hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
母語教育を支えるネットワーク構築の試み

そこにかかわった韓国の子どもたち、保護者、交流相手となった日本人大学生のアンケート、インタビューを収集することができ、貴重なデータとなった。さらに、台湾の研究者の協力により、台湾での国際教育について情報を入手することができた。その中でも今後の台湾の教育の方向性は、母語教育や継承語教育に重要視したものとなることが明らかになった。次年度の考察やまとめにむけたデータ収集ができたと考える。平成28年度の予定は、平成27年度の基盤づくりをもとに、日本国内の母語教室を地域外の教室とIT交流によってつなぐことであった。山形の中国語母語教室は諸要因により途中で継続困難になったのは予想外ではあったが、言語を日本語に変え、韓国在住の子どもたちの母語教育機関と日本の大学生徒を結んで計3往復、合計8本のビデオレター交流を行うことができた。その後、子どもたち、その保護者、教育機関のスタッフ、日本の大学生から交流に関するアンケートを収集した。そのデータからは、母語教育が抱える問題、IT交流が抱える問題、異国で母語教育を一人で背負うマイノリティの親の心理的、物理的、経済的負担が明らかにすることができた。国外の母語教育の調査研究においては、台湾の研究者の協力により、カナダ、アメリカ以外の海外の情報を入手することができ、非常に有益なものとなった。以上、平成28年度の研究計画は、言語と対象を変更したもののおおむね順調に進んでいるといえる。本研究では、2つの実践を行っている。母語話者と継承語学習者をICT(ipad)でつなぎ、ビデオレターを交流することによって子どもたちの母語学習のモチベーションを高める取り組みである。1つ目は、中国語を学習する山形市の地域の中国語教室(途中から神戸市の中国人集住地域の小学校に変更)と台湾台南市の小学校の子どもたち、新潟大学の中国語サークルに所属する大学生との交流である。映像は、非公開のfacebook上にアップロードし、コメント機能を使って交流を行った。日常会話もままならないレベルの子どもたちであるが、台湾の子どもたちの中国語を「わかりたい」「自分も話したい」という意欲が徐々に強くなり、何度も映像を取り直しては、アップロードしたり、映像を見てコメントをしたりする姿が見られ、学習意欲の高まりだけでなく、自己達成や自尊心(中国語を話す自分をよしとする気持ち)を感じていることが明らかとなった。また大学生たちは映像に創意工夫を重ね、主体的な発信を継続的に行った。2つ目は、韓国在住の国際結婚家庭の子どもたち(日本語は継承語)と近畿大学の日本人大学生との日本語の交流である。語学研修前のプレ交流として計7回の交流をGoogleドライブ上で行った。子どもたちが「日本語を話したい」という意欲を持つことはもちろん「母語学習の助けをしている」「やさしい日本語の大切さに気付く」「協働活動の醍醐味を知る」など日本人大学生側にも大きな学びが観察された。2つのビデオレター交流を通じて、ICTを利用した交流は、その遊具性や新鮮さ、映像の再現性、カスタマイズ性、インパクトなど多くの長所を生かした充実したものとなった。母語を学ぶ意欲が薄いと言われるマイノリティ言語話者の母語教室に一定の貢献ができたと考えられる。
プライバシー保護を考慮した個人の同一性判定技術の創出

カーネル平均について検討を行い、音声のようなi.i.d.を仮定することが難しい時系列データに対しては、カーネル平均を用いた個人性判定はできない問題があることを明らかにした。この問題に対してWild Bootstrap法による解決を検討したが、音声データはデータ間の相関の強さが動的に変化するためにその方法の適用にも問題があることを確認した。また、DNNを用いて個人性判定を行う方法の検討を行い、個人ごとの音声データが数分の長さで大量に利用できない場合には、DNNがうまく学習できず、十分な精度が得られないことを実験的に確かめた。PIPAについては今後、新たな方向性を検討する必要がある。本研究は方法開発チームと特徴量解析・実証実験チームの2チーム体制で遂行している。平成26の研究実績をチームごとに説明する。特徴量解析・実証実験チームでは、Wild Bootstrap法を音声データ(特徴量はケプストラム系列ベクトルを使用)に適用し、ある程度の判定性能が得られることを確認した。しかし、その性能は従来の混合ガウス分布モデルによる方法よりも低く、更なる方法の見直し、および実装の確認が必要なことを明らかにした。平成27年度の研究実績をチームごとに説明する。方法開発チームでは、平成26年度に判明したカーネル平均が音声データに対してうまく個人性判定できない問題について、カーネル平均とWild Bootstrap法による検定を専門とするKacper Chwialkowski氏(英国ロンドン大学)も交えて検討を行い、音声データはフレーム間の相関があり、かつその強さが変動するためにWild Bootstrap法もうまく適用できないことを検証した。そのため、個人の同一性と匿名性を同時に表す確率的指標PIPA (Probabilistic Indicator for Person-equivalence and Anonymity)にとしてはカーネル平均やWild Bootstrap法とは別の方法を考える必要がある。特徴量解析・実証実験チームでは、カーネル平均やWild Bootstrap法とは異なる方法について、位置情報のプライバシー保護の問題に取り組みながら検討を行った。PIPAの主要技術として考えていたカーネル平均法が、系列データに対してうまく個人性判定できない問題があることがわかり、主要技術の見直しを行う必要であった。そのため研究の進捗がやや遅れている。統計的機械学習、音情報処理方法開発チーム、特徴量解析・実証実験チームごとに今後の推進方策を示す。特徴量解析・実証実験チームでは、方法開発チームで開発するPIPA、PPEDの性能を確認する。また、音声データについてi-vectorの特徴量についても検討する。平成26年度に、カーネル平均法を主要技術として用いて個人の同一性と匿名性を同時に表す確率的指標PIPAを開発し、国際会議などで発表する予定であった。しかし、カーネル平均法は系列データに対して問題があることがわかり、方法の見直しをする必要が生じ、十分な性能が得られずに発表に至らなかった。そのため未使用額が生じた。カーネル法に代わり、Wild Bootstrap法を主要技術とするPIPA、およびそれに基づく生体の個人データを用いた「プライバシー保護を考慮した個人の同一性判定」技術PPEDを開発して、国際会議などで発表していく。その費用として使用する。
非可換幾何学の研究

この3年の間にはっきりしてきたこと、それに伴って逆に問題として浮かびあがってきたことを掲げる。1)多価の元の存在.Weyl代数を超越的に拡大した系ではorderingの変更を表す相互変換が全体には定義できず、しかも多対多の写像としてしか定義されないということがおこる。多価関数という概念は昔から存在するが、同一視を与える写像が多価となる例はこれまで数学で組織的に扱われたことはない。さらに、Weyl代数を超越的に拡大した系では無限小のorderingの変更を平行移動と見て追跡すると、ここにモノドロミーが現れる。つまり、同一と見ている物の同一のordering表示に複数の表示が現れる。これは元そのものを多価の元としなければ解釈不能である。しかもこの多価性は局所的には処理可能で、一価の元として扱うことも(局所的には)可能なのである。この事実とOrdering freePrincipleをあわせると、多価の元を構成する個々の元は物理的には区別できず、ただ個数のみが複数になっているようなものとして理解しなければならないことになるのであるが、人工的に多価性を持つ元を構成すると、多価性にも様々なレベルがあり、ここから物理的属性の違う様々な種類の元が作りだせる。2)点集合をなさない多様体の概念の必要性.多価の元はそれらを一塊として処理してしまえば、多様体を構成する。しかし局所的に区別して扱うと、fiber bundleとしての扱いでは処理できず、かような物を組織的に処理するには、点集合をなさないが局所座標系の概念だけを持つ多様体の概念が必要になる。様々な分野の人達との討論を通じて、非可換幾何学の研究というのは,結局非可換である世界をどのように視覚化、直感化した言語にしていくかという研究、つまり非可換である世界そのものの研究(これは物理学の目標)ではなく、それを理解しようとしている人間の認識様式の研究であることがますますはっきり確認できた。我々の研究で、特にμが形式的変数でない場合に「完備ワイル空間」なる概念が浮かび上がってきた。ここでの積は迂濶に拡張すると発散したり、結合律を満さなかったりしてかなり危険なものであるが、この危いものの中に昔から「真空」と呼ばれていたものと同じ働きをする元が入っており、これがこの辺の幾何学を構築するときに基礎的な概念になることが確認された。さらに、完備ワイル空間の中に普通の微積分の代数が真空表現として埋め込まれていること、また擬微分作用素の中でMetaplectic groupと呼ばれているものが入っていることも確認できた。具体的には非可換世界のモデルとして考案したμ-regulated algebraに対して、μがformalでない場合を含めて表現論を構築する見通しが得られた。とくに、2次式の*-指数関数について詳しく計算し、これまでに得られていないさまざまな現象が見付かった。この中には数学の基本原則にまで触れかねないものが入っているのでさらに慎重な研究を必要とする。様々な分野の人達との討論を通じて、非可換微分幾何学の研究というのは,結局非可換である世界をどのように視覚化、直感化した言語にしていくかという研究、つまり非可換である世界そのものの研究(これは物理学の目標)ではなく、それを理解しようとしている人間の認識様式の研究であることがますますはっきり確認できた。前年度に主に2変数で確認されていたことを、今年度は一般の多変数に拡張することを目指し、ほぼ満足のいく形にまで整理できた。我々の研究では、特にhが形式的変数でない場合に「完備ワイル空間」の中に普通の点集合では理解できないものが入っていることが確認できた。

これらの成果は初期のものは既に発表済であるが、完備ワイル空間に関する部分は現在流動的であり、体系的なものとして発表するのはもう少し遅れるものと思われるが、報告的な形で本の形で一部分を公表することにした。この3年の間にはっきりしてきたこと、それに伴って逆に問題として浮かびあがってきたことを掲げる。1)多価の元の存在.weyl代数を超越的に拡大した系ではorderingの変更を表す相互変換が全体には定義できず、しかも多対多の写像としてしか定義されないということがおこる。多価関数という概念は昔から存在するが、同一視を与える写像が多価となる例はこれまで数学で組織的に扱われたことはない。さらに、weyl代数を超越的に拡大した系では無限小のorderingの変更を平行移動と見て追跡すると、ここにモノドロミーが現れる。つまり、同一と見ている物の同一のordering表示に複数の表示が現れる。これは元そのものを多価の元としなければ解釈不能である。しかもこの多価性は局所的には処理可能で、一価の元として扱うことも(局所的には)可能なのである。この事実とOrdering freePrincipleをあわせると、多価の元を構成する個々の元は物理的には区別できず、ただ個数のみが複数になっているようなものとして理解しなければならないことになるのであるが、人工的に多価性を持つ元を構成すると、多価性にも様々なレベルがあり、ここから物理的属性の違う様々な種類の元が作りだせる。2)点集合をなさない多様体の概念の必要性.多価の元はそれらを一塊として処理してしまえば、多様体を構成する。しかし局所的に区別して扱うと、fiber bundleとしての扱いでは処理できず、かような物を組織的に処理するには、点集合をなさないが局所座標系の概念だけを持つ多様体の概念が必要になる。
DNAの高次講造を識別する蛋白質

本重点領域研究は、DNAの塩基配列を識別して、そこに結合して遺伝情報を制御している蛋白質をとりあげ、その分子生物学的働きを構造がどのように密接に関係しているかを解明する。そのために遺伝学的な研究を行っている研究者や、生物物理学的手法、特に構造解析を行っているものが、共同で研究を行う体制を作るのが、本総括班の任務でもある。そのために以下のように活動を行った。1.重点的な経費の配分:蛋白質の構造解析には現在核磁気共鳴装置を使う場合が多いが、NMR分光計が不足の状況なので阪大蛋白研に配置した。またNMRのデ-タに基づいて計算を行う多次元NMRワ-クステ-ションを導入した。その他、計画研究や公募研究で洩れて、DNA結合蛋白質についてユニ-クな研究をしているグル-プに援助を行った。2.合同班会議:8月に合同班会議を行い、各人のこれまでの研究成果と今後の研究計画の披露を行った。いくつかの共同研究で成果が表れている。3.公開シンポジウム:本重点領域研究は横浜フォ-ラム「分子構造と生命」を後援し、その際来日した研究者を中心に公開シンポジウム「DNA結合蛋白質」を12月に大阪ガ-デンパレスで行い、多くの参加者を得た。4.関連活動の援助:本重点領域の主題に関心を持つ若手研究者の会合ゼネラルワ-クショップが8月に志摩で開催されたのを援助した。5.ニュ-スの発行:班員間のコミュニケ-ションをよくするために、単に事務的な連絡だけでなく、研究活動の近況を伝えるものとした。6.成果報告書の作製:初年度の成果をまとめた。7.総括班会議、幹事会:以上のような活動の方針を決定するのは、総括班会議であり、これを2回行った。実質的な活動はこれ以外に幹事会を数回行うことによって遂行した。
造血幹細胞における初期分化経路の解析

造血幹細胞の初期の分化経路を明らかにすること目的として、造血幹細胞分画に含まれていると考えられる造血前駆細胞を同定することを試みた。これまでの実験により、CD41抗体を用いることで、マウス骨髄CD34陰性、c-Kit陽性、Sca-1陽性、分化抗原陰性(CD34-KSL)の造血幹細胞分画に含まれている造血前駆細胞を同定できる可能性が示唆された。そこで、赤血球、血小板への分化能を解析することが可能なKusabira Orangeトランスジェニックマウスの骨髄細胞をドナーとして移植実験を行った。CD150抗体CD41抗体を用いCD34-KSL細胞を3つの亜分画に分離、それぞれ単細胞による移植を行った。その結果、CD41陰性CD150陰性CD34-KSL細胞は、以前の実験と同様に骨髄球系細胞への分化能が弱く、リンパ球系に偏った分化能を示した。また、CD41陰性CD150陽性CD34-KSL細胞は、骨髄球系、リンパ球系細胞両方への強い分化能を示した。一方で、CD41陽性CD150陽性CD34-KSL細胞は、赤血球、血小板へ分化する能力しか示さない細胞が見られた。また、血小板、赤血球は他の血球細胞と比べて造血幹細胞から早期に産生されることが明らかとなった。これらの結果から、造血幹細胞からの分化の最初の方向付けがこれまで考えられていたよりも、さらに早い時期に起こっていることが示唆された。今後、これらの分化能について、より詳細な解析が必要であると考えられる。造血幹細胞の初期分化能を解析する事を目的として、造血幹細胞分画に存在する特定の分化能のみを持つ前駆細胞の同定を試みた。マウス骨髄細胞中に存在するCD41^+CD150^<high>CD34^-KSL細胞(CD41+細胞)、CD41^-CD150^<high>CD34^-KSL細胞(CD41^-細胞)をソーティングし、10個ずつ致死量放射線照射したマウスへ移植を行った。その結果、CD41^-細胞が造血幹細胞活性を示したのに対して、CD41^+細胞はドナー由来細胞の割合が低く、また骨髄球系に偏った分化能を示し、CD41抗体によって造血幹細胞と骨髄球系に限局した分化能を持つ造血前駆細胞とを分けられることを示唆するデータを得た。また、同細胞を用いて液体培地によるコロニーアッセイを行ったところ、コロニー形成率には大きな違いは見られなかったものの、CD41^+細胞は骨髄球系の多分化能を示すmixコロニーを形成する細胞、CD41^-細胞には未熟な形態のblast様コロニーを形成する細胞を多く含んでいることが明らかとなった。一方で、in vitroにおいてリンパ球系への分化能を解析するため行ったTSt-4細胞との共培養は、現在までのところシングルセルによる分化が誘導されず継続して行っている。これらの一連の結果は、最も未熟な造血幹細胞分画に存在する骨髄球系の分化にのみに限局した前駆細胞を同定するとともに、これらを除くことによって造血幹細胞をさらに純化できる可能性を示めしていると考えられる。
新規モリブデン系およびタングステン系ガラスの開発と機能性結晶化ガラスの創成

新規モリブデン系およびタングステン系ガラスの開発と機能性結晶化ガラスの創成に関し、以下の成果が得られた。1)室温における50MoO3-25La2O3-25B2O3および50WO3-25La2O3-25B2O3ガラスのMo3dおよびW4fのX線光電子スペクトル(XPS)において、MoO3含有ガラスのスペクトルは5つのピークに分離され、Mo6+(232.42と235.55eV)とMo5+(230.7と233.92eV)に帰属できることから、Mo5+の存在が確認された。これが可視域で光吸収を示す(褐色)原因である。一方、WO3含有ガラスでは、XPSピークはW6+のみに帰属でき、W5+は存在しないことが明らかになった。2)本研究で作製した(50-x)MoO3-xWO3-25La2O3-25B2O3ガラスは、希土類酸化物La2O3とフォノンエネルギーの小さいMoO3やWO3を多量に含んでおり、希土類イオンのホストガラスとしては期待できる。特に、3mol%のEu2O3を添加した50WO3-25La2O3-25B2O3ガラスでは、非常に強い5D0→7F2 (励起波:397 nm、蛍光波長:612 nm)遷移による蛍光が観測され、可視域での量子効率は25%であった。3) MoO3系およびWO3系ガラスは、従来のSiO2系ガラス等とは異なり、大きな電子分極率(高い屈折率)と低融点を示し、新規な機能性ガラスとして期待されている。本研究を基に、さらに新規ガラスの開発を試みた結果、高密度(d=5.5 g/cm3以上)、高屈折率(n=2以上)を示す新たなNb2O5-WO3-La2O3-B2O3系ガラスを見出した。このガラス系の構造や結晶化挙動について今後の展開が期待できる。27年度が最終年度であるため、記入しない。1)(50-x)MoO3-xWO3-25La2O3-25B2O3 (x=0, 10, 20, 30, 40 50)組成の新規ガラスを通常の溶融急冷法で作製した。いずれの組成においてもガラスが得られた。ガラス転移温度(Tg)は557-596oC,結晶化ピーク温度(Tp)は650-740oCであり、MoO3をWO3で置換していくと、TgとTpは共に増大した。また、結晶化に対する熱的安定性もWO3の置換量と共に大きくなった。これらの結果は、ガラス中においても、W-O結合がMo-O結合に比べてかなり強いことを示している(参考:WO3結晶の融点:Tm=1473oC, MoO3:Tm=795oC)。2)ガラスの熱処理によって出現する結晶相は、MoとWが固溶したLaMo1-xWxBO6相であることをX線回折から同定した。Mo6+のイオン半径(4配位)は、0.041nm、W6+は0.042nmと極めて近いことから固溶体LaMo1-xWxBO6結晶が生成したと考えられる。ガラスにおけるMo6+およびW6+の配位状態をラマン散乱スペクトルで調べ、MoO4, WO4, WO6多面体が存在することを明らかにした。3)La2O3の一部をSm2O3で置換した40MoO3-10WO3-xSm2O3-(25-x)La2O3-25B2O3ガラス(x=3,5)ガラスを作製し、レーザー照射によって局所的な結晶化が誘起されるかどうかを調べた。現時点では、均一な配向した結晶は得られないものの、結晶化は起きていることをマイクロラマン散乱スペクトルで確認した。

特に、3mol%のEu2O3を添加した50WO3-25La2O3-25B2O3ガラスでは、非常に強い5D0→7F2 (励起波:397 nm、蛍光波長:612 nm)遷移による蛍光が観測され、可視域での量子効率は25%であった。3) MoO3系およびWO3系ガラスは、従来のSiO2系ガラス等とは異なり、大きな電子分極率(高い屈折率)と低融点を示し、新規な機能性ガラスとして期待されている。本研究を基に、さらに新規ガラスの開発を試みた結果、高密度(d=5.5 g/cm3以上)、高屈折率(n=2以上)を示す新たなNb2O5-WO3-La2O3-B2O3系ガラスを見出した。このガラス系の構造や結晶化挙動について今後の展開が期待できる。モリブデン(MoO3)系およびタングステン(WO3)系ガラスは、従来のケイ酸(SiO2)系ガラス等とは大きく異なり、大きな電子分極率(高い屈折率)と低融点を示し、新規な機能性ガラスとして期待されているが、新規MoO3系およびWO3系ガラスの開発、構造解明を含めたキャラクタリゼーションは極めて遅れている。また、結晶化を利用した新規な結晶化ガラスの研究も緒に就いた段階である。本研究では、すでに、MoO3およびWO3の両方を含む新規ガラスの創製に成功し、基本的な結晶化挙動を明らかにした。特に、WO3に比べてMoO3を含むガラスが低温において、より構造変化が起きやすいことを明らかにし、このことはレーザーでの結晶パターニングにとって需要な情報である。一方、結晶化では、MoとWが固溶したLaMo1-xWxBO6相が生成することを明らかにし、結晶場設計の多様性を実証して、固溶した希土類イオンの蛍光特性の設計・制御に大きな可能性が期待できる。ラマン散乱スペクトルによりMo6+およびW6+の配位状態を明らかにし、特に、W6+は、Mo6+に比べて高配位数を取る傾向があることを明らかにした。このことは、ガラスの物性評価において、W-O結合とMo-O結合の強度だけではなく、配位数も考慮する必要があることを提案している。また、これまでの結果を踏まえ、レーザーによるLaMo1-xWxBO6結晶相のパターニングに関する研究をスタートさせている。27年度が最終年度であるため、記入しない。今後は、まず、MoO3およびWO3の両方を含む新規ガラスの屈折率、密度、光学的バンドギャップなどの基本物性を測定し、より詳細に新規ガラスのャラクタリゼーションを行って、新規MoO3系およびWO3系ガラスの特徴を明確にする。さらに、レーザーによるLaMo1-xWxBO6結晶から成る結晶ラインパターニングを行う。特に、これまでの予備的な研究から、均質でかつ配向している結晶ラインのパターニングは、かなり難しいことがわかっており、様々なレーザー照射条件下でのラインパターニングと配向を調べる計画である。場合によっては、ガラス組成、特に、MoO3/WO3量とB2O3量の調整も必要と考えている。結晶の同定には、直線偏光を用いたマイクロラマン散乱スペクトル測定、集束イオンビーム加工を組み合せた透過電子顕微鏡観察を行う。なお、レーザーによるガラスでの単結晶パターニングは、小松が世界を先導している研究領域であり、外国人特別研究員のAleksandrov博士に本技術と解析方法を習得させ、レーザー誘起結晶化法の世界的な展開のガラス研究者を育成する。
割れ目の運動学的評価と考慮した岩盤疲労のメカニズムに関する研究

地下発電所の水路トンネルや圧縮空気貯蔵発電システムなどには、各施設の稼動とともに周期的な繰り返し応力が作用する。この繰り返し応力は,岩盤に疲労を生じさせ、設計時における強度・変形特性を大きく劣化させると考えられている。本研究では,この岩盤疲労の問題について次の2つの側面から検討を行った。1.繰り返し応力下における岩盤材料の変形強度特性ここでは三軸圧縮応力下における疲労試験とクリープ試験を実施し,その結果を最小ひずみ速度に着目して整理した。その結果,疲労試験およびクリープ試験における最小ひずみ速度と破壊までの載荷時間の関係は、両対数グラフ上でともに逆比例関係を示し、その勾配はほぼ同じであることがわかった。しかし同じ載荷時間で破壊に至る場合、疲労試験のほうが最小ひずみ速度が大きい。これは両試験では平均的な載荷速度が異なるために、軸応力一軸ひずみ曲線の外形が異なるためであると考えた。2.顕微鏡下変形試験による割れ目のせん断過程の観察ここではまず実体顕微鏡下において直接供試体の表面構造を観察しながら岩石の圧縮試験を行うことのできる試験装置を開発した。この装置を用いて破断させた岩石材料の一軸圧縮試験を実施した。その結果,変形に伴い、ブリッジ部分の回転・切断、asperityへの乗りあげ、open crackの発生が見られる。供試体全体を観察すると、せん断部分と開口部分が交互に分布していることがわかった。また実験後の供試体より岩石薄片を作成し観察した結果,表面で観察されたせん断部分と開口部分が繰り返す構造が供試体内部においても確認できること、実体顕微鏡では観察できない微小なクラックが割れ目沿いに発達していることがわかった。
進化論モデルを用いた単一起源細胞から子宮癌肉腫への発生機序解明と治療法の開発

今年度は、まず進化論モデルの有効性を検証するために、同一症例における正常子宮内膜・子宮内膜症・異型子宮内膜症・卵巣明細胞癌の連続的全エクソンシークエンスを施行した。遺伝子変異の頻度は、正常子宮内膜から子宮内膜症、異型内膜症、明細胞癌と進むにつれて減少していた。一方、遺伝子変異の変異アリル頻度は、正常子宮内膜から子宮内膜症、異型内膜症、明細胞癌と進展するにつれて増加していた。同定された遺伝子変異データを進化論モデルに当てはめることにより、正常子宮内膜では遺伝子変異が多様性を持って存在し、そのうち変異陽性内膜上皮が月経血逆流により腹腔内に移動後、卵巣に生着し、クローン性に増殖することで子宮内膜症を形成することが推察された。さらに、子宮内膜症上皮に癌関連遺伝子変異が蓄積していくことで、異型子宮内膜症、卵巣明細胞癌への進展することが推察され、ゲノムデータを利用した進化論的アプローチが発生起源の探索に有効であることが実証された。興味深いことに、進化論的アプローチにより、子宮内膜症から異型内膜症で留まる進化プロセスと、子宮内膜症から異型内膜症、卵巣明細胞癌へと進展する進化プロセスの2通りに進化が分かれることが明らかになった。また子宮癌肉腫のスフェロイド樹立を進めるとともに、子宮体癌スフェロイドの生物学的特徴を明らかにするためにin vitro/vivoで実験を行った。特に癌幹細胞のマーカーと一つとされているALDH1に注目し、子宮体癌スフェロイドをALDH1高発現細胞と低発現細胞にソートすると、明らかに細胞増殖・薬剤感受性・代謝産物プロファイルに違いがあることを同定している。子宮癌肉腫の発症メカニズムの検証に向け、子宮癌肉腫由来のスフェロイド樹立を進めており、複数の症例で安定培養可能なスフェロイドを樹立している。また、レーザーマイクロダイセクションによる癌部と肉腫部位の選択および核酸抽出が可能かどうか検証を行い、レーザーマイクロダイセクション法により選択的に採取されたサンプルから全エクソンシークエンス、RNAシークエンスまで実施可能であることを確認できている。また進化論的アプローチによる発生起源の推定やスフェロイドを用いた機能解析も問題なく行えることを確認しており、来年度の計画を予定通り進めることができる。来年度は、まず婦人科病理のエキスパートとともに子宮癌肉腫の癌部位と肉腫部位の同定を行い、確実にレーザーマイクロダイセクションで癌部位と肉腫部位を採取する。採取された組織から核酸(DNA/RNA)を抽出し、Agilent社BioAnalyzerを用いてQuality checkを行う。Agilent社SureSelect Human All Exon V6を用いてExon濃縮を行い、ライブラリー作成後Illumina HiSeq2500を用いて全エクソンシークエンス(100bp paired end)を行う予定にしている。得られたFastqファイルから独自のエクソームシークエンスデータパイプラインを用いて体細胞変異およびコピー数異常を抽出し、各サンプルの遺伝子変異プロファイル・コピー数プロファイルを同定する。これらのゲノムデータを進化論モデルにあてはめることで発生起源を推定することが可能になり、当初の研究目的を完遂できると予想される。The Cancer Genome Atlasに登録されている子宮癌肉腫57症例から得られたRNAシークエンスデータを、我々が開発したPileline for RNA sequence Data Analysis (PRADA)に当てはめ、かつ独自のフィルタリング方法を用いることで、390個の融合遺伝子を同定した。そのうち、融合タンパク質に翻訳される融合遺伝子は113個あり、ALK融合遺伝子を含む7種類のキナーゼ融合遺伝子を同定した。またIGF2-DDX27融合遺伝子とCFLAR-NDUFB3融合遺伝子はそれぞれ2症例で認めたが、それ以外の融合遺伝子は各種類1個のみであった。また卵巣肉腫1症例について、全エクソンシークエンスおよびRNAシークエンスを実施した。全エクソンシークエンス解析により、8個の非同義変異を認め、そのうち1つは腫瘍細胞の分化・生存に関与することが知られているPRUNE2遺伝子のナンセンス変異であった。またRNAシークエンスデータをPRADAにあてはめることにより、2つの信頼性の高い融合遺伝子を同定した。そのうち、MXD4-NUTM1融合遺伝子はこれまで報告されていない新規融合遺伝子であり、融合遺伝子を構成するNUTM1遺伝子はNUT midlinecarcinomaの原因遺伝子として知られており、本症例の肉腫組織においてNUTM1のタンパク質発現が著明に亢進していることを明らかにしている。さらに子宮癌肉腫由来のスフェロイドを2株樹立に成功しており、来年度以降にスフェロイドを用いた機能解析を進めていく。今年度に、子宮癌肉腫に対するRNAシークエンス解析を実施し、子宮癌肉腫における融合遺伝子プロファイルを明らかにしており、RNAシークエンス解析は順調に進んでいる。また子宮癌肉腫の発症メカニズムの検証に向け、子宮癌肉腫由来のスフェロイド樹立を進めており、すでに2症例で安定培養可能な状況にある。今後もスフェロイド樹立を継続して行うため、来年度および最終年度に予定している実験を完遂できると思われる。レーザーマイクロダイセクションによる癌部と肉腫部位の選択および抽出を可能にするため、レーザーマイクロダイセクション法を用いたサンプリングを婦人科腫瘍検体で継続して行なっており、来年度以降の計画を予定通り進めることができる。

一方、遺伝子変異の変異アリル頻度は、正常子宮内膜から子宮内膜症、異型内膜症、明細胞癌と進展するにつれて増加していた。同定された遺伝子変異データを進化論モデルに当てはめることにより、正常子宮内膜では遺伝子変異が多様性を持って存在し、そのうち変異陽性内膜上皮が月経血逆流により腹腔内に移動後、卵巣に生着し、クローン性に増殖することで子宮内膜症を形成することが推察された。さらに、子宮内膜症上皮に癌関連遺伝子変異が蓄積していくことで、異型子宮内膜症、卵巣明細胞癌への進展することが推察され、ゲノムデータを利用した進化論的アプローチが発生起源の探索に有効であることが実証された。興味深いことに、進化論的アプローチにより、子宮内膜症から異型内膜症で留まる進化プロセスと、子宮内膜症から異型内膜症、卵巣明細胞癌へと進展する進化プロセスの2通りに進化が分かれることが明らかになった。また子宮癌肉腫のスフェロイド樹立を進めるとともに、子宮体癌スフェロイドの生物学的特徴を明らかにするためにin vitro/vivoで実験を行った。特に癌幹細胞のマーカーと一つとされているALDH1に注目し、子宮体癌スフェロイドをALDH1高発現細胞と低発現細胞にソートすると、明らかに細胞増殖・薬剤感受性・代謝産物プロファイルに違いがあることを同定している。子宮癌肉腫の発症メカニズムの検証に向け、子宮癌肉腫由来のスフェロイド樹立を進めており、複数の症例で安定培養可能なスフェロイドを樹立している。また、レーザーマイクロダイセクションによる癌部と肉腫部位の選択および核酸抽出が可能かどうか検証を行い、レーザーマイクロダイセクション法により選択的に採取されたサンプルから全エクソンシークエンス、RNAシークエンスまで実施可能であることを確認できている。また進化論的アプローチによる発生起源の推定やスフェロイドを用いた機能解析も問題なく行えることを確認しており、来年度の計画を予定通り進めることができる。来年度は、まず婦人科病理のエキスパートとともに子宮癌肉腫の癌部位と肉腫部位の同定を行い、確実にレーザーマイクロダイセクションで癌部位と肉腫部位を採取する。採取された組織から核酸(DNA/RNA)を抽出し、Agilent社BioAnalyzerを用いてQuality checkを行う。Agilent社SureSelect Human All Exon V6を用いてExon濃縮を行い、ライブラリー作成後Illumina HiSeq2500シークエンス(100bp paired end)を行う。得られたFastqファイルからエクソームシークエンスデータパイプラインを用いて体細胞変異を抽出し、各体細胞変異に対してANNOVAR algorithmを用いて機能的注釈付けを行う。体細胞変異リストから、癌部位及び肉腫部位に特異的な遺伝子変異を抽出する。
超伝導電力機器の最適構造設計のための磁場中電流輸送特性精密評価

本研究では、省エネルギー化、低炭素化への貢献が期待される超伝導電力機器の最適構造設計において必要不可欠となる高温超伝導線材の電界ー電流密度特性を、複数の計測手法を取り入れることにより広範な実用領域に亘り、精密に評価することを目的としている。本年度に得られた主な成果は以下のとおりである。1.超伝導電力機器で想定される動作温度領域において高い冷却能力を有する冷凍機型伝導冷却クライオスタットを設計し、導入した。具体的には、試料温度は25K100Kの範囲で制御可能とし、最大200Aが通電できる仕様としている。上記通電電流印加に伴う発熱の影響を緩和するため77Kにおいて200Wの冷却能力を有する1段式GM冷凍機を使用する構成としている。2.電界ー電流密度特性の精密測定の実現の可否を判断するためには、膜質や構造が良く制御された高温超伝導線材が必要である。そこで、TFA-MOD法によるガドリニウム系高温超伝導薄膜線材の作製を進め、良質なc軸配向膜を得ることに成功した。さらに、ガドリニウム超伝導膜上に、イットリウム系超伝導膜を積層することを試み超伝導特性が得られることを確認した。3.磁気的手法による電界ー電流密度特性評価のための走査型表面磁場分布計測システムの構築を進めた。高い空間分解能を実現するために必要な微小アクティブエリアを有するホール素子の選定、調達を行うとともに、3次元走査機構、自動計測プログラムの構築を行っている。当初使用予定としていた液体ヘリウム再凝縮型超伝導マグネットシステムの継続利用が、附属する冷凍機の保守期間及び後継機開発の終了の影響を受けて困難となったことから、急遽新しいクライオスタットを設計、導入することとなった。すでに、納入に至っているものの進捗の遅れはまだ取り戻せていない。初年度は、温度可変型クライオスタットの設計・導入に時間を要したものの、並行して行っていた評価用希土類系高温超伝導線材の最適成膜条件の抽出、および計測システムの構築については目途が立っている。従って、今後は希土類系高温超伝導線材の電界ー電流密度特性の精密計測に注力し、当初計画に沿うように進める予定である。
人工ニューラルネットワークを利用した虚血性脳疾患の歯科的リスクファクターの検討

近年、脳血管障害の発症と歯周病の関連が報告されているが、MR画像で認められる無症候性の病変については未だ検討されていない。大脳白質病変はMRIのT2およびプロトン密度強調画像で高信号域として見られる虚血性病変であり、症候性脳血管障害のハイリスク群として近年注目されている。本研究は大脳白質病変の容積と歯周病およびその転帰である歯の喪失との関連を検索した。被験者は認知機能障害やうつ状態を認めない6975歳の居宅高齢者108名(男女各54名)であり、本研究の趣旨と内容および安全性について口頭および書面にて十分説明し、同意を得ている。大脳白質病変は、T1強調、T2強調およびプロトン密度強調の3種のMR画像から、人工ニューラルネットワークによる非線形クラスタリングの手法を応用することにより自動的、定量的に検出することができる。本研究では、この手法を利用して頭部MR画像から大脳白質病変の容積を自動的に算出した。歯周病の指標にはCPITNを用いたが、中高齢者における歯の喪失の主原因は歯周病であることから、現在歯数についても検討した。その後、大脳白質病変の容積を従属変数、年齢、性、収縮期血圧、随時血糖値、喫煙状況などのほか、CRITNまたは現在歯数を説明変数として有意水準5%で重回帰分析を行った。その結果、大脳白質病変の容積増加の因子として、CPITNは有意ではなかったが、現在歯数の減少は年齢上昇(P<0.01)、収縮期血圧の上昇(P<0.01)とともに有意であった(P<0.05)。したがって、歯周病の炎症の進行や蓄積は、年齢や血圧と独立して病変の形成に関与する可能性があると考えられる。近年、虚血性脳疾患の発症と歯周病や歯の喪失との関連を示す疫学調査結果が報告されているが、アウトカムは虚血性脳疾患の発症に設定されており、MR画像で確認される無症候性の虚血性病変は評価対象となっていない。無症候性の虚血性病変は、T1強調、T2強調およびプロトン密度強調の3種のMR画像から、人工ニューラルネットワークによる非線形クラスタリングの手法を応用することにより自動的、定量的に検出することができる。本研究はこの手法を利用して居宅高齢者における無症候性の虚血性病変と口腔状態との相関を解析することを目的とし、今年度は虚血性病変容積と現在歯数との関連について検討した。被験者は69-75歳の居宅高齢者194名(男性92名、女性102名)である。被験者には本研究の趣旨と内容および安全性について口頭および書面にて十分説明し、同意を得ている。撮影した脳MR画像をワークステーションに転送し、空間的正規化の後に虚血性病変を検出し、その容積を算出した。被験者を残根を除く現在歯数が0-9本、10-19本、20本以上の3群に分け、年齢と性別を調整した共分散分析にて3群の虚血性病変容積を比較した。その結果、各群の虚血性病変容積(平均±1S.D.)は、0-9本群で32113±18954mm^3、10-19本群で24391±13122mm^3、20本以上群で24588±13144mm^3であり、年齢と性別を調整した共分散分析において0-9本群と20本以上群との問にのみ有意差を認めた(P=0.038)。高齢者における歯の喪失の主原因は歯周病であり、現在歯が少ない高齢者で虚血性病変容積が多かったことから、歯周病と無症候性の虚血性病変との関連を伺わせる。今後は被験者の背景因子をより多く考慮に入れ、解析を進める予定である。
昆虫の交尾器進化：ミナミカワトンボ科の毛細管現象を用いた精子掻き出し機能

ミナミカワトンボ科(Euphaeidae)は,日本南部から東南アジア,さらに中東にかけて生息するカラフルなトンボ類である.本研究では,これらミナミカワトンボ科全属に関して,オスの交尾器とメスの精子貯蔵器官の形態的対応性を検討するとともに,一部のグループで見られる特殊な構造のオスの交尾器が毛細管現象を利用した精子掻き出し構造をするのではないかという仮説を検証する.これまでの我々の研究で,この仲間のベトナムおよびその近隣地域における分類学的整理は行われたが.さらに他の地域の標本の収集に努めた.これまでに得たミナミカワトンボ類の標本からDNAを抽出し,16S rRNA,COIの塩基配列を求め,分子系統樹の作成を行なった.また,2018年10月1日から31日まで,共同研究を行なっているベトナムのPhan主任研究員を招待し,この仲間の形態に基づく分類学的検討と今後の野外調査の打ち合わせを行なった.学生の一人が中国四川省において6月に野外調査を行った.オスの交尾器はすべて生時に写真撮影を行い,これまでに得られたすべての標本の外部形態の計測を行い,分子系統樹上で比較した.合わせて,全標本の頭幅,前翅長,後翅長,翅の斑紋長を測定し,相対成長解析を行い,一部の結果は,依頼原稿「林文男(2018)ミナミカワトンボ類のオスの翅の模様と交尾器にかかる性選択.昆虫と自然,53 (5): 10-12」として出版された.さらにこれまでに集めてエタノール標本となっている各種オスの交尾器を用いて,毛管現象でどのような粘性の液体が吸収されやすか定量的に評価を行なった.これらの結果すべてをまとめ論文を作成中であるが,その作業はまだ継続中である.中国大陸中部から東南アジアにかけて分布するミナミカワトンボ科のオスの交尾器形態などの繁殖形質を測定し,さらにそうした繁殖形質と交尾行動がどのように関係するかを明らかにするために,今年度は,5月15日24日に中国南部において,7月8日16日に中国南東部において,3月18日22日に台湾において野外調査を行った.そこで得られたミナミカワトンボ科のオス成虫の交尾器について,その微細構造を観察し,大きさを測定した.メス成虫については,精子を貯蔵する器官の形態と,そこに含まれている精子数を求めた.さらに,オス成虫については,翅に斑紋を有する種と斑紋のない種がいるが,頭幅,前翅の長さ,後翅の長さ,斑紋の長さ,交尾器の長さに関するアロメトリー解析を行い,これまでに得られたすべてのデータと合わせてみると,Euphaea属の種の組み合わせによって,同種といえども斑紋サイズに形質置換が生じている可能性が示唆された.つまり,同所的に斑紋を有する他種がいると,他種がいない集団に比べて斑紋がより発達する傾向が認められた.そこには,斑紋にかかる性選択(オスどうしの争いでより有利という傾向,あるいはメスの配偶者選択など)と,種間交雑を避ける(斑紋で種の認知を行うため)ための形質置換が同時に作用している可能性があると考えられた.一方,オスの交尾器はライバルオスの精子の掻き出し(精子置換)の機能を有するが,その大きさには体サイズと相関がないか,あるいは負のアロメトリー関係があり,交尾器の大きさは平均的なメスの精子貯蔵器官の大きさに収束する傾向があることが示唆された.中国南部,南東部,台湾で野外調査を行うことができ,多くの標本とデータを追加することができた.これまでのデータと合わせることにより,インドシナ半島東部におけるミナミカワトンボ科の各種の分布状況と形態的変異が予想以上に明らかになった.ミナミカワトンボ科に属するトンボ類のオスの交尾器の構造と機能を明らかにする目的で,東アジアから東南アジアにかけて分布する本科の成虫の形態観察と野外調査を本年(2年目)も引き続き行った.7月には中国四川省において中国の研究者との共同研究を行い,3月にはベトナム南部においてベトナムの研究者との共同研究を行った.ミナミカワトンボ科に関する分類学的研究は少なからず混乱した状態であったので,まず,その分類学的問題を解決するよう,ベトナム産を中心に総説を行った.その結果,ベトナムには23種が生息することが明らかとなり,その内2種を新種Euphaea sanguinea Kompier et Hayashi, 2018およびEuphaea saola Phan et Hayashi, 2018として記載した.また,これら全種について,ベトナムを中心とした分布図を作成した.ミナミカワトンボ科では,予想以上にメスの採集が困難であることが多く,今回の新種以外に3種のメスの形態的記載も行った.これまでに得た標本,各地の博物館に所蔵されている標本について,ミナミカワトンボ科各種のオスの頭幅,前翅長,後翅長,斑紋長,交尾器サイズを測定し,アロメトリー解析を行い,各部位に及ぼす性選択の検出を試みた.その結果,オスの翅に斑紋がある種においては,その斑紋の大きさに性選択が作用している可能性が示唆され,配偶行動の際のオス同士の闘争(あるいはメスによる配偶者選択)が繁殖成功率に影響を及ぼしていると考えられた.一方,オスの交尾器の大きさに関しては,頭幅と無相関である種が多く,交尾器の形態はオスの体の大きさに関係なく一定サイズを保つというこれまで昆虫類で一般的に認められている法則が成立している可能性が示唆された.

昆虫類の交尾器の形態は多様であり,記載分類においては,交尾器の形態的差異が大きければ生殖的隔離が生じているだろうという考えに準拠して種の記載を行う.一方,昆虫類の交尾器は,形態的に多様であるばかりでなく,機能的にも多様であろう.精子競争を避けるために,オスが交尾器を使ってすでにメスの体内に貯えられている他オスの精子を掻き出してから,自分の精子を渡すという「精子置換」という行動もオスの交尾器の機能の一つである.精子置換は,キボシカミキリ,コバネハサミムシ,カワトンボ類の数種で知られた現象である.いずれも,オスの交尾器にある微細な「棘」で精子を掻き出すか,交尾器の先端にある「かえし」構造で精子を掻き出す.オスの交尾器が卵の構造とよく似て,産卵の刺激をまねて精子を出させるというしくみについてはまだ充分には証明されていない.本研究で実証しようと考えているのは,ミナミカワトンボ科のオスの交尾器が,毛細管現象を利用した精子の掻き出しを行っているのではないかということであり,まだ誰も知らない新規の精子置換のしくみである.ミナミカワトンボ科は,ユーラシア南部から東南アジアにかけて分布する比較的大型のトンボ類であり,分類学的にもまだ多くの問題を含んでおり,その生態や行動についてはほとんど何も研究されていないに等しい.そこで,種の混乱による研究の失敗を起こさないように慎重に研究を進めており,昨年度から今年度にかけてこの問題を解決し,多くの標本に基づく網羅的なアロメトリー解析を行い,オスの交尾器は平均的なメスの生殖口の大きさに一致するような選択が作用していると考えられた成果は特筆すべき点である.今後,オスの交尾器の機能解明をめざす予定である.ミナミカワトンボ科(Euphaeidae)は,日本南部から東南アジア,さらに中東にかけて生息するカラフルなトンボ類である.本研究では,これらミナミカワトンボ科全属に関して,オスの交尾器とメスの精子貯蔵器官の形態的対応性を検討するとともに,一部のグループで見られる特殊な構造のオスの交尾器が毛細管現象を利用した精子掻き出し構造をするのではないかという仮説を検証する.これまでの我々の研究で,この仲間のベトナムおよびその近隣地域における分類学的整理は行われたが.さらに他の地域の標本の収集に努めた.これまでに得たミナミカワトンボ類の標本からDNAを抽出し,16S rRNA,COIの塩基配列を求め,分子系統樹の作成を行なった.また,2018年10月1日から31日まで,共同研究を行なっているベトナムのPhan主任研究員を招待し,この仲間の形態に基づく分類学的検討と今後の野外調査の打ち合わせを行なった.学生の一人が中国四川省において6月に野外調査を行った.オスの交尾器はすべて生時に写真撮影を行い,これまでに得られたすべての標本の外部形態の計測を行い,分子系統樹上で比較した.合わせて,全標本の頭幅,前翅長,後翅長,翅の斑紋長を測定し,相対成長解析を行い,一部の結果は,依頼原稿「林文男(2018)ミナミカワトンボ類のオスの翅の模様と交尾器にかかる性選択.昆虫と自然,53 (5): 10-12」として出版された.さらにこれまでに集めてエタノール標本となっている各種オスの交尾器を用いて,毛管現象でどのような粘性の液体が吸収されやすか定量的に評価を行なった.これらの結果すべてをまとめ論文を作成中であるが,その作業はまだ継続中である.今年度は,中国(台湾を含む)において野外調査を行ったにもかかわらず,配偶行動を野外で観察することができなかった.
疾患関連蛋白質の生産技術の開発

蛋白質を合成する場合に遭遇する困難は、そのフォールディングの問題である。PUREシステムに、さまざまの分子シャペロンのサブシステムを共存させ、フォールディングの制御を行う。時に、凝集の抑制することはきわめて重要である。すでに、蛋白質の新生ペプチドに結合することが知られているDnaK関連のシャペロンの共存システム構築に成功した。また、GroELは翻訳とカップルして蛋白質のフォールディングに関与に関与することを見いだした。また、大腸菌ゲノムにコードされる蛋白質遺伝子について、GroELとDnaKの基質の網羅的検索を行い、stringent substrateの同定に成功した。ゲノム上の蛋白質の3割は、膜蛋白質もしくは分泌蛋白質であるとされている。また、情報伝達において膜上のリセプターからその情報伝達が開始される。従って、膜蛋白質や分泌蛋白質などの細胞質以外で機能する蛋白質の解析は疾患の病理解明において重要であり、また薬剤の開発にはこうした蛋白質の機能と構造の研究が不可欠である。PUREシステムに反転膜小胞を連列したシステムの構築を行い、膜蛋白質を高効率で合成可能な系を開発することに成功した。
クラスタコンピューティング向け高性能自律ネットワークの研究

PC(Personal Computer)の価格/性能比の向上に伴い、複数のPCをネットワークで相互接続したPCクラスタは、並列分散コンピューティングのプラットホームとして重要な役割を果たすようになった。しかし、PCクラスタは、各ノードの演算性能に対して通信オーバヘッドが大きく、通信性能がクラスタ全体の性能を決定する大きな要因となっている。この問題を背景として、クラスタ内での通信性能を向上させるため、これまでに様々なクラスタ専用ネットワークが開発されてきた。これらクラスタ専用ネットワークは、通信専用のハードウェアとオーバヘッドの小さい通信ライブラリを用いることで高性能通信を達成している。しかしながら、通信処理に費やされるノードPCの計算資源は多く、依然として通信処理がクラスタの性能を抑制しているのが現状である。本研究では、PCクラスタのさらなる性能向上を目指して、PC本体と協調しつつ並列分散コンピューティングを自律的に支援する機能を持つネットワークシステムの開発を行った。本ネットワークは、通信専用のハードウェアとそれに密に結合した汎用プロセッサ、および大容量メモリを持つネットワークインタフェースとスイッチから成る。通信処理、および通信の前後処理をネットワークが自律的に実行することで、ノードPCの負荷を軽減するとともに通信オーバヘッドの隠蔽を図っている。本研究では、ネットワークハードウェアの開発、ネットワーク上で実行されるファームウェアの開発、ノードPC上で実行される通信ライブラリ等を開発した。また、並列プログラムから、ネットワークが自律的に通信処理を実行する際に必要となる情報を抽出するコンパイラの開発、および応用プログラムを用いた詳細な性能評価を行った。本研究は、クラスタコンピュータの性能の飛躍的な向上を目指して、PC本体と協調しつつ並列分散処理を自律的に支援する機能を持つネットワークシステムの開発を行っている。また、並列プログラムからネットワークが自律的に通信処理を実行する際に必要となる情報を抽出するコンパイラの開発、および応用プログラムを用いた詳細な性能評価、を目的としている。本年度は、ネットワークインターフェイスとスイッチ上に実装するリンクレイヤプロトコルの設計と実装を行った。本プロトコルでは、物理レイヤにおける調停回数を極力削減すべく、バースト転送を可能な限り継続できるようなcontinuous network burst転送機能を開発し、実装している。また、ホストコンピュータとネットワークインターフェイス間でハードウェアリソースを低オーバヘッドで共有できる排他制御方式を開発した。これらの開発とともに、ハードウェアデバッグや性能評価を行うためのソフトウェアツールも開発した。また、高性能メッセージ通信APIとして、MMPと呼ぶメッセージ通信ライブラリを開発し、性能評価を行った。さらに、MPICHをベースとしてMPI通信ライブラリを開発し、アプリケーションを用いて検証した。ソフトウェアシステムの研究としては、共有メモリ型並列プログラムから、クラスタコンピュータで実行可能なメッセージ通信型の並列プログラムへ変換するコンパイラの開発を行った。本コンパイラによって生成されたプログラムの実行時の様子を詳細に測定し、考察した。さらに、実際にクラスタ上で実行し、予備的な性能評価を行った。最適化の余地はまだ残されているものの、良好な結果が得られることを確認した。以上の本年度の成果は、3編の国際会議論文として発表した。本年度は、昨年度までに得られた知見、評価結果に基づいて、新たなネットワークインタフェースとスイッチボックスの設計開発を行った。新規開発のネットワークは、物理レイヤのバンド幅をほぼ倍増し、またより高性能なプロセッサと大規模FPGAを搭載している。ソフトウェアシステムの研究としては、ネットワークヘ動的にプログラムの実行委託を行える動的オフロード機構を開発した。本機構を用いて並列処理における集合通信を実装し、評価を行った。その結果、動的オフロード機構を用いることで、67%86%通信時間を短縮できることを明らかにした。また、本方式によって、ネットワークトラフィック、およびPCとネットワークインタフェース間におけるトラフィックを大幅に削減できることが分かった。

また、共有メモリ型並列プログラムから、クラスタコンピュータで実行可能なメッセージ通信型の並列プログラムヘ変換するコンパイラの開発について、さらに最適化を進めた。不要なバリア同期を除去するアルゴリズム開発、ループや関数中でアクセスされる変数情報をhoistingし、アクセスサマリを生成するフィルタの開発を行った。また、実際のクラスタ上で評価を行い、有効性を確認した。本年度の成果については、1編の学術論文と3編の国際会議論文として公表した。本研究は、クラスタコンピュータの性能の飛躍的な向上を目指して、PC本体と協調しつつ並列分散処理を自律的に支援する機能を持つネットワークシステムの開発を行っている。また、並列プログラムからネットワークが自律的に通信処理を実行する際に必要となる情報を抽出するコンパイラの開発、および応用プログラムを用いた詳細な性能評価、を目的としている。本年度は、昨年度までに設計・開発したネットワークインタフェース、およびスイッチのハードウェアの拡充とともに、ハードウェアとファームウェアの最適化を行った。ソフトウェアシステムの研究としては、本ネットワークへプログラムの実行委託を行えるオフロード機構の最適化とAPI(Application Program Interface)の拡充を行った。オフロードするソフトウェアを効率的に開発できるよう、ネットワークインタフェースにオフロードされるモジュールを、ホストPCでも実行可能とするデバッグ用ライブラリの開発を行った。また、OpenMPプログラムを本クラスタで実行可能とするコンパイラの開発、および不要なバリア同期を除去するアルゴリズムの最適化研究を進めた。さらに、アクセス解析処理をネットワークにオフロードし、転送すべきデータを実行時にネットワークが決定するシステムの開発を行った。また、応用プログラムを用いて性能評価を行った。並列処理において、本ネットワークの自律性がどの程度有効に働くか、ネットワークへオフロードしたソフトウェアモジュールが性能向上にどの程度寄与するか、について詳細に評価した。評価の結果、本機構は、並列処理で一般的に見られる通信パターンに関して、性能向上に極めて有効で、かつオーバヘッドも十分に小さいことを確認した。本年度の成果については、2編の学術論文と3編の国際会議論文として公表した。