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科学技術教育における学力低下問題と教科再構築論議の日仏比較

3、フランスの小学校における「世界の発見」科や「科学・技術」科にみられる多元的な各教科の「総合化」の相互関連性と、中学校におけるそれらの教科の科学的な客観的知識の系統性に基づいた「分化」の独自性を、2、日本との比較によって分析した。その結果、日本は科学的概念と学力概念との関係の議論が、総合と分化ではあまり議論されない傾向があることがわかった。1.フランスの「学力低下論」と「教科の再構築」、そして「各教科の構造の問い直し」論議との関係の特質を明らかにした。その結果、フランスでは、科学教育と技術教育を「統合」した1985年の「科学・技術」科は、科学的な「系統的知識を重視」して新設され、それまでの生活経験的な教科の「めざまし活動」が「学力低下」の原因とされ再分化されたものである上に、旧来の科学教育に新たに現代的な技術教育を統合した科学技術教育に関する再構築教科であること、また1995年の「世界の発見」科が、科学教育と技術教育の各教科を「総合化」した日本の生活科にあたる教科であるなど、学力論との関係で、科学技術教育各教科の総合化と分化の論理との関連が典型的にみてとれた。2.日本の科学技術教育各教科の学力論やカリキュラムを分析し、1.と比較した。その結果、日本の生活科・理科・技術科にあたる科学技術教育各教科の総合化と分化の論理との関連は、各教科が背景科学に依拠したそれぞれの系統性に閉じこめられ、学力論から各教科の相互関連性を追求する視点が希薄であることが明らかになった。3.最後に、科学リテラシーの育成の限界を乗り越えるための現代的な技術リテラシーの育成を新たに目的に含めた学力と、今後の日本の小・中・高を一貫した科学技術教育のカリキュラムの展望をまとめた。特に、日本の「若者の工学部離れ」対策が成功しているフランスの「エンジニア科学Sciencesdel' ingenieur」科のような高校段階の普通教育としての科学・技術教育のカリキュラムは専門化が特徴であり、日本の高校の情報科のカリキュラム開発は、数学と科学各教科を関連させ、科学・技術教育として専門化することも考えた。
半導体量子リングと関連ナノ構造による電子と正孔の新制御法の開発と素子応用の探索

本研究では、新電子素材として注目される10nm級の半導体細線やドット(粒)の研究を基盤に、円環状の量子リング構造の自己形成法を探るとともに、これらのナノ構造中の電子と正孔の量子状態を理論・実験の両面から解明し、それらを巧みに制御し、優れた機能を持つ素子への応用可能性を明らかにする研究を行った。まず、正孔のみを捕縛し、電子を排除する機能を持つ(GaAl)Sb系の第2種(TypeII)のナノ構造に着目し、Al組成の異なる(GaAl)Sbリングの自己形成手法を確立した。また、薄いGaAs量子井戸内に、正孔を捕縛できるGaSbドットを置き、電子をリング状に周回させる構造を考案・解析し、系内に独特の電子や励起子状態が生じることを示した。なお、GaSbドットは、成長条件次第で、ロッド状に形状が制御できることを見出した。GaSb系ナノ構造の物性と素子応用に関しては、リング内の角運動量を異にする量子状態を用いると、多極子が関与した電磁波発生素子の可能性があることを解析的に示した。また、GaSb量子ドットにより光励起で作られた正孔を捕縛することで、ドット近傍の伝導チャネルの電流を制御する光検出器を実現し、その特色を示した。上に記したGaSb系ナノ構造に加え、(InGa)As系ナノ構造の研究も進め、GaAs(111)B面近傍の微傾斜基板を用いると、約20-40nmの周期で、ドットを基板全面に規則配列できることを見出すとともに、単一InAs量子ドットに微細電極を設け他素子で、スピンを反映したユニークな単電子伝導などが観測されることなども見出している。さらに、量子細線内の電子や励起子の多体効果を理論・実験の両面から調べ、量子細線のレーザ利得に大きな影響を及ぼすことなども示した。本年はGaSb系の量子リングの形成技術を確立するために、GaAs基板上にGaSbを堆積させた時に作られる量子ドット構造の形状が成長条件の選択によって如何に制御されるかを調べた。その結果、条件次第でドットの形状に異方性が現れ、縦横の比が3対1ほどのロッド(棒状)構造の得られることが判明した。また、GaSbをリング状構造とする成長条件についても、吟味・検討を加え、(GaAl)Sbを堆積した時にも同様のリング形成が起きるか否かを調べ、Alの組成が70%以下の値の場合にリング構造の得られることを明らかにした。さらに、GaAs-AlGaAs系の量子井戸の内部にGaSbドットを埋め込み、電子をドットの外周上に周回させる方式のリングについても形成のための基礎実験を行ったところ、通常の量子ドットで見られる蛍光が消失することを見出した。これは、電子と正孔との重なりが弱められて、発光性の再結合をする確率が低下することによると思われるが、再現性などを確認し、その原因を明らかにして、対応策を確立する。他方、GaSb系のリングやInAs系のリング内の電子と正孔の量子状態に解析を加え、歪みに伴うピエゾ電界の作用で、固有状態にどのような異方性が生じるかを検討した。この結果、数ミリ電子ボルトから数十ミリ電子ボルトのポテンシャル変調が生じ、電子と正孔とがリング内で局在化し、両者の重なりを減らす可能性のあることが判明した。また、リング内に閉じ込められた電子または正孔の固有状態の中で、角運動量の大きな状態が関与する光学遷移過程を理論的に検討し、ドットとリングとを組み合わせた構造においては、二重極(ダイポール)ではなく多重極の関与する遷移の可能性が生じ、特異な性質を持つ光波を発生できる可能性のあることを見出した。

本年は、GaSbやAlGaSbやInSbなどアンチモンを含む物質からなる量子リング構造を自己形成的手法で作る研究を系統的に発展させる試みを行った。まず、GaAs基板上では、Sb分子線を照射して表面層にSb原子をsoakingさせた後に、GaSb層を堆積すると、Stranski-Krastanow的手法でGaSb系の量子ドットが形成される。このドットを、数ナノメートルのGaAs層で部分的に覆い、一定時間の熱処理を施すと、外周方向に物質移動が生じ、リング状のGaSb結晶が形成できることを見出した。この形成プロセスを、AlGaSbリングの形成に応用したところ、Alの組成が50%以下では有効であるが、70%以上になると、適用不能となることが判明した。なお、上記のsoaking過程を省略し、GaSbを堆積すると、ドットを経由せずにリング構造となることを既に見出している。GaAs基板上に、Sb分子を供給せずに、Ga分子のみを堆積させると、Gaの液滴が形成されることが知られている。こうしたGaの微細液滴を形成した後に、低温でSb分子線を供給すると、Gaの液滴の周囲にはSbの粒状結晶が堆積する。その後に基板の温度を上昇し、アニール処理を施すと、Ga液滴とSbが反応し、GaSbの量子ドットが形成されて、強い蛍光を発することが判明した。さらに、Sbの堆積プロセスの際の基板温度を上げると、Ga液滴が周辺方向に拡散するため、GaSb系の量子リング構造ができることも見出した。上に述べたように、リングの成長手法に関する諸知見を得たが、形成された構造の形状の計測や光学特性の評価なども行い、興味深い知見も得ている。本年度は、1.量子リングやドット構造の自己形成手法の高度化、2.それらが関与する特異な電子伝導と光検出機能および3.光学特性について研究を進め、以下の成果を得た。これまで、格子定数の異なる基板上のStranski-Krastanov(SK)型成長で10nm級のドットが自己形成する過程を利用し、これに一工夫を加えてリング構造を作成してきたが、本年は別の液滴エピタキシー手法を検討し、成長過程の設定次第で、良質なGaSbやInSbのドットに加え、リング構造が形成できることを見出した。また、GaSbの量子ドットを伝導路の近傍に埋めこんだp型ヘテロFET素子を開発、ゲート電圧の印加で正孔を蓄積させて閾値の制御可能性を示すとともに、光照射でも正孔が蓄積されるため、近赤外光を検出できることも明らかにした。また、単一のSKドットに微細電極を設けた素子では、電極材料に依ってスピンが関与する特異な電子伝導の生じることも示した(平川チーム)。さらに、ドットやリング内の励起子の量子状態や光学特性を理論解析し、束縛エネルギーや波動関数の形状を明らかにするとともに、各種のドットやリングを埋めこんだ構造の蛍光特性を実験的に調べ、その特徴を示すとともに、多重極放射素子への応用可能性を検討した。また、量子リング内の電子や正孔は、その形状により、量子細線に近い量子状態を作る。そこで、量子細線内に1次元的な励起子や電子・正孔を導入した時の光学特性を、理論実験の両面から調べ、一連のユニークな特徴が現れることを示した(秋山チーム)。
消化管におけるアクアポリンの生理機能の解明

小腸には複数種のアクアポリン(AQP)が発現することが知られているが、発現の網羅的解析はなされていない。また、小腸を構成する各細胞種が発現するAQPのレパートリーも明らかにはなっていない。小腸におけるAQPの生理機能を明らかにするためには、まず、これらの解析を行うことが必要である。そこで、マウス小腸に発現するAQPの網羅的な解析と、各AQPの発現様式を詳細に明らかにすることを試みた。その結果、十二指腸が8種、空腸および回腸が7種のAQPサブタイプを発現していることが明らかとなった。また、空腸および回腸は同種のAQPサブタイプを発現していること、および、十二指腸はそれらのサブタイプに加え、AQP5を発現していることが示された。In situハイブリダイゼーションによって、3部位での各AQPの発現様式を解析したところ、その発現は粘膜上皮の細胞にほぼ特異的であった。各AQPはそれぞれ異なる発現様式を示した。十二指腸特異的なAQP5は十二指腸腺に発現していた。小腸粘膜上皮を構成する各細胞種において発現するAQPの組み合わせを同定するため、各細胞種のマーカー遺伝子と各AQPとの二重in situハイブリダイゼーションを行ったところ、吸収上皮細胞にはAQP1およびAQP3が、杯細胞にはAQP3およびAQP9が、バネート細胞にはAQP1,AQP3およびAQP4が発現していた。これらの細胞においては、細胞内局在の異なるAQPが協奏的に働き、特異的な細胞機能に関与していると考えられる。そこで、平成17年度は、マウス小腸に発現するAQPの網羅的な解析と、各AQPの発現様式を詳細に明らかにすることを試みた。マウス小腸を十二指腸、空腸、回腸の3つの部位に分け、それぞれの部位からtotal RNAを抽出し、既知の13種のAQPサブタイプの各々に特異的なプライマーを用いて、RT-PCRを行って、それぞれの部位に発現するAQPサブタイプを解析した。現在、この結果について入念に検討を行っている。また、小腸粘膜上皮を構成する各細胞種を同定するためのマーカー遺伝子と各AQPとの二重in situハイブリダイゼーションを行って、小腸粘膜上皮が発現するAQPレパートリーの解明を試みている。
歴史を現代社会の問題解決方略に転移させる学習メディアの開発と評価

本研究では、現代社会の問題と類似した問題に対処した歴史上の因果関係を自動で提示でき、歴史上の因果関係を現代社会の真正な問題解決に転移させる学習メディアを開発した。はじめに、先行研究の調査をもとに現代社会と歴史が関連する13個のカテゴリを導出した。次に、カテゴリを付与した歴史のデータベースをもとに、行列積と分類器を用いた2つの検索方法を開発し、その日のニュースの社会問題と関連する歴史上の因果関係を類似度順に提示できる学習メディア「歴史タイムマシーン」を開発した。効果検証をした結果、本学習メディアを使うことで、その日のニュースにおける真正な社会問題に対し、新規な観点から考察を促せることが示された。平成26年度ではまず、歴史と現代社会の関連テーマについて考察している国内外の文献調査を通し、どのようなテーマにおいて歴史と現代社会が関連しうるかの調査と、各テーマにおける歴史の収集・アーカイブ化を行った。手順としては、まず高校世界史の教科書の本文から社会的な因果関係を抽出し、先行研究で定義されている社会的変化の枠組みを参考に、どの時代にも存在する類似した因果関係をカテゴリー化した。次に、カテゴリー名を上位概念として生成した上で、各歴史がどのカテゴリーを含むかを1か0かで事前に入力した。これらの作業により、社会的な問題を基礎とするカテゴリーの属性を持つ歴史のアーカイブを作成した。次に、現代社会のニュースの文面を用いてどのように類似する歴史を提示するかのアルゴリズムを2つ検討した。1つは、カテゴリーを社会的な問題の特性ごとに分類して、現代社会の問題と同じ分野の歴史を多次元尺度構成法によって求める方法であり、もう1つは文章に出現する単語を基に類似する歴史を求める分類器を使用する半教師あり学習に基づいた分類によって求める方法である。これらのアルゴリズムはプロトタイプ版として実装し、データを限定して動作テストも行っている。以上の研究成果に対し、本年度は全国社会科教育学会において歴史の分類の成果報告を行い、日本教育工学会と情報処理学会においてアルゴリズムの進捗報告を行った。はじめに、歴史と現代社会の関連カテゴリに沿って作成した歴史のアーカイブから108個の歴史を選定した。また、平成26年度に開発したアルゴリズムをもとに、現代の問題状況に対応した歴史を提示しつつ転移を促進させるウェブアプリ「歴史タイムマシーン」をデザインした。次に、本学習メディアを用いた検索結果において、歴史と現代社会の問題の類似性および問題解決における有用性が担保されているかを評価した。具体的には、歴史家1名に現代のニュースを4つ選ばせ、本アルゴリズムを用いて提示された歴史とランダムに提示された歴史に対する類似性と有用性をスコア化させた。そのスコアを分析した結果、本アルゴリズムを用いて提示された歴史の方が、類似性と有用性が高いことが示された。さらに、この学習メディアを用いたカリキュラム構成と授業方法を設計し、高校生16名を対象に本学習メディアにおける学習効果を評価した。具体的には高校生に最近の興味のあるニュースを選ばせ、本学習メディアを用いる前に議論した未来の因果関係と本学習メディアを用いた後に議論した未来の因果関係を比較した。その結果、事前には出てこなかった歴史上の因果関係の観点が獲得され、新規な考察が促されていることが示された。以上の研究成果に対し、本年度は日本教育工学会全国大会において学習メディアのデザインの進捗報告を、全国社会科教育学会全国研究大会においてこの学習メディアを用いたカリキュラム構成と授業方法の設計の成果報告を行った。後者については同学会の『社会科研究』に論文投稿し、採録された(2016年印刷予定)。また、25th Annual World History Association Ghent Conference 2016にて、本学習メディアのデザインと学習効果について成果報告を行う予定である。分類に関する基礎調査が終了し、現代社会と関連する歴史のアーカイブデータの作成が行えている点、開発に向けたアルゴリズムのプロトタイプ版を2つ検討・実装している点で当初よりも順調に進んでいる。ただし、歴史家に対するヒアリングに関してはシステム開発のプロトタイプ版を作成してからの確認の方が建設的だと判断しため、この点は次年度にまわしている。そのため、全体を考慮すると順調に進んでいるといえる。教育工学2015年度の開発に向けては、京都大学で歴史のデータマイニングを研究しているAdam氏とすでに相談が取れる体制を取っており、助言を仰ぎつつ開発を進めていく予定である。また、開発システムの学習評価に関しても、高校・大学で実践する候補を検討しており、プロトタイプの状態からフィードバックを得られる体制を年度始めから構築する予定である。歴史家へのヒアリングと謝金およびそれにかかる機材購入や旅費に関しては、システム開発がある程度進んでからフィードバックをもらう方が建設的だと判断したため、予算を一部残している。また、交付金額の減額分を考慮し、次年度のシステム開発費・インターフェースデザイン費を今年度の予算から補填できるよう、一部の予算を次年度使用できるようにしている。
絶縁体分散型イオン導電体のパーコレーションの視点に立つ研究

絶縁体微粒子をイオン導電体に分散させることにより、イオン伝導度が飛躍的に増加できることが知られている(絶縁体分散効果)。この絶縁体分散効果は、室温領域で使用可能な固体電解質の開発につながる極めて重要な現象である。本研究では、絶縁体分散効果のメカニズムを調べるため絶縁体分散型イオン導電体のイオン伝導を調べ、パーコレーションの視点にたって解析を試みた。本研究では絶縁体分散効果に分散絶縁体の構造的差異が及ぼす影響を調べるため、組成が同じで構造の異なる絶縁体を分散させた試料を用いることに着目し、銀イオン導電体であるAgIに、粒径を統一したルチル型TiO_2とアナターゼ型TiO_2を分散させた試料を用いて電気伝導度測定の実験を行った。その結果、ルチル型TiO_2とアナターゼ型TiO_2ともに体積分率25%付近で、電気伝導度がルチル型TiO_2で約10^3倍、アナターゼ型TiO_2で約10^4倍と最大の伝導度増加を示し、最大の絶縁体分散効果を示すことを確認した。この結果から組成が同じTiO_2でも分散させる粒子の構造により絶縁体分散効果に約10倍の差が現れることが判った。この様な2種類のTiO_2の間の絶縁体分散効果の違いはTiO_2の構造に起因すると考えられる。また、計算機を用いた2次元格子ネットワーク上で、イオン導電体に絶縁体を分散させたときのイオンの伝導経路に対するのパーコレーションのシミュレーションを行った。しかしながら、実際の系で伝導度が最大になる分散濃度で、2次元格子上のパーコレーションが切れてしまうことが判り、3次元系でのシミュレーションの必要性が認識された。
医療福祉連携によるロービジョン高齢者の口腔機能・栄養ケアの展開

2016年度の行った介入調査をもとに、歯科分野、栄養分野、生活環境面での分析を行い、学会での発表を行ってきている。昨年度は再度過不足のあった課題を細かく分析するために介入調査を行う予定であったが、研究代表者家族の病気により介護が必要になり、研究を進めることができなくなり中断していた。今年度1年研究機関を延長し、最後のまとめに入っている。研究代表者家族に病人がでて1年間研究が進まなかった。研究期間を1年延期手続きをし、現在最終年の研究を継続させまとめに入っている。6月・7月に今までの分析結果から、再度介入調査を行い問題点を明らかにして報告書にまとめていく。今後の超高齢社会の進行とともに、加齢や糖尿病などによる視覚障害(ロービジョン)を有する高齢者が増加するとされており、医療と福祉の両面からロービジョンケアの必要性が高まっている。ロービジョン高齢者では、様々な理由により口腔機能低下が生じやすいと推察され、栄養やフレイルの問題も含め、歯科医療と福祉が連携し、ロービジョン高齢者の食を支援する必要がある研究者が医療福祉連携の視点から、ロービジョン高齢者の口腔機能低下と栄養摂取状況の実態を解明し、それに関する生活課題を明らかにする。その上で、口腔保健指導、栄養指導、生活指導を行い、再評価することで、その効果を明らかにして、福祉と連携した歯科的なロービジョン高齢者ケアの在り方のエビデンスを構築する。平成28年度は倫理審査委員会承認後に健常高齢者50名、ロービジョン高齢者50名を募集した。調査は12月3・4日で以下の調査を行った。1生活課題調査:高齢者における、生活に関わる困りごと、食事に関する困りごとの聞き取り調査と生活指導、2口腔機能評価:問診(口腔に対する興味:口腔リテラシー、歯や口の困りごと:Oral Health Impact Profile, OHIP)・口腔内診察、口腔機能検査(唾液検査、咀嚼能力判定グミと咬筋表面筋電図による咀嚼機能検査、滑舌検査)、保健指導、3栄養状態評価:2の調査と同時期に1)栄養状態評価(簡易型自記式食事歴質問票、2)体組成分析による筋肉量評価、栄養状態評価と栄養指導した。結果、健常高齢者34名、ロービジョン高齢者33名の調査ができた。その結果が出た時点で、123を再評価し、生活指導、口腔保健指導、栄養指導の効果を検証する。研究分担者との連携もよく、また対象者への周知もでき健常高齢者とロービジョン高齢者がほぼ同数調査ができた。平成28年度に行った健常高齢者とロービジョン高齢者の調査(平成28年12月34日)1高齢者の生活:高齢者における生活に関わる困りごと,食事に関する困りごとの聞き取り調査と生活指導、2口腔機能評価:問診(口腔に対する興味:口腔リテラシー、歯や口の困りごと:OHIP<Oral Health Impact Profile>)・口腔内診察、口腔機能検査(唾液検査、咀嚼機能力判定グミと咬筋表面筋電図による咀嚼機能検査、滑舌検査)、保健指導、3栄養状態評価:2の調査と同時に1)栄養状態評価(簡易型自記式食事歴質問票)、2)体組成分析による筋肉量評価、栄養状態評価と栄養指導をした。平成29年度は上記調査の結果、健常高齢者34名、ロービジョン高齢者33名の調査結果を分析し各分野の学会(1第16回日本ケアマネジメント学会、2日本老年歯科学会、3日本障害者歯科学会、4第21回日本病態栄養学会)で途中経過や分析できた内容を発表した。また1に関してはヒアリング調査を10名について行い、修正事項等の再分析をした。今年度の健常高齢者、ロービジョン高齢者への生活指導、口腔保健指導、栄養指導の効果を検証まとめていく予定になっている。評価の分析が思うように進まず、介入研究が遅れている。平成28年度の調査は東京医科歯科大学の歯科医師・歯科衛生士・社会福祉士が中心となり3つの調査がスムーズに進んだ。集計・分析が終わり次第、次のステップの平成29年度の介入調査をする。調査は第1回目の対象者への継続調査となるため、情報が取れたらそのまま分析に入る。ロービジョン高齢者へのアプローチが少ないので、平成30年度はこの調査から得られた情報をまとめ上げて、より多くの機会を利用して発表の場とする。医療と福祉が連携して生活課題を考慮するエビデンスの抽出ができるように、再度行ってきた調査と今後の課題を研究者で調整してまとめていく。前年度に前倒しをして機械等を購入したため、次年度費用をあてた。当初予定通りの機械購入のため、他の調査費用や学会参加費等に費用がまわらなくなった。来年度も同じで自己資金を投入しこの研究を行う予定。
糖尿病における歯髄幹細胞を利用した膵島移植の向上

初年度、2年度において膵島単独移植と膵島と乳歯歯髄幹細胞同時移植の効果の比較検討のデータの再現性が取れないため、3年目は再度、ドナーはC57B6マウスの膵島とヒト乳歯歯髄幹細胞、レシピエントはC57B6マウスにおいて検討をした。またin vivo実験で再現性がでないのは、膵島移植直前のレシピエントマウスの高血糖が問題と考え、膵島移植前と移植後数日間はインスリン投与を行いその評価を行なったが、膵島と乳歯歯髄幹細胞同時移植の効果があるときもあるが再現性の一致を認めなかった。現在の臨床での膵島移植の生着率の低さの原因として、膵島単離による血管系や神経系の脱落が想定されているため、2年目には組織幹細胞による抹消神経細胞への効果も検討したので最終年度は血管系への効果として、血管内皮細胞における乳歯歯髄幹細胞の培養上清を分子量ごとに5群のフラクション(20、2060、60100、100200、200kDa)に分け、各フラクションごとに効果を検討した。また膵島への直接効果を確認するために、in vitroでヒト歯髄幹細胞の膵島保護効果のメカニズムを膵島のviabilityの観点から、ヒト歯髄幹細胞の培養上清と膵島の共培養において、MTT assayを用いて膵島のviabiltyの変化を観察した。初年度は、C57B6マウスをドナーとして膵島数75200個で、ストレプトゾトシン(STZ)処置糖尿病C57B6マウスに移植し、膵島単独移植とヒト歯髄幹細胞(DPSC)/膵島同時移植を行うもデータのばらつきが多く、昨年度はドナーとレシピエントはSDラットに変更し、同時移植にはラットGFP歯髄幹細胞を用いた移植実験を行いその効果を検討した。移植膵島数を200から400個に増量してその効果を随時血糖やブドウ糖負荷試験を用いて耐糖能を評価した。また移植方法として、従来の腎皮膜下への移植方法に加えて、現在実際にヒトで行われている膵島移植の方法と同様の門脈からの肝臓への膵島移植方法も検討した。組織幹細胞の同時移植の膵島に対する保護効果のメカニズムを検討するため、歯髄幹細胞と膵島の共培養を行いその膵島保護効果としてインスリン分泌能の変化を検討した。さらにそのインスリン分泌能の改善の機序を検討するため、ヒト乳歯歯髄幹細胞の培養上清を遠心限外濾過法を用いて、分子量ごとに5群のフラクション(20、2060、60100、100200、200kDa)に分け、各フラクションごとにその膵島への作用を検討し、またヒト乳歯歯髄幹細胞の培養上清を超遠心法で歯髄幹細胞のエクソソームを回収し同様にその膵島への作用を検討した。さらに、現在の臨床での膵島移植の生着率の低さの原因として、膵島単離による血管系や神経系の脱落が想定されているため、組織幹細胞による抹消神経細胞への効果も検討した。in vivoでの実験は、SDラットを用いた膵島移植による血糖値改善効果は、随時血糖やブドウ糖試験でデータのばらつきが大きく統計学的有意差が出なかった。一方で血中インスリンに関しては、膵島移植により血中インスリン濃度が最大コントロールに比べて約2倍の値(ブドウ糖負荷後60分値0.64ng/ml)を示したが、ラットGFP歯髄幹細胞によるその効果増強作用は認められなかった。移植先として腎皮膜化への移植に加えて、門脈経由の肝臓への移植方法を試みるも血糖値改善効果は認めず、また移植ラットの生存率も半分以下であった。ヒト乳歯歯髄幹細胞と膵島の共培養による膵島保護効果の検討では、高グルコース刺激によるインスリン分泌を2.1±0.8倍増強した。その共培養によるインスリン分泌増強効果の作用機序を確認するため、ヒト乳歯歯髄幹細胞の培養上清を、遠心限外濾過法を用いて分子量ごとに5群のフラクションに分けて、また超遠心法(25000rpm 70min)で歯髄幹細胞のエクソソームを回収し効果を検討したところ、分子量別では100kDa以上のフランクションのみでインスリン分泌増強作用を認め、またエコソソーム添加による効果に関しては、増強傾向を示したが統計学的有意差は認めなかった。神経に関しては、脊髄より後根神経節細胞を単離し、ヒト乳歯歯髄幹細胞の培養上清と共培養によって明らかな神経突起伸長の増加を示し、幹細胞同時移植による神経系を介した移植効率の改善の可能性が示唆された。

現在の臨床での膵島移植の生着率の低さの原因として、膵島単離による血管系や神経系の脱落が想定されているため、2年目には組織幹細胞による抹消神経細胞への効果も検討したので最終年度は血管系への効果として、血管内皮細胞における乳歯歯髄幹細胞の培養上清を分子量ごとに5群のフラクション(20、2060、60100、100200、200kDa)に分け、各フラクションごとに効果を検討した。また膵島への直接効果を確認するために、in vitroでヒト歯髄幹細胞の膵島保護効果のメカニズムを膵島のviabilityの観点から、ヒト歯髄幹細胞の培養上清と膵島の共培養において、MTT assayを用いて膵島のviabiltyの変化を観察した。初年度は、膵島単独移植によって耐糖能改善効果を示す膵島数(約200個)に比べ、ヒト歯髄幹細胞(DPSC)と膵島同時移植ではその3分の1の膵島数(約75個)で耐糖能障害改善効果する予備実験の更なるデータの積み重ねを行なった。体重減少はSham群に比べ、islet群単独群は抑制傾向にあるが、DPSC同時移植群はさらに強い抑制傾向を認めた。随時血糖値上昇は移植後14日目より他群に比べ、DPSC同時移植群は有意に抑制した。また移植後14日目、28日目のIPGTTにおいても他群比べ、DPSC同時移植群の血糖値は低下傾向を認め、組織学的検討においてDPSC同時移植群は、移植したinsulin陽性細胞が他群と比較して、より多く残存していた結果が得られた。しかしながら、本年度はデータのばらつきが多く統計学的な有意差が認められなかった。そのため、ラットでの移植実験を行うため、GFPラットの歯髄からの幹細胞の採取が可能となり、ラットGFP歯髄幹細胞の系が確立した。自然脱落した歯(抜歯したヒト乳歯・永久歯)より、歯髄組織を回収。基本培地(10%FBS・抗生物質含有ダルベッコ変法イーグル培地)で培養し、継代を4世代行いに歯髄幹細胞を作成し、マウス膵島と同時にマウス腎皮膜下に移植に、膵島保護作用の再現性の確認を試みるも、傾向はあるものの統計学的な優位を認めなかった。当初予定していたマウスでの膵島移植実験では、移植用のマウス膵島の単離数が不安定なことがあり、また腎皮膜下への移植手技においても出血などの問題から、移植における歯髄幹細胞の膵島保護効果が免疫反応のためか一定しなかったことが考えられた。そのための改善を検討し、GFPラットからの歯髄幹細胞の採取を行い、今後の実験をラットで行う方針に変更した。in vitroでの実験は進捗を認めるも、in vitroでの検討に再現性を認めないためレシピエントとドナーのモデル動物の変更を行う。STZによる糖尿病モデル動物の作成は、当施設ではSDラットが再現性が高く適していたが、同種移植の自己免疫の観点より、Wisterラットを用いて検討することした。膵島単独移植と幹細胞としてはヒト乳歯幹細胞を用いて膵島同時移植の効果の比較検討を行う。移植先も門脈経由の肝臓ではなく、従来通りの腎皮膜下とし、その後耐糖能に関しブドウ糖負荷試験や残存移植膵島の免疫学的検討などによりその評価を行う。また、in vitroでは、ヒト歯髄幹細胞の膵島保護効果のメカニズムを、昨年度はインスリン分泌は100kDa以上の分泌因子による改善効果が示され、本年度はインスリン分泌能に加えて膵島のviabilityの観点から、ヒト歯髄幹細胞の膵島の共培養において、MTT assayを用いて膵島のviabiltyの変化を観察し、改善を認めるようであれば小胞体ストレス、酸化ストレス、オートファージーなどの組織幹細胞の膵島保護効果の分子メカニズムを詳細に解明するため、real time PCRや免疫染色を用いてその関連因子の発現を比較検討する。初年度のマウスの膵島移植実験では、データのばらつきが多く、また移植用に単離できる膵島数も限られる問題があった。
細菌細胞壁のテイコ酸修飾における細胞骨格蛋白質の機能解明

レクチンの一種であるConcanavalin Aの蛍光標識物(ConA-TMR)を用いることにより、枯草菌の細胞壁テイコ酸(WTA)を特異的に検出する方法を確立した。種々のテイコ酸修飾遺伝子変異株を用いて観察を行った結果、ConA-TMRはmajor WTAのグルコース修飾を効率よく検出し、minor WTAやリポテイコ酸は検出できないことが明らかになった。また、major WTAのグルコース修飾に関与するtagE条件変異株を用いて、細胞側壁におけるWTA修飾が螺旋状に行われていることを明らかにした。さらに側壁のWTA修飾制御には、細胞骨格蛋白質のひとつであるMreBが関与している可能性が示唆された。まず枯草菌細胞壁のテイコ酸を特異的に検出する実験手法を確立することを目的とした。最初にDAPIでDNAを染色したphi29ファージを用いてテイコ酸の検出を試みたが、宿主に対するファージDNAの注入が非常に早く、宿主のDNAも短時間で染色されてしまうことがわかった。そこで次に、蛍光標識されたconcanavalin A(AF488-ConA)を用いて枯草菌細胞の染色条件を検討したところ、氷上で20分間染色したものが最も明瞭に染色されることが解った。またテイコ酸のグルコース修飾に関与するgtaB遺伝子破壊株では、蛍光は全く観察されなくなった。このことからAF488-ConAはテイコ酸のグルコース残基を特異的に検出していることが明らかになった。しかしながら、野生株の染色パターンは細胞表面全体的に均一ではなかった。これはメジャーテイコ酸とマイナーテイコ酸におけるグルコース修飾の違いに起因している可能性が考えられた。すなわちConAはマイナーテイコ酸にはほとんど結合できず、メジャーテイコ酸の検出の妨げとなっている可能性が考えられた。そこでマイナーテイコ酸合成遺伝子をコードするggaAB遺伝子を破壊した変異株を用いて染色パターンを調べた。その結果、野生株に比べて非常に均-な染色パターンが得られたことから、今後はマイナーテイコ酸欠損株をバックグラウンドとして、蛍光標識プローブであるAF488-ConAを用いることにより、枯草菌細胞壁におけるメジャーテイコ酸の修飾機構を明らかにしていくこととした。また、テイコ酸輸送に関与するTagGHの条件変異株の作成に時間を要したため、これらの株を用いたLytF-6xFLAGの局在部位観察はこれから行う予定である。同様に奈良先端大・石川助教の協力により、酵母2ハイブリッド解析の準備も整いつつあるので、今後解析を進める予定である。昨年度までに、glucoseを特異的に認識するレクチンであるConcanavalin A (ConA)を用いたmajor WTAの局在観察法を確立した。本年度はConAを用いて、GtaBおよびTagEの発現量を制御することにより、major WTAの細胞壁修飾メカニズムの解明を試みた。GtaBおよびTagEそれぞれの枯渇時の細胞をConA-TMRで染色した結果、全く染色されないことがわかった。GtaBはmajor WTAおよびリポテイコ酸(LTA)にグルコースを供給するために必要な酵素であり、グルコース1リン酸をUDP-グルコースに変換する。GtaBにより生産されたUDP-グルコースは、TagEによりmajor WTAのグリセロールリン酸の繰り返しユニットにおけるC2位のグルコース修飾に用いられる。また同様にUDP-グルコースはUgtPによりリポテイコ酸の細胞膜リン脂質への結合に必要なアンカー部分に変換される。従ってTagE条件変異株においてConA-TMRが全く結合しなかったことから、ConA-TMRはmajor WTAに含まれるグルコース修飾部位を特異的に認識していることが明らかになった。また、GtaBを枯渇させた細胞に関してその発現をIPTGで誘導した場合、約60分後から細胞側面に螺旋状の蛍光が現れ始め、最終的には細胞全体に均一な蛍光が観察された。逆にGtaBとTagEをそれぞれ枯渇させていくと、細胞側面から螺旋状に蛍光が弱くなり、最終的には全く蛍光が見られなくなった。これらの結果から、major WTAは細胞側面において螺旋状に修飾されていることが明らかになった。枯草菌をはじめとするグラム陽性細菌の細胞壁は、厚いペプチドグリカン(PG)層が細胞壁テイコ酸(WTA)で修飾されることにより機能している。本研究ではレクチンを用いたWTAの特異的検出法を確立するとともに、枯草菌細胞壁のWTA修飾機構の解明を試みた。グルコースを特異的に認識する蛍光標識レクチンであるConcanavalin A(ConA-TMR)を用いて、WTAおよびリポテイコ酸のグルコース修飾に関与する種々の変異株を用いて検討した結果、ConA-TMR染色はmajor WTAのグルコース修飾を特異的に検出していることが明らかになった。

次にTagE誘導細胞におけるConA-TMR染色パターンを観察した結果、誘導後60分頃から細胞側面に螺旋状の蛍光が観察され始め、180分では細胞全体が均一に染色されていた。この結果は、細胞側壁におけるWTA修飾が螺旋状に行われていることを示していた。反対にTagE枯渇後60分の細胞では、側壁に螺旋状に染色されない領域が観察され、最終的には全く蛍光が見られなくなった。次に新たなPG合成部位とWTA修飾部位が一致するかどうかを調べるために、バンコマイシンの蛍光標識物であるVan-BDPとConA-TMRとの共染色を行った。その結果、細胞側壁におけるPG合成部位とWTA修飾部位がほぼ一致ししていることがわかった。さらにMreB枯渇細胞におけるConA-TMR染色パターンを調べた結果、TagE枯渇細胞とよく似た細胞側面における螺旋状の未染色領域が観察された。このことは細胞側壁のWTA修飾はMreB依存的に螺旋状に行われていることを強く示唆していた。グラム陽性モデル細菌である枯草菌を用いた本研究成果は、類縁細菌の細胞壁修飾機構に関する研究や新規抗生物質のスクリーニング等にも役立つ可能性が期待できる。
液体壁レーザー核融合炉における最終光学系への金属蒸気の吸着評価

将来の液体金属を第一壁とするレーザー核融合炉における最終光学系への金属蒸気の吸着や、エアロゾル(金属の微粒子)の生成を模擬実験で評価した。その結果、炉内の背圧(未燃焼の水素ガスを想定)が100Pa以下であれば、エアロゾルの生成も見られず、また、ビームダクト端に置かれた最終光学系への金属吸着も問題なく防ぐことができる見通しが得られた。将来の実用炉では最終光学系は中性子による損傷を防ぐため、30m程度炉心より離れたところに設置される。(炉半径は3m)ビームダクトの大きさは高速点火方式の圧縮ビームで15cm程度、追加熱ビームで60cm程度である。イオンは磁場によって遮閉できるが、核融合反応後のα線による加熱で第1壁から1ショット当たり10kg程度のLiPbが蒸発する。その多くは回転シャッターで遮閉されるが、レーザー照射のためにシャッターを開ける時でもビームダクト内に100m/s程度の速度で金属蒸気が流入する。この金属蒸気が最終光学系に付着するかどうかは液体壁炉の重要な課題である。この現象を実験的に模擬するため、実物の1/5の直径を持つ模擬ビームダクトをLiPb蒸気を満たした電気炉の中に挿入し、LiPb蒸気の拡散、エアロゾルの生成を観測した。実際の炉のレーザー照射直前の温度は600°Cと想定されているが、蒸発後の蒸気圧を確保するため、模擬炉の部分は1100°Cまで加熱した。模擬ビームダクトは長さ60cmであり、一端は1100°Cの炉心に、もう一端は室温に保たれ、室温側に最終光学系に相当するガラス基板を置き、その上に付着する金属膜、微粒子を観測するとともに、模擬ビームダクト内に付着する金属から、蒸気の拡散の状況を評価した。気体分子の平均自由行程とダクト直系の関係が現象に影響するので、炉内の背圧は5倍高くして実験を行なった。その結果、1)蒸気源をLiPbでもPbにした場合でも鉛成分の模擬ビームダクト内の分布にはほとんど差はなかった。蒸気源にLiPbを用いた場合、模擬ビームダクト内部の高温領域に酸化リチウムと思われる物質の堆積が観測された。これは、鉛成分が炉の余熱で蒸発し、酸化リチウムだけが残ったためと思われる。2)ビームダクト内の圧力が10100Paではビームダクト端に置かれたガラス基板には金属の付着は見られなかった。また、直径0.1μmクラスのエアロゾルの生成も観測されなかった。3)炉内圧力が1kPa以上の場合、多量の金属微粒子の生成が観測された。以上の実験結果から、さらにシャッターが開いたときの金属蒸気の挙動を数値計算したところ、バッファーガスが10100Paでは最終光学系にまで金属蒸気の汚染が進むことはないことが分かった。この圧力は実用炉では220Pa程度に相当する。

以上の実験結果から、さらにシャッターが開いたときの金属蒸気の挙動を数値計算したところ、バッファーガスが10100Paでは最終光学系にまで金属蒸気の汚染が進むことはないことが分かった。この圧力は実用炉では220Pa程度に相当する。将来の液体壁を第一壁とするレーザー核融合炉ではターゲットがレーザーで照射され、核融合反応が起こるたびにkgオーダーの金属が蒸発する。その多くは回転シャッターでレーザービームポート内に侵入するのを防ぐことができるが、それでもシャッターが開いている数ミリ秒の間に金属蒸気が進入し、最終光学系に付着し、光学部品としての性能を低下する恐れが有る。ビームポート内に低圧の水素ガスを入れて金属蒸気の拡散を抑えるアイデアが有るが、エアロゾル(金属微粒子)を形成し、レーザーの伝搬を妨げる恐れが有る。これらを実験的に模擬するために電気炉の中でLiPbを蒸発させ、微量の水素ガスを入れた模擬ビームダクトの中でのLiPbの分布、エアロゾルの形成状態を観測した。その結果、水素ガスが1OTorr程度の場合は多量のエアロゾルが観測されたが、1Torr程度以下ではエアロゾルの形成は見られなかった。これは、狭いビームダクト内ではエアロゾルが十分に成長する前にビームダクト上に吸着されるためと考えられる。現象は分子の平均自由行程とビームダクトの大きさの関係で支配されるので、実物の1/10の模擬ダクトでの実験は実用炉においては圧力が1/10の時の現象に相当する。つまり、実用炉においてもガス圧が0。1Torr以下であれば、ビームポート内でのエアロゾルの形成はそれ程深刻ではないと考えられる。なお、17年度はビームポート内に侵入した金属蒸気の挙動に関する実験、理論的解析を行ない、最終光学系への影響を議論する。将来の液体金属を第一壁とするレーザー核融合炉における最終光学系への金属蒸気の吸着や、エアロゾル(金属の微粒子)の生成を模擬実験で評価した。その結果、炉内の背圧(未燃焼の水素ガスを想定)が100Pa以下であれば、エアロゾルの生成も見られず、また、ビームダクト端に置かれた最終光学系への金属吸着も問題なく防ぐことができる見通しが得られた。将来の実用炉では最終光学系は中性子による損傷を防ぐため、30m程度炉心より離れたところに設置される。(炉半径は3m)ビームダクトの大きさは高速点火方式の圧縮ビームで15cm程度、追加熱ビームで60cm程度である。イオンは磁場によって遮閉できるが、核融合反応後のα線による加熱で第1壁から1ショット当たり10kg程度の金属(LiPbを想定)が蒸発する。その多くは回転シャッターで遮閉されるが、レーザー照射のためにシャッターを開ける時でもビームダクト内に100m/s程度の速度で金属蒸気が流入する。この金属蒸気が最終光学系に付着するかどうかは液体壁炉の重要な課題である。この現象を実験的に模擬するため、実物の1/5の直径を持つ模擬ビームダクトをLiPb蒸気を満たした電気炉の中に挿入し、LiPb蒸気の拡散、エアロゾルの生成を観測した。実際の炉のレーザー照射直前の温度は600°Cと想定されているが、蒸発後の蒸気圧を確保するため、模擬炉の部分は1100°Cまで加熱した。模擬ビームダクトは長さ60cmであり、一端は1100°Cの炉心に、もう一端は室温に保たれ、室温側に最終光学系に相当するガラス基板を置き、その上に付着する金属膜、微粒子を観測するとともに、模擬ビームダクト内に付着する金属から、蒸気の拡散の状況を評価した。
癌幹細胞性を賦与するBrd4による三次元ゲノム収束の解明

前年度の研究で私たちは大腸癌の幹細胞関連遺伝子として報告のある分子からKLF5遺伝子に着目し、enChIP(engineered DNA-bindingmolecule-mediated chromatin immunoprecipitation)法によってKLF5遺伝子のエンハンサー候補領域を複数同定することに成功した。平成30年度はその中で統計学的に最も有意にKLF5遺伝子のプロモーター領域との結合が示唆される領域(以後エンハンサー領域Xと記載)に着目し、解析を進めた。まず、エンハンサー領域XがKLF5遺伝子と同じTAD (topologically associating domain)に含まれるかどうかについて検討するために大腸癌細胞株を用いてin situ Hi-C実験を行った。その結果、エンハンサー領域XはKLF5遺伝子のプロモーター領域と同じTAD内に存在する可能性が示唆された。次に三次元ゲノム構造を介したKLF5遺伝子の発現制御に関わる分子について検討を行った。前年度の検討でpan-BETタンパク質阻害剤であるJQ1によってKLF5遺伝子発現が抑制されることが明らかになったため、どのBETファミリータンパク質がKLF5遺伝子の発現に重要であるかについて阻害剤やsiRNAを用いて検討を行ったところ、BRD4がKLF5遺伝子の発現に最も関わっており、他のBETファミリータンパク質であるBRD2やBRD3による影響は少ないことが示唆された。以上の結果より、先行研究で報告した卵巣癌同様に大腸癌においても癌幹細胞関連遺伝子の発現がBRD4を介した三次元ゲノム構造によって調節されている可能性が示された。卵巣癌を用いた先行研究でBETファミリータンパクの一つであるBRD4によって癌幹細胞遺伝子発現に関わる三次元ゲノム構造(プロモーター、エンハンサーの相互作用)が構築されている可能性が示唆された。平成29年度は、まず数種類の大腸癌細胞株を用いて、卵巣癌同様にBETファミリータンパクによって癌幹細胞遺伝子の発現が制御されているかどうかについて検討した。その結果、大腸癌細胞株においてもBETファミリータンパク阻害剤JQ1投与によって癌幹細胞遺伝子(LGR5, BMI-1, LRIG1, KLF5)の発現が低下することがわかった。さらに、JQ1投与により大腸癌細胞株の増殖が抑制され、大腸癌においてもBETファミリータンパク阻害剤が癌幹細胞を標的とした治療薬としてのポテンシャルを有することが示唆された。次に私たちは、パブリックデータベースに登録されているエンハンサーマーカー(H3K27ac, H3K4me1)の情報解析の結果から、癌幹細胞遺伝子の一つであるKLF5遺伝子の周辺にエンハンサー領域が存在する可能性が高いことを見いだした。そこで、KLF5遺伝子周辺で構築されている三次元ゲノム構造の解析を行うこととした。三次元ゲノム構造解析には特定のゲノム領域に結合するDNA、RNA、タンパク質を網羅的に同定することができるenChIP(engineered DNA-bindingmolecule-mediated chromatin immunoprecipitation)法を用いた。KLF5遺伝子のプロモーター領域に結合するゲノム領域を網羅的に解析した結果、いくつかのエンハンサー候補領域を同定することができた。卵巣癌細胞株を用いた研究を計画していたが、大腸癌細胞株を用いた検討が順調に進捗していること、大腸癌の方が臨床サンプルを得やすい点から、現在は大腸癌での検討に注力している。大腸癌においてもBETファミリータンパク阻害剤JQ1によって癌幹細胞遺伝子の発現が低下することを明らかにできた。三次元ゲノム構造を捉える手法として計画にないenChIP法を用いているが、本法は特定の遺伝子周辺で構築される三次元ゲノム構造を捉える手法として非常に優れているため、今後はこの手法を中心に研究を進めていく。すでに次世代シークエンサーを用いた解析結果も得られており、研究計画は順調に進んでいる。平成29年度の研究成果から、KLF5遺伝子のプロモーター領域に結合するいくつかのゲノム領域(エンハンサー候補領域)を同定することができた。今後はそれらの領域をCRISPR/Cas9システムを用いたゲノム編集技術により欠失させ、KLF5遺伝子の発現制御に関わるエンハンサー領域を特定する。さらにenChIP

法を応用し、KLF5遺伝子のプロモーター領域に結合するRNA (ノンコーディングRNA)やタンパク質を同定し、三次元ゲノム構造を構築する分子メカニズムについて明らかにしていく予定である。さらに大腸癌の臨床サンプルを用いて、培養細胞株を用いた実験で明らかとなった三次元ゲノム構造が実際の患者検体でも生じているのかについても検討を行っていく。また、KLF5遺伝子だけではなく、その他の癌幹細胞遺伝子周辺で構築されている三次元ゲノム構造についても解析を行っていく予定である。
多目的最適化手法とその応用に関する研究

本研究では,多目的非線形最適化に対するさらに探索効率のよい数値解法を提案し、その有効性を示すことを目的とし、先行研究と同様に特に微分可能性の保証されない非線形最適化問題に対する有効な最適化手法の提案を合わせて行ってゆくことを目的とした。3ヶ年の研究は大きく分けて以下の3つに分類される。研究1:一般的な制約付き単一目的非線形最適化問題に対する最適化手法に関する研究,研究2:最適モデル構造の同定を行う構造学習に関する研究,研究3:制約なし多目的非線形最適化問題による構造学習の研究。研究1では,各解候補xが制約条件を満足している度合いを表す制約満足度関数μ(x)を導入し,目的関数f(x)の最小化と制約満足度関数μ(x)の最大化を行う2目的最適化問題の最適化において直接探索法を用いる際に,目的関数値と制約満足度の組(f(x),μ(x))の組の集合上での辞書式順序であるαレベル比較を定義し、通常の大小関係の代わりにαレベル比較を用いて最適化を行うα制約法を用いている。具体的には,Nelder & MeadによるSimplex法,遺伝的アルゴリズム(GA),パーティクルスウォームオプティマイザ(PSO)にα制約法をそれぞれ適用したαSimplex法,αGA,aPSOを提案し,その有効性を示している。研究2では,遺伝的アルゴリズムに退化現象を考慮することによって,モデル中に含まれる冗長なパラメータや不要なパラメータを効率よく削除し,簡潔なモデル構造を記述できる構造学習法を提案している。具体的には,バイナリコーディングを用いた遺伝的アルゴリズムMGGA,リアルコーディングを用いたGA^dを提案し、RBFファジィ制御規則、ニューラルネットワーク等の最適構造の同定を行い,その有効性を示している。研究3では、情報量基準(AIC)と近似誤差の2つを目的関数とした制約なし2目的最適化問題を加重平均法により1目的問題に変換し、退化現象を導入したGA^dを用いて最適化を行っている。本年度は、第1段階として制約付き単一目的最適化問題に対する最適化手法として、α制約法とGAを組み合わせた「α制約遺伝的アルゴリズム(αGA)」を提案した。なお、α制約法に関する研究は、平成11年度13年度の本研究補助金による研究に引き続くものである。この他に、モデルの構造最適化手法「GA^d」を提案し、その有効性を検証した。通常、対象となる問題を観測データをもとにモデル化する際、的確に定式化することは非常に難しい。そこで、本研究では、退化現象に着目し、従来の遺伝的アルゴリズム(GA)に退化現象を積極的に取り入れた構造最適化手法[GA^d」を提案した。1.制約付き遺伝的アルゴリズム(αGA)の提案:微分可能性の保証がない制約付き非線形最適化問題に対する最適化手法としての実数値GAの有効性は、いくつかの研究によって実証されている。しかし、制約条件を満たさない遺伝子に対する対処等の問題も多い。αGAでは、α制約法と実数値GAを組合せることによって、制約条件を保存しない場合には制約満足度の最大化が優先され、自然に制約を満足するように進化が進むため、制約条件を保存しない遺伝子操作を行うことが可能であるということを示した。

2.構造最適化手法GA^dの提案:GAにおける遺伝子に損傷度を導入することにより退化現象を表現し、モデルに含まれる無効な変数を効果的に削除できることを示すとともに、平成11年度13年度の本研究補助金による研究成果であるMGGAと比較して、GA^dが汎用的でより効率的かつ精度の高い安定的手法であることを示した。本年度は,第2年度として,すでに提案した最適化手法である「α制約遺伝的アルゴリズム(αGA)」の継続研究および「遺伝的退化アルゴリズム(GA^d)」の改良を行った。さらに,GA^dの多目的最適化問題への適用を行った。1.GA^dの改良:GA^dはGAに遺伝子損傷の概念を導入し,退化の発現により,不要なモデルパラメータを削除し,モデルの最適化を図る最適化手法である。しかし,適切な退化速度は問題により異なり,退化速度の選択は,試行錯誤的に決定していた。本年度は,退化速度の自動調整法を提案し,これにより改良されたGA^dにより,RBF(Radial Based Function)ファジィルールの構造学習を行い,既存の方法と比較することにより,本手法の有効性を示した。2.GA^dの多目的最適化問題への適用:ファジィルール教師付き学習の場合,単純な構造と,推定誤差が小さい高精度のルール構造の獲得を目指す。これに対する最適化手法として「GA^d」を提案したが,「GA^d」を用いる際に,目的関数として情報量基準を用いると,単純なルール構造は獲得できるが,早い世代にパラメータが削除されすぎて,推定誤差が大きい精度の低いルールが得られる傾向がある。一方,推定誤差を最適化すると,高精度のルールは得られるが,構造が複雑になる傾向にある。そこで,ファジィルール構造学習問題を,情報量基準と推定誤差を同時に最適化する多目的最適化問題として定式化し,GA^dの適用を行った。さらに,RBFファジィルール構造学習に対して,その有効性を示した。3.αGAに関する研究:昨年度のαGAに関する研究では,交叉としてSPX,突然変異として境界突然変異とガウス突然変異を用いた。本年度は,交叉としてBLX-α,突然変異として先の2つに加えて一様突然変異を加えて,その有効性の検証を行った。本年度は,第3年度として,既に提案した2目的最適化手法の一種である「遺伝的退化アルゴリズム(GA^d)」に関する継続研究および生物の群行動をモデル化したパーティクル・スウォーム・オプティマイザ(PSO)へのα制約法の適応を行った。GAdはGAに遺伝子損傷の概念を導入し,退化の発現により,不要なモデルパラメータを削除し,モデルの最適化を図る最適化手法である。この際,より良いモデル構造を獲得するには,退化圧力を適切に制御する必要がある。昨年度は,世代の進行に伴い3段階に退化速度を自動調整する方法提案したが,本年度は,退化圧力を自動制御するために,GA^dに共進化の概念を取り入れた「共進化遺伝的退化アルゴリズム(Coevolutionary Genetic Algorithm with Degeneration : CGA^d)」を提案し,ニューラル・ネットワークの構造学習を行い,既存の方法と比較することにより,本手法の有効性を示した。2.αPSOの提案:鳥,魚,昆虫などでは,群をなして行動することにより食物を効率よく確保したり,補食動物から種を守るという現象が見られる。このような生物界における群による行動をモデル化した多点探索法がPSOである。