hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
多自由度・大規模系における反応と構造空間探索

基準振動解析法を用いてリゾチームの圧縮率を計算し、分子進化に伴う圧縮率変化を調べた。また、緩和モード解析を用いてシニョリンの折りたたみ反応の反応座標を抽出した。分子動力学と時間分解X線結晶解析を用いて、ミオグロビンのリガンド移動機構を調べた。そして、COを分子内に配置する平均力ポテンシャルの3Dマップを得た。アミノ酸間の相互作用を解析する新たな手法を開発し、エネルギー交換ネットワークを用いて、アミノ酸間情報伝達を表現した。例として、単ドメインアロステリーを示すPDZ3ドメインの性質を解析した。フラグメント分子軌道法を用いて青色光受容体ファミリー蛋白質の活性部位形成機構を研究した。ロドプシンは超高感度の光センサータンパク質である。その光吸収極大波長は棲息域の光学的環境に適応している。海中の魚類は、深度に応じてロドプシンのアミノ酸配列を変化させ、光吸収極大波長を調節している。ロドプシンの吸収波長制御機構をしらべるには、2つの課題を克服する必要がある。第一にタンパク質の構造空間探索。第二に、精密な励起エネルギーの評価である。我々はアナゴのロドプシンとその祖先型ロドプシンの立体構造をホモロジーモデリング法で予測し、長時間分子シミュレーションで統計アンサンブルを生成、さらに高精度の分子軌道法で吸収スペクトルを解析した。そして、吸収波長制御の分子機構をあきらかにした。アミノ酸変異の吸収波長に対する構造的な要因を同定するため、主成分分析法を拡張してもちいた。その結果、レチナールのボンド長交代と、カウンターイオン変位力種要な役割を果たしていることが見いだされた。今年度は、蛋白質のシミュレーションから動的情報を抜き出すための解析手法の開発を行った。また、これまで開発してきた有効なサンプリング手法である拡張アンサンブル法を単純粒子の有限クラスター系やナノ細孔に閉じ込められた単純粒子系に適用することを試みた。そして、これらの研究に関して、成果として論文をまとめた。また、GPGPUの搭載した計算機を購入し、蛋白質ソフトウェアであるAMBERを用いて、生体高分子系のシミュレーションを行い、高速化について検討した。タンパク質分子が機能するメカニズムを分子シミュレーションの手法で調べた。特にタンパク質反応の素過程に見られるエネルギー、電子、物質(プロトン、イオン、小分子)の移動に着目した。まず、酸素貯蔵タンパク質ミオグロビン中のガス分子移動機構を調べた。時間分解X線結晶解析とコンピューターシミュレーションを相補的に組み合わせた手法を開発した。そして、ガス分子をタンパク質分子内に配置するのに要する平均的なエネルギー、すなわちPotential of Mean Force (PMF)を求めることができた。さらに、3次元PMFマップを解析し、ガス分子移動機構を明らかにした。次に、タンパク質中の電子移動反応を調べた。分子内にフラビンを結合する青色光受容体タンパク質のファミリーは、紫外線損傷したDNAを修復する酵素を含んでいる。それらの酵素はDNA修復のため電子移動反応を活用する。その効率的な電子移動反応の機構を、分子動力学シミュレーションと電子状態計算を用いて調べた。その結果、電子移動反応にとって重要なアミノ酸残基を推定することができた。分子内にフラビンを含む青色光受容体ファミリーの仲間は、立体構造がお互いに酷似しているにも関わらず、DNA修復、概日リズム、植物の成長制御や渡り鳥の磁気センサーなど多岐にわたる機能を実現する点で興味深い。本年度は、青色光受容体の活性部位における機能制御機構を調べるため、システマティックにアミノ酸置換を施した分子モデルを作成して構造安定性に関する比較検討を行った。タンパク質反応のメカニズムを理解するため、アミノ酸間の相互作用ネットワークを解析すると役に立つ。われわれはEnergy Exchange Network(EEN)の解析によりPDZ3ドメインのアロステリーに関して詳細な計算を行った。そして、CURP(CURrent calculation for Proteins)プログラムを用いて分子動力学シミュレーションの軌跡から自動的にEENを表示する機能を開発した。蛋白質のシミュレーションから動的情報を抜き出すための解析手法である緩和モード解析の開発を行った。特に、フォールディングなど構造が大きく変化する系に関して、本方法の有効性について検討した。また、これまで、効率の良いサンプリング手法である拡張アンサンブル法をスリッドに閉じ込められた水の系に適用してきた。厚さhが0.54nsから0.72nsの間のいくつかの値の場合でスリッド幅を固定した体積とエネルギーに対するマルチカノニカルシミュレーションを実行し、スリッド系の水の固液相転移に関する研究を行った。今回特に、自由エネルギーに関して詳細な解析を進めた。本研究課題では、生体系を中心として多自由度複雑系における構造空間探索と反応機構の解析を遂行した。蛋白質の構造空間探索では、拡張アンサンブル法や緩和モード解析を通し、蛋白質構造のダイナミクスを特徴付けるモードの抽出や自由エネルギー曲面の解析が可能になった。

また、蛋白質のProteinQuakeモデルの震源部位の同定に結びつくAtomic Stress解析の遂行、およびその数学的基礎をあたえる多体相互作用の二体分割法を完成した。当プロジェクトで開発した計算機プログラムCURP(CURrent calculation for Proteins)では、熱揺らぎする蛋白質分子内の物理量の流れを計算することができる。このプログラムを用いて、アミノ酸残基間のエネルギーの流れを計算し、分子内相互作用のネットワーク(Energy Exchange Network: EEN)をグラフィカルに表示する事に成功した。具体的な応用例として、単ドメインアロステリーを示すPDZ3ドメインにこの手法を適用した。PDZ3ドメインはC末端のヘリックスを切除しても立体構造は不変であるが、リガンド結合能が著しく減少することが知られている。CURPによるPDZ3のEENを解析したところ、C末端のヘリックスがネットワーク内で重要な部位を占めている事が示された。タンパク質の活性部位の電子状態計算は分子機能を知るために肝要である。特に分子内にフラビンを含む青色光受容体ファミリーの仲間は、立体構造がお互いに酷似しているにも関わらず、DNA修復、概日リズム、植物の成長制御や渡り鳥の磁気センサーなど多岐にわたる機能を実現する点で興味深い。そこでは、光誘起電子移動反応やプロトン移動反応など電子と核が織りなすタンパク質反応が精密なメカニズムを支えている。その分子機能の生物物理学的基盤を探るため、FMO-LCMO法(Tsuneyuki et al. Chem. Phys. Lett. 476, 104(2009))を用いて活性部位の波動関数を求め、さらにGeneralized Mulliken Hush法を用いて、フラビンが関わる電子移動経路の解析に取り組んだ。蛋白質のシミュレーションから動的情報を抜き出すための解析手法である緩和モード解析の開発を行った。特に、自由度の大きいタンパク質にこの手法を適用するための方法論を開発した。そして、100残基程度のタンパク質系に適用し主成分解析との比較を行った。この際、タンパク質のシミュレーションには専用ハードウェア-であるMD-GRAPE3やGPGPUを搭載した計算機を用いた。本方法により、多自由度のタンパク質にも緩和モード解析を適用可能になった。生体系の問題について、構造構造空間探索と反応の解析の新手法を開発し、さらに、実験と連携してあらたな研究の展開をみることができた。26年度が最終年度であるため、記入しない。連携研究者の岡本祐幸教授(名大)は、あらたに公募班として領域に参画することになった。
腎糸球体メサンギウム細胞の増殖に関与するG蛋白の自己転写調節

Gαi-2遺伝子は細胞増殖の過程において活性化され、ステロイドホルモンによりその活性化が減少することが報告されている。しかし細胞増殖に関与すると考えられる三量体G蛋白の転写調節については不明な点が多い。まず糸球体細胞にG蛋白が存在するかどうかを確かめるため、免疫染色とウェスタンブロットを行った。その結果、メサンギウム細胞内にG蛋白が認められたが、量的には少ないものであった。そこでG蛋白を過剰発現させるべく、メサンギウム細胞に燐酸カルシウム法とリポフェクションによるGαi-2遺伝子の導入を試みた。しかしながら、十分な遺伝子導入効果が得られなかったため、細胞をLLC-PK1細胞にかえて実験を行なった。Gαi-2遺伝子の上流の転写調節領域をルシフェラーゼ・リポーター遺伝子に結合させて細胞に遺伝子導入を行ったところ、Gαi-2を過剰発現させた場合、24%の転写抑制が、gip2(Gαi-2遺伝子の変異型でGTPase活性が抑制されている癌遺伝子)を過剰発現させた場合、88%の転写抑制が認められた。つぎにいろいろな長さの調節領域を持つリポーター遺伝子を導入し、転写調節領域を決定し、27塩基対の遺伝子の断片を用いてゲルシフト・アッセイを施行したところ、gip2を導入した細胞で結合が抑制された。この27塩基対には2つのSp1のシス・エレメントが含まれていたため、抗Sp1抗体を加えて再びゲルシフト・アッセイを行いSp1による転写抑制が観察された。以上の結果からGαi-2は転写因子Sp1を介して自己転写調節を行っていることが示唆された。これよりGαi-2の存在する細胞(たとえばメサンギウム細胞)にも調節機構が存在している可能性があると考えられた。現在メサンギウム細胞での直接の証明を行うべく、実験をすすめている。G蛋白の腎糸球体での局在をみるため数種のG蛋白に対する特異抗体を用いてヒトの腎生検組織の染色を行った.まず正常糸球体では明らかなG蛋白の存在を特定できなかった.メサンギウム細胞の増殖の明らかなタイプの腎炎であるlgA腎症に罹患している患者の糸球体ではGi-1およびGi-2の存在は特定できなかったが、Gi-3、Gsはそれぞれ糸球体内皮細胞、糸球体上皮細胞に局在していた。すなわちGi-3およびGsがlgA腎症におけるメサンギウム細胞の増殖にシグナル伝達物質として、あるいは増殖因子として機能している可能性が示唆された。また単離糸球体蛋白をウエスタンブロット法にて検索したところ正常糸球体にもGi-2の存在が確認された。これはGi-2が糸球体の細胞増殖何らかのかたちで関与している可能性を残すものと思われた。今後一つの方向として他のタイプの腎炎でもG蛋白の局在を検索し腎炎の進展とG蛋白の関与を検討する。他方メサンギウム細胞にGs、Gi-2、Gi-3の遺伝子を導入して過剰発現(ノーザンブロット、ウエスタンブロットにて確認)させ各G蛋白によるメサンギウム細胞の増殖速度を比較し、どのG蛋白が増殖に最も関与するものであるかを同定する。さらにG蛋白そのものがその遺伝子の発現調節に関わっているか否かを検索するためまず種々の長さのG蛋白のプロモーター領域を上流に持つレポーター遺伝子をメサンギウム細胞にG蛋白遺伝子と同時に導入する。最も発現の強弱を認めた領域について、上流から約30塩基ごとにDNAシークエンサーによって合成したオリゴヌクレオチドを用いてゲルシフト法を行い、G蛋白の発現に関わる転写因子を検討する。

しかし細胞増殖に関与すると考えられる三量体G蛋白の転写調節については不明な点が多い。まず糸球体細胞にG蛋白が存在するかどうかを確かめるため、免疫染色とウェスタンブロットを行った。その結果、メサンギウム細胞内にG蛋白が認められたが、量的には少ないものであった。そこでG蛋白を過剰発現させるべく、メサンギウム細胞に燐酸カルシウム法とリポフェクションによるGαi-2遺伝子の導入を試みた。しかしながら、十分な遺伝子導入効率が得られなかったため、細胞をLLC-PK1細胞にかえて実験を行った。Gαi-2遺伝子の上流の転写調節領域をルシフェラーゼ・リポーター遺伝子に結合させて細胞に遺伝子導入を行ったところ、Gαi-2を過剰発現させた場合、24%の転写抑制が、gip2(Gαi-2遺伝子の変異型でGTPase活性が抑制されている癌遺伝子)を過剰発現させた場合、88%の転写抑制が認められた。つぎにいろいろな長さの調節領域を持つリポーター遺伝子を導入し、転写調節領域を決定し、27塩基対の遺伝子の断片を用いてゲルシフト・アッセイを施行したところ、gip2を導入した細胞で結合が抑制された。この27塩基対には2つのSp1のシス・エレメントが含まれていたため、抗Sp1抗体を加えて再びゲルシフト・アッセイを行いSp1による転写抑制が観察された。以上の結果からGαi-2は転写囚子Sp1を介して自己転写調節を行っていることが示唆された。これよりGαi-2の存在する細胞(たとえばメサンギウム細胞)にもこの調節機構が存在している可能性があると考えられた。現在メサンギウム細胞での直接の証明を行うべく、実験をすすめている。
老若男女の発汗能力の解明とその生物学的意義

発汗能力は,思春期前では性差はみられず,思春期以降に男女とも増大するものの,その程度は女性が男性よりも小さかったため,若年者では女性が男性より低かった.発汗能力は男女とも加齢に伴い低下し,その性差は80歳代で消失する傾向だった.若年者では短期間の運動トレーニング・暑熱順化に伴う発汗能力の改善の程度にも性差(男>女)がみられた.長期間運動トレーニングに伴う発汗能力の改善は,子供や高齢者が若年者より小さかった.女性の少ない発汗量は,体液の損失を最小限に抑えようとする生物学的意義が窺えた.なお,男性の運動トレーニング・暑熱馴化・加齢による発汗能力の変化は性ホルモン・成長ホルモンとは関連しなかった.本研究では,老若男女の発汗能力の解明とその生物学的意義を検討するために,以下の4つの実験を実施した.実験(1)では,高温高湿下(30°C・80%RH)で絶対的(100 watts)・相対的(50%VO_2max)強度が同一の運動を負荷した場合,女性の全身発汗量は男性より少なく,我々の先行研究結果を支持した.この女性で観察された少ない発汗量は少ない無効発汗量(皮膚面から蒸発せず滴下した汗)に起因し,有効発汗量(皮膚面から蒸発した汗)には性差はみられなかった.そのため,このような条件では,女性は男性より優れた発汗効率を有することが示唆された.実験(2)では実験(1)で観察された発汗効率の性差は相対湿度で影響されるのか検討した.熱産生量を同一に設定した100watts運動において,高湿下(32°C・80%RH)では深部体温の上昇度に性差がみられなかったものの,女性が男性より優れた発汗効率を示し,実験(1)の結果を支持した.相対湿度(32°C・30%RH)の低下は男女とも発汗効率を増大して生体負担度を軽減し,高湿下で観察された発汗効率の性差は低湿下では消失した.実験(3)では,70歳代高齢者の汗腺機能(イオントフォレーシス法,アセチルコリン誘発性発汗)の性差および20-60歳代の我々の先行研究データを加えて老化過程の性差も検討した.汗腺機能の性差は70歳代においても直接刺激性発汗や軸策反射性発汗で観察され,女性が男性より低い発汗量を示した.男女とも加齢に伴い汗腺機能が低下し,その低下の程度は男性が女性より大きいため,70歳代の性差は20歳代より小さくなった.実験(4)では,70歳代高齢者の皮膚温度感受性(温覚・冷覚閾値熱流束差)の性差と加齢的変化を検討した.若年成人において皮膚の温覚・冷覚感受性は女性が男性より鋭敏で,加齢に伴い鈍化するものの,その性差は70歳代でもほぼ同様に観察された.加齢に伴う鈍化の程度には身体部位差が存在し,男女とも四肢が躯幹部や頭部より顕著だった.本研究では,老若男女の発汗能力の解明とその生物学的意義を検討するために,以下の4つの実験を実施した.実験(1)では,男女大学生に1日90分間の前腕加温トレーニング(32°C・50%RH下で43°Cの湯に片腕を浸す)を10日間実施させ,その前後に前腕でアセチルコリン(ACh)誘発性発汗を比較した.その結果,短期暑熱順化に伴う末梢汗腺機能の改善は,交感神経節後線維の作用ではなく,汗腺自体の要素の改善に起因し,その改善度は女性が男性より小さかった.実験(2)では,30°C・50%RH下で40分間の40%と60%VO2max運動時の全身23部位の局所発汗量を吸水素材により広い皮膚面で測定し,その身体部位差と部位別の性差を検討した.その結果,身体23部位の発汗量は,男性・女性ともに両運動強度とも躯幹前面が後面より,中心部がその左右部位よりそれぞれ多く,左右差が存在しなかった.さらに,躯幹部発汗量は下肢部より多く,脇腹部が躯幹前面・後面,上腕部より少なかった.また,男性の発汗量は女性より多く,胸部でみられた性差は運動強度の増大に伴って背・腰部に拡大した.実験(3)では,80歳代の汗腺機能(ACh誘発性発汗)にも性差(男>女)がみられたものの,これまで累積された2070歳代のデータも加えて考察すると,この性差は加齢に伴い消失する傾向だった.さらに,汗腺機能の低下は男性では単一汗腺あたりの汗出力の低下に,女性では単一汗腺あたりの汗出力と活動汗腺数の低下に起因した.実験(4)では,タイ人中・高年男性運動鍛錬者と同非鍛錬者のACh誘発性発汗と性ホルモン(テストステロン・エストラジオール)や成長ホルモンの関連性を検討した.その結果,単一汗腺あたりの汗出力と性ホルモンとは有意な正の相関は認められなかった.また,昨年度のタイ人若者のデータと比較しても,成長・性ホルモンには有意な年齢差はみられなかった.

本研究では,老若男女の発汗能力の解明とその生物学的意義を検討するために,以下の3つの実験を実施した.実験(1)では,健康な男女大学生に対し,32°C・50%RH環境下で1日60分間の自転車運動(135拍/分の定脈拍数運動)を10日間負荷した場合,男女(VO2maxは男性で14%,女性で7%増加)とも末梢の軸索反射性発汗(交感神経節後線維の要素を反映する)を改善しないものの,男性でのみ直接刺激性発汗(汗腺それ自体の要素を反映する)を亢進する可能性が示唆された.さらに,軸索反射性・直接刺激性発汗は女性が男性より劣ることを報告した先行研究結果を支持した.実験(2)では,子ども,若者,高齢者の運動鍛錬者(T群)と同非鍛錬者(U群)のアセチルコリン誘発性発汗テストを実施した.その結果,汗腺機能における運動トレーニング効果の年齢差を検討した.なお,VO2max・日常歩行量では年齢に関わらずT群がU群より有意に高く,T群のVO2maxとU群の日常歩行量には年齢差はみられず,U群のVO2maxおよびT群の日常歩行量では子どもが若者・高齢者より有意に高かった.発汗テストの結果,汗腺機能は年齢に関わらず長期運動トレーニングで亢進し,その亢進の程度には年齢差が存在し,特に直接刺激性発汗(汗腺それ自体の要素を反映する)で子どもと高齢者が若者より小さいことが示唆された.実験(3)では,男性運動鍛錬者と同非鍛錬者のアセチルコリン誘発性発汗と性ホルモン(テストステロン・エストラジオール)や成長ホルモンの関連性を検討した.その結果,運動トレーニングは軸索反射性発汗および直接刺激性発汗を亢進し,その亢進の程度に身体部位差が存在する先行研究結果を支持した.しかし,運動トレーニングに伴う汗腺機能の亢進が女性ホルモンと有意に関連することが示されたが,男性ホルモンや成長ホルモンとは関連しないことが示唆された.本研究では,老若男女の発汗能力の解明とその生物学的意義を検討するために,以下の4つの実験を実施した.実験(1)では,624歳男女のアセチルコリン(ACh)誘発性発汗を測定し,発育過程における発汗機能の性差を検討した.その結果,発汗量には思春期まで性差は観察されなかったが,思春期に伴う男子の顕著な亢進により性差が出現した.その性差は,活動汗腺数ではなく,単一汗腺あたりの汗出力の増加に起因した.実験(2)では,日本人の若年男性の運動鍛錬者と同非鍛錬者のACh誘発性発汗を測定し,その汗腺指標と安静時のテストステロン・エストラジオール・成長ホルモンの関連性を検討した.その結果,運動トレーニングは汗腺機能を亢進することが再確認された.しかし,若年者の横断的データの観察では,運動トレーニングに伴う汗腺機能の亢進に関して,汗腺機能の指標の一部が女性ホルモンと関連したものの,男性ホルモンや成長ホルモンとは関連しないことが示唆された.実験(3)では,若年者と高齢者の掌握運動直後における示指の手掌面のエクリン汗腺を光コヒーレンストモグラフィで視覚化し,この情報から解析した汗腺容積を両群間で比較した.その結果,精神性発汗時における示指の汗腺容積には有意な年齢差は認められなかった.実験(4)では,80歳以上の被験者に対し,皮膚の温度感受性を測定し,これまでの2070歳代のデータも加えて考察した.その結果,皮膚の温覚・冷覚感受性は加齢に伴い鈍化し,80歳代で性差は小さくなった.加齢に伴う鈍化の程度には身体部位差が存在し,四肢部が躯幹部や頭部より顕著だった.加齢に伴う冷覚感受性の低下は,80歳代では歩行量の確保で抑制できる可能性が示唆された.本研究では,老若男女の発汗能力の解明とその生物学的意義を検討するために,以下の2実験を実施した.実験(1)では,発汗反応の求心性入力に関連する温度感受性の高齢者特性を検討した.すなわち,24°Cの中立温域から35°Cまで漸次上昇,その後中立温域まで漸次下降する温熱環境下に70歳代女性を全身暴露させ,その間の全身温冷感と皮膚温反応との関連性を検討した.さらに,被験者には自宅にいることを想定してもらい,実験中エアコンのオン,オフを申告させた.高齢女性の15名中10名がオン・オフを申告し,残りの5名は申告しなかった.エアコン使用の申告者と非申告者の平均皮膚温には有意な差は認められなかったが,全身温冷感では6580分目で非申告者の方が有意に低い暑さ感覚を申告した.
超高感度レーザー干渉計による巨視的力学系の標準量子限界の研究

平成22年度に引き続き、懸架型の超小型鏡を用いて、量子雑音、特に輻射圧由来の雑音が顕在化するようなレーザー干渉計システムを開発している。重力波検出器においては、光の持つ力学的運動量の量子力学的な振る舞いが鏡という巨視的な質量の運動に影響を与える現象の観測が予測されている。そしてそこから導かれる量子論的な測定限界が将来的に重力波検出器の感度限界を定めると言われている。本研究の目的はそのような現象を測定し、またその現象を利用した先進的な感度向上技術を実証しうる小型レーザー干渉計システムを作成することである。システムの特徴としては、非常に軽量の鏡を用いた懸架システムを用いることで、レーザーの輻射圧が鏡の運動に与える影響を強め、量子限界により到達しやすくなる構成をとっている点を挙げることができる。これまでの開発の中で、輻射圧による鏡の角度方向の運動の不安定性が励起されることが非常に大きな問題となることが分かってきた。そこで、平成23年度は主に鏡の角度方向の位置制御システムの開発実験を行ってきた。鏡の角度制御システムとして光共振器内の輻射圧を利用する手法を提案し、その世界初の実証に成功した。実験的には、まず角度方向の運動の共振モードの周波数が共振器内部の光強度で変化する効果を測定し、輻射圧による不安定さが発生していることを確認した。その上で、角度揺れの検出装置からの信号をフィードバック制御し、角度揺れを5分の1に抑制できることを示した。このように、光の圧力による不安定性を光の圧力で制御した例は、世界的にほとんど例のないことであり、この結果は、今後のこの分野の進展に大きな寄与が期待できる。本年度の研究においては、まず、干渉計の目標感度達成に向けたパラメータの詳細検討を行った。設計段階においては、多くの系のパラメータが様々な雑音源と密接に絡み合っていることを一つ一つ評価していく必要がある。鏡の質量、量子限界感度を実現する周波数から目標感度を定め、それらに対して他の雑音源がどのように寄与してくるか、について学会にて2件報告した。また、国立天文台において微小質量の懸架鏡を用いた輻射圧実験を行っているグループと緊密な議論を交わし、実験について多くの意見を得た。国立天文台で行われている研究は我々のものと関心が非常に近いため、共同研究という形を取って研究を進めていくこととした。このことにより、より多くの研究者と議論をすることができ、また設備としても充実した環境で実験を進めていくことができるので、本研究の推進に有効であると考えたからである。現在国立天文台で行われている実験は、振動子型ではなく懸架された鏡を用いた、「自由質量型」と呼ばれるタイプである。このタイプの利点としては、振動子型に比べて感度の面で制約が緩くなることである。そこで、自由質量型で実験を進めながら、他の方式を用いることも併せて検討を進めることとした。特に、輻射圧雑音の面でより制約が緩くなる、現在用いている1064nmのレーザーから波長変換で532nmを得る手法についても検討を行った。国立天文台における実験においては、超軽量鏡を用いたFabry-Perot共振器の安定動作に成功し、感度取得および雑音の推定を行った。これらについて学会において2件報告した。系の感度は多くの技術的雑音に制限されているため、それらを一つずつ克服していくことが今後の課題として残された。また、共振器の制御上の問題なども明らかになり、それらに向けた対策に着手した。微小鏡を用い、輻射圧による効果を顕在化させるシステムの実現に向けた実験を進めている。本年度の研究においては、まず、微小鏡を懸架するファイバーに起因するロスの推定を行った。また、より良い性能を持ったファイバーを利用するため、その作製法の検討及び実際の作製を行った。ファイバー本体の持つロスよりもファイバーを鏡に接着する部分由来のロスが大きい可能性が指摘され、解決法としてファイバーの太さを一定とはせず、鏡と接着する部分をより太くすることでこのロスを回避する可能性を提案した。更に、光共振器を構成する制御用鏡懸架システムを新規に作成した。マイケルソン干渉計を用いたシステムの特性評価を行い、必要な条件を満たしていることを確認した。続いて、作成した制御用鏡懸架シズテムと微小鏡振り子を用いたFabry-Perot光共振器の動作実験を行った。共振器の長さ方向に関して、この光共振器を安定に動作させることに成功した。更に、長さ方向とあわせて角度方向の振動を制御する実験を行い、微小鏡振り子の残留振動に起因する光軸の角度揺らぎを、制御システムを用いて低減させることに成功した。以上の内容について、国際学会3件を含む計5件の発表を行った。特に、本年3月の日本物理学会においてH22年度成果の取りまとめ報告を行う予定であったが震災の影響で本年度に繰越を行い本年度の補助事業とした件については、本年9月の日本物理学会秋季大会において報告を行い取りまとめを完了させた。

そしてそこから導かれる量子論的な測定限界が将来的に重力波検出器の感度限界を定めると言われている。本研究の目的はそのような現象を測定し、またその現象を利用した先進的な感度向上技術を実証しうる小型レーザー干渉計システムを作成することである。システムの特徴としては、非常に軽量の鏡を用いた懸架システムを用いることで、レーザーの輻射圧が鏡の運動に与える影響を強め、量子限界により到達しやすくなる構成をとっている点を挙げることができる。これまでの開発の中で、輻射圧による鏡の角度方向の運動の不安定性が励起されることが非常に大きな問題となることが分かってきた。そこで、平成23年度は主に鏡の角度方向の位置制御システムの開発実験を行ってきた。鏡の角度制御システムとして光共振器内の輻射圧を利用する手法を提案し、その世界初の実証に成功した。実験的には、まず角度方向の運動の共振モードの周波数が共振器内部の光強度で変化する効果を測定し、輻射圧による不安定さが発生していることを確認した。その上で、角度揺れの検出装置からの信号をフィードバック制御し、角度揺れを5分の1に抑制できることを示した。このように、光の圧力による不安定性を光の圧力で制御した例は、世界的にほとんど例のないことであり、この結果は、今後のこの分野の進展に大きな寄与が期待できる。
核磁気共鳴法による梯子格子物質および高温超伝導体の量子スピン励起に関する研究

酸化物高温超伝導の発現にはCuO_2の2次元面の存在と適当な濃度のキャリアの注入が必要であることが実験的に示されている。このことは高温超伝導の発現が反強磁性絶縁体にキャリアドープされたCuスピン2次元Heisenberg量子スピンの強い相関効果によるものであることを示唆している。強いスピン相関に起因する異常金属状態の解明のため幾つかの典型物質を取り上げ、スピンの揺らぎに起因する様々な異常金属状態と低次元量子スピン系における基底状態の研究をおこなった本研究においては、4楕円鏡面浮遊帯炉をもちいて良質の単結晶Sr_<14-x>A_xCu_<24>O_<41>(A=Ca,La)を作製することに成功した。これにより単結晶試料の核磁気共鳴の測定はもとより、磁場中比熱や帯磁率の異方性の詳細な知見を得ることが出来、多くの成果を得ることが出来た。以下にこれをまとめる。(1)単結晶試料においてCuの緩和時間およびNMRシフトの異方性の知見を得て、梯子サイトへホールがドープされることを示し、ギャップの大きさがホールドープで大きく減少することを明らかにした。(2)系のホール濃度を減少させたSr_<14-x>La_xCu_<24>O_<41>において磁気秩序が観測された。内部磁場の解析から鎖サイトのCuが鎖内で強磁性、鎖間で反強磁性の磁気構造をとることを結論した。(3)梯子層のCu核において磁場誘起超微細磁場が観測された。この誘起磁場は印可磁場の方向によりその大きさが異なる。梯子サイトのCu核の超微細結合定数に比例することから、梯子層のCuに誘起されたstaggered momentによるものと結論出来た。梯子格子系においてスピン位相のコヒーレンスが破れたとき、基底状態として反強磁性磁気秩序が形成されると考えられる。(4)圧力下で超伝導が出現す本Sr_<2.5>Ca_<11.5>Cu_<24>O_<41>においてT=2.3Kにおいて磁気秩序が観測された。NMR/NQR、帯磁率の測定結果から、鎖サイトのCuの反強磁性秩序であると結論出来た。酸化物高温超伝導の発現にはCUO_2の2次元面の存在と適当な濃度のキャリアの注入が必要であることが実験的に示されている。強いスピン相関に起因する異常金属状態の解明のため幾つかの典型物質を取り上げ、スピンの揺らぎに起因する様々な異常金属状態と低次元量子スピン系における基底状態の研究をおこなった。本研究においては、4楕円鏡面浮遊帯炉をもちいて良質の単結晶Sr_<14-x>A_xCu_<24>O

_<41>(A=Ca,La)を作製することに成功した。これにより単結晶試料の核磁気共鳴の測定はもとより、磁場中比熱や帯磁率の異方性の詳細な知見を得ることが出来、多くの成果を得ることが出来た。以下にこれをまとめる。(1)単結晶試料においてCuの緩和時間およびNMRシフトの異方性の知見を得て、梯子サイトへホールがドープされることを示し、ギャップの大きさがホールドープで大きく減少することを明らかにした。(2)系のホール濃度を減少させたSr_<14-x>La_xCu_<24>O_<41>において磁気秩序が観測された。内部磁場の解析から鎖サイトのCuが鎖内で強磁性、鎖間で反強磁性の磁気構造をとることを結論した。(3)梯子層のCu核において磁場誘起超微細磁場が観測された。この誘起磁場は印可磁場の方向によりその大きさが異なる。梯子サイトのCu核の超微細結合定数に比例することから、梯子層のCuに誘起されたstaggered momentによるものと結論出来た。梯子格子系においてスピン位相のコヒーレンスが破れたとき、基底状態として反強磁性磁気秩序が形成されると考えられる。(4)圧力下で超伝導が出現するSr_<2.5>Ca_<11.5>Cu_<24>O_<41>においてT=2.3Kにおいて磁気秩序が観測された。NMR/NQR、帯磁率の測定結果から、鎖サイトのCuの反強磁性秩序であると結論出来た。
メカノケミカル法を利用したZNOを基盤とした可視光応答型抗菌触媒の製造

本研究の目的は、酸化亜鉛に窒素、硫黄ならびに炭素を粉砕法によりドーピングし、可視光応答抗菌機能の向上を目指すことにある。初年度目では、窒素と炭素のドーピング、二年度目では、硫黄(S)ののドーピングを行った。三年度目では、ドーピングして合成したZnO試料と酸化チタンをはじめ、他の酸化物との複合化を行った。本研究の目的は、酸化亜鉛に窒素、硫黄ならびに炭素を粉砕法を利用したメカノケミカル・ドーピング法を確立し、可視光応答抗菌機能の向上を目指すことにある。初年度目では、窒素(N)と炭素(C)の酸化亜鉛(ZnO)へのドーピングを行った。ZnOへのN-ドーピングは、N含有化合物(尿素、炭酸アモンニウム、メラミン、シアヌル酸)をZnOと混合粉砕し、その産物を200400°Cの間で加熱して調整した。ZnOへのC-ドーピングは、エタノールとポリビニルアルコールをZnOと共に粉砕して調整した。これら元素のドーピング量制御については、ZnOに対して添加物がよく分散している試料ほどドーピングが進行し易いことが明確になった。また、加熱温度が200°C400°Cの温度範囲ではドーピングが進行し易いことも分かった。一方、加熱なしあるいは加熱温度が200°C以下では、添加物成分はZnO光触媒粒子表面に残留し、触媒性能に悪影響を及ぼす。また、400°C以上の加熱は、ドーパントとしてのNやC化合物が熱分解し、ZnOへのドーピングが達成し難いことが判明し、結果として調製した光触媒試料の性能が低下することも判明した。ZnOへのC-ドーピングは、加熱温度の影響を受けやすく、200°CでC-OとC-Zn結合が見られるが、400°C加熱では、C-Zn結合が弱くなる傾向にある。これら3種類の触媒単独またはこれとTiO_2との混合物に対して可視光照射下でNOの分解試験を行った。元素ドーピングZnOとTiO_2系混合粉砕試料は高い光触媒性能を示し、標準光触媒TiO_2試料(P25=TiO_2)と同等の結果になった。二年度目では、窒素(N)と硫黄(S)の酸化亜鉛(ZnO)へのドーピングを行った。ZnOへのN-ドーピングは、N含有化合物(尿素、炭酸アモンニウム)をZnOと混合粉砕し、その産物を200400°Cの間で加熱して調整した。ZnOへのS-ドーピングは、エタノールとポリビニルアルコールをZnOと共に粉砕して調整した。さらに、窒素と硫黄との二元素ドーピングも行った。その割合によりドーピングした試料の光触媒性質への影響を調べた。加熱温度が200°C400°Cの温度範囲ではドーピングが進行し易いことも分かった。一方、加熱雰囲気の影響では、窒素ドーピングは、空気中の加熱で、硫黄ドーピングは、非酸素雰囲気は必要である。また、400°C以上の加熱は、ドーパントとしてのNやS化合物が熱分解し、ZnOへのドーピングが達成し難いことが判明し、結果として調製した光触媒試料の性能が低下することも判明した。これら3種類の触媒単独またはこれとZnOとの混合物に対して可視光照射下でNOの分解試験を行った。非金属元素ドーピングしたZnO試料とZnO原料との混合粉砕試料は高い光触媒性能を評価した。本研究のR的は、酸化亜鉛に窒素、硫黄ならびに炭素を粉砕法を利用したメカノケミカル・ドーピング法を確立し、可視光応答抗菌機能の向上を目指すことにある。三年度目では、ドーピングして合成したZnO試料と他の酸化物との複合化を行った。主に窒素ドーピングしたZnOを酸化チタン、酸化タングステン、チタン酸カルシウム、炭酸カルシウムなどの試料に添加し、エタノールの中に分散混合処理を行い、その後、乾燥によりエタノール溶剤を除去して複合した試料をえられた。このように調製した試料について光触媒性質を評価して、添加する酸化物の種類や添加量の影響を調べ、異種類の化合物の共存によりシナジー効果を確認した。同じく硫黄ドーピングと炭素ドーピングしたZnOを他酸化物との共存によりシナジー効果を調べた。添加する種類により、さまざまな結果をえられた。炭酸カルシウムの添加には、効果がほとんど確認できなかったのに対して、酸化チタンや酸化タングステンの添加により一定の効果を得られた。さまざまな分析結果から複合した試料の表面に活性酸素の一種類の一重項酸素の発生が増加したことが観察されている。

また、はっきり理解されていないのは、窒素ドーピングしたZnOから顕著な活性酸素発生に対し、硫黄や炭素ドーピングしたZnOからあまり確認されていない。今後の課題にしたい。
形状記憶合金の相変態制御と評価を組み込んだ知的材料システム設計

機械構造部材の強度、安全性、省エネルギー性確保のために、環境変化に対応して、自らの特性を変化させ、さらには、破壊防御、損傷修復などの機能を有する、いわゆる“知的(インテリジェント)材料・構造システム"実現のためには、センサやアクチュエータ機能を有する材料素子の導入・開発が不可欠になるが、その中で形状記憶合金(SMA)は下図に示されるように、熱弾性型相変態ゆえに温度(応力)センサ、形状記憶(プロセッサ)と回復・駆動(アクチュエータ)機能をそなえた知的材料素子として注目されている。本研究では、SMA(TiNi合金など)の物性と変態メカニズムを合金元素添加や加工熱処理により変化させて、かつそれらのSMA素子を制御と非破壊的評価を組み込んだ知的材料・構造システム基本設計概念を提案した。具体的には、(1)SMA繊維を光弾性樹脂内部に埋め込んだプロトタイプの知的複合材料モデルを試作して、本研究で提案した"形状記憶強化知的複合材料"での材料強化機構の基礎的実験と理論解析との対応関係の検討した、さらに、(2)形状記憶TiNi合金繊維型Al金属基複合材料開発とその材料特性評価、および、それらの応用として、(3)SMA複合材料システムにおける知的設計制御への方向性を示し、SMA変態時のアコーステックエミッション(AE波)検出を知的材料・構造システム制御へのトリガーとして用いた構造部材・構造物強化へのシステム開発の可能性を実験的に検証した。開発した知的複合材料板の工学的応用分野としては、(1)金属基および高分子基形状記憶強化複合材料は高速移動車体(航空機壁、鉄道床)用複合構造材であり、(2)AE損傷検知と評価を組み込んだSMA複合材料・構造物モデルは高層建築構造物や突発事故前に危険を察知出来る原子力構造部材等が考えられる。このように実際的な目標を設定したSMAインテリジェント材料システム設計開発例は内外にほとんどないのが現状である。大きな温度変態ひずみヒステリシスを有する2元系TiNi形状記憶合金をAl,Epoxy母材複合材料に取り込んだ試験片での、TiNiファイバ変態温度を挟んで、低温側での制振性向上、高温側での材料強化作用は、再度明確に確認された。また、切欠入りTiNi/エポキシ試験片での光弾性縞模様から、K値の急減も確認され、これらはいずれも等価介在物法により、理論的にも解析され、ほぼ良い一致を見た。また、それらの応用として、破壊発生直前に材料内部から起こるAE弾性波を検出出来る圧電センサー/アクチュエータSMA繊維強化インテリジェント複合材料システムを研究室レベルで試作した。そして、地震等の機械構造物の突発破壊を防げるシステムを構築しつつある。当初の目標にほぼ従う形で以下の研究成果が得られつつある。(a)Al粉末焼結法により、TiNi/Al板(ファイバ含有率Vf=3%)を安定して作成出来た。(b)逆変態温度(Af=60°C)以上では、予ひずみTiNiファイバの圧縮応力効果により母材側は強化され、降伏応力などの材料強度上昇が確認出来た。(2)TiNi/Epoxy樹脂光弾性モデルを用いた破壊靱性(K-値)抑制実証実験では、90°C(>Af温度)電気炉路雰囲気中で縞次数(=K値)減少効果が確認された。(発表:島本、古屋、田谷:日本機械学会材料力学部門講演会講演論文集(M&M95,盛岡、95/8.23-24).(1995)67)

(3)Eshelby等価介在物法による、降伏応力およびK値の理論解析により、高温側強化効果もおおよそ見積でき、両者はほぼ良い一致をみた。(4)AEセンサーをTiNi/Epoxy複合材表面に設定し、部材に急速な割れ(破壊)が発生する直前レベルでのTiNiファイバに直接通電加熱によるSMA圧縮回復力を利用した、AEセンサとマイコン判断を組み込んだ、"突発破壊防御インテリジェント材料システム"を開発した。本年度(平成8年度)の研究成果としては、以下の3つに大別される。(1)放電プラズマ焼結(SPS)法による、金属系形状記憶TiNi繊維強化型Al基複合材料の機械的特性改善(2)高分子系形状記憶TiNi繊維強化型epoxy基複合材モデルを用いた破壊靱性K値の向上効果(3)圧電型AEセンサ/アクチュエータSMA繊維強化知的複合材料システムの通電加熱時の材料能動強化への応答性の改善を試みた。以下には各テーマにおいて得られた研究成果をまとめた。(1)放電プラズマ焼結(SPS)の採用により、昨年度までのブレス焼結法に比べて材質の大幅改善と引張り強度の大幅な改善が認められた。すなわち、焼結密度(99%以上)、引張り強度(降伏応力)は1.5倍、破断伸びは2倍以上(100%)が得られた。その理由は、SPSでの短時間焼結に伴う、Al基地組織の緻密化、TiNi/Al界面析出物の抑制効果を明らかにした。また、高温側(>Af変態温度)でのTiNiファイバ形状記憶収縮に伴う材料強化機構も明確に確認された。(2) TiNi/Epoxyモデルでは、高温側(>Af変態温度)での埋め込みファイバと切欠き先端までの距離(ドメイン)の減少につれて、切欠き先端部K値は漸減した。このようなファイバ埋め込みによる破壊靱性向上効果は、疲労き裂伝播速度のファイバ近傍での停滞効果として表れることを実験的に確認した。(3)突発破壊防御を主目的とした、AEセンサ/アクチュエータTiNi繊維強化知的複合材料システムでの、AEセンサからの破壊予兆信号を分離する波形解析ソフトの改善、およびA/Dボード側のハードウェア部分の改善を行い、昨年度よりも高速で応答出来る知的材料システムを構築した。以上、当初計画した『形状記憶合金(SMA)の相変態制御と評価を組み込んだ知的材料システム設計』開発への基礎的研究成果を挙げることが出来た。
ロボット教示のための共教習システムに関する研究

本研究では,ロボットサービスや,e-ラーニングシステム等の,インタラクティブなシステムにおいて望ましい結果に導くよう,質問や教示進度を適宜修正し,学習法を修正しつつ習熟可能な,適応的な学習が可能なシステムの構築を目指しており,重量のバランスから,複数の腕が協力して動作しないと移動できないクモヒトデ型のモジュールロボットの動作学習を通して,学習則を効果的に獲得するのための方法を検証した.本研究では,ロボットサービスや,e-ラーニングシステム等の,インタラクティブなシステムにおいて望ましい結果に導くよう,質問や教示進度を適宜修正し,学習法を修正しつつ習熟可能な,適応的な学習が可能なシステムの構築を目指しており,重量のバランスから,複数の腕が協力して動作しないと移動できないクモヒトデ型のモジュールロボットの動作学習を通して,学習則を効果的に獲得するのための方法を検証した.本研究の目的は,情報の受け手の状況を把握しつつ,受け手に最適な教示を与えるためのフレームワークを構築することである.本研究では,ロボットサービスや,e-ラーニングシステム等の,インタラクティブなシステムにおいて・望ましい結果に導くよう,・質問や教示進度を適宜修正コントロールすることができ,・提供時に,提供法を修正しつつ習熟可能で,・受け手側から未知の挙動を逆に教わる事もできる「教習システム」の構築を目指している.初年度は、現行で利用されているe-learningシステム,観光情報端末などの教示システムにおいて,情報の送り手と受け手の関係から現状調査を行った.受け手の情報収集は,フィードバックアンケートに基づいており,設問設計への焦点を検討課題とした.また,教習システムとして数学学習用のe-learningシステムを試作し評価した.設問(項目)ごとに困難度や識別力などのパラメータを付与し,それらを処理することにより被験者の能力測定が可能となる項目応答の機能を有することで,共通の尺度によるパラメータが付与された設問を事前に数多く用意しておくことで各設問を入れ替えるとにより幾種類もの問題セットを作ることが可能となる.加えて,多足歩行モジュールロボットシステムの歩容学習として,セルオートマトン及びニューラルネットワークの適用によりモジュール間伝達モデルを作成した.これは,AI2007(SGAI)への投稿を行い採択された.本研究の目的は,情報の受け手の状況を把握しつつ,受け手に最適な教示を与えるためのフレームワークを構築することである.本研究では,ロボットサービスや,e-ラーニングシステム等の,インタラクティブなシステムにおいて・望ましい結果に導くよう・質問や教示進度を適宜修正コントロールすることができ・提供時に,提供法を修正しつつ習熟可能で・受け手側から未知の挙動を逆に教わる事もできる「教習システム」の構築を目指している.前年度作成した重量バランスから,モジュール単体では移動することができない多足歩行モジュールロボットシステムの歩容学習として,モジュール間の制御モデルに関して,有限オートマトン,セルオートマトン,ニューラルネットワークの3つのモデル適用を通じて,学習シナリオの整理統合を行った.さらに,ロボットの学習すべきシナリオとして,ロボットの細かい動きを基本のビヘイビャーとして学習し,そのビヘイビャーを結合することで,望んでいるタスクに活用を行い,基本ビヘイビャーの学習のみで自由裁量的なコース移動可能とし,サブシステムのビヘイビャーを用いてシステムの基本のビヘイビャーを作成し、さらにサプシステムを結合することで,グローバルビヘイビャーを構成させるという複雑系設計制御のアプローチを得た.シミュレーションベースでは,シナリオのサンプルとなる多足歩行ロボットモデルの行動学習モデルとして,2件の論文,4件の発表を行った.
嗅球糸球体シナプス神経回路情報処理機構の構造解析

本研究は、報告者のこれ迄の解析結果を基盤として、形態的特徴のみならず、化学的、電気生理学的側面からの機能を同定した嗅球ニューロンのシナプス結合を解析したものである。具体的には、米メリーランド大学・Michael T.Shipley教授の研究グループと共同実験により、tyrosine hydroxylase (TH)、glutamic acide decarboxylase (GAD)といった、嗅球ニューロンの代表的な化学マーカーをGFP標識したトランスジェニックマウスを用い、パッチクランプ法により各ニューロンの刺激反応性を比較検討した。その結果、入力の嗅神経を刺激した結果、スライス嗅球における介在ニューロン、投射ニューロンの電気生理学的・薬理学的特性が多様であり、また同じ化学的性質を有するニューロン群の中でも、嗅神経刺激に対する反応性に少なくとも2つのタイプがある事などがわかった。更に記録後にbiocytinを注入してニューロンの全体像を明らかにし、更にTH、GAD65ニューロンについて、抗GFP抗体を用いて免疫電顕によりシナプス結合を解析し、シナプス入力の頻度が異なることがわかった。遺伝学的に同定された化学的性質、形態的特徴、シナプスなどを対応し、異種のニューロン問での違いを明らかにする事により、ニューロンの多様性に基づく嗅覚神経回路の精巧さが示された。本研究は、報告者のこれ迄の解析結果を基盤として形態的特徴のみならず、化学的、電気生理学的、薬理学的側面からの機能を同定した嗅球ニューロンのシナプス結合の定量解析を行うものである。初年度の平成19年度は、以下のような解析を行った。1)嗅球ニューロンの電気生理学的、薬理学的同定:米メリーランド大学・Michael T.Shipley教授の研究グループと共同研究を行った(平成19年11月9日・出国同年12月3日・帰国)。その結果、嗅覚の一次ニューロン(嗅入力)である嗅神経を刺激した結果、スライス嗅球における介在ニューロン、投射ニューロンの電気生理学的・薬理学的特性が多様であり、また同じ化学的性質を有する、介在ニューロンを中心とした嗅球糸球体ニューロン群の中でも、嗅神経刺激に対する反応性に少なくとも2つのタイプがある事などがわかった。帰国後、同研究グループと密接に連携し、これら機能的に同定されたニューロンを多重免疫染色法によって電子顕微鏡解析用の標本に作製し、解析を進めている。2)嗅球神経回路の遠心性入力成分のシナプス結合の解析:高次中枢からの嗅球への遠心性入力について免疫電顕にて解析を行っている。同時に平成19年秋に徳島大学に導入されたデジタル電顕の性能調査を行い、当該科学研究費により導入したパーソナルコンピューター及び関連機器類でデジタル画像の広視野・高解像度の処理法及び三次元電子線トモグラフィー法の試験的解析を行い、電子顕微鏡のデジタル化に伴う画像解析法を確立した。平成20年度は引き続き、海外共同研究者の協力を得ながら研究を推進したいと考えている。当該研究の本年度の目的は、海外研究協力者らによって三次元形態と電気生理学的特性を同定された嗅球糸球体介在ニューロン群のシナプス結合の同定を行なうものである。海外研究協力者の米メリーランド大学医学部のShipley教授の研究グループと共同実験するために渡航し、遺伝学的に同定されたGABAニューロン(GAD65-GFPニューロン)とTHニューロン(TH-GFPニューロン)を蛍光直視下にスライス・パッチクランプ・ホールセルレゴーディング法で、嗅受容細胞を刺激後の反応性を比較検討した。その結果、GAD65-GFPニューロンは嗅受容細胞を刺激後の反応性にはEPSCが一様である群と多様である群に分けられたが、形態は似通っており、単一の糸球体に樹状突起を伸展していた。一方、TH-GFPニューロンも嗅受容細胞刺激後のEPSCが一様である群と多様である群に分けられたが、形態はGAD65-GFPニューロンよりも多様性に富み、複数の糸球体に樹状突起を伸展していた。注目すべきはEPSCが多様である群は樹状突起が明らかに長く、関わる糸球体の数も40にも及ぶニューロンも観察された。(Kiyokage et al.論文投稿準備中)国内では、抗GFP抗体を用いて免疫染色をして、夫々のニューロンのシナプスの同定を行なった。

その結果、GAD65-GFPニューロン及びTH-GFPニューロン共に嗅受容細胞とmitral/tufted cellと考えられる投射ニューロンの樹状突起から非対称性シナプスを受けていた。また共に投射ニューロンの樹状突起へ対称性シナプスを形成していたが、典型的なreciprocal synapseは観察していない。現在、嗅受容細胞と投射ニューロンのとのシナプス結合の定量を進めているが、現時点までの結果から、TH-GFPニューロンはGAD65-GFPニューロンに比べ、嗅受容細胞からのシナプス入力の頻度が多い傾向にあると考えられる。今後更に詳細に解析を進めたい。
分子の光誘起状態の生成条件と性質の解明

前年度までの研究で,高振動数極限では二つのヘリウム原子の間に光誘起共有結合が生じることが示されている.振動数が有限であればイオン化が起こる.He_2分子の存在の現実的な可否を議論するために,イオン化に対する寿命を理論計算により評価した.光子エネルギーhv=272eV相当の高振動数光子場について計算を行った.レーザー強度を上げていくと,イオン化寿命は急速に短くなり,光誘起共有結合が生じる強度に達する前に,ポンデロモーティブ半径αが0.05原子単位に達した段階で,既にイオン化寿命は1fsよりも短くなることが見出された.しかし,更にレーザー強度を上げていくと,安定化現象が起こり,α=0.951.05原子単位の付近で1100fsの寿命を持つ強度領域が,非常に狭いが,存在することが見出された.その強度領域では光誘起共有結合が生じていることも確認された.一方,イオン化寿命は核間距離にも依存する.平衡核間距離よりも短距離の反発ポテンシャル領域で寿命は短く,平衡核間距離付近の引力的な領域で寿命は長くなり,He原子への解離限界では再度寿命は短くなることが見出された.ポテンシャル曲線および寿命の核間距離依存性から,振動準位のエネルギーおよびイオン化寿命を算出した.その結果,振動基底状態のエネルギー幅は0.12eV,第1振動励起状態とのエネルギー差は0.25eVとなり,振動基底状態は離散的な状態であることが判明した.すなわち,He_2分子が存在する.その寿命は5.6fsである.この値を与えるレーザー条件は,hv=272eV,強度3.6×10^<20>Wcm^<-2>である.一次元井戸の中の電子に強レーザーを印加したモデルを解析した.Floquetの定式化と複素スケール法を併用し,数値計算により共鳴状態のエネルギー位置と幅を求めた.レーザー周波数を固定し,レーザー強度を変化させたときの共鳴状態の挙動を調べた.レーザー強度がある閾値を越えたときに出現する共鳴状態を見出した.この共鳴状態が光誘起状態である.レーザー周波数を,1光子イオン化閾値の前後で変化させ,光誘起状態発生の様子を精査した.特に複素エネルギー平面のリーマン面の構造に留意した.その結果,光誘起状態は,一次元井戸元来の束縛状態の影極に由来することがわかった.無限小の強度のレーザーが印加されたとき影極が発生するが,それは物理的には観測にかからないリーマン面上にある.レーザー強度の増加とともに影極が複素エネルギー面上を移動し,共鳴として観測にかかるような領域へ侵入する.これが数理的にみた光誘起状態の発生メカニズムであることがわかった.レーザー周波数が1光子イオン化閾値に上から漸近するとき,光誘起状態発生の閾レーザー強度は零に収斂し,光誘起状態の発生時の寿命は長くなる.すなわち,レーザー周波数が1光子イオン化閾値の直上にあるときに,光誘起状態は実験的に最も観測されやすい,すなわち弱いレーザー強度で寿命の長い光誘起状態が観測され得ることが結論される.実際,モデル計算で,放出電子の運動エネルギー分布,すなわち,強レーザー場中の光電子スペクトルを計算し,光誘起状態が鋭いピークとして観測されることが確認された.本モデルは原子負イオンの良いモデルになっていると考えられる.1.有限の深さを持つ1次元井戸に束縛された電子に光子場を印加したモデル系の解析を行った.光子場の振動数と強度の組み合わせを広範囲にわたって変化させ,光誘起状態の生成条件および性質を解析した.(A)Floquetの定式化と複素座標法を融合した方法(複素座標Floquet法)を適用し,特にレーザ振動数が低い場合について光誘起状態の存否を詳細に調べた.その結果(ア)光誘起状態は束縛状態の影極に由来する.(イ)1光子イオン化閾値の直上が光誘起状態発隼のための好条件である.という結論を得た.(B)レーザー場中の電子散乱に対する,近似のない厳密な,緊密結合計算を行ない,上記項目(A)の計算結果の正当性を証明するとともに,より詳細な複素エネルギー面の解析を行なった.光誘起状態の数理的起源は,ポテンシャル井戸の形状に依存して,束縛状態の影極または反束縛状態の極であることがわかった.2.強レーザー場中の二原子分子の電子状態に関する計算を実行した.クラマース=ヘンネバーガー高振動数近似の下で,He二原子分子の計算を行なった.非経験的分子軌道法の計算機コードを改変し,高振動数極限の強レーザー場中の分子軌道計算ができるようにした.計算の結果,強レーザー場中で二つのHe原子の間に化学結合(共有結合)が生じることを見出した.すなわち,光誘起準安定分子の形成である.この「光誘起化学結合」は,強レーザー場中で原子オービタルが変形し,混成オービタルを形成すること,またそれが,「光で歪められた分子軌道」を形成することで説明できる.3.量子欠損理論を拡張し,二原子分子COの強光子傷中の光電子スペクトルについて検討した.特に自動イオン化リュードベリ状態がもたらす特徴的なスペクトル形状について調べた.高振動数強レーザー場中の二原子分子の量子化学計算を行い,強レーザーが化学結合に及ぼす影響について調べた.Kramers-Henneberger高振動数近似を量子化学計算に取り入れる方法論を開発した.