hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
カルシウム情報ネットワークにおける神経型NO合成酵素の構造活性相関

本研究は新たなるカルシウム情報ネットワークの解明のため、中枢神経における同じカルシウム情報伝達系に存在する異種酵素のクロストーク、神経型一酸化窒素合成酵素(Neuronal nitric oxide synthase:nNOS)のカルモデュリン依存性リン酸化酵素(CaMキナーゼ)群によるリン酸化反応を介した活性制御の解析をリン酸化部位の決定を通して行うことを目的とし、以下の研究を行った。1、in vitroにおける解析:(1)nNOSのSer-847をCaMキナーゼ群(I,II,IV)によってリン酸化される部位として同定した。(2)そのリン酸化によりnNOSの酵素活性が阻害されることを見い出した。(3)その活性阻害は部分的にはCaM結合能の低下によることを明らかにした。(4)リン酸化部位特異抗体(NP847)の作製に成功した。2、神経細胞における解析:上記のNP847抗体を用い(1)NG108-15細胞過剰発現系にてCaMキナーゼIIによりnNOSのSer-847がリン酸化を受け、その活性が低下することをNP847を用いて確認した。(2)さらに、このリン酸化によるnNOSの活性調節は脱リン酸化酵素によって可逆的にコントロールされていることを明らかにした。3、今後の研究課題:中枢神経におけるCaMキナーゼIIによるリン酸化を介したnNOSのダイナミックな活性制御解析をNP847抗体を用いて細胞、組織、個体レベルでの解析ならびに、細胞内でのnNOSのリン酸化における機能分子の空間的局在の重要性の検討を展開させたい。本研究は新たなるカルシウム情報ネットワークの解明のため、中枢神経における同じカルシウム情報伝達系に存在する異種酵素のクロストーク、神経型一酸化窒素合成酵素(Neuronal nitric oxide synthase:nNOS)のカルモデュリン依存性リン酸化酵素(CaMキナーゼ)群によるリン酸化反応を介した活性制御の解析をリン酸化部位の決定を通して行うものである。本年度は、CaMキナーゼ群によるnNOSのリン酸化において、リン酸化部位の決定とリン酸化nNOSの酵素学的性質の解析を行った。その結果、1、nNOSのSer-847がCaMキナーゼ群によってリン酸化される。2、そのリン酸化によりnNOSの酵素活性が阻害される。3、その阻害は少なくとも部分的にはCaM結合能の低下による。4、リン酸化部位特異抗体の作製に成功し、in vivoに於いても以上のリン酸化が認められることを明らかにした。本年度に得られた知見に基づいて今後は、CaMキナーゼ群による細胞内でのリン酸化を介したnNOSの活性制御をリン酸化部位特異抗体、酸化窒素分析装置を用いて検討する予定である。本研究は新たなるカルシウム情報ネットワークの解明のため、中枢神経における同じカルシウム情報伝達系に存在する異種酵素のクロストーク、神経型一酸化窒素合成酵素(Neuronal nitric oxide synthase:nNOS)のカルモデュリン依存性リン酸化酵素(CaMキナーゼ)群によるリン酸化反応を介した活性制御の解析をリン酸化部位の決定を通して行うものでる。本年度は前年度までに得られたin vitroにおいて、nNOSのSer-847がCaMキナーゼ群(I,II,IV)によってリン酸化されるという知見をさらに発展させ、細胞内でのnNOSのリン酸化を介した活性制御機構を解析した。その結果、nNOSのリン酸化部位特異抗体(NP847)を用い、(1)Ser-847部位特異的リン酸化においてnNOSのCaM結合は必須ではない。(2)NG108-15神経細胞過剰発現系にてCaMキナーゼIIによりnNOSのSer-847がリン酸化を受け、その活性が低下する。

3、今後の研究課題:中枢神経におけるCaMキナーゼIIによるリン酸化を介したnNOSのダイナミックな活性制御解析をNP847抗体を用いて細胞、組織、個体レベルでの解析ならびに、細胞内でのnNOSのリン酸化における機能分子の空間的局在の重要性の検討を展開させたい。
非上皮系組織における平面内細胞極性因子の役割の解明

平面内細胞極性という上皮細胞においてよく研究されている経路を非上皮系の軟骨細胞においても機能し、その経路の因子の機能を壊したノックアウトマウスを作成すると、鼻低形成の表現系を得た。鼻の発生において、先端で分泌因子のWnt5aが発現し、軟骨組織で平面内細胞極性因子であるPrickle1が発現していた。野生型マウスでは軟骨細胞は強い極性をもって左右に長い形態を示し収斂伸長様に鼻中隔軟骨を伸ばすが、上記ノックアウトマウスではその極性が失われ、同時に軟骨組織の伸長も失われていることがわかった。また、この極性には鼻の先端でのみWnt5aが発現し、勾配を形成することが大事であることも明らかにした。本研究課題では鼻の発生において、平面内細胞極性が関与することに着目し、研究を進めてきた。その結果、先端で強く発現するWnt5aの勾配を鼻の軟骨細胞が受け、平面内細胞極性因子依存的に細胞を極性化させ、鼻中隔軟骨組織を収斂伸長させる。これによりマウスの長いマズルが形成されることを明らかにすることができた。また、Wnt5aを全身に一様に発現するマウスでは極性化が失われることから、平面内細胞極性経路は間葉系においてWnt5aの勾配依存的に細胞を極性化させる機能があることを示すことができた。本成果に関しては現在論文投稿中である。また、イヌは品種間において鼻(マズル)は大きな形態差を有している。パグやブルドッグなどはWnt5aノックアウトマウスのような扁平な顔面をもち、平面内細胞極性との関与が非常に興味深い。イヌ品種間におけるGenome Wide Association Study(GWAS)により、短頭種の原因候補遺伝子があげられているが、確かな証拠はない。そこで、私はGWASでは特定の難しい遺伝子発現調節領域に焦点を絞り、パグなどの短頭種における遺伝子変異を特定したい考え、まずマウスの鼻における平面内細胞極性因子の発現制御領域の特定を試みた。手法としては近年発展めざましいCRIPSR/Cas9システムによる調節領域の欠損を目指した。いくつもの領域を欠損させたいため、ハイスループットに行える実験手法が必須であった。そこで、マイクロインジェクションではなく、エレクトロポレーションによって受精卵へ遺伝子を導入する方法を確立し、ゲノム編集を可能にした。本方法は安価で、特別な技術なく、短時間に、高い生存率を達成したことから、哺乳類ゲノム編集技術において大きな革命となると思われる。本技術の成果に関しても現在論文投稿中である。これまでに、鼻の形態形成に関わる分子メカニズムを解明した。Wnt5aの勾配と軟骨細胞における平面内細胞極性因子が軟骨の収斂伸長をうながし、鼻を伸長させることが前年度までの研究によって明らかにした。Wnt5aは器官形成期において鼻や顎を含む顔面だけでなく、四肢などの組織においても発現が認められる。今後、Wnt5aの発現制御機構に迫るため、より簡便なゲノム編集法を開発をこころみた。私たちが以前に開発したエレクトロポレーションを用いてCas9 mRNAとgRNAを導入するものや、古典的な手法であるマイクロインジェクションによるものでは、これまでのゲノム編集F0マウスはさまざまなindelをもつモザイクな状態であり、個体内の全ての細胞でノックアウトされているかどうか検証が難しかった。これはmRNAの翻訳が受精卵の最初のDNA複製後におこっており4アレル以上ある状態でゲノム編集が起こっていたためと考えられる。そこで、私たちはCas9 mRNAの代わりに核移行シグナル付きのCas9蛋白質をエレクトロポレーションにより、人工受精によって得られた受精後まもない受精卵に導入する事でモザイクの状態ではない変異マウスを作出することに成功した。さらには、ssODNの共導入による塩基置換や2カ所のgRNAによる間の配列の欠損なども可能である事を示した(現在論文投稿準備中)。これによって、F0世代での変異マウスの解析がより容易になった。研究に使用するマウスのコロニーが少なくなったことにより、ノックアウトマウスのサンプルがなかなか得られなかった。また異動などに伴い、投稿露文のリバイス実験に時間がかかってしまった。私たちは前年度までに、Cas9 mRNAとgRNAを受精卵にエレクトロポレーションすることで、マイクロインジェクションを用いない簡便なマウスゲノム編集法を開発した(Hashimoto&Takemoto Sci.Rep 2015)。さらに私たちは改良を加え、Cas9 mRNAの代わりに核移行シグナル付きのCas9タンパク質を人工授精数時間後の受精卵にエレクトロポレーションすることにより、モザイク率の低い変異マウスの作出に成功した(Hashimoto et al. Dev.Biol. 2016)。これにより、F0世代での変異マウスの解析がより容易になった。またこの手法はloxP配列の導入、GFPなどの蛍光タンパク質のノックインにも利用可能である。本手法の開発により、F0世代で平面内細胞極性の変異マウスの作成、ならびに平面内細胞極性因子の蛍光融合タンパク質を発現するノックインマウスの作成が可能になった。本研究課題を通して、従来のES細胞でPrickle1の遺伝子ターゲティングを行い、キメラマウスを作成する方法から鼻低形成マウスが得られた。それは軟骨細胞の極性が乱れることによることを明らかにしてきたが、今後は新たに開発した受精卵エレクトロポレーション法によって、平面内細胞極性因子のシス制御領域をしらべ、その進化的保存性などに着目し、形態形成における重要な知見をもたらすことができると考えている。

また、この受精卵エレクトロポレーション法はマウスだけではなく、ブタなどの家畜動物にも応用可能であることを示しており(Tanihara et al. Science Advances 2016)、他動物種における形態形成研究への活用も期待される。平面内細胞極性という上皮細胞においてよく研究されている経路を非上皮系の軟骨細胞においても機能し、その経路の因子の機能を壊したノックアウトマウスを作成すると、鼻低形成の表現系を得た。鼻の発生において、先端で分泌因子のWnt5aが発現し、軟骨組織で平面内細胞極性因子であるPrickle1が発現していた。野生型マウスでは軟骨細胞は強い極性をもって左右に長い形態を示し収斂伸長様に鼻中隔軟骨を伸ばすが、上記ノックアウトマウスではその極性が失われ、同時に軟骨組織の伸長も失われていることがわかった。また、この極性には鼻の先端でのみWnt5aが発現し、勾配を形成することが大事であることも明らかにした。予定していた実験の多くを済ませ、論文投稿までたどり着いている。本年度中に論文の受理を目指し、リバイス実験や原稿修正などを行う。Cas9蛋白質エレクトロポレーションによって、F0世代での変異マウスの解析がより容易になったので、Wnt5aの鼻における発現制御領域などについても解析を進め、様々な動物種、あるいは同種における品種間でのゲノムを比較する事により、顔面形成における役割を調べていきたい。発生生物学本研究課題で開発したゲノム編集における新技術を活用し、引き続き個体発生と細胞極性などに関する研究を進める。H27年度に実験内容変更に伴い経費削減できたが、論文投稿の際に査読を通して追加実験が必要になった。H28年度に共同研究者との打ち合わせ、追加実験および論文の再投稿を行うこととし、未使用額は消耗品や打ち合わせ旅費に充てたい。
階層型広帯域統合ネットワ-ク構築技術の開発

音声・デ-タ・画像などからなる多元トラヒックを単一のネットワ-クインタフェ-スで処理する広帯域ISDNを構成する場合、基幹部を数G数百Gbpsの超高速広域ネットワ-クで構成し、これに数百Mbps程度の高速中域ネットワ-クさらには110Mbps程度の低速構内ネットワ-クを接続するという、階層的ネットワ-ク構築形態が効率性・柔軟性ならびに発展性の点できわめて優れている。本研究においては、この階層構造をとる広帯域統合ネットワ-クの構築技術の内、高速伝送処理技術、階層間整合問題、及びトラヒック制御のそれぞれを研究課題として取り上げている。本年度は、各階層ネットワ-ク高機能化、並びに相互接続技術の開発を目的として、(1)階層間相互接続ネットワ-クシミュレ-タの開発、(2)超高速広域ネットワ-クにおけるトラヒック制御技術の開発、(3)高速中域ネットワ-クに適したアクセス制御方式の開発、(4)超高速広域ネットワ-クと高速中域ネットワ-ク間の相互接続点でのトラヒック制御技術の開発、を行った。階層間相互接続ネットワ-クシミュレ-タ開発としては、前年度において開発した超高速広域ネットワ-ク用シミュレ-タ並びに高速中域ネットワ-ク用シミュレ-タを統合し、両者を相互接続したネットワ-クシステムに対するシミュレ-タを開発し、以下に述べる相互接続点でのトラヒック制御方式の特性評価に使用した。超高速広域ネットワ-クのトラヒック制御技術としては、まず、主要トラヒックの一つである画像トラヒックの代表的なサ-ビス形態である1対多通信形態即ち放送形トラヒック形態に適した経路選択問題を取り扱った。放送形トラヒックを収容する際に設定される木状の経路において、情報コピ-操作の特定の分岐点への集中を回避し、分岐点での情報コピ-操作の地理的分散を図る経路選択法を新しく提案し、ネットワ-クシミュレ-タを用いた特性評価により、その有効性を明らかにした。さらに、要求品質の異なる多数のトラヒックが混在する超高速広帯域ネットワ-クにおける要求条件に応じた経路選択法として、各リンクのコスト関数を要求条件に応じて設定する手法を新しく提案した。ネットワ-クシミュレ-タを用いた特性評価により、本経路選択法によりトラヒックの遅延要求などに応じた経路選択が行われていることを確認し、本方式の有効性を明らかにしている。高速中域ネットワ-クについては、まず、リング形ネットワ-クについて、中・低負荷時には競合形アクセス方式をとり、高負荷時にはト-クン形アクセス方式をとるコンテンションリングに対し、優先権機能をもたせた新しいアクセス方式を提案した。本方式により、多種トラヒックが混在する状況において、適切な優先権の付与によりトラヒック要求に応じた遅延特性などの配分が可能であることを、ネットワ-クシミュレ-タを用いた特性評価により明らかにした。さらに、高速中域ネットワ-クの実現方式として現在注目を集めつつあるDQDB方式について、その基本特性を解析により求め、その有効性を定量的に明らかにしている。超高速広域ネットワ-クにATMネットワ-ク、高速中域ネットワ-クにFDDIを用いた際の、両者の相互接続点におけるトラヒック制御方式として、FDDIの情報伝送単位であるフレ-ムを制御単位とする方式を提案した。これは、フレ-ム単位でみた時のATMネットワ-ク内伝搬遅延が、セル単位でみたときのものに比べて相対的に小さいことに着目し、セル単位の制御では導入が難しいとされていたフィ-ドバック形制御を適用したものである。具体的には、受信側ゲ-トウェイ(GW)にフレ-ムが到着する度に、そのフレ-ム長を情報として含む制御情報を送信側GWに送信し、これをもとに送信側GWからのセル送出速度等を調整するものである。上記の相互接続ネットワ-クシミュレ-タを用いて、本方式の特性評価を行いその有効性を明らかにしている。以上、本年度においては階層型ネットワ-ク構成における各構成要素ネットワ-クの各々の高機能化、並びに階層間相互接続技術の開発を目的として種々の観点から研究を遂行した。また、これらの研究成果を国内外において活発に発表し、本研究の成果公表並びに外部からの評価を積極的に受け、最終年度における総括を行った。

階層間相互接続ネットワ-クシミュレ-タ開発としては、前年度において開発した超高速広域ネットワ-ク用シミュレ-タ並びに高速中域ネットワ-ク用シミュレ-タを統合し、両者を相互接続したネットワ-クシステムに対するシミュレ-タを開発し、以下に述べる相互接続点でのトラヒック制御方式の特性評価に使用した。超高速広域ネットワ-クのトラヒック制御技術としては、まず、主要トラヒックの一つである画像トラヒックの代表的なサ-ビス形態である1対多通信形態即ち放送形トラヒック形態に適した経路選択問題を取り扱った。放送形トラヒックを収容する際に設定される木状の経路において、情報コピ-操作の特定の分岐点への集中を回避し、分岐点での情報コピ-操作の地理的分散を図る経路選択法を新しく提案し、ネットワ-クシミュレ-タを用いた特性評価により、その有効性を明らかにした。さらに、要求品質の異なる多数のトラヒックが混在する超高速広帯域ネットワ-クにおける要求条件に応じた経路選択法として、各リンクのコスト関数を要求条件に応じて設定する手法を新しく提案した。ネットワ-クシミュレ-タを用いた特性評価により、本経路選択法によりトラヒックの遅延要求などに応じた経路選択が行われていることを確認し、本方式の有効性を明らかにしている。高速中域ネットワ-クについては、まず、リング形ネットワ-クについて、中・低負荷時には競合形アクセス方式をとり、高負荷時にはト-クン形アクセス方式をとるコンテンションリングに対し、優先権機能をもたせた新しいアクセス方式を提案した。本方式により、多種トラヒックが混在する状況において、適切な優先権の付与によりトラヒック要求に応じた遅延特性などの配分が可能であることを、ネットワ-クシミュレ-タを用いた特性評価により明らかにした。さらに、高速中域ネットワ-クの実現方式として現在注目を集めつつあるDQDB方式について、その基本特性を解析により求め、その有効性を定量的に明らかにしている。超高速広域ネットワ-クにATMネットワ-ク、高速中域ネットワ-クにFDDIを用いた際の、両者の相互接続点におけるトラヒック制御方式として、FDDIの情報伝送単位であるフレ-ムを制御単位とする方式を提案した。これは、フレ-ム単位でみた時のATMネットワ-ク内伝搬遅延が、セル単位でみたときのものに比べて相対的に小さいことに着目し、セル単位の制御では導入が難しいとされていたフィ-ドバック形制御を適用したものである。具体的には、受信側ゲ-トウェイ(GW)にフレ-ムが到着する度に、そのフレ-ム長を情報として含む制御情報を送信側GWに送信し、これをもとに送信側GWからのセル送出速度等を調整するものである。上記の相互接続ネットワ-クシミュレ-タを用いて、本方式の特性評価を行いその有効性を明らかにしている。以上、本年度においては階層型ネットワ-ク構成における各構成要素ネットワ-クの各々の高機能化、並びに階層間相互接続技術の開発を目的として種々の観点から研究を遂行した。また、これらの研究成果を国内外において活発に発表し、本研究の成果公表並びに外部からの評価を積極的に受け、最終年度における総括を行った。音声・デ-タ・画像などからなる多元トラヒックを単一のネットワ-クインタフェ-スで処理する広帯域ISDNを構成する場合、基幹部を数G数百Gbpsの超高速広域ネットワ-クで構成し、これに数百Mbps程度の高速中域ネットワ-クさらには110Mbps程度の低速構内ネットワ-クを接続するという、階層的ネットワ-ク構築形態が効率性・柔軟性ならびに発展性の点できわめて優れている。
MHC/ペプチド複合体の安定性とT細胞活性化能-免疫シナプス形成の物理的基盤

MHC分子は、種々のペプチドを獲得し、T細胞に抗原提示を行う。それらのMHC/ペプチドの安定性も様々であることが想定される。また、近年、必ずしもアフィニテイ、及び、オフレートとT細胞の活性化が一致していないことが明らかとなった。我々は、リガンドの安定性がイミュノロジカル・シナプスの形成に関係するのではないかと仮定し、リガンドの安定性を観察し、それが如何に最終的T細胞の活性化に関係するか明らかにしようと試みた。系として、2C TCRとH-2Kbを用いた。アゴニストと知られるSIYRペプチドのTCR側のアミノ酸は変えずにアンカーとなるペプチドを系統的に変えることにより、いくつかの安定性のレベルが異なる、しかもTCRに対するアフィニティがあまり変わらないペプチドリガンドのデザインを行った。実際、BIAcoreによる測定を行うと、ペプチドとMHC間でアフィニティが異なるものができた。また、それらのMHC/ペプチド複合体のTCRに対するアフィニティには、ほとんど変化は見られなかった。また、それらのMHC/ペプチド複合体の熱安定性をCDの変化により測定すると、ペプチドとのアフィニティに相関して見かけ上の安定性が変わることがわかった。さらに、これらの、リガンドの生物活性を、T細胞クローンの増殖測定により、検証した。すると、ペプチド-MHC間のアフィニティ差は、10倍程度であるにも関わらず、T細胞増殖能に要求されるペプチドの量の濃度差は10^5にも及ぶことがわかった。このことは、MHC/ペプチド複合体の分子的安定性が、TCR/ペプチド/MHC複合体の安定性に影響を及ぼすためだと考えられた。また、MHC class Iへのペプチドの結合は、単純な1:1の結合でなくペプチド濃度により、MHC class Iの状態が変化すること、或は、MHC class Iには二種類のペプチド結合様式があることを、滴定型熱量測定により、明らかにした。このことは、リガンド形成をする上で、より安定なリガンドの選択に、MHC class I自体の柔軟性が関与することを示唆している。また、近年、数種のTCRのアフィニティが測定された結果、必ずしもアフィニティ、及び、オフレートとT細胞の活性化が一致していないことが明らかとなった。また、T細胞の活性化においてイミュノロジカル・シナプスの存在が証明され、その形成が必須であるという考えが支配的である。これらのことより、リガンドの安定性がイミュノロジカル・シナプスの形成に関係するのではないかと仮定し、リガンドの安定性を観察し、それが如何に最終的T細胞の活性化に関係するか明らかにしようと試みた。

さらに、これらの、リガンドの生物活性を、T細胞クローンの増殖測定により、検証した。すると、ペプチド-MHC間のアフィニティに相関せず、あるポイントから、T細胞増殖能が激減することがわかった。このことは、MHC/ペプチド複合体の分子的安定性が、TCR/ペプチド/MHC複合体の安定性に影響を及ぼすためだと考えられた。この仮説は、実際APC-T細胞間でのシナプス形成の効率を観測することにより検証可能になると考える。MHC分子は、種々のペプチドを獲得し、T細胞に抗原提示を行う。それらのMHC/ペプチドの安定性も様々であることが想定される。また、近年、必ずしもアフィニティ、及び、オフレートとT細胞の活性化が一致していないことが明らかとなった。我々は、リガンドの安定性がイミュノロジカル・シナプスの形成に関係するのではないかと仮定し、リガンドの安定性を観察し、それが如何に最終的T細胞の活性化に関係するか明らかにしようと試みた。系として、2C TCRとH-2Kbを用いた。アゴニストと知られるSIYRペプチドのTCR側のアミノ酸は変えずにアンカーとなるペプチドを系統的に変えることにより、いくつかの安定性のレベルが異なる、しかもTCRに対するアフィニティがあまり変わらないペプチドリガンドのデザインを行った。実際、BIAcoreによる測定を行うと、ペプチドとMHC間でアフィニティが異なるものができた。また、それらのMHC/ペプチド複合体のTCRに対するアフィニティには、ほとんど変化は見られなかった。また、それらのMHC/ペプチド複合体の熱安定性をCDの変化により測定すると、ペプチドとのアフィニティに相関して見かけ上の安定性が変わることがわかった。すると、ペプチド-MHC間のアフィニティ差は、10倍程度であるにも関わらず、T細胞増殖能に要求されるペプチドの量の濃度差は10^5にも及ぶことがわかった。また、MHC class Iへのペプチドの結合は、単純な1:1の結合でなくペプチド濃度により、MHC class Iの状態が変化すること、或は、MHC class Iには二種類のペプチド結合様式があることを、滴定型熱量測定により、明らかにした。このことは、リガンド形成をする上で、より安定なリガンドの選択に、MHC class I自体の柔軟性が関与することを示唆している。
桜の開花に及ぼす地下温暖化の影響評価

地下温暖化が桜の開花にどのような影響を与えるかを明らかにするために、開花の変化トレンドと、地温の経年変化トレンドを明らかにした。桜の開花は日本の103箇所の平均で過去50年に5日開花が早まっており、特に大都市の東京、大阪、名古屋でその開花早期化の傾向は強く、都市化によるヒートアイランド現象が大きな要因であることが明らかになった。桜の開花変化トレンドに最も相関性が高いのは、深度50cmの地温であることが明らかになった。またその開花の違いにおよぼす土壌水分および土壌水質の違いについても調査した。本研究の目的は、地球環境変動とフェノロジー(生物季節)との関係を、サクラの開花時期と地温との関係から明らかにし、地下温暖化の影響がフェノロジーに与える影響を評価することである。今年度はサクラの開花に及ぼす地下温度の影響を明らかにするために、前年度に引き続き深度の異なる地温の連続測定を行い、サクラの開花のタイミングとの関係を調査解析した。前年度に行った調査に加えて今年度は、総合地球環境学研究所の敷地内の胸高直径・高さ・枝ぶりなどの似たサクラ3本を選定し、幹の根本から50cmの地点に深度50cm, 100cm, 150cmの3深度の地温と、気温を測定する熱電対を設置し、10分ごとの連続測定を行った。測定は現在も継続中であるが、毎月各深度のデーターを回収して、桜開花との関係性を解析中である。総合地球環境学研究所内で選定した3本の桜のうち、2本と残り一本の桜の開花時期に違いがあり、その開花の違いに地温の違いの影響が出ている可能性について検討中である。また、前年度に解析したサクラ開花の経年変動と地温との関係をより詳細に解明するために、大阪府内の地下温暖化の影響評価を行った。大阪都心部にみられるヒートアイランドの中心域での地下温暖化の影響は、サクラ開花の早期化のスピードの違いとして現れ、さらに緑地公園など土地利用の現在の状況ばかりでなく、土地利用の変遷の影響が表れていることなどが明らかになった。地下温暖化が桜の開花にどのような影響を与えるかを明らかにするために、まず過去の桜開花の変化トレンドと、地温の経年変化トレンドを明らかにした。桜の開花は日本の103箇所の平均で過去50年で5日開花が早まっており、特に大都市の東京、大阪、名古屋でその開花早期化の傾向は強く、都市化によるヒートアイランド現象が大きな要因であることが明らかになった。地温の経年計測は1970年代で終了しているが、終了までの約30年間の平均をみると、桜も開花変化トレンドに最も相関性が高いのは、気温ではなく、深度50cmの地温であることが明らかになった。各深度の地温と根域の状況、および桜の開花の関係を明らかにするために、桜の木の胸高直径、高さ、枝ぶりなどが似た3本の木の周辺で、深度5,20,50,100,150cmに地温計を設置し、気温と共に連続測定を行った。地温は深度とともに温度変化の振幅を減少しながら、位相が遅れる変化傾向を示した。3地点の同深度の地温にも違いがみられた。温暖化に伴う地下温暖化現象が、桜の開花時期などのフェノロジーに与える影響について調査研究を行った。異なる深度の地中温度の連続測定と土壌水分等の地下環境の測定を行い、サクラの開花時期などとの関係を明らかにした。深度ごとの地温と開花時期との関係では、深度30cmの地温が開花時期と最も相関関係があることが明らかになった。これは根域分布との関連性が示唆された。また、土壌水分や水質と桜の開花時期とには、明瞭な関係性を見出すことはできなかった。地下温暖化現象は世界的にみられる現象であり、これがフェノロジーに与える影響に関してはまだ不明な点が多い。今後の課題として、コントロール実験などを行うことにより、定量的に要因を評価する事が必要である。水文学過去に測定された全国の地温のデータと、桜の開花に関するデータを整理して、桜開花時期の早期化の地理的分の違いと、その早期化のスピードの違いを明らかにした。また、大気環境の状況がほぼ同じ同一地点における、地下環境の違いにより生じると考えられる桜開花の違いに関する実験に関しては、昨年度の観察を踏まえて、新たに観測地点を設け、同敷地内で開花時期の異なる桜の近くにおける地温の連続データの測定を開始した。前年度の成果である「気温以外の因子(地温)がサクラ開花に影響を与えている」ことに加え、今年度は、「サクラ開花に差がある同敷地内での地温の変化に違いがあること」が明らかになった。以上の点から、本研究はおおむね順調に進んでいると判断できる。

本研究の目的は、「地球環境変動とフェノロジー(生物季節)」との関係を「桜の開花時期と地温」から明らかにし、地下温暖化の影響をフェノロジーからマッピングする事である。平成24年度の目標は、桜の開花に影響を与える因子として、従来の気温ではなく、根域に直接影響を与える「地温」に注目し、桜の開花に最も影響を与える地温“深度"を明らかにし、従来の開花予測とは異なった視点から地球環境問題との関係を明らかにすることである。今年度の解析から、気温より深度50cmの地温の方が、開花時期との相関が高いことが明らかになり、当初の仮説である「気温以外の桜開花の影響因子としての地温」の可能性があることが明らかになった。このことから、研究目的の達成度として、おおむね順調に進展しているといえる。今後の研究の推進方策に関しては、各深度の地温の連続測定を継続するとともに、土壌水分の鉛直分布など他の因子に関しての調査を追加予定である。また、日本でのサクラ開花と地温の関係のほかに、台湾など他地域でのサクラの開化と地温の関係についても、引き続きデータ収集と解析を推進する予定である。今後は、平成24年度に開始した複数深度・複数地点での地温の連続測定を継続し、同深度の地温の違いの原因を明らかにするとともに、地温以外の因子(土壌水分など)についても、桜開花に与える影響について明らかにしていく方針である。また、温暖化および都市化に伴うヒートアイランドの影響を、地下温暖化の視点からとらえ、サクラの開花というフェノロジー影響分布を明らかにすることを最終目的とすることから、日本以外の地下温暖化と桜のフェノロジー影響分布がみられる可能性のある台湾のデータを解析し、日本との相違点等を明らかにする予定である。また、コントロール実験については、既存の実験結果を精査し、影響因子特定の手掛かりとしたい。旅費の節約による。追加・補完的な調査旅費に使用する。次年度の研究費の使用計画については、初年度に必要測定器の購入を終えたので、継続測定のための旅費と、コントロール実験の準備のための資料収集、台湾の地温データの解析に要する経費などを中心に使用したいと考えている。
TiとZrの酸化物からなるナノ構造体を用いた新規な色素増感型太陽電池の開発

昨年度までに、電解液や印加電圧の制御により分岐型チタニアナノチューブの形成に成功したが、今回、その分岐メカニズムを詳細に調査・考察し、作製条件にフィードバックしたことで、分岐型酸化チタンナノチューブの構造を精密に制御することが可能となった。得られた分岐型チタニアナノチューブの光学特性、特に光の反射・吸収特性を調査したが、この点に関しては分岐構造と光学特性の相関は特になかった。構造の異なる分岐型チタニアナノチューブ、または無分岐型チタニアナノチューブを用いて色素増感太陽電池を作製し、分岐構造による電池性能への影響を調査した。光電変換効率に大きく寄与するとされる、色素吸着量が分岐構造の導入によって増大することを期待したが、特に増大は見られなかった。しかし、光電変換効率が大きく向上したため、分岐構造のあり・なしで電気抵抗率を測定したところ、分岐構造の導入による電気抵抗率の大幅な減少が確認された。この抵抗の減少は、電子伝導の経路が増えたことに起因すると考えているが、それだけではなく、分岐構造の導入処理によりナノチューブ内に格子欠陥が生成し、電子伝導に寄与しているのではないかという結論が得られた。一方で、Comsol社のMultiphysicsソフトウェア(有限要素法解析ソフト)を用いて、陽極酸化によるチタニアナノチューブの形成・成長メカニズムの解析を実施した。その結果、陽極酸化のための電圧印加時の酸素の流れをシミュレートすることができ、その酸素の流れが形成するナノチューブの構造を決定付けると予想された。これは、すでに研究されてるアルミナナノチューブの形成メカニズムとよく似ており、他の金属元素においても同様の解釈が可能なことが示唆された。本研究課題はH26年度が最終年度のため、記入しない。(1)実験体制の構築陽極酸化を行うための実験設備を整えた。また、ソーラーシュミレーター(朝日分光HAL320)を導入し、色素増感太陽電池(DSSC)の特性評価を行うための準備を行った。(2)細孔間距離の解析陽極酸化によって形成される酸化物ナノチューブの細孔間距離を、高精度で解析するためのプログラム作成を行った。解析プログラムは、Matlabを用いて設計し、流域アルゴリズム基づいて、酸化物界面の走査電子顕微(SEM)鏡像からナノチューブの位置を決定するものである。この研究成果については、Electrochemical Communications誌へ、投稿の予定である。(3)分岐型ナノチューブの形成電解質溶液との接触面積を増大させ、DSSCの特性を向上させるために、分岐型酸化物ナノチューブの形成は重要である。今回、印加電圧を陽極酸化処理の途中で系統的に変化させることで、分岐型酸化チタンナノチューブが形成されることを明らかにした。分岐構造の形成には、電界による溶解速度が重要な因子であることがわかった。北海道大学幅崎浩樹教授との共同研究による構造解析を開始した。(4)酸化物成長のシミュレーション解析透過型電子顕微鏡(TEM)、原子間力顕微鏡(AFM)、SEM観察結果に基づいて、Matlab,Abaqus,ANSYS,Comsolなどの有限要素法解析ソフトを用いて、陽極酸化による酸化物成長メカニズムの解析を進めている。(1)実験体制の構築シアン化物やフッ酸などの毒劇物や、120Vの高電圧まで印加できる電源を用いた、特殊な陽極酸化が実施できる装置・器具類の準備を行った。(2)分岐型ナノチューブの形成と色素増感太陽電池性能の評価昨年度までに分岐型チタニアナノチューブの形成に成功したが、今回、電解液の組成や印加電圧を陽極酸化処理の途中で系統的に変化させる過程を最適化したことで、分岐型酸化チタンナノチューブの構造をある程度制御することが可能となった。分岐前後のチューブ径やチューブ長さを変化させたものを作製し、光の拡散反射スペクトルを測定することで、分岐型ナノチューブ構造と光特性の相関を調査した。さらに、分岐型チタニアナノチューブを用いた色素増感太陽電池を作製し、分岐構造による電池性能への影響を調査したところ、詳細は未だ不明だが、光電変換効率が僅かに上昇した。この性能の向上は、単に光特性が変化したためなのか、それとも分岐構造の導入により生成すると考えられる格子欠陥が寄与しているのかが不明なため、現在メカニズムの解析を進めている。(3)ナノチューブ形成のシミュレーション解析Comsol社のMultiphysicsソフトウェアなどの有限要素法解析ソフトを用いて、陽極酸化によるナノチューブ形成・成長メカニズムの解析を進めている。これまでの結果から、特に、電圧印加時の電場の分布状態と、形成するナノチューブ構造に相関があると踏んで研究を進めている。

しかし、光電変換効率が大きく向上したため、分岐構造のあり・なしで電気抵抗率を測定したところ、分岐構造の導入による電気抵抗率の大幅な減少が確認された。この抵抗の減少は、電子伝導の経路が増えたことに起因すると考えているが、それだけではなく、分岐構造の導入処理によりナノチューブ内に格子欠陥が生成し、電子伝導に寄与しているのではないかという結論が得られた。一方で、Comsol社のMultiphysicsソフトウェア(有限要素法解析ソフト)を用いて、陽極酸化によるチタニアナノチューブの形成・成長メカニズムの解析を実施した。その結果、陽極酸化のための電圧印加時の酸素の流れをシミュレートすることができ、その酸素の流れが形成するナノチューブの構造を決定付けると予想された。これは、すでに研究されてるアルミナナノチューブの形成メカニズムとよく似ており、他の金属元素においても同様の解釈が可能なことが示唆された。本研究課題はH26年度が最終年度のため、記入しない。・実験準備が整い、実験データが蓄積されている。・電子顕微鏡観察が行われ、シミュレーション解析が進められている。・ソフトウェアの導入、実験設備の整備が済み、実験・解析データが蓄積されている。・顕微鏡観察が多く行われ、ナノチューブ構造形成のシミュレーション解析が進められている今後、以下の項目について推進する。・Ti陽極酸化およびZr陽極酸化の系統的なデータの収集と解析・DSSCの構築と特性評価および改善・国際学会での発表と、学術論文の投稿による研究成果の公表なお、本研究の進める上での問題点は特にない。今後、以下の項目について推進する。・有限要素法を用いたシミュレーションによる、ナノチューブ形成メカニズムの解明・分岐型チタニアナノチューブを用いたDSSCの構築と特性評価および改善・各種学会での発表と、学術論文の投稿による研究成果の公表なお、本研究の進める上での問題点は特にない。
学習行動支援のための気づきを促すつながり感指向インタフェースの研究

学生生活の学びをUXと考えて,アンビエントな情報伝達を中心にしつつ「はっきりとユーザが認知できる」インタラクションデザインの実践を通して,観察画像・映像を主にしたアンビエントな気づきにつながる「やっている“コト"を観察して環境情報に人間の心理の原因を誘引させる生活行動見守り支援のための実世界インタフェース」のあり方を示す。特に実践環境として大規模学寮における「人間活動全般」を対象として,「各学生の指導やチェックを直ぐに学生本人が見られる=自分で指導されているという事実が自分で確認できる」ことにより,様々なコンテキストを学生自らが認識し,自然な気づきと主体性を促すための枠組みを実践した。アンビエントなコミュニケーション支援手法の1つとして日常生活行動連動型の実践的なアプリケーションインタフェースシステムを実装し,新たな支援モデルの提案・評価を進めるため,(1)学習者の遠隔の空間同士をあたかも隣接しているかのように知覚させ,ネットワーク分散型「より添い支援」を実現する自学コンダクターシステム,(2)顔認証や笑顔認識などモーションセンサや加速度センサ他で参加者の状況把握により参加ユーザ側に持続的つながり感を抱かせてモチベーションを下げない体験メディアのあり方,のうち,(1)の基本的なフレームワーク構築を1年目に実施したので,(2)参加者の状況把握により参加ユーザ側に持続的つながり感を抱かせる方法を検討してきた。具体的には,「複数地点分散の双方向型授業支援システム」を使いやすくする学習進度や意欲の維持状況に感応して,参加ユーザの状態連動型の状況把握画面表示インタフェースを,メタ認知(何がわかっており,何がわかっておらず,何をやるべきか自ら把握し学習を進めることができる)が現有システム側に把握できるかを分析して,適切な場所で適切な時に適切な情報を提供する環境RTRP(Right Time and Right Place)を拡張させるため,「学習者の遠隔の空間同士をあたかも隣接しているかのように知覚させる」具体的かつ実践的な支援システムを家庭学習の学習支援という実践形の中で構築している。本年度の成果は,2014年6月に開催されるHCI International 2014, Learning and Collaboration Technologies:"Learners' behaviour and engagement"で発表される。アンビエントなコミュニケーション支援手法の1つとして日常生活行動連動型の実践的なアプリケーションインタフェースシステムを実装し,新たな支援モデルの提案・評価を進めるため,(1)学習者の遠隔の空間同士をあたかも隣接しているかのように知覚させ,ネットワーク分散型「より添い支援」を実現する自学コンダクターシステム,(2)顔認証や笑顔認識などモーションセンサや加速度センサ他で参加者の状況把握により参加ユーザ側に持続的つながり感を抱かせてモチベーションを下げない体験メディアのあり方,のうち,(1)の基本的なフレームワーク構築を主に行ってきた。具体的には,ヒントや情報の与え方を深化していく,「より添い支援」について研究を進めた。ユビキタス学習環境を発展させたサラウンド学習環境下を想定し,教師と学生用のPC画面の共有化を基本とした双方向授業支援システムを発展させ,学生には自らの学習進度に応じて,あたかも教師が見守ってくれていて与えてくれているように感じられるようなチュータリングシステムの「状況を理解しつつ周辺的情報呈示インタフェース」部のプロトタイプ構築を行う初期段階として,「複数地点分散の双方向型授業支援システム」において,学習進度や意欲の維持状況に感応して,参加ユーザの状態連動型の状況把握画面表示インタフェースを試作し,参加ユーザの状況を滑らかに確認するためのデザイン仕様と動作検証を行った。本年度の成果は,2013年7月に開催されるHCI International 2013, "New Technology and User Experience for Next Educational Environment"で発表される。アンビエントなコミュニケーション支援手法の1つとして日常生活行動連動型の実践的なアプリケーションインタフェースシステムを実装し,新たな支援モデルの提案・評価を進め,VC(VisualCommunication)を使いやすくするために,参加ユーザの状態連動型の状況把握画面表示インタフェースを構築してきた。具体的には,ビデオチャットウィンドウインタフェースが複数表示される多対多ライブストリーミング配信可能なVCツールに,人間の動きを検知してウィンドウインタフェースが拡大縮小,スイング,アップダウンなど形状変化するものである。また,新たな実践環境として,大規模学寮における「人間活動全般」の気づきを促し,適切な場所で適切な時に適切な情報を提供する環境RTRP(Right Time and Right Place)を拡張させるため,「学習者の遠隔の空間同士をあたかも隣接しているかのように知覚させる」具体的かつ実践的な支援システムを家庭学習の学習支援という実践形の中で構築している。UX(ユーザエクスペリエンス)の観点から学生生活の学びの体験の原因をUXと考えて,アンビエントな情報伝達を中心にしつつ「はっきりとユーザが認知できる」インタラクションデザインの実践を通して,観察画像・映像を主にしたアンビエントな気づきにつながる「やっている“コト"を観察して環境情報に人間の心理の原因を誘引させる生活行動見守り支援のための実世界インタフェース」のあり方を示すことを目的とした。特に実践環境として大規模学寮における「人間活動全般」を対象として,「各学生の指導やチェックを直ぐに学生本人が見られる=自分で指導されているという事実が自分で確認できる」ことにより,様々なコンテキストを学生自らが認識し,自然な気づきと主体性を促すための枠組みを実践してきた。

より良い実践環境として,400名強の大規模学寮における「日常生活全般」を対象として,指導寮生・役員と学寮関係教職員が協調連携できる実践試行を行ってきたが,アクティブラーニングを全学的に採用することになって大規模な実践試行が行えることとなり,年度替わりで更に協働した実践結果が取得できる見込みが立ったことから,研究計画3年目と4年目にオーバーラップした。「各寮生の指導やチェックを直ぐに寮生本人が見られる=自分で指導されているという事実が自分で確認できる」ことにより,様々なコンテキストを寮生自らが認識し,自然な気づきと主体性を促すための枠組みを実践試行し,現在も継続実践中である。学生生活の学びをUXと考えて,アンビエントな情報伝達を中心にしつつ「はっきりとユーザが認知できる」インタラクションデザインの実践を通して,観察画像・映像を主にしたアンビエントな気づきにつながる「やっている“コト"を観察して環境情報に人間の心理の原因を誘引させる生活行動見守り支援のための実世界インタフェース」のあり方を示す。特に実践環境として大規模学寮における「人間活動全般」を対象として,「各学生の指導やチェックを直ぐに学生本人が見られる=自分で指導されているという事実が自分で確認できる」ことにより,様々なコンテキストを学生自らが認識し,自然な気づきと主体性を促すための枠組みを実践した。研究計画2年目と3年目にオーバーラップする現況と計画になっている。日常生活行動連動型の実践的なアプリケーションインタフェースシステムを実装する1つとして,VC(VisualCommunication)を使いやすくするために,参加ユーザの状態連動型の状況把握画面表示インタフェースを構築してきた。具体的には,ビデオチャットウィンドウインタフェースが複数表示される多対多ライブストリーミング配信可能なVCツールに,人間の動きを検知してウィンドウインタフェースが拡大縮小,スイング,アップダウンなど形状変化するものである。また,新たな実践環境として,大規模学寮における「人間活動全般」を主な対象として,指導寮生・役員と寄宿舎指導員ならびに学寮関係教職員が協調連携しながら,「各寮生の指導やチェックを直ぐに寮生本人が見られる=自分で指導されているという事実が自分で確認できる」ことにより,様々なコンテキストを寮生自らが認識し,自然な気づきと主体性を促すための枠組みを実践試行している。ヒューマンコンピュータインタラクション適切な場所で適切な時に適切な情報を提供する環境RTRP(Right Time and Right Place)を拡張するとき,日常の気づき,常識,新たに発生した問題,雰囲気など暗黙知と学習者の状況コンテキストを連動させ,参加しているメンバやモデレータとの共有感が体験メディアの持続的つながり感には重要であると考えられる。また,即時性のある「気付きや振り返り」をユーザに与える簡便な手法の実践提案も必要である。
核融合炉超電導マグネット構造健全性評価システムの開発に関する電磁破壊力学的研究

核融合炉超電導マグネット構造機器の健全性評価にあたっては,既存の破壊力学に基礎を置く評価コードだけでは不十分であり,新たに核融合炉特有の現象に関する基礎研究の充実と,これを踏まえた電磁破壊力学の基づく評価システムの開発が望まれる.また,き裂材の電磁弾性相互干渉,欠陥近傍における電磁場誘起特異応力あるいは塑性変形誘起温度上昇,極低温下における複合材の熱収縮による内部応力等の解明は,極低温強磁場下の構造機器の安全性評価において不可欠な基礎研究である.本研究では,以上の点に鑑み,超電導マグネット構造部材を対象に,極低温,電磁場等の実際的環境を考慮し,電磁破壊に関する静・動力学的挙動を理論的に解明した.また,き裂進展に伴うき裂先端温度上昇に注目し,実験および理論両面から極低温電磁破壊力学的検討を行った.得られた成果を要約すると,以下の通りである.1.強磁場下における構造材の非定常応答非定常条件下における電磁破壊強度に関する2,3の基本的問題を設定し,電磁弾性解析を行って訓細に検討した.まず最初に,強磁場下の強磁性板の曲げ衝撃強度について検討し,次に,強磁場・非定常電流下の電導体の電磁破壊強度について検討した.2.軸方向磁場内における円柱状空か縁に内周環状き裂を有する電導体の定常電流による特異応力電磁力による応力拡大係数を解明した.3.電磁場下におけるき裂を有する電導平板の特異応力電磁弾性板理論の基礎式を導き,電磁力によるモーメント拡大系数,せん断力拡大係数を解明した.4.極低温におけるき裂を有するガラス繊維強化プラスチックの特異応力5.極低温における破壊に伴う断熱温度上昇とその数値シミュレーション破壊による熱発性を解明した.核融合炉超電導マグネット構造機器の健全性評価にあたっては,既存の破壊力学に基礎を置く評価コードだけでは不十分であり,新たに核融合炉特有の現象に関する基礎研究の充実と,これを踏まえた電磁破壊力学の基づく評価システムの開発が望まれる.また,き裂材の電磁弾性相互干渉,欠陥近傍における電磁場誘起特異応力あるいは塑性変形誘起温度上昇,極低温下における複合材の熱収縮による内部応力等の解明は,極低温強磁場下の構造機器の安全性評価において不可欠な基礎研究である.本研究では,以上の点に鑑み,超電導マグネット構造部材を対象に,極低温,電磁場等の実際的環境を考慮し,電磁破壊に関する静・動力学的挙動を理論的に解明した.また,き裂進展に伴うき裂先端温度上昇に注目し,実験および理論両面から極低温電磁破壊力学的検討を行った.得られた成果を要約すると,以下の通りである.1.強磁場下における構造材の非定常応答非定常条件下における電磁破壊強度に関する2,3の基本的問題を設定し,電磁弾性解析を行って訓細に検討した.まず最初に,強磁場下の強磁性板の曲げ衝撃強度について検討し,次に,強磁場・非定常電流下の電導体の電磁破壊強度について検討した.2.軸方向磁場内における円柱状空か縁に内周環状き裂を有する電導体の定常電流による特異応力電磁力による応力拡大係数を解明した.3.電磁場下におけるき裂を有する電導平板の特異応力電磁弾性板理論の基礎式を導き,電磁力によるモーメント拡大系数,せん断力拡大係数を解明した.4.極低温におけるき裂を有するガラス繊維強化プラスチックの特異応力5.極低温における破壊に伴う断熱温度上昇とその数値シミュレーション破壊による熱発性を解明した.
嫌気呼吸系金属酵素の構造と機能

本研究は、当研究室で発見されたカビ脱窒系の構成成分である金属タンパク質について、構造、機能、電子伝達系との相互作用などを明かにし、ミトコンドリア嫌気呼吸系におけるエネルギー産生機構を解明することを目的とする。本年度は以下の成果を得た。1.Fusarium oxysporumの硝酸塩還元酵素は細菌の酵素同様、膜タンパクであり、完全精製が困難であったが、本酵素を可溶化し、ほぼ均一にまで精製することができた。今後は部分アミノ産配列を決定し、PCR法などを用いて遺伝子の取得を目指す。2.亜硝酸塩還元酵素およびアズリンの部分アミノ産配列をさらに多く決定し、遺伝子の取得を試みているが、未だ成功していない。3.P450norのX線結晶解析に成功し、このユニークなP450の立体構造が明かとなった。全体的な高次構造は他のモノオキシゲナーゼP450によく似ていたが、ヘム遠位側に大きなオープンスペースが形成されていた。このスペースはNADH結合部位であると予想した。また、CylindrocarpontonkinenseのP450nor2とのキメラタンパクの特異性から、アミノ末端側にNADH結合部位の存在することを予想した。そしてB'ヘリックス中にNADH結合モチーフによく似た配列を見いだし、その中のGをVに変えた変異体の酵素活性が大きく減少することを確認した。このNADH/NADPH特異性決定部位について今後さらに検討する。
中性子捕捉療法の治療計画に精密モンテカルロ評価を実現する境界面関数モデル法の研究

放射線治療の治療計画において、高精度な線量評価が可能な次世代の評価技術であるモンテカルロ線量評価について、人体の計算モデルに対する新しいモデリング手法:マルチステップ・ラティス・ボクセル法を開発した。この手法を用いることで計算精度を高精度化しつつ、計算速度を約2倍に高速化することが可能となった。本研究結果を踏まえ、本手法の特許を出願した。BNCTの治療計画/線量評価には現在モンテカルロ法が適用されているが、既存のモンテカルロ計算コードの特性として計算モデルを形成する境界面の数が多くのなるほど計算時間が多くかかるという特性がある。現状の人体の計算モデルの形成方法は計算領域全体を2×2×2mm^3(8mm^3)などのメッシュ(ボクセル)に分割してモデルを形成するが、脳や肺などの同一組成の領域内部も多くの境界面で分断されてしまい計算効率が非常に悪い。よって本研究は、異なる組成の境界面だけを分別して定義し、同一組成領域は繋ぎ合わせて境界面数を減少させて、計算効率を向上することを目的としている。平成20年度は同一組成のボクセルを繋ぎ合わせて境界面を減少することで計算効率を向上できることの検証を行った。サンプルとなる人体頭部のCTデータを基に、従来のボクセル分割法(1cm^3ボクセル及び8mm^3ボクセル)で計算モデルを作成した(評価基準モデル)。これに対し、脳領域内の同一組成ボクセルを繋ぎ合わせる処理モジュールを作成し、ボクセル数の少ない計算モデルを作成して計算を実行し、基準モデルとの比較を行った。比較結果から1mm^3ボクセルの基準モデルに対しては計算時間を約33%短縮し、8mm^3ボクセルの基準モデルに対しては計算時間を約27%にまで短縮でき、境界面数の減少によって計算効率を約3.7倍向上できることを確認した。計算精度は基準モデルの線量結果に対して統計誤差の範囲内で一致した結果を得られることを確認した。本検証結果からボクセル数を減少させることで計算効率を向上できることを確認した。この新しい計算手法を実行するためには既存の計算コード(PHITS)に新しい関数処理の追加、及び、定義できるセル、サーフェイスの定義数を増加する必要があるため、計算コードへの改良項目をまとめた。現在中性子捕捉療法の線量評価としてモンテカルロ法が適用されているが、既存のモンテカルロ計算コードの特性として計算モデルを形成するボクセルの数が多くのなるほど計算時間が多くかかるという特性がある。本研究は、モンテカルロ線量計算に対して計算効率を向上させて計算時間の短縮化を行い、モンテカルロ法の高精度線量評価をより実用レベルで臨床研究に適用することを目的としている。平成21年度は人体モデルを形成するボクセル数を低減するアルゴリズムとして"マルチステップ・ラティス・ボクセル法"を開発した。この手法は、512×512ピクセルのCTスライスを32×32ブロックに領域分割し(1ブロック:16×16ピクセル)、1ブロック内の材質が全て同じ場合は、1つのボクセルブロックに置き換える。もし2種類以上の材質が混在する場合は、そのままピクセルレベルのボクセルブロックを作成する。この手順をラティス機能を多用してボクセルブロックを多段階に積参重ねて3次元の人体モデルを形成する。この手法で作成したモデルは、全てピクセルレベルのボクセルで構成したモデルに対してボクセル数を大幅に減少できる一方で、材質構成的には同一である。水ファントム体系で実施した検証から、全てピクセルレベルのモデルに対して、マルチステップ・ラティス・ボクセル法によるモデルの線量計算は、計算時間を約50%短縮できた。一方、計算結果は統計誤差の範囲内で一致した。本成果は平成22年に開催される中性子捕捉療法学会国際学会(ICNCT14、アルゼンチン)、モンテカルロ国際学会(SNA-MC2010、東京)などの学会で報告する。平成22年度は、この手法を複数スライスにまたがって実行し、さらにボクセル数を減少させるアルゴリズムを検討する。平成22年度は、前年度までに策定した新しいモデリングアルゴリズムを実際の治療計画システム:JCDSに組み合わせてアルゴリズムの検証を実施した。医療画像を基に作成した円筒水ファントム及び人体(頭部)の計算モデルに対して、従来のボクセルモデリング法と開発したモデリング手法:マルチステップ・ラティス・ボクセル法を用いてそれぞれの計算モデルを作成し、計算精度と計算時間を比較した。円筒水ファントムモデルでの評価では、従来のモデリング方法に対して、計算時間を約半分に短縮し、且つ、同等の計算精度を担保できることを確認した。これを踏まえ、開発したアルゴリズムの特許出願を行った:「特願2010-232524」(マルチステップ・ラティス・ボクセル法)(出願日:2010/10/15)。