hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
新石垣空港開港に伴う環境変動と浅海域物質循環の解明

最終年度であるH30年度には下記の研究成果が得られた。1石垣市の人口分布、土地利用状況等の解析を行った結果、定住人口はH2年からH27年の間で15%増、入域旅客数は空港開港前年(H25)に比べH28年には70%増となった。人口密度は石垣港のある島南部に集中する傾向があり、建築用地も微量ながら増加傾向にあった(第46回土木学会関東支部技術研究発表会にて発表)。2吹通川河口域にてH1930年に調査した水質データを解析・統括した結果、水中の溶存酸素は下げ潮時に低下し、上げ潮時に海水が流入することで貧酸素状態が解消されることが示唆された。また硝酸態窒素は塩分と負の相関を示し、河川水起源で海水希釈されると考えられ、マングローブ林から海草藻場、サンゴ礁へと供給される栄養塩挙動の一端を把握することができた(土木学会論文集B2,Vol.75, No.2にて発表予定)。3環境省モニタリングサイト1000データに基づき、H2129年までのサンゴ被度、白化の経年変化を検証したところ、H28年に石垣島沿岸ほぼ全域で白化率40%以上を示し、特に西部では被度が前年比-25%と著しいダメージを受けていた。衛星画像MODISAquaを用いて平均海水温データを検証した結果、H28年の6月平均海水温はH27年に比べ高く、特に西部では平均5°C程度の上昇が見られ、H28年以前には白化が見られなかった北西部地域のサンゴ被度を大幅に下げたと考えられた(第46回土木学会関東支部技術研究発表会にて発表)。本研究課題では上記に加え、4マングローブ林内マイクロプラスチック現存量把握、5海草藻場、サンゴ礁の生息分布調査ならびに得られたデータ公開用webサイトの開設、データの更新・公開、6マングローブー海草藻場ーサンゴ礁間の物質交換量の把握(河川水質、地下水質の同時調査、流動調査等)等を行い、随時学会等で発表した。国内有数の観光地である沖縄県では、近年大型リゾートの再開発や外資系ホテルチェーンの参画が相次ぎ、自然生態系をいかに維持しつつ活用するかは、地元の生計維持、生物多様性保全の両点から重要な課題となっている。本研究の目的は平成25年3月に新大型空港が開港した沖縄県石垣島にて、開港後の観光・定住人口増加に伴い予想される土地利用変化と、サンゴ礁、海草藻場、マングローブの生息分布調査、ならびにマングローブ河川から沿岸部への物質輸送量を4年間継続して計測することで、環境変化を把握することである。本研究の調査項目は、1.GIS解析による土地利用状況の把握、2.超音波ドップラー流向流速計(ADP)を用いた河川流拡散状況把握、3.GPS防水カメラ・コドラードを用いた海草分布状況把握、4.複合生態系間の物質循環定量化、の4点であり、これらを新石垣空港開港前後に行うことで環境変動を検証する。初年度である平成25年度は、新石垣空港開港前の島内の土地利用状況整理(1)、吹通川河口域の流動データ解析(2)ならびに海草生息マップの作成(3)、懸濁態物質の輸送メカニズムを検証し(2、4)、新空港開港前の状況整理を行った。加えて、自記式濁度計などの、現地調査に向けた機器整備を行った。新空港開港後、観光客数は増加し、平成25年の1年間で計94万人が訪れた。これは前年比1.3倍であり、石垣島定住人口(約4.9万人)の19倍に匹敵する。新空港建設時には野生生物保護や、建設廃土・赤土の流出解析等が行われたが、開港後の環境影響把握はまさにこれから必要とされる急務であり、引き続き調査を進めていく。研究代表者が育児休業中であったため、該当する研究実績なし。研究代表者の育児休業による研究中断期間は、平成26年1月から平成27年3月までである。1.新石垣空港開港後の土地利用変遷初年度に開始した新石垣空港開港前の島内の土地利用状況整理を引き続き行った。GISソフトを用いてフィールドである吹通川周辺を重点的に解析を進めた。その結果、吹通川の流域面積は約2.8km2であり、そのうち広葉樹林が83%を占め、サトウキビ畑は8%、畜産が2%、その他7%であった。2.マングローブ、海草藻場、サンゴ礁の生息分布の経年変化平成27年夏に現地調査を行い、吹通川沿岸域の海草・サンゴ分布状況を記録した。その結果、サンゴの多くが白化していたことが判明し、生存していた箇所にフォーカスし、GPSカメラを用いて記録した。海草はウミショウブをはじめとした群生が生息しており、分布域の確認が出来た。また、本調査結果を基に、現地協力者と議論し、長期モニタリングポイントを新たに設定した。これにより季節毎の生息分布測定の基盤を整えることができ、平成28年度当初からの定期モニタリング開始へこぎ着けることが出来た。3.マングローブー海草藻場ーサンゴ礁間の物質輸送量新石垣空港開港以前の吹通川マングローブ域における物質循環についてまとめた。特にマングローブ河川と海草生息域との境界部分となる、湾内における流動分布、ならびに河口域での上げ潮、下げ潮時の流動の差異について整理し、学会発表を行った。

吹通川沿岸には強い澪筋が形成されており、下げ潮時にその澪筋に沿って河川フラッシュが発生し、土砂や栄養塩等が海へ流出することが分かった。また、河口断面流速を上げ潮時と下げ潮時で計測したところ、上げ潮時には流心は河道中心で砂州の背後に回転流域を形成しつつ遡上するものの、下げ潮時には砂州により流心が河道左岸側に偏ることが判明し、潮汐による流動分布の差が明らかになった。H27年度、定期モニタリング体制が整ったことにより、海草・サンゴ礁の生息分布測定は今後順調に進んでいくものと思われる。一方、新石垣空港開港後の土地利用および物質循環の変化は、開港後間もないこともありまだ明確な変化を解析できておらず、引き続き調査を進めていく。1.新石垣空港開港後の土地利用変遷とマイクロプラスチック本年度は観光人口の増加により予期されるゴミ発生量の増加に着目し、海岸ゴミ、特に5mm以下のプラスチックゴミ(マイクロプラスチック)の調査を行った。石垣島の東西南北それぞれの沿岸域で、20cmの方形枠(コドラード)を用い、5cm深の表土を採取し、AIO法(Nuelle et al., 2014)に基づきプラスチックを抽出し、FTIRを用いて成分分析を行った。その結果、表土中のマイクロプラスチックの密度は石垣島東部に位置する白保海岸が最も高く、漂着ゴミ(特に海外製のペットボトル、漁具等)の影響が大きいと考えられた。2.マングローブ、海草藻場、サンゴ礁の生息分布の経年変化昨年度に引き続き季節毎に吹通川沿岸域の海草・サンゴ生息分布調査を行った(2016年5、9、12月、2017年3月)。昨年設定した200mメッシュの定期モニタリング地点(18地点)に加え、サンゴが密生している2地点も新たに追加し、調査を行った。2016年夏は世界的にもサンゴの白化が進んだ年であり、吹通川沿岸でもほとんどのサンゴが白化していた。また、これまでの調査により蓄積したサンゴ・海草生息記録を、地図上に時系列で表示するwebサイトを開設、公開した。その成果は2017年3月の第64回日本生態学会大会にて発表した。3.マングローブー海草藻場ーサンゴ礁間の物質輸送量吹通川河口で流量、水質測定(濁度、懸濁態物質、窒素、リン等)ならびに、海草・サンゴ域での多点水質調査(塩分、溶存酸素、窒素、リン等)を行った。また初年度に導入した自記式濁度計を用いて、マングローブ河口、海草藻場の濁度変化を計測した。採取した水サンプル中の栄養塩分析(窒素、リン)およびSS分析が終了し、SontekIQを用いて測定した流量の時系列データと合わせ、次年度解析を行う予定である。海草・サンゴ礁のモニタリング体制が整い、webサイトも新設、公開に至り、当初の目標に掲げた生息分布調査は軌道に乗ったと思われる。今後種の判別、密度等、解析を進めていく。また、プラスチックごみの調査も開始したことにより、環境変化をより多角的に検証していくことが可能になった。新空港開港から3年後の吹通川河口の物質循環(フラックス)を調査したが、開港前後の変化の有無、詳細なメカニズムの解明に向けて引き続き研究を進めていく。1.新石垣空港開港後の土地利用変遷とマイクロプラスチック昨年度の調査によりマングローブ林内でもマイクロプラスチック(MP)が確認され、本年度はマングローブ林内での調査地点を計15地点に増やしより詳細な調査を行った。その結果15地点中3地点でMPが確認され、その量は中流域マングローブ林内で最も多かった。MPが確認されたいずれのポイントも満潮時の水位付近であり、満潮線に沿ってMPの堆積帯が形成されている可能性が示された。これらの結果は、第52回日本水環境学会年会にて発表した。
固体ヘリウム中の格子欠陥のX線トポグラフィによる研究

固体ヘリウムのX線トポグラフィは我々のグル-プ以外にやっている者はいない.したがって,本研究は研究方法の開発,研究装置の製作から始めなければならなかった.すなわち,超低温の試料を放射光で照射する場合の温度上昇をどれだけにとめられるか?高圧に耐え,できるだけ広い面積の窓をもつ試料室の開発,超低温の固体ヘリウムの結晶方位を温度を上げることなく回転する装置の開発,トポグラフを原子核乾抜に能率的に撮影するための自動撮影装置の製作,分解能を向上させるため2θ=90°反射のトポグラフを撮影するための装置の製作等であった。これらは初年度と第2年度に終る予定であったが,試料室及び回転装置を我々自身で作らざるを得なかったために約6ケ月の遅れを生じた.このほか,90°反射が極めて弱い上その方向への散乱X線強度が高いため,90°反射のトポグラフを撮影することができなかった。したがって撮影はほとんど前方反射に対して行なわれた.しかし,超低温においても試料室を回転することは可能であり,そのさいの温度上昇は0.1K程度にとどまった.希釈冷凍機は試料回転機構のため大きな熱負荷をもつだけでなく,熱流入が大きくなり,最低0.2K程度までしか冷却できなかった.これらの條件の下で固体^4He, ^3Heについて結晶成長過程,焼飩過程転位の観察を行なった.hcp ^4Heとbcc ^3でサブバウンダリの形成過程が非常に異なるのは,hcp結晶中の積層欠陥エネルギ-が非常に小さく,拡張していて上昇運動を起こし難いがbcc結晶では拡張していないで,上昇運動を起こし易いと考えることによって一貫して説明することができる.またヘリウム原子のX線散乱断面積は非常に小さいので,トポグラフのコントラストに動力学的効果を期待することはできない.運動学的理論に基づくシミュレ-ションによって,転位芯近傍の直径1μm以下の領域からの反射がないとした場合のコントラストになることが判った.固体ヘリウムのX線トポグラフィは我々のグル-プ以外にやっている者はいない.したがって,本研究は研究方法の開発,研究装置の製作から始めなければならなかった.すなわち,超低温の試料を放射光で照射する場合の温度上昇をどれだけにとめられるか?高圧に耐え,できるだけ広い面積の窓をもつ試料室の開発,超低温の固体ヘリウムの結晶方位を温度を上げることなく回転する装置の開発,トポグラフを原子核乾抜に能率的に撮影するための自動撮影装置の製作,分解能を向上させるため2θ=90°反射のトポグラフを撮影するための装置の製作等であった。したがって撮影はほとんど前方反射に対して行なわれた.しかし,超低温においても試料室を回転することは可能であり,そのさいの温度上昇は0.1K程度にとどまった.希釈冷凍機は試料回転機構のため大きな熱負荷をもつだけでなく,熱流入が大きくなり,最低0.2K程度までしか冷却できなかった.これらの條件の下で固体^4He, ^3Heについて結晶成長過程,焼飩過程転位の観察を行なった.hcp ^4Heとbcc ^3でサブバウンダリの形成過程が非常に異なるのは,hcp結晶中の積層欠陥エネルギ-が非常に小さく,拡張していて上昇運動を起こし難いがbcc結晶では拡張していないで,上昇運動を起こし易いと考えることによって一貫して説明することができる.またヘリウム原子のX線散乱断面積は非常に小さいので,トポグラフのコントラストに動力学的効果を期待することはできない.運動学的理論に基づくシミュレ-ションによって,転位芯近傍の直径1μm以下の領域からの反射がないとした場合のコントラストになることが判った.この研究に用いる主要設備の製作と技術の開発を進めた。今年度購入の主要装置はいずれも交付申請書通りの性能をもつことが確認された。旧クライオスタットを用いて撮影されたX線トポグラフをX線トポ用高性能写真顕微鏡装置で種々の方法によって観察撮影し、高分解能の明快な像を得るための手順を探求した。高倍率の対物レンズを用いて原子核乾板を観察すると、単にレンズの焦点深度が浅いだけでなく、感光膜中の銀粒子によって散乱された光の干渉模様が現れ、顕微鏡写真にトポグラフと直接関係のない細い曲線が見られることが多い。透過光学顕微鏡で最も忠実な高分解能写真を得るのは、10倍の対物レンズで撮影された写真を拡大して最終倍率1000倍程度にする場合である。これには対物レンズの開口数が十分大きくなければならぬが、今年度購入の顕微鏡はそれだけの性能をもっている。数年前から国内外で開発されてきた共焦点型レーザー顕微鏡は、見かけ上無限大の焦点深度をもち、しかも普通の光学顕微鏡の2倍近い分解能があるといわれている。最近この顕微鏡が市販され始めたことを知り、試用してみた。大きな銀粒子からの反射が過度に強調されるので、転位像は見難かったが、これは画像処理によって容易に補正できる。この新しい顕微鏡を用いれば、感光膜中の全銀粒子の位置を正確に知り、それからトポグラフを再構成するという計画を、当初予想していたよりはずっと容易に実現できることになる。

またベリリウムに代わるX線用窓材として、カーボン繊維強化プラスチックのX線に対する諸特性を測定した。低エネルギー領域で単純なハロー・パターンが現われるが、回折斑点が見られない点でベリリウムより優れ、またX線の吸収係数もベリリウムの2倍程度で十分利用可能であることを確認した。この研究計画では基本的な実験設備の製作、試運転及び実験結果の解析方法の確立を今年度中に終えることになっていたが、ほとんど計画通りに進行し、明年度から本格的な実験を開始できる準備が整った。すなわち、高エネルギー物理学研究所放射光実験施設において本実験を進めるのに必要な条件を満足するように設計された実験ステーションBL-3C_2が設置された。この実験ステーションはマシン・タイム終了後も希釈冷凍機等を取り外す必要はなく、冷凍機試運転、予冷をマシン・タイム前に行うことが可能で実験の成功率を格段に向上させることができる。前年度に完成したX線トポグラフ自動撮影装置は、今年度東京大学生産技術研究所において種種のテストと調整が繰り返され、乾板の自動送り機構の改良と、自動運転のためのパソコン・ソフトの組込みが行われた後、高エネルギー研に搬入し、BLー3C_2のシールド・ルーム内に設置された。X線トポグラフ用希釈冷凍機及び冷凍機周辺機器はすべて納入されており、これらの総合的試運転は3月末に行うことになっている。また希釈冷凍機に組み込まれる固体ヘリウム試料室は、超低温における回転機構を含むので金属表面処理技術の最近の進歩を取り入れて新たに設計し、東大・生産研において製作中である。今年度購入された共焦点型レーザー顕微鏡を用いて、原子核乾板に撮影されたX線トポグラフの像が観察され、感光膜中の銀粒子の大きさと密度が感光膜表面付近と内部で著しく異なり、普通の光学顕微鏡像の解釈には細心の注意が必要であることが判った。しかし共焦点型レーザー顕微鏡では銀粒子の位置を0.2μm程度の精度で観察できるので、回折X線の分布を同程度の精度で決定できる可能性があることを明らかにし、今後の画像解析の方法の指針を得た。昨年度までに建設された実験設備を用いて^4He結晶のX線トポグラフィの実験を始めた。しかし,内部で回転する大きな試料室を取りつけたために熱負荷が増大し,また回転操作のさいの熱流入などのために冷却上の困難が発生し,さらに90°反射を用いる場合に散乱X線によるバックグランドの増大が予想を上回って大きいという問題に遭遇した。冷却については熱接触の改良,液体ヘリウムの移送方法の改善によって希釈冷凍機温度までの冷却が確実に出来るようになり,成長させたヘリウム結晶を,X線回折斑点を見ながら,融かすことなく回転させることが出来るようになった。しかし90°反射方向の散乱X線を減らすためには試料室を改造する必要がある。それは時間を要することなので取り合えず回折角の小さな反射を用いてトポグラフの撮影を行なった。他方固体ヘリウム中ではX線の消衰距離が試料の大きさの程度であるから,回折の運動学的理論によってトポグラフのコントラストを論ずることができる。転位を含む結晶のXトポグラフをシミュレ-トして次の結晶を得た。多くの場合転位の芯の部分からの反射は弱く,幅約10^<ー4>cm程度の白い線が得られる。X線の入射方向とバ-ガ-ス・ベクトルの関係が変ると白黒2本の線になることもあるが,動力学的効果が主となって得られる転位像に比べて幅は狭い。
因果誘引仮説に基づく言語獲得メカニズムの解明

本研究課題では,一定の知能を持った多数の話者エージェント群を想定し,そこで情報交換を通じて共通の言語が発現するメカニズムを考察対象としている.計画最終年度である本年度は,本研究の着想の柱である「因果推論」の実装に関するこれまでの考察を数理モデルの形でまとめ,その挙動についてさまざまな観点から解析を行った.話者エージェント群は2次元のフィールド上を動き回るものとし,その「移動」に関する情報について発話し,聞き取り,推論できるものと仮定する.これによってコミュニケーションの主題を,適切に限定されつつも十分な時空間情報を含む「リッチな」情報に設定している.それぞれが固有の文法(符号化プロトコル)を持った初期状態から開始すると,移動に伴う情報交換と推論を繰り返すうちに共通文法を獲得すること,空間的なパターンが形成されることなどを示し,その過程において推論のゆらぎ,情報交換の非対称性,空間的障害などのパラメータが共通文法獲得に与える影響を数理的に考察した.また本研究課題においては,エージェント群による文法獲得過程に関する考察と並行して,個々のエージェントによる推論(知覚した情報から背後にあるダイナミクスを推定するメカニズム)に機械学習の諸手法を導入するための基礎検討をあわせて進めてきた.特に深層ニューラルネットワークを用いた因果関係のモデリングや知覚に基づく行動決定の方法論の調査と考察を行ったほか,近年注目を集めている敵対的生成ネットワークの手法を用いたモデル推定に着目し,その検証を行った.本研究課題では,自然共通言語の発生と獲得,特に意図や時制などを表現する文法構造の発生メカニズムを,多数の話者エージェント同士の通信と推論のモデルによって理解することを目的としている.(1)初年度である本年度では,まず人文科学における言語学本来の研究方法論・研究の最新動向から,自律分散系の解析設計のためのシステム制御理論・物理学まで,関連する研究情報を収集することに注力した.第一に,言語の運用状況のデータ(本研究においては話者エージェント間の送受信データに相当する)の取り扱いとその分析処理のため,コーパス活用などの言語研究における統計的処理技術を調査し,そのための計算環境を整備した.第二に,文献および研究集会での情報収集を通して,特に文法理論の研究,文献学的方法に基づく文法分析および古語文法構築等の研究について動向調査を行った.その結果,本研究とは方法論としては大きく異なっているものの,その背後にある話者の意図・推論能力の捉え方については本研究と共通する部分があり,推論モデルの構築に非常に有用であるという認識に到達した.また一方で,物理学の一分野として取り扱われている自己組織化現象(アクティブマター)や自律分散移動体の群れ行動モデルの研究が,モデリング・評価の方法論として効果的であることを見出し,基礎的な検証シミュレーションを行った.(2)言語獲得が効率的に進むモデルを得るするためには話題とシチュエーションを適切に限定することが重要であり,このために「移動」をモチーフとした環境を構築するというのが本研究の方針である.本年度は,これをハードウェア的に再現する小型移動ロボットのための実験環境の整備,送受信に用いる音声・光などの物理信号の入出力手段の検討を行った.交付申請書に記載の研究計画の通り,本年度は研究動向の調査と次年度以降のシミュレーション・実験のための準備を主に行い.おおむね計画通りの進展が得られた.話者エージェントのモデル検討にあたっては,日本言語学会などにおいて最新の言語学研究のテーマの捉え方,ロジックの進め方などについて情報収集を行った結果,話者の意図(仮定,確信の度合い,婉曲など)が文法に反映される仕組みについて新たな知見を得,これを反映させるようなモデルの拡張が必要であるまた物理分野における自己組織化現象との関連に着目した結果,自己組織的に形成された秩序の度合いを解析するための有用な評価基準を得た.本研究課題では,自然共通言語の発生と獲得のプロセス,特に意図や時制などを表現する文法構造の発生メカニズムを研究対象とし,情報交換を行う複数の話者エージェントが因果関係のつじつまを合わせるように推論するというモデル(因果誘引仮説)によって理解することを目的としている.本年度は,特にエージェントの思考過程,すなわちエージェントが獲得した情報から因果関係を推論する過程のモデル構築や検証に焦点を当てて研究を行った.具体的には,まず獲得した入力情報と出力情報からその間の因果関係を推論する(理解する)問題について深く掘り下げ,関連する回帰分析の手法(データ駆動型推論)やシステム同定の手法(モデル駆動型推論)を対比しながら調査と考察を行った.その結果,特に深層ニューラルネットワークを用いた学習手法が有力かつ推論モデルとして自然であると考え,大量の獲得情報から特徴量を抽出する実験などを行った.また推論だけでなく,獲得情報からのエージェントの行動決定までを行う手法としては,同じく深層ニューラルネットワークを用いた強化学習(深層Q学習)に着目し,その基本特性を小型移動ロボットのエージェントを用いたシミュレーションによって検証した.

一方,昨年度に重要性を見出した自律分散移動体の群れ行動モデルについては,移動を伴う多数のエージェントにより,局所情報の交換をしながら大域的情報の形成していくプロセスの解析を行った.昨年度には主に言語学(人文系)における自然言語研究の動向調査とシミュレーション・実験の準備を主に行っていたが,これを受けて本年度は因果誘因仮説の核となるエージェント推論モデルの構築をすすめており,一定の成果がみられた.本研究課題では,言語の形成と獲得の過程,特にその重要な論点の一つと考えられる「個体としてのヒトの生得的な能力と,外部からの刺激要因が果たす役割」に着目し,文法の形成過程におけるコミュニケーション(対話)と推論の寄与について論じることを目的としている.昨年度は主に外部刺激に対する推論のモデルについて調査を行ったが,本年度は主に対話と相互作用に焦点を当てた.すなわち,フィールド上での移動,他者や障害物との遭遇あるいは搬送という事象を経験する個体を想定し,個体間対話および個体ー環境間の相互作用を表現する数理モデルの構築とシミュレーションによる検討を行った.モデルの主な構成要素は下記の二つである.(1)移動と対話:刺激の発生要因として,多数の話者エージェントが平面フィールド上で移動を行い,遭遇時に互いの情報を対話によって交換する状況を想定する.場面を移動にまつわるものに限定することで,単純ながら豊かな情報量を有し,かつ時間依存性をもつエピソードを自動生成することができる.(2)因果関係の推論:各話者エージェントの生得能力については,昨年度の成果を簡略化したものとして,自己の行動履歴を一定長記憶し,それを各話者固有の文法パラメータでエンコード(記号化)して発話するものと設定する.初期状態では話者間のパラメータは異なる(共通の文法知識がない)が,因果関係を論理的に推論する能力を有すると仮定する.以上の設定に基づいて数値検証を行い,情報交換と推論によって共通のシンタックスを獲得(合意)する過程,また自由な移動を妨げる地理的要因を配置することによって情報交換の一様性が抑制され,文法の地理的乖離とみられる現象などが観察された.本研究では,フィールド上を移動し,他者や障害物との対話や相互作用によりその情報の因果関係を推論するエージェントのモデル構築と検証を行っているが,移動と対話のモデルと学習的推論のモデルについて,それぞれの計算機環境の性質が異なるなどの理由により両者の統合が遅れている.本研究課題では,一定の知能を持った多数の話者エージェント群を想定し,そこで情報交換を通じて共通の言語が発現するメカニズムを考察対象としている.計画最終年度である本年度は,本研究の着想の柱である「因果推論」の実装に関するこれまでの考察を数理モデルの形でまとめ,その挙動についてさまざまな観点から解析を行った.話者エージェント群は2次元のフィールド上を動き回るものとし,その「移動」に関する情報について発話し,聞き取り,推論できるものと仮定する.これによってコミュニケーションの主題を,適切に限定されつつも十分な時空間情報を含む「リッチな」情報に設定している.それぞれが固有の文法(符号化プロトコル)を持った初期状態から開始すると,移動に伴う情報交換と推論を繰り返すうちに共通文法を獲得すること,空間的なパターンが形成されることなどを示し,その過程において推論のゆらぎ,情報交換の非対称性,空間的障害などのパラメータが共通文法獲得に与える影響を数理的に考察した.また本研究課題においては,エージェント群による文法獲得過程に関する考察と並行して,個々のエージェントによる推論(知覚した情報から背後にあるダイナミクスを推定するメカニズム)に機械学習の諸手法を導入するための基礎検討をあわせて進めてきた.
軟体動物の動的パターン形成における制御理論の構築

カタツムリなどの腹足類では這って移動する際に腹足に動的な2次元パターンが出現し、またイカ類などの頭足類では、擬態行動や個体間のコミュニケーションの際に表皮に動的な2次元パターンが出現し、そのパターンが瞬時に変化する。本研究では、これら腹足類や頭足類などの軟体動物においてはパターン形成が筋収縮によって実現されていることに着目し、筋収縮パターンの制御方法を探ることで、腹足類の這行運動における運動制御メカニズムを系統的に理解し、工学応用の基盤を確立することを目的としている。目的の達成に向けて、平成30年度は、(課題I)1次元信号から2次元パターン形成のための数理モデルの構築を行い数値シミュレーションによりモデルの検証を行った。まず、1次元のバネ質点系に対して、中枢から信号を想定して、FitzHugh-Nagumoモデルにより周期的なパルスによる入力の有無によって、筋収縮により色素胞が拡大・縮小し、表皮パターンを変化させた。次に2次元のバネ質点系に対して、一定の外部刺激(イカ類の場合は視覚情報)がFitzHugh-Nagumoモデルに入力され、それを元に筋収縮を行った結果、パラメータによって、ストライプやスポットなどの2次元非一様パターンをバネ質点系モデルの数値シミュレーションで実現した。しかしながら、この非一様パターンは反応拡散系によるものであり、軟体動物の神経システムを模倣できているとは言い難い。今度の課題として、軟体動物の神経システムにおいては、中枢からの神経が末端では放射状に繋がっていることを考慮して、信号入力に中距離相互作用を導入する予定である。頭足類の表皮パターンについての数理モデルの構築は、概ね計画通り進んでおり、また、計画当初以外のモデルのアイディアも次々に出ており、順調に進展している。中距離相互作用の入れ方や神経ネットワークについて数理モデルを検証し、改良する予定である。そのモデルを用いて、さらに2次元情報から1次元信号に情報量を落とす方法についても考察する。また今後、頭足類の数理モデルの結果を元に、腹足類の運動パターンメカニズムの解明に向けて数理モデルの構築を行う予定である。その際、再度、腹足類の凹凸面での運動の様子を観察する必要があると考えている。我々は様々な運動形態にも基本となる制御論理が潜んでいるという視点に立って、単純な運動形態のひとつである這行運動に着目している。腹足類の這行運動で見られる足波のように、軟体動物は筋肉が発達しており、軟体部の一部分を瞬時に緊張・弛緩させることができる。この足波によって腹足類は移動を実現しているが、これまでの観察研究では、ガラス板など通常環境でないところでしか観察されなかった。つまり、これまで観察してきた腹足類の這行パターンが非現実的な状況で見られるもだけである可能性がある。そこで、本研究では、新たに凹凸面などで腹足類の這行パターンを観察するとともに、筋収縮によってパターンを形成する頭足類にも着目し、筋収縮パターンの制御方法を探ることで、腹足類の這行運動における運動制御メカニズムを系統的に理解し、工学応用の基盤を確立することを目的としている。研究方法としては、(基礎課題)腹足類と頭足類を用いた筋収縮パターン観察実験、(課題I)バネ質点系数理モデルの構築、(課題II)2次元画像情報から1次元処理ロジックの解明の3段階を想定している。本年度は、基礎課題である、高速度カメラを用いた腹足類の這行観察(ガラス面)、および頭足類の体表変化の観察を中心に行った。双方に見られるパターン形成について、中枢からの信号および中距離相互作用が関係しているが、信号入力が行われていると考えられるパターン形成の初期段階について今後より詳細に観察を行う予定である。また、凹凸面での陸生腹足類の這行運動の観察も行い、筋収縮パターンと他の運動様式の混在が見られた。また、頭足類のパターン形成について、1次元バネ質点系で自己駆動バネを用いてプロトタイプとなるモデルを構築した。今後、このモデルを改良し、動的なパターンの制御方法について数値解析を行う予定である。本年度予定していた観察実験については、予定していたものは行っているがデータ数が少ない状況であり、翌年度以降も継続的に行う必要がある。一方で、翌年度予定した数理モデルの構築はすでに着手しており、一定の成果を得ている。

しかしながら、この非一様パターンは反応拡散系によるものであり、軟体動物の神経システムを模倣できているとは言い難い。今度の課題として、軟体動物の神経システムにおいては、中枢からの神経が末端では放射状に繋がっていることを考慮して、信号入力に中距離相互作用を導入する予定である。頭足類の表皮パターンについての数理モデルの構築は、概ね計画通り進んでおり、また、計画当初以外のモデルのアイディアも次々に出ており、順調に進展している。予定通り、課題1の数理モデルの構築を中心に行うが、高速度カメラを用いた腹足類および頭足類の観察実験を引き続き行いデータ数を増やす。また、腹足類の凹凸面での観察結果から、当初予定していたモデルだけでなく、muscular hydrostatのモデルを構築することで、腹足類のさらに多くの運動様式を理解できる可能性が示唆されたため、新たな数理モデルの構築も視野に入れる予定である。中距離相互作用の入れ方や神経ネットワークについて数理モデルを検証し、改良する予定である。そのモデルを用いて、さらに2次元情報から1次元信号に情報量を落とす方法についても考察する。また今後、頭足類の数理モデルの結果を元に、腹足類の運動パターンメカニズムの解明に向けて数理モデルの構築を行う予定である。その際、再度、腹足類の凹凸面での運動の様子を観察する必要があると考えている。
パティキュレートの高効率除去を可能にするディーゼル用触媒システムの開発

本研究は,高効率にパティキュレートを除去するディーゼル用触媒システムの開発の為に,高活性なPM酸化触媒の探索と触媒とPMの接触状態の影響の解明を研究課題としている.本年度は(1)実用条件に近い触媒とPMの接触条件で高活性を示す触媒の探索,及び(2)La-K-Mn系ペロブスカイトの実用条件下での燃焼特性向上に注力した.(1)実用条件下での高活性触媒の探索:近年Ag担持触媒,La-K-Mn系ペロブスカイト(La_<0.8>K_<0.2>MnO_3;LKM82)等がPM酸化に対し高性能であることが報告されている.そこで、実用条件を模擬した触媒/PMの接触条件で,各触媒のPM燃焼特性を熱重量分析(TG)よって比較し,その反応の活性化エネルギー(ΔE)の転化率依存性と合わせて評価した.その結果,Ag担持触媒は着火活性に優れるが触媒上で直接燃焼できるPM量が少ないこと,LKM82は着火活性はAgに劣るが触媒上で燃焼できるPM量が多く総合的には高い燃焼特性を示すことが明らかとなった.(2)触媒被覆方法の確立:LKM82の更なる燃焼特性向上のため,様々な調製条件で同触媒を調製し,触媒の比表面積(Sa),触媒表面のK濃度(C(K))を変化させた.(Sa=117m^2g^<-1>,C(K)=322mol%)また,調製時に有機酸を添加することで直径200nm程度の細孔が形成された.TGによって燃焼特性を評価した結果,PM燃焼特性はSaとC(K)の増加に伴って低下し,特にPM燃焼に有効に利用できる実効表面K量に相当する"SaとC(K)の積"と良好な相関を示した,更に,直径200nmの細孔を有する触媒がより高特性を示した.触媒の比表面積,表面K濃度の増加,モルフォロジーの制御(細孔の形成)によってより多くのPMが触媒表面の活性サイトに直接接触して燃焼されたことから,これら三因子が燃焼特性の制御因子であることを明らかにした.本研究では、高効率にパティキュレートを除去するディーゼル用触媒システムの開発の為に、高性能なPM酸化触媒の探索、と、触媒とPMの接触の最大化、を研究課題としている。本年度は特に実用条件下でより重要となる後者の課題達成を目的とし、(1)触媒/PMの接触性を最大化できる触媒粒子径・形状を解明すること、及び(2)触媒をフィルターにコーティングする手法を確立することに重点を置いた。(1)接触性を最大化する触媒これまでにK-Mn系の触媒(La_<1-x>K_xMnO_3、K_2Mn_4O_8など)がPM酸化に対し高性能であることがわかっている。そこで、触媒の組成をLa_0.8K_0.2MnO_3(LKM82)に固定し、様々な調製条件で作製することにより種々の粒子径・形状・表面積を有するLKM82触媒を得た。これらの触媒のPM酸化性能を評価した結果、触媒のPM酸化性能は、・触媒の表面積、・触媒表面のPM酸化活性種(K)濃度、に比例することが明らかとなった。また、これは、前者が触媒上でのPM酸化反応の広がりを促進する効果を有し、後者がPMの低温着火性能を向上させる効果を有することによることを明らかにした。これらは高性能なPM酸化触媒を作製する上で重要な知見であり、PM燃焼反応を低温域でより迅速に進行させる為の設計指針が得られた。(2)触媒被覆方法の確立フィルターへの触媒被覆方法として、触媒組成水溶液にフィルターを含浸し、焼成を行う溶液法を試みた。簡便な溶液法によってフィルター上に目的組成の触媒を生成可能であること、焼成温度を変化させることでフィルター上の触媒粒子径を制御できること、またその表面積は通常の粉末触媒調製法で得られる値とほぼ同等であることがわかった。これより、目的の触媒をフィルター表面に被覆でき、また、被覆する触媒の状態をある程度制御可能となった。本研究は,高効率にパティキュレートを除去するディーゼル用触媒システムの開発の為に,高活性なPM酸化触媒の探索と触媒とPMの接触状態の影響の解明を研究課題としている.本年度は(1)実用条件に近い触媒とPMの接触条件で高活性を示す触媒の探索,及び(2)La-K-Mn系ペロブスカイトの実用条件下での燃焼特性向上に注力した.(1)実用条件下での高活性触媒の探索:近年Ag担持触媒,La-K-Mn系ペロブスカイト(La_<0.8>K_<0.2>MnO_3;LKM82)等がPM酸化に対し高性能であることが報告されている.そこで、実用条件を模擬した触媒/PMの接触条件で,各触媒のPM燃焼特性を熱重量分析(TG)よって比較し,その反応の活性化エネルギー(ΔE)の転化率依存性と合わせて評価した.その結果,Ag担持触媒は着火活性に優れるが触媒上で直接燃焼できるPM量が少ないこと,LKM82は着火活性はAgに劣るが触媒上で燃焼できるPM量が多く総合的には高い燃焼特性を示すことが明らかとなった.(2)触媒被覆方法の確立:LKM82の更なる燃焼特性向上のため,様々な調製条件で同触媒を調製し,触媒の比表面積(Sa),触媒表面のK濃度(C(K))を変化させた.(Sa=117m^2g^<-1>,C(K)=322mol%)

また,調製時に有機酸を添加することで直径200nm程度の細孔が形成された.TGによって燃焼特性を評価した結果,PM燃焼特性はSaとC(K)の増加に伴って低下し,特にPM燃焼に有効に利用できる実効表面K量に相当する"SaとC(K)の積"と良好な相関を示した,更に,直径200nmの細孔を有する触媒がより高特性を示した.触媒の比表面積,表面K濃度の増加,モルフォロジーの制御(細孔の形成)によってより多くのPMが触媒表面の活性サイトに直接接触して燃焼されたことから,これら三因子が燃焼特性の制御因子であることを明らかにした.
リフレクション原理に基づく並列論理型プログラム実行のインタラクティブ視覚化

本研究においては、ターゲット言語として細粒度の並列性を持つ並列論理型言語を想定し、リフレクション原理に基づいた「並列論理型プログラムのプログラム実行のインタラクティブ視覚化の研究」を行なった。平成10年度は、「プログラム実行のインタラクティブ視覚化システム」の構築のために、とくに3次元表示に着目し、3次元ビジュアルプログラミングシステム3D-ppの構築を行なった。われわれは、すでに並列論理型言語の実行を視覚化するシステムであるppを開発済である。従来2次元で行なってきたppのインタラクティブな視覚化を、3次元上で行なった。3D-ppでは、ゴールやアトムなどのプログラム要素を3次元図形で表現する。ユーザはこれらのプログラム要素を表わす3次元アイコンを使用し、組合わせることでプログラミングをすることができる。なお、インタラクティブ視覚化システムのためのGUIとしては、C言語で記述された3次元の標準的なライブラリであるOpen GLを用いた。
超高密度ベータ鉄シリサイドナノドット積層構造の形成と光学物性測定

β鉄シリサイドはバルクでは間接遷移型半導体であるが、Si基板上にエピタキシャル成長すると、約1.5μmのエネルギーバンドギャップをもっ直接遷移型半導体になるという報告がある。我々はβ鉄シリサイドのナノドットを形成することで発光効率の高いIV族系半導体材料を開発することを目指している。前年度、我々は、極薄Si酸化膜上にSiとFeを同時蒸着することで、5nm程度のβ鉄シリサイドナノドットを超高密度(>10^<12>cm^<-2>)に形成できることを見出した。このナノドットはSi基板との格子不整合による歪を保持し、不整合転位は存在していないことがわかった。本年度では、この手法で作製したβ鉄シリサイドナノ構造の電子状態を走査トンネル分光法を用いて調べた。その結果、ナノドットの厚みが5nmから2nmへ減少するとエネルギーバンドギャップが約0.4eV程度増大するという、β鉄シリサイドナノ構造の量子閉じ込め効果の観察に成功した。さらに、β鉄シリサイドナノ構造のSi埋め込み構造、また、GeナノドットのSi埋め込み構造を形成し、その光学特性を調べた。その結果、発光スペクトルはSiの埋め込みキャップ層の形成条件に強く依存することがわかった。また、形成したナノドットの人工配列構造を作製するためにナノドット操作技術開発を行った。この際、まず予備的実験として極薄Si酸化膜上のGeナノドットを用いて行い、走査トンネル顕微鏡の探針を用いたナノドット操作に成功した。また、ナノドットのクーロンブロッケイド効果の観察にも成功した。さらに、この形成手法を応用することによってGeSn量子ドットの形成法を開発した。我々は超高密度β鉄シリサイドナノドットの形成法、ナノ構造の量子閉じ込め効果、ナノドット操作法、クーロンブロケイド効果に関しては雑誌に掲載した。GeSn量子ドット形成法については特許出願中である。β鉄シリサイドはバルクでは間接遷移型半導体であるが、Si基板上にエピタキシャル成長すると、1.5μmのエネルギーバンドギャップをもつ直接遷移型半導体になるという報告がある。そのため、IV族系半導体の発光素子材料として、有望視されている。しかし、Siとβ鉄シリサイドの格子不整合が大きいため、格子不整合転位の少ない良質なβ鉄シリサイド薄膜を作成することは困難である。そこで、我々は、Si基板上のβ鉄シリサイドナノドットに注目した。ナノドットにおいては、その形状と微小サイズであることから、格子不整合による歪が不整合転位なしで緩和している。そのため、転位の少ない良質な微結晶をSi基板上に形成できる可能性がある。また、量子閉じ込め効果により、発光効率の増大が期待できる。今年度、我々は、Si基板上に超高密度(>10^<12>cm^<-2>)β鉄シリサイドナノドットを形成する技術の開発を目的として研究を行った。我々は、すでにSi,Geのナノドットを超高密度にSi基板上に形成技術を開発している。それは極薄Si酸化膜上にSi,Geを蒸着することによってナノドットを形成する方法である。我々はそれを応用することで、β鉄シリサイドナノドットを形成することを試みた。具体的には、極薄Si酸化膜上にSiとFeを同時蒸着することで、鉄シリサイドナノドットを形成した。蒸着速度、蒸着速度比、蒸着基板温度、蒸着量のパラメータを様々に変え、β鉄シリサイドナノドット形成の最適条件を見出した。その結果、SiとFeの蒸着速度比、2:1、蒸着温度、500度で蒸着するという条件がβ鉄シリサイドナノドット形成の最適条件であることがわかった。この条件で形成したβ鉄シリサイドナノドットは平均5nmの直径であり、ドット密度は10^<12>cm^<-2>と超高密度である。また、このナノドットの断面透過電子顕微鏡観察により、ナノドット中にほとんど不整合転位が存在していないことがわかった。これらの研究成果は現在、学術雑誌に投稿中である。

我々は超高密度β鉄シリサイドナノドットの形成法、ナノ構造の量子閉じ込め効果、ナノドット操作法、クーロンブロケイド効果に関しては雑誌に掲載した。GeSn量子ドット形成法については特許出願中である。
高密度原子酸素を得ることのできる高性能アーク風洞の開発

高密度の酸素原子を得るために,酸化ジルコニウム(ジルコニア)被覆ジルコニウムカソードを用いたアーク風洞を試作した。また、測定精度、感度を向上させるために、外部共振器型半導体レーザーを利用してマルチパスセルを構成する測定システムの開発を行った。1.ジルコニア被覆ジルコニウムカソードを用いたアーク風洞の開発酸素を注入するポートを、カソード中心に設け、酸素原子密度(準安定準位)は、従来のアーク風洞で得られる数密度よりも約5倍に増加した。しかし、カソード、アノードとも損傷が激しく、数分で不安定な作動に陥った。アノードに関しては、電極形状の設計変更を行うとともに、アルゴンポートの向きを変更し、強いスワールをかけることによって、ほとんど損傷が見られなくなった。しかし、カソードの損耗は依然として解決されていなかった。そこで本年度は、ジルコニア被覆ジルコニウムカソードを用いたアーク風洞を開発した。これにより、3時間以上の安定作動が得られ、また酸素乖離度も、ほぼ100%を達成した。2.レーザー吸収分光法のマルチパスセルによる酸素原子密度測定感度の向上比較的低温度の酸素乖離流の準安定準位に光学的にアクセスするために、マルチパスセルによって吸収感度を向上させることを試みた。昨年度はイントラキャビティ法を試みるため、半導体レーザーの外部共振器を自作し、共振長が30センチメートルある共振器で共振、波長挿引することに成功したが、プラズマがキャビティ内部に存在するためにモードホップが起き易く、きれいな吸収線のプロファイルを得ることが難しかった。そこで、プラズマをレーザー発振キャビティの外に出し、2枚の高反射ミラーで形成したキャビティ中に置いて測定したところ、大気圧アークの測定において400倍の感度向上が見られ、きれいな酸素原子の吸収プロファイルが得られた。アーク風洞高エンタルピー空気流の酸素原子数密度の計測と乖離度の向上に焦点を絞って研究を行った。1)原子状酸素リファレンスセルの開発現状の風洞では乖離度が低いこともあって、計測対象の酸素原子の吸収信号レベルは大変低い。そこで、より精密な密度分布の測定の為に、段階的な酸素密度設定の可能なリファレンス用の定常原子状酸素源開発を目的とし、2kWの高周波電源及び放電加熱システムを購入し、マイクロ波放電プラズマ生成システムを構築した。その結果、酸素ガスだけでプラズマを生成することに成功した。また、酸素流にアルゴンや水素気流等を数%加えることによって、酸素の乖離が促進されることがわかった。しかし熱対策が十分でなかったため、長時間作動させることができなかった。そこで現在放電部の冷却系を改良中である。2)アーク加熱器酸素注入ポートの最適化酸素を注入するポートを従来よりも上流に移すことによって、早い混合、高い酸素乖離度が期待される。そこで、陰極電極の損耗が顕著に表れない範囲で(1)酸素ポートを上流に移動する。(2)径の小さなポートから高い動圧比で酸素を中心部に供給する。以上の改良を行った上で気流の診断を行い、実際に高い乖離度が得られるかどうか測定を行った。その結果、ポート位置の変更によって、原子状酸素の数密度は約5倍に増えた。しかし、15分程度の作動で陰極の酸化が進み、放電が不安定になった。これは理論上考えられないことで、流体的に望ましくない現象が生じているものと考えられ、その解明が次年度の課題となった。高密度の酸素原子を得るために,中空型カソードタイプのアーク風洞を試作し,その中空部から酸素を直接カソード先端領域の高温部(カソードジェット領域)に供給した。また、測定精度、感度を向上させるために、外部共振器型半導体レーザーを利用してマルチパスセルを構成する測定システムの開発に着手した。

1)中空型カソードタイプのアーク風洞の開発酸素を注入するポートを、カソードジェットと呼ばれる高温ガス領域に付近に設け、そこに直接素を注入することにより酸素原子密度の向上を試みた。その結果、測定された酸素原子密度(準安定準位)は、従来のアーク風洞で得られる数密度よりも約5倍に増加した。一方で、並進温度は半分以下に低下した。この温度の低下の原因は、酸素乖離反応にエネルギーが消費された分の寄与が大きいと思われるが、冷却水温度上昇より見積もられる熱損失も増加していることがわかった。この温度低下あるいは熱損失を極力低減できれば更に高い査酸素原子密度が得られるであろう。2)レーザー吸収分光法のマルチパスセルによる酸素原子密度測定感度の向上アルゴン酸素混合流ではなく、窒素酸素混合流を作動流体として用いると、窒素原子の振動モードに分配されるエネルギーの割合が大きくなるため、酸素乖離度は非常に低くなり、酸素原子密度の測定が困難になる。しかし、低酸素原子密度であってもその値が測定できないと、性能を議論する際の説得力に欠ける。そこで、低酸素原子密度でも測定できるようマルチパスセルの導入を試みた。ハーフミラーを用いた共振型マルチパスセルではセルがエタロンの効果を示してしまい、波長掃引できないので、セルとレーザーの共振部をカップルさせたシステムを開発中である。高密度の酸素原子を得るために,中空型カソードタイプのアーク風洞を試作し,その中空部から酸素を直接カソード先端領域の高温部(カソードジェット領域)に供給した。また、測定精度、感度を向上させるために、外部共振器型半導体レーザーを利用してマルチパスセルを構成する測定システムの開発に着手した。1)中空型カソードタイプのアーク風洞の開発昨年度、酸素を注入するポートを、カソード中心に設け、酸素原子密度(準安定準位)は、従来のアーク風洞で得られる数密度よりも約5倍に増加した。しかし、カソード、アノードとも損傷が激しく、数分で不安定な作動に陥った。そのため、アノードに関しては、電極形状の設計変更を行うとともに、アルゴンポートの向きを変更し、強いスワールをかけることによって、ほとんど損傷が見られなくなった。磁場によるアークの回転の改善も行ったが、不要であった。カソードに関しては、新材料の選定を行い、タングステンに代わってジルコニウムのカソードを発注した。これにより、安定作動時間が長くなることによって、プルーム診断や材料試験に供することのできる。2)レーザー吸収分光法のマルチパスセルによる酸素原子密度測定感度の向上比較的低温度の酸素乖離流の準安定準位に光学的にアクセスするために、マルチパスセルによって吸収感度を向上させることを試みている。まずはイントラキャビティ法を試みるため、半導体レーザーの外部共振器を自作し、共振長が30センチメートルある共振器で共振、波長挿引することに成功した。しかし、レーザー内部の損失が大きいため、感度向上までには至らず、内部損失の少ない面発光レーザーなどの低閾値電流で作動するレーザーの導入が不可欠であると言うことが明らかになった。
咬合咀嚼刺激による高齢者の知的機能回復の解明

近年在宅診療に携わっている歯科医療の現場で、歯牙欠損部位に補綴処置を施し咀嚼機能を回復させると、QOLの向上や痴呆軽減がしばしば惹起されることが注目されている。本研究では、高齢ボランティアの高次脳機能が咬合咀嚼刺激により改善することを機能的磁気共鳴画像(fMRI)を用いて神経科学的に検討した。作業記憶課題遂行時における脳活動に対する、咬合咀嚼刺激に対する影響をfMRIを用いて検討した結果、外側前頭前野において作業記憶課題の遂行と関連してBOLD信号の増加が認められた。さらに、高齢者においても遂行が可能で、注意ネットワークの検出感度を高くした注意課題を作成し、fMRIを行った結果、咀嚼後に注意課題の実行速度が向上するとともに、注意に関連する脳部位における活動が上昇することが認められた。また、人工的に咬合不全処置を施した被験者における咬合咀嚼時の脳活動を観察した結果、前帯状回および扁桃体のBOLD信号の上昇が認められた。さらにこの信号上昇は咬合不全状態に対する不快度と相関していることがわかった。加えて、咬合咀嚼不全により義歯調整あるいはインプラント義歯の装着が必要な高齢ボランティアにおける、咬合咀嚼課題の脳活動への影響を調べた結果、義歯調整後に扁桃体の活動が低下している例が認められた。以上のことから、本研究により咬合咀嚼刺激が注意課題の実行速度を向上させるとともに、作業記憶課題の処理に影響を与えることがfMRIにより観察され、さらに、高齢者における咬合咀嚼不全が扁桃体に与える影響が、義歯調整によって除去できることが示唆された。不快条件下における扁桃体の活動が、海馬活動を阻害することが報告されている(Hirano Y. et al.,2006,Brain and Cognition)ことから、咬合咀嚼刺激による知的機能回復は高齢者においても存在することが示唆された。そこで本研究では、機能的磁気共鳴画像(fMRI)法を用いて高齢ボランティアの高次脳機能が咬合咀嚼刺激により上昇することを、神経科学的に解明することを目的としている。この目標を達成するために、今年度は以下の研究を実施した。1.ボランティアにより個体差の大きい知的機能の推移を評価するためには、ボランティアに合わせた難易度の記憶課題を繰り返し行う必要がある。難易度の調節を行うことができる作業記憶課題の作成を行った。2.知的機能の評価を正確に行うために、ボランティアへの記憶課題の提示を磁気共鳴画像装置と連動させるとともに、ボランティアの応答を記録するシステムを構築した。3.上記の装置を利用し、健常若年ボランティアに作業記憶課題を遂行させた時の脳活動の咬合咀嚼刺激に対する影響をfMRI法を用いて検討した。咬合咀嚼刺激としては、無味無臭のガムベースを1Hzの頻度で1分間チューイングさせた。その結果、左背外側前頭前野を含む外側前頭前野において作業記憶課題の遂行とリンクしてfMRI信号の増加が認められた。課題を繰り返すにしたがってこの部位の信号増加は減少していくが、咀嚼運動を行った後の試行では、信号増加の回復が認められた。また、作業記憶課題の正答率は咀嚼運動後に向上することが確認できた。以上のことから、咬合咀嚼刺激は知的機能の回復を促進する可能性が推察された。そこで本研究では、機能的磁気共鳴画像(fMRI)法を用いて高齢ボランティアの高次脳機能が咬合咀嚼刺激により改善することを、神経科学的に解明することを目的としている。1.昨年度から進めている、咬合咀嚼刺激の作業記憶課題遂行に与える影響を調べるためのfMRI検査の健常若年ボランティア数を予定数まで追加した。その結果、咀嚼運動後の試行において信号増加率の回復が確認された。また、fMRIにおけるBOLD信号増加率と作業記憶課題の難易度との関連性を分析し、北米神経科学学会において発表した。2.知的機能に与える咬合咀嚼課題の影響をさらに詳細に検討するために事象関連fMRIを用いる注意課題を作成した。注意課題は高齢者においても遂行が可能で、注意の検出感度が高くなるように設計し、MRI室外で効果を確認した。健常若年ボランティアを用いてfMRIによる検討を行った結果、咀嚼後に注意課題の実行速度が向上する傾向が認められた。3.咬合咀嚼状態の知的機能に与える影響を義歯調整および装着の点から検討するため、咬合咀嚼不全により義歯調整あるいはインプラント義歯の装着が必要なボランティア(54-75歳)を用いて、咬合咀嚼課題(チューイングおよびクレンチング)の脳活動への影響をfMRIを用いて検討を開始した。その結果、運動連合野および前頭前野等において信号上昇が認められた。

今後、義歯調整後においても同様の検査を行い、結果を比較検討する。近年在宅診療に携わっている歯科医療の現場で、歯牙欠損部位に補綴処置を施し咀嚼機能を回復させると、QOLの向上や痴呆軽減がしばしば惹起されることが注目されている。本研究では、高齢ボランティアの高次脳機能が咬合咀嚼刺激により改善することを機能的磁気共鳴画像(fMRI)を用いて神経科学的に検討した。作業記憶課題遂行時における脳活動に対する、咬合咀嚼刺激に対する影響をfMRIを用いて検討した結果、外側前頭前野において作業記憶課題の遂行と関連してBOLD信号の増加が認められた。さらに、高齢者においても遂行が可能で、注意ネットワークの検出感度を高くした注意課題を作成し、fMRIを行った結果、咀嚼後に注意課題の実行速度が向上するとともに、注意に関連する脳部位における活動が上昇することが認められた。また、人工的に咬合不全処置を施した被験者における咬合咀嚼時の脳活動を観察した結果、前帯状回および扁桃体のBOLD信号の上昇が認められた。さらにこの信号上昇は咬合不全状態に対する不快度と相関していることがわかった。加えて、咬合咀嚼不全により義歯調整あるいはインプラント義歯の装着が必要な高齢ボランティアにおける、咬合咀嚼課題の脳活動への影響を調べた結果、義歯調整後に扁桃体の活動が低下している例が認められた。以上のことから、本研究により咬合咀嚼刺激が注意課題の実行速度を向上させるとともに、作業記憶課題の処理に影響を与えることがfMRIにより観察され、さらに、高齢者における咬合咀嚼不全が扁桃体に与える影響が、義歯調整によって除去できることが示唆された。不快条件下における扁桃体の活動が、海馬活動を阻害することが報告されている(Hirano Y. et al.,2006,Brain and Cognition)ことから、咬合咀嚼刺激による知的機能回復は高齢者においても存在することが示唆された。