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歩行周期類似の高周波電気刺激による歩行機能再建とその神経基盤の検討

本研究は、歩行周期に類似した高周波感覚刺激であるPESと随意運動の併用することで、PES単独および随意運動単独での介入と比較し、早期に脊髄相反性抑制の増強が可能であり、且つ、その効果が長期に持続することを明らかにした。さらに、脳卒中患者においても、PESと随意運動の併用は、PESによる脊髄相反性抑制の効果を持続させることが示唆された。脳卒中患者において、脊髄相反性抑制の減少は、歩行時の下肢筋の異常な同時収縮と関与することが報告されている。本研究の知見から、脳卒中患者において、歩行時にPESを麻痺した下肢に与えることで、歩行機能の回復に有効な手段となる可能性が示された。研究課題である歩行周期に類似した高周波感覚刺激(PES)を歩行に合わせることによる治療の効果を検証するための基礎的な研究として、適切な介入時間を決定することを目的に、PESと随意運動の組み合わせによる脊髄相反性抑制(RI)の増強を誘導するために必要な介入時間とその持続効果について健常者を対象に検討した。実験1における課題は、PESと足関節背屈運動(背屈運動)、PESのみ、背屈運動のみの3課題とした。評価は、ヒラメ筋H反射において条件-試験刺激法を用いて、拮抗筋である前脛骨筋からヒラメ筋に対するRIを測定した。RI測定は開始前、介入5分後、介入10分後、介入20分後で実施した。その結果、PESと背屈運動を組み合わせた群において、介入前と比較し、介入5分後から有意なRI増強を認めた。PESのみおよび背屈運動のみは、介入前と比較し、介入20分後に有意にRIが増強した。実験2では、実験1と同様の3課題をそれぞれ20分間実施し、RI増強の持続効果を検討した。その結果、PESと背屈運動を組み合わせた群では、介入前と比較し、介入直後から介入終了後20分まで有意なRI増強を認めた。PESのみでは、介入前と比較し、介入終了後10分まで有意なRI増強を認め,随意運動のみでは、介入終了直後においてのみ有意なRI増強を示した。これらの結果から、PESを随意運動と組み合わせた場合には、介入後5分からRI増強効果が得られ、組わせた運動を20分間行うことで、その効果が20分後まで持続することが明らかとなった。これらの知見は、PESを歩行運動に合わせることによる効果の検証を行う上で、介入手法の確立に重要な示唆を与えると考えられる。今後、これらの知見をもとに、脳卒中患者において効果を検証していく予定である。平成26年度において,研究課題である歩行周期類似の高周波電気刺激による歩行機能再建とその神経基盤の検討について,発症後6か月以上が経過した維持期脳卒中片麻痺患者において,歩行周期に類似した高周波感覚刺激であるpatterned electrical stimulation(PES)と足関節背屈運動を組み合わせた前後において,脊髄相反性抑制への増強と持続の効果を検討した.対象者7名に対して1週間以上の間隔をあけて2つの課題を実施した.課題1は,PESと足関節背屈運動課題,課題2ではPESのみを,それぞれ20分間実施した.評価は、ヒラメ筋H反射による条件試験刺激法を用いて,介入前,介入直後,10分後,20分後,30分後まで実施した.介入の結果,PESと足関節背屈運動課題において,20分後まで脊髄相反性抑制の増強が持続した.PES単独では,介入直後において,脊髄相反性抑制が増強した.さらに終了後20分の時点では,PES単独と比較して,有意に脊髄相反性抑制が増強した.本研究の知見から,歩行などの運動に併せてPESを行うことで,PESによる脊髄相反性抑制の増強効果を持続させ,脊髄における可塑性が生じることが示唆された.この可塑性変化により,歩行能力向上が得られる可能性がある.今後,今回の課題研究で得られた知見をもとに,脳卒中患者や脊髄損傷患者において,長期的な歩行への効果を検討していく予定である.26年度が最終年度であるため、記入しない。リハビリテーション科学26年度が最終年度であるため、記入しない。現在、患者に対する実験について倫理審査中であり、患者においての研究が開始ができていない状況である。倫理審査認可後スムースに開始できように、リクルートや計測の準備を進めている。
タタール人ネットワークと中央ユーラシアの近代化

本年度は当研究計画の最終年度であり、その成果のとりまとめと公表に重点を置いた。具体的には、当研究の成果も盛り込んで執筆した、ロシア・ムスリム史の一般向け概説『共生のイスラーム:ロシアの正教徒とムスリム』(ブックレット「イスラームを知る」シリーズ、山川出版社)が7月末に出版された。本書はロシア・ムスリムのうち、特にタタール人の歴史をロシア人との共生という視点から述べたものであり、ムスリムとキリスト教徒との500年近くにわたる共生の事例を広く紹介することを試みた。また、論文集『ユーラシア世界越境と変容の場第3巻記憶とユートピア』(東京大学出版会>に掲載予定の論文「ポーランド=リトアニア・タタール人のイスラームの記憶」を8月に脱稿した。この論文では、ポーランド=リトアニア・タタール人とオスマン帝国との関係を軸に、彼らがキリスト教徒の間でいかにイスラームを維持したのかを明らかにした。特に、17世紀末に彼らが集団でオスマン帝国に亡命した事件に注目した。本論文により、タタール人ネットワークの西端における状況をある程度解明できたと考えている。諸資料の収集と整理については、資料のデジタル画像化を、ドキュメントスキャナーを使って自ら行うとともに、作業の外注もして、多くの資料をデジタル化することができた。今後、タタール商人の研究をさらに大きなユーラシアの商業という枠組みで共同研究として行う際には、このデジタル化作業によって資料の共同利用が容易にできるだろう。本年度は、研究開始の年であったこともあり、資料調査に重点をおいた。当初は年度前半に国内で、年度末にサンクトペテルブルクでの資料調査を予定していたが、他の研究グループの研究活動の一環として9月のオレンブルク出張が年度途中に決まった影響で、本研究の出張計画が変更になった。まず、サンクトペテルブルクへの出張を6-7月に前倒しし、ロシア国立歴史文書館で文書目録に目を通して、オレンブルクに所蔵されている史料との重複のチェックに備えた。また、19世紀ロシアの外国信仰局の文書を閲覧し、当時のロシア政府が把握していたタタール人の活動について調査した。この他、サンクトペテルブルクとそれに先立って滞在したモスクワでは、様々な図書館で刊行資料の閲覧・複写を行った。9月のオレンブルク滞在時に、モスクワでの人口調査記録の調査の必要性に気付いたため、3月にはモスクワの国立古文書館で調査を行った。様々な発見があったが、最大の発見は、1750年にタタール商人の一行がブハラ、インド、メッカ、イスタンブル等に旅した記録『イスマーイール・ベクムハンマドの旅行記』の著者、イスマーイール・ベク・ムハンマドと、その同行者を、1747年と1762年のオレンブルク周辺の人口調査記録のなかに確認できたことである。この旅行記は近年、種々の旅行記を参考にして記された贋作だという意見が出されていたのだが、少なくとも、この旅行記に記された一団の商人が実在し、彼らがロシア政府の命令でブハラその他の地に赴き、1762年まで故郷に戻っていないことが判明した。この旅行記は、中央アジアやインドへのタタール商人の早期からの進出の事実をよく表しており、その信憑性が確かめられたことで、タタール人ネットワーク形成過程初期の解明に役立つ。この調査・研究成果は、来年度出版予定のロシア語の論文集に寄稿する論文に反映させる予定である。本年度は4月に研究代表者の妊娠が明らかになったため、計画していた海外調査を全て中止することになり、代わりに北海道大学で資料調査を行った。この資料調査においては、アメリカで出された博士論文や、北大に豊富なロシア語文献を閲覧・コピーした。10月にはリトアニア=ポーランド・タタール人に関する研究報告を行い、ユーラシア西方におけるタタール人ネットワークの広がりを、彼らが他のムスリムよりいち早く近代化した生活に適応したという点に注目して分析した。この研究は、タタール人ネットワークの文化的側面の研究に資するものである。本報告は、来年度中に論文にまとめる予定である。脱稿予定だった19世紀前半のタタール商人の活動に関する論考は、残念ながら完成に至らなかった。来年度の課題としたい。
結晶形のシミュレーションによる研究

1.合金の一方向凝固に関する積分方程式の数値積分して、成長界面の様子をシミュレートするプログラムは完成し、主としてドイツで作動している。界面不安定性が正常分岐型の場合、成長速度の増加に伴い平板界面が不安定化し、小振幅の周期的セル構造から、カスプ状、樹枝状構造へと遷移することが示された。先端分裂による周期変調過程も観測された。ここまでの途中経過はY.Saito,C.Misbah,H.Miiller-KrumbhaarによりNucl,Phys.B5A(1988)に報告された。その後,パリ大の実験グループS,de CheveigneとC.Guthmann等の実験との比較を進めた。実験系は逆分岐を示すが、適切な物理定数を選ぶと、我々のシミュレーションでも履歴を伴う逆分岐を示し、界面形態は実験のそれを完全に再現した。この結果は、1989年春の日本物理学会年会で発表する。論文も準備中である。現在、定数を色々変えて相図を作成し、実験さの比較、又は実験の指針とする予定である。ただ、現在のプログラムでは、形成された界面構造の周期選択という最も関心の高い点に不充分な扱いがあり、現在周期選択のための様々の基本構想を試みている。例えば、制御定数を空間依存させるというのが今の計画である。2.前項がマクロな扱いだったのに対し、界面張力の分子的起源まで取り入れたミクロな理解のため、格子気体からの結晶成長シミュレーションを行なった。閉じた系では厳密な平衡形を再現した。過飽和度を上げることにより、成長形が多面形→骸晶→樹枝状結晶→フラクタル→コンパクトと移り変ることを見た。それは核形成過程により理解できる。齋藤ー植田により、1988年の物理学会にて発表、論文も投稿中である。フラクタルーコンパクト転移については、より簡単な模型を詳細に解析し、速度選択の一原理を提唱し、上羽氏と連名で発表した。論文も準備中である。
次世代シークエンサーを用いた肥大型心筋症の原因遺伝子探索

肥大型心筋症データベースを用いて当大学付属病院を訪れるHCM患者の症例に対し、書面にて説明し同意を得た後に、DNAサンプルを収集した。それらに対し次世代シークエンサーにて塩基配列を決定し、Sanger法により変異の確認を行った。さらに標準的なiPS細胞作製法に基づき樹立したiPS細胞について、肥大型心筋症由来iPS細胞ラインおよび健常人由来iPS細胞ライン、それぞれの大量培養系に移行した。肥大型心筋症は発症年齢、肥大の部位、程度、重症度、予後などの臨床型は多様である。拡張相肥大型心筋症に移行し予後不良である例や、予後良好とされる心尖部肥大型心筋症を呈する例もあるが、遺伝子変異との関連は十分明らかではない。このように、HCMに関連する遺伝子異常は未知の部分が多く、その病態の解明が急務である。肥大型心筋症において、次世代シークエンサーを用いて、従来の候補遺伝子アプローチでは同定困難な変異遺伝子を同定することと、肥大型心筋症の疾患特異的iPS細胞を作成し患者由来心筋細胞の機能解析および病態解明を行うことを目的として研究を進めている。当大学病院にて収集された肥大型心筋症の患者および家族に書面にて説明し同意を得た上で、末梢血7mlを採取し、リンパ球よりゲノムDNAを抽出した。これまでには候補遺伝子数個の遺伝子をPCRにて増幅後、ダイレクトシークエンスを行っていたが、2013年から次世代シークエンサーによる網羅的遺伝子解析が可能になった。標的遺伝子は循環器関連遺伝子198遺伝子を含むパネルを当初用いたが、2014年からは4813遺伝子を含む市販パネルにて解析を行っている。更なる症例収集および遺伝子型ー臨床像の検討を開始している。肥大型心筋症例で、臨床像、遺伝子変異の有無、心電図所見、不整脈の出現頻度などを検討中である。心臓突然死を来す循環器疾患のうち、心筋症は心室の肥大や拡大から機械的あるいは電気的異常を伴うもので多くは遺伝的要因が関与する。代表的なものは肥大型心筋症(HCM)、拡張型心筋症、不整脈原性右室心筋症であるが、その中で最も頻度の多いものは肥大型心筋症である。しかし同一家系内でも患者ごとに表現型が異なる例が存在し、拡張相に移行するHCMは難治性の心不全を呈しその予後は不良であるがその発生機序は十分に検討されていない。これらの心筋症患者の表現型の違いを次世代シークエンサーによる網羅的遺伝子解析にて探索し、分子生物学的背景を明らかにすることを目的とした。肥大型心筋症データベースを用いて当大学付属病院を訪れる大多数のHCM患者の症例に対し、書面にて説明し同意を得た。拡張相HCMは可能な限り全例サンプルを収集し、それ以外のHCMに関しても同意が得られた患者より末梢血20mlを採取し、リンパ球よりゲノムDNAを抽出した。サンプル収集を行った症例のDNAを次世代シークエンサーにて塩基配列を決定し、Sanger法により変異の確認を行った。さらに標準的なiPS細胞作製法に基づき樹立したiPS細胞について、免疫染色、RT-PCR、奇形腫形成等などを行い、十分な幹細胞性質を獲得している細胞株を同定した。これを凍結保存した後、健常人由来iPS細胞ライン、肥大型心筋症由来iPS細胞ラインを選別し、それぞれ大量培養系に移行した。現時点での次世代シークエンサーによる遺伝子解析の進捗状況は、当院および関連病院から肥大型心筋症4例、拡張型心筋症4例、左室緻密化障害1例、不整脈原性右室心筋症6例となっている。次世代シークエンサーにて現在解析を行っている。概ね研究は順調に経過している。循環器内科今後さたに50サンプルの解析を終了した時点で、塩基多型、遺伝子変異を含めた解析結果をまとめる。また遺伝子変異の同定された家族性肥大型心筋症は、同研究室内のiPS細胞チームとの協力において疾患特異的変異iPD細胞を作成し細胞レベルでの表現型の検討を行う。次世代シーケンサーの試薬の割引があったため試薬などの消耗品に充てる予定である。
神経突起伸展因子の作用機作に関する研究

培養神経細胞の突起伸展反応の機構を明らかにすることを目的とし、ニワトリ砂嚢平滑筋より精製した神経突起伸展因子(NOF)に対するモノクロナル抗体を作製し、その免疫化学的性質や末梢神経細胞上へのNOF蓄積などを調べた。NOFに対するモノクロナル抗体を産生するハイブリドーマ(55種)を得た。その内、4種の抗体(4-2C,M1-2G,1-4D、及び5-10A、すべて1gG(K鎖)タイプ)について、更に詳細に調べた。前者2種の抗体は、ウエスタンブロット法により、NOFそのもの(700kDa)とそのサブユニット(200kDa)と反応したが、後2者S-結合をもつ700kDa NOFとのみ反応した。モノクロナル抗体(1-4D)を用いた細胞組織化学を行うと、末梢の筋細胞や、神経細胞膜上にNOFが存在することが確められた。次に加齢に判うCGニューロン上のNOF量の変化とCGニューロンのNOFに対する反応性を調べた。NOF量はニワトリ8日齢胚より増加し15日齢胚で最大となった。NOFに対するCGニューロンの応答性は逆に、8日目より15日までに急激に減少して行った。またこの加齢に伴い蓄積されていくNOFは、8日齢胚では700kDa NOF分子のみしか存在しなかったが、その後10日齢以降では80kDa NOF分子種の存在も認められた。一方、筋細胞の培養液中には逆に800kDaのみが存在しており、筋抽出液中では両方存在していた。モノクロナル抗体1-4DをSephayose CL-2Bに結合させたカラムを用いて、免疫アフィニティーカラムクロマトグラフィーを行った。砂嚢平滑筋粗抽出液より、純度80%以上のNOF標品が回収できたこの後、ゲルロ過クロマトグラフィーにより、NOFの精製度を95%以上にすることができた。NOFをエラステースで切断した140kDaフラグメント(F-140)には細胞結合活性が存在し、F-140抗体によりNOFの結合作用が阻害された。
極低温下における量子多体系の磁性研究

この研究の主要な目的は重い電子系化合物で真に新しい概念の導入が必要な研究を発展させることにあった。1.ウラン化合物のKonodo screeningと四重極相転移に関する研究。2.スピンの量子揺らぎの大きい重い電子系での量子相転移に関する研究。等に注目してURu_2Si_2、CeRu_2Si_2とその周辺の化合物について研究した。ウラン化合物では、5f電子が局在し磁気相転移に伴って電子-格子相互作用により格子が歪む(U_2Rh_3Si_5、ライデン大学との共同研究)場合、5f電子が近藤効果によりフェルミ液体になる場合、四重極近藤効果の場合などがある。ウラン原子の結晶場中での5f電子状態と磁性が密接に関連しており、U_<1-x>La_xRu_2Si_<>中に於ける希釈ウラン原子の電子状態の研究を行い、結晶場準位と低温磁性の関係を明らかにした。スピンの量子ゆらぎに関係して、CeRu_2Si_2の中性子散乱によるshort range orderの研究、Ce(Ru_<1-x>Rh_x)_2Si_2(0.05【less than or equal】x【less than or equal】0.3)のスピン密度波(SDW)、及びx=0.3, 0.4, 0.5について(0.5【less thanor equal】x【less than or equal】1では、反強磁性相転移が生ずる。)、量子相転移の可能性に関する研究を^3He/^4He希釈冷凍機を使用して行った。Ce(Ru_<1-x>Rh_x)_2Si_2はRh濃度x_c0.03, x_c=0.4でSDW、及び反強磁性相転移温度T_NがT_N→0になる。Ce(Ru_<1-x>Rh_x)_2Si_2(0.05【less than or equal】x【less than or equal】0.3)のT_K(20K)はT_N(<5.5K)に比べて高い。特に、T_N0の臨界濃度x_c0.03、x_c=0.4の相転移には熱ゆらぎの他に量子ゆらぎが非常に大きく、熱ゆらぎによる比熱、帯磁率の変化は小さい。量子相転移に関係したCe(Ru_<1-x>Rh_x)_2Si_2での研究では比熱の異常な現象の観測は30mKの低温まで行われているが、この現象が量子相転移として解析できるか、あるいは単に試料の不均一性によるT_Kの分布によるものであるかは今後の課題である。量子相転移が確立すれば従来の古典相転移と異なる新しい分野を開拓したことになる。この他、重い電子系における磁気モーメントの発生、磁気相転移の研究をμSRにより行った。

量子相転移が確立すれば従来の古典相転移と異なる新しい分野を開拓したことになる。この他、重い電子系における磁気モーメントの発生、磁気相転移の研究をμSRにより行った。Uは4価であり、基底状態は基本的にsingletあるが、singlet間の分離が小さく、<J_z>≠0、<J_x>=0のdoubletとして表せる。しかし、低温で局在スピンのscreeningがあり、このような系での近藤効果の可能性のmechanismを明らかにする必要が新たな問題として生じている(論文投稿中)。(2)UAl_2のゆらぎに関する研究。従来バンド的なf電子による磁性として理解されてきたが、近藤格子系であることが明らかになった(論文として発表)。0.4Kの超伝導を示す試料もあるが、これは析出ウランによる超伝導と思われる。スピンのゆらぎに関する研究は、現在継続中である。磁気構造がq(1/2 1/2k)(k=0,1/2,1/3,1/4・・・)で表されるC軸方向に種々の変調を受けた、Ising型磁性体であることが明らかになった(論文として発表)。この系の多段階相転移について継続して研究中である。また低温の比熱測定で電子比熱係数γと約30K付近にpeakのあるSchottky比熱のエントロピー変化の値がURu_2Si_2の値と一致することを明らかにした。さらには30T迄の磁化測定の結果はKondo resonance modelで説明できることが解った。これらの結果は一軸性の異方性のあるIsing的な系のKondo効果として理解できる。今後は磁気的な交換相互作用の寄与及びf電子の四重極モーメントの磁性への寄与の有無等について研究を行うと共に^3He/^4He希釈冷凍機を使用したより低温の測定を行う。^3He/^4He希釈冷凍機を使用して熱緩和法による測定を50Km迄の低温迄計画し、予備実験を行っているが、カピッツァ抵抗が大きいこととノイズのため試料温度が十分下がらず200mK迄が現在確実に測定できる温度であり、目標達成のため研究中である。この研究の主要な目的は重い電子系化合物で真に新しい概念の導入が必要な研究を発展させることにあった。1.ウラン化合物のKonodo screeningと四重極相転移に関する研究。2.スピンの電子揺らぎの大きい重い電子系での量子相転移に関する研究。
極長鎖脂肪酸による網膜組織形成の制御機構に関する研究

目的:ペルオキシゾームにのみ局在する代謝系により分解を受ける極長鎖脂肪酸(VLCFA)の網膜形態形成における役割を、正常およびVLCFA代謝酵素欠失動物を用いて明らかにする。VLCFAは網膜形態形成に重大な影響があるが、脂肪酸の種類により影響は異なり、多価不飽和脂肪酸(DHA)は網膜形態形成を促進し、飽和脂肪酸はその蓄積により網膜の層形成が阻害されるという逆の報告があり、実際には解明されていない。組織材料:個体と器官における脂肪酸代謝を調べるために、正常およびAOX(-/-)マウスの動物個体と培養細胞・器官を用いる。それぞれについてVLCFA投与実験を行う。方法:1)VLCFA投与:動物と培養組織に飽和脂肪酸または、多価不飽和脂肪酸を投与する。2)形態観察:動物においては層構造の形成を、培養細胞においては形態変化と細胞増殖・アポトーシスを観察する。結果:1)動物実験:AOX(-/-)マウスを用いた実験では網膜層構造の異常が観察され、個体への脂肪酸(サフラワー油;飽和脂肪酸、シソ油;多価不飽和脂肪酸)投与実験を継続中である。2)培養実験:N1E115細胞を用いた神経細胞モデルへの投与実験では、VLCFAにより、突起形成の阻害が観察されると同時に細胞死が観察された。DHAの直接投与では細胞死が顕著であった。対照実験の長鎖脂肪酸では、突起形成の阻害、細胞死はともに観察されなかった。結論:DHA(多価不飽和脂肪酸)は、個体レベルの神経系の発達には必要とされているが、培養神経細胞への細胞レベルの直接投与では、毒性があることが示唆された。網膜形態形成における必要性の判断については、継続中であるAOX(-/-)マウスへの投与実験に期待している。現在、網膜における脂肪酸代謝酵素群の局在を論文に準備中である。VLCFAは網膜形態形成に重大な影響があるが、脂肪酸の種類により影響は異なり、多価不飽和脂肪酸は網膜形態形成を促進し、飽和脂肪酸はその蓄積により網膜の層形成が阻害されるという逆の報告があり、実際には解明されていない。1.組織材料:個体と器官における脂肪酸代謝を調べるために、正常およびAOX(-/-)マウスの動物個体と培養細胞・器官を用いる。動物実験として胎生期から成体マウスの眼球を材料として用いて、細胞培養・器官培養を行う。2.方法1)VLCFA投与:動物と培養組織に飽和脂肪酸または多価不飽和脂肪酸を投与する。3.現在までの結果(1)AOX(-/-)マウス網膜の層構造の異常が観察された。(2)培養神経細胞において突起の形成が阻害された。但し、以上は途中経過であり確認中である。
コオロギ尾葉感覚系における気流情報抽出メカニズムの解析

本研究は,コオロギの気流感覚系をモデルとして,カルシウムイメージングと電気生理を併用して,空気流方向に関する情報の抽出・統合過程を解析することを目的とした。平成16年度は,気流応答性機械感覚毛の求心性神経終末群の選択的カルシウムイメージングを行い,気流方向情報が神経終末群の活動の空間パターンで表現されていることを明らかにした。さらに応答画像の平均化・フィルタリング処理等を行って,刺激方向毎に求心性神経終末の興奮領域を特定し,機械感覚ニューロンの神経節内での活動パターンマップを作成した。平成17年度は,求心性神経終末と巨大介在ニューロン(GI)のカルシウム応答の同時イメージングを行い,GIの樹状突起の局所的活動の応答特性がその部位にシナプスしていると思われる求心性神経の応答特性を反映しているかどうかを調べた。さらに,樹状突起の分枝パターンと方向感受性が異なる10-2と10-3の2つのGIについて,機械感覚ニューロンからの気流方向情報の抽出アルゴリズムを比較した。その結果,10-3が各樹状突起分枝に局所的に入力する求心性神経の方向感受特性を抽出しているのに対し,10-2では樹上突起全体で神経節内全域の活動パターンとして表現されている情報を抽出していることがわかった。10-3では活動電位発生箇所(Spike-initiation zone : SIZ)から各樹状突起までの距離が異なるため,最もSIZに近い樹状突起の枝で抽出された情報が細胞全体の電位応答の方向感受性を決定する。一方,10-2の樹状突起はSIZからの距離がほぼ等しいため,樹状突起で抽出される情報はほぼ同じ重みを持って電位応答の方向感受性に反映される。従って,このような介在ニューロンの樹状突起のジオメトリによるシナプス入力の重み付けの違いが,情報の抽出アルゴリズムに影響する可能性がある。本研究は,数百本の機械感覚毛の感覚ニューロンから興奮性入力を受ける巨大介在ニューロンが,多数のシナプス入力から刺激方向に関する気流情報を抽出するメカニズムを明らかにすることを目的とする.本年度はまず,機械感覚ニューロンの求心性神経線維束にAM型カルシウム感受性蛍光色素を選択的に取り込ませ,最終腹部神経節内の求心性神経週末群の活動のイメージングを行った.その結果,異なる方向からの気流刺激に対して,最終腹部神経節内に方向特異的なカルシウム応答領域が観察された.すなわち機械感覚ニューロンのレベルでは,気流方向情報が神経週末群の活動の空間パターンで表現されていることが明らかになった.さらに応答画像の平均化・フィルタリング処理等を行って,刺激方向毎に求心性神経終末の興奮領域を特定し,機械感覚ニューロンの神経節内での活動パターンマップを作成した.次に,1個に巨大介在ニューロンにナトリウム塩型のカルシウム感受性色素を電気泳動的に注入し,異なる方向からの気流刺激に対する電位応答(細胞全体の応答特性)と樹状突起分枝でのカルシウム応答(入力箇所での応答特性)を解析した.その結果,それぞれの樹状突起はそのカルシウム応答において互いに異なる方向感受性を示し,さらに各分枝はその最大応答方向を表現する求心性神経終末群の活動領域パターンと空間的に重なっていた.これらの結果は,機械感覚ニューロンの活動パターンマップ内における巨大介在ニューロンの樹状突起の空間位置が,各入力箇所で抽出される方向感受性を決定することを示唆している.一方,電気応答が示す細胞全体の応答性は,各樹状突起の応答特性を推定活動電位発生箇所からの電気緊張的距離に応じて足し合わしたものよりも,狭い方向感受性を示した.おそらく抑制性入力や樹状突起の不均一な能動的膜特性が細胞全体での刺激方向情報の統合過程に関与しているとものと思われる.

本研究は,数百本の感覚毛の感覚ニューロンから興奮性入力を受ける巨大介在ニューロン(Giant Interneuron : GI)が,多数のシナプス入力から刺激方向に関する気流情報を抽出するメカニズムを明らかにすることを目的とする。昨年度までに,機械感覚ニューロンの求心性神経終末の活動のイメージングを行い,気流方向情報が神経終末群の活動の空間パターンで表現されることが明らかになった。そこで本年度は,求心性神経終末とGIの同時イメージングを行い,シナプス前後のニューロンの活動を直接可視化することによって,GIの樹状突起の局所的活動の応答特性がその部位にシナプスしている求心性神経の応答特性を反映しているかどうかを調べた。その結果,GI 10-3の各樹状突起分枝におけるCa^<2+>応答の方向感受性を示すチューニングカーブは,その分枝に重なる領域の求心性神経終末のCa^<2+>応答のカーブに近い応答特性を示した。それに対して,GI 10-2の樹状突起部のCa^<2+>応答は,その領域に重なる求心性神経終末の応答とは異なる方向感受性を示した。一方,昨年度明らかにした,求心性神経終末群の活動の空間パターンと10-2,10-3の各樹状突起の空間配置を比較したところ,各方向からの気流刺激で賦活される求心性神経終末活動の空間パターンと10-2の樹状突起の重なり度合いを示したカーブは,その樹状突起のCa^<2+>応答のチューニングカーブと一致した。しかし,10-3の樹状突起と求心性神経の活動パターンとの重なり度合いカーブは,10-3のCa^<2+>応答のチューニングカーブとは相関がみられなかった。以上の結果は,10-3が各樹状突起分枝に局所的に入力する求心性神経の方向感受特性を抽出しているのに対し,10-2では樹上突起全体で神経節内全域の活動パターンとして表現されている情報を抽出していると考えられる。
前立腺全摘出術後患者の排尿障害とセクシャリティに関する看護ケアガイドラインの開発

前立腺全摘出術を受けた患者に、排尿障害とセクシャリティに関する工夫や必要なケアを中心にインタビューを行った。排尿障害対策に関しては具体的なケアが説明されていることが多く戸惑いながらも自分で工夫していた。セクシャリティの対策については、ケアは提供される場合は少なく、患者は妻(パートナー)との関係調整について困惑を感じていた。そのため、排尿障害に関しては、対策例を具体的に記載し、セクシャリティに関しては相談窓口等を記載したガイドライン案を作成した。今年度は、前立腺全摘出術を受けた患者が、術後の経過や退院後の生活に関してどのような経験、特に排尿障害やセクシャリティに関わる経験、困惑や混乱とそれへの対処や工夫について、また病院で受けた看護ケアや、期待する看護ケアについて明らかにするために以下のように研究を進めた。(1)患者用の面接ガイドラインの作成前立腺全摘出術を受けた患者の排尿障害とセクシャリティに関する既存の文献から退院後の日常生活で起こりえる問題点や困難と予測されることを含め、患者の工夫と看護師へ期待するケアについて、患者用の面接ガイドラインを作成した。セクシャリティに関連する項目では、前立腺全摘出術後に神経移植術等新たな治療が開始されており、対象者の選定基準、又はガイドラインの再検討が必要となった。また対象者の選定基準を検討するなかで、術後の生活に関して、当初予定していた外来通院中の患者のみではなく、前立腺がん患者の患者会や、がんとセクシャリティに関連した患者会・研究会の協力を視野に、今後対象施設、対象グループを追加していく。(2)対象施設について全国で100床以上の病院(がんセンター等)を中心に、前立腺全摘出術を行っている病院をピックアップした。その中から、ホームページ、病院紹介等の資料から前立腺がんに関する治療実績を確認し、さらに対象施設を抽出した。現在、面接ガイドラインの洗練化及び対象施設・対象グループの調査を行っている。今年度は、前年度行った文献検討等に加え、医学系および諸外国の最新文献を含め検討し、前立腺全摘出術を受けた患者とその家族に対する看護ケアの現状として、その結果をまとめ平成24年6月の国際家族看護学会に演題登録を行った。前立腺全摘出術を受けた患者が、排尿障害やセクシャリティに関わる経験、困惑や混乱とそれへの対処や工夫について、また病院で受けた看護ケアや、期待する看護ケアについて明らかにするために以下のように研究を進めた。・患者用の面接ガイドラインの問題点の抽出と洗練化前年度作成した面接ガイドラインに関して、最新の文献検討を追加しながら、患者の工夫と看護師へ期待するケア、医療的処置に関する期待度等について、内容の変更を行いながら患者用の面接ガイドラインを作成した。昨年度検討課題としていた前立腺全摘出術後に神経移植術等を受けた患者の場合に関しては、術後の経過を踏まえ研究対象者となって頂く場合のことを考慮し、対象者の選定基準とした。検討された事項を修正した面接ガイドラインを洗練化するため、医師および臨床看護師にガイドラインの内容に関して意見を求めた。さらに、それらエキスパートからの意見を踏まえガイドラインを修正し、プレテストを行った。本研究の中心概念であるセクシャリティに関して、質問内容や質問の順番や表現方法の変更が必要となったため、それらを修正し、看護倫理審査委員会の結果を待ち研究を継続していく予定である。学内の看護倫理審査委員会を受けた後、前立腺全摘出術を行っている医療機関の病院管理者および看護部門責任者に文書および口頭で研究の目的・意義・方法・倫理的配慮等について説明し、承諾の得られた施設より対象候補者を紹介していただいた。その後、研究者が対象候補者に連絡をとって、研究の目的・意義・方法・倫理的配慮等についての説明と研究参加の意思確認を行った。研究者のネットワークを通して依頼する場合は、紹介者から研究者が連絡を取ることについて説明してもらい、同意の得られた対象候補者を紹介していただいた。前立腺全摘出術を受けた患者の排尿障害とセクシャリティに関する既存の文献を参考に作成した面接ガイドラインを活用し半構成面接法でインタビュー(60分程度)を行った。前立腺全摘出術後患者が体験する、術後の経過や退院後の生活に関しての経験、特に排尿障害やセクシャリティに関わる経験、困惑や混乱と対処や工夫や、退院前の予測と異なっていた部分や、看護師が提供した看護ケア、期待する看護ケアを中心にインタビューを行い、内容を逐語録にし、前立腺全摘出術を受けた患者の経験や受けた看護ケア内容、期待するケア等を抽出した。これら抽出した内容から、前立腺摘出術を受けた患者用のガイドライン案を作成した。作成したガイドライン案について、内容のわかりやすさ、介入方法等について、学内研究者および臨床看護師に確認しながらガイドラインの洗練化を行った。
胎児期、小児期のたばこ煙暴露とアレルギー疾患リスクに関する前向き研究

人生のある決定的な時期(critical period)の環境要因が、将来の疾患の発症に寄与するのかもしれない。本研究では、妊婦の能動・受動喫煙による胎児期のたばこ煙への暴露や幼少期の受動喫煙が小児期のアトピー性鼻炎、気管支喘息、アレルギー性鼻炎のリスクに関与するかについて検討した。岐阜市において妊婦と出生児のコホート調査を行った。妊娠中の母の喫煙状況を把握し、妊娠中・出産時の母体血・尿、臍帯血を収集した。妊娠中の母体尿を用いてコチニンの測定を行った。出生時の臍帯血IgE値の測定も行った。喫煙している母の尿中コチニン値は、非喫煙の母に比べ極めて高値だった。胎児期のたばこ煙曝露と出生時の臍帯血IgE値に有意な関連はみられなかった。出生児の追跡調査から、胎児期のたばこ煙曝露と3歳、5歳時の気管支喘息、アトピー性皮膚炎、アレルギー性鼻炎に有意な関連はみられなかった。愛知県の幼稚園児を対象とした調査では、アンケートにて、父親、母親、他の同居者の現在の喫煙状態に加え、喫煙開始年齢、終了年齢、一日当たりの喫煙本数等を聴取した。気管支喘息、アトピー性皮膚炎、アレルギー性鼻炎の有病状況も聴取した。幼児の尿を用いてコチニンの測定を行った。幼児において、両親、同居者の喫煙状況と尿中コチニン値は強い関連を示した。たばこ煙曝露と気管支喘息、アトピー性皮膚炎、アレルギー性鼻炎の有病との有意な関連はみられなかった。愛知県の小学生を対象にした調査では、幼稚園調査と同様に、現在のたばこ煙暴露の情報を得るとともに、母親から妊娠中の喫煙状況(喫煙期間、喫煙本数)についても聴取した。アンケートにてアレルギー疾患の既往や現症を聴取し、早朝尿を採取した。以上より、本研究では、胎児期、幼児期のたばこ煙曝露とアレルギー疾患リスクとの関連はみとめなかった。現在、収集した情報を入力しデータ化している。以前より収集している情報や血液や尿の保存検体を利用して、より高い精度で受動喫煙を把握できるように、情報をまとめるとともに、バイオマーカー測定の準備をしている。妊娠中の母の能動喫煙、受動喫煙による胎児期のたばこ煙への暴露状況、小児期の受動喫煙状況がどのように小児期の免疫応答、アトピー性鼻炎、気管支喘息、アレルギー性鼻炎といった疾患リスクと関わっているのか評価できるように解析していく。過去に、岐阜市にある産婦人科で妊婦約600名を対象とした研究を行った。妊娠中の母の詳細なアンケート情報、妊娠出産時の母体血・尿、臍帯血がすでに収集されている。その後、この時の出生児を対象に追跡調査を行っている。本研究では、中学生になった対象に郵送によるアンケート調査を行った。アンケートでは、アトピー性鼻炎、気管支喘息、アレルギー性鼻炎などのアレルギー疾患の罹患の有無に関する情報を、ISAAC、ATS-DLD questionnaire for childrenなど疫学調査で世界的に利用されている質問紙も利用して把握した。愛知県にある幼稚園、小学校に通う幼児、小学生約900名を対象に調査を行った。保護者にアレルギー疾患の罹患、生活リズム、食習慣、運動習慣、行動・情緒、生活環境に関するアンケートの回答と早朝尿の提出を依頼した。アンケート調査により、父母と同居者の現在の喫煙状態、喫煙歴、喫煙開始年齢、過去喫煙の場合には終了年齢、一日当たりの喫煙本数等を聴取した。また、その児を妊娠中に母が喫煙していたか、喫煙していた妊娠期間、喫煙本数についても尋ねた。収集した情報を入力しデータ化している。以前より収集している情報や血液や尿の検体を利用して、より高い精度で受動喫煙を把握するように、情報をまとめ、測定の準備をしている。たばこ煙への暴露と小児期の免疫応答やアトピー性鼻炎、気管支喘息、アレルギー性鼻炎といった疾患との関連を評価していく予定である。これらの情報から、幼児期のたばこ煙への暴露を詳細に割り出した。アレルギー疾患の罹患の関する情報は、上記と同様に評価した。アンケートにてアレルギー疾患の既往や現症を聴取した。早朝尿を採取した。尿中コチニン値と質問紙で評価した受動喫煙との関連性を評価したところ、高い関連性が確認された。早朝尿を採取した。以上、疫学調査の実施、データ収集がおおむね予定通り遂行された。また、幼児の尿中コチニン値は、両親の現在の合計喫煙本数、同居者の現喫煙者数と強い正の関連を示した(ともにp<0.001)。

人生のある決定的な時期(critical period)の環境要因が、将来の疾患の発症に寄与するのかもしれない。本研究では、妊婦の能動・受動喫煙による胎児期のたばこ煙への暴露や幼少期の受動喫煙が小児期のアトピー性鼻炎、気管支喘息、アレルギー性鼻炎のリスクに関与するかについて検討した。岐阜市において妊婦と出生児のコホート調査を行った。妊娠中の母の喫煙状況を把握し、妊娠中・出産時の母体血・尿、臍帯血を収集した。妊娠中の母体尿を用いてコチニンの測定を行った。出生時の臍帯血IgE値の測定も行った。喫煙している母の尿中コチニン値は、非喫煙の母に比べ極めて高値だった。胎児期のたばこ煙曝露と出生時の臍帯血IgE値に有意な関連はみられなかった。出生児の追跡調査から、胎児期のたばこ煙曝露と3歳、5歳時の気管支喘息、アトピー性皮膚炎、アレルギー性鼻炎に有意な関連はみられなかった。愛知県の幼稚園児を対象とした調査では、アンケートにて、父親、母親、他の同居者の現在の喫煙状態に加え、喫煙開始年齢、終了年齢、一日当たりの喫煙本数等を聴取した。気管支喘息、アトピー性皮膚炎、アレルギー性鼻炎の有病状況も聴取した。幼児の尿を用いてコチニンの測定を行った。幼児において、両親、同居者の喫煙状況と尿中コチニン値は強い関連を示した。たばこ煙曝露と気管支喘息、アトピー性皮膚炎、アレルギー性鼻炎の有病との有意な関連はみられなかった。愛知県の小学生を対象にした調査では、幼稚園調査と同様に、現在のたばこ煙暴露の情報を得るとともに、母親から妊娠中の喫煙状況(喫煙期間、喫煙本数)についても聴取した。アンケートにてアレルギー疾患の既往や現症を聴取し、早朝尿を採取した。以上より、本研究では、胎児期、幼児期のたばこ煙曝露とアレルギー疾患リスクとの関連はみとめなかった。妊娠期のアンケートにより能動喫煙に関する情報は収集されているが、受動喫煙については聴取していない。今後、能動・受動喫煙を含めた胎児のたばこ煙への総暴露量の指標として、妊娠中母体尿を用いてコチニン値を測定する予定である。また、幼児、小学生からの情報を利用して、対象児の現在と胎児期(母妊娠中)の受動喫煙状況を詳細に割り出していく。対象児の尿を用いて尿中コチニン値を測定し、幼児期、小児期の受動喫煙の指標とする。今後は、測定、データ化した情報と以前より収集している情報をまとめ、妊娠中の母の能動喫煙、受動喫煙による胎児期のたばこ煙への暴露状況、小児期の受動喫煙状況と小児期の免疫応答やアトピー性鼻炎、気管支喘息、アレルギー性鼻炎といった疾患リスクとの関連を評価していく。得られた知見をまとめ、学会発表あるいは論文として発表する予定である。岐阜市における妊婦と出生児のコホート調査では、質問紙による情報収集と母体妊娠中の尿コチニン値の測定を行ったので、これらの情報から、母体の能動喫煙、受動喫煙、全体的な胎児へのたばこ煙への暴露を詳細に評価した。これらの胎児期のたばこ煙暴露と小児期のアトピー性鼻炎、気管支喘息、アレルギー性鼻炎の罹患リスクとの関連を評価する。一部の小児では、出生時の臍帯血IgE値が過去に測定されているので、これもアレルギーの指標として考慮する。
生物情報ネットワークの構造および動的挙動の数理解析

本研究では遺伝子ネットワーク、代謝ネットワーク、タンパク質相互作用ネットワークなどを対象に数理的観点から研究を行い、タンパク質進化のドメインに基づく数理モデルの構築およびドメイン組合せに基づくデータベース解析、ネットワーク構造と力学挙動の関係の一般的理論構築、大規模進化動力学モデルに対する統計力学的解析などの成果を得るとともに、ネットワーク解析のための各種ツールを開発・公開した。本特定領域研究では本年度、生物情報ネットワークの構造や動的挙動に関して様々な研究を行い、主に以下の成果を得た。1.タンパク質のドメイン構成の進化の数理モデルを構築した。その結果、ドメイン分布をもとに構成されるネットワークが、大域的には他のモデル同様に負のべき乗則に従うが、局所的には正のべき乗則に従うという興味深い性質を見出した。この性質を理論的に示すとともに、データベース解析によっても確認した。2.代謝ネットワークにおける保存されたモジュールは系統プロファイルやオペロン構造から予測できると仮定し、そのためのデータベースを整備した。また、モジュールの抽出と遺伝子機能の応用を試み、緑膿菌の代謝ネットワークにおける新規遺伝子を予測し、生物学者との共同研究を行い、生物学的実験により検証した。3.遺伝子の数や遺伝子間の相互作用の数は、遺伝子発現の定常状態の多様性とは無関係であることを以前より明らかにしてきたが、今年度はさらに発展させ、遺伝子発現の定常状態の多様性には、遺伝子相互作用におけるループ構造が必要不可欠であることを明らかにした。すなわち、細胞の多様性は、遺伝子ネットワークに含まれる遺伝子の数や相互作用の複雑さよりは、単に相互作用のループ構造だけに依存して進化した可能性を示した。4.生態系における種、細胞内の代謝物質、タンパク質、mRNAなどの量の分布に関する数理的な研究を行った。特に、生態学において古典的に調べられて来た面積と種数の間に成り立つベキ関係(種数面積関係)を分布と関連づけた。さらに、mRNAの量のベキ分布などでも知られるZipfの法則が、多様性に関係する関数を最大化する臨界点で成り立つことなどを発見した。平成18年度も昨年度に引き続き、ネットワーク構造生成に関する研究、ネットワーク構造解析に関する研究、ネットワーク動的挙動解析に関する研究を行い、以下の成果を得た(1)ネットワーク構造生成に関する研究(1-1)2QO5年度にタンパク質ドメインの分布に関する数理モデルを構築したが、今年度は、タンパク質ドメインに基礎(1-2)真核生物の各進化系統における遺伝子セットを推定し、そこからタンパク質ドメインの共有ネットワークを構築し、進化系統による違いについて解析した。特にヒトと菌類に至る系統で大きな違いがあることを示した。(2)ネットワ-ク構造解析に関する研究(2-1)様々な外部刺激に対し顕著に反応する部分ネットワークを遺伝子発現データから同定する方法を開発した。この手法を酵母に適用し有効性を確認するとともに、マウスの腫瘍細胞データにも適用し、腫瘍の段階と発現パターンの関係を解析した。(2-2)ネットワークの構造情報を用いた遺伝子機能解析ツールに関してはGENIESとして公開した。モジュールとオペロンのデータベース化についても引続き進めており、前者はKEGGのPathway modules、後者はODBとして公開中である。さらに、代謝系のモジュール構造解析のために、代謝系の低分子化合物.(活性化因子、阻害因子)による制御構造をBRENDAデータベースとKEGGデニタベースの情報をもとに構築し、ネットワーク構造に関する予備的な解析を行った。(3)ネットワーク動的挙動解析に関する研究(3-1)一般的な進化動力学モデルに対する統計力学的研究を進め、生態系における種、細胞内の代謝物質、タンパク質、mRNAなどの量の分布の、系の生産性・成熟度や反応の資源量などに対する依存性を解析的に得た。また、HIVなどのウィルスと免疫系のモデルにおけるAIDS発症まで無症候期間などについても調べた。(3-2)ネットワークの定常状態解析については、離散ネットワークモデルのもとで高速に定常状態を計算する方法を開発した。また、以前から行っていた離散ネットワークモデルの制御や微分方程式モデルにおける定常状態に関する研究も進展させた(3-3)シアノバクテリア概日リズムについては、概日リズムを制御するタンパク質KaiCのリン酸化振動に対して、数理的解析を行い、KaiCのリン酸化状態に複数の異なる状態が存在することを予測した。平成19年度は以下の成果を得た。1、ネットワーク構造生成に関する研究原核生物の生育温度と代謝ネットワーク構造の関連性を調べるために、113種類の生物を対象にKEGGデータベースなどを用いて、辺密度、次数分布、クラスター係数、部分グラフの分布の解析を行った。その結果、生育温度が低くなるにつれ、構造化やモジュール化が進展することを見出した。2、ネットワーク構造解析に関する研究緑膿菌の代謝ネットワーク予測に関する実験系研究者との共同研究を論文としてまとめた。また、代謝系のモジュール構造解析のために、代謝系の低分子化合物(活性化因子、阻害因子)による制御構造をBRENDA, EcoCyc, KEGGデータベースの情報をもとに構築し、予備的な解析を行った。3、ネットワーク動的挙動解析に関する研究(1)一般的な進化動力学モデルに対する統計力学的研究を進め、系の安定性や個体数、蛋白量、代謝物質量などの様々な生物量の分布を与える理論を構築した。特に、外界から流入する資源量に対する依存性を解析的に得た。(2)ネットワークの定常状態解析のために、確率ブーリアンネットワークを用いた研究を行った。

計算の高速化のために、確率の小さなブール関数を無視するとの近似手法を提案し、さらに、その近似により生じる誤差の数理解析を行うとともに、計算機シミュレーションにより有効性を示した。実験生物学者との共同研究として、神経細胞形態形成を数理的に研究した。ある種の神経細胞は、樹状突起を曲面上で、むら無く一様に分布させることから、space filling typeと呼ばれる。この神経細胞の空間秩序の原理を理解する数理モデルを構築し、解析した。解析により、樹状突起がもつ3つの空間制御:一様分布、空間分割、再生が同一の原理によって理解できることを示した。平成20年度は以下の成果を得た。1、ネットワーク構造生成に関する研究タンパク質相互作用ネットワークのより精緻な分析のために、ドメインとタンパク質の包含関係を調べ、ドメインを含むタンパク質の個数分布はスケールフリーとなるが、個々のタンパク質に含まれるドメインの種類の分布はポアソン分布になることを見出し、それを説明する数理モデルを構築した。2、ネットワーク構造解析に関する研究複数の神経変性疾患に関わるタンパク質の相互作用ネットワークを構築し、ネットワーク比較による疾患間の共通性・特異性を明らかにした。また、KEGGのパスウェイ情報を統合してグローバルなネットワーク解析ができるウェブサーバーを開発した。一方、代謝ネットワークの遺伝子変異に対するロバスト性解析の研究を進め、標的化合物を生成不可能にするために不活性化することが必要な反応の最小数を整数計画法を用いて計算するアルゴリズムを開発した。さらに、KEGGデータベースより取得したデータに適用し、有効性を確認した。3、ネットワーク動的挙動解析に関する研究新たな理論的取り組みとして、遺伝子制御ネットワークと遺伝子発現パターンのデータから、遺伝子発現ダイナミクスの吸引領域を推測する解析法を開発した。これにより、発現ダイナミクスの断片的情報(スナップショット)である発現パターンの情報から、遺伝子発現の時間変化の概要を予測できると分かった。また、遺伝子ネットワークの確率的な離散モデル上で定常状態を計算するアルゴリズムを開発し、その平均的な個数の評価を行った。さらに、一般的な進化動力学モデルに対する統計力学的研究を進め、系の安定性や個体数、蛋白量、代謝物質量などの様々な生物量の分布を与える理論を構築した。細胞内で特徴的な生物量の有限性の効果や触媒反応などの3体相互作用の影響も明らかになった。平成21年度は以下の成果を得た。1、ネットワーク構造生成に関する研究複数ドメインからなるタンパク質の進化モデルを構築した。
オゾン電解処理による排水中COD・栄養塩類同時除去プロセスの開発

本研究では自動制御可能な高度処理法として電解処理に着目し,さらにオゾンを組み合わせることで単一ユニットでCOD・栄養塩類を同時除去する高度処理プロセスの開発を目的とした。平成17年度の実施項目と成果は以下の通りである。(1)実下水処理のためのリアクター製作およびその効果確認平成16年度の結果より,アンモニウムイオンのアノード室からカソード室への電気泳動がアンモニウムイオンの塩素脱窒反応を抑制することが示唆されたため,イオン交換膜をアノード室とカソード室の隔膜に用いた二槽型オゾン電解反応器を構築した。構築した二槽型オゾン電解反応器において用いる隔膜をフッ素樹脂製用イオン交換膜のみを用いた場合(Case I,アンモニウムイオンの電気泳動可)とフッ素樹脂製陽イオン交換膜と陰イオン交換膜を重ねて使用した場合(Case II,アンモニウムイオンの電気泳動不可)でアンモニウムイオンの電気泳動抑制の効果を比較検討したところ,Case IIにおける脱窒の進行とCase Iにおける脱窒の抑制が確認され,アンモニウムイオンの電気泳動を抑制することによる窒素除去効果が明らかとなった。(2)実下水を用いた処理実験による実証Case IIの実験装置を用いて,し尿処理水(COD_<cr>約98mg/L,アンモニア性窒素約22mg/L含有)の処理を行った結果,CODとアンモニア性窒素の除去が確認された。除去されたアンモニア性窒素の内,25%が硝酸イオンに,19%は結合塩素に変化し,残り56%が脱窒により除去されており,処理条件を最適化することにより最終的に56-75%程度の窒素除去率が得られるものと考えられた。(3)研究成果まとめ平成16年度の成果と本年度の成果を56ページからなる研究成果報告書にまとめ,印刷製本した。また,研究成果の一部を海外学術雑誌に投稿した(現在査読中)。公共用水域の水質保全を推進するに当たり,農業集落は渭水処理施設や浄化槽などの小規模排水処理施設への高度処理の導入が必要である。これら小規模排水処理施設には常駐の管理者がいないため,導入する高度処理プロセスは自動制御可能なものでなければならない。平成16年度の研究成果は以下の通りである。(1)室内実験用リアクターの製作室内実験を実施するための二槽式電解反応器を製作した。反応器は連続式でアノード室とカソード室はガラス隔膜によって分離されており,かつ,アノード室・カソード室に独立して曝気を行うことができる構造となっている。(2)電極材料の評価アンモニア性窒素除去の観点から,電極材料の選定・評価を行った。検討対象とした電極はSUS304,Ti/Pr,Ti/IrO_2,Ti/RuO_2電極である。結果として塩素発生触媒活性の高いTi/RuO_2をアノードに用いた場合が最も高効率であることが明らかとなった。(3)COD除去に及ぼす共存物質影響の把握共存物質として塩化物イオン,全炭酸を対象としてCOD除去に及ぼす影響を評価した。COD物質には難分解性有機物である1,4-dioxaneを用いた。結果として両者ともラジカルスカベンジャーの効果によりCOD除去速度の低下を招いたが,電解条件の変更により処理性能を改善することが可能であった。
石炭から製造した分子ふるい炭素の形状選択性を利用した触媒反応の制御

固体触媒の細孔構造を利用して反応生成物の選択性を制御(形状選択性)できることがいわゆるZSMー5を代表とするゼオライト系触媒について数多く報告されている。これに対して、活性炭に代表される多孔性炭素に形状選択性を有する触媒担体に利用できれば、細孔の形状が異なっている点,表面特性の大きく異なる点から、ゼオライト系とは異なる用途への適用可能性を有すると考えられるものの一般に活性炭等には形状選択性がない。そこで、本研究では、これまで我々が開発してきた数Aオ-ダ-の均一な細孔をもった分子ふるい炭素(MSC)を形状選択性を示す触媒担体として用い得るか否かを検討した。まず、我々の開発したMSCの製造方法は、石炭にピッチ及び固化剤としてフェノ-ル,ホルムアルデヒドを混合し、これを微粉砕後炭化するものである。炭化温度,ピッチの混合割合の調製により、35Aの範囲で均一な細孔径をサブオングストロ-ム単位で制御できる。このMSCを製造する段階にNi(NO_3)_2を混合する方法(混合法)と、製造したMSCにNi(NO_3)_2水溶液からNiを担持する方法(含浸法)によって触媒を調製した。この触媒を水素中で還元した後、CH_3OHの分解反応を400°C程度で実施し、反応活性,選択率に及ぼす操作条件,MSCの細孔径等の影響を検討した。この結果、メタノ-ルの分子径とCH_4の分子径の間の均一な細孔径を育するMSC担体を精度良く製造でき、これを用いることによって、メタノ-ルの分解反応でメタン化反応を完全に抑制しCO,水素のみを高収率で得ることに成功した。また、細孔径,水素化学吸着量と反応活性,選択率の関係を詳細に検討した結果、上記のCO,水素の高選択率は、MSC担体の形状選択性によることが、明らかになった。このように、MSCが形状選択性を有する触媒担体として利用できることが判ったので、現在、気相FischerーTropsch反応の選択性制御への適用を実施している固体触媒の細孔構造を利用して反応生成物の選択性を制御(形状選択性)できることがいわゆるZSMー5を代表とするゼオライト系触媒について数多く報告されている。このように、MSCが形状選択性を有する触媒担体として利用できることが判ったので、現在、気相FischerーTropsch反応の選択性制御への適用を実施している