hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ICPFアクチュエータを用いた進行波駆動機構に関する基礎的研究

本研究の目的は、高分子ゲル膜アクチュエータICPFの屈曲運動を利用した高性能なアクチュエータを開発する基礎研究として、この膜による進行波発生駆動機構と発生原理について明らかにすることである。3年間の研究活動で以下にまとめる成果をあげることができ、研究目的を達成することができた。・PFS膜の両面に種々の白金パターンを化学メッキする方法の確立マスキングをもちいて任意の白金パターンを得ることに成功し、任意形状のアクチュエータを形成することができるようになった。・2次元平面上の膜の屈曲運動の実験と解析アクチュエータのグレイ/ホワイトボックスモデリングを行った。その結果、ICPFアクチュエータの運動を有限要素シミュレーションにより予測することが可能となった。・膜の2次元および曲面進行波の実験と解析アーチ状に保持された膜について、2つを組み合わせた構造を採用することにより、2次元の進行波を生成することができた。メッシュ形状を持つ膜について、実験をとおして曲面進行波の制御が可能であることが示された。・進行波駆動機構の最適化アーチ状に保持された膜について、アクチュエータ幅等の影響を解析的、実験的に調べた。その結果、最適設計制御パラメータを得ることができた。・実験による評価アーチ状に保持された膜を回転型モータ、分布型駆動装置に適用し、この方法の有効性を示した。メッシュ形状の膜については、制約があり変位は小さいものの、任意の進行波を生成することができた。本研究の目的は、最近発見された新しい高分子機能性材料(ICPF)の新しいアクチュエータ特性として、超音波型摩擦駆動の基本原理である、進行波発生駆動機構とその発生原理を明らかにしようとするところにある。本年度は、PFS膜(パ-フルオロスルホン酸膜)の両面に種々の白金パターンを化学メッキする方法を確立し、膜の2次元平面上及び曲面上におけるいくつかの基本的白金電極パターンに対する屈曲運動の実験と解析を行うことを目的として研究を遂行した。次の研究実績を得た。1.PFS膜の両面に種々の白金パターンを化学メッキする方法の確立様々なメッキ方法の比較実験の結果、ポリエチレンをコーティングしたクレープ紙のテープによりマスキングする方法がパターンの生成に適していることが明らかになった。2.膜の2次元平面上の屈曲運動の実験と解析ICPFの特性全体を、電気的特性・エネルギー変換特性・機械的特性に分割して1次元特性モデルを得た。これを2次元に拡張することにより、有限要素法による計算機シミュレーションを可能にした。実験により各種パラメータの同定を行った。実験結果とモデルの応答は一致し、モデルが妥当であることを示した。非線形特性を考慮したモデリングは現在進行中である。3.膜の曲面上の屈曲運動の実験と解析さまざまな設計形状の曲面における屈曲の動的変化を計測した。力学的平衡条件を考慮して内部応力分布のモデリングを行った。モデルと実験結果は定性的な一致を見たが、誤差の要因についてのさらなる検討が必要である。本研究の目的は,ICPFの屈曲運動を利用したより高性能なアクチュエータを開発するための基礎研究として,この膜による進行波発生駆動機構と発生原理について明らかにすることにある本研究は3年間で完結する計画であるが,平成8年度からの2年目は,進行波発生駆動機構としての2枚以上の膜の合成系の基礎的実験と解析及び周期的入力記号によって発生する2次元及び曲面進行波の実験及び解析を行い,その発生原理について考察した.具体的には,1.2次元平面上の膜の屈曲運動の実験と解析2次元平面上の屈曲運動場を形成するための平面構成後の運動形成に基づき,その力学的平衡条件から内部応力分布について実験と解析を行った.2.膜の2次元及び曲面進行波の実験と解析平面から望ましい曲面への座標変換の問題と,周期運動をいかに効率よく発生するかについて実験と解析,考察を行った.

最終年の3年目は,それまでの基礎研究を元に,2次元平面内及び曲面内における多様なモードの進行波発生機構とその原理について考察し,終わりに3年間の研究成果を集大成する予定である.ICPFの屈曲運動を利用したより高性能なアクチュエータを開発するための基礎研究として、本研究ではこの膜による進行波発生駆動機構と発生原理について明らかにすることを目的とする。本研究は、3年間で完結する計画であり、前年度までの2次元アクチュエータとその進行波発生駆動機構に関する基本的考察を踏まえ、本年度はより詳しい進行波発生駆動機構のモデル化を進め、任意進行波発生の検討を行なった。具体的には次の結果を得た:(1)進行波駆動機構の最適化これまでの解析モデルに基づき、進行波駆動に最適なアクチュエータ形状の決定をおこなった。(2)任意進行波発生のための屈局運動の制御昨年度までのモデルを逆解析が適用できるように拡張を行ない、目標とする進行波を発生する駆動電圧の決定法を明らかにした。このことにより、屈曲運動を自由に制御できる可能性が示された。(3)実験による評価前述の点を踏まえて、3年間の研究成果の集大成として実際にいくつかの進行派駆動機構(人工繊毛、分布型EFDデバイス、面型アクチュエータ等)を制作し駆動実験を通して提案手法の有効性を確認した。
アミノ酸の光化学初期過程におけるコンフォマー特異性の発見と解明

超音速分子線レーザー分光と量子化学計算をもちいて,芳香族アミノ酸のコンフォメーションの決定を行うとともにコンフォマー特異的な光化学反応や水和過程を見いだした。クラウンエーテルやカリックスアレンのレーザー分光実験を行い,主に水分子をゲストとした包接化合物を形成し,その構造や包接機構を明らかにした。不揮発性分子の「レーザー蒸発真空紫外光イオン化質量分析装置」を新規開発し,比較的小さなアミノ酸から分子量1000Daを持つ包接化合物のイオン化質量分析に成功した。本研究は、アミノ酸に代用される生体関連分子や機能性分子の光化学や他の分子との相互作用におけるコンフォメーション特異性や分子認識機構を分子レベルで解明する。また、生体関連分子をはじめとした不揮発性分子の新規質量分析装置の開発を行う。具体的な研究テーマして以下の3つを挙げる。(1)アミノ酸のコンフォメーションの決定やコンフォマー特異的な光化学や水和過程の解明。(2)機能性分子の分子包接における分子認識機構の解明。(3)不揮発性分子の新規質量分析装置の開発。超音速ジェットレーザー分光法を用いて、20種類のα-アミノ酸のうち、L-phenylalanine (L-Phe)とL-tyrosine (L-Tyr)のコンフォメーションの決定を行った。これらアミノ酸を超音速ジェット中に生成するには、加熱気化してノズルから真空中に断熱膨張させる必要があるが、アミノ酸を高温にして気化する場合、熱分解に注意しなくてはならない。そこで、ポリイミドを用い熱分解しにくい特殊な高温ノズルを新規に製作した。新しく製作した高温ノズルを用いてジェット冷却したL-PheとL-Tyrのレーザー誘起蛍光スペクトルを観測することに成功した。さらに赤外-紫外二重共鳴スペクトルの観測と量子化学計算の比較から、ジェット中にL-Pheの6個のコンフォマーを帰属した。同様に、L-Tyrでは8個のコンフォマーを帰属した。励起状態の寿命をコンフォマー別に観測した結果、L-Pheの電子励起状態の寿命はコンフォマーによって異なり、28ナノ秒から90ナノ秒の寿命を持つことが分かった。特に、分子内水素結合を持つ安定コンフォマーXが最も寿命が短く、励起状態寿命にコンフォマー特異性があることが明らかになった。L-Tyrの電子励起状態の寿命は3.5ナノ秒から8ナノ秒とL-Pheに比べかなり短くなっているが、著しいコンフォマー依存性は確認できなかった。さらに、L-Pheの水和構造の研究を行った。その結果、分子内水素結合を持つコンフォマーは水和しにくく、水分子は分子内水素結合を持たないオープンコンフォマーに水和しやすい、つまり水和にコンフォマー特異性があることを見いだした。今年度は新規に開発した超音速ジェットを用い、L-チロシンの超音速ジェットレーザー分光を行い、コンフォメーションの決定を行った。昨年行ったL-フェニルアラニンに比べL-チロシンでは、パラ位の水酸基の向きの違いによる回転異性体を考慮しなくてはならない。実験はレーザー誘起蛍光法、UV-UVホールバーニング分光法、IR-UV二重共鳴分光法を用い、分子種の選別や選別した分子種の赤外スペクトルの観測を行った。これらの実験の結果、超音速ジェットで、まず8つのコンフォマーを分別することができた。またそれらは水酸基の向きのみが異なる4つの回転異性体に分けることができ、さらに4つのグループは、分子内水素結合をしているコンフォマーとオープンコンフォマーに分類した。並行して量子化学計算を行い最終的に観測した分子種のコンフォメーションをすべて決定することができた。また、L-フェニルアラニンについては昨年に引き続き大きなサイズの水和クラスターの観測を試みるとともに、量子化学計算により双性イオン形成に必要な水和水分子の分子数と安定構造の計算を行った。計算結果水分子4個がカルボキシル基とアミノ基の間で橋架け構造をとった構造が一番安定な構造で、かつ双性イオン形成が最も可能な構造であると結論した。本年度は、以下の2つのテーマを中心に研究を行った。(1)分子量の大きい不揮発性機能性分子の超音速分子線レーザー分光実験の展開。アミノ酸を含む生体関連分子は、他の分子との相互作用において分子認識(キラリティー識別やサイズ選別)をする機能性分子の一つある。機能成分子は柔軟な構造を持ち多くのコンフォメーションをとるが、他の(ゲスト)分子を包接する際や自己会合するときに特定のコンフォマーが選別される。そこで、相互作用時におけるコンフォマー選別機構を解明する目的で代表的包接分子である(ジ)ベンゾ-18-クラウン-6-エーテル((D)B18C6)について,水分子を包接する際のコンフォマー選別過程を,超音速分子線レーザー分光法と量子化学計算を併用して研究した。

その結果,単体ではB18C6で4種類,DB18C6で2種類あったコンフォマーが水分子を包接する際に1つのコンフォマーに集約されることを見出し、理論的にも裏付けされることを報告した。この結果は、(2)発色団を持たない不揮発性分子の新規質量分析装置の開発。レーザー蒸発と真空紫外光イオン化を組み合わせた不揮発性分子の質量分析装置の開発を行った。この質量分析法は、レーザー蒸発で一度分子を中性の状態で気化しその後真空紫外光でイオン化する新規な質量分析装置であり、生体分子の質量分析法として知られているMALDIやエレクトロスプレー法に匹敵する可能性を持つ。本年度は、以下の2つのテーマを中心に研究を行った。(1)機能性分子のホストーゲスト相互作用の分子レベルでの解明柔軟な構造を持つアミノ酸や機能成分子には多くのコンフォマーが存在し、他の(ゲスト)分子を包接する際や自己会合するときにコンフォマー特異性を示す。そこで、包接時におけるコンフォマー選択性や相互作用の特定する目的で、代表的な包接分子のカリックス[4]アレン(C4A)とベンゾ-18-クラウン-6-エーテル(B18C6)を用い,水分子をゲストとして包接構造やコンフォマー特異性について研究した。その結果,C4A-H_2O complexは水分子内包型構造が外接型に比べより安定で、主として双極子-双極子相互作用で結ばれていることが明らかになった。一方B18C6では、単体では4種類のコンフォマーが存在するが、水分子を包接すると1種類のコンフォマーのみに収束することを見出し、包接時にコンフォマー特性を示すことを実験的に示すことができた。(2)不揮発性分子のレーザー蒸発/質量分析システムの開発昨年度から進めているレーザー蒸発と紫外および真空紫外光イオン化を組み合わせた不揮発性分子の質量分析装置のプロトタイプを製作した。グラファイトをマトリックスにしたフェニルアラニン、チロシンや、大きな分子量のカリックスアレンのペレットを作成しチャンネル型ノズルに装填した。試料ペレットを赤外レーザーで蒸発・気化し、引き続き紫外光および真空紫外光を照射・イオン化して質量スペクトルを観測することに成功した。今後いくつかの改良点が挙げられるが、装置の実用化への足がかりとなる結果を得た。
梨状皮質興奮性ニューロンの軸索分枝：ウイルスベクターを用いた単一細胞標識

梨状皮質は嗅球で処理された匂い情報を受け取り、様々な脳領域へ伝達する。梨状皮質内には樹状突起の形状が異なる複数の投射ニューロンが存在しているが、各ニューロンの投射様式はよく分かっていない。近年開発が進められているウイルスベクターは、少数のニューロンを選択的に標識することが可能であり、脳内の多くの部位で新しい知見が報告されている。特に、シンドビスウイルスベクターは、発現力が非常に強いプロモーターを有しているため、従来の順行性トレーサーよりも短時間でニューロンを標識することができる。また、膜移行シグナルを付加した蛍光タンパク質を発現させることにより、標識ニューロンをゴルジ染色用に隅々まで可視化することが可能になった。本申請課題では、このシンドビスウイルスベクターを用いて梨状皮質の投射ニューロンを標識し、樹状突起の形態と軸索分岐様式の関係性を明らかにする。一方、梨状皮質と他の嗅覚関連領域との神経連絡は、多くが双方向的であることが知られている。嗅覚系伝導経路の理解を目指すにあたり、梨状皮質ニューロンがどのような情報を受け取るのかという点も重要な問題である。嗅球出力細胞の投射様式については、近年明らかにされたが、嗅球以外の脳領域から梨状皮質への入力様式についてはまだ十分に解析されていないのが現状である。そこで、梨状皮質内に逆行性トレーサーを注入する実験を行ったところ、興味深い所見が得られた。今後、シンドビスウイルスベクターによる順行性標識により、逆行性トレーサーの所見をさらに検討していく。本申請課題の目的は、嗅覚情報処理に関わる脳内の神経回路網を明らかにすることである。当初は梨状皮質の投射ニューロンを標識し、その軸索分岐を解析するというアプローチを中心に課題を遂行する予定であったが、梨状皮質のニューロンが受け取る情報についても検討を行った。梨状皮質へ逆行性トレーサーを注入し、標識された神経細胞の脳内分布を解析した結果、興味深い所見が得られたため、現在は梨状皮質への入力様式の解析を優先している。また、当該年度は、逆行性標識細胞の解析、シンドビスウイルスベクターによる細胞標識した脳標本の作製に想定以上の時間を要した。これらの理由により、研究計画に変更及び遅れが生じている。今後は梨状皮質への入力様式を優先して解析した後に、梨状皮質からの投射様式について本格的に研究を進める予定である。具体的には、神経細胞の逆行性標識に加えて、シンドビスウイルスベクターによる順行性標識を行い、梨状皮質への投射様式を解析していく。その実験手順は以下の通りである。1.マウス(10週齢、C57BL/6J)を麻酔下で脳定位装置に固定し、シンドビスウイルスベクターを含む希釈溶液を空気圧により脳内へ注入する。2.灌流固定したマウスから脳を摘出し、凍結切片を作製する。3.蛍光顕微鏡下で感染細胞の樹状突起や細胞体を観察する。4.免疫組織化学染色法により、投射ニューロンの軸索線維を可視化する。ウイルスベクターを注入する際には、毎回の注入量を極力一定にするため、圧注入法を用いる。脳の領域、神経細胞種により、ウイルスベクターの感染性が異なる可能性があるため、ウイルス溶液の濃度や注入量を適切に設定する必要があるが、当該領域で数個だけ感染するような注入条件は設定済みである。また、手順4における抗体濃度、染色時間、シグナル増感法についても適切な条件について検討済みである。この一連の条件検討の一部は、梨状皮質ニューロンを標識する際にも適用できる。一方、当該領域が小さいため、目的の部位の細胞が感染した標本を得るまでに、想定以上の労力を要した。引き続き、標本作製を続けていく必要がある。梨状皮質への入力様式の解析が進んだ後、梨状皮質からの投射様式の研究へ速やかに移行する予定である。その一方で、嗅覚系伝導経路の理解を目指すにあたり、これら梨状皮質ニューロンがどのような情報を受け取るのか、という問題の重要性にも着目した。そこで、梨状皮質内に逆行性トレーサーを注入する実験を申請課題と並行して行い、標識された細胞の分布を解析した。興味深い所見が得られた領域については、今後、シンドビスウイルスベクターによる順行性標識を行い、梨状皮質内における軸索分岐を確認していく。

本申請課題の目的は、嗅覚情報処理に関わる脳内の神経回路網を明らかにすることである。当初は梨状皮質の投射ニューロンを標識し、その軸索分岐を解析するというアプローチを中心に課題を遂行する予定であったが、梨状皮質のニューロンが受け取る情報の重要性も考慮に入れて研究を進めた。梨状皮質へ逆行性トレーサーを注入し、標識された神経細胞の脳内分布を解析した結果、興味深い所見が得られたため、現在は梨状皮質への入力様式の解析を優先している。また、当該年度は、逆行性標識細胞の染色条件や解析方法等の検討に想定以上の時間を要した。これらの理由により、研究計画に変更及び遅れが生じている。梨状皮質は嗅球で処理された匂い情報を受け取り、様々な脳領域へ伝達する。梨状皮質内には樹状突起の形状が異なる複数の投射ニューロンが存在しているが、各ニューロンの投射様式はよく分かっていない。近年開発が進められているウイルスベクターは、少数のニューロンを選択的に標識することが可能であり、脳内の多くの部位で新しい知見が報告されている。特に、シンドビスウイルスベクターは、発現力が非常に強いプロモーターを有しているため、従来の順行性トレーサーよりも短時間でニューロンを標識することができる。また、膜移行シグナルを付加した蛍光タンパク質を発現させることにより、標識ニューロンをゴルジ染色用に隅々まで可視化することが可能になった。本申請課題では、このシンドビスウイルスベクターを用いて梨状皮質の投射ニューロンを標識し、樹状突起の形態と軸索分岐様式の関係性を明らかにする。一方、梨状皮質と他の嗅覚関連領域との神経連絡は、多くが双方向的であることが知られている。嗅覚系伝導経路の理解を目指すにあたり、梨状皮質ニューロンがどのような情報を受け取るのかという点も重要な問題である。嗅球出力細胞の投射様式については、近年明らかにされたが、嗅球以外の脳領域から梨状皮質への入力様式についてはまだ十分に解析されていないのが現状である。そこで、梨状皮質内に逆行性トレーサーを注入する実験を行ったところ、興味深い所見が得られた。今後、シンドビスウイルスベクターによる順行性標識により、逆行性トレーサーの所見をさらに検討していく。当初は梨状皮質の投射ニューロンを標識し、その軸索分岐を解析するというアプローチを中心に課題を遂行する予定であったが、梨状皮質のニューロンが受け取る情報についても検討を行った。また、当該年度は、逆行性標識細胞の解析、シンドビスウイルスベクターによる細胞標識した脳標本の作製に想定以上の時間を要した。今後は梨状皮質への入力様式を優先して解析した後に、梨状皮質からの投射様式について本格的に研究を進める予定である。梨状皮質への逆行性トレーサーの注入に関しては、再現性を得るためにさらなる所見が必要である。そのため、より効率的に微量電気注入を行えるように、あらたにイオントフォレシスポンプを購入した。また、神経細胞の逆行性標識に加えて、シンドビスウイルスベクターによる順行性標識を行い、梨状皮質への投射様式を解析していく予定である。
情報ネットワークの文脈における脳構造ネットワークの機能解析とその応用

今年度はまず,ヒューマンコネクトームプロジェクトの大規模公開データベースから脳計測データ(構造MRIデータ,安静時fMRIデータ,拡散MRIデータ)を取得し,データからヒト脳構造ネットワークを得るまでの処理スクリプトを作成した.本処理スクリプトでは,拡散MRIデータの各ボクセル内における白質線維方向分布(FOD)に対するパラメータフィッティング,およびFODを用いた白質線維束のトラッキングに,拡散MRIデータの解析ソフトウェアMRTrix3の関数を使用した.本処理スクリプトを用いて得られた脳構造ネットワークについて,1)先行研究ですでに示されている脳構造ネットワークの代表的な性質(コミュニティ構造やリッチクラブ構造など)が存在することと,2)安静時fMRIデータから推定された脳機能ネットワークとの間の類似度の強度が先行研究で示されている強度と整合することを確認した.加えて今年度においては,ヒト脳構造ネットワークを得るため処理スクリプトの作成と並行し,脳構造ネットワーク上での通信ダイナミクスのモデル化を通して脳構造ネットワークの情報通信に関する機能を探ることを目的として,パケット通信のシンプルな離散事象シミュレーションプログラムの実装にも取り組んだ.本シミュレーションプログラムでは,パケットに分割されたメッセージがソースノードにおいて生成され,メッセージがターゲットノードへ向けてランダムウォークに基づくルーティングアルゴリズムを通して伝えられる.ターゲットノードに至るまでの中間ノードでは指数分布にしたがうサービス時間がモデリングされ,最大キュー数も仮定される.以上のモデル設定のもと,通信に関するさまざま評価指標を計算するプログラムについても今年度において作成,整備した.当初予定した通りに脳構造ネットワーク取得のための処理スクリプトの作成を完了し,また本課題での研究で今後核になっていくと考えられる離散シミュレーションプログラムを実装することにも成功したため.加えて関連研究が原著論文として学術誌に掲載されたことも本進捗区分を選択した理由として挙げられる.今後は,今年度までに実装した離散シミュレーションプログラムで用いた通信モデルをベースとして,脳構造ネットワーク上での情報通信のモデリングを進める.また本モデルによる通信シミュレーションを通して,情報ネットワークの文脈における脳構造ネットワークの機能を明らかにすることにも注力していく.今年度はまず,ヒューマンコネクトームプロジェクトの大規模公開データベースから脳計測データ(構造MRIデータ,安静時fMRIデータ,拡散MRIデータ)を取得し,データからヒト脳構造ネットワークを得るまでの処理スクリプトを作成した.本処理スクリプトでは,拡散MRIデータの各ボクセル内における白質線維方向分布(FOD)に対するパラメータフィッティング,およびFODを用いた白質線維束のトラッキングに,拡散MRIデータの解析ソフトウェアMRTrix3の関数を使用した.本処理スクリプトを用いて得られた脳構造ネットワークについて,1)先行研究ですでに示されている脳構造ネットワークの代表的な性質(コミュニティ構造やリッチクラブ構造など)が存在することと,2)安静時fMRIデータから推定された脳機能ネットワークとの間の類似度の強度が先行研究で示されている強度と整合することを確認した.加えて今年度においては,ヒト脳構造ネットワークを得るため処理スクリプトの作成と並行し,脳構造ネットワーク上での通信ダイナミクスのモデル化を通して脳構造ネットワークの情報通信に関する機能を探ることを目的として,パケット通信のシンプルな離散事象シミュレーションプログラムの実装にも取り組んだ.本シミュレーションプログラムでは,パケットに分割されたメッセージがソースノードにおいて生成され,メッセージがターゲットノードへ向けてランダムウォークに基づくルーティングアルゴリズムを通して伝えられる.ターゲットノードに至るまでの中間ノードでは指数分布にしたがうサービス時間がモデリングされ,最大キュー数も仮定される.以上のモデル設定のもと,通信に関するさまざま評価指標を計算するプログラムについても今年度において作成,整備した.当初予定した通りに脳構造ネットワーク取得のための処理スクリプトの作成を完了し,また本課題での研究で今後核になっていくと考えられる離散シミュレーションプログラムを実装することにも成功したため.加えて関連研究が原著論文として学術誌に掲載されたことも本進捗区分を選択した理由として挙げられる.今後は,今年度までに実装した離散シミュレーションプログラムで用いた通信モデルをベースとして,脳構造ネットワーク上での情報通信のモデリングを進める.また本モデルによる通信シミュレーションを通して,情報ネットワークの文脈における脳構造ネットワークの機能を明らかにすることにも注力していく.
イメージ情報に基づいた絵画データベース検索システム

これまで、人文科学において評論家の感性に委ねられていた芸術作品の「心象イメージ」に定量的に分析しようとした。カラー芸術写真1万枚からなる画像データベースを構築し、このデータベースに画像全体の色分布あるいは縦横それぞれの投影色分布を画像特徴量としたによる類似画検索機能を実現した。またこの画像データベース中のタイトルやキーワードを手掛かりに「心象イメージ」と色彩との関係の定量分析を試みた。カラー画像を効率よく検索する目的のためカラー芸術写真1万枚のDC-ROMを対象に取り上げ、カラー特徴量に基づく類似画検索が行える画像データベースを構築した。検索の手掛かりとして、画素毎の色相値をカラー画像全体に対する分布を特徴量とするものと、画素毎を色相値に縦軸、横軸に投影し、その投影プロファイルを特徴量とするものの二種を比較検討した。ここでいう色相とは、カラー画像のRGBデータを色相・明度・彩度HVC色空間に変換し、そのうちH値のみを用いたものである。その結果、縦横投影プロファイルを特徴量とするものが良好な検索性を示すことが分かった。1万枚のカラー画像からなるデータベースを用いて、シンボリックな「心象イメージ」の解析を試みた。画素のRGB値をHVC値に変換しHC色度平面に分布を取った。データベース中で「秋」や、「スキー」、「海」とタイトルされている写真のみを選び出し、その色度分布を得ることで、ある特定のタイトルのみで選び出した画像の色分布には偏りがあることが確認され、配色の観点から見た「心象イメージ」の定量化を行った。感性情報処理色彩分析画像データベースこれまで、人文科学において評論家の感性に委ねられていた芸術作品の「心象イメージ」に定量的に分析しようとした。感性情報処理色彩分析画像データベース
可視化モデルによるセロトニン神経の機能解析と小児腸管蠕動不全症への挑戦

透明のまま発生・分化し、消化管運動の観察が可能なゼブラフィッシュを用いて、腸管神経系におけるセロトニン神経の機能と腸管蠕動不全症の病態の解明を行っている。GAL4エンハンサートラップ法により作成されたゼブラフィッシュモデルgSAIGFF249Aを用いて研究を行っている。今回、本モデルを用いた免疫組織化学染色により、心臓のペースメーカーチャネルに発現しているhcn4遺伝子が、腸管神経系においてセロトニン神経で特異的に発現していることを確認した。また、トリプルトランスジェニックモデルgSAIGFF249A;UAS:GFP;HuC:mCherryから、腸管神経系の発生段階におけるセロトニン神経の分化を確認し、セロトニン神経は発生初期に有意に増加することを確認した。また、機能解析に関しては、SONY SI8000セルモーションシステムによる蠕動解析システムを構築した。生きた個体での解析が可能な本システムに、収縮ベクトル別に解析することで、蠕動評価を行う新たなパーラメーターを算出した。それによると、発生初期にみられる順蠕動および逆蠕動は、それぞれ異なる収縮ベクトルで形成されていることがわかり、輪走筋および縦走筋の特徴を反映していた。選択的HCNチャネル阻害剤によるセロトニン神経活動を抑制した実験と、光遺伝学を用いたトランスジェニックモデルgSAIGFF249A;UAS:ChRWR-YFPによるセロトニン神経を選択的に興奮させた実験を、SONY SI8000を用いて蠕動解析し、セロトニン神経の役割を調べた。その結果、セロトニン神経による逆蠕動制御メカニズムを解明した。そして、逆蠕動の中でも特に輪走筋の動きを選択的に制御していることがわかった。こちらはサブプロジェクトとして論文をまとめ投稿している。これまで消化管運動におけるセロトニン神経の機能解析を行った。続いて、セロトニン神経やセロトニン神経により制御を受ける蠕動が、器官形成や腸管神経の発生および保護に関与するか検討する必要がある。発生初期に薬剤5,7-DHTによって、選択的にセロトニン神経の破壊を行い、腸管神経系の発達および蠕動に与える影響を解析する。また、hcn4遺伝子ノックアウトモデルを作成し比較することで、セロトニン神経にみられるhcn4チャネルが、腸管神経系の発達や蠕動に関わるか検討する。更に、ゼブラフィッシュが胎生期に難治性蠕動不全を誘発する薬剤スクリーニングモデルになり得るか検討していく。当実験室にある既存の物品を使用し、研究を遂行できたため。次年度の使用計画としては、薬剤による、選択的にセロトニン神経の破壊を行い、腸管神経系の発達および蠕動に与える影響を解析する。また、hcn4遺伝子ノックアウトモデルを作成し、セロトニン神経にみられるhcn4チャネルが、腸管神経系の発達や蠕動に関わるか検討する。また、ゼブラフィッシュが胎生期に難治性蠕動不全を誘発する薬剤スクリーニングモデルになり得るか検討していく。
細胞内寄生性細菌に対する抗体治療戦略

本課題は、防御免疫が抗体非依存的であるとされるリステリア癌染に対する抗体治療戦略を構築することを目的としている。この目的に対し、昨年度までにリステリア感染に関与する病原因子であるLLO、Ami、p60、ActA、In1B、FbpAに対するウサギポリクローナル抗体を作製し、マウスリステリア感染モデルにおいて治療効果、予防効果を確認した。本年度はこれらの機序を解明する目的で主に培養細胞を用いた解析を行った。1.抗LLO抗体の効果の検討:(1)昨年度の研究で特に高い予防効果を示した抗LLO抗体の作用機序を解析するため抗LLO抗体でマクロファージ細胞株RAW264.7を24時間処理後、リステリアを感染させたところ増殖が抑制された。また、この効果は、抗体の取り込みを阻害するサイトカラシンDの投与によって消失したことから抗LLO抗体は細胞内で効果を示すと考えられた。(2)リステリアのファゴリソソームからの脱出に対する抗LLO抗体処理群でのリステリアの動向を蛍光染色により観察した。2.抗ActA抗体の効果の検討:抗ActA抗体がリステリアのアクチンテイル形成ならびにそれにもとづく近接細胞への脱出を阻害することを蛍光染色法ならびにプラーク法により明らかにした。抗体のオートファジーの誘導ならびにオートファゴソームの形成への関与の検討:特に抗LLO抗体ならびに抗ActA抗体について、リステリア感染で重要な役割を果たすオートファジーへの効果についてLC3-GFP発現HeLa細胞株を構築して検討した。本課題は、防御免疫が抗体非依存的であるとされるリステリア感染に対する抗体治療戦略を構築することを目的としている。この目的に対し、本年度はまず、リステリアの宿主細胞への接着、侵入、増殖、拡散に関与する病原因子であるLLO、Ami、p60、ActA、InlB、FbpA、PI-PLCに対するウサギポリクローナル抗体を作製した。次に、これらの抗体によるリステリア感染の治療効果を検討するためマワスヘリステリアを致死量感染させた後に各抗体を投与したところ、抗LLO抗体、抗Ami杭体、抗p60抗体では有意な治療効果が認められた。次に、抗LLO抗体についてマクロファージ細胞株を用いて抗体の作用メカニズムを詳細に解析した。その結果、抗LLO抗体はマクロファージ細胞内に取り込まれ、細胞内での菌の増殖を抑制することが明らかになった。また、細胞内への抗体の取り込みを阻害するサイトカラシンDを用いた解析により、抗LLO抗体は細胞内でのみ機能し、リステリアの接着や侵入には関与しないことが示された。以上の結果より、抗LLO抗体は高い治療効果を持つが、これに細胞接着や侵入を阻害する抗体を組み合わせることにより、さらに高い治療効果が得られることが予想された。次年度、各抗体の作用機序の解明を含め、抗体を組み合わせることによる治療効果の増強について検討していく予定である。
分子量が1億ダルトンに及ぶ生体超分子の構造解析を可能とするソフトウェアの開発

本特定領域では,分子量が1億Daに及ぶ超分子の構造解析が計画されているが,超分子の構造解析を行うには,ソフトウエアの点からも,様々な新技術の開発が必要である.新技術を最も必要とするプロセスの1つとして構造の精密化がある.通常,精密化する際のマニュアルフィッティングは人の熟練度に依存し,時間もかかる.分子量数万Daの蛋白質の精密化でさえも数週間から数ヶ月かかり,分子量数十万から数百万の超分子構造の精密化では,さらに数十倍の時間と労力が必要になる.分子量1億Daの超分子構造の精密化では,数百万残基を取り扱うことになり,マニュアルによるフィッティングはもはや不可能である.従って,分子量が1億Daに及ぶ超分子の構造解析では,精密化のすべてをコンピュータで自動化する必要がある.よって,我々はハイスループットために開発している自動精密化ソフトウェアLAFIREを巨大超分子に適用する.超分子の構造解析には,初期モデルが断片的,側鎖のアサインができない場合が多いので,我々は主鎖の断片をつなぎあわせ,より大きな断片にしていくアルゴリズムを開発し始めた.幾つかの方法を試した結果,動的計画法を用いて側鎖をアサインメントしながら,断片をつないでいく方法が有効であった.これまでのテストおよび実際への応用の結果,主鎖の断片をつなぐ際に,残基を間違って挿入したり,欠失させたりするミスが起こりやすいことが判明した.この問題を解決するために,側鎖の情報を利用しながら,断片をつないでいく方法を導入した.そのためには,まず,電子密度マップから側鎖領域を抽出する.側鎖の長さ為L_j^<cal>を見積る.そして,既知のアミノ酸配列から,計算した理想的な側鎖の長さL_j^<ideal>を用いて,動的計画法を用いて最小のD(i)=Σ_<i.N-nf>(L_j^<cal>-L_j^<ideal>)を探索することによって側鎖のアサインを行う.本特定領域では,分子量が1億Daに及ぶ超分子の構造解析が計画されているが,超分子の構造解析を行うには,ソフトウエアの点からも,様々な新技術の開発が必要である.新技術を最も必要とするプロセスの1つとして構造の精密化がある.通常,精密化する際のマニュアルフィッティングは人の熟練度に依存し,時間もかかる.分子量数万Daの蛋白質の精密化でさえも数週間から数ヶ月かかり,分子量数十万から数百万の超分子構造の精密化では,さらに数十倍の時間と労力が必要になる.分子量1億Daの超分子構造の精密化では,数百万残基を取り扱うことになり,マニュアルによるフィッティングはもはや不可能である.従って,分子量が1億Daに及ぶ超分子の構造解析では,精密化のすべてをコンピュータで自動化する必要がある.よって,我々はハイスループットために開発している自動精密化ソフトウェアLAFIREを巨大超分子に適用する.超分子の構造解析には,初期モデルが断片的,側鎖のアサインができない場合が多いので,我々は主鎖の断片をつなぎあわせ,より大きな断片にしていくアルゴリズムを開発し始めた.幾つかの方法を試した結果,動的計画法を用いて側鎖をアサインメントしながら,断片をつないでいく方法が有効であった.これまでのテストおよび実際への応用の結果,主鎖の断片をつなぐ際に,残基を間違って挿入したり,欠失させたりするミスが起こりやすいことが判明した.この問題を解決するために,側鎖の情報を利用しながら,断片をつないでいく方法を導入した.そのためには,まず,電子密度マップから側鎖領域を抽出する.側鎖の長さ為L_j^<cal>を見積る.そして,既知のアミノ酸配列から,計算した理想的な側鎖の長さL_j^<ideal>を用いて,動的計画法を用いて最小のD(i)=Σ_<i.N-nf>(L_j^<cal>-L_j^<ideal>)を探索することによって側鎖のアサインを行う.
合理的配慮の決定過程における聴覚障害学生の情報保障リテラシーの醸成に関する研究

「障害を理由とする差別の解消の推進に関する法律(障害者差別解消法)」の下、障害学生との建設的対話を経て合理的配慮の提供を行うことは高等教育機関の責務となり、聴覚障害学生には、情報保障支援に関する知識や情報をもち、適切に判断し交渉する力が求められている。本研究では、聴覚障害学生がそれらの力を培い、合理的配慮に関する合意形成に主体的且つ円滑に参画するため、必要とされる支援のあり方について明らかにする。
ガイダンスシグナル破綻による発ガンの機構

本研究で、我々は、がん細胞において、ガイダンス因子シグナル破綻により、活性が亢進することが知られている低分子量Gタンパク質、R-Rasの、細胞内情報伝達機構を明らかにした。生化学的実験により、R-Rasの新奇エフェクターとして、アクチン骨格制御タンパク質のLamellipodinを同定した。その上で、R-Ras-Lamellipodinの経路が、反発性ガイダンス因子シグナルの下流で駆動されるシグナル伝達経路であることを、確かめた。R-Rasは、全身の幅広い組織で、広範な時期に発現しており、細胞運動や増殖、血管新生を制御している。一方、反発性ガイダンス因子semaphorin (Sema)ファミリーは、その特異的な細胞膜1回貫通型受容体、Plexinを介して細胞運動や血管新生の阻害を引き起こす因子である。悪性度の高いがん細胞では、Plexinの細胞内領域に点変異が生じていることが知られており、R-Rasの機能亢進ががんの悪性化に関わっていることが明らかになってきている。Rasファミリーの中でも、H-Ras、K-Ras、N-Rasは代表的な原がん遺伝子産物であり、増殖因子の刺激による細胞の分化・増殖における中心的な役割を担っていることから、これまで、これらのRas分子を対象とした多くの研究が行われてきた。一方で、それ以外のRas分子に関する研究は少なく、とくに、R-Rasの下流のシグナル伝達経路は明らかではなかった。本研究で、我々は、R-Rasの下流のエフェクターの同定を試み、R-Rasの新奇エフェクターとして、アクチン制御タンパク質のLamellipodinを同定した。細胞生物額的実験により、R-Rasは活性化されるとLamellipodinを細胞質から細胞膜へと移行させるということ、そして、その膜移行がアクチン細胞骨格の伸展に必要であることを明らかにした。また、R-RasーLamellipodinの経路が、Semaの反発性シグナルの下流で駆動されるシグナル伝達経路であることを、明らかにした。R-Rasは、全身の幅広い組織で、広範な時期において発現しており、細胞運動や増殖、血管新生を制御している。一方、反発性ガイダンス因子Semaファミリーは、その特異的な細胞膜1回貫通型受容体Plexinを介して細胞運動や血管新生の阻害を引き起こす因子である。悪性度の高いがん細胞ではPlexinの細胞内領域に点変異が生じていることが知られている。Rasファミリーの中でも、H-Ras、K-Ras、N-Rasは代表的な原がん遺伝子産物であり、増殖因子の刺激による細胞の分化・増殖における中心的な役割を担っていることから、これまでこの分子を対象とした多くの研究が行われてきた。一方で、それ以外のRasファミリーに関する研究はとても少ない。また、Rasファミリーの中でも、R-Rasは細胞接着や細胞膜伸展を促進することが知られているものの、その分子機構は不明であった。細胞接着や細胞運動は細胞の最も基本的な機能の1つであり、細胞の増殖や分化そしてガン化を制御する。そこで、我々は、R-Rasの下流のシグナル伝達経路の探索を行った。その結果、R-Rasサブファミリー低分子量G蛋白質のうち、R-Rasのエフェクターとしてアクチン結合蛋白質のAfadin、M-Rasのエフェクターとして、アクチン重合制御蛋白質のLamellipodinを同定した。活性型のR-RasおよびM-RasはAfadinおよびLamellipodinのRas結合ドメインに直接結合し、それらの細胞質膜への膜移行を促進することにより、細胞の形態形成を制御していることが明らかになった。また、M-Rasを介したAfadinの膜移行は、反発性ガイダンス因子のセマフォリンの刺激により抑制されることがわかり、ガイダンス因子下流のシグナルとしてこの、M-Ras-Afadinの経路が動いていることが明らかになった。当初は、R-Rasファミリーの下流分子の探索に時間を要すると予想していたが、おもいのほか、候補分子の解析がスムーズに進み、現在、AfadinおよびLamellipodinの知見に関して、査読誌2報に投稿し、すでに改訂査読中である。当初の計画通り、来年度以降には、様々なガイダンス因子シグナルの下流において、R-Ras-AfadinのシステムやM-Ras-Lamellipodinのシステムが実際に機能しているかどうかを、培養がん細胞を用いて検討していく。顕微鏡の高倍率レンズを購入し、より詳細な細胞観察を進める。その他の経費はガイダンス因子やR-Rasの抗体や、細胞培養に必要な消耗品費として計画している。
製鋼スラグを利用した藻場再生用施肥材から海域への鉄溶出特性の解明

昨年度までの成果に基づき、1)溶出条件等の違いによる鉄溶出特性変化に関する基礎的検討、2)パイロット試験を基にした鉄溶出挙動の検討、3)フィールドにおける鉄溶出過程の検討と鉄の存在形態に関する調査、の3テーマで研究を進めた。1)では、これまでの室内鉄溶出試験を踏まえて、(a)鉄分供給ユニット(製鋼スラグ+堆肥)、(b)製鋼スラグのみ、(c)堆肥のみ、(d)リモナイト(褐鉄鉱)の4試料を用いて実験を行った。溶存酸素(DO)濃度を0、2、8、15 mg/Lの4条件とし、鉄溶出特性評価のほか、メスバウアー分光法及び放射化分析法による化学分析を行った。その結果、実海域での鉄分供給ユニットの埋設を考えると、低DO(2mg/L)が鉄溶出促進に最も適した条件であることが推察された。2)では、水槽試験により得られた条件(a)(c)の試料について、メスバウワー分光法による製鋼スラグの表面分析と堆肥から抽出したフミン酸(HA)の紫外可視分光法及び熱分解GC/MSによる構造解析を進めた。その結果、スラグ表面は試料(a)と(b)でFe(III)の相対比に差が出たほか、α-Feやmagnetiteの傾向にも違いがみられた。HAについては、試料(a)では嫌気性微生物の活動が活性化され、鉄が還元溶出されることを示す結果が得られ、製鋼スラグと堆肥の混合の影響が示唆された。3)では、2018年7月まで2年間行われた海域・河川環境調査において、全鉄、溶存鉄、栄養塩(窒素、リン)、全有機炭素(TOC)、溶存有機炭素(DOC)のデータ考察を行った。7河川中2河川において、特に全鉄が期間を通して高い傾向があることは昨年度までの結果で示されていたが、更にTOC及びDOCについても同様の傾向が確認された。2河川流域には水田が広がっており、河川流域の土地利用が鉄及び有機物の変動に影響を与えることが改めて示された。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。研究実施計画に基づき、1)溶出条件等の違いにおける鉄溶出特性変化に関する基礎的検討、2)パイロット試験を基にした鉄溶出挙動の検討、3)フィールドにおける鉄溶出過程の検討と鉄の存在形態に関する調査の3テーマで研究を遂行した。1)では、海水の酸化還元状態の違いが鉄分供給ユニット(製鋼スラグと堆肥の混合物)からの鉄溶出特性に与える影響を評価するために、室内溶出試験を行った。堆肥(有機物)の役割を再確認することも視野に入れ、鉄分供給ユニット、製鋼スラグのみ、堆肥のみの3つの試料を用い、それぞれ溶存酸素(DO)濃度を2、8、15 mg/Lの3条件として試験を実施した。その結果、DO濃度が低くなるにつれて鉄溶出量が増加することがわかり、還元条件下では鉄溶出が促進されることが示された。製鋼スラグ表面の鉄存在形態に関しては、メスバウアー分光法を用いた評価を行った。製鋼スラグ中の鉄化学種について、堆肥の有無や酸化還元電位が異なる条件下での経時変化を評価した。2)では、北海道増毛町と長崎県対馬市において、6カ月にわたる水槽試験を行った。1)の溶出試験と同じ3種類の試料で試験を実施し、水質、製鋼スラグ表面、そしてユニット中の有機物及び微生物相の変化についての評価・検討を目指した。鉄、栄養塩(窒素・リン)などの水質モニタリングに加え、スラグ中の化学状態の解析と水槽から採取された沈殿物を分析することで周辺環境中への鉄の挙動について考察し、有用な知見を得ることができた。堆肥(有機物)についても構造解析を試みた。3)においては、実証試験で埋設されたユニット中の鉄の存在形態と微生物相の変化に関する検討を進めたほか、北海道増毛町内の7河川の河口域の海水・河川水中の鉄、栄養塩(窒素・リン)の季節変動を明らかにするためのフィールド調査を2016年7月からスタートし、2017年3月まで計4回の調査を行った。1)については、計画通りに研究を進めることができ、海水の酸化還元状態の違いが鉄溶出速度やスラグ表面の鉄存在形態に与える影響について、有用な知見が得られた。特に、還元状態下ではユニットからの鉄溶出が促進することが実験的に明らかとなり、藻場再生技術の実証試験における鉄分供給ユニット設置方法の妥当性が示唆されたことは大きな成果である。2)では、当初の計画においては北海道増毛町のみで初年度は水槽試験を実施し、2年目に別の海域にて同様の試験を実施して、両方の試験結果から海域条件による違いを含めた総合的な考察をする予定であった。しかし、海域環境の年変動の影響などがないように、初年度に2カ所での水槽実験を実施した。そのため、当初の計画よりも研究を早く進めることができた。3)のフィールド調査は、当初は8月頃から開始する予定であったが、前倒しをして7月より開始し、年間の調査回数を増やすことができた。そのため、鉄や栄養塩のより詳細な季節変動データを蓄積することが可能となった。

初年度に引き続き、1)溶出条件等の違いにおける鉄溶出特性変化に関する基礎的検討、2)パイロット試験を基にした鉄溶出挙動の検討、3)フィールドにおける鉄溶出過程の検討と鉄の存在形態に関する調査の3テーマで研究を実施した。1)では、前年度に実施した室内鉄溶出試験結果後の製鋼スラグについて、鉄溶出時の酸化還元状態の違いによる鉄存在形態に関する知見を得るために、メスバウアー分光法にて分析を行った。また前年度の結果に基づいて、低DO濃度(2 mg/L)と高DO(15 mg/L)の2条件下で、室内鉄溶出試験を実施した。試料は、鉄分供給ユニット、製鋼スラグのみ、堆肥のみの3種類に加え、他の材料の溶出特性をみることでスラグと堆肥の特性をより明らかにするために、リモナイト(褐鉄鉱)も試料として用いた。その結果、どの試料についても低DO濃度(還元状態)の方が鉄溶出量は多いことが示された。2)については、北海道増毛町と長崎県対馬市で実施した水槽試験で用いた試料中の有機物および微生物層の変化について分析・解析を進めた。特に試料中のフミン酸を指標としたところ、堆肥のみの条件では、試料中のフミン酸の構造及び含量は、初期試料から大きな変化は見られなかった。その一方で、堆肥と製鋼スラグと混合したもの(鉄分供給ユニット)ではフミン酸含量が著しく減少し、微生物由来の脂質が多量に検出された。3)に関して、初年度より開始した北海道増毛町での海域・河川環境調査を中心に研究を進めた。調査は5回にわたって実施し、2016年7月の調査開始から1年半あまりの水質データ(鉄・栄養塩)を蓄積することができた。その結果、特に河川水の全鉄について、7河川の中で2河川が期間を通して高い傾向があることが示された。2河川の流域には水田が広がっており、流域の土地利用状況が、河川環境に影響を与えていることが示唆された。1)については、メスバウアー分光法によって、製鋼スラグ中の鉄存在形態への海水中の酸化還元状態の影響について、データを蓄積することができた。また新たな鉄溶出試験によって、鉄溶出への還元状態の優位性が改めて示されたほか、リモナイト試料との比較によって鉄分供給ユニットからの鉄溶出特性に関する新しい知見を得ることができた。2)に関しては、水槽試験に用いた試料中のフミン酸の構造解析を終えることができた。分光特性の変化から、堆肥と製鋼スラグを混合した条件でフミン酸の分解が進むこと、さらに微生物活動が活発になることをフミン酸の微細構造変化から明らかとなった。3)において、河川による鉄(全鉄)濃度の違いが確認され、それが流域の土地利用形態に起因すると示唆されたことは、陸域からの鉄供給と海域環境(藻場分布)との関係性を評価する上で大きな成果といえる。研究計画通りに調査を進められただけでなく、鉄分供給ユニット設置にあたって最適な海域環境を評価するための指標を考える上でも重要な結果が得られたと考えている。昨年度までの成果に基づき、1)溶出条件等の違いによる鉄溶出特性変化に関する基礎的検討、2)パイロット試験を基にした鉄溶出挙動の検討、3)フィールドにおける鉄溶出過程の検討と鉄の存在形態に関する調査、の3テーマで研究を進めた。1)では、これまでの室内鉄溶出試験を踏まえて、(a)鉄分供給ユニット(製鋼スラグ+堆肥)、(b)製鋼スラグのみ、(c)堆肥のみ、(d)リモナイト(褐鉄鉱)の4試料を用いて実験を行った。溶存酸素(DO)濃度を0、2、8、15 mg/Lの4条件とし、鉄溶出特性評価のほか、メスバウアー分光法及び放射化分析法による化学分析を行った。その結果、実海域での鉄分供給ユニットの埋設を考えると、低DO(2mg/L)が鉄溶出促進に最も適した条件であることが推察された。
半導体光励起状態における強相関効果

半導体の光励起状態(電子-正孔系)における金属-絶縁体転移(励起子モット転移)や量子凝縮転移は基礎・応用の両面から非常に重要である.このような相転移現象を理論的に正しく理解するためには多体相関効果を適切に取り扱う必要がある.本研究では,動的平均場理論(DMFT)を拡張した方法により,この系の励起子モット転移を理論的に研究した.DMFTは格子フェルミオン系を解析する強力な手法であるが,電子正孔系は励起粒子数が少ないため,格子模型ではなく連続模型による記述が適している.そこで連続模型に対するDMFTを定式化し,厳密対角化法を組み合わせることにより低密度電子正孔系の相図を決定した.半導体の光励起状態(電子-正孔系)における金属-絶縁体転移(励起子モット転移)や量子凝縮転移は基礎・応用の両面から非常に重要である.このような相転移現象を理論的に正しく理解するためには多体相関効果を適切に取り扱う必要がある.本研究では,動的平均場理論(DMFT)を拡張した方法により,この系の励起子モット転移を理論的に研究した.DMFTは格子フェルミオン系を解析する強力な手法であるが,電子正孔系は励起粒子数が少ないため,格子模型ではなく連続模型による記述が適している.そこで連続模型に対するDMFTを定式化し,厳密対角化法を組み合わせることにより低密度電子正孔系の相図を決定した.半導体の光励起状態(電子-正孔系)における金属-絶縁体転移(励起子モット転移)や量子凝縮転移を理解することは、レーザー発振への応用や光超放射の実現に向けた第一歩として重要であるうえ、基礎物理学としても非常に興味深い。しかし、このような相転移現象を理論的に正しく記述するためには多体相関効果を適切に取り扱う必要がある。本研究では、動的平均場理論(DMFT)を拡張した方法により、この系の励起子モット転移および量子凝縮転移を理論的に研究する。DMFTは格子フェルミオン系を解析する強力な手法であるが、電子-正孔系は励起粒子数が少ないため、格子模型ではなく、連続模型による記述が適している。そこで本年度の研究においては、連続模型に対するDMFTを定式化し、厳密対角化法を組み合わせることにより低密度電子-正孔系の解析を行った。この枠組みでは、連続系を離散化し、有限の格子定数を持つ格子模型にDMFTを適用することにより物理量を計算し、最終的に格子定数を0に外挿することで連続系の物性を調べる。現在までの研究により、離散化格子定数Δxと平均粒子間距離dの比Δx/dが1.0. 0.9. 0.8の場合について数値計算を行い、電子-正孔プラズマ相と励起子絶縁相の間の相転移点を決定した。Δx/d〓0.8の場合、格子定数が小さくなるほど電子-正孔プラズマ相が安定化する傾向が得られている。更に、Δxの小さな系に対する計算を実行し、格子定数を0に外挿することが今後の課題である。ゼロギャップ半導体であるグラフェンにおいては,ハニカム格子の特徴を反映した特異な線形分散に起因して,様々な興味深い物性が実現することが知られている.最近,この系に対する相互作用効果に関連して,ハニカム格子上のハバード模型における電子相関効果が俄かに注目を集めている.本研究では,この系の基底状態について調べるために,クラスタ動的理論の線形化した新しい近似法を開発した.新しく開発された線形化クラスタ動的平均場理論は,通常膨大な数値計算を必要とするクラスタ動的平均場理論を簡単化し,系統的な研究を可能とした.また,準粒子分散等に関して半解析的な表式を与え,数値計算誤差による曖昧さが排除した.先ず,この方法を用いて,次近接ホッピングを持つ正方格子ハバード模型におけるモット転移について調べた.得られた相図は,大規模数値計算,経路積分繰り込み群法による結果と非常に良く一致した.次に,ハニカム格子ハバード模型におけるモット転移と反強磁性転移について調べた。フェルミ面上に状態密度が存在しないことに起因して,反強磁性転移が有限の相互作用に対して実現することを確かめた.さらに,モット転移について調べ,無限小の相互作用により微小なエネルギーギャップが開き,絶縁体となることが分かった.これは,ハニカム格子上ハバード模型においては,相互作用の小さい領域において新奇なスピン液体相が実現することを示唆する結果である.多バンド系における電子相関効果は,古くから研究されている電荷・スピン揺らぎに加えて,軌道揺らぎが本質的に新しい物性を生み出す可能性を秘めており,近年活発に研究がおこなわれている.本研究では,3軌道ハバード模型を取り上げ,フント結合と軌道分裂の競合について,動的平均場理論と連続時間量子モンテカルロ法を用いて調べた.特に格子点あたりの電子数が2である場合における金属絶縁体転移(モット転移)を調べた.二重占有率の解析から相転移点を求め,軌道分裂幅と相互作用の強さに関する相図を得,フント結合と軌道分裂の競合により,モット転移のリエントラント的振る舞いが現れることを明らかにした.モット転移後の絶縁相には,特徴の異なる2種の絶縁相が現れる.一つは通常のモット絶縁相であり,もう一つは相関の強いバンド絶縁相である.この系におけるモット転移のリエントラント的振る舞いは,,上述したフント結合と軌道分裂の競合により,軌道揺らぎの大きさが非単調に増減することに起因し,絶縁相の性質とも密接に関連することが明らかとなった.また,有限温度における解析を行った結果,温度に対してもリエントラント的振る舞いの兆候が見られた.

モット絶縁相では局在スピンの自由度によるエントロピーが残るため,相境界付近においてモット絶縁相は金属相よりも高温側に現れる.一方,バンド絶縁相に上記のエントロピー利得は無く,金属相よりも低温側に現れる.二種類の絶縁相が競合するパラメータ領域においては,相境界に上記の二種類の性質が反映され,リエントラント的振る舞いの兆候が見られた.