村祐司氏、昭和大学の樋口雄介氏との協力の下で「埋蔵固有値のなす安定擬多様体」と呼ぶことのできる構造を発見し、その詳細な性質を調べた。また超格子構造の完全透過はもっとも単純なモデルでは一次元トンネル現象に対応し、この散乱現象にもとづく新デバイスとしての量子ウォークの研究に結びつけることが可能で、逆に量子ウォークの研究成果の量子デバイスへ応用もすでに世界的に始まっている。東北大学の瀬川悦生氏、九州大学の松江要氏、広島大学の松岡雷士氏との共同研究によりランダムウォークにない量子ウォーク固有の第三の性質を見い出すことができ、投稿論文が受理された。また、物理実験での確認も進んでいるところである。また瀬川悦生氏、松江要氏との共同研究で、単体複体上の量子ウォークによる量子アルゴリズム(量子探索)の有効性を示し、論文を出版した。この構造は埋蔵されない固有値にも存在し、また本質的にはグラフ理論モデル固有のものではなく一般的な点相互作用の量子力学モデルでも存在することも確認できた。この応用の基盤は1次元の量子系に限定されていたが、東北大学の瀬川悦生氏、九州大学の松江要氏との協働で単体複体上の量子ウォークを構成することで多次元化を実現して、さらにそのスペクトル構造を解析できた。また新しい単体複体上の量子ウォークを構成方法も構築することができた。研究実績の概要に述べた通り、複数の結果を得ており、これらの結果について、研究集会「量子系の数理と物質制御への展開II」(横浜国立大学)などで講演を行い、また平成29年度も関連する話題での講演を依頼されている。兵庫県立大学の野村祐司氏、昭和大学の樋口雄介氏との研究であるグラフ理論的モデルにおける共鳴順位の研究は、通常はとても解析的に計算できるとは考えられない問題がこのモデルにおいては可能であることを示すことができ、それに付随する擬安定多様体とでも名付けられる構造を詳しく解析できた。またグラフラプラシアンや隣接行列のスペクトルの各種平均から定まる量を最小化するグラフを最適なグラフと呼ぶが、最適なグラフを具体的に求めることはとても難しい。過年度に、これをある意味で弱めた弱最適の概念を導入し、頂点数が17以下の小さいPaleyグラフが弱最適であることと最適なグラフの次の平均量が小さいグラフG1(複数存在する)はスペクトルが一致するにもかかわらずグラフとして非同型であること研究代表者とその指導学生(修士)とで示していたが、本年度(平成28年度)は隣接行列の場合に任意の頂点数のPaleyグラフのG1について等スペクトルかつ非同型グラフであることを証明できた。量子ウォークについては、東北大学の瀬川悦生氏、九州大学の松江要氏との協働で以前のもとは異なる(より良い)単体複体上の量子ウォークを構成し、また量子ウォークの固有対の解析を完成できた。さらには量子ウォークにおける完全透過についても、広島大学の松岡雷士氏との共同研究を始めている。これらの研究成果のうち、野村祐司氏、樋口雄介氏との離散グラフにおける固有値をすべて決定する問題、瀬川悦生氏、松江要氏との量子ウォークの固有対の解析については査読付の論文がすでに学術誌に掲載されてる。他の問題についても精力的に論文執筆をすすめているところである。