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Hilbert 保型形式のShimura対応とその応用

当初の予定からすると迂回路を通っているように見え、そのために研究が遅れているように見えてしまうことにはなるかもしれない。ただこの研究自体も、単独で整数論に貢献しそうな深い内容を持っている。ランキンやセルバーグは重さ0のアイゼンシュタイン級数の解析的性質が、積分を通してある重要なカスプフォームから作られるL関数の解析的性質を証明してる(Rankin, "Contributions to thetheory of Ramanujan's function tau(n) and similar arithmeticfunctions, I"、Selberg,"Bemerkungen uber eine Dirichletsche Reihe, die mit der Theorie der Modulformenhaheverbundenist")。ピーターソン(Petersson, "Uber die Berechnung der Skalarprodkte ganzer Modulformen")はふたつのカスプフォームの内積から作られるL関数の解析的な状況が、やはり重さ0のアイゼンシュタイン級数の解析的性質から分かることを示している。重さ0のアイゼンシュタイン級数以外のアイゼンシュタイン級数を用い、群も一般化させることに成功すれば成果となるはずである。一部は既に成功している。(1) Shimuraは1変数保型形式の半整数の重さを持つ尖点型式のliftingの研究を行った.またHilbert尖点形式についてもShimuraはそのFourier係数に注目したliftingの研究を行っている.当研究においては,レベルを16の倍数で重さが5/2以上の半整数のHilbert保型形式(尖点形式に限らない)がliftできることを示し,Fourier係数の対応を具体的に記述した.また重さやレベルがもっと小さいときもliftが可能な場合があり特にtheta級数の3乗はliftが可能であることを示した.その応用としてルート2を含む2次体Kにおいて代数的整数が3つの平方数の和の書ける必要十分条件を求め,さらにその表現数とKの総虚2次拡大体の相対類数の関係式も求めた.(2)ふたつの1変数の,指標を持つ同じ重さの保型形式f,gにおいて,fのn番目のFourier係数のおよびgのn番目のFourier係数の複素共役の積にn^{-s}を掛けて,さらにそれらのn=1,2,3,...についての和を取ったL関数をL(s;f,g)とする.f,gの少なくとも一方が尖点形式ならば,L(s;f,g)はsについて全平面に解析接続を持つことは古典的に知られていた.1981年にZagierは群がSL(2,Z)で重さが自然数の場合にf,gが尖点形式でなくても同様のことが成り立ち,sのある点での留数がf,gのPetersson内積と関係することを示した.さらに関数等式も示している.
シスプラチン耐性機構の解析と耐性克服方法の開発

ヒト癌KB細胞より分離したシスプラチン耐性変異細胞は、他のシスプラチン誘導体に交差耐性を示したが、カドミウム、紫外線に対しては交差耐性を示さなかった。また、グルタチオン-S-トランスフェラーゼの発現レベルは親株と耐性株ではぼ等しかった。一方、シスプラチンの細胞内含量は、耐性細胞で親株の1/31/4に減少していた。シスプラチン蓄積減少の程度は、4倍耐性株と70倍耐性株でわずかに70倍耐性株の方がより強く減少していたが、耐性度と蓄積減少の間に相関性はなかった。復帰変異株では、シスプラチン蓄積が耐性株より多くなり、親株でのシスプラチン蓄積に近くなっていた。復帰変異株では、シスプラチン蓄積も不完全ではあるが復帰していることから、シスプラチンの蓄積減少は耐性に関係していることが明確になった。またシスプラチン蓄積の減少は初期の低濃度シスプラチン耐性獲得に必要な現象であり、さらに高濃度のシスプラチンに耐性になるためには別の耐性機構が働いているのではないかと考えている。このシスプラチン蓄積の減少が、シスプラチンを細胞外へ排出する機能が亢進したためか、シスプラチンの取り込みの低下によるものかを調べた。ATP非存在下では、耐性株でのシスプラチン蓄積が亢進し、親株での蓄積とほぼ等しくなった。蓄積実験を開始して15分後にグルコースを培地に加えると、耐性株でのシスプラチン蓄積の増加が抑制された。これらの実験結果より、耐性株ではATPのエネルギーを利用してシスプラチンを細胞外へ排出するポンプ機能を持った膜蛋白質が存在する可能性が高くなった。シスプラチン排出ポンプの本体を解明するために、まず細胞膜蛋白質の解析を行った。シスプラチン耐性細胞の膜では、親株KB細胞に比較して108、100、70、58、52kDaの蛋白質が増加していた。これらの膜蛋白質を含めて、どの蛋白質がシスプラチン排出機能を有しているのか解析を進めている。
時間に関する消費者意思決定

先行研究によれば、時間に関する意思決定に一貫性が見られない。知覚された時間は、外的要因に左右されやすく、意思決定者の思考のフレームに影響しやすい。欧米の先行研究では、プロスペクト理論が予測する反射効果の再現性は認められていなかったが、日本人を対象に実験したところ、時間制約としての最終期限点が想起されない場合には、損失の領域において強い嫌リスク傾向を示すことが明らかになった。計量テキスト分析の結果は、日本での不確実性回避傾向を裏付けている。消費者と時間に関する先行研究を概観し、消費者研究上の時間に関する課題を探った。その結果、消費者研究において、時間は重要な要素として扱われてきているが、その捉え方は、研究によってまちまちであることが明らかになった。一例を挙げれば、「待ち時間」に関する研究分野は、客観的な時間を用いた研究と主観的に認知された時間を用いた研究に大別することができる。研究対象によって、また、研究者によって、時間の概念は様々に変化する。本研究の目的は、消費者の意思決定であるため、消費者が認知する時間、すなわち主観的な時間の概念が重要だといえる。客観的時間では推し量れない知覚や感覚の部分を強く考慮する必要性が改めて明らかにされたことは、消費者を対象とした本研究の目的に対して意義深いことであった。さらに、広範囲にわたる文献を精査した結果、時間に関する意思決定を題材とした先行研究が、比較的不足していることが明らかにされた。加えて、数少ない実証研究が示してきた研究結果には、一貫性が見られない。すなわち、時間という要素が、外的要因に左右されやすいことを示唆している。これらの成果から、本研究を遂行するにあたって、被験者が知覚する時間を厳密にコントロールできる条件を設定することが不可欠であることが明らかになった。今年度の研究では、個人の意思決定に関する文献レビューを通じ、意思決定に与える影響要因を検討した。人々は、複数の選択肢のなかから取捨選択しようとするとき、選好に基づいて行動する。選好とは、意思決定者が抱く選択対象に対する態度に基づいて行われる取捨選択から生じる順位付けであり、知識として意思決定者の記憶に残り、以後の意思決定行動に影響を与える要素である。意思決定者が、ある選択肢の属性に関する新しい情報を入手したとき、その選好に変化が生ずる。つまり、選択肢が持つ属性に関する信念は、入手し得る情報によって影響を受け、新たな信念を形成する。このとき、選択肢の持つ属性によって意思決定者の評価をつかさどる思考のフレームが形成され、その属性の集合が意思決定に影響する。ここで、記憶や信念が影響する意思決定行動は、長期的な生活環境がその結果を左右していると推察されるため、異なる文化に属する消費者は、意思決定の行動に差異を示す可能性が示唆される。ビジネスの国際化が進行する現代において、異文化間の時間感覚の影響は無視でない。時間に関する意思決定に関する一般的な欧米の先行研究では、プロスペクト理論が予測する反射効果の再現性が認められていないが、利得、損失領域にかかわらず、概ねリスク回避傾向を示している。時間制約が想起される場面においては、強い反射効果が認められている。米国では反射効果が否定されている実験を日本で追試したところ、米国の被験者では有意差が認められなかった弱い傾向は、日本の被験者では有意な傾向を示した。すなわち、日本人は、利得の場面であっても損失の場面であってもリスクの伴う選択肢を極端に避ける傾向が明らかになった。同時に行った計量テキスト分析の結果は、選択肢の確実さが意思決定に強く影響していることを示唆している。この結果は、日本人の不確実性回避傾向を裏付けるものといえる。
近代歌舞伎における音楽演出の研究

当該年度の研究は、(1)付帳を中心とする資料調査と、(2)音楽分析による近代歌舞伎の実態解明である。(1)1.六合新三郎旧蔵の付帳コレクションのデータベース完成早稲田大学演劇博物館所蔵の六合コレクションに納められる付帳330冊(のべ941作品)を対象に、これまでに行なった調査を踏まえ、附帳に記された上演情報を番付などの他資料による上演情報と校合して、より精確なデータベースを完成させた。(1)2.杵屋花叟旧蔵の付帳コレクションの調査大谷図書館所蔵の付帳調査は、1200余冊あると言われる付帳のうち、156冊(384作品)の調査を終えた。年代は昭和初期、大歌舞伎から小芝居、新派まで多岐にわたる上演の付帳コレクションであることが明らかになった。(1)3.中村兵蔵の付帳調査中村兵蔵が記した新派付帳の調査は104冊のうち、21冊を修了した。(1)4.明治期雑誌記事における陰囃子関連記事の調査明治期の演劇雑誌および音楽雑誌における陰囃子関連の記事の調査を行なった。(2)1.歌舞伎の『不如帰』上演について中村芝翫を中心とする一座が新派作品を手がけた上演を取り上げ、とくに『不如帰』について、上演の実態を上演に至る経緯、脚色、演技についてまとめた上で、音楽演出を分析・考察し、その独自性を明らかにした。(『歌舞伎-研究と批評-』(投稿予定))(2)2.女役者、中村歌扇について女役者として、歌舞伎、新派、活動写真など多岐にわたる活躍を見せた中村歌扇は、これまで音楽研究ではもちろん、演劇研究でも忘れられてきた存在であった。今回は近代歌舞伎の一側面として、歌扇をとりあげ、その多彩な演劇人生を追った。新聞記事を主な資料として、まずはその活躍の実態を明らかにした。(『東京芸術大学音楽学部紀要』(投稿予定))当該年度の研究については、六合新三郎旧蔵付帳のデータベースの最終版を完成させたこと、その他の付帳調査を順調に進めていること、歌舞伎が手がけた新派物についての論文を書き、女役者についての調査も論文を書く準備が整ったことなどは、ある程度満足のいくものであった。また、実際に新派の音楽演出に関わった辻亨二氏、現在担当されている堅田喜三代師に直接お話を伺えたことも大きな成果であった。ただ、新派物の論文を仕上げるのに時間がかかり、論文の執筆本数が少なかったことが、大きな反省点である。今後は、これまでの調査の結果を論文として発表することが当面の課題である。本研究の締めくくりも兼ねて、女役者についての論文、新派物についての論文をもう一本(新派と歌舞伎の比較に重点を置いたもの)を早急に仕上げたい。新派や女役者という新しい領域に踏み出したことで、これまでは時間をとってしまったが、今後は土台ができたことで論文執筆の速度は高められると考える。また、付帳のデータベース化作業については、大谷図書館の花叟コレクション、個人蔵の新派の付帳の調査を、引き続き行なう。データベース化は今までどおりの方法で着実に行なっていく。2009年度に行なった研究は、(1)陰囃子に携わる演奏家の動向の解明と、(2)陰囃子の音楽分析に大別することができる。どちらも、収集した付帳(陰囃子演奏家の覚書)を用いた研究である。(1)では、陰囃子の演奏家であり付帳の収集家でもあった六合新三郎と杵屋勝四郎の動向を中心に、歌舞伎に出演した演奏家の動向を探った。明治時代の歌舞伎に出演した囃子方については、誰がいつどこの劇場に出演したか、ということはこれまでほとんど明らかにされていない。今回の調査では、新三郎と勝四郎の修業時代の活躍、昇格の時期、二人の共演歴などを明らかにした。これにより、明治時代に陰囃子が演奏家の間でどのように伝承されたかを知る手掛かりとなろう。(2)では、a)九代目團十郎が演じた活歴と、b)歌舞伎で演じられた新派作品を対象とした。a)では、以前に行なった研究を踏まえ、作品全体における音楽演出の傾向と、九代目晩年以降の活歴の位置づけの再検討を行なった。その結果、活歴らしい音楽演出は作品の一部に使われており、全体としては旧来の方法を踏襲する音楽演出も多くみられることがわかった。また、その影響が多大であったために、團十郎が演じた活歴がどのようなものだったかも想像できなくなるほど、活歴は現在の歌舞伎に浸透しているという結論を導いた。b)では明治30年代に、中村福助(後の五代目歌右衛門)が演じた『己が罪』・『乳姉妹』・『不如帰』・『魔風恋風』の陰囃子の実態を明らかにした。いずれも、これまでに研究の対象とならなかった題材である。これらの音楽分析により、江戸時代以来の伝統を守るだけではなく、違った方向をも模索していた近代の歌舞伎の実態を解き明かすことにつながると考える。2010年度の研究も昨年度と同様に、(1)陰囃子の付帳を資料とする基礎研究と、(2)音楽分析(分析の準備を含む)に分けることができる。(1)については、今年度は早稲田大学所蔵の六合新三郎旧蔵の付帳コレクションの再整理を重点的に行なった。すでにリストを作成済みの資料であるが、現段階でのデータは付帳自体に書かれた情報(上演年月・劇場・上演演目など)をもとにしている。

しかし実際にはその情報に誤りもあり、また他資料と照合することで加えられる情報もあるので、今回は各種上演年表・番付などの資料と照らし合わせながら、より精度の高いリストの作成を目指している。また、付帳と番付から、各座に出演した演奏家の連名をリストアップする作業も進行中である。(2)は具体的には、a)歌舞伎における新派作品上演の音楽分析、b)序びらきの分析、c)新歌舞伎を上演した際の付帳のリストアップを行なった。c)は今後の音楽分析のための準備である。a)では、楽隊や軍歌、汽笛など明治の風俗を映す音がたくさん用いられ、風琴、ピアノ、ヴァイオリンといった西洋楽器の使い方も印象的であった。浪の音を表すために、大太鼓でなく豆と葛籠を使う方法を使っていることも注目すべきである。一方で、著名な長唄の楽曲を用いた稽古唄や独吟、歌舞伎にはおなじみの流行唄が多く見られることもわかった。b)では、新出資料も含む脚本と陰囃子付帳およびその他の音楽資料に基づき、明治に入ったころには形骸化していたとされていた序びらきに、明治以降も作者の工夫がみられる点を指摘し、序びらきの音楽について従来言われてきたことの裏付け・補足を行なって、新たな見解も加えた。当該年度の研究は、(1)付帳を中心とする資料調査と、(2)音楽分析による近代歌舞伎の実態解明である。(1)1.六合新三郎旧蔵の付帳コレクションのデータベース完成早稲田大学演劇博物館所蔵の六合コレクションに納められる付帳330冊(のべ941作品)を対象に、これまでに行なった調査を踏まえ、附帳に記された上演情報を番付などの他資料による上演情報と校合して、より精確なデータベースを完成させた。(1)2.杵屋花叟旧蔵の付帳コレクションの調査大谷図書館所蔵の付帳調査は、1200余冊あると言われる付帳のうち、156冊(384作品)の調査を終えた。年代は昭和初期、大歌舞伎から小芝居、新派まで多岐にわたる上演の付帳コレクションであることが明らかになった。(1)3.中村兵蔵の付帳調査中村兵蔵が記した新派付帳の調査は104冊のうち、21冊を修了した。(1)4.明治期雑誌記事における陰囃子関連記事の調査明治期の演劇雑誌および音楽雑誌における陰囃子関連の記事の調査を行なった。(2)1.歌舞伎の『不如帰』上演について中村芝翫を中心とする一座が新派作品を手がけた上演を取り上げ、とくに『不如帰』について、上演の実態を上演に至る経緯、脚色、演技についてまとめた上で、音楽演出を分析・考察し、その独自性を明らかにした。(『歌舞伎-研究と批評-』(投稿予定))(2)2.女役者、中村歌扇について女役者として、歌舞伎、新派、活動写真など多岐にわたる活躍を見せた中村歌扇は、これまで音楽研究ではもちろん、演劇研究でも忘れられてきた存在であった。今回は近代歌舞伎の一側面として、歌扇をとりあげ、その多彩な演劇人生を追った。新聞記事を主な資料として、まずはその活躍の実態を明らかにした。(『東京芸術大学音楽学部紀要』(投稿予定))当該年度の研究については、六合新三郎旧蔵付帳のデータベースの最終版を完成させたこと、その他の付帳調査を順調に進めていること、歌舞伎が手がけた新派物についての論文を書き、女役者についての調査も論文を書く準備が整ったことなどは、ある程度満足のいくものであった。また、実際に新派の音楽演出に関わった辻亨二氏、現在担当されている堅田喜三代師に直接お話を伺えたことも大きな成果であった。
分泌型IgAの免疫学的・分子生物学的研究

平成3年度から平成6年度にわたる本研究の結果,得られた成果を3項目に分けて列記する。1.胎生期における分泌型IgA構成成分の局在と発生(1)Joining(J)鎖はヒト肝臓では胎生6週目に,IgMは7週目に検出され,J鎖の産生はIgMの産生に先行していた。(2)脾臓・胸腺・小腸・肺ではJ鎖・IgMとも胎生16週に発生した。(3)IgAおよびSecretory component (SC)はほとんどの臓器で胎生16週に検出された。2.腸管上皮細胞HT-29の産生するサイトカインとSC(2)HT-29に存在するSCはIFN-γ,TNF-α,IL-1a IL-1β,IL-4,IL-6刺激によりその遺伝子発現,蛋白合成ともに増加した。(3)上皮細胞にもIL-1に対するリセプターの存在が示唆された。3.J鎖の系統発生(1)免疫グロブリン産生能のない無脊椎動物にも脊椎動物と同様にJ鎖遺伝子が検出された。(2)環形動物のミミズのJ鎖遺伝子はヒトと75%の,マウスと76%のホモロジーをもち,アミノ酸配列でも高い相同性を示した。又,糖鎖結合部位もヒトやマウスと同様であった。(3)ミミズおよびナメクジではJ鎖蛋白は体表粘膜上皮および消化管粘膜上皮に局在していた。(4)以上のことからJ鎖の機能は免疫グロブリンのポリマー化とは関係ないことが示唆された。本年度の計画において分泌型IgAの構成々分であるSC、J鎖およびIgAのヒト胎児における発生を免疫組織化学的に、また肝におけるこれら3成分の発生についてPCR法を用いて検索した。その結果、免疫組織化学的にSCは胎生16週頃小腸の粘膜上及細胞や肺の大型の気管支粘膜上皮細胞内に認められ、唾液腺では胎生19週頃、胆嚢上皮や肝臓内の胆管上皮細胞では胎生28週頃に出現した。しかし、肝細胞や脾臓では胎生期全体を通してSCの存在は認められなかった。丁鎖は胎生16週頃、肝臓および脾臓内にみられる大型のリンパ芽球様細胞の胞体内に認められ、螢光抗体二重染色でこのリンパ芽球様細胞の大部分が細胞質内の1gMが陽性であったことからpreーB cellと考えられた。一方、1gAの発生は胎生26週頃小腸、肺、唾液腺などの粘膜固有層内に少数の陽性細胞を認めたのみであった。以上の結果からヒト胎生期において分泌型1gAの活発な産生は起らないと推測された。胎生期における造血の場は肝臓である。上述の結果から胎生期肝臓における丁鎖および1gMの発現を検索することはBーcellの個体発生に重要であると考え、PCR法を用いて検討した。その結果、丁鎖は胎生6週に認められたが、IgMは胎生7週から肝内に見られた。この結果は丁鎖の機能が免疫グロブリンのポリマ-化ではないという可能性を示すものであり、極めて重要な所見と考えている。また免疫組織化学的に丁鎖は肝で胎生16週目に認められたのに対し、PCR法では6週からであり、この相異は用いた方法の感度の相異を示すものと考えている。現在、PCR法による分泌型1gA構成々分の発現を種々の胎児臓器に拡大して追求中である。本年度の研究実施計画の第1は胎児組織におけるSecretory Component(SC)、Joining chain(J鎖)およびIgAの局在を分子生物学的にPolymerase chain reaction(PCR)法を用いて検索することであり、既に本計画は終了した。

その結果、SCおよびIgAの発生時期は免疫組織的に検索した成績とほぼ同時期であったが、J鎖mRNAの発現が胎生6週目に胎生期の主な造血臓器である肝に認められ、しかもIgMmRNAの発現に先行していることが分かった。このことはJ鎖が免疫グロブリンのポリマー化と関連性がないということを示唆するものと考えられた。また、J鎖が胎生早期に発現し、系統発生学的に最も早期に高等動物に発生するIgMより早期に出現するという事実から免疫グロブリンの産生を行なわない下等動物にも存在する可能性があり、以後、原生動物であるアメーバからヤツメウナギに到る種々の動物におけるJ鎖mRNAの発現を系統発生学的にPCR法を用いて検索する予定である。本年度実施計画の第2は分子生物学的手法を用いてSC抗体およびgalactosyltransferase(GT)抗体を作製することである。SC抗体についてはGTとDNA配列上相同性の少ない部分(668bp)を制限酵素Pstlを用いて切り出し、発現べクターに組み込み、E.coliに導入し、cro-β-galactosidaseとの融合蛋白を発現させた。この融合蛋白でウサギを免疫し、抗体を得た。その結果、Western blot法でfree SC、分泌型IgAとは反応するがGTとは反応しないこと、免疫組織学的に唾液腺や腸管の腺房細胞・導管に陽性反応が認められた。一方、GT抗体についても同様の方法を用いてウサギに抗体を作製したが、現在のところ抗体価が上昇せず、他の方法を用いて抗体価の高い抗体の作製を検討している。本年度の研究目的及び実施計画であるGalactosyltransferase(GT)及びSCの免疫組織学的検討では抗GT抗体の作製は未だ充分な結果が得られていないが、抗SC抗体は組み換え蛋白を用いる方法により作製した。抗SC抗体はイノムブロット法により精製free SC及びsIgA、唾液、初乳と反応することが明きらかとなった。また免疫染色法ではSCが唾液腺や小腸の上皮細胞や導管に存在することが確認された。本年度の第3、第4のテーマである上皮細胞におけるSC、IL-6蛋白、遺伝子の発現についても外分泌腺由来の上皮細胞株ではこれらの遺伝子、蛋白の発現が見られた。インターヘェロンgamma、TNF-alpha、IL-4の存在下ではSC蛋白の合成にup-regulationがかかること、このup-regulationの過程はtranscriptional levelで起こっていることが確認されている。以上の結果については現在総括し、論文にまとめている段階である。平成3年度から平成5年度までの研究で分泌型IgAの構成成分のひとつであるJoining chainの産生が肝臓ではIgMの産生に先行していることが分かり,Joining chainの機能がImmunoglobulinのpolymer化ではないかも知れないという可能性が考えられた。この結果に鑑み,本年度は免疫グロブリン産生能を持つ脊椎動物および免疫グロブリン産生能を持たない無脊椎動物におけるJoining chainの遺伝子発現および蛋白について免疫学的・分子生物学的手法を用いて検索し,以下の結果を得た。1.Polymerase chainreaction(PCR)法により,Joining chain遺伝子が脊椎動物のヒト,マウス,ヤツメウナギおよびイワシに検出された。また,無脊椎動物ではナメクジ,カキ,ハマグリ,ナマコ,ホヤ,エビ,カニ,クモおよび蝶に認められた。これらのJoining chain遺伝子はヒトJoining chain cDNAとハイブリダイズした。2.ミミズJoining chainのPCR産物をクローニングし,既に報告されているDNAおよびアミノ酸配列を比較したところ,ミミズJoining chain
スピン軌道相互作用の強い酸化物と強磁性体の界面におけるスキルミオンの創成と制御

本研究では、エピタキシャル薄膜作製技術を用いることで、単結晶ヘテロ構造薄膜に誘起される磁気スキルミオンについて、その存在条件や制御手法を開拓することで、低消費電力スピン素子としての可能性を明らかにすることを目指している。本年度は、酸化物ヘテロ構造において電界効果による制御とその検出を行った。特に、スピン軌道相互作用の大きな非磁性体SrIrO3と強磁性金属SrRuO3からなるヘテロ構造では、大きな電界効果を観測した。この系ではこれまでに、磁気スキルミオンに由来する磁気輸送特性(トポロジカルホール効果)が報告されているが、電界効果による制御には至っていない。本研究では、薄膜の高品質化と電界効果トランジスタ構造の改善を行い、電場印加下において、トポロジカルホール効果を測定した。磁気輸送特性の測定に加え、磁気光学カー効果の測定を組み合わせることで、トポロジカルホール効果の電界制御を定量的に評価することに成功した。この制御量は、トランジスタ構造におけるヘテロ界面の位置により影響を受けることが分かった。これは、ヘテロ構造の非対称性により誘起される本系の磁気スキルミオンが、界面近傍における電界効果で大きく制御されることを示している。同時に、磁気輸送特性へ現れる異常ホール効果についても、強磁性体SrRuO3単膜では得られていないほど大きく電界制御されることを見出した。これらは人工的に反転対称を破ったヘテロ構造において初めて実現され、結晶構造の非対称性から磁気スキルミオンが誘起されるバルク系にはない固有の性質である。また、本系のように、高い伝導電子密度を有し、遮蔽により系全体を電界制御するのが難しい磁性体において、電界制御が実現している点も、界面に由来する現象特有の制御性である。これらの結果は、磁気スキルミオンの電界効果が、低消費電力スピンデバイスへ向けた動作原理となる可能性を示す。ヘテロ構造に誘起される磁気スキルミオンを調べる上で、高品質な単結晶薄膜を作製することは、系統的な知見を得るために重要であるが、強磁性体SrRuO3薄膜結晶の高品質化は当初の期待以上に進展し、本研究で用いたパルスレーザー堆積法により作製される薄膜としては過去最高の品質にまで高められている。その結果、非磁性体SrIrO3層上に成長させた場合でも磁気輸送特性の観測が可能となり、電界制御の実現と定量的評価へつながった。同時に非磁性体SrIrO3が、比較的安定で扱いやすく、大きな制御性も観測され、系として予想以上に有効であることが判明した。また、磁気スキルミオン形成に由来するトポロジカルホール効果に加え、強磁性体SrRuO3の性質である異常ホール効果についても大きな電場制御が観測されたが、両ホール効果はともにスピン軌道相互作用に由来する現象であり、磁気スキルミオンの電界制御について、界面におけるスピン軌道相互作用が重要な役割を果たしていることを示唆している。これらのことから、ヘテロ構造形成・外部電場印加による電子構造や非磁性体側の磁気状態の変化などの、計画当初、あまり重要とは考えていなかった要因について、より詳細な検討を要することが明らかとなってきた。以上のことから、本研究は当初の計画以上の進展を見せていると判断するものである。強磁性体SrRuO3と非磁性体SrIrO3のからなるヘテロ構造が磁気スキルミオンの形成だけでなく、電界制御においても有効であることの起源に迫り、ヘテロ構造系の材料設計指針を明らかにすることを目指す。まず強磁性体に注目し、異なる強磁性体と非磁性体SrIrO3とを組み合わせた構造を作製することで、新たな磁気スキルミオン形成を探索するとともに、その形成に必要なジャロシンスキー守谷相互作用を見積り、単結晶ヘテロ構造におけるスキルミオン形成について、非磁性体のスピン軌道相互作用というこれまで知られてきた指標に次ぐ、新たな指針の確立を目指す。次に、非磁性体SrIrO3に注目し、ヘテロ構造を作製した場合の電子状態やスピン状態の変化を、放射光などを用いて検出することを目指す。近接効果や磁性体の組み合わせについては、金属積層膜においても盛んに研究されているが、単結晶ヘテロ構造あると同時に磁気輸送特性の観測も可能な酸化物ヘテロ構造の特徴を生かし、対称性の破れた界面に由来する現象について系統的な知見を獲得することで、金属積層膜に対しても材料や制御に関する指針を得ることが期待される。

これは、ヘテロ構造の非対称性により誘起される本系の磁気スキルミオンが、界面近傍における電界効果で大きく制御されることを示している。同時に、磁気輸送特性へ現れる異常ホール効果についても、強磁性体SrRuO3単膜では得られていないほど大きく電界制御されることを見出した。これらは人工的に反転対称を破ったヘテロ構造において初めて実現され、結晶構造の非対称性から磁気スキルミオンが誘起されるバルク系にはない固有の性質である。また、本系のように、高い伝導電子密度を有し、遮蔽により系全体を電界制御するのが難しい磁性体において、電界制御が実現している点も、界面に由来する現象特有の制御性である。これらの結果は、磁気スキルミオンの電界効果が、低消費電力スピンデバイスへ向けた動作原理となる可能性を示す。ヘテロ構造に誘起される磁気スキルミオンを調べる上で、高品質な単結晶薄膜を作製することは、系統的な知見を得るために重要であるが、強磁性体SrRuO3薄膜結晶の高品質化は当初の期待以上に進展し、本研究で用いたパルスレーザー堆積法により作製される薄膜としては過去最高の品質にまで高められている。その結果、非磁性体SrIrO3層上に成長させた場合でも磁気輸送特性の観測が可能となり、電界制御の実現と定量的評価へつながった。同時に非磁性体SrIrO3が、比較的安定で扱いやすく、大きな制御性も観測され、系として予想以上に有効であることが判明した。また、磁気スキルミオン形成に由来するトポロジカルホール効果に加え、強磁性体SrRuO3の性質である異常ホール効果についても大きな電場制御が観測されたが、両ホール効果はともにスピン軌道相互作用に由来する現象であり、磁気スキルミオンの電界制御について、界面におけるスピン軌道相互作用が重要な役割を果たしていることを示唆している。これらのことから、ヘテロ構造形成・外部電場印加による電子構造や非磁性体側の磁気状態の変化などの、計画当初、あまり重要とは考えていなかった要因について、より詳細な検討を要することが明らかとなってきた。以上のことから、本研究は当初の計画以上の進展を見せていると判断するものである。強磁性体SrRuO3と非磁性体SrIrO3のからなるヘテロ構造が磁気スキルミオンの形成だけでなく、電界制御においても有効であることの起源に迫り、ヘテロ構造系の材料設計指針を明らかにすることを目指す。まず強磁性体に注目し、異なる強磁性体と非磁性体SrIrO3とを組み合わせた構造を作製することで、新たな磁気スキルミオン形成を探索するとともに、その形成に必要なジャロシンスキー守谷相互作用を見積り、単結晶ヘテロ構造におけるスキルミオン形成について、非磁性体のスピン軌道相互作用というこれまで知られてきた指標に次ぐ、新たな指針の確立を目指す。次に、非磁性体SrIrO3に注目し、ヘテロ構造を作製した場合の電子状態やスピン状態の変化を、放射光などを用いて検出することを目指す。近接効果や磁性体の組み合わせについては、金属積層膜においても盛んに研究されているが、単結晶ヘテロ構造あると同時に磁気輸送特性の観測も可能な酸化物ヘテロ構造の特徴を生かし、対称性の破れた界面に由来する現象について系統的な知見を獲得することで、金属積層膜に対しても材料や制御に関する指針を得ることが期待される。
新規促進酸化と膜分離生物分解の融合デザインを用いた抗生物質汚染制御システムの開発

近年、水環境中における医薬品類(PPCPs)の検出が注目を集めるようになった。医薬品類は低濃度で生体の特定の生理調整機能に作用するように製造されているため、水生生物への生態的影響、人の健康への影響、薬剤耐性菌の発生、下水処理場微生物への影響などが懸念され、その分解除去が重要な課題となっている。特に抗生物質の多くは難分解性であり、通常の排水処理方法ではほとんど処理できないので、新しい技術の開発が求められている。本研究は、新規促進酸化処理技術による前処理と膜分離生物反応槽(MBR)による生物分解の二つのユニットを組み合わせることによって、難分解性である抗生物質を効率よく除去する新しい排水浄化システムを確立しようとする技術開発である。平成26年度では具体的には次のような成果が得られた。(1)新規高効率触媒による電気フェントン酸化の効率化:まず電気フェントン酸化における電極材料の表面変化を解析してその耐用性能を把握した。また反応促進の金属触媒としてFe2+の他に,Mn2+,Cu2+およびCo2+をテストし,Co2+による促進効果が最も高いことを明らかにした。(2)嫌気性処理における抗生物質の挙動に関する解析:余剰活性汚泥の嫌気性消化において抗生物質セファレキシン(Cefalexin)の濃度を0mg/Lから2000mg/Lまで変化させてメタン発酵の回分実験を行い、その阻害影響を把握した。(3)嫌気性反応槽の連続実験:室内規模のUASB反応槽を用いて流入COD濃度1000mg/Lの排水で滞留時間を変化させた連続実験を行い、COD除去率とメタン生成収率に及ぼす有機物負荷と滞留時間の影響を解析した結果、COD除去率は81%以上、メタン生成収率0.33L/g-除去CODのよい成績が得られた。また、嫌気性膜分離反応槽の組み立てと連続運転も試みた。26年度が最終年度であるため、記入しない。抗生物質分解の促進方法として、新しい電極材料と触媒を工夫してOHラジカルの発生を効率よく行う新規促進酸化技術を創出するとともに、促進酸化によって生成する中間生成物を膜分離生物処理ユニットによって生物分解を行うことで、新規促進酸化と膜分離生物分解の融合デザインを用いた抗生物質汚染制御システムを確立しようとするもので、H25年度では次の成果が得られた。(1)新規促進酸化技術の研究新規高効率触媒による電気フェントン酸化の促進および最適条件の検討を行った結果、銅、鉄、マンガン、コバルトなどの金属イオンを触媒として用いることができ、その内、コバルトと銅イオンの促進効率が高かった。その酸化促進効果の順番はコバルト>銅>鉄>マンガンであった。電気フェントン酸化法は難分解性抗生物質の前処理として有効であった。(2)膜分離生物反応装置(MBR)の制御方法の研究MBR装置において微生物濃度および膜操作の制御が重要である。有効容積5LのMBR装置を制作して、分離膜は平膜を用いた連続実験を行った。嫌気性条件における膜汚染と洗浄方法を把握した。膜運転についてONとOFF操作の時間配分、水洗浄、薬品洗浄の効果をそれぞれ検討した。

本研究は新規促進酸化処理技術による前処理と膜分離生物反応槽(MBR)による生物分解の二つのユニットを組み合わせることによって、難分解性である抗生物質を効率よく除去する新しい排水浄化システムを確立しようとする技術開発であるが、H25年度では新規促進酸化処理技術について研究を行い、順調に成果を上げることができた。H25年度では新規促進酸化処理技術について研究を行い、順調に成果を上げることができたので、これからは後段のMBRと組合せてトータルプロセスの検討を始める予定である。
蛍光タンパク質発色団部位の赤外スペクトル測定への挑戦

本研究では、申請者らの開発した過渡蛍光検出赤外超解像顕微鏡法の高感度かつ高空間分解能の特性を利用して、蛍光タンパク質の発色団の赤外スペクトルの測定を実現できないかと考えた。その実現には、水溶液中における蛍光生生体分子の赤外スペクトル測定が必須であるが、本研究では、タンパク質の発色団であるフラビンを含めた蛍光生生体試料の水溶液中における赤外スペクトル測定および振動緩和過程の観測に成功し、多くの基礎データを収集できた。これらの結果は、フラビンタンパク質(発色団:フラビン)やロドプシン(発色団:レチナール)等の蛍光タンパク質における発色団の赤外スペクトル測定に大いに役立つデータと考えている。本研究では、申請者らの開発した過渡蛍光検出赤外超解像顕微鏡法の高感度かつ高空間分解能の特性を利用して、蛍光タンパク質の発色団の赤外スペクトルを測定を目指す。具体的には、顕微鏡条件下において、試料セル表面のごく近傍の領域に赤外光を集光し、さらに可視光を入射することで蛍光タンパク質発色団から生じる過渡蛍光を検出する。このとき、1)過渡蛍光は発色団部位からのみ発生し、タンパク質の他の部位からは発生しない、2)赤外光を波長掃引する、ことにより赤外吸収スペクトル測定の実現を目指す。平成27年度は、共焦点型ピコ秒赤外超解像顕微鏡の構築を行った。基本となるのは申請者らが開発した共焦点型ピコ秒赤外超解像顕微鏡であり、ピコ秒赤外光及び可視光は同軸・同方向からレーザー蛍光顕微鏡光学系に導入され、反射対物レンズを通して試料セルの表面近傍に集光される。発生した蛍光は同じ反射対物レンズで集められ、ピンホールを通して光電子増倍管あるいはICCD検出器で検出した。試料位置は3次元で走査され、蛍光強度を位置の関数として記録し、3次元断層像を得ることを可能とした。装置の空間分解能は、可視光の波長と反射対物レンズのNAで一意に決まり、可視光:600 nm、NA = 0.4の場合、900 nmである。さらに、予備実験として水の赤外吸収条件下における蛍光性分子の過渡蛍光(赤外情報に相当)の検出を試みた。蛍光性分子にはローダミン6G色素を用いた。ローダミン6G色素は数多くの分光学的研究が既に報告されており、手始めの蛍光性試料としては好適である。なお、水の赤外吸収の吸光度からの試算ではセルの表面近傍からの領域からの信号は十分抽出可能であると考えられる。実際に、予備実験を行った結果、水溶液中においてもローダミン6G色素からの過渡蛍光を高感度で検出することに成功した。平成27年度は、予備実験として以下の4つの項目を達成目標とした。1)共焦点型ピコ秒赤外超解像顕微鏡の構築、2)過渡蛍光信号の観測、3)溶媒(水以外)の振動共鳴条件下における溶質分子の過渡蛍光(赤外情報に相当)の検出、4)水溶液中における溶質分子の赤外吸収情報の抽出1)、2)については、対物レンズに中赤外波長領域の透過率を確保するために反射対物レンズを採用することで、過渡蛍光の信号観測に十分な光学系構築に成功した。もちろん、過渡蛍光信号の観測にも成功した。この装置の空間分解能は、過渡蛍光の波長と反射対物レンズのNAで一意に決まるが、本研究では、溶質分子にローダミン6Gを使用したので過渡蛍光波長:565 nm、反射対物レンズのNA = 0.4を使用した結果、およそ900 nmの空間分解能を達成した。また、深さ方向の空間分解能(焦点深度)は、およそ2マイクロメートルであった。非常に高い空間分解能を達成できたため、3)の項目についても検証した。赤外吸収の比較的弱いクロロホルムおよびアセトニトリルといった非水素結合性溶媒を用いてその振動共鳴条件下におけるローダミン6G分子の過渡蛍光信号の検出を試みた。その結果、CH伸縮振動の共鳴条件下でも強い過渡蛍光の検出に成功した。さらに、ローダミン6G水溶液を用いて、4)の検証を行った。水のOH伸縮振動は極めて強い赤外吸収を示すため、過渡蛍光信号が観測できるのか危惧していたが、信号強度は弱いものの水溶液のOH伸縮振動共鳴条件下においても過渡蛍光の検出に成功した。以上により、平成27年度は当初の研究計画を全ての項目において達成できたと考えている。具体的には、顕微鏡条件下において、試料セル表面のごく近傍の領域に赤外光を集光し、さらに可視光を入射することで蛍光タンパク質発色団から生じる過渡蛍光(詳細は後述)を検出する。このとき、1)過渡蛍光は発色団部位からのみ発生し、タンパク質の他の部位からは発生しない、2)赤外光を波長掃引する、ことにより赤外吸収スペクトル測定の実現を目指した。

平成28年度は、平成27年度に蛍光色素であるローダミン6Gを試料に用いて、水溶液においても過渡蛍光の検出および赤外スペクトルの測定に成功した事を受けて、元来フラビンタンパク質(発色団:フラビン)やロドプシン(発色団:レチナール)等の蛍光タンパク質に対して過渡蛍光の検出および赤外スペクトル測定を試み計画であったが、研究代表者(私)が平成28年4月に東京工業大学から岡山理科大学に異動した事に伴い、実験環境が大きく変化したため、研究進捗に遅れが生じた。しかしながら、蛍光タンパク質の発色団の1つであるフラビン分子を対象に過渡蛍光の測定を試みた結果、過渡蛍光の信号検出に成功するとともに、赤外スペクトル測定にも成功した。この結果は、少なくともフラビンタンパク質に対して過渡蛍光の検出が可能である事を示唆する結果であり、次年度以降に繋がる極めて重要な成果が得られたと考えている。平成28年4月に研究代表者(私)が東京工業大学から岡山理科大学に異動に伴い実験環境が大きく変化した。具体的には、実験装置は東京工業大学が所有、研究代表者は岡山理科大学の所属と遠距離になったため研究を強力に推進する事が困難となり、研究の進捗に遅れが生じた。具体的には、元来フラビンタンパク質(発色団:フラビン)やロドプシン(発色団:レチナール)等の蛍光タンパク質に対して過渡蛍光の検出を試み計画であったが、タンパク質の発色団の1つであるフラビン分子を測定対象とするに留まった。そのため、研究期間を平成29年度まで延長し、当初の研究成果目標を達成する計画を立てた。本研究では、申請者らの開発した過渡蛍光検出赤外超解像顕微鏡法の高感度かつ高空間分解能の特性を利用して、蛍光タンパク質の発色団の赤外スペクトルの測定を実現できないかと考えた。具体的には、顕微鏡条件下において、試料セル表面のごく近傍の領域に赤外光を集光し、さらに可視光を入射することで蛍光タンパク質発色団から生じる過渡蛍光(詳細は後述)を検出する。このとき、1)過渡蛍光は発色団部位からのみ発生し、タンパク質の他の部位からは発生しない、2)赤外光を波長掃引する、ことにより赤外吸収スペクトル測定の実現を目指した。その一方で、平成29年8月に研究推進に利用する実験装置を東京工業大学から岡山理科大学へ移設したことにより、装置再構築による性能再評価も行ったため、タンパク質の発色団であるフラビンを含めた蛍光生生体試料の水溶液中における赤外スペクトル測定および振動緩和過程の観測を優先し、多くの基礎データを収集できた。これらの結果は、フラビンタンパク質(発色団:フラビン)やロドプシン(発色団:レチナール)等の蛍光タンパク質における発色団の赤外スペクトル測定に大いに役立つデータと考えている。これまでは、蛍光タンパク質の発色団構造解析には紫外共鳴ラマン分光(可視共鳴ラマンでは発色団からの強い蛍光のため測定が困難であるため)が唯一の方法であったが、紫外共鳴ラマンでは発色団部位の他、タンパク質に含まれる複数のアミノ酸のバンドが同時に観測されてしまう欠点があり、発色団のみのスペクトル測定は困難を極めた。本研究手法は発色団からのみ生じる強い可視蛍光を赤外吸収スペクトル測定に利用するため、発色団以外の部位の赤外情報は全く含まれない、赤外共鳴分光とも言うべき優れた手法であり、今後の発展に期待する。その実現には、水溶液中における蛍光生生体分子の赤外スペクトル測定が必須であるが、本研究では、タンパク質の発色団であるフラビンを含めた蛍光生生体試料の水溶液中における赤外スペクトル測定および振動緩和過程の観測に成功し、多くの基礎データを収集できた。
ナノ・マイクロ領域における動的応力診断ツールを目指した応力発光微粒子の研究

ナノ・マイクロ領域における応力分布診断、これらの領域にも持ちこめるユビキタス光源の観点から、1粒1粒の応力発光粒子に関する発光特性を知ることが必要不可欠である。更に、結晶軸、サイズ、形等、応力発光粒子の個体差と発光特性をナノの視点から評価することで、高効率応力発光体の研究を推進する強力な知見が期待できる。原子間力顕微鏡(AFM)と光測定系から構成される装置を自作し、【単一応力発光ナノ粒子の応力発光特性】を検討した。結果、応力発光体ナノ粒子からの発光検出、更には単一ナノ粒子であっても、発光と印加応力に比例関係が成り立つことを世界で初めて明らかにした。本提案の基礎となる「計測システムの確立」、「単一応発光ナノ粒子からの発光評価」に世界で初めて成功した。この発光信号は印加応力に対して比例して増大した。これは、応力発光ナノ粒子が、ナノ領域における力学発光センサーになり得る事を初めて示したものである。これらは、本提案の意義である【マイクロ・ナノ領域におけるダイナミックな応力分布を診断する分析システムの開発】に極めて大きく貢献するものである。研究結果の詳細を以下に記す。(1)計測システムの確立を完了。光検出器付きAFMシステムに対して、フォトンカウンティングュニットを導入し、測定条件の光検出器を行った。これにより、単一粒子から破壊発光、更により発光強度が弱い弾性変形に伴う単一粒子からの発光を計測可能な測定システムを確立することに成功した。具体的には、SN比向上(使用部品、環境)、カンチレバーの検討(ばね定数、形状等)など、装置と測定環境の両面から最適化した。これにより、定常的に単一粒子からの応力発光計測が可能になった。(2)単一応力発光ナノ粒子からの発光評価に世界で初めて成功。最も発光効率が高く、ユーロピウムドープアルミン酸ストロンチウム(SAOと表記)にターゲットを絞り、SAOナノ粒子(10nm)とSAOマイクロ粒子(1-5μm)に関する単一粒子の発光特性の評価を行った。マイクロ粒子に関しては、(1)数十マイクロNの応力印加で破砕されること、(2)数十nmのサイズになると破砕しないこと、が明らかになった。また破砕に伴う単一粒子からの破壊発光を捉えることに成功した。応力発光ナノ粒子の単一粒子に対して、AFMの探針で応力を印加したところ、印加信号に伴う発光信号を計測することに、世界で初めて成功した。また、応力印加前後で粒子形状を計測したところ、変化が確認されなかったことから、得られた発光信号が弾性変形発光に由来することを示唆している。単一応力発光ナノ粒子に焦点を当て、19年度に開発した光検出器付きAFMシステムを用いて、発光特性を検討した。得られた情報は、世界初の知見であり、目的とする【ナノ・マイクロ領域における動的応力診断ツール】の根幹として、大きな意味を持つ。具体的な研究結果の詳細((1)(5))を以下に記す。(1)SAOEマイクロ粒子(1-5μm)の印加応力限界値10μN程度の外力で粉砕される一方、サイズが50nm以下になると粉砕されない。(2)SAOEナノ粒子(10nm)の印加応力限界値ナノ粒子では、カンチレバーが破損しない上限値40μNでも、粒子の破壊、変形は観測されなかった。事前のTEM、XRD測定より、SAOEナノ粒子が単一の結晶であることを確認している。これより、ナノ粒子の強度は単一の結晶状態に由来し、一方マイクロ粒子はナノ粒子の二次粒子であるため比較的破砕され易いと考えている。結果を鑑みて、発光特性評価では、マイクロ粒子でも破砕しない10μN以下で行なった。(3)単一ナノ粒子からの応力発光検出に成功。外力を印加(0.03Hz)し、印加信号、光電子増倍管の検出信号を同期して取り込むことで、印加信号に対応した発光信号を観測することに成功した。(4)発光信号と印加周波数。外力を印加の周波数を0.03-0.59Hzと変化せても、印加信号に対応した発光信号が得られることを見出した。(4)応力発光強度定量化の計測システム・評価プロトコルの設定。一定時間(20秒)外力(0-10μN)を印加(0.59Hz)し、フォトンカウンティングを行なうことで、発光強度の定量化を試みた。その結果、同一粒子、もしくは同じサイズのナノ粒子に、同条件で応力印加を行なうと、同程度の発光が得られることを確認した。(5)発光の印加応力依存性。(4)開発の計測システム・評価プロトコルに従って、印加応力を0-10μNまで変化させると、例え1粒からの応力発光であっても、発光強度が比例的に増大することを、世界で初めて明らかにした。

本研究では、応力発光ナノ粒子の1粒を、ナノ領域・マイクロ領域に潜む応力分布を見抜く為のプローブとすることを、目的としている。これまで、平成19年度には、単一粒子からの応力発光を評価する為のシステムとして、微弱光検出器を装備したAFMシステムの開発を行い、完成さらた。更に、平成20年度には、本開発のシステムを用いることで、先ずは、最も発光輝度の高い応力発光ナノ粒子(SrAl_2O_4:Eu:SAOE)からの応力発光検出に成功し、更にその発光強度が印加応力に依存することを、世界で初めて明らかにりた。それを受けて、21年度は、単一粒子の応力発光に関するデータベースに向けて、1上記以外の粒子、更に2凝集系おけるナノ粒子の応力発特性について、検討した。SAOEとは異なる緑色応力発光マイクロ粒子を用いて、単一粒子の発光特性評価を行った所、発光輝度の高いSAOE程鮮明ではないものの、印加信号に対応した発光信号を得ることに成功した。このことは、SAOEに限らず、本開発の評価システムが、単一粒子の応力発光特性評価とDB作製に有用であることを示唆している。2.凝集系における単一粒子からの発光凝集系での応力発光特性として、ナノ粒子が34粒子凝集した状況をAFM像から選別し、その中の1つの粒子に関して、応力発光特性評価を行ったところ、分散系と同様の応力発光を得た。更に、分散系と同様に、印加応力に応じて発光強度も増加する事を見出した。この事は、発光輝度を克服するために、凝集した状況で使用することが可能と示唆している。更に、高分子中のSAOEマイクロ粒子に関しては、非破壊・非侵襲の超音波刺激で発光することを確認している。このことは、将来、超音波が診断の際、有用な刺激となり得ることを示唆している。
生体における神経回路の入力応答性と神経伝達調節因子による調節

視床から大脳皮質に投射する神経回路を、パッチクランプ法を用いて研究し、大脳皮質第4層神経細胞で2つの入力のタイミング依存性が、神経伝達調節因子によりスイッチ的に変化しうる事を示し、その分子細胞的基盤を明らかにした。このスイッチは、覚醒や注意の細胞的基盤として働いていると考えられる。またてんかんモデルマウスであるカルシウムチャネル変異マウスを用いて欠神発作における大脳基底核の役割を検討し、このマウスでは視床下核の過分極活性化チャネルの活性が低下しており、そのため視床下核の興奮性が増して欠神発作の持続時間を延長させている事が明らかとなった。本研究では、大脳皮質・視床・小脳皮質・脊髄後角等の神経細胞を対象として、感覚刺激等の入力と神経回路内で協調して発生するスパイクとしての出力の関係を、in vivoパッチクランプ記録を含む電気生理学的計測と実験データの理論的解析を通して明らかにするとともに、神経調節因子による入出力の調節を実験的・理論的に検討することを目的としている。平成21年度は、主に実験方法の開発を行った。これまでに脊髄神経細胞からのin vivoパッチクランプ記録の技術が確立されているが、同様の方法を頭蓋内の神経細胞に適用し、特に生体恒常機能の保持に重要な役割を果たす脳幹部分からの記録を可能とする技術の開発を試みた。脳幹部分は、拍動性の動きがあるために、困難であるといわれていた。様々な工夫により、麻酔下でラット青斑核からのin vivoパッチクランプ記録が可能であることを示すことが出来た。またダイナミッククランプのシステムにより柔軟性を持たせるために、従来のMS-DOSを用いたシステムから、real-time Linuxを用いたシステムへの更新を図った。この更新により大きなメモリ領域を用いた操作が可能となる。さらに神経ネットワークシミュレーションの基礎として、シナプス伝達におけるランダム性の検討を実験データに基づき行った。またツールの開発を進め、1万個程度の神経細胞からなるネットワークのシミュレーションを行う基本プログラムとその計算高速化に必要な要素の検討を行った。本研究では、大脳皮質・視床・小脳皮質・脊髄等の神経細胞を対象として、感覚刺激等の入力と神経回路内で協調して発生するスパイクとしての出力との関係を、in vivoパッチクランプ記録を含む電気生理学的計測と実験データの数理的解析を通して明らかにするとともに、神経調節因子による出入力の調節を実験的・理論的に検討することを目的としている。平成22年度は、主に次のことを行った。欠神発作モデルマウスで、発作の持続に重要な役割を果たすと考えられるHCNチャネルの解析を進めた。視床下核の神経細胞で本チャネルの活性が低下しており、神経細胞の興奮生を増加させている。また薬剤によりHCNチャネルの活性を抑制もしくは増強することにより、欠神発作の持続時間が延長・短縮することが実験的に示された。シナプス連続刺激に伴う短期的シナプス増強のメカニズムを理解するために、シナプス電流のキネティクスを詳細に検討し、これまでに報告のない電流減弱相の時定数の増加という減少を見いだした。この現象を理解するために、神経終末のカルシウム上昇、小胞放出、グルタミン酸受容体活性化のステップを総合的にシミュレーションした。実験データと照合することにより、時定数の遅延がグルタミン酸のシナプス周囲への蓄積によることが推測された。またこれまで実験的データのないカルシウム上昇の下降相の様子、および連続刺激によるカルシウム上昇のパターンが推測された。多数の神経細胞のシミュレーションの高速化を目指して、汎用GPU(グラフィック・プロセッシング・ユニット)を備えたワークステーションを導入し、GPUに適したプログラムの開発を行った。この技法を利用してどの程度まで複雑な神経細胞の計算が可能かを検討中である。われわれ哺乳類の覚醒状態は、さまざまな神経調節因子により調節されている事が以前より知られている。しかしその基盤となる神経回路メカニズムは十分には解明されていない。われわれは、神経間結合が定義された微小神経回路を用いて、神経調節因子が入力の統合のタイミング変化させる事を見いだした。脳スライスを用いた実験を行い、視床から大脳皮質第4層神経細胞への投射で、2つの同期した入力よりも数ミリ秒ずれた入力が大きな応答を示しその応答がフィードフォワード抑制に関係する現象であることを見いだした。フィードフォワード抑制回路をダイナミッククランプで置換し、他の抑制性回路を薬理学的に遮断した状態で、タイミングを詳細に検討したところ、同時入力ではフィードフォワード抑制回路がより効率的に活性化されるために、タイミングがずれる場合よりも応答が小さくなる事が示された。更に覚醒を促すノルエピネフリンでは同期入力を選択し、覚醒を押さえるアデノシンではタイミング域が広がった。これらの実験データより、神経調節因子はタイミングのスイッチとして作用することが明らかとなった。カルシウムチャネルに変異を持つ欠神発作モデルマウスの欠神発作の発生機序を更に検討した。

ヒトのパーキンソン病患者に治療的目的で用いられる深部脳刺激をまねて、モデルマウスの視床下核で電極による高頻度刺激を行うと、頻度依存的に欠神発作を抑制することが可能であった。外部からの刺激によっても欠神発作の脳波周波数に変化は見られなかった。今後、大脳基底核より視床への情報伝達のメカニズムの解析が必要である。