hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
大脳基底核-脳幹-脊髄投射系による姿勢制御メカニズムの解明

一方,海外の臨床研究は,PPN領域がパーキンソン病の姿勢異常や歩行障害の責任領域である可能性を示唆していることから,本研究の知見が国際的に非常に重要である.そこで,平成27年度はPPN領域が姿勢と運動運動の制御に果たす機能について検討した.実験には除脳ネコを用い,PPN領域に微小電気刺激を加えて誘発される運動機能を解析した.その結果,筋緊張抑制部位はPPN腹側部,筋緊張促通部位は楔状核(CNF)の背側部,被蓋反射(反射姿勢の一種)は,PPNとCNFの内側部,歩行運動はCNF腹側PPN背側の領域に存在することが分かった.PPNにはコリン作動性・非コリン作動性細胞が混在する.そこで,コリン細胞の軸索が投射する橋網様体のコリン作動性投射をブロックすることにより,PPN領域の機能局在がどのように変化するのかを解析した.橋網様体に抗コリン剤であるアトロピンを微量注入すると,電気刺激によって歩行運動,筋緊張促通,被蓋反射を誘発する部位が増加し,反対に筋緊張を抑制する部位が減少した.即ち,1PPN領域には姿勢と歩行における機能局在が存在すること,2この機能局在はPPNのコリン作動性細胞の興奮性に依存すること,の2点が明らかとなった.欧米ではパーキンソン病の姿勢異常や歩行障害に対してPPN領域を標的とした脳深部刺激が行われているが,刺激の効果はPPN領域の機能局在やコリン作動性細胞の興奮性に強く依存することを考慮する必要がある.1.近年では,PPNのコリン作動性ニューロンの変性が,パーキンソン病における姿勢異常や歩行障害の原因であるという根拠に基づき,この領域をターゲットとした脳深部刺激(PPN-DBS)が欧米で試行されており,一部のパーキンソン病患者にはその有効性が証明されている.上記の研究成績は当初の研究内容には含まれていなかった.しかし,このような臨床的背景のもと,海外の基礎・臨床研究者からの強い要望もあって,研究計画を変更した.結果として,平成25年度からの3年間の研究によって,大脳基底核から脚橋被蓋核領域への投射系(BG-PPN投射系)が姿勢と歩行の制御に極めて重要であるという確固たる成果を得ることができた.2.しかし,当初の27年度研究計画である「前庭脊髄路ならびに視蓋脊髄路による姿勢制御メカニズムに対するBG-PPN投射系の機能的役割」に関する研究内容について不十分であるため,残り2年でこの研究計画の成果を得たい.3.一方,本学では動物実験施設の耐震工事計画が一昨年度から浮上しており,中大動物における新規の分子遺伝学的研究は全面的にストップすることとなった.加えて,本学の動物実験規約により,動物実験施設以外での中大動物の分子遺伝学的研究は禁じられている.従って,28-29年度に予定していた分子遺伝学的手法(ウイルスベクター)を用いたBG-PPN投射系の選択的機能遮断・賦活実験は事実上不可能となった.従って,研究計画が不都合に陥った場合の措置としての代替え研究手法(薬理学的神経機能賦活・遮断法)を用いて,BG-PPN投射系の機能を解析する(次項目参照)こととした.これら,13の項目に基づき,現在までの進捗状況を「やや遅れている」と判定した.中脳に存在する脚橋被蓋核(PPN)領域には姿勢筋緊張を調節する領域(PPN抑制野)と歩行運動の制御に関与する領域(中脳歩行誘発野;MLR)が存在する.また,手のリーチング動作や歩行運動などの随意運動における姿勢の制御においても,大脳基底核(BG)からPPN領域への出力が重要な役割を持つと推定されている.本研究の目的は,BGからPPN領域への投射系が,どのように脳幹から脊髄への下行系の活動を修飾して,これらの運動時における姿勢制御に関与するのかを解明することである.平成28年度は次の2項目の研究を実施した.除脳ネコ標本を用いた研究では,電気生理学的手法を用いて前庭脊髄路と網様体脊髄路による姿勢制御機構の解析を試みた.その結果,外側前庭脊髄路は同側後肢伸筋への興奮と屈筋への抑制作用,ならびに,対側下肢伸筋への抑制と屈筋への興奮を誘発した.
第一次満蒙開拓青少年義勇隊による中国吉林省の鏡泊湖開拓団に関する基礎的研究

1.満州拓殖政策の企画・立案・実施の経過、満蒙開拓青少年義勇軍の募集・訓練・入植・開拓営農の実施経過、および第一次義勇軍の創設から開拓団終焉にいたる経過等に関する基本文献・資料の収集をした。2.第一次鏡泊湖義勇隊開拓団の関係者団体、「鏡友会」会員192名に対して、応募の事情、訓練・開拓・営農の体験、従軍および敗戦後の現地収容あるいはシベリア抑留等の体験を聞いたうえで、現在どのように考えているかなど多角的にアンケート調査を実施した(810月)。3.アンケートの実施結果は、回答数46(うち2名死去のため不明)、転居先不明10、無回答136で、有効回答数は44(22.9%)だった。なお、アンケート調査時に無回答だった2名については、その後の聞き取り調査で面談でき、回答がえられた。4.アンケート結果によって第二次の聞き取り調査をおこなうため、910月に回答内容について仮集約作業をおこない、聞き取り対象者を抽出した。5.11月、兵庫県・長崎県在住の元1次義勇隊員と鏡泊学園関係者など、9名の聞き取り調査を実施した。あわせて、関係者から鏡泊学園の関係印刷物を収集した。6.2月、愛知県・千葉県・埼玉県在住の元1次義勇隊員・補充団員・農業指導員など、4名の聞き取り調査を実施した。あわせて、関係者から『満州開拓史』、鏡友会の『鏡泊の山河よ永久に』および会員有志の『賭けた青春』、満州国農事試験場関係者の文集等々を収集した。7.札幌郡広島町、上川郡愛別町在住者2名の聞き取り調査を実施した。
Kπハドロニック原子の寿命測定とラムシフト-発展DIRAC実験によるQCDの検証

ハドロニックππ原子(A_(ππ))の寿命測定の為に開発されてきたDIRACスペクトロメータ(CERN PS)に新たにより高強度のビーム中で,更に希な現象を測定することができる様に改良を加え,よってKπ原子(A_(Kπ))の寿命測定を開始し,現在順調に統計を増やしつつある.日本グループは新しいホドスコープnewSFDを開発し,これも新たに開発したF1-TDC-ADC回路で読み出すことによって,入射ビームの高強度化と粒子弁別性能の向上に寄与した.ハドロニックππ原子(A_(ππ))の寿命測定の為に開発されてきたDIRACスペクトロメータ(CERN PS)に新たにより高強度のビーム中で,更に希な現象を測定することができる様に改良を加え,よってKπ原子(A_(Kπ))の寿命測定を開始し,現在順調に統計を増やしつつある.日本グループは新しいホドスコープnewSFDを開発し,これも新たに開発したF1-TDC-ADC回路で読み出すことによって,入射ビームの高強度化と粒子弁別性能の向上に寄与した.本研究の主な目的はCERN PSにおけるDIRAC実験を遂行する事によって,π^-とπ^+,或はπ^-とK^+がクーロンカで束縛されたπ^-π^+原子およびK^+π^-原子の崩壊寿命を直接測定し,ππ,Kπ中間子のs波散乱長を求め,これをカイラル摂動理論で計算した散乱長と高い精度で比較することにより非摂動領域でのQCDの検証を行うことである.1998に新しいこの実験のためのビームラインが完成後徐々に装置を改良し,又プライマリビーム強度を上げながらデータの取得を行ってきた.そして各検出器のビーム強度耐性を増強し,またスペクトロメータにはアエロジェル,重ガスのチェレンコフカウンタを加えるとの改変を行って本年度からπK原子の崩壊寿命を測定するためのDIRAC延長実験のデータ取得を開始した.日本グループとしてはより強い1次ビーム中で優れたトリガーを作るための新しい0.28mmファイバーを用いた10cm×10cm,XY2面のホドスコープ(newSFD)の製作した.この内Y面については今まで使用してきたPeak-sensing CircuitとLeCroy3377の読み出しによってスペクトロメータに組み込み,データの取得を行った.更に読み出しの為にF1TDC-TDC-ADC回路をX面の為に準備し,これについてのテストを行った.このテストデータを解析し他結果,来年度からは最適な条件でこの面もスペクトロメータに組み込める事が分かった日本グループとしてはこのほかにSi microstrip counter,強磁場永久磁石の製作も担当することになっており,これらについても準備を進めた.新しい実験が始まったところで発表論文はまだ無いが,検出器に関する論文を準備中である.本研究の主な目的はCERN PSにおけるDIRAC実験を遂行する事によって,π-とπ^<-1>,或はπ-とK^<-1>がクーロン力で束縛されたπ-π^+原子およびK^+π-原子の崩壊寿命を直接測定し,ππ,Kπ中間子のs波散乱長を求め,これをカイラル摂動理論で計算した散乱長と高い精度で比較することにより非摂動領域でのQCDの検証を行うことである.1998に新しいこの実験のためのビームラインが完成後徐々に装置を改良し,又プライマリビーム強度を上げながらデータの取得を行ってきた.そして各検出器のビーム強度耐性を増強し,またスペクトロメータにはアエロジェル,重ガスのチェレンコフカウンタを加えるとの改変を行って本計画においてはπK原子の崩壊寿命を測定するためのDIRAC延長実験のデータ取得を開始し,本年度も順調にそれを継続した.日本グループとしてはより強い1次ビーム中で優れたトリガーを作るための新しい0.28mmファイバーを用いた10cm×10cm, XY2面のホドスコープ(newSFD)の製作し,スペクトロメータに組み込んでFITDC-TDC-ADC回路をもちいて読み出しを行うことによりビーム強度の向上と,得られたデータの精度の向上に大きく寄与した.更に日本グループは,ラムシフトの測定のための強磁場永久磁石の準備を進めた.解析結果については,K^+π^-原子に関するプレリミナリーな結果をPhysics Lctters誌に公表した.π^-π^+原子データに関するフルペーパーはほぼ完成しており,近く公表の予定である.
特定領域研究「ヒトの随意動作熟練過程の神経機構」に関する企画調査

本企画調査研究は、ヒトの熟練動作のメカニズムを重点的に研究する新しい特定研究領域「ヒトの随意動作熟練過程の神経機構」(仮称)を設置するための準備調査を目的として行われたものである。本研究では、高度熟練動作の獲得、日常生活動作の習熟、疾病・傷害による機能障害からの回復、及び熟練の脳内過程の解明という4グループ(研究項目)を編成し、以下のように合計3回の企画会議及びシンポジウムを開催して議論を重ねた結果、平成12年度発足特定領域研究(A)「ヒトの随意動作熟練過程の神経機構」(申請代表者大築立志)という特定領域研究新設の申請書を平成11年11月に提出した。第1回企画会議(平成11年8月7日)東京(東京大学総合文化研究科身体運動科学研究室会議室)特定領域研究の研究項目案・研究課題案・責任者役割分担等を決定。第2回企画会議・シンポジウム(平成11年10月16、17日)名古屋(愛知県芸術文化センター)第1回企画会議で策定した領域の各項目の計画研究予定メンバーを集めて、10月16日にシンポジウム形式の研究発表会を開催、各人の研究実績と特定領域での予定研究内容を紹介し、議論を行った。シンポジウム終了後から翌17日にかけて各項目の代表者が申請案作成のための詳細についてさらに検討を行った。以上2回の会議の結果をふまえ、東京において本企画調査研究代表者(大築)が中心となって、以前の申請書を改訂し、印刷製本を専門の印刷屋に依頼して、申請書の作成実務作業を行った。第3回企画会議(平成11年12月1日)東京(東京大学総合文化研究科身体運動科学研究室会議室)特定領域項目代表者が集まり、今年度の総括と採択後の実際の研究の進め方について協議した。
高温高圧その場分光観察によるマグマへの水の溶解反応の研究

マグマ(ケイ酸塩メルト)と揮発性成分流体(水、水素、酸素、窒素)の反応を、ダイヤモンドアンビル・セルを用いた高温高圧その場分光観察により調べた。分光システムに独自の改造を施し、高温高圧下(「その場」)にある微小試料の赤外分光/ラマン分光を同時に行うことを可能にした。あわせて、炭素13同位体ダイヤモンド・ラマン圧力マーカーを実用化した。これらにより、マグマ.揮発性成分流体系の高温高圧「その場」分光観察研究の新たな展開を行った。平成21年度(本研究計画初年度)は、高温高圧「その場」分光観察のための分光装置の改造・最適化に力をいだ。また、発生圧力検定のための圧力マーカーの較正を行った。分光装置の改造・最適化:現有の顕微赤外分光装置に顕微ラマン分光ユニットを同軸光学系になるように増設した。その際、想定外の不具合(顕微赤外分光装置では光学系の窒素ガスパージ性能の不足、顕微ラマン分光ユニットでは可視光観察光学系の光量不足)が発生し、その対応に予想外の時間が必要になった。現在、顕微赤外分光装置の不具合はほぼ解消し、顕微ラマン分光ユニットの不具合の解消方法を検討中であるが、今後の実験遂行が可能な状態は達成できた。この装置改良により、両装置による同時「その場」分光観察実験が可能となり、後述の圧力マーカーを使った実験の圧力決定が随時可能となった。圧力マーカーの較正:炭素13同位体の合成ダイヤモンド細片を純水とともに外熱式ダイヤモンドアンビルセルに封入し、室温800°C、常圧1300MPaの条件下で、合成ダイヤモンド細片のラマン散乱バンド波数シフトをモニターすることで、±110MPaの精度で圧力を求められることを確認した。この圧力決定精度は本研究を進めるのに必要十分である。予備実験:分光装置の改造・最適化に予想外の対応が必要となったため、ケイ酸塩メルト(マグマ)を用いた予備実験は行えなかった。現在、分光装置が使用可能となったので、予定していた予備実験は平成22年度に行う予定である。分光装置の最適化:初年度に、現有の顕微赤外分光装置に顕微ラマン分光ユニットを同軸光学系になるように増設したが、その際に生じた顕微ラマン分光ユニットの不具合(光量不足)を、同ユニットの顕微光学系をスループットの良い仕様に改造することで完全に解決した。これにより、顕微赤外/顕微ラマン両装置による同時「その場」観察実験を効率的かつ精度良く行うことが可能になった。圧力マーカーの評価とレンジ拡張:初年度に引き続き、炭素13同位体(^<13>C)合成ダイヤモンドの圧力マーカーとしての性能評価を行った。13Cダイヤモンドと純水を外熱式ダイヤモンドアンビルセルに封入してラマン散乱バンド波数シフトをモニターし、セル試料室の発生圧力を決定できることを確認した。特に、適用できる圧力レンジを拡張するために、低温の実験ですでに圧力マーカーとして較正されているルビーを、純水、^<13>Cダイヤモンドとともにセルに封入して実験・観察を行い、ルビー蛍光波数シフト及び高圧H_2O固相(氷)融解曲線、^<13>Cダイヤモンドラマン散乱シフトの比較較正を行った。これにより、使用可能な圧力レンジを、初年度の最高1.3GPaから、上部マントル条件を十分にカバーする最高4.8GPaまで拡張することができた。マグマ物質のその場分光観察実験:^<13>Cダイヤモンド圧力マーカーの有用性と精度の目処がついたので、従来の方法(圧力マーカーとして気泡を含む純水を用いる)からの脱却が可能となった。これにより、純水を主体とする流体相へのシリケイト成分の溶け出しから生じる実験結果の不確かさを排除できる可能性が見えてきた。また、別の適用例として、純水ではなくN-C-H-O系の揮発性成分流体を圧力媒体として用いる高温高圧その場分光観察実験を予察的に行い、玄武岩マグマアナログ物質へのN及びC成分の溶解機構が酸化還元状態に大きく依存することを明らかにした。装置の最適化:高温高圧その場分光実験では外熱式ダイヤモンドアンビルセルが分光器の顕微ステージの大部分を占有し、標準光源(ネオンランプ)を測定するのに不便であった。顕微光学系共焦点の背後に標準光源を挿入できるように装置を改良し、標準光源の輝線を随時測定し波数校正を行うことで精度の良い分光実験が可能になった。圧力マーカーの性能評価:前年度に引き続き、炭素13同位体(13C)合成ダイヤモンドの圧力マーカーとしての性能評価を行った。外熱式ダイヤモンドアンビルセルに純水とともに封入した13Cダイヤモンドのラマン散乱バンド波数シフトを、ともに封入したルビーの蛍光波数シフトならびに高圧H20固相の融解曲線と比較した。

これにより圧力マーカーとして使用可能なレンジを最高温度800°C、最高圧力4.8GPaまで拡張し、13Cダイヤモンドのラマン散乱バンド波数シフトの温度・圧力依存性が温度の2次関数と圧力の1次関数の線形結合で表せることを見いだした(圧力決定の精度は±0.1GPa、温度・圧力依存性の相互微分は無視できる)。マグマ物質のその場分光実験:13Cダイヤモンド圧力マーカーの有用性の目処がついたので、従来の圧力決定法(圧力媒体と圧力マーカーを兼ねた純水の状態方程式を用いる)からの脱却が可能になった。これにより、純水を主体とする流体相へのマグマ(シリケイト成分)の溶け出しから生じる実験結果の不確かさを排除できるようになった。また圧力媒体として純水を使わない実験を行うことも可能になった。具体的には、固体バッファー法を併用して、酸化還元状態を制御した多成分系流体とマグマのその場分光観察実験を行った。還元的な多成分系流体では窒素を含む化学種としてアンモニアが卓越し、マグマへのバルク窒素溶解度が大きく上昇することを見いだした。さらに別の応用例として、流体相に不飽和なマグマの高温高圧その場分光観察を行える可能性が見えてきた。
質感認知とその障害の分子・神経メカニズム

うつ病を患うと、「見るもの全てが灰色に見える」かのごとく、主観的にネガティブな質感認知をすることが言われている。本研究は、初期視覚野において、セロトニン5HT2A受容体ならびに5HT1B受容体の発現が多く見られることに着目し、これらの受容体を介したセロトニン伝達が白黒コントラスト感受性の低下を引き起こすことが、うつにおける質感認知の減退の原因である可能性の検証を試みた。3頭のマカクサルに行動課題を行わせ、縦縞と横縞のGaborパッチ(白黒コントラスト比が8段階、空間周波数が3段階)がそれぞれ大報酬、小報酬の予告刺激とし、課題のやる気に差が出る白黒コントラスト閾値を同定した。テスト直前に、セロトニン5HT1B受容体の阻害剤GR55562、またはセロトニン5HT2A受容体の阻害剤MDL100,907のいずれかを筋肉内投与し、生理食塩水投与後のコントロール状態と比較した。5-HT1B受容体を阻害した場合、コントラストの検出閾値が上昇し、感受性の低下が確認された。一方、5-HT2A受容体を阻害した場合、行動に差が見られず、検出閾値には一貫した影響は観察されなかった。またPETを利用し阻害剤の占有率を測定したところ、行動実験に用いたGR55562、MDL100,907の投与量下では5-HT1B、5-HT2A受容体のそれぞれの占有率は約30%と約80%であった。以上の結果から、白黒コントラスト感受性制御がセロトニン5-HT1B受容体を介して行われているという視覚認知機能の分子メカニズムが明らかとなった。うつ病において、脳内セロトニンレベルの低下が、によりセロトニン5-HT1B受容体の活性が下がり、コントラスト感受性の低下を引き起し、「見るものが灰色に見える」というようなネガティブな質感認知を引き起している可能性が示唆される。24年度が最終年度であるため、記入しない。うつ病を患うと、「見るもの全てが灰色に見える」かのごとく、主観的にネガティブな質感認知を伴うことが知られている。この質感認知の障害が、セロトニン機能異常によるものであるという仮説を立て、これを検証することで、質感認知の分子・神経メカニズムの解明に貢献することを目的とする。平成23年度は、3頭のマカクサルを対象に行動課題を実施し、空間周波数の異なるGaborパッチの白黒コントラストの検出閾値を同定した。過去の報告通り、空間周波数が小さくなるにつれて、閾値が低くなることが確認された。コントラスト検出とセロトニンとの関係について、特に、一次視覚野で発現が多いセロトニン5HT_<2A>ならびに_<1B>受容体に着目した。まず、セロトニン5HT_<2A>受容体の阻害剤であるM100,907(0.1mg/kg, i.m.)を投与した状態で行動課題を実施し、閾値を測定した。結果、検出閾値には3頭に一貫した影響は観察されなかった。同じ投与量下において、5HT_<2A>アンタゴニストリガンドである[^<18>F]Altanserinを用いPETスキャンを行い、baselineと比較して結合能が著しく減少していたことから、M100,907の投与量は適切であることが確認された。従って、セロトニン5HT_<2A>受容体はコントラスト閾値感受性に無関係であると考えられる。今後、5HT_<1B>受容体阻害剤を投与することで、同受容体の閾値感受性に対する関与を確認する予定である。さらにサルをうつモデル(甲状腺機能低下症状態)にすることで、白黒のコントラスト感受性が低下するかを検証する予定である。

うつ病において、脳内セロトニンレベルの低下が、によりセロトニン5-HT1B受容体の活性が下がり、コントラスト感受性の低下を引き起し、「見るものが灰色に見える」というようなネガティブな質感認知を引き起している可能性が示唆される。24年度が最終年度であるため、記入しない。H23年度の計画である、コントラスト感受性の定量評価法が確立し、実際に3頭の動物で閾値を定量した。さらに、セロトニン受容体の関与を確認する実験も進んでいる。今後、5HT_<1B>受容体阻害剤を投与することで、同受容体の閾値感受性に対する関与を確認する予定である。さらにサルをうつモデル(甲状腺機能低下症状態)にすることで、白黒のコントラスト感受性が低下するかを検証する予定である。
活動電位形状に対する非線形ダイナミクス解析手法の構築

本年度は,「活動電位形状に対する非線形ダイナミクス解析手法の構築」という研究計画を遂行するための最終段階として,これまで研究代表者が開発してきた神経スパイク時系列に対する様々な統計解析手法の総括を行った.まず,前年度まで行っていた,神経スパイク時系列に代表される非定常確率過程データの様々な統計量の時間変動の統計解析手法を対象とした研究を行なった.その結果,これまでの統計解析手法では適用が難しいとされてきたような長時間相関を有する時系列データや,極めて定常な時系列データに対して我々の開発した統計解析手法が有効であることを示された.さらに,神経スパイク時系列の複雑性としてデータの周期性やカオス性などの様々な尺度から時系列を評価し,それらの尺度と神経数理モデルとの関係性を調査した.最終的に研究期間全体を通して,神経スパイク時系列に対する統計解析手法の構築を行い,一定の成果を得た.このほか,当初の研究計画・目的と直接的に結びつくものではないものの,上記のデータ解析から着想を得た膵臓におけるベータ細胞の膜電位ダイナミクスの数理モデル構築や,神経伝達物質が影響を及ぼす脳の低周波振動の非線形ダイナミクスの解析及び数理モデリングなどの数理研究を遂行した.これらの成果は,活動電位形状ではないものの生体・脳の示す非線形ダイナミクスの好例でもあるため,これらの解析手法の構築については今後の研究課題としたい.本年度は,「活動電位形状に対する非線形ダイナミクス解析手法の構築」という研究計画を遂行するための第一段階として,これまで開発してきた神経スパイク時系列に対する統計解析手法の精細な調査を行った.まず,神経スパイク時系列に代表されるような非定常点過程データの様々な統計量の時間変動の統計解析手法について精査した.具体的には,昨年度に提案した統計解析手法について,より精度の高い統計量推定を行えるようパラメータチューニングの方法を考察した.その結果,これまでの統計解析手法で短所とされた長時間相関を有する時系列データや,極めて定常な時系列データに対しても新たに開発した統計解析手法が有効であることが示された.さらに具体的な応用例として,サルの視覚野における生理学実験から得られた神経スパイク時系列に対して統計解析手法を適用した.特に外側膝状体から一次視覚野における,視覚系の神経情報符号化について考察した.その結果,視覚情報処理にはそれぞれの領野にてそれぞれ異なる情報符号化原理が用いられていることが,統計解析結果から示唆された.このほか,直接的に当初の研究計画と結びつくものではないものの,神経系の非線形ダイナミクス解析という点で関連のある研究として,神経伝達物質が影響を及ぼす脳の低周波振動の非線形ダイナミクス解析及び数理モデリング,そして神経細胞の示すカオス的挙動と同期現象に関する数理研究を遂行した.今年度は,様々な点過程統計量の時間変動に関する統計解析に注力した.その結果,視覚系における情報符号化原理について新たな示唆を得た.しかしその一方,活動電位形状に対する統計解析手法については開発途上であり,やや遅れている.本年度は,「活動電位形状に対する非線形ダイナミクス解析手法の構築」という研究計画を遂行するための中間段階として,これまで開発してきた神経スパイク時系列に対する統計解析手法の精細な調査を行った.まず,前年度に引き続き,神経スパイク時系列に代表される非定常点過程データの様々な統計量の時間変動の統計解析手法について精査した.これまでの統計解析手法で短所とされてきたような長時間相関を有する時系列データや,極めて定常な時系列データに対しても我々の開発した統計解析手法が有効であることを示された.これまでの解析では神経系のスパイク時系列のみを対象データとして扱ってきたが,より非定常な時系列データに対して我々の開発した統計解析手法の適用が有用であると考えられていることから,神経スパイク時系列以外の非定常点過程データへの適用可能性を調査した.具体的な応用例として,膵臓におけるベータ細胞における電気生理学実験から得られた細胞膜電位のデータに対する統計解析手法の適用可能性を調査した.その結果,我々の開発した統計解析手法が適用可能であることがわかった.このほか,当初の研究計画と直接的に結びつくものではないものの,上記のデータ解析から着想を得た膵臓におけるベータ細胞の膜電位ダイナミクスの数理モデル構築や,神経伝達物質が影響を及ぼす脳の低周波振動の非線形ダイナミクスの解析及び数理モデリングなどの数理研究を遂行した.今年度は,様々な点過程統計量の時間変動に関する統計解析に注力した.その結果,神経系以外の点過程データにおける新たな示唆を得た.しかしその一方,活動電位形状に対する統計解析手法については開発途上であり,やや遅れている.本年度は,「活動電位形状に対する非線形ダイナミクス解析手法の構築」という研究計画を遂行するための最終段階として,これまで研究代表者が開発してきた神経スパイク時系列に対する様々な統計解析手法の総括を行った.まず,前年度まで行っていた,神経スパイク時系列に代表される非定常確率過程データの様々な統計量の時間変動の統計解析手法を対象とした研究を行なった.その結果,これまでの統計解析手法では適用が難しいとされてきたような長時間相関を有する時系列データや,極めて定常な時系列データに対して我々の開発した統計解析手法が有効であることを示された.さらに,神経スパイク時系列の複雑性としてデータの周期性やカオス性などの様々な尺度から時系列を評価し,それらの尺度と神経数理モデルとの関係性を調査した.最終的に研究期間全体を通して,神経スパイク時系列に対する統計解析手法の構築を行い,一定の成果を得た.

このほか,当初の研究計画・目的と直接的に結びつくものではないものの,上記のデータ解析から着想を得た膵臓におけるベータ細胞の膜電位ダイナミクスの数理モデル構築や,神経伝達物質が影響を及ぼす脳の低周波振動の非線形ダイナミクスの解析及び数理モデリングなどの数理研究を遂行した.これらの成果は,活動電位形状ではないものの生体・脳の示す非線形ダイナミクスの好例でもあるため,これらの解析手法の構築については今後の研究課題としたい.今後は,活動電位形状に対する統計解析手法の開発を行う.また,そこで開発した手法を実データに適用し,データから生理学的示唆を得る予定である.今後は,活動電位形状に対する統計解析手法の開発を行う.また,そこで開発した手法を実データに適用し,データから生理学的示唆を得る予定である.申請段階では,高速な計算が実行可能なワークステーションの経費を見込んでいたものの,交付決定額が減額されたことで当経費の遂行を見送らざるを得なかった.申請段階で見込んでいたもののワークステーションの代わりに,より安価なワークステーション購入により計算時間の短縮を見込んでいる.申請段階で見込んでいたもののワークステーションの代わりに,より安価なワークステーション購入により計算時間の短縮を見込んでいる.
タブレット端末を用いた物理実験教材の開発

物理の授業を魅力的で有効なものとするため,タブレット端末を利用した実験教材を開発した。電磁気に関する拡張現実教材,Bluetooth対応のテスターを用いた汎用測定教材,電気回路実験のシミュレーション教材等をタブレット端末用に開発した。これらの教材を試用して改良点を得るとともに,その活用方法も重要であるとの知見を得たため,教材開発と並行して,これらの教材を有効に活用することを目指して,新しい教育方法についても研究した。本研究では,タブレット端末を中等教育における物理実験の補助具として利用する教育的に有効な実験教材・教具を開発している。初年度は,拡張現実を利用した磁場測定教材をWindowsタブレットで利用できるようにした。これまでは拡張現実のためのカメラとしてUSBカメラを用いていたが,タブレットの背面カメラを利用するように修正し,利用者の視線と同じ向きで使えるようにして活用しやすくした。また,磁場センサのモジュールとタブレットとの接続を無線化してタブレット側の補助機器をできるだけ簡易なものとして,利用者の便宜を図った。これを日本理科教育学会において報告して専門家の意見を聴取し,また,高等学校の授業においても演示を試行して教員・生徒の意見を聴取した。棒磁石の周りの磁力線を表示してある方がよいとの助言に従い,拡張現実を用いた電磁誘導教材で使っていたプログラムを移植して,磁場測定教材でも棒磁石の周りの磁力線を表示できるようにした。タブレットへの移植には,ゲームエンジンであるUnityを利用するのが有利であるため,その開発に慣れるため,まず,測定教材ではないが,Unityを用いた電気回路実験シミュレータ教材をWindowsタブレット用に開発した。電池と豆電球を接続する電気回路の実験をシミュレートし,電池だけでなく豆電球の直列接続・並列接続など,任意の回路における電流の値を計算して豆電球の明るさや配線ごとの電流の強さを示すことができるようにした。小学校で生徒に使用させて改良のための意見を聴取した。Androidタブレットを用いた測定教材については,RS232C出力を持ったテスターを接続する方向で検討を行っている。その他の物理測定教材としても,直線運動の測定や音の干渉教材について開発を進めている。タブレット端末を用いて測定をする際,センサ部分とタブレット端末とを接続する必要があるが,有線ケーブルでは実験の邪魔になるため,無線化することが望ましい。昨年度は拡張現実を用いた磁場測定教材の磁気センサをXBeeを用いて無線接続したが,タブレット端末側に受信モジュールが必要であり,使い勝手が悪かった。そこで,今年度は,タブレットに標準で装備されていることが多いBluetoothによる通信によって無線化する研究を行った。センサ部分は磁気センサのような特殊なものでなく,汎用性のあるモジュールの方が利用しやすいため,Bluetooth通信できるテスターを用い,電圧や電流などをWindowsタブレット端末で測定・表示できるようにした。このようなテスターにはもともと簡単なPC用アプリケーションが付属しているが,製造会社によって異なるので教育用としては使いにくいため,3種類のテスターからのデータを同じアプリケーションで処理できるようにした。電流ー電圧など,複数の量を同時に測定・表示・記録できるようにして,教育利用を容易にした。タブレット端末自身のセンサを用いるアプリケーションについても開発を試みており,2音源による音の干渉の様子を測定する教材を作成した。Androidタブレットへの移植も検討しており,Bluetoothによる通信部分の組み込みを進めているところである。Bluetoothを用いた無線化に取り組んだため,教材としての価値は高くなったと思われるが,開発した教材を試用しての検証授業の実践と評価ができていない。また,Androidタブレットへの移植に時間がかかっており,OSの違いによる教育効果の検討が難しくなってきている。本研究では,期間を通じて,タブレット端末を中等教育における物理実験の補助具として利用する,教育的に有用な実験教材・教具を開発し,その有効利用について研究してきた。初年度には電磁気に関する拡張現実教材をタブレット端末で利用できるようにし,その際のセンサモジュールとの接続の無線化を行った。この経験から,センサ部分とタブレット端末との接続にBluetooth通信を用いることが有利であることが分かり,次年度には,Bluetooth通信できるテスターのデータをWindowsタブレット端末で表示できるようなアプリケーションを作成した。タブレット端末に付属しているセンサを用いた教材も開発したが,目的にあった利用ができる教材とすることは難しかった。タブレット端末を用いた教育の有用性を検証するため,初等教育用ではあるが,簡易電気回路実験シミュレータ教材を開発し,試用して評価した。また,電磁気に関する拡張現実教材も試用して評価を行った。これらにより,タブレット端末を利用すると児童・生徒の興味・関心・意欲を引き出すことはできるが,拡張現実の表現であったり,シミュレーションの表現であったり,画面上での表現,また,指導する際の利用場面に十分配慮しなければならないことが分かった。そこで,2年目から最終年度にかけて,反転授業や相互作用型演示実験講義などの新しい教育方法を試み,探究的な実験活動を取り入れることについて研究を進めた。また,最終年度は,特に,テスターではなくセンサモジュールの簡易化のためにBluetooth通信可能なワンチップマイコンを用いたシステムの構築も試みたが,未だ開発途中であり,完成に至っていない。

電磁気に関する拡張現実教材のWindowsタブレット利用が可能になり,機材を整備すれば生徒実験に使えるところまで進んだ。また,当初予定していなかった電気回路実験シミュレータ教材も開発でき,児童に使わせて意見を聴取するところまで進んだ。Androidタブレットで利用する教材の開発について時間がかかることは織り込み済みであり,その他の物理教材についても開発に着手している。教育現場に導入されているタブレットにはAndroidタブレットは少ないため,開発は進めるが,Windowsタブレットによる教材を主として検証授業,評価を行うこととする。生徒実験に必要な個数の機器・測定モジュールを整備して授業を実施し,有用性を確認する。電磁気に関する拡張現実教材については,Windowsタブレットと測定器具を10班分程度準備して,生徒実験を試行する。Androidタブレットでの利用については,引き続きテスターを利用する方向で検討を続ける。音の干渉の測定教材については,タブレットを持つ利用者の影響を小さくする工夫が必要であり,引き続き検討する。ほぼ計画通りに使用したが,細かい調整はしなかったため。タブレットに接続する測定装置を開発するための電子部品の経費が予定より小額だったため。次年度は最終年度なので,細かい調整まで行う。測定装置の開発経費に組込んで使用する。
腫瘍新生血管オープニングよる革新的がん治療法の開発

【研究目的】本研究では、新規バブルリポソーム(BL)と超音波を用いて腫瘍新生血管(TNV)をオープニングしてEPR効果を亢進させ、同時に投与した低用量抗がん剤の抗腫瘍効果を増強させるという、新規がん治療法の開発を目的とする。2018年度は、TNVオープニングを定量的および定性的に評価し、最適な超音波照射条件を探索した。また、健常なビーグル犬においてBLの動態評価を実施した。【具体的内容】薬物移行量の判定(TNVオープニングの定量的評価):[方法]担癌マウスの尾静脈からFITC標識デキストラン(分子量70,000)単独、あるいはFITC標識デキストラン・BL混合液を投与した。超音波治療器を用いて、腫瘍組織に1 MHzの超音波を1分間照射した。照射30分後に摘出した腫瘍組織をホモジナイズし、得られた破砕液の蛍光強度を測定した。[結果および考察]超音波照射のないコントロール群と比較して、FITC標識デキストラン・BL混合液+超音波併用群では、腫瘍組織内のFITC標識デキストラン重量は有意に上昇した。以上より、BLと超音波の併用によりTNVオープニングが生じ、EPR効果を効率的に亢進させ、高分子化合物であるFITC標識デキストランが腫瘍組織内に多く漏出した可能性が示唆された。ビーグル犬における肝臓超音波造影検査(BLの動態評価):[方法]犬の静脈内にBLを投与し、肝臓の超音波造影検査を実施した。門脈および肝実質の造影輝度を画像解析ソフトにより測定した。[結果および考察]BLの投与により門脈および肝実質の造影輝度は上昇した。門脈の造影輝度は30秒でピークとなり、その後7分で消失した。肝実質の造影輝度は30秒でプラトーとなった。以上より、BLは投与後速やかに門脈に到達し、早期に消失した。肝実質の造影効果は、BLが肝類洞のクッパー細胞に捕捉されたことに起因すると考えられる。初年度はバブルリポソームと超音波を用いたTNVオープニングの定量的評価に成功した。また、2019年度に実施予定であったビーグル犬での動態評価を前倒しで実施し、興味深い結果を得た。初年度に実施予定であったTNVオープニングの定性的評価についても予備実験に成功しているため、ほぼ計画通りの進行と言える。2019年度には、担癌マウスにおいて蛍光顕微鏡を用いてTNVオープニングの定性的評価を行う。それによりバブルリポソームと超音波によるTNVオープニングを実証した後、さらに担癌マウスにおいて、低用量抗がん剤を併用した新規がん治療法の抗腫瘍効果の評価を進める。抗腫瘍効果が弱い場合は、治療回数の追加やバブルリポソーム投与量の増量などを検討する。in vivoで得られたデータを基に、犬の臨床研究における治療プロトコルを作成する。犬の臨床研究においては、鳥取大学農学部附属動物医療センターに来院する標準治療の適用が困難な固形癌罹患犬に対して、in vivoを参考に作成した治療プロトコルにて新規がん治療法を実施し、画像診断による治療効果の判定および血液検査による安全性の評価を開始する。

初年度に実施予定であったTNVオープニングの定性的評価についても予備実験に成功しているため、ほぼ計画通りの進行と言える。2019年度には、担癌マウスにおいて蛍光顕微鏡を用いてTNVオープニングの定性的評価を行う。それによりバブルリポソームと超音波によるTNVオープニングを実証した後、さらに担癌マウスにおいて、低用量抗がん剤を併用した新規がん治療法の抗腫瘍効果の評価を進める。抗腫瘍効果が弱い場合は、治療回数の追加やバブルリポソーム投与量の増量などを検討する。in vivoで得られたデータを基に、犬の臨床研究における治療プロトコルを作成する。犬の臨床研究においては、鳥取大学農学部附属動物医療センターに来院する標準治療の適用が困難な固形癌罹患犬に対して、in vivoを参考に作成した治療プロトコルにて新規がん治療法を実施し、画像診断による治療効果の判定および血液検査による安全性の評価を開始する。2018年度に、腫瘍新生血管オープニングを定量するための基礎実験を行なったが、わずかに未使用額が生じた。このため、2019年度に腫瘍新生血管オープニングの定性的評価を行う予定であり、未使用額はその経費に充てることとしたい。
脳波情報を用いたソフトウェア開発者の思考/行動パターンの分析とモデル化

本研究では,ソフトウェア開発における開発者の思考/行動パターンを脳波情報に基づいて分析し,開発者の思考/行動モデルを構築することにあった.これに対する研究実績は次の通りである。1.3名の開発者を被験者として脳波測定実験を行った.実験では,被験者に比較的小規模なソフトウェア仕様書を呈示し,それに基づいてプログラムを作成させた.また,作成されたプログラムの正しさを最低限保証するために,被験者にテストデータを与え,テスト/デバッグ作業を行わせた.脳波測定は,仕様書の呈示時からテスト/デバッグ作業の終了まで,それぞれの被験者に対して約2時間行った.また,被験者の作業状況を把握するため,作業者を含む作業環境の全景をビデオカメラで撮影するとともに,被験者のキ-ストロークデータを収集した.更に,実験終了後,実験中の各時点における思考内容を被験者に申告させた.2.脳波の測定結果を被験者に申告させた思考内容と比較した結果,作業に比較的集中している状態で,特定の脳波が出現することがわかった.ただし,出現の割合や波の大きさには個人差があり,開発者の脳波地図,及び,思考/行動モデルを構築するまでには至らなかった.3.一方,キ-ストロークデータを分析した結果,被験者がプログラムに誤り(フォールト,バグ)を作り込む前後に,多くの場合,いくつかの特徴的なパターンが現れることがわかった.そこで,代表的な6つのパターンを形式的に記述し,パターンの出現と誤りの作り込みの関係を調べた.その結果,両者の間には,ある程度の相関があり,パターンが検出できれば,誤りの作り込みも検出可能であることがわかった.本研究では,ソフトウェア開発における開発者の思考/行動パターンを脳波情報に基づいて分析し,開発者の思考/行動モデルを構築することにあった.これに対する研究実績は次の通りである。1.3名の開発者を被験者として脳波測定実験を行った.実験では,被験者に比較的小規模なソフトウェア仕様書を呈示し,それに基づいてプログラムを作成させた.また,作成されたプログラムの正しさを最低限保証するために,被験者にテストデータを与え,テスト/デバッグ作業を行わせた.脳波測定は,仕様書の呈示時からテスト/デバッグ作業の終了まで,それぞれの被験者に対して約2時間行った.また,被験者の作業状況を把握するため,作業者を含む作業環境の全景をビデオカメラで撮影するとともに,被験者のキ-ストロークデータを収集した.更に,実験終了後,実験中の各時点における思考内容を被験者に申告させた.2.脳波の測定結果を被験者に申告させた思考内容と比較した結果,作業に比較的集中している状態で,特定の脳波が出現することがわかった.ただし,出現の割合や波の大きさには個人差があり,開発者の脳波地図,及び,思考/行動モデルを構築するまでには至らなかった.3.一方,キ-ストロークデータを分析した結果,被験者がプログラムに誤り(フォールト,バグ)を作り込む前後に,多くの場合,いくつかの特徴的なパターンが現れることがわかった.そこで,代表的な6つのパターンを形式的に記述し,パターンの出現と誤りの作り込みの関係を調べた.その結果,両者の間には,ある程度の相関があり,パターンが検出できれば,誤りの作り込みも検出可能であることがわかった.
音や声などの聴覚情報を用いるスポーツ経験の影響に関する運動心理学的検討

本研究課題は、音や声などの聴覚情報を用いるスポーツ経験の影響について、運動心理学的観点から検討することを目的とした。本研究では主にブラインドサッカーを対象とし、様々な種類の聴覚情報を用いて素早く正確な運動を行う際の空間定位に関する特徴を明らかにする。研究2年度目は、ブラインドサッカー非熟練者のボールトラップ課題におけるタイミング一致に関するパフォーマンスを検討するための実験を行った。実験参加者は晴眼一般成人6名とし、5m前方から足下に転がってくるブラインドサッカーボールを右足裏でトラップする課題を閉眼で行った。ボールの速度は、高速(2.6±0.1m/s)、中速(2.3±0.1m/s)、低速(1.8±0.1m/s)の3条件の中から試行毎にランダムに投射した。試行数は1ブロック12試行×3ブロック(計36試行)であった。タイミング一致の観点から、ボールの頂点を足裏で接触した試行をトラップ成功として評価した。3台の高速度デジタルカメラを用いて、ボールトラップの成功率およびタイミングエラー(絶対誤差および恒常誤差)を算出した。その結果、低速条件では他の速度条件に比べて絶対誤差が有意に大きくなった。また恒常誤差の値から、低速条件ではトラップのタイミングがボールの到達よりも早く、高速条件では遅いことが示された。なお、ボールトラップの成功率にはブロック間で有意な差はみられなかった。これらの結果から、相対的に遅い速度のボールに対してタイミングを合わせるのが難しいことが考えられ、ブラインドサッカー非熟練者は聴覚情報を用いて変化するボールの位置を把握しタイミングを合わせることができていないことが示唆された。以上のことから、ブラインドサッカーにおいてボールをトラップする上では、ボールの軌道予測に加えて、ボール速度に対応したタイミング一致が重要であることが考えられた。研究2年度目は、初年度に構築した聴覚刺激に対する反応時間を測定した実験環境を拡張し、実際にボールを扱う場面での行動制御を検討するための環境を設定して実験を行い、当初の計画通りデータを取得することができた。また、実際のスポーツで用いられるフィールドを用いた集団での状況判断や意思決定に用いられる声の情報について検討する実験を行い、データを取得し分析を行うことができた。現段階では、取得したデータのうち一部の分析が残っており、引き続き分析を継続していく必要がある。次年度は、実験室において得られたボールを扱う運動課題における研究結果をふまえ、対人や集団で視覚情報を用いずにボールを扱うパスの学習課題を設定し、運動を学習していく過程において用いられる音や声の情報について、動きのデータとの関係を含めて検討を行う。これらの実験を通して、より発展的かつ応用的な知見を得ることを目的として、次年度以降の研究を遂行していく予定である。また、ブラインドサッカーだけではなく、スポーツの場面において集団で意思決定を行う際に用いる声の情報についても検討を行い、研究成果を発表していくことを計画している。本研究では主にブラインドサッカー選手を対象とし、様々な種類の聴覚情報を用いて素早く正確な運動を行う際の空間定位に関する特徴を明らかにする。研究初年度は、ブラインドサッカー選手における音源方向の定位および反応に関する実験研究を実施した。参加者は、ブラインドサッカー選手、晴眼サッカー選手、晴眼一般成人の各群10名とし、参加者の周囲4方向(左前、左後、右前、右後)に設置されたスピーカーから音を提示した。参加者はアイマスクをつけてマットスイッチ上に立ち、スピーカーからの音刺激提示後できるだけ早く片足をマットから離し、できるだけ正確に音源方向に一歩足を踏み出す課題を行った。反応の種類は、どのスピーカーから音が鳴るかを事前に教示する単純反応、前後2か所のスピーカーのうちいずれかがランダムに鳴る選択反応、4か所のスピーカーのうちいずれかがランダムに鳴る選択反応を設定した。測定項目は、音刺激提示後片足がマットスイッチから離れるまでの時間(反応時間)と、音源定位の正確性とした。その結果、単純反応時間では、ブラインドサッカー選手は晴眼一般成人より短かったが、晴眼サッカー競技者との間に差はみられなかった。一方、選択反応時間では、ブラインドサッカー選手は、晴眼一般成人と晴眼サッカー選手の両群に比べて有意に短い値を示した。また、ブラインドサッカー選手は最も前後方向の誤判断(front-back confusions)が少なく、正確性は晴眼一般成人と比べて有意に高かった。これらの結果から、ブラインドサッカー選手は晴眼サッカー選手と比較して、聴覚刺激に対する反応自体が素早いのではなく、音源定位を伴う運動課題において音源の方向(特に前後)を素早く判断し運動を実行していることが示唆された。研究初年度は、実験環境の構築を行うことができ、おおむね当初の計画通りに実験研究および分析を遂行することができた。また、研究成果の一部については、国際パラリンピック委員会の主催する国際学会において発表を行った。本年度の研究を通して得られた知見については、学会で得られた意見をふまえ、現在学術雑誌に投稿する論文を執筆中である。

実験参加者は晴眼一般成人6名とし、5m前方から足下に転がってくるブラインドサッカーボールを右足裏でトラップする課題を閉眼で行った。ボールの速度は、高速(2.6±0.1m/s)、中速(2.3±0.1m/s)、低速(1.8±0.1m/s)の3条件の中から試行毎にランダムに投射した。試行数は1ブロック12試行×3ブロック(計36試行)であった。タイミング一致の観点から、ボールの頂点を足裏で接触した試行をトラップ成功として評価した。3台の高速度デジタルカメラを用いて、ボールトラップの成功率およびタイミングエラー(絶対誤差および恒常誤差)を算出した。その結果、低速条件では他の速度条件に比べて絶対誤差が有意に大きくなった。また恒常誤差の値から、低速条件ではトラップのタイミングがボールの到達よりも早く、高速条件では遅いことが示された。なお、ボールトラップの成功率にはブロック間で有意な差はみられなかった。これらの結果から、相対的に遅い速度のボールに対してタイミングを合わせるのが難しいことが考えられ、ブラインドサッカー非熟練者は聴覚情報を用いて変化するボールの位置を把握しタイミングを合わせることができていないことが示唆された。以上のことから、ブラインドサッカーにおいてボールをトラップする上では、ボールの軌道予測に加えて、ボール速度に対応したタイミング一致が重要であることが考えられた。研究2年度目は、初年度に構築した聴覚刺激に対する反応時間を測定した実験環境を拡張し、実際にボールを扱う場面での行動制御を検討するための環境を設定して実験を行い、当初の計画通りデータを取得することができた。また、実際のスポーツで用いられるフィールドを用いた集団での状況判断や意思決定に用いられる声の情報について検討する実験を行い、データを取得し分析を行うことができた。現段階では、取得したデータのうち一部の分析が残っており、引き続き分析を継続していく必要がある。次年度は、これまでに実験室で得られた研究結果をふまえ、体育館または屋外のフィールドにおいて実験を行う予定をしている。具体的には、実際のブラインドサッカーで用いるボールを扱う運動課題を設定し、巧みで優れた運動を行う上で、音や声などの情報がどのように寄与しているかについて検討を行う。これらの実験を通して、より発展的かつ応用的な知見を得ることを目的として、次年度以降の研究を遂行していく予定である。次年度は、実験室において得られたボールを扱う運動課題における研究結果をふまえ、対人や集団で視覚情報を用いずにボールを扱うパスの学習課題を設定し、運動を学習していく過程において用いられる音や声の情報について、動きのデータとの関係を含めて検討を行う。また、ブラインドサッカーだけではなく、スポーツの場面において集団で意思決定を行う際に用いる声の情報についても検討を行い、研究成果を発表していくことを計画している。
ラッフル膜形成に関わるWAVEの機能制御機構の解析

WAVE2に特異的に結合する因子として見付けたIRSp53の結合蛋白解析を行った。Sラベルした細胞溶解物を用いた解析からいくつかの結合蛋白の存在が示唆されていたが、その解析をスケールアップして質量分析によって主要な結合蛋白を同定した。NIH3T3細胞溶解物からはEps8と呼ばれる蛋白が同定された。これは細胞内においてAbil、Sos、PI3キナーゼなどと複合体を作り、WAVEファミリーの上流に位置するRacを活性化することが報告されている。IRSp53とEps8を共発現すると、Racの活性化が顕著に促進された。つまり、IRSp53はEps8と結合することによってRacを制御する機能も持っていることが明らかとなった。IRSp53がRacの直接の下流にも位置することを考えると、Racの機能制御において自己促進的なフィードバックループが存在していることを示唆しており、非常に興味深い。また、上述したIRSp53の結合蛋白解析でNIH3T3やN1E-115細胞溶解物から最も主要なものとして約120kDa、60kDaの蛋白が見付かっていたが、これらはSF3a複合体の2つのサブユニットであった。SF3a複合体はRNAスプライシング反応に関わる蛋白複合体であり、その3つのサブユニットSF3a60、SF3a66、SF3a120はそれぞれ酵母から保存されている。IRSp53は神経芽細胞腫に発現させると神経突起形成などの顕著な形態変化を誘導する。SF3a複合体の各サブユニットを発現させたところ、SF3a120は予想通りに核内に集積したが、SF3a60とSF3a66は細胞質に存在した。しかも、SF3a66の発現はIRSp53と同様の神経突起形成などの形態変化を誘導し、内在性のSF3a66が細胞質に存在することを示す免疫染色データも得られている。つまり、従来核内でのRNAスプライシング反応に(のみ)関わると考えられてきたSF3a複合体が、全く異なる細胞機能に関与している可能性が示唆された。私はWAVEに結合する蛋白としてIRSp53を同定した。IRSp53にはC末部にSH3ドメインが一つあり、その部分でWAVEに結合することを見付けた。またN末の部分では活性化したRacに結合し、Rac/IRSp53/VAVEの蛋白複合体を作ることを見付けた。しかし、全長のIRSp53のみをRacと混合しただけではRacとの結合は非常に弱く、IRSp53のRacへの結合性は何らかのメカニズムで制御されている可能性が出てきた。実際、IRSp53を短く分割したコンストラクトを作製すると、N末の部分でのRacへの結合性は全長の場合と比較して顕著に強いことが分かった。興味深いことに全長のIRSp53にWAVEを結合させた状態でRacとの結合性を調べると、IRSp53単独の状態と比較してRacへの結合性が増強されていた。IRSp53はRacに結合する部分を含むN末部が折り畳まれた分子内結合をしていることが他グループから報告されているが、私はWAVEの蛋白を加えることによってその分子内結合を解除できることを示し、IRSp53はWAVEと複合体を作ることによってRacへの結合性が制御されていることを突き止めた。また、IRSp53を神経系の培養細胞株であるN1E-115細胞に強制発現すると、細胞の基質への結合性が増して細胞が平坦化することも見付けた。一部の細胞では神経突起形成も起こっていた。WAVEに結合するSH3ドメインを欠失させた変異体型1RSp53にはこのような作用はなく、この細胞形態変化においてIRSp53/VAVEが重要な働きをしている可能性が示唆された。WAVEはWASPファミリーの一員であり、そのファミリー共通の機能としてArp2/3複合体を活性化することによるアクチン重合の誘導がある。そこで、Arp2/3複合体の機能を阻害するため、WASPファミリー中で最も強いArp2/3複合体結合能を持つN-WASPのCAドメイン(Arp2/3複合体結合ドメイン)を発現したところ、IRSp53によって誘導される細胞形態変化は阻害された。つまりIRSp53による細胞形態変化には、そのSH3ドメイン結合蛋白であるWAVEを介したArp2/3複合体活性化が重要であることを支持するデータが得られた。しかしながらCAドメインによる阻害効果は完全ではなく部分的であり、しかもIRSp53のSH3ドメインにはWAVE以外のいくつかの結合蛋白が知られていることから、IRSp53にはWAVE以外の標的蛋白が存在するらしいことも示唆されたWAVE2に特異的に結合する因子として見付けたIRSp53の結合蛋白解析を行った。