hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
医療・交通・防災・エネルギーのデペンダブル制御通信のためのマルチレイヤ統合最適化

本研究では、高信頼性が必要な機械間(Machine-to-Machine:M2M)の制御のための通信(制御通信)の最適設計のために制御と通信の制約条件、評価基準を導出した。まず、この設計規範として、従来の平均性能に基づくシステム設計から最悪性能を高く保証する設計規範を用い、Dependabilityを定義した。その上で、制御対象の運動やセンサ特性を定式化し、UWB無線、コグニティブプロトコル、フォールトトレラントルーティング、暗号などの物理層からMAC層、ネットワーク層、アプリケーション層のマルチレイヤ垂直統合方式の考案、それを応用した医療用BANの試作、連携機関と臨床実験、試作評価を行った。(1)機械間(M2M)制御ネットワークにおいて国際学会・標準化団体における研究動向、アプリケーションとの整合性についてのサーベイを行うと同時に、想定されるシステム要求、評価基準(制御安定性・遅延、消費電力・帯域・伝送速度・誤り率等)を明確にし、状態方程式などを用いてM2M制御通信システムをモデル化を行い検討した。(2)M2M制御ネットワークの制御と通信の両者の最適化基準に適したUWB無線、アレーアンテナ・MIMO時空間信号処理、ソフトウェア無線、コグニティブ無線および、複数ノード間の協調センシング・通信などの物理層技術、MAC層のコンテンションベース・コンテンションフリーのハイブリッドプロトコルなど考案、ネットワーク層のメッシュネットワークにおけるパラレル・シリアルホップによるマルチホップルーティングアルゴリズムなどM2M制御通信のための評価基準に基づき、統合最適化する複合方式の考案、性能解析を行った。特に、UWB無線の物理層での情報セキュリティ能力を耐干渉能力や、制御対象の制御パラメータやセグメント毎の制御上の重要度に応じた誤り制御方式考案、性能解析を行った。(3)国際標準化IEEE02.15.6に準拠したBANに、上述のデペンダブル制御通信技術を導入し、生体情報の無線センシングだけでなく、それに基づくインスリンポンプなどの無線ループ制御に適応可能な高い信頼性、耐干渉性、セキュリティ、低侵襲性などのDependabilityを確保するために、連携機関の横浜市立大学附属病院の協力を得て、臨床研究を行った。(4)デペンダブル無線制御通信のための制御理論と通信理論および周辺理論の調査と包括理論の体系化を行った。(1)物理層のハイブリッドARQ誤り制御法とMAC層・データリンク層におけるContention Base & Freeプロトコルを融合し、通信路誤りや干渉・妨害の原因をセンスして再送要求やアクセス制御、マルチパス伝搬路や干渉・妨害などの原因まで立ち入り高信頼性を確保できる物理層を考慮したネットワークのルーティングアルゴリズムなどの複数レイヤに跨がるマルチレイヤ統合技術の考案を行った。また、そのシナジー効果の改善効果解析と課題抽出を行った。具体的には、大容量マルチホップMIMOリレーシステムのための物理層・MAC層のクロスレイヤの最適化、複数WBAN環境における様々なQoSを考慮した誤り制御法についての一検討、車両間通信における地理情報を利用した車群構築・ルーティングプロトコルに関する一検討、非線形振動子に基づくCPGシナジーモデルと運動機能評価を行った。(2)I型・II型糖尿病のためのユビキタス遠隔診断治療やリハビリテーションの遠隔運動解析・支援などへの最悪性能が保証されるデペンダブルBANの臨床導入に向けた技術、法制、および産業化に必要なあらゆる要件を抽出し、電波法による技術基準適合証明(技適)、薬事法のよる治験に必要な実験的検証、性能改善、技適・治験評価法などを検討した。具体的には、UWB-WBANにおけるユーザ間干渉及びシステム間干渉に対する干渉対策、移動ロボットの測位と通信性能向上UWB/INS複合航法システムを行った。(3)、上記にて考案したマルチレイヤ垂直統合型技術の拡張・発展性を示すために、通信と制御をコアにした車両やエネルギーや情報や金融の流れのトラヒック制御へ応用し、交通、エネルギー、金融、医療、防災などの社会インフラストラクチャの融合による効率化やdabilityの向上をもたらすことを、QoSの統合評価尺度により評価する。産業界と連携し実用化を検討した。(1)機械間M2M制御用ネットワークにおける制御通信のための複合最適化基準と、各レイヤ毎の要素技術の最適化を、物理層からMAC層、ネットワーク層、アプリケーション層のクロスレイヤ、マルチレイヤにわたる垂直統合型技術の考案、および制御理論と通信理論の水平統合型理論体系に基づく性能解析法、評価法、最適設計法の導出を行った。具体的には、WBANにおける緊急情報のためのクロスレイヤ誤り制御方式の検討等を行った。(2)マルチレイヤの垂直統合技術を導入した機械間M2M制御用ネットワークとして、医療用バイタルセンサと治療機器の遠隔フィードバック制御ネットワーク(BAN)、車車間の衝突防止レーダやセンサとブレーキ・アクセル、災害現場のカメラやセンサと遠隔作業ロボット・重機のフィードバック制御ネットワークなどに導入するハードウェア・ソフトウェアで試作、実験することにより、その有効性とグローバル最適性能を実証を行った。具体的には、移動ロボット経路誘導のための経路状況に応じた通信と測位を同時に行うUWBシステムの検討等を行った。(3)I型・II型糖尿病のためのユビキタス遠隔診断治療やリハビリテーションの遠隔運動解析・支援などへの最悪性能が保証されるデペンダブルBANの臨床導入に向けた技術、法制、および産業化に必要なあらゆる要件を抽出し、電波法による技術基準適合証明(技適)、薬事法のよる治験に必要な実験的検証、性能改善、技適・治験評価法などを検討した。具体的には、BANの認証の効率化のためのレギュラトリーサイエンスに基づく評価の検討等を行った。

(4)本研究で得られたデペンダブル制御通信技術を車内ワイヤレスハーネス・車両間制御、工場製造ラインの無線センシング・制御、遠隔医療のバイタル情報のテレメタリング・テレコントロール、デバイス内配線の無線化などに応用し、有効性と課題を明示し検討した。本研究では、高信頼性が必要な機械間(Machine-to-Machine:M2M)の制御のための通信(制御通信)の最適設計のために制御と通信の制約条件、評価基準を導出した。まず、この設計規範として、従来の平均性能に基づくシステム設計から最悪性能を高く保証する設計規範を用い、Dependabilityを定義した。その上で、制御対象の運動やセンサ特性を定式化し、UWB無線、コグニティブプロトコル、フォールトトレラントルーティング、暗号などの物理層からMAC層、ネットワーク層、アプリケーション層のマルチレイヤ垂直統合方式の考案、それを応用した医療用BANの試作、連携機関と臨床実験、試作評価を行った。研究実施計画に基づき、高信頼性が必要な機械間(M2M)制御用ネットワークにおける制御通信のための複合最適化基準と、各レイヤ毎の要素技術の最適化を、物理層からMAC層、ネットワーク層、アプリケーション層のクロスレイヤ、マルチレイヤにわたる垂直統合型技術の考案、および制御理論と通信理論の水平統合型理論体系に基づく性能解析法、評価法、最適設計法の導出・検討を行った。特に、大容量マルチホップMIMOリレーシステムのための物理層・MAC層のクロスレイヤの最適化を検討し、査読付論文並び国際会議発表を行った。また、横浜国立大学の特許技術を含む医療用ボディエリアネットワーク(BAN)の国際標準IEEE802.15.6に準拠した超広帯域(Ultra Wide Band:UWB)による無線デバイスを試作し、社会実験・臨床実験を実施した。研究代表者が数年前に創設した電子情報通信学会の医療ICTと高信頼制御通信の2つの時限研究会(研究専門委員会)が、本研究助成に基づく医療ICTと高信頼制御通信の研究活動により、平成26年度から常設の第一種研究会(研究専門委員会)に昇格するに至ったことは、社会・学術貢献として評価を得たものと判断される。27年度が最終年度であるため、記入しない。情報通信工学前年度に引き続き、機械間M2M制御用ネットワークにおける制御通信のための複合最適化基準と、各レイヤ毎の要素技術の最適化を物理層からMAC層、ネットワーク層、アプリケーション層のクロスレイヤ、マルチレイヤにわたる垂直統合型技術の考案、および制御理論と通信理論の水平統合型理論体系に基づく性能解析法、評価法、最適設計法の導出、並びにM2M制御のためのデペンダブル無線制御通信ネットワークのマルチレイヤ統合技術の医療への応用を検討する。
新発想による日本発次世代高精度放射線治療アルゴリズムの実証

我々は、rotational Volumetric Arc Therapy(回転VMAT)をおこなう治療計画方法を提案し、照射効率の向上、照射時間の短縮による安全で患者の負担の少ない治療の研究、すなわち更なる治療効果の向上を目指して,VMATやトモセラピーを超えた新しい照射法、CT型でマルチリーフコリメータを装備する装置の特徴を最大限に生かす照射方法の開発を行ってきた。Geant4ベースにてモンテカルロシミュレーション開発を行った。実測を再現し、リーフ間の漏れ線量も見積もり可能、DICOM対応とした。IMRT最適化問題、MLC制御アルゴリズム、最短経路選択問題、フレームワーク開発を検討した。強度変調放射線治療(IMRT)に代表される高精度放射線治療は、照射装置、治療計画装置だけでなく、最適化手法等のソフトウェアが重要といえる。近年CT型でマルチリーフコリメータを装備する装置が開発されているが、その特徴を最大限に生かす新しい照射方法、治療計画アルゴリズムを提案し、照射効率の向上、照射時間の短縮による安全で患者の負担の少ない次世代高精度放射線治療を研究、推進している。治療計画アルゴリズムの開発(駆動自由度パラメータ最適化アルゴリズムの開発)をおこなった。治療計画精度の評価関数を作成し、関数の物理パラメータを最適化するアルゴリズムを解析、開発した。遺伝的アルゴリズムや、ニューラルネットを用いることも検討した結果、Simulated Annealing法での最適化を採用し、逐次補完により、ガントリー回転および同時治療寝台移動を盛り込んだヘリカルVMATアルゴリズムを作成した。回転IMRTは、初期値として、数方向から照射した場合のIMRT最適化をおこない、さらにその中間の角度のビームを加えてリーフ移動速度制限等の制約条件と伴に更に最適化をおこなう事を逐次的に繰り返し、最終的に回転IMRT照射法を作成するが、我々の方法では同様に一回転について照射野の半分程度(5cm)、治療台を移動した状態で1回転について3方向からの照射を行うことを初期値として採用した。2周を1単位としたので、6方向からの照射になる。治療台移動、ガントリー回転とも一定であるとしてその6点の中間点からのビーム5点を加えた。さらに繰り返して連続とみなされるまで最適化を続けた。模擬人体(ファントム)による再現性実験を行った。ファントムの作成には3Dプリンターを用いため、作成が用意で自由度が高く今後の類似の実験の展開が容易になる。従来のガントリー連続回転による強度変調放射線治療、VMAT, RapidArcと呼ばれる照射法は治療台の移動がなく、現状の通常照射用のライナックにも適した照射法である。我々は、さらに寝台移動を加えながらrotational Volumetric Arc Therapy(回転VMAT)をおこなう治療計画方法を提案し、照射効率の向上、照射時間の短縮による安全で患者の負担の少ない治療の研究、すなわち更なる治療効果の向上を目指して,VMATやトモセラピーを超えた新しい照射法、CT型でマルチリーフコリメータを装備する装置の特徴を最大限に生かす照射方法の開発を行ってきた。今年度は、逐次補完により、ガントリー回転および同時治療寝台移動を盛り込んだヘリカルVMATアルゴリズムの改良を中心に研究を行った。数方向から照射した場合のIMRT最適化をおこない、さらにその中間の角度のビームを加えてリーフ移動速度制限等の制約条件と伴に更に最適化をおこなうが、制約条件に、より実際的な幾つかの制限を加えるとともに、それに対応できるようなアルゴリズムの効率化、高精度化を図った。基本的には実機の制約にとらわれず、次の世代の装置開発につなげるアルゴリズム開発をも視野にいれた研究であるが、現実的な装置と線量計算アルゴリズムでも、実治療に対応できるような検討も必要であると考えた。今年度研究により、通常照射用のライナックにもある程度、適用できる様になり、実測との比較が容易になった。また、計算アルゴリズムの改良を行い、より高速な計算に対応できるようにした。現在、制約条件に、より実際的な幾つかの制限を加えるとともに、それに対応できるようなアルゴリズムの効率化が進んでいる。従来のガントリー連続回転による強度変調放射線治療は、VMAT, RapidArcと呼ばれる照射法は治療台の移動がなく、現状の通常照射用のライナックにも適した照射法である。今年度は、Geant4ベース(ハドロンプロセス可能)にて、モンテカルロ法線量計算アルゴリズムを開発し、実測を再現した。リーフ間の漏れ線量も見積もり可能、DICOM対応であり、IMRT最適化問題、MLC制御アルゴリズム、最短経路選択問題等を検討し、フレームワーク開発、ヘリカルの諸問題検討を行った。本照射法がどのような領域に適用可能か、あるいはあらたな適応の拡大にむけて応用研究を進めた。本研究では臨床応用の前段階としての妥当性、安全性の確認などを想定している。ここに置いて蓄積した、アルゴリズム開発の知見などを基に、次の世代の治療機にどのようなハード上の改良が必要か、などを検討した。なお、本照射法は回転ガントリー構造をもっていれば、ビームスキャンニング式などの粒子線治療にも適用可能で、より一般化した応用範囲の広い研究に繋げることができる。

我々は、rotational Volumetric Arc Therapy(回転VMAT)をおこなう治療計画方法を提案し、照射効率の向上、照射時間の短縮による安全で患者の負担の少ない治療の研究、すなわち更なる治療効果の向上を目指して,VMATやトモセラピーを超えた新しい照射法、CT型でマルチリーフコリメータを装備する装置の特徴を最大限に生かす照射方法の開発を行ってきた。Geant4ベースにてモンテカルロシミュレーション開発を行った。実測を再現し、リーフ間の漏れ線量も見積もり可能、DICOM対応とした。IMRT最適化問題、MLC制御アルゴリズム、最短経路選択問題、フレームワーク開発を検討した。現在、治療計画精度の評価関数を作成し、関数の物理パラメータを最適化するアルゴリズムを検討し開発している。逐次補完によるガントリー回転および同時治療寝台移動を盛り込んだヘリカルVMATアルゴリズムについても検討を完了した等、ほぼ予定の研究が進んでいる。より実際的な人体構造データに対し治療計画を立て、現在の照射法の結果と比較検討を進めていく。放射線治療学シミュレーションと、最適化アルゴリズムの精度あげることが今後の課題である。他の方法についても検討する。実験用消耗品やソフトウェアを購入する予定だったが、在庫状況等の関係で来年度に購入することにしたため人件費として予定していたが、勤務時間が減ったため。実験用消耗品やソフトウェアを購入する物品費に含めて実験用消耗品を購入する、
「心の痛み」と「体の痛み」の類似性・差異性に関する実証的解明

集団から仲間はずれにされると人は胸を痛める。こうした「心の痛み」を感じた時、我々の脳は「体の痛み」を感じた時と同様の脳活動を示すとして、集団から仲間はずれにされた時の心理反応は、単なる表現上の喩えではなく、真に「痛み」であると考えられてきた。しかし、「心の痛み」と「体の痛み」の脳活動を比較した研究は少なく、両者の共通性を巡っては明確な結論が得られていない。そこで本研究では、2つの実験を通して、「心の痛み」と「体の痛み」の類似性・差異性を検討する。こうした試みは、集団から仲間はずれにされることで生じる心理反応は、真に「痛み」として知覚されるのかという依然として議論が続く問題への回答を提供する。
応力波伝播条件の構造的制御によるスペースデブリ衝突損傷の制御・抑制

悪化し続けるスペースデブリ環境を背景に、宇宙機のデブリ衝突に対する損傷軽減化の重要性は増している。しかしながら、現状、デブリ衝突への耐性は構成材料の機械的性質に頼るのみである。そのような状況に対し、本研究計画では、応力波の多重反射に伴い進展する超高速突損傷に対して、応力波の反射条件を制御することにより、衝突損傷を制御・抑制する方法論を提案することを目的とし、研究を推進している。研究計画初年度である本年度においては、超高速衝突損傷機構の基礎的知見を得ることを目指し、超高速衝突にともない被衝突体内部に生じる応力波伝播過程および損傷形成・進展の実時間可視化計測手法を確立することを目標に研究を実施した。その結果、偏光シャドウグラフ法および透過シャドウグラフ法による超高速衝突現象の実時間同時撮影技術を確立することに成功した。透過シャドウグラフ画像からは衝突損傷形状の時間発展の情報を、偏光シャドウグラフ画像からは応力場形状の時間発展の情報を得ることができるため、両者の撮影結果を組み合わせることにより、損傷進展・形成と応力場形状の関係性を評価し、損傷形成・進展機構を検討することができる。本年度得られた結果からは、石英ガラス試料において、衝突点直下に円形上に形成する内部損傷の進展方向が、損傷に伝播してくる応力波の振幅モードの違いにより変化していく様子を明らかにすることができた。本年度確立された超高速衝突現象の実時間可視化技術を用い、来年度以降、引き続き超高速衝突損傷進展機構を解明していくとともに、被衝突体への異種界面導入による衝突誘起応力波の透過・反射挙動の変化と損傷進展挙動への影響の評価にも取り組んでいく予定である。当初の計画案のとおり、初年度の研究において、偏光シャドウグラフ法により、超高速衝突によって生じる応力場の伝播の様子を実時間可視化することに成功した。また、通常の透過光シャドウグラフ法との同時撮影にも成功し、応力場の伝播過程と損傷の形成・進展過程とを直接比較することによる衝突損傷進展機構の評価が可能となった。本可視化技術の確立により、当初の計画案のとおり、来年度以降の超高速衝突損傷進展機構の詳細検討および、被衝突体への異種界面導入による衝突誘起応力波の透過・反射挙動の変化と損傷進展挙動への影響の評価に着手することが可能となった。初年度において、超高速衝突下における応力場の伝播過程および損傷の形成・進展過程の実時間同時可視化技術の確立に成功したことから、当初の予定通り、確立された可視化技術を活用した超高速衝突損損傷進展機構の評価や、被衝突体への異種界面導入による衝突誘起応力波の透過・反射挙動の変化と損傷進展挙動への影響の評価を実施していく予定である。また、研究の進展に合わせ、被衝突体の多層複合化による応力波伝播条件制御にも取り組んでいき、最終目標である応力波伝播条件制御を利用した衝突損傷制御の実現を目指していく。

また、研究の進展に合わせ、被衝突体の多層複合化による応力波伝播条件制御にも取り組んでいき、最終目標である応力波伝播条件制御を利用した衝突損傷制御の実現を目指していく。購入物品の価格が当初見積予定額より若干低額となったため、その差額が次年度使用額として生じてしまった。それほど高額ではないため、単純に次年度計画の物品費に加えて使用予定である。
キノロン系抗菌薬の新規酸化ストレス測定法を用いた、酸化・抗酸化能の評価

ニューキノロン系抗菌薬の酸化・抗酸化能を測定し、薬剤の酸化・抗酸化能を基礎にした新しいプロファイリングを作成するために、1UVによるラジカル生成系、2フェントン反応系、3キサンチンオキシダーゼ系、4好中球系などの生成系でラジカルを産生させ、これに各種ニューキノロンを加えることで、ラジカル生成増強があるかそれとも消去するか薬剤ごとに検討した。その結果、1UVによるラジカル生成系、2フェントン反応系におけるヒドロキシラジカル消去活性は、キノロン間で大きな差は無かった。3キサンチンオキシダーゼ系におけるスーパーオキサイド生成抑制効果は、基本骨格中にハロゲンがあるものの消去活性が大きいことが分かった。4好中球系でも、同様に、基本骨格中にハロゲンがあるものの消去活性が大きいことが分かった。次に、i-STrapを用いてin vitro系で測定したところ、脂質ラジカルの関与があるためか、必ずしも、3キサンチンオキシダーゼ系や4好中球系で、効果が大きいものが、そのまま反映していなかった。そこで、t-BuOOH/Hemoglobinなどの脂質ラジカル生成系を用いた、DMPOを使ったスピントラップ法を用いて、検討した結果、脂質ラジカルの消去活性は、これまでの含めた検討を行った結果、即ちスーパーオキサイド生成抑、ヒドロキシラジカル生成抑制系とは、少し異なる抗酸化活性の挙動を示すことが判明した。1UVによるラジカル生成系、2フェントン反応系、3キサンチンオキシダーゼ系、4好中球系以外に、脂質ラジカル系についての検討をおこなった、このt-BuOOH/Hemoglobin系の脂質ラジカル系の結果もプロファイリングの項目に、加えて、in vitroの抗酸化活性のプロファイリング表は完成させることが可能となった。今後は、このプロファイリングの結果をもとに、細胞毒性阻害作用の検討を加えていく予定である。今までの研究は、主に試験管内の研究が中心であったが、今後は、細胞系に様々なラジカルを暴露させて細胞障害が引き起こされる系をもちいて、これに各種ニューキノロン剤を、プロファイリングの結果を踏まえて反応させ、生物活性とパラレルに結果が導き出されるか検討する。次に、i-STrapを用いてin vitro系で測定したところ、脂質ラジカルの関与があるためか、必ずしも、3キサンチンオキシダーゼ系や4好中球系で、効果が大きいものが、そのまま反映していないことがわかり、今後、t-BuOOH/Hemoglobinなどの脂質ラジカル生成系を絡めた検討が必要だと判明した。次年度以降、脂質ラジカルの消去活性を含めた検討を行う予定である。予定どおり進捗している。経過中に、1UVによるラジカル生成系、2フェントン反応系、3キサンチンオキシダーゼ系、4好中球系以外に、脂質ラジカル系についての検討も必要になってきたため、プロファイリングの項目に、t-BuOOH/Hemoglobin系の脂質ラジカル系についても、今後検討を加えていく予定である。

まず、生物活性の検討として、酸化ストレスで不活化される機能性タンパク質α1ーアンチトリプシンの不活化反応と比較検討する。ラジカル生成系は、1キサンチンオキシダーゼ系、2好中球系を用いて、α1ーアンチトリプシンの不活化反応を計測する。また、in vivoの実験の予備実験として、緑膿菌感染マウスに予備的にニューキノロン投与した際の効果を検討するために、感染マウスの全血、肺洗浄液の酸化ストレスレベルの変化をレボフロキサシンで、予備実験して、どの時間経過で、どれぐらいの投与量が適正か検討する。今までの研究は、主に試験管内の研究が中心であったが、今後は、細胞系に様々なラジカルを暴露させて細胞障害が引き起こされる系をもちいて、これに各種ニューキノロン剤を、プロファイリングの結果を踏まえて反応させ、生物活性とパラレルに結果が導き出されるか検討する。
高品質結晶によるアミノ基転移酵素の反応中間体の高分解能構造解析

アスパラギン酸アミノ基転移酵素(AspAT)は同一のサブユニット2個からなる2量体で、2回対称軸を持つ。サブユニットは大ドメインと小ドメインの2つのドメインからなり、活性部位はドメインインの界面とサブユニットの界面が接近する位置に存在し、補酵素ピリドキサール5′-リン酸は活性部位のポケットの底に結合している。この酵素は基質を結合すると、小ドメインが約5°回転し活性部位を閉じる。これを`open-closed'変化と呼ぶ。この大きなコンホメーション変化は、触媒反応と直接関係しており、反応のほとんどすべての課程がclosed型で進行する。この酵素の`open-closed'変化および触媒反応機構を時分割構造解析により調べるのが本研究の目的である。そのために、(1)AspATおよび変異型AspATについてラウエ法に適する良質な結晶の作製を試みた。通常のX線回折実験より1.82.2Å分解能の結晶を得ることができるようになった。(2)これらの結晶のラウエ法による実験を行ったが、ほとんどの結晶は指数付け可能な回折パターンを与えなかった。2置換変異型酵素N194A+Y225Fのみが良質なラウエパターンを与え、データ処理を行うことができた。しかし、同じバッチからの結晶が全く質の異なる回折パターンを与え、どのような結晶化条件がラウエ法に適するかは明らかにならなかった。処理した反射データをを用いて、精密化を行い、巨大ワイセンベルグカメラを用いて構造解析したものと比較した。活性部位付近の電子密度マップ(3Å分解能)を調べたところ、主鎖の一部が切れたり、側鎖のトレースが困難な部分があった。(3)`open-closed'変化が単結晶を壊すことなく進行することを確認した。open型結晶へ基質類似物をsoakingし、プレセッション写真を調べた。結晶はclosed型へと変わっており、回折パターンも良好であった。良質なラウエ写真を与える結晶の作製が今後の課題である。
FESによる拮抗筋同時刺激法とその神経筋骨格系におけるモデリングに関する基礎研究

神経筋骨格系は、電気刺激によって非線形な応答を生ずる。本研究は、その非線形性を改善する拮抗筋同時刺激法を確立するために、拮抗筋同時刺激による筋骨格系の応答を明らかにし、さらに、神経筋骨格系の電気刺激に対する応答のモデルを構築するための知見を得ることを目的としており、以下の成果を得た。1.電気刺激による筋骨格系の応答を計測するための実験環境システムを構築し、それを用いて、拮抗筋同時刺激による主動筋の刺激強度-張力特性の急峻な立ち上がりの緩和を確認し、拮抗筋同時刺激法の有効性を示した。また、拮抗筋刺激強度が同時刺激の効果を決定する一つの要因であることを明らかにした。2.拮抗筋対の筋長を変化させた場合の同時刺激応答の測定結果から、筋長が同時刺激時の主動筋の刺激強度-張力特性に影響することが示唆され、また、拮抗筋対の神経支配を除去した場合に、同時刺激の効果がないことを確認し、同時刺激による応答に対する神経筋骨格系の働きに関する基礎的知見を得た。3.刺激波形生成アルゴリズムの一つとして、目的とする動作を、基本となる「単位運動」に分解し、単位運動再建の刺激波形を組み合わせて元の動作の刺激波形を作成する手法を考案し、筋電図解析を通して本手法による刺激波形作成の原理的可能性を確認した。同時に、刺激波形作成、及び筋骨格系のモデル化の際に考慮すべき重力の影響に関する知見を得た。4.刺激波形は、臨床の場での調整によって最終的に決定される。そこで、刺激波形の修正を容易に行えるシステムを開発するために、システムの制御命令入力法、刺激波形修正アルゴリズムの検討を行ない、それらの有効性を確認すると共に、臨床用システム構築のための基礎的知見を得た。機能的電気刺激(FES)による麻痺肢の運動機能再建において、電気刺激に対する筋骨格系の応答の非線形性が、滑らかで巧緻な動作の実現を困難なものにしている。ここで、対象とする運動の主動筋と拮抗筋を同時に活動させることが筋骨格系の応答の非線形性を改善する可能性を有していることから、拮抗筋同時刺激法によって、FESによる筋運動制御における制御性が向上し、より洗練された巧緻な動作の実現が期待される。本研究は、この手法に対する基礎的知見を得るために、拮抗筋同時刺激による筋骨格系の応答を明らかにし、さらに、筋骨格系の電気刺激に対する応答のモデルを構築することを目的としており、本年度は以下の成果を得た。1.拮抗筋同時刺激による筋骨格系の応答を動物実験により測定し、拮抗筋同時刺激の効果として、主動筋の応答の急峻な立ち上がりが緩和されることを確認し、FESによる麻痺肢の運動制御における拮抗筋同時刺激法の有効性を示した。また、その応答の定量的評価により、拮抗筋刺激電圧値に伴って、拮抗筋同時刺激の効果が変化することを明らかにした。2.主動筋及び拮抗筋の神経支配を除去した場合、また、拮抗筋の神経支配のみを除去した場合に、拮抗筋同時刺激の効果がないことを確認した。このことから、拮抗筋同時刺激時の応答に対する脊髄反射系の関与についての知見を得ることができ、さらに、拮抗筋の収縮による関節周囲の機械的要因は同時刺激の効果に影響を及ぼさないことを確認した。3.電気刺激に対する筋骨格系の応答を測定するために、刺激印加ならびに応答の記録及びモニタを適切に遂行するための実験環境システムを構築した。機能的電気刺激(FES)による麻痺肢の運動機能再建において、電気刺激に対する筋骨格系の応答の非線形性は、滑らかで巧緻な動作の実現を困難にする一つの要因である。

ここで、目的とする動作の再建において、主動筋と同時に拮抗筋を活動させることが筋骨格系の応答の非線形性を改善する可能性を有していることから、拮抗筋同時刺激法によって、FESシステムの制御性が向上し、より巧緻な動作の実現が期待される。本研究は、この手法を確立するために拮抗筋同時刺激による筋骨格系の応答を明らかにし、さらに、神経筋骨格系の電気刺激に対する応答のモデルを構築するための知見を得ることを目的としており、本年度は以下の成果を得た。1.拮抗筋同時刺激による応答として、等尺性条件下での筋張力を筋長を変化させて測定し、刺激-張力特性の立ち上がり初期の急峻な部分と、その後の部分とについて各々傾きの変化の評価を行なった。その結果、筋の長さが各部分での同時刺激の効果に影響することが示唆され、拮抗筋同時刺激時の応答に対する神経筋系の働きに関する基礎的知見を得た。2.刺激波形生成アルゴリズムの一つとして、動作を、基本となる「単位運動」に分解し、単位運動再建の刺激波形を組み合わせて元の動作の刺激波形を作成する手法を考案し、動作筋電図解析を通して、本手法による刺激波形作成の原理的可能性を確認した。同時に、刺激波形作成、及び筋骨格系のモデル化の際に考慮すべき重力の影響についての知見を得た。3.刺激波形作成は、臨床の場で最終的な微調整が行なわれ完了する。従って、刺激波形の修正を容易に行なえるシステムを開発することは重要である。そのために、システムの制御命令入力装置、刺激波形修正アルゴリズムの検討を行ない、それらの有効性を確認し、臨床用システム構築のための基礎的知見を得た。
里山生態系の経済評価

本年度は,大きく分けて二つの実証分析を行った.第一に,昨年度検討した,里山保全に取り組むボランティアがその里山から受ける純便益を計測するための基礎理論をもとにして,そこから実際にその純便益額を計測することに取り組んだ.この分析では,まず兵庫県中町の「観音の森」におけるボランティア活動データを用いてボランティア労働供給関数を推定し,その曲線が旅行費用については右下がりとなるが,賃金率については右上がりの形状をもつことを明らかにした.そして,その旅行費用の係数推定値を用いてボランティア活動一回当たりの純便益を計算した結果,それは747円となった.さらに年間の延べ参加者数153人を乗じることにより,ボランティア活動者が里山から受ける便益は,年間11万4248円と推定された.第二に,昨年度の現地調査の結果を踏まえて,大津市仰木地区の里山を事例としたCV調査を行い,里山が周辺住民に及ぼす便益を計測することに取り組んだ.本調査の一つの特徴的な点は,圃場整備されていない棚田をもつ里山に対する支払意志額(WTP)と圃場整備された棚田をもつ里山に対するWTPをそれぞれ質問したところである.圃場整備による生物相への影響はないものとして質問しているため,そのWTPの差は,単純に景観に対するWTPの差ということになる.二段階二肢選択CVMによる分析により,圃場整備されていない昔ながらの棚田に対するWTPは6719円,圃場整備された棚田に対するWTPは1735円となり,前者が後者をはるかに上回る結果となった.この結果は,今後の里山保全のあり方を考える場合に,生態系への影響だけでなく,景観への影響も考慮に入れなければならないことを示唆している.またこの分析では,里山保全に対する価値を構成するものとしては,遺贈価値が最も大きく,ついで存在価値が大きいことが明らかとなった.これは,非利用価値を考慮した資源配分の必要性を示すものである.本年度はまず,滋賀県内の二箇所の里山で現地調査を行った.一つは大津市仰木地区の里山である.この地域は、標高200m前後の丘陵地に棚田が広がる純農村地域であり,その棚田を取り巻く里山環境は,薪炭林や農用林として利用されることによって維持されてきた.この地域では,平成12年に「大津市農業農村整備計画」が策定され,現在その計画をもとにした里山の整備,保全が進められている.次年度は,この整備計画をもとにしたシナリオを作り,大津市仰木地区の里山保全がもたらす社会厚生をCVMを用いて評価することに取り組む.もう一つは,八日市市建部北町にある「河辺いきものの森」である.この森は愛知川の河辺に分布する平地林であり,かつては水害の防備や農用林として大きな役割を果たしていた里山である.現在は,森林ボランティア団体「遊林会」によってその維持管理が行われている.「河辺いきものの森」の現地調査から,今後里山環境を維持していく上でボランティアの活動が極めて重要な位置を占めることが示唆された.またそこでのヒアリング調査の結果から,彼らの活動目的が,里山の保全だけにあるのではなく,ボランティア活動のレクリエーション的側面にあることが明らかとなった.そこで本年度は,ボランティアの里山保全活動を公共財供給と私的財消費の両観点からモデル化し,里山がボランティアにもたらす社会厚生を評価するための基礎理論を構築した.その結果,トラベルコスト法の下で価格として捉えられる旅行費用を,旅行費用と活動時間の機会費用との合計で置き換え,訪問回数を活動回数で置き換えることによって,実際の評価が可能になることが示された.本年度は,大きく分けて二つの実証分析を行った.第一に,昨年度検討した,里山保全に取り組むボランティアがその里山から受ける純便益を計測するための基礎理論をもとにして,そこから実際にその純便益額を計測することに取り組んだ.この分析では,まず兵庫県中町の「観音の森」におけるボランティア活動データを用いてボランティア労働供給関数を推定し,その曲線が旅行費用については右下がりとなるが,賃金率については右上がりの形状をもつことを明らかにした.そして,その旅行費用の係数推定値を用いてボランティア活動一回当たりの純便益を計算した結果,それは747円となった.さらに年間の延べ参加者数153人を乗じることにより,ボランティア活動者が里山から受ける便益は,年間11万4248円と推定された.第二に,昨年度の現地調査の結果を踏まえて,大津市仰木地区の里山を事例としたCV調査を行い,里山が周辺住民に及ぼす便益を計測することに取り組んだ.本調査の一つの特徴的な点は,圃場整備されていない棚田をもつ里山に対する支払意志額(WTP)と圃場整備された棚田をもつ里山に対するWTPをそれぞれ質問したところである.圃場整備による生物相への影響はないものとして質問しているため,そのWTPの差は,単純に景観に対するWTPの差ということになる.二段階二肢選択CVMによる分析により,圃場整備されていない昔ながらの棚田に対するWTPは6719円,圃場整備された棚田に対するWTPは1735円となり,前者が後者をはるかに上回る結果となった.

この結果は,今後の里山保全のあり方を考える場合に,生態系への影響だけでなく,景観への影響も考慮に入れなければならないことを示唆している.またこの分析では,里山保全に対する価値を構成するものとしては,遺贈価値が最も大きく,ついで存在価値が大きいことが明らかとなった.これは,非利用価値を考慮した資源配分の必要性を示すものである.
マイクロ波放電式中和器の性能向上に関する研究

本研究は日本の小惑星探査機「はやぶさ2」に搭載されたマイクロ波放電型イオンスラスタを対象として研究を行ったものである.このイオンスラスタは今後予定されている将来ミッションDESTINY+やOKEANOSへの適用が検討されており,性能向上が急務となっている.前年度までの実績として,マイクロ波放電型イオンスラスタのイオン源の磁場形状を新たに設計し,将来ミッションへの適用の可能性を示した.本年度の研究では,放電室内部のプラズマの挙動を調査するために,平板型プローブを作成し,できる限り通常動作を妨げないようにプラズマ診断を行うことを可能とした.結果として,放電室内部のイオン電流分布を計測することに成功し,新型放電室では生成プラズマ電流の総量が増加していることが確認された.これは,磁場形状の変化によりプラズマ生成に有効な領域が増加したものと結論した.一方で,放電室内部から引き出されるイオン電流の割合が低下していることも確認された.この点に関しては,イオンが磁場により旋回する効果を考慮した放電室内部損失領域を考慮することで,新型放電室では引き出し効率が低下する可能性があることを示すことに成功した.以上をもとに,マイクロ波放電型イオンスラスタの設計指針について提案を行った.平成30年度が最終年度であるため、記入しない。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。当初の研究計画に則り、マイクロ波放電式中和器の大電流化のため、中和器内部へ含浸陰極を設置し、マイクロ波放電と直流放電のハイブリッドにより電子電流向上を試みた。含浸陰極接地部に断熱措置を何点か行ったが、自己着火には成功しなかった。しかしながら、熱電子放出後の加熱維持には成功し、これにより中和器への投入電力は35W程度と、通常と大きく投入電力を変化させることなく、3A超の電子電流引き出しが可能となった。総電子電流の増加に伴い、中和コストの面ではノミナルから40%程度の改善となった。また、寿命面の見なおしも行うため、修士課程において電子引き出しなし状態でのみでの計測であった四重極質量分析器による二価イオンの測定を、電子引き出し状態で行った。この結果、スロットリング状態では3.4倍程度の速さで損耗が進むことが明らかとなり、これをもとに宇宙運用と地上試験との寿命差異を説明した。また、目標とされたアンペア級の電子電流の引き出しが達成されたため、これらに加えて、中和器と対になるマイクロ波放電式イオン源の大電流化にも取り組んだ。これは、電子源・イオン源両面のシステム全体の性能向上を図るためである。今までパラメータを変化させていなかったグリッド位置の変更を行った。イオン源は電子源と異なり大電流化が困難であるが、投入電力をノミナルから変化させることなくおおよそ10%の性能向上を達成した。これは磁場形状とグリッドの相対位置が変化したために性能向上に繋がったと考察される。本研究は当初マイクロ波放電式中和器の大電流化のみを目的としていたが、期待された性能が得られるようになったため、中和器のみではなくイオン源含めたイオンスラスタ全体の大電流化に関する研究へと移行した。これにより当初想定していたものよりもより実際のスラスタへの適用範囲が広いものとなっており、研究は想定以上の進展があるものと考える。本研究は小惑星探査機「はやぶさ」および「はやぶさ2」に搭載されたマイクロ波放電式イオンエンジンの中和器を対象に大電流化を行っている.これまでの研究進度を鑑みて,昨年度より研究対象をマイクロ波放電式イオンエンジン全体に拡大した.本研究が対象としているイオンエンジンは2024年のソーラー電力セイルによる木星トロヤ群探査ミッションへの適用が検討されており,イオンエンジン全体の性能向上が急務となっているためである.現在は中和器と対になる装置であるイオン源の大電流化を行っている.ミッションへの適用には,従来から20%程度の性能向上が求められている.昨年度は従来とは異なる磁場形状をもつ新型の放電室を設計し,性能試験を実施した.その結果,要求性能の200mA級のイオンビーム電流を実現した.この放電室に対して引出電極下流でのビーム密度分布を計測したところ,磁場形状の変化に伴い分布が引出電極外周方向へと広がっていることが確認された.この結果から,放電室内外周部でもプラズマ生成が行われるようになったと考えられ,性能向上は放電室内部のプラズマのマイクロ波吸収効率が増大したことに起因するものと考えられる.以上の結果から,磁場形状変更がマイクロ波放電式イオンエンジンの効率を向上させる上で重要なパラメーターであることを実験的に突き止めた.今後は性能向上の原因を,プローブを用いた内部診断により明らかにし,大電流低温ECRプラズマ源の設計指針を模索する計画である.電子と比較してイオンは引き出しづらいため,イオン源の性能向上は困難だと思われていたが,目的としていた200mA級のイオンビームの引き出しに成功し,中和器・イオン源ともに大電流化を達成できた.今後は現象を明らかにするためにパラメーターを変更しての内部測定と,その結果からイオンエンジンの設計指針を明らかにする必要がある.内部測定にはすでに着手しており,計測にも成功している.残すはパラメーター変更後の測定のみである.本研究は日本の小惑星探査機「はやぶさ2」に搭載されたマイクロ波放電型イオンスラスタを対象として研究を行ったものである.

このイオンスラスタは今後予定されている将来ミッションDESTINY+やOKEANOSへの適用が検討されており,性能向上が急務となっている.前年度までの実績として,マイクロ波放電型イオンスラスタのイオン源の磁場形状を新たに設計し,将来ミッションへの適用の可能性を示した.本年度の研究では,放電室内部のプラズマの挙動を調査するために,平板型プローブを作成し,できる限り通常動作を妨げないようにプラズマ診断を行うことを可能とした.結果として,放電室内部のイオン電流分布を計測することに成功し,新型放電室では生成プラズマ電流の総量が増加していることが確認された.これは,磁場形状の変化によりプラズマ生成に有効な領域が増加したものと結論した.一方で,放電室内部から引き出されるイオン電流の割合が低下していることも確認された.この点に関しては,イオンが磁場により旋回する効果を考慮した放電室内部損失領域を考慮することで,新型放電室では引き出し効率が低下する可能性があることを示すことに成功した.以上をもとに,マイクロ波放電型イオンスラスタの設計指針について提案を行った.本研究の今後の計画として、まずはイオン源の大電流化を主眼において研究を行う予定である。なぜならば、本研究が対象とするイオン源は中和器に比べて大きな性能向上を未だに達成できてないためである。このイオン源は、直近に計画されているミッションにおいて、200mAを超える性能を要求されている。そのため、本研究では210mA程度の性能向上を目標とし、性能向上とその指針を模索する。具体的には、放電室設計変更を行い、複数の異なる放電室形状でパラメータを変化させてそれぞれを比較することにより、性能評価と設計指針を得る。既に新たな形状の設計は完了している。性能評価が完了し次第、プローブや分光法を用いた放電室内部のプラズマ計測へと移行して、性能変化の原因の調査を行う。これらのデータを元に、ECRプラズマ源の設計指針の模索に入る予定である。性能取得結果から,イオン源の放電室長さに性能感度があることが判明している.性能が変化する原因としてはマイクロ波吸収効率とイオン引き出し効率の変化が考えられる.吸収効率の直接計測は困難であり,新たな手法の確立が必要となるため,引き出し効率を計測して見積もる.これらの結果から,マイクロ波型イオンスラスタの設計指針を提案する.平成30年度が最終年度であるため、記入しない。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
高銀緯星間雲からの遠赤外[C II]スペクトル線観測装置の開発

遠赤外波長域の[C II]線(^2P_<3/2>→^2P_<1/2>、λ=157.7μm)は星間雲の主要な冷却剤であると古くから考えられており、その観測は星間物質研究の上で極めて重要である。本研究では、この高銀緯星間雲からの微弱な[C II]線を精度良く観測できる、スポースからの[C II]線観測装置の開発を平成3年度より行なった。これまでの研究の概今は、(1)分光素子の開発(シリコン基盤のファブリ・ペロー型干渉分光素予等)、(2)観測システムの組立・評価(測光器の製作及びその性能評安)、そして浅3)ロケット観測、及び(4)データの解析と公表、である。観測装置を1992年2月1日、宇宙科学研究所の観測ロケットS-520-15号機で打ち上げた。飛行中観測システムはすべて順調に動作し、実際高銀緯星間雲のいたるところから、微甦(10^<-14>10^<-13>[W/cm^2sr])な[C II]線を検出することができた。平成4年度において、データ解析を行い幾つか興味深い新果を明らかにした。まずHI柱密度分布と[C II]線強度にはッきりと相関があるのが認められ、これから[C II]線が中性水素雲の主要な冷却剤であることを実証することができた。さらに興味深い結果ずIRASのマップや、CO線放射の分布と比較することで得られた。これらの重要な結果を論文にまとめ、現在Astrophysical Journalに拾稿中である。平成4年度においてはさらに、高分散で波長走査型の分光器の開発を行った。波長走査用にソレノイド型電磁石の駆動機構を製作し、ダミーエタロン(可視光用)を用いて波長走査のテストを行った。またこの駆動機構を中間赤外(10μm帯)波長用分光器に応用することを検討し、家間赤外仕様のエタロンを製作した。今後このエタロンを用いて、開発を続けていく予定である。
光電子波束干渉法によるアト秒パルス計測法の開発

アト秒パルスを含む高次高調波は非常に広帯域のスペクトルを有している。そのため分光研究に用いるためには必要な部分のみを取り出す必要がある。本研究では高次高調波のスペクトルを切り出す時間補償分光器の開発と、切り出された高調波パルスの時空間特性を評価した。その結果、21次高調波(光子エネルギー33eV)、時間幅11fsの光パルスを57ミクロン径に集光することができることが分かった。本研究の目的は、光電子波束干渉によるアト秒軟X線パルスの計測を行うことである。アト秒科学の発展に大きく貢献することを目標とする。本年度の目標は以下の2点であった。1)アト秒パルス発生のための高強度キャリアーエンヴェロープ位相固定数サイクルレーザーパルスの発生、2)アト秒計測をおこなうためには、角度分解光電子分光を行う必要がある。そのための準備を行うことである。1)は以前に達成したが中空ファイバー用チャンバーが不安定なため応用まで行き着かなかった。今回、より安定なチャンバーを開発してレーザー光の安定化をはかった。新たにチャンバーを試作し、中空ファイバーをより太いものに交換した。その結果、数サイクルレーザーパルスを以前より安定に発生できた。これらの成果を論文としてまとめ公表した。2)は、エネルギー及び角度分解能の高い半球型光電子分光器を導入する予定であったが、角度分解可能な飛行時間型の光電子分光器がドイツの会社で開発されたことを知り、飛行時間型光電子分光器を導入した。納期が想定以上に遅くなったため、来年に光電子分光器の立ち上げを行う予定である。また、光電子分光器を装着し、現行の高次高調波発生用チャンバーと接続するための真空チャンバー、高調波スペクトルを光学的に測定するための分光器を用意した。更に、今年度は、アト秒パルスの応用を目指した研究にも着手した。アト秒パルスによる極端紫外・軟X線領域における非線形光学を目指す。ヘリウム原子における二電子励起状態への高次高調波による二光子吸収スペクトルを京都大学の中嶋准教授が計算している。我々の実験結果と比較したところ、かなりよく説明できることがわかった。本研究の目的はアト秒パルス計測法の考案、実現であり、今年度は、それを実現するために飛行時間型光電子分光器を稼働させることを目標とした。本年度は、まず、予備実験として、半金属・半導体多層膜鏡により高調波を分けて集光した。その結果、予想以上に多数の高調波の次数が反射されているため、多層膜鏡の使用は、光電子の空間分布を観測するのに必ずしも適していないことがわかった。そこで、以前開発した高調波の単一次数選択光学系により高調波の単一次数を切り出すことにより、光電子分布の観測をより適切に行えるようにすることとした。そして、光電子分光器を組み合わせ、光電子分光器を用いて単一次数選択光学系の時空間特性を調べた。17次高調波(26eV)から25次高調波(39eV)まで、単一次数で分離することができた。分離した高調波をCe:YAG結晶に照射して可視光に変換し、その空間イメージングを行った。その結果、分離後のビーム形状は円形であり、そのビーム直径は58ミクロンであった。単一次数選択後の高次高調波の空間形状はこれまで計測されておらず、高調波を光源として用いた時の空間分解能を考えるうえでの一つの指針となる。17次から23次高調波のパルス幅計測を行った。ネオン原子に高調波とレーザー基本波を同時に照射すると、2光子イオン化による光電子が発生する。その収量の、二つのパルス間の遅延時間依存性を測定することにより高調波のパルス幅を計測した。その結果、21次高調波で最短47fsのパルスを得ることができた。更に調整を行うことにより、いっそうの短縮化が見込める。以上の結果より、高調波の時空間特性を初めて明らかにすることができた。本研究の目的はアト秒パルス計測法の考案、実現である。本年度は、まず、光電子分光器の立ち上げを行った。さらに、実証するために、昨年度開発した高次高調波の単一次数を選び出す光学系の最適化を行った。この光学系は、高調波の必要な次数を時間幅を伸ばさずに切り出す光学系である。光電子分光への応用を考えるとアト秒パルスでも適切な光子エネルギーの光を用いる必要がある。昨年度までは、最短で47fsまでしか圧縮することができなかった。これは、選択光学系において、二つの回折格子への入射角度が等しくないためと予想した。実験的に合わせるために二つの角度を同時に動かしながらパルス幅を測定し、最適な条件を求めた。パルス幅は、光ストリーク法と同じ実験配置で二光子吸収による交差相関法で測定した。

光ストリーク法を用いなかったのは、パルス幅が長いと予想されたことと、実験室の温度変化が激しくレーザー光線の方向が時間と共に変化し測定が難しかったからである。測定したのは21次高調波(光子エネルギー33eV)予想通り角度を変化させるとパルス幅が最短になる角度を見出すことができ、予想が正しいことが分かった。このときのパルス幅は11fsと見積もられる。パルス幅測定に用いたレーザーのパルス幅は最短で25fsであったため、構築した光学系を時間分解光電子分光に用いると、時間分解能はレーザーのパルス幅で制限される。よって、現時点では、選択された高調波の時間幅十分に圧縮されていることが分かった。レーザーのパルス幅を5fsにまで縮めることにより波長可変のアト秒パルスの発生と計測が可能になると考えている。更に、計測結果の妥当性を検討するためLewensteinモデルを使って、高調波発生のシミュレーションを行った。25fsパルスを用いた場合、12fsのパルスが発生すると予想され、実験結果と一致した。
ニューロン活動の光学計測/画像化による脊髄神経再生に伴う異常知覚発生機構の解析

末梢神経切断に伴う再生過程において、脊髄神経のシナプス結合パターンは成熟型から幼若型へと変化すると考えられている。同様の可塑的変化は、受容体レベルでも起こることが示唆されており、このような細胞レベル、システムレベルでの可塑的変化が、脊髄神経再生に伴う異常知覚の原因ではないかと推測される。これらの点を明らかにするためには、再生脊髄における神経回路網の機能的なre-arrangementを証明し、そのつながりや受容体の機能的特性を幼若脊髄と比較検討することが不可欠である。本研究は、膜電位感受性色素とニューロン電位活動の光学的多チャネル計測法を発生初期胚に適用し、個体発生に伴う神経回路網の機能的システム構築と、それに関わる受容体の機能的発現過程について解析を行い、末梢神経再生に伴う神経因性疼痛の発症メカニズムを明らかにすることを目的とする。本年度は、昨年度に鶏胚脊髄で得られた結果を踏まえて、ラット胚における脊髄神経回路網の機能形成過程について解析を行った。胎生15日のラット胚において、脊髄神経刺激によって脊髄内に誘発される光学的シグナルは、鶏胚の場合と同じくspike状のfast-signalとslow-signalとからなり、fast-signalは活動電位、slow-signalはシナプス後電位に対応していることが明らかとなった。slow-signalの一部はグルタミン酸受容体依存性と考えられたが、外液Mg^<2+>-freeに対する感受性は鶏胚に比べて遙かに小さく、シナプスの機能的可塑性に果たす役割には両種間で大きな差のあることが明らかとなった。さらに、成体ラットでの脊髄神経再生過程に対するコントロールとして、正常の成体ラットを用いて脊髄神経刺激に対する応答の光学的イメージングを行い、脊髄内におけるニューロン応答の可視化に成功した。本研究は、膜電位感受性色素とニューロン電位活動の工学的多チャネル計測法を発生初期胚に適用し、個体発生に伴う神経回路網の機能的システム構築と、それに関わる受容体の機能的発現過程について解析を行い、末梢神経再生に伴う神経因性疼痛の発症メカニズムを明らかにすることを目的とする。本年度は、まず形態学的解析が比較的進んでいる鶏胚を用いて、脊髄神経回路網の正常な機能発生過程について解析を行った。孵卵5日から7日(stage2631)の鶏胚脊髄スライス標本において、脊髄神経を刺激した際のニューロン活動パターンを光学的に計測し、脊髄神経回路網の機能的形成過程を追跡した。感覚神経の順行性刺激により、後角および前角にシナプス後電位が誘発されるが、それぞれの発進過程をC13、LS5のレベルで検討した。前角のシナプス後電位はC13、LS5ともstage2930から検出されたが、後角のシナプス後電位の発現はこれより早く、C13ではstage28から、LS5ではstage29からと、頭尾方向における発達の違いがあることが示された。

これらの点を明らかにするためには、再生脊髄における神経回路網の機能的なre-arrangementを証明し、そのつながりや受容体の機能的特性を幼若脊髄と比較検討することが不可欠である。本研究は、膜電位感受性色素とニューロン電位活動の光学的多チャネル計測法を発生初期胚に適用し、個体発生に伴う神経回路網の機能的システム構築と、それに関わる受容体の機能的発現過程について解析を行い、末梢神経再生に伴う神経因性疼痛の発症メカニズムを明らかにすることを目的とする。本年度は、昨年度に鶏胚脊髄で得られた結果を踏まえて、ラット胚における脊髄神経回路網の機能形成過程について解析を行った。胎生15日のラット胚において、脊髄神経刺激によって脊髄内に誘発される光学的シグナルは、鶏胚の場合と同じくspike状のfast-signalとslow-signalとからなり、fast-signalは活動電位、slow-signalはシナプス後電位に対応していることが明らかとなった。slow-signalの一部はグルタミン酸受容体依存性と考えられたが、外液Mg^<2+>-freeに対する感受性は鶏胚に比べて遙かに小さく、シナプスの機能的可塑性に果たす役割には両種間で大きな差のあることが明らかとなった。さらに、成体ラットでの脊髄神経再生過程に対するコントロールとして、正常の成体ラットを用いて脊髄神経刺激に対する応答の光学的イメージングを行い、脊髄内におけるニューロン応答の可視化に成功した。