hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ZrCuSiAs型遷移金属化合物の水素置換による電子・磁気機能制御

既存のLaTMAsO1-xHx系(TMは3d遷移金属)のTM置換体であり比較的に容易に合成できると考えていたが、合成条件の確立には予想以上の実験回数が必要であった。研究代表者一名のみの実験ではこなせる合成回数が限られていたのが本質的原因であり、また、当初期待した機能発現にこだわってしまったのが遅延の理由だと考えている。酸素イオンの水素アニオン置換により反強磁性絶縁体-強磁性金属転移を示すランタンマンガン砒素酸水素化物LaMnAsO1-xHxについて、AsサイトへのSb置換効果の確認と、磁気測定、紫外光電子分光測定および密度汎関数理論計算による電子状態の解析を行った。Sbなしの場合、酸素サイトへの水素置換率は最大70%程度に達し、転移温度200 K以上の強磁性が現れるが、Sb置換した場合、置換量の増加に伴い水素の固溶限界量が低下した結果、転移温度の最高値は更新できず、高Sb領域ではむしろ低下してしまった。不純物が少なく、水素置換量が高いLaMnAsO0.36H0.64について、2-350 Kの温度範囲で詳細な磁化測定を行い、強磁性領域での自発磁化と常磁性領域での磁化率を求めた。2 Kでの自発磁化の値はMn原子当たり1.66ボーア磁子であり、これは、200 Kの転移温度以上の磁化率から求められた2.29よりも小さく、本系が水素置換により導入された伝導電子の媒介により、Mn3d局在スピンが整列する磁性半導体的な機構というよりも、Mn3d軌道間の直接的な相互作用がスピン偏極した伝導帯を形成し、遍歴電子磁性体となっていることを示唆している。一般的によく用いられるPBE汎関数を用いた計算では水素置換量にともない、強磁性状態が安定化する傾向は見られたものの、水素全置換の場合も反強磁性状態が安定であった。一方、物性の再現性が良いとされるHSEハイブリッド汎関数を用いると、置換率50%でエネルギーが逆転し、強磁性転移が再現された。光電子分光で観測された価電子帯形状は価電子帯の状態密度計算の結果と良い一致が見られ、HSE計算の結果を支持するが、自発磁化の計算値は実測の2倍程度になってしまう。このことは、現実の系ではスピンのゆらぎ等によって磁気モーメントが弱められている可能性を示唆している。ZrCuSiAs型LaZnAsOに対し、酸素イオンの水素アニオン置換による電子ドーピングの効果を調べた。水素置換の上限は20-25%程度であり、仕込み水素置換量20%から25%の間で絶縁体から金属状態へ転移した。さらに、Mn-H共置換を行ったLaZn1-xMnxAsO1-xHxを合成したところ、ごく弱い強磁性のシグナルが見られた。強磁性を示すLaMnAsO1-xHxについて磁気測定、紫外光電子分光測定および電子状態計算を行ったところ、水素置換による反強磁性絶縁体-強磁性金属転移は、電子ドーピングにより遍歴状態になったMn3dバンドの電子間の直接的な相互作用によるものであることが示唆された。当初1年目で、水素、Mn共置換試料の合成を完了し、2年目以降はその物性測定を行う予定であったが、合成条件は確立するところで留まってしまっており、物性測定はまだこれからである。研究の遅れを取り返すために、研究期間を一年延長する。対象物質は合成がしやすいLaMnAsO1-xHxに固定し、その光・磁気特性の評価をおこなう。過去の論文では2GPaの条件で最大70%程度(x=0.7)の試料が得られているが、本研究の結果から、より高圧の5GPa程度で合成すると高い水素置換量が実現できることが示されており、水素置換量の上昇により強磁性転移温度の上昇が期待できる。
可動物体型波力発電装置の高効率化に関する研究

本研究は、可動物体型の波力発電装置の一種である"浮体型振り子式波力発電装置"に関する研究である。この装置は、室蘭工大の研究者により、高い発電効率が期待できる装置であるとして考案されたものである。本研究では、この装置に関して、水槽実験、数値解析などを行い、変換効率特性、浮体運動特性などを明らかにした。実験の結果から、一次変換効率は78%となること、また、開発した数値解析コードの計算結果は、概ね実験結果と一致することを示した。本研究の目標は、優れた発電効率を有する可動物体型の波力発電装置を開発することである。波力発電装置については多くの装置が考案されているが、本研究ではその中から、室蘭工大の近藤らによって研究が行なわれた着底式振り子式波力発電装置を基本的な構造とし、この装置を浮体とした浮体型振り子式波力発電装置わ対象とする。特に浮体型振り子式波力発電装置の一次変換效率に着目し、この効率を向上させるための手法を実験的にまた数値解析的に明らかにすることを目的とする。また、波力発電装置の性能評価に重要な要素となる、造波試験における入射波の計測に対して、その計測精度を向上できる解析手法の開発も目的とする。平成21年度においては、平成20年度製作し供試体模型の2次変換装置の改良を行った。具体的には回転数の増幅比を14.4倍から28.8倍にして。また、回転方向を一定方向とするためのラチェット機構を備えた発電ユニットも製作した。これらの改良により、最大変換効率を4%から20%に向上させることができた。さらに平成20年度に実験において、発電機負荷による浮体動揺への影響が小さいことを明らかにできたが、平成21年度には振り子板そのものを取り除いた実験を行い、振り子板の有無さえも浮体動揺への影響が小さいことが示された。また、19年度から開発中の解析プログラムについては、実験値との妥当性確認作業ができた。次年度においては開発した解析プログラムを用いて最適化計算を実施する予定である。波力発電装置については多くの装置が考案されているが、本研究ではその中から、室蘭工大の近藤らによって研究が行なわれた着底式振り子式波力発電装置を基本的な構造とし、この装置を浮体とした浮体型振り子式波力発電装置を対象どする。特に浮体型振り子式波力発電装置の一次変換効率に着目し、この効率を向上きせるための手法を実験的にまた数値解析的に明らかにすることを目的とする。本研究では、平成22年度に、可変式トルクダンパーを用いて.実機の発電機を模擬した負荷を発生させることが可能な供試体模型を製作した.さらに製作した模型および、佐賀大学海洋エネルギー研究センター(以下,当センター)が所有する2次元造波水槽を用いて水槽実験を行った。当センターの造波水槽は吸収制御式造波装置を両端に備えており、一端の造波装置で波浪吸収運転を行なう事で、散乱波および放射波の影響が少ない実験を行なう事ができるものである。実験では、浮体型振り子式波浪発電装置の規則波中における一次変換特性、および浮体運動特性を調べた。実験の結果、この波力発電装置の一次変換効率は、ピーク値で80%程度であることがわかった。次に、実験により得られた浮体型振り子式波浪発電装置の運動およひ、出力などを求める解析コードの開発を開始した。しかしながら、この装置の発電特性、波浪中の運動特性などについては、明らかにされていない点が多い。そこで、本研究では、この装置に関して、水槽実験、数値解析などを行い、変換効率特性、浮体運動特性などを明らかにした。波力発電装置の特性としては、総合効率が高いことが最も、求められる性能である。そこで、本研究では、総合効率の高低に影響する要因として、浮体の形状により決定されると考えられる一次変換効率に着目し、装置の一次変換効率を2次元造波水槽を用いて実験的に調べた。この実験では、総合効率を二次変換効率で除して一次変換を求めるエネルギー的な方法と、.振り子軸の反力トルクと回転角速度より求まる仕事量を、入射波のエネルギーで除して求める方法の2手法を用い、計測方法の違いによる一次変換効率の差についても調べた。また、高効率名装置を設計するためには、数値シミュレーションはかかせないものである。

そこで、本研究では、境界要素法に基づく2次元の数値解析コードを作成し、設計ツールとしての有効性を調べた。実験の結果から、一次変換効率は78%となること、また、開発した数値解析コードの計算結果は、概ね実験結果と一致することを示した。
アラブ首長国連邦(UAE)における地下水涵養機構とその開発・利用に関する研究

1.研究目的年間降雨量が可能蒸発散量よりはるかに少ないような乾燥地域で、地下水涵養がどのような機構で行われているのかということは学術的な面からのみならず、このような地域での地下水開発のありかたを検討する上で重要である。数年に1回という頻度で発生する大降雨時に涵養されると云う説があり、また平常の降雨でも、いわゆる選択的浸透経路からの集中的な涵養も行われていると云う考えもある。それらの細部機構はまだ解明されていない。この研究では、山岳地を背部に控え、前面に砂漠が広がるアラブ首長国連邦の東部地域を対象として、上記の課題に迫ろうとするものである。研究目標を達成するため、次の項目を設定して作業を進めた。2.研究内容(1)地下水涵養機構-人工降雨実験(自然降雨を含む)による(2)洪水の規模・頻度の推定-洪水堆積物(掘削調査)による(3)水文地質構造-ボーリング記録,踏査による(4)地下水の涵養域、滞留時間の推定-安定同位体,放射性同位体、一般水質分析による3.研究成果調査はこの地域の雨期に合わせて、平成8年2月15日に日本を出発し、3月5日帰国する間の、20日間に集中して実施した。上記(1)に関しては、砂丘地域では砂丘の浸透性が大きい一方、乾砂層の形成によって保水性が極めて高くなっていること、また砂丘は天然の"貯水池"ともいえ、地下水涵養に貢献していることが推定された。(2)に関しては、特にワジ地域で実施し、地下水涵養に貢献しているワジと、砂丘の移動によって、上流水源地が塞がれ、いわば"死んだ"ワジのあることが明らかになったこと、また掘削調査により、洪水堆積物が明確に特定できることが明らかになった。(3)に関しては山岳地域(オ-マン山脈)から山麓斜面-扇状地-ワジ平原-砂丘地帯を結ぶ方向での水文地質構造を明らかにすることが出来た。なおここでは衛星画像のランドトル-スも同時に行ない、今後のこの分野でのリモートセンシングの活用に資する成果を得た。(4)に関しては、山岳地域から海岸地域にかけて、広範囲に分布している深井戸から200本を越す水資料を採取した。一般水質からは、上記の方向に形成されている地下水流動系と対応するかたちの水質進化が認められ、放射性同位体からは、地下水の滞留時間がワジとその周辺地域で短く、その周辺で大きくなる傾向が認められた。つまり地下水の涵養は主にワジ流路から行われ、上記(2)の結果をあわせて、それは洪水時に集中的に行われていることが推察された。このことに関しては、そのような事実の裏付けとして地下水位変動などの連続測定が必要であるが、今回は限られた調査期間のため、実施できなかった。

つまり地下水の涵養は主にワジ流路から行われ、上記(2)の結果をあわせて、それは洪水時に集中的に行われていることが推察された。このことに関しては、そのような事実の裏付けとして地下水位変動などの連続測定が必要であるが、今回は限られた調査期間のため、実施できなかった。
社会資本ストックの蓄積と産業クラスターの形成からみた北海道経済の空間構造

本研究では,社会資本ストックの蓄積と産業クラスターの形成から北海道経済の空間構造を解明することを目的とする.そのために,まず交通を中心としたインフラの整備状況と既存の産業立地について考察を行う.次に,これらを基盤として,どのように産業の生産誘発が行われているのか検討する.最後に,この結果を基にして北海道における産業クラスター形成について検討する.分析の結果,公共投資による社会資本ストックとして北海道では多くの交通インフラが整備されており,この交通インフラに近接して商工業の集積がみられた.しかし,新たな交通インフラ整備による公共投資の産業生産誘発効果は低下しつつあることがわかった.その中で,人口と産業が集中する道央地区での公共投資が,最も大きな産業生産の誘発を示していた.そのため,道央への投資が最も効果的で,当該地域における産業生産誘発をスピルオーバーさせる形で広範囲に経済効果をもたらすことが望ましいと考えられる.最後に,北海道の中で最も産業誘発の著しい道央地区において,産業クラスターの形成についての検討を行った.その結果,札幌市では,製品を通じた連関と,技術革新を創出する知的連関が重なった知的産業クラスターがベンチャー企業などにより形成されつつあることがわかった.これは,研究者や技術者が特定地域に集中しているだけでなく,知的連関によって技術革新を創出する機能が歴史と共に培われてきた点が重要と考えられる.以上の結果から,本研究では,社会資本ストックによるアメニティが首位都市における産業クラスターの形成に寄与していることを明らかにした.本研究では,社会資本ストックの蓄積と産業クラスターの形成から北海道経済の空間構造を解明することを目的とする.そのために,まず交通を中心としたインフラの整備状況と既存の産業立地について考察を行う.次に,これらを基盤として,どのように産業の生産誘発が行われているのか検討する.最後に,この結果を基にして北海道における産業クラスター形成について検討する.分析の結果,公共投資による社会資本ストックとして北海道では多くの交通インフラが整備されており,この交通インフラに近接して商工業の集積がみられた.しかし,新たな交通インフラ整備による公共投資の産業生産誘発効果は低下しつつあることがわかった.その中で,人口と産業が集中する道央地区での公共投資が,最も大きな産業生産の誘発を示していた.そのため,道央への投資が最も効果的で,当該地域における産業生産誘発をスピルオーバーさせる形で広範囲に経済効果をもたらすことが望ましいと考えられる.最後に,北海道の中で最も産業誘発の著しい道央地区において,産業クラスターの形成についての検討を行った.その結果,札幌市では,製品を通じた連関と,技術革新を創出する知的連関が重なった知的産業クラスターがベンチャー企業などにより形成されつつあることがわかった.これは,研究者や技術者が特定地域に集中しているだけでなく,知的連関によって技術革新を創出する機能が歴史と共に培われてきた点が重要と考えられる.以上の結果から,本研究では,社会資本ストックによるアメニティが首位都市における産業クラスターの形成に寄与していることを明らかにした.本研究は、まず北海道における各種産業の立地を分析するため、1981年以降の事業所統計(市町村別)を中分類レベルで地図データベース化した。本年度は、特に第1次産業について分析を行うため、農業センサス集落カードについても時系列的にデータベース化を行った。地図データベース化を行うに当たっては、地理情報システムを援用した。本年度行った研究の手順は以下の通りである。まず、北海道農業の動向を、ブール代数アプローチにより分析した。これにより農業集落を単位とする農業活動の詳細を把握できるが、その際、どのような経営属性(規模・年齢別人員構成構成など)の集落が、どのような種類の農業を営んでいるかに注目する。次に、過去の産業連関表を用いて農業と他の産業との関係について分析を行う。これによって、農業が他の産業の誘発に、どの程度寄与しているのかを明らかにする。分析結果は以下の通りである。農業は構成員の高齢化と栽培面積の大規模化が進んでおり、特に十勝地方では、その傾向が顕著に見られた。十勝地方の大規模農家は平野部で穀物を中心とした栽培を行うものと、山麓部で牧畜を営むものとに分化しており、いずれも農地の大規模化と作業人員の高齢化という傾向を示していた。農業の大規模化は単位あたりの生産コストをおさえ、作物の市場競争力を上昇させるため、北海道農業の優位性は高まっているものと考えられる。しかし、この農業は北毎道における他産業の誘発という点であまり寄与していない。これは北海道における第2次産業の集積が不十分であるため、後方への連関が弱いことが原因と推測される。そこで今後は、第2次および第3次産業の集積を分析し、北海道における全産業の立地動向とその関連性について考察を行うつもりである。平成15年度において,本研究が明らかにしたのは以下の点である.本研究は1980年代と1990年代における北海道の産業集積を明らかにし,その集積に対する公共投資の影響を検討した.分析資料としては事業所統計と住民基本台帳による人口を用い,1981,1986,1991,1996,2001年における対人口特化係数を算出した.なお,業種は標準産業中分類を用いた.このデータを用い,行に市町村×年次,列に業種を配した地理行列を作成し,因子分析を施した.業種を因子化して,各因子における標準化得点の年次変化を市町村別に検討したところ,都市に集中していた産業が,高速道路など交通インフラ整備が行われた地域へと分布範囲を広げていた.

さらに,公共投資との関係を見ると,北海道全域における投資が道央地区の生産誘発を進め,結果として道央における都市軸への産業集中度を高めていた.また,公共事業の生産誘発をみると,サービス業が高く,中間投入に占める第3次産業の割合も増加していることから,北海道では公共投資によって経済サービス化が促進されていることが判明した.以上のように産業集積がなされた北海道であるが,全国のGDPに占めるシェアは低下していた.特に,北海道では製造業の割合が低く,1人当たりの生産性も全国平均より下である.また,第1次産業は全国平均よりも生産性が高いものの,近年低下を続けている.北海道では1人当たりの社会資本ストックが他地域より大きいものの,1人当たりの所得は低く,社会資本整備が十分な生産誘発に結びついていないことが明らかになった.本研究で,北海道における社会資本の蓄積と産業クラスターの形成から経済空間の構造を解明することを目的とした.そのために,まず交通を中心とするインフラの整備状況と,産業集積の現状をみた.その結果,公共投資による社会資本ストックとして,北海道では広範囲で交通インフラが整備されているが,その産業生産誘発効果は低下していることがわかった.また,その中で道央地区は他地区よりも公共投資による生産誘発が大きく,また他地区への投資も道央地区の生産誘発に結びついていることがわかった.交通インフラなどの社会資本整備は,それによって築かれた良好な環境の中で生産誘発がなされることが期待される.ところが,前述したように公共投資の生産誘発効果は近年低下しており,交通インフラなどの整備が道内の産業発展に与える影響は減少していた.さらに,第三次産業の中間投入比率増加は,道内で経済のサービス化現象が進展しつつあることを示しており,公共投資の産業全般に対する経済的波及効果は低下していた.このような状況において,労働力に対する付加価値が高い経済活動が,道央地区,特に札幌において展開されていた.この活動はITを中心とするものであり,その中核は,近年「サッポロ・バレー」と呼ばれている.都市内部のアメニティと,人材間の近接性の高さ,産学官の連携のとりやすさなどを利点とする当該地区では,連続したイノベーションの創出を可能とする知的クラスターが民主導で形成されてきた.これは社会資本による環境整備により,国際競争力の高い産業が集積した事例としてみることができるが,北海道全体として,このような事例は少ない.交通インフラのような社会資本整備は,札幌と他地区との近接性を上昇させ,札幌の経済圏を広範囲に拡大させることで,より大きな経済効果を生むのではないかと考えられる.
動的アクセス制御を行なうソフトウェアのセキュリティ検証に関する研究

アクセス制御におけるポリシーとは,「誰が、どのデータに対して、どのような操作を行なうことを許可/禁止するか、または義務であるか」を記述したものをいう。本研究ではまず、以下の特長をもつポリシー記述言語を設計した。・各オブジェクトが固有のポリシーをもち、オブジェクト間のメッセージ送受信(メソッド呼出し)において、関与するオブジェクトのポリシーに応じて実行が制御される。・ポリシー記述の形式的意味が定義されており、信頼性の高い実装ならびに、安全性の検証法を導くことができる。ポリシー記述を伴うプログラムを、ポリシー制御システム(Policy Controlled System、PCS)と呼ぶ。(1)PCSの検証法:本研究の中心課題である、安全性検証問題「PCS Pと安全性検証項目ψが与えられたとき、Pの任意の到達可能状態がψを満たすか」のモデル検査法について以下の成果を得た。本手法では、PCSの検証問題をプッシュダウンシステム(Pushdown System, PDS)の検証問題に帰着して判定する。PDSに対するモデル検査法として知られるEsparzaらのアルゴリズムが時間計算量O(n^3)であるのに対し、提案手法ではこれをO(n)に改善した。提案アルゴリズムに基づくモデル検査器を実装し、義務ポリシーの因果関係が非常に複雑な1,700行程度のPCSに対しても、数分で自動検証が行えることを実証した。(2)項書換え系(TRS)の検証法への展開:PDSを自然に拡張したTRSの部分クラスGeneralized Growing TRS (GG-TRS)を導入し、正則保存性を満たすGG-TRSに対して、線形時相論理式のモデル検査が決定可能であることを示した。(3)構造化文書解析への応用:XML文書dとアクセシビリティガイドラインSが与えられたとき、dがSを満たすかどうかを自動判定するツールを作成し、米国、日本の主要40サイトの約3,000ページに対して実験を行った。アクセス制御におけるポリシーとは,「誰が,どのデータに対して,どのような操作を行なうことを許可/禁止するか,または義務であるか」を記述したものをいう.例えば「ユーザはプロバイダからサービスを受けたら対価を支払わなければならない」は義務ポリシーの例である.近年Ponderをはじめ,ポリシー記述言語が種々提案されている.本研究ではまず,以下の特長をもつポリシー記述言語を提案した.・各オブジェクトが固有のポリシーをもち,オブジェクト間のメッセージ送受信(メソッド呼出し)において,関与するオブジェクトのポリシーに応じて実行が制御される.・ポリシー記述の形式的意味が定義されており,これに基づき信頼性の高い実装ならびに,安全性の検証法を導くことができる.ポリシー記述を伴うプログラムを,ポリシー制御システム(Policy Controled System, PCS)と呼ぶ.「PCSPと,LTL式などで記述された検証条件ψが与えられたとき,Pがψを満たすか」を判定する問題を,PCSに対する検証問題と呼ぶ.本研究では,PCSに対する以下のような検証法を提案した:プッシュダウンシステム(PDS)と呼ばれる無限状態系に対して,LTL式の検証問題が決定可能であることが知られている.PCSPと検証条件ψが与えられたとき,次の条件を満たすPDSP^#と検証条件ψ^#に抽象化する.「P^#がψ^#を満たすならば,Pもψを満たす.」さらに,検証条件を安全性AGφ「Pにおいて到達可能なすべての状態がφを満たす」に限った場合について,PDSに対する自動検証を行なう検証系を実装した.実験結果により,比較的複雑な義務ポリシーを伴う場合でも,500ステートメント程度のプログラムに対して数分で安全性の検証が行なえることを実証した.動的アクセス制御を行うソフトウェアに固有の自動検証法について、昨年度に引き続き以下の研究を行った。

(1)ポリシー制御系(Policy Controlled System, PCS)の検証法:本研究の中心課題である、PCSに対する安全性検証問題「PCS Pと安全性検証項目ψが与えられたとき、Pの任意の到達可能状態がψを満たすか」のモデル検査法について以下のまとまった成果を得た。本手法では、PCSの検証問題をプッシュダウンシステム(Pushdown System, PDS)の検証問題に帰着して判定する。PDSに対するモデル検査法として知られるEsparzaらのアルゴリズムが時間計算量0(n^3)であるのに対し、提案手法ではこれを0(n)に改善した。昨年度から実装に着手したモデル検査器を改良し、義務ポリシーの因果関係が非常に複雑な1,700行程度のPCSに対しても、数分で自動検証が行えることを実証した。(2)項書換え系(Term Rewriting System, TRS)の検証法への展開:(1)で述べたPDSはスタック記号系刻上の遷移系といえる。そこで、記号系列を木構造(項)に拡張しTRSを項上の遷移系とみなすことにより、TRSにおける検証問題を定義し次の二つの成果を得た。(a)PDSを自然に拡張したTRSの部分クラスGeneralized Growing TRS(GG-TRS)を導入し、正則保存性を満たすGG-TRSに対して、線形時相論理式のモデル検査が決定可能であることを示した。(b)XMLに代表される構造化文書の形式モデルとして、結合則を満たす関数記号を含むTRS(A-TRS)や木オートマトン(A-TA)が注目されている。本研究ではA-TRSの検証法への第一歩として、A-TAによって受理される木言語のクラスがブール演算について閉じていることを示した。(3)PCSの義務ポリシーと関連して、アスペクト指向プログラムの状態遷移型モデルを提案した。(4)アクセス制御技術として注目されているPKI(公開鍵基盤)に基づく信用管理システムの新しいモデルを提案した。
超音速流中に形成される縦渦を用いた混合促進に関する研究

超音速風洞用いた高速流と低速流により形成される単せん断流れ場,および2つの高速流に低速流がはさまれて形成される二重せん断流れ場の形成確認実験を行った.シャドウグラフ法およびシュリーレン法を用いた光学測定および圧力センサーによる静圧,全圧の計測およびせん断層移流速度の計測を行い,上述の流れ場が形成されることを確認した.また,流れ場に縦渦を強制的に導入することを目的として,正弦曲線型のトレーリングエッジを有するノズルを製作し,せん断層の流れ場の挙動を観察するとともに,せん断層の成長挙動を実験的に調べた.その結果,曲線型トレーリングエッジを用いることで縦渦が導入されることを確認し,二重せん断層においては,せん断層の成長率が顕著に増大することを明らかにした.一方,単せん断層では,縦渦の導入は確認されたものの,せん断層の成長にはほとんど寄与しないことがわかった.せん断層の成長に関する空間発展計算を行った.二次不安定性を励起するために対象となる流れ場に導入する3種類の擾乱特性およびその導入方法の検討を行い,その具体的な手法を試みた.数値計算を実施した結果,最大の増幅率を持つ擾乱のみを導入した場合,上流では線形安定解析における二次不安定性問題と同様の流れ場が得られていることを明らかにした.また,流下とともに,コアに絡みつくような管状の縦渦構造(リブ構造)が形成されることが示された.実験において形成されるせん断流れを模擬することを目的として,正の増幅率を持つ全ての擾乱を導入した場合の詳細な計算を行い,流れ場の挙動,せん断層の変形および成長の詳細な挙動を明らかにした,この場合,擾乱を導入しない二次元計算と比べて,リブ構造によってせん断層厚さが増加することが明らかにされた.特に,スパン方向渦とリブ構造の波長が同じ場合に,最もせん断層厚さが増加し,最大の混合促進効果が得られることがわかった.また,二つのスパン方向擾乱を導入した場合には,混合促進効果が抑制されることが示された.これと平行して,超音速流中に液体燃料を噴射して,その自発点火挙動および保炎挙動を調べるための基礎実験を行った.燃焼器にキャビティを設けることで,液体燃料の自発点火が可能となり,広い当量比,全温範囲で安定な燃焼が生じることを明らかにした.超音速風洞用いた高速流と低速流により形成される単せん断流れ場,および2つの高速流に低速流がはさまれて形成される二重せん断流れ場の形成確認実験を行った.シャドウグラフ法およびシュリーレン法を用いた光学測定および圧力センサーによる静圧,全圧の計測およびせん断層移流速度の計測を行い,上述の流れ場が形成されることを確認した.また,流れ場に縦渦を強制的に導入することを目的として,正弦曲線型のトレーリングエッジを有するノズルを製作し,せん断層の流れ場の挙動を観察するとともに,せん断層の成長挙動を実験的に調べた.その結果,曲線型トレーリングエッジを用いることで縦渦が導入されることを確認し,二重せん断層においては,せん断層の成長率が顕著に増大することを明らかにした.一方,単せん断層では,縦渦の導入は確認されたものの,せん断層の成長にはほとんど寄与しないことがわかった.せん断層の成長に関する空間発展計算を行った.二次不安定性を励起するために対象となる流れ場に導入する3種類の擾乱特性およびその導入方法の検討を行い,その具体的な手法を試みた.数値計算を実施した結果,最大の増幅率を持つ擾乱のみを導入した場合,上流では線形安定解析における二次不安定性問題と同様の流れ場が得られていることを明らかにした.また,流下とともに,コアに絡みつくような管状の縦渦構造(リブ構造)が形成されることが示された.実験において形成されるせん断流れを模擬することを目的として,正の増幅率を持つ全ての擾乱を導入した場合の詳細な計算を行い,流れ場の挙動,せん断層の変形および成長の詳細な挙動を明らかにした,この場合,擾乱を導入しない二次元計算と比べて,リブ構造によってせん断層厚さが増加することが明らかにされた.特に,スパン方向渦とリブ構造の波長が同じ場合に,最もせん断層厚さが増加し,最大の混合促進効果が得られることがわかった.また,二つのスパン方向擾乱を導入した場合には,混合促進効果が抑制されることが示された.これと平行して,超音速流中に液体燃料を噴射して,その自発点火挙動および保炎挙動を調べるための基礎実験を行った.燃焼器にキャビティを設けることで,液体燃料の自発点火が可能となり,広い当量比,全温範囲で安定な燃焼が生じることを明らかにした.スクラムジェットエンジン燃焼器内と同程度の圧縮性を有する流れ場での実験を行うための設備を現有の超音速風洞を改良することにより構築した.超音速流マッハ数は2程度とし,模擬燃料として安価に利用できる空気を利用した.まず,超音速ノズルおよび2次元テストセクションを製作し,高速流と低速流により形成される単せん断流れ場,および2つの高速流に低速流がはさまれて形成される二重せん断流れ場の形成確認実験を行った.シャドウグラフ法およびシュリーレン法を用いた光学測定により流れ場成立の確認を行うとともに,圧力センサーによる高速流および低速流の静圧,全圧の計測およびせん断層移流速度の計測を行い,上述の流れ場が形成されることを確認した.

また,流れ場に縦渦を強制的に導入することを目的として,正弦曲線型のトレーリングエッジを有するノズルを製作し,せん断層の流れ場の挙動を観察するとともに,せん断層の成長挙動を実験的に調べた.その結果,曲線型トレーリングエッジを用いることで縦渦が導入されることを確認し,二重せん断層においては,せん断層の成長率が顕著に増大することを明らかにした.一方,単せん断層では,縦渦の導入は確認されたものの,せん断層の成長にはほとんど寄与しないことがわかった.数値計算では,二次元の直接スペクトル法を用いた安定性解析の計算コードを構築した.その結果,せん断層において,流れの二次不安定性による混合促進効果を定性的に把握することができた.また,安定性解析から得られたデータを入力として,縦渦の非線形成長を調べるための直接数値計算手法の計算コードの構築を行った.計算コードの妥当性を調べるために,二次不安定性により誘起される縦渦の構造およびその成長過程に関する数値計算を行い,計算における二次不安定性の励起方法の妥当性等を確認した.平成17年度に実施した縦渦の導入による2重せん断増の混合促進効果を解析的に調べるために数値計算を実施した.まず,線形安定性解析による流れの不安定性の影響を検討した.その結果,流れ場の一次不安定性によって,スパン方向渦構造が形成される様子が示されている.次に,この流れ場を基本流れとした二次不安定性問題から得られた流れ場に関する考察を同様の手法で行った.その結果,二次不安定性によって,スパン方向擾乱は流れ場内で成長し得ることが明らかにされている.しかしながら,本解析手法では,スパン方向渦が変形を受ける段階までは記述できるものの,縦渦への成長段階までは記述できないため,擾乱の非線形成長を調べる他の手法が必要であると思われる.次にせん断層の成長に関する空間発展計算を行った.流れの支配方程式を導入し,数値解法について検討を行った上で,数値計算コードを構築した.説明されている.また,二次不安定性を励起するために対象となる流れ場に導入する3種類の擾乱特性およびその導入方法の検討を行い,その具体的な手法を試みた.数値計算を実施した結果,最大の増幅率を持つ擾乱のみを導入した場合,上流では線形安定解析における二次不安定性問題と同様の流れ場が得られていることを明らかにした.この結果から,本研究で用いた励起方法によって二次不安定性を励起することが可能であることを確認した.また,流下とともに,コアに絡みつくような管状の縦渦構造(リブ構造)が形成されることが示された.この結果を踏まえ,実験において形成されるせん断流れを模擬することを目的として,正の増幅率を持つ全ての擾乱を導入した場合の詳細な計算を行い,流れ場の挙動,せん断層の変形および成長の詳細な挙動を明らかにした.この場合,擾乱を導入しない二次元計算と比べて,リブ構造によってせん断層厚さが増加することが明らかにされた.特に,スパン方向渦とリブ構造の波長が同じ場合に,最もせん断層厚さが増加し,最大の混合促進効果が得られることがわかった.また,二つのスパン方向擾乱を導入した場合には,混合促進効果が抑制されることが示された.これと平行して,超音速流中に液体燃料を噴射して,その自発点火挙動および保炎挙動を調べるための基礎実験を行った.燃焼器にキャビティを設けることで,液体燃料の自発点火が可能となり,広い当量比,全温範囲で安定な燃焼が生じることを明らかにした.
幹細胞の分化制御による糖尿病治療法の開発

「膵再生」による糖尿病治療の臨床応用に向けた基盤技術の開発を目的として、単離した膵細胞集団の中から、極少数しか存在せずかつ形態によって区別することが難しい多能性を持つ膵幹細胞(pancreatic stem cell)を、FACS(fluorescence activated cell sorter)を用いた精度の高い細胞分離法により純化・回収し、それらの分化・増殖・自己複製機構を解析することを試みた。マウス新生児膵臓より分離したc-Met+Flk-1-c-Kit-CD45-TER119-細胞中に、高い増殖能と複数の膵細胞系列への多分化能を兼ね備えた膵幹/前駆細胞が限定的かつ高頻度に存在すること、さらにそれらがin vivoにおける組織再構築能を有することを確認した。一方、細胞分化の可塑性を利用した手法として、マウス胎児腸管上皮細胞を分化誘導因子を添加して培養し、RT-PCR、免疫染色法によりインスリン発現を検討した。その結果、膵・細胞の分化誘導作用を有するglucagon like peptide-1(GLP-1)(1-37)に、インスリン発現誘導作用があることが明らかになった。腸管上皮細胞由来のインスリン産生細胞は、培養液中にインスリンを分泌しており、グルコース応答性を有することが判明した。妊娠マウスへの投与実験でも、GLP-1(1-37)は胎児腸管上皮におけるインスリン産生細胞の分化誘導作用を有することが確認された。さらに、インスリン産生細胞を誘導した腸管組織を糖尿病マウスの腹腔内に移植したところ、血糖値降下作用や体重減少抑制作用などの治療効果が観察された。すなわち、腸管上皮細胞の可塑性を利用することにより、膵外組織において異所性にインスリン産生細胞を誘導することが可能であり、糖尿病に対する再生医学的アプローチとして期待がもてると考えられた。幹細胞の分化制御による糖尿病治療法の開発膵移植に代わり得る「膵再生」による糖尿病治療の臨床応用に向けた基盤技術の開発を目的として、単離した膵細胞集団の中から、極少数しか存在せずかつ形態によって区別することが難しい多能性を持つ幹細胞(stem cell)を、FACS(fluorescence activated cell sorter)とモノクローナル抗体を用いた精度の高い細胞分離法により純化・回収し、それらの分化・増殖・自己複製機構を解析することを試みた。すなわち、FACSを用いた精度の高い細胞分離法により純化された膵前駆細胞画分であるc-Met+c-Kit-CD45-TER119-細胞を膵臓中より分離・回収し、クローナルな培養系を用いて4種の膵内分泌細胞(インスリン、グルカゴン、ソマトスタチン、パンクレアティックポリペプタイド分泌細胞)および膵外分泌細胞(アミラーゼ・リパーゼ陽性細胞)への分化誘導能を解析した。分化マーカーの発現解析は、RT-PCRおよび免疫染色法にて行った。その結果、膵臓のc-Met+c-Kit-CD45-TER119-細胞中に高い増殖能と複数の膵細胞系列への多分化能を兼ね備えた膵幹細胞/前駆細胞が限定的かつ高頻度に存在することが確認された。今後、この細胞の分化機構の解明を試みる予定である。幹細胞の分化制御による糖尿病治療法の開発膵移植に代わり得る「膵再生」による糖尿病治療の臨床応用に向けた基盤技術の開発を目的として、単離した膵細胞集団の中から、極少数しか存在せずかつ形態によって区別することが難しい多能性を持つ幹細胞(stem cell)を、FACS(fluorescence activated cell sorter)を用いた精度の高い細胞分離法により純化・回収し、それらの分化・増殖・自己複製機構を解析することを試みている。

前年度の研究により、マウス新生児膵臓より分離したc-Met+c-Kit-CD45-TER119-細胞中に、高い増殖能と複数の膵細胞系列への多分化能を兼ね備えた膵幹細胞/前駆細胞が限定的かつ高頻度に存在することが確認されている。本年度は、同様の実験系を段階的に進めることにより、より純化が進んだ膵前駆細胞面分としてc-Met+Flk-1-c-Kit-CD45-TER119-細胞を同定した。すなわち、免疫組織学的な解析により、膵臓中のc-Met陽性細胞には膵管上皮細胞だけではなく血管内皮細胞が多数含まれていることが判明したため、血管内皮細胞特異的な細胞表面分子であるFlk-1に対する蛍光標識モノクローナル抗体を用いて、血管内皮細胞を除外することを試みた。その結果、クローナルな培養系を用いて、c-Met+Flk-1-c-Kit-CD45-TER119-細胞のみにコロニー形成能を有し、かつ、4種の膵内分泌細胞(インスリン、グルカゴン、ソマトスタチン、パンクレアティックポリペプタイド分泌細胞)および膵外分泌細胞(アミラーゼ・リパーゼ陽性細胞)および膵導管上皮細胞(サイトケラチン19・カーボニックアンヒドラーゼII陽性細胞)への多分化能を有することが確認された。今後、この細胞のin vitroにおける膵ベータ細胞への選択的分化誘導、in vivoにおける組織再構築能、および細胞移植による糖尿病治療効果を検証する予定である。「膵再生」による糖尿病治療の臨床応用に向けた基盤技術の開発を目的として、単離した膵細胞集団の中から、極少数しか存在せずかつ形態によって区別することが難しい多能性を持つ幹細胞(stem cell)を、FACS(fluorescence activated cell sorter)を用いた精度の高い細胞分離法により純化・回収し、それらの分化・増殖・自己複製機構を解析することを試みている。前年度マウス新生児膵臓より分離したc-Met+ Flk-1-c-Kit-CD45- TER119-細胞中に、高い増殖能と複数の膵細胞系列への多分化能を兼ね備えた膵幹細胞/前駆細胞が限定的かつ高頻度に存在すること、さらにそれらがin vivoにおける組織再構築能を有することを確認した。一方、この細胞のin vitroにおける膵ベータ細胞への選択的分化誘導法の確立および細胞移植による糖尿病治療効果については、さらなる研究が必要であることが明らかとなった。そのため、in vitroにおける膵ベータ細胞への選択的分化誘導法の確立を目的として、細胞分化を可視化することにより選択的な分化誘導条件を効率よくスクリーニングするための新たな実験系を確立することを試みた。すなわち、膵臓の初期発生時に限定的に発現する転写因子(PDX-1)プロモーターでGFP(green fluorescence protein)/DsRedII遺伝子を発現するトランスジェニックマウスを使用して、GFP/DsRed陽性細胞をFACSを用いて回収し、分離した膵幹細胞の分化・増殖過程を検討した。その結果、GFP/DsRed
GISを用いた水田からの栄養塩汚濁負荷の流出と地域循環の評価手法に関する研究

水田主体の農業流域を対象に,汚濁負荷流出の影響因としてのイベント時の水管理や土壌の種類,農業地域の灌漑排水網での水移動を考慮した分布型負荷算定モデルの構築とそのGISへの実装を行った.モデルの全体は3つのサブモデルから構成される.圃場への用水流入量を入力とし圃場内の水収支計算の結果から圃場からの排水量を算定する水収支モデルと,水収支に伴う物質移動の他,各種物質循環や形態変化を考慮した上で圃場からの流出負荷量を算定する物質収支モデル,各圃場への用水配水量と用水水質,排水路を流下する水量と水質を計算する用排水ネットワークモデルである.本年度は,各モデルに改良を加え,実流域での水循環評価を試みた.改良した点は以下の通りである.水収支モデルでは,堰の公式,圃場容水量を加えた.物質収支モデルでは,SSへの栄養塩の吸脱着,SS沈降,植物プランクトンへの栄養塩取り込みを考慮に入れた.用排水ネットワークモデルでは,GISを利用し頭水工などの各種機能や水路,圃場の位相情報と接続関係を効率的に参照するための計算ルーチンを改良した.以上のモデルを滋賀県野洲川流域の水口頭首工掛けエリアに適用した.計算の結果,水路末端の排水が流入する河川の実測流量と水質に対して,比較的高い相関関係が得られ,地域における水循環,および,水質について年間を通して算定が可能なモデルを構築できた.また,このモデルを用いて,圃場からの汚濁流出を削減すると考えられる複数の対策について評価を行った結果,施肥削減および用水の適正管理によって汚濁流出量が削減されることが評価できた.今後は,より大規模な流域で適用できるように,GIS上での地理情報の利用とモデルへの引き渡しをスムースに行えるように計算手法を改善することと,観測と適用例を増やすことによってモデルの精度および信頼性を向上させることが必要である.汚濁流出に影響を与えると考えられる要因について灌漑期に調査を行った。その結果かから灌漑方式と灌漑用水の水質の与える影響、イベント時の水管理が与える影響、無施肥区との比較による施肥の影響について分析を行った。まず、棚田などに見られる用排水兼用型の水田と、平地に存在する用排水分離型の水田との違いについては、用排水兼用型では、下部域水田への配水を考えて、取水量が多くなることが分かった。それに伴って排水が希釈されるために、用排水分離型に比べて水質がよかった。一方、用排水分離型では、取水制御がしやすいため、用排水兼用型の水田に比べて、流出水量を抑えることができる。灌漑期のイベント時における水管理のよくできている水田とできていない水田の違いについては、水管理のよくできていない水田では、水管理がよくできている水田の、15倍以上もの負荷量差が見られた。このことから、水管理が汚濁負荷流出に、大きな影響を与えることが分かった。無施肥地区の影響については、2002年度が無施肥水田が設けられた初年度にあたるため同じ流域の別水田との顕著な違いを見てとることができなかった。これらの影響因調査の結果から、汚濁流出特性を考慮した水田からの汚濁負荷算定モデルの構築を行い、鳥取市南部の湖山池流域の一流入河川である良田川流域への適用を試みた。その結果、ネットワークモデルの中で水管理を考慮したため、各圃場に取水量の違いが生じ、流出量の多い水田と、流出量の少ない水田を評価することができた。また、流域への適用を試みた結果、T-N、T-Pともに、実測地に近い値を示した。しかし、施肥流出を過大評価するなど、イベント用のモジュールが必要ではないかと考えられた。水田主体の農業流域を対象に、汚濁負荷流出の影響因としてのイベント時の水管理や土壌の種類を考慮した分布型負荷算定モデルの構築を試みた。モデルは、圃場への用水流入量を入力とし圃場内の水収支計算の結果から圃場からの排水量を算定する水収支モデルと、水収支に伴う物質移動の他、各種物質循環や形態変化を考慮した上で圃場からの流出負荷量を算定する物質収支モデル,各圃場への用水配水量と用水水質を計算する用排水ネットワークモデルの3つのモデルから成り立つ。水収支モデルでは,浸透量を土壌種類ごとの透水係数をもとに表層地質の分布から与えるなど、モデルのパラメータに物理的数値を用いることで流出構造のブラックボックス化を防ぎ、土地条件が変化した場合に対応できるようにした.物質収支モデルでは,稲による栄養塩の吸収、吸脱着,有機化、無機化、さらに硝化、脱窒などの形態変化も考慮に入れた.用排水ネットワークモデルは、頭首工での取水量、分水工での分水比、落水工での落水量などから用水路流下中に周辺圃場に配水される量を求め、面積比配分で各圃場への給水量を与えることができる。頭水工などの各種機能や水路、圃場の位相情報と接続関係を効率的に参照するためにGISを利用した。また水管理の違いについては,農業暦を参考に一定の期間にランダムに農作業が行われると仮定して計算を行った.以上のモデルを滋賀県野洲川流域において適用した。末端水路の排水が流入する河川の実測流量と傾向の比較をおこなった結果、比較的高い相関関係が得られた。流量については,年間を通して流量と流出負荷量の算定が可能なモデルを構築できた。

今後の課題としては、負荷算定精度向上を目指してのモデルの見直し、特に栄養塩の吸脱着するSSの挙動に着目する必要があると考えられる。またパラメータが未知の場合の推定方法,地理情報の利用方法の整理についても検討する必要がある。水田主体の農業流域を対象に,汚濁負荷流出の影響因としてのイベント時の水管理や土壌の種類,農業地域の灌漑排水網での水移動を考慮した分布型負荷算定モデルの構築とそのGISへの実装を行った.モデルの全体は3つのサブモデルから構成される.圃場への用水流入量を入力とし圃場内の水収支計算の結果から圃場からの排水量を算定する水収支モデルと,水収支に伴う物質移動の他,各種物質循環や形態変化を考慮した上で圃場からの流出負荷量を算定する物質収支モデル,各圃場への用水配水量と用水水質,排水路を流下する水量と水質を計算する用排水ネットワークモデルである.本年度は,各モデルに改良を加え,実流域での水循環評価を試みた.改良した点は以下の通りである.水収支モデルでは,堰の公式,圃場容水量を加えた.物質収支モデルでは,SSへの栄養塩の吸脱着,SS沈降,植物プランクトンへの栄養塩取り込みを考慮に入れた.用排水ネットワークモデルでは,GISを利用し頭水工などの各種機能や水路,圃場の位相情報と接続関係を効率的に参照するための計算ルーチンを改良した.以上のモデルを滋賀県野洲川流域の水口頭首工掛けエリアに適用した.計算の結果,水路末端の排水が流入する河川の実測流量と水質に対して,比較的高い相関関係が得られ,地域における水循環,および,水質について年間を通して算定が可能なモデルを構築できた.また,このモデルを用いて,圃場からの汚濁流出を削減すると考えられる複数の対策について評価を行った結果,施肥削減および用水の適正管理によって汚濁流出量が削減されることが評価できた.今後は,より大規模な流域で適用できるように,GIS上での地理情報の利用とモデルへの引き渡しをスムースに行えるように計算手法を改善することと,観測と適用例を増やすことによってモデルの精度および信頼性を向上させることが必要である.
カルシウムイオンと細胞機能

細胞情報の増幅伝達系においてカルシウムイオン(Ca^<2+>)が重要な役割を果している.ある一群の細胞刺激に際して,イノシトールリン脂質(PI)が分解され,ジアシルグリセロール(DG)とイノシトール三リン酸(IP_3)の産生が誘起される. DGはセカンドメッセンジャーとしてプロテインキナーゼCを活性化し,同じくIP_3はCa^<2+>の動員を促進してCa^<2+>受容蛋白質を活性化する.最近, Ca^<2+>による細胞機能調節の解明においてこれらのCa^<2+>受容蛋白質やCa^<2+>調節蛋白質の作用機構の重要性が急速に増大している.本総括班では過去3ヶ年にわたってCa^<2+>受容蛋白質やCa^<2+>調節蛋白質の作用機構と高次細胞機能調節における役割について総合研究を実施している.その結果,細胞刺激に対応したPIの分解によるセカンドメッセンジャーの産生に働くホスホリパーゼCを酵素活性を持つ蛋白質とGTP結合蛋白質に分離した.今後の重要な課題の一つとなっている細胞膜上での外界情報受容体との共役機構の解明に重要な手がかりとなっている.一方,情報の増幅伝達に作動するプロテインキナーゼCの多様な分子種のうち主要な4種の全構造を決定し,分離された酵素蛋白質との対応を得た.それぞれの活性化機構生体内分布や機能の特異性を解析し,この酵素の多様性が程々の外界情報によって引き起こされる細胞応答の多様性に重要な意義を持つことが確実となった.いま一つの作用点であるカルモジュリンやフラグミン, Ca^<2+>依存性プロテアーゼ等のCa^<2+>受容蛋白質とその結合性蛋白質の顆粒分泌やエンドサイトーシス等の具体的細胞機能における動態とその意義についても知見が得られつつある.次年度は最終年度であることをかんがみ,これら個別領域の優れた研究を統合結集し,その知見に立脚してシナプス機構,免疫応答などの高次細胞機能調節の生理とその病態の統合研究をとりまとめ,我国におけるCa^<2+>と細胞機能に関する研究の維持向上を計る.細胞情報の増幅伝達系においてカルシウムイオン(Ca^<2+>)が重要な役割を果している.ある一群の細胞刺激に際して,イノシトールリン脂質(PI)が分解され,ジアシルグリセロール(DG)とイノシトール三リン酸(IP_3)の産生が誘起される. DGはセカンドメッセンジャーとしてプロテインキナーゼCを活性化し,同じくIP_3はCa^<2+>の動員を促進してCa^<2+>受容蛋白質を活性化する.最近, Ca^<2+>による細胞機能調節の解明においてこれらのCa^<2+>受容蛋白質やCa^<2+>調節蛋白質の作用機構の重要性が急速に増大している.本総括班では過去3ヶ年にわたってCa^<2+>受容蛋白質やCa^<2+>調節蛋白質の作用機構と高次細胞機能調節における役割について総合研究を実施している.その結果,細胞刺激に対応したPIの分解によるセカンドメッセンジャーの産生に働くホスホリパーゼCを酵素活性を持つ蛋白質とGTP結合蛋白質に分離した.今後の重要な課題の一つとなっている細胞膜上での外界情報受容体との共役機構の解明に重要な手がかりとなっている.一方,情報の増幅伝達に作動するプロテインキナーゼCの多様な分子種のうち主要な4種の全構造を決定し,分離された酵素蛋白質との対応を得た.それぞれの活性化機構生体内分布や機能の特異性を解析し,この酵素の多様性が程々の外界情報によって引き起こされる細胞応答の多様性に重要な意義を持つことが確実となった.いま一つの作用点であるカルモジュリンやフラグミン, Ca^<2+>依存性プロテアーゼ等のCa^<2+>受容蛋白質とその結合性蛋白質の顆粒分泌やエンドサイトーシス等の具体的細胞機能における動態とその意義についても知見が得られつつある.次年度は最終年度であることをかんがみ,これら個別領域の優れた研究を統合結集し,その知見に立脚してシナプス機構,免疫応答などの高次細胞機能調節の生理とその病態の統合研究をとりまとめ,我国におけるCa^<2+>と細胞機能に関する研究の維持向上を計る.
新規臓器間代謝情報ネットワーク機構の発見と役割の解明

肝臓での糖代謝の亢進が褐色脂肪組織での適応熱産生を抑制するという新しい組織間連関を発見し、さらに、その機序として、肝迷走神経求心路、交感神経遠心路からなる神経ネットワークが重要な役割を果たしていることを解明した。この肝-脳-褐色脂肪の臓器間ネットワークは、餌を得た際、効率よくエネルギーを体内に備蓄できるように働くもので、飽食の現代においては、肥満の発症につながり、太りやすさの違いを規定していることが明らかとなった。本年度は、肝での代謝変化がどのように多臓器の代謝に影響を与えるかを検討するため、肝での糖代謝およびアミノ酸代謝を亢進させるモデルの作製を試みた。まず、肝での糖代謝を亢進させるモデルとして、グルコキナーゼ、アミノ酸代謝を亢進させるモデルとして、SNAT2アミノ酸トランスポーターの遺伝子を組み込んだ組換えアデノウィルスを作製した。これらを尾静注することにより、肝での代謝を急激に変化させることに成功した。これらのモデルを用い、個体レベルでの糖代謝・脂質代謝・エネルギー代謝を、さらに、各臓器での遺伝子発現の変化を検討したところ、まず、グルコキナーゼ発現モデルでは、エネルギー代謝の抑制が認められ、褐色脂肪組織でのUCP1発現が減少していることを見出した。また、SNAT2発現モデルでは、血中中性脂肪の増加による脂質異常症を呈していた。これらの現象は、肝での代謝変化のみでは説明のできないものであり、新たな臓器間ネットワーク機構の発見を意味するものと考えられた。さらに、血管内皮細胞におけるNF-κBシグナルを抑制したトランスジェニックマウスを作製したところ、老化の抑制と寿命の延長をきたすことを見出した。寿命の延長は、限られた臓器の機能改善だけでは達成できないものであり、全身の臓器がもれなく、機能改善をきたす必要がある。ゆえに、血管ネットワークによる臓器間作用もまた、単に血液を送るだけでなく、個体レベルでの恒常性維持に働いていると考えられ、本研究により、臓器老化や寿命を規定している新たな臓器間ネットワーク機構が発見できたと考えられる。研究代表者らは、求心路・遠心路双方からなる神経ネットワークが個体としての糖代謝やエネルギー代謝の調節機構に重要な役割を果たしていることを発見した。さらに本研究を進めるうち、肝へのグルコキナーゼ遺伝子導入による糖取り込み亢進により、褐色脂肪組織における熱産生が低下する現象を見出し、過栄養時に効率よくエネルギーを備蓄する体に備わった倹約機構が発見できたものと考えられた。そこで本年度は、この臓器間ネットワークの機序を詳細に解析し、生理的な意義や病態における役割について明らかとすることを目的とした。まず、迷走神経肝臓枝の切断によりこの臓器間連関が生じないことから、肝からの糖代謝亢進シグナルは、求心性迷走神経を介して脳に伝えられていることが示された。さらに、このシグナルが脳内でどのように伝えられているかを検討するため、レーザーマイクロダイセクション法を用いて脳内の核部位における検討を行ったところ、延髄縫線核におけるc-fos遺伝子発現は肝へのグルコキナーゼ遺伝子導入で抑制されることが見いだされた。延髄縫線核は褐色脂肪組織への交感神経起始核が存在するところであり、また、褐色脂肪組織でのカテコラミンターンオーバーが減少していたことから、この臓器間連関は延髄孤束核に入る肝迷走神経求心路と延髄縫線核から出る交感神経遠心路によって形成され、脳がその働きを統御しているものと考えられた。次に、種々の系統のマウスを用いて検討したところ、この肝グルコキナーゼ発現を端緒とする臓器間ネットワークが系統間での太りやすさの違いをも説明できることが明らかとなった。本研究により、個体レベルでの倹約機構が発見され、それが臓器間神経ネットワークを介するものであること、さらに、飽食の現代では、肥満の発症につながっていることが示された。さらに、遺伝的に肥満になりやすいかどうかの決定にも関与している可能性が考えられた。上記のように、新たな臓器間ネットワーク機構が3経路も発見することができ、当初の計画以上の進展と考えられる。特に血管ネットワークの発見は、寿命や老化に影響を与えることから、意義深いと考えられる。24年度が最終年度であるため、記入しない。肝臓での代謝変化が全身のエネルギー代謝や脂質代謝に大きな影響を及ぼしている現象を発見したので、その新規臓器間作用について、その機序の解明を進める。すでに、興味ある結果を得つつあり、この解明も順調に進むものと考えている。