hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
コネキシン・アストロサイトパチーによる同心円硬化症・多発性硬化症の脱髄機序

多発性硬化症、視神経脊髄炎、Balo病を含む脱髄性疾患において、connexin (Cx)蛋白を中心にアストロサイト障害と脱髄の神経病理学的検討を行った。急性期からaquaporin-4 (AQP4)とCx43脱落を特徴とするアストロサイトパチーや、myelin-associated glycoprotein (MAG)脱落を特徴とする脱髄が共通に生じており、Cxを介するアストロサイト-オリゴデンドロサイト間情報伝達の広汎な障害が病態に関与している可能性が示唆された。今後は、脱髄性疾患におけるCxを標的とした新規治療法の開発が期待される。我々は中枢性脱髄性疾患において、アストロサイトやオリゴデンドロサイト/ミエリン間などグリア細胞間情報伝達に重要な役割を果たすコネキシン(Cx)蛋白の関与について注目してきた。中枢神経系では、アストロサイトにCx30、Cx43、オリゴデンドロサイトにCx32、Cx47が発現する。MS6例、NMO11例、Balo病4例の剖検例における各種Cxの発現パターンを病理学的に解析した。Balo病では、全例でCx43はAQP4と同様に広汎な脱落を認め、GFAP陽性gemistocyteは残存していた。さらに、ミエリン側のCx32やCx47も非脱髄層を含め広汎に発現低下が認められることを見出した。さらに辺縁の早期病巣ではMAGが先行する脱髄(patternIII)を認めたが、同部位ではAQP4やCx43も既に脱落しており、早期からアストロサイト障害が生じている可能性が示唆された(Masaki, Acta Neuropathol 2012)。また、MS3例の急性期病巣でもAQP4やCx43が脱落し、GFAP陽性アストロサイトが残存する所見が認められた。NMO4例では、血管周囲性に抗体や沈着を伴いAQP4やCx43が脱落するアストロサイトパチーを認めたが、一方で実質内に広汎に形成された急性期病巣では、MAG脱落が先行するpatternIII脱髄が認められた(submitted for publication)。加えて、Balo病6例、MS30例、NMO30例の血清中に抗AQP4抗体や抗Cx43抗体、抗Cx32抗体は認めなかった。中枢性脱髄性疾患では、急性期からAQP4とCx43脱落を特徴とするアストロサイトパチーや、MAG脱落を特徴とする脱髄が共通に生じており、Cx gap junctionを介するアストロサイト-オリゴデンドロサイト間情報伝達の広汎な障害が病態に関与している可能性が示唆された。我々はBalo病における広汎なAQP4脱落を見出し、更に多発性硬化症(MS)や視神経脊髄炎(NMO)の一部でも抗体や補体の沈着がないAQP4脱落を発見し、抗体非依存性アストロサイトパチーの存在を提唱している。今回アストロサイトとオリゴデンドロサイト/ミエリン間において細胞間情報伝達に重要な役割を果たすコネキシン(Cx)蛋白に着目した。中枢神経では、アストロサイトにCx30、Cx43、オリゴデンドロサイトにCx32、Cx47が発現する。MS5例、NMO11例、Balo病4例の剖検例における各種Cxの発現パターンを病理学的に解析した。さらに、ミエリン側のCx32やCx47も非脱髄層を含め広汎に発現低下が認められた。辺縁の早期病巣ではMAGが先行する脱髄(patternIII)を認めたが、同部位ではAQP4やCx43も既に脱落しており、早期からアストロサイト障害が生じている可能性が示唆された。また、MS2例の急性期病巣でもAQP4やCx43が脱落し、GFAP陽性アストロサイトが残存する所見が認められた。NMO4例では、血管周囲性に抗体や沈着を伴いAQP4やCx43が脱落するアストロサイトパチーを認めたが、一方で実質内に広汎に形成された急性期病巣では、MAG脱落が先行するpatternIII脱髄が認められた。加えて、別のBalo病患者6例の血清中に抗AQP4抗体や抗Cx43抗体、抗Cx32抗体は認めなかった。脱髄性疾患では、急性期からAQP4とCx43脱落を特徴とするアストロサイトパチーや、MAG脱落を特徴とする脱髄が共通に生じており、Cx gap junctionを介するアストロサイト-オリゴデンドロサイト間情報伝達の広汎な障害が病態に関与している可能性が示唆された。MS、NMO、Balo病の剖検標本を用いて、コネキシンを中心としたアストロサイト、オリゴデンドロサイト

関連タンパクの発現変化を神経病理学的に詳細な検討を行い、コネキシン43やアクアポリン4の発現低下が脱髄性疾患の急性期病巣において共通に認められること、NMOでもMAG脱落を特徴とする広汎な脱髄をみとめること、アストロサイトの血管周囲足突起に特異的に発現するMLC1が脱落することなどを見出した。また、これらの変化は、血管周囲性の抗体や活性化補体の沈着を認めず、抗体非依存性にも生じうることを発見した。Balo病の病理学的研究成果と、Balo病患者における抗AQP4抗体、抗コネキシン43、コネキシン32抗体の測定結果について、論文発表することができた(Masaki K, et al. Acta Neuropathol in press)。また、これらの研究成果により、第4回環太平洋アジア多発性硬化症治療研究学術会議(PACTRIMS)において学会賞を受賞した。病理学的研究は、他施設との共同研究を含め、tumefactive MSや、Marburg型MSなど、MSの中でも広汎な病巣を形成する特殊型の生検や剖検標本を使用したコネキシン蛋白の解析をすでに進めている。また、コネキシン蛋白の経時的変化や病態への関与をより機能的に解析するために、MSの動物モデルである実験的自己免疫性脳脊髄炎(EAE)を用いた研究を開始している。MOG35ー55ぺプチドをC57/BL6マウスに注射して誘導するEAEはすでに作成中であり、各種コネキシン蛋白やMLC1、AQP4などの組織免疫染色がマウス組織で染色可能であることも確認済みである。ウェスタンブロットやreal-time PCR法などと併せて詳細な解析を行う方針である。さらに、コネキシンが形成するギャップ結合やヘミチャンネルを標的とした治療を開発するためギャップ結合阻害薬や活性化薬剤を用いて、EAEがどのように修飾されるのかを評価する予定である。また、Balo病患者血清で測定した抗コネキシン抗体と同様の測定系を用いて、MSやNMO症例での抗体の存在について確認していく予定である。ヒト検体を用いたこれまでの研究に加え、モデル動物を使用した機能的解析を開始しており、酵素抗体法および蛍光抗体法に使用する各種一次抗体や二次抗体、MOG35ー55ペプチドなどの抗原蛋白、CFAや百日咳毒素などのアジュバンド、マウス購入費、飼育費、コネキシンを標的とする化合物の購入、ウェスタンブロットやPCR法で使用する各種試薬、抗体測定に用いている培養細胞系に必要な消耗品の購入、などに使用させていただく予定である。
β_3-アドレナリン性受容体作用薬の構造活性相関:コンピュータによる解析

この研究は、平成8年度においては結合実験法を用いてラット白色脂肪組織のβ_3-受容体に対する各種β-アゴニストおよびアンタゴニストの置換力価の評価をおこない、また9年度においては分子設計システムを用いて各種β-アゴニストおよびアンタゴニストとβ_3-ARとの相互用部位を解析することを目的とした。(結果および考察)(1)ラット白色脂肪組織(WAT)には、高親和性部位(β_2-)と低親和性部位(β_3-)のサブタイプが存在した。(2)選択的β_3-agonistであるBRL37344A,BRL35135A,SR59230Aの低親和性部位(β_3-)に対する置換力価(pKi)は高い値を示したが、これまで臨床的にも使用されている他のβ-遮断薬(ボピンドロールやプロプラノール等)のWATのβ_3-受容体に対するpKi値は低かった。(3)一方、膜7回貫通型のヒトβ_3-受容体とボピンドロールの相互作用部位を分子設計システムを用いて解析した結果、ボピンドロールの各グループ(基)が相互作用するβ_3-受容体のアミノ酸は、(1)プロトン化したアミノ基の場合はAsp117、(2)フェニル基とVa1217,Pro216,(3)ベンゾイルカルボニル基とSer169、(4)インドール環とTrp113,Phe308,(5)インドールmetyl基とAla311,(6)t-ブチル基とVa1116,Pro307,Cys304などであることが判明した。これらの結果は、非選択的β遮断薬ボピンドロールのヒトβ_3受容体に対する相互作用部位は,β_1およびβ_2-受容体の場合とほぼ同じ結果を得ることが判明したが、しかしβ_3-受容体の場合はこれらと異なるアミノ酸残基も相互作用に影響することが認められた。この研究は、β_3-アドレナリン性受容体作用薬の構造活性相関についてコンピュータによる解析をおこなうために、初年度は結合実験法を用いてラット白色脂肪組織のβ_3-受容体に対する各種β-アゴニストおよびアンタゴニストの置換力価の評価をおこなうことを目的とした。実験方法として、ラット白色脂肪組織を摘出し、膜分画を遠心分離法にて調製した。また、膜分画は、^3H-CGP12177をラジオリガンドとして用いScatchard解析によりこの組織のβ_3-受容体の性状ならびにDisplacemental Curveの実験により、種々のβ-アンタゴニストの置換力価(pKi値)を求めた。ラット白色脂肪組織(WAT)には、Scatchard分析により^3H-CGP12177結合の高親和性部位(β_2-)と低親和性部位(β_3-)が存在し、Kd値はそれぞれ0.42【.+-。】30.06および40.42【.+-。】10.77nMであった。高親和性部位(β_2-)に対するカテコールアミンの効力順位は、isoproterenol>epinephrine>norepinephrineであった。選択的β_3-agonistであるBRL37344A,BRL35135A,SR59230Aの低親和性部位(β_3-)に対する置換力価(pKi)は高い値を示した。

一方、種々のβ-遮断薬のラットWATのβ_2-とβ_3-受容体に対する置換力価を評価したところ現在本研究室で進めている持続型β-遮断薬ボピンドールのβ_3-受容体に対するpKi値は、4.87【.+-。】0.61であった。また、ボピンドールの代謝産物である18-502および20-785のpKi値も5.04【.+-。】0.73および4.22【.+-。】0.37であった。また、これまでに臨床的にも使用されている他のβ-遮断薬のWATのβ_3-受容体に対するpKi値も低かった。従って、ラットのWATには親和性の異なる2つのサブタイプが存在し、選択的β_3-agonistであるBRL37344A,BRL35135A,SR59230Aなどのβ_3-受容体に対するpKi値は高い値を示したが、ポピンドロールおよび代謝産物のWATアドレナリン性β_3-受容体に対する親和性は低いことが判明した。この研究は、非選択的β-遮断薬であるボピンドロール、その代謝産物(18-502および20-785)およびプロプラノロールのヒトβ_3-受容体に対する相互作用部位をMolecular modeling(分子設計システム)を用いて三次元構造解析をおこなった。実験方法は、膜7回貫通型のヒトβ1-受容体とボピンドロールの相互作用部位解析は、Discover Insight II(Molecular Simulations Inc.,San Diego,CA)をp用いておこない、ヒトβ_3-受容体のアミノ酸配列はBacteriorhodopsinの構造と対応させた。また、第3番目から6番目のヘリックス領域での薬物と受容体の相互作用部位の検索は、まずリガンドの第2級アミノ基とAsp117の水素結合の距離を決めてから計算した。その結果、ボピンドロールの各グループ(基)が相互作用するβ_3-受容体のアミノ酸は、(1)プロトン化したアミノ基の場合はAsp117、(2)フェニル基とVal217,Pro216,(3)ベンゾイルカルボニル基とSer169、(4)インドール環とTrp113,Phe308,(4)インドールmetyl基とAla311,(5)t-ブチル基とVal116,Pro307,Cys304,などであることが判明した。また、化学構造の異なる2つの代謝産物も、異なった置換基の相互作用部位を明らかにした。これらの結果は、非選択的β遮断薬ボピンドロールのヒトβ_3受容体に対する相互作用部位は、β_1およびβ_2-受容体の場合とほぼ同じ結果を得ることが判明したが、β_3-受容体の場合はこれらの違うアミノ酸残基が相互作用に影響することも認められた。
カルシウム感受性制御を介した冠攣縮性狭心症の新たな機序解明と治療戦略

AKAP79/150蛋白は細胞内カルシウム動態ならびに血管トーヌスに関与している。AKAP79/150ノックアウト(AKAP-KO)マウスの大動脈平滑筋細胞を用いて、カルシウム感受性関連物質であるカルモジュリンキナーゼII(CaMKII)の遺伝子ならびに蛋白発現を検討したところ、野生型マウスと比較して、CaMKIIの遺伝子ならびに蛋白発現はともに約2倍増加していた。AKAP-KOマウスでは、エルゴノビン投与により冠攣縮が誘発されたが、カルシウム感受性亢進を抑制するとされるカルベジロールを投与したところ、エルゴノビン投与による冠攣縮誘発が抑制された。一方、カルシウム感受性抑制作用を有さないβ遮断薬であるプロプラノロールをAKAP-KOマウスに投与しても、冠攣縮は抑制されなかった。AKAP-KOマウスの大動脈平滑筋細胞を用いたin vitroの実験では、アセチルコリンによる刺激においても細胞内カルシウムイオン濃度の過度の上昇を認めなかった。カルベジロールならびにプロプラノロールを投与しても同様であった。一方、AKAP-KOマウス大動脈平滑筋細胞におけるミオシン軽鎖のリン酸化は、アセチルコリン刺激により亢進していた。プロプラノロール投与でもリン酸化の亢進は変わらなかったが、カルベジロール投与では、ミオシン軽鎖のリン酸化が抑制された(Narita, Tomita、2018 AHA)。以上から、AKAP-KOマウスでは細胞内カルシウム濃度の上昇をきたさずに冠攣縮が誘発され、カルベジロールはカルシウム感受性制御を介して冠攣縮抑制効果を示す可能性が示唆された。1細胞内カルシウムの動態ならびに血管トーヌスに関与しているAKAP79/150蛋白の冠攣縮への関与を、AKAPノックアウト(AKAP-KO)マウスを用いて検討した。AKAP-KOマウスにエルゴノビンを投与すると、体表面心電図にてST上昇が観察された。さらに、AKAP-KOマウスの大動脈平滑筋細胞では、アゴニスト刺激による細胞内カルシウム濃度の上昇は野生型マウスの大動脈平滑筋細胞と同等であり、全く亢進していなかった。すなわち、AKAP-KOマウスではカルシウム感受性の亢進によって冠攣縮が引き起こされるのではないか、という新しい機序に基づく冠攣縮誘発の可能性が示唆された。次にAKAP-KOマウスの大動脈平滑筋細胞を用いて、カルシウム感受性関連物質であるカルモジュリンキナーゼII(CaMKII)の遺伝子ならびに蛋白発現を検討した。野生型マウスと比較して、CaMKIIの遺伝子、蛋白発現はともに約2倍増加していた(Nishizaki, Tomita、2016 AHA発表、2017日本循環器学会学術集会発表)。現在、さらに詳細なメカニズムを検討中である。2冠攣縮性狭心症患者62名ならびにコントロール群64名より得られたゲノムDNAを使用し、AKAP5の遺伝子変異を検討した。AKAP5遺伝子は1282塩基のエクソン1個からなり、3個のprimer setにてAKAP遺伝子エクソンの全領域を検討可能である。冠攣縮性狭心症患者7名ならびにコントロール群5名に203番目のアミノ酸置換を伴う遺伝子変異(イソロイシン→スレオニン)を認めた。現在、さらに解析数を増やして検討中である。交付申請書に記載された平成28年度(一部平成29年度)の研究計画がおおむね実行され、冠攣縮における細胞内カルシウムシグナル伝達機構の解明に向けて、非常に興味深い結果が得られており、上記区分(2)に該当すると思われる。1細胞内カルシウム動態ならびに血管トーヌスに関与しているAKAP79/150蛋白のノックアウト(AKAP-KO)マウスの大動脈平滑筋細胞を用いて、カルシウム感受性関連物質であるカルモジュリンキナーゼII(CaMKII)の遺伝子ならびに蛋白発現を検討したところ、野生型マウスと比較して、CaMKIIの遺伝子ならびに蛋白発現はともに約2倍増加していた。そのメカニズムとして、ある種のmicroRNAがCaMKII活性に影響を及ぼしていることが示唆された(Nishizaki, Tomita、2016 AHA発表、2017日本循環器学会学術集会発表)。2カルシウム感受性亢進を抑制するカルベジロールとカルシウム感受性抑制作用を有さないβ遮断薬であるプロプラノロールをAKAP-KOマウスに投与し冠攣縮を誘発したところ、カルベジロール投与下では冠攣縮は抑制されたが、プロプラノロール投与下では抑制されなかった(Narita, Tomita、2017 AHA発表)。カルベジロールはCaMKIIを抑制すると報告されており、現在そのメカニズムを検討中である。3冠攣縮性狭心症患者62名ならびにコントロール群64名より得られたゲノムDNAを使用し、AKAP5の遺伝子変異を検討した。冠攣縮性狭心症患者7名ならびにコントロール群5名に203番目のアミノ酸置換を伴うヘテロ遺伝子変異(イソロイシン→スレオニン)を認めた。さらにコントロール群1名では、同部位のアミノ酸置換を伴うホモ遺伝子変異を認めた。遺伝子変異を伴う冠攣縮性狭心症患者では71%(7名中5名)に多枝冠攣縮を認めたが、遺伝子変異を伴なわない冠攣縮性狭心症患者では51%(55名中28名)に認めるのみであった。交付申請書に記載された平成28年度ならびに平成29年度の研究計画がおおむね実行され、冠攣縮における細胞内カルシウムシグナル伝達機構の解明に向けて、非常に興味深い結果が得られており、上記区分(2)に該当すると思われる。AKAP79/150蛋白は細胞内

カルシウム動態ならびに血管トーヌスに関与している。AKAP79/150ノックアウト(AKAP-KO)マウスの大動脈平滑筋細胞を用いて、カルシウム感受性関連物質であるカルモジュリンキナーゼII(CaMKII)の遺伝子ならびに蛋白発現を検討したところ、野生型マウスと比較して、CaMKIIの遺伝子ならびに蛋白発現はともに約2倍増加していた。AKAP-KOマウスでは、エルゴノビン投与により冠攣縮が誘発されたが、カルシウム感受性亢進を抑制するとされるカルベジロールを投与したところ、エルゴノビン投与による冠攣縮誘発が抑制された。一方、カルシウム感受性抑制作用を有さないβ遮断薬であるプロプラノロールをAKAP-KOマウスに投与しても、冠攣縮は抑制されなかった。AKAP-KOマウスの大動脈平滑筋細胞を用いたin vitroの実験では、アセチルコリンによる刺激においても細胞内カルシウムイオン濃度の過度の上昇を認めなかった。カルベジロールならびにプロプラノロールを投与しても同様であった。一方、AKAP-KOマウス大動脈平滑筋細胞におけるミオシン軽鎖のリン酸化は、アセチルコリン刺激により亢進していた。プロプラノロール投与でもリン酸化の亢進は変わらなかったが、カルベジロール投与では、ミオシン軽鎖のリン酸化が抑制された(Narita, Tomita、2018 AHA)。以上から、AKAP-KOマウスでは細胞内カルシウム濃度の上昇をきたさずに冠攣縮が誘発され、カルベジロールはカルシウム感受性制御を介して冠攣縮抑制効果を示す可能性が示唆された。交付申請書の研究計画に沿った実験をすすめていく。AKAP-KOマウスで見出されたカルシウム感受性亢進を介する新しい冠攣縮のメカニズムについて、その機序解明をすすめる。治療に関しては、カルシウム感受性亢進を抑制するとされるカルベジロールの冠攣縮抑制効果について、検討する。治療に関しては、カルシウム感受性亢進を抑制するとされるカルベジロールの冠攣縮抑制効果について検討し、そのメカニズムの解明をすすめる。予定よりも実験にかかる消耗品を安価に入手できたため。次年度の消耗品
オートファジー活性の定量化を可能にするＴＲＡＰ法の開発

オートファジーは細胞が自らの一部分を分解しその分解産物を自己の構成成分として再利用するプロセスである。オートファジーは栄養飢餓などにより誘導され漸次的に進行し最終的に停止する。この過程の進行度合いを検出するための方法として、私は以前酵母細胞においてALP法を開発し、それは現在広く用いられている。今回哺乳類細胞でもALP法に相当する定量的なオートファジー解析法の開発を試みた。酸性ホスファターゼの構造を改変しオートファジーの誘導に連動して、活性が現れるものを作るべく多くの試みを行ったが、最終的に成功例が得られなかった。一方で、その間ALP法をゲノムワイドに展開する方法の開発に成功した。オートファジーは大規模な分解過程であり、栄養飢餓時における栄養補給の役割に加えて、数々の生理現象の制御に関与することが明らかになりつつあり、その制御機構の解明は極めて重要なポイントと目されている。オートファジーは様々な程度でその活性が誘導され制御されており、いつどの程度誘導されているかを知ることはその制御機構を知るために極めて重要である。オートファジーの分子機構の理解は、酵母細胞での解析を端緒に、その他哺乳類をはじめとする高等生物へと展開してきた歴史がある。我々は酵母細胞でALPアッセイと名付けたオートファジーの活性測定法を以前考案しており、それが酵母オートファジー制御機構の理解におおいに貢献してきた。しかし哺乳類細胞ではこれに相当するようなオートファジー活性を定量的に解析する手法が存在しなかった。本研究では酸性ホスファターゼを酵母のアルカリ性ホスファターゼの代替に、哺乳類細胞細胞質に発現させることで哺乳類オートファジー活性定量法の確立を目指した。様々なコンストラクトや培養条件などを検討したが、期間内に当初期待していたオートファジー活性の測定可能な条件を見出すことに至らなかった。一方において全く別のアプローチにより、哺乳類オートファジー活性の定量化に成功した。さらに酵母ALP法を大規模に展開する方法の開発にも成功し、今後の哺乳類オートファジー制御機構の解析に大いに資することが期待される。オートファジーは大規模な細胞内分解過程であり、従来細胞の基本的な恒常性維持に寄与すると考えられてきたが、近年、それに加えてガンや神経変性疾患や免疫機構など、生理的な重要なプロセスと密接に関わり合うことが明らかとなり、注目を集めている。特にその活性を人為的に調節することができた場合、それらの重要な疾患に対抗しうる手段となりうる可能性がある。オートファジーは栄養飢餓などの刺激により誘導され、それが細胞全体を分解するまでに終了する。このようにその活性を精緻に調節する分子メカニズムが存在することが想定されるが、その詳細は今だ不明である。その目的のためにオートファジーを定量化できる実験系が必要である。本研究では、申請者のこれまでの酵母細胞におけるオートファジー定量化法をさらに発展させ、酵母及び哺乳類細胞で新規の方法を開発し、その制御機構にアプローチすることを目指す。本年度は第一に、これまでの酵母の系をさらに発展させることにより新たな制御機構の解明を行った。その結果、これまで知られていないオートファジーの上流因子を発見することに成功し、その分子機構について提唱することができ、現在論文の投稿を行っている。さらに哺乳類細胞での実験系の確立に関して、基礎的なデータを収集し、その中で二つのアイデアのうち一つは、実際に検証が進むことにより、実現の可能性へ向けた展開が、次年度予想される。もうひとつのアイデアの検証も進行中である。酵母細胞の既存時実験系の発展に関して、予想以上の成果が得られた。また哺乳類細胞の実験系に関して、着実に進行している。酵母オートファジーアッセイ法の開発及びその応用に関しては、本年度中に2報論文を発表し、その発展を目指す。哺乳類細胞のオートファジーアッセイ法の開発に関しては、昨年度の成果を発展させることを目指す。二つの実験系を展開するために、主に試薬やプラスティック器具など消耗品に使用する予定である。
トポロジーの総合的研究

本研究では,研究分担者,連携研究者の協力をもとに,総合的な見地からトポロジープロジェクトを広く募集し,計40件の研究集会,2件の研究者交流を実施した.これを通して,トポロジー分野の充実,新しい展開,若手研究者の育成を図った.研究代表者自身の研究テーマである「トーリックトポロジー」に関連しては,「トーリック多様体のコホモロジー剛性問題」,「トーラス多様体の対称性の問題」に取り組んだ.また,若手研究者にトーリックトポロジーに関連した研究集会に参加・発表の機会を与えて育成に努めた.本研究では,研究分担者,連携研究者の協力をもとに,総合的な見地からトポロジープロジェクトを広く募集し,計40件の研究集会,2件の研究者交流を実施した.これを通して,トポロジー分野の充実,新しい展開,若手研究者の育成を図った.研究代表者自身の研究テーマである「トーリックトポロジー」に関連しては,「トーリック多様体のコホモロジー剛性問題」,「トーラス多様体の対称性の問題」に取り組んだ.また,若手研究者にトーリックトポロジーに関連した研究集会に参加・発表の機会を与えて育成に努めた.本研究は、総合的な視点から、研究分担者の協力をもとに、研究交流によるトポロシーの諸分野の充実、新しい展開を図ることを目的としたものである。具体的には、研究分担者の専門に関する研究集会の開催等を通して,これらの研究の相互の交流を推進し、新しい研究対象と研究成果を踏まえて、これまての研究の深化とともに、新しい研究の発見を目指す。このように、トポロジーの諸分野の固有の問題の研究を深めることを図りつつも、理論の相互の関係を明らかにすることに重点を置き、広い視野を持って、微分幾何学、代数幾何学、整数論、関数論、数理物理学などとの連携を重視するものである.19年度は,松元重則氏が基盤研究A「位相幾何学の総合的研究」(平成17年度19年度)が推進している研究プロシェクトを補完し「結び目の研究集会」を開催した.これは、大阪市立大学21世紀プロクラム「結び目を焦点とした広角度の数学拠点の形成」主催の「COE21特別講義」原田芽ぐみ氏(カナダ)の集中講義を利用し、国内外の大学院生および若手研究者の研究交流を目的としたもので,ロシア、韓国、中国からの大学院生および研究者の参加があった。個人的には、1月から2月にかけて、復旦大学にて開催されたトーリックトポロジーの勉強会に参加し、有意義な討論を行うことができた。これは現在、首都大学の神島氏との共同研究に発展している。本研究は、総合的な視点から、研究連携者の協力をもとに、研究交流によるトポロジーの諸分野の充実、新しい展開を図ることを目的としたものである。具体的には,研究連携者の専門に関する研究集会の開催等を通して,これらの研究の相互の交流を推進し、新しい研究対象と研究成果を踏まえて、これまでの研究の深化とともに,新しい研究の発見を目指す。このように、トポロジーの諸分野の固有の問題の研究を深めることを図りつつも、理論の相互の関係を明らかにすることに重点を置き、広い視野を持って、微分幾何学、代数幾何学、整数論、関数論、数理物理学などとの連携を重視するものである.20年度は,16件のトポロジープロジェクト提案,1件の研究者交流の提案を受け,それを実施した.トポロジー研究者の研究交流,若手研究者の育成など,実りある集会をもつことができたと思っている.個人的には,6月から7月にかけて,韓国,ロシア,イギリスを訪問した.韓国では,Suh氏,Buchstaber氏や,若手のどトーリックトポロジー研究者が集まり,非常に有意義な時間をもつことができた.また,ロシア,イギリスでは,それぞれ国際会議においてplenary talkをするとともに,Nigel Ray氏との共同研究を始めた.原田芽ぐみ氏,黒木慎太郎氏,Suyoung Choi氏を海外から招き,シンプレクティック幾何,トーリックトポロジーの研究を推し進めた.本研究は、総合的な視点から、研究連携者の協力をもとに、研究交流によるトポロジーの諸分野の充実、新しい展開を図ることを目的としたものである。具体的には,研究連携者の専門に関する研究集会の開催等を通して,これらの研究の相互の交流を推推し、新しい研究対象と研究成果を踏まえて、これまでの研究の深化とともに,新しい研究の発見を目指す。このように、トポロジーの諸分野の固有の問題の研究を深めることを図りつつも、理論の相互の関係を明らかにすることに重点を置き、広い視野を持って、微分幾何学、代数幾何学、整数論、関数論、数理物理学などとの連携を重視するものである.21年度は,21件のトボロジープロジェクト提案,1件の研究者交流の提案を受け,それを実施した.トポロジー研究者の研究交流,若手研究者の育成など,実りある集会をもつことができたと思っている.個人的には,5月に中国,9月にスロバキア,2月に韓国を訪問した,韓国では,Suh氏が企画したToric Topology Worshopに参加し,多くの若手研究者と触れることができた.3月には,シューベルトカリキユラスに関連して原田芽ぐみ氏を海外から招き,シンプレクティック幾何,トーリックトポロジーに加えて,その方面の研究も進めた.
ヒューマノイド型知能ロボットの開発研究

本年度は,1.ヒューマノイド「才華」の設計製作,2.分布型接触センサを持つ三本指ハンドの設計製作,3.三本指ハンドによる未知物体の把持実験,4.パーセプトロンを用いた「才華」の腕の逆動力学モデルの獲得,5.「才華」による捕球実験,6.「才華」によるボールのドリブル実験,の六つの項目について研究・開発を行ない,以下のような成果を得た.1.首二自由度,それぞれ五自由度を持つ両腕,それぞれ二自由度を持つ両眼,二つの耳,およびトルソからなる軽量(8[kg]),安価(全体で約80万円),のヒューマノイド「才華」を開発した.2.開発したヒューマノイドに搭載可能な三本指ハンドを開発した.このハンドはコントローラ部を前腕部に内蔵している.指および手掌には87点の接触センサが分布している.指全体で八自由度を持つ.3.開発した三本指ハンドを用いて,手探りによる未知物体の把持実験を行なった.ボール,円錐,直方体,立方体,空き缶などが,接触センサを用いた手探りのみによって安定に把持できることを実験により確認した.4.フィードバック誤差学習を用いて,開発したヒューマノイド「才華」の逆動力学モデルの獲得を行なった.5.開発したヒューマノイド「才華」を用いて,鉛直方向に落下するボールを視覚で検知し,捕球する実験を行なった.また,この手法を拡張し,人間が放ったボールを検知し,ボールの軌道を予測し,捕球する実験にも成功した.6.バウンドするボールを視覚で検知し,そのボールを鉛直下方に打ちつける実験に成功した.今後ドリブル動作に発展させる予定である.本年度は以下の項目の研究を行った。1.ロボットヘッドの製作:両眼、両耳、口、眉をもつヒューマノイドヘッドを製作し、上下左右に動かすための首機構を実現した。2.視覚のサブシステム:一対カメラシステムを高速サーボ機構で視線制御し、我々が独自に開発した実時間トラッキング視覚と、高機能画像処理ワークステーションを相補的に利用し、注視点制御、輻奏角制御、立体視、運動追跡、変形領域同定、周辺視、中心視、などを行うロボット視覚システムを構築した。3.聴覚サブシステム:音による注意喚起、音源の定位、単語認識、などに基づき、環境や行動を視覚認識する際の補強手段として聴覚を利用するという手法のための基礎として、ロボット4.ロボットボディ制御用コントローラの試作:ボディの姿勢と位置を変えるなどの運動機構、および、姿勢、感触センサ処理のための並列分散型制御システムを構築するためのトランスビュータモジュールを開発した。5.ソフトウェア開発環境:電総研と共同開発してきたEUSLispを中核の言語処理系として採用し、そこに、本研究で開発する各サブシステムの基本ソフトを統合した。本年度は,1.ヒューマノイド「才華」の設計製作,2.分布型接触センサを持つ三本指ハンドの設計製作,3.三本指ハンドによる未知物体の把持実験,4.パーセプトロンを用いた「才華」の腕の逆動力学モデルの獲得,5.「才華」による捕球実験,6.「才華」によるボールのドリブル実験,の六つの項目について研究・開発を行ない,以下のような成果を得た.1.首二自由度,それぞれ五自由度を持つ両腕,それぞれ二自由度を持つ両眼,二つの耳,およびトルソからなる軽量(8[kg]),安価(全体で約80万円),のヒューマノイド「才華」を開発した.2.開発したヒューマノイドに搭載可能な三本指ハンドを開発した.このハンドはコントローラ部を前腕部に内蔵している.指および手掌には87点の接触センサが分布している.指全体で八自由度を持つ.3.開発した三本指ハンドを用いて,手探りによる未知物体の把持実験を行なった.ボール,円錐,直方体,立方体,空き缶などが,接触センサを用いた手探りのみによって安定に把持できることを実験により確認した.4.フィードバック誤差学習を用いて,開発したヒューマノイド「才華」の逆動力学モデルの獲得を行なった.5.開発したヒューマノイド「才華」を用いて,鉛直方向に落下するボールを視覚で検知し,捕球する実験を行なった.また,この手法を拡張し,人間が放ったボールを検知し,ボールの軌道を予測し,捕球する実験にも成功した.6.バウンドするボールを視覚で検知し,そのボールを鉛直下方に打ちつける実験に成功した.今後ドリブル動作に発展させる予定である.本年度は,1.マニピュレータアームの設計製作,2.視覚による人間の動作の観察と理解,3.音と視覚の複合的利用,の三つの項目について研究・開発を行ない,以下のような成果を得た.1.マニピュレータアームの設計製作ロボットアーム,首,体幹部(トルソ)に共通に用いることのできる二自由度サーボモジュールを開発した.このモジュールには差動機構による干渉駆動方式を採用した.このモジュールを組み合わせて片腕五自由度のアームを構成する.2.視覚による人間の動作の観察と理解視覚を用いた人間の動作の観察と理解の一例として,入力画像の中から人間の手を発見し,画像中の特徴的な物体の中から人間の手の動きを基に人間が掴もうとしている物体を推測し,それを発見し追跡することに成功した.また人とヒューマノイドの物の受け渡し動作の基礎実験として,人間によって差し出されたボールを視覚的に追跡しながら,ステレオ視により空間位置情報を取得し,ロボットアームで追従することに成功した.

3.音と視覚の複合的利用音と視覚の複合的利用の一例として,人間を発見する実験を行なった.人間がヒューマノイドの視野内にいる時,すなわち入力画像中に人間が存在する場合は肌色部分を抽出し動きを検出することで,人間が視野がいにいる時は人間の呼掛けの応答して人間を発見することに成功した.本年度は,1.ヒューマノイド「才華」の設計製作,2.分布型接触センサを持つ三本指ハンドの設計製作,3.三本指ハンドによる未知物体の把持実験,4.パーセプロトンを用いた「才華」の腕の逆動力学モデルの獲得,5.「才華」による捕球実験,6.「才華」によるボールのドリブル実験,の六つの項目について研究・開発を行ない,以下のような成果を得た.1.首二自由度,それぞれ五自由度を持つ両腕,それぞれ二自由度を持つ両眼,二つの耳,およびトルソからなる軽量(8[kg]),安価(全体で約80万円),のヒューマノイド「才華」を開発した.2.開発したヒューマノイドに搭載可能な三本指ハンドを開発した.このハンドはコントローラ部を前腕部に内蔵している.指および手掌には87点の接触センサが分布している.指全体で八自由度を持つ.3.開発した三本指ハンドを用いて,手探りによる未知物体の把持実験を行なった.ボール,円錐,直方体,立方体,空き缶などが,接触センサを用いた手探りのみによって安定に把持できることを実験により確認した.4.フィードバック誤差学習を用いて,開発したヒューマノイド「才華」の逆動力学モデルの獲得を行なった.5.開発したヒューマノイド「才華」を用いて,鉛直方向に落下するボールを視覚で検知し,捕球する実験を行なった.また,この手法を拡張し,人間が放ったボールを検知し,ボールの軌道を予測し,捕球する実験にも成功した.6.バウンドするボールを視覚で検知し,そのボールを鉛直下方に打ちつける実験に成功した.今後ドリブル動作に発展させる予定である.
軟らかい食物が小太り糖尿病をまねく機序とその分子機構の解明

普通食を水で軟らかくした軟食を1日3時間の制限給餌で飼育されたラットは、耐糖能異常、インスリン抵抗性、脂質代謝異常を呈することを明らかにした。組織学的検討では、膵ラ氏島の過形成に加え、β細胞でのKi67免疫活性細胞が増加しており、細胞再生の亢進が示唆された。また、肝臓でのインスリンシグナル伝達分子の活性が低下するとともに、高血糖や高インスリン血症により活性化する脂肪蓄積因子の発現が増加していた。これらの結果から、軟食を早食いさせたラットは、顕著な肥満を伴わない糖尿病モデルとなることが明らかになった。軟食ラットの代謝特性について検討した。軟食ラットと固形食ラットとの間に、エネルギー摂取や体重差は認めず、エネルギー消費についても、明らかな差を認めなかった。また、満腹シグナルとして機能する消化管ホルモン分泌動態にも両群間で優位な差を認めなかった。一方、消化管からの食物排泄スピードは、軟食ラットの方が優位に早く、食後高血糖の遷延化や高インスリン血症などインスリン抵抗性を認めた。肝臓でのインスリンシグナル分子の発現や活性化は低下しており、糖質の吸収の速さが、耐糖能障害やインスリン抵抗性に寄与している可能性が考えられた。1日3時間の制限給餌で軟食を与えたラットでは、固形食ラットに比べ、エネルギー摂取、体重、エネルギー消費に明らかな差を認めないものの、耐糖能障害やインスリン抵抗性が認められた。肝臓でのインスリンシグナル伝達分子を検討したところ、軟食ラットは固形食ラットに比べ、同伝達分子の発現が有意に低下していた。一方で、脂質合成に関与する因子は有意に増加しており、高血糖の持続や高インスリン血症がde novo lipogenesisを引き起こしている可能性が示唆された。また、膵ラ氏島の肥大化や細胞増殖マーカーであるKi67の発現亢進を認めた。これらの結果から、消化管からの糖質の吸収と膵臓のインスリン分泌に関連する臓器間クロストーク物質の存在が示唆された。軟食を制限給餌(3時間)でラットに与えることで、肥満を伴わない糖尿病モデルラットを作出することに成功した。同ラットの体重、エネルギー摂取量、酸素消費や行動量などのエネルギー消費量、またPYY、GLP-1、CCKといった消化管ホルモン動態は、対象ラットと比較して有意な差を認めなかった。一方、この軟食ラットでは、耐糖能障害、インスリン抵抗性に加え、消化管での糖質吸収に機能するトランスポーターの発現増加、食物吸収速度の亢進および膵ラ氏島の過形成や細胞再生マーカーであるKi67の発現亢進が認められた。これらの結果から、軟らかい食物の糖質吸収効率がラ氏島の過形成に関与していることが示唆された。さらに同ラットでは、肝臓でのインスリン受容体の発現やAktのリン酸化などインスリンシグナル伝達因子の発現が減少していること、また、肝臓の組織学的検討から脂肪肝を呈していることも明らかになった。脂質代謝に関与する分子機構を検討したところ、高インスリン血症や高グルコース血症により増加することが知られている肝臓での脂質合成関連因子;SREBPやChREBPの発現がタンパクレベルで増加しており、脂肪蓄積に働く下流因子が活性化されていることも明らかになった。さらに、肝臓および血液中で特異的に発現するmicroRNAを検討したところmicroRNA33の発現が増加していることも明らかになった。本研究は、食事の組成は同じであっても、その性状が変わることが、糖尿病発症要因の一つとなる可能性を初めて示したもので、今後は、中枢も含めたメカニズムの解明を目指した研究へと展開していきたい。ラットに軟食を短時間与えることにより、耐糖能障害やインスリン抵抗性を引き起こすことを明らかにすることができた。分子レベルでは、肝臓でのIRS2タンパク発現やAktリン酸化の低下が認められ、また、高インスリン血症に伴いde novo lipogenesisに関与する転写因子SREBP1やChREBPのタンパク発現は有意に増加、ACCのリン酸化低下に伴うFasnの増加、肝臓での中性脂肪含量の増加も明らかになった。明らかな過食・肥満を伴わない糖尿病のバイオマーカーに関しては、軟食ラットの肝臓や血中で、SREBPの制御に関連があると言われているmiR-33が上昇しており、候補の一つと考えている。内分泌学・代謝学これまでの研究成果から、軟食で飼育したラットは、明らかな過食・肥満を伴わない耐糖能障害モデル動物と考えることができ、アジア型の糖尿病患者に類似している。今後、軟食給餌が消化管からの糖の吸収およびラ氏島過形成やインスリン分泌亢進にどのような機序で関与しているかについて検討する。軟食摂取による耐糖能障害およびインスリン抵抗について、インスリンシグナル解析から、分子レベルでの異常を明らかにすることができた。また、インスリンシグナルの異常が、de novo lipogenesisに関与するACCやFasnといった分子の発現にも関与していることも判明した。

膵臓の組織学的検討からは、膵ラ氏島の肥大化および細胞周期の亢進の所見も得られた。軟食ラットの表現型については、マウスを使った実験でも再現できており、耐糖能異常やインスリン抵抗性およびde novo lipogenesisに関する検討を進めるとともに、過食・肥満を伴わないバイオマーカーの探索へとつなげていく。これまでの研究成果を受けて、消化管での糖質吸収に関わるトランスポーター等の発現を検討する必要が生じたため。平成25年度の研究成果から、軟食で飼育したラットは、過食・肥満を伴わない糖尿病モデル動物と考えることができる。消化管からの吸収速度が消化管上皮の分子メカニズムにどのような影響を及ぼしているかについて検討することで、軟食摂取により引き起こされる耐糖能異常やde novo lipogenesisの要因を明らかにする。また、肥満のない糖尿病の早期診断に有用な血中バイオマーカーの検出をマイクロRNAに焦点を当てて進める。定量PCRおよびタンパク定量のための消耗品462千円H25年度の予備実験により、マイクロRNAがバイオマーカーの候補となることが分かった。マイクロRNA検出キットの購入のため、H26年度に使用額が生じた。マイクロRNA検出キット500千円
カルボニル化合物とカチオンとの錯形成を利用する光化学反応の制御

本研究では,カルボニル化合物の励起状態とカチオン,ルイス酸,プロトン酸との相互作用(錯形成)の全容の解明およびその錯形成を利用する光化学反応の制御の可能性を検討し,次の知見を得た。1.ケイ光スペクトルにおいて,種々のカルボニル化合物の励起一重項状態とカチオン,ルイス酸,プロトン酸との相互作用が認められた。カチオンとの錯形成では1:1および1:2錯体の形成が認められたが,ルイス酸およびプロトン酸との相互作用の場合には1:1錯体の形成だけが認められた。ケイ光スペクトル変化より求めた錯会合定数の値より,カチオン,ルイス酸,プロトン酸の順で相互作用が強くなっていると考えられる。また,いずれの場合も,基底状態における相互作用はほとんど認められなかった。2.溶媒効果やカチオンの種類の影響などの実験結果より,この錯形成は励起一重項状態のカルボニル基へのカチオンの配位に関係していると考えられる。ルイス酸やプロトン酸の場合にも類似の錯形成が進行していると考えられる。3.カチオンとの錯形成は,芳香族カルボニル化合物の励起一重項状態から進行する二重化反応の量子収率を非常に低下させ,また,励起一重項状態すら進行するアルケンの芳香族イミドC-N結合への挿入反応を強く抑制した。さらに,光電子移動型の反応において特に顕著な錯形成の効果が観測されることが明らかになった。これらの系では,カチオンとの錯形成がカルボニル化合物の励起一重項状態の寿命を増加させ,その結果,電子移動反応が促進されたと考えられる。以上の結果より,カチオンとの錯形成は,光化学反応を制御する有効な手法となりうると考えられる。さらに,ルイス酸やプロトン酸との錯形成も光化学反応の制御に有効であることが明らかになった。本年度は主にカルボニル化合物とカチオンとの相互作用(錯形成)の全容の解明を計画した。それに関して次の知見が得られた。1.UV,NMR,IRスペクトルの測定より,基底状態における芳香族イミド化合物とカチオンとの相互作用はほとんど認められなかった。2.ケイ光スペクトルの測定より,カチオンとの相互作用は芳香族イミド化合物の励起一重項状態で起こっていると考えられる。またその際,カチオンの濃度を増すにつれ,まず第一の等発光点を示すスペクトル変化が観測され,さらにカチオンの濃度を増すと,第二の等発光点を示す変化が観測された。これらの変化はそれぞれ1:1,および1:2錯体の形式過程を示していると考えられる。1:1錯体の形成過程のスペクトル変化より錯会合定数Kの値を決定することができた。他のカルボニル化合物についてもカチオンとの錯形成がかなり広範に認められた。3.励起状態のイミド化合物とカチオンとの相互作用に対するカチオンの種類の影響を検討したところ,Li^+,Mg^<2+>はほぼ同等の強い効果を示すのに対して,Na^+では相互作用がかなり弱く,さらにK^+ではほとんど相互作用が認められないことが明らかになった。この結果は錯形成能がカチオンのイオン半径に関係していることを示していると考えられる。4.溶媒のアセトニトリルに水を添加したり,メタノ-ルを溶媒として用いるとKの値は大きく減少し,プロトン性溶媒が錯形成を特に阻害すると考えられる。5.溶媒効果やカチオンの種類の影響などの実験結果より,この錯形成反応はカルボニル基へのカチオンの配位に関係していると考えられ,カチオン以外にルイス酸の場合にも同様な錯形成が期待された。

そこで,種々のルイス酸の錯形成を検討したところ,期待通りカチオンの場合以上に強い錯形成が認められた。平成3年度は,カチオン,ルイス酸との錯体が種々のカルボニル化合物の光化学反応に及ぼす芳香族イミド化合物とルイス酸との錯形成の解明を予定していたが,それに関して以下の知見が得られた。1.カチオンとの錯形成は,ある種の芳香族カルボニル化合物の励起ー重項状態から進行する二量化反応の量子収率を非常に低下させ,また,芳香族カルボニル化合物の励起ー重項状態から進行するアルケンのイミドCーN結合への挿入反応を強く抑制することが明らかになった。2.ケイ光スペクトルの測定より,ルイス酸との相互作用はカチオンの場合と同様に方香族イミド化合物の励起ー重項状態で起こっていると考えられる。またその際,ルイス酸の濃度を増すにつれ,一つの等発光点を示すスペクトル変化だけが観測され,この変化は1:1錯体の形成過程に対応すると考えられる。なお,基底状態におけるカルボニル化合物とルイス酸との相互作用は全く認められなかった。3.ルイス酸との錯形成は,芳香族カルボニル化合物の励起三重項状態から進行するアルケンとのシクロブタン生成反応を抑制することが明らかになった。4.メタノ-ルや酢酸エチルなどルイス酸に配位可能と考えられる溶媒を用いるとカルボニ化合物とルイス酸との錯会合定数Kの値の低下が見られたが,クロロホルムや塩化メチレンズでは大きなKの値が観測された。また,溶媒のアセトニトリルに水を小量添加するとKの値が大きく増加することが明らかになった。この効果は非常に興味深いものであるが,おそらくルイス酸と水との反応で生じたプロトン酸が錯形成を起こしているためであると考えられる。そこで,硫酸など種々のプロトン酸による錯形成を検討したところ,期待通りカチオンやルイス酸の場合以上に強い錯形成が認められた。平成4年度は,カチオンやルイス酸との錯形成による光反応の制御が有効に行える系の検討,カルボニル化合物とプロトン酸との相互作用の解明を予定していたが,それに関して以下の知見が得られた。1.種々の系において,カチオンとの錯形成が光反応に及ぼす影響を検討したところ,芳香族イミド化合物とベンジルシランとの光反応のような光電子移動型の反応において特に顕著な錯形成の効果が観測されることが明らかになった。これらの系では,カチオンとの錯形成が電子移動反応を促進していると考えられる。また,これらの系では,電子供与体によるケイ光消光の際,カチオンの添加により,Stern-Volmerプロットの傾きの増大が認められ,錯形成による励起ー重項状能の寿命の増大が光電子移動反応の促進の原因であると考えられる。2.ケイ光スペクトルにおいて,芳香族イミド化合物と硫酸などのプロトン酸との励起ー重項状態での相互作用が認められた。この場合にもルイス酸の場合と同様に,濃度変化に伴い一つの等発光点を示すスペクトル変化だけが観測され,1:1錯体だけが形成されていると考えられる。ケイ光スペクトル変化より求めらた錯会合定数の値は,カチオンやルイス酸を用いた場合より大きな値となり,プロトン酸は,カチオンやルイス酸の場合以上に強い錯形成を行っていると考えられる。なお,基底状態におけるプロトン酸との相互作用は全く認められない。3.プロトン酸との錯形成は,メタノールなど直接プロトン酸と相互作用しうる溶媒中では起こりにくく,アセトニトリル中で最も強い相互作用が認められた。
交通流マルチエージェントシミュレーションと運動量・スカラー拡散CFD技術の融合

統計物理学と都市気候学との新たな融合領域を開拓することを目指し,車両ダイナミクスが都市キャノピー内の運動量,排気ガス等のスカラー拡散に及ぼす影響を高精度に予測評価するために,交通流を自己駆動多粒子系として扱うセルオートマタを基礎とするマルチエージェントシミュレーション(Multi Agent Simulation; MAS)と高精度で時間発展を追跡出来るCFDとして有効なLarge Eddy Simulation(LES)とを有機的に統合した数値予測プラットフォームを構築した.車両ダイナミクスが都市キャノピー内の運動量,排気ガス等のスカラー拡散に及ぼす影響を高精度に予測評価するために,交通流を自己駆動多粒子系として扱うセルオートマタを基礎とするマルチエージェントシミュレーション(Multi Agent Simulation; MAS)と高精度で時間発展を追跡出来るCFDとして有効なLarge Eddy Simulation(LES)とを有機的に統合した数値予測プラットフォームを構築し,統計物理学と都市気候学との新たな融合領域を開拓する.具体的に,本研究では,現下,異なる学術分野の前線で夫々,研究が進展している2つの予測評価体系を有機的に統合した新たな数値予測プラットフォームを構築することを目指している.乱流効果が卓越する都市キャノピー内の流れ場をオイラー(マクロ)的視点からモデル化しているLESと交通流をラグランジュ(ミクロ)的視点からモデル化しているCAについて,時間スケールの整合性を考慮しながらall-in-oneの予測評価フレームを理論構成する.開発した枠組みを現実問題に適用し,都市キャノピー内の局所的空気環境悪化に関する科学的知見を蓄積する.初年度であるH27年度においては,基盤となる交通流ダイナミクスモデルとして現実交通流の再現性が証されているRevised Stochastic-NFSモデルとCFD側のLES(Large Eddy Simulation)モデルを接合するプロトコルの構築を行った.本研究では2年の研究期間において,当初計画時から初年度はプロトタイプモデルのテンプレート構築,最終年度である2年目はモデルの完成と系統的数値実験を予定,もって,(1)都市キャノピー内外のdispersion予測のLESにRevised S-FNS ModelによるCAをカップリングした数値予測プラットフォームの理論構成;CAモデルによる交通流動の高精度・高時間分解能予測フレームをカスケード上部に配置し,個々の車両粒子(エージェント)の時空間情報をone-wayでLESによる都市キャノピー内外の運動量・熱・スカラー拡散予測体系にカップリングするプラットフォームを構築する.その際,1秒程度の前者の時間スケールは後者のそれに比すと大きいので,時空間出力を滑らかに内挿補完するアルゴリズムを差し込む必要がある.結果をvisualとしてのアニメーション出力に対応するようなGUIインターフェイスを併せて開発する.(2)車線変更,右左折など都市内の交通流のデテールが都市キャノピー内の局所的空気質に付与する影響の定量化;予測評価プラットフォームを適用して,ドライバーの運転戦略,車両特性の違いが都市キャノピー内の局所的空気質にどのように提供するかを系統的数値実験により解明し,空室悪化対策に資する社会的方策を提示する.を達成する目途であり,大略そのように進捗した.統計物理学と都市気候学との新たな融合領域を開拓することを目指し,車両ダイナミクスが都市キャノピー内の運動量,排気ガス等のスカラー拡散に及ぼす影響を高精度に予測評価するために,交通流を自己駆動多粒子系として扱うセルオートマタを基礎とするマルチエージェントシミュレーション(Multi Agent Simulation; MAS)と高精度で時間発展を追跡出来るCFDとして有効なLarge Eddy Simulation(LES)とを有機的に統合した数値予測プラットフォームを構築した.構築したMAS⇒CFD統合モデルでは,車両セルオートマタには,前方見通しや慣性,ランダムブレーキ等ドライバーの確率的揺らぎを含む動特性再現性に優れているRevised S-NFSモデルを適用,LESには標準Smagorinskyモデルをsubgridスケールに適用した枠組みを用い,両モデルの103オーダーで異なる時間スケールを内挿補間した.大規模な系統的数値実験を行い,その解析の結果,都市キャノピー内で車両によるシアー生成が排気ガス起源の汚染物質を乱流拡散する特性が再現された.また,その特性は交通密度により自由相か渋滞相か,さらに渋滞相でもいわゆるstop-and-go波から開放されるフェーズか,巻き込まれるフェーズかで非常に異なる.以上により,車両の流動によるシアー生成でおきる乱流混合が,都市キャノピー内の汚染物拡散に与える影響を定量的に評価するプラットフォームが構築できた.統計物理学と都市気候学との新たな融合領域を開拓することを目指し,車両ダイナミクスが都市キャノピー内の運動量,排気ガス等のスカラー拡散に及ぼす影響を高精度に予測評価するために,交通流を自己駆動多粒子系として扱うセルオートマタを基礎とするマルチエージェントシミュレーション(Multi Agent Simulation; MAS)と高精度で時間発展を追跡出来るCFDとして有効なLarge Eddy Simulation(LES)とを有機的に統合した数値予測プラットフォームを構築した.構築した数値予測評価プラットフォームを適用して,以下の観点からスーパーコンピュータを用いた,系統的大規模数値実験を行う.交通密度が都市キャノピー内の局所的汚染物質濃度に及ぼす影響;交通流動は密度により自由相,メタ安定相,高密度相,渋滞相へと相転移し,密度に応じて交通流量(フラックス)と速度は一部で不連続,不可逆的に転位することが知られている.密度を変えることは,流動状態すなわち車両の速度を変え,ひいては車両の加減速度を変えることを通じて,各車両からの汚染物質放散フラックスに大きな影響を付与する.この両者が不可分に影響して都市キャノピー内の局所的濃度の上昇をもたらす.都市キャノピーの幾何形状を変えながら,淀み点における最大汚染物質濃度の特性を詳細に解析する.