hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
構成蛋白成分を交換した筋線維を用いた昆虫飛翔筋動作機構の解明

昆虫は最高で1秒に1000回も羽ばたくことができるが、これは昆虫の飛翔筋(羽ばたきに使われる筋肉)が高速振動できるからである。この飛翔筋の特性が、飛翔筋の構成タンパクのどれに由来するかを明らかにするため、飛翔筋の特定の構成タンパクを別の動物由来のものに交換する技術を開発した。今回、昆虫飛翔筋のアクチン繊維を抽出し、ウサギ骨格筋のアクチン繊維に置換することに成功した。X線回折法により、ウサギのアクチン繊維は筋線維内に正しい位置と向きで再生され、飛翔筋のミオシンと硬直複合体を形成できることが確認された。蚊のような小型の昆虫は500Hz以上の周波数で羽ばたく。通常の筋肉では到底実現不可能な高周波の羽ばたきを可能にするのは、昆虫飛翔筋の高い自励振動能力であるが、その分子機構は不明のままだった。研究代表者のこれまでの研究から、自励振動能力を与えるのが定説のようにアクチン繊維側の調節タンパクではなく、むしろミオシンそのものだという重要な示唆が得られた。本研究課題では、昆虫飛翔筋のミオシンだけで自励振動能力が説明できるのか、またはアクチン繊維側の飛翔筋特異的蛋白質(アクチン、トロポニンなど)も必要なのかを明らかにするため、昆虫飛翔筋の蛋白質を外来(脊椎動物)のものと交換する実験を試みている。1つは昆虫飛翔筋のミオシン繊維を除去し、脊椎動物のミオシンと交換する実験であり、2つ目は昆虫飛翔筋のアクチン繊維を除去し、脊椎動物のアクチンと交換する実験である。前者は、昆虫と脊椎動物で、ミオシンが可溶化するイオン強度が異なることを利用した実験である。昆虫のミオシンが可溶化しないイオン強度で、可溶化した脊椎動物ミオシンを加えてインキュベートしたところ、脊椎動物ミオシンが飛翔筋線維中に取り込まれることが分かった。しかしこのようにして再構成した飛翔筋線維は力学的に弱くなっており、自励振動能力があるかどうかは確認されていない。現在、飛翔筋線維からアクチンを除去し、脊椎動物のものと交換する実験を行っている。ゲルゾリンにより飛翔筋線維を除去する最適条件は確定し、ほぼ完全にアクチン繊維を除去することが可能になった。この状態でもミオシン繊維の格子構造は保たれていることも分かった。現在、脊椎動物のアクチンを飛翔筋線維内に再構成するための最適条件を探っているところである。1つ目は昆虫飛翔筋のミオシン繊維を除去し、脊椎動物のミオシンと交換する実験であり、2つ目は昆虫飛翔筋のアクチン繊維を除去し、脊椎動物のアクチンと交換する実験である。1つ目のミオシンの交換実験は、イオン強度を上昇させた際にミオシン以外の構造蛋白が抽出されるようであり、力学的に非常に弱くなってしまうため、この実験を更に進めることは中止した。一方、飛翔筋線維からアクチンを除去し、脊椎動物のものと交換する実験は成功しつつある。さらに、脊椎動物のアクチンを飛翔筋線維内に再構成するための条件も決定することができた。X線回折像を記録すると、ゲルゾリン処理によってアクチン由来の層線反射が消失するが、脊椎動物のアクチンを筋線維内で重合させると、アクチン由来の層線反射が再生した。現在、こうしてアクチン繊維を再生した飛翔筋線維の収縮特性を決定しようとしているところである。現在までに昆虫飛翔筋線維内のアクチン繊維を脊椎動物のものと交換することが成功している。あと、この筋線維の収縮特性を決定できれば、この科研費の研究で目指した最も重要な目標は達成できることになる。昆虫の非同期型飛翔筋(1回の神経インパルスに対し、複数回の羽ばたきが可能である筋肉)の動作に不可欠なのが、伸張による活性化(筋肉を引き伸ばすと、遅れて大きな張力を発生すること)という機能である。この伸張による活性化に対し、飛翔筋のどの蛋白成分が不可欠であるかを調べるため、飛翔筋構成蛋白の交換実験を行った。マルハナバチ飛翔筋より、ゲルゾリン処理によってアクチン繊維を取り除き、ウサギ骨格筋アクチンを導入して置換した。このときに飛翔筋線維が収縮してしまうのを防ぐため、ミオシン阻害剤を加えておく必要がある。これまでは、阻害剤としてブレビスタチンを用いていた。ブレビスタチンは低濃度で効果のある有効な阻害剤ではあるが、阻害が不可逆であるという問題があった。今年度はよりミオシンに対する親和性の低い、BDMという阻害剤を用いた。その結果、期待通りウサギ骨格筋アクチンの繊維が飛翔筋線維内に再生されていることがX線回折実験から確認できた。

さらに実験溶液からATPを除去すると(硬直条件)、アクチンのらせん対称性に由来するX線反射が増強し、ミオシンがアクチンに強く結合する「硬直架橋」が形成されていることが分かり、ブレビスタチンを用いた場合と異なり飛翔筋のミオシンが機能を保っていることが明らかとなった。その他の成果として、セミの鳴き声を発生させる鼓室筋の構造がX線回折実験により飛翔筋と同じであること、また免疫化学法により、飛翔筋特異的な蛋白が発現していることが明らかとなった。これは飛翔筋以外の筋肉が飛翔筋と同様な構造と蛋白発現を示すことを明らかにした最初の成果である(論文投稿済み、審査中)。昆虫は最高で1秒に1000回も羽ばたくことができるが、これは昆虫の飛翔筋(羽ばたきに使われる筋肉)が高速振動できるからである。この飛翔筋の特性が、飛翔筋の構成タンパクのどれに由来するかを明らかにするため、飛翔筋の特定の構成タンパクを別の動物由来のものに交換する技術を開発した。今回、昆虫飛翔筋のアクチン繊維を抽出し、ウサギ骨格筋のアクチン繊維に置換することに成功した。X線回折法により、ウサギのアクチン繊維は筋線維内に正しい位置と向きで再生され、飛翔筋のミオシンと硬直複合体を形成できることが確認された。9項に記載した2種の実験のうち、アクチン繊維再構成の実験が有望であることが判明したこと。また9項に記載した以外の付随する実験においても成果が出ており、論文投稿の運びとなっていること。28年度の最も重要な課題は、脊椎動物のアクチン繊維を再生した昆虫飛翔筋線維の収縮特性を決定し、伸長による活性化が起こるかどうかを確認することである。アクチン交換操作を行う際に、筋線維の収縮を抑えるため、ミオシン阻害剤を加えている。これまで阻害剤としてBlebbistatinを用いて、交換操作は成功していたが、Blebbistatinはミオシンに対する親和性が非常に高いため、後で洗い流すことができない。そこで本年度は、ミオシンに対する親和性がより低い阻害剤の使用を検討する。生物物理学、動物学、X線回折学9項に記載した通り、アクチン繊維再構成実験において最適な条件を模索し、脊椎動物のアクチン繊維をもった昆虫飛翔筋線維が自励振動能を持つかどうかを確認する予定。その他にマルハナバチ以外の生きた昆虫の飛翔時の飛翔筋高速X線回折実験、インビトロ測定実験などを計画。27年度、インビトロ測定用の機器(微動ステージ、位置検出用ダイオードなど)などを購入予定であったが、引き続き収縮蛋白交換実験を優先して行ったため、これらが未執行となった。26年度、インビトロ測定用の機器(微動ステージ、位置検出用ダイオードなど)などを購入予定であったが、収縮蛋白交換実験を優先して行ったため、これらが未執行となった。28年度は収縮蛋白交換実験の継続に加えてインビトロ測定の準備も進める予定であり、上記の機器も併せて購入する。27年度は収縮蛋白交換実験の継続に加えてインビトロ測定の準備も進める予定であり、上記の機器も併せて購入する。
DNAチップを用いた細胞のアポトーシスにおける遺伝子発現ネットワークの解析

網羅的な遺伝子発現情報を調べることができるDNAチップを用いて、サイトカイン添加や温熱処理といった、化学的・物理的刺激に対するの細胞レベルでの応答を調べ、遺伝子発現ネットワークを解析することで、未知の遺伝子の機能予測や、遺伝子発現のコントロール、ガンや心疾患などの重篤な病気の治療や薬剤の開発に資する基礎研究を行うことを目的とする。具体的には、上記刺激に対する遺伝子の発現情報を経時的に分析し、遺伝子の相互関係を明らかにする。本研究では、物理的ストレスとして、(1)癌細胞の熱ストレス応答を、化学的ストレスとして、(2)大腸菌の有機溶媒接触ストレスを、また、遺伝子発現ネットワーク解析のため、(3)酵母の酸化ストレスおよび浸透圧ストレスを解析した。(1)癌細胞のストレス応答Hela細胞に44°C1時間の熱ストレスを与え、遺伝子発現プロファイルを調べたところ、温熱処理直後から発現誘導される遺伝子41個が見つかり、そのうちの一つ、Matrix Metalloproteinase 3遺伝子が熱ストレス耐性に関与していると思われた。酵素も24時間後に約60倍の発現増強を示していることがわかった。酵素阻害剤を添加して熱ストレスを加えたところ、感受性を顕著に高めることがわかった。(2)微生物のストレス応答大腸菌JA300株がデカン、ヘプタン、ヘキサンと接触した前後の遺伝子発現プロファイルを比較したところ、細胞外の硫酸イオンを取り込んでシステインを合成するまでの経路で、多くの遺伝子が有機溶媒によって誘導されていた。システインはアミノ酸の一種であり、還元性をもつSH基を持っているためこの経路の活性化が、有機溶媒耐性機構に関係するのではないかと推察された。(3)酵母のストレス遺伝子発現ネットワークの解析遺伝子発現パターンをFuzzy ARTによりクラスター分けし、発現の早い順に並べ遺伝子間相互作用の推定を行うF2D-Matrix法を開発した。広義の酸化ストレス(Diamide、Hydrogen peroxide、Heat Shock)を選択し、KEGG代謝マップから、酸化ストレスで重要な働きをしているという知見のある56遺伝子に関して、ネットワークの推定を行った。10個の相互作用が予想された。このうちKEGGと一致した遺伝子ネットワークが6個あり、ヒット率は60%となった。本年度は下記の研究を行った。(1)サイトカインTGF-βの添加による肺上皮株化細胞HPL1の遺伝子発現解析10,784遺伝子がスポットされているマクロアレイを用いてTGF-β添加後の遺伝子発現プロファイルを調べた。TGF-βは細胞増殖、組織修復、分化などを促進するサイトカインであり、正常細胞は細胞増殖抑制機能を示す。ガン細胞ではこういった応答性を失うことが知られている。正常細胞で遺伝子発現応答を解析すれば、ガン発生のメカニズムの追及につながる。TGF-β添加後の遺伝子発現比を調べた。

標準偏差に基づきスクリーニングする方法を新規に考案し、定量的PCRの結果と比較したところ、1.2倍程度の発現比でもマクロアレイのデータから正確にスクリーニングできることがわかった。この方法で、遺伝子発現が変化した機能既知の遺伝子、124遺伝子で遺伝子発現変化があることがわかった。(2)適応共鳴理論(ART)などによる遺伝子のクラスタリング上記(1)で拾い上げた遺伝子を、我々がすでに考案している教師データなしクラスタリング手法Fuzzy-ARTで解析した。その結果、すでに応答することがわかっている2遺伝子とは別に、早期に応答する遺伝子、3個を新たに発見することができた。(3)温熱ストレスによるガン細胞のアポトーシスの解析ラット脳腫瘍細胞を43°C1時間の温熱処理し、アポトーシス検出キットを用い、フローサイトメーターで解析したところ、ほとんどの細胞でネクローシス死していることがわかった。網羅的な遺伝子発現情報を調べることができるDNAチップを用いて、サイトカイン添加や温熱処理といった、化学的・物理的刺激に対するの細胞レベルでの応答を調べ、遺伝子発現ネットワークを解析することで、未知の遺伝子の機能予測や、遺伝子発現のコントロール、ガンや心疾患などの重篤な病気の治療や薬剤の開発に資する基礎研究を行うことを目的とする。具体的には、上記刺激に対する遺伝子の発現情報を経時的に分析し、遺伝子の相互関係を明らかにする。本年度は、(1)化学的・物理的刺激に対する微生物細胞の応答として大腸菌の有機溶媒接触ストレスを、(2)動物細胞の熱ストレス応答をヒト子宮頸癌HeLa細胞を使って、DNAマイクロアレイで解析した。また、遺伝子発現ネットワーク解析のため、酵母の浸透圧ストレスを解析した。(1)大腸菌の有機溶媒接触ストレス応答大腸菌JA300株がデカン、ヘプタン、ヘキサンと接触した前後の遺伝子発現プロファイルを比較したところ、細胞外の硫酸イオンを取り込んでシステインを合成するまでの経路で、多くの遺伝子が有機溶媒によって誘導されてた。システインはアミノ酸の一種であり、還元性をもつSH基を持っているためこの経路の活性化が、有機溶媒耐性機構に関係するのではないかと推察された。(2)Hela細胞の熱ストレス応答Hela細胞に44°C1時間の熱ストレスを与え、遺伝子発現プロファイルを調べたところ、温熱処理直後から発現誘導される遺伝子41個が見つかり、そのうちの一つ、Matrix Metalloproteinase 3が熱ストレス応答に強く関与し、この酵素の阻害剤が熱ストレスの感受性を高めることがわかった。(3)酵母の浸透圧ストレスの遺伝子発現ネットワーク解析浸透圧ストレスを加えた後の遺伝子発現を解析した。全96
長距離光ファイバ伝送における光・電気ハイブリッド信号処理の研究

種々の波形劣化および雑音への耐性に優れた長距離高速光ファイバ信号伝送の実現を目的として、光信号の波形整形および雑音除去に関する研究を行った。主な成果として、(1)信号再生操作の一部を電気信号領域で行う光・電気ハイブリッド型の信号再生器を提案し、その有効性を実験およびシミュレーションにより検証した。(2)光信号再生器が伝送路中に分散配置された伝送系において、受信端での系列推定などの電気信号処理が系の耐波長分散性を高めることを明らかにした。(3)位相感応増幅器による4値位相変調光の再生など、全光型の信号再生方式の機能向上を検討した。種々の波形劣化および雑音への耐性に優れた長距離高速光ファイバ信号伝送の実現を目的として、光信号処理と電気信号処理を混在させた伝送劣化修復方式の研究を行っている。平成23年度は、1.2つの遅延干渉計、2つの平衡光検出器、および光IQ変調器からなるDQPSK信号再生器を作成し、振幅に揺らぎを加えた毎秒10Gシンボル(毎秒20Gビット)の信号のパワーペナルティが低減することを確認した。2.ホモダイン検出を用いて位相変調信号を強度変調電気信号に変換しそれを用いてマッハツェンダー変調器を駆動するタイプのコヒーレント信号再生器を提案し、BPSK信号の劣化を低減できることを実験により確認した。3.複数個の信号再生器が配置されたOOK信号伝送において、伝送路に分散がある場合に信号再生器において生ずる非線形符号間干渉による検出誤りを、受信機における最尤系列推定によりある程度低減できることを数値計算により確認した。4.光分岐器、光検出器、マッハツェンダー強度変調器からなるフィードフォワード強度揺らぎ抑圧回路を構成し、雑音光が重畳された強度変調信号光のビット誤り率(BER)改善効果、及び消光比改善効果を実験により確認した。また、強度変調器を電界吸収型とすることによる偏波無依存動作も確認した。5.上記強度揺らぎ抑圧回路による雑音光が重畳されたDPSK信号光のBER改善効果、及びスペクトル狭窄化により波形が歪んだDPSK信号のアイ開口改善効果を実験により確認した。以下の研究を行った。1.信号再生器が周期的に配置された信号伝送路における情報速度を、伝送路の記憶を考慮して計算する解析を行い、許容される再生器間伝送路分散の大きさを明らかにするとともに、信号再生の非線形性と伝送路分散の相互作用による信号劣化が受信端における電気信号処理によって修復できるかどうかを検討した。2.光検出器、光位相変調器、および注入同期半導体レーザをフィードバックループ内に組込んだ、位相変調光信号からのキャリア抽出/ホモダイン受信器について、線幅の狭い光源レーザを用いた実験を行い、無エラーのBPSKキャリア抽出/検出を確認した。また、本方式をQPSK信号からの光キャリア抽出に拡張するための理論的考察と基礎実験を行った。3.光分岐/光検出器/光強度変調器からなる強度変調信号用フィードフォワード(FF)信号再生器の動作条件について実験およびシミュレーションにより詳細に調べ、受信ビット誤り率を最小とする動作条件が入力信号光の光SN比及び消光比に依存することを明らかにした。さらに、強度変調器を異なる動作条件で2段接続することにより、信号再生効果をさらに高める構成について検討し、基本動作を確認した。4.位相変調信号光を直接信号再生する位相感応増幅器(PSA)について検討した。通常、PSAの動作は入力光の偏波状態に依存するが、直交2ポンプと偏波ビームスプリッタを用いて偏波依存性を低減する構成を提案し、シミュレーションによりその有効性を検証した。1.光分岐/光検出器/マッハツェンダ変調器からなる強度変調信号用フィードフォワード(FF)信号再生器の動作条件に関する研究を行った。本再生器については、これまで雑音抑圧効果と消光比改善効果を個別に検討しており、両者はトレードオフの関係にあると思われていたが、動作条件によっては消光比劣化なく雑音抑圧効果が得られるという実験結果を得た。2.遅延干渉計により位相変調信号光の位相情報を抽出し、それに基づいて当該信号光に位相変調を加えるFF制御回路を提案し、シミュレーションによりその有効性を検証した。平均化効果により揺らぎを低減するという動作原理に基づく。3.光電気変換型DQPSK信号再生器において、光検出器出力をリミティング増幅器で増幅した後に光IQ変調器に入力することにより、強い波形整形効果が得られることを実験により確認した。また、電気回路に要求される帯域幅がシンボル速度の50%程度であることを数値シミュレーションにより明らかにした。4.ホモダイン検出を用いて位相変調信号を強度変調電気信号に変換するタイプの信号再生器において、キャリア成分を含まない位相変調信号から位相同期した光キャリアを生成する手法を新たに考案し、良好なキャリアを生成できることを実験により確認した。5.位相変調信号光を直接信号再生する位相感応増幅器(PSA)について研究した。

通常PSKは2値位相変調光を再生するが、非線形ファイバループ構成により、4値位相変調光に対する再生効果が得られることを提案し、シミュレーションによりその有効性を検証した。6.ファイバ中のパラメトリック増幅の飽和を利用した高速信号の全光振幅雑音抑制方式において、分散スロープが大きい場合には隣接パルス間に相互利得変調効果が生じ出力波形にパターン依存性の劣化が生ずることを明らかにした。光・電気ハイブリッド型信号再生器について、フィードフォーワード制御型および、光信号を電気信号に変換してから雑音除去を行い再度光信号に変換するタイプの再生器両者について、予定していた研究を実施した。また、全光型信号再生方式についても検討した。さらに、分散によりパルス幅が広がった信号が再生器に入力される際に生ずる非線形シンボル間干渉を、受信端における最尤系列推定処理によって除去できることを示した。25年度が最終年度であるため、記入しない。さらに、位相感応増幅による多値位相変調信号再生や、パラメトリック増幅の飽和を利用した振幅雑音抑制などの全光信号再生方式についても検討した。概ね計画通りに研究を進める予定である。多値変調信号に対応できる信号再生器構成に関する研究を進めたい。ホモダイン検波を用いて位相変調信号を電気信号に変換してから雑音を除去する信号再生方式についても実験を含めて検討を行う予定である。
hCGnRNAの組織・細胞分化における特異的発現を統御する転写因子の解析

1.ヒト絨毛由来培養細胞(JAr,JEG3)、ヒト非絨毛細胞(HeLa)ならびにhCG遺伝子をtransfectすることによってhCG mRNAを発現することが判明している霊長類以外由来細胞(CHO,Yl)より核蛋白を抽出し、hCGαならびにβサブユニット遺伝子プロモーター領域での結合タンパクの分布をfootprint assayにより検討したところ、hCG産生細胞株と非産生細胞株でフットプリントに大きな差異は認められなかった。このことから、hCGの転写調節は遺伝子に直接結合する転写因子ではなく、転写因子に影響を与える別の因子によって調節されている可能性が示唆された。3.ヒト絨毛由來細胞から得た核抽出物を用いてhCGβ遺伝子プロモーター部位とLHβ遺伝子プロモータ部位のfootprint assayを行った。両者を比較すると遺伝子上流部位でhCGβでは転写因子が結合していないのにLHβでは転写因子が結合する部位が認められ、この因子がLHβの絨毛での発現を抑制している可能性が示唆された。4. hCGβ遺伝子上流部位にc--AMP反応性部位が存在することが明らかとなり、その塩基配列を同定した。(1)霊長類の細胞においてのみhCGβの発現を抑制している転写因子の同定を行った。この転写因子はhCGβの転写を特異的に抑制している因子であることが明らかになった。(2)cAMPregulatoryfactorとhCGαならびにβ両サブユニットmRNA発現との関連を明らかにした。hCG両サブユニットのプロモーター部位にはcAMP regulatory elementに類似した塩基配列を認めた。これが因子がhCG遺伝子の転写に関与しているものと考えられた。(3)footprint assayによりhCGβとLHβ遺伝子のプロモーターに結合する核蛋白を比較し、その差違を明らかにした。絨毛の下垂体における両遺伝子の組織特異的発現を規定している転写因子が同定された。(4)胚、絨毛細胞の分化、発育各段階におけるhCG各サブユニット遺伝子の転写因子の動態を明らかにした。(5)hCGβは6つの遺伝子からなる遺伝子群によってコードされているがこれらの内、活性を有する遺伝子と有さない遺伝子の間で転写因子の結合にどのような違いが存在するかをfootprint assayで検討した。1.ヒト絨毛由来培養細胞(JAr,JEG3)、ヒト非絨毛細胞(HeLa)ならびにhCG遣伝子をtransfectすることによってhCG mRNAを発現することが判明している霊長類以外由来細胞(CHO,Y1)より核蛋白を抽出し、hCGαならびにβサブユニット遺伝子プロモーター領域での結合タンパクの分布をfootprint assayにより検討したところ、hCG産生細胞株と非産生細胞株でフットプリントに大きな差異は認められなかった。このことから、hCGの転写調節は遣伝子に直接結合する転写因子ではなく、転写因子に影響を与える別の因子によって調節されている可能性が示唆された。3.ヒト絨毛由来細胞から得た核抽出物を用いてhCGβ遺伝子プロモーター部位とLHβ遣伝子プロモータ部位のfootprint assayを行った。4.hCGβ遺伝子上流部位にc-AMP反応性部位が存在することが明らかとなり、その塩基配列を同定した。1.ヒト絨毛由来培養細胞(JAr,JEG3)、ヒト非絨毛細胞(HeLa)ならびにhCG遺伝子をtransfectすることによってhCG mRNAを発現することが判明している霊長類以外由来細胞(CHO,Y1)より核蛋白を抽出し、hCGαならびにβサブユニット遺伝子プロモーター領域での結合タンパクの分布をfootprint assayにより検討したところ、hCG産生細胞株と非産生細胞株でフットプリントに大きな差異は認められなかった。2.転写因子結合部位に各種ミューテーションを導入したhCG遺伝子を作成し、転写因子の結合に必要な塩基配列をさらに絞り込んで検討した。また、oligo nucleotideによるcompetition assayによっても同様に転写因子の結合部位の局在を明らかした。3.hCGの転写に新たなな転写因子の示唆された。
給餌をめぐるモンシデムシの家族関係の総合的解析

親の給餌量は子の要求量と配偶相手の仕事量によって決まると考えられているが、その相互作用の研究例は少なくそれぞれの役割を相対的に評価できない。本研究計画は雌雄で子育てを行う昆虫、モンシデムシを材料に、オス-メスの関係、親と子の関係が、それぞれの関係にどのように影響するかを調べることで給餌をめぐる家族関係を総合的に明らかにすることを目的としている。親による給餌量に影響するとされる要因の中から家族関係を総合的に解析することで、見かけの現象や影響の小さい要因である可能性を排除して、どの要因が大きく影響しているのかを調べる。また、直接の雌雄の相互作用だけでなく父性の確かさによってもオスの投資量は変化する。本研究は親による給餌量に影響するとされる要因の中から家族関係を総合的に解析することで、見かけの現象や影響の小さい要因である可能性を排除して、どの要因が大きく影響しているのかを調べる事が目的である。昨年度の実績は以下の通りである。1)モンシデムシに見られる家族内コンフリクトについて、先行研究を元に総説を執筆した。この成果はすでに受理され、印刷中である。2)父性の確かさはオスの育児参加における重要な要因とされている。これを確認するため、マイクロサテライトマーカーを開発した。3)モンシデムシの給餌頻度が親によって決定されるか、幼虫によって決定されるか検証するために、a)片親を除去するかハンディキャップをつけることで親の給餌頻度を変えて、幼虫の餌請い頻度を比較した。母親を除去すると幼虫の父親に帯する餌請いは増加したが、母親にハンディをつけた場合は変化しなかった。b)親を棒の先にくくりつけて給餌できなくし、また幼虫が自力で餌をとれる場合と捕れない場合で餌請い頻度を比較した。自力で餌をとれないと幼虫の餌請い頻度は増加したが、それでも母親に対する餌請いの方が多かった。この結果からは、親の給餌がある程度幼虫によって操作されている可能性を示唆した。以上の結果は現在投稿準備中である。1)先行研究を特定の分類群に限らず徹底的に調査することで、複数の分類群に共通してみられる生活史形質を抽出し、さらに系統関係を考慮する事で「両親による育児を行う昆虫」の進化要因を推定した。その結果、巣の形質がどの昆虫にも共通する事が判明した。また、巣の形質はオスによる父性確保に影響すると考えられたことから、本研究テーマも父性の確かさをより重視した方がよいと考えられた。この結果は既に論文として受理され、さらに対象をモンシデムシに限った総説を執筆中である。血縁認識のできない種では父性の確かさはメスにペア外交尾の機会があったか否かではかると考えられている。これを利用し、父性はそのままで父性の確かさのみ操作できる。目の細かい金網性の容器にペア外のオスを入れることで、実際には交尾できないがオスの存在は認識できる状況をつくることができる。モンシデムシのペア形成時にそばにこの容器を置き、容器内のオスの有無によってペアの行動、特に繁殖後のオスの給餌回数の変化を測定した。予想に反し雌雄とも行動は変化しなかった。さらなる調査のため、分子マーカーを開発した。これらの成果は今年度発表予定である。親による子の保護とは「子供の生存率を高めると予測される親のあらゆる性質」を指す。これに関しオス-メスの関係、親子関係を扱った研究例は多いものの、それぞれの関係がどのように影響し合っているかの研究例は少なく、どの要因が給餌量に大きな影響を与えるかまだわかっていない。本研究は雌雄で子育てを行う昆虫、モンシデムシを材料に、オス-メスの関係、親と子の関係が、それぞれの関係にどのように影響するかを調べることで給餌をめぐる家族関係を総合的に明らかにすることを目的とした。

モンシデムシの幼虫は1)母親に餌請いする、2)父親に餌請いする、3)自分で餌をとる、の3通りの選択肢があり、それぞれ期待値が異なるため、幼虫は飢えの度合いに応じて行動を変化させることが期待できる。今回ヨツボシモンシデムシの片親を棒にくくりつけることで幼虫が餌請いは出来るものの給餌は受けられない距離に固定した。幼虫を餌の死体上に置いた場合と餌がなく湿ったろ紙上に置いた場合でそれぞれ父親、母親への餌請い回数をカウントした。どちらの場合も幼虫は母親に多く餌請いし、餌がないと幼虫の餌請い頻度は増加したものの両親に対する比は変わらなかった。本結果は現在論文投稿中である。ヨツボシモンシデムシの母親にハンディキャップ(Suzuki & Nagano, 2009)をつけるか除去し、オス親と幼虫の行動の変化を調べた。その結果、どちらもオス親の行動は変化しなかったが、幼虫の餌請いはハンディキャップの場合は大半がメス親に対してだったのに対し除去の場合はオス親への頻度が上昇した。この結果から、メスの給餌頻度変化に先に反応するのはオス親ではなく幼虫であることが示唆される。行動生態最初に提出した研究計画とほとんど同じ進展状況である。計画以上に実験が進展し、25年度に予定した分子マーカーの開発や親の給餌頻度の変化に伴う子の餌請い行動の変化について一部着手することが出来た。当初予定した計画をそのまま早めに遂行していく予定である。その上で可能であれば追加実験を行いたい。本研究テーマも父性の確かさをより重視した方がよいと考えられたものの、当初予定した計画をそのまま早めに遂行していく予定である。今年度の国際学会参加のため、予算を多く残す必要が生じた。2014/7/31-8/5の国際行動学会参加費として使用予定より進捗があったため予定を繰り上げて前払い申請を行い以下の実験に着手したが、一部の実験を完了できず未払い金が生じた。その分は次年度分とあわせて使用する。父性が親子関係に与える影響を調べるため、分子マーカーによる親子判定を行う。本実験に必要な実験・保存容器と分子マーカー用に必要な試薬を購入する。また、必要に応じて実験協力者への謝金を支払う。
小児のウイルス性胃腸炎の基礎・臨床研究とリスク評価

ノロウイルス、サポウイルスの新しいウイルス様粒子を作製した。新しいまたは改良した遺伝子診断、免疫学的診断(イムノクロマト法)を開発した。ロタウイルス、ノロウイルス、サポウイルス、アストロウイルスに続きアイチウイルス、パレコウイルス、ボカウイルス、サフォルドウイルスなどのウイルスの分子疫学を行い新しい知見を得た。マウスノロウイルスを代替えとして消毒薬、加熱、母乳の抗ウイルス効果を見た。ノロウイルスの細胞培養系の確立を試みたが成功しなかった。ノロウイルスとサポウイルスの組織血液型抗原(HBGA)との結合性を唾液、腸管組織で調べた。ノロウイルスの結合はあるもサポウイルスは見出せなかった。1.ヒトサポウイルスはGI,GII,GIVがあり特にGI/1が多い。現在までGI/2,5ならびにGIVに対するVLPの作製に成功した。現在GI/1について作製している。GI/2を用いてモノクローナル抗体を作製した。これらの抗体はGI/4、GIV、そしてGI/1への反応は見られなかった。イムノクロマトのキットを作製したが、GI/2に限局的に反応した。現在、ポリクローナル抗体の組み合わせや広範囲にサポウイルスと反応するモノクローナル抗体を作製している。2.最近流行したノロウイルスの株を用いて、より検出できるキットを作製している。GII/4 2006bおよびGII/3およびGII/6の最近の株についてVLPを作製した。現在、従来の抗体との反応を調べている。また、現在有しているノロウイルスおよびアストロウイルスのICキットが現在の流行株に有用なことを示した。3.わが国のウイルス性下痢症の分子疫学を行った。ノロウイルスGII/4とロタウイルスG1P[8]が主流であった。ノロウイルスは2007-2008では19%にみられ、GI/4が僅かと主体はGII/4,13,3であった。GII/4は2006b variantであった。GII内のリコンビナントが見られた。サポウイルスは約4%に見られ2007-2008ではGIVが多いが2008-2009はGI/1が主体であった。2008-2009ではポリメラーゼがGIIでカプシドがGIの組換えウイルスが見られた。頻度は低いが、ヒトパレコウイルス、アイチウイルス、ボカウイルスなども見られた。4.マウスノロウイルスを精製し、そのポリクローナル抗体を作製した。1万倍以上の中和活性を有した。マウスノロウイルスは加熱70°Cで1分以内に失活した。5.わが国のブタにおいて糞便の中からE型肝炎ウイルスを検出した。またブタのコブウイルスも見出し、食品の安全の面から検討が必要である。1. 10種の下痢症関連ウイルスを同時に1つのチューブのRT-PCRで検出する方法を開発した。従来の3セットのmultiplex RT-PCRと比較して、同等あるいはそれ以上の感度でウイルスを見出すことができた。2.市販中の3つのロタウイルスのイムノクロマト(IC)キットの感度、精度を比較したところ僅かな差があるもの迅速診断に問題がないことがわかった。3.ノロウイルスGI,GIIを別々に検出できるICキットを開発した。迅速診断に利用できることがわかった。4.市販のノロウイルス検出ICキットの比較をしたところ精度は良かったが、感度に差があった。5.アストロウイルス診断用ICキットを開発した。診断に利用できることがわかった。6. PCR法を基準として海外で市販されているカンピロバクターを患者便から直接検出するICキットを比較した。迅速診断法に利用できるとわかった。7.わが国の2009-2010年の小児下痢症糞便からGIIノロウイルス28%、A群ロタウイルス11%、サポウイルス等々が見出された。ノロウイルスはGII/4が多く、GII/3が減少していた。GII/4では従来の2008aとわずかに異なる2009aが見出された。ロタウイルスはG3P[8]が増加した。8.マウスノロウイルスを代替としてノロウイルスの加熱による不活化実験を行った。母乳にノロウイルスが混入していると仮定した場合、65°C以上1分で不活化された。9.患者糞便中のノロウイルスにアルコール製剤を加えることにより、RT-PCR増幅が抑制された。消毒効果を評価出来た。10.過去の下痢症ウイルスの成績から、ロタウイルスの流行のピークが春にずれているが、ノロウイルスは依然として11月から1月中心のピークであった。サポウイルスは頻度が低いが冬を中心に流行が見られた。

1.改良したノロウイルスキットを用い健常の新生児の便および母乳で非特異反応の有無を20の検体で行ったところ全く非特異反応は見られなかった。検出感度は以前の物とかわりなかった。今後このキットを利用する。2.サポウイルスのイムノクロマトを完成させるためにGIIのウイルス様粒子(VLP)の作製を試みたが発現は見られなかった。GI、GIVについては成功した。現在、GIIのVLPの入手が可能となったので、GIで既に得たモノクローナル抗体の中からGIIとも反応する抗体を選択し、それを用いてイムノクロマトを作製中である。3.既に作ったロタウイルス、アデノウイルス、ノロウイルスの抗体を用い、3つのウイルスを1つのキットで調べるTriple Test Kitを作製した。既にウイルスを決定している糞便を用いて検査を行ったところ一致した結果を得た。3.ノロウイルスの細胞培養をCaco 2細胞、Myelomonocyteを用いて行った。5代の継代培養を行った。抗体をもちいて細胞を染色し、1,2代まで抗原が僅かに染められたが、その後は消失した。ウイルス遺伝子も同様の傾向があった。4.2009-2011年のわが国の下痢便検体からロタウイルス、ノロウイルスなどの検出が高かった。ノロウイルスGII/4(2006a)が半数を超えていた。次にロタウイルスが多く、G3がロタウイルスの半数を超えた。またパレコウイルス、ボカウイルスも見られた。5.代替マウスノロウイルスを用いて、市販の消毒薬の効果を調べた。アルコール濃度を高めるとより消毒の効果が検証された。またpHを酸性からアルカリ性にすることによって58%濃度のアルコールでも効果があった。6.既に成果を得ている研究について論文を学術誌に発表出来た。ノロウイルスGII/6の流行、加熱処理による母乳中のマウスノウイルスの不活化、組換えアデノウイルスの発見等である。
自己修復制御の一般化と知能化に関する研究

本研究は、センサ・アクチュエータの故障によるフィードバックループの切断や異常を自動的に検知、修復する自己修復制御の、一般化と知能化をすすめている。この自己修復制御は、従来の故障検知機能付きの耐故障制御と比較して以下の利点をもつ、すなわち、故障検知に制御対象の数学モデルを必要としない、固着型などこれまで検知が困難とされた故障を検知することができる、検知に要する最大時間を事前に任意に設定することができる、などが挙げられる。前年度までの研究成果から、これらの利点を失うことなく、制御理論の一般化と知能化が図られ、自己修復制御の適用範囲が飛躍的に拡大された。ただ、バックステッピング法の導入により、高次の相対次数をもつ制御対象に対して、制御構造が爆発的に複雑化する問題や、複数の入出力をもつ多入出力系への適用、さらに、実際のシステムへの応用問題などが未解決のままであった。そこで、本年度は、バックステッピング法の代わりに、並列補償器を用いて相対次数を補う方法ついて考察を行った。これにより、制御構造の複雑化を避けることができ、また、共振現象をうまく利用して故障を検知する方法を見出すことができた。さらに、多入出力系については、分散型自己修復制御系設計法を与え、入出力の数に分割された各サブシステムで、独立した故障検知と修復制御が達成できることを示した。これに加え、知能化への新しいアプローチとして、神経細胞などの活動電位の振る舞いを模倣するスパイキングニューロンモデルを故障検知器として利用する方法についても検討を重ねている。なお、自己修復制御の実システムへの応用として、垂直多関節型マニピュレータのバイラテラル制御系への適用を計画していたが、これに関しては、手先部のみについて、異常検知機能の実装を行い、その有効性を実験で評価している。理論と応用の各面の進捗について、理論面では、制御器設計における相対次数の制約緩和とそれに伴う故障検知器の再設計、適応制御などの導入による知能化で成果を得ており、さらに、多入出力系への拡張にまで踏み込んだ考察を行っている。当初の計画はほぼ達成されたと言ってよい。一方、応用面では、垂直多関節型マニピュレータのバイラテラル制御系への適用とその実機での有効性の評価を計画していたが、予定されていた実験システムの完成が間に合っておらず、計画を達成できていない。ただ、アームの手先部のみについては、異常検知機能を付加したバイラテラル制御系を構築することができ、実験により検知性能や操作性、安定性などが評価できている。垂直多関節型マニピュレータのバイラテラル制御系の実験システムを完成させ、これに自己修復制御理論を適用し、その検知性能や、マスタ・スレーブとしての操作性能、制御系の安定性などを実験により評価する。その上で、自己修復制御理論の未解決問題や実用化を見据えた課題について検討をすすめる。具体的に、例えば、検知可能な故障のクラスがやや限定的である問題や、検知器、制御器の構成にセンサ信号の微分値が必要となる問題、さらに、外乱・ノイズに対するロバスト性の問題などが残されており、今後は、理論と応用の両面からこれらの解決を図っていきたい。本研究は、フィードバックループの異常を自動的に検知、修復する機能をもつ、自己修復制御について、その一般化と知能化を実現する具体的かつ実用的な制御系設計法の確立を目的としている。自己修復制御は、検知器を含む制御システムの構造が簡単である点や、検知に要する最大時間を事前に規定することができる点など、従来の耐故障制御にはない特長を有している。しかし、適用可能な制御対象が限定されており、また、対象に関するパラメータを既知とした理論展開を行なっていることから、実用性の点で課題があった。本年度は、一般化に向けた適用範囲の拡大と、制御対象の特性変化に柔軟に対応するための知能化に関して、理論的な側面から研究を行い、その結果、有用な知見を得た。適用範囲の拡大について、自己修復制御は、基本的にハイゲインフィードバックにもとづいているため、相対次数が1の制御対象にその適用が限定されていたが、研究計画の記載の通り、バックステッピング法によりその制約を緩和することに成功した。これにより任意の相対次数をもつ制御対象に対して自己修復制御系を構築することができ、機械系をはじめ、化学プロセスなど多くの実システムへの適用が可能となった。知能化については、以下、二つの点で重要な成果が得られた。すなわち、ハイゲインフィードバックと比較的親和性の高い、適応制御を導入することで、ある限定されたセンサの故障問題に対して、制御対象の特性が未知、あるいは変動があっても、ロバストに自己修復が達成されることを理論的に示した。また、生物などの神経細胞の電気的興奮を表現する数学モデルを、自己修復制御の故障検知器として利用することで、高い感度で高速にフィードバックループの異常を検知することが可能となった。これらの成果は、国内の研究会や学術雑誌にてすでに一部公表、または公表を予定している。本年度は、自己修復制御の一般化と知能化について理論的な側面から検討をすすめた。一般化に向けた適用範囲の拡大は、バックステッピング法の導入によって任意の相対次数をもつ制御対象にまで適用可能なクラスを広げることができた。一方、知能化については、当初次年度に研究を実施する計画ではあったが、制御器の適応調整機能を導入した設計法や、神経細胞の電気的興奮を表現するニューロンモデルを取り入れた設計法など、知能化を実現する重要な知見を得ることができた。しかしながら、非最小位相系に適用できない問題や、考察する故障問題がやや限定的であることなどの課題が残されている。

本研究は、センサやアクチュエータの故障に起因するフィードバックループの異常を自動的に検知、修復する自己修復制御の一般化と知能化ついて考察している。この自己修復制御は、故障検知器を備えた能動型耐故障制御の一つに位置付けられるが、従来法と比較して、検知器および制御器の構造が格段に簡素化され、また、検知に要する最大時間を事前に規定できるなど、実用上の利点を有する。しかしながら、適用可能な制御対象が相対次数1の最小位相系に限定されること、また、制御系が系内の未知パラメータや予期せぬ動特性の変化に適応できないこと、などが課題として残されていた。これらの点に関して、前年度の結果を踏まえ、バックステッピング法により相対次数の制約が緩和できる制御系設計法について、検知性能や安定性など面から理論的な整備を行った。また、未知のパラメータや動特性をもつ制御対象に対し実用性の高い適応制御手法として知られている、単純適応制御の枠組みの中で、自己修復制御を実現する方法を考案した。これにより、未知パラメータをもつ制御対象に対しても自己修復制御を達成することが可能となった。さらに、適応機構と自己修復機能とを併せもつ、PI/PID制御の基本構成法を示した。PID制御は、産業界を中心に広く利用されており、実用性と汎用性の高い制御法としてよく知られている。この意味で、ここで開発した方法は、一般化の一助となる。以上、本年度の成果から、相対次数の条件緩和により適用範囲が拡大し、さらに、適応機構の導入により未知パラメータや特性変化への適応が可能となったことで、自己修復制御の一般化と知能化が大きく進展したと考えている。自己修復制御に課せられている、適用可能な制御対象のクラス拡大(一般化)と、未知パラメータや予期せぬ特性変化への適応(知能化)の両課題について、それらの解決策を具体的な制御系設計法として与え、得られた制御系の異常検知性能と制御性能を理論的に解析した。さらに、成果の一部を国内外の学術会議にて公表することができた。また、本年度、バイラテラル制御の実験で必要となる、マスタ・スレーブ方式によるロボットマニピュレータの製作に取り掛かることができ、垂直多関節型マニピュレータの一部が完成した。ただ、バイラテラル制御への自己修復制御理論の応用については、具体的な設計法を考案するまでには至らず、今後の課題として残されている。本研究は、センサ・アクチュエータの故障によるフィードバックループの切断や異常を自動的に検知、修復する自己修復制御の、一般化と知能化をすすめている。この自己修復制御は、従来の故障検知機能付きの耐故障制御と比較して以下の利点をもつ、すなわち、故障検知に制御対象の数学モデルを必要としない、固着型などこれまで検知が困難とされた故障を検知することができる、検知に要する最大時間を事前に任意に設定することができる、などが挙げられる。前年度までの研究成果から、これらの利点を失うことなく、制御理論の一般化と知能化が図られ、自己修復制御の適用範囲が飛躍的に拡大された。
複雑現象を数理モデル化するための理論の構築

昨年度から始めた,細胞極性に関する問題で,外部刺激に応じて極性が定まるべき位置を理論的に予測することに成功した.今年度は細胞分裂を視野に入れて,複数の外部刺激に対する応答を考察したが,同じ強さの複数の外部刺激に対して,最終的な極性の位置を決定するためのメカニズムの解明に成功した.これは細胞同士の接触面が各細胞にとっての外部刺激に対応するとの考えに基づいたものであり,最終的に分裂の方向を理論的に決定する方法につながると期待される.また,細胞膜上の極性を考察するために, 2次元平面上の極性の存在問題についても結果を得つつある.また,継続中の研究として,積分核を用いた非局所項を有する方程式に関する研究がある.その有効性として,パターン形成のメカニズムをより包括的に説明できること,またより複雑なパターンも容易に再現できる,実験との親和性が高いといった点をあげることができる.本研究ではこうしたことを踏まえ,積分核形状と空間パターンの関係の理論的解明を目標として,当年度において,代謝系ネットワークから積分核形状を決定するための方法を確立した.また,それらを幾つかの複雑な代謝ネットワークに応用し,有益な情報を抽出することに成功した.それらの成果は現在業績論文として執筆中である.更に,離散的に表現されたモデル方程式系を積分核を用いて連続化するための一般的手法の開発にも成功した.既にショウジョウバエの視覚中枢系モデルにおいて,従来の離散を含むモデルで示されていたすべての挙動を当該方法により再現できることを確認しており,その成果を現在執筆中である.これら方法はその汎用性の高さから,球面上の問題への応用など,今後様々な問題に応用されると期待される.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。今年度は水面に浮かべた樟脳片の運動をパルスダイナミクスの観点から考察し,その一般化を試みた.パルスの運動を解析するためには,元となるパルス状局在解の存在のみならず,その線形化作用素のスペクトル分布や共役作用素の固有関数の情報などが必要となるが,そうした情報を得ることは一般には甚だ困難であり,多くの場合,特異摂動法を適用するなど,特殊なパラメータ領域で近似解を構成したり,区分線形など特殊な非線形項を用いて解を陽に構成したりといった方法をとられてきた.一方で,樟脳片の運動を記述したモデル方程式においては,一般的な非線形項であっても,上記の必要情報を余すことなく具体的に得ることができるという利点がある.今年度はまず樟脳片の数理モデルから必要情報をすべて抜き出すことからはじめ,手始めとして楕円樟脳片の運動を解析した.楕円樟脳片とは文字通り樟脳片の形状が楕円形をしている場合であり,非球対称なパルス状局在解に対応する.抜き出した必要情報を元に単独の楕円樟脳片の漸近安定性を示すことに成功すると同時に,そうした安定な楕円樟脳片が複数ある場合の相互作用も解析することができた.さらに,同じ結果が,かなり一般的な非線形項であっても,実験で検証可能な性質のみを仮定すればそのまま成り立つことを示すことに成功した.また,樟脳片が複数ある場合の相互作用に関しても,その運動方程式を一般的な非線形項の下で具体的に書く下すことに成功し,多くの場合, 2つの楕円樟脳片を結ぶ中心線に対して,長軸が垂直になることを理論的に示すことができた.こうした非線形項の一般化とその検証可能な仮定は,実際の現象で,たとえそのメカニズムがはっきり分かっていなくても,いくつかの基本的な性質のみを検証すれば十分であることを示唆している.さらに今回の結果は,現象の細部によらない,普遍的な構造を抜き出したものと考えることができる.今年度は水面に浮かべた樟脳片の運動をパルスダイナミクスの観点から考察し,その一般化を試みた.樟脳片の運動を記述したモデル方程式においては,一般的な非線形項であっても,上記の必要情報を余すことなく具体的に得ることができるという利点があり,実際,樟脳片の数理モデルからは必要情報をすべて抜き出すことができた。その結果,単独の樟脳片の安定性,および複数ある場合の樟脳片の形状と相互作用の関係を明らかにすることができた.特に相互作用に関しては,樟脳片は互いの重心を結ぶ中心線に関して,形状に応じてある一定の角度になることを理論的に導くことができた.実験による検証を行うため,形状が特に楕円様の2モード解と三角形様の3モード解の場合に詳細に解析を行い,相互作用を記述する方程式を具体的に書き下した結果,樟脳片形状が楕円様の場合は短軸が中心線と平行となるように,三角形様の場合は底辺が中心に直交するように,それぞれ相互作用することを示すことができた.それに対応する検証実験を実際の樟脳片を用いて行い,ほぼ理論と合致する結果を得ることにも成功した.さらに,同じ理論結果が,非線形項をかなり一般的しても,実験で検証可能な性質のみを仮定すればそのまま成り立つことを示すことに成功した.こうした非線形項の一般化とその検証可能な仮定は,実際の現象で,たとえそのメカニズムがはっきり分かっていなくても,いくつかの基本的な性質のみを検証すれば十分であることを示唆しており,現象の細部によらない,普遍的な構造を抜き出したものと考えることができる.樟脳片は実験も容易なことから,今後.理論の実験との比較検証を更に進め,業績論文としてまとめる予定である.

樟脳片における非球対称定常局在解に関しては当初,楕円形状の場合のみ具体的計算ができることを期待していたが,予想に反して,任意形状で,かつ一般的な非線形項で必要情報を抜き出すことに成功した.これにより,楕円形状に限定したり,反応項を限定したりする必要がなくなり,かなり一般的な議論が可能となった.またそれにより,実験との比較がより容易になった点は大きな進展といえる.前年度までに考察した,水面に浮かべた樟脳片の運動に関するパルスダイナミクスの観点からの研究に関して,一般化や応用例,および実験例の検証作業等がほぼ終了し,現在業績論文として執筆中である.これは近いうちに応用系のジャーナルに投稿予定である.また同時に進めてきた,曲面上のパルス運動に関する研究においては,曲面の幾何特性と複数のピークが安定化するための条件を関連づけることに成功し,現在業績論文として執筆準備中である.特にガウス曲率の等高線に関する情報に基づき,パルスの安定な空間配位を理論的に求めることができたことは予想以上の成果であった.一方,上の研究に加えて,心筋細胞におけるパルス伝播に関する問題の考察を昨年度にスタートし,その後,厳密な結果ではないが,心筋における伝播パルスの特徴的性質の一つである,脈動パルスの発生メカニズムに,新たな知見を与えることができた.また,パルス列におけるパルス間隔において,これまで予想だけがなされていた性質に関して,この知見に基づき理論的根拠を与えることができるのではないかと期待されている.最後に,積分核を用いた非局所項を有する方程式に関する研究について報告する.パターン形成問題に関して,これまで拡散不安定性の概念に基づいた,反応拡散型の数理モデルによる理解が一般的であったが,近藤らは,積分核を用いてより一般的に,またより複雑なパターンも容易に説明できることを示唆した.本研究ではこれらを踏まえ,積分核形状と空間パターンの関係を理論的に考察することを目指したが,当年度においては代謝系ネットワークから積分核形状を決定するための方法を見つけることができた.曲面上のパルス運動に関する研究において,曲面の幾何特性と複数のピークが安定化するための条件を具体的な形で関連づけることに成功した点が理由の一つである.実際,パルス運動を記述する方程式は,質点に関する常微分方程式ではあるが,一般に大変複雑で,たとえガウス曲率の等高線が楕円形状など,幾何特性が比較的単純であったとしても,作図できる程度の具体性を持ってパルス解の安定空間配位を決定できるとは予想されていなかった.また,代謝系ネットワークから,特有の積分核形状を求めることができた点も評価した.これに関しては,ネットワーク構造に空間情報が入っているため当初困難が予想されていたが,空間情報も積分核の中に含めてしまうという発想により,非常に簡潔,かつ明瞭な形での表現が可能となった点は予想以上の成果と考えた.今年度から始めた,細胞極性に関する問題で,外部刺激に応じて極性が定まるべき位置を理論的に予測することに成功した.更に複数の細胞の相互作用により,各細胞における極性の取るべき配置も解析することができた.
衝動性と将来報酬予測機能における脳内セロトニンの役割

【背景・目的】衝動性の一つのモデルとして、reward-delay impulsivityが提唱されている。これは、将来の大きな報酬を待てず目先の小さな報酬に反応してしまうというものである。一方、衝動性に中枢神経系セロトニン機能の低下が関与していると考えられているが、具体的なメカニズムは未だ明らかでない。本研究では、reward-delay impulsivityにおける脳内セロトニンの果たす役割を解明することを目的とした。【方法】個人におけるreward discounting機能を評価するために、短期・長期報酬予測課題を作成した。これは、報酬が得られるまでに要する時間を様々に変化させた、大小2種類の報酬が得られる視覚刺激を呈示し、どちらかを選択させるというものである。健常被験者において脳内セロトニン濃度を調節するために、前駆物質であるトリプトファンを欠乏・正常・過剰させた3条件のアミノ酸混合飲料を作製した。実験前日から水分・蛋白制限し、実験当日にアミノ酸混合飲料を服用し、5時間後に上記課題を行い、同時にfMRIを用いて脳血流反応を測定した。行動データから強化学習モデルを用いた解析を行い、脳活動データとの関連を検討した。【結果】被殻において、短期報酬予測には腹側部が、長期予測には背側部が関与するという時間的スケールに対応したマップが見られた。さらに、トリプトファン欠乏条件では腹側部で短期時間スケールと、トリプトファン過負荷条件で背側部と長期時間スケールと相関していた。【考察】報酬のdelay discountingに並列回路が関与しており、時間スケールによって異なる回路が用いられること、中枢神経セロトニン濃度によってこれらの回路の用いられ方が異なることが推測された。
咬合不正に起因するアルツハイマー病発症機序の解明

アルツハイマー病は、主に高齢者にみられる疾患で、認知機能の低下を主徴とする疾患で、bアミロイドの脳内への蓄積が代表的な原因である。これまではbアミロイドは脳組織に限局して発現するとされてきたが、最近の研究により脳以外の末梢組織においても発現することが分かってきている。また、高齢者の咬合不正は一定数存在すると想定されるが、全身への見かけ上の重篤度の低さから適切な治療がされず放置されているケースが多く存在する。本研究では、咬合不正モデルマウスを用いて、咬合不正と認知機能低下との相関関係を確実にし、咬合不正周辺の歯周組織がアルツハイマー病原因物質の発生源であるか解明することを目的とする。