hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
溶液内化学反応やアモルファス材料のダイナミクスへ向けた大規模量子化学計算法の開発

密度汎関数強束縛法は密度汎関数理論に基づいているため、その理論の大きな問題である自己相互作用誤差も引き継いでいる。この誤差の為、占有軌道と仮想軌道のエネルギーギャップが過小評価されてしまい、占有軌道から仮想軌道への電荷移動が不自然に起こる・正しくない電子状態が得られてしまうという問題がある。具体的には、電荷を持つ系、特にプラス電荷とマイナス電荷を離れた位置に有する系(いわゆる、両性イオン)は、ギャップがほぼ無くなり、金属的な振る舞いを示してしまう。この問題が起きる系の重要な例はたんぱく質であり、本研究の生体系への応用に大きな問題がある。一般的に、長距離補正を導入することでこの問題が解消され、両性イオン性を含む系の電子状態を正しく計算することができる。そこで今年度の研究では、この補正を入れた長距離補正密度汎関数強束縛法をフラグメント分子軌道法と組み合わせ、エネルギーとその解析的勾配を開発し、GAMESSへ実装した。系の規模に応じて計算量がどの程度増加していくかを検証し、二体・三体展開でも計算コストがほぼリニアに増加する事を実証し、巨大系の計算に適していることを明らかにした。密度汎関数理論と密度汎関数強束縛法を用いて陽イオンを三つ・陰イオンを二つ持つたんぱく質の計算を行い、長距離補正の導入によりギャップの問題が無くなる事を明らかにした。さらに、超高速な密度汎関数強束縛法は密度汎関数理論の電子構造をよく再現する事も実証した。また、たんぱく質の残基間の相互作用は、密度汎関数強束縛法と密度汎関数理論で得られた結果は高い相関を示しており、絶対値もよく再現する結果であると分かった。開発した手法を水和中たんぱく質の分子動力学シミュレーションに応用し、異性体の安定性を議論した。また、イオン液体の集合体の最安定構造を系統的に探索し、イオン液体の結合エネルギーを計算した。本研究ではフラグメント分子軌道(FMO)法と密度汎関数強束縛(DFTB)法を組み合わせたFMO-DFTB法を基にして、大規模分子動力学シミュレーションを行い、動径分布関数を予測する等の応用計算を通じて、様々な系への応用に向けた土台を完成させることを目標としていた。今年度の研究では、計画通りにself-consistent Z-vector方程式をFMO-DFTB法へ適用できる形に導出し、プログラムに実装した。これにより、完全に解析的な勾配を計算することに成功し、大規模分子動力学シミュレーションが可能になった。また、FMO-DFTB法を用いてハロゲン化水素の動径分布関数を理論的に予測し、実験の結果と比較を行った。用いるDFTB法のレベルや分散項補正により結果が変わってしまうものの、おおむね実験と良い相関を示すことがわかり、今後の応用計算へ向けての土台が完成しつつあると言える。これらの結果を論文にて誌上発表を行い、学会発表を行った。連続誘電体モデル(PCM)を組み合わせた場合の解析的勾配に関しても導出・実装を行い、溶媒中における電子状態の計算が可能になった。研究を進める上で、更なる精度の向上が必要であると判明したため、三体展開法(FMO3-DFTB法)の開発を行い、従来の二体展開法より精度が高いと実証した。ここで開発したFMO3-DFTB法を用いて、ナトリウムカチオン周りの水分子の動径分布関数を理論的に予測し、実験や他の理論的手法により予測された配位数との比較を行った。本研究で新しく開発したFMO3-DFTB法が予測する配位数は、過去に実験や理論的に予測された値と良い一致を示しており、高い精度を得るために三体効果が重要であることを示していると言える。さらに、FMO-DFTB法の解析的二次微分計算を可能にした。研究計画では、初年度にself-consistent Z-vector方程式を導出・実装を行うことを目指していた。その理論開発とプログラムへの実装を終えて、解析的勾配の精度を明確にした。これにより、従来大きな問題となってきた勾配に関する精度の問題を解決したと言える。また、解析的勾配を分子動力学シミュレーションでも用いることができるようにした。これらの理論開発により、本研究に必要な基礎を築き終えたと言える。研究結果を論文と学会にて発表を行った。また、来年度以降の研究例として挙げた「動径分布関数の予測」に関しても、すでに二つの系を用いて完遂しており誌上発表まで行っている。そればかりでなく、FMO-DFTB法の実用性をさらに広げる為、連続誘電体を用いて溶媒効果の取り入れた、FMO-DFTB/PCM法での解析的勾配と、三体効果の取り入れ(FMO3-DFTB法)も果たしており、来年度以降の研究もスムーズに進行できる可能性が高い。さらに、静的な化学反応を取り扱う可能性を考慮し、FMO-DFTB法を用いての解析的二次微分計算を可能にした。来年度以降に得られると考えられる動的な化学反応の結果と比較することで、より化学反応を動的に取り扱う必要性を強調できるようになると考えられる。以上を踏まえ、現在までの進捗状況は、順調に進行していると言って良い。社会に寄与する為、既に一部の開発した計算手法をGAMESSの中で公開した。本研究では、フラグメント分子軌道法(FMO)と密度汎関数強束縛(DFTB)法を組み合わせ、分子動力学(MD)シミュレーションを行うことを目標としてきた。今年度の研究計画では、FMO-DFTB/MD法の応用例として、ハロゲン化水素(HF, HCl, HBr, HI)の動径分布関数を、FMO-DFTB/MDにより予測する事を目指した。

ハロゲン化水素の2,000原子から成る分子集合体を生成し、FMO-DFTB/MDにより量子化学分子動力学シミュレーションを100ピコ秒行い、動径分布関数を実験と比較した。この計算は、通常のDFTBを用いた計算より約1000倍高速だった。また、FMO-DFTB/MDを用いて、熱揺らぎの解析法を開発した。この解析法では、フラグメントエネルギーとその相互作用エネルギーの平均値と揺らぎを算出し、フラグメントの分極や溶媒エネルギーへの温度効果を取り込む事が出来る。動的な効果が重要な現象を解明するには、不可欠な解析法である。従来のハートリー・フォック法や二次の摂動論に基づいた相互作用エネルギー分割解析法(PIEDA)を密度汎関数理論とDFTBへ拡張し、DFTBによるフラグメント間相互作用を、静電、非静電、電荷移動、分散力、溶媒遮蔽へと分割することを可能にし、将来の創薬等の応用の基礎を築いた。さらに、FMO-DFTBの応用範囲を拡大することを目指し、ナノ材料系の分割に優れた適応固定軌道(AFO)法をFMO-DFTBと組み合わせ、環状窒化ホウ素のやナノシリコンの計算へと応用した。構造最適化した分子構造を他の計算結果や実験とも比較した。約8000原子の環状窒化ホウ素の計算はFMOによって約400倍速くなると実測した。FMO-DFTB/AFO/MDの高速度を活かして、約百万原子系の動力学シミュレーションに成功した。計画していた方法論の開発として、解析的勾配に必要なSCZV法を開発し、巨大分子系へ適用可能な量子化学分子動力学シミュレーションを実用化した。また、その結果から分かり易い物理学的な描像を生み出す手法として、相互作用解析法と熱揺らぎの解析法を開発した。蛋白質と分子集合体に限らず、ナノ材料系に応用出来るよう、FMO-DFTB/AFO法を開発した。分子動力学シミュレーションの効率を上げる為、時間の刻みを大きくすることができるRATTLE法をFMO/MDと合わせた。さらに、今までFMO/MDの大きい問題となっていた原子数の制限を取り除き、巨大系のMDを可能にした。その実例として、約百万原子系の分子動力学シミュレーションに成功した。以上を踏まえ、現在までの進捗状況は、順調に進行していると言って良い。密度汎関数強束縛法は密度汎関数理論に基づいているため、その理論の大きな問題である自己相互作用誤差も引き継いでいる。この誤差の為、占有軌道と仮想軌道のエネルギーギャップが過小評価されてしまい、占有軌道から仮想軌道への電荷移動が不自然に起こる・正しくない電子状態が得られてしまうという問題がある。具体的には、電荷を持つ系、特にプラス電荷とマイナス電荷を離れた位置に有する系(いわゆる、両性イオン)は、ギャップがほぼ無くなり、金属的な振る舞いを示してしまう。この問題が起きる系の重要な例はたんぱく質であり、本研究の生体系への応用に大きな問題がある。一般的に、長距離補正を導入することでこの問題が解消され、両性イオン性を含む系の電子状態を正しく計算することができる。
有効視野測定による高齢者運転適性評価法の開発

高齢者が起こす交通事故は増加しており社会的な問題である。本研究の目的はその実態を掴み、運転適性を調べる方法を開発することである。そこで75歳以上の免許保有者への実態調査を行った。認知機能の低下者は全体の一割だったが、生活が不便になるので免許の返納を望まなかった。次に高齢者の運転適性を調べるVFIT-EVを65歳以上の者20名に実施し、良好な信頼性を得た。また妥当性検証のため、65歳以上の者20名に自動車教習所内のコースを走行させ、採点結果と比較し良好な相関が認められた。最後に高齢タクシー運転者13名を対象に事故歴など運転状況とVFIT-EV成績を比較したが、その相関は認められなかった。本研究の目的は高齢者の移動の自由を保障するため、有効視野測定法を用いた簡便な運転適性評価システムを実用化することである。今年度は我々が開発した有効視野測定ソフトウェア高齢者版(以下VFIT-EVと略す)の妥当性を示した原著論文が学術誌作業療法6月号に掲載された。また、さらなる妥当性の検証を目指し高齢プロドライバーの被験者を10名追加して再度解析したが、有効視野サイズと事故経験は直接関係が認められなかった。しかし、高齢プロドライバーの中でも60代の者はVFIT-EVのFalse Alarm(前頭葉機能の低下を示すと考えられる指標)が有意に多く、プロドライバーでも前期高齢者と後期高齢者では事故につながる認知機能要因が違う可能性が示唆された。これは2013年6月の日本作業療法学会で発表し、その後論文化する計画である。また、現在2カ所の医療現場でVFIT-EVは用いられているが、さらに使いやすくするため、今年度は20名の健常被験者で標準値を得た。こちらについては2013年9月の日本応用心理学会で発表する予定である。また、VFIT-EVのタブレットPC版開発を日本工業大学情報工学科に依頼した。こちらは現在テスト段階であり、数度の修正を経て次年度中に運用できることを目指している。また、高齢プロドライバー約250名に運転に関する自己認識と認知機能に関する調査を実施し、現在解析中である。その他、本研究と関連の深い高齢者講習に関する研究を警察庁交通局の協力を得て行い、日本老年医学会学術集会および、国際神経心理学会、国際老年精神医学会でポスター発表した。またADED Annual Conference and Exhibits(米国運転リハビリ学会)に参加し、最新の運転リハビリテーション事情を知ることが出来た。こちらについては次年度の学会のポスター演題に応募し、採択された。今年度は我々が開発した有効視野測定ソフトウェアおよびその高齢者版(以下VFIT:ブイフィットと略す:昨年実車評価との関連性を原著採択済)の信頼性を確認するため若年者、および高齢者の再テスト信頼性を約40名に実施し良好な結果を得た。また高齢者の有効視野とMMSEなどの認知機能スクリーニングには殆ど関係がなく、現状の記憶検査を中心とした高齢運転者対策は妥当でない可能性が示唆された為、その一部をInternational Psycogeriatoricsに投稿予定である。VFITは本学以外に2施設のみで活用されていたが、本年よりさらにリハビリ専門センター、大学病院および大学工学部でテスト使用中である。また、このVFITを検査だけでなく、トレーニング機器として活用するためには、使い勝手の改善が必要と考えタブレットPC版を開発した。従来版VFITとタブレットPC版はディスプレイのサイズが違うため、実施課題に工夫を行い、良好な従来版との併存妥当性、再テスト信頼性を若年者20名以上で得た。これを同様に高齢者15名で実施した結果、良好な感触であり今後対象者を増やし、いずれも自動車技術会および日本高次脳機能障害学会などで発表、論文化する計画である。また、本研究と関連の深い免許更新時の高齢者講習に関する研究をADED(米国運転リハビリ学会)でポスター発表した。これについては関係省庁と共同研究について協議し、次年度にデータの提供を受け、さらに進めた共同研究を行う計画である。またタブレットPCのような小型のディスプレイで疑似的に運転に必要な有効視野を測定する工夫を発見したため、新規特許出願を行い受理された。また、本研究に注目した高速道路関連会社との共同研究も次年度から開始する。今年度は研究代表者が開発した有効視野測定ソフトウェアVFIT-EVの改良と運転行動質問紙高齢者版を作成する計画であった。

しかし連携研究者や臨床家などとディスカッションを行った結果、現在のハードウェア(WindowsPC)からiPadに変更した方が平成25年に計画している臨床現場での試用が円滑に進むであろうという結論に至り、ソフトウェア開発を次年度にして24年度に行う計画であったVFIT-EV改良版の信頼性、妥当性の検証を前倒しして実施した。この研究は近隣のタクシー会社との共同研究として実施した。研究対象は高齢プロドライバー(タクシー乗務員)20名であり、机上で可能な認知機能検査、VFIT-EVなどを実施した。妥当性を評価する変数としてタクシー会社から運行記録、事故時のドライブレコーダの動画データの提供を受け分析を行った。その結果、乗務員の20%には認知症のスクリーニング検査で認知症の疑いが認められた。しかしスクリーニング検査の成績と事故経験には直接の関係は認められなかった。また事故のタイプにもよるが、ドライビングレコーダで明らかに不注意が認められるケースでは注意機能の低下または精神的に余裕が無い可能性が示唆された。また昨年度に本研究の準備として行った認知機能検査、有効視野検査と実車評価(教習所検定員による運転能力の成績)の関係にかかわる論文をまとめ、学術誌「作業療法」に投稿し、原著論文として採択された。本研究の目的を達成するにはまず、1)VFITソフトウェアを多忙な臨床現場で簡単に使用できるようにソフトウェア、ハードウェア、実施方法などを含めて改良すること。2)VFITソフトウェアの健常者における年齢別平均値など標準的なデータおよび患者データを増やして、信頼性を向上すること。3)VFITソフトウェアの妥当性を現在の実車評価データのみでなく、事故経験やさらには暴露度(走行距離)を考慮したデータでの妥当性を検証すること。等が求められる。以上のうち1)は次年度中にタブレット版も稼働すれば達成される。2)については今年度でデータを得たため、次年度に発表することで達成される。3)についても昨年度データを得たため、次年度に論文投稿できる。それゆえ本研究の目的は最終年度に全て達成できる。等が求められる。今回助成を受けている平成25年度までの目標は主に、1)および2)であるが、このうちVFITソフトウェアの改良は実績概要で説明したとおり平成24年度に行うことと変更した。しかし、2)および3)の一部を平成22年度にタクシー乗務員で実施出来たため、全体を見ると概ね順調に推移している。本研究を今後さらに推進する為には、若年者(20代50代)の脳損傷などの障害者での応用をどのようにするかが課題である。
細胞外糖鎖による神経細胞極性の制御機構

本研究は胎生期の脳に豊富に存在するコンドロイチン硫酸(CS)プロテオグリカンが神経細胞の移動と極性形成を制御する細胞外環境を作り出すという仮説のもとに行った。その結果、マウス胎仔の大脳皮質においては、脳室帯と中間帯に4-硫酸化CSが局在しており、4-硫酸化CSの低下によって神経細胞が皮質板まで到達できず中間帯に留まることが分かった。神経細胞移動に必要な4-硫酸化CSの担体となるプロテオグリカンはneurocanであり、neurocanを含む細胞外マトリクス分子複合体は双極性神経細胞の先導突起周辺に集積して、神経細胞の移動と極性形成に必要な細胞外環境を形成することが示された。中枢神経系の損傷時に分泌されるコンドロイチン硫酸プロテオグリカン(CSPG)は、軸索の再生を強く阻害する。しかし、CSPGは胎生期の脳にも高発現しており、神経細胞への影響は阻害作用に限らないと考えられる。本研究では、胎生期の大脳皮質において、脳室帯と中間帯には4-硫酸化CSが、皮質板には非硫酸型CSが局在していることを見出した。また、4-硫酸化CSの局在はコンドロイチン4-O-硫酸基転移酵素1 (C4ST-1)の発現パターンと相関があり、C4ST-1は脳室帯と中間帯では強く発現するが、神経細胞が皮質板に到達すると発現が低下することが分かった。そこで、C4ST-1の発現を低下させたところ、神経細胞が皮質板まで到達できず中間帯に留まることが分かった。正常な神経細胞は皮質板へ移動する際に、多極性から双極性へ形態変化するが、4-硫酸化CS発現低下細胞は多極性の形態を保っていた。分散培養した神経細胞においても、4-硫酸化CSは神経細胞の極性形成に必要であり、培地中にCS分解酵素を加えることで突起伸長が阻害された。さらに、4-硫酸化CSの担体タンパク質として、胎生期の脳に一過的に発現するCSPGであるneurocanを同定した。C4ST-1の発現低下と同様に、neurocan発現抑制によっても、神経細胞移動と形態変化が阻害された。これらの結果から、中間帯を移動中の未熟な神経細胞は、4-硫酸化CS鎖を持つneurocanを発現しており、それによってつくられる微小環境は、神経細胞の極性形成と正常な大脳皮質の発生に必要であることが示された。4-硫酸化CSのコアタンパク質としてneurocanを同定することができた。さらに、neurocanの相互作用分子の同定にも成功したため、これらの分子の機能解析が可能になった。中枢神経系の損傷時に分泌されるコンドロイチン硫酸(CS)プロテオグリカンは、軸索の再生を強く阻害する。しかし、CSプロテオグリカンは胎生期の脳にも高発現しており、神経細胞への影響は阻害作用に限らないと考えられる。そこで、胎生期の大脳皮質において、CSプロテオグリカンが神経細胞の移動と極性形成を制御する細胞外環境を作り出すという仮説を立て研究を行った。前年度までに、1)胎仔大脳皮質の脳室帯と中間帯には4-硫酸化CSが、一方、皮質板には非硫酸型CSが局在していること。2) 4-硫酸化CSを合成するコンドロイチン4-O-硫酸基転移酵素1 (C4ST-1)の発現を低下により、神経細胞が皮質板まで到達できず中間帯に留まること。3)神経細胞移動に必要な4-硫酸化CSの担体となるプロテオグリカンはneurocanであり、neurocan発現抑制によっても、神経細胞移動と形態変化が阻害されることを見出した。本年度は、neurocan上のCSの機能を調べるため、7箇所のCS付加部位を変異させたneurocanを培養細胞で発現させる実験系を構築した。これを用いた解析から、neurocanが細胞外に分泌されるためにはCSによる修飾が必要であることが分かった。次に、neurocanと相互作用する分子の同定を試みた。免疫沈降法と質量分析を組合せた解析の結果、neurocanと結合する分子の同定に成功した。また、この相互作用に、neurocan上のCSは必要ではなかった。このneurocanと相互作用する分子は神経幹細胞に選択的に発現するが、neurocan自身は主に移動中の神経細胞に発現していた。免疫組織染色の結果、neurocanを含む細胞外マトリクス分子複合体は双極性神経細胞の先導突起周辺に集積しており、これが神経細胞の移動と極性形成に必要な細胞外環境を形成することが示された。neurocanと相互作用する分子の同定に成功したことで、神経細胞移動に必要な細胞外環境を形成する分子実体の解明に近づいた。哺乳類の大脳皮質が有する秩序だった層構造は、発生期に神経幹細胞から分化した神経細胞が、脳表層まで放射状に移動することで形成される。しかし、この過程における細胞外マトリクス分子の関与はよく分かっていない。損傷時に分泌されるコンドロイチン硫酸(CS)プロテオグリカンは、軸索の再生を強く阻害する。前年度までに、中枢神経系に特異的なCSプロテオグリカンであるneurocanが神経細胞移動に関与することを明らかにした。本年度はneurocanが結合する細胞外マトリクス分子として、ヒアルロン酸に着目し研究を行った。

発達段階におけるマウス脳の生化学的な解析から、生後脳に比べ、胎生期の脳にはヒアルロン酸量が多いこと、また、胎生後期から生後初期の一定期間にのみ、比較的短鎖(約200 kDa)のヒアルロン酸が存在することが示された。次に、3種類のヒアルロン酸合成酵素(Has1、2、3)の発現を解析した結果、胎生期から生後直後の大脳皮質には、Has2とHas3が高発現していた。また、移動中の神経細胞において、Has3の発現は神経細胞が脳室帯から中間帯に移動する過程で顕著に増加し、その後、急速に減少した。胎生期の大脳皮質において、ヒアルロン酸は辺縁帯と中間帯上部から皮質板下部に局在しており、これはHas3 mRNAの発現部位と一致していた。詳細な局在解析から、移動中の神経細胞と神経幹細胞が伸ばす放射状線維の接着面にヒアルロン酸が集積することが示された。さらに、Has3の発現抑制によって、神経細胞の移動が遅延することが分かった。以上の結果から、移動中の神経細胞はHas3を一過的に発現することでヒアルロン酸を産生し、神経細胞移動に必要な環境を自らつくり出すことが示唆された。本研究は胎生期の脳に豊富に存在するコンドロイチン硫酸(CS)プロテオグリカンが神経細胞の移動と極性形成を制御する細胞外環境を作り出すという仮説のもとに行った。その結果、マウス胎仔の大脳皮質においては、脳室帯と中間帯に4-硫酸化CSが局在しており、4-硫酸化CSの低下によって神経細胞が皮質板まで到達できず中間帯に留まることが分かった。神経細胞移動に必要な4-硫酸化CSの担体となるプロテオグリカンはneurocanであり、neurocanを含む細胞外マトリクス分子複合体は双極性神経細胞の先導突起周辺に集積して、神経細胞の移動と極性形成に必要な細胞外環境を形成することが示された。これまでに同定したコンドロイチン硫酸プロテオグリカンであるneurocanを中心にして、この分子と相互作用する細胞外マトリクス分子を網羅的に解析する。さらに、それらの分子が神経細胞移動と形態形成に与える影響を検証し、発生期の脳に形成される細胞外微小環境が神経細胞の極性を制御する分子機構を明らかにする。neurocanと相互作用する分子のノックアウトマウスを用いて、neurocanを含む複細胞外マトリクス分子複合体が神経細胞移動を制御する分子機構を明らかにする。糖鎖神経生物学簡易細胞イメージングシステムを購入予定であったが、予算内で購入可能なシステムの性能は十分ではなく、次年度使用額が生じた。当初の予定より消耗品の使用量が少なかったため。予備的な実験条件検討の結果、生細胞イメージングは、申請者が所属する研究科のイメージングシステムによって目的を達成できることが分かった。そこで、次年度使用額は、生細胞イメージングに必要な消耗品と遺伝子導入試薬の購入に充てることで当初の研究計画を遂行する。新たなノックアウトマウスの導入とその維持、機能解析を計画しており、そのために次年度使用額を充てる。
限外濾過法の利用による胆汁酸ミセルの生体内存在様相と機能の解析

胆汁中胆汁酸ミセル構造の概念は従来人工モデル胆汁を利用して議論されているが,今回我々は簡易限外濾過法を利用してヒト胆嚢胆汁と人工モデル胆汁のミセル分子サイズを検討し,下記の成果を得た.1.胆汁中胆汁酸ミセルの生体内存在様相胆汁中胆汁酸が形成するミセルは分子サイズが均一でなく,胆嚢機能が正常な胆嚢胆汁では胆汁酸の2/3が分子量1万以上の大分子型に, 1/6が分子量1万から1千の中分子型に,残る1/6が分子量1千以下の症分子型で混在し,それらは互いに平衡を維持している.またミセル分子サイズは胆汁酸の化学構造,つまり胆汁酸ステロイド骨格の水酸基数と配位,側鎮抱合アミノ酸の種類に影響され,大分子型ミセルは水酸基数が3個より2個, β位よりα位,抱合アミノ酸のカルボキシル基が2個よりも1個の場合に形成されやすい.2.低分子サイズミセルの機能胆汁中リン脂質は常に大分子型ミセルに組込まれて存在し,胆汁酸構成の変化に影響されない.一方,胆汁中コレステロールは主として大分子型ミセルにより溶存され,一部が中小分子型による.したがって低分子サイズミセルのコレステロール溶存作用は補助的役割にとどまる.胆汁中Caの溶存は主として大分子型ミセルよるが,一部は中小分子型も関与する.しかし低分子サイズミセルの役割は稀薄胆汁の際に増大する.3.低分子量イズセルと胆道疾患胆石症での胆嚢胆汁はしばしば稀薄化するため, Ca溶存は低分子量サイズミセルによる比重が増加する.しかしその溶存容量には限度があるため,胆汁中Caは不溶性Ca塩を形成しやすい条件下にあり,胆石石灰化の一要因である.また胆石溶解のCDCA療法とUDCA療法では胆汁中ミセルの分子サイズ分布が異なり,溶解機序は同一ではない.胆汁中胆汁酸ミセル構造の概念は従来人工モデル胆汁を利用して議論されているが,今回我々は簡易限外濾過法を利用してヒト胆嚢胆汁と人工モデル胆汁のミセル分子サイズを検討し,下記の成果を得た.1.胆汁中胆汁酸ミセルの生体内存在様相胆汁中胆汁酸が形成するミセルは分子サイズが均一でなく,胆嚢機能が正常な胆嚢胆汁では胆汁酸の2/3が分子量1万以上の大分子型に, 1/6が分子量1万から1千の中分子型に,残る1/6が分子量1千以下の症分子型で混在し,それらは互いに平衡を維持している.またミセル分子サイズは胆汁酸の化学構造,つまり胆汁酸ステロイド骨格の水酸基数と配位,側鎮抱合アミノ酸の種類に影響され,大分子型ミセルは水酸基数が3個より2個, β位よりα位,抱合アミノ酸のカルボキシル基が2個よりも1個の場合に形成されやすい.2.低分子サイズミセルの機能胆汁中リン脂質は常に大分子型ミセルに組込まれて存在し,胆汁酸構成の変化に影響されない.一方,胆汁中コレステロールは主として大分子型ミセルにより溶存され,一部が中小分子型による.したがって低分子サイズミセルのコレステロール溶存作用は補助的役割にとどまる.胆汁中Caの溶存は主として大分子型ミセルよるが,一部は中小分子型も関与する.しかし低分子サイズミセルの役割は稀薄胆汁の際に増大する.3.低分子量イズセルと胆道疾患胆石症での胆嚢胆汁はしばしば稀薄化するため, Ca溶存は低分子量サイズミセルによる比重が増加する.しかしその溶存容量には限度があるため,胆汁中Caは不溶性Ca塩を形成しやすい条件下にあり,胆石石灰化の一要因である.また胆石溶解のCDCA療法とUDCA療法では胆汁中ミセルの分子サイズ分布が異なり,溶解機序は同一ではない.胆汁中胆汁酸ミセル構造の概念は主として試験管内モデルを利用して議論されているが、生体内における実際の構造が理論通りか否かは保証がない。今回我々は、限外濾過法を利用して、ヒト胆汁ないし人工モデル胆汁を分析し、ミセル分子サイズの分布様相と、従来報告に乏しい低分子量ミセルの機能について検討を加えた。1.胆汁中胆汁酸ミセルの生体内存在様相に関する検討分析に利用した限外濾過法は、正確度や簡便性の上で満足すべきものであり、本研究の目的に適するものであった。ヒト胆嚢胆汁では胆汁酸の約60%が分子量1万以上の大分子量ミセルの構成分であるが、約20%は胆汁酸の二量体ないし単分子体として混在し、その主要構成胆汁酸はコール酸であった。次いで各種人工モデル胆汁を作製してミセル分子サイズを規定する胆汁酸化学構造の特徴を検討した。その結果、ミセル分子サイズは胆汁酸ステロイド骨格の水酸基数と配位、側鎮抱合アミノ酸の種類により影響され、分子量1万以上の大分子ミセルは水酸基数が3個より2個、β位よりα位で、抱合アミノ酸のカルボキシル基は2個より1個の場合に形成されやすいことを明らかにした。2.低分子量サイズミセルの機能に関する検討胆汁中カルシウムは胆汁酸ミセルと結合し、溶存する。現在胆汁中胆汁酸濃度,ミセル構成胆汁酸の種類,ミセル分子サイズなどの諸因子とカルシウム結合様相について検討を進めている。

3.低分子量サイズミセルと胆道疾患の研究胆石症に胆汁酸療法を行った場合、CDCA投与胆汁では大分子ミセル分画が増加し、二量体ないし単分子体分画は有意に減少するが、UDCA投与胆汁ではこの逆現象が認められた。
遺伝子導入による抗癌剤感受性増強及び耐性の検討(癌遺伝子治療について)

癌治療の新しいストラテジーの1つに、プロドラッグを活性化する酵素遺伝子を癌細胞に導入し、選択的に抗腫瘍効果を得るという方法がある。5-FUのプロドラッグであるドキシフルリジンやテガフ-ルは、thymidine phosphorylase(TP)によって5-FUに変換される。本研究では、近年TPと同一の蛋白であることが明らかとなったplatelet-derived endothelial cell growthfactor(PD-ECGF)cDNAをヒト肺腺癌cell lineであるPC-9に導入し、種々の検討を行ってきた。5-FUのプロドラッグであるドキシフルリジンやテガフ-ルは、TPによって5-FUに変換される。そこで、まず、これらプロドラッグに対する感受性の検討を行った。PD-ECGFのトランスフェクタントであるDPE2細胞のドキシフルリジン、テガフ-ルに対する感受性は、野性株のPC-9細胞と比べて、それぞれ167,26倍増強した。また、DPE2細胞を利用して、薬剤活性化遺伝子導入細胞に隣接する非導入細胞に対しても、薬剤の抗腫瘍効果が伝播するというbystander effectについての検討も行った。ドキシフルリジン存在下に、DPE2細胞と野性株PC-9細胞とを1対9の割合で混合培養した場合、bystander effect陽性の結果が得られた。さらに、double chamber modelを利用して、bystander effectに細胞の接触が必要でないことが証明され、これには、培地中に遊出する5-FUが、強く関与していることも明らかとなった。この事実は、遺伝子治療への可能性を示唆するだけでなく、癌組織中のheterogeneity、即ち組織内に高TP活性の細胞と低TP活性細胞とが混在している場合でも、これらのプロドラッグの効果が期待できることを示している。また、逆に、プロドラッグといえども、癌細胞内で一旦、5-FUに変換されると、それらの代謝産物は、隣接する正常細胞にも容易に移行し、副作用を起こし得ることも、示唆された。一方、TPを新生血管因子としてとらえ、外科切除標本を対象にした検討も行った。大腸癌において、TP発現と癌組織内の微小血管数には、正の相関を認めた。他の新生血管因子であるVEGFと微小血管数にも正の相関が認められた。また、TP及びVEGFは、いずれも独立した予後因子となり得る事も報告した。その他、胃癌、食道癌を対象に同様の検討も行い、報告した。微小血管数は、予後因子として重要であるばかりでなく、新生血管阻害薬に対する反応の予測因子としても今後期待がもたれる。今後、上記トランスフェクタントを用いて、TPのもつ新生血管作用のメカニズムの解明、さらには、高TP活性癌組織の新生血管阻害薬に対する感受性の検討等について研究を発展させていきたい。

癌治療の新しいストラテジーの1つに、プロドラッグを活性化させる酵素をコードする遺伝子を癌細胞に導入し、選択的に抗腫瘍効果を得るという方法がある。5ーFUのプロドラッグであるドキシフルリジンやテガフ-ルは、thymidine phosphorylase(TP)によって5-FUに変換される。本研究では、近年TPとほぼ同一であることが明らかとなったplatelet derived-endothelial cell growthfactor(PD-ECGF)cDNAをヒト肺腺癌celllines(PC-9)に導入し、そのトランスフェクタントを利用して、プロドラッグに対する感受性を検討した。PD-ECGFのトランスフェクタントであるPC9-DPE2のドキシフルリジン、テガフ-ルに対する感受性は、parental PC-9と比べて、それぞれ167、26倍増強した。また、PC9-DPE2を利用して、薬剤活性化遺伝子導入細胞に隣接する非導入細胞に対しても、薬剤の抗腫瘍効果が増強するというbystander effectについて検討した。ドキシフルリジン10μM存在下に、PC9-DPE2とparental PC-9を1対9の割合で混合培養した場合、bystander effect陽性の結果が得られた。さらに、double chamber modelを利用して、bystander effectに細胞の接触が必要でないことが証明され、これには、培地中に遊出する5-FUが強く関与していることも示唆された。また、PC9-DPE2をヌードマウス皮下に移植したin vivo実験では、ドキシフルリジン投与により、腫瘍増殖抑制効果が得られた。一方で、大腸癌切除標本145例を対象にした検討を行った。腫瘍細胞内及び、間質内TP発現と腫瘍内微小血管数、血行性転移、予後とに有意な相関関係を認めた。腫瘍内マクロファージ浸潤と腫瘍内微小血管数、腫瘍内TP発現、間質内TP発現、予後との間にも相関関係を認めた。癌治療の新しいストラテジーの1つに、プロドラッグを活性化する酵素遺伝子を癌細胞に導入し、選択的に抗腫瘍効果を得るという方法がある。5-FUのプロドラッグであるドキシフルリジンやテガフ-ルは、thymidine phosphorylase(TP)によって5-FUに変換される。本研究では、近年TPと同一の蛋白であることが明らかとなったplatelet derived-endothelial cell growthfactor(PD-ECGF)cDNAをヒト肺腺癌cell lineであるPC-9に導入し、種々の検討を行った。PD-ECGFのトランスフェクタントであるDPE2細胞のドキシフルリジン、テガフ-ルに対する感受性は、野性株のPC-9細胞と比べて、それぞれ167、26倍増強した。
言語地図の比較・総合による言語地理学研究の推進

研究代表者は、1983年に言語地図作成システムSEALを開発しパソコンによる言語地理学を提唱して以来、「言語地図を使った方言研究」を実践してきた。一枚の言語地図からことばの歴史を再構することも可能だが、多数の言語地図があるとき、類似の分布パターンを示す言語地図を総合することで、その地域のことばの歴史が見えてくる。また、異なる時期に調査された言語地図や異なる世代を対象とした言語地図を比較することで、言語変化が明らかになる。この言語地図の総合と比較の方法を組み合わせた実践として、新潟方言における準体助詞(「大きいの」、「行くのだろう」などにおける「の」にあたる)の分布と変化について様々なデータを様々な作図法によって地図化してきたが、本研究期間にその決定版となる論文を発表した(福嶋秩子2017「方言分布の総合と比較から見る方言の地域差と変化」『方言の研究3』)。また、奄美徳之島方言の動詞の活用体系の分析を行う中で、島内で体系変化が起きていることをつとに指摘しているが、その変化が地理的分布としてあらわれる事例として連用形と禁止形の地図を作成し発表した(Chitsuko Fukushima 2019 Reconsidering the Change of Adjectives in Niigata Dialects: The Prohibitive Formas Another Proof. Acta Linguistica Lithuania 79)。本研究期間に言語地理学の理論と方法について発表したり講義したりする機会があった。日本語に限らず、様々な言語の研究で言語地図を活用していくことの意義を若手研究者に知ってもらういい機会になったと考えている。地図化する資料は言語地理学調査によるものとは限らない。方言辞書の活用も視野に入れ、言語地理学の方法により方言分布と変化の諸相について追及していきたい、研究代表者は1983年にパソコンを利用した言語地理学データ処理システムSEALを開発、マニュアルを出版、プログラムを公開・更新するとともに、実際の調査資料を分析し「パソコンによる言語地理学」を実践してきた。言語地理学におけるコンピュータ利用のメリットには、電子化データの再利用・共同利用の可能性、多数の言語地理学データの総合等があるが、ICTの発達に加え、3度目の全国方言調査(FPJD)が実施された今、この研究法の効果と意義がますます大きくなってきている。言語変化の軌跡を跡付け、変化の進行状況を捉えるために、研究代表者が実践してきた、調査地域が重なり調査時期の異なる言語地図の比較・総合の方法をさらに多くのデータに適用し、研究を推進する。平成28年度は、数年来行ってきたGAJとFPJDの比較の中で特に興味深い分布がみられた新潟県における準体助詞の分布(「大きいの」を「デッカイガン」というなど)に注目して過去の方言資料の精査を行い、そこで得られた各地点における複数の語形をどのように地図上に表せば、言語変化の軌跡を跡付けられるかについて試行を行った。その一つの成果がカンボジアで行われた国際会議での発表であり、その後、別の方法による地図化も試み、依頼原稿を執筆した。また、岡村隆博による1980年代の調査資料を動詞活用の観点から見直す中で生じた疑問点を明らかにするため徳之島での方言調査を行った。過去の方言資料として、出雲西南部調査資料の整理も行った。FPJD調査の結果が『新日本言語地図』として出版され、研究代表者はそのうち10項目の言語地図を描画、分布を説明する文章を執筆した。その他に複数の研究発表(国際会議も含む)と論文執筆を行った。過去の方言資料の整理と追加調査も行った。研究代表者は1983年にパソコンを利用した言語地理学データ処理システムSEALを開発、マニュアルを出版、プログラムを公開・更新するとともに、実際の調査資料を分析し「パソコンによる言語地理学」を実践してきた。平成29年度は、新潟県における準体助詞の分布に関連して、全国の準体助詞の分布や新潟における準体助詞の運用の状況について研究を進め、学会発表・論文発表を行った。総合の方法として、語形のグループごとに分けて、語形ごとの頻度を棒グラフで表わす方法にたどりついた。『アジア言語地図』を作成するための共同研究(研究代表者:遠藤光暁青山学院大学教授)に参加し、研究発表会に参加する一方、インドネシア、パダンで開かれた東南アジア言語学会におけるアジア言語地理学に関するワークショップで、言語地理学の理論と方法に関する発表を行った。方言の経年変化をたどる資料としての保存および研究のための公開を意図して、過去の方言調査資料(出雲西南部)の整備を行った。方言分布の総合と比較に関わる論文執筆と複数の研究発表(国際会議も含む)を行った。FPJDとGAJ調査の分析結果をまとめた論文が『空間と時間の中の方言』の中の一章として出版された。

一枚の言語地図からことばの歴史を再構することも可能だが、多数の言語地図があるとき、類似の分布パターンを示す言語地図を総合することで、その地域のことばの歴史が見えてくる。また、異なる時期に調査された言語地図や異なる世代を対象とした言語地図を比較することで、言語変化が明らかになる。この言語地図の総合と比較の方法を組み合わせた実践として、新潟方言における準体助詞(「大きいの」、「行くのだろう」などにおける「の」にあたる)の分布と変化について様々なデータを様々な作図法によって地図化してきたが、本研究期間にその決定版となる論文を発表した(福嶋秩子2017「方言分布の総合と比較から見る方言の地域差と変化」『方言の研究3』)。また、奄美徳之島方言の動詞の活用体系の分析を行う中で、島内で体系変化が起きていることをつとに指摘しているが、その変化が地理的分布としてあらわれる事例として連用形と禁止形の地図を作成し発表した(Chitsuko Fukushima 2019 Reconsidering the Change of Adjectives in Niigata Dialects: The Prohibitive Formas Another Proof. Acta Linguistica Lithuania 79)。本研究期間に言語地理学の理論と方法について発表したり講義したりする機会があった。日本語に限らず、様々な言語の研究で言語地図を活用していくことの意義を若手研究者に知ってもらういい機会になったと考えている。地図化する資料は言語地理学調査によるものとは限らない。方言辞書の活用も視野に入れ、言語地理学の方法により方言分布と変化の諸相について追及していきたい、今年度は、言語地図の総合と比較に関わる研究を継続し、8月に東京立川で行われる国際会議で発表予定である。また、言語地理学の理論と方法に関わる振り返りと展望を行う発表を5月にインドネシアにおける国際会議で行う。来年度は最終年度であるので、国際会議で研究成果を発表するとともに、過去の方言資料の整理を推進し、最後に報告書を発刊する。最終年度にあたる今年度は、新潟方言・徳之島方言を材料に言語地図の総合と比較に関わる研究を推進する。5月にインドネシア・ジャカルタにおける第4回アジア地理言語学会、7月にリトアニア・ビリニュスで行われる方言学地理言語学国際会議で発表予定である。また、過去の方言資料の整理を継続し、最後に報告書を発刊する。最終年度に二度の国際会議に出席予定で、旅費が必要である。言語地図作成ソフトSEALの紹介、SEALのシステムやマニュアルのダウンロード、関連研究の紹介などを行っている。
遺伝子診断による症候型慢性リンパ性白血病の本体解明

わが国の成熟型B細胞腫瘍における慢性型白血病・リンパ腫の本体解明を目的に、14q32(IGH遺伝子)転座の遺伝子診断を試みた。対象症例は、いずれもB細胞の単クローン性増殖が確認されている。(1)サザン解析では、75例中9例にBCL1領域(BCL1-MTC,PRAD1)の再構成を検出した。ノザン解析の可能であった22例では、5例にPRAD1-mRNAの過剰発現を認めた。(2)11例がt(BCL1/PRAD1;IGH)型腫瘍と同定された。組織診断別にみると、ILL:8/13例、濾胞性リンパ腫:1/41例、びまん性リンパ腫:2/22例であった。(3)これらの11症例のすべてが進行病期(III:3例、IV:8例)にあり、白血化(9例)、そして肝・脾腫(8例)を特徴とした。(4)表面マーカーは、CD5^+(9/10)とCD10^-(9/10)を特徴とし、Cμ領域の欠落症例を認めなかった。(1)50例の慢性型B細胞白血病・リンパ腫を対象とした。(2)31例のCLL中2例にBCL3遺伝子の再構成断片を検出し、CαまたはおよびCε遺伝子領域プローブによりラベルされた。(3)これら2症例は、典型的CLLとは異なる病態を示し、幼弱細胞の増加とリンパ節の腫脹を特徴とした。今後、さらに症例を蓄積し、欧米例と比較検討する予定である。
強磁場による水素吸蔵合金の機能制御

1.金属-水素系について、水素化反応熱に対する磁場効果を理論的に導き、実験的にLaCo_5H_xについて2つの方法で検証することに成功した。12Tでの平衡水素圧力の温度依存性から求めたエンタルピー変化および5Tの磁場中で直接的に反応熱を測定した結果は理論値と一致した。12Tの磁場による反応熱の変化は5%であった。2.水素吸蔵合金LaCo_5に軽水素/重水素の混合ガスを磁場中で反応させ、質量分析器を用いて平衡ガス組成を測定した。磁場中で反応させた場合、合金中への軽水素の選択吸収が促進され、水素化物相に軽水素が濃縮され、気相に重水素が濃縮された。5Tの磁場によって気相の重水素濃度は4%増加した。3.PrCo_5およびCeCo_5軽水素化物、重水素化物の圧力-組成等温線を測定した。特に高濃度水素化物で平衡圧に同位体効果があらわれることが分かった。4.PrCo_5H_xの平衡水素圧に対する強磁場効果を測定した。5Tの磁場による平衡圧の変化にはx=3.9からx=4.7のβ+γ領域で強い水素組成依存性があらわれ、x=4.3で最大値を示した。これまでに知られている磁場効果因子△M_sを凌駕する値△M_s=25[JT^<-1>kg^<-1>molH^<-1>]が得られた。磁場による圧力増加を35Tまでの静磁場下で測定し、20T以上で飽和傾向を観測した。5.Spring-8において115keVの高強度x線を単結晶金属水素化物PdH_<0.6>に照射しコンプトン散乱を測定した。1. LaCoX_5H_xで作製した電極を組み合わせた電池を試作した。15Tまでの磁場中でそれぞれの電極位置での磁場の差に対応する起電力が得られ、磁場濃淡電池として動作することが分かった。2. 40Tまでのパルス強磁場を用いてLaCo_5H_xとLaCo_5D_xの磁気測定を行った。77Kで測定したそれぞれの自発磁化はほぼ等しいの水素濃度依存性を示し、水素同位体効果は現われなかった。45Tまでのパルス磁場を用いた4.2Kでの磁気測定においてメタ磁性転移が観測された。転移磁場は水素化物で35T、重水素化物で38Tであり、明らかな同位体効果が観測された。3.静磁場を用いて、LaCo_5D_xの平衡重水素圧力をコントロールすることを試みた。233.2Kで、磁場の無い時の水素化物の平衡圧は13kPaであったが、28Tの磁場を印加することによって平衡圧は20kPaに達した。平衡圧は1.6倍におよぶ大きな増加を示した。4.水素+重水素の混合ガスから磁場を有効に利用して重水素ガスを濃縮する方法を検討した。LaCo_5の水素化物と重水素化物の平衡圧力を測定した。重水素化物では平衡圧力が増加した。組成x=2では1.2倍だが、x=4では2.3倍に増加した。水素化物と重水素化物の平衡圧は磁場によってコントロールすることが可能であることから、分離、濃縮に磁場を利用することは効果的であると考えられる。1.LaCo_5H_xで作製した電極を組み合わせた電池の起電力に対する勾配磁場効果を測定した。15Tまでの磁場中でそれぞれの電極位置での磁場の差に対応する起電力が得られ、磁場濃淡電池として動作することを報告した。2.LaCo_5(H、D)_4の平衡圧を30Tまでの静磁場下で測定した。

293.2Kで、無磁場の時の水素化物の平衡圧は463kPaであったが、30Tの磁場を印加することによって平衡圧は567kPaに増加した。1.22倍の平衡圧の増加は、水素化物あるいは重水素化物単体についてこれまでに得られた圧力変化に比較して小さいことから、水素吸蔵合金内部では高濃度水素化物と低濃度重水素化物が共存していると考えられる。3.水素+重水素の混合ガスから磁場を有効に利用して重水素ガスの濃縮する方法を検討した。LaCo_5を1:1の混合ガスと接触させ、30Tまでの磁場中で平衡ガスを採取し分析した。磁場の増加とともに成分の変化(H_2/D_2比の減少)が起こり、同時に磁場によるHDガスの出現が観測された。水素同位体の分離濃縮に磁場が作用することを確認した。4.大きな磁場効果を示す材料を開発するために、高圧水素圧力下で水素濃度をコントロールしながら磁化を測定できる装置を開発した。5MPaまでの水素雰囲気中でPrCo_5H_xの磁化測定(引き抜き法)を行った。室温付近では、β+γ領域で磁化の水素濃度依存性は大きく、LaCo_5H_x以上の磁場効果を示す材料であることが期待される。5.磁場効果を理論的に展開し、化学反応熱に対する強磁場効果を導き出した。LaCo_5の水素化反応熱は磁場により変化することを予測した。実験的に反応熱を測定し、変化の方向が理論的予測と合致していることを確認した。1.金属-水素系について、水素化反応熱に対する磁場効果を理論的に導き、実験的にLaCo_5H_xについて2つの方法で検証することに成功した。12Tでの平衡水素圧力の温度依存性から求めたエンタルピー変化および5Tの磁場中で直接的に反応熱を測定した結果は理論値と一致した。12Tの磁場による反応熱の変化は5%であった。2.水素吸蔵合金LaCo_5に軽水素/重水素の混合ガスを磁場中で反応させ、質量分析器を用いて平衡ガス組成を測定した。磁場中で反応させた場合、合金中への軽水素の選択吸収が促進され、水素化物相に軽水素が濃縮され、気相に重水素が濃縮された。5Tの磁場によって気相の重水素濃度は4%増加した。3.PrCo_5およびCeCo_5軽水素化物、重水素化物の圧力-組成等温線を測定した。特に高濃度水素化物で平衡圧に同位体効果があらわれることが分かった。4.PrCo_5H_xの平衡水素圧に対する強磁場効果を測定した。5Tの磁場による平衡圧の変化にはx=3.9からx=4.7のβ+γ領域で強い水素組成依存性があらわれ、x=4.3で最大値を示した。これまでに知られている磁場効果因子ΔM_sを凌駕する値ΔM_s=25[JT^<-1>kg^<-1>molH^<-1>]が得られた。磁場による圧力増加を35Tまでの静磁場下で測定し、20T以上で飽和傾向を観測した。5.Spring-8において115keVの高強度x線を単結晶金属水素化物PdH_<0.6>に照射しコンプトン散乱を測定した。
脳インターフェイス超並列集積マルチチップ人工視覚の開発

全盲患者の視覚野に視覚情報をインターフェイスし、失われた視覚を部分的にも再建するために視覚野に移植される電子デバイスを脳型人工視覚デバイスと呼ぶ。ここで、視覚野に移植された電極に供給される電気刺激制御信号は、全盲患者に視覚を有効に誘発するために適切にデザインされなければならない。本研究の目的は、この人工視覚デバイスとして利用できる脳型ビジョンセンサーを開発することである。ヒトでは、視覚情報はまず網膜によって受容・処理され、外側膝状体(LGN)をとおって視覚野V1へと送られる。この生理学的な知見を基に、網膜および視覚野V1の機能を備えたアナログ-デジタル混在型の脳型電子デバイスを作成した。このデバイスは、V1にある単純型細胞の光応答を実時間かつ超低消費電力で模倣することができる。このような視覚情報処理を超低消費電力および実時間で実行することは、脳型人工視覚デバイスに要求される最も重要な性能である。デバイス開発に続き、電気刺激が有効に視覚野神経回路網を興奮させることができるかを調べるために、マウスのスライス脳を用いた生理学実験を行った。視覚野V1ではLGNより第4層に入力がある。この第4層に与えた双極電流パルスによって惹起された応答は、第2/3層へと垂直方向に伝播した。この現象は、電流刺激によって惹起された応答が、視覚野神経回路の機能カラムに沿って垂直方向に伝達したことを示唆し、過去の生理学的・解剖学的な知見から予想されている視覚情報伝達経路と合致する。以上から、我々は本研究で開発された脳型人工視覚デバイスの出力を、視覚野V1の第4層にインターフェイスすることによって、LGNからの視覚情報入力を部分的にも代行できると結論した。本研究は、失明患者の視覚野を電気刺激することによって、視覚を再建するためのデバイスに関する基礎研究である。本年度は、以下の研究を行った。1.脳刺激用デバイスハードウエアの開発一次視覚野細胞が視神経と大きく異なるのは、その空間フィルター特性である。すなわち、視神経は、2次元ラプラシアン-ガウシアン型の空間フィルター特性を有しているが、脳一次視覚野は2次元ガボール関数型となる。ガボール関数型の空間フィルターは、従来の逐次デジタル計算では多量の計算が必要となり、超低消費電力(100nW以下)での実時間処理は不可能である。さらに2次元画像の処理には、このガボール型フィルターをいくつかの方位に対して用意する必要がある。アナログ人工網膜の出力をガボール型フィルターに並列に変換する集積回路(人工視覚野チップ)を設計・製作した。2.電気刺激の効果を検討するための多点基板電極を用いた生理学実験本研究で開発する視覚野刺激信号発生回路の神経刺激効率を向上させるために、刺激に用いられる電流が、どのように視覚野神経を興奮させるのかを解析しなければならない。マウス視覚野をスライスし、多点基板電極上に置き潅流しながら自発放電の有無を計測した上で、単一電極による刺激に対する応答特性を調べた。スライス視覚野の4層に対して電極を刺入して定電流刺激を加えた場合、2/3層へ信号が伝播することを確認した。また応答には、電気刺激に直接応答したものと、刺激に応答した細胞の興奮がシナプスを介して伝達されたものがあるので、シナプス伝達を薬理学的に選択的ブロックしながら、両者の経路を分離することができた。変性や損傷などによって損なわれた脳の視覚機能を、集積電子デバイスによって代行させるというアイデアが進んでいる。本研究の目的は、脳一次視覚野への電気刺激を想定し、脳刺激用アナログ集積電子デバイスを開発し、その性能を生理実験によって確認することである。以下に成果を記す。1.脳刺激用デバイスにはガボール型フィルター機能が要求される。

脳では、こうした細胞の空間特性は、網膜神経節細胞の受容野から、階層的に構成できることが知られている。そこで、アナログ人工網膜の出力をガボール型フィルターに並列に変換する集積回路(人工視覚野チップ)を設計した。消費電力は、1W以下であり、当初の目的を達成することができた。ここでは、アナログ人工網膜の応答を特定の方位に線形加算することにより、加算方向を長軸として扁平した2次元ガボール型の空間フィルターを実現した。回路を評価し、実環境において脳刺激を行いための前処理が、実時間で可能であることを確認した。2.刺激に用いられる電流が、どのように視覚野神経を興奮させるのかをラットおよびマウス脳のスライス標本を用いて解析した。スライス視覚野を電気刺激した時の細胞応答の時空間特性を、多点基板電極によって計測し、定電流刺激矩形波刺激の振幅、パルス長の影響を明らかにすることができた。また刺激場所(脳視覚野の異なる層)を刺激した時の影響も明らかにすることができた。以上により、脳刺激型集積電子デバイス設計の基盤を作ることができた。