hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
潜在的情報を引き出すための情報誘出技術に関する研究

平成30年度は下記の2テーマについて研究成果を得た:1.メディアからの意見誘出:ニュースメディアにおいて発信される意見を集約し,将来情報を推定する方法について提案を行った.とくに,発信元と発信時期に着目し,これらが将来予測にどのような影響を与えるかについても学習することのできる方法を提案した.また,学習においては,予測結果とその確信度について別々のモデルを用い,確信度が低い場合には一定のペナルティを与え,確信度が高く予測結果が誤っている場合には誤差が大きくなるような目的関数も提案している.実験では,サッカー選手の移籍予測を題材とし,発信元と発信時期を用いることによる精度向上,および,提案目的関数による予測精度の改善を確認した.2.質問投稿サイトの検索ユーザからの意見誘出:質問投稿サイトの検索において,複数のランキングを混合することによって,どのランキングが検索ユーザに好まれるかを効率的に推定する方法を提案した.平成30年度には,平成29年度に行った実験に基づいて,大規模な比較実験を行う際の問題点を実験的に示しこれを解決する方法として2段階のインターリービング評価を提案した.この方法では,1段階目の評価によって上位数件のランキングを特定し,2段階目の評価によって上位数件のランキング間の差異を発券する.平成29年度と同様に,ヤフー知恵袋において提案した方法の評価を実施した.この実験では,平成29年度の5倍程度のランキングを評価しており,この規模の実験はこれまでに報告されていない.実験の結果,提案した2段階評価方法は既存の方法と比べ,より多くのランキング間に差異を見いだすことができることを示した.平成30年度が最終年度であるため、記入しない。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本年度は主に検索意図の誘出に関する問題について取り組んだ.第一の成果として,システムにより生成された質問に答えることでクエリ修正を可能にする,会話的適合フィードバックシステムを提案した.本提案システムでは,質問応答プロセスを確率モデルによって記述し,ユーザの期待利得を最大化する質問を生成する方法を採用している.この枠組みの中では,ユーザがある質問に対して回答可能であるか,また,その質問に対してどのような回答が行われるのか,そして,その質問に回答することでどれほど検索結果を改善できるのかを推定することによって,ユーザの期待利得を算出している.シミュレーションによる実験では,有名人および飲食店検索タスクにおいて提案モデルが高い精度を達成することを明らかにした.第二の成果として,あるエピソード情報を再検索する際に,どのような質問を行えば最も検索結果を改善できるような回答が得られるのかについて検証を行った.実験では,400名程度のユーザに対して事前にニュース記事を閲覧してもらい,その二週間後に同様の記事を検索してもらうというタスクを採用し,ユーザに4種類の異なる質問を行い,得られた回答を元にクエリ修正を行い,検索結果の改善率を測定した.実験の結果,4種類中3種類の質問に効果が見られ,有意な差は見られなかったものの,閲覧したエピソード中において「行動」に着目した質問を行った際に大きな改善が見られた.第三の成果として,クエリ推薦と検索結果多様化の問題を同時に最適化する手法を提案し,ユーザの多様な検索意図を捉え,かつ,適切な検索結果を提示する方法を実現した.上記,3つの成果のうち,1つは知識管理に関する難関国際会議であるCIKMにて発表済であり,1つは国内のワークショップにて発表を行っている.現在,第一と第三の成果に関して国際会議へ論文投稿を行っている.本年度は,昨年度の課題である質問回答に基づく検索意図の誘出を深化させると共に,選好の誘出可能性の検証を行った.成果1:「クエリ推薦を用いた検索意図の誘出」質問回答に基づく検索意図の誘出という課題に対して,クエリ推薦の使用の仕方によってユーザが持つ検索意図を推定し,可能な限り意図を満たせるような検索結果の提示を行う方法について研究を行った.この問題に対して,我々は128名のユーザのクエリ推薦利用行動をデスクトップおよびモバイル環境において観察し,ユーザモデルを構築した.構築されたユーザモデルによって検索結果の質を予測し,これを最大化するようなクエリ推薦・検索結果を生成する方法を提案した.成果2:「画像を用いたWebページの再検索支援」質問回答に基づく検索意図の誘出という課題の特殊な場合として, Webページ閲覧時にそのページの内容を表すような画像を同時に提示し,そのWebページを再検索する際の手がかりとして利用する提案を行った.成果3:「画像から喚起される行動の推定」選好の誘出可能性の検証という研究課題に対し,画像から誘発される行動に関する選好を推定する方法について提案を行った.画像の特徴と画像に付与されたコメントとの関係性を対応づけることによって,画像から生じさせられる印象を推定し,その印象に基づいて人がどのような行動を画像から喚起されるかを推定する研究を行った.成果

4:「音楽刺激に対する脳活動を利用した音楽推薦」選好の誘出可能性の検証のために,ユーザに音楽を試聴させその際の脳活動から音楽の選好を推定する方法について研究を行った.本年度においては,推定方法の検討に止まり実際の脳活動は計測しなかったが,オンラインアンケートを活用した予備実験を行うことによって,音楽の選好に関連する可能性の高い脳部位を特定した.本年度は選好の誘出を目的としており,複数の課題に対して一定の成果を上げているが,本来であれば最適な刺激選択の手法を開発する予定であったため十分な成果を上げられたとは言いがたい.本年度は前年度より継続していた検索意図の誘出については難関国際会議での発表を行うなど大きな進展が見られたが,一方で,本来取り組むべきであった選好の誘出に関しては,十分な成果を上げられていない.ただし,選好の誘出という課題に対しては元々2年間をかけることを予定しており,最初の1年である本年度において音楽と画像の両方において研究を行うことができた点は当初の予定以上の進展であったと言える.本年度は「選好の誘出」に関わる以下の3つの研究成果を得た:研究成果1.「オブジェクト間の選好の推定」部分的に観測されたオブジェクト間の選好,および,レビュー中に書かれたオブジェクト間の選好から,オブジェクトの属性に基づいて選好を復元するような関数の推定を行った.主な研究課題は,オブジェクトのランキング学習において不足する訓練データを補うことであり,これに対して,1)依存関係からの訓練データの拡張,2)明示的に表現されていない選好の推定,3)文脈を用いた学習の誘導,の3つのアプローチを提案した.依存関係からの訓練データの拡張では,順接関係を言語パターンにより同定し,信頼度を考慮しつつ訓練データの拡張を行った.明示的に表現されていない選好の推定では,絶対的評価として書かれている文章から,暗黙的な比較対象を仮定し選好の推定を行った.文脈を用いた学習の誘導では,新しい機械学習手法である文脈誘導型学習を提案した.研究成果2.「形容詞-名詞クエリに対する画像の適合性推定」与えられた画像が形容詞と名詞から成るクエリに対して適合するか推定する問題に取り組んだ.この課題を達成することによって,ある形容詞に対する画像への選好を得ることができる.この問題では,疑似適合画像集合と疑似不適合画像集合が得られていることを仮定し,両集合をよりよく識別するための特徴空間をオートエンコーダを用いた手法によって得ることによって,画像の適合性判定に有効な特徴を発見する.研究成果3.「脳構造データからの脳活動データの予測」選好の誘出のために脳活動データを用いる予定であったが,ある刺激に対する脳活動データをfMRIなどの機器によって得るためには,多くの時間と労力を必要とする.そのため,いくつかの脳構造データと脳活動データのペアから脳構造データを用いて脳活動データを予測する方法を開発した.研究実績の概要にて述べたように,選好の誘出のために脳活動データを用いる予定であったが,このデータを取得するためのコストが大きく,統計的手法を適用するほど多くのデータが得られなかった.そのため,実ユーザからのデータ取得が予定に比べ遅れており,選好の誘出の課題において多くの成果が上げられていない.一方で,ユーザが既に発信しているようなデータに基づいて選好を推定する手法については,主に理論的な側面から大きな発展があった.平成29年度の研究計画ではWebにおける意見の誘出を主な課題としていた.特に,あるユーザの行動や特定の事象への反応から,そのユーザが持っている意見を推定することを課題としていた.平成29年度は下記の3テーマについて研究成果を得た:1.ソーシャルメディアからの意見
SIDSの小脳・脳幹部における病理組織ならびに組織計量的研究

SIDSの死因解明は法医学や小児科学における最重要課題の一つである。我々は乳幼児の脳が成人の脳に比して著しく軟らかいことに注目し、SIDS群20例とその他の死因(対照)群13例について以下の検討を行なった。1.骨容積と脳体積:三次元画像解析ソフトOZを用いて計測した。なお骨容積は後頭蓋窩容積(A)と後頭蓋窩下端部の大後頭孔周辺部容積(B)、脳体積は小脳・橋・延髄全体の体積(a)と延髄体積(b)である。その結果、骨容積・脳体積のいずれも児の月/年齢増加に伴い、著明な増加傾向が認められた。そこでSIDS群と対照群の値を同一月齢(211ヵ月)で比較すると、SIDS群ではAが73.6cm^3、Bが3.4cm^3、aが71.0cm^3,bが0.7cm^3、対照群ではAが96.8cm^3、Bが3.3cm^3,aが92.5cm^3,bが1.0cm^3であった。概ねSIDS群の方が対照群より小さい値を示しているが、Bについては容積比(B/A)を算出すると、SIDS群(4.6%)の方が対照群(3.3%)より大であった。以上の結果はSIDS群における頭蓋骨や脳の未熟性だけでなく、Bが大きいために小脳扁桃部が陥入し易いという頭蓋骨の構造上の問題も有しているように思われた。このような症例では一旦陥入すると髄液の灌流障害に伴い頭蓋内圧が上昇し、結果として呼吸中枢の機能が阻害されて死に至るのではないかと思われる。2.組織学的所見:二次元画像解析ソフトEMを用いて小脳外顆粒層の厚さ、顆粒層1000平方μ当たりの小顆粒細胞(G)数、血管周囲腔の拡張程度を計測し、同一月齢で比較した。その結果、SIDS群では外顆粒層の厚さが22.9μ(対照群:13.9μ)、G数が23.4個(対照群:30.7個)で、脳組織としての未熟性が一層明確に示された。また血管周囲腔の拡張程度はSIDS群の方が対照群より高度で、脳浮腫の存在が示唆された。なお本所見は前述のメカニズム(頭蓋内圧の上昇)を説明する上でも重要な所見と思われた。SIDSは法医学や小児科だけでなく、社会的にも最重要課題の一つである。私共は乳幼児のような軟らかい脳では、小脳の重さが直接脳幹部にかかる状態(例えば俯せ寝)が継続すると、同部の血流が障害され、神経細胞が何等かの影響が生じるのではないかと考えた。そこで4才以下の乳幼児35例(SIDS9例、その他病死8例、窒息等の外因死18例)の小脳、橋、延髄について3μのHE染色標本を作製して以下の検討を行った。

1.小脳の二次元画像解析について:オリンパス社画像解析装置EMを用い、小脳外顆粒層の厚さと顆粒層1000平方μ当たりの小顆粒細胞(G)数を計測した。外顆粒層の厚さは1才未満の23例でのみ計測可能であった。各死因別の外顆粒層の厚さ(平均)はSIDSが22.9μで、その他の死因群(13.215.6μ)より大きい値を示した。一方、G数(平均)はSIDSが23.4個で、その他の死因群(29.335.2個)より小さい値であった。2.神経細胞について:神経細胞(小脳はプルキンエ細胞)の退行性変化とメラニン、リポフスチン、脂質、エオジン好性小顆粒(エ顆粒)の有無を検索した。特徴所見としてはSIDS2例の橋において、他の死因群では認められない時期(生後2および4ヶ月)にリポフスチンやエ顆粒、一部に脂質の沈着が認められた。3.その他の所見について:鬱血、気質の鬆粗化(浮腫)、点状出血等を検索した。SIDSの特徴所見としては延髄における鬱血の程度が他の死因に比して弱いと思われた。現在は頭蓋内の外後頭孔や延髄の面積、小脳扁桃ヘルニアの有無・程度等を併せて検討中で、これら成果の一部は第80次日法医総会で発表予定である。以上より、画像解析では小脳の顆粒層・外顆粒層の所見よりSIDSにおける脳の未熟性が示唆され、また神経細胞における消耗性色素等の早期出現はSIDSの死亡原因を考察する上で極めて有用な所見と思われた。本年度は当初の研究計画調書に示した方法に従って三次元画像解析ソフトOZを用いて乳幼児22例(SIDS13例,その他の死因群9例)の後頭蓋窩の容積(A)と後頭蓋窩下端部の容積(B)を計測し、SIDSとその他の死因群での比較検討を試みた。なおBは脳ヘルニアの際に小脳扁桃が陥入する大後頭孔周囲腔である。その結果、SIDSではAが30.0107.0cm^3、Bが1.135.72cm^3の範囲、その他の死因群ではAが45.0170.0cm^3・Bが1.967.24cm^3の範囲でいずれも児の月(年)齢増加に伴って各容積にも著明な増加傾向が認められた。またSIDSとその他の死因群の値を同一月齢児間で比較すると両者には明らかな差はみられなかった。そこで後頭蓋窩容積に対する同下端部容積の割合(B/A)を求めて比較したところSIDSでは3.06.4%(平均4.2%)であったのに対し、その他の死因群では2.74.4%(平均3.7%)であった。すなわちSIDS児の大後頭孔周囲腔の容積比はその他の死因群よりやや大きい傾向と思われた。このことはSIDS児の頭蓋骨発育の未熟性を示唆する所見とも考えられるが、今後の検討課題である。また橋および延髄の横断面積はSIDS児の値がその他の死因群より若干小さい傾向であったが、このことはSIDS児の橋や延髄がその他の死因群より細く華奢であることを示唆しており、組織学的所見(昨年度報告書参照)も考慮するとSIDSにおける小脳、橋、延髄部分の未熟性がより一層明確になるものと思われた。特に延髄が幼弱で細いことと大後頭孔周囲腔の容積比が大きいことが重なれば、同部の腔所は一層広くなり、小脳扁桃部の陥入が起きやすい条件になり得るものと思われた。なおSIDS児の一部に軽度の小脳扁桃ヘルニアとおぼしき所見(延髄の圧迫所見は乏しい)を認めたが舌下神経などへの影響は明確でなく、さらに組織学的検索を継続中である。本年度(本補助金の最終年度)はさらに新たな症例を加え、SIDS群20例(生後1カ月11カ月)、対照群13例(生後2カ月3才)について後頭蓋窩の骨容積、小脳・橋・延髄の脳体積および組織所見等について画像解析による検討を行なった。特に骨容積は脳摘出後の後頭蓋窩容積(A)と大後頭孔周辺部容積(B)、脳体積は小脳・橋・延髄全体の体積(a)と延髄の体積(b)をそれぞれ三次元画像解析ソフトOZにて計測した。その結果、骨容積はSIDS群でAが30.0107.0cm^3、Bが1.15.7cm^3、対照群ではAが45.0170.0cm^3、Bが2.07.2cm^3、脳体積はSIDS群でaが30.0103.0cm^3、bが0.40.8cm^3、対照群ではaが45.0168.0cm^3、bが0.91.5cm^3であった。児の月/年齢増加に伴い、いずれの値も著名な増加傾向が認められた。
極超音速流れにおける放電プラズマ現象の物理の解明

本研究の目的は,将来の極超音速空力制御を見据えた放電プラズマによる気流制御メカニズムの解明とその物理モデル考案であり,最終年度に当たる平成25年度は,昨年度までに完了した気流制御現象への理解とその物理モデルを基に,実用的な空力制御への応用を扱った.ここでは, 1直流アーク放電プラズマを用いた極超音速空力制御法として有望な制御装置コンセプトとして,ボディーフラップ前方での放電による空気力制御を提案し, 2その制御効果を数値解析により評価,更に3極超音速風洞実験により制御性能及び効率を検証・評価した.1本研究で提案する放電空力制御装置として,ボディーフラップ前方での放電プラズマにより舵面での空気力を瞬時に制御し機体の制御モーメントを操作可能とする装置を考案した.この模型は2平面が舵角20度を成して接合された二重楔形状であり,斜面前方に電極を配置し,後方の舵面を模した斜面上の空気力変動をまずは数値解析により評価した.2数値解析の結果,放電気流制御により舵面で発生するピッチングモーメント及び抗力係数は,何れも舵角が小さい場合に相当する値に減少する事が判明した.3この空力制御効果と制御効率を定量評価する為極超音速風洞実験を行った.配線接続を有する実験模型の空気力計測の為,新型の力計測系を開発し,これを実験に用いた.実験の結果,数値解析での予測と同様の空力制御効果が確認された.投入電力ベ一スで評価した抗力低減効率は300%を超える高効率であった.更に,空気力が静定するまでに掛かる応答時間は0.1秒以下と,数秒から10秒程度の応答時間を有する従来型の舵面制御に比べ極めて優位性のある制御手法である事が解明された.上記とは別に放電に対し磁場を印加した際の補助的な気流制御効果を実験により調査したが,永久磁石による0.1テスラ程度の磁場を用いた場合では圧力を始め流れ場に余り大きな影響を与えないことも判明した. (800字)(抄録なし)平成23年度は主として,(1)平板模型上での直流アーク放電の実験による観測,(2)化学反応を考慮した放電の流体への影響の数値解析,及び(3)極超音速流中でのアーク放電を安定化させるための制御回路の開発を行った.放電現象の特性解明の上で基礎となる平板境界層内での放電プラズマの影響を調べるため,実験的アプローチである(1)に取り組んだ.楔付き平板と電極・セラミックスの保護部材から構成される実験模型を製作し,直流アーク放電を行った.迎角を0度に設定する事で平板境界層内での放電を,迎角を負に設定することで衝撃層内の放電の計測を行った.基礎ケースである境界層内の放電実験では,放電が定常及び非定常である場合が観測された.定常放電では放電部近傍での圧力上昇,衝撃波形成が観測された.発光分光計測により放電プラズマの構成化学種と振動温度を計測し,プラズマが主にN2,O2,N,O及びそれらのイオンから構成され,振動温度は6000K程度の高温である事が判明した。特に窒素分子の第一正帯に着目し波長600nm付近のみを透過するフィルタを用いて発光分布計測を行い,振動励起された高エネルギー窒素分子の発光が境界層内に集中している事が判明した.放電の気流への影響を解析するため(2)に取り組んだ.(1)の振動温度計測より,プラズマでは並進-振動モードが非平衡状態であると予測されたため,2温度11化学種モデルを用いて流体の解析を行い,実験時の投入電力の一部が振動-電子励起エネルギーに変換されたとして2次元を仮定した数値解析を行った.その結果,振動温度の高い領域は発光分布計測結果同様に平板境界層内に限定される事,及び圧力の上昇・衝撃波の形成が実験と合致した.実験(1)の放電は,場合によっては非定常となった.放電の基礎特性取得の為に安定した放電を得ることが必要不可欠であるため,(3)において放電を安定化する為の制御回路を新規に開発し,実験により放電を安定化できる事を確認した.平成24年度は主として(1)膨張波を含む流れでの直流アーク放電の実験による観察,(2)衝撃波を含む流れでの放電の実験による観察,(3)アーク放電による壁面損耗を防止するための実験系の開発を行った.平成23年度に行った極超音速流中の平板境界層上で,放電が気流に与える影響の基礎特性解明の発展として,より複雑かつ極超音速流れの典型例として膨張波を含む流れ場での気流制御特性把握の実験的アプローチである(1)に取り組んだ.平板をくの字型に中央で曲げ屈折部分で膨張波が発生する模型により,屈折部両側に電極を配置して膨張波を跨ぐ放電実験を行った.同様に,(2)についてもう一つの極超音速流の典型的な条件である衝撃波を含む放電実験を,圧縮ランプ模型の屈折部両側に電極を配置することで行った.この際,昨年度開発に成功した安定化制御回路を用いて定常放電を実現した.双方の実験において,放電に伴う圧力の変動,衝撃波の生成等を計測した.流れ場での衝撃波の生成は平板上放電の場合ほど明瞭では無かったが,(2)の場合には流れの剥離領域増大がシュリーレン法により観測された.

熱化学非平衡を考慮した簡易プラズマモデルによる解析により,(2)の流れ場において循環領域に放電によるエネルギーが付与され,少なくとも並進・振動緩和時間スケール程度の間トラップされるために,電子・振動エネルギーが並進回転エネルギーに変換される事で温度・圧力上昇を引き起こし剥離域の増大に寄与する事が示唆された.剥離を伴う流れは極超音速機表面にしばしば観察される形状であり,極超音速流れ制御への応用上非常に重要である.また,N2の発光分布計測から剥離域形状の極めて明瞭な可視化に成功し,流れ場の放電可視化法としての応用も可能である.本気流制御の実用上重要となる(3)の壁面損耗の低減は,タングステン電極周囲を工業用アルミナセラミックスで置き換えることで実現可能であると実験的に実証した.本研究の目的は,将来の極超音速空力制御を見据えた放電プラズマによる気流制御メカニズムの解明とその物理モデル考案であり,最終年度に当たる平成25年度は,昨年度までに完了した気流制御現象への理解とその物理モデルを基に,実用的な空力制御への応用を扱った.ここでは, 1直流アーク放電プラズマを用いた極超音速空力制御法として有望な制御装置コンセプトとして,ボディーフラップ前方での放電による空気力制御を提案し, 2その制御効果を数値解析により評価,更に3極超音速風洞実験により制御性能及び効率を検証・評価した.1本研究で提案する放電空力制御装置として,ボディーフラップ前方での放電プラズマにより舵面での空気力を瞬時に制御し機体の制御モーメントを操作可能とする装置を考案した.この模型は2平面が舵角20度を成して接合された二重楔形状であり,斜面前方に電極を配置し,後方の舵面を模した斜面上の空気力変動をまずは数値解析により評価した.2数値解析の結果,放電気流制御により舵面で発生するピッチングモーメント及び抗力係数は,何れも舵角が小さい場合に相当する値に減少する事が判明した.3この空力制御効果と制御効率を定量評価する為極超音速風洞実験を行った.配線接続を有する実験模型の空気力計測の為,新型の力計測系を開発し,これを実験に用いた.実験の結果,数値解析での予測と同様の空力制御効果が確認された.投入電力ベ一スで評価した抗力低減効率は300%を超える高効率であった.更に,空気力が静定するまでに掛かる応答時間は0.1秒以下と,数秒から10秒程度の応答時間を有する従来型の舵面制御に比べ極めて優位性のある制御手法である事が解明された.上記とは別に放電に対し磁場を印加した際の補助的な気流制御効果を実験により調査したが,永久磁石による0.1テスラ程度の磁場を用いた場合では圧力を始め流れ場に余り大きな影響を与えないことも判明した. (800字)本年度は年次計画通り,平板境界層内での放電及び衝撃層内での放電に関して極超音速風洞実験による実験による現象の把握を行った.更に,実験から判明したプラズマの非平衡状態を考慮した数値シミュレーションを行い,実験で得られた窒素第一正帯発光分布と比較した.本年度は年次計画通り,膨張波と衝撃波を跨ぐ放電による流れ場への影響の実験的把握を行った.更に,これらに対応する簡易プラズマモデルに基づく熱化学非平衡数値シミュレーションを行い,発光分布形状を実験結果と比較した.来年度以降は当初の計画通り膨張波及び衝撃波と放電との干渉を実験により調べ,数値解析を行う.本年度の研究で放電安定用制御回路を開発したことで,大きな課題であった放電の安定化に成功したので今後はこの制御装置を用いて実験を進める.また,強い磁場を用いた放電プラズマの能動的な制御を検討するため,数値解析モデルを電磁力を考慮したモデルに発展させる.
神経末端のシナプス小胞プールとリサイクリング機構

本研究は、シナプス小胞(Sv)の神経末端での存在様式、挙動を、生体で観察することによって、シナプス信号伝達の分子機構を明かにすることを目的とした。研究代表者らは、Betzらが開発した蛍光色素FM1-43をショウジョウバエ変異株(shibire)に適用して、endocytosisによって形成される神経末端の全Svを蛍光標識することに成功した。その結果、神経末端のboutonに存在するSvには2種類あり、ひとつは、通常のexocytosis-endocytosisサイクルに関与しているSv群(exo/endo cycling pool)で、主にboutonの末端部分に存在する。もう一つは通常のexocytosis-endocytosisサイクルに関与しておらず、主にboutonの中心部分にあり、補給に関与していると考えられ、reserve poolと名ずけられた。actin繊維の脱重合をおこすcytochalasin Dを処理すると、reserve poolに相当するSvは消失したが、exo/endo cycling poolは変化しなかった。このとき高頻度刺激によるシナプス伝達は速やかに消失した。このことは、reserve poolのSvが高頻度の伝達物質放出の維持に関与していること、細胞骨格のactin繊維がreserve poolの形成に重要な役割をもっていること、が明かになった(Neuron 1998,20,917-925に発表)。神経切断、Cyclosporin A,cytochalasin D,forskolin投与など様々な処理をした場合、exo/endo cycling poolの大きさとquantal contentには関密な平行関係があることから、exo/edno cycling poolのSvが直接に伝達物質の放出に関与しており、活動電位で誘発されて放出される量子の数がexo/ednocycling poolのシナプス小胞の数に依存していることが見つけられた(J.Neurosci.1999,19,1557-1565に発表)。研究代表者らは、Betzらが開発したシナプス小胞を標識する蛍光色素FM1-43をショウジョウバエ変異株に適用して、神経末端のboutonには、通常のexocytosis/endocytosisに関与しているシナプス小胞プール(exo/endocycling pool)と通常は関与していない小胞プール(reserve pool)が存在することを、報告した(Neuron 1998).今回は、各シナプス小胞プールのシナプス信号伝達における役割を明かにするため、神経刺激の頻度と各プールの関与について、実験を行なった。
病院外心停止例に対する救急通信指令システムの質改善に関する研究

院外心停止において、人工呼吸にとらわれずに心臓マッサージを効果的に、絶え間なく行うことがうたわれて、心原性院外心停止症例の1ヶ月後の社会復帰率は、10年前に比べると2.4倍に増加した。近年では、学校での指導も広まり、予後良好な症例も増えてきた。つぎに改革する分野は、以下に人工マッサージを早く開始するかであり、そのために119番通報までの時間を短くし、救急隊到着までに市民による心肺蘇生をいかに効果的に持続するかがカギといえる。本研究においては、口頭指導の質の向上のために、1通信指令の客観的評価のために音声通信記録を聴取したデータを元にレジストリを構築し、2指令員へのトレーニングの教育プログラムの開発と、3それらの教育を含めた救急通信指令システムの質改善の試みの効果の検証を目的として研究を重ねている。研究2年目となる平成30年度には、音声データを元にしたレジストリの構築をすすめ、実際のデータを地域メディカルコントロールの元で検証し、通信指令員とディスカッションすることで、通信指令員がいかに素早く心停止症例を認識し、さらにその症例に対して迷うことなく通報者に効果的に心肺蘇生を開始させるかを検討した。研究はおおむね順調に進んでおり、データレジストリは実際に指令室への入所の許可を得た指令室において、個人情報の取り扱いに十分注意しながら取得している。実際の119番通報の中で、元来割合がすくない院外心停止症例を素早く認識できない事情を解析し、それらを除く取り組みを行うプロトコールを作成することで、より正確さと迅速さを増す教育プログラムを作成中である。研究2年目となる平成30年度において、研究代表者ならびに研究協力者は、他の施設からの発表を参考に、さらに効果的にデータを解析できるように取り組んでいる。現在、、解析に耐えうる症例数を蓄積し、地域MCと相談しながら、指令員の教育を含めた、バンドルでの通信指令業務の質改善を行えるよう取り組んでいる。さらに、データ収集を重ね、多方面から解析し、特に通信指令員が迅速に心肺停止を認識できなかった理由を解析している。それらをあらかじめ共有できるような教育プログラムの開発を試みる予定である。本邦において、心原性院外心停止症例の1ヶ月後の社会復帰率は、10年前に比べると2.4倍に増加したとはいえ、依然として8%に満たない。次なる救急システムの改善は、最初の119番通報から救急隊到着までの時間をいかに有効に利用するか、すなわち救急システムにおける通信指令の口頭指導の質の向上をいかに図るかにかかっている。本研究においては、口頭指導の質の向上のために、1通信指令の客観的評価のために音声通信記録を聴取したデータを元にレジストリを構築し、2指令員へのトレーニングの教育プログラムの開発と、3それらの教育を含めた救急通信指令システムの質改善の試みの効果の検証を目的とする。研究1年目となる平成29年度には、音声データを元にしたレジストリの構築を行い、実際にデータの収集を開始し、さらにすでに行われている指令員へのトレーニングの教育コースに参加し、その問題点を解析した。研究はおおむね順調に進んでおり、データレジストリは実際に指令室への入所の許可を得た。指令室は個人情報の塊のような場所であるため、協力施設としての市自治体と大阪大学とが協定を結ぶことにより入所が可能となった。あらかじめ指令室にリストアップしてもらった心停止にかかわる音声情報を、実際に聞き取りながら、その時間関係、内容などを所定の登録用紙に記録した。さらに、研究協力消防の指令室へ、メディカルコントロールの枠組みで、指令員教育ワーキンググループに認定してもらうことで、より地域メディカルコントロールと歩調を合わせながら、教育プログラムを改善していく立場で研究の成果を検証しうることとなった。研究1年目となる平成29年度において、研究代表者ならびに研究協力者は、1回のミーティングを行い、レジストリを行うべき項目についての再検討を行った。その結果、収拾する手間とデータとしての価値とのバランスを考え、feasibilityのあるレジストリーフォーマットを確定することができた。さらには、スプレッドシートには展開できないような個別の事項については、後から解析できるような自由記載を行うこととし、リアルワールドデータとして価値ある成果が得られるような工夫をした。現在、順調にデータを収集して、解析に耐えうる症例数を蓄積しているところである。また、教育プログラムについては、以前より研究協力施設で行っていた指令員の訓練に、立案の段階より参加した。今までは、シナリオやムラージュを重視した訓練であったが、今回はシナリオをできるだけシンプルなものとした。さらに、同じシナリオを4市の指令員に4回行い、それをビデオ撮影したうえで、当事者と聴衆らと振り返ることで、それぞれの工夫と問題点を明らかにすることで、システム改善につなげる試みを行った。そもそも他の市の指令員はもとより、同一指令室内でも他の指令員がどのような指令や口頭指導を行っているかは実は全く見聞きすることがないということが明らかとなった。このため、他の指令員の活動を見聞きすること自体が良い機会となり、問題点が抽出され、システム改善につながるということが明らかとなった。

つぎに改革する分野は、以下に人工マッサージを早く開始するかであり、そのために119番通報までの時間を短くし、救急隊到着までに市民による心肺蘇生をいかに効果的に持続するかがカギといえる。本研究においては、口頭指導の質の向上のために、1通信指令の客観的評価のために音声通信記録を聴取したデータを元にレジストリを構築し、2指令員へのトレーニングの教育プログラムの開発と、3それらの教育を含めた救急通信指令システムの質改善の試みの効果の検証を目的として研究を重ねている。研究2年目となる平成30年度には、音声データを元にしたレジストリの構築をすすめ、実際のデータを地域メディカルコントロールの元で検証し、通信指令員とディスカッションすることで、通信指令員がいかに素早く心停止症例を認識し、さらにその症例に対して迷うことなく通報者に効果的に心肺蘇生を開始させるかを検討した。研究はおおむね順調に進んでおり、データレジストリは実際に指令室への入所の許可を得た指令室において、個人情報の取り扱いに十分注意しながら取得している。実際の119番通報の中で、元来割合がすくない院外心停止症例を素早く認識できない事情を解析し、それらを除く取り組みを行うプロトコールを作成することで、より正確さと迅速さを増す教育プログラムを作成中である。研究2年目となる平成30年度において、研究代表者ならびに研究協力者は、他の施設からの発表を参考に、さらに効果的にデータを解析できるように取り組んでいる。現在、、解析に耐えうる症例数を蓄積し、地域MCと相談しながら、指令員の教育を含めた、バンドルでの通信指令業務の質改善を行えるよう取り組んでいる。現在、もっぱら2016年までのデータの蓄積を進めているところである。1例を収集する時間が、想定範囲よりも大幅にかかっていることより、収集したデータを後からまとめて解析するのではなく、すぐに解析に耐えうるような収集方法でデータ蓄積を行うように試みることとする。元来、119番通報の中には、不要不急の通報も少なからず含まれるため、心停止につながる通報の頻度は、決して多いとは言えない。これらの中からデータを集め、リサーチクエスチョンに耐えうるような症例数を満たすように推進していく。また、老健施設などからの通報や、頼まれ通報など、指令員の努力では如何ともしがたい症例について、どのように解析を行うかも検討していきたいと考える。プレリミナリーのデータを元に、データを学会発表し、論文化につながるようなディスカッションの機会を得る予定である。さらに、これらの症例を通して、口頭指導の訓練につながるようなノウハウを得ることができれば、口頭指導の訓練のプログラムを改善して、より良いシステム改善につなげるような試みを行う予定である。さらに、データ収集を重ね、多方面から解析し、特に通信指令員が迅速に心肺停止を認識できなかった理由を解析している。それらをあらかじめ共有できるような教育プログラムの開発を試みる予定である。近年、国際学会に抄録を登録するだけで費用が発生しており、また英語論文も投稿するだけで費用がかかるようになってきたが、当初の予算建てではその経費を計上していなかったため、そちらに有効利用させていただく予定である。
上肢装具を計測デバイスとする運動機能計測システムの開発

臨床で行われている手指の運動評価は医師や療法士が徒手的に行うため,検査者による主観的な誤差が生じ,再現性が低いことが問題とされている.過大な外力や運動量の不足による拘縮発生や運動評価の再現性の問題は,手指の運動評価を日常的,客観的,定量的,動的に行うことで解決できる.具体的には,患者が装着中の装具に搭載できる小型計測デバイスを製作し,術後患者の手指運動状況を監視しながら同時に運動評価も可能にするシステムを構築する.臨床で行われている手指の運動評価は医師や療法士が徒手的に行うため,検査者による主観的な誤差が生じ,再現性が低いことが問題とされている.過大な外力や運動量の不足による拘縮発生や運動評価の再現性の問題は,手指の運動評価を日常的,客観的,定量的,動的に行うことで解決できる.具体的には,患者が装着中の装具に搭載できる小型計測デバイスを製作し,術後患者の手指運動状況を監視しながら同時に運動評価も可能にするシステムを構築する.
樹枝状結晶における先端分岐成長の形態研究

樹枝状結晶の成長形態は非線形・非平衡現象に基づくものであり、特に拡散場の造る形態形成の代表例である。塩化アンモニウム水溶液から成長する4回対称性をもつ樹枝状結晶は過飽和度の増加に伴い、先端成長方向が〈100〉から〈110〉へ転移し、その遷移領域で複雑な先端分岐成長形態を示す。この領域における実験により以下の結果が得られた。1.成長速度は過飽和度に依らずほぼ一定である。2.先端分岐領域が放射状にひろがること。3.結晶先端の包絡線が安定に保たれること。4.規則的先端分岐成長中に不規則先端分岐が混入する場合があり、これがこの領域における先端分岐成長の本質であるのか、実験セル内の濃度の空間的な非一様性によるものか現在のところ不明であり今後の課題である。拡散場のみの性質で造られるパタ-ンはDiffusionーlimited aggregation(略称DLA)と呼ばれ、自己相似性を有するフラクタル構造を造る。拡散場で成長する樹枝状結晶とDLAの関係を研究するため界面カイネティックスを導入した計算機シミュレ-ションから得られた結果を以下に記す。1.界面カイネティックスが抑制されると〈10〉成長、逆の場合は〈11〉成長の側枝形成樹枝状パタ-ンとなる。2.〈10〉側枝形成成長と〈11〉側枝形成成長の中間領域で先端分岐成長形態が現れる。3.異方性の遷移領域で両異方性の混在パタ-ンとなる。4.更にノイズが加わることに依って、不規則先端分岐成長の等方的DLA形態となる。5.側枝形成、先端分岐、DLAの成長形態は実験結果と酷似している。先端分岐成長の実験及び計算機シミュレ-ションによって非線形・非平衡系に於ける形態形成のフラクタル性やカオス性を研究することがこの分野の今後の興味ある課題である。
光合成系 II マンガンクラスターのプロトン化状態の理論的同定

本年度は、酸化・還元、及び光受容タンパク質の機能活性化機構に関する分子シミュレーション手法を開発し、光合成系II(PSII)の酸化状態生成に関する理論的研究を行った。我々が開発したQM/MM自由エネルギー構造最適化法であるQM/MM RWFE-SCF法を用いて、光励起や電子移動による反応活性部位の複雑な電子状態・構造遷移を非経験的量子化学(QM)法に基づきパラメータフリーで精度良く記述し、更にそれに相関するタンパク質の大域的な構造変化を長時間の分子動力学(MD)法により記述することにより、分子機能活性化に関する電子状態と分子ダイナミクスの統一的な理論的解析を行った。以下に、研究成果の詳細を述べる。1. Cytochrome c(cyt c)の非経験的酸化・還元電位計算酸化・還元に伴うヘム分子の配位構造やエネルギー変化を非経験的QM法で記述し、同時にタンパク質環境の再配向を長時間MDシミュレーションで記述することにより、酸化・還元電位をパラメータフリーで高精度に求めることに成功した。2. PSIIのプロトン化状態の同定PSIIがチラコイド膜を形成する糖脂質膜環境に埋め込まれたシミュレーション系を構築し、マンガンクラスターを中心とする反応活性部位を非経験的QM領域としたQM/MM自由エネルギー構造最適化計算を行い、S1及びS2状態の6個の酸化/プロトン化状態モデルに対して酸化エネルギー及びプロトン化エネルギーをパラメータフリーで直接計算することにより、プロトン化状態の同定に成功した。3.チャネルロドプシン(ChR)光受容体の光活性化状態のモデリングQM/MM自由エネルギー構造最適化計算により、発色団分子の光化学反応により活性化されたタンパク質中間状態構造のモデリングを行い、類縁タンパク質とは大きく異なる光活性化機構を明らかにした。申請書に記載の計画に対して、おおむね順調な成果が得られている。PSIIのプロトン化状態の同定や酸化光サイクルの解析に必要である酸化/プロトン化エネルギー計算や活性状態の化学的変化によるタンパク質の大域的な構造変化を解析する理論的手法の開発を、cyt cやChRタンパク質の機能活性化を題材にして行い、良好な結果を得ることができた。実際に、それに基づき、PSIIのS1及びS2状態の6個の酸化/プロトン化状態モデルに対して自由エネルギー最適化、及び酸化/プロトン化エネルギー計算に成功し、プロトン化状態の同定に成功している。その結果、従来法では見られなかったプロトン化状態に依存した活性中心構造の大きな変化を見出し、加えて、プロトン化状態の正確な同定により、副生成物反応の抑制に関する分子機構が明らかになるなどの顕著な成果も得られている。まず、PSIIのS1及びS2状態の酸化/プロトン化エネルギーを決定する分子論的要因の解析を進める。エネルギーの種類による分割や残基分割を通して、機能に大きく関わるアミノ酸や水分子を同定する。これらの解析手法は、cyt cに関する研究で開発済みである。更に、同定されたプロトン化状態を出発点としてS2 - S3状態遷移過程を解析する。実験的には、まずTyrZの酸化に伴い水素結合ネットワークの構造変化が引き起こされ、マンガンクラスターからTyrZへの電子移動と相関してプロトンの放出、及び近傍水分子のマンガンクラスターへの挿入が起こると示唆されている。そこで、TyrZが酸化した状態における活性中心部位の構造をQM/MM自由エネルギー構造最適化計算により決定し解析を行う。更に、その状態からS3状態の電子・プロトン配置をモデリングし、活性部位の構造変化の解析、及び酸化/プロトン化エネルギー計算を行うことにより、S3状態生成の分子機構を明らかにする。更に、S1状態で同定されたプロトン化状態を出発点として、S0状態のプロトン化状態を明らかにする。S0状態では、複数のプロトン化部位が提案されている。そこで、それらのプロトン化構造に対してQM/MM自由エネルギー構造最適化計算を行い酸化/プロトン化エネルギーを計算することにより、プロトン化状態を決定する。3.チャネルロドプシン(ChR)光受容体の光活性化

状態のモデリングQM/MM自由エネルギー構造最適化計算により、発色団分子の光化学反応により活性化されたタンパク質中間状態構造のモデリングを行い、類縁タンパク質とは大きく異なる光活性化機構を明らかにした。申請書に記載の計画に対して、おおむね順調な成果が得られている。PSIIのプロトン化状態の同定や酸化光サイクルの解析に必要である酸化/プロトン化エネルギー計算や活性状態の化学的変化によるタンパク質の大域的な構造変化を解析する理論的手法の開発を、cyt cやChRタンパク質の機能活性化を題材にして行い、良好な結果を得ることができた。実際に、それに基づき、PSIIのS1及びS2状態の6個の酸化/プロトン化状態モデルに対して自由エネルギー最適化、及び酸化/プロトン化エネルギー計算に成功し、プロトン化状態の同定に成功している。その結果、従来法では見られなかったプロトン化状態に依存した活性中心構造の大きな変化を見出し、加えて、プロトン化状態の正確な同定により、副生成物反応の抑制に関する分子機構が明らかになるなどの顕著な成果も得られている。まず、PSIIのS1及びS2状態の酸化/プロトン化エネルギーを決定する分子論的要因の解析を進める。エネルギーの種類による分割や残基分割を通して、機能に大きく関わるアミノ酸や水分子を同定する。これらの解析手法は、cyt cに関する研究で開発済みである。更に、同定されたプロトン化状態を出発点としてS2 - S3状態遷移過程を解析する。実験的には、まずTyrZの酸化に伴い水素結合ネットワークの構造変化が引き起こされ、マンガンクラスターからTyrZへの電子移動と相関してプロトンの放出、及び近傍水分子のマンガンクラスターへの挿入が起こると示唆されている。そこで、TyrZが酸化した状態における活性中心部位の構造をQM/MM自由エネルギー構造最適化計算により決定し解析を行う。更に、その状態からS3状態の電子・プロトン配置をモデリングし、活性部位の構造変化の解析、及び酸化/プロトン化エネルギー計算を行うことにより、S3状態生成の分子機構を明らかにする。更に、S1状態で同定されたプロトン化状態を出発点として、S0状態のプロトン化状態を明らかにする。S0状態では、複数のプロトン化部位が提案されている。そこで、それらのプロトン化構造に対してQM/MM自由エネルギー構造最適化計算を行い酸化/プロトン化エネルギーを計算することにより、プロトン化状態を決定する。
収束超音波を用いた軟部肉腫の治療について

収束超音波(HIFU)による軟部肉腫に対する抗腫瘍効果の解析,特に腫瘍免疫学的効果の解析について,Sarcoma 180細胞をマウス背部皮下に接種することで得られた固形肉腫を対象に行った。得られたマウス背部固形肉腫に対し出力10WのHIFUを10秒間単回照射し,以下の結果を得た。(1)腫瘍径・生存率:照射群における腫瘍径の増大は非照射群に比べ抑制され,生存率が良好であった,(2)アポトーシス:照射群の腫瘍細胞の旺盛なアポトーシスが観察された,(3)CD4・CD8陽性リンパ球の発現:照射群で集簇性の浸潤が観察された,(4)腫瘍関連マクロファージの発現:照射群では腫瘍周囲を中心としてTRAP染色陽性で多核のマクロファージの浸潤が認められた,(5)マクロファージ遊走抑制因子の発現:照射群ではマクロファージ遊走抑制因子の発現が抑制された。以上より,マウス固形肉腫に対し収束超音波を単回照射することにより,腫瘍壊死のみならず抗腫瘍免疫の活性化を介して残存腫瘍に対する抗腫瘍効果が得られると考えられた。平成22年度は収束超音波による抗腫瘍作用の解析をマウス固形肉腫を対象に行った。1.細胞の継代と腫瘍細胞浮遊液の調整:Sarcoma180をマウス腹腔内で継代し実験腫瘍とした。2.超音波照射装置:日立中央研究所製の、伝播方向の約長さ8.5mm、幅1mmの限局性の部位に超音波を収束させることが可能なtransducerと、安価な無線機用の増幅器やコントローラーを組み合わせ用いた。3.収束超音波照射:Sarcoma180細胞3.0×10^5個を含む腫瘍細胞浮遊液をマウスの背部皮下へ注入し、固形腫瘍が径1.5cmになった時点で、マウスを固定台に設置し、腫瘍部を専用の水槽で水没させ、XYZ stageにつなげた超音波画像モニターで腫瘍部を描出できるよう位置決めしモニターで観察しながら、収束超音波装置で腫瘍部へ単回照射した。照射は周波数2MHz、出力10Wで10秒間おこなった。水槽内は脱気水を満たし、38度に保った。4.評価ならびに結果(1)経時的な腫瘍の観察と組織学的検討:経時的に腫瘍最大径を観察すると、対照では徐々に腫瘍径が増大していたが、照射群では増大は軽度で優位に小さかった。(2)マクロファージ遊走阻止因子(MIF)発現の検討:抗MIF抗体による腫瘍組織の免疫組織学的検討では,照射群のMIF発現が抑制された。集束超音波照射後のマクロファージ浸潤と誘導にはMIFが関与していると考えられた。平成23年度は収束超音波による抗腫瘍作用の解析をマウス固形肉腫を対象に行った。3.収束超音波照射:Sarcomal80細胞3.0×10^5個を含む腫瘍細胞浮遊液をマウスの背部皮下へ注入し、固形腫瘍が径1.5cmになった時点で、マウスを固定台に設置し、腫瘍部を専用の水槽で水没させ、XYZstageにつなげた超音波画像モニターで腫瘍部を描出できるよう位置決めしモニターで観察しながら、収束超音波装置で腫瘍部へ単回照射した。(2)組織中におけるCD4陽性細胞およびCD8陽性細胞の検討:非照射群腫瘍組織ではほとんど認められなかったが,照射1週後では1視野あたりCD

4陽性細胞が平均4個,CD8陽性細胞が平均6個であった。(3)Tunel陽性細胞の検討:1週後の時点において非照射群腫瘍組織では1視野あたり平均5個,照射群では12個であった。平成24年度は収束超音波による抗腫瘍作用の解析をマウス固形肉腫を対象に行った。1.細胞の継代と腫瘍細胞浮遊液の調整:Sarcoma180をマウス腹腔内で継代し,実験腫瘍とした。2.超音波照射装置:長さ8.5 mm,幅1 mmの限局した部位に超音波を収束させることが可能なトランスデューサー(日立中央研究所製)と,増幅器やコントローラーを組み合わせて用いた。3.収束超音波照射:Sarcoma180細胞を含む腫瘍細胞浮遊液をマウスの背部皮下へ注入し,腫瘍径が1.5cmになった時点で,マウスを固定台に設置,腫瘍部を専用の水槽で水没させ、XYZ stageに接続した超音波画像モニターで腫瘍部を描出できるよう位置決めを行い,収束超音波を腫瘍部へ単回照射した。周波数は2MHz,出力は10Wで10秒間照射した。水槽内は脱気水を満たし,38度に保った。4.評価ならびに結果:(1)経時的な腫瘍の観察と組織学的検討:経時的に腫瘍最大径を観察すると,対照では徐々に腫瘍径が増大していたが,照射群における増大は軽度で有意に小さかった。(2)マクロファージ遊走阻止因子(MIF)発現の検討:抗MIF抗体による腫瘍の免疫組織学的検討では,照射群のMIF発現が抑制された。集束超音波照射後のマクロファージ浸潤と誘導にはMIFが関与していると考えられた。(3)組織中におけるCD4陽性細胞およびCD8陽性細胞の検討:非照射群腫瘍組織ではほとんど認められなかったが,照射1週後では1視野あたりCD4陽性細胞が平均4個,CD8陽性細胞が平均6個であった。(4) Tunel陽性細胞の検討:1週後の時点において非照射群腫瘍組織では1視野あたり平均5個,照射群では12個であった。マウス背部皮下に接種した肉腫に集束超音波を照射し,抗腫瘍効果を組織学的に検討する目的は概ね順調に進展しています。腫瘍径の縮小,マウス生存率の向上が認められました。またTリンパ球やマクロファージなどの腫瘍免疫に関するデータも当初予定通り得られました。24年度が最終年度であるため、記入しない。前年度に引き続き集束超音波によるマウス軟部肉腫への抗腫瘍効果について研究します。集束超音波の熱凝固による直接的な抗腫瘍効果のほかに,今年度は特に腫瘍免疫を介した間接的な抗腫瘍効果についての研究を推進する予定です。
極限的分光計測による複雑系高次分子機能の研究

極限的な分子計測を駆使して複雑分子系の研究を推進した。超高速分光では、シススチルベン異性化の多次元的反応座標の解明、銅(I)錯体の超高速構造変化機構の解明、シアニン色素の異性化座標に沿った核波束運動の追跡など、多原子分子の反応初期過程の研究を行った。界面選択的非線形分光では、電子和周波発生と振動和周波発生のヘテロダイン検出を実現し、生体膜モデル界面を含む水界面での基本現象に関する多くの新しい知見を得た。相関分光では、蛍光寿命測定と蛍光相関測定を組み合わせ、生体高分子の構造揺らぎの研究に高いポテンシャルをもつ新しい方法を開発した。溶液をはじめとする凝縮相の分子科学研究においては、これまで単純分子系の研究によって蓄積した深い知識と高い技術を、いかに新しい問題の解明に向けるかが重要な課題である。そのターゲットの一つは、間違いなく生体系を頂点とする複雑系における分子の性質と機能の理解と制御である。本研究では、世界的にみてトップレベルにあるわれわれの分光計測技術を発展させ、さらに新しい極限的分光計測方法論の開発を行うとともに、高次構造を有する複雑分子系の研究を行う。具体的には以下の3つを骨子とする。(1)超高速分光を用いた生体分子系のダイナミクスの解明と機能発現機構の解明、(2)界面選択的な新規非線形分光の開発とそれを用いた生体モデル系界面の分光計測、(3)極限的時空間分光計測法の開発と細胞を含む複雑系における分子ダイナミクスの実測。フェムト秒時間分解蛍光分光法を駆使して、7-アザインドール二量体の光二重プロトン移動反応の研究を行った。この反応では、プロトンが一つずつ段階的に移動するか、二つが連関して協奏的に移動するかについて激しい論争となっていたが、蛍光ダイナミクスの励起波長依存性に関する綿密な実験を行い、溶液中では2つのプロトンが約1ピコ秒で協奏的に移動することを明示した。代表的銅(I)錯体であるビス-2,9ジメチル-1,10フェナントロリン銅(I)錯体に関して、MLCT励起によって誘起される構造変化のダイナミクスを、フェムト秒時間分解吸収・発光分光によって研究し、光励起直後の構造がサブピコ秒の寿命を持つことを示した。これにより、銅(I)錯体の励起状態のポテンシャル曲面はヤーン・テラー理論の予想より複雑な形状を持っていることが明らかになった。細胞イメージングの分野で注目される蛍光タンパク質(GFP)の電子構造を理解するために、3種類の典型的なGFP(オワンクラゲGFP,Sapphire,eGFP)について,マルチプレックス二光子吸収分光法により二光子吸収スペクトルを測定した。eGFPでは,二光子吸収ピーク波長の顕著なブルーシフトが観測された。さらに,eGFPの発色団の構造を持つ有機化合物(HBDI)についても同様の差異が観測されたことから、eGFPには隠れた電子励起状態が存在していると結論した。核酸,タンパク質などの生体高分子に特有のダイナミクスは,低分子には見られない遅い時間スケールの運動で特徴づけられ,その機能発現において本質的に重要であると考えられる。ナノ秒からミリ秒の広範な時間領域で複雑分子のダイナミクスを追跡する手段として,フェムト秒レーザー、共焦点顕微鏡およびアバランシェフォトダイオード検出器を組み合わせた汎用蛍光相関計測システムを製作した。多くの核がどのように連動して多原子分子の化学反応を実現しているかを理解することは、高次系分子科学研究における最も基本的な問題であるといえる。われわれは約1psの時定数で光異性化を起こすシス-スチルベンの構造変化を時間分解インパルシブラマン分光法用いて追跡した。この実験では、まず紫外パルス照射により異性化を開始する。次いで遅延時間AT後に11fsパルスを照射して反応性S_1状態分子のラマン活性振動をコヒーレントに励振し、その振動をもう一つの11fsパルスを用いて時間領域で直接観測した。測定の結果、S_1状態のν_<33>モードに帰属される約240cm^<-1>の振動数をもつ振動が大きい強度で観測された。興味深いことにこの振動の重心振動数は、0.3ps以降時間とともに24cm^<-1>も低波数シフトした。さらに、異性化が速く進行するメタノール中ではこの低波数シフトも加速した。この実験結果は、異性化に伴う構造変化とν_<33>モードとの非調和結合によりν_<33>モードの力の定数が時間と共に減少すると考えることで説明できる。観測された振動数シフトを分子の具体的な構造変化と結びつけるために、TDDFT法を用いてS_1状態の反応座標の計算とそれに沿う構造の各点での瞬時的な基準振動解析を行った。計算されたν_<33>