hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
多波長面発光レーザアレイ

将来の大容量光通信ネットワークのために,発振波長の絶対値を安定化した半導体レーザの実現や大規模な多波長一括生成技術が望まれている.波長の安定化された多波長光源が集積できれば,大容量の光LANやクロスコネクトなどへの展開が期待できる.本研究は,微小共振器面発光レーザとマイクロマシン(MEMS)/ナノマシン(NEMS)技術を融合して,波長温度無依存の半導体レーザや,数百波規模の多波長一括生成技術,広範囲の波長可変動作などを実現するための学術的基盤と基礎技術を確立することを目指して,研究を進めた.具体的な研究成果は,以下の通りである.凹凸パターン基板上多波長面発光レーザアレイの高精度波長制御のために,境界層内の気相拡散モデルを用いてパターン基板上の多波長集積アレイの設計を行った.GaAsパターン基板上の単膜の膜厚分布測定と顕微PLマッピングから拡散係数などのパラメータを推定することにより,任意の凹凸基板上の多波長面発光レーザの波長シフト量を理論的に予測できるようになった.約200nmの広い波長スパンにわたり波長シフト量を理論的に見積もることができた.さらに,多波長アレイの波長等間隔化を可能とするパターンの形状を理論的に求め,150nmの広い波長域にわたりほぼ線形な傾斜で波長を変化させることを示した.実際に,このような設計に基づき,1次元多波長面発光レーザアレイの波長等間隔化を試み,波長間隔約20nmの多波長アレイを初めて実現した.波長集積の高密度化には,空間的な高密度面発光レーザアレイの構成が必要とされる.今回,新たなトレンチ構造の提案により,ピッチ20umまでの高密度集積面発光レーザアレイの試作に初めて成功し,通常の構造では困難な高密度集積化が可能となった.将来の大容量光通信ネットワークのために,発振波長の絶対値を安定化した半導体レーザの実現や大規模な多波長一括生成技術が望まれている.波長の安定化された多波長光源が集積できれば,大容量の光LANやクロスコネクトなどへの展開が期待できる.本研究は,微小共振器面発光レーザとマイクロマシン(MEMS)/ナノマシン(NEMS)技術を融合して,波長温度無依存の半導体レーザや,数百波規模の多波長一括生成技術,広範囲の波長可変動作などを実現するための学術的基盤と基礎技術を確立することを目指すとともに,これを基に,波長多重を用いた大容量光LANや光クロスコネクトへの応用の可能性を探求することを目的として,研究を進めた.具体的な研究成果は,以下の通りである.凹凸のある基板上に減圧MOCVD法で面発光レーザを成長することにより,波長1.1から1.2μm帯高歪みGaInAs/GaAs量子井戸のパターン基板上への成長の検討および多波長面発光レーザアレイを実現した.有機金属気相成長法を用いた多波長光源一括生成技術を開拓し,広い波長範囲での波長制御を可能にするとともに,低しきい値2次元多波長アレイを実現した.また,高歪GaInAs量子井戸やGaInNAs材料の開拓により,GaAs基板上で1.3μm発光も可能になり,高速の単一モード光ファイバ伝送に適用できるような多波長面発光レーザも製作できるようになった.また,波長制御の観点から,MEMSを用いた波長掃引技術に着目し,MEMS構造と熱応力制御による絶対波長安定化や波長掃引技術の開拓も進め,波長温度無依存の面発光レーザや大きな連続波長掃引が可能な波長可変面発光レーザの基礎技術を確立した.将来の大容量光通信ネットワークのために,発振波長の絶対値を安定化した半導体レーザの実現や大規模な多波長一括生成技術が望まれている.波長の安定化された多波長光源が集積できれば,大容量の光LANやクロスコネクトなどへの展開が期待できる.本研究は,微小共振器面発光レーザとマイクロマシン(MEMS)/ナノマシン(NEMS)技術を融合して,波長温度無依存の半導体レーザや,数百波規模の多波長一括生成技術,広範囲の波長可変動作などを実現するための学術的基盤と基礎技術を確立することを目指すとともに,これを基に,波長多重を用いた大容量光LANや光クロスコネクトへの応用の可能性を探求することを目的として,研究を進めた.具体的な研究成果は,以下の通りである.凹凸基板上に減圧MOCVD法で面発光レーザ構造を形成することにより,多波長面発光レーザを製作し,その波長域拡大のためのGaInAs/GaAs量子井戸の形成条件と共振器の共振波長制御のデータを収集した.波長域を拡大するために,共振波長と利得波長の離調の最適化を行い,初めて100mmを超える波長域で動作可能な多波長面発光レーザアレイを実現した.さらに,波長域を拡大するために,成長圧力を変調させる圧力変調法を提案し,これによって,利得と共振波長を広い波長範囲で同時に整合することが可能になった.この手法を用いて,190nmを超える広波長域の多波長面発光レーザアレイを実現し,その動作特性を明らかにした.また,MEMS構造と熱応力制御による絶対波長安定化技術の開拓も進め,共振形発光ダイオードで,単一モードレーザの1/7という極めて波長の温度係数の小さな発光素子を実現し,波長温度無依存の面発光レーザの可能性を示した.

将来の大容量光通信ネットワークのために,発振波長の絶対値を安定化した半導体レーザの実現や大規模な多波長一括生成技術が望まれている.波長の安定化された多波長光源が集積できれば,大容量の光LANやクロスコネクトなどへの展開が期待できる.本研究は,微小共振器面発光レーザとマイクロマシン(MEMS)/ナノマシン(NEMS)技術を融合して,波長温度無依存の半導体レーザや,数百波規模の多波長一括生成技術,広範囲の波長可変動作などを実現するための学術的基盤と基礎技術を確立することを目指して,研究を進めた.具体的な研究成果は,以下の通りである.凹凸パターン基板上多波長面発光レーザアレイの高精度波長制御のために,境界層内の気相拡散モデルを用いてパターン基板上の多波長集積アレイの設計を行った.GaAsパターン基板上の単膜の膜厚分布測定と顕微PLマッピングから拡散係数などのパラメータを推定することにより,任意の凹凸基板上の多波長面発光レーザの波長シフト量を理論的に予測できるようになった.約200nmの広い波長スパンにわたり波長シフト量を理論的に見積もることができた.さらに,多波長アレイの波長等間隔化を可能とするパターンの形状を理論的に求め,150nmの広い波長域にわたりほぼ線形な傾斜で波長を変化させることを示した.実際に,このような設計に基づき,1次元多波長面発光レーザアレイの波長等間隔化を試み,波長間隔約20nmの多波長アレイを初めて実現した.波長集積の高密度化には,空間的な高密度面発光レーザアレイの構成が必要とされる.今回,新たなトレンチ構造の提案により,ピッチ20umまでの高密度集積面発光レーザアレイの試作に初めて成功し,通常の構造では困難な高密度集積化が可能となった.
口唇裂の胎児治療を目指した帯状再生組織によるマウス胎仔口唇欠損の修復と融合の検証

口唇口蓋裂は口唇・顎堤・口蓋等に披裂が生じる先天性の顔面形態異常である。術後の瘢痕形成や成長期の2次的変形による醜形によって審美障害をきたすだけでなく、不正咬合を原因とする機能障害を惹起することにより、患者および家族の肉体的・精神的負担が大きい。さらに出生後から成人に至るまで度重なる手術や治療が必要となり、経済的な負担も大きい。したがって、胎生期に披裂を治療することが可能になれば、患者および家族の肉体的・精神的・経済的負担を軽減することが出来ると考えられる。近年、胎児鏡下レーザー凝固術や胎児胸腔羊水腔シャント術が高度先進医療として実施される等、胎児治療および麻酔技術が確立されつつあり、口唇口蓋裂の胎児治療が実現可能であると考えられる。そこで本研究では外科的口唇裂モデルマウスを作製し、幹細胞を足場素材に担持させた帯状再生組織を投与して、小動物における胎児治療法の有効性を検証する。本年度は1外科的口唇裂モデルマウスの作製、および2帯状再生組織の原料となる羊水幹細胞の培養法の検討を行った。先行研究では胎仔のある特定の時期までに受けた傷は瘢痕を形成しない、無瘢痕治癒形態をとることが知られている。昨年度は実際に胎齢16.5、18.5のC57BL/6系統マウスの胎仔創傷治癒を比較・観察し、この現象を確認した。しかし、この能力は組織欠損の量に依存することが知られており、本年度は量的に異なる組織欠損を加えたマウス胎仔の口唇を比較し、口唇裂様の治癒形態を生じるのに必要な欠損の幅および長さについて検討した。その結果、少なくとも幅1mm、長さ2mmの組織欠損が安定的に外科的口唇裂を作製するために必要であることが分かった。またICR、C57BL/6妊娠マウスから採取した羊水を種々の培地で培養し、MSC様の細胞増殖を認めた。これらの細胞から作製した帯状再生組織による組織修復を試みた。本年度は1モデルマウスの口唇器官培養の検討、2モデルマウスのin vivoにおける組織修復の評価を行った。1については胎齢16.5および18.5のC57BL/6マウスを回収し、左側上口唇に切開を加え外科的に口唇裂を作製した。マウス頭部を水平断し、組織片を作製し器官培養を行った。組織片を培養24・48・72時間後に回収し、各種染色を行ったところ、良好な修復所見を認めた。そのため2のin vivoにおける検討に移行した。2についても同様のマウスに対し、開腹・開子宮下で左側上口唇に切開を加え外科的口唇裂を作製した。閉創24・48・72時間後に胎仔を回収し、経時的に組織学的・免疫組織化学的に評価を行ったところ、HE染色・膠原染色等において16.5群では18.5群より真皮層のコラーゲン繊維の配向の乱れが少なく、良好な組織修復所見を認めた。また上皮分化マーカーを標識した免疫染色において良好な表皮修復所見を認めた。口唇口蓋裂は単一遺伝子疾患ではなく、現時点では多因子しきい説でその発症が説明されている。そのため遺伝的モデル動物を作製することは困難であり、外科的な口唇裂モデルマウス作製を行った。その結果、安定的にモデルを作製する手技を確立することが出来た。来年度は実際に帯状再生組織の投与に計画を進めることから、おおむね順調に進展していると評価した。

そこで本研究では外科的口唇裂モデルマウスを作製し、幹細胞を足場素材に担持させた帯状再生組織を投与して、小動物における胎児治療法の有効性を検証する。本年度は1外科的口唇裂モデルマウスの作製、および2帯状再生組織の原料となる羊水幹細胞の培養法の検討を行った。先行研究では胎仔のある特定の時期までに受けた傷は瘢痕を形成しない、無瘢痕治癒形態をとることが知られている。昨年度は実際に胎齢16.5、18.5のC57BL/6系統マウスの胎仔創傷治癒を比較・観察し、この現象を確認した。しかし、この能力は組織欠損の量に依存することが知られており、本年度は量的に異なる組織欠損を加えたマウス胎仔の口唇を比較し、口唇裂様の治癒形態を生じるのに必要な欠損の幅および長さについて検討した。その結果、少なくとも幅1mm、長さ2mmの組織欠損が安定的に外科的口唇裂を作製するために必要であることが分かった。またICR、C57BL/6妊娠マウスから採取した羊水を種々の培地で培養し、MSC様の細胞増殖を認めた。これらの細胞から作製した帯状再生組織による組織修復を試みた。GFPマウスより樹立したES細胞、中胚葉細胞、外胚葉細胞、間葉系幹細胞、角化細胞を調整し、足場素材に担持させ、帯状再生組織を作製する。これを実際に外科的口唇裂モデルマウスに投与し、移植細胞の生着を評価する。当初検討していたよりも、抗体が安価に購入できたため、試薬の代金に関し余剰が生じた。翌年度分の助成金と併せて、偏光顕微鏡の購入資金に充てる。
ヒトの定位反応に及ぼす刺激モダリティと課題教示の効果に関する実験的研究

1.本研究では,皮膚電気反応と視覚刺激に対する凝視時間を指標として,刺激のモダリティと課題教示がヒトの定位反応にどのような影響を及ぼすかを検討した.従来の研究では,生体にとって意味のある刺激(有意刺激)に対して出現する“選択的定位反応"の生起が報告されているが,筆者は,有意刺激と異なるモダリティで提示される非有意刺激によっても定位反応が誘発されることを示してきた.実験操作的には生体にとって何等の意味も付与されていなかった刺激に対して定位反応が出現したという事実は,これまでの研究では報告されていない知見であり,定位反応の適応的意義から“警戒的定位反応"と仮説的に名づけられた.この警戒的定位反応がどのようなメカニズムによって出現するのかを検討するため,従来,定位反応の指標として測定されてきた自律系生理反応である皮膚電気反応に加えて,生体の行動的反応である凝視時間を取得して予備的実験を行った.その結果,皮膚電気反応においては刺激の反復提示に伴う反応の減少,すなわち馴化が見られたが,凝視時間にはこのような傾向が示されなかった.また,課題教示の効果についても,皮膚電気反応には課題群における増大した反応(選択的定位反応)が誘発されたのに対して,凝視時間には課題群と統制群とで差が認められなかった.これらの傾向は,凝視時間が定位反応の指標としては適切といえないことを示唆するものであるが,凝視時間に影響する刺激の持続時間が1秒間と短かったことが上記のような結果をもたらしたとも考えられる.そこで今後は,刺激の持続時間を長くするなど,実験手続を変えてさらに検討する必要があると思われる.2.これまでの定位反応研究の歴史的背景と展望を,定位反応の誘発と馴化を説明した様々なモデルを検討しながら,「定位反応研究の歴史と展望-誘発モデルの展開を中心として-」としてまとめた.1.本研究では,皮膚電気反応と視覚刺激に対する凝視時間を指標として,刺激のモダリティと課題教示がヒトの定位反応にどのような影響を及ぼすかを検討した.従来の研究では,生体にとって意味のある刺激(有意刺激)に対して出現する“選択的定位反応"の生起が報告されているが,筆者は,有意刺激と異なるモダリティで提示される非有意刺激によっても定位反応が誘発されることを示してきた.実験操作的には生体にとって何等の意味も付与されていなかった刺激に対して定位反応が出現したという事実は,これまでの研究では報告されていない知見であり,定位反応の適応的意義から“警戒的定位反応"と仮説的に名づけられた.この警戒的定位反応がどのようなメカニズムによって出現するのかを検討するため,従来,定位反応の指標として測定されてきた自律系生理反応である皮膚電気反応に加えて,生体の行動的反応である凝視時間を取得して予備的実験を行った.その結果,皮膚電気反応においては刺激の反復提示に伴う反応の減少,すなわち馴化が見られたが,凝視時間にはこのような傾向が示されなかった.また,課題教示の効果についても,皮膚電気反応には課題群における増大した反応(選択的定位反応)が誘発されたのに対して,凝視時間には課題群と統制群とで差が認められなかった.これらの傾向は,凝視時間が定位反応の指標としては適切といえないことを示唆するものであるが,凝視時間に影響する刺激の持続時間が1秒間と短かったことが上記のような結果をもたらしたとも考えられる.そこで今後は,刺激の持続時間を長くするなど,実験手続を変えてさらに検討する必要があると思われる.2.これまでの定位反応研究の歴史的背景と展望を,定位反応の誘発と馴化を説明した様々なモデルを検討しながら,「定位反応研究の歴史と展望-誘発モデルの展開を中心として-」としてまとめた.
浮遊性有孔虫の新規環境指標の確立：遺伝子・安定同位体・形態の複合解析から

海洋環境指標として最も活用される微化石・浮遊性有孔虫は、近年の研究から生物種の分類、それら種の生態的特徴の見直しが指摘されてきた。本研究は、最先端技術を応用して、1mm以下の微小な浮遊性有孔虫個体について、遺伝子・形態・同位体の主要な分析を行うことを可能にする方法を編み出した。まず遺伝子抽出行程が殻への物理的・化学的影響を及ぼし、その後の分析に弊害をもたらすことがないか厳密に検証し、実際の浮遊性有孔虫の生物種間での形態や同位体比の特徴を検出した。本研究による同時複数分析の手法は、汎用性が高く、かつ生物の実態に即した生態情報の獲得、それらを応用した環境指標の開発につながる。本研究は、浮遊性有孔虫の炭酸塩殻の安定酸素・炭素同位体比に対する生物学的効果を解明し、海洋の古環境、特に炭素循環の指標を確立することを目的としている。本研究では浮遊性有孔虫の生体試料を用い、同一個体で遺伝子解析・形態分析・同位体分析を行い、その生物学的効果を精確に評価していく。そのため、各々3つの分析において使用する試薬や加熱処理などが他の分析へ影響を及ぼしていないか確認する必要があった。そこで、初年度は手法の適性を確認し、基礎データである浮遊性有孔虫の遺伝子解析を行うことに注力した。1.手法の適性:同一の観測点で同時に採取した個体試料を3つのグループに分け、(1)いかなる試薬も用いない乾燥個体試料、(2)遺伝子抽出用の試薬中で通常の加熱時間で加え遺伝子抽出を行い、殻を分離した試料、(3)加熱時間を通常の3倍に延長し遺伝子抽出・殻の分離を行った試料を作成した。これらの3つのグループの各個体について、microフォーカスCTスキャンを用いて殻の密度を測定し、質量分析計によって安定酸素・炭素同位体比を測定した。これら比較検証の結果、遺伝子抽出で使用する試薬や加熱処理が、浮遊性有孔虫の殻に対し物理的・化学的に影響がないことがわかった。2.基礎データの取得:海洋環境は時系列(季節)に沿って変化するため、同一観測点で月別試料・海洋環境観測を行っている。これらの試料を用い、遺伝的に異なる浮遊性有孔虫種(遺伝子型)の産出変化を出した。また、遺伝子抽出後の炭酸塩殻は、異なる季節間の試料で形態・同位体比分析を行っている。本研究の目的は、古海洋環境の復元に広く使用される浮遊性有孔虫の炭酸塩殻の安定酸素・炭素同位体比について、その精度を高めることである。これまで、浮遊性有孔虫は共生藻を持つため、炭酸塩殻の形成に生物学的効果が大きく関与しており、そのメカニズムはブラックボックスのままであった。そこで、浮遊性有孔虫の生体試料を採取し、まずそれらの遺伝的種、各々の種がもつ共生藻種の同定を行う。その上で、殻の形態と安定酸素・炭素同位体比を分析し、生物学的効果を精査する必要がある。初年度の研究で、同一個体から遺伝子と殻を分離し、各々の分析を行う手法の確立に取り組んだ。こうしたデータを精査した結果、いくつかの問題が生じ、平成27年度に行った研究によってそれらを解決するに至った。(1)問題:遺伝子抽出の過程における試薬・加熱処理が、殻へ物理的に影響を及ぼさないことを精確に検証するには、標準物質を用い、実際の試料と比較する必要がある。しかし、これまでのマイクロフォーカスCTスキャンでは、機械上の性質から測定時の誤差が大きかった。解決法・結果:機械上の問題、また精巧な標準物質との同時測定を可能にすることによって、高精度に殻の密度を計測することができるようになった。また、遺伝子抽出の諸過程は、殻へ物理的ダメージを与えないことがわかった。(2)問題:殻試料をマイクロフォーカスCTスキャンで密度測定、形態計測を行うにあたり、試料台に殻を固定するため用いた接着剤が、微量の同位体分析に影響を及ぼしている事がわかった。解決法・結果:接着剤そのもののリン酸反応を試験し、影響を及ぼさない物質を採用することにより、正確な同位体分析が可能になった。これらの問題解決を受け、季節別に採取した浮遊性有孔虫の試料の再測定、また新規試料の分析を進めている。本研究は、遺伝子解析・殻の形態計測および同位体比の分析を行い、これらの結果を複合的に検証していく。各々の分析で、これまでにない高精度の結果が必要であるため、手法の諸問題を解決していくことは非常に重要である。さらに、分析数を増やすことも必要であるため、各々の手法での効率化も注力している。実際に、マイクロフォーカスCTスキャンの分析は以前より格段に正確かつ効率化した。しかし、まだ同位体比への生物学的効果を評価するにはデータが蓄積されていない。浮遊性有孔虫は、炭酸塩の殻形態によって種が分類され(形態種)、殻の酸素・炭素安定同位体比(δ18O、δ13C)が生息場周辺の海洋環境を反映する指標として重用されてきた。しかし、近年の分子系統解析から1形態種に複数の遺伝的に異なる種(遺伝子型)を含まれることが示唆され、さらに殻のδ13Cは共生藻などの生物学的効果があり、環境指標としては使用しにくいという問題があった。そこで本研究では、遺伝子型毎に殻の形態や同位体比の特徴を見直し、より生物の特徴を反映させた環境指標を確立することを目的とした。

本研究は2つの主要な項目から構成され、(1)遺伝子抽出の実験行程が及ぼす浮遊性有孔虫殻への物理的・化学的影響を検証し、(2)各遺伝子型での共生藻・形態・同位体比の特徴を検出した。(1)同時に採取した浮遊性有孔虫の個体試料を用い、比較実験を行った。まず、遺伝子抽出用試薬による殻への物理的影響を評価するため、同一個体の加熱処理前後をマイクロフォーカスCTスキャンで測定し、物理的影響がないことを証明した。次に、個体試料をa.乾燥のみ、b. 40分間、遺伝子抽出用試薬による加熱処理、c.120分加熱処理した試料に分け、各々の個体を微量炭酸塩の安定同位体分析装置(MICAL3)で分析を行った。その結果、3つの行程間でδ18O、δ13Cともに有意な違いがなく、殻への化学的影響はないことが証明された。(2)同時に採取した2つの遺伝子型間でδ18O・δ13C値の比較をした結果、いずれもδ13Cは個体の大きさと相関があった。これは浮遊性有孔虫体サイズの増加に伴う共生藻数の増加などがこうした傾向の要因と考えられた。さらに、両遺伝子型間で同じ共生藻種が見つかるにも関わらず、殻のδ13C値の平均値が有意に異なり、遺伝子型間の栄養戦略(共生藻量など)の違いが要因と考えられた。海洋環境指標として最も活用される微化石・浮遊性有孔虫は、近年の研究から生物種の分類、それら種の生態的特徴の見直しが指摘されてきた。本研究は、最先端技術を応用して、1mm以下の微小な浮遊性有孔虫個体について、遺伝子・形態・同位体の主要な分析を行うことを可能にする方法を編み出した。まず遺伝子抽出行程が殻への物理的・化学的影響を及ぼし、その後の分析に弊害をもたらすことがないか厳密に検証し、実際の浮遊性有孔虫の生物種間での形態や同位体比の特徴を検出した。本研究による同時複数分析の手法は、汎用性が高く、かつ生物の実態に即した生態情報の獲得、それらを応用した環境指標の開発につながる。本研究で行っている遺伝子・形態・同位体の複合解析は、当該分野では初めての試みである。そのため、初年度に行った手法の構築と、手法間の影響の有無を検証することは非常に重要である。その結果、手法間で影響を及ぼすようなことがないことが確認された。微小な個体を1個体ずつ分析するため各分析に時間が必要であるが、初年度の手法の比較検証を基に、現在月別試料の分析が順調に進められている。これまでに得られた実験手法の確立について、学会・国際誌に成果発表を行う。本研究の主目的である同位体比への生物学的効果を評価するため、季節別の浮遊性有孔虫試料の諸分析を精力的に進め、成果をまとめる。分子古生物学初年度で行った手法の比較検証から得られた知見についてまとめる。さらに、本研究の目的を達成させるため、まず季節間(春・夏・秋・冬)の試料について、浮遊性有孔虫の共生藻の遺伝子解析、炭酸塩殻の同位体比分析を重点的に進める。浮遊性有孔虫の遺伝子型は全て同定済みであるため、成体個体の殻を中心に形態計測を進め、各遺伝子型の形態的特徴を検出する。当初予定していた実験において、手法の確立に再測定・再分析が必要になり季節別の試料の分析数が少なかった。このため、次年度使用額が生じた。平成26年度の計画に基づく経費執行について、4月に支払をすべき経費が残っていたため、次年度使用額として繰り越している。次年度使用額は平成28年度請求額と合わせて、季節別の試料の分析を完遂に使用するとともに、これらの分析で得られた成果の学会発表、論文発表に使用する計画である。4月に全額執行した。
癌組織の発する紫外線励起蛍光とポルフィリン誘導体との関連性の分析

口腔癌において、紫外線による励起蛍光を発するのは癌組織自体ではなく表層に付着した壊死組織に限局していることが判明したため、口腔癌の一次症例に対し、紫外線蛍光撮影後、壊死組織を綿棒でぬぐい取る方法にて試料を採取した。採取した蛍光物質は、遮光した容器に入れて-20度にて凍結保存することにより、保存可能であることを確認した。さらに、綿棒を紫外線ランプ内蔵のクロマトビューキャビネットにて観察したところ、紫外線蛍光撮影写真と同様な蛍光が綿棒の先端に認められた。このことから、写真撮影・フィルム現像という過程を経ないでも、簡便な方法にて紫外線蛍光を直接観察するという診断法が可能であることが示唆された。採取できた試料は極微量であるため、10人の癌患者から得られた試料をもとに、各種の溶液および変性剤を用いて蛍光物質の可溶化を試み、効率的な抽出法を検討したが、現段階では結論を得るには至らなかった。ハムスターの実験的誘発舌癌における紫外線蛍光の有無を検討した。ハムスターの舌には、911週目に乳頭腫形成を認め、15週目頃より明らかな癌形成を認めた。紫外線蛍光撮影は、17・18・20週目に行った。発癌操作をしていない反対側の健康な舌および乳頭腫病変においては紫外線励起蛍光は認められなかった。しかし、発癌を認めたものには、ヒト口腔癌と同じ紫外線蛍光を認めたとともに、腫瘍の増大に伴い蛍光を発する部位の拡大が確認された。このことから、ハムスターの実験的誘発舌癌は、口腔癌の紫外線蛍光診断法における基礎的実験系として有用であることが示唆された。今回の研究において、採取出来た試料が極微量であったため、ポルフィリンとの関連を直接検討するには至らなかったが、より簡便な紫外線蛍光診断法の確立および基礎的実験系の確立という今後の研究を進める上で二つの重要な知見が得られた。
耐ノイズ性・耐ばらつき性を有する高信頼性ディジタル回路の設計

VLSIが低電圧化・高速化・微細化するにつれ,ノイズによるVLSIの誤動作が問題となっている.本研究ではデータ信号線に発生するノイズに耐性のあるフリップフロップの開発を行った.開発した回路は付加信号を必要とせず,また既存回路と互換性・整合性のある回路構造であることから,従来設計の回路と混在が可能である.更に開発した回路機能をデータ信号の遅延時間の増加・減少の検知に拡張し,信号遅延の訂正に応用できることを明らかにした.VLSIが低電圧化・高速化・微細化するにつれ,ノイズによるVLSIの誤動作が問題となっている.本研究ではデータ信号線に発生するノイズに耐性のあるフリップフロップの開発を行った.開発した回路は付加信号を必要とせず,また既存回路と互換性・整合性のある回路構造であることから,従来設計の回路と混在が可能である.更に開発した回路機能をデータ信号の遅延時間の増加・減少の検知に拡張し,信号遅延の訂正に応用できることを明らかにした.VLSIが低電圧化・高速化・微細化するにつれ,各種のノイズや製造ばらつきによる誤動作が問題となっている.特に微細化されたVLSI内の寄生R,L,C成分によって発生するクロストークノイズやソフトエラーによる誤動作や多数のゲートのスイッチングによる電源ゆらぎ(電源ノイズ)への対策,および製造ばらつきに影饗を受けない回路動作は,高信頼性VLSIを実現するための重要な課題となっている.一般には,これらの発生予測や完全排除は困難であり,回設計レベルでの対策が有効であると考えられる.そのために,既存回路と互換性・整合性の取れるノイズ耐性・ばらつき耐性のある回路構造を実現し,また従来設計の回路との混在を可能にすることを目指す.更に現行の設計手法で実現可能であることなど,広い適用性と低コストでの実現を目指す.これらの研究目標に対して,今年度は以下の成果を得ることができた.ノイズパルスの検出・ブロックできるフリップフロップの開発: VLSI内のデータ線にはクロストークやソフトエラーによるパルス信号が予期せずに発生し,フリップフロップに誤動作を生じさせる.本研究では,付加クロック信号や回路の冗長化なしにクロック信号の立上がりエッジと立下りエッジの両方を活用することで,データ線上の異常パルスの検出およびそのブロックを行えるエッジトリガフリップフロップの構成法弄開発した.このフリップフロップはクロックパルス幅を調整することで,検出・ブロックできるノイズ幅の設定が可能であり,また既存の他の回路素子と混在して使用することができる.提案方法を実現したプロトタイプの回路動作をシミュレーションにて検証し,その有効性を確認した.VLSIが低電圧化・高速化・微細化するにつれ,各種のノイズや製造ばらつきによる誤動作が問題となっている.特に微細化されたVLSIではソフトエラーによる誤動作への対策は,高信頼性VLSIを実現するための重要な課題となっている.一般には,これらの発生予測や完全排除は困難であり,回路設計レベルでの対策が有効であると考えられる.そのために,既存回路と互換性・整合性の取れるノイズ耐性・ばらつき耐性のある回路構造を実現し,また従来設計の回路との混在を可能にすることを目指す.更に現行の設計手法で実現可能であることなど,広い適用性と低コストでの実現を目指す.これらの研究目標に対して,今年度は以下の成果を得ることができたノイズパルスをブロックできるエッジトリガーフリップフロップの開発とその評価:VLSI内のデータ線にはソフトエラーによるパルス信号が予期せずに発生し,フリップフロップに誤動作を生じさせる.本研究では,付加クロック信号や回路の冗長化なしにクロック信号の立上がりエッジと立下りエッジの両方を活用したデュアルエッジトリガフリップフロップを開発した.このフリップフロップはクロックパルス幅を調整することで,ブロックできるノイズ幅の設定が可能であり,また既存の他の回路素子と混在して使用することができる.提案方法を実現したプロトタイプの回路動作をシミュレーションにて検証し,その回路速度,回路規模,テスト方法を評価した,また回路ばらつきについてもその耐性を検証し,ばらつきの影響を受けずに正常動作できることを確認したVLSIが低電圧化・高速化・微細化するにつれ,各種のノイズや製造ばらつきによる誤動作が問題となっている.特に微細化されたVLSIではソフトエラーによる誤動作への対策は,高信頼性VLSIを実現するための重要な課題となっている.一般には,これらの発生予測や完全排除は困難であり,回路設計レベルでの対策が有効であると考えられる.そのために,既存回路と互換性・整合性の取れるノイズ耐性・ばらつき耐性のある回路構造を実現し,また従来設計の回路との混在を可能にすることを目指す.更に現行の設計手法で実現可能であることなど,広い適用性と低コストでの実現を目指す.これらの研究目標に対して,今年度は以下の成果を得ることができた.ノイズパルスをブロックできるエッジトリガーフリップフロップの設計とその応用:本研究では,付加クロック信号や回路の冗長化なしにクロック信号の立上りエッジと立下りエッジの両方を活用したデュアルエッジトリガフリップフロップを提案している.今年度は昨年度提案したフリップフロップ回路の回路サイズ,消費電力,動作速度の改善を目的にして新たに回と設計を行った。その結果,回路サイズを53%に,消費電力を93%に,動作速度を144%に向上させることができた.このフリップフロップの適用例として遅延検知と信号遅延訂正への応用を検討した.提案のフリップフロップは,立上りと立下りの両エッジのデータ値が異なるときに警告信号を出力する.

この機能を拡張することで,データ信号の遅延の増加・減少を検知し,またフリップフロップの出力値を強制的に反戦することで,遅延信号の訂正が行える.VLSIが低電圧化・高速化・微細化するにつれ,各種のノイズによる誤動作が問題となっている.一般には,ノイズの発生予測や完全排除は困難であり,回路設計レベルでの対策が有効であると考えられる。そのために,既存回路と互換性・整合性の取れるノイズ耐性・ばらつき耐性のある回路構造の実現を目指す.これらの研究目標に対して,今年度は以下の成果を得ることができた.本研究では,クロック信号のエッジ近傍に発生したノイズパルスによる誤動作を防止できるマスタースレーブFFを提案した.通常のFFではマスタ動作からスレーブ動作に切り替わるときに入力信号にノイズ信号が発生すると,このノイズの影響でFFは誤動作を引き起こす.一般にノイズ信号はパルス状の継続時間の短い信号であることから, FFのタイミング制約条件(セットアップ時間,ホールド時間)を満たさない信号と考えることができる.よってタイミング制約条件を満たさない信号(データの継続時間の短い信号)をノイズと捉え,このようなノイズによる誤動作を防止できるFFを開発した.提案法ではマスタラッチ内で本来のクロック信号で一度データを取込み,さらにそのクロック信号より遅れたタイミングで再度テータを取込み,両者のデータの一致・不一致により取込んだデータが2点間で信号継続しているかを判断し,正当データかノイズパルスかを判断する.取込んだデータがノイズパルスであると判断されたとき, FFは以前の値を保持し続ける.このFFは2回目のデータ取込みタイミングを調整することでブロックできるノイズ幅の設定が可能である.提案方法を実現した3種類のプロトタイプFFの回路動作をシミュレーションにて検証し,その回路性能,回路規模を評価した.また回路ばらつきについてもその耐性を検証し,ばらつきの影響を受けずに正常動作できることを確認した.本研究課題の主目的は,データ信号線に発生するノイズの影響を受けないフリップフロップを開発することである.昨年度はこれを実現するエッジトリガタイプのフリッププロップを開発し,また特許出願も行った.さらにこの結果から得た知見を信号遅延の検知と訂正に応用できる可能性が判明し,本研究課題の申請時に予想しえ得なかった新たな有効性を確認できた.これまではエッジトリガタイプのフリップフロップを対象にしていたが,今後はレベルセンシティブタイプのフリップフロップを対象に,耐ノイズ性のある回路の開発を行う.またノイズと信号遅延の両方を対象にした高信頼化手法についても検討を進める.(抄録なし)
L型大腸菌が栄養型に復帰するときの細胞挙動に関する基礎的研究

細菌の細胞壁を欠損し、かつ分裂能を有するL型菌が様々な感染症で確認されている。そのため、それらの細胞特性が病原菌の感染性や病原性を高めているのではないかと疑われているが、これらを支持する知見はほとんどない。本研究では、可逆的な「栄養型⇔L型」の形態変化のなかでも、特にL型から本来の栄養型細菌に復帰する過程における形態変化とそれに係る因子の細胞内局在と機能、および細胞膜が露出したL型菌の細胞融合現象による遺伝子伝播の可能性について、分子生物学的手法や共焦点蛍光顕微鏡を用いて解析を行い、医学および生物学における有益な知見を得る。
スキル拡張型遠隔作業ロボットを用いた人間機械協調高効率セル生産システムの構築

本研究は,近年,生産現場で採用が広がっているセル生産方式において,ロボットに協調的に人の作業に介入させることで,微細作業などの高度な作業の実現や作業者の負担の軽減が期待できる人間機械協調型の生産システムを構築することを目指したものである.本研究期間では,直感的な定式化が難しい熟練作業者の持つ作業のコツ(スキル)を実験的に抽出し,それをロボットに持たせる方法について研究を行い,半田付け作業・機械部品の組み付け作業を題材に実際に作業支援システムを構築して効果を実証した.研究成果は,2本に分けて論文投稿を準備中である.本研究は,近年,生産現場で採用が広がっているセル生産方式において,ロボットに協調的に人の作業に介入させることで,微細作業などの高度な作業の実現や作業者の負担の軽減が期待できる人間機械協調型の生産システムを構築することを目指したものである.本研究期間では,直感的な定式化が難しい熟練作業者の持つ作業のコツ(スキル)を実験的に抽出し,それをロボットに持たせる方法について研究を行い,半田付け作業・機械部品の組み付け作業を題材に実際に作業支援システムを構築して効果を実証した.研究成果は,2本に分けて論文投稿を準備中である.本研究は,人が遠隔操作型ロボットを用いて作業に適宜介入して効率的に作業を行える「人間機械協調型の高効率セル生産システム」の構築を最終目標とし,未だ明らかになっていない人間の機械操作特性や情報判断特性を基礎研究により明らかにした上で,a)作業状況や支援情報を作業映像に重ねて強化現実的に作業者に伝える高臨場・高効率情報伝達技術(視覚支援によるスキル拡張と名付けた)や,b)作業を支援する特性や熟練者のスキルを仮想的に遠隔操作系に持たせて支援する協調的介入方式の作業支援技術(物理支援によるスキル拡張と名付けた)を確立し,作業性を飛躍的に高めることを目指している.平成20年度前半では,機械部品の微細組立作業を例にとり,人の機械操作特性や判断特性を実験的に検討するための準備として,まず,人間機械協調型セル生産システムの原型となる遠隔作業実験装置を構築した.これにより,特徴解析に必要な作業時の各種データを直接取得することが可能になり,熟練者の作業からの特徴量抽出や非熟練者との作業比較などを進める準備が整った.20年度後半は,熟練者の持つ作業スキルを抽出する基礎実験を行い,抽出に必要な要素の分類と多変量解析に基づく作業分析手法の検討を行い,21年度へと続く,人の特性分析と効果的な作業支援法の検討の研究課題への重要な指針を得た.本研究は,人間の特性理解と効果的な作業支援技術の構築を目的としているが,その先には,抽出した熟練者の作業スキルに基づくロボットの高度自動化や,熟練者から非熟練者へのスキル伝達への応用も見据えている.本研究は,人と作業ロボットが互いに協調しながら効率的に作業を行える「人間機械協調型の高効率セル生産システム」の構築を最終目標とし,人間の機械操作特性や情報判断特性を基礎研究により明らかにした上で,a)作業状況や支援情報を作業映像に重ねて強化現実的に作業者に伝える高臨場・高効率情報伝達技術("視覚支援によるスキル拡張"と名付けた)や,b)作業を支援する特性や熟練者のスキルを仮想的に遠隔操作系に持たせて支援する協調的介入方式の作業支援技術("物理支援によるスキル拡張"と名付けた)を確立し,作業性を飛躍的に高めることを目指している.平成21年度前半は,部品挿入などの機械作業や電子基板の半田付け作業を例にとり,熟練者が経験から蓄積した作業スキルをロボットの遠隔操作データから抽出する方法の具体検討を行った.そして,電子部品の半田付け作業に対して,実際に数名の熟練者の作業スキルを抽出する実験を行い,多変量解析の手法に基づいて作業スキルを戦略チャートとして具体化することに成功した.この戦略チャートからは,作業者が直接知ることのできないはずの半田ごての先端温度などの情報も作業戦略において重要な役割を果たしていることが確認でき,熟練者の作業戦略や失敗回避の戦略のほか,人による戦略の違いなどを判別することもできることがわかった.21年度後半は,得られた戦略チャートを元に,いくつかの具体的な作業支援機能をシステムに実装し,熟練者の作業特徴を用いて,作業初心者に対して効果的に作業支援("スキル拡張")を行えることを実証した.これにより,今後の「スキル拡張型人間機械協調セル生産システム」の構築に向けた重要な指針が得られた.本研究は,人と作業ロボットが互いに協調しながら効率的に作業を行える「人間機械協調型の高効率セル生産システム」の構築を将来目標とし,熟練者の持つ作業スキル(機械操作特性や情報判断特性)を作業データから抽出し,それを元に視覚的・物理的に作業に介入する支援機能を設計して,有効性の確認を行った.今回は,半田付け作業と機械部品の組み付け作業の二つを題材とした.半田付け作業は,動作は比較的単純であるが,基板の温めから半田投入,鏝の引き上げに至るまでの,温度や作業力,タイミングなどが結果にどう影響するのか,作業の状態量の因果関係が不明な作業の好例である.研究では,遠隔操作型ロボットシステムを用いて実施した熟練者の半田付け作業のデータを元に相関分析を行い,熟練者の持つ作業戦略をチャート化することに成功した.そして,そこから得られた作業戦略を用いて,半田付け初級者の作業を支援するシステムを構築し,有効性を確認した.

一方,機械部品の組み付け作業は,順に拘束を増やすなど,逐次の達成目標を順にクリアしていくことで作業が完了するものも多く工程分割や因果関係は比較的単純であるが,各工程内の動作や戦略は高度なものが要求される作業の例として設定した.研究では,クリアランスの小さい精密センサ部品の組み付け(カバーの嵌め合い)を題材に熟練者の作業データを解析し,熟練者の作業戦略を明らかにした.得られた戦略を元に,非熟練者の作業支援および自動組み付け実験を行い,その有効性を確認した,特に,熟練者のスキルを用いた作業の自動化では,非常に単純な制御則で効率的な組み付けが行えることを確認した.半田付けスキルに関しては現在論文投稿中で,後者の機械部品の組み付けに関しては得られた成果を投稿準備中である.
地震滑りによる摩擦発熱量の直接測定

断層の滑り摩擦の絶対値を知るために、来るべき地震の断層のすぐそばに精密温度計のアレーを設置するという世界で初めての観測を行った。南アフリカの金鉱山に、地下3kmでの採掘活動が大規模な地質断層のそばで行われているところがある。我々は、この地点で長さ30m程度の多数のボーリングを行い、コアと、孔内ビデオ映像の詳細な解析により、厚さ20mを超える複雑な断層帯の構造を三次元的に描きだした。その結果、断層帯の片側と母岩の境界の厚さ10cm程度の部分だけが、損傷が激しく、際だった弱面になっていることが見出された。この構造は面をつらぬくボーリング孔がカバーする全範囲(10x10m程度)にわたって連続しており、また、相当に平面的であった。この面を中心に、距離1m以内に多くの温度計を設置することができた。断層帯は、主に母岩の砕屑物が固結した岩石でできていたが、その中で面構造を示す部分はごくわずかであった。数センチの厚みで、剪断の集中による葉状構造が観察される所は他にも数カ所あったが、先に述べたものだけが、ぼろぼろの状態で、全ての掘削孔で、この面を通る部分だけ、壁の材質がリング状に失われていた。連続観測された温度データは非常に安定で、この鉱山で発生が期待されるM2-3クラスの地震が、上述の弱面で起こった場合、その滑り摩擦強度が、実験室から予想される値の1/10程度でも、測定することができるほどである。これは、いわゆる地殻応力問題で取りざたされている断層強度の範囲の全域をカバーできていることになる。地震によって起こった発熱による周辺岩盤温度の時間変化をみるこの観測では、地震後1ヶ月ほどのデータが必要だが、地震の被害を受けやすい断層直上での観測であるため、地震後に観測機器にアクセスできなくなる可能性もある。そのため、データの収録、伝送、電源供給方法は無線を含めた多重化を行った。本年度は、4-11月にかけて研究代表者、分担者ら南アフリカに渡航・滞在し、南アフリカ金鉱山における半制御地震発生実験国際共同研究グループの他のメンバーや現地の鉱山関係者と協力して、隣接する二つの鉱山の採掘がふかさ3000mで既存断層とぶつかるところに、地震実験場を開設した。両方の鉱山で顕著な断層に20mの掘削で到達できることが確認されたが、そのうちの一つTauTona鉱山の方は採掘による応力の高まりが予想以上で、掘削作業自体困難となった。Mponeng鉱山の方では、10x20mの範囲に7本の温度計測孔を3次元的に採掘し、一部には温度センサがインストールされた。全ての掘削孔は、内部のビデオ画像とコアの観察によって、断層との位置関係が10cm精度で同定された。現在残りの孔への温度センサの敷設が進行中である。また、温度センサとデータ収録・伝送装置に関して、現地の条件に合ったように開発・改造が施された。センサは、水平に近く、壁面の状態のよくない(断層帯であるため)掘削孔に敷設できるよう、耐食ステンレス製の丈夫な特殊防水容器に収めた。地震時の摩擦発熱を知るためには、長期の停電が予想される地震後も観測を継続する必要があるため、システムは、ハード、ソフトの両面から極限まで低消費電力化した。

また、地震後にデータ回収にいけない可能性が高いため、鉱山の地震観測網を利用してデータを伝送できるよう、現地の地震観測網の開発・管理をしている南アフリカISS社と協力して、我々のデータ伝送システムと、現地の伝送システムのインターフェイスを開発、テストした。本年度は、Mponeng鉱山の地下3kmに昨年度掘削した7本のボーリング孔へ全ての温度センサの埋設を完了した。一つの孔につき水晶温度計が1つ、白金温度計が2つずつ埋設されている。各センサの位置は、昨年度の掘削時に収集したビデオ画像と,コアの観察で同定した断層弱面の近傍1m以内を中心に配置した。高精度の水晶温度計のデータは、現地の鉱山関係者の協力によってテレメトリ化を行い、日本でデータが受け取れるようになった。さらに、地震時の落盤等の被害による有線テレメトリの断線に備えて、現場のトンネル環境で使用可能な低電力の無線通信ユニットを開発し、現地テストに成功した。一方、白金式温度計については、アナログ式であり、機器設置場所の温度変化による影響が予想されたので、実験室でその温度ドリフト特性を計測しておいてから現地に設置した。その結果、機器設置場所の温度の影響はほぼ補正できることが実際のデータから確認された。この白金式温度計のデータもテレメトリによって日本でみることができる。温度データは全て1分ごとにサンプリングされている。計測孔内の温度は約45度程度であるが、1ヶ月に0.1度程度のほぼ線形な低下トレンドを示す。これは、センサから10mほど離れたところにあるアクセス用トンネルが空調によって30-35度に保たれていることの影響と思われるが、坑内温度の長期低下傾向は安定で、トンネル温度の変動の影響は完全に遮断されている。センサから1m離れたところで予想されるM2.5程度の地震が起こったときのセンサ位置で期待される温度変動パターンを現在孔内で計測されているバックグラウンド温度のデータと比べると、仮に断層摩擦強度が室内実験でみられる値の1/10程度と非常に低くとも発熱量が計測できると考えられる。本年度は、南アフリカ、ムポネン鉱山の地下3kmの断層帯に設置した水晶温度計と白金温度計のアレーによる、断層温度測定を継続した。また、データ取得システムのフェールセーフ性を改善した。我々が温度計を設置した断層での大きな地震はまだ起こっていないので、地震時の発熱量を計測することはできていない。白金温度計は従来のテレメトリ伝送によるデータ取得に加えて、バックアップとして、現場でデータを蓄積するための独立なデータロガーを追加した。現地でのテストの結果、テレメトリ用のデータロガーとのGNDラインを通じた干渉により、データにノイズが入ることがわかったので、追加した独立データロガーを独立した電源で作動させる等の改造を行い、予想される断層の発熱が検出できるレベルまでノイズを落とすことができた。また、水晶温度計のデータ伝送に関しては、地震時の落盤等でデータ回収ができなくなる可能性を考慮して、前年度にテストした無線伝送装置にレコーダを追加し、現場から200m離れたところに無線伝送されたデータの蓄積を開始した。さらに、これらの追加により、各種機器の使用電力が変わったので、システム全体の電源系統のデザインを変更して、停電時の観測継続可能時間を最適化した。これらの変更は、現地に渡航しておこなった。また、テレメトリされたデータの取得状況は、日本からモニターしており、トラブルが発見された場合には、現地鉱山に連絡して、復旧作業を指示することで、観測を復旧することができた。また、水晶温度計に関しては、複数のセンサがダウンしたが、原因は地中に埋まった部分での故障であることがわかった。
新規脳梗塞霊長類モデルの開発と再生研究

デジタルサブトラクション血管造影装置を用いて尾動脈にカテーテルを挿入することでラットとマーモセットの脳血管撮影をすることに成功した。ラットの中大脳動脈選択的造影かつ脳梗塞作製の成功率が上昇した。中大脳動脈選択的塞栓術によるラット脳梗塞モデルを作製し、行動評価、MRI評価、病理評価を行った。しかし中大脳動脈選択的塞栓術によるラット脳梗塞モデルは死亡率が高く脳梗塞モデルとして今後の再生研究に適さないと思われた。ラットの中大脳動脈選択的塞栓術の死亡率が高く、尾動脈穿刺カテーテル挿入によるラット脳梗塞モデル作製に難渋しているため。安定した脳梗塞領域が作製できかつ生存率が高い新たな塞栓方法を検討している。ラットの中大脳動脈選択的塞栓術の死亡率が高いことが判明した。完全閉塞ではなく部分閉塞に手法を変更することで死亡率が少ない脳梗塞モデルを作製する。デジタルサブトラクション血管造影装置を用いて超低侵襲にマーモセットの脳血管撮影をすることに成功した.術後は全例において全身状態良好で安全に血管造影が行えることを確認した.ラットの中大脳動脈選択的造影に成功した。第60回日本脳循環代謝学会学術集会に研究成果を発表した.ラットの中大脳動脈選択的塞栓術を成功させたのちに、平成29年度中にコモンマーモセットへ移行する予定だったが、ラットでのモデル作成に時間を要したため、進捗はやや遅れている。ラットの中大脳動脈選択的造影に難渋したが成功した。今後はラット塞栓モデルに速やかに移り、平成30年の研究計画に予定しているコモンマーモセット脳梗塞モデルを作製する。計画ではマーモセットの脳梗塞モデル作製を行うためマーモセット(1匹50万円)を購入予定であったが、進捗が遅れておりマーモセットを購入しなかったため。次年度にマーモセットを購入予定である。当初計画では平成29年度中にラット脳梗塞モデルを作製し神経行動学評価、病理評価を行う予定であったが、進捗が遅れラット脳梗塞モデルが完成していない。そのため神経行動学や病理評価で使用する研究費を次年度に持ち越したため。
フラストレーションに誘起された量子フェリ磁性の理論的研究

歪みのある混合スピンダイヤモンド鎖ハイゼンベルグモデルにおいて次の研究を行った。1.一様な歪みの場合A)基底状態でフラストレーション誘起フェリ磁性相とハルデン相の存在を数値対角化で示した。B)フラストレーション誘起部分フェリ磁性状態では、密度行列繰り込み群により磁化プロファイルを調べ、量子化フェリ磁性相・部分フェリ磁性相の存在を確認した。C)歪みのない場合に得られる厳密解に基づき部分フェリ磁性の低エネルギー有効理論を構成した。2.交互歪みの場合A)並進対称性が自発的に破れたハルデン相の秩序パラメータを定義し、密度行列繰り込み群を用いて、これらの相と一様なハルデン相の間の相転移のユニバーサリティクラスを明らかにした。B)歪みが弱い場合について低エネルギーの有効理論を構成した。3.交替歪みの場合A)歪みのない場合と同様厳密に基底状態を構成できることを示した。B)歪みの強いとき、並進対称性のやぶれを無限回くりかえす相転移を経て一様ハルデン相に至ることを、共形場理論やクラスター展開を用いて示した。1.フラストレートした側鎖のあるスピン1と1/2の1次元混合スピンハイゼンベルグモデルについて。(1)フラストレーション誘起部分フェリ磁性相が現れることを示し、その相境界を明らかにした。また、十分大きな系での密度行列繰り込み群の計算により、磁化プロファイルを調べ、この相内では非整合スピン相関が存在することを明らかにした。(2)フラストレーション誘起フェリ磁性相の近傍において、磁気四重極相の存在を明らかにした。(3)さまざまな極限における摂動論的計算や古典近似によって、これらの相の物理的描像を明らかにした。(4)関連したモデルとして、スゼン1/2の強磁性主鎖を持つΔ鎖ハイゼンベルグモデルにおいても同様な種々の相が現れることを明らかにした。2.スピン1-1/2混合スピンダイヤモンド鎖ハイゼンベルグモデルについて(1)すべての固有状態は、奇数長のスピン1ハイゼンベルグ鎖の基底状態のテンソル積として表されることを示した。(2)基底状態は並進対称性が自発的に破れた複数の相からなることを示し、数学的証明と数値計算を組み合わせて基底状態相図を明らかにした。この基底状態はマクロな縮退を持ち、その間の量子相転移点ではさらに多くの縮退をもつ。(3)有限温度統計力学を定式化し、これに基づいて数値的に比熱や帯磁率、エントロピーの振る舞いを明らかにした。また、これらの温度依存性について物理的解釈を与えた。
発達精神医学におけるプレシジョン・メディシンの展開

浜松母と子の出生コホート(HBC Study,N=1258)のデータを利用して,自閉スペクトラム症(ASD)および注意欠如・多動症(ADHD)と関連する個別化変数を探索する。その個別化変数が満たす条件とは,1ASDまたはADHDの診断と関連し,2ASDまたはADHDの中間表現型と関連し,3ASDまたはADHDの予後と関連する,の3つである。
肥大型心筋症病因遺伝子の単離と解析

肥大型心筋症の原因遺伝子を同定する目的で、日本人本症患者172名について心筋betaミオシン重鎖遺伝子の構造解析を行い、20名の患者に13種の本症と共分離するミスセンス変異を同定した。このうち12種は家族歴の明かな本症患者102名中18名に見出されたものであり、このことから日本人本症の約20%はミオシン変異に起因するものと考えられた。一方、本症多発家系について心筋betaミオシン遺伝子内の2箇所のCAリピートマーカーを用いた連鎖解析を行った結果、42多発家系中11家系では本症との連鎖が否定された。このことから、日本人本症のすくなくとも約25%はミオシン以外の原因遺伝子に起因すること、すなわち本症の遺伝的不均一性が明かとなった。さらにこれらの非ミオシン家系について第18染色体上の遺伝マーカーを用いた連鎖解析を行った結果、18q12にマップされる遺伝マーカー(TTRおよびA7)とのロッド値が組替え率0.05で最大値3.35をとることを明らかにし、日本人非ミオシン家系の本症原因遺伝子が第18染色体長腕上(18q11-12)に存在することを示唆した。一方、非ミオシン家系の原因遺伝子同定を目的として、収縮要素遺伝子群のゲノム遺伝子単離および染色体マッピングならびにRT-PCR法による組織特異的発現性の解析を行った結果、ヒト非筋型ミオシン調節軽鎖遺伝子群(RLC-AおよびRLC-B)が第18染色体短腕上に存在すること、RLC-A遺伝子は心筋および骨格筋に強く発現することを明らかにした。さらに本症患者48名を対象としてRLC-A遺伝子変異のスクリーニングを行った。現在のところ疾患特異的変異は検出されず、RLC-A遺伝子が非ミオシン家系の本症原因遺伝子である可能性は低いと考えられる。