hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
歯状回の神経細胞置換を導入した海馬システムのモデル化に関する研究

本研究では,歯状回における神経細胞の置換を考慮した海馬システムのモデル化を行い,神経細胞の置換が記憶の形成に果たす役割を明らかにすることを目的としている.本年度は以下の研究を行った.昨年度に引き続き,詳細な研究が多く行われているげっ歯目を中心に,歯状回顆粒細胞の発生・死滅現象に関する生物学的研究成果の調査を行い,ラットに関する知見に基づいた海馬システムのモデルを構築した.構築したモデルは,ニューロン数にして生体のラットの約1/1000のスケールとし,海馬の各領域の発火率や領域問の結合などについても,主にラットから得られている知見に基づいた.歯状回の神経細胞の置換については,ある一定の割合で既存の細胞がランダムに新しい細胞に置き換えられるとしてモデル化を行った.海馬における記憶の形成では,大記憶容量,追加学習能力,高速な学習能力などが不可欠な機能と考えられるが,構築したモデルを用いて,こうした機能と歯状回における神経細胞の置換との関係を計算機実験により調べた.その結果,神経細胞の置換率が大きいと,類似したパターンの記憶が容易になることがわかった.また,置換率が大きいときには,類似したパターンに関する記憶容量が増加し,追加学習の能力も高くなることがわかった.一方,学習の速さに関しては,はっきりした結果は得られなかったが,やはり類似度の高いパターンにおいて,置換率の増大に伴い学習が速くなる傾向が見られた.海馬は記憶の一時的な貯蔵庫であり,外界からの情報は一旦海馬に蓄えられた後,徐々に大脳皮質へと転写されて長期記憶が形成されると考えられている.比較的小さな部位である海馬がこのような役割を果たすためには,大記憶容量,追加学習能力,高速な学習能力を持つ必要があると考えられるが,本研究により,こうした機能に歯状回の神経細胞の置換が影響していることがわかった.本研究では,歯状回における神経細胞の置換を考慮した海馬システムのモデル化を行い神経細胞の置換が記憶形成に果たす役割を明らかにすることを目的としている.本年度は以下の研究を行った.1.海馬に関する最新の知見の調査主に,詳細な研究が多く行われているげっ歯目を中心に,歯状回顆粒細胞の発生・死滅現象に関する生物学的研究成果の調査を行った.また,米国で開催された第35回神経科学年次大会に出席し海馬全般に関する認知神経科学的研究成果の調査を行った.2.歯状回の神経細胞置換を導入した海馬システムのプロトタイプモデルの構築1.で得られた知見を元に,嗅内野,歯状回,CA3からなる比較的小規模な海馬システムのプロトタイプモデルを構築した.プロトタイプの構築にあたっては,これら各領域のニューロン数,活動レベル,結合の度合い,歯状回顆粒細胞の置換率などを考慮に入れた.現在は,神経細胞の置換率によって,海馬システムのパターン分離能力や追加学習能力などにどのような違いが生じるかを計算機シミュレーションによって調査している.3.STDPとパターンコンプリーションによる記憶の変容に関する研究海馬CA3で行われていると考えられているパータンコンプーリション機能とスパイクタイミング依存性シナプス可塑性(STDP)の相互作用によって,情報の出現頻度に応じて記憶が形成されたり逆に消去されたりする可能性があることなどを計算機シミュレーションによって明らかにした.本研究では,歯状回における神経細胞の置換を考慮した海馬システムのモデル化を行い,神経細胞の置換が記憶の形成に果たす役割を明らかにすることを目的としている.本年度は以下の研究を行った.昨年度に引き続き,詳細な研究が多く行われているげっ歯目を中心に,歯状回顆粒細胞の発生・死滅現象に関する生物学的研究成果の調査を行い,ラットに関する知見に基づいた海馬システムのモデルを構築した.構築したモデルは,ニューロン数にして生体のラットの約1/1000のスケールとし,海馬の各領域の発火率や領域問の結合などについても,主にラットから得られている知見に基づいた.歯状回の神経細胞の置換については,ある一定の割合で既存の細胞がランダムに新しい細胞に置き換えられるとしてモデル化を行った.海馬における記憶の形成では,大記憶容量,追加学習能力,高速な学習能力などが不可欠な機能と考えられるが,構築したモデルを用いて,こうした機能と歯状回における神経細胞の置換との関係を計算機実験により調べた.その結果,神経細胞の置換率が大きいと,類似したパターンの記憶が容易になることがわかった.また,置換率が大きいときには,類似したパターンに関する記憶容量が増加し,追加学習の能力も高くなることがわかった.一方,学習の速さに関しては,はっきりした結果は得られなかったが,やはり類似度の高いパターンにおいて,置換率の増大に伴い学習が速くなる傾向が見られた.海馬は記憶の一時的な貯蔵庫であり,外界からの情報は一旦海馬に蓄えられた後,徐々に大脳皮質へと転写されて長期記憶が形成されると考えられている.比較的小さな部位である海馬がこのような役割を果たすためには,大記憶容量,追加学習能力,高速な学習能力を持つ必要があると考えられるが,本研究により,こうした機能に歯状回の神経細胞の置換が影響していることがわかった.
運動学習獲得ストラテジーにおける２種の小脳シナプス可塑性の役割の解明

小脳の運動学習に関与すると思われるシナプス可塑性の内、特に平行線維ープルキンエ細胞間シナプスにおけるシナプス伝達長期抑圧(LTD)と抑制性介在ニューロンープルキンエ細胞間の抑制性シナプスにおける反動性増強(RP)のそれぞれの運動獲得ストラテジーにおける役割を見出すことを目的として、それぞれの可塑性を可視化し、運動獲得のどの段階でそれぞれが寄与するか、を解析することを平成30年度当初は目指した。可視化の方法としてまず予備的に組織学的に解析することを行った。遺伝子操作の利便性を考え、マウス小脳を用いた。まずLTDの可視化として、小脳スライス標本(厚さ300microm)を作製し、26°Cで1時間以上回復させたのち、30mM KCl、30 microMグルタミン酸を含む人工脳脊髄液ACSFで15分間、灌流後、15分間ACSFでリンスした。実験チェンバー内のACSFは30°Cに保た。リンス後、固定しGluA2 N末を認識する抗体で表面に発現している受容体を染めることを試みたが、培養細胞では大変上手くいったこの方法だが、スライス標本では染まりが悪るかった。薄いクライオ切片では表面のみを染めることは不可能であった。第2の方法として、スパイン内のGluA2の分布を調べることを試みた。ラットではLTDに伴い、GluA2のスパイン内プールがシャフトに縮退することが観察されているからである。抗GluA2/3 C末抗体を用いて蛍光交代法を適用したところ、スパイン内からのGluA2の縮退はみられなかった。改めて電気生理学的にテタヌストキシン、ダイナミン阻害剤などを投与したところ、ラットとは大きく異なり、AMPA受容体の構成性トラフィッキングがほとんど見られなかった。これは全くの予想外の結果で、マウスとラットでグルタミン酸受容体調節機構が大きく異なっていることが見いだされた。小脳平行線維ープルキンエ細胞間シナプスのLTDはGluA2の表面発現が30%低下する他、リサイクルプールが40%減少することをラット小脳スライスの研究から見出していた。またラット培養プルキンエ細胞で化学的LTDを生じさせた場合は、スパイン内からシャフトにGluA2細胞内プールが移動することが観察できていたので、マウス小脳スライスでも同様の現象が生じていると予想していた。しかし現実にはラットとマウスで構成性トラフィッキングからして、AMPA受容体の表面発現メカニズムが全く違うことを予想していなかった。測定温度なども35°Cまで上昇させてテタヌストキシン、ダイナミン阻害剤の効果を見たが、ほとんど作用が見られず、AMPA受容体の構成性トラフィッキングはマウスでは大変遅いか、ほとんどないと結論付けられた。抗体を用いた組織化学的方法でGluA2の表面発現の減少を測定することの困難さは予想していた。しかしラット小脳におけるスパイン内GluA2プールの減少は我々の発見であり、これに関してはスライス標本における組織化学的方法でも十分測定できると予測していたが、観察できなかった。また、pHluorin結合型GluA2をウイルスを用いてプルキンエ細胞に発現させる計画も当初持っていたが、所属チームの閉鎖が実質的に1年前倒しになってしまい、協力研究者等との共同実験が全くできなくなり、その上、実験装置の解体なども早められ、後半は全く実験ができない状態であり、計画が遅れた。この20年、多くの脳神経科学の研究は遺伝子操作に関する容易さなどから、マウスを用いて行われてきた。しかし、記憶学習、疾患モデルなど、マウスだけに依存するのは問題があることを気づかされた。現在、国立精神神経センターに移り、霊長類(マーモセット)での実験も可能な環境である。マーモセットでは保育放棄された新生児を用いて生理実験を行うことも可能であり、まず化学的LTDにおいて、プルキンエ細胞スパイン内のGluA2プールが変動するか、組織化学的に調べる。それほどの個体数は必要ない。また、小脳スライスの電気生理学的実験において、平行線維と登上線維の同時刺激、あるいは平行線維刺激と細胞体脱分極の組み合わせ刺激により、LTDが生じる条件を探る。LTD誘導後のGluA2トラフィッキングの測定から、リサイクリングプールの増減を検討する。RPについても電気生理学的に作成し、GABARAPの集積に注目し組織学的検索を行う。またアダルトで運動学習実験の途中、あるいは完了した動物をもらい受け、スパイン内のGluA2分布について、組織化学的に検討する。複雑で精妙な運動の学習には適切な習得プログラムと繰り返しの練習が必要である。特に難易度の高い運動では、初めから高レベルの練習をしても学習できない。難易度の低いものからスタートする必要がある。しかし、この経験則の神経生物学的な基盤は全く不明であった。そこで私は小脳の神経細胞レベルでの学習において、2種類のシナプス可塑性に注目し、一方がより容易な学習に用いられ、他方がその後の精緻で高度な運動学習に用いられるとの仮説を立て、これを検証する。第1のシナプス可塑性は小脳皮質プルキンエ細胞への抑制性シナプスにおける反動性増強であり、第2のシナプス可塑性はプルキンエ細胞への興奮性シナプスの長期抑圧である。両者とも誤差信号を担うと考えらる登上線維の繰り返し発火後、結果としてプルキンエ細胞の出力が低下するという結果をきたすが、反動性増強は同じ登上線維の複数の分枝に支配される複数のプルルキンエ細胞で同時に生じる一方、長期抑圧は登上線維と時間的に接近した発火した興奮性シナプスのみに生じる。

これらの変化を構造的にとらえることが出来れば、運動学習初期、あるいは容易な運動の学習では広範囲に反動性増強が生じ、一方、難しい運動学習の習熟期ではさらに限られたシナプスで長期抑圧が生じているはずである。本年度は画像解析によってそれぞれのシナプス可塑性に伴う構造変化を確実に捉える方法の開発に努めた。マウス小脳のスライス標本を用いて、細胞内Caイオン濃度を上昇させる高Kイオン液で反動性増強の条件を模倣し、またこれとグルタミン酸刺激を組み合わせることで長期増強の条件を模倣した。後者では最初期遺伝子cFosを発現するプルキンエ細胞が多数見られたが、前者では少なかった。樹状突起スパインの形状は今回の条件では両者ともスパインがやや膨れる傾向がみられた。細胞内グルタミン酸受容体の分布につては今のところ差はみられていない。小脳プルキンエ細胞においては、海馬神経細胞等にみられるシナプス可塑性に伴うスパインの形状変化は見られないことが報告されている。しかし分子レベルでの反動性増強や、長期抑圧のメカニズム研究の結果、反動性増強においてはGABAA受容体と足場蛋白質GABARAPとの結合が増強されること、長期増強においてはAMPA型グルタミン酸受容体の細胞内プールが初期エンドソームから後期エンドソームに移行すること、が報告されている。また、培養プルキンエ細胞を用いた我々の研究から、長期抑圧誘導刺激により、スパイン内のAMPA型グルタミン酸受容体プールが減少することが分かっている。これらの変化をサブミクロンの解像度で明らかにすることを初年度の目標とした。特にこれらの構造的変化を観察するためにはSTED顕微鏡を用い、高解像度でスパイン内の分子の分布を観察する必要がある。当初、電気生理学的にシナプス可塑性を生じさせ、スライス標本を固定後、薄い凍結切片を作成してスパインをSTED顕微鏡で観察することを試みたが、クライオスタットにより作製した凍結切片の中に蛍光色素で標識された記録細胞を見出すのが大変難しかった。途中から、電気刺激、記録の代わりに、高K溶液、あるいは高K+グルタミン酸溶液による代替刺激に変更したこと、凍結切片を作製することをやめて厚い(300ミクロメーター)スライスのまま固定、蛍光抗体法を用いたこと、共通施設のSTED顕微鏡の使用をやめ、通常の共焦点顕微鏡で観察することにしたこと、により作業能率は向上した。しかしながら、細胞内への抗体の浸透にまだむらがあり、条件を改善中で、予定に遅れが生じている。今後、特に細胞内における受容体プールや足場蛋白質の検出精度を上げるように努力する必要がある。小脳の運動学習に関与すると思われるシナプス可塑性の内、特に平行線維ープルキンエ細胞間シナプスにおけるシナプス伝達長期抑圧(LTD)と抑制性介在ニューロンープルキンエ細胞間の抑制性シナプスにおける反動性増強(RP)のそれぞれの運動獲得ストラテジーにおける役割を見出すことを目的として、それぞれの可塑性を可視化し、運動獲得のどの段階でそれぞれが寄与するか、を解析することを平成30年度当初は目指した。可視化の方法としてまず予備的に組織学的に解析することを行った。遺伝子操作の利便性を考え、マウス小脳を用いた。
ミネラルコルチコイドおよびグルココルチコイド産生細胞の最終分化機構

高等動物の副腎皮質は、未分化な副腎原基細胞から発生・分化し、外側から球状層、束状層、網状層と呼ばれる3種類の細胞層から構成される組織となる。この3層の機能的に異なり、球状層がミネラルコルチコイドを、束・網状層がグルココルチコイドを特異的に分泌する。本研究の目的は、細胞工学的、および、発生工学的方法を用いて、副腎皮質を構成する細胞の、層構築を含めた最終分化に関与する因子とその機能を明らかにすることである。細胞層特異的に外来遺伝子を発現させるには、特異的なプロモーター(ターゲティングプロモーター)が必要である。まず、グルココルチコイド産生細胞層選択的に外来遺伝子を発現させるためのターゲティングプロモーターの同定を行った。グルココルチコイド産生細胞である束・網状層細胞に最も特徴的に発現する遺伝子は、CYP11B1である。本研究の代表者らはすでにこの遺伝子の調節領域を含むクローンを得ている。これと、束・網状層細胞と性質の似たY-1細胞に加え、種々の組織由来の株細胞を用いてトランスフェクトし、ターゲティングプロモーターの同定を行った。その結果、CYP11B1の上流1.2kbのDNAが、副腎皮質の束・網状層に特異的なプロモーターとして機能することが強く示唆された。ミネラルコルチコイド産生細胞のためのターゲティングプロモーターを同定するにあたっては、球状層の細胞の性質を保持した細胞株はこれまで知られていない。そのため、ラット副腎から球状層細胞の調製を行った。副腎皮質の皮膜に接した部分から細胞を分散させ、ショ糖密度勾配遠心法により、細胞を分画した。これらからRNAを抽出し、逆転写酵素反応後PCR法を用いて、CYP11B2を発現している細胞を同定し、単離することに成功した。この細胞を用いて、球状層に特徴的な遺伝子であるCYP11B2遺伝子上流からターゲティングプロモーター領域の同定をすることが可能になり、その実験を継続している。
消化管粘膜疾患と胃内アスコルビン酸分泌系の関連-免疫・老化・解毒における粘膜機能賦活作用の解析-

本研究を通して以下の成果を得た。1.内因性アスコルビン酸の胃内分泌機構をさらに解析し、新たにコレシストキニン受容体を介する体液性の分泌応答を見出した。これまでの成果から、胃内アスコルビン酸分泌系は神経性、体液性の二重の支配を受けることが明らかになり、食事摂取時のみならず、空腹時においても機能する(後者の機能の方がより生体防御目的に合致していると考えられる)ことが支持された。コレシストキニンによるアスコルビン酸分泌に対しては、たばこ煙成分、特にニコチンやコチニンによる抑制が確認され、喫煙による消化管粘膜疾患の要因の一つとして胃内アスコルビン酸分泌の低下が示唆された。2.胃粘膜細胞初代培養系においてin vivo系の刺激剤が細胞レベルにおいてもアスコルビン酸分泌刺激作用を発揮することを認めた。また、ラット小腸上皮細胞にアスコルビン酸特異的な輸送担体が存在することを示した。これまでのウシ血管内皮細胞におけるアスコルビン酸取込み実験結果と合わせて胃粘膜におけるアスコルビン酸輸送系のモデルが構築できた。3.胃内に分泌される内因性アスコルビン酸の生埋的役割の一つとしてニトロソアミン生成抑制作用が確認された。このことは特に空腹時における胃粘膜細胞防御に重要な役割を果たすものであり、消化管粘膜疾患の発症に胃内アスコルビン酸分泌も重要な関わりを示すものであることを示唆した。4.胃内におけるアスコルビン酸は生体防御機構の“first barrier"の1つとして働くものである。現代社会ではストレス、喫煙、環境汚染物質、食品添加物、医薬品など多様な要因が胃内アスコルビン酸分泌系に影響を及ぼし、その結果として免疫系や解毒機構の障害、さらには老化時の生体防御能の低下などにも関連すると考えられ、ヒトにおける胃内アスコルビン酸動態の解析は今後さらに重要な課題である。申請者らはこれまでに神経系を介する胃内アスコルビン酸分泌系の存在を証明したが(Biochem.Pharmacol.,53,553-559,1997)、本研究課題ではこの分泌系が体液性機序を含めた生理的な応答であることの更なる証明と、消化管粘膜におけるアスコルビン酸の生体防御への関与および胃内アスコルビン酸分泌動態の異常と疾患との関わりの解析を目的としている。まず、各種脳-腸管関連ペプチドについてラット胃内潅流法で測定した結果、コレシストキニンオクタペプチド(CCK-8)が強力な分泌促進活性を有することを見出した。この活性は副交感神経作動薬であるカルバコールに匹敵するものであり、その作用はCCK受容体遮断剤で完全に阻害された。これらの結果から、胃内アスコルビン酸分泌は神経系のみならず、CCKを主とする消化管ホルモンによる体液性の制御をも受けるものであり,アスコルビン酸分泌がヒトの胃においても生理的に機能する応答であることが強く示唆された(これらの結果は近日中に投稿予定)。現在、この分泌メカニズムを細胞レベルで明らかにするため、ラット胃粘膜細胞初代培養系を構築しており、予試験的ながらカルバコールやCCK-8特異的な分泌応答を確認している。次年度に向けてはこの系に関与する輸送担体および受容体を分子レベルで明らかにする予定である。一方、このラット胃内アスコルビン酸分泌系が喫煙要因によっても著しく阻害されることを、主要成分であるニコチンやその主要代謝物であるニコチンの静脈内投与で証明した。喫煙者の血中濃度に基づいた投与量でCCK-8による胃内アスコルビン酸分泌は有意に抑制され、特に空腹時の喫煙により胃内の抗酸化的防御能が低下することが確認された(この成果についても論文作成中)。

これらの成果は酸化的ストレスの関与する各種胃疾患(萎縮性胃炎、胃潰瘍、粘膜壊死等)の発症時の胃内アスコルビン酸分泌動態の重要性を示唆するものであり、化学物質による胃粘膜障害の発生や腸管粘膜免疫応答の変化や老化などとの関連を解析する次年度の課題に向けての基礎となるものである。本研究課題では、新たに見出した胃内アスコルビン酸分泌系が神経性のみならず体液性制御をも受ける生理的な応答であることを証明し、さらに消化管粘膜におけるアスコルビン酸の生体防御への関与および胃内アスコルビン酸分泌動態の異常と疾患との関わりを解析することを目的とした。まず、分泌促進機構については、各種の脳-腸管関連体液性ペプチドについてラット胃内潅流法で解析した結果、コレシストキニンオクタペプチド(CCK-8)がその特異的受容体を介して強力な分泌促進活性を示すことを見出し(論文発表)、これまでのムスカリン性アセチルコリン受容体を介する神経系との二重支配下にあることを明らかにした。これによりこの分泌系が、胃内残留物の少ない空腹時においても機能し、胃粘膜における生体防御に関与すること、及びヒトの胃においても生理的に機能することが強く示唆された。また、この分泌メカニズムをラット胃粘膜遊離細胞初代培養系でも解析し、カルバコール(コリン作動薬)やCCK-8に特異的な分泌応答を確認したが、分泌担当細胞の特定は研究期間内ではできなかった。一方、分泌動態と疾患との関わりについては、この胃内アスコルビン酸分泌が喫煙、特に主成分であるニコチンやその主要代謝物コチニンで有意に抑制されることを見出し、喫煙者の胃内抗酸化活性が減弱し、粘膜防御能が低下する要因となることを示唆した。この結果は、胃内における空腹時アスコルビン酸量の減少が現代病の主要な要因であるラジカルや活性酸素による胃病変発症に密接につながる傍証となるものである。しかし、急性胃病変モデルでの胃内アスコルビン酸分泌実験は完了しておらず、分泌異常と疾患との因果関係までは明らかにできなかった。アスコルビン酸がその強力な抗酸化作用により免疫賦活、解毒蛋白誘導、細胞老化抑制作用を発揮することが分子レベルで最近明らかにされてきたことから、本研究課題で得られた一連の成果は消化管粘膜細胞におけるこれらの生体防御能に対しても分泌されたアスコルビン酸が合目的的に機能することを示すものとして意義がある。
湿潤度検査紙の湿潤速度を用いた唾液の物理的性状および湿潤度自動測定システムの開発

本年度は、前年度までに、水分を10秒間に10mm吸湿する材料を選択して決定したことから、湿潤度検査紙の湿潤速度に関する研究を中心に進め、また同時に湿潤速度を電気的に描出できる方法について検討した。湿潤速度についてはおよび継時的な湿潤速度の変化と測定後の変化およびに対象液体の物性の違いによる湿潤速度について実験的に検討した。湿潤速度の測定には標準のモデルとして吸水性スポンジに標準化されたペーパータオルを3枚重ねたものを対象液体に10mm浸漬した状態で計測表面が吸湿してから、表面に垂直に保持して10秒間吸湿させた。記録は、ハイビジョンのビデオカメラを固定して、吸湿変化を記録し測定終了後15秒、計25秒間記録して、1秒後との変化を記録した。電気的繁華の記録は、最終的に口腔水分計ムーカスのセンサを用いることで湿潤速度を表現できることが判明し、その電気的な数値を記録した。その結果、蒸留水の湿潤速度は、10秒間で10.08±0.12、計測後15秒後の数値は11.25±0.24で約10%上昇した値で安定した。物性による変化では粘性が高くなるにしたがって湿潤速度が低くなりグリセリン50%液では10秒後4.33±0.28と約43%に低下し、粘性が高くなるに従って湿潤速度が低くなることが示された。一方、電気的描出については、口腔水分計ムーカスのセンサーでは、口腔水分計値=10.11×湿潤度(mm)-9.06 (r2=0.97)と極めて有意に描出できることが示され、簡便で安全に電気的評価が可能になることが示された。このシステムを応用して開発することでより客観的な唾液評価が可能となり、要介護高齢者や障害者を含めた口腔乾燥症の診断治療に有用な機器になり得ると考えた。本年度は、湿潤度検査紙の改良研究と、メンブレンフィルターの材料に関して実験的に検討を進めた。とくに、新たに改良する湿潤度検査紙については、形態と大きさについて、指手で支持ができることとこれまで利用されていた湿潤度測定紙の大きさを参考に5mm×4550mmの大きさにすることとした。これにより、従来の湿潤度検査紙のデータと互換性ができることが認められた。メンブレンフィルターの材料と種類については、水分を10秒間に10mm吸湿する材料を選択して決定した。決定された湿潤度検査紙に対しては電気的な評価に対する予備実験を行い、水分の吸湿に伴い湿潤した部分の電気伝導性が上昇することを確認した。これにより電気的に上昇を確認できることが認められた。湿潤度検査紙に対する改良については、水分の視認ができるように色素を着色した製品も開発した。着色には、食品添加物として日本および欧米で広く使用され、アレルゲンに関しても問題なく利用できる青色1号を使用した。色素の着色方法については、浸漬法などのいくつかの方法について検討し、それぞれの湿潤速度の変化について検討し、一定の湿潤速度を示す着色法を決定した。今後は、改良した湿潤度検査紙を用いた電気的に自動測定できるモデルを作成して、曳糸性測定器および粘度計による物理的性状の評価と湿潤速度の関連性について解析を進める。これらの開発によりより客観的な唾液評価が可能となり、要介護高齢者や障害者を含めた口腔乾燥症の診断治療に有用な機器になり得ると考える。
定期的な運動が発達障害の症状を緩和する際の分子メカニズムの解明

乳仔期の甲状腺ホルモン撹乱による発達障害モデル動物では,脳における脳由来神経栄養因子(BDNF)あるいはその受容体のタンパク発現低下とともに,多動,不安傾向の減弱,協調運動障害,学習・記憶障害を引き起こしたが,定期的な走運動は,発達障害モデル動物の脳におけるBDNFタンパク発現増加を引き起こすとともに上記の症状を緩和することが明らかとなった.乳仔期の甲状腺ホルモン撹乱による発達障害モデル動物では,脳における脳由来神経栄養因子(BDNF)あるいはその受容体のタンパク発現低下とともに,多動,不安傾向の減弱,協調運動障害,学習・記憶障害を引き起こしたが,定期的な走運動は,発達障害モデル動物の脳におけるBDNFタンパク発現増加を引き起こすとともに上記の症状を緩和することが明らかとなった.甲状腺ホルモンは脳の成長発達に重要であることが広く知られている.本年度は甲状腺ホルモンの合成阻害剤であるプロピルチオウラシルを飲料水(0.02%PTU)として母ラットに3週間与え、母乳を介して甲状腺ホルモンを撹乱した仔ラット(PTUラット)の行動観察を行った.まず,不安傾向を観察するため十字迷路テストを実施した.その結果,PTUラットでは十字迷路における総移動距離,オープンアームへの進入回数・滞在時間が増加し,Hyper Activityと抗不安傾向を示した.次に運動機能を観察するためロータロッドテストを実施した.ロータロッド(4rpmから40rpmに速度を漸増)においては,7週齢時までロッド上での走行時間が短く,協調性運動障害を示した.小脳は運動制御に重要な役割を果たしているので,小脳の組織学的観察を行った.その結果,小脳ではプルキンエ細胞と顆粒細胞の配列異常が認められた.しかし8週齢以降はノーマルラットとの走行時間の相違はなく,運動機能の回復が認められた.学習・記憶能力を観察するため1日当たり4試行のモリス水迷路テストを5日間実施した.モリス水迷路学習において,ノーマルラットでは水面下に隠されたプラットホームに到達するまでの逃避潜時が学習3日目で10秒以内になったのに対し,PTUラットでは学習5日目でも10秒以上の逃避潜時を有し,空間記憶・学習能力の低下が認められた.その際,PTUラットではプラットホームに到達するまでの遊泳距離がノーマルラットよりも長く,PTUラットとノーマルラットの遊泳速度に相違はないことから,空間記憶・学習能力の低下が遊泳機能の低下によるものではないと考えられる.以上のように,乳児期の甲状腺ホルモン撹乱により行動学的特性の変化が認められた.今後,脳内での神経栄養因子等との関係を検討していく予定である.甲状腺ホルモンは脳の成長発達に重要であることが広く知られている.本年度は甲状腺ホルモンの合成阻害剤であるプロピルチオウラシルを飲料水(0.02%PTU)として母ラットに3週間与え、母乳を介して甲状腺ホルモンを撹乱した仔ラット(PTUラット)に4週間の走運動(15m/分,60分/日,5日/週)を課した後,行動観察を行った.また,コントロールラット(CONラット)にも同条件の走運動を課して比較した.十字迷路において,CONラットでは走運動による不安傾向の変化はほぼ認められなかったが,PTUラットでは走運動によりさらなるHyper Activityと不安傾向の減弱を示した.ロータロッド(4rpmから40rpmに速度を漸増)においては,CONラットでは走運動による運動機能の変化はほぼ認められなかったが,PTUラットでは走運動によりロッド上での走行時間がCONラットと同レベルまで延長し,運動機能の改善が認められた.モリス水迷路学習(4試行/1日,5日間)において,CONラットでは走運動による空間記憶・学習能力の変化はほぼ認められなかったが,PTUラットでは走運動により学習4日目以降,プラットホームに到達するまでの逃避潜時と遊泳距離が短縮し,空間記憶・学習能力の改善が認められた.その際,走運動による遊泳速度の変化が認めらないことから,空間記憶・学習能力の改善が遊泳機能の向上によるものではないと考えられた.以上のように,乳児期の甲状腺ホルモン撹乱による運動機能,空間記憶・学習能力の低下が走運動により改善する可能性が示された.しかし,走運動によりさらなるHyper Activityと不安傾向の減弱が生じ,改善されない行動特性も認められた.甲状腺ホルモンは脳の成長発達に重要であることが広く知られている.本年度は甲状腺ホルモンの合成阻害剤であるプロピルチオウラシルを飲料水(0.02%PTU)として母ラットに3週間与え、母乳を介して甲状腺ホルモンを抑制した仔ラット(PTUラット)に4週間のトレッドミルランニング(15m/分,5日/週)を実施した.学習・記憶能力を観察するため1日当たり4試行のモリス水迷路課題を5日間実施した.PTUラットはノーマルラットに比べ,水面下に隠されたプラットホームに到達するまでの逃避潜時が有意に遅延しており,空間記憶・学習能力の低下が認められた.その際,海馬では脳由来神経栄養因子(BDNF)と受容体(TrkB)のタンパク発現が低下していた.一方,ランニングを実施したPTUラットにおける有意な逃避潜時の遅延は,学習開始2日目のみであり,空間記憶・学習能力の改善が認められた.その際,海馬ではBDNFとTrkBのタンパク発現が増加していた.6日目にプラットホームを取り除いたプローブテストを1分間実施した.ノーマルラットでは,プラットホームが置かれていたエリアでの滞在時間が,前半30秒間よりも後半30秒間で減少しており,他のエリアへの探索が増加する傾向にあった.一方,PTUラットでは,前半,後半ともにプラットホームが置かれていたエリアでの滞在時間が長く,記憶した場所への固執傾向が認められた.

ランニングを実施したPTUラットにおいても同様の傾向にあった.以上,ランニングは乳仔期の甲状腺ホルモン抑制による空間学習・記憶能力の低下をBDNFとTrkBの増加とともに改善することが示唆された.
メタボリック症候群と脳梗塞における運動療法の抗血栓作用と動脈硬化抑制効果の解析

動脈硬化は血小板活性化、血管内皮機能障害、凝固・線溶系の破綻などにより血栓症へと進展する。そして脳梗塞病変では種々のサイトカインが分泌されアポトーシスが進行し病巣はさらに拡大していく。運動療法がこのような動脈硬化進展と病巣拡大を阻止できないかを研究した。運動療法により脳梗塞患者の血管内皮障害と血小板活性化が軽減され、線溶機能が亢進することを先の研究課題で報告した。本課題では、運動療法が脳梗塞発症後のサイトカインやアポトーシスを軽減することが示唆された。運動療法の継続が血栓形成傾向の抑制だけでなく病巣悪化の阻止にも寄与する可能性が示された。亜急性期または慢性期の脳梗塞患者に対して運動療法を施行し、症例数を増やして引き続き血管内皮機能(トロンボモジュリンTM,エンドセリンEC,フォンウィルブランド因子vWF)の変動、血小板機能(βトロンボグロブリン&#61538;TG,血小板第4因子PF-4)の変動、凝固・線溶機能(トロンビンアンチトロンビン複合体TAT,プラスミノーゲンアクチベーターPA,プラスミノーゲンアクチベーターインヒビターPAI-1,プラスミンインヒビタープラスミン複合体PIC,プラスミンインヒビター&#61537;2PI,アンチトロンビンATIII)の変動、リンパ球機能(MCP-1, MIP-1&#61537;)の変動、接着分子(P-selectin, VCAM, ECAM)の変化、を測定した。さらに、運動療法施行中の運動機能(motor FIM, Barthel Index,片麻痺グレード)や臨床病態(MRI, CT)を経時的に評価した。これらの結果を基に、脳梗塞における運動療法と炎症性サイトカイン、凝固・線溶系指標、血管内皮障害などとの関連を解析している。症例数を増やしても運動療法の期間に応じて、線溶機能の亢進、抗凝固活性の増加、炎症性サイトカインの減少などの傾向が認められた。運動療法の量(1日当たりの平均時間数)と凝固・線溶系指標や炎症性サイトカインの値とが相関関係を示しており、運動療法が脳梗塞の二次予防に寄与している可能性が示唆される。運動療法は単に運動機能の回復だけではなく免疫機能、内分泌機能、血管内皮機能などの改善にも有用であるという理念のもとに、私達は運動療法が生体に及ぼす影響を研究してきた。平成16-17年度科研費による研究では、脳卒中においては動脈硬化により血小板が活性化し、血管内皮機能や線溶機能が傷害されていることを報告し、運動療法が動脈硬化進展を抑制し脳卒中の二次予防に寄与することを示唆した。平成20-22年度科研費による研究では、運動療法の継続により脳梗塞における血管内皮障害と血小板活性化は軽減し、凝固機能は低下し、線溶機能が亢進することを報告し、運動療法の継続が血栓形成傾向を抑えて脳梗塞の二次予防に寄与することを示唆した。本研究では、動脈硬化の進展には慢性炎症刺激や血小板活性化、リンパ球活性化が関与しており、運動療法が血小板・リンパ球や慢性炎症の抑制を介して動脈硬化進展を阻止し脳卒中予防に寄与する可能性を研究した。その結果、運動療法が血小板活性化や血管内皮障害を抑制することが判明し、また抑制の程度は運動療法の強度に依存する傾向がみられた。さらに運動療法は炎症性サイトカイン産生を抑制し、リンパ球抑制性サイトカイン産生を増加する傾向がみられた。また運動療法が単球機能やアポトーシス、アディポカインに影響を及ぼすことも示唆された。一方、運動療法は施行時間に応じて抗凝固機能を増大し、線溶機能を強化することが判明した。亜急性期だけでなく慢性期についても同様の傾向(血小板活性化の抑制、血管内皮障害の軽減、炎症性サイトカインの抑制、リンパ球機能の抑制性、単球機能・アポトーシス・アディポカインへの影響)がみられた。運動療法を長期間継続していくことにより血栓傾向を抑制し、動脈硬化の伸展を抑制して、脳梗塞の二次予防に寄与することが示唆された。

亜急性期または慢性期の脳梗塞患者に対して運動療法を施行し、血管内皮機能(トロンボモジュリンTM,エンドセリンEC,フォンウィルブランド因子vWF)の変動、血小板機能(βトロンボグロブリン&#61538;TG,血小板第4因子PF-4)の変動、凝固・線溶機能(トロンビンアンチトロンビン複合体TAT,プラスミノーゲンアクチベーターPA,プラスミノーゲンアクチベーターインヒビターPAI-1,プラスミンインヒビタープラスミン複合体PIC,プラスミンインヒビター&#61537;2PI,アンチトロンビンATIII)の変動、リンパ球機能(MCP-1, MIP-1&#61537;)の変動、接着分子(P-selectin, VCAM, ECAM)の変化、を測定した。さらに、運動療法施行中の運動機能(motor FIM, Barthel Index,片麻痺グレード)や臨床病態(MRI, CT)を経時的に評価していった。これらの結果を基に、脳梗塞における運動療法と炎症性サイトカイン、凝固・線溶系指標、血管内皮障害などとの関連を解析している。運動療法の期間に応じて、線溶機能の亢進、抗凝固活性の増加、炎症性サイトカインの減少などの傾向がみられた。運動療法が脳梗塞の二次予防に寄与している可能性が示唆される。症例数がまだ少なく、測定項目を若干変更したりしたが、概ね研究計画に沿って順調に実施している。交付申請書に記載した研究計画に基づいて、上記の測定および評価をさらに継続していく。動脈硬化やインスリン抵抗性などの評価、および動脈硬化に関連するアポトーシスや活性酸素の指標(Fas, Fas ligand, caspase, SODなど)の測定も加えて、運動療法との関連を分析していきたい。研究の最終年度には、全ての研究結果の総合的な解析を行う。動脈硬化やインスリン抵抗性などの評価も施行していく。交付申請書に記載した研究計画に基づいて、引き続き研究費を使用していく。また新たに分析が必要となった動脈硬化に関連するアポトーシスや活性酸素の指標(Fas, Fas ligand, caspase, SODなど)の測定は、前年度までに採取し凍結保存してある血液検体についても行っていく。
カイコの脳ー側心体ーアラタ体複合体における前胸腺刺激ホルモンの分泌機構

昆虫の脱皮・変態を調節制御する内分泌カスケ-ドに関連して、カイコの脳ー側心体ーアラタ体複合体における前胸腺刺激ホルモン(PTTH)の分泌機構の解明を試み、次のような成果を得た。(1)Ecdysoneに対するモノクロ-ナル抗体(Ka:1.3X10^<10>M^<-1>)を作製し、10300pgのecdysoneを測定できる高感度ラジオイムノアッセイ系を確立した。(2)ワンダリング当日の前胸腺は、PTTHに対する感受性が高く、自発的ecdysone分泌量も少なかったので、この時期の前胸腺を用いて、0.210unitsのPTTHが測定可能なin vitroアッセイ系を確立した。(3)5令期における体液中PTTHの力価を測定することにより、5令初期(Day12)、ワンダリングの3日前及び前日、ワンダリング後の2日間、ecdysteroid濃度が最高となる直前の5回にわたりPTTHが体液中に分泌されることを明らかにした。この実験結果に基づき、脳ー側心体ーアラタ体複合体におけるPTTHの分泌機構解明の実験は、自発的分泌が少なく内的刺激に応答する5令3日目の複合体を用いることにした。(4)Ca^<2+>イオン(4.5mM)存在下、高濃度のK^+イオン(60mM以上)により複合体からのPTTH分泌が誘起されることを見出した。また、この分泌は、4種の神経伝達物質によっても促進され、刺激から分泌までに要する時間は、アセチルコリン、ド-パミン、ダルタミン酸、セロトニンの順であった。これらの実験結果から、アセチルコリンが、「刺激ー分泌連関」において、神経分泌細胞を刺激することにより軸索末端に活動電位を生じさせ、Ca^<2+>イオンの流入とこれに次ぐPTTHの分泌を引き起こしているものと推定した。(5)天蚕における光周性依存休眠覚醒の前後で、脳内カテコ-ルアミンは著しい変動を示し、休眠蛹に存在していないエピネファリンが覚醒後に増大することを見出した。この増大と脳内PTTH分泌との関連性は興味深い今後の課題である。
大腸癌における細胞接着分子に関する免疫組織学的研究「肝移転・肺移転との関連性について」

以上のことから.大腸癌が肝転移をきたす際.癌細胞の細胞膜表面にSialyl Dimeric Le^Xが発現していることの重要性が示唆された。
フォトスイッチ電位センサーの創製

電位依存性チャネルの電位センサーの構造と動作機構に基づき、新規の光駆動イオンチャネルおよび光駆動膜機能蛋白質を創製することを試みる。高速で光異性化を起こすアゾベンゼンを利用して、電位センサーを動かし、光によるイオンチャネル活性の制御や電位センサーに付加した酵素などの機能分子の制御を行う。分子構造や動作機構に立脚して戦略的に光駆動チャネル・光駆動性膜蛋白を創製するプラットフォームを構築することを目的として本研究を行う。本年度は、扱いやすい最小ユニットで機能するHvチャネルおよびVSPの電位センサーを対象に実験を進めた。構造解析情報を基に、電位センサーがResting構造からActive構造に変化する際に変わる残基間距離を計算した。光異性化距離に相当する残基ペアに、アゾベンゼン誘導体を架橋するためのCys変異を導入した。S3-S4間距離、S2-S4間距離、ドメイン間距離をアゾベンゼンの光異性化によりコントロールすることを試みた。網羅的に多くの変異体コンストラクトを作成し、変異体チャネルをXenopus卵母細胞に発現させ、アゾベンゼン誘導体をスルフヒドリル反応で付加し、光異性化波長を照射し、電気生理学的に測定した。本年度は、光で操作することができる電位センサーを得ることが出来なかった。しかしながら、本研究費で実験補助員(1名)を雇用し、Cys導入変異体作成から電流解析まで一連の解析システムを構築することに成功した。次年度以降に、解析システムが有効に働くことが期待できる。本研究費で実験補助員(1名)を雇用し、変異体作成から電流解析まで一連の解析システムを構築することに成功し、数多くのCys変異体を作成し、解析検討した。本年度は、扱いやすい最小ユニットで機能するHvチャネルおよびVSPの電位センサーを対象に実験を進め、変異体作成から電流解析まで一連の解析システムを構築することに成功した。しかしながら、光で操作できる有効な変異体を得ることが出来なかった。次年度は、構造ー機能解析・分子計算まで含めて、これまで最も研究の進んでいる電位センサーを有する電位依存性チャネルを対象として研究を進める。数多くのCys導入変異体を作成し、スクリーニングを行う。困難を解決するために、適宜、分子計算解析も導入し、プロジェクトの成功に繋げる。発注機器の納期の遅れ、および計算科学を取り入れて研究を遂行する必要が生じたため学内計算機器設備による分子構造計算を取り入れて研究を行ったため、物品費の使用に遅れが生じた。実験補助員の雇用が遅れたため、人件費の使用に遅れが生じた。翌年度分として請求した助成金と合わせた、直接経費(4,274,155円)の使途は以下の通り。物品費:2,000,000円、旅費:50,000円、人件費:2,200,000円、その他:24,155円。
新規機能性シアニジン配糖体の合成研究

シアニジンは植物に含まれるフラボノイド系色素分子の1つであり、その有用な生物活性から健康増進を目的として着目されている分子である。天然に存在するシアニジンの多くは配糖体として存在しており、糖分子が分子の安定化や生物活性の向上に寄与していることも確認されている。本研究では化学合成もしくは酵素合成により、天然には存在しない新規シアニジン配糖体としてシアニジンの3位水酸基が、ラクトース、3位がフッ素で置換されたグルコースもしくはシアリルラクトースで修飾された3種の化合物を合成した。合成したシアンジン配糖体の抗酸化作用をin vitroで調べたところ、天然型よりも抗酸化能が高い傾向が確認された。植物由来の色素分子であるシアニジンは、フラボノイド系分子アントシアニン群の1種であり、抗酸化作用、がん細胞成長抑制作用等の多くの生理活性を有する。シアニジンには多くの配糖体型が存在しており、それらシアニジン配糖体中の糖分子が生物活性の向上や物質の安定化に寄与していることが報告されている。本研究課題では、シアニジンに非天然型の糖を化学的もしくは酵素的手法により導入し、天然とは異なる生理活性や物性を有する新規シアニジン配糖体を創成することを目的としている。平成27年度はシアニジンの3位水酸基がラクトースで修飾された非天然型のシアニジン配糖体(Cy-Lac)の合成を行った。更に、Cy-Lacをα-2,3-シアル酸転移酵素の反応に供することにより、シアリルラクトースで修飾されたシアニジン配糖体へと変換することに成功した。また、本年度は、合成した配糖体の抗酸化能を評価するアッセイとして、マイクロプレートリーダーを用いたORAC法を試行した。研究計画当初は市販の抗酸化能測定キットを用いる予定であったが、試薬とマイクロプレートを購入することでキットを用いずに抗酸化能が評価できるアッセイ系を確立することができた。実際に、合成したCy-Lacの抗酸化能を標準物質としてトロロックスを用いてORAC法により評価したところ、抗酸化能は確認されたが、天然物であるシアニジン-3-グルコシドより弱い活性であることが示唆された。本年度は2種類のシアニジン配糖体の合成にとどまっている。合成過程の精製や反応条件の最適化に時間を要したためである。また、予定していた次年度のランダムグリコシル化反応に向けたシアニジンの植物からの抽出には着手できなかったが、配糖体の合成行程を一部改変し、化学合成による調整を平成28年度に試みる。シアニジンは植物に存在するフラボノイド系の色素分子であり、その多くは糖が付加された配糖体型として存在している。シアニジン配糖体には抗酸化作用に代表される種々の有用な生物活性が確認されており、重要な生理活性物質として位置付けられている。本研究では、化学的もしくは酵素的合成手法により天然型とは異なる糖で修飾された新規シアニジン分子を合成し、その生物活性を向上させることを目指してきた。昨年度に引き続き、天然型とは異なる糖で修飾されたシアニジン配糖体の合成を行った。前年度の時点で、化学合成により作製したラクトースで修飾されたシアニジン配糖体(Cy-Lac)にシアル酸転移酵素を作用させることにより、シアル酸が伸張できることを確認していたため、28年度は合成スケールを上げて数百μgスケールで糖転移反応を行った。シアル酸転移反応は合成スケールを大きくしても進行し、Cy-Lacのラクトース残基にさらにシアル酸が伸張されたCy-SiaLacの合成を90%の収率で達成した。また、本年度は化学合成により3位水酸基がフッ素に置換されたグルコースをシアニジンに導入したCy-3FGlcの合成も行った。合成したCy-Lac、Cy-SiaLacとCy-3FGlcの抗酸化作用をORAC法により評価した。抗酸化能の比較対象として、天然型であるシアニジン(Cy)とシアニジン-3-グルコシド(Cy-Glc)を用いた。その結果、Cy-SiaLac > Cy-3FGlc > Cy-Lac > Cy-Glc > Cyの順に抗酸化能が高いことが確認された。本研究により、シアニジンを非天然型の糖で修飾することで生物活性を天然型シアニジンよりも向上させ、新しい生理活性物質として発展させることができる可能性を示すことができた。来年度は前年度に引き続き、3位水酸基が糖で修飾されたシアニジン配糖体の合成を中心に研究を進める。修飾する糖の種類として、糖水酸基の一部がフッ素で置換された糖、アリル基が導入されている糖、α結合で導入された糖を想定している。

また、ランダムグリコシル化反応によりシアニジンへの糖の導入を試み、天然物とは異なる位置に糖が導入されたシアニジン配糖体の合成を検討する予定である。合成物に関しては、NMRやUV-VISによる構造・物性解析、生理活性評価としてORAC法による抗酸化能の確認を行う。28年度が最終年度であるため、記入しない。糖鎖科学28年度が最終年度であるため、記入しない。
生物系に現れる成長パターンの多様性の研究

細菌は彼等の環境条件としての栄養濃度や培地の固さを変えるとそれに応じて特徴的かつ多彩な形の集落(コロニー)を形成する。このこと自体、細菌が単純に単細胞的にかつ受動的に生きているのではなくて、何らかの仕方で環境という場と積極的にかつ集団的に相互作用していることを示唆する。本研究班ではこれを解明することを主要な課題として、細菌の微視的活動から集落形成の巨視的側面に到るまでの全てに注目してきた。実験的にはマクロな集落形成をタイムラプスビデオで記録し、メゾスコピックな観察を実体顕微鏡で行い、集落形成中の細菌の微視的な振舞いを顕微鏡観察して記録し、解析してきた。その結果、少なくとも枯草菌、プロテウス菌、霊菌などいくつかの細菌に対して、それらが集団的に形成する集落の多様なパターンについては、彼等の最も重要な環境条件としての栄養濃度と培地の固さを変えたときのモルフォロジー・ダイアグラム、それぞれの成長条件、特徴などを明らかにすることができた。理論的には以上の観察結果がどこまで反応拡散系として記述できるかを徹底的に考察してきた。これらの研究成果は細菌集団の作る成長パターンの研究に留まらず、細胞集団あるいは生物集団一般のパターン形成の実験的、理論的研究の拡張につながる。プロテウス菌は接種後の準備期を経て集団的に一斉に遊走し始め、2、3時間の遊走期の後にやはり2、3時間続く静止期に入る。その後は遊走期、静止期を交互に繰り返し、結果として同心円状の集落を形成する。平成11、12年度の実験成果と反応拡散方程式を基礎にして、この周期的な集落形成を理論的・数値的に考察した。プロテウス菌の場合には細菌密度がある閾値を越えると遊走期に入るという実験的証拠が平成11、12年度の研究で得られた。同じことが、同じく同心円状集落を形成する枯草菌や霊菌についてもいえるかどうかをチェックするとともに、静止期に入る現象論的な機構を探った。我々は細菌集落(コロニー)を生物系に現れる成長パターンの具体例として、その成長実験・観察・解析と成長パターンのモデル化を行っている。細菌は栄養濃度や培地の固さを変えるとそれに応じて多彩な形の集落を形成する。このように特徴的な集落パターンを呈すること自体、細菌達が単純に単細胞的にかつ受動的に生きているのではなくて、何らかの仕方で環境という場と積極的にかつ集団的に相互作用している可能性がある。我々はこれまでの研究で、大腸菌や枯草菌などごく普通の細菌を寒天平板上で培養したときに、栄養濃度と寒天濃度(培地の固さ)という細菌の成長条件を決める二つのパラメータを変えるだけで、成長する集落のパターンが多様に変化することを見出した。特に、枯草菌について集落パターンの相図を定量的に確立することができた。即ち、自己相似フラクタルなDLA的パターンや、コンパクトなEden的パターン、同心円状パターン、枝分かれが密集したDBM的パターン、一様等方なディスク状パターンといった、5種類の典型的なパターンを呈する領域があることを明らかにしてきた。それぞれのパターンについて、界面成長ダイナミクスの特徴を浮き彫りにすべく、集落形成中の細菌の微視的な振舞いを顕微鏡観察して記録し、解析している。プロテウス菌は規則的な同心円状集落パターンを作ることで有名である。この菌についても集落パターンの相図を確立し、さらに同心円状集落パターン形成の機構を解明すべく、各種の実験を行ってきた。

特に、遊走期は菌密度がある値にまで増加すると始まり、停止期は菌密度がある値にまで減少すると始まることを見出した。即ち、少なくとも巨視的、現象論的には、菌密度に二つの閾値があり、それによって集落の成長先端で周期的な遊走・停止が繰り返され、結果としてきれいな同心円状の集落パターンが得られるということである。理論的研究の目標としては、栄養場は連続的だとして拡散場とみなしてもよいが、細菌は個の集まりとするような、ハイブリッド・モデルを確立しなければならない。その出発点として、上述の典型的な5種類の集落パターンを再現するような比較的単純な反応拡散方程式で表されるモデルを提案している。我々は生物系に現れる成長パターンの具体例として細菌集落(コロニー)を取り上げ、その成長の実験・観察・解析と集落成長パターンのモデル化を行っている。細菌は栄養濃度や培地の固さを変えるとそれに応じて多彩な形の集落を形成する。このことは、単細胞生物の典型といわれている細菌達が単純に単細胞的にかつ受動的に生きているのではなくて、何らかの仕方で環境という場と積極的にかつ集団的に相互作用して、多細胞的な生存戦略を取っていることを強く示唆する。我々はこれまでの研究で、大腸菌や枯草菌、霊菌などごく普通の細菌を寒天平板上で培養したときに、栄養濃度と寒天濃度(培地の固さ)という細菌の成長条件を決める二つの環境パラメータを変えるだけで、成長する集落のパターンが多様に変化することを見出した。特に、枯草菌について集落のモルフォロジー・ダイアグラムを定量的に確立し、自己相似フラクタルなDLA的パターンなど、5種類の典型的なパターンを呈することを明らかにしてきた。そしてそれぞれのパターンについて成長ダイナミクスの特徴を浮き彫りにすべく、集落形成中の細菌の微視的な振舞いを顕微鏡観察して記録し、解析している。本年度は5種類の典型的なパターンの中の同心円状パターンの成長ダイナミクスに重点を置いて研究した。プロテウス菌は非常に規則的な同心円状集落パターンを作ることで有名である。この菌についても同心円状集落形成の機構を解明すべく、レプリカ・プリンティングなど各種の実験を行ってきた。これは現象論的には菌密度に二つの閾値があり、それによって集落の成長先端で周期的な遊走・停止が繰り返され、結果として同心円状の集落パターンが得られるということを意味する。以上の観察のモデル化の試みとして、枯草菌に対しては典型的な5種類の集落パターンを再現するような比較的単純な反応拡散方程式で表されるモデルを提案した。また、プロテウス菌についても、これまでの観察を基礎にしたモデルを提案している。我々は生物系に現れる成長パターンの具体例として細菌集落を取り上げ、その成長の実験・観察・解析と集落成長パターンのモデル化を行っている。これまでの研究で、大腸菌や枯草菌などごく普通の細菌を寒天平板上で培養したときに、栄養濃度と寒天濃度(培地の固さ)という細菌の成長条件を決める二つの環境パラメータを変えるだけで、成長する集落のパターンが多様に変化することを見出した。このことは細菌達が何らかの仕方で環境という場と積極的にかつ集団的に相互作用して、多細胞的な生存戦略を取っていることを強く示唆する。