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英文構造理解のための3つのアプローチによるライティング教材の研究開発

工科系の学生がコンピュータ支援による演習を行うことによって、英語の能力の向上を図ることのできる教材「英文構造理解のための3つのアプローチによるライティング教材」を研究開発し、CALLやLANシステムなどによって教材として運用できるようにした。この教材は、3つの分野の英語を用いて、そしてまた「英語の文構造に対応した日本語の語句配列」を表示することによって、日本語と英語の2つの言語からアプローチするものである。3年間にわたる「英文構造理解のための3つのアプローチによるライティング教材の研究開発」の1年目として、基礎編・基礎英語の問題作成(設問数12章×15題=180題)とその教材プログラミングを、平成20年度の1年間に行った。研究代表者は、平成20年4月から6月末までの間に、英検2級および工業英検3級の過去数年にわたって出題された問題を収集し、その内容を検討して、教材作成のための基礎資料を集めた。7月から8月末までの夏季休暇期間中に、この基礎資料を基にして、教材(基礎編・基礎英語)作成の原稿を作成した。「変形生成文法の理論」を参考にして、教材作成形式として「文法事項型」を採り、12の章に分けて作成をした。作成をする際に、注意を要する文法事項には説明を施し、難しい単語や語句には注をつけて、学習者が理解しやすいように工夫をした。特に、英語の「文構造」を理解させるように留意をした。学習者に「英文を覚えさせる」ために、問題ごとにその正解文を数回タイピングしてもらうことも組み込んだ。また、問題の内容が工科系の学生にも興味を持ってもらえるようなものになるように配慮をした。9月に問題全体の再検討を行い、10月にはアルバイト学生との打ち合わせおよびスケジュール調整を行った。12月から平成21年1月末までの約2か月間には、アルバイト学生を使って教材のプログラミングと音声ソフトによる問題正解文の音声の吹き込みを行った。2月および3月に、研究代表者は、最終点検として、プログラミングされた教材の中の英語の綴りの誤りなどの修正を行い、平成20年度の予定の作業を終えた。なお、研究の最終年度末に、このライティング教材(基礎編・基礎英語)を冊子として印刷する予定である。3年間にわたる「英文構造理解のための3つのアプローチによるライティング教材の研究開発」の2年目として、応用編・日常英語の問題作成(設問数12章×15題=180題)とその教材プログラミングを、平成21年度の1年間に行った。研究代表者は、平成21年4月から6月末までの間に、英検2級の過去数回にわたって出題された問題を収集し、教材作成のための基礎資料を集めた。8月から9月末までの夏季休暇期間中に、この基礎資料を基にして、教材(応用編・日常英語)の原稿を作成した。応用編では、基礎編と異なり、教材として用いられる英文の長さのやや長い、内容の面でも難易度の面でも水準がやや高くなるような問題を作成した。問題形式としては、「文法事項型」を採らずに、文法事項が混合した形式を採った。「変形生成文法の理論」を参考にして、「語句の拡張方式」の教材と「語句の乱数的変化方式」の教材の両方を組み合わせた問題提示方式の教材を作成した。作成の際には、注意を要する文法事項には説明を加え、難しい単語や語句には注釈を施して、学習者が理解し易いように工夫をした。また、演習に用いられる英作文問題が工科系の学生にとって興味や関心が持てるものになるように留意した。さらに、問題ごとに数回、正解の英文そのものをタイピングさせることにより、「英文を覚えること」を学習者に行わせるようにした。10月にはアルバイト学生との打ち合わせを行い、11月初めから約2か月間にわたり、アルバイト学生を使って、教材のプログラミングおよび音声ソフトによる問題の正解英文の音声吹込みを行った。1月および2月に、プログラミングされた教材の点検を行い、平成21年度の予定の作業を終えた。なお、研究最終年度末に、この教材を冊子として印刷する予定である。3年間にわたる「英文構造理解のための3つのアプローチによるライティング教材の研究開発」の最終年として、応用編・一般科学英語の問題作成(設問数12章×15題=180題)とプログラミングを、平成22年度の1年間に行った。研究代表者は、平成22年4月から7月末までの間に、問題作成のための資料を収集し、それを基にして、8月から9月末までの夏季休暇中に教材(応用編・一般科学英語)の原稿を作成した。応用編では、基礎編と異なり、教材として用いられる英文の長さのやや長い、内容の面でも難易度の面でも水準が高くなるような問題を作成した。問題の作成形式としては、「文法事項型」を採らずに、文法事項が混合した形式を採った。前年度と同様に、「変形生成文法の理論」を参考にして、「語句の拡張方式」の教材と「語句の乱数的変化方式」の教材の両方を組み合わせた問題提示方式の教材を作成した。作成の際には、注意を要する文法事項には説明を加え、難しい単語や語句には注釈を施して、学習者が理解し易いように工夫と配慮をした。

また、演習に用いられる英作文問題が工科系の学生にとって興味や関心が持てるものになるように留意した。さらに、問題ごとに数回、正解の英文そのものをタイピングさせることにより、「英文を覚えること」を学習者に徹底して行わせるようにした。9月初めから約4か月間にわたり、アルバイト学生を使って、教材のプログラミングおよび音声ソフトによる問題の正解英文の音声の吹込みを行った。平成23年3月、3年間にわたって作成した「英文構造理解のための3つのアプローチによるライティング教材」(基礎編・基礎英語、および応用編・日常英語・一般科学英語)を冊子本として印刷した。また、この教材に関する論文を研究紀要において発表した。
ウイルス性白血病の発症機構の解析

マウス及びヒトの白血病ウイルスを用いて白血病発症機構を解析した.1.標的細胞の感受性を支配する遺伝的要因(1) FriendウイルスSFFVはヘルパーなしで赤芽球をトランスホームする.この場合にFvー2遺伝子の効果が認められた.(2) AbelsonウイルスをC57BL/6マウスの胎児胸腺の培養に感染させTリンホーマを作ることに成功した.BALB/CではBリンホーマができた.2.発症に関与するウイルス遺伝子(1) SFFVのgp55遺伝子に関する再構成ウイルスのうち,6+1塩基対を除いたものは発病力が低下しており,糖蛋白が細胞外に出ない.発病力が部分的に復帰したウイルスには一塩基挿入があり糖蛋白が外へでる.病原性と糖蛋白の細胞外への遊離放出が関係するのかも知れない.一方,585bpの欠損部位を修復させたウイルスは病原性を示さないが,病原性の復帰したものはgp55の大きさがまちまちであった.(2) MoloneyウイルスのLTRのなかに組込まれたHTLVー1のエンハンサーがマウスの系で動くことがわかった.3.細胞ゲノムへのウイルスゲノムの組込みHTLVー1感染HL60細胞にIUDR,DMSO処理をすると核外ウイルスゲノムが5倍程度に増加した.この現象はウイルスゲノムの細胞ゲノムへの組込みの増加につながると考えられる4.発癌遺伝子の活性化と分化Abelsonウイルスのts変異株でトランスフォームしたB細胞の培養温度をあげるとIg(-)から(+)の細胞に分化する.この時p120チロシンキナーゼ活性の低下と基質燐酸化の低下がおこる.温度をさげると可逆的な変化がおこった.マウス及びヒトの白血病ウイルスを用いて白血病発症機構を解析した.1.標的細胞の感受性を支配する遺伝的要因(1) FriendウイルスSFFVはヘルパーなしで赤芽球をトランスホームする.この場合にFvー2遺伝子の効果が認められた.(2) AbelsonウイルスをC57BL/6マウスの胎児胸腺の培養に感染させTリンホーマを作ることに成功した.BALB/CではBリンホーマができた.2.発症に関与するウイルス遺伝子(1) SFFVのgp55遺伝子に関する再構成ウイルスのうち,6+1塩基対を除いたものは発病力が低下しており,糖蛋白が細胞外に出ない.発病力が部分的に復帰したウイルスには一塩基挿入があり糖蛋白が外へでる.病原性と糖蛋白の細胞外への遊離放出が関係するのかも知れない.一方,585bpの欠損部位を修復させたウイルスは病原性を示さないが,病原性の復帰したものはgp55の大きさがまちまちであった.(2) MoloneyウイルスのLTRのなかに組込まれたHTLVー1のエンハンサーがマウスの系で動くことがわかった.3.細胞ゲノムへのウイルスゲノムの組込みHTLVー1感染HL60細胞にIUDR,DMSO処理をすると核外ウイルスゲノムが5倍程度に増加した.この現象はウイルスゲノムの細胞ゲノムへの組込みの増加につながると考えられる4.発癌遺伝子の活性化と分化Abelsonウイルスのts変異株でトランスフォームしたB細胞の培養温度をあげるとIg(-)から(+)の細胞に分化する.この時p120チロシンキナーゼ活性の低下と基質燐酸化の低下がおこる.温度をさげると可逆的な変化がおこった.
グレリンの特異性を活かした新しい心臓治療法の開発

1.グラリン投与による直接的心筋保護効果SDラットにおいて30分間の心筋虚血後再灌流を行い、60分間グレリン(1.8μg/kg/分)または生食(対照群)を静脈投与した。24時間後に心臓カテーテルにより血行動態を調べたところ、グレリン投与群は対照群に比べ左室拡張末期圧が有意に低下し、最大および最小dP/dtが増加していた。それと合致する所見として、摘出心のMasson trichrome染色による梗塞サイズもグレリン投与により有意に減少していた。さらに、TUNEL染色では、グレリン投与によりTUNEL陽性細胞の数が有意に減少していた。また対照群において観察されたDNAラダーもグレリン投与群ではみられなくなった。さらに、グレリンによる抗アポトーシス効果のメカニズムを調べるために、上記の虚血再灌流モデルに、グレリン単独投与、グレリン+U0126(ERK-1/2の阻害薬)、グレリン+wortmannin(phosphatidyl inositol 3-kinase[PI3K]阻害薬)、および生食の投与を行った。その結果、上術のグレリンの効果はU0126あるいはwortmanninを前投与することにより消失しており、グレリンの抗アポトーシス効果はERK-1/2およびPI3K/Akt serine kinase経路を介したものであることが推察された。2.心疾患におけるグレリンの病態生理学的意義ラットの心筋梗塞モデルにおいては、グレリンおよびその受容体(GHS-R)の遺伝子発現が増加していることが定量PCRにより示された。このことから梗塞後心筋において内因性のグレリンが重要な役割を果たしている可能性が示唆された。1、心臓リモデリングおよび生存率に対するグレリンの効果拡張型心筋症ハムスター(Bio TO2)に対し,グレリンの投与(200μg/kg/日、皮下注)を行った。その結果、グレリン投与群において、心臓超音波で左室拡大の進展抑制が確認され、心臓カテーテルにて左室拡張末期圧の減少など血行動態の改善が認められた。これらのことから、拡張型心筋症の心臓リモデリングに対し、グレリンの投与が有効であることが示唆された。2、心臓自律神経系へのグレリンの影響心筋梗塞ラットにグレリンを投与し,心臓交感神経系あるいは副交感神経系の活性を調べた。その結果、心筋梗塞ラットにおいて、グレリン(200μg/kg/日にて投与、皮下注)は心拍数を減少させ、最大および最小dP/dtといった指標も改善した。さらに、グレリンは心筋梗塞後の血中ノルアドレナリン濃度の上昇を有意に抑制した。しかしながら、グレリンの投与によって血漿insulin like grothfactor-1(IGH-1)濃度の上昇はみられず、これらの効果がgrowth hormone非依存性のものであることが示唆された。また、意識下の心筋梗塞ラットにおいて、グレリンの急性投与(100μg/kg、皮下注)を行ったところ、梗塞により増加していた(交感神経活性の指標である)low-frequency power /high-frequency power(LF/HF)比を低下させた。これらの結果より、グレリンは交感神経抑制作用を有し、心筋梗塞後早期の抗心臓リモデリング薬として有用であると考えられた.3、心疾患におけるグレリンの病態生理学的意義ラット心筋梗塞モデルにおいて、血中のグレリン濃度が減少しており、胃でのグレリンのmRNA発現量が減少していることが見出された。
アトピー性皮膚炎のかゆみの発生機序と新規治療法の開発

サブスタンスPは、皮膚の感覚神経より放出され、その結果皮膚局所の炎症を惹起することが知られている。アトピー性皮膚炎の患者において、血中サブスタンスPを測定したところ、標準的治療により、血中サブスタンスPは減少し、サブスタンスPの分解酵素の遺伝子発現が増強していた。また、ストレスを与えたマウスでは、より強く接触過敏反応(かぶれ)がみられ、その機序にサブスタンスPや接着分子であるL-セレクチンの関与が示唆された。神経内分泌要因は、免疫系と互いに影響し合い、アトピー性皮膚炎の病態に関与している可能性が示唆されている。サブスタンスPは代表的な神経ペプチドで掻痒を誘発し、neural endopeptidaseにより分解されると報告されている。外来通院中のアトピー性皮膚炎患者5例を対象に、日本皮膚科学会の定める治療ガイドラインに沿って治療を行い、その前後で、血清中のサブスタンスP濃度をELISA法で、末梢血単核球のnueral endopeptidase mRNA発現をRT-PCR法により検討した。治療に伴い、皮膚症状とともに掻痒も著明に軽減していた。血清中サブスタンスP濃度は、1例ではほとんど低下は認めなかったが、4例において低下を認め、5例平均で、治療前310.0±117.1pg/mlから253.0±68.3pg/mlと、治療後には治療前の86.8%に減少していた。Neutral endopeptidase mRNA発現は、バンドの吸光度を測定したところ、mRNAの発現が治療後に1020%増強していた。また、一酸化窒素はサブスタンスPによる痒みを増強することが知られている。そのため、C57BL/6マウスにおいて、一酸化窒素の供与体であるspermineNONOateにて誘発される掻破行動を検討した。マウスの後頚部を剃毛し、spermine NONOateを皮下投与し、掻破行動を計測した。その結果、spermineNONOate投与直後から掻痒行動を誘発し、20分で最大になり、その後時間とともに減少し、60分まで認められた。このように、アトピー性皮膚炎の掻痒において、サブスタンスPが何らかの役割を担っていることが、示唆された。ストレスが皮膚免疫系に与える影響について、接触皮膚炎モデルを用いて検討した。接触皮膚炎は、Oxazoloneで感作したマウスで惹起させた。マウスは、400Hzの騒音と25秒間につき2秒の振動によるストレスに、晒されない群(control)、誘発期間のみ(single stress)晒される群、感作期間と誘発期間(double stress)に晒される群の3群に分け検討した。誘発後のマウスの耳介は、control群に比べ、single stress群、double stress群の順に有意な差をもって腫脹していた。局所におけるmRNAの発現をみたところ、サブスタンスPの前駆物質であるpreprotachykinin-A、IFN-γ、IL-4、IL-6、TNF-αいずれもdouble stress群でcontrol群に比べ有意に発現しており、ストレスは接触過敏性を増強することが示唆された。これらの現象はL-selectin欠損マウスでは有意な差をもって抑制されたが、P-selectinやE-selectin欠損マウスでは抑制されなかった。また、サブスタンスPのレセプターであるneurokinin 1 receptorの抗体を誘発前に投与することにより、同様に有意に抑制された。このことから、ストレスによる接触過敏性の増強はL-selectinを介しており、サブスタンスPにより、L-selectinが影響を受けている可能性が示唆された。アトピー性皮膚炎がストレスにより増悪することはよく知られているが、その機序にL-selectinが関与していることが考えられ、サブスタンスPも掻痒の惹起のみならず、他の機序を介してアトピー性皮膚炎の増悪に関与している可能性も示唆された。次に、ストレスが皮膚免疫系に与える影響について、接触皮膚炎モデルを用いて検討した。

誘発後のマウスの耳介は、control群に比べ、single stress群、double stress群の順に有意な差をもって腫脹していた。局所におけるmRNAの発現をみたところ、サブスタンスPの前駆物質であるpreprotachykinin-A、IFN-γ、IL-4、IL-6、TNF-αいずれもdouble stress群でcontrol群に比べ有意に発現しており、ストレスは接触過敏性を増強することが示唆された。また、サブスタンスPのレセプターであるneurokinin 1 receptorの抗体を誘発前に投与することにより、有意に抑制された。
熱電シミュレーション手法の構築とナノ材料への応用

持続可能な発展という社会要請から、廃熱から有用な電気エネルギーを回収する熱電変換材料に関する基礎研究の重要性がますます高まっている。本研究では、物性物理学と計算科学の立場からこの問題に貢献するため、波束ダイナミクス法による熱電変換解析理論の構築とシミュレータの開発を行なった。また、開発したシミュレータを使ってカーボンナノチューブの電気伝導におけるランダム不純物の影響やナノ構造体中の電気伝導における電子間相互作用の影響について調べた。本研究は基礎と応用の両方に跨がる非常に挑戦的なテーマであり、以下の3つの項目を柱として研究を進めている。1波束ダイナミクス法による熱電変換解析手法の確立とシミュレータの開発2多体相関効果が引き起こすナノ物質特有の輸送現象の予測と解明3高性能熱電変換ナノ材料設計指針の提案とデータベース公開第1年度にあたる当年度では上記研究項目のうち、項目1と項目2を実施した。項目1に関しては、既に開発済みの多電子波束ダイナミクス法によるプロトタイプ電気伝導シミュレータの改良を行った。具体的には、プロトタイプシミュレータにオーダーN法を導入することによりシミュレータの高速化を行った。また、これにより従来に比べてより大規模なシステムでの計算が可能になった。具体的には数100nmから数μm程度のカーボンナノチューブという現実と同程度の大きさのシステムでの計算を実行できるようになった。項目2に関しては、項目1で改良したシミュレータを用いて多体相関効果によって引き起こされる新規物理現象の予測と解明に注力した。当年度は、カーボンナノチューブ中にランダムに導入された不純物が電気伝導に与える影響について解析を行い、シミュレータの有用性を確認した。本研究の成果をJapanese Journal of Applied Physicsへ投稿し、受理された。持続的な発展という社会要請から、熱電変換材料に関する基礎研究の重要性が益々高まっている。本研究は、物性物理学と計算科学の立場からこの問題に貢献することを目指し、波束ダイナミクス法による熱電変換解析シミュレータの開発を行なうことを第1の目的としている。このシミュレータは、電子間相互作用の効果を容易に取り込むことのできる特徴を持つため、従来の手法と比較して一般性があり、その開発には高い学術的意義が有る。また、開発したシミュレータを様々なナノ物質に適用することで、熱電変換材料物性の理論予測と解明を行なうことを目指した。昨年度は、開発済みの多電子波束ダイナミクス法による電気伝導シミュレータの改良とその応用に取り組み、カーボンナノ物質での電気伝導における不純物効果や、ナノシリコンチャネルにおける多体相関効果を取り込んだ計算を行なった。本年度は2年目の研究計画に基づき、昨年度用いた電気伝導シミュレータの熱電変換解析シミュレータへの拡張に取り組んだ。研究計画に記したようにシミュレータ開発を最優先に研究を行うことで、本研究によって線形応答理論と波束ダイナミクス法をベースとした熱電変換解析シミュレータのプログラムコード開発に成功した。また、ユビキタス元素であるシリコンナノ物質(シリコンナノワイヤ)への応用に取り組んだ。第1年度においては交付申請書に記載した研究計画通りに研究を進めることが出来たと考えている。そのため、研究目的の達成度は2順調に進展しているとした。25年度が最終年度であるため、記入しない。第2年度においても、交付申請書に記載した研究計画に則って研究を遂行する予定である。
脂質平面膜法を用いた骨格筋筋小胞体イオンチャンネルの精製及び構造解析

我々は、脂質平面膜法を検定系として、筋小胞体チャネルの精製を試みてきたが、ConA-Sepharose及び陰イオン交換クロマトグラフィーによる分離した分子量が138kDaと100kDaの糖タンパクを含む分画にのみCI-チャネル活性が認められた。阻害剤の結合実験の結果などにより、このうち、100kDaタンパクがCI-チャネルと推測される。一方、二つの糖タンパクが様々なクロマトグラフィーで必ず同じ分画に存在することから、138k糖タンパクはチャネルを制御するタンパクである可能性が考えられる。電気泳動的に目的のタンパクを抽出した138kDa糖タンパクを抗原として、マウスを用いてポリクローナル抗体を作製したところ138kDa糖タンパクの他に160kDa、53kDa糖タンパクとも反応を示した。また、138kDa糖タンパクの部分アミノ酸配列の決定に成功し、相同性の検索を行ったところ、160kDa、53kDa糖タンパクの共通アミノ酸配列を持つことが分かった。以上より、これらのタンパクが共通の遺伝子からスプライシング制御を受けてつくられたタンパクであることが示唆される。また、138kDa糖タンパクのアフィニティカラムを作製してその結合タンパクを探索したところ、0.1M,0.3M KC1で溶出される分画に100kDaのタンパクが存在した。これをベシクルに再構成して脂質平面膜に組み込んだところ、0.3M KC1溶出分画でカチオンチャネル活性が観測されたが、C1-チャネル活性は観測されなかった。このチャネル活性はNeomycinにより阻害されたのでSRのmaxi-K^+チャネルである可能性がある。また、骨格筋のmRNAを注入する事によって、アフリカツメガエルの卵母細胞表面膜に、筋小胞体チャネルを発現されることに成功した。
身体活動時系列に基づく新しい労働負担評価法の開発

長時間労働や変則的な夜勤交代勤務などの過重労働は、労働者の精神的・身体的負担を増長させている。これらにともない発現する著しい心身の疲労感や睡眠障害の慢性化は、精神疾患や循環器疾患の発症要因とされるため看過できない現象である。そこで、本研究では、身体活動、気分・身体症状および認知機能をその場でリアルタイムに長期に測定する簡便な生態学的・経時的手法を用いて、労働負担として現れる慢性疲労兆候を適切に評価しうる指標の確立を目的とした。今年度は、夜勤時に特徴的な気分・身体症状、認知機能と身体活動パターンとの関連について検討を行った。対象者は二交代制勤務看護師17名であった。結果は以下の通りである。(1)身体活動データ(手首部位の加速度のゼロ交差数)を基に算出した睡眠関連指標においては、仮眠休憩を取得する迄の連続勤務時間が長いほど仮眠時の睡眠潜時は有意に長かった(p<0.01)。一方、仮眠時の睡眠時間および睡眠効率では有意な差はみられなかった。(2)勤務時間の経過に伴う気分・身体症状の変化については、仮眠休憩を取得するまでの連続勤務時間が長いほど仮眠休憩前での集中力低下が著しく、仮眠休憩後では持続的注意集中機能がより低下(正答率低下、反応時間遅延、見逃しエラー数増加)し、心身機能の回復度が低い様子が観察された。これらの結果は、長時間夜勤労働の心身機能への影響は、仮眠休憩取得時刻により異なる可能性があり、仮眠休憩取得時刻が勤務時間後半となる場合には、心身機能への負担がより大きくなることを示唆するものであった。夜勤労働負担について生態学的・経時的評価手法に基づき多角的かつ定量的に評価を行った本研究の結果により、心身の不調という主観的な症状に対応する客観的な兆候を、身体活動パターンの分析および身体活動関連指標により明らかに出来る可能性が示唆された。本研究では、長時間労働や変則的な夜勤交代勤務などの過重労働に伴い発現する著しい心身の疲労感や睡眠障害(慢性的な負担兆候)を、長期に渡り簡便に測定し、適切に評価しうる指標を含めた新しい手法の開発を目的とした。今年度は、長時間夜勤看護労働に伴う心身機能の負担についての現状把握のため、急性期病棟勤務看護師15名を対象として、夜勤時に特徴的な心身機能と身体活動パターンの変化について評価を行った。その結果、以下のことが明らかとなった。(1)夜勤帯の身体活動量は日勤帯とほぼ同値であった。このことより夜勤帯では少ない人数で日勤帯相当の業務量をこなしており、身体負荷度は低くはないことが示唆された。(2)仮眠の様相を仮眠取得時刻帯別(23時群、3時群)に比較した結果、両群の仮眠休憩時間、仮眠時間(実際に睡眠を取っていたと判定された時間)および睡眠効率については有意な差はみられなかった。一方、睡眠潜時(仮眠前のテスト実施後から寝つくまでの時間)については3時群の方が有意に長かった(P<0.01)。(3)仮眠取得時刻帯の相違が心身機能へ及ぼす影響を検討するため、「群(23時群および3時群)」および「勤務時刻(5時点)」の2要因の分散分析を行った。その結果、交互作用が有意であったのは「時間切迫感」(p<0.01)であり、「勤務時刻」に有意な主効果がみられたのは「集中出来ない」、「時間切迫感」、「腰痛」、「疲労感」(p<0.01p<0.001)であった。「群」については、いずれの項目においても有意な主効果はみられなかった。そこで、勤務時間の経過に伴い観察された気分、身体症状の変化について、各群の特徴的な傾向を検討したところ、仮眠休憩を取得するまでの連続勤務時間が長いほど(3時群)、仮眠休憩後の心身機能の回復度が低く、心身への負担は大きいことが示唆された。

これらの結果は、長時間夜勤労働の心身機能への影響は、仮眠休憩取得時刻により異なる可能性があり、仮眠休憩取得時刻が勤務時間後半となる場合には、心身機能への負担がより大きくなることを示唆するものであった。夜勤労働負担について生態学的・経時的評価手法に基づき多角的かつ定量的に評価を行った本研究の結果により、心身の不調という主観的な症状に対応する客観的な兆候を、身体活動パターンの分析および身体活動関連指標により明らかに出来る可能性が示唆された。
水チェレンコフ光検出器を用いた空気シャワー観測装置性能向上手法の研究

10-100TeVガンマ線観測実験として、標高4740mに1m^2のシンチレーション検出器を15m間隔に計401台配置したEASを主装置とした実験を想定し、地表水チェレンコフ光検出器装置(WCD)の増設により到来方向決定精度が向上可能かをフルモンテカルロシミュレーションにより評価した。直径8m水深1 .9mの円筒型スチール貯水槽底に上側光電面の8φ光電子増倍管(PMT)を2m間隔に13本配置した構造のWCDを、45m間隔に計36台(6x6)配置した。入射ガンマ線の空気シャワーシミュレーションはCORSIKAコードを、検出器シミュレーションはGEANT4コードを用いた。天頂角0、15、30、45度から冪状スペクトルでガンマ線を装置中心から半径200mに降らせた。8φPMTの時間情報は、3光子以上検出した時間を用いた。結果、エネルギー分解能はEASアレイの方が良い結果となったが、例えば天頂角15度入射の10TeV領域ガンマ線に対し、角度分解能はEASのみよりも約1.6倍向上し、0.5度となり、EASにWCD検出器群を連動させることにより方向決定精度が向上する事が分かった(2019年春の日本物理学会にて発表)。又、大学内に直径3m高さ2.5mのコルゲート水槽を設置し、内部に防水シート(水バッグ)を内装し、2ヶ月間水を入れた実証実験では、内部にはボルトの凸や本体の波形があるものの、水漏れ無く実験に使用可能であることが確認できた。又直径1mの簡易水槽にて、8φPMTの信号を計測し、モンテカルロシミュレーションによるパルス波形の再現具合の一致度の確認を行った。検出器シミュレーションに既に入っているパラメータを、実験から得られた結果と比較し、より現実の装置へとシミュレーションに取り入れるための資料が得られた。最適化の余地はあるが、目的達成の可能性が高いことが確認できた。銀河系内において宇宙線加速限界付近で生成されるであろう100 TeV領域のガンマ線の観測は、宇宙線の起源・加速機構の謎を解く重要な鍵となるが、これまでその頻度の低さ故に、未観測である。チベット空気シャワー観測装置(Tibet-III)は、標高4,300 mの羊八井高原に約800台のシンチレーション検出器を配置した有効面積約40,000 m2の数TeV -数100 TeVガンマ線観測装置である。100 TeV宇宙線に対し、エネルギー分解能70150 TeV・角度分解能0.2度の性能を有する。2014年よりTibet-IIIの装置の内側に土洩2.5 m、水深1.5 mの水チェレンコフ光観測型ミューオン検出器群(MD)を設置し、両装置を連動した実験が行われており、順調にデータを取得中である。MD増設によりガンマ線観測のノイズとなるハドロン宇宙線が99 %以上除去可能となり、数10 TeV領域以上のガンマ線検出感度が1桁以上向上するため、数100 TeVガンマ線を世界で初めて観測できると考えている。次のステップとして、さらなる角度分解能の向上は、ガンマ線検出感度の向上はもとより、定常的、フレア的ガンマ線天体の加速限界や陽子加速現場の同定等に大変重要である。そこで、より安価な装置の可能性を探るため、地表上に水チェレンコフ光検出器(WP)を新たに設置し連動させることを検討している。現在、実証実験の準備とシミュレーションコードを作成中であり、実証実験では、予定していた2.0 mの深さのプールを、多様な実験ができるようにより深いタイプの装置が可能か検討している。シミュレーションはGEANT4による水チェレンコフ光検出器の性能を簡易地表水プールでシミュレーションし、データを溜め始めた所である。シミュレーションに関しては、水チェレンコフ光検出器として単体の簡易型の装置がGEANT4により作成出来たところである。空気シャワーシミュレーションイベントは既存のものを用い、進めていく。現在まだ成果として簡易型装置の性能をまとめる前の段階であるが、これは他の業務を優先したためであり、やや遅れ気味ではあるが、特に計画に支障をきたす問題はない。実証実験に関しては、装置本体は、想定していた水厚さ1.5 mの水チェレンコフ光検出器で十分小空気シャワーの検出が可能と考えているが、水深の違いによるバックグラウンドのミューオンに対する除去率がどう変わるかについても検討可能な装置の製作も検討しているため、遅れ気味となっているが、1年目の準備としては、概ね順調と考えている。シミュレーションにより、直径8m高さ2.5mの円筒型貯水槽に、13本の光電子増倍管を2m間隔に配置した水チェレンコフ光検出器装置を再現し、水深の違いによる検出感度や信号の時間情報の変化について評価し始めたところである。時間情報を用いた角度分解能評価はこれからである。また、水チェレンコフ光検出器を36台並べた場合の装置性能について評価しはじめたところである。連携研究員指導の大学院生によるシミュレーションから、シンチレーション検出器の稠密化と角度分解能の関係の式が得られた。

充填率1.1%の装置で10TeV、100TeVガンマ線に対してそれぞれ0.4度、0.2度となることが確認され、水チェレンコフ光検出器タイプで充填率57%のHAWCが10TeVで0.1度となることを式に当てはめると、本研究の直径8m検出器36台の実験では充填率3.2%となることから0.3度、0.1度は可能との予想が得られ、目標値が得られた。実証実験に関しては、貯水槽の設置業者と防水業者との打ち合わせがほぼ終わったところである。プロトタイプとしてコルゲート水槽を用いた場合、直径4m高さ2.5mで230万円で作成可能であり、本実験用として直径7m高さ2.5mを考えた場合400万円ほどとなり、光電子増倍管・ケーブル・DAQ等が7chあたり210万円とすると、1台610万円、36台で2.2億円ほどとなる。この時の充填率は、36x38m^2/50000m^2=2.7%となり、角度分解能は、10TeVで0.3度、100 TeVで0.1度を切る可能性があることがわかった。充填率が同一の装置では、水チェレンコフ光検出器はシンチレーション検出器の1/4以下で作成できる可能性があることがわかった。大学業務や本研究外の研究業務の増加、親の介護等による主担当のエフォートの低下と、その対応のための連携研究者との協力体制が不十分であったこと、いくつかの決断を後回しにしたことによる影響、自らの手で行う予定であった部分が遅れたことが、全体の計画に影響した。よって、遅れの理由は個人の環境や判断によるところが大きく、今後の実証実験をするにあたり、特別大きな壁は現在の所、見つかっていない実験のシミュレーションに関しては、自ら進める予定であった部分について、途中より学生の協力が得られたため、遅れはあるが、着実に進んでいる。実証実験用の装置の作成については装置サイズの決定、予算や実証実験としての規模、今後の拡張可能性等を踏まえ、迷いが出たため、決定出来ていないことが大きな要因となった。シミュレーションにより、直径8m高さ2.5mの円筒型貯水槽に、13本の光電子増倍管(PMT)を2m間隔に配置した水チェレンコフ光検出器装置(WCD)を標高4740mにおいて再現し、まず水深の違いによる検出感度や信号の時間情報の変化について評価した。その結果、天頂からの宇宙線に対してのWCDの光子検出効率は、水深が1.52.0m程度がよく、使用するPMTの総受光面積に比例すること、同受光面積ではPMT数が多い程、コインシデンスしやすいといった予想通りの結果が得られた。(国際会議ICRC2017にてポスター発表)次に、シンチレーション検出器とWCDsを連動させたシミュレーションを行い、到来方向決定精度をWCDsがある場合と無い場合で比較した。まだ方向決定アルゴリズムの最適化はされていない状態だが、天頂からの3 TeV、10 TeVガンマ線に対して、天頂入射のみだが角度分解能が約1.7倍向上することがわかった。残念ながら、主目的の100TeVガンマ線では、角度分解能の向上がみられなかった。今後、エネルギー毎に方向決定のアルゴリズムを最適化し、天頂角方向以外の方向決定結果も評価していく。(2018年春の日本物理学会にて発表)実証実験に関しては、貯水槽の設置が完了した。これから防水バッグを入れ、実現可能性を確認する状況である。プロトタイプとしてコルゲート水槽を用いた場合、直径3m高さ2.5mの水槽は210万円で作成可能であることがわかった。これらから、本実験用として直径8m高さ2.5mの水槽に光電子増倍管13個設置する場合、36台でおよそ3.9億円ほどと、空気シャワー検出器のみで角度決定精度を2倍に上げるために必要な予算の65%の予算で同様の角度分解能を実現できる可能生があることがわかった。
マスト細胞を標的としたアレルギー疾患根治法の創出に向けたHRFの分子基盤解明

先進国における食物アレルギーや喘息などI型アレルギーによる疾患の罹患率は急速に増え続けており、放置できない社会問題の一つである。現時点では、症状の軽減など対症療法などはあるものの、根治的な予防・治療法の確立には至っておらず、その開発が急務となっている。近年、ヒスタミン遊離因子(HRF)がマスト細胞活性化の増悪因子であることが報告された。そこで、本研究では、1HRFの分泌機序の解明と2生体におけるHRFの機能を解析できる遺伝子改変マウスを用いたアレルギー疾患における個体レベルでHRFの機能解明を目指す。以上の課題を達成することによりHRFを標的とした次世代の抗アレルギー治療薬の創製に繋げる。
分子材料の二光子吸収特性の計算化学的研究

二光子吸収断面積のための種々の理論的表式を厳密に精査し、これまで混乱のあった表式間の違いの要因を明らかにすることができた。また種々の量子化学的な近似手法の二光子吸収断面積計算への適用可能性を調べた。さらにπ共役が一次元的、及び二次元的に広がった分子系の二光子吸収特性の理論計算を通して、典型的な分子系の各々について分子構造と二光子吸収特性との関係を明らかにすることができた。特に二次元的に広がった非中心対称的な分子系の二光子吸収において、多光子過程に特徴的な負の干渉効果による得意な現象を観測することができた。本年度は、次の三方向からの研究を実施した。(1)二光子吸収断面積の理論表式間の関係の明確化実験的に得られる二光子吸収断面積を、理論的に導くためには物理的状況に応じて適切な表式を用いる必要があるが、これまで統一した表式が用いられていない現状があった。これまで用いられてきた種々の二光子吸収断面積のための理論的表式を厳密に精査し、違いをもたらす三つの因子「二光子吸収断面積の定義の違い」「第二超分極率の定義の違い」「取扱う物理的状况の違い」の影響を明らかにすることができた。(2)二光子吸収断面積計算に適した量子化学的な近似理論の探索TPEB[tetrakis(phenylethynyl)benzene]のような二次元的に広がった大分子の二光子吸収特性計算への、TDDFT法の適用可能性を調べた。D-A型の双極構造を持つ分子群については、励起エネルギーを過小評価すること、また永久双極子モーメントを過大評価することなどの欠点があるが、概ね、二光子吸収スペクトルが理論計算によって再現できていることを確かめた。(3)大きい二光子吸収特性を持つ分子群の計算化学による探索D-A型の双極構造を持つ分子群の励起状態構造を、置換スチルベン類分子を対象として、理論計算により詳細に調べた。その結果(1)双極構造が大きく関与する基底一励起状態間の永久我極子モーメント差が重要であるような励起状態は、主にHOMO-LUMO遷移が関与する最低励起状態のみであり(2)それ以外の励起状態に関しては、通常の仮想的な中間状態を経由する三状態近似が成り立ち、双極構造はそれほど重要ではないこと、などを明らかにした。本年度は、前年度から取りあげてきたTPEB分子のような二次元的に広がった分子の二光子吸収(TPA)特性に関して、実験的に得られたTPA特性を支配する要因を明らかにすることを目的として、その構造と特性の相関を、計算化学の立場からさらに詳細な解析を行った。計算からTPA特性は、分子全体の対称性及び置換基の位置に大きく依存することが分かった。TPEBのMOは互いに交差する二つのBPEBのMOの一次結合で表せることが分かった。中心対称的なTPEBの内、すべての末端基をドナー基で置換したTD-TPEBでは交差するD-π-D型のBPEBのHOMO-LUMO遷移は一光子許容で、二光子禁制である。そのためTD-TPEBのHOMO-LUMO遷移に近い低いエネルギー領域には二光子吸収許容な遷移は出現しない。一方para-TPEBはD-π-D型とA-π-A型のBPEBが交差した形になっているため、D-π-D型、A-π-A型分岐内のMO間の遷移は、対応するBPEBでの遷移に似たものとなる。一方D-π-D型分岐からA-π-A型分岐へのTPA許容な遷移が比較的低いエネルギー領域に現れる。このことがpara-TPEBのTPAスペクトルをブロードなものとしていることが分かった。また、非中心対称的なTPEBでは、パリティ選択則がないため、原理的には全ての励起状態が一光子及び二光子遷移許容となる。しかしながら、一光子吸収が強いにも拘らず、二光子吸収を殆ど示さない励起状態があることが分かっていた。今回の解析の結果、これらが異なる遷移パスの遷移確率間の負の干渉効果によるものであることが明らかになった。この干渉効果は、多光子過程に特有な量子力学的な効果によるもので、これまでにも理論的予測はされていたものである。今回の理論解析の結果によって、我々の得た実験的な結果が、確かにそのような量子力学的な干渉効果の現れであることを初めて示すことができた。
統計的学習理論と凸最適化アルゴリズムに基づく大規模データの自動分類法に関する研究

本研究を通して,大規模データに対する統計的手法並びに凸最適化に基づく自動分類法を応用することにより,広範な諸問題に対して精度の高い解を効果的に求めることが可能であることを示した.具体的にはデータに秘匿性を持たせて学習を行うプライバシー保護分散処理問題,ECサイトにおける潜在クラスの解析問題,動的再構成回路の設計問題,L1最適化による文書分類問題,CARTを用いた無ひずみデータ圧縮,授業への出欠情報を用いた隠れ属性モデル解析問題,ランダムマルコフフィールドを用いた大規模故障診断問題,大規模プログラミング編集履歴取得・可視化,等々に対するアルゴリズム並びに解析手法を提案し,それらの有効性を示した.本年はまず既存の自動分類法に対する調査を行った.具体的な内容としては統計的手法であるフィッシャーの判別分析やナイーブベイズモデルなどの線形識別法,非線形モデルであるニューラルネットワーク,凸最適化を用いたカーネル法であるサポートベクターマシン(SVM),さらにカーネル法に対してベイズ統計学を駆使した関連ベクトルマシン(RVM),さらには集団学習法として脚光を浴びているアダブーストやランダムフォレストといった手法に加え,潜在クラスモデルなどについての現状及び応用分野の調査を行った.これらの調査した内容の一部は初学者を対象とした著書「入門パターン認識と機械学習」としてコロナ社から刊行を行った.さらに上記手法それぞれの自動分類プログラムの構築を行い,大規模データへの応用のための準備を行った.またサーバ間で並列処理を行うときに,データに秘匿性を持たせつつお互いに協力して学習を行うプライバシー保護分散処理に関する論文を投稿し,採録されている.また上の最適化手法を用いた動的再構成回路の設計に関する研究について学会発表及び論文投稿を行い,採録が決定している.さらに大規模データ解析に向いている自動分類法の特徴を活かし,無ひずみ画像データ圧縮へ応用する手法に関して学会発表を行った.一方大規模データへの自動分類の応用を目的として,ECサイトの実購買データを用いたコンペティションに参加を行い,上述の自動分類法を用いた解析を行った.具体的にはECサイトの購買情報に対して潜在クラスモデル,特にFlexible Mixture Model(FMM)と凸最適化手法の組み合わせを用いて購買者及び商品のグルーピングと,それぞれのグループが持つ有意な属性を推定する手法の開発を行った.平成25年度に調査を行った統計的手法及び凸最適化によるパターン認識技術をもとに,著書「入門パターン認識と機械学習」としてコロナ社から刊行を行った.これらの準備をもとに,まず凸最適化手法を用いたメトリックラーニング手法の開発を行った.具体的にはビッグデータの自動分類手法において重要となるデータ間のマハラノビス距離尺度を,効果的な凸最適化手法である交互方向乗数法(ADMM)を用いて求める手法を提案した.この手法は,マハラノビス距離の持つべき性質を評価項目に組み込むと,かなり広範囲に効率的な最適化を実行し,所望のマハラノビス距離を高速に求めることができる.またその収束性及び最適性を保証しており,並列化も可能である.本成果は国際会議および論文誌への掲載が決定している.一方大規模データ解析を目的とした,隠れ属性の存在する確率モデルにおける特徴抽出手法の提案を行った.具体的にはクラウド上に存在する大規模な大学の学籍情報や学生・教員・授業データを用いて,フレキシブルな隠れ属性が存在する確率モデルに対し,EMアルゴリズムを用いることにより収束を保証した特徴抽出アルゴリズムを提案している.結果的に学生の特徴だけでなく教員の授業の特徴を出力することができ,FD活動などにデータを活用することを可能とした.さらに大規模故障診断問題を対象として,故障に対するモデルをランダムマルコフフィールドと捉え,効果的な積和アルゴリズムとその性能評価を行った.結果的にこのアルゴリズムは収束性及び最適性を保証している.さらにこのアルゴリズムは並列計算を可能とし,大規模計算向きアルゴリズムとなっている.これらの結果はIEEE国際会議に発表済みである.またこれらの最適化手法を用いた動的再構成回路の設計に関する論文を投稿し,採録されている.本年の主な研究成果として,(1)L1正則化による大規模計量行列の導出手法,(2)変分ベイズ法を用いた隠れ属性モデル解析手法,(3)ECサイトにおける購買情報の解析手法,(4)大規模プログラミング編集履歴取得・可視化システムの構築と解析,の提案を行った.具体的に(1)では,ビッグデータに対する計量行列の評価指標にL1正則化項を導入した時に,統一的に凸最適化手法であるADMMを用いて高速に最適化を実現する手法を提案し,さらにその結果得られる計量行列の固有値の特性を解析的に導出した.(2)ではマーケティングにおける各サービスに対する顧客の消費行動や評価値などを解析するための統計的隠れ属性モデルの提案を行い,このモデルに対して変分ベイズ法により解を効果的に求める手法の導出を行っている.(3)ではECサイトにおける購買情報に対して統計的モデルであるFMMと凸最適化手法の組み合わせによって購買者及び商品のグルーピングと,それぞれのグループが持つ有意な属性を推定する手法を提案している.さらに(4)において,初学者のC/C++言語プログラミング教育を対象に,WEB上でプログラムの作成及び実行を可能とし,同時に詳細な学習者の大規模編集履歴を取得・可視化するWEBシステムを構築した.研究期間全体を通して本研究の大きな意義並びに重要性は,大規模データに対して統計的手法並びに凸最適化それぞれの長所を用いることにより,広範な諸問題に対して精度の高い解を効果的に求めることが可能となったことである.

具体的には上で述べた最終年度の成果の他,データに秘匿性を持たせたまま学習を行うプライバシー保護分散処理問題,最適化手法を用いた動的再構成回路の設計問題,ビッグデータ解析による木構造を用いた無ひずみデータ圧縮手法,学生の授業への出欠情報を用いた隠れ属性モデル解析問題,ランダムマルコフフィールドを用いた大規模故障診断問題,等々である.本研究を通して,大規模データに対する統計的手法並びに凸最適化に基づく自動分類法を応用することにより,広範な諸問題に対して精度の高い解を効果的に求めることが可能であることを示した.具体的にはデータに秘匿性を持たせて学習を行うプライバシー保護分散処理問題,ECサイトにおける潜在クラスの解析問題,動的再構成回路の設計問題,L1最適化による文書分類問題,CARTを用いた無ひずみデータ圧縮,授業への出欠情報を用いた隠れ属性モデル解析問題,ランダムマルコフフィールドを用いた大規模故障診断問題,大規模プログラミング編集履歴取得・可視化,等々に対するアルゴリズム並びに解析手法を提案し,それらの有効性を示した.おおむね平成26年度の研究計画通りに進捗している.機械学習及びパターン認識において,凸最適化及び統計的学習に関する著書を刊行した.また査読付き学術論文誌掲載3件,査読付き国際会議4件,国内学会発表3件と,順調であると考える.学習理論大規模データに対する数理モデル及びアルゴリズムの開発が十分進んで準備が整ったため,今後はさらに大規模なデータに対する実験に注力する.現在まで利用してきた湘南工科大学のサーバ施設の他に,本年導入予定のサーバ類を利用することにより,大規模データの分散処理実験を行う予定である.これにより自動分類の精度評価,分散処理によるネットワークの使用量と計算量の最適化などの評価を行う.またアルゴリズムにおける各種パラメータの最適化なども行う予定である.最終的に本プロジェクトで開発を行った数理モデルや各種アルゴリズムの評価や妥当性の検証を行う.電子情報通信学会I-Scoverプロジェクトメンバーとして,大規模なメタデータの横断的検索システムの開発に携わっている.これは平成27年11月のロールアウトを予定しており,こちらにも大規模データ解析手法の導入を目指している.おおむね平成25年度の研究計画の通りに進捗している.自動分類法の調査及び検討の結果の一部として,著書を1件刊行した.また研究実績でも述べた内容について,査読付き学術論文誌掲載7件,査読付き国際会議2件,国内学会発表4件と順調であると考える.購入を予定していた実験用サーバ機について,今年度も湘南工科大学の実験設備を利用することができたため,購入を見送ったことによる.研究を推進するための既存手法に関する知識とプログラミング環境は整ったため,今後は具体的な分散処理向き大規模自動分類アルゴリズムの検討を行う.今年度の研究において,複数のサーバ間で線形回帰問題に対する最小二乗階を求めるアルゴリズムの提案を行った.ここでは線形回帰及び最小二乗解という比較的単純なモデルを対象としたが,一般の自動分類法へとこれらの手法を拡張することを検討する.また数多くの分散処理
核融合炉材料の使用条件下でのクリープ曲線の推定

核融合炉材料の使用条件下での長時間クリープ曲線を短時間試験から推定する方法を確立することを目的とし、以下の研究を行った。1.長時間挙動推定法の確立:本研究で提案したクリープ構成式ε=εo+A{1-exp(-αt)}+B{exp(αt)-1}(1)の材料定数εo、A、Bとαは単純な応力・温度依存性を示し、長時間条件下での材料定数が容易にかつ精度よく推定できること、そして10倍程度長持間のクリープ曲線が容易に十分な精度で推定できることが確認された。2.非熱的降伏応力を境としたクリープ挙動遷移:多くの材料では、最小クリープ速度や破断寿命が、ある応力を境として不連続な変化を示す。実験結果を低応力へ外挿する際には、このクリープ挙動遷移がなぜ起きるかを知っておかなければならない。本研究の結果、外力のみで転位が障害物を乗り越えられるようになる非熱的降伏応力を境として、クリープ挙動遷移が起きることが明らかになった。そして、実使用条件下での挙動を正しく把握するには、この降伏応力以下で試験を行なう必要があることが指摘された。3.非熱的降伏応力以下でのクリープ-疲労相互作用:核融合炉は間歇的な運転条件で使用される可能性があり、変動応力下での長時間クリープ挙動やクリープ-疲労相互作用に関する知見も必要である。ところで、低サイクル疲労やクリープ-疲労相互作用に関する多くの研究は、非熱的降伏応力を越える応力や歪振幅で行われており、この降伏応力以下での挙動は十分には理解されていない。そこでこの低応力域に着目してサイクリッククリープ試験を行った。その結果、材料が実際に使われる非熱的降伏応力以下の領域では、静的クリープに比べて変形が遅れ、破断時間が長くなるという従来の定説とは逆の新しい知見が得られた。なお、疲労の影響で、低い歪量で急激な破断が起きることも分かった。