hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
時空間光変調素子を用いたサブフレームレート高速ビジョンの研究

本研究は,DMD素子とイメージャを一体で制御することにより,イメージャ本来の撮像スピードを超える高フレームレートのビジョンシステムを開発し,その有効性をアルゴリズムおよびシステムの両面から検証し評価することを目的としており,実際に振動分布イメージング,広ダイナミックレング撮像,多重フレームストラドリングについてシステムを開発し,その有効性を確認した.本研究は,DMD素子とイメージャを一体で制御することにより,イメージャ本来の撮像スピードを超える高フレームレートのビジョンシステムを開発し,その有効性をアルゴリズムおよびシステムの両面から検証し評価することを目的としており,実際に振動分布イメージング,広ダイナミックレング撮像,多重フレームストラドリングについてシステムを開発し,その有効性を確認した.本研究は,研究代表者が有する高速ビジョン技術および時空間光変調素子を用いたビジョンシステムに関する研究開発実績を基に,画素レベルでの高速な時空間光変調制御を可能とするDMD素子を用いて,イメージャのフレームレートを超えた実時間画像処理を実現するサブフレームレート高速ビジョンシステムを構築し,その有効性をアルゴリズム及び実システムの両面から検証し評価することを目的としている.以下に平成19年度の研究成果を述べる.A)高周波振動分布イメージングアルゴリズム1)画素毎に異なる周波数での光シャッタを行うことを想定し,画素に対応した周波数フィルタを構成した.2)周波数成分を抽出するための信号アルゴリズムを導入した.3)イメージャおよびDMD素子の全画像領域について,3×3画素のブロックに分割した上で,ブロック内の各画素で周波数の異なる高速光シャッタリングに基づくフイルタを構成した.4)ブロック毎に周波数の異なるフイルタからの複数の出力値を選択した上で,適切な重み付けをすることでブロック単位毎に任意の周波数成分に対する振動イメージングを行うアルゴリズムを提案した.B)広ダイナミックレンジイメージングアルゴリズム1)イメージャに対して,露光時間と輝度値の対応関係を示す感度曲線を求め,近似曲線モデルを構築した.2)3×3画素毎の分割されたブロックに対し,画素毎に露光時間の異なる多重露光撮像を行い,各画素の輝度値についてイメージャの感度曲線を利用して輝度飽和のない画像を出力する,広ダイナミックレンジイメージングアルゴリズムを提案した.3)DMD評価ボードを用いて,画素毎に異なる露光時間制御する場合について,それぞれの画素毎に得られた各ブロックについての輝度値と露光時間の関係が,イメージャの感度曲線に対応することを確認した.C)実時間多重フレームストラドリングアルゴリズム1)3×3画素毎に分割されたブロックにおいて,画素毎にタイミングの異なる短時間露光を行うことで,ブロックレベルで高フレームレートの輝度値を取得可能とするアルゴリズムを導入した.2)ブロック毎に,画素レベルでのフレームストラドリングを画素毎に異なる露光タイミングを制御することにより実現し,そのフレーム間の得影時間間隔をブロックレベルで多重化し,フレームサイクル時間以下での任意の間隔を選択可能とする多重フレームストラドリングアルゴリズムを提案した.3)画像内において運動する対象について,画素レベルでの輝度変化に基づき,画素毎に適切な撮影時間間隔を自動決定する画素レベルフレームストラドリングアルゴリズムを提案した.D)DMD制御ボードの動作確認1)提案した各種アルゴリズムを検証するためのDMD制御ボードの動作確認を行った.DMD素子とイメージャ画素毎に1対1で対応するための光学系の設計を行った.本研究では,振動分布イメージング,広ダイナミックレング撮像,実時間多重フレームストラドリングを応用としそれぞれに対応したサブフレームレート画像処理アルゴリズムを提案すると共に,実際にカメラを用いた動作検証を行った.本研究の意義は,時空間光変調素子に基づく実時間サブフレームレート視覚処理システムの有効性を示すと同時に,イメージャの撮像性能を維持したまま露光時間等の受光条件を画素レベルで制御することにより可能となる映像信号処理手法を確立し,撮像素子の性能限界を超えるビジョン技術の体系化を目指すことにあり,重要な技術開発である.本年度は以下の成果を得た.1) DMD制御ボードとカメラの光学系のアライメントを行った.2) DMDのフィードバック制御が可能であることを確認した.3) DMDでの光シャッタリング周波数および位相を適応的に変更可能であることを確認した.4)カメラおよび光学系とDMDとのアライメント調整を行い, DMD評価ボード,カメラ,光学系, PCからなるサブフレームレート高速ビジョンプラットフォームを構築した.B)サブフレームレート画像処理アルゴリズムのシステム実装・機能検証1)高周波振動分布イメージングアルゴリズムをシステムに実装し,その基本動作を確認した.また,振動対象に対して高周波振動イメージングが正しく動作することを確認した.2)広ダイナミックイメージングアルゴリズムをシステムに実装し,その基本動作を確認した.また,撮影対象に対して広ダイナミックイメージングが正しく動作することを確認した.3)実時間多重フレームストラドリングアルゴリズムをシステムに実装し,その基本動作を確認した.また,高速運動する対象を撮影し,実時間多重フレームストラドリングが正しく動作することを確認した.
小児歯科治療時の患児および診療スタッフのストレスに関する行動科学的研究

小児歯科治療に対する患児のストレス反応をサーモグラフィーを用いて数量的把握を行った。対象は,5歳から11歳までの心身共に健常な小児患者20名とした。各被験者の小児歯科治療の経過に伴い,手背皮膚温をフロッピ-ディスクに記録し,温度分析を行った。その結果,小児への歯科治療の侵襲の程度により,サーモグラフィーで小児のストレス反応を数量的に把握することが可能であることが判明した。また,非接触的かつ身体的制限がなく計測できるサーモグラフィーは,小児に対して有効な方法であることが認められた。小児歯科治療時において,母親が術者に及ぼす心理的ストレス反応尺度を試作し,信頼性と妥当性の両面より検討を行った。対象は,本学小児歯科学講座に在籍する歯科医師22名である。ストレス概念の構成要素に基づいて,質問文を5項目ずつ12組のアンケートを作成し,術者に回答させ数量化した。そして,因子分析を行い7因子,20項目が抽出し,母親が術者に及ぼす心理的ストレス反応尺度を作成した。信頼性は,Cronbachのα係数を用いた内的一貫性と経時的安定性の両面より検討を行った。妥当性については,日常生活における心理的ストレス反応尺度(PSRS)との比較検討をした。PSRSの回答結果の合計得点により高ストレス群と低ストレス群に分け,各群に対応する母親が術者に及ぼす心理的ストレスの得点を求めた。その結果,十分な信頼性と妥当性が認められた。また,術者から母親への対応技術向上のための行動科学的トレーニングの有効性について自信度の面より検討した。本学小児歯科学講座に在籍する歯科医師13名(対照群7名,トレーニング群6名)を対象に,「母親への対応における自信度調査アンケート」を用いてトレーニングの評価を行った。その結果,トレーニング群における自信度が対照群に比し有意に上昇し,行動科学的トレーニングの有効性が認められた。小児歯科治療に対する患者のストレス反応をサーモグラフィーを用いて数量的把握を行った。サーモグラフィーの測定は日本電気三栄社製赤外線放射温度計サーモトレーサー6T67を用い感度幅は0.3°C,中心温度は各被験者に応じて適正に調整し,走査時間は1秒とした。先ず,各被験者の右手の手背皮膚温のコントロールをとるため,約15分間の安静時をとった。その後,各被験者の小児歯科治療の経過に従い,手背皮膚温の観察をモニター上で行い,フロッピ-ディスクに記録した。温度分析は,第2,3,4指を領域指定し,領域内平均温度を求めた。20症例中15症例は治療初期より温度低下を示し,治療の進行に従い徐々に温度回復が認められた。3症例においては,治療初期より徐々に温度上昇を認めたがいずれのケースも歯科的ストレス度の低い治療内容であった。浸潤麻酔を用いたケースは13症例あり,その内12症例においてコントロール時に比し約-0.1-1.8°Cの温度低下を認めた。歯牙切削を行ったケースは13症例あり,その内8症例はコントロール時の皮膚温より温度低下を認めた。抜歯ケースは2症例あったが,いずれもコントロール時に比し-2.0°C以上の著明な温度低下を認めた。以上より,小児への歯科治療の侵襲の程度により,サーモグラフィーで小児のストレス反応を数量的に把握することが可能であることが判明した。

また,非接触的かつ身体制限がなく計測できるサーモグラフィーは,特に小児に対して有効な方法であることが認められた。小児歯科診療時において,母親が術者に及ぼす心理的ストレス反応尺度を試作し,信頼性と妥当性の両面より検討を行った。対象は,本学小児歯科学講座に在籍する歯科医師22名である。本ストレス構成要素として9つの内容(母親の態度,母親の言語,母子関係,母親の性格,母親の信頼度,母親の理解力,母親の要求度、母親による時間的要因,術者による要因)を仮定した。母子関係は,さらに4分類した。このカテゴリーに基づいて,質問文を5項目ずつ12組(合計60問)のアンケート2を作成し,術者に回答させ数量化した。そして,因子分析を行い7因子,20項目が抽出された。第1因子は「要求過剰な母親」,第2因子は「コミュニケーション不全の母親」,第3因子は「厳格・神経質な母親」,第4因子は「過保護な母親」,第5因子は「心配症な母親」,第6因子は「多弁な母親」,第7因子は「感情的な母親」と命名した。以上より,母親が術者に及ぼす心理的ストレス反応尺度が作成された。信頼性は,Cronbachのα係数を用いた内的一貫性と経時的安定性の両面より検討を行った。妥当性については,日常生活における心理的ストレス反応尺度(PSRS)との比較検討をした。PSRSの回答結果の合計得点により高ストレス群と低ストレス群に分け,各群に対応する母親が術者に及ぼす心理的ストレスの得点を求めた。その結果,高い信頼性と妥当性が認められた。術者から母親への対応技術向上のための行動科学的トレーニングの有効性について自信度の面より検討した。本学小児歯科学講座に在籍する歯科医師13名(対照群7名,トレーニング群6名)を対象に,「母親への対応における自信度調査アンケート」を用いてトレーニングの評価を行った。その結果,トレーニング群における自信度が対照群に比し有意に上昇し、行動科学的トレーニングの有効性が認められた。
バイオ・ナノ融合テクノロジーを基盤とした新規的な骨・軟骨誘導剤の開発

1.新規候補薬剤の骨・軟骨形成メカニズム解析(in vitro, in vivo解析。標的遺伝子変異マウスの作成等)Hhシグナル活性剤SAGの骨促進メカニズムの検討を行った。SAG曝露によりHhシグナルの下流因子であるGli1, Gli2およびGli3のmRNA発現およびタンパク質局在を検討した結果、SAG曝露によりGli1のmRNA発現および細胞核内におけるタンパク質発現が上昇した。Gli2はmRNA,タンパク発現共に大きな変化は認められなかった。一方、Gli3に関してはmRNA発現には大きな変化は認められなかったものの、細胞核内における抑制型Gli3の発現が消失した。以上の結果、Gli1およびGli3がHhシグナル反応性であるのに対し、Gli2はHhシグナル非反応性である可能性が示唆された。また、各Gliの発現ベクターを細胞にトランスフェクションし、一定期間培養した後、RNAを回収し、骨芽細胞分化マーカーの発現をReal-time RT-PCRで検討したところ、Gli1発現により特異的に、骨芽細胞初期の分化マーカーであるAlpおよびBspの発現が上昇した。shGli1によりGli1発現をノックダウンしたときの効果を検討した結果、SAGにより誘導されるAlpおよびBsp発現はGli1ノックダウンにより有意にその発現が減少した。以上の結果より、SAGによる骨芽細胞分化促進作用はGli1を介している可能性が示唆された。現在、Gli1ノックアウトマウスの解析を検討中である。2.マウス骨・軟骨欠損モデルに対する、骨・軟骨再生用多機能型インプラントの解析骨セメント中にSAGを含有した骨再生用インプラントを作製し、マウス骨欠損モデルに対する作用を検討した。マウス頭蓋骨に作製した臨界骨欠損モデル(直径5mm、トレパンにて作製)にインプラントを埋植し、4週間後に骨再生能を検討した。その結果、SAGによる有意な骨再生能は認められなかった。一方、同様のインプラントをラット大腿骨骨欠損モデル(直径3mm、ラウンドバーにて作製)に埋植し、2週間後に骨再生能を検討した。その結果、SAGにより皮質骨の再生が促進する傾向が認められた。以上の結果より四肢骨欠損に対してSAGは有用である可能性が示唆された。同様に、骨セメント中にTHを含有した骨再生用インプラントを作製し、マウス骨欠損モデルに対する作用を検討した。マウス頭蓋骨に作製した臨界骨欠損モデルにインプラントを埋植し、4週間後に骨再生能を検討した。その結果、THにより顕著な骨再生が認められた。現在、ラット大腿骨骨欠損モデルに対するTHの効果を検討中である。1.siRNAライブラリーの構築遺伝子改変マウスの表現系や人疾患の原因遺伝子との報告さらには本研究室の先行文献を参考に骨・軟骨において負に制御するシグナル制御機構のうち,特に重要なシグナルとして知られているBMP,Runx2,Wnt,Hedgehogシグナルに対する抑制因子に着目しsiRNAライブラリーの構築を行った。具体的には下記の遺伝子に対するsiRNAを作製した。作製したsiRNAは,その発現抑制効果をReal-time PCRによりmRNA発現レベルで確認を行った。2.Col1-GFPおよびCol2-DsRedシステムを用いた、天然低分子化合物の網羅的な解析天然低分子化合物ライブラリーを用いた網羅的な探索の結果、骨芽細胞分化促進薬としてGlabrisoflavone(Gl)を、軟骨細胞分化促進薬としてOxytetracycline(Oxy)を見出した。GIを骨芽細胞株MC3T3E1細胞に曝露したところ骨芽細胞分化の指標であるALP染色性が増大しただけでなく骨芽細胞分化マーカーのAlp,Oc発現も濃度依存的に上昇することが確認された。GIはマウス頭頂骨由来Primary細胞においても骨分化マーカーの発現を誘導した。一方Oxyは軟骨細胞株ATDC5に曝露したところ濃度依存的に軟骨分化の指標であるトルイジンブルー染色性が増大したとともに軟骨分化マーカーのCol2,Col9,Col11の発現を誘導した。さらにOxyは軟骨の石灰化を抑制することがATDC5細胞を用いた解析および胎生15日齢由来マウス胎児のMetatarsal cultureを用いた解析により明らかとなった。以上のことより骨誘導剤の候補の一つとしてGlabrisoflavoneが、軟骨誘導剤の候補の一つとしてOxytetracycline(Oxy)が見出された。1.網羅的解析により得られた候補群から骨・軟骨再生に向けての最適なシグナル条件を決定低分子化合物およびsiRNAライブラリーから骨・軟骨促進作用を有する候補を確立した。低分子化合物に関しては昨年度行ったスクリーニングより骨形成促進剤としてGlabrisoflavone(G1)およびヘリオキサンチン誘導体THを見出した。また軟骨促進剤としてOxyteteracycline(Oxy)を見出した。siRNAライブラリーに関してはsiRNAの組み合わせを含めた検討の結果、いずれの組み合わせにおいても骨芽細胞分化および軟骨細胞分化を顕著に促進させるものは見いだせなかった。以上の解析により今後は低分子化合物を用いた骨・軟骨再生の可能性を検討していくこととした。2.候補シグナル条件、PEG-DETおよびインプラントの混合条件のin vitro条件下における最適化、骨・軟骨再生用多機能型インプラントの作成骨促進剤THのIn vivo投与の目的のため、リン酸カルシウム担体とTHを混合したTHインプラントを作製した。In vitro assayの結果THインプラントは最大で40日間骨誘導能を維持していることが明らかとなった。今後マウス骨欠損モデルを用いたIn vivo解析を計画中である。3.新規候補薬剤の骨・軟骨形成メカニズム解析(in vivo解析。

標的遺伝子変異マウスの作成等)骨形成促進薬THのメカニズム検討に関してはマイクロアレイを行い、現在ターゲット因子の同定を検討中である。軟骨形成促進薬Oxyのメカニズムに関してはsiRNAを用いた解析により、OxyはBmp2発現誘導を介して軟骨細胞の分化を促進させている可能性が明らかとなった。1.新規候補薬剤の骨・軟骨形成メカニズム解析(in vitro, in vivo解析。標的遺伝子変異マウスの作成等)Hhシグナル活性剤SAGの骨促進メカニズムの検討を行った。SAG曝露によりHhシグナルの下流因子であるGli1, Gli2およびGli3のmRNA発現およびタンパク質局在を検討した結果、SAG曝露によりGli1のmRNA発現および細胞核内におけるタンパク質発現が上昇した。Gli2はmRNA,タンパク発現共に大きな変化は認められなかった。一方、Gli3に関してはmRNA発現には大きな変化は認められなかったものの、細胞核内における抑制型Gli3の発現が消失した。以上の結果、Gli1およびGli3がHhシグナル反応性であるのに対し、Gli2はHhシグナル非反応性である可能性が示唆された。また、各Gliの発現ベクターを細胞にトランスフェクションし、一定期間培養した後、RNAを回収し、骨芽細胞分化マーカーの発現をReal-time RT-PCRで検討したところ、Gli1発現により特異的に、骨芽細胞初期の分化マーカーであるAlpおよびBspの発現が上昇した。shGli1によりGli1発現をノックダウンしたときの効果を検討した結果、SAGにより誘導されるAlpおよびBsp発現はGli1ノックダウンにより有意にその発現が減少した。以上の結果より、SAGによる骨芽細胞分化促進作用はGli1を介している可能性が示唆された。現在、Gli1ノックアウトマウスの解析を検討中である。2.マウス骨・軟骨欠損モデルに対する、骨・軟骨再生用多機能型インプラントの解析骨セメント中にSAGを含有した骨再生用インプラントを作製し、マウス骨欠損モデルに対する作用を検討した。マウス頭蓋骨に作製した臨界骨欠損モデル(直径5mm、トレパンにて作製)にインプラントを埋植し、4週間後に骨再生能を検討した。その結果、SAGによる有意な骨再生能は認められなかった。一方、同様のインプラントをラット大腿骨骨欠損モデル(直径3mm、ラウンドバーにて作製)に埋植し、2週間後に骨再生能を検討した。その結果、SAGにより皮質骨の再生が促進する傾向が認められた。以上の結果より四肢骨欠損に対してSAGは有用である可能性が示唆された。同様に、骨セメント中にTHを含有した骨再生用インプラントを作製し、マウス骨欠損モデルに対する作用を検討した。
「小進化の副産物」で高次の生態的動態と大進化パターンを理解する

本研究では、多様性の進化が個体群の人口学的動態や系統進化に与える副産物的影響を明らかにするため、多様性の有無と人口動態の関係について系統種間比較と実証実験から検証・解析を行なった。系統種間比較を行なったところ、昆虫や脊椎動物の多くの分類群で、種内に色彩多型を有する種がそうでない種よりも分布域が広く、絶滅リスクが低いことが明らかになった。キイロショウジョウバエの行動多型に着目した実証実験では、平衡選択の働く条件下で集団に多様性がある場合に単型集団よりも集団の生産性が高まることが明らかになった。これらの結果は、種内多様性が個体群動態に影響することやそれが条件依存的に変化することを示唆している。種内の多様性は、リスク分散や種内競争の緩和、進化可能性の増大を通じて種や集団の密度や安定性、分布の広さに正の効果を与えることが示唆されている。当該年度は、種内多型の進化が個体群の時空間動態に与える影響について、文献データやデータベースの情報をもとにしたメタ解析を実施した。トンボ類と蝶類、鳥類、ヘビ類に関して、種内多型の存否や型の数と分布域の広さの関係を解析した。使用可能なデータの種類や質は分類群間で若干の差異があるものの、すべての分類群において、種内に多型の存在する種の分布域は、単型的な種のそれよりも広いことが明らかになった。各分類群内での系統の効果を考慮してもその関係に変化はなかった。データの豊富な鳥類において詳細な分布域の解析を行なったところ、多型種は単型種よりも多くの気候区分に跨って分布していることが明らかになった。また、トンボ類では、単型種において多型種に比べて高い頻度で絶滅リスクの高い種が含まれることが明らかになった。これらの結果は、理論的な予測の通り、種内の多様性が種や集団のパフォーマンスを高める効果があることを支持するものである。上記の解析に加え、種内の多様性と個体群動態の関連についての法則性について議論を行ない、これに関する総説を執筆する準備を進めている。本年度は、文献やデータベースのデータを用いたメタ解析と、実験個体群を用いた実証により、種内多様性の進化と個体群動態の関係を解析した。メタ解析に関しては、前年度に行なった鳥類やトンボ類の解析に加え、より詳細なデータの蓄積のある蝶類を用いて解析を行った。その結果、分布域の広さや環境の多様性について、種内に色彩の多様性がある種のほうが多様性のない種に比べ小さいことがわかった。このことは、色彩多様性の進化が、微環境の分割や捕食リスクの低減を通じて、より幅広い環境に生息することを可能にすることを示唆している。ただし、多様性の生息環境幅の関係は、雌に多様性のある種においてのみ見られた。すなわち、雄の多様性は集団のパフォーマンスに影響しないことを示唆している。これらの結果は、多様性の進化は、集団の生産力が高まったり、生産力減少のリスクを避ける場合にのみ、集団のパフォーマンスを高める可能性を示している。同時に、雄の多様性について多様性と分布域の広さに関係が見られたことは、分布域の広さや環境の多様さが色彩の多様性を高めているという逆の因果の可能性を否定するものである点もk重要である。ショウジョウバエの実験個体群を用いた解析では、野外で見られる行動の多様性(平衡選択により進化的に維持されている)と個体群のパフォーマンスの関係を実験的に検証した。for遺伝子により支配された採餌行動の多型(rover型とsitter型)を用い、どちらかが単独で存在する集団と、2つの方が同居する集団で、集団内の幼虫の平均生存率を測定したところ、同居集団において生存率が最大になった。このことは、採餌行動の分化した個体が共存する条件では、集団の増殖率が高くなることを示唆している。一連の解析・実験は、いずれも種内の多様性の進化と個体群動態を結びつけるものであり、個体群動態や軍種動態の理解に一隻を投じるものである。メタ解析に適したデータセットの揃った分類群がそれほど多くなかったものの、現時点では、系統的に多様でな複数の分類群でメタ解析が行なえている。いずれも共通するパターンを示しており、解析は概ね順調であるといえる。すなわち、多様性と個体群動態に関する一般則が明らかになりつつある。また、本年度から開始した実験個体群を用いた実証実験の手法の確立にも成功したので、最終年度に十分な実験を行える準備が整っているといえる。本年度は、種内多様性の生態的機能やその背景にあるメカニズムを明らかにすることと、それらの成果の公表を目的として研究を実施した。まずは、前年度に引き続き、ショウジョウバエを用いた実験生態学的検証を行なった。ここでは、for遺伝子によってコードされた種内の行動多型を用い、多様性がある状態とない状態を人為的に作り出し、各状態における集団の生産性を測定、比較した。すると、平衡選択の働く条件(低栄養条件)では、多様性には集団の生産性に対する正の効果が認められた。一方、平衡選択の生じない条件(高栄養条件)では、多様性の効果が検出されなかった。多様性効果の検出された低栄養条件の実験に用いた個体について、遺伝子型判定を行ない、先行研究に倣い多様性効果を補償性効果と選択効果に分離したところ、前者によって、正味の多様性効果の大部分が説明できることが明らかになった。

すなわち、複数の行動型を混合した場合、単独状態とは異なった個体間相互作用が生じ、それが死亡率の低下や生産性の増大に関わったことを示唆している。ただし、行動的相互作用の詳細については十分なデータが得られなかった。上記の実験とは別に行なった系統種間比較では、種内に色彩の多様性のある種の分布範囲がそうでない種よりも有意に広いことが多くの脊椎動物の系統(哺乳類、鳥類、爬虫類、両生類、魚類)で明らかになった。これらの成果について論文の執筆を行なうとともに、種内多様性の生態的機能に関する総説を投稿している。本研究では、多様性の進化が個体群の人口学的動態や系統進化に与える副産物的影響を明らかにするため、多様性の有無と人口動態の関係について系統種間比較と実証実験から検証・解析を行なった。系統種間比較を行なったところ、昆虫や脊椎動物の多くの分類群で、種内に色彩多型を有する種がそうでない種よりも分布域が広く、絶滅リスクが低いことが明らかになった。キイロショウジョウバエの行動多型に着目した実証実験では、平衡選択の働く条件下で集団に多様性がある場合に単型集団よりも集団の生産性が高まることが明らかになった。これらの結果は、種内多様性が個体群動態に影響することやそれが条件依存的に変化することを示唆している。GISを用いてデータベース上の大規模なデータを効率的に解析することが可能であることがわかったため、当初の予定よりも高精度の解析が可能となった。ただし、解析に用いる分類群が予想よりは増えなかったことは、今後の課題である。色彩多様性と分布域の広さに関するメタ解析とショウジョウバエを用いた実験については、現時点で得られた成果をもとに論文としてまとめる。同時に、種内多型と個体群パフォーマンスに関する総説を執筆している。また、ショウジョウバエについては、長期的な個体群動態の予測を行うため、さらなる実験を行う予定である。すなわち、各種個体群パラメータを様々な多様度の条件で測定するとともに、個体数の変動を実測する。これらの成果は、国際学会を含む各種学会でも報告する予定である。進化生態学概ね予定通り遂行する予定である。植物を含むより広い範囲の分類群を対象に解析を進めていく。また、当初の予定では、2年度目には遺伝解析に重点を置くことを予定していたが、サンプルの調達が困難である分類群が多かったため、ショウジョウバエを用いた実験的アプローチにより、種内多型と個体群動態の関係を実証する計画を立てている。ここでは、自然界に見られる採餌行動の多型を用いて、種内の多型が個体群増殖率や環境収容力、安定性に及ぼす影響を中長期的に観察する予定である。当初計画していた遺伝解析のためのサンプルが不足していたため、分子実験に必要な経費が減った。遺伝解析と並行して実証実験を行なったが、こちらへの支出は予定よりも少なかった。遺伝解析のためのサンプリングよりもむしろデータベースの情報使ったメタ解析に重点をおいたため、予定よりも使用額が少なかった。メタ解析に重点をおいたのは、期待していたい以上に豊富なデータを利用できたためである。また、あらたな実験系の確立が次年度4月からの予定としたため、予算の繰越が生じた。最終年度は実証実験に加え、遺伝解析を行う予定である。当初予定していたメタ解析と遺伝解析に加え、ショウジョウバエを用いた実験系を確立し、多様性進化の副産物としての生態的機能の解析を進める。
音楽の祝祭化と地域振興のジレンマ

本研究は、「文化芸術の祝祭化」は社会にどのような影響を与えているのかという関心のもと、音楽フェスティバルと地域社会の関係を明らかにすることを目的とした定性調査による課題探索的な研究である。その目的は主催者と参加者をはじめ、音楽産業、行政、メディアなど多様なアクターへのインタビュー調査を通じて、文化芸術の祝祭化がもたらす地域振興の課題と、そこでの音楽フェスの独自性を浮き彫りにすることである。
侵略的外来種アルゼンチンアリにおけるスーパーコロニーの進化と維持機構の解明

南米原産のアルゼンチンアリは、複数の多女王制巣からなるスーパーコロニー(SC)を形成する。本研究では、同じ遺伝子型を持つ非敵対性SCが世界中に広く分布している一方、小規模で異なる遺伝子型を持つSCが局所分布していることが明らかになった。また、側所分布する4つのSCは遺伝的に互いに独立しており、ひとつの繁殖ユニットとして機能することが示された。局所的に分布する小規模SCが逃避行動を示し、巨大SCは集団敵対性が強いことが明らかになった。このことから、他コロニーを駆逐し優占し、巨大SCが世界中に分布すると考えられる。アメリカ南東部およびカリフォルニアにおいて、アルゼンチンアリの複数のスーパーコロニーのサンプルを採集した。このサンプルに加え、日本およびヨーロッパ、オセアニアで採集したワーカーを用いてミトコンドリアDNA遺伝解析を行った結果、単一の遺伝子型に属するスーパーコロニーが世界中に分布している一方、異なる遺伝子型を持つ小規模スーパーコロニーが日本、ヨーロッパ、アメリカに分布していることが明らかになった。アメリカの小規模スーパーコロニーは同一の遺伝子型であったが、日本の小規模スーパーコロニーは異なる複数の遺伝子型を持ち、日本が侵入地の中でもっとも遺伝的多様性が高く、ごく短期間で複数回の侵入が起きていることが示唆された。また、他の侵入地ではみられない遺伝子型があることから、原産地から直接侵入した可能性も示された。兵庫県神戸港に分布するアルゼンチンアリの4つのスーパーコロニーを対象に、ワーカー同士の敵対性レベルの季節変動を調べた結果、世界中に広く分布するスーパーコロニーの敵対性レベルの変動パターンが他のスーパーコロニーに同調する傾向がみられた。特に冬期には敵対性レベルが大きく減少した。このことから、スーパーコロニーの維持・進化のメカニズムとして特に敵対性レベルの季節変動が重要な鍵となっていることが示唆された。一方、マイクロサテライト遺伝子座の対立遺伝子頻度に基づく集団遺伝解析を行った結果、4つのスーパーコロニーは遺伝的に独立しており、隣接するスーパーコロニー間でも遺伝子流動は低頻度でしか起きていないことが明らかになった。これらの結果から、アルゼンチンアリは安定した環境下ではスーパーコロニーの個体群構造は容易に変化しない可能性が示された。2010年10月にアメリカで採集したワーカーのミトコンドリアDNA COI、COIIおよびcytochrome b領域の解析を実施し、これまで採集した日本および他の侵入地域の配列データを用いて最節約系統樹を作成した。その結果、6つのハプロタイプがみつかり、内5つのハプロタイプを日本の侵入個体群が有することが明らかになった。1つのハプロタイプは、日本、ヨーロッパ、北米、オーストラリア、ニュージーランドと広く世界中に分布する集団が共有していた。2目のハプロタイプは、日本(Kobe B)および北米の複数のスーパーコロニーが共有していた。2011年6月に兵庫県神戸市において、4つのスーパーコロニー(Kobe A、Kobe B、Kobe C、Japanese main)採集した。これらのコロニーを用いて、ワーカー同士6ペアの敵対性試験を3回実施し、逃避行動の回数を計数するとともに、ワーカー同士1つのスーパーコロニーから10個体、対するスーパーコロニーから1個体を敵対させて集団敵対行動を観察した。その結果、Kobe Cが有意に他コロニーに対して逃避行動をとった(T test,P<0.05)。一方、集団敵対行動では、敵対性レベルはいずれの組み合わせでも高かったが、行動に違いがみられた。10個体の抽出がJapanese mainとKobe Bの場合、他コロニーの1個体に対して、複数のワーカーが攻撃を行ったのに対して、Kobe AとKobe Cでは、戦う個体以外は避ける傾向があった。以上の結果から、局所分布する小規模スーパーコロニーKobe Cが逃避する傾向にあり、巨大スーパーコロニーを形成するJapanese mainとKobe Bが攻撃的であることが明らかとなった。このことから巨大スーパーコロニーの形成メカニズムとして、優占するスーパーコロニーが他のスーパーコロニーを駆逐し広域に分布を拡大したことが推測された。2012年6-7月に兵庫県神戸市において、4つのスーパーコロニー(Kobe A、Kobe B、Kobe C、Japanese main)採集した。これらのコロニーを用いて、集団敵対行動の観察を行ったところ、10個体の抽出がJapanese mainとKobe Bの場合、他コロニーの1個体に対して、のべ攻撃個体数および、同時に攻撃したワーカー数が、Kobe AとKobe Cに比べ多い傾向があった。また、24時間飢餓状態においたミニコロニー(ワーカー数3555個体)の採餌行動を調べた結果、KobeAが他コロニーに比べ、餌発見に要する時間が長く、採餌個体数の割合が少なかった。一方、KobeCは採餌個体数の割合が、他コロニーに比べ有意に多かった。また、2012年10月にスペインバルセロナでアルゼンチンアリの2つのスーパーコロニー(European main, Catalonian)の採集を行った。European mainは、Japanese mainと同じミトコンドリアDNAハプロタイプを有し、敵対行動を取らず同じスーパーコロニーに属する。現地で各3コロニーを採集し、逃避行動および集団敵対性行動を観察したところ、両スーパーコロニーともに逃避行動はほとんど見られず、複数の個体が攻撃するなど強い攻撃性がみられた。

近年、「個体群内の行動特性の違い(animal personality)」が注目されている。パーソナリティとは、異なる環境や時間を経ても持続する、各個体がもつ行動の違いをいい、外来種では、侵入・定着の成功に寄与する行動特性を持つ個体が有利であることが知られている。アルゼンチンアリは、コロニーが1つの繁殖ユニットとして機能するため、コロニーレベルで行動特性に淘汰がかかり、特定の「コロニー・パーソナリティ特性」が侵入成功に貢献している可能性が示唆された。アルゼンチンアリの巨大スーパーコロニーの形成メカニズムについて、攻撃力の強さが寄与していることが推測された。24年度が最終年度であるため、記入しない。今後は、攻撃力の強さの定量的評価を実施するとともに、競争力の強さにつても研究を実施する。
B→D^<(*)>lv崩壊の形状因子|V_<cb>|の決定

小林益川行列要素の一つである|V_<cb>|を精密に決定するためには、B→D^<(*)>lv崩壊の形状因子を非摂動的方法で精密に計算することが不可欠である。本研究計画では、格子QCDを用いることでこの精密計算が実際に可能であることを示すことができた。これはすでに前年度に論文として出版済みである。この研究をさらに発展させるためには、bおよびcクォークに対して上の研究で用いたものとは別の有効理論を適用して結果が変わらないことを確認すること、さらに上の研究で使っていたクェンチ近似によらないシミュレーションを行なうこと、が重要である。このため、今年度はクェンチ近似によらないシミュレーションを行なうための予備的研究を行なった。具体的には、u,dクォークを含む格子QCDのシミュレーションを行ない軽いハドロンのかかわる多くの物理量を測定した。さらに、そのもとでB中間子の崩壊定数の計算を行なうことで格子上の重いクォークの有効理論であるNRQCDが実際に働くことを確認した。これらの研究の成果は、すでにいくつかの学会や国際会議等で発表した。B→Dlv崩壊のzero recoil limitにおける形状因子の値を格子QCDシミュレーションを用いて正確に求めることが、本研究計画の目標である。我々の方法では、まず格子QCDのシミュレーションで様々な質量のBおよびD中間子を作り、それらの間の遷移振幅を計算する。さらにさまざまな組み合わせの遷移振幅の間の比を考えることで、zero recoil limitでの形状因子を非常に精密に求めることができる。今年度は、まず小さな格子での予備的計算を終えて、我々の方法が実際にうまく働くことを確かめた。比を考えることで、統計誤差および系統誤差のうちで大きなものは互いに打ち消しあって最終的な結果は非常に精密なものになる。また、B→Dlv崩壊だけでなく、B→D^*lv崩壊の形状因子を精密に求める方法を開発した。これも、B→Dlvと同じく、様々な遷移振幅の間の比を考えることで実現できる。今年度は、以下のような研究発表を行なった。・B→D^*lv崩壊の形状因子の計算を始めて、経過報告を国際会議Lattice'99で発表した。・B中間子の崩壊に関する格子QCDによる計算について、まとめの報告を国際会議Lattice'99およびHeavy Flavours8で行なった。
心房細動の電気的・構造的基質に対するＰＰＡＲγ活性化とＡＴ－ＩＩ受容体遮断の効果

ビーグル犬を1placebo群と2irbesartan群の2群に分け、各薬剤の投与下で毎分400回の心房高頻度刺激を4週間施行した。4週間の心房高頻度刺激により、左室機能は両群で同等に低下した。Placebo群で見られた心房細動持続時間の延長は、irbesartan群では抑制された。心房不応期の短縮は両群で同等であった。組織学的検討では、irbesartanによる線維化などの心房の構造的リモデリングの抑制が確認された。Irbesartanは心房高頻度刺激心房高頻度刺激モデルにおいて、線維化などの心房の構造的リモデリングを抑制し、心房細動持続時間の延長を抑制した。試験期間中は経時的に心臓電気生理検査および心臓超音波検査の指標を測定した。心房細動誘発率の上昇はirbesartanによってやや抑制される傾向があったが、placeboと比較して有意な差はなかった。Irbesartanは心房高頻度刺激心房高頻度刺激モデルにおいて心房細動持続時間の延長を抑制した。心房有効不応期などの電気生理学的指標への影響はplaceboと差がなかったことから、線維化などの心房の構造的リモデリングを抑制し心房細動持続時間を短縮した可能性が示唆される。ビーグル犬8頭を1placebo群と2irbesartan群の2群に分け、各薬剤の投与下で毎分400回の心房高頻度刺激を4週間施行した。4週間の心房高頻度刺激により、左室機能は両群で同等に低下した(左室拡張末期径LVDdはplacebo群で31.5 mm、irbesartan群で27.8 mm、p=NS、に拡張、左室駆出分画LVEFはplacebo群で24.3%、irbesartan群で23.7%、p=NS、へと低下)。Placebo群で見られた心房細動持続時間の延長は、irbesartan群では抑制された(心房細動持続時間、placebo群で26.3±11.0 s、irbesartan群で1.6 0.9 s、P=0.02)。心房細動誘発率の上昇はirbesartanによってやや抑制される傾向があったが、placeboと比較して有意な差はなかった(心房細動誘発率、placebo群で20.0±2.0% vs. irbesartan群で70.0±3.6%、P=0.08)。心房有効不応期などの電気生理学的指標への影響はplaceboと差がなかったことから、おそらく線維化などの心房の構造的リモデリングを抑制し心房細動持続時間を短縮した可能性が示唆される。Placebo群で見られた心房細動持続時間の延長は、irbesartan群では抑制された(心房細動持続時間、placebo群で26.3±11.0 s、irbesartan群で1.60.9 s、P=0.02)。Irbesartanは心房高頻度刺激心房

高頻度刺激モデルにおいて心房細動持続時間の延長を抑制した。心房線維化の組織学的な評価では、irbesartanによる線維化などの心房の構造的リモデリングの抑制が確認された。心房有効不応期などの電気生理学的指標への影響はplaceboと差がなかったことから、線維化などの心房の構造的リモデリングを抑制し心房細動持続時間を短縮したと考えられた。さらに分子生物学的検討も行い心房細動リモデリングの細胞内伝達機序や薬剤の詳細な作用機序を検討した。心房細動Irbesartanは心房高頻度刺激心房高頻度刺激モデルにおいて心房細動持続時間の延長を抑制した。心房有効不応期などの電気生理学的指標への影響はplaceboと差がなかったことから、線維化などの心房の構造的リモデリングを抑制し心房細動持続時間を短縮した可能性が示唆される。現在は分子生物学的検討を行い、心房細動リモデリングの細胞内伝達機序や薬剤の詳細な作用機序を検討しているところである。本研究計画では2年間で32頭のin vivo実験の完了が予定されており、前述のごとく現時点では1年間で8頭の実験が完了している。進行状況は当初の計画のペースをやや下回るものの、全体の研究計画の完了には支障のない範囲と考える。Irbesartanは心房高頻度刺激心房高頻度刺激モデルにおいて心房細動持続時間の延長を抑制した。心房有効不応期などの電気生理学的指標への影響はplaceboと差がなかったことから、おそらく線維化などの心房の構造的リモデリングを抑制し心房細動持続時間を短縮した可能性が示唆される。しかし実験個体数は十分ではないため、実験を継続し十分な個体数で検討する必要がある。心房線維化の組織学的な評価も未実施であり十分な検体数がそろった時点で実施する予定である。上記の検討ののちに分子生物学的検討を行い、心房細動リモデリングの細胞内伝達機序や薬剤の詳細な作用機序を検討する予定である。現時点では進行に若干の遅れはみられるものの、最終年度には計画通りの実験や研究の実施および予算の使用を完了する予定である。
π共役集積構造を利用したプロトン共役多電子系の構築

1.Co-π共役高分子錯体による酸素4電子還元Coポルフィリン錯体のII/III価の酸化還元電位とCoポルフィリン錯体と同程度の酸化還元電位を有する共役高分子をマトリックスとして利用すると、共役高分子から、連続的に電子がコバルト金属(III価)へ注入されて高い4電子還元効率を示している。高い酸化還元電位を有するポリフェニレン誘導体では4電子移動は生起せず、2電子還元に留まった。熱力学的に見ると、ΔGの増加と共に急激に4電子還元効率が減少した。電子移動速度の低下により酸素の拡散による散逸に支配されるので、2電子移動のみによるH2O2を優先的に進行するためと考えられる。2.コバルトポルフィリン複核錯体の多電子過程イオン対で集積構造をとるコバルトポルフィリン複核錯体の構造と電子過程を調べた。DMSO中では複核と単核の解離平衡状態にあることが明かとなり、コバルトポルフィリン複核錯体が2-2価から2-3価そして3-3価への解離平衡を伴う2段階のレドックス過程を示すことが確認された。価数の増加により、解離平衡定数は増加する。結論Coポルフィリン錯体のII/III価の酸化還元電位と同程度の酸化還元電位を有する共役高分子の高分子錯体は、酸素分子の接触により4電子還元を優先的に進行させる。コバルトポルフィリン複核錯体の解離平衡をともなう2電子酸化還元過程を明かにした。
垂直磁化薄膜における異常ネルンスト効果の微視的な機構解明

本研究では、異常ネルンスト効果の物理的機構解明と異常ネルンスト効果に基づく熱電効果の実証を行った。その結果、磁気異方性と異常ネルンスト電圧の関係や、異常ネルンスト電圧の温度依存性などの基本的な物理パラメータの検証に成功した。また、異常ネルンスト効果を用いた熱電変換デバイスへの応用に向けたFePt細線の連結素子を試作し、同効果を用いた高効率熱電変換素子の実現が期待される結果が得られた。近年、電子のスピンと熱の相関が注目されている。スピンの自由度を取り入れることによって、高効率で多機能性を有する新しいタイプの熱電変換素子開発の可能性がある。一方、熱磁気効果の一つであるネルンスト効果は古くから知られた効果であるが、いまだその起源にはよく分からない点が多い。本研究では、高い磁気異方性を示すL10型FePt規則合金薄膜の異常ネルンスト効果を詳細に調べることにより、異常ネルンスト効果のミクロスコピックな機構の解明を目指す。また、異常ホール効果との対比を行うことにより、熱流のキャリアと誘導起電力の関係を明らかにする。本研究を通して熱磁気効果の総合的な理解を目指すことで、現行の熱電変換素子を凌駕する新たな素子の開発につなげる。本年度は、L10型FePt薄膜の異常ネルンスト効果における磁気異方性エネルギー依存性を詳細に調べた。磁気異方性定数の異なるFePt薄膜について、異常ネルンスト効果の大きさを比較したところ、全ての温度領域について、磁気異方性が小さい試料の方が異常ネルンスト効果の大きさは大きいことが明らかになった。これらの結果は、FePt薄膜内にスピン波が励起され、スピン波スピン流が異常ネルンスト効果に寄与していることを示唆する結果である。続いて、FePt薄膜の膜厚依存性を調べた結果、7 40 nmの範囲では膜厚に依存せず、その大きさはほぼ一定であるのに対し、膜厚7 nm以下では異常ネルンスト効果の大きさが増加することがわかった。さらに、異常ネルンスト効果の材料依存性を調べたところ、材料のスピン軌道相互作用の大きさと異常ネルンスト効果の大きさに相関が見られた。これらの結果は、新しいタイプの熱電変換素子開発につながる知見である。本年度は、L10型FePt薄膜の異常ネルンスト効果の温度依存性を調べた。その結果、温度の減少にともない、異常ネルンスト係数も著しく減少することが分かった。また、室温から100 K付近までは磁気異方性エネルギーが大きいほど横ゼーベック係数が小さく、100 K以下ではほぼゼロに漸近することがわかった。さらに、異常ネルンスト効果と異常ホール効果を比較し、モットの関係式による評価を行ったところ、低温においてはモットの関係式によりよく説明できることがわかった。一方、高温においては、ネルンスト効果には電荷スピン流以外のキャリアの寄与が示唆された。これらの結果は、異常ネルンスト効果のミクロスコピックな機構の解明に資するものである。L10型FePt規則合金薄膜における異常ネルンスト効果の測定と、その特性評価がほぼ計画通りに進んでいる。また、異常ネルンスト効果の理論的解析も進んでおり、その進捗度もおおむね順調であるため。今後は、FePt薄膜の膜厚依存性や磁気異方性定数依存性を詳細に調べる。FePt膜厚が薄くなると表面/界面における電子散乱の割合が増加するため、熱のキャリアとして電子がどの程度寄与しているのかを見積もることができると考えられる。また、磁気異方性は、スピン軌道相互作用とだけでなくスピン波の励起ギャップとも強い相関を持つため、異常ネルンスト効果の磁気異方性定数依存性を調べることにより、スピン波の寄与を見積もることが可能である。さらに、FePt以外の材料の垂直磁化薄膜についても同様に異常ネルンスト効果の測定を行い、異常ネルンスト効果の起源の解明を目指す。該当なし
ナチュラルコンピューティングにおける非同期性に関する研究

新しい計算パラダイムの1つとして注目を集めているナチュラルコンピューティングは,細胞などの各資源の活動を並列分散処理における計算資源として用いて,自然界における様々な性質や原理を元に計算を行うモデルである.本研究では,従来のナチュラルコンピューティングで無視されがちな生体系のもつ非同期性について計算能力の検証を行うとともに,非同期性を考慮したアルゴリズムの提案を行う.また,並列処理を用いて非同期性を考慮した計算モデルのシミュレータの開発を行い,そのシミュレータを用いて提案アルゴリズムの正当性,及び,実効性の検証を行う.近年,新しい計算パラダイムの1つとして注目を集めているナチュラルコンピューティングは,細胞等の各資源の活動を計算と考え,細胞間の情報伝達経路をネットワークと考えることにより,自然界の持つ自律的な処理の仕組みを用いて並列分散処理を行うという計算方式である.本研究では,従来のナチュラルコンピューティングで無視されがちな生体系のもつ非同期性について計算能力の検証を行うとともに,非同期性を考慮したアルゴリズムの提案を行っている.また,並列処理を用いて非同期性を考慮した計算モデルのシミュレータの開発を行い,そのシミュレータを用いて提案アルゴリズムの正当性,及び,実効性の検証も行う予定である.平成25年度は以下のような内容を中心に研究を行った.1.計算困難問題に対するアルゴリズムの提案:膜計算に関する既存の研究は同期式の動作を用いて考えられたものが多く,非同期性を考慮して提案されたアルゴリズムはほとんど存在しない.そこで本研究では,様々な計算困難な問題に対して,非同期性を考慮した計算モデルにおいて実行可能なアルゴリズムの提案を行っている.本年度においては,特にグラフにおける計算困難問題に着目してアルゴリズムの提案を行った.2.膜計算以外のナチュラルコンピューティングにおける計算モデルの検証とアルゴリズムの提案:本年度は,計算モデルとして生化学反応計算,及び,数値変数を扱う膜計算に関して,モデルの検証と基本的アルゴリズムの提案を行った.3.非同期性を考慮した並列膜計算シミュレータの開発:非同期性を考慮した膜計算に関して,アルゴリズムの実行をシミュレートするシミュレータの開発を行っている.本年度においては,並列処理を行う対象をGPGPUとし,並列計算に関する基礎実験を行った.近年,新しい計算パラダイムの1つとして注目を集めているナチュラルコンピューティングは,細胞等の各資源の活動を計算と考え,細胞間の情報伝達経路をネットワークと考えることにより,自然界の持つ自律的な処理の仕組みを用いて並列分散処理を行うという計算方式である.本研究では,従来のナチュラルコンピューティングで無視されがちな生体系のもつ非同期性について計算能力の検証を行うとともに,非同期性を考慮したアルゴリズムの提案を行っている.また,並列処理を用いて非同期性を考慮した計算モデルのシミュレータの開発を行い,そのシミュレータを用いて提案アルゴリズムの正当性,及び,実効性の検証も行う予定である.平成24年度は以下のような内容を中心に研究を行った.1.計算困難問題に対するアルゴリズムの提案:膜計算に関する既存の研究は同期式の動作を用いて考えられたものが多く,非同期性を考慮して提案されたアルゴリズムはほとんど存在しない.そこで本研究では,NP完全問題のような計算困難な問題に対して,非同期性を考慮した計算モデルにおいて実行可能なアルゴリズムの提案を行った.2.非同期性を考慮した膜計算における基本演算アルゴリズムの提案:1つの数値データを複数の異なるオブジェクトを用いて2進数表現するデータ構造を提案するとともに,この提案データ構造を用いて表された数値データに対して,非同期性を考慮した膜計算モデル上で論理演算や算術演算といった基本的な演算を行うアルゴリズムの提案を行った.3.1台の計算機上で動作する非同期性を考慮した膜計算シミュレータの開発:非同期性を考慮した膜計算に関して,アルゴリズムの実行をシミュレートするシミュレータの開発を行った.また,上記(1),(2)にて提案したアルゴリズムを本シミュレータ上にて動作させ,データ構造とアルゴリズムの正当性の検証を行った.近年,新しい計算パラダイムの1つとして注目を集めているナチュラルコンピューティングは,細胞などの各資源の活動を計算と考え,細胞間の情報伝達経路をネットワークと考えることにより,自然界の持つ自律的な処理の仕組みを用いて並列分散処理を行うという計算方式である.本研究では,従来のナチュラルコンピューティングで無視されがちな生態系のもつ非同期性について計算能力の検証を行うとともに,非同期性を考慮したアルゴリズムの提案を行っている.また,並列処理を用いて非同期性を考慮した計算モデルのシミュレータの開発を行い,そのシミュレータを用いて提案アルゴリズムの正当性,及び,実効性の検証を行っている.平成26年度は以下のような内容を中心に研究を行った.1.計算困難問題に対するアルゴリズムの提案:非同期膜計算モデルを用いて,グラフにおける計算困難問題である独立集合問題,頂点被覆問題,クリーク問題,および,彩色問題の解法の提案を行った.提案を行った解法は,いずれも多項式ステップで実行することが可能である.2.膜計算以外のナチュラルコンピューティングにおける基本演算アルゴリズムの提案:本年度は,計算モデルとして生化学反応計算,および,数値を扱う膜計算に関して,論理演算やソートなどの基本演算を実行するアルゴリズムの提案を行った.3.非同期性を考慮した並列膜計算シミュレータの改良と検証:非同期性を考慮した膜計算に対して,アルゴリズムの実行をシミュレートするシミュレータの改良を行った.本年度においては,GPGPUを用いて並列処理を行うシミュレータの構築を行い,いくつかのアルゴリズムの検証を行った.なお,電子情報通信学会コンピュテーション研究会において,「ナチュラルコンピューティングのアルゴリズムー生命活動の仕組を用いた並列厳密解法と最適化手法ー」と題して,上記のまとめとなる内容の招待講演を行っている.近年,新しい計算パラダイムの1つとして,生体系に代表されるような自然界のシステムを計算に用いるナチュラルコンピューティングが注目を集めている.

このナチュラルコンピューティングは,細胞等の各資源の活動を計算と考え,細胞間の情報伝達経路をネットワークと考えることにより,自然界の持つ自律的な処理の仕組みを用いて並列分散処理を行うという計算方式である.本研究では,従来のナチュラルコンピューティングで無視されがちな生体系のもつ非同期性について計算能力の検証を行うとともに,非同期性を考慮したアルゴリズムの提案を行う.また,並列処理を用いて非同期性を考慮した計算モデルのシミュレータの開発を行い,そのシミュレータを用いて提案アルゴリズムの正当性,及び,実効性の検証を行う.平成27年度は,以下のような内容を中心に研究を行った.1.平成26年度までに提案したアルゴリズムの改良,及び,新しいアルゴリズムの提案:同期式の膜計算モデルでは提案済みの基本演算である比較交換操作やソートについて,膜計算モデル,及び,その派生計算モデルである数値を扱う膜計算において,効率の良いアルゴリズムの提案を行った.提案されたアルゴリズムは,いずれも短い実行ステップ数で実行可能であることを理論的に示している.2.ナチュラルコンピューティングにおけるその他の計算モデルに対するシミュレータの開発:平成26年度に概ね開発を終了した非同期膜計算シミュレータを元に,生化学反応計算,及び,数値を扱う膜計算に対して,シミュレータの開発を行った.なお,当初予定していたGPGPUを用いた並列計算シミュレータについては,開発が難航しており現在も構築中である.また,開発されたシミュレータを用いて,平成27年度に提案したアルゴリズムの有効性や妥当性の検討も行った.新しい計算パラダイムの1つとして注目を集めているナチュラルコンピューティングは,細胞などの各資源の活動を並列分散処理における計算資源として用いて,自然界における様々な性質や原理を元に計算を行うモデルである.本研究では,従来のナチュラルコンピューティングで無視されがちな生体系のもつ非同期性について計算能力の検証を行うとともに,非同期性を考慮したアルゴリズムの提案を行う.また,並列処理を用いて非同期性を考慮した計算モデルのシミュレータの開発を行い,そのシミュレータを用いて提案アルゴリズムの正当性,及び,実効性の検証を行う.膜計算以外のナチュラルコンピューティングにおける基本演算アルゴリズムの提案については,2件の国際会議発表,及び,2件の国内発表として研究内容の公表を行った.また,今年度の研究成果として,平成27年度に2件の国際会議発表を検討している.また,非同期性を考慮した並列計算シミュレータについては開発は概ね終了しており,現在提案アルゴリズムの検証を行っている.