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ガリウムヒ素暴露の生物学的モニタリングおよび基礎的研究

本研究は動物実験でのガリウムヒ素(GaAs)の生体内動態に関する基礎的研究,そして低レベルのGaAsおよび無機ヒ素暴露に対応できる生物学的モニタリングの確立を目的に実施した.GaAsの生体内動態:GaAsはin vitroでの実験から既存の無機ヒ素化合物に比較して難溶性であった. in vivoの実験から, GaAsは体内でその一部分は溶解して無機ヒ素とガリウムに分離することが明らかとなった.GaAsの消化管および腹腔内での溶解度は尿中ヒ素排泄率から約0.3%未満であったことから,体内での溶解性は極めて低いことが示唆された.他方,体内で分離して生成した無機ヒ素は,そのままの化学形態で臓器・組織に沈着することはなく,その大部分はメチル化され,メチルアルソン酸とジメチルアルシン酸に変換することが明らかとなった.GaAsは難溶性であることから,他の無機ヒ素化合物に比較して毒性の低いヒ素化合物といえる.GaAsおよび無機ヒ素暴露の生物学的モニタリング:GaAs取り扱い作業者では,作業後の尿中無機ヒ素濃度は作業前に比較して上昇する傾向が示された.この結果から,従来では低レベルの無機ヒ素暴露を尿中総ヒ素濃度の測定では評価することは不可能であったが,尿中ヒ素を化学形態別に測定し,尿中無機ヒ素濃度の値を用いることにより暴露を鋭敏に判定することを可能とした.さらに本法では,職業性に暴露されたヒ素(無機ヒ素)と食事由来のヒ素(主に魚貝類;アルセノベタイン)を明確に区別することを可能にしたことから,従来の方法より極めて精度の高い評価方法を確立できた.GaAs単結晶製造および加工作業では,軽度のGaAs暴露の存在することは尿中無機ヒ素濃度から判明したが,しかし無機ヒ素暴露のレベルは低いことから,ただちに無機ヒ素による健康障害を懸念する作業状態にないことが明らかとなった.本研究は動物実験でのガリウムヒ素(GaAs)の生体内動態に関する基礎的研究,そして低レベルのGaAsおよび無機ヒ素暴露に対応できる生物学的モニタリングの確立を目的に実施した.GaAsの生体内動態:GaAsはin vitroでの実験から既存の無機ヒ素化合物に比較して難溶性であった. in vivoの実験から, GaAsは体内でその一部分は溶解して無機ヒ素とガリウムに分離することが明らかとなった.GaAsの消化管および腹腔内での溶解度は尿中ヒ素排泄率から約0.3%未満であったことから,体内での溶解性は極めて低いことが示唆された.他方,体内で分離して生成した無機ヒ素は,そのままの化学形態で臓器・組織に沈着することはなく,その大部分はメチル化され,メチルアルソン酸とジメチルアルシン酸に変換することが明らかとなった.GaAsは難溶性であることから,他の無機ヒ素化合物に比較して毒性の低いヒ素化合物といえる.GaAsおよび無機ヒ素暴露の生物学的モニタリング:GaAs取り扱い作業者では,作業後の尿中無機ヒ素濃度は作業前に比較して上昇する傾向が示された.この結果から,従来では低レベルの無機ヒ素暴露を尿中総ヒ素濃度の測定では評価することは不可能であったが,尿中ヒ素を化学形態別に測定し,尿中無機ヒ素濃度の値を用いることにより暴露を鋭敏に判定することを可能とした.さらに本法では,職業性に暴露されたヒ素(無機ヒ素)と食事由来のヒ素(主に魚貝類;アルセノベタイン)を明確に区別することを可能にしたことから,従来の方法より極めて精度の高い評価方法を確立できた.GaAs単結晶製造および加工作業では,軽度のGaAs暴露の存在することは尿中無機ヒ素濃度から判明したが,しかし無機ヒ素暴露のレベルは低いことから,ただちに無機ヒ素による健康障害を懸念する作業状態にないことが明らかとなった.Gallium arsenide(GaAs)の結晶製造および加工に従事する作業者について、頭髪と尿中のヒ素を化学形態別に測定し、無機ヒ素暴露の生物学的モニタリングを確立した。作業者および対照群の頭髪中から検出したヒ素は、無機ヒ素とジメチルアルシン酸(DMAA)であり、そのうちDMAAは体内性ヒ素と判断できるが、無機ヒ素は環境中のヒ素汚染を反映しており頭髪中のヒ素の測定は生物学的モニタリングとして用いるより、作業環境中のヒ素汚染の指標として有効であった。無機ヒ素暴露作業者群の尿中無機ヒ素濃度は、作業前と後では統計的に差がみられ(t-test,p<0.05)、この現象は作業期間中の無機ヒ素暴露を示すものであった。無機ヒ素暴露の生物学的モニタリングには、尿中ヒ素を化学形態別に測定し、無機ヒ素濃度の増加した量により評価することが精度の高い方法であった。さらに、この方法を用いると、作業からの無機ヒ素暴露と食事由来のトリメチルヒ素化合物に区別することが可能となった。GaAsの生体影響についての動物実験から、GaAs(101000mg/kg)を一回経口および腹腔内投与した結果、体内でGaAsは溶解し、その一部分は無機ヒ素とガリウムに分解することが示された。しかし、経口および腹腔内投与における溶解度を尿中ヒ素排泄量でみると、投与量に対して約0.5%未満であることから、溶解性は極めて低いことが明らかになった。さらに、GaAsから溶出した無機ヒ素は体内にそのままの化学形態で沈着することはなく、その大部分はメチル化され、メチルアルソン酸とDMAAに変換された。

実験動物にGaAsを1000mg/kg一回経口投与しても、消化管粘膜には軽度の障害しかなく、GaAsは既存の無機ヒ素化合物に比較すると毒性はかなり弱いものと推測されそれはGaAsの溶解性が低いことに起因しているものと思われた。
ヒトの目における瞳孔径及び焦点調節変動の計測と解析

本年度、瞳孔径変動および関連の深い心拍、呼吸信号を同時記録する新しい実験を行うと共に生体時系列信号の解析手法について検討を加えた。方法論的検討として心拍等点時系列として観測される信号の解析法について検討し、特に心拍ゆらぎ現象の1/fスペクトル解析にDCSI(Derivative of Cubic Spline Interpolation)法が有効であることを示した。(裏面研究発表3,5,6)また、呼吸信号のように狭帯域信号を入力とする場合のシステム同定に有効な「雑音注入法」と呼ぶ方法を開発した。これは、入力信号の帯域と相補的なスペクトル構造を持つ雑音を入力に注入することによりシステム伝達関数の推定を安定化する方法であり、呼吸から瞳孔径、呼吸から心拍などへの伝達特性推定に有効に応用し得る(研究発表2)。実験的な研究として、瞳孔径変動、心拍、呼吸信号の同時記録を行い瞳孔径変動の基本的な性質を明らかにした。すなわち、呼吸性変動の存在をスペクトル解析により初めて定量的に示し、さらに20分間の長時間記録から0.1Hz以下の低周波帯域で1/fスペクトル特性、0.1Hz以上の帯域ではf3乗分の1の特性を示すことが明らかになった。この結果から瞳孔径変動が心拍ゆらぎと同様自律神経機能の無侵襲的状態推定に応用し得ること、及び心拍ゆらぎが点時系列という限られた情報に拘束されるのに比べ連続過程であることからより高周波数までその特性を調べることができるなどの利点をもつことを明らかにした(研究発表1,4)。
乾癬病態形成の可視化を通した創薬基盤の形成

乾癬発症に必須であるIL-17の産生制御メカニズムについて、マウス乾癬モデルにライブイメージングの手法を組み合わせることで解析した。マウス乾癬モデルとして、イミキモド誘発乾癬モデルを用いた。同モデルでは、gamma delta T細胞が、樹状細胞からのIL-23刺激をうけてIL-17を産生する。従って、皮膚樹状細胞とgamma delta T細胞の動態と相互作用についてそれぞれのレポーターマウスを組み合わせてライブイメージングにより観察した。皮膚樹状細胞とgamma delta T細胞は、皮膚で頻繁な相互作用をしている様子が認められた。インビトロにおいて樹状細胞とgamma delta T細胞を使ったケモタキシスアッセイを行ったところ、樹状細胞からの液性因子が、gamma delta T細胞の遊走を促進している可能性が示唆された。gamma elta T細胞の活性因子としてトロンボキサン、遊走因子としてロイコトリエンを同定した。ロイコトリエンがgamma delta T細胞の遊走、樹状細胞との相互作用を制御している可能性が示唆された。その作用についてマウスの乾癬モデルで検証をおこなった。ロイコトリエン拮抗薬の投与により乾癬炎症は減弱した。また皮膚樹状細胞からのIL-23産生も低下していた。樹状細胞をロイコトリエンで刺激するとIL-23産生が誘導された。またgamma deltaT細胞の所属リンパ節への遊走が有意に障害された。また、ヒトデータベースを用いてロイコトリエン産生酵素と受容体発現について乾癬病変部、非病変部を比較したところ、いずれも病変部において優位に上昇していた。以上から、ロイコトリエンは皮膚樹状細胞のサイトカイン産生と遊走、gammla delta T細胞やTh17細胞の遊走を促進することで、乾癬病態に促進的作用をしている可能性が示唆された。乾癬病態形成にはIL-23とIL-17が必須サイトカインである。イミキモド誘発マウス乾癬モデルにおいては、IL-23は皮膚樹状細胞、IL-17はgamma-delta T細胞であることがわかっている。これら同モデルをもちいて、これらサイトカインの産生タイムコースについて、PCR及びフローサイトメトリーにて検討した。IL-23は、イミキモド外用後2日-3日後にピークに達し、以後徐々に発現が低下することが確認された。IL-17についても、イミキモド外用後約3日後にピークに達し、以後ほぼ横ばいから徐々に低下していくことが観察された。次に、イミキモド外用後の皮膚樹状細胞とgamma-delta T細胞の局在について検討した。まず樹状細胞のレポーターマウスであるCD11cYFPマウスと、gamma-delta T細胞のレポーターマウスであるTCRd-H2B-GFPマウスを用いて、ダブルレポーターマウスを作成した。定常状態において同ダブルレポーターマウス皮膚を観察すると、皮膚樹状細胞とgamma-delta T細胞は定常状態においても頻繁に相互作用をおこし、共局在している様子が多く観察された。イミキモド外用後においても同様の所見が観察された。予定した実験はほぼ順調に遂行された。皮膚でのIL-17産生の経時的変化を検討したところ、イミキモド外用3日目にピークを迎え、以後ほぼ横ばいで推移した。このことから、樹状細胞がgamma delta T細胞を引き寄せる因子を放出している可能性を考え、インビトロにおいて樹状細胞とgamma delta T細胞を使ったケモタキシスアッセイを行った。その結果、樹状細胞からの何らかの液性因子が、gamma delta T細胞の遊走を促進している可能性が示唆された。樹状細胞からの因子として、脂質メディエーターの関与に仮説をたてた。脂質メディエーターの中でも、樹状細胞はトロンボキサンを多く産生する。トロンボキサンはgamma delta T細胞の遊走には影響しなかったが、IL-17産生を促進した。すなわち、皮膚樹状細胞はgamma delta T細胞と物理的に近傍に存在することで、gamma delta T細胞の活性を誘導しやすい状態にあること、また樹状細胞からのトロンボキサンが、乾癬モデルにおけるIL-17産生を促進している可能性が示唆された。予定された実験はほぼ順調に遂行された。さらに、樹状細胞から産生される、gamma delta T細胞機能制御の候補因子を見出した。

皮膚樹状細胞とgamma delta T細胞は、皮膚で頻繁な相互作用をしている様子が認められた。このことから、樹状細胞がgamma delta T細胞を引き寄せる因子を放出している可能性を考え、インビトロにおいて樹状細胞とgamma delta T細胞を使ったケモタキシスアッセイを行った。その結果、樹状細胞からの何らかの液性因子が、gamma delta T細胞の遊走を促進している可能性が示唆された。樹状細胞からの因子として、脂質メディエーターの関与に仮説をたてた。gamma elta T細胞の活性因子としてトロンボキサン、遊走因子としてロイコトリエンを同定した。皮膚樹状細胞はgamma delta T細胞と物理的に近傍に存在することで、gamma delta T細胞の活性を誘導しやすい状態にあること、また樹状細胞からのトロンボキサンが、乾癬モデルにおけるIL-17産生を促進していることを証明した。またロイコトリエンがgamma delta T細胞の遊走、樹状細胞との相互作用を制御している可能性が示唆された。予定された実験はほぼ順調に遂行された。さらに、樹状細胞から産生される、gamma delta T細胞機能制御の候補因子としてトロンボキサンを見出し、報告した。またgamma delta T細胞の遊走制御因子としてロイコトリエンを同定し、現在その詳細な解析をすすめている。乾癬発症に必須であるIL-17の産生制御メカニズムについて、マウス乾癬モデルにライブイメージングの手法を組み合わせることで解析した。マウス乾癬モデルとして、イミキモド誘発乾癬モデルを用いた。同モデルでは、gamma delta T細胞が、樹状細胞からのIL-23刺激をうけてIL-17を産生する。従って、皮膚樹状細胞とgamma delta T細胞の動態と相互作用についてそれぞれのレポーターマウスを組み合わせてライブイメージングにより観察した。インビトロにおいて樹状細胞とgamma delta T細胞を使ったケモタキシスアッセイを行ったところ、樹状細胞からの液性因子が、gamma delta T細胞の遊走を促進している可能性が示唆された。ロイコトリエンがgamma delta T細胞の遊走、樹状細胞との相互作用を制御している可能性が示唆された。その作用についてマウスの乾癬モデルで検証をおこなった。ロイコトリエン拮抗薬の投与により乾癬炎症は減弱した。また皮膚樹状細胞からのIL-23産生も低下していた。樹状細胞をロイコトリエンで刺激するとIL-23産生が誘導された。またgamma deltaT細胞の所属リンパ節への遊走が有意に障害された。
複数の動的輪郭モデルの競合による領域抽出法に関する研究

画像から対象物体の領域を正確・頑健に抽出することを目的として,領域ベースの動的輪郭モデル(ACM)を領域抽出に用いる手法が提案されている.この手法は,ACM内外の広い領域で画像特徴の分布を求め,これをACMの制御に反映することで領域抽出の精度・頑健性を向上させている.しかし従来提案されている手法では,画像特徴の分布を効率的かつ効果的にACMの制御に反映し領域抽出処理へ導入するという観点からは十分検討が行われておらず,必要以上に処理量が増加したり複雑な輝度パターンを持つ抽出対象には適用できない等の問題が生じていた.本研究では,この問題に対処するため,ACM周囲の限定された領域に対するクラスタリングと画像特徴の分布に基づくACMの制御とを反復することにより画像特徴の分布を効率的かつ効果的に領域抽出処理へ導入する手法を提案する.提案手法は,画像特徴の分布を求める領域をACMの周囲に限定することで,処理量が必要以上に増加することを防ぎ,さらに,この領域を画像特徴が均一となる部分領域にクラスタリングし,部分領域毎に求めた画像特徴の分布をACMの制御に用いることで領域抽出精度・安定性の向上を図っている.提案手法の有効性は,実画像を用いた領域抽出実験を通して確認された.対象領域の範囲を限定する領域ベースのACMでは,探索領域の適切な配置(探索領域の長さ・幅,ACM上での配置箇所等のパラメータ決定法)が従来から問題となっていた.本研究で提案した手法は,これらのパラメータのうち,探索領域(提案手法では部分領域)の適切な長さ(ACMに沿った方向での大きさ)とACM上での適切な配置箇所とを自動的に決定でき,ACMの実用性・利便性を高める手法であると考える.しかしながら,探索領域の幅(ACMに直交する方向での大きさ)については,提案手法でも自動的に決定されず,利用者が適切な値を指定する必要がある.探索領域の適切な幅を画像特徴のみから決定することは非常に困難であり,この問題を解決するためには,抽出対象の形状に関する事前知識などを何らかの形で抽出処理に導入する必要があると考えられる.画像から対象物体の領域を正確・頑健に抽出することを目的として,領域ベースの動的輪郭モデル(ACM)を領域抽出に用いる手法が提案されている.この手法は,ACM内外の広い領域で画像特徴の分布を求め,これをACMの制御に反映することで領域抽出の精度・頑健性を向上させている.しかし従来提案されている手法では,画像特徴の分布を効率的かつ効果的にACMの制御に反映し領域抽出処理へ導入するという観点からは十分検討が行われておらず,必要以上に処理量が増加したり複雑な輝度パターンを持つ抽出対象には適用できない等の問題が生じていた.本研究では,この問題に対処するため,ACM周囲の限定された領域に対するクラスタリングと画像特徴の分布に基づくACMの制御とを反復することにより画像特徴の分布を効率的かつ効果的に領域抽出処理へ導入する手法を提案する.提案手法は,画像特徴の分布を求める領域をACMの周囲に限定することで,処理量が必要以上に増加することを防ぎ,さらに,この領域を画像特徴が均一となる部分領域にクラスタリングし,部分領域毎に求めた画像特徴の分布をACMの制御に用いることで領域抽出精度・安定性の向上を図っている.提案手法の有効性は,実画像を用いた領域抽出実験を通して確認された.対象領域の範囲を限定する領域ベースのACMでは,探索領域の適切な配置(探索領域の長さ・幅,ACM上での配置箇所等のパラメータ決定法)が従来から問題となっていた.本研究で提案した手法は,これらのパラメータのうち,探索領域(提案手法では部分領域)の適切な長さ(ACMに沿った方向での大きさ)とACM上での適切な配置箇所とを自動的に決定でき,ACMの実用性・利便性を高める手法であると考える.しかしながら,探索領域の幅(ACMに直交する方向での大きさ)については,提案手法でも自動的に決定されず,利用者が適切な値を指定する必要がある.探索領域の適切な幅を画像特徴のみから決定することは非常に困難であり,この問題を解決するためには,抽出対象の形状に関する事前知識などを何らかの形で抽出処理に導入する必要があると考えられる.本年度の研究により,一つの抽出対象へ複数の動的輪郭モデル(ACM)を適用し複数の小領域の集合として対象領域全体を抽出する手法に関して以下の成果が得られた.1.複数のACMの初期設定法に関する検討画像特徴に基づいた統計測度で複数のACMを制御する場合,正確な領域抽出を行うためには,初期設定の段階から各閉曲線Cが囲む領域内で画像特徴を均一に保つ必要がある.この条件を満たすには,画像中特徴量が比較的均一な箇所を複数選び,そこにCを設定する必要がある.このような作業を全て手動で行うことは大変な労力を要するため,本研究では,対象領域の内外へ少数の初期曲線Lを設定し,この初期曲線群から多数のCを自動的に生成することで初期設定に要する手間の軽減を図るアプローチについて検討を行い,次の手法を提案した.・各Lを複数の曲線片Sに分割し,得られたSを各々膨張させることにより多数のCを生成する手法.・その際,各L内での画像特徴に基づいて階層的クラスタリングを行い,Lを複数のSに分割する際の最適な分割箇所(画像特徴の各S内での分散を最小とする箇所)を自動的に決定する手法.・Lを複数のSに分割する際に,AICを用いることで適切な分割数(Sの個数)を決定する手法

.2.プロトタイプ・プログラムの実装および評価プロトタイプ・プログラムを実装し,上記提案手法についての評価実験を行った結果,以下の知見が得られた.・提案手法により,領域抽出精度を低下させることなく,初期設定に要する手間の削減が可能であることが検証できた.・提案手法を用いることにより,適切な分割数が決定できることが確認できた.・提案手法では,Lの設定箇所を変えても抽出結果が大きく変化しないことが確認できた.画像から対象物体の領域を正確・頑健に抽出することを目的として,領域ベースの動的輪郭モデル(ACM)を領域抽出に用いる手法が提案されている.この手法は,ACM内外の広い領域で画像特徴の分布を求め,これをACMの制御に反映することで領域抽出の精度・頑健性を向上させている.しかし従来提案されている手法では,画像特徴の分布を効率的かつ効果的にACMの制御に反映し領域抽出処理へ導入するという観点からは十分検討が行われておらず,必要以上に処理量が増加したり複雑な輝度パターンを持つ抽出対象には適用できない等の問題が生じていた.本年度の研究では,この問題に対処するため,ACM周囲の限定された領域に対するクラスタリングと画像特徴の分布に基づくACMの制御とを反復することにより画像特徴の分布を効率的かつ効果的に領域抽出処理へ導入する手法の提案を行った.提案手法は,画像特徴の分布を求める領域をACMの周囲に限定することで,処理量が必要以上に増加することを防ぎ,さらに,この領域を画像特徴が均一となる部分領域にクラスタリングし,部分領域毎に求めた画像特徴の分布をACMの制御に用いることで領域抽出精度・安定性の向上を図っている.提案手法の有効性は,実画像を用いた領域抽出実験を通して確認された.対象領域の範囲を限定する領域ベースのACMでは,探索領域の適切な配置(探索領域の長さ・幅,ACM上での配置箇所等のパラメータ決定法)が従来から問題となっていた.本研究で提案した手法は,これらのパラメータのうち,探索領域(提案手法では部分領域)の適切な長さ(ACMに沿った方向での大きさ)とACM上での適切な配置箇所とを自動的に決定でき,ACMの実用性・利便性を高める手法であると考える.しかしながら,探索領域の幅(ACMに直交する方向での大きさ)については,提案手法でも自動的に決定されず,利用者が適切な値を指定する必要がある.探索領域の適切な幅を画像特徴のみから決定することは非常に困難であり,この問題を解決するためには,抽出対象の形状に関する事前知識などを何らかの形で抽出処理に導入する必要があると考えられる.
新生仔ラット脊髄切断モデルにおける補償的一次感覚神経投射の解析

脊髄を新生仔期に切断したラットと幼若期に切断したラットにおける後肢運動機能回復の違いには、腰髄運動ニューロン周囲に形成されるペリニューロナルネット(PNN)が関係していると考え、PNNの主成分であるコンドロイチン硫酸(CS)の発現を脊髄切断2週後に調べたところ、新生仔期に脊髄を切断したラットでは、CS-A陽性PNNとCS-C陽性PNNの発現率はともに無傷群に比べ低かったのに対し、幼若期に脊髄を切断したラットでは、CS-C陽性PNNの発現率が無傷群に比べ高い傾向がみられた。このことから、CS-C陽性PNNの発現が一次感覚神経と運動ニューロンとのシナプス形成に影響を与えていると考え、平成30年度は新生仔期脊髄切断群と幼若期脊髄切断群のL5後根神経節に順行性トレーサーであるデキストランアミン(DA)を注入することで一次感覚神経を標識し、腰髄運動ニューロンに投射する一次感覚神経とPNNとの関係を調べた。その結果、腰髄運動ニューロンに投射する一次感覚神経の大部分は、運動ニューロンの細胞体においてCS-AやCS-Cに覆われていない部分に終末していることが明らかになった。このことから、PNNにおけるCS-AとCS-Cはともに、一次感覚神経の運動ニューロンへのシナプス形成に抑制性の役割を果たしていることが示唆された。また、これまでの研究から、腰髄運動ニューロン周囲のPNNにおいて、CS-Aは正常の発達過程とともに徐々に減少するのに対し、CS-Cは増加することが明らかになった。両者の違いは、運動機能の発達に関連するシナプス入力の調節に関係している可能性がある。新生仔期に脊髄を完全切断したラットにおける、脊髄内一次感覚神経の代償的投射パターンの経時的変化を検討した。(1)P5に胸髄を切断したモデルにおいて、切断して2週経過後(P19)に、トレーサーをL5後根神経節に注入して、P26における前角や中間質への投射パターンを観察したところ、無傷群やsham群に比較して、軸索長や終末数が増加していることが確かめられた。このことより、新生仔脊髄損傷後の脊髄内一次感覚神経投射の増加は、損傷して早い段階から起こることが明らかとなった。(2)一方、P20に胸髄を切断したモデルにおいて、切断13日経過後(P33)に、トレーサーをL5後根神経節に注入して、P40における前角や中間質への投射パターンを観察したところ、無傷群やsham群と比較して、軸索長や終末数が増加しており、P5に胸髄を切断したモデルとほぼ同様であることが確かめられた。しかし、P20で切断したモデルでは後肢の運動機能はほとんど見られなかった。このことより、P20切断モデルでは何らかの理由により、脊髄内一次感覚神経投射の増加が機能回復に結び付かないことが示唆された。(3)そこで、P5に胸髄を切断したモデルとP20に胸髄を切断したモデルにおいて、腰髄の運動ニューロンにおけるPerineuronal netsの発現を、Perineuronal netsの構成成分であるコンドロイチン硫酸(CS)に対する抗体を用いた免疫組織化学で解析した。その結果、P5に胸髄を切断したモデルではP40におけるCSの発現は無傷群に比べ減弱していたのに対し、P20に胸髄を切断したモデルではP40におけるCSの発現は著しく増加していた。このことから、Perineuronal netsの発現パターンの違いが、運動機能の回復に影響を及ぼしている可能性があると考えられた。当初の28年度の研究実施計画では、(1)P5に胸髄を切断したモデルにおいて、一次感覚神経の前角や中間質への投射を解析する実験は、切断1週経過後(P12)、切断3週経過後(P26)でも行う予定であったが、例数不足により十分な解析ができなかった。(2)また、P10、P15、P25に胸髄を切断したモデルでも、P40における一次感覚神経の前角や中間質への投射を解析する予定であったが、これも、例数不足により十分な解析ができなかった。(3)また、当初予定していた、一次感覚神経と運動ニューロンとのシナプスの確認は未実施となっている。(4)それに対し、当初29年度の実施予定であった、Perineuronal netsの発現解析は、予定を早めて、28年度中に実施を開始し、一定の成果を得た。このため、全体としてみれば、進捗状況は当初の計画の範囲内と評価できる。脊髄を新生仔期(P5)に完全切断したラットにおいては、補償的一次感覚神経の脊髄投射が増加し、運動機能の回復も認められる。一方、脊髄を幼若期(P20)に完全切断したラットにおいては、補償的一次感覚神経の脊髄投射が増加するにも関わらず運動機能の回復はみられない。私たちは腰髄運動ニューロンにおけるPerineuronal nets(PNNs)の発現パターンの違いが運動機能の回復に影響を及ぼしている可能性があると考え、P5, P10, P15, P20に胸髄を完全切断したモデルを作成し、それぞれ2週間後におけるPNNを、コンドロイチン硫酸(CS)鎖の主成分であるCS-AとCS-Cに着目して解析した。その結果、CS-A陽性PNNの発現率は、運動機能が回復しないP15完全切断モデルにおいてコントロールに比較して有意に低下し、P20完全切断モデルにおいても低いままだった。

これに対し、CS-C陽性PNNの発現率は、運動機能が回復しないP15完全切断モデルにおいてコントロールに比較して有意に上昇しており、P20完全切断モデルにおいても高いままだった。一方、運動機能が回復するP10完全切断モデルにおいてはコントロールと比較して低い傾向がみられた。このことから、CS-C陽性PNNが一次感覚神経と運動ニューロンとのシナプス形成を阻害している可能性があると考え、P20完全切断モデルにおいて両者の関係を詳細に観察したところ、CS-C陽性PNNを発現している運動ニューロンには神経終末が認められないのに対し、CS-C陽性PNNを発現していない運動ニューロンには神経終末が確認された。したがって、PNNに発現しているCS-Cはシナプス形成を阻害することによって、幼若期に完全切断を受けたラットの運動機能の回復を抑制している可能性が示唆された。当初の29年度の研究実施計画では、Perineuronal nets(PNNs)の解析に、CS-56やDSD-1など、コンドロイチン硫酸プロテオグリカン全体を標識する抗体を用いた免疫組織化学を予定していたが、28年度中に行った予備的実験において、PNNにおけるコンドロイチン硫酸の発現が、主成分であるCS-AとCS-Cで大きく異なっている可能性があることに気付いたため、両者を別々に解析することにした。したがって、当初の予定より解析に時間がかかってしまったが、結果として興味深い知見を得ることができた。一方、当初28年度に予定していて、29年度中には着手するつもりでいた、(1)P5完全切断モデルにおける一次感覚神経の前角や中間質への投射の解析、(2)P10, P15, P25完全切断モデルにおける一次感覚神経の前角や中間質への投射の解析、(3)一次感覚神経と運動ニューロンとのシナプスの確認、は実施できなかった。また、当初29年度に予定していた、一次感覚神経における神経栄養因子受容体発現の検討も実施できなかった。脊髄を新生仔期に切断したラットと幼若期に切断したラットにおける後肢運動機能回復の違いには、腰髄運動ニューロン周囲に形成されるペリニューロナルネット(PNN)が関係していると考え、PNNの主成分であるコンドロイチン硫酸(CS)の発現を脊髄切断2週後に調べたところ、新生仔期に脊髄を切断したラットでは、CS-A陽性PNNとCS-C陽性PNNの発現率はともに無傷群に比べ低かったのに対し、幼若期に脊髄を切断したラットでは、CS-C陽性PNNの発現率が無傷群に比べ高い傾向がみられた。このことから、CS-C陽性PNNの発現が一次感覚神経と運動ニューロンとのシナプス形成に影響を与えていると考え、平成30年度は新生仔期脊髄切断群と幼若期脊髄切断群のL5後根神経節に順行性トレーサーであるデキストランアミン(DA)を注入することで一次感覚神経を標識し、腰髄運動ニューロンに投射する一次感覚神経とPNNとの関係を調べた。その結果、腰髄運動ニューロンに投射する一次感覚神経の大部分は、運動ニューロンの細胞体においてCS-AやCS-Cに覆われていない部分に終末していることが明らかになった。このことから、PNNにおけるCS-AとCS-Cはともに、一次感覚神経の運動ニューロンへのシナプス形成に抑制性の役割を果たしていることが示唆された。また、これまでの研究から、腰髄運動ニューロン周囲のPNNにおいて、CS-Aは正常の発達過程とともに徐々に減少するのに対し、CS-Cは増加することが明らかになった。両者の違いは、運動機能の発達に関連するシナプス入力の調節に関係している可能性がある。
抗好中球細胞質抗体(ANCA)の産生抑制に関する研究

MPO-ANCA陽性患者単核球培養上清中に産生されるサイトカインはインターロイキン(IL)-2、インターフェロン(IFN)-γで、MPO-ANCAもELISAで検出し得た。また補体依存性CD4killingおよびシクロスポリン(CsA)添加によりANCA産生が抑制されることにより、MPO-ANCA産生担当リンパ球はTh1であることが明らかになった。
顎関節内障の関節組織および滑膜細胞の血管内皮細胞増殖能と発病物質産生能の解析

ドイツ連邦共和国Tubingen大学解剖学教室で、ヒト屍体顎関節の外側翼突筋の円板付着形式と顎関節円板の転位の関係を解析したが転位と付着様式には因果関係が検索できなかったものの、転位変形した関節円板内には、著しいケラタン硫酸やコンドロイチン硫酸の円板内前方への偏在を認め、顎関節関節滑膜が著しく肥厚している事実を確認した。著しい変形を伴った顎関節症の滑膜には糖蛋白の一つであるテネシンが大量に産生されて、重度に円板が変形した顎関節症例では細胞外基質を分解するコラーゲン分解酵素マトリックスメタロプロテアーゼ(MMPs)の分布と、テネシンの発現部位とが重複し、円板細胞外基質の分解と再構成が同時に起こっていることを報告した。また、顎関節症では患部疼痛を伴うので疼痛発現との関係を検索するためニューロペプタイドのサブスタンス-PやCOx-1の分布を検索し、肥厚した滑膜周辺の血管周囲に発現する事実をに報告した。さらに顎関節症患者の滑膜細胞系を樹立し、癒着程度の異なった顎関節滑膜細胞をサイトカインのインターロイキン1β(1L-1β)1ng/mlにて刺激するとVascular endothelial growthfactor(VEGF)やProstaglandinが滑膜細胞からオートクラインに高い濃度で産生されて、重度の痛みをともなう症例の顎関節円板内にはVEGFが対照の正常円板より多く存在することが免疫組織化学的にも判明した。さらには、ストレス蛋白のHSP-47が重度の変形をともなう顎関節円板前方内側の特定の部分に局在したが、HSC-70は常時圧力が加わると考えられる円板組織内に層状に分布することを免疫組織化学的に解明した。顎関節内障の誘因の一部には、物理的応力や酸素分圧の変化などが引金となって顎関節滑膜細胞がある種の形質転換を起こし細胞自身がサイトカインの異常分泌を起こし、滑膜細胞の異常増殖とそれに基ずくVEGFやV-CADの過剰発現、毛細血管新生さらには細胞外基質の分布の偏向が生じ、顎関節円板変化そして滑膜の癒着による開口障害、発痛物質の発現が起きているのでないかと考え以下の実験を施行した。1)ヒト顎関節滑膜細胞の培養に関する報告は皆無であり、まずその培養条件を確立することを第一目標とした。顎関節から採取できうる滑膜の絶対量は他関節滑膜に比較して著しく少量で、膝関節滑膜培養法に準じて滑膜細胞以外の組織を物理的または化学的に除去すると、わずかの細胞しか残存しない。試みた設定条件は、顎関節内障患者10症例および顎関節骨軟骨腫症の1症例より採取した顎関節滑膜を小塊に切り刻んだ後、コラグナーゼ処理を加え、顎関節滑膜細胞を分離した後、D-MEM培地のみ、5%または10%ウシ血清アルブミン含有D-MEM培地であった。その結果、D-MEM培地のみ,5%ウシ血清アルブミン含有D-MEM培地の群では、ほとんど細胞増殖は観察できなかったが、10%ウシ血清アルブミン含有D-MEM培地の群で24時間経過すると滑膜の増殖が観察できた。2)樹立できた滑膜細胞をELISA法にて検定した結果、少量であるがVEGF産生を認めた.さらにサイト力インIL-1βを1ng/ml加え、24時間培養したところVEGF産生量が刺激開始時の約200倍に増加し、免疫組織化学的にも培養細胞内に陽性反応を確認できた。3)顎関節骨軟骨腫症の1症例より採取した顎関節滑膜細胞にサイトカインIL-1βを1ng/

ml加え培養を24時間継続したところ、IL-1βを加えずに培養した群からはV-CADの産生力が認められなかったが、加えた群からはV-CADの産生が免疫組織化学的に確認できた、ドイツ連邦共和国Tubingen大学解剖学教室で、ヒト屍体顎関節の外側翼突筋の円板付着形式と顎関節円板の転位の関係を解析したが転位と付着様式には因果関係が検索できなかったものの、転位変形した関節円板内には、著しいケラタン硫酸やコンドロイチン硫酸の円板内前方への偏在を認め、顎関節関節滑膜が著しく肥厚している事実を確認した。著しい変形を伴った顎関節症の滑膜には糖蛋白の一つであるテネシンが大量に産生されて、重度に円板が変形変位した顎関節症例では細胞外基質を分解するコラーゲン分解酵素マトリックスメタロプロテアーゼ(MMPs)の分布と、テネシンの発現部位とが重複し、円板細胞外基質の分解と再構成が同時に起こっていることを報告した。また、顎関節症では患部疼痛を伴うので疼痛発現との関係を検索するためニューロペプタイドのサブスタンス-PやCOx-1の分布を検索し、肥厚した滑膜周辺の血管周囲に発現する事実を報告した。さらに顎関節症患者の滑膜細胞系を樹立し、癒着程度の異なった顎関節滑膜細胞をサイトカインのインターロイキン1β(IL-1β)1ng/mlにて刺激するとVascular endothelial growthfactor(VEGF)やProstaglandinが滑膜細胞からオートクラインに高い濃度で産生されて、重度の痛みをともなう症例の顎関節円板内にはVEGFが対照の正常円板より多く存在することが免疫組織化学的にも判明した。さらには、ストレス蛋白のHSP-47が重度の変形をともなう顎関節円板前方内側の特定の部分に局在したが、HSC-70は常時圧力が加わる考えられる円板組織内に層状に分布することを免疫組織化学的に解明した。
統語論と談話・情報構造とのインターフェイス：問いとその答えの表現形式を巡って

Yes/No疑問文とその答を生成文法の枠組みで扱ったHolmberg (2016)を詳細に検討した。HolmbergはYesやNoといった応答詞だけの答も、Yes/No疑問文の一部のコピーを含んだ文の構造を持っており、それが音声としては削除されて発音されるので、意味解釈としては文として解釈されるという分析を提案し、また、Yes/No疑問文の答えとして、日本語のように「はい、行きました」と動詞を繰り返す言語と、英語のように'Yes, he did.'と動詞を繰り返さない言語があることを、広範囲にわたる調査で示しているが、今後さらに動詞の屈折や節の構造についての研究を各言語で進める必要があると思われる。また、否定疑問文に対する答がどのように解釈されるのか、という点について、日本語を含むいくつかの言語のデータが調査されているが、特に日本語に関しては句構造の詳細が触れられておらず、さらに検討の余地があると思われる。この本の書評を書いたものがEnglish Linguisticsに掲載された。また、指定擬似分裂文が疑問文とその答から成っているというRoss(1972)やDen Dikkenet al. (2000)の分析を日本語でも支持したIshihara (2017)を再検討した。具体的には、指定擬似分裂文の前提節と焦点句における態のマッチング効果についての統語的な説明に一部問題があることを認識したため、統語的な制約ではなく意味上の制約として、Jackendoff (1990)のアクション階層を用いた主語の意味役割に関する条件を指定擬似分裂文の前提節と焦点句に課す方がより妥当ではないかという結論の至った。家庭の事情により、当初の計画どおりに研究時間を確保することが難しかった。しかし、Holmberg (2016)の検討や、昨年度まで行ってきた指定擬似分裂文の疑問応答分析に関する自らの研究を見直し、その問題点を改善し、よりよい分析案を検討することはできたので、翌年度につなげていきたいと思う。1つの文の中に疑問文とその答が含まれているという指定擬似分裂文の分析を出発点とし、他にも同じような例がないかを検討したいと考えている。たとえば、「大きいの何のって」という表現には、「て」という補文標識のような要素や「何」という疑問詞のような要素が含まれているが、どのようにして「非常に大きい」という意味を含意するような解釈が可能になっているのだろうか。また「何てったってアイドル」というような定型化された表現についても、その成り立ちや解釈の可能性の広がりを調べ、それにかかる条件を明らかにしていきたいと考えている。また断片的な答の解釈がどのように得られるのか、についても、意味や談話情報構造の観点のみならず統語的な観点からもさまざまな提案がされているので、先行研究を批判的に検討し、さらなる検討を進めていきたいと考えている。

また断片的な答の解釈がどのように得られるのか、についても、意味や談話情報構造の観点のみならず統語的な観点からもさまざまな提案がされているので、先行研究を批判的に検討し、さらなる検討を進めていきたいと考えている。平成30年度の学会への参加を取りやめたため、次年度使用額が生じた。今年度、学会に参加するための旅費や書籍の購入費に充てたい。
まちづくりをめざした地域スポーツ振興の戦略的ビジョンと課題

本研究の目的は、地域で取り組まれるスポーツ振興事業への取り組みやそこから生み出された様々な胎動を、単発的なものに留まらせるのではなく、継続的かつ長期的な「まちづくり」というエネルギーに変えるために、各地域がどのようなビジョンや戦略を持って事業に取り組んでいるのかを明らかにすることによって、スポーツ振興とまちづくりの有機的な関係やそのメカニズムを解明することにある。具体的には、地域が取り組むスポーツ振興事業において、その事業によって生み出されたムーブメントをまちづくりにどのようにつなげるのか、そして地域スポーツ振興とまちづくりという花と実をどの様にならせるのかという将来的なビジョンと具体的なアクションについて明らかにし、地域で展開されるスポーツ振興事業の有機的な連携やまちづくりをめざしたスポーツ振興の戦略的課題を関係性マーケティングという視点から検討することにあった。その結果、2年間の継続的なフィールドワークにおいて、次のことが明らかになった。まず、文部科学省によって策定されたスポーツ政策の意味づけと位置づけを再確認する必要がある。例えば、国によって策定された政策が「国→都道府県→市町村」という流れでトリクルダウンし、地方分権に委ねられるという構図ができあがっているため、往々にして地域の実態が反映されることなく、画一的で金太郎アメ型のスポーツ振興が施行される傾向にあるので、行政の役割や機能について再考すべき点がある。また地域振興を進める際に、行政組織において、継続的なスポーツ振興支援システムを確立する必要があるだろう。例えば、専門分野に対する低い理解という以前に、行政担当者の個人の熱意ややる気といったものにスポーツ振興の進捗が左右したり、個人的な資質に依拠しすぎ、行政組織が蓄えるべき組織知がストックされていないということなどがあげられる。今後、施行された政策の評価を視野に入れ、客観的評価の導入と同時に、その内容や地域変容の様相を的確に捉えるべきであろう。そして本年度は、平成12年に文部科学省が策定した「スポーツ振興基本計画」に基づき、各都道府県の教育委員会が独自のスポーツ振興計画を持っているのか、また策定された基本計画に対し、どの様に対応しようとしているのかを探った。その結果、全都道府県中、総合計画内だけの指針ではなく、独自にスポーツ振興計画を持っているのは、スポーツ振興審議会の答申も含めて24府県であった。またスポーツ振興基本計画の中でも中核事業の1つとなっている総合型地域スポーツクラブの育成を支援する広域スポーツセンターに関して、モデル事業の指定地域となっている5道県に対し、総合型クラブの育成とその戦略的ビジョンについてもインタビューを行った。その結果、クラブの立ち上げやその前段階において重要な合意形成において、それぞれの地域で課題を抱えつつも、地域の特性を活かし、クラブ育成のシステム化を図ったり、クラブづくりに対する提案を地道に行っている様子がうかがえた。
パルス電子－電子多重共鳴法を応用した電子－核スピン系の制御と量子情報科学への応用

分子内のスピンを量子ビットとして使用するためには、緩和時間内で多くの操作が必要となるため、操作時間の短縮は重要である。高強度のRFパルスを用いたパルスENDOR法による核スピンの量子状態制御と比較し、MWパルスを用いた核スピンの状態変換では、変換にかかる時間の大幅な短縮や、超微細禁制遷移の制御を通してgn因子の小さい核も扱うことができると期待されるため、メリットが大きい。本報告者は2種のマイクロ波周波数を用いるパルス電子-電子二重共鳴(ELDOR)法を適用することにより、電子-核スピン状態のMWパルスによる状態制御技術(ELDOR-NMR法)の開発と高速制御を目的として、同位体置換ジフェニルニトロキシド2種の希釈単結晶を用いた単結晶パルスELDOR法による電子-核スピン量子状態の評価法を検討した。単結晶が混在する双晶のELDOR-NMRスペクトルでは、各々の単結晶に由来するシグナルの重ね合わせとして多数のシグナルが観測され、複数の結晶の解析を同時に行えることも明らかとなっていたが、詳細な検討は行われていなかった。今回、ジフェニルニトロキシドの双晶におけるELDOR-NMRスペクトルの角度依存性の詳細な検討を行った。各々の単結晶に由来するシグナルの定量的評価を行い、核スピンのNMR遷移とELDOR周波数が矛盾なく対応することをスペクトルシミュレーションを通して説明した。特に、ELDOR-NMR効果が超微細禁制遷移の遷移確率や希釈単結晶の濃度と密接に関連し、遷移確率の大きさや結晶濃度が高精度の状態制御に必要な操作時間を支配することを分光学的に明らかにした。26年度が最終年度であるため、記入しない。今回、ELDOR-NMRスペクトルの角度依存性の詳細な検討を行った。角度依存スペクトルの測定に際しては、分子の配向性の違いによるスペクトルの重なりを防ぐため、Echo検出ESRスペクトルで検出されたシグナルの最も高磁場側において、ELDOR-NMR法を適用した。15N核スピンが測定可能であれば検出されると予測できるENDORスペクトルのシミュレーションを行い、測定されたELDOR-NMRスペクトルと比較した結果、同様の変化が見られ、結晶におけるどの角度においても、ELDOR-NMR法によって15N核の情報が得られることを示した。また、ELDOR効果の定量的検討より、ELDOR-NMR法の適用において、最も効果的な結晶方向がb軸上から10度a軸側にずれた状態であると予測した。単結晶が混在する双晶のELDOR-NMRスペクトルでは、各々の単結晶に由来するシグナルの重ね合わせとして多数のシグナルが観測され、複数の結晶の解析を同時に行えることも明らかとなった。単結晶ELDOR-MMR法によるスペクトルの角度依存性の解析を行い、分光学的見地から、ELDOR効果によるシグナルのNMR遷移との関連性を明らかにし、量子状態制御に有利な配向を推定することにも成功した。また、2つの単結晶が重なった状態において同時測定が行えることを提唱した。

選択的操作が行えれば、分子設計により単結晶試料中で主軸配向の異なる多数の電子スピンや核スピンを利用することが可能となり、量子ビットを増設につながる。これまでに得られた知見を基に、演算に有利な配向において高周波のみで行う電子ー核スピン状態の制御を行い、量子情報処理における演算を実証する。また、双晶に由来する結晶のELDOR-NMRスペクトルの詳細な解析を進めると共に、各シグナルに対応する遷移の選択的操作を試み、ビット増設が物理的手法で簡易に行えることを示す。
懸架鏡の基底状態冷却

レーザー光と機械振動子の結合系を記述するオプトメカニクスの技術を用いることで、レーザー光の輻射圧を利用して振動子の変位量を小さくし実効温度を低下させることが可能となり、究極的には巨視的な振動子の量子力学的な性質を明らかにすることができると期待されている。量子力学における重力の役割を検証するためには様々な質量スケールの振動子を用いることが重要であるが、中でも私たちは、重力波検出器の精密測定技術を応用することができる懸架された鏡(質量はmg程度)に着目し、巨視的重ね合わせ状態の生成に向けて、懸架鏡の振動モードを基底状態まで冷却することを目指した。mgスケールの振動子を冷却するため、棒状鏡をねじれ振り子として用いてその両端で光共振器を構築し、差動信号を取得して回転モードを測定するという新たな手法を考案した。この手法の主な利点は、回転モードは通常の振り子モードと比較して共振周波数が非常に低いため、冷却の障害となる熱雑音を小さく抑えることができる点である。基底状態冷却のためには、着目している振動モードが量子輻射圧揺らぎで駆動されることが必要条件となるため、まずは棒状鏡の回転モードで量子輻射圧揺らぎを観測することを目標とした実験を行った。試験マスとなる振動子は、質量10 mg、長さ15 mmの棒状鏡を直径6umの炭素繊維で懸架したものである。結果として、量子輻射圧揺らぎと測定された雑音の信号雑音比0.14±0.03を達成した。これは、100 Hz付近の輻射圧揺らぎ測定における世界最高の結果であり、mg-g程度の質量の振動子を用いた測定においても世界最高の結果である。今後はさらなる雑音低減や、曲率つき鏡を両端に配置したダンベル型のねじれ振り子光共振器の開発などを行い、より高い信号雑音比での輻射圧揺らぎの観測、および基底状態までの冷却を目指す。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。近年、レーザー光と機械振動子の相互作用を記述するオプトメカニクス分野の研究が非常に盛んである。振動子の機械振動モードをレーザー光の量子的な揺らぎと結合させること、レーザー光の輻射圧を利用して振動子の変位量を小さくし実効温度を低下させることなどが可能であるため、オプトメカニクス研究が巨視的な振動子の量子力学的な性質を明らかにすると期待されている。巨視的量子現象の探査には様々な質量スケールの振動子を用いる必要があるが、中でも私たちは、重力波検出器の分野で培われてきた技術を利用することができる懸架された鏡(質量はmg程度)に着目した。特別研究員としての研究では、懸架鏡の振り子モードを基底状態まで冷却することを目指している。現段階では懸架鏡の振り子モードを10mK程度まで冷却することに成功しており、実効温度を制限している要因がレーザー光の周波数雑音であることが分かっている。昨年度までの段階では周波数雑音が実測されていなかったが、これを実測し確実に周波数雑音が感度を制限していることを突き止めた。さらに、冷却をオフにした際の振動子の温度上昇率が、実測された周波数雑音から見積もられる値と一致していることも確かめられた。さらに、基底状態まで冷却する振動子は、単振り子よりもねじれ振り子の方が有利であることに着目し、熱雑音の評価を行った。基底状態まで冷却する際に障壁となる雑音の一つとして懸架に伴う熱雑音が挙げられるが、これは振動子の共振周波数が低いほど小さくなる。振動子の熱雑音を決めるパラメータであるQ値を実測し、ねじれモードの振り子並進モードに対する優位性が保証されたため、並進モードではなく共振周波数の低いねじれモードを基底状態まで冷却することを目標とした。当初の予定では、1年目の研究で振動子の実効温度を低下させるためのフィードバック冷却の原理検証を行う予定であった。しかし、その原理検証は修士課程での研究において成功しており、博士課程開始時点で計画以上に進展していたのが最大の理由である。今年度の研究では振動子の温度を制限する要因の詳細な調査が可能となり、課題を確実に洗い出すことができた。また、振り子の並進モードより基底状態まで冷却しやすいねじれモードに着目し、冷却のための準備を進めることもできた。以上の理由から、本研究は当初の計画以上に進展していると言える。オプトメカニクスにおいては、振動子の振動モードをレーザー光の量子的な揺らぎと結合させること、レーザー光の輻射圧を利用して振動子の変位量を小さくし実効温度を低下させることなどが可能であり、究極的には巨視的な振動子の量子力学的な性質を明らかにすることができると期待されている。したがって様々な質量スケールの振動子を用いて研究が行われているが、中でも私たちは、重力波検出器の分野で培われてきた技術を応用することができる懸架された鏡(質量はmg程度)に着目した。特別研究員としての研究においては、懸架鏡の振動モードを基底状態まで冷却することを目指している。研究を行っている振動子は、懸架された棒状の鏡(質量10 mg、長さ15 mm)である。

この懸架鏡の両端で光共振器を構築し、その差動モード(回転モード)を基底状態まで冷却することを目標としている。基底状態冷却のためには、着目している振動モードが量子輻射圧揺らぎで駆動されることが必要条件となるため、まずは棒状鏡の回転モードで量子輻射圧揺らぎを観測することを目標として実験を行っている。現在、真空中に配置する懸架系の組み上げが完了し、棒状鏡の両端で光共振器を構築することに成功、2つの共振器の同時ロックにも成功している。また、取得された信号のキャリブレーションの手法として、棒状鏡の曲がりモードを利用することを考案し、適切なキャリブレーション手法が確立された。この手法を用いて、得られた信号を変位感度に較正した。当初はねじれ振り子光共振器のロックが年度末ごろとなる見込みであったが、これを1月下旬に達成した。さらに、棒状鏡の曲がりモードを利用したキャリブレーション方法はこれまでの課題であった適切なキャリブレーションを実現するものであった。したがって、現在までの研究状況は当初の計画以上に進展していると言える。レーザー光と機械振動子の結合系を記述するオプトメカニクスの技術を用いることで、レーザー光の輻射圧を利用して振動子の変位量を小さくし実効温度を低下させることが可能となり、究極的には巨視的な振動子の量子力学的な性質を明らかにすることができると期待されている。量子力学における重力の役割を検証するためには様々な質量スケールの振動子を用いることが重要であるが、中でも私たちは、重力波検出器の精密測定技術を応用することができる懸架された鏡(質量はmg程度)に着目し、巨視的重ね合わせ状態の生成に向けて、懸架鏡の振動モードを基底状態まで冷却することを目指した。mgスケールの振動子を冷却するため、棒状鏡をねじれ振り子として用いてその両端で光共振器を構築し、差動信号を取得して回転モードを測定するという新たな手法を考案した。この手法の主な利点は、回転モードは通常の振り子モードと比較して共振周波数が非常に低いため、冷却の障害となる熱雑音を小さく抑えることができる点である。基底状態冷却のためには、着目している振動モードが量子輻射圧揺らぎで駆動されることが必要条件となるため、まずは棒状鏡の回転モードで量子輻射圧揺らぎを観測することを目標とした実験を行った。試験マスとなる振動子は、質量10 mg、長さ15 mmの棒状鏡を直径6umの炭素繊維で懸架したものである。結果として、量子輻射圧揺らぎと測定された雑音の信号雑音比0.14±0.03を達成した。これは、100 Hz付近の輻射圧揺らぎ測定における世界最高の結果であり、mg-g程度の質量の振動子を用いた測定においても世界最高の結果である。今後はさらなる雑音低減や、曲率つき鏡を両端に配置したダンベル型のねじれ振り子光共振器の開発などを行い、より高い信号雑音比での輻射圧揺らぎの観測、および基底状態までの冷却を目指す。基底状態冷却までの前段階として、懸架鏡のねじれモードを用いて、広い周波数帯でレーザー光の量子輻射圧揺らぎを観測することを目指す。振り子を用いて広い周波数帯で量子輻射圧揺らぎを観測することは、オプトメカニクス研究だけではなく重力波検出器のR&Dという側面からも非常に大きな意義がある。これまで振り子を用いて広い周波数帯で観測した例はなく、量子輻射圧揺らぎ観測自体が世界初の成果となる。続いて、ねじれモードを基底状態まで冷却する実験に取り組む。すでに冷却手法は確立しているため、ねじれモードの変位感度を標準量子限界と呼ばれる測定限界まで上げ、その手法を適用することで基底状態冷却を目指す。