hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ヒトiPS /ES血管誘導技術によるヒト血管分化機構の解析と疾患iPS研究への応用

ヒトiPS細胞/ES細胞から血管を構成する内皮細胞・壁細胞へ分化する過程において各種ホルモン及びその受容体がどのように変化するかを明らかにした。また、血管が傷害される難病(脳動脈瘤合併多発性嚢胞腎、もやもや病、大動脈炎症候群など)の患者から樹立した疾患iPS細胞から、申請者らが開発した分化誘導法を用いて血管内皮細胞と壁細胞を誘導・単離し、その解析により脳動脈瘤では診断のバイオマーカーの発見、もやもや病では疾患の血管障害の病態の再現などに成功した。ヒトiPS/ES細胞からの血管構成細胞の分化誘導については、これまでフィーダーフリーの分化誘導と単離技術を確立していたが、クローン間による分化誘導効率の差異が大きかったため、single cellに分散して血管細胞分化誘導を開始する分散培養誘導法を確立し、血管細胞分化誘導効率のばらつき、分化過程タイムコースのばらつきの両方の減少を認めた。また、ヒトiPS/ES細胞から血管構成細胞に至る過程にて心血管ホルモンの発現の解析を行い、エンドセリンは血管内皮細胞にまで誘導して初めて発現する一方、アドレノメデュリン、BNPは血管前駆細胞の段階で最も強い発現を認めたることを見いだした。血管障害疾患の疾患特異的iPS細胞研究については、脳動脈瘤を合併した多発性嚢胞腎患者において共同研究を行い、我々の手法でiPS細胞から誘導・単離した血管構成細胞を解析したところ、脳動脈瘤合併例の血管内皮細胞では、脳動脈瘤非合併例の内皮に比べ、ある酵素の発現が高いことを見出した。その差異は未分化iPS細胞同士では認められず、血管内皮細胞に分化した段階でのみ認められる変化であり、動脈瘤合併多発性嚢胞腎患者の血清中での測定においても健常人に比べその酵素の発現が高いことがわかり、診断および治療標的分子として特許出願に至った(投稿中)。また、もやもや病の疾患特異的iPS細胞でも共同研究を行い、感受性遺伝子MysterinのRNF213領域に変異のある患者と健常人では、線維芽細胞同士では差がないにもかかわらず、我々の手法で誘導した血管内皮細胞を3次元培養するとそのtube formation能に差が生じることを見いだし、その原因として細胞分裂に関わる因子を同定している(投稿中)。他にも、家族性の大動脈炎症候群患者1家系2名、先天的素因が疑われる冠攣縮性狭心症患者1名より、疾患特異的iPS細胞を樹立した。我々がこれまで開発してきたヒトiPS/ESからの血管構成細胞分化誘導系を用いて各種薬剤や細胞外マトリクスの働きを解析し、ヒトiPS/ES→中胚葉→血管前駆細胞→血管構成細胞へと至る血管分化過程において、細胞外マトリクスの違いにより細胞の接着効率と分化誘導効率が異なることがわかった。また、ヒトES細胞から血管構成細胞に至る過程でのステップバイステップでの遺伝子発現の解析において、エンドセリン、アドレノメデュリン、ナトリウム利尿ペプチドなどの各種血管ホルモンとその受容体の発現が経時的に変化することがわかり、現在それらの意義について検討中である。また、成人大動脈血管内皮細胞、伏在静脈血管内皮細胞などとヒトiPS/ES由来の血管内皮細胞の遺伝子発現を比較解析したところ、我々の血管分化誘導法で誘導したヒトiPS/ES由来血管内皮細胞はCXCR4、DLL4等の発現が成人の動脈内皮細胞と同等以上に高く、静脈内皮細胞より動脈内皮細胞の系統に分化していることが示唆された。また、血管障害疾患の疾患特異的iPS細胞については、大動脈炎症候群、冠攣縮性狭心症について患者の同意を得て線維芽細胞の採取を行い、最近CiRAで開発されたエピゾーマルベクターを用いたゲノムへの外来遺伝子の挿入のない手法を用いてiPS細胞を樹立し、現在クローンの選別を行っているところである。また、他グループとの共同研究にて我々が開発したヒトiPS/ESからの血管構成細胞分化誘導系を用いて協力を行い、動脈瘤を伴う多発性嚢胞腎、もやもや病などからの血管構成細胞分化誘導にも成功している。我々がこれまで開発してきたヒトiPS/ESからの血管構成細胞分化誘導系を用いて各種薬剤や因子の働きを解析し、細胞外マトリクスやある種の薬剤により細胞の接着効率と分化誘導効率が異なることを見出しており、一定の成果を得ている。シェア-ストレスなどの血流による物理刺激の血管分化誘導における働きについては、シェア-ストレスが血管細胞の接着に影響を与えてしまい、まだ解析途上である。また、血管分化過程における遺伝子発現の解析により、我々の手法で誘導されたヒトiPS/ES由来血管内皮細胞が静脈内皮細胞より動脈内皮細胞に近い性質を持っていること、各種血管ホルモンやその受容体の発現が血管分化過程でステップバイステップで変化することを見出し、ヒトiPS/ES由来血管細胞の位置づけの検討や、ヒトiPS/ES血管分化系についての知見を深めることに一定の成果を得ている。各種血管障害性疾患からの疾患iPS細胞の樹立については、大動脈炎症候群、冠攣縮性狭心症について患者の同意を得て線維芽細胞の採取を行い、iPS細胞株の樹立を行い、現在クローンの選別を行っているところである。

また、他グループとの共同研究においては、我々が開発したヒトiPS/ESからの血管構成細胞分化誘導系を用いて動脈瘤を伴う多発性嚢胞腎、もやもや病などからの血管構成細胞分化誘導にも成功しており、それらの疾患iPSから誘導された血管構成細胞では健常人iPS細胞由来血管構成細胞と比べて特異的な遺伝子発現の差異や細胞機能の差異が見出されており、我々がこれまで科学研究費補助金を用いて行ってきた血管分化誘導研究の成果の応用に関しては、当初の予想以上の成果が得られている。平成23年度の引き続き、ヒトiPS/ESからの血管構成細胞分化誘導系のさらなる改良、およびそれらの系を用いて血管分化過程における血管ホルモンとその受容体の意義についての解析を行う。ヒトiPS/ESから血管構成細胞に至る遺伝子発現の変化の網羅的な解析や、各種薬剤や環境の血管分化に与える影響の解析も引き続き行う。平成23年度に樹立した血管障害性疾患iPS細胞各クローンについて、テラトーマ形成能や分化能、カリオタイプやエピジェネティクスなどその品質を確認し、解析に使用可能なiPSクローンを各疾患複数ライン樹立する。これまで確立してきたヒトiPS/ES血管分化誘導法を用いてそれら疾患iPS細胞から血管内皮細胞と壁細胞を分化誘導し単離を行い、その遺伝子発現および細胞機能を健常人iPS由来の血管構成細胞と比較し、その病態を探る。それら疾患iPS細胞由来の血管内皮細胞、壁細胞で見出した遺伝子発現の異常について、その機能的意義を解析する。さらに、それら疾患iPS細胞由来の血管内皮細胞、壁細胞で見出した遺伝子発現の異常について、それらの発現の診断マーカーとしての応用を模索すると同時に、それら分子を標的とする薬剤の開発によりそれら疾患の血管障害の治療・予防の可能性を探る。また、それら各種血管障害疾患iPS細胞を用いて様々な先天疾患における血管障害の発生機序を探り、それら個々の結果を統合・俯瞰することにより、長期的には生活習慣病血管合併症のようなより一般的な血管障害における早期診断や治療の標的分子を見出すことを目指す。ヒトiPS/ESからの血管構成細胞分化誘導系のさらなる改良ヒトiPS/ESから血管構成細胞に至る遺伝子発現変化のデーター解析血管分化過程における血管ホルモンとその受容体の意義および各種薬剤の作用の検討血管障害性疾患iPS細胞の樹立と品質確認血管障害性疾患iPS細胞由来血管構成細胞の分化誘導・単離と解析
コレステロール排出に関与するABCタンパク質の機能解析

複数のABCタンパク質(ABCA1,ABCG1,ABCG5,ABCG8)が、生体内のコレステロール恒常性維持に重要な役割を果たすが、コレステロールを基質として輸送するのか、あるいはリン脂質輸送によって細胞膜環境を変えることで間接的にコレステロール輸送に関与するかなど、その分子機構は明らかではない。ABCタンパク質の輸送基質と輸送機構を解析することで、コレステロール恒常性機構を明らかにすることを目的として実験を行った。動物培養細胞HEK293のABCG1安定発現株を樹立し、ABCG1発現細胞から、コレステロールとコリンリン脂質が排出されること、高密度リポタンパク質(HDL)存在下で排出が増加することを見出した。質量分析と薄層クロマトグラフィー解析から、リン脂質の内、ABCA1発現細胞ではホスファチジルコリンが主に排出されるのに対し、ABCG1発現細胞ではホスファチジルコリンとスフィンゴミエリンが排出されることを明らかにした。ABCA1を昆虫培養細胞で大量発現させ、ニッケルレジンカラムを用いて精製した。精製標品のATP加水分解活性を測定し、ABCA1がATP加水分解活性を持つこと、脂質に再構成するとその活性が上昇することを明らかにした。ABCA1のWalkerAモチーフのリジン変異体では活性が低かったことから、加水分解活性がABCA1特異的なものであることを明らかにした。様々なリン脂質組成のリポソームに再構成して活性を検討した結果、ABCA1がコレステロールとホスファチジルコリンを基質として輸送し、アポリポタンパク質AIに受け渡すことが示唆された。これらのことから、抹消細胞でABCA1とABCG1が協調してコレステロールを排出し、HDL形成に関与する可能性を示した。複数のABCタンパク質(ABCA1,ABCG1,ABCG5,ABCG8)が、生体内のコレステロール恒常性維持に重要な役割を果たすが、その分子機構は明らかではない。そこで、ABCG1をクローニングし、動物培養細胞HEK293に発現させ、細胞内局在と機能を検討した。まず、ABCG1のHEK293細胞安定発現株を樹立し、ABCG1が細胞膜表面に局在することを、表在タンパク質のビオチン化実験と免疫染色によって明らかにした。安定発現株のABCG1も単球由来細胞THP-1に発現した内在性のABCG1もN型糖鎖付加されていないことを、糖鎖解析によって明らかにした。共沈降実験とクロスリンク実験により、ABCG1がホモ二量体を形成することを明らかにした。さらに、ABCG1を発現した安定発現株では、アポリポタンパク質やBSAなどの受容体分子に依存せず、コレステロールとコリンリン脂質が排出されることを見出した。また、WalkerAモチーフ中のリジン残基に変異を導入したABCG1の発現細胞では、排出がほとんどみられないことから、ATP結合・加水分解がコレステロールとリン脂質の排出に必要であることを明らかにした。ABCG1はマクロファージなどで発現し、オキシコレステロール添加で発現が誘導されることから、ABCG1が末梢細胞からのコレステロールと脂質の排出に働く可能性を示した。
アバランシェ型フォトクロミック反応系の構築

HOPG/octanoic acid界面でのSTM測定によるジアリールエテンダイマーの光配列制御について検討し、紫外光照射後に新たな配列構造が表れ、可視光を照射すると配列構造が元に戻ることが明らかとなった。溶液相で光異性化した分子が異なるパッキングで2次元配列し、光による可逆なドメインの変化をもたらしたものと考えられる。環状6π電子系の光による閉環/開環反応は、適切な分子設計によりフルギド、ジアリールエテンなどの熱不可逆な反応系を構築することができる。一方、ジアリールエテンの閉環・開環反応は、光照射だけでなく電気化学的酸化によっても進行し、一部の開環反応は連鎖的に反応することが出来ることが明らかとなっている。本研究では、この連鎖反応に着目し、光・電気という二つの刺激に応答し、アバランシェ(連鎖)反応性を持つフォトクロミックーエレクトロクロミック反応系を構築することを目的とする。アバランシェ反応系を組み上げる上で、非常に重要なポイントは、高効率に反応する配列を構築し、その反応を追跡できるようにすることである。そこで、固体表面、固液界面での2次元配列に着目して配列制御を検討課題とする。そこで、固体表面、固液界面での2次元配列に着目して配列制御を第一の検討課題とすることにした。ここでは、HOPG/octanoic acid界面でのSTM測定によるジアリールエテンダイマーの光配列制御について検討した。長鎖アルキル基とピレンは基板との相互作用を増やすために、ピレンとジアリールエテンの間のアルキル基は自由度を高めるために、それぞれ導入した。両側開環体(o-o)はHOPG/octanoic acid界面で配列構造が観察された。この配列に紫外光を照射すると新たな配列構造が現れた。紫外光照射後の新たな配列構造(間隔2.2 nm)は(o-o)の配列(間隔5.8 nm)に比べて周期構造が狭くなっており、より密なパッキングをしていることが示唆された。さらに可視光を照射すると配列構造が元に戻ることを確認した。また、この配列構造が何に由来するのかを確かめるために、片側閉環体(o-c)、両側閉環体(c-c)のSTM測定を行った。その結果、(o-c)では間隔4.7 nmの、(c-c)では間隔1.9 nmの配列が観測され、紫外光照射後の新たな配列構造は(c-c)の配列構造であることが分かった。また、すべての配列構造は分子モデルによって合理的に説明された。閉環体ではジアリールエテン部分が縦に配列したため密なパッキングを取ったと考えられる。分子レベルでの反応の追跡が今後の課題である。ジアリールエテンのフォトクロミズムは光異性化に伴ってπ共役のトポロジーが大きく変化する。そのことを利用して、ジアリールエテン分子を流れる電気信号をコントロールすることが試みられている。一方、最近、ジアリールエテンの閉環/開環反応が光照射だけでなく、化学的、電気化学的酸化によっても進行することが報告されている。反応はカチオンラジカルを経由して起こり、また開環反応は連鎖的に起こりうることが報告されている。今年度は、ポルフィリンをテンプレートとしたジアリールエテンの二次元配列とその光応答性について検討した。RhClポルフィリンとジアリールエテンからなるDiadの、HOPG/Octanoic acid界面での二次元配列構造のSTM観察では、個々の分子が別々に観測でき、光反応した分子としていない分子を区別して観測できることが期待される。ポルフィリンがテンプレートとしてHOPG基板に配列し、ジアリールエテンが基板に対して垂直に立った構造をとる。STMで検出される高さの情報はサンプルの導電性に大きく依存するため、等電流モードで測定したときの高さは、導電性の低い開環体は相対的に低く、閉環体は高く観察される。測定結果では、紫外光照射に伴って、導電性の増加に伴うと考えられる、高く観測されるスポットの増加が観測された。ヒストグラムの解析により、開環体と閉環体の見かけの高さの差は5.4Aとなり、分子導電性の特性を示す減衰定数β値の変化は0.83と求められた。今年度は、水中における超分子組織化構造体と外部刺激応答性に関する知見を得ることを目的として、会合誘起増強発光(AIEE)を示す蛍光性色素に両親媒性側鎖を導入した誘導体の設計・合成を行い、超分子構造形成に伴う発光効率の増強と熱的な相転移挙動に関して詳細な検討を行った。9,10-ビスフェニルエチニルアントラセン誘導体は、酢酸エチル中では高効率な発光を示したのに対して、水中では超分子構造を形成することに伴って著しい消光を示した。

これに対して、AIEE特性を示すことで知られる1,2-シアノビスビフェニルエテン誘導体では、酢酸エチル中よりも水中において蛍光量子収率の増加が確認され、その増強率はおよそ3.4倍であった。これまでの報告の多くは溶液中に分散したナノ粒子の状態での例が多く見られるが、本研究では水中で形成されるフレキシブルな構造体においてAIEEが観測されており、このことは外部刺激応答性という観点から興味深い系である。また、蛍光強度の温度変化測定により、励起子分裂型のCDシグナルは、同じ温度領域において初期強度のおよそ半分程度まで強度が減少した後に、水溶液の下限臨界溶液温度(LCST)である60°C付近において更に急激な強度の減少が見られた。超分子構造に非常に鋭敏であることで知られる励起子分裂型のCDよりも、AIEEに由来する発光がより低い温度領域で素早く応答することが認められたことから、AIEE挙動は超分子構造変化の検出やバイオプローブの候補として、非常に高感度であることが示唆された。分子構造とコンダクタンスの関係を明らかにすることは、分子エレクトロニクスの非常に重要な課題の一つである。様々な微小ギャップ間での分子コンダクタンスの測定が試みられている中、近年では多数回の測定の統計を取ることにより信頼性の向上がはかられている。本研究で着目した固液界面でのconstant current modeでのSTMで測定される見かけの高さは、分子のトンネル電導性を含むため、ピークの高さの解析から分子コンダクタンスに関する情報を得ることが可能である。また、2次元に配列した多数分子のピークを解析することにより統計処理も可能である。しかし、見かけの高さが近い場合、ヒストグラムを分離できないという問題点が存在した。本研究では、異なる長さの側鎖を有するポルフィリンをテンプレートとして、2次元相分離を用いてドメインを分離し、同一の像の上で異なる分子のヒストグラムの作成に成功した。HOPG-phenyloctane固液界面でのC30の側鎖を持ち無置換のビフェニルが配位したC30-Rh-1と、C22の側鎖を持ちオルト位にメチル基が置換したビフェニルが配位したC22-Rh-2の混合溶液のSTM像では、格子定数に差がある大小2種類のface-on配列が得られ、2種類の分子の像を空間的に分離することができた。C30-Rh-1の見かけの高さ分布は4.3±0.7A、C22-Rh-2の見かけの高さ分布は2.9±0.5Aと求まり、両者に1.4Aの差があることが明らかとなった。分子とSTM Tipの間の減衰定数を溶媒の減衰定数としてアルキル基の減衰定数1.2A^<-1>を用いると、両ビフェニルのコンダクタンスの比は5.7倍と求まった。また、この比は、アルキル側鎖の無い類縁体のX線構造解析で求められたフェニル基のねじれ角から合理的に説明できた。
構成物質インセドニンの合成及び化学生物学的研究

インセドニンは、2008年に慶應義塾大学の井本正哉教授らによって単離された複雑な高次構造を有する天然生理活性物質である。インセドニンは、その生理活性としてアポトーシス抑制タンパク質であるBcl-2およびBcl-xLに対する特異な阻害活性を示すため、がん化学療法における薬剤耐性を克服する新薬のリード化合物としてのみならず、細胞機能解明のための分子プローブとしても注目されている。私は、インセドニンを、その特徴的な部分構造を有する3つのセグメントから合成する高効率的な戦略を立案し、昨年に引き続きインセドニン(1)の合成研究を展開した。前年度までに、インセドニンの非糖部分である天然物インセドナムの全合成を達成しているため、本年度は、インセドニンの特徴的な二糖鎖部分に含まれ、一般的に立体選択的な構築が難しいとされる2-デオキシβ-グリコシド部分の構築について検討を行った。その結果、新たに開発した、糖供与体の4位置換基による遠隔基関与を利用したグリコシル化反応を用いることで、高収率かつ高選択的に目的のデオシキβ-グリコシド結合を構築することに成功した。また、こうして合成した中間体から、インセドニンの二糖鎖部分に相当する二種類の糖供与体の合成を達成し、種々のモデルアグリコンを用いて、反応性の検討を行った結果、o-ヘキシニルベンゾエートを脱離基とした糖供与体がインセドニンの合成において有用な反応性を示すことを明らかにした。一方、アグリコン部分に相当するインセドナムについては、誘導体合成を指向した別の合成経路として、閉環メタセシスによる24員環の構築を鍵段階とした合成ルートの検討を行った。種々のルテニウム触媒による条件を検討した結果、高いメタセシス活性を有することで知られるGrela触媒を用いた条件において望む環化反応が進行し、新たなインセドナムの合成経路を確立することに成功した。これまでの研究において、インセドニンの非糖部分に相当する二つのセグメントの合成を達成していたため、本年度はインセドニンアグリコンであるインセドナムの全合成を検討した。まず、両セグメントをEDC、DMAPを用いてアミド化し、環化前駆体を合成した。また、環化の際にTES基によって反応点が近接できなくなることを懸念し、TES基を脱保護した別の環化前駆体においてもStilleカップリングによる環化の検討を行った。しかし、種々のパラジウム触媒と添加剤を用いた検討を行った結果、どの条件においても、環化体を得ることは出来なかった。Stilleカップリングによる環化では目的物を得ることが出来なかったため、次にマクロラクタム化による環形成を行う戦略によって検討を行うこととした。まず、C1-13位に相当するセグメントと、C14-23位に相当するセグメントとをCoreyらの報告を参考にしたStilleカップリング反応により結合し、ノナエン体とした後、フタロイル基をエチレンジアミンによって脱保護することでアミン体へと誘導した。次にメチルエステルをTMSOKによる加アルコキシ分解することで環化前駆体とし、この環化前駆体を用いて、国嶋らによって報告された脱水縮合剤DMT-MMによるマクロラクタム化を試みたところ、目的の環化体を2工程収率27%で得ることに成功した。最後に得られた環化体のTES基を脱保護することでインセドナムの初の全合成を達成した。これにより、分子動力学計算による配座解析に基づいて提唱されていたC23位の立体化学が、提唱されていたS配置であることを確認した。

種々のルテニウム触媒による条件を検討した結果、高いメタセシス活性を有することで知られるGrela触媒を用いた条件において望む環化反応が進行し、新たなインセドナムの合成経路を確立することに成功した。
食中不飽和脂肪酸バランスによる情動性神経回路制御メカニズムの解明

本研究では、食事から摂取するω3系とω6系の多価不飽和脂肪酸(PUFA)の量比(3:6値)が、恐怖記憶の処理に関わる脳内神経回路でのシナプス伝達に与える影響について検討した。その結果、3:6値の高い(ω3含量が多くω6含量が少ない)餌を食べたマウスでは、聴覚性恐怖記憶が有意に減弱するとともに、聴覚性恐怖神経回路を構成する聴覚野から扁桃体外側核への投射シナプスにおいて、興奮性シナプス伝達の長期増強が減弱していた。また、これらの行動・電気生理学的な変化はいずれもカンナビノイドCB1受容体を介して起こることも明らかとなり、PUFAによる情動調節の神経回路メカニズムが示唆された。多価不飽和脂肪酸(PUFA)は、その末梢・中枢における健康作用から学術的にも社会的にも大きな注目を集めている。しかし、特にその中枢作用メカニズムについては不明な点が多い。本研究では「食中多価不飽和脂肪酸バランスによる恐怖情動性記憶の修飾」がどのような脳内神経回路レベルのメカニズムによって実現されるのかを明らかにすることを目的に研究を行った。その結果、オメガ3系PUFA対オメガ6系PUFAの含有比が高い食餌を摂取することにより、カンナビノイドCB1受容体依存的な聴覚性恐怖記憶の低下がおこること、またこれと平行して、光遺伝学的に誘発された恐怖神経回路内の興奮性シナプス伝達の長期増強がCB1受容体依存的に弱まっていることを明らかにした。これらの結果から、PUFAはシナプス可塑性を変化させることで情動性行動に影響を与えるという新規メカニズムの存在が示唆された。初年度は食餌に含まれる多価不飽和脂肪酸(PUFA)のバランスが情動性行動の1つである恐怖記憶とその脳内神経回路にどのような影響を及ぼすかについて検討する計画であった。以上の点については終了しており、現在論文投稿中である。当初の計画では、ニューロンの活動依存的に最初期遺伝子Arcと蛍光タンパクVenusを発現するArc-Venusマウスを使用することで恐怖記憶と関連したニューロンを可視化し、恐怖記憶と関連したシナプス伝達のみを選択的に解析する予定であったが、恐怖条件づけによるArc-Venusの発現が安定して得られなかったため、「当初計画通りに進まない場合の対応」に記載のとおり、野生型のマウスを使用して研究を行った。研究代表者らは先行研究において、摂取する餌に含まれるω3とω6という二種類の多価不飽和脂肪酸の量比(3:6値)が条件性恐怖記憶の強さを修飾する因子であることを明らかにした。本研究では、その作用メカニズムを神経回路レベルで理解することを目的として、特に恐怖神経回路を構成する特定の脳部位間のシナプス伝達に対する3:6値の影響について検討を行なった。上記目的のため、オプトジェネティクスと脳スライスパッチクランプ法を組み合わせて利用した。すなわち、聴覚性恐怖条件づけにおいて手がかり刺激(音)を処理する聴覚野にチャネルロドプシン2(ChR2)-YFPを組み込んだAAVベクターを投与、聴覚野から手がかり刺激の情報を受けとる(直接投射を受ける)扁桃体外側核の神経細胞からパッチクランプ記録を行ない、青色光照射により誘発される興奮性シナプス伝達を記録した。高3:6値餌、低3:6値餌(対照餌)をそれぞれ与えて飼育したマウスで、上記シナプス伝達に対するカンナビノイドCB1受容体アゴニスト、同アンタゴニストの作用を比較した結果、高3:6値餌摂取マウスではCB1アゴニストによるシナプス伝達抑制が亢進していた。さらに同シナプス伝達の長期増強について検討した結果、高3:6値餌摂取マウスでは低3:6値餌摂取マウスに比べて長期増強の程度がCB1受容体依存的に減弱されていることが明らかとなった。扁桃体における興奮性シナプス伝達の長期増強は恐怖記憶の形成・維持に強く関与すると考えられていることから、上記の結果は、高3:6値餌摂取による恐怖記憶の減弱のメカニズムとして、カンナビノイドCB1受容体を介した恐怖神経回路内シナプス伝達の長期可塑性の変化が関与している可能性が示唆された。(本研究の成果は、Frontiers in Behavioral Neuroscience誌に発表した。)本研究では、食事から摂取するω3系とω6系の多価不飽和脂肪酸(PUFA)の量比(3:6値)が、恐怖記憶の処理に関わる脳内神経回路でのシナプス伝達に与える影響について検討した。負情動に対する多価不飽和脂肪酸(PUFA)バランスの影響については概ね当初の研究計画通りに進行しており、計画達成に近い状況である。今後は快情動に対するPUFAバランスの影響および非情動性記憶の1つである空間記憶について検討を行う予定である。具体的には、報酬欲求行動に対する影響を検討するためにスクロース条件性場所嗜好性試験、また空間記憶に対する影響を検討するためにバーンズ迷路試験を行う予定である。さらに、PUFAバランスが報酬欲求行動に重要と考えられている報酬系神経回路内のシナプス伝達に影響するかについて、恐怖記憶の場合と同様に光遺伝学とスライスパッチクランプを組み合わせて検討を加える。神経

生理学当初計画において予定していた研究補助員の雇用を行わなかったこと、また国外学会への参加を見送ったため、次年度使用額が生じた。計画遂行のために必要な報酬系(意欲)評価のための行動実験系の構築、および光遺伝学的実験に使用する光源・消耗部品の購入、に使用する計画である。
3ニューロン同時記録による味質弁別神経網の時空間パターン形成のダイナミズムの研究

口腔内への味物質投与中に3個のニューロンの活動を麻酔したラットの大脳皮質で微小電極を用いて同時記録し、単一ニューロンが近傍のニューロンとネットワークを組んで、ニューロン相互間の活動の時間的差異として味質を符号化している可能性について検討した。先ず、各ニューロンの味反応性を調べるために、10秒間の味刺激期間を0.2ミリ秒のビンに分け、放電頻度が無刺激状態から有意に増加もしくは減少しているかどうかを各ビンについて統計学的に検定した。次いで、2個のニューロン活動の相互相関図を描き、一定の時間的関係を持って両者が活動することを示す有意な峰が形成されるかどうかを調べた。約半数の例で、甘、塩、苦、酸味の一種類以上の味刺激中に峰の形成がみられた。同時記録された3個のニューロン(A,B,Cとする)の内、BがAおよびCと相関を持つ場合について詳細な検討を加えた。特定の味質に対してBがAと相関であっても、Cとの間では相関が無かったり、相関係数が著しく異なったり或いは遅延時間が明らかに違う場合などがみられた。刺激味質を整えると、3者の相関関係も様々に変化した。これらの結果から、単一味ニューロンは近傍のニューロンと同期発火することによって味質を符号化しうることが明らかとなった。更に、味質が変れば、同期発火する相手のニューロンも違ってくる場合が多いので、単一ニューロンは原則として複数のネットワークに組込まれていると考えられる。また、同期発火は明瞭な味反応を示さない場合にもみられることがあったことから、単一ニューロンは味質の符号化にあたって、自己自身の放電頻度の変化による方法と他のニューロンとの時間的関係の強さで符号化する方法、の両者を継時的に使い分けたり、両者を同時に、しかも様々な比率で、使ったりしていると考えられる。
有袋類の咀嚼・嚥下様式と顎・口腔領域の形態についての比較解剖学

顎口腔顔面領域の最も重要なはたらきである咀嚼・嚥下運動において、咀嚼・嚥下様式の差異と顎顔面口腔領域を構成する骨や筋、歯牙の形態学的特質との関連性を解明することを目的として、咬合様式の異なるオーストラリア産有袋類のコアラやブラッシュテイルポッサムを研究対象とし、これらの顎関節、咀嚼筋、さらに咀嚼運動に直接関与する臼歯に対して比較解剖学的検索を行った。顎関節の形態では、下顎頭はコアラでは4つ、ブラッシュテイルポッサムでは3つのタイプに分けられ、後者では前者にみられないフラットタイプが最も多くの割合を占めた。さらに下顎頭の最大高部は前者が中間部に最も多かったのに対し後者では外側1/3の部位に多くみられた。臼歯の咬耗の度合いと顎関節の形態との関連性では、コアラが咬耗度と下顎頭、下顎窩の値に有意な正の相関を示したのに対しブラッシュテイルポッサムでは共に有意な値は示さなかった。上顎大臼歯の計測学的検索では、コアラもブラッシュテイルポッサムも共に第4大臼歯が他の3つの大臼歯よりも小さな値を示したが、コアラでは第1大臼歯と第2大臼歯とは歯冠の計測値に有意な差は示さなかったのに対しブラッシュテイルポッサムでは第2大臼歯が頬側近遠心径と近心頬舌径において他の大臼歯より大きな値を示し、逆に第1大臼歯は近心頬舌径において第2、第3大臼歯より小さな値を示した。咀嚼に関与する筋の観察では、コアラの哺乳期と咀嚼期における咬筋と頬筋の大きさの比較において、特に筋の厚さで頬筋は哺乳期では咬筋とほぼ同じ割合で発達するが、咀嚼期ではほとんど増加を示さず、さらに咬筋と顎関節との関連では特に上部の幅と厚さが下顎窩の形態の変化と高い相関性を示した。これらの結果から、顎運動の様式の差異と関連性を有する顎・口腔領域の形態的特徴が明確となる可能性が示された。咀嚼・嚥下機構と顎・口腔領域の骨、筋の形態学的特質との関連性を解明するために、有袋類のコアラをモデルとして咀嚼筋と顎関節を比較形態学的に検討し、以下の知見を得た。試料としてオーストラリア、アデレード大学医学部解剖学講座所蔵の雌コアラ6頭(体重2,400g8,800g)の頭部標本の貸与を受けた。各個体の咬合効率の指標としてLanyon and Sanson(1986)の方法に基づき実体顕微鏡下で上顎臼歯の咬耗度を測定し、C.W.C.(composite tooth wear class)を算出した。咀嚼筋のうち咬筋は起始部ならびに停止部で幅と厚さを、顎関節は池田(1983)の方法により下顎頭と下顎窩の幅と厚をデジタル・キャリパーを用いて計測した。

C.W.Cは下顎頭幅と下顎頭厚とに有意に高い相関を示した(p<0.05)のに対して、下顎窩幅と下顎窩厚にはより低い相関係数を示し、顎関節幅指数(下顎頭幅/下顎窩幅×100)と顎関節厚指数(下顎頭厚/下顎窩厚×100)にはほとんど相関を示さなかった。さらにコアラの各指数の値を肉食動物(イヌ、タヌキ、ネコ)、雑食動物(ブタ、イノシシ)、草食動物(メンヨウ、ヤギ、シカ)の値(池田、1983)と比較した結果、下顎頭指数は肉食動物および草食動物とほぼ同様の値を示したが、下顎窩指数は両者よりもやや低い値を示し、顎関節幅指数と顎関節厚指数は三者よりも高い値を示した。コアラはユーカリの葉の咀嚼に際し特異的な顎運動を行うことが報告されており(Lanyon and Sanson、1986)、これらの特徴的な顎関節の形態はその顎運動の特異性と密接な関係を有する可能性が示唆された。なお、上記の結果の一部は第16回国際解剖学会(2004年8月、京都)ならびに第110回日本解剖学会総会・全国学術集会(2005年3月、富山)において発表した。咀嚼・嚥下機構と顎・口腔領域の形態的特質との関連性を解明するために、有袋類のコアラをモデルとして上顎大臼歯の歯冠計測をおこない比較解剖学的な検討を加えて以下の知見を得た。試料としてオーストラリア、アデレード大学医学部解剖学講座所蔵のコアラ14頭(オス8頭、体重6,000g12,600g、メス6頭、体重5,400g7,500g)の頭部標本の貸与を受けた。各個体の上顎右側第一大臼歯から第四大臼歯の頬側近遠心径(BMD)、舌側近遠心径(LMD)、近心頬舌径(MBL)、遠心頬舌径(DBL)をデジタルキャリパーを用いて計測し、得られた値に統計解析を加えて歯列内の差異および性差を求めた。コアラの上顎第三大臼歯は第一および第二大臼歯に比べ、特に頬舌径において小さい傾向を示し、さらに第四大臼歯は他の3つの大臼歯よりも有意に小さい値を示した(P<0.01)。性差では、4つの大臼歯すべてにわたって、舌側の近遠心径はオスのほうがメスよりも有意に大きい値を示し(第一ないし第三大臼歯:P<0.01、第二ないし第四大臼歯:P<0.025)、さらにオスの第四大臼歯は4つの歯冠の値すべてにおいてメスよりも有意に大きな値を示した(P<0.05P<0.01)。また、変動係数の比較から、第三大臼歯の近遠心径はオスの第一大臼歯のBMDを除いて、他の三つの大臼歯よりも変動が大きい傾向を示し、一方、すべての大臼歯においてメスのMBLは最も少ない変動を示した。これらの結果から、コアラ大臼歯の歯冠の大きさは、近心の歯から遠心の歯にかけて小さくなる傾向がみとめられた。この傾向は特にメスにおいて顕著であることが示され、これらの傾向が上顎の形態的特質と発生後の咀嚼様式の特異性に連動している可能性が示唆された。なお、上記の結果の一部は第111回日本解剖学会総会・全国学術集会(2006年3月、神奈川県)において発表した。咀嚼・嚥下機構と顎・口腔領域の形態的特質との関連性を解明するために、有袋類のコアラをモデルとして下顎大臼歯の歯冠計測をおこない比較解剖学的な検討を加えて以下の知見を得た。各個体の下顎右側第一大臼歯から第四大臼歯の頬側近遠心径(BMD)、舌側近遠心径(LMD)、近心頬舌径(MBL)、遠心頬舌径(DBL)をデジタルキャリパーを用いて計測し、得られた値に統計解析を加えて歯列内の差異および性差を求めた。コアラの下顎第一大臼歯は雌雄ともに頬側近遠心径において他の3つの大臼歯より有意に小さい値を示したが(P<0.05P<0.01)、遠心頬舌径では逆に4つの大臼歯の中では最も大きい傾向を示した。上顎第四大臼歯は他の3つの大臼歯よりも有意に小さい値を示した(P<0.01)が、下顎第四大臼歯は遠心頬舌径においてのみ他の下顎大臼歯より小さい値を示した。変動係数の比較からは雌雄とも、頬側近遠心径において下顎第三大臼歯は他の三つの大臼歯よりも変動が大きい傾向を示し、一方で近心頬舌径においては最も少ない変動を示した。これらの傾向は特にメスにおいて顕著であった。これらの結果から、コアラ下顎大臼歯間において歯冠の平均値と相対的変動の大きさに差異がみとめられ、そのパターンは上顎大臼歯と異なっていることが示された。
３次救急医療を対象とした医療・福祉・介護の一体管理と高度化による救急医療システム

現在の救急業務の実態は救急車が現場に到着してから、傷病者を救急病院へ搬送するまでに、約28分間を要している。その搬送時間の中で行われるプレホスピタルケアは、非常に重要な役割を持っており、重篤な傷病者の救命率向上に、極めて大きな影響を持つ。一方、都市部と地方部では救急医療サービスのレベルが異なり、3次救急医療施設は都市部に偏在している。そのような場合、高速道路がうまく活用できれば、またドクターカーやドクターヘリが導入されれば、非常に有効となる。そこで、本研究ではドクターカーとドクターヘリの導入効果をGISシミュレーションで検討し、平常時と地震発生時で比較した。(1)ネットワーク信頼性解析に必要な基本モデルと北陸地域で調査した救急医療の現状と課題をもとに,全国の3次救急医療機関を対象としたドクターカーシステムの導入状況とニーズ調査,ならびに救急搬送に関する課題調査を行った。また、それとは別に、石川県をケーススタディーとして、ドクターヘリ導入の可能性とその導入効果の試算を行い、隣県(富山県)との連携の可能性とその効果をシミュレーションにより検討した。(2)国保データベースを基にした医療・福祉・健診情報に関するデータベースの解析のための基礎分析を行い、3次救急要請の潜在需要予測のためのモデル構築を試みた。今回は、高齢者の医療・福祉情報のデータベース化を通して,老人福祉施設を拠点とする各種情報の一元管理が可能かどうかについて検討を行い、不足するデータについて、リストアップを行った。(3)災害時(大地震発生時)を想定した同時多発型の救急要請に対する救急車の最適配車検討システムの開発を目指し、そのプロトタイプのモデル開発を行った。(4)ミクロ交通シミュレーションを活用した非常時(災害時)同時多発要請に対する救急車最適配車システムの開発を行う予定であったが、一般車両と緊急車両(救急車)の走行シミュレーションのアルゴリズム開発に少し時間がかかっており、当初予定通りのプログラム開発が進まなかった。(5)高齢者医療・福祉生活実態調査,住民医療情報のデータベース化のための準備を行った。なお、救急車の高速道路利用実態調査についても準備をおこなった。本研究では(1)高度医療情報デジタル伝送システム運用のためのアンテナ基地局最適配置システム、設置効果検証システムの開発、(2)ミクロ交通シミュレーションを活用した最適経路誘導・最適信号制御システムの効果検証、(3)ミクロ交通シミュレーションを活用した非常時(災害時)同時多発要請に対する救急車最適配車システムの開発、(4)同時多発型火災の発生予測システムの開発、(5)震災時道路網の信頼性解析、(6)過疎地老人福祉施設での高齢者医療・福祉情報の一元管理の可能性調査、(7)高齢者医療・福祉生活実態調査、住民医療情報のデータベース化、(8)救急車の高速道路利用実態調査、救急車専用退出路の最適計画策定システムの検討等を目指して研究を進めてきている。すべてができているわけではないが、これまで(1)、(2)、(3)、(5)はほぼ効果検証ができたと考えている。また、広域救急(3次救急)システムを最適化するためには、潜在的救急要請需要を的確に予測する必要があり、そのためには基礎データとしての地域住民の医療・福祉実態を(6)、(7)のように明らかにすることが重要である。これらの情報は個人情報であるため、一般には手に入れることは困難であるが、住民の福祉活動を支援する行政(市町村)であれば、情報を活用することができる。今回は、石川県のK市の国保データベースを活用して、ミクロ交通シミュレーションを行うように準備を進めている。本年度(平成27年度)までに、当初目的の(1)高度医療情報デジタル伝送システム運用のためのアンテナ基地局最適配置システム、設置効果検証システムの開発、(2)ミクロ交通シミュレーションを活用した最適経路誘導・最適信号制御システムの効果検証、(3)ミクロ交通シミュレーションを活用した非常時(災害時)同時多発要請に対する救急車最適配車システムの開発、(5)震災時道路網の信頼性解析(8)救急車の高速道路利用実態調査、救急車専用退出路の最適計画策定システムの検討等、ができてきたので、最終年度(平成28年度)においては、(6)過疎地老人福祉施設での高齢者医療・福祉情報の一元管理の可能性調査、(7)高齢者医療・福祉生活実態調査、住民医療情報のデータベース化を目指して研究を進めたい。本年度は、最終年度であるので、これまで行ってきた研究を整理するとともに、まだできていない項目について研究を進め、以下のことを行った。(1)救急医療現場へのデジタル伝送システムの導入効果とその導入可能性について、シミュレーションにより、救命率向上にどの程度貢献できるのか検討した。具体的にはドクターカーとドクターヘリの導入効果の検証と隣県ドクターヘリとの連携効果を明らかにした。また、(2)非常時(災害時)に対しては、道路網の信頼性解析により救急車両のアクセス性評価を行うとともに、同時多発要請に対する最適配車計画の検討システムの開発を行った。特に、今年度は、大地震発生時と洪水や津波被害等の複合災害時を想定した救急医療・救急搬送の信頼性評価を試みた。(3)震災時における道路網の構築(道路網信頼性解析)と市町村合併によるエリア拡大後の緊急車両(救急車・消防ポンプ車)の最適配車計画検討システム(再配置計画の検討システム)については、国保データベースの情報を考慮して、過疎地における高齢世帯(高齢夫婦、独居老人)の避難可能性を検討した。

さらに(4)かつては、地域コミュニティが確立しており、高齢世帯の日常生活の状況なども地域が把握していた状況にあるが、近年では地域コミュニティが希薄化してきており、そのような情報がはっきりしない状況にある。そこで、本研究では3次救急要請が発生する可能性を想定し、特に、後期高齢者の医療・福祉・介護情報の一元管理の可能性調査を進め、老人福祉施設等での情報集約化の可能性を検討し、国保データベース(KDB)、並びに後期高齢者データベースを活用したシステム構築のプロトタイプの作成を行った。今後、これらのシステムの有効性について検討したい。現在の救急業務の実態は救急車が現場に到着してから、傷病者を救急病院へ搬送するまでに、約28分間を要している。その搬送時間の中で行われるプレホスピタルケアは、非常に重要な役割を持っており、重篤な傷病者の救命率向上に、極めて大きな影響を持つ。一方、都市部と地方部では救急医療サービスのレベルが異なり、3次救急医療施設は都市部に偏在している。そのような場合、高速道路がうまく活用できれば、またドクターカーやドクターヘリが導入されれば、非常に有効となる。そこで、本研究ではドクターカーとドクターヘリの導入効果をGISシミュレーションで検討し、平常時と地震発生時で比較した。(1)(3)、並びに(5)については、予定通り順調に研究が進んでいるが、(4)のミクロ交通シミュレーションを活用した非常時(災害時)同時多発要請に対する救急車最適配車システムの開発については、シミュレーションを行うに当たり、一般車両と緊急車両(救急車)の走行シミュレーションのアルゴリズム開発に少し時間がかかっており、当初予定通りのプログラム開発が進まなかった。よって、多少当初予定よりも達成度が遅れているといえる。現在までの進捗状況でも示したが、最終年度である平成28年度は、(6)過疎地老人福祉施設での高齢者医療・福祉情報の一元管理の可能性調査と(7)高齢者医療・福祉生活実態調査、住民医療情報のデータベース化を目指して研究を進めたい。具体的には、高齢者国保データベースのデータから、3次救急医療に関するレセプトデータを抽出して、各地域の3次救急医療要請の実態を明らかにする。そのうえで、将来人口構成(年齢構造)が変化した場合の3次救急要請の需要(潜在的要請)を予測するシステムの開発につなげたいと考えている。28年度が最終年度であるため、記入しない。国土・交通計画(1)については、現在、石川県におけるドクターヘリ導入効果のシミュレーション予測を行っているので、今後は、ドクターカーとの棲み分けエリアを検討する方法論の検討を行う予定である。また、(2)については後期高齢者の生活実態(日常生活圏、食生活等)と地域特性の関連性分析を通して、3次救急要請との因果関係を明らかにしたい。(3)については、非常時の同時多発救急要請に対応できる救急車の最適配置検討システムに発展させたいと考えている。(4)については、ミクロ交通シミュレーションのアルゴリズム開発を行う予定であるが、やはり救急車に対する一般車両の避譲行動のアルゴリズム化を検討したいと考えている。関連研究資料の収集のために参加予定であった学会(研究発表会)に参加できなくなったため、当初予定していた旅費分が未使用となった。
二重情報課題とBMIをもちいた脳内情報表現の解析

本研究は二重情報課題という行動パラダイム実行中のラットの脳活動を解析予定であったが、行動課題を変更しルールスイッチング課題をラットに課してニューロン活動の記録を試みた。二重情報課題は、単一セッションにおいて異なる認知状態をラットに持たせるものであったが、ルールスイッチング課題は学習によってラットの認知状態を徐々に変化させるものであり、時間軸こそ違えどこの二つの行動パラダイムの目的は同一である。本年度はこの課題実行中のラット海馬における局所場電位(LFP)の学習に伴う変化を記録した。LFPはニューロン集団の活動の集合として発生する脳波と考えられており、本研究の目的である、同期活動により情報を符号化するニューロン集団(セル・アセンブリ)の可塑的な変化にも重要な役割を果たしていると考えられている。本研究では周波数帯間カップリング(Cross-Frequency coupling, CFC)とよばれる現象に着目して解析した。このCFCはラット海馬においてはシータ帯域(5-12Hz)とガンマ帯域(30-100Hz)の周波数帯間で観測されることが知られている。ガンマ帯域は局所的なセル・アセンブリの活動タイミングに関与するとされており、シータ波はそれらの局所的な活動をより広域なレベルで統合すると考えられている。このCFCの強度が学習に伴って上昇してゆくことが先行研究では示唆されていたが、本研究ではこのカップリングの強化が学習後も持続するのではなく、学習発生時に一過性であることを示すデータが得られた。これは従来の研究が1セッションで学習完了する課題を使用していたのに対して、本課題では一週間程度の学習が必要な課題を利用して持続的に記録を行ったため発見出来た現象である。この知見は、学習に伴って組み代わるセル・アセンブリのその切り替わりのメカニズムとしてCFCが寄与している可能性を示すものである。この関係を直接的に検証するためのBMI実験についてもセットアップを終了し、データの収集を開始した。いまだ十分なデータ数が記録出来ておらず、論文としてまとめて発表出来る段階にいたれなかった。(抄録なし)本研究の目的は、高次な情報処理仮定に関与しているとされる神経細胞集団に注目して、脳内の神経細胞において情報がどのようなダイナミクスで処理されているかを考察することであった。そのために、独自に考案した行動課題である二重情報課題を実行中のラットのニューロン活動の電気生理的記録と、BMI技術を用いたニューラル・オペラントによる実験の二つをその研究計画の柱としていた。研究実施計画において、本年度はこれまでに開発した行動課題実行中のラット海馬からニューロン活動を記録する実験を予定していたが、電気生理実験を前に行動データをより詳細に分析したところ、本来の研究目的に沿わない行動結果であることが判明した。より細かい条件ごとに着目しての解析を怠っていたため、ラットがこちらの狙いのように異なる情報を使い分けて正答を得るという方法ではなく、同時に二つの情報を処理・保持してこちらの設定する条件どちらにでも対応できるようにするという抜け道的な方策をとっていることに気づけなかった。この失敗の原因には、そもそもの行動パラダイムが厳密でなかったことと、データ分析の不十分さという二点の原因があったと考えられる。これまで使用してきた二重情報パラダイムは不完全で研究に不適なものであったと結論せざるを得ない。そのため、これまでの実験はいったん全て破棄し、現在は行動パラダイムを見直して本来の目的に沿った実験計画を再考し、ラットに実際に訓練を行いその有効性を検証している段階であるため、本報告書において記載すべき研究成果・実績は未だ何も得られていない。また、次年度以降に実施を予定していたBMIをもちいた実験のためのリアルタイム・スパイク・ソーティングシステムのセットアップも今年度中に実施する予定であったが、上記のトラブルもあり未だ中途である。本年度より、二重情報課題に変わってルールスイッチング課題を用いてラット海馬からのニューロン活動の記録を試みている。本年度はこのルールスイッチング課題を用いて、新しいルールを学習してゆく際のニューロン活動を継続的に記録することにより、学習前は活動に関連性を持たなかったニューロンのペアが、学習に従って同期発火をみせるようになることを観測した。異なるニューロン同士がタイミングをあわせて発火する同期発火現象は、複数のニューロン集団が同時に活動することにより情報を処理すると考えられるセル・アセンブリの存在を強く示唆するものであり、その同期発火が変化したと言うことは、ルールスイッチングによる学習によって海馬のセル・アセンブリもまた柔軟に変化したことを示すものである。いまだサンプル数が十分ではないため結論を出すことは出来ないが、このようにルールのような高次概念の学習に応じて海馬ニューロンのセル・アセンブリとしての活動が変化することはいまだ十分な報告がなされていない。また解析途中ながら、局所フィールド電位(LFP)を同時記録しており、先述のようなニューロンの同期活動の変化とLFPの何らかの変化に対応を見出すことが出来れば、いまだ十分に解明されていないセル・アセンブリの柔軟な組み替わりのダイナミクスについて、新たな知見を報告しうる可能性がある。

二重情報課題は、単一セッションにおいて異なる認知状態をラットに持たせるものであったが、ルールスイッチング課題は学習によってラットの認知状態を徐々に変化させるものであり、時間軸こそ違えどこの二つの行動パラダイムの目的は同一である。本年度はこの課題実行中のラット海馬における局所場電位(LFP)の学習に伴う変化を記録した。LFPはニューロン集団の活動の集合として発生する脳波と考えられており、本研究の目的である、同期活動により情報を符号化するニューロン集団(セル・アセンブリ)の可塑的な変化にも重要な役割を果たしていると考えられている。本研究では周波数帯間カップリング(Cross-Frequency coupling, CFC)とよばれる現象に着目して解析した。このCFCはラット海馬においてはシータ帯域(5-12Hz)とガンマ帯域(30-100Hz)の周波数帯間で観測されることが知られている。ガンマ帯域は局所的なセル・アセンブリの活動タイミングに関与するとされており、シータ波はそれらの局所的な活動をより広域なレベルで統合すると考えられている。このCFCの強度が学習に伴って上昇してゆくことが先行研究では示唆されていたが、本研究ではこのカップリングの強化が学習後も持続するのではなく、学習発生時に一過性であることを示すデータが得られた。これは従来の研究が1セッションで学習完了する課題を使用していたのに対して、本課題では一週間程度の学習が必要な課題を利用して持続的に記録を行ったため発見出来た現象である。この知見は、学習に伴って組み代わるセル・アセンブリのその切り替わりのメカニズムとしてCFCが寄与している可能性を示すものである。この関係を直接的に検証するためのBMI実験についてもセットアップを終了し、データの収集を開始した。研究実施計画においては今年度はこれまでの行動実験のデータを踏まえて電気生理実験を行う予定であったが、行動データの再検討の結果、使用を予定していた行動パラダイム(二重情報課題)が本研究の目的に沿わないものであることが判明した。そのため電気生理実験を行うことは出来ず、再び行動パラダイムを検討し考案している状態であり、残念ながら研究の進行は遅れていると言わざるを得ない。同一ニューロンを日をまたいで継続的に記録することは極めて難しい観測法であり、また日数を要するため現時点では十分なサンプル数を記録出来ていない。また、並行して進行する予定だったBMIを用いた実験も、いまだシステムのセットアップの段階である。いまだ十分なデータ数が記録出来ておらず、論文としてまとめて発表出来る段階にいたれなかった。二重情報課題にかわる行動パラダイムとして「遅延見本合わせ課題」「ルールスイッチング課題」の二つを行動課題として検討中である。後者のルールスイッチング課題は従来では主に実行機能の指標として用いられてきたものだが、今回はそれを改良し記憶課題としての性質を付与しようとしている。
流場モデルを用いた速度場の画像計測に関する研究

可視化画像を用いた速度場の計測を行う際に、流体の力学的な支配方程式を考慮した新しい計測手法の開発を行った。一般に計測という行為は、温度や圧力などの物理量をセンサーなどにより水銀の膨張や電圧などといった計測可能な信号に変換し、前もって求められていた物理量と信号の関係から計測対象の量を求めることである。物理量と信号の関係を表わす式を計測方程式と呼ぶが、従来の粒子画像流速測定法(PIV;Particle Imaging Velocimetry)における計測方程式は、粒子像の移動に関するもののみを用いてきた。しかし、流体は力学的な法則に従って運動しているため、流体粒子の運動の物理的な法則を記述した方程式を計測方程式の一部として用いることが可能である。本研究ではこのような観点に基づいて、計測方程式に画像の変形ならびに移動に関する幾何学的な支配方程式と流体の力学的な方程式の両者を考慮することにより、従来と異なる新しい計測手法の開発に成功した。(1)時空間微分法ならびに濃度相関法に流場モデルを考慮した解析を付加した手法についての検討を、PIV標準画像と呼ばれるテスト画像などを用いて行った。この結果、従来の手法に比べて精度の向上が見られ、物理的な考察も容易になるなどの成果が得られた。(2)流場モデルを用いて画像計測手法の実用化の可能性を検討した。画像の幾何学的な相関条件と力学的な運動条件をもとに計測システムの構築を行うことにより、流場モデルを考慮する意義を明確に、流体粒子の移動過程を単純に直線的に結ぶのではなく、流線の曲がりなどを考慮することにより、実用的なシステムの構築を行うことができた。可視化画像を用いた速度場の計測手法に対して流場モデルを考慮し、計測画像のみならず物理的な条件を付加した計測手法の開発を行なった。粒子画像流速測定法(PIV;Particle imaging Velocimetry)は、非接触で広領域の速度場の瞬時の値を計測できる方法として注目を集めているが、本研究では画像情報だけに頼っていたこの種の計測法に物理的な観点を組み入れて、計測の精度と信頼性を高めるとともに、力学的な情報を抽出することを目的とした新しい計測法の開発を行なった。従来のPIV手法は、流れの可視化のためにトレーサーなどを流体中に混入させ、これの動きが流体の運動を表すとして、画像上の情報からトレーサーの動きをいかに正確に計測するかということに研究を重ねてきた。本計測手法は計測対象とする流場が力学的な法則に支配されていることに注目し、画像から得られる情報と物理法則から得られる連続の条件や力の釣り合いなどの条件を総合的に判断し、速度場の情報を獲得するシステムを考えた。本年度は、時空間微分法ならびに濃度相関法に流場モデルを考慮した解析を付加した手法について検討を、PIV標準画像と呼ばれるテスト画像などを用いて行なった。今後は、これらの手法の実計測での有効性についての検討を引き続き行ない、実用的な手法の構築を目指す。物理量と信号の関係を表わす式を計測方程式と呼ぶが、従来の粒子画像流速測定法(PIV;Particle Imaging Velocimetry)における計測方程式は、粒子象の移動に関するもののみを用いてきた。