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肥満症の新概念ー内臓脂肪蓄積型肥満の成因と代謝異常発症機序の研究

近年我国においても糖尿病や高脂血症に基づく動脈硬化性疾患が増加しているが、その基盤には過栄養に伴う肥満が大きな意義を持っている。しかし肥満に伴う合併症は必ずしも脂肪組織の絶対量、肥満度とは相関せず脂肪組織の分布状態と関連することが知られてきた。我々は、独自に開発したCTスキャンによる脂肪量測定法を用いて身体各部の脂肪分布を分析した結果、腹腔内に脂肪が蓄積するタイプ(内臓脂肪蓄積型肥満)は皮下に脂肪が蓄積するタイプ(皮下脂肪蓄積型肥満)に比べ糖及び脂質代謝異常を高率に合併することを見出し、肥満を脂肪分布によって上記の二つの型に分類する新しい概念からの分類を提唱した。本研究では、さらに肥満の治療によって脂肪組織の減少が起こる際、内臓脂肪の減少と代謝異常の改善の程度が相関することを明らかにし、内臓脂肪の代謝異常に対する関与をさらに確認した。また非肥満者においても内臓脂肪の蓄積がII型糖尿病や高脂血症の発症と関連することを見出した。一方、実験肥満動物であるVMHラットを作成し、内臓脂肪として腸間膜脂肪と代謝因子との関係を検討すると、腸間膜脂肪重量/体重比と血糖、中性脂肪値の間に有意な相関が認められ、ヒト症例の成績が動物においても確認された。腸間膜脂肪重量/体重比と門脈血遊離脂肪酸(FFA)との間にも相関を認め、門脈血FFAの上昇が肝におけるインスリン抵抗性や脂質合成の亢進を惹起する可能性を明らかにしたが、FFA上昇の機作として腸間膜脂肪細胞は皮下脂肪細胞に比し脂肪分解が亢進していることを見出した。内臓脂肪蓄積の機序として、食事性因子では高蔗糖食が胃間膜脂肪細胞容積を増大させ腸間膜脂肪重量を増加させることを明らかにした。また腸間膜脂肪細胞の前駆体であるpreadipocyteは増殖能及び分化能が低く、脂肪組織の増殖に際しむしろ成熟脂肪細胞の増大が重要であることが明らかとなった。近年我が国において高脂血症や糖尿病に基づく動脈硬化性疾患が増加しているが,さらにその基盤として肥満が大きな意義をもっている.しかし肥満の合併症は必ずしも肥満の程度とは相関せず,むしろ脂肪の蓄積部位が関連することが最近知られてきた.我々は独自に開発した脂肪組織の分析法(CTスキャンを導入したもの)を用いて身体各部の脂肪分布を分析した結果,同じ肥満でも腹腔内に脂肪が蓄積するタイプ(内臓脂肪蓄積型肥満)は皮下に脂肪が蓄積するタイプ(皮下脂肪蓄積肥満)に比べ,糖代謝異常や高脂血症等の代謝異常を高率に合併することを明らかにし,肥満を脂肪分布によって上記の二つの型に分類する新しい概念からの分類を提唱した.本研究では,さらに肥満の治療によって脂肪組織の減少が起こる際,内臓脂肪の減少の低度と代謝異常の改善の程度が相関することを明らかにし,内臓脂肪の代謝異常に対する関与をさらに確認した.またラットの腹内側核(VMH)破壊により肥満モデル動物を作成し内臓脂肪として腸間膜脂肪の重量と代謝との関連を検討した結果,腸間膜脂肪の増加と空腹時血糖及び血清トリグリセライドが有意に相関し,ヒト症例の成積が動物においても確認された.さらに腸間膜脂肪の重量と門脈血の遊離脂肪酸(FFA)濃度が有意に相関した.即ち腸間膜脂肪の蓄積は門脈血のFFA濃度を上昇させ,門脈系を通じて直結している肝臓に作用し,インスリン抵抗を惹起したり,脂質の合成亢進をもたらす可能性を明らかにした,内臓脂肪の増加を来たす機序としては,食事因子の検討がなされ,高庶糖食を与えたVMH

肥満ラットにおいて普通食群に比し腸間脂肪の相対的増加がみられ,それは細胞容量の増大によることを明らかにした.またpreadipocyteを用いた培養系での検討で,内臓脂肪は皮下脂肪に比し,成熟脂肪細胞への分化能が悪いことが明らかになり,逆に成熟細胞自身の増大が起こりやすい事が推察された.近年肥満に伴う合併症の重症度や合併頻度は必ずしも脂肪組織の絶対量肥満度とは相関せず、脂肪組織の分布状態と関連することが知られてきた。我々は独自に開発したCTスキャンによる脂肪量測定法を用いて肥満者の脂肪分布を分析することにより、肥満を耐糖能低下、高脂血症など合併症を伴いやすい内臓脂肪蓄積型肥満と、合併症が比較的少ない皮下脂肪蓄積型肥満という新しい概念に基づいて分類することが肥満症の病態解析に有用であることを示してきた。本研究では、さらに非肥満者においても同様の分析を行い、腹腔内の内臓脂肪の蓄積がII型糖尿病や高脂血症の発症と関連することを見出した。またVMH破壊肥満ラットを作製し、内臓脂肪として腸間膜脂肪と代謝因子との関係を検討すると、腸間膜脂肪重量/体重比と血糖、中性脂肪値の間に有意な相関が認められ、ヒトと同様に実験肥満動物においても内臓脂肪蓄積と糖及び脂質代謝異常との関連性を明らかにした。また腸間膜脂肪重量/体重比と門脈血遊離脂肪酸(FFA)との間にも相関がみられ、門脈血FFAの上昇が肝におけるインスリン抵抗性や脂質合成の亢進を惹起することが考えられたが、FFA上昇の機作として腸間膜脂肪細胞は皮下脂肪細胞に比しイソプロテレノール刺激による脂肪分解能が亢進していることを見出した。内臓脂肪蓄積を生じる機序の検討としては、食事性因子として、高蔗糖食がVMHラットの腸間膜脂肪細胞容積を増大させ腸間膜脂肪重量/体重比を増加させること、またこれは二糖類分解酵素阻害剤により抑制されることを明らかにした。さらにpreadipocyteの培養による研究において、腸間膜脂肪細胞は皮下脂肪細胞に比し細胞増殖能及び分化能が低いことが見出され、脂肪組織増殖に際し、むしろ成熟脂肪細胞の増大が重要である可能性が確認された。
X-band電子綿形加速器を用いたコンプトン散乱小型単色硬X線源の開発

東大原子力専攻において、X-bandマルチバンチ電子線形加速器を用いた小型コンプトン散乱X線源の開発を進めており、そのシステム構築と性能評価を行ってきた。今年度においては、X-band加速管による電子ビーム加速の達成と、電子ビーム・レーザーパルスの衝突によるコンプトン散乱X線発生試験を行い、約10keVのX線シグナルを取得した。更なるX線の強度増強のため、電子銃による安定な電子ビーム発生を実現するために、熱陰極同軸のRF遮断構造に、スプリングの最適化及び新型のチョーク構造の適用を行った。本研究で示したX-band熱陰極RF電子銃とX-band加速管からなる小型加速器による電子加速の達成と、これを用いたコンプトン散乱によるX線発生の達成は、病院レベルでのコンプトン散乱X線源の実現に向けて、非常に重要且つ大きな成果であると言える。加速管含む立体回路の構築の成功と得られた知見は、今後の小型高エネルギー加速器の開発にとって、非常に重要且つ大きな研究成果であると言える。今年度の成果を踏まえ、新構造を採用した電子銃のインストールを行い、高品質大強度X線発生を実証していく事で、単色X線源としての性能向上が多いに期待する事が出来る。東大原子力専攻において、X-bandマルチバンチ電子線形加速器を用いた小型コンプトン散乱X線源の開発を進めてきている。本研究においては、全システムの構築と性能評価を目的とし、平成18年度ではシステム全体の構築、特にX-band熱陰極RF電子銃によるビーム生成試験と、加速管を含む全立体回路の構築、コンプトン散乱用レーザーシステムの構築を実施してきた。これまでに、X-bandクライストロンによる大電力出力試験と熱陰極RF電子銃によるビーム発生試験を実施し、ビーム発生とその評価を定量的に行うことで、その有効性を世界で始めて実証した。これに引続き、X-band加速管とレーザー装置を含むコンプトン散乱によるX線発生に必要な体系を構築した。X-band加速管を含む立体回路の構築では、様々なトラブルを克服し、順調なパワー投入に成功した。また、RFコンディショニングを通じて得られた、コンディショニングの効率化につながる方針を示した。レーザー装置に関しては、性能評価を行う事で十分な安定度が得られている事を定量的に示した。更に、小型高エネルギー加速器による安定なビーム生成を実現するために、実験を通して得られた知見と今後の課題点を、原子力保全工学を基に体系して明確に示した。平成18年度の研究で示した世界初のX-band熱陰極RF電子銃によるビーム発生の実証の達成と、加速管含む立体回路の構築の成功、及び高電界試験により得られた知見と課題点は、今後の小型高エネルギー加速器の開発にとって重要な成果であると言える。さらに、レーザー光学系の構築とビーム診断装置の開発は、今後のコンプトン散乱X線発生試験へつながる、重要な研究成果であると言える。これに引続き平成19年度では、ビーム加速試験を実施し電子ビーム特性の精密測定を実施し、最終的にレーザー・電子ビーム衝突による単色X線発生試験を実施する予定である。
分子状酸素による新規光エポキシ化反応

本研究は,可視光エネルギーの分子状酸素の有効利用という観点に立脚し光増感反応を利用して分子状酸素より一重項酸素を発生させ,これを用いてオレフィン類を酸化し合成化学的付加価値の高いエポキシドの合成法の開発を目的としたものである.酸素原子受容体存在下でのエポキシドの生成法についてはほとんど研究がなされていない.酸素原子受容体としての二酸化イオウに着目し光エポキシド化反応を検討した.一重項酸素酸化反応による光エポキシ化反応:メチレンブルーやローズベンガル等の色素増感剤と光および分子状酸素より一重項酸素を発生させ,過剰量の二酸化イオウ存在下アルキル置換オレフィンを酸化しエポキシドを高収率で合成する事に成功した.種々の反応条件を検討し,活性酸素中間体の二酸化イオウへの酸素原子移動反応の機構の解明も合わせて行なった.まずオレフィンの一重項酸素酸化によりパーエポキシド中間体が生成し,この中間体から求核的な酸素原子移動が二酸化イオウにおこりエポキシドが生成するものと考えられる.本反応機構はシス及びトランスーオレフィンを用いた立体化学の検討からも支持された.本研究は,可視光エネルギーの分子状酸素の有効利用という観点に立脚し光増感反応を利用して分子状酸素より一重項酸素を発生させ,これを用いてオレフィン類を酸化し合成化学的付加価値の高いエポキシドの合成法の開発を目的としたものである.酸素原子受容体存在下でのエポキシドの生成法についてはほとんど研究がなされていない.酸素原子受容体としての二酸化イオウに着目し光エポキシド化反応を検討した.一重項酸素酸化反応による光エポキシ化反応:メチレンブルーやローズベンガル等の色素増感剤と光および分子状酸素より一重項酸素を発生させ,過剰量の二酸化イオウ存在下アルキル置換オレフィンを酸化しエポキシドを高収率で合成する事に成功した.種々の反応条件を検討し,活性酸素中間体の二酸化イオウへの酸素原子移動反応の機構の解明も合わせて行なった.まずオレフィンの一重項酸素酸化によりパーエポキシド中間体が生成し,この中間体から求核的な酸素原子移動が二酸化イオウにおこりエポキシドが生成するものと考えられる.本反応機構はシス及びトランスーオレフィンを用いた立体化学の検討からも支持された.
流れとその渋滞の数理モデル化と渋滞緩和

車の流れの道路ネットワークにおける渋滞について、特に合流部における解析に焦点をあてて研究をすすめた。2つの道路が一つに合流する場合について、前年度までのモデルを拡張して流量の保存則を用いて理論解析をすることに成功した。この結果により、数値シミュレーションの結果をうまく説明することができた。さらに、道路の車線変更禁止線についてその渋滞抑制効果を理論的に検証した。これは高速道路における合流部の渋滞緩和に大きく貢献できるアイディアであり、またコストがほとんどかからない。そして渋滞緩和は車からの二酸化炭素排出の低減にもつながり、事故も抑制できることを示した。また、人の流れとその混雑についても、理論と実験をした。特に公共施設などでの待ち行列や通行時の通路の形状の影響などのシミュレーションと理論解析をおこない、実際の施設における混雑改善を提案した。さらに実測と統計解析を行い、理論の正当性とモデルに含まれるパラメータの検討をした。そして電車ネットワークの渋滞についても、前年度までのバスルートモデルの拡張によりシミュレーションすることに成功した。これにより的ある場所での遅延の影響が全体にどのように拡散していくかを示すことができた。単路部での車の挙動と自然渋滞発生のメカニズムを議論し、これまで国際的に研究者の間でまだ意見が一致していない渋滞相転移の同期流という複雑な振る舞いについて研究をした。これは非渋滞から渋滞になる臨界密度付近において、流量と密度が関数関係にならずに複雑でカオス的な振る舞いを示す現象である。そして密度が増加するランプ部において顕著にこの同期流が見られるため、この部分に焦点をあてたモデル化をした。また、最近はサグ部での渋滞形成が社会問題になっているが、これもサグ部において定在する膨張派の存在が鍵を握っていることが分かっている。この理論と実験をおこなった。さらに様々な実測データの解析、そしてGPS計器を搭載した車による隊列走行の実験をおこなった。そしてランプ部やネットワーク道路でのシミュレーションをおこない、実際の交通網の交通量予測などを行なった。また、合流部ついて、車が出入りする効果をラングミュアー運動を取り入れることでモデル化に成功した。これは生物の分子モーターのモデルで、2つの微小管が合流する際のモデルを応用したものである。このモデルで流量の保存則を用いると平均場近似によって渋滞相、そして自由相の遷移の判定が可能になる。これにより、入出の確率の変化に伴う内部流の相図を作成することに成功した。
流通チャネルにおける企業間適応に関する包括的分析モデルの構築と実証分析

本研究テーマに沿って、当該年度は、昨年に引き続き、企業間統合(inter-firm integration)の問題に焦点を当てて理論研究及び実証研究を行なった。まず、広範な文献レビューを行ない、既存研究が企業間統合の2つの異なる次元に焦点を当てていることがわかった。一つは企業間における活動調整を意味するコーディネーション統合、もう一つは企業間における権限・パワー関係またはコントールを意味するオーソリティ統合である。前者は特にサプライチェーン・マネジメントの研究者が関心を持っている統合の次元で、後者に対しては取引費用アプローチの研究者が焦点を当ててきた本研究では、この両方の次元を同時に扱うリサーチ・モデルを構築した。両方の統合次元を扱う研究はこれまでにはない新しい試みである。それぞれの統合と2種類の不確実性、つまり環境の不確実性と行動の不確実性のパフォーマンスに対する交互効果を検証している。また、製品ポジショニングに関わる変数、具体的には製品のユニークさという変数とそれぞれの統合との交互効果を検証している。分析の結果によると、コーディネーション統合によって、環境の不確実性のパフォーマンスに対する負の効果は緩和されること、オーソリティ統合によって、行動の不確実性の負のパフォーマンス効果は緩和されることが確認された。また、製品のユニークさが高い場合、製品にカスタマイズされた流通業者の流通活動が必要となり、コーディネーション統合が必要なことも確認された。昨年度中に実証研究を行ない投稿した論文であるが、本年度中はレビュアーから大幅修正を求められたために、モデルの修正や分析の追加、論文の修正に専念した。その甲斐あってJournal of Business and Industrial Marketing採択された。また、今後のジャーナル投稿に向けて、国際学会で別の研究成果3本の報告を行うことができ、当初の計画通りの研究成果を順調に産出している。昨年度、本年度の研究の推進方策として述べたことであるが、今後は信頼やケイパビリティなどの変数を用いた分析モデルの構築と実証研究を考えている。既にジャーナルに投稿した論文の修正や分析の追加が必要になったために、本年度は実行できなかった。ただ、研究計画の大きな変更はなく、研究計画に沿った研究を遂行する上で大きな問題はない。本研究の目的は、企業間適応(inter-firm adaptation)に関する包括的な分析モデルを構築し、実証分析を行うことである。マーケティング分野において企業間の関係性に焦点を当てた研究には、IMPグループを中心としたB2Bマーケティング研究グループと流通チャネル研究グループがあるが、両者の補完的関係を活用して分析モデルを構築する。具体的には、企業間紐帯、資源結合、活動連結という3つの次元から企業間関係を捉えようとするIMPグループのARAフレームワークをベースとして、これまでの流通チャネル研究において実証されてきた仮説や変数を応用して、分析モデルを作る。本年度は、先行研究のレビューを徹底して行った。併せて、2016年のIMP Conferenceで研究報告した企業間適応とチャネル・パフォーマンスに関する研究を精緻化してIndustrial Marketing Managementに投稿し、掲載された。これは流通業者の関係特殊的資源や特定のブランドにカスタマイズされた流通サービスが製造業者のブランドの信頼性・イメージ・差別化にどのように貢献するか検討している。また、企業間統合をコーディネーション統合とコントール(所有権)統合という2つの次元に分けて、それぞれの統合次元がチャネル関係においてどのような働きをするのか実証分析を行った。本年度、この研究成果をJournal of Business and Industrial Marketingに投稿した(レビュープロセスにある)。さらに、本研究テーマに関連して行った研究の成果を国際学会で発表している。国際学会での発表・参加を通じて、海外の研究者からさまざまな助言ももらっている。本年度、3つの国際学会での発表を行った。既に投稿していた本研究関連論文が2本、英文ジャーナルに掲載された。本年度新たに1本の英文ジャーナルへの投稿、3本の国際学会報告を行うことができ、研究計画で予定していた以上の研究成果を出すことができたと自負している。

また、今後のジャーナル投稿に向けて、国際学会で別の研究成果3本の報告を行うことができ、当初の計画通りの研究成果を順調に産出している。次年度は、当該年度の実証研究において無視していた信頼やケイパビリティなどの変数を用いた分析モデルの構築と実証研究を考えている。当初の研究計画の通り、研究成果を国際学会で報告する。また、次年度以降においても、学会発表だけでなく、海外ジャーナルへの投稿を行ないたいと考えている。今のところ、研究計画の大きな変更はなく、研究を遂行する上での問題点はないと考えている。昨年度、本年度の研究の推進方策として述べたことであるが、今後は信頼やケイパビリティなどの変数を用いた分析モデルの構築と実証研究を考えている。既にジャーナルに投稿した論文の修正や分析の追加が必要になったために、本年度は実行できなかった。ただ、研究計画の大きな変更はなく、研究計画に沿った研究を遂行する上で大きな問題はない。国際学会での報告を促進するための学内の国際学会参加渡航助成や学内の個人研究などを活用できたために、使用計画において計上していた国際学会での報告のための出張費を節約することができた。次年度では、欧州及び中南米といった遠方で開催される国際学会で研究報告を行う予定で予定以上の旅費が必要となるので、次年度の旅費として使用する予定である。所属大学の英文校正助成金を予定していた一部の英文校正費に充てたので、本年度の未使用額が生じた。次年度分の助成金と合わせて、買い替えが必要なノートパソコンの購入に充てる。
放射光による局所応力評価法を用いたミルフィーユ構造材料のキンク形成機構の解明

硬質層と軟質層が層状に積み重なったミルフィーユ構造を持つLPSO型Mg合金は,圧縮変形においてキンク帯の形成を伴う塑性変形を生じる.さらに形成されたキンクはLPSO相の積層面に平行なすべりを抑制するため,強化機構としての機能も併せ持つ.しかし,キンクの形成機構は未解明な点が多く理解が進んでいない.そこで本研究では,ミクロスケールでの局所応力分布の評価手法である放射光白色X線マイクロビームを用いたエネルギー分散型X線回折顕微法を用いることによって,LPSO型Mg合金の圧縮変形中のその場局所応力測定を行い,キンク近傍の局所応力分布を解析し,キンクの形成機構を明らかにすることを目的とする.硬質層と軟質層が層状に積み重なったミルフィーユ構造を持つLPSO型Mg合金は,圧縮変形においてキンク帯の形成を伴う塑性変形を生じる.さらに形成されたキンクはLPSO相の積層面に平行なすべりを抑制するため,強化機構としての機能も併せ持つ.しかし,キンクの形成機構は未解明な点が多く理解が進んでいない.そこで本研究では,ミクロスケールでの局所応力分布の評価手法である放射光白色X線マイクロビームを用いたエネルギー分散型X線回折顕微法を用いることによって,LPSO型Mg合金の圧縮変形中のその場局所応力測定を行い,キンク近傍の局所応力分布を解析し,キンクの形成機構を明らかにすることを目的とする.
電磁波の生体への有効利用の研究

神経細胞にアポトーシスを誘導した電磁波は、FFT解析によって数種類の高周波の複合波形であったことが分かった。そしてアポトーシス誘導のメカニズムは、細胞内小器官の傷害で引き起こされていることが確認された。さらに電磁波が水晶体の細胞構造を崩壊させ、白内障を引き起こしていることが、豚眼の実験で証明されたため、白内障を防止する方法が将来見つかるかもしれない。また正常細胞と癌細胞での電磁波の感受性を比較解析したが、正常細胞は細胞増殖が阻害されたが、癌細胞では逆に細胞増殖が増大した。これより癌細胞の細胞内小器官が強い抗酸化作用を有していることが示唆され、将来の癌治療に貢献できると思われる。電磁波計測については、昨年度に引き続いて行い、特徴的波形を検出できた。また、電磁波による細胞の形態変化や細胞内変化を、経時的に捉えるために、電磁波照射専用の観察用顕微鏡チャンバーと顕微鏡セットを作成し、また経時的に撮影できるシステムを構築した。現在、同システムで解析を始めている。神経細胞株として代表的なPCー12細胞に対してアポトーシスを誘導した自作の電磁波発生機の、周波数、および、波形の解析を、今回、購入した高周波対応の高機能のオシロスコープを用いて行った。解析した周波数の成分と波形から、アポトーシスの誘導と関連のある波形を抽出し、信号発生器を用いて造波を行った。しかし、今回、購入出来た信号発生器では、波形の一部、または簡易的波形を作ることは可能であったが、解析できた波形を完全に造波することが技術的に困難であったため、現在、解析した電磁波成分の一部を造波して、その各々の効果を確認している。また、造波によるアポトーシスの再現性が確保できない可能性も考慮しなければならないため、同時並行で、自作した電磁波発生機の電磁波成分にフィルターを通して一部電磁波成分をカットすることで、アポトーシスに関連のある電磁波成分を抽出する実験を行っている。アポトーシスに関して、細胞内小器官への影響、及びメカニズムの解析について、電子顕微鏡、及び、細胞内小器官の特殊機能検査を用いて解析している。さらにアポトーシスのpathwayに関しても、阻害剤を用いて解析中である。アポトーシス現象に関しては、遺伝子解析、fragmentation、免疫染色を用いて効果判定している。電磁波の強度測定に関しては、対象としている周波数に対応した電界強度計を検討中である。(場合によっては作製の必要があるかもしれない)前年度までに行った電磁波測定によって、アポトーシスを誘導する電磁波成分を解析することができた。しかし、さらに詳しい電磁波成分の効果については、解析できた周波数が予想よりもはるかに高周波成分を含んでいたため、電磁波造波装置を使って成分照射するための機器が非常に高額になってしまった。そのため、対応する高機能の機器が購入不可能で造波できず、電磁波をフィルターによってセパレートすることを試みた。しかし、周波数が高く不可能で、さらに電磁波を有効にプロテクトする方法を確立できないまま、電磁波の実験者への影響が出現したため、成分分離作業を中断し、複合波のまま実験を継続した。正常の神経細胞では、複合電磁波でアポトーシスが誘発され、さらに、ミトコンドリア内の電子伝達系を破壊していることを突き止めた。しかし同時に、癌細胞の神経芽細胞ではアポトーシスが誘発されず、短い照射では、細胞増殖を認めた。このことは、癌細胞には、正常細胞よりもミトコンドリア内の電子伝達系の働きが高く、酸化に対する強い抵抗力を持っていることが考えられたため、このメカニズムを解明することによって、今後の癌治療戦略に新たな道筋を見つけることが可能になることが期待された。また上述のように、実験者に、原因不明の突然の重度の白内障が発生したため、水晶体への電磁波の影響の存在の有無についても実験した。豚眼の水晶体に複合電磁波を照射したところ、コントロール群と比較して、早期に劣化と水晶体の扁平化を来たしたため、水晶体の細胞内部構造の脆弱化を誘導した可能性が強いと考えられた。今後、さらに生体内での反応を含めて、再検討を行う予定である。超音波癌治療、電磁波作用、生理学、血液学解析した電磁波の周波数が想定していたものより100-1000倍、高周波であったため、電子的に任意の波形の電磁波を発生させる造波装置が非常に高額なものになってしまったため購入できず、解析した成分波形を効率的に照射できなくなってしまったため、当初の予定より実験がやや遅れている。そのため今後は、個別に、電子的ではなく回路的な方法を使った電磁波発生装置を作製し、その都度、波形を解析して、発生する波形の違いとその効果の相違点を確認し、細胞にアポトーシスを引き起こしている目的の波形を導き出す予定である。汎用の解析装置では確認できなかった(気づかず見落としてしまう可能性があった)

電磁波成分が確認できたことは、今後、真の現象を解明していく上で十分すぎる程、有効であった。解析システムはほぼ完成したため、各電磁波成分の効果と細胞内変化、アポトーシスのpathwayを解析し、そのメカニズム解明にさらに挑む予定であり、今後、この研究で導き出される結果については、大いに、生命科学の研究分野に一石を投じることができると確信している。解析できた電磁波成分の効果を、一つ一つ細胞現象と照らし合わせて解析し、さらに、細胞内小器官や遺伝子レベルの現象を、今後、捉えていく予定である。前年度、電磁波照射チャンバーと、経時的撮影付き顕微鏡システムの構築を行ったが、特注部品もあり、部品など価格が未確定のものを含んでいたため、結果的に予算が残ってしまった。前年度に引き続き、同システムの運用費用と、同システム実験の試薬の購入が必要であるため、引き続いて、本年度に使用予定としている。昨年度、電磁波解析した結果の基づいて、人工的に造波して照射するためのアンテナの設計に問題が生じ、24年度のアンテナ作製費用が今年度へ繰り越しとなってしまった。培養器内照射のためのアンテナ作製を今年度、繰り越し費用より使用する予定である。周波数の関係もあり、アンテナを複数作製する可能性もある。
観測データとの比較による惑星系形成論「標準モデル」の検証

惑星系形成論「標準モデル」によると、惑星系形成は、太陽系星雲(より一般に、原始惑星系円盤)中でのダストの沈澱によって始まる。ダスト沈澱により、惑星形成の原材料となるダストが、最初に星雲ガスより分離される。ダスト沈澱は、惑星集積に先立つ重要な過程である。このダスト沈澱が、現実に観測されている原始惑星系円盤内で本当に起こっているかどうか、これを検証することが本研究の大きな目的である。まず、原始惑星系円盤内でのダスト沈澱の進行にともない、円盤内の温度分布がどのように変化するのかを明らかにした。円盤の温度は、円盤を照らす中心星の輻射による加熱と、円盤自体の熱輻射による冷却との釣り合いによって決まっている。ダストの沈澱が始まると中心星輻射を吸収する面が低くなり、中心星輻射による加熱効率が低下し始める。その程度は中心星からの距離が隔たるほど大きくなり、したがって、円盤の外縁部から温度が下がり始めることがわかった。次に、上で明らかになった温度分布の変化が星雲の熱輻射スペクトルにどのような影響を与えるのかを調べた。中心星から隔たる円盤の外縁部はもともと温度が低く熱輻射スペクトルにおいては、長波長の輻射を担っている。円盤内でダスト沈澱が始まるとそのような円盤の外縁部から温度が下がり始める。したがって、熱輻射スペクトルにおいては、長波長領域の輻射が減少することになる。そしてダスト沈澱の進行にしたがって、徐々に波長の短い輻射が減少していくことになることがわかった。最後に、IRAS(赤外線観測衛星)による観測で得られている原始惑星系円盤の熱輻射スペクトルと上で明らかになった理論スペクトルとの比較を行なった。その結果、いわゆる"passive" diskと呼ばれている原始惑星系円盤の熱輻射スペクトルは、ダスト沈澱の進行程度により4つのクラスに明解に分類されることが分かった。すなわち、未沈澱、沈澱途上、沈澱終了、惑星形成開始の4クラスである。このことは、惑星系形成論の「標準モデル」ときわめて整合的である。今後さらに研究を発展させて、「標準モデル」の検証を進めていきたいと考えている。
粒子群の基礎物性に関する2D-3D変換技術の開発

粒状材料の粒子サイズや形状は基本物性に大きな影響を及ぼすため3次元的(3D)な真の情報を取得することが重要であるが、実際には顕微鏡観察等による粒子の投影図や断面などの2次元的(2D)な計測で代替せざるを得ない場合が多い。この課題を解決するため、複数の2D実測値から3D実態を予測する手法の開発に挑戦した。様々な軸長比の楕円体粒子モデルを数値解析的に作成し、粒子モデルの2D値分布(断面積、断面長軸長、断面長軸/短軸長比、周長)と3D値(体積、長軸長、長軸/中軸長比、長軸/短軸長比、表面積)を関連付けた変換データベースを構築した。また、遺伝アルゴリズムを用いた最適化手法により、観測対象の粒子群に最尤な粒子モデルの組み合わせを決定することで、観測2D値分布から3D値を予測する手法を開発した。続いて本手法の実験検証を行った。1均一粒径の珪砂、2粒径幅の広いガラスビーズ、3粒径幅の広い珪砂の3種類の粒状体サンプルのX線CT撮影を行い、粒子を識別して各粒子の3Dデータを取得した。各粒子のランダムな断面における2Dデータを基に、本手法によって表面積、体積、長/中軸長比、長/短軸長比の4種類の3Dデータを推定できることを確認した。本手法は、1様々な粒子群に対応できる汎用性と2複数の指標を同時に予測できる利便性を有しているという点で既存の手法と比較して大きく進展している。すなわち、どのような粒子群を対象としても、計測対象とする複数の指標を選択し、それが現実的に取り得る範囲に設定した3D粒子モデルを作成すれば、その粒子群に特化した変換データベースが自動的に構築され、複数の3D指標を同時に予測することができる。そのため、適用範囲は粒子・細胞・結晶・ボイド等多岐に渡り、様々な産業分野での粒子等の3D物性把握の基本ツールになる可能性がある。この課題を解決するため、複数の2D実測値から3D実態を予測する手法の開発を目指して研究を実施している。本年は、様々な軸長比の楕円体粒子モデルを数値解析的に作成し、粒子モデルの2D値分布(断面積、断面長軸長、断面長軸/短軸長比、周長)と3D値(体積、長軸長、長軸/中軸長比、長軸/短軸長比、表面積)を関連付けた変換データベースを構築した。プロジェクト2年目となる平成30年度は、実験検証により本手法の有効性を確認する予定である。当初の計画では、平成29年度の目標として、3D実態予測手法の基礎要素として、13D粒子モデルの開発、2変換データベースの構築、33D粒子モデルの組み合わせ最適化手法の開発を挙げていた。これについては、1ジオデシグリッドを用いた任意の軸長比・表面粗度を表現する3D粒子モデルの開発、2モンテカルロ法と立体角計算を併用した3D粒子モデルの変換データベースの構築、3遺伝アルゴリズムによる3D粒子モデルの組み合わせ最適化手法の構築、をそれぞれ完了しており平成29年度の目標を達成した。また、計画では、上記要素を統合した3D実態予測プログラムの開発を平成30年度の目標としていたが、現在時点でそのプロトタイプが完成している。以上より、現在までの進捗状況は、おおむね順調に進展していると判断した。なお、X線CT解析による実験検証は、当初の予定通り平成30年度に実施する予定である。

1均一粒径の珪砂、2粒径幅の広いガラスビーズ、3粒径幅の広い珪砂の3種類の粒状体サンプルのX線CT撮影を行い、粒子を識別して各粒子の3Dデータを取得した。各粒子のランダムな断面における2Dデータを基に、本手法によって表面積、体積、長/中軸長比、長/短軸長比の4種類の3Dデータを推定できることを確認した。本手法は、1様々な粒子群に対応できる汎用性と2複数の指標を同時に予測できる利便性を有しているという点で既存の手法と比較して大きく進展している。すなわち、どのような粒子群を対象としても、計測対象とする複数の指標を選択し、それが現実的に取り得る範囲に設定した3D粒子モデルを作成すれば、その粒子群に特化した変換データベースが自動的に構築され、複数の3D指標を同時に予測することができる。そのため、適用範囲は粒子・細胞・結晶・ボイド等多岐に渡り、様々な産業分野での粒子等の3D物性把握の基本ツールになる可能性がある。平成30年度は、13D実態予測プログラムの開発と2X線CT解析による実験検証を実施する。1については、平成29年度に個別に開発した、(i)ジオデシグリッドを用いた3D粒子モデルの構築プログラム、(ii)モンテカルロ法と立体角計算を併用した変換データベースの構築プログラム、(iii)遺伝アルゴリズムによる3D粒子モデルの組み合わせ最適化プログラムを統合したプロトタイプのプログラムを改良・進化させ、一連の処理を自動で行う3D実態予測プログラムを開発する。2については、粒径分布の異なるガラスビーズ及び珪砂のサンプルを作成してX線CT解析を行う。X線CT撮像データの解析により、3D情報とランダム断面の2D情報を計算し、2D情報から本手法を用いて3D情報を推定して、実際に計測された3D情報と比較する、という実験により開発手法の検証を行う。物品購入額が当初の見積りより少額となった。不必要な予算消化を避けた結果、若干の次年度使用額が発生した。
育種のための画像デ-タを含むエキスパ-トシステムの開発

育種は生物の変異の作出と選抜から成り立っており、前者はいわゆるバイオテクノロジ-の利用が有効であるが、後者に関しては、現在でも育種家の勘に頼っている状況である。本研究は、この“育種家の勘"に対してエキスパ-トシステム的な接近を試みることによって新たな技術を開発し、エキスパ-トシステムの足掛りを作ろうとしたものである。1.本研究において開発されたシステムは、(1)ダイズ草姿の定量的評価システム:ダイズ草姿をその2次元的シルエット画像から抽出したデ-タによって定量的に評価する、(2)ビ-ル麦種子縮緬皺評価システム:ビ-ル麦の種子にできる縮緬皺をテキスチャ-解析する事によって含有エキスパ-トシステム分を評価する、(3)水稲個体群倒伏程度の評価システム:水稲圃場を真上から撮影した赤外線写真をテキスチャ-解析などで処理する事によって倒伏程度を推定する、(4)イネ2次元葉密度・葉面積推定システム:イネの孤立株を撮影した画像から2次元葉密度・葉面積分布の推定までを行なおうとする。(5)植物群落の立体情報計測:植物の立体構造を推定するための磁気センサ、超音波エコ-センサ、ステレオ立体カメラ、レ-ザ光などの利用システム、2.システム開発の補助的な研究として、(1)エキスパ-トシステムの理論的背景に関する研究、(2)農業情報におけるハイパ-メディアの適用、(3)緑地植物の色彩に関する定量的把握とデ-タベ-ス化、(4)エキスパ-トシステムの育種現場への適用方法について、などがある。3.知識ベ-ス作成のために、組織培養関係、イネ、ビ-ル麦、ダイズ、飼料用トウモロコシ、カンショ、等の育種方法に関するの分析・研究がある。本研究は(1)各種作物、家畜の育種体系の整理、(2)画像処理技術等の育種への応用、(3)以上を総合した育種エキスパ-トシステムの構築、を柱に構成されている。これまでに(1)については研究分担者である各々の専門家が育種体系の分析を開始した。そのうちイネ、トウモロコシ、ムギ、ダイズ、野菜、乳牛について研究打ち合せ会議の中で中間報告が行なわれ、それぞれの作物や家畜特有の操作、共通の操作などが整理された。とくに選抜などで判定があいまいな場合を抽出し経験的な判定の内容を具体的に検討し定量的判定の可能性を調べエキスパ-トシステムを具体化する場合の問題点を検討した。また、育種現場における情報の流れと形態についても整理した。(2)については草型の画像デ-タによる定量的表現法、種子などの特性の画像テクスチャ-解析による評価、葉などの形状に近似的表現法を確立し、実際の育種の場における評価との間の関連も検討した。その結果、多少の改良を加えることで選抜の補助手段として利用可能と思われ、エキスパ-トシステムに組み込みうる画像評価システムとして有望視されている。また、水ストレスのリモ-トセンシングによる計測法なども検討され、育種への応用が検討されている。この他、現場育種家によって画像利用が考えられる場面について提言を受けた。(3)は、エキスパ-トシステム構築のための予備的研究として、開発言語、利用者インタ-フェ-スの設計の検討や知識ベ-スなどデ-タ部分の構成が検討された。また、あいまいな判定が不可避な育種においてファジ-理論がどの様に利用できるかの検討が行なわれている。本研究は(1)各種作物、家畜の育種体系の整理、(2)画像処理技術等の育種への応用、(3)以上を総合した種育エキスパ-トシステムの構築、を柱に構成されている。(1)について、家畜育種、イネ育種、ダイズ育種、ムギ育種、トウモロコシ育種、サツマイモ育種、野菜育種、組織培養を利用した育種などの場面で豊富な現場経験をもつ各分担者によって、既存育種作業の体系化が行なわれた。この体系化を通してどの様な場面でエキスパ-トシステムを現実的に想定可能であり、まだどの様な場面をエキスパ-トシステムに組み込むことが最も有効であるかなどの点が次第に明らかにされている。一方、(2)について、ハイパ-メディアCAI、群落バイオマス非破壊モニタリング、群落3次元計測、オオムギ縮緬しわの画像による評価、色評の機械評価、ダイズ草姿評価など育種に関連するさまざまの技術開発が各分担者によって進行している。とくに本研究の特徴である画像デ-タの取扱いについて多くの取り組みがなされている。その中の一部はほぼ実用段階にあり、直接エキスパ-トシステム開発に応用可能なものある。現在(1)、(2)によってもたらされた知識、情報をもとに本研究の目的である育種のためのエキスパ-トシステムを具体化する作業が開始しているが、とりわけ曖昧で経験的判断が多い育種の場面でファジ-理論の応用の有効性が検討されている。本研究は、立場、専門が大きく異なる研究者によって構成されているが、これまで合計5回にわたる研究打ち合せ会議などを通して行なわれた話題提供、意見交換によって初めてエキスパ-トシステムという学際的協力が必要な対象へのアプロ-チが可能になったといえる。

本研究は、この“育種家の勘"に対してエキスパ-トシステム的な接近を試みることによって新たな技術を開発し、エキスパ-トシステムの足掛りを作ろうとしたものである。1.本研究において開発されたシステムは、(1)ダイズ草姿の定量的評価システム:ダイズ草姿をその2次元的シルエット画像から抽出したデ-タによって定量的に評価する、(2)ビ-ル麦種子縮緬皺評価システム:ビ-ル麦の種子にできる縮緬皺をテキスチャ-解析する事によって含有エキスパ-トシステム分を評価する、(3)水稲個体群倒伏程度の評価システム:水稲圃場を真上から撮影した赤外線写真をテキスチャ-解析などで処理する事によって倒伏程度を推定する、(4)イネ2次元葉密度・葉面積推定システム:イネの孤立株を撮影した画像から2次元葉密度・葉面積分布の推定までを行なおうとする。(5)植物群落の立体情報計測:植物の立体構造を推定するための磁気センサ、超音波エコ-センサ、ステレオ立体カメラ、レ-ザ光などの利用システム、2.システム開発の補助的な研究として、(1)エキスパ-トシステムの理論的背景に関する研究、(2)農業情報におけるハイパ-メディアの適用、(3)緑地植物の色彩に関する定量的把握とデ-タベ-ス化、(4)エキスパ-トシステムの育種現場への適用方法について、などがある。3.知識ベ-ス作成のために、組織培養関係、イネ、ビ-ル麦、ダイズ、飼料用トウモロコシ、カンショ、等の育種方法に関するの分析・研究がある。
硬膜外麻酔と交感神経活動に関する研究

硬膜外麻酔を行うと交感神経が遮断されるため、末梢血管は拡張して血圧は低下する。末梢血管の拡張は、脈波の増大、皮膚血流の増加、皮膚温の上昇をもたらすため、効果の確認に利用されている。一方、交感神経が遮断されない部位では、脈波の狭小、皮膚血流の減少、皮膚温の低下が認められ、代償的な交感神経の興奮が起こり末梢血管が収縮していると考えられているが、直接、交感神経活動を測定した研究はない。硬膜外麻酔中の交感神経活動を明瞭にすることは麻酔中の患者管理にきわめて重要である。本研究では、心臓交感神経活動と腎臓交感神経活動を同時に測定して、抑制と興奮の程度を明らかにすることと、交感神経の代償的興奮に圧受容体反射が関与しているかを明らかにすることを目的とした。15匹のネコを三群に分けた。第4胸椎で硬膜外腔へカテーテルを挿入した6匹の胸部硬膜外麻酔群、第1腰椎で挿入した6匹の腰部硬膜外麻酔群、それに迷走神経ならびに頸動脈洞と大動脈洞反射に関与する神経を切除し第1腰椎で挿入した3匹の腰部硬膜外麻酔群である。1%リドカイン0.1mg/kg投与後、心拍数、平均動脈圧、心臓交感神経活動、腎臓交感神経活動を測定し、投与前値を100とした。胸部硬膜外麻酔群では、心拍数は91%に、平均動脈圧は87%に、心臓交感神経活動は26%に、腎臓交感神経活動は144%に変化した。腰部硬膜外麻酔群では、心拍数は93%に、平均動脈圧は87%に、心臓交感神経活動は164%に、腎臓交感神経活動は30%に変化した。除神経した腰部硬膜外麻酔群では、心拍数は93%に、平均動脈圧は73%に、腎臓交感神経活動は42%に変化したが、心臓交感神経活動は変化しなかった。硬膜外麻酔で交感神経を遮断すると、遮断されていない部位の交感神経活動は逆に亢進した。この亢進は、頸動脈洞反射ならびに大動脈洞反射を除去しておくと起こらなかった。硬膜外麻酔に伴う低血圧が、頸動脈洞反射ならびに大動脈洞反射を介して、遮断されていない部位の交感神経活動を亢進させることが明らかになった。[目的]手術や出血という強い侵襲が加わると過剰な交感神経活動が起こる。生体の機能を維持するために必要な最小限度の交感神経活動を明確にすることを目標とするが、前段階として、胸部と腰部の交感神経活動の相互作用を明らかにした。[方法]ハロセン麻酔下にネコの第4胸椎または第2腰椎で椎弓切除術を行い、硬膜外腔へカテーテルを留置した。欠損部は重合レジンで塞いだ。交感神経活動は、左腎神経と頚部交感神経幹から同時に導出し、増幅して、今年度設備備品費で購入したデータレコーデイングシステムに収録し、解析に用いた。

手術操作終了後、ハロセンの投与を中止し、ペントバルビタール麻酔のもとで心電図、動脈圧、体温(37-38゚C)、呼気炭酸ガス濃度(35-40mmHg)が安定していることを確認して対照値を測定した。硬膜外カテーテルより0.5%または1%リドカイン0.1ml/kgを投与して20分後に交感神経活動を再度収録して解析した。[結果]腰部硬膜外カテーテルからリドカインを注入すると、腎交感神経活動は抑制された。逆に頚部交感神経活動は亢進した。一方、胸部硬膜外カテーテルからリドカインを注入すると、頚部の交感神経活動は抑制されたが、腎交感神経活動に変化は生じなかった。[考察]腰部の交感神経を遮断すると血圧が低下するため、代償的に胸部の交感神経活動が亢進すると考えられた。しかし、心臓交感神経を選択的に遮断しても、周囲の交感神経活動に変化が起こらなかった。目下、これらの事実に間違いがないか追試中であるが、局所麻酔薬の濃度を変化させることによって、適度に交感神経活動を抑制することができるので、本実験モデルは今後の研究に有用である。〔目的〕手術中に出血という強い侵襲が加わると過剰な交感神経活動が起こり、生命維持が困難になる。手術中、生体の機能をよい状態に維持するために必要な交感神経活動はどの程度かを明確することを目標とするが、その前段階として胸部と腰部の交感神経活動の相互関係を明らかにする。〔方法〕ペントバルビタール麻酔のもとでネコに気管切開を行い人工呼吸器に接続した。パンクロニウムを適宜投与して筋弛緩を得て、終末呼気炭酸ガス分圧を3540mmHgに維持した。直腸温を3738°Cに保ち、心電図、心拍数、動脈圧などを監視しながらペントバルビタールを追加した。第1腰椎で椎弓切除を行い、硬膜外腔へカテーテルを5mm挿入留置し、欠損部は高粘度接着剤で塞いだ。左第1肋間で切開し、胸膜外腔に星状神経節と、これからの心臓枝(VLCN)を1cm露出した。また、左側腹部を切開し、後腹膜腔に腎動脈を露出し、顕微鏡下に腎神経の1分枝を剥離した。神経はプラスチベースで被覆し、双極銀性電極にのせ、電気活動を増幅し、全波整流したものを5分ごとに面積積分した。連続した5個の積分波の高さの平均を交感神経活動として評価した。局所麻酔薬として1%リドカイン0.1ml/kgを硬膜外腔へ投与した。実験終了後に、フェニレフリン、ニトロプルシドで交感神経の確認を行った。トリメタファンによる節遮断を行ってノイズレベルを測定した。また、メチレンブルーを硬膜外腔へ投与して局所麻酔薬の拡がりを調べた。〔結果〕拡がりはT_8L_3であった。収縮期動脈圧は127±14mmHg(平均値±SE)から5分後に111±15mmHgに、10分後に112±14mmHgに、20分後に118±13mmHgに低下した。腎交感神経活動は100%から5分後に29±8%に、10分後に34±10%に、20分後に52±11%に減少した。一方心臓交感神経は5分後に117±7%に、10分後に110±3%にわずかに増加した。20分後に96±4%に戻った。〔結論〕腰部硬膜外麻酔で腎交感神経活動は有意に抑制されたが、そのとき心臓交感神経はわずかに増加しただけであった。一方が減少した分だけ一方が増加するということはなかった。
活火山浅部における短波長不均質構造の地震学的研究

活火山浅部における短波長構造不均質は,ダイク貫入や火道からの脱ガスといった火山性流体の挙動を支配するものであるが,その実態は解析手法の制約などにより明らかではなかった.そこで本研究では,これまで国内活火山における人工地震探査記録を用いて短波長不均質性の系統的な定量化を行い,いずれの火山においてもS波の平均自由行程が約1kmであり,P-S変換が卓越することを明らかにした.また,散乱波動場の数値モデリングを行い,この強い不均質性が活火山浅部に局在した流体を含む亀裂等の介在によるものである可能性を示した.これらの結果は,火山構造・多様な火山現象を理解するための新たな鍵になると考えられる.活火山浅部における短波長の構造不均質は,ダイク貫入や火道からの脱ガスといった火山性流体の挙動を支配するものであるが,その実態は解析手法の制約などによりいまだ明らかではない.そこで本研究では以下の高周波地震波を用いた解析・モデリングを行い,火山山浅部における短波長不均質(確率論的構造)をイメージングすることを目的としている.初年度平成23年度には,これまで国内の主要な活火山において実施されてきた人工地震構造探査の稠密観測記録を用いて地震波エネルギー伝播の時空間分布を調べ,多重散乱モデルとのフィッテイングを通じてP波・S波間のモード変換・各モードの多重散乱を決定する散乱パラメータの定量化を行った.具体的には,浅間山における先行研究同様の手法を用いて阿蘇山・桜島・岩手山における観測記録を解析し,8-16Hz帯においてS波の平均自由行程が約1kmであり,またP-S変換が卓越することを明らかにした.これらの得られた結果は,通常の地殻に比べて短波長不均質性が2桁近く強いことを示し,火山構造・多様な火山現象の理解の新たな鍵となると考えられる.一方で,これらの火山体短波長不均質性の推定にあたっては,主に多重等方散乱モデルを仮定し解析を行っているが,流体を含む亀裂が選択配向した場合などにこの仮定が妥当かは必ずしも自明ではない.また,先行研究においては活火山のような強い不均質場における波動伝播モデリングは十分には行われていない.そこで平成24年度には,3次元差分計算を用いて強い短波長不均質を持つ媒質中における地震波動場の計算を行い,これまで用いられてきた理論モデルの適応妥当性・その限界について検討を行った.特に,数値計算結果と無限媒質における多重等方散乱モデル解析解との比較を通じて,散乱の非等方性の影響・地表面の効果を検討し,それらの周波数依存性について明らかにした.活火山浅部における短波長の構造不均質は,ダイク貫入や火道からの脱ガスといった火山性流体の挙動を支配するものであるが,その実態は解析手法の制約などによりいまだ明らかではない.そこで本研究では以下の高周波地震波を用いた解析・モデリングを行い,火山山浅部における短波長不均質(確率論的構造)をイメージングすることを目的とする.平成25年度においては,3次元差分法を用いて,地震波トモグラフィによる先行研究で得られた大局的地震波速度構造に一様の短波長不均質性を重畳させ,観測波形の特徴を再現することを試みた.その結果,空間一様の不均質性を用いた場合,観測された非コヒーレント波群のエンベロープの特徴を説明することは難しく,火山山浅部に不均質性の局在が必要であることが明らかになった.研究計画前半の平成23年度,24年度においては,これまで国内の主要な活火山において実施されてきた人工地震構造探査の稠密観測記録を用いて地震波エネルギー伝播の時空間分布を調べ,多重散乱モデルとのフィッテイングを通じてP波・S波間のモード変換・各モードの多重散乱を決定する散乱パラメータの定量化を行い,浅間山・阿蘇山・桜島・岩手山における観測記録を解析を通じて,8-16Hz帯におけるS波の平均自由行程が約1kmであり,またP-S変換が卓越することを明らかにしたが,これらの観測事実を説明するための波動場モデリングを行ったことで,研究期間全体を通じて,通常の地殻に比べて短波長不均質性が2桁近く強いことを示し,それらの成因が火山山浅部に局在した流体を含む亀裂の介在などによるものである可能性を明らかにできた.これらの結果は,火山構造・多様な火山現象の理解の新たな鍵となると考えられる.活火山浅部における短波長構造不均質は,ダイク貫入や火道からの脱ガスといった火山性流体の挙動を支配するものであるが,その実態は解析手法の制約などにより明らかではなかった.そこで本研究では,これまで国内活火山における人工地震探査記録を用いて短波長不均質性の系統的な定量化を行い,いずれの火山においてもS波の平均自由行程が約1kmであり,P-S変換が卓越することを明らかにした.

また,散乱波動場の数値モデリングを行い,この強い不均質性が活火山浅部に局在した流体を含む亀裂等の介在によるものである可能性を示した.これらの結果は,火山構造・多様な火山現象を理解するための新たな鍵になると考えられる.活火山浅部における短波長の構造不均質は,ダイク貫入や火道からの脱ガスといった火山性流体の挙動を支配するものであるが,その実態は解析手法の制約などによりいまだ明らかではない.そこで本研究では以下の高周波地震波を用いた解析・モデリングを行い,火山浅部における短波長不均質(確率論的構造)をイメージングすることを目的とする.初年度にあたる平成23年度には,これまで国内の主要な活火山において実施されてきた人工地震構造探査の稠密観測記録を用いて地震波エネルギー伝播の時空間分布を調べ,多重散乱モデルとのフィッテイングを通じてP波・S波間のモード変換・各モードの多重散乱を決定する散乱パラメータの定量化を行った.具体的には,浅間山における先行研究(Yamamoto and Sato, 2010, JGR)同様の手法を用いて阿蘇山・桜島・岩手山における観測記録を解析し,8-16Hz帯においてS波の平均自由行程が約1kmであり,またP-S変換が卓越することを明らかにした.これらの得られた結果は,通常の地殻に比べて短波長不均質性が2桁近く強いことを示し,火山構造・多様な火山現象の理解の新たな鍵となると考えられる.また,このような波動伝播の時空間分布に基づいて得られた散乱パラメータの妥当性の検証には,独立した手法によるP波/S波のエネルギー分配・エネルギー等分配の遷移過程などの観測的実証が必要である.そこで,2008年に桜島で実施した小規模3成分地震計アレイ観測の解析を進めるとともに,比較のために非火山地域においても同様の地震計アレイ観測を実施し,火山浅部の強い不均質構造によって地震波のモード変換が短時間で起こり,局所的なエネルギー等分配が短時間で成立することを明らかにした.東北地方太平洋沖地震の影響のため,研究内容・優先順位の若干の変更が生じたが,平成24年度に計画していた研究目的はおおむね達成し,順調に進展している.具体的には,研究室内に大容量メモリを搭載した並列計算システムを立ち上げ,研究計画に沿った3次元差分計算による不均質媒質中の波動場の数値モデリングなどを実行し,解析解との比較検討といった当初予定をしていた研究を進めることができた.東北地方太平洋沖地震の影響のため,年度初頭においては若干の遅れ・研究内容の変更が生じたが,平成23年度に計画していた研究目的はおおむね達成し,順調に進展している.具体的には,複数の国内活火山における人工地震構造探査記録を用いて短波長不均質性の定量化を行うことができ,その妥当性の検証のため小規模地震計アレイを用いた解析を行い,独立した観測的実証を得ることができた.平成24年度に引き続き,データ解析・観測および強い不均質場における波動伝播の数値モデリングを進め,散乱波と流体分布形態の対応付けなどを行う.前年度における上述のモデリングは波動散乱・モード変換の素過程に着目するために層構造など大局的な構造を無視した確率論的な短波長不均質構造を仮定して行う予定であるが,本研究の最終年度にあたる平成25年度においては,より現実的な波形のモデリングと観測データとの比較のため,先行研究により明らかとなっている決定論的速度構造と本研究の確率論的構造の融合モデルに対しても地震波動場の計算を行う.これらの計算を通じてこれまでの決定論的構造のみでは再現が不可能であった後続波の特性を再現し,より微細な火山浅部の構造モデルを作りだすことを狙う.また,得られた結果を取りまとめ,成果の発表を行う.平成23年度における観測データからの不均質性の推定にあたっては,主に多重等方散乱モデルを仮定し解析を行ったが,流体を含む亀裂が選択配向した場合などにこの仮定が妥当かは必ずしも自明ではない.また,先行研究においては活火山のような強い不均質場における波動伝播モデリングは十分には行われていないため,平成24年度には,3次元差分計算を用いた不均質媒質中における波動場の計算を行い,これまで用いられてきた理論モデルの適応妥当性・その限界について検討を行う.特に,数値計算結果と無限媒質における多重等方散乱モデル解析解との比較を通じて,散乱の非等方性の影響・地表面の効果を検討し,それらの周波数依存性について明らかにすることを目指す.