hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
高効率電磁界解析のための新しい均質化法の開発と応用

不整合メッシュを使用する有限要素解析の精度を向上するための,新たな均質化法を開発した.開発した均質化法では,媒質定数をテンソルとして適切に設定することにより,準一様電磁界に対して有限要素法の解と厳密解の一致を数学的に保証する.異方性・非線形媒質を適切に扱う理論を構築し,マルチグリッド法と連携させることによる高速解析手法を開発した.一般化有限要素法の観点からの理論の整理についても行った.平成26年度には、本研究で開発に取り組む均質化法に関して、(a)解析対象が非線形性媒質を含む場合への応用(b)解析対象が異方性媒質を含む場合への応用の2つのテーマについて特に注力して研究を進めた。それぞれの具体的な内容を以下に記述する。(a)線形等方性の媒質のみが存在する場合の均質化法については平成25年度以前に既に手法を確立しているが、等方非線形媒質を含む解析への同手法の応用について検討を行った。線形等方性の場合の均質化法の理論は非線形の場合にもほぼ修正なく応用できるが、均質化を行う小領域それぞれにおいて小規模の非線形方程式を解くことが求められる。26年度には、比較的簡単なテスト解析について、これらの非線形方程式をニュートンラプソン法で解くことにより、線形媒質の場合と同様の解析精度向上効果が得られることを確かめた。また大規模な全体方式そのものも非線形方程式となるが、その求解法としてニュートンラプソン法を使用するのは容易ではないため、現状では簡易的な反復法を使用するに留まっている。ニュートンラプソン法などのより高効率な求解法に関する検討を27年度以降行う。(b)解析対象が異方性媒質を含む場合、等方性媒質を前提として導出した均質化法の理論には小さくない修正が必要となる。26年度には、異方性媒質を含むことを前提として均質化法の理論を再整理し、簡単な例題について、等方性媒質の問題と同様に理想的な精度向上効果が得られることを確認した。当初の予定の一つであった3次元解析への均質化法の応用については27年度以降に進めることとしたが、これは26年度には、より理論的な困難が大きいと予想されるテーマに優先的に取り組んだためである。平成27年度には、本研究で開発に取り組む均質化法に関して、(a)マルチグリッド法との連携による高速解析手法(b)解析対象が異方性媒質を含む場合への応用の2つのテーマについて研究を進めた。(a)前年度までの研究で確立した均質化手法を用いることにより構造型メッシュを用いた高精度電磁界解析が可能になるため、さらに構造型メッシュと親和性の高いマルチグリッド法を応用することで解析の飛躍的な高速化が期待できる。ただし,不整合メッシュを含む有限要素解析においてマルチグリッド法を応用する場合、マルチグリッド法で用いられる複数グリッド間の写像行列について標準的な作成法を用いるのでは、反復求解の加速効果を十分に得ることができない。平成27年度の研究では、不整合メッシュ中の電磁界諸量の振る舞いについて考察することにより,マルチグリッド法と均質化法とを連携するための新しい写像行列の作成法を開発し,2次元静磁界解析の例題についてその有効性を確かめた。(b)解析対象が異方性媒質を含む場合、等方性媒質を前提として導出した均質化法の理論をそのまま使用することはできない。平成27年度には,等方性媒質の場合の理論に修正を加えつつ再構築することで、異方性媒質を含む場合の均質化法の理論を確立した。異方性媒質を含むテスト解析について等方性媒質の問題と同様の理想的な精度向上効果が得られることを確認した。本課題の主要テーマについて研究を遂行し、比較的困難が大きいと予想されたテーマについても良好な研究成果が得られている。平成28年度には、本研究で開発に取り組むメッシュ均質化法について、(a)非線形性を含む静磁界有限要素解析への適用(b)理論的観点からの一般化有限要素法との比較の2つのテーマについて研究を進めた。(a)非線形磁気特性を持つ材料が解析対象に含まれる場合、有限要素法で導かれる方程式も非線形方程式となる。その求解法としてニュートンラフソン法が最も広く用いられているが、ニュートンラフソン法の各反復において現れる方程式は、線形解析における磁気抵抗率を微分磁気抵抗率に置き換えた形で表される。通常、微分磁気抵抗率は異方性を含むテンソルの形で与えられるが、前年度までに異方性材料を扱う場合のメッシュ均質化法が開発されているため、これを用いることで、非線形解析においても有効なメッシュ均質化法を構築できることが確認された。(b)本研究で提案したメッシュ均質化法が、既存の一般化有限要素法とは異なる手法であることは既にこれまでの研究で明らかにされている。本年度は、本メッシュ均質化法と一般化有限要素法との関係について、さらに理論的検討を進めた。本メッシュ均質化法を広い意味における一般化有限要素法の枠組みで表現することは可能であり、材料境界における電磁界の"屈折"を表現する関数を形状関数として選び、重み関数として通常の一次形状関数を用いることで、本研究で提案したメッシュ均質化法が得られることを明らかにした。不整合メッシュを使用する有限要素解析の精度を向上するための,新たな均質化法を開発した.

開発した均質化法では,媒質定数をテンソルとして適切に設定することにより,準一様電磁界に対して有限要素法の解と厳密解の一致を数学的に保証する.異方性・非線形媒質を適切に扱う理論を構築し,マルチグリッド法と連携させることによる高速解析手法を開発した.一般化有限要素法の観点からの理論の整理についても行った.本課題の主要テーマについて研究を遂行し、比較的困難が大きいと予想されたテーマについて予定通りの研究成果が得られている。平成28年度には、本課題で取り組む均質化法の(a)異方性・非線形性を含む実用問題への応用(b)ボクセル有限要素解析への応用について研究を進める予定である。計算電磁気学平成27年度には、本課題で取り組む均質化法の(a)異方性・非線形性を含む実用問題への応用(b)3次元問題への応用(c)ボクセル有限要素解析への応用について取り組む予定である。予定していたコンパイラの更新の緊急性が低下したことから,平成27年度中の購入を見送ったため。予定していたパソコン・コンパイラの購入を次年度以降に繰り延べたため、次年度使用額が生じている。平成28年度における国際会議発表の回数が予定より増加する見込みであるため、国際会議旅費として活用する予定である。次年度以降、パソコン・コンパイラの購入に使用する。
多重輸送障壁の分布形成・崩壊の相互作用ダイナミクスと熱排出抑制の研究

多重輸送障壁の分布形成・崩壊の研究を可能とする炉心・周辺プラズマ統合コードを開発した。開発した統合コードを用いたシミュレーションにより、境界輸送障壁崩壊の熱排出特性、燃料粒子ペレット入射による境界輸送障壁崩壊誘起機構、高いプラズマ圧力を維持しつつ熱排出を大きく抑制できる条件、電流分布に依存して形成された箱型の内部輸送障壁に境界輸送障壁の崩壊はほぼ影響しないことを明らかにした。また、実験データを用いて放物型内部輸送障壁を模擬する輸送モデルを検証した。1.統合モデル・コードの開発・改良:粒子補給固体ペレット入射コードを開発して、炉心・周辺統合コード(炉心プラズマの1.5次元輸送コードTOPICSに周辺プラズマの5点モデルを結合した統合コード)に結合した。これにより、多重輸送障壁の分布形成・崩壌のペレットを用いた制御研究を可能とした。2.境界輸送障壁崩壌の熱排出特性評価と抑制制御:開発した統合コードを用いたシミュレーションにより、境界輸送障壁内側の圧力勾配の急峻化により不安定モードの固有関数が広がり、境界輸送障壁崩壊による熱排出を増加させることを明らかにした。さらに、この予測をJT-60Uの実験解析により確かめ、モデルの妥当性を確認するとともに実験で未解明の機構を統合シミュレーションで初めて明らかにすることができた。また、境界輸送障壁に固体ペレットを入射するシミュレーションを行い、ペレットによるエネルギー吸収と輸送の増幅の2つの効果が崩壌を誘起することを明らかにし、それらの効果の局所性のために不安定モードの固有関数が狭くなり、その結果、熱排出を抑制できることを明らかにした。得られた結果は概ね実験で観測された結果と一致しており、実験で未解明だったペレットによる崩壊誘起機構を明らかにでき、熱排出抑制に対するペレットの有効性を示すことができた。3.研究調査および成果発表:ヨーロッパ共同体の核融合研究で中心的役割を担う英国Culham研究所を訪問し調査・議論を行い、コード統合化手法や関連する研究について情報を得た。また、第20回International Toki Conferenceで招待講演、第23回IAEA Fusion Energy Conferenceでポスター発表を行うなど、得られた研究成果の発表を行い、調査・討論を通して、崩壌現象とその制御等の情報を得た。1.統合モデル・コードの改良:炉心・周辺統合コード(炉心プラズマの1.5次元輸送コードTOPICSに周辺プラズマの5点モデルを結合した統合コード)に粒子補給固体ペレット入射コードを結合したコードを改良して、多重輸送障壁の分布形成・崩壊のペレットを用いた制御研究を効率良く行えるようにした。2.境界輸送障壁(ETB)崩壊の熱排出抑制制御:開発した統合コードを用いて、ペレットを様々な条件で入射するシミュレーションを行い、熱排出特性を調べた。自然発生するETB形成・崩壊サイクル中の遅い入射タイミングの場合、熱排出量は変化しないが、早い入射タイミングならば条件次第で熱排出を低減できることを明らかにした。自然発生崩壊直後の入射では、小さいあるいは遅いペレットで熱排出は低減できる。一方、中間の入射タイミングでは、高(低)磁場側から、より大きい(小さい)あるいは遅い(速い)ペレットで、熱排出を低減できることが分かった。早いタイミングや大きいペレットだとプラズマの高圧力化を阻害する恐れがあるため、熱排出低減と高圧力化の両立性を今後検討する必要がある。3.ETB崩壊の内部輸送障壁(ITB)への影響:JT-60Uの実験で妥当性を検証した箱型ITBを模擬する輸送モデルを用いて、ETB崩壊のITBへの影響をシミュレーションで調べた結果、崩壊が直接に電流分布を変化させない条件下では、電流分布の摂動はITB位置までは伝わらず磁気シアに大きく依存して形成されたITBには、ほとんど影響しないことが分かった。今後、放物型ITBへの影響を調べる予定である。4.研究調査および成果発表:プラズマシミュレータシンポジウム2011で招待講演、第13回Hモード物理と輸送障壁に関する国際ワークショップでポスター発表を行うなど、得られた研究成果の発表を行い、調査・討論を通して、関連する研究の情報を得だ。1.統合モデル・コードの改良:炉心・周辺統合コード(炉心プラズマの1.5次元輸送コードTOPICSに周辺プラズマの5点モデルを結合した統合コード)に粒子供給ペレット入射モデルを結合したコードをさらに改良して、ペレットを用いた制御研究を効率良く行えるようにした。2.境界輸送障壁(ETB)崩壊の熱排出抑制とプラズマの高圧力化との両立性:統合シミュレーションを行い、高いプラズマ圧力を維持しつつ熱排出を大きく抑制できる条件を調べた。自然発生するETB形成・崩壊サイクルの中間のタイミングに相当するプラズマにペレットを入射すると、プラズマ圧力をあまり低くしない(自然発生崩壊時より5%程度低い)で、熱排出を大きく抑制できた。その場合、低磁場側から入射すれば小さいペレット(ETB内の粒子数の1%程度)で熱排出を大きく抑制できる。また、ペレットの入射速度を遅くすると浅い位置で崩壊を起こして熱排出を大きくしてしまうことから、輸送障壁の内側端に近づける速度が必要であった。

以上の条件で、ペレットはETB内深く侵入し、ETB内側端に局所化した崩壊を起こすことで、熱排出を大きく抑制することを明らかにした。3.内部輸送障壁(ITB)を模擬する輸送モデルの検証:放物型ITBを模擬する輸送モデルは未だ実験で検証されていないため、JT-60Uのデータを用いて輸送モデルを検証した。電流拡散バルーニングモードモデルとボーム・ジャイロボーム(BgB)モデルは、実験に近い温度分布が得られるが、ドリフト波乱流モデルGLF23は実験に比べ温度が高くなった。ただし、BgBモデルでは明確なITBが見られない。より多くの実験データと比べ検証する必要がある。4.研究調査および成果発表:第24回IAEA核融合エネルギー会議で口頭発表を行うなど、得られた研究成果の発表を行い、調査・討論を通して、関連する研究の情報を得た。東日本大震災による被災および福島原発事故対応の業務のため研究を中断したため。研究者の所属研究機関である日本原子力研究開発機構は、福島原発事故対応のために職員を福島県、文部科学省等に一定期間派遣しており、研究代表者も派遣され派遣期間中は研究を中断した。24年度が最終年度であるため、記入しない。福島原発事故対応の業務のため、今後も研究が中断する恐れがある。中断による研究遂行への影響を最小限にするために、次の2つの項目に絞って研究を遂行して成果を得る予定である。(1)境界輸送障壁の熱排出抑制条件とプラズマの高圧力化との両立性(2)境界輸送障壁形成・崩壊による内部輸送障壁への影響24年度が最終年度であるため、記入しない。
健診所見と生活習慣の医療費予測性に関する大規模コホート研究

健診受診者を対象とした大規模前向きコホート研究データに医療費情報を追加することによって、75歳未満の市町村国保加入者4,481人について循環器疾患危険因子(肥満、高血圧、糖尿病、脂質異常、現在喫煙)保有数別の医療費支出状況を明らかにした。結果として、危険因子が多い者ほど医療費を過剰に支出している現状を示すとともに、危険因子保有者によって総医療費の20.2%が過剰支出されたことが示唆された。本研究の目的は岩手県北部・沿岸地域の住民26,742人を対象とした大規模な前向きコホート研究である岩手県北地域コホート研究(県北コホート)のデータにレセプトデータを追加し、健診所見や生活習慣が医療費支出に及ぼす影響を明らかにすることである。平成20年度は対象市町村におけるレセプトデータ収集体制を構築した。まず本年度前半には、岩手県国民健康保険連合に赴き岩手県内の市町村でのレセプトデータの電子化状況について調査した。この結果、平成18年度以降のレセプトデータが電子化されており、電子帳票ソフト「快速サーチャー」によって管理されていることが分かった。また電子化されたレセプトデータは当該市町村のコンピュータ端末において閲覧することが可能であり、CSVファイルとしてダウンロードできることが判明した。次いで研究代表者が平成19年度に実際に医療費分析を行った岩手県矢巾町で「快速サーチャー」のデータ項目を確認し、医療費情報として月毎・医療機関別の総保険点数および入院・外来別保険点数が利用できることを確認した。個人特定情報として漢字氏名、性、生年月、被保険者証番号・個人番号が利用できることが判明した。一方、傷病名は電子化されていないことが分かった。本年度後半は、対象市町村のうち洋野町と久慈市において各保健センターを通じてレセプトデータ収集に向けての交渉を行った。特に洋野町では福祉課国保係の担当者と面談し、具体的なレセプトデータの収集方法について協議し、平成21年4月から5月にレセプトデータの収集を行うこととなった。平成21年度は洋野町で収集されたレセプトデータと県北コホートデータを結合し予備的解析を行うとともに、久慈市を含む他の対象市町村でも洋野町で構築したレセプトデータ収集方法を用いてレセプトデータを収集する予定である。本研究の目的は平成14年から開始された健診受診者26,469人を対象とした前向きコホート研究のデータを用いて、健診所見と生活習慣の医療費予測性について検討することである。平成21年度は対象地域(13市町村)のうち洋野町の研究参加者2,333人のうち国保加入者1,557人(66.7%)を対象として、平成18年2月から平成21年4月までのレセプトデータを収集した。今回は40-69歳の1,166人(平均57.8歳、男性31%)を解析対象とした。対象者を危険因子(高血圧、耐糖能異常、脂質異常、喫煙、肥満(BMI≧25kg/m^2))の有無で分類した。医療費はレセプトデータから個人の対象期間中の総医療費を国保加入期間で除し、個人当たり1か月当たりの平均総医療費として算出した。各危険因子の有無別に医療費の中央値を求め、比較にはMann-Whitney検定を用いた。各危険因子の有無別のた医療費の中央値は、高血圧あり(524人)15,103円vs.なし(644人)7,988円(p<0.001)、耐糖能異常あり(71人)22,944円vs.なし(1,095人)11,106円(p<0.001)、脂質異常あり(295人)12,431円vs.なし(871人)11,121円(p=0.35)、喫煙あり(263人)10,924円vs.なし(903人)11,698円(p=0.98)、肥満あり(448人)14,236円vs.なし(718人)10,041円(p<0.001)であった。今回の解析では、高血圧、耐糖能異常、肥満がある者で医療費が過剰に支出されている可能性を示した。今後、危険因子の集積状況による医療費の過剰支出や医療費全体に対する影響(寄与割合)等について解析を進める。また、より精度の高い解析を行うため残る12市町村について対象者のレセプトデータを収集する予定である。本研究の目的は平成14年から開始された健診受診者を対象とした前向きコホート研究のデータを用いて、健診所見と生活習慣の医療費予測性について検討することである。本研究ではまず、対象12市町村中、5市町村で医療情報提供に関する覚書を締結した。

その後、5市町村において平成18年2月時点で75歳未満の国保加入者4,841人を対象として、平成18年2月から最長54か月間のレセプトデータを収集した。対象者を危険因子(高血圧、糖尿病、脂質異常、現在喫煙、肥満(BMI≧25kg/m^2))の保有数によって、0、1、2、3個以上の4群に分類した。医療費はレセプトデータから対象期間中の総医療費を国保加入期間で除し、1人当たり1か月当たりの総医療費として算出した。危険因子の保有数別に1人当たり1か月当たりの総医療費の平均値を求め、ANOVAを用いて比較した。対象者の平均年齢は60.3歳、男性割合は33.1%、危険因子保有数の内訳は0個:265人(16.5%)、1個:534人(33.3%)、2個:506人(31.5%)、3個以上:299人(18.6%)であった。各群の1人当たり1か月当たりの総医療費の平均は、0個:11,350円、1個:13,118円、2個:15,219円、3個以上:17,572円であり、危険因子0個の者に比べて、2個ならび3個以上の者では医療費が有意に高かった(0個vs.2個:p=0.009,0個vs.3個以上:p<0.001)。危険因子保有者による医療費過剰支出の寄与割合は1個:4.6%、2個:9.5%、3個以上:6.2%であり、危険因子保有者によって総医療費の20.2%が過剰に支払われたことが示唆された。健診所見と生活習慣に基づく本研究の結果は、循環器疾患危険因子が多い者の医療費過剰支出の現状を示すとともに、危険因子保有状況の改善によって医療費がどの程度削減される可能性があるのかを定量的に示した。
内因性ステロイドによる大腸癌の発癌・癌増殖の抑制に関する研究

1)Dehydroepiandrosterone(DHEA)の癌増殖抑制機序を明らかにするため、DHEA、DHEA-sulfate、epiandrosterone、pregnenolone、7αOH-DHEA、7βOH-DHEAおよび7keto-DHEAの作用を比較検討した。その結果、これらDHEAの類似ステロイドも程度の差はあれ、癌細胞増殖抑制作用を持つことが明らかになった。その増殖抑制作用の強弱は、従来の説のようにglucose-6-phosphate dehydrogenase(G6PD)活性阻害の強さとある程度関係していると思われたが、それのみでは説明できず、HMG-CoA reductaseからp21ras/GTP蛋白のイソプレニレーションを介してMAP-kinaseに至るシグナル伝達系の抑制も関係していると考えられた。このシグナル伝達系の阻害ポイントとしては、これまでHMG-CoA reductaseが考えられていたが、今回の我々の結果は、p21ras/GTP蛋白以降MAP-kinaseまでの経路に存在することを強く示唆するものであった。本年度は、デヒドロエピアンドロステロン(DHEA)を用いた癌増殖抑制に関する研究を進めていく上で必要な、基礎実験およびDHEA誘導体の準備を行った。1)培養肝癌細胞(HepG2)に各種濃度のDHEAおよび硫酸抱合型DHEA(DHEA-S)を添加して、細胞数の増加から、癌細胞増殖抑制に必要なDHEAの濃度に関する実験を行った。その結果、DHEA 100mMまたはDHEA-S 500mMの添加にて、完全にHepG2の増殖が抑制されることが明らかになった。2)増殖抑制の機序を明らかにするために、コレステロール合成系の律速酵素HMG-CoA reductase、核酸のリボース合成系の律速酵素Glucose-6-phosphate dehydrogenase、Rasを介した細胞増殖シグナル伝達系の主要酵素MAPkinaseの3つの活性を知ることが重要と考えられ、それらの測定系を確立した。3)DHEAの誘導体でありDHEAの活性型と考えられている7α-hydroxy-DHEAおよび7β-hydroxy-DHEAを化学的に合成した。4)高分解能GC/SIMによって、DHEAおよびその誘導体を、高い信頼性の下で高感度測定する方法を開発した。1.DHEAの作用機序の解明および誘導体間の生理活性の比較DHEAおよび類似構造を持つ他の内因性ステロイドであるDHEA-sulfate、epiandrosterone、pregnenolone、およびetiocholanoloneのglucose-6-phosphate dehydrogenase(G6PD)活性への影響をヒト肝癌細胞株HepG2を用いて検討した。その結果、etiocholanolone以外のステロイドはいずれも濃度依存的にG6PD活性を抑制したが、etiocholanoloneは全く抑制しなかった。一方、これらステロイドの癌増殖抑制効果を、細胞数およびMTT assayにて評価したところ、etiocholanoloneを含む全てのステロイドで濃度依存的に抑制効果が認められた。また、これらのステロイドを添加しても培養液中にLDHの増加は認められず、ステロイドによる直接的なcytotoxicityが細胞増殖抑制効果の主因ではないと考えられた。DHEAの癌増殖抑制機序は、G6PD活性の阻害によるリボース供給のブロックが主因との考えが現在の主流であるが、上記の結果よりG6PD活性の阻害にはよらない別の細胞増殖抑制機序の存在が示唆された。現在その機序を明らかにするため、HMG-CoAreductaseおよびMAP kinaseの活性を測定中である。2.癌移植ラットでのDHEA投与の影響In vivoでの抑制効果を明らかにするため、肝癌細胞移植ラットの作成準備中である。移植したラット組織のステロール分析をisotope dilution mass spectrometryにて測定するため、内部標準としての重水素標識したDHEAおよびその誘導体を合成している。1.DHEA誘導体間の生理活性の比較2.DHEAの作用機序の解明3.血中DHEA誘導体定量方法の開発内部標準物質としてDHEAに加え、7αOH-DHEA,7βOH-DHEA,7keto-DHEA重水素標識体を合成した。またシリカゲルカラムを用いた血清中DHEA誘導体の精製およびGC/SIMを用いた定量方法を完成させ、ヒト血清を用いて実際に定量を試みた。
大電流電子源と電気推進機とのカップリング時における作動安定化

現在,宇宙大量物資輸送用として,燃費が良い電気推進機の大出力化が進められている.その放電に使用される電子源の大電流化も必要であり,研究代表者らは国内初100Aの電子源を開発し,その作動安定化指針も明らかにしてきた.一方,電子源と推進機とのカップリング試験では,電子源単体試験でみられた安定な作動を維持できず,安定・不安定な作動モードが頻繁に遷移し,系全体としての作動が不安定になることがわかった.そこで本研究の目的は,電子源と推進機のカップリング時の不安定放電の原因を追求し,この回避策を見出すことである.現在,宇宙大量物資輸送用として,燃費が良い電気推進機の大出力化が進められている.その放電に使用される電子源の大電流化も必要であり,研究代表者らは国内初100Aの電子源を開発し,その作動安定化指針も明らかにしてきた.一方,電子源と推進機とのカップリング試験では,電子源単体試験でみられた安定な作動を維持できず,安定・不安定な作動モードが頻繁に遷移し,系全体としての作動が不安定になることがわかった.そこで本研究の目的は,電子源と推進機のカップリング時の不安定放電の原因を追求し,この回避策を見出すことである.
新しい代謝制御システムに基づく、加齢性疾患の性差医療基盤の構築

アドレノメデュリン(AM)は、多彩な生理活性を有するペプチド因子である。AMとそのファミリー因子の受容体であるCLRには、RAMPという1回膜貫通型タンパクが結合することで、多彩な生理活性が生み出されると考えられている。我々はこれまでAM-RAMP系の心血管系恒常性維持作用を明らかとしてきた。一方、AMとRAMPは共に、脂肪組織をはじめとした代謝系においても高発現が認められるが、その意義の多くは不明である。我々は脂肪細胞特異的RAMP2ノックアウトマウス(A-RAMP2-/-)を作成し、A-RAMP2-/-は、若年期から内臓脂肪型肥満を呈することから、AM-RAMP2系が、心血管系の制御のみならず、脂肪細胞の分化や代謝制御に直接係わることを明らかとした。本研究では、メスマウスに対して卵巣摘出した後、高脂肪食負荷を行うことで、閉経後代謝障害におけるAM-RAMP系の病態生理学的意義を検討した。RAMP2ノックアウトマウス(RAMP2+/-)オスに対して高脂肪食負荷を行うと、野生型マウスに比較して、有意に体重の増加が認められた。一方、RAMP2+/-メスに対して卵巣摘出と高脂肪食負荷を行なった場合は、野生型マウスと比べて体重に大きな差を認めなかった。これに対し、RAMP3ノックアウトマウス(RAMP3-/-)メスに対して卵巣摘出と高脂肪食負荷を行なった場合は、野生型マウスと比べて体重増加、酸素消費量の低下、耐糖能異常、内臓脂肪肥満、および脂肪肝の増悪を認めた。以上の結果から、AM-RAMP2系のみならず、AM-RAMP3系も代謝制御において重要な役割を有することが明らかとなった。一方で、閉経後代謝障害における病態生理学的意義には、RAMP2、3の両者に差異が存在する可能性が考えられた。RAMP2ノックアウトマウスおよびRAMP3ノックアウトマウスを用いて卵巣摘出と高脂肪食負荷肥満によるメタボリックシンドロームモデルを作成し、検討を行った。本年度の研究では、AM-RAMP2系だけでなく、AM-RAMP3系も代謝制御において重要な役割を有することが明らかとなった。一方で、代謝障害における病態生理学的意義には、性差が存在する可能性が考えられた。これらの結果を踏まえて、次年以降の研究を進めていく予定である。(1)高脂肪食負荷時の脂質、糖代謝とエネルギー代謝の変動の性差について、各RAMPサブアイソフォーム(RAMP1、2,3)ノックアウトマウスのオス-メス間での表現型を比較検討する。(2)各RAMPサブアイソフォームのノックアウトマウスを用いて、卵巣摘出(OVX)による閉経モデルを作成し、閉経後代謝異常の病態におよぼすAM-RAMP系の意義を検討する。(3)エストロゲン-エストロゲン受容体システムとAM-RAMPシステムのクロストークを検討する。以上の結果から、AM-RAMP2系は代謝制御において重要な役割を有することが明らかとなった。RAMP2ノックアウトマウス(RAMP2+/-)を用いて肥満、メタボリックシンドロームモデルを作成し、検討を行った。本年度の研究では、AM-RAMP2系が代謝制御において重要な役割を有することが明らかとなった。

我々は脂肪細胞特異的RAMP2ノックアウトマウス(A-RAMP2-/-)を作成し、A-RAMP2-/-は、若年期から内臓脂肪型肥満を呈することから、AM-RAMP2系が、心血管系の制御のみならず、脂肪細胞の分化や代謝制御に直接係わることを明らかとした。本研究では、メスマウスに対して卵巣摘出した後、高脂肪食負荷を行うことで、閉経後代謝障害におけるAM-RAMP系の病態生理学的意義を検討した。RAMP2ノックアウトマウス(RAMP2+/-)オスに対して高脂肪食負荷を行うと、野生型マウスに比較して、有意に体重の増加が認められた。一方、RAMP2+/-メスに対して卵巣摘出と高脂肪食負荷を行なった場合は、野生型マウスと比べて体重に大きな差を認めなかった。これに対し、RAMP3ノックアウトマウス(RAMP3-/-)メスに対して卵巣摘出と高脂肪食負荷を行なった場合は、野生型マウスと比べて体重増加、酸素消費量の低下、耐糖能異常、内臓脂肪肥満、および脂肪肝の増悪を認めた。以上の結果から、AM-RAMP2系のみならず、AM-RAMP3系も代謝制御において重要な役割を有することが明らかとなった。一方で、閉経後代謝障害における病態生理学的意義には、RAMP2、3の両者に差異が存在する可能性が考えられた。RAMP2ノックアウトマウスおよびRAMP3ノックアウトマウスを用いて卵巣摘出と高脂肪食負荷肥満によるメタボリックシンドロームモデルを作成し、検討を行った。本年度の研究では、AM-RAMP2系だけでなく、AM-RAMP3系も代謝制御において重要な役割を有することが明らかとなった。一方で、代謝障害における病態生理学的意義には、性差が存在する可能性が考えられた。これらの結果を踏まえて、次年以降の研究を進めていく予定である。(1)高脂肪食負荷時の脂質、糖代謝とエネルギー代謝の変動の性差について、各RAMPサブアイソフォーム(RAMP1、2,3)ノックアウトマウスのオス-メス間での表現型を比較検討する。(2)各RAMPサブアイソフォームのノックアウトマウスを用いて、卵巣摘出(OVX)による閉経モデルを作成し、閉経後代謝異常の病態におよぼすAM-RAMP系の意義を検討する。(3)エストロゲン-エストロゲン受容体システムとAM-RAMPシステムのクロストークを検討する。
虚血性ニューロン壊死に関わる興奮性アミノ酸とカルシウムの動態

虚血侵襲に脆弱な海馬CA1ニューロンが、虚血に誘発されて遅発性ニューロン死をおこす初期のメカニズムを分析した。1)スナネズミを用い、in vivoマイクロダイアリシスを行うと両側総頚動脈結紮により海馬CA1領域に急速大量のグルタミン酸放出がおこったが、この現象は領象非選択的であった。このグルタミン酸に由来は、シナプス前部、ニューロン胞体、アストログリア細胞の三部位にわたり、シナプス前部においても代謝型グルタミン酸プールからの放出であることも明らかとなった。2)スナネズミ海馬スライスを用い、カルシウムマイクロフルオロメトリーによって虚血負荷時のニューロン内カルシウム濃度[Ca^<2+>]iの動態を検索した。虚血シミュレーションを負荷すると一定潜時の後、CA1領域に限局した[Ca^<2+>]i上昇がおこった。この上昇の起源は1/3が細胞外からの流入、残り2/3はリヤノジン型とIP_3型が同程度寄与する細胞内貯蔵からの放出であることがわかった。予め一過性虚血を負荷した動物から採取したスライス実験から、虚血負荷が何らかのメカニズムによりグルタミン酸受容体や細胞内カルシウムチャネルの持続的活性化をおこしていることも明らかとなった。3)興奮性アミノ酸神経毒性を惹起する特異的リガンド、AMPAやキスカル酸の海馬膜標品結合実験では、従来のオートラジオグラフィーによる報告と異なり、亜部位間の受容体密度差に顕著なものは見られなかった。4)ラット胎仔の海馬よりアストログリアの初代培養を行い、虚血シミュレーションによるグルタミン酸、アスパラギン酸のグリア放出機構の存在を明らかにした。
小動物モデルを用いた先天性水腎症発生の原因探索研究

水腎症の発症至適ポリアミン含有量の検討: Luciferase-Transgenic LEWラット(Luc-TgLEWラット)の雄810週齢を用いてポリアミン含有率を変化させた飼料を自由経口摂取の条件で与え、水腎症発症をポリアミン含有飼料摂食開始から6週間目に開腹し、目視で確認した。ポリアミン含有率0.1%群においてのみ典型的な水腎症が確認された。正常Luc-Tgラット(ポリアミン含有飼料0.01%)と比較してLuc-Tg LEWラットにおいては6匹中4匹で腎臓体積が約1.5倍程度に肥大しており、6匹中2匹で約1.2倍程度の肥大化が確認された。一方、野生型LEWラットでは6匹中1匹で1.1倍の腎臓肥大が確認された。以上より、Luciferase遺伝子をゲノムに組み込まれたLEWに高ポリアミンを摂食させると水腎症を発症する事から、ポリアミン応答性の遺伝子または関連遺伝子群の破綻が起こっている事が示唆された。水腎症モデルラットの評価:水腎症を発症しているラットにポリアミン不含飼料に切り替えて、6週間自由摂取させた。実験は6匹のLuc-Tg LEWラットを用いて開始し、6週間後に目視で水腎症が大きい個体(1.5倍程度)を3匹選抜し、ポリアミン不含飼料で飼育管理した。選抜した3匹全例で水腎症(腎臓肥大)の軽減が確認された。3匹中1匹は野生型LEWラットと同等の大きさに、3匹中2匹においては1.1倍以下に戻っている事が判明した。以上より、ポリアミン応答性の遺伝子群が水腎症の発症に深く関与している事、および、小児先天性水腎症モデル動物として非常に有望である事が示唆された。病態確認とサンプリング:水腎症を発症している事を目視で確認、その後、両側尿管を切断して尿を回収した。次に下大静脈より採血を行い、その後、腎臓を摘出し、2分割(病理用、検査用(DNA, RNA抽出およびメタボローム解析用))して採材した。採材したサンプルに関しては計画書に従って、平成28年度に実施する。実験が順調に進んだ事もあり、計画には含まれていなかった組織中および血中ポリアミン測定も検査項目に加える事が出来た。また水腎症モデル動物にポリアミンを摂取する事により、安定して疾患モデルが作製可能である事が確認された事により、今後の予定実験の遂行性(達成度)や新規実験の立案に繋がる事が期待される。平成28年度は以下の4項目について検討をする。平成27年度に採材した血液および腎臓を用いて以下の実験を行う。1血液および尿の生化学データの解析:BUN, Creの測定およびポリアミン含有飼料の濃度とBUN, Creの値との相関性などを明確にする。2病理標本の解析:腎臓検体の薄層切片を作製し、HE染色による腎組織の変化を病理学的に明らかにする。病理標本の観察結果によっては、マッソン染色やTUNEL染色などの免疫染色実験も追加し、病態モデルの評価(ヒトの疾患との比較)を行う。3腎組織からRNA、ゲノムDNAおよびmicroRNAを市販キットにて分離回収し、抽出物の品質等を電気泳動および吸光度計を用いて評価を行う。回収量が少ない場合、または品質が著しく低い場合には、水腎症ラットを作製し、採材を行う。4採材した検体に含まれているポリアミン濃度を計測し、経口摂取したポリアミンが水腎症の発症に寄与している事を明らかにする。5研究協力者に検体を送り、メタボローム解析を実施する。

次に下大静脈より採血を行い、その後、腎臓を摘出し、2分割(病理用、検査用(DNA, RNA抽出およびメタボローム解析用))して採材した。採材したサンプルに関しては計画書に従って、平成28年度に実施する。実験が順調に進んだ事もあり、計画には含まれていなかった組織中および血中ポリアミン測定も検査項目に加える事が出来た。また水腎症モデル動物にポリアミンを摂取する事により、安定して疾患モデルが作製可能である事が確認された事により、今後の予定実験の遂行性(達成度)や新規実験の立案に繋がる事が期待される。平成28年度は以下の4項目について検討をする。平成27年度に採材した血液および腎臓を用いて以下の実験を行う。1血液および尿の生化学データの解析:BUN, Creの測定およびポリアミン含有飼料の濃度とBUN, Creの値との相関性などを明確にする。2病理標本の解析:腎臓検体の薄層切片を作製し、HE染色による腎組織の変化を病理学的に明らかにする。病理標本の観察結果によっては、マッソン染色やTUNEL染色などの免疫染色実験も追加し、病態モデルの評価(ヒトの疾患との比較)を行う。3腎組織からRNA、ゲノムDNAおよびmicroRNAを市販キットにて分離回収し、抽出物の品質等を電気泳動および吸光度計を用いて評価を行う。回収量が少ない場合、または品質が著しく低い場合には、水腎症ラットを作製し、採材を行う。4採材した検体に含まれているポリアミン濃度を計測し、経口摂取したポリアミンが水腎症の発症に寄与している事を明らかにする。5研究協力者に検体を送り、メタボローム解析を実施する。
複数の移動障害物が存在する環境での移動ロボットのナビゲーションと学習

本研究の目的は,複数の移動障害物が存在する環境で移動ロボットが移動する際のロボット周囲の状況とその帰結としての判断を学習し,利用できる能力をロボットにもたせることであった.すなわち,(1)移動障害物の軌跡が未知な状況で,ロボットのセンサ系で計測できる移動障害物の位置と速度ベクトルをもとに移動障害物が等速運動をするとして将来の位置を予測し,障害物と衝突しない経路の計画を移動平面に時間軸を加えた空間(時空)で行ない,これを短い時間間隔で繰り返す,(2)その繰り返しのたびごとに,ロボットのまわりの障害物のある瞬間の配置とその速度ベクトルを入力,対応する解経路を出力とみて学習・記憶し,現在の状況に類似のものが過去にあればそのときの解経路を利用すると,という枠組にもとづいたアルゴリズムを開発し,評価を行なった.上記(1)を実現した計算機実験シミュレータを用い,1.生成される解経路とそれの原因となるロボットの周囲の状況を考察し,どのようなパラメタをおけば学習可能かを考察した.すなわち,個々の状況を記憶せず,類似した状況がある種の距離で表現できるようなパラメタを見つけ,その記憶機構を考察した.使用頻度の低い過去の記憶の忘却などを盛り込んだ.2.この学習機構を計算機上に実装し,シミュレーション実験を行なった.動作と計算量の負担,記憶量の負担などを調べた.以上の実験から,学習を用いない場合に比べて経路計画に必要な計算量は軽減されたものの,過去に記憶したパラメタを探索するのに予想以上に時間がかかることがわかった.このため,効率の良い連想的な記憶機構を開発する必要があることがわかった.本研究の目的は,複数の移動障害物が存在する環境で移動ロボットが移動する際のロボット周囲の状況とその帰結としての判断を学習し,利用できる能力をロボットにもたせることであった.すなわち,(1)移動障害物の軌跡が未知な状況で,ロボットのセンサ系で計測できる移動障害物の位置と速度ベクトルをもとに移動障害物が等速運動をするとして将来の位置を予測し,障害物と衝突しない経路の計画を移動平面に時間軸を加えた空間(時空)で行ない,これを短い時間間隔で繰り返す,(2)その繰り返しのたびごとに,ロボットのまわりの障害物のある瞬間の配置とその速度ベクトルを入力,対応する解経路を出力とみて学習・記憶し,現在の状況に類似のものが過去にあればそのときの解経路を利用すると,という枠組にもとづいたアルゴリズムを開発し,評価を行なった.上記(1)を実現した計算機実験シミュレータを用い,1.生成される解経路とそれの原因となるロボットの周囲の状況を考察し,どのようなパラメタをおけば学習可能かを考察した.すなわち,個々の状況を記憶せず,類似した状況がある種の距離で表現できるようなパラメタを見つけ,その記憶機構を考察した.使用頻度の低い過去の記憶の忘却などを盛り込んだ.2.この学習機構を計算機上に実装し,シミュレーション実験を行なった.動作と計算量の負担,記憶量の負担などを調べた.以上の実験から,学習を用いない場合に比べて経路計画に必要な計算量は軽減されたものの,過去に記憶したパラメタを探索するのに予想以上に時間がかかることがわかった.このため,効率の良い連想的な記憶機構を開発する必要があることがわかった.
液晶場における主鎖型高分子の特異な配向挙動と鎖状形態

液晶相における高分子のモルフォロジーに関する知見はほとんど手つかずの状態である。我々は現在までの研究により液晶場にラメラが熱力学的平衡状態として存在することを支持するいくつかの現象を確認したが、直接それを捉えることが出来ないでいる。そこで本研究は液晶場に直接外場変形を与え、誘起される構造変化から液晶場における高分子鎖の収容形式を理解するものである。動的な変形を加えるに当たって、スメクチックCA液晶を発現する主鎖型液晶高分子が液晶場においてどの様な運動性を有しているのかを液晶ガラス状態-液晶相にわたる広い温度範囲において動的粘弾性測定を通して捉えた。異なる配向を有した試料を作製することにより、高分子鎖方向(スメクチック層に対し垂直)と高分子鎖と垂直な方向(スメクチック層に平行)におけるそれぞれの運動モードの異方性をとらえることに成功している。つづいて、液晶相の鎖状形態を解明するため液晶場に直接外場応力を与えたところ、液晶は04000%という大変形をおこした。延伸下の変形挙動を力学測定、X線回折測定から観察したところ、配向挙動は延伸速度・温度に依存して全く異なり、2種類に分類されることを見いだした。いずれの場合も延伸初期(100%)において延伸方向に対し高分子鎖が垂直に配向する(垂直配向)という特異な配向挙動を示すが、その後の延伸では、延伸速度が遅いとき(例、5%/min)は引き続き垂直配向が持続するのに対し、延伸速度が速いとき(例、100%/min)、垂直配向から延伸方向へ高分子主鎖が配向する平行配向突然があらわれた。このとき、平行配向と垂直配向の二種のみが共存し、中間の配向は現れていない。そして4000%の延伸において垂直配向は消え、完全な平行配向へと転移した。延伸によるこの配向挙動をいままでえられた高分子性、液晶性、液晶高分子のダイナミクスに関する知見をもとに解析した。この配向挙動は液晶場における折りたたみ鎖ラメラ構造の流動、ラメラ間を結ぶtie分子のすり抜け、ラメラのunfoldingで説明できた。変形速度が分子の緩和速度より遅い場合スメクチック層内での流動により高分子鎖が層と垂直に配向するのに対し、変形速度が緩和速度より速い場合、スメクチック層内での流動では緩和できず、ラメラが流動する。このときラメラ間をつなぐtie分子のすり抜けが許されずラメラが崩壊し、高分子鎖が流動方向に並ぶ。以上の結果は液晶場の鎖状形態はラメラであることを実質的に示すものである。以上の成果を論文としてまとめ投稿した。主鎖型液晶高分子は液晶を発現するメソゲンと呼ばれる剛直なパートを柔軟なアルキレン鎖で連結した構造を有している。したがって液晶場における高分子鎖の鎖状形態は液晶性と高分子性との相関で決まってくると考えられるが、現在のところ明らかになってはいない。これまでの研究を通し我々はそれを折りたたみ鎖ラメラ構造であると考えている。しかしながら小角X線散乱測定からはラメラ構造をとらえることが出来なかった。そこで液晶場に外場変形を与えることにより引き起こされる構造変化を通して液晶場の鎖状形態をとらえようとしている。変形を与えるにあたり液晶場において高分子がどの様な運動性を有しているのかを明らかにする必要がある。そこで、液晶ガラス状態-液晶相にわたる広い温度範囲において動的粘弾性測定を行うことでスメクチックCA液晶を発現する主鎖型液晶高分子の運動性を見た。また、異なる配向を有した試料を作製することにより、高分子鎖方向(スメクチック層に対し垂直)と高分子鎖と垂直な方向(スメクチック層に平行)のそれぞれの運動モードをとらえることに成功した。その結果、ガラス状態では二つの方位の運動はカップリングしているが、ガラス転移温度以上ではデカップリングをおこし、スメクチック層に対し垂直方位の運動のほうが層に対し平行方向の運動より23倍速い運動モードであることがわかった。さらに得られた粘弾性データをWLF式でフィッテングすることにより測定できない温度における運動の異方性も見積もることができた。これにより液晶ガラス状態、スメクチック液晶相における高分子の運動モードの異方性に関する知見を得た。かつ異なる配向を有した試料を作製することにより、高分子鎖方向(スメクチック層に対し垂直)と高分子鎖と垂直な方向(スメクチック層に平行)のそれぞれの運動モードをとらえることに成功した。さらに得られた粘弾性データをWLF式でフィッテングすることにより測定できない温度における運動の異方性も見積った。続いて、スメクチック液晶相で延伸あるいは回転によるシェアストレスに対する高分子鎖の挙動をX線回折測定、力学測定、分光学測定を通して明らかにし、液晶場における鎖状形態、ダイナミクスをとらえた。

測定温度、変形速度により全く異なる二種の配向状態を得ることが出来た。また、配向が入れ替わる様子を捉えることに成功した。高分子鎖の配向挙動は、液晶の異方的な分子運動が外からの変形をいかに緩和するかにより決まることを見いだした。液晶相における高分子のモルフォロジーに関する知見はほとんど手つかずの状態である。我々は現在までの研究により液晶場にラメラが熱力学的平衡状態として存在することを支持するいくつかの現象を確認したが、直接それを捉えることが出来ないでいる。そこで本研究は液晶場に直接外場変形を与え、誘起される構造変化から液晶場における高分子鎖の収容形式を理解するものである。動的な変形を加えるに当たって、スメクチックCA液晶を発現する主鎖型液晶高分子が液晶場においてどの様な運動性を有しているのかを液晶ガラス状態-液晶相にわたる広い温度範囲において動的粘弾性測定を通して捉えた。異なる配向を有した試料を作製することにより、高分子鎖方向(スメクチック層に対し垂直)と高分子鎖と垂直な方向(スメクチック層に平行)におけるそれぞれの運動モードの異方性をとらえることに成功している。つづいて、液晶相の鎖状形態を解明するため液晶場に直接外場応力を与えたところ、液晶は04000%という大変形をおこした。延伸下の変形挙動を力学測定、X線回折測定から観察したところ、配向挙動は延伸速度・温度に依存して全く異なり、2種類に分類されることを見いだした。いずれの場合も延伸初期(100%)において延伸方向に対し高分子鎖が垂直に配向する(垂直配向)という特異な配向挙動を示すが、その後の延伸では、延伸速度が遅いとき(例、5%/min)は引き続き垂直配向が持続するのに対し、延伸速度が速いとき(例、100%/min)、垂直配向から延伸方向へ高分子主鎖が配向する平行配向突然があらわれた。このとき、平行配向と垂直配向の二種のみが共存し、中間の配向は現れていない。そして4000%の延伸において垂直配向は消え、完全な平行配向へと転移した。延伸によるこの配向挙動をいままでえられた高分子性、液晶性、液晶高分子のダイナミクスに関する知見をもとに解析した。この配向挙動は液晶場における折りたたみ鎖ラメラ構造の流動、ラメラ間を結ぶtie分子のすり抜け、ラメラのunfoldingで説明できた。変形速度が分子の緩和速度より遅い場合スメクチック層内での流動により高分子鎖が層と垂直に配向するのに対し、変形速度が緩和速度より速い場合、スメクチック層内での流動では緩和できず、ラメラが流動する。このときラメラ間をつなぐtie分子のすり抜けが許されずラメラが崩壊し、高分子鎖が流動方向に並ぶ。以上の結果は液晶場の鎖状形態はラメラであることを実質的に示すものである。以上の成果を論文としてまとめ投稿した。
骨格筋電気刺激による加齢性筋肉減少症（サルコペニア）の予防・改善

本研究は、骨格筋への機能的電気刺激により、加齢性筋肉減少症の予防・改善効果が享受できるか否かを検証するものである。高齢者(要支援、要介護1,2)41名を対象に3ヶ月間の骨格筋電気刺激と栄養介入の効果を検討し、介護予防や高齢者のQOL改善のための実験を行った。被験者を3群(コントロール、筋電気刺激群、筋電気刺激+栄養補助食品)に分け比較検討した。その結果、電気刺激+栄養補助食品介入群では筋横断面積及び膝伸展筋力の有意な増加が認められた。また、中高齢者23名を対象に脳由来神経栄養因子(BDNF)に及ぼす効果につい検討した結果、筋電気刺激介入群では加齢に伴うBDNFの減少が有意に緩和された。本研究は、骨格筋への機能的電気刺激により、加齢性筋肉減少症(サルコペニア)の予防・改善効果を享受できるか否かを検証するものである。本年度は健常男子学生を対象に基礎研究として従来型のスパッツ電極と新たに開発したベルト型電極を用いた筋電気刺激方法の比較検討を行った。従来型の電気刺激法では、各筋群に2個の電極を装着する必要があり、左右の下半身を効果的に刺激するためには20個の電極と10チャンネルの刺激装置が必要であった。更にこれらの電極を装着したスパッツ型電極では下着や失禁対策のパンツ等を脱いで、刺激電極スパッツを装着する必要があり、高齢者への応用が難しいのが現状である。そこで我々は左右の大腿下部、下腿下部及び腹部に1周するベルト型シリコン電極を開発し(国際特許申請中:国際出願番号PCT/JP2012/001129)、失禁用パンツや下着等の脱着無しで実施できる筋電気刺激法を開発した。そこで、この新型のベルト型筋刺激装置の有効性を従来型刺激装置と比較検討するために8名の男子学生を対象に、筋肥大モード、エネルギー代謝促進モードで筋電気刺激が血圧、心電図、血中乳酸、脳由来神経栄養因子(BDNF)、エネルギー代謝などへの効果を詳細に検討した。その結果、20分間の4Hzの代謝促進モードでは従来型と比較して酸素摂取量が平均で24.7ml/kg/分(約7METs)と有意に増加した。これは軽いジョギングに相当する強度である。また刺激周波数20Hz、刺激時間5秒ON,2秒OFFでの20分間の筋肥大モードでの比較検討の結果、新型装置により血中乳酸が平均で5.13mMと有意に増加したことや呼気ガス分析により有意に呼吸商が高かったことなどから、選択的に速筋線維が動員されたことが示唆された。また、筋電気刺激により運動誘発性の脳由来神経栄養因子や他の筋由来の生理活性物質の増加が惹起できるのか否かを検証するための基礎実験も行い、解析手法もほぼ確立した。また、骨格筋の機能的電気刺激による筋由来生理活性物質や免疫、脳由来神経栄養因子(BDNF)に対する基礎研究や中・後期高齢者の運動療法の開発への応用は、寝たきり患者や骨粗しょう症、腰痛や膝痛など整形外科的疾患をもつ「運動弱者」への他動的運動処方をも可能にする期待が持てる。今後益々進む高齢化社会や超運動不足に起因するサルコペニアやその他の生活習慣病の新たなる予防、改善、治療の観点からも本研究がもたらす社会的意義や医療経済に及ぼす影響は多大である。今年度は中・後期高齢者(要支援、要介護1,2)41名を対象に、骨格筋電気刺激と栄養介入の相互作用の効果を総合的に検討し、介護予防や高齢者のQOL改善のための実験検証を行なった。被験者を3群(コントロール群、電気刺激群、電気刺激+栄養補助食品)に分け、自律神経活動動態、膝伸展筋力、歩行速度、超音波測定による大腿四頭筋、下腿三頭筋の筋横断面積を最適筋刺激パターンでの30分間、週に2回、3ヶ月間介入し、比較検討した。その結果、電気刺激+栄養補助食品(ホエイタンパク、ルチン、ω3系脂肪酸、クルクミン)介入群では筋横断面積及び膝伸展筋力の有意な増加が認められた。自律神経活動及び歩行速度では群間で有意差は認められなかった。さらに,中高齢者23名を対象に3ヶ月間の筋電気刺激が記憶や認知機能に重要な働きを持つ脳由来神経栄養因子(BDNF)に及ぼす影響を検討した結果、電気刺激介入群では加齢に伴うBDNFの漸増的減少を有意に緩和させることが明らかとなった。

本研究は、骨格筋への機能的電気刺激により、加齢性筋肉減少症(サルコペニア)の予防・改善効果を享受できるか否かを検証するものである。また、骨格筋の機能的電気刺激による筋由来生理活性物質や免疫、脳由来神経栄養因子に対する基礎研究や中・後期高齢者の運動療法の開発への応用は、寝たきり患者や骨粗しょう症、腰痛や膝痛など整形外科的疾患をもつ「運動弱者」への他動的運動処方をも可能にする期待が持てる。また、血栓防止効果を狙ったダイナミックな筋電気刺激による静脈還流の促進も可能になるかを実験的に検証する。今年度は、平成23年度で得られた基礎研究結果を踏まえ、慢性的な運動不足の中高齢者28名を対象に骨格筋電気刺激を検証済みの新型刺激装置と刺激電極を用い、腹部、臀部、両側下肢筋群(腹筋、大臀筋、大腿四頭筋、ハムストリングス、前頚骨筋、下腿三頭筋)に1回20分、週2回、12週間実施し、その前後で形態学的項目、歩行速度、自律神経活動動態などの改善効果を検証した。また、健常男子学生8名を被験者にして骨格筋電気刺激により脳由来神経栄養因子やインスリン様成長因子(IGFー1),体内麻薬とも呼ばれるβエンドルフィン分泌などが惹起され得るのかの基礎実験も併せて行った。その結果、中高齢者の体脂肪の有意な減少と除脂肪体重、筋量の有意な増加が認められた。また、顕著な歩行速度の増加も認められた。一方、心拍変動パワースペクトル解析による安静時心拍数や自律神経活動動態には有意な変化は認められなかった。男子学生を対象にした基礎実験では、週3回、1回20分、4週間の骨格筋電気刺激により中間広筋を除く全ての筋の筋厚及び大腿・下腿の推定断面積、等尺性膝伸展筋力が介入後有意に増加した。また、筋電気刺激後に成長ホルモン、βエンドルフィンの有意な増加をみとめたが、IGFー1には顕著な変化は認められなかった。ベルト型電極を採用した筋電気刺激装置の開発、検証等に予想以上に時間を費やしたが、おおむね当初に計画していた実験は終えることができた。25年度が最終年度であるため、記入しない。中高齢者も予定いた30名近い人数を集めて実験が行えたことと、健常男子学生を対象にした基礎実験も概ね当初の予定通りの実験を遂行することができた。今後は慢性的な運動不足の中高齢者30名程度を対象に、20分前後の骨格筋電気刺激を両側下肢筋群(大腿四頭筋、ハムストリングス、大啓筋)に8週間実施し、その前後で形態学的項目(体組成、筋横断面積)、臨床評価的項目(採血、歩行速度、筋力)及び脳由来神経栄養因子(BDNF)などの改善効果を検証する25年度が最終年度であるため、記入しない。今年度は中・後期高齢者40名程度を対象に、基礎研究で明らかになった最適筋刺激パターン(筋トレ(肥大)モード、2)血流促進モード、3)エネルギー代謝促進モード)を複合的に用い、骨格筋電気刺激と栄養介入の相互作用の効果を総合的に検討し、介護予防や高齢者のQOL改善のための実験検証を行う。尚、栄養介入に用いる中高齢者用の補助食品はネスレ研究所(ジュネーブ、スイス)から提供を受けることが決まっている。被験者を3群(コントロール群、電気刺激群、電気刺激+栄養補助食品)に分け、自律神経活動動態、脳由来神経栄養因子(BDNF)、βエンドルフィン、インスリン様成長因子(IGFー1)、認知機能などへの効果を総合的に検討し、介護予防や高齢者のQOL改善のための実験検証を目指す。介入群の被験者には、最適筋刺激パターンでの30分間の電気刺激を週に3回、3ヶ月間介入し、電気刺激群と電気刺激+栄養補助食品群における筋力・筋横断面積の変化を超音波画像法を用いて詳細に比較検討する。これらの結果を統計処理して比較検討し、学術雑誌への論文投稿及び最終報告書を作成する。