hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
脳内生理活性物質を中心とした胎児(仔)behaviorの生理学的・生化学的研究

以上よる,低酸素状態による胎児(仔)行動の解離現象(dissociation)には呼吸様運動の抑制が大きく関与し,この呼吸様運動の抑制には低酸素負荷によって増加するAVPが関与している可能性のあることがわかった。慢性羊実験モデルを利用し、生理学的、生化学的な面より胎児中枢神経統御機構と胎児行動(胎児心拍、眼球運動、呼吸様運動、胎動)について妊娠経過との関連性を検討した。まず羊慢性実験モデルを利用し長期低酸素負荷実験時の各行動様式をみると、基準心拍は低酸素負荷直後より低下し、15分後より元に戻りはじめ、約30分で投与前に復した。呼吸様運動は1時間で減少、5-6時間でコントロール値に戻った。一方、羊胎仔に低酸素状態で増加するNorepinephrine(NE)を持続注入すると直後より心拍数は低下し、10分後には元に戻り、Arginine Vasopressin(AVP)を持続注入すると呼吸様運動は抑制され、長期低酸素負荷時の胎仔行動様式と類似した。そこで中枢神経系に関与すると考えられる生理活性物質(NE,AVP,5-HTP,PGD2)の中枢(EEG)および胎仔行動との関連性について検討したところ、NEはEEG、呼吸様運動には影響を与えず、AVPはEEGには影響しないが呼吸様運動を著明に抑制した。また睡眠に関係するserotonin(5-HTP)とPGD2はともに脳波をHigh voltageに変化させるが、呼吸様運動は前者で促進、後者で抑制を示した。また羊胎仔脳内のreceptorの局在について検討したところ、AVPは視床上核、脳幹質房核、serotoninは大脳皮質、PGD2は前部視床下部、臭球にPGE2は海馬で多く認められた。ヒト胎児でも中枢神経系を反映する胎児心拍(活動期)と胎動、眼球運動が同時に出現する場合をA3,さらにこれに呼吸様運動が10%以上同時に出現する場合をA4とすると正常胎児ではA3,A4%妊娠週数との関係はそれぞれA3=3.14×週数-37.6、A4=3.35×週数-55.2と妊娠週数とともにその一致率が増加した。一方、子宮内胎児発育遅延や胎児低酸素血症をみるものではA4%の低下がみられ、呼吸様運動の抑制が特徴的となった。以上のことから胎児低酸素状態における胎児行動の解離現象の発現に生理活性物質(特にAVPによる呼吸抑制)の関与が示唆された。
神経細胞の確率的ふるまいを用いた生成的機械学習の開発と電子回路実装

本研究課題は,いわゆる人工ニューラルネットワークと比較した場合に,生体神経系が持つ特徴である確率的な振る舞い(ゆらぎや不確実性)とスパイク時刻信号について,それらを応用した機械学習アルゴリズムと実装法を研究開発することにある.数理モデルの観点からはゆらぎと恒常性の関係を明らかにするモデルの導出を達成した.学習アルゴリズムの観点からは,離散的信号を確率分布からのサンプルとみなすことで生理学的に妥当な学習アルゴリズムの開発を達成した.そして回路実装の観点からは,実用的な解像度において高い削減効率であるといわれてきた線形近似の3分の1の回路素子数(=回路面積)しか要求しない実装方法の開発に成功した.最終年度はこれらのシステムの応用に焦点を当て,深層学習システムへのゆらぎや不確実性の応用を行った.ゆらぎの応用においては,ハイパーネットという機構を用いることで,従来困難であった深層学習におけるパラメータのベイズ事後分布推定を実現できた.またニューラルネットワークによって不確実を予想する機構を盛り込むことによって,データ自体が持つ不確実に対して堅牢な異常検知が実現できた.さらには生成モデルの特性を用いることで,小規模データである脳機能画像の高性能な解析と,解釈性のある結果の提示を実現することが出来た.これによって,いわゆるブラックボックスと呼ばれるニューラルネットワークにおいて,質的に新しい解析法の基礎を確立できたと考える.これらの結果は,それぞれ査読付き英文誌および国際会議論文にまとめ出版した.本研究課題は,いわゆる人工ニューラルネットワークと比較した場合に,生体神経系が持つ特徴である確率的な振る舞いとスパイク時刻信号について,それらを応用した機械学習アルゴリズムと実装法を研究開発することにある.申請書で初年度の課題として挙げていた「確率的振る舞いを利用した機械学習システムの開発」について,数理モデル,機械学習アルゴリズム,電子回路実装の三側面から実施した.確率的振る舞いの数理モデルという観点では神経可塑性の持つゆらぎが与える影響を解析し,神経細胞の活動を保つ恒常性をある程度説明可能であることを示した.機械学習アルゴリズムの開発においては生体神経系のスパイクという離散的信号を確率分布からのサンプルとみなすことで,目的関数の勾配法によって学習可能であることを示した.導かれた学習アルゴリズムは生体神経系のダイナミクスに照らしてもっともらしく,既存のスパイク信号処理機械学習アルゴリズムと比して教師なし学習・教師あり学習の両方に適しており,学習精度においても遜色ない.アルゴリズムの実装についても,申請者らがこれまで提案してきた電子回路実装に適した神経細胞モデルを応用することで,確率分布を近似する人工ニューラルネットワークであるボルツマンマシンにおいて,既存手法に比べより集積度の高いチップの開発につながる予備的結果を得た.また以上の応用例についてもいくつか検討を行い,発表を実施した.申請書で初年度に割り当てたテーマ「確率的振る舞いを利用した機械学習システムの開発」をほぼ実施でき,次年度以降の内容を一部先取りできているため.本研究課題は,いわゆる人工ニューラルネットワークと比較した場合に,生体神経系が持つ特徴である確率的な振る舞いとスパイク時刻信号について,それらを応用した機械学習アルゴリズムと実装法を研究開発することにある.研究計画調書で二年目以降の課題として挙げていた「高集積度・低消費電力な機械学習チップの開発」について,一年目に得られた結果をもとに実際に電子回路実装に取り組んだ.いくつかの検証により,実用的な解像度においてルックアップテーブルの7分の1,高い削減効率であるといわれてきた線形近似の3分の1の回路素子数(=回路面積)しか要求しないことが確認できた.これは計画書にあった「7倍程度の高集積化」を予定通り体現できたことを意味する.また確率的挙動と非同期性によって,従来の近似法や実装法に比べて,高いモデル化性能が得られることも確認でき,確率的ふるまいの有効性を実証することができた.また「スパイクと確率的なふるまいを考慮したスパイク相関に基づく生体神経系モデル専用の機械学習」については,特に従来の研究において見過ごされがちであった時間的符号化の学習に着目した.そのアルゴリズムを,確率モデルの側面から導出することに成功し,定性的に少ないユニット数で高度な計算が行えることを実験的に示した.そのほか,人工ニューラルネットワークによる生成モデルについて,複数の応用例を検討し,それぞれについて発表を実施した.研究計画調書に記載した具体的な研究テーマである「生体神経系のスパイクと確率的なふるまいを利用した生成的機械学習システムを開発」「生体神経系モデル専用の機械学習アルゴリズムの開発」「高集積度・低消費電力な機械学習チップを開発」の3テーマについて,当初3年の結果に対して2年目終了時点でほぼ実施することができた.本研究課題は,いわゆる人工ニューラルネットワークと比較した場合に,生体神経系が持つ特徴である確率的な振る舞い(ゆらぎや不確実性)とスパイク時刻信号について,それらを応用した機械学習アルゴリズムと実装法を研究開発することにある.数理モデルの観点からはゆらぎと恒常性の関係を明らかにするモデルの導出を達成した.学習アルゴリズムの観点からは,離散的信号を確率分布からのサンプルとみなすことで生理学的に妥当な学習アルゴリズムの開発を達成した.そして回路実装の観点からは,実用的な解像度において高い削減効率であるといわれてきた線形近似の3分の1の回路素子数(=回路面積)しか要求しない実装方法の開発に成功した.最終年度はこれらのシステムの応用に焦点を当て,深層学習システムへのゆらぎや不確実性の応用を行った.ゆらぎの応用においては,ハイパーネットという機構を用いることで,従来困難であった深層学習におけるパラメータのベイズ事後分布推定を実現できた.

またニューラルネットワークによって不確実を予想する機構を盛り込むことによって,データ自体が持つ不確実に対して堅牢な異常検知が実現できた.さらには生成モデルの特性を用いることで,小規模データである脳機能画像の高性能な解析と,解釈性のある結果の提示を実現することが出来た.これによって,いわゆるブラックボックスと呼ばれるニューラルネットワークにおいて,質的に新しい解析法の基礎を確立できたと考える.これらの結果は,それぞれ査読付き英文誌および国際会議論文にまとめ出版した.初年度に得られた各成果についてさらなる結果を示し論文誌に投稿するとともに,それらを横断的にまとめることで,次年度のテーマである「確率的ふるまいとスパイクを考慮した学習アルゴリズムの開発」を実施する.研究計画調書に掲げたテーマはほぼ実施することができたが,検証がほとんどベンチマークタスクであり,大規模化や実問題への応用については未知数な部分が多いため,3年目はこの部分を重点的に行うこととする.2017年度中に採択された論文の掲載料の支払いが2018年度になったため,繰り越すことになった.
無呼吸F停止心ドナーからの多臓器提供システムの開発に関する実験的検討

本研究の目的は、呼吸停止により心停止に至ったドナー(Non-heart-beating-donor)から心臓を含む多臓器を利用するためのシステムを確立することである。具体的には、1。開胸することなくNon-heart-beating-donorから心臓を含む多臓器の再生する方法を開発すること、2。これらの臓器を摘出し、移植後慢性期までの影響を検討すること、3。摘出直前に臓器のviabilityを評価(即ち、移植後の機能の予測)できるようにすること、4。最終的には臨床応用可能な多臓器提供システムを確立することである。本年度は、開胸することなくNon-heart-beating-donorから心臓を含む多臓器(肺、肝、腎など)の再生する方法を検討した。方法:prostacyclin、verapamil、propranololの3剤を20分間前投薬した後に、ビーグル犬の呼吸を停止させ心停止とした。30分間臓器を体内で放置した後、前述3剤とFUT175を充填液内に添加した経皮的体外循環で1時間全身を再潅流し、心、肺、腎を摘出した。心、肺を各々24時間、1時間保存後同所性に、腎を3時間保存後異所性に移植した。結果:全例、ドナーの呼吸停止後心室細動を経ることなく20分以内にドナー心は停止した。心臓移植後、全例でカテコラミンを投与することなく人工心肺から離脱し、全例閉胸可能であった。移植肺の肺静脈血の酸素分圧、二酸化炭素分圧は非移植肺と同程度であった。移植腎は再潅流後すぐに尿を産生し、クレアチニンクリアランスは正常腎と同程度であった。結論:無呼吸停止心ドナーに前処置、経皮的体外循環による臓器再生を行うことにより、そnドナーから摘出した心、肺、腎が、移植後に正常と同程度の機能を示すことが確認された。この方法を用いることにより、無呼吸停止心ドナーからの臓器提供の可能性が示唆された。具体的には、1。具体的には、1。開胸することなくNon-heart-bcating-donorから心臓を含む多臓器の再生する方法を開発すること、2。摘出直前に臓器のviabilityを評価(即ち移植後の機能の予測)できるようにすること、4。

心臓移植後、全例でカテコラミンを投与することなく人工心肺から離脱し、全例閉胸可能であった。移植肺の肺静脈血の酸素分圧、二酸化炭素分圧は非移植肺と同程度であった。移植腎は再潅流後すぐに尿を産生し、クレアチニンクリアランスは正常腎と同程度であった。結論:無呼吸停止心ドナーに前処置、経皮的体外循環による臓器再生を行うことにより、そnドナーから摘出した心、肺、腎が、移植後に正常と同程度の機能を示すことが確認された。この方法を用いることにより、無呼吸停止心ドナーからの臓器提供の可能性が示唆された。本研究の目的は、呼吸停止により心停止に至ったドナー(Non-heart-beating-donor)から心臓を含む多臓器を利用するためのシステムを確立することである。具体的には、1。開胸することなくNon-heart-beating-donorから心臓を含む多臓器の再生する方法を開発すること、2。これらの臓器を摘出し、移植後慢性期までの影響を検討すること、3。摘出直前に臓器のviabilityを評価(即ち、移植後の機能の予測)できるようにすること、4。最終的には臨床応用可能な多臓器提供システムを確立することである。本年度は、開胸することなくNon-heart-beating-donorから心臓を含む多臓器(肺、肝、腎など)の再生する方法を検討した。方法:prostacyclin、verapamil、propranololの3剤を20分間前投薬した後に、ビーグル犬の呼吸を停止させ心停止とした。30分間臓器を体内で放置した後、前述3剤とFUT175を充填液内に添加した経皮的体外循環で1時間全身を再潅流し、心、肺、腎を摘出した。心、肺を各々24時間、1時間保存後同所性に、腎を3時間保存後異所性に移植した。結果:全例、ドナーの呼吸停止後心室細動を経ることなく20分以内にドナー心は停止した。結論:無呼吸停止心ドナーに前処置、経皮的体外循環による臓器再生を行うことにより、そのドナーから摘出した心、肺、腎が移植後に正常と同程度の機能を示すことが確認された。
遺伝子機能に影響を及ぼしうる一塩基多型の同定

NCBIのdbESTのEST配列とSRAのシークエンサー由来の配列(SOLiDやHiSeqなど)に対応したSNP解析パイプラインを構築した。トマト品種間でゲノムワイドなSNPを検出しSNPが遺伝子機能に及ぼす影響を推定した。タンパク質立体構造をモデリングし活性部位に位置するSNPを「機能情報をもつSNP」として推定した。病害抵抗性やストレス耐性、果実の色や芳香などに関連する原因遺伝子のうちSNPをもつものを調べた結果、糖代謝などに関連するタンパク質に「機能情報をもつSNP」が見られた。今後、公共データにおける配列データが蓄積し表現型データが充実することで育種効率が向上されることが期待される。作物の品種間の形質の違いと遺伝子型との関係を明らかにするために、本研究では、トマトを対象として品種間のSNPを検出し、それらが遺伝子機能に与える影響を調べる。そこで、NCBIのdbESTデータベースからトマトのEST配列を入手し、トマトゲノム配列SL2.40に対するマッピングにより検出されたSNPをゲノム上の位置に基づき8種類に分類する解析プログラムを作成した。現在、次世代シークエンサーにより得られたリードを用いてSNP解析を行うプログラムが整備されてきている。そこで、本年度は解析手法を見直し、マッピングにはTopHat、マップ領域の抽出にはBEDtools、SNP抽出にはSAMtoolsを用い、SNPのアノテーション(SNPの位置に基づく分類)にはSnpEffを用いた。dbESTのバージョンは195に更新し、トマト44系統、294,048本のEST配列を対象とし、TopHatによりマッピングした結果、145,880本(49.6%)がマップされ、38,684箇所のSNPが検出された。SNPの数が最も多かった品種はTA496(加工用;108,440本のうち17,654本(16.3%)がマップ)であり、次いでMicro-Tom(矮性;118,119本のうち10,034本(8.5%))であった。検出されたSNPのゲノム上の位置を元に、SnpEffを用いてエキソン、イントロン、5' UTR、3' UTR、その他に分類し、エキソン上のSNPについては同義置換(Synonym)か非同義置換(Non-synonym)かを調べた。さらに、マッピングの精度(QUAL)、厚み(DP)、リファレンス(REF)とマッピング対象(ALT)の順鎖方向と逆鎖方向の厚み(DP4)を全系統に対して集計した表を作成した。これらの一連の解析をパイプライン化することで、今後のデータ更新に対応できるようにした。作物の形質に関連が深い遺伝子を特定するために「機能情報をもつSNP」を明らかにすることを目的とする。本研究では形質が比較的詳細に調べられているトマトを対象とした。本年度、NCBIのdbESTデータベースからEST配列を入手し、トマト55系統を含む707,445本を選出し各系統に分類した。その結果、分類されたEST配列の本数は、ゲノム配列解読の対象となったHeinz 1706(303,572本(43.2%)、食用)、Micro-tom(211,799本(29.9%)、矮性トマト)、TA496(108,463本(15.3%)、加工用)、E6203(17,693本(2.5%)、加工用)、Rio Grande(10,596本(1.5%)、食用)の順で多かった。次に、これらのEST配列に対してベクターとpoly-A(T)のトリミングを行った。トリミングされた55系統のEST配列をトマトゲノム配列SL2.40に対してマッピングすることで各系統におけるSNPを検出した。当初、マッピングにはMIRA3を用いたが、9系統以上になると計算が正常に終了しないという問題点が生じたため、GS reference mapperを用いることで18,021箇所のSNPを検出した。このうち29箇所はdbSNPに登録されていたが、残り18,021箇所は新規なものであった。さらに、各SNPを遺伝子との位置関係に基づき以下のカテゴリーに分類した(括弧内はSNP数)。mSNP(Nonsynonymous;2,008)、nSNP(Nonsense;41)、sSNP(Synonymous;2,150)、duSNP(3' UTR;399)、ruSNP(5' UTR;323)、ijSNP(エキソンの上下流2Kb以内;91)、gSNP(ゲノム領域;12,020)、iSNP(イントロン;1,017)。本研究ではトマトを対象として品種間のSNPを検出し、それらが遺伝子機能に与える影響を調べ表現型との関連性を明らかにすることを目的とする。そこで、NCBIのdbESTデータベースから入手したトマト37品種のEST配列をトマトゲノム配列に対してマッピングすることでSNPを検出し、その位置に基づき遺伝子機能に及ぼす影響を調べる解析手法を確立した。表現型としては、病害抵抗性やストレス耐性、着色、矮性、果実の色・硬さ・重み、芳香成分といった既報のものを対象とした。その結果、EST配列では本数が少ないため十分な精度が得られないこと、ゲノムワイドなSNPが得られないこと、品種によってEST配列の本数が異なるため全ての品種における特定の箇所の塩基置換を比較することができないことが問題点として挙げられた。本年度はゲノムワイドなSNPを得るためにNCBIのSRAデータベースで公開されている新型シークエンサーのデータを用いることにした。

AB社製SOLiDのゲノム由来の配列データに対するマッピングにはLifeScope、SNP検出にはVarScan、SNPアノテーションにはSnpEffを用いた解析パイプラインを構築した。SOLiDにより得られたトマト6品種のゲノム由来の配列データに対して解析した結果、リードのマップ率は75.077.9%、リファレンス上のカバー率は92.793.4%であったが、リードの厚みが8.517.3となり精度上、十分な量では無かった。しかしながら78のうち72の原因遺伝子において品種間のSNPが検出され、そのうち32については非同義置換であった。さらに、イルミナ社製HiSeqにより得られた配列データに対応した解析パイプラインを構築した。これにより多品種間におけるゲノムワイドなSNPを調べることができるため、今後、原因遺伝子との対応関係が明らかになることが期待される。NCBIのdbESTおよびAB社製のSOLiDシークエンサーに対応させたSNP解析パイプラインをこれまでに構築したが、dbESTではゲノム全体におけるSNPの網羅性が低く、SOLiDではSRAデータベースにおける登録数が少ないという問題があったため、今年度はイルミナ社製HiSeqとMiSeqシークエンサーに対応させた。MiSeqで得られた長いリードの場合、Bowtie 2のend-to-endモードでマップすると疑陽性SNPが多い傾向が見られたため、localでマップするBWAを採用した。SNP検出手法として、SAMtoolsとVarScanの結果を比較したところ、大きな違いは見られなかったため、SAMtoolsのみを採用した。SRAデータベースに登録されているトマト2,152個のエントリーについて、XMLファイルから品種情報を自動的に抽出するスクリプトを作成したところ、1,026のエントリーから約500種の品種情報を得た。一方、表現型(形質)に関連するQTL情報とDNAマーカーは、SOL Genomics Networkから入手したが、その数は多くなかった。「機能情報をもつSNP」に必要なタンパク質立体構造の登録状況をPDBで確認したところ、植物で最もエントリーの数が多いものはシロイヌナズナの878個であり、トマトについては41個のみであった。このため、ホモロジーモデリングにより立体構造情報を構築した。今後は、表現型やQTL情報、立体構造に関する情報を充実させることが重要である。これにより表現型に関わる原因遺伝子が明らかにされ、優良形質の選抜や品種識別の効率が上がることで育種効率が向上することが期待される。NCBIのdbESTのEST配列とSRAのシークエンサー由来の配列(SOLiDやHiSeqなど)に対応したSNP解析パイプラインを構築した。トマト品種間でゲノムワイドなSNPを検出しSNPが遺伝子機能に及ぼす影響を推定した。タンパク質立体構造をモデリングし活性部位に位置するSNPを「機能情報をもつSNP」として推定した。病害抵抗性やストレス耐性、果実の色や芳香などに関連する原因遺伝子のうちSNPをもつものを調べた結果、糖代謝などに関連するタンパク質に「機能情報をもつSNP」が見られた。今後、公共データにおける配列データが蓄積し表現型データが充実することで育種効率が向上されることが期待される。
脳モデルに基づいた行為・認知のための階層性の構成に関する研究

本研究の目的は高次認知における合成性(compositionality)を可能とする脳内メカニズムの理解を深めることである。認知科学における合成性とは、ある全体は再利用可能な部分の組み合わせから構成可能であることを示す。例えば、複雑なゴール指向の行為を生成する場合、その行為の全体はよく利用される運動単位の順序組み合わせから再構成可能であるといったArbibのモータ・スキーマ理論は、行為における合成性を表している。このような合成性は従来の認知科学においては、記号表現とその操作により実現可能と考えられてきたが、我々はそれはセンソリ・モータレベルでの蓄積的な学習に伴い自己組織化される神経回路内部での分散的な神経活動ダイナミクスにて実現可能であろうと考えてきた。以前の研究では、複数の運動単位に対応するセンソリ・モータパターンがどのようにして一つの神経回路上に分散的に学習獲得可能かという問題について検討を行った。本研究では、その結果に基づき、学習獲得された運動単位はどのような神経メカニズムによって時間方向に組み合わされ、要求される行為全体が構成されうるのかについて研究を行った。本研究の成果として、時定数の異なる部分ネットワークから構成される神経回路モデルを提案し、そのモデルを適用したロボット実験の結果から、ネットワークの内部に時定数の違いを利用することにより、機能的階層性が自己組織化されることを示した。より具体的には、時定数の速い部分ネットワークには複数の運動単位が埋め込み学習され、時定数の遅い部分ネットワークには、各ゴール達成のための運動単位の組み合わせ時系列パターンが複数学習されることが示された。本研究では、神経回路モデルに様々な行為を学習させることで、一つの神経回路の中に階層性が生まれ、行為生成の基本となる運動スキーマを学習する部分と、それらの組み合わせを制御する部分とに役割が分かれることを示した。ここで特に、適切な階層性を自己組織化させるためには、神経回路モデル内の各ニューロンの時定数の違いが重要な役割を果たしていることを明らかにした。また、行為を生成する前に神経回路モデル内の数個のニューロンの発火状態(初期値)を制御することで、その後に生成される運動スキーマの組み合わせパターンを制御できることが分かった。さらに、モデル内の組み合わせを制御する部分を、カオス的な振る舞いをする神経回路に置き換え、これにより多様な運動スキーマの組み合わせを生成出来るかどうか検討を行った。つまり、学習していない行為であっても、カオスの持つ初期値敏感性を利用することで、経験した事のある運動スキーマの組み合わせとして多様な行為を生成する事が出来るかどうかを確認した。具体的には、この新たなモデルをロボットに実装して実験を行った。その結果、ロボットは経験した事のある運動スキーマを利用することで、様々な行為を生成する事が出来た。さらに、ロボットが経験した事のない目標志向行動を行うように指示された場合、様々な行為の中から、与えられた新奇な目標状態にたどり着くための行為を探し出し、行動計画を行うことが出来た。
マウス体節パターン形成におけるNotchリガンドDll1,Dll3の機能的差異

NotchリガンドDll1とDll3の遺伝子を置換し、Dll1の代わりにDll3を発現するノックインマウスを作製し、体節形成及び分子時計に対する影響を解析した結果、Dll3はNotchリガンドとしては機能せず抑制的な調節因子として働くことが示唆された。またこのノックインマウスではNotchシグナルの振動がないにも関わらず脊椎骨の椎体が分節していたことから、Notchシグナルとは異なる機構の関与が予測された。脊椎動物の体節の規則正しい繰り返しパターンは、体節を形成する未分節中胚葉に内在する分子時計に依存している。分子時計にはNotchシグナリングが関わっている。マウス胚の未分節中胚葉には、Delta-like1 (Dll1), Delta-like3 (Dll3)の2種類のNotchリガンドが発現しているが、それらの機能的な差異についてはほとんどわかっていない。マウスでは遺伝子ターゲティングによるノックアウトマウスの解析から、Dll1とDll3は異なる機能をもつことが示唆されている。そこで、我々はマウス胚において、Dll1とDll3の遺伝子を置換し、Dll1の代わりにDll3を発現するノックインマウスを作製し、体節形成及び分子時計の振動を含む遺伝子発現パターンに対する影響を解析した。その結果、Dll3ノックインマウスのホモ胚では分子時計の振動および体節形成は回復しないことから、体節形成においてDll3はDll1の機能を代替しないことがわかった。また、Dll3を過剰に発現するヘテロ胚では、体節形成はほとんど正常にみえるが、骨格標本を詳細に観察した結果、頸椎の神経弓が部分的に欠損していることがわかった。さらに頸椎領域の体節において、神経弓の形成を指定するホメオボックス遺伝子Uncx4.1の発現が低下していることがわかった。Uncx4.1の発現はNotchシグナリングの下流にあると考えられることから、この結果は生化学的研究で提唱されたようにDll3はむしろNotchシグナリングの負の制御因子として働いている可能性を示唆するものである。またこのDll3ノックインマウスのホモ胚では、Dll1ノックアウトマウスと同様に体節形成は起こらないが、脊椎骨のうち椎体部分には分節化がみられることから、椎体の分節化にはNotchシグナリングの振動による周期性とは別のメカニズムが関与していると考えられた。マウス胚の未分節中胚葉には、Delta-like1(Dll1),Delta-like3(Dll3)の2種類のNotchリガンドが発現しているが、それらの機能的な差異についてはほとんどわかっていない。そこで体節が形成されないDll1ノックアウトマウスとMesp2ノックアウトマウスにおいて、椎体の分節化はどのように生じているのか解析するため、新たに体節後半部の発生運命を追跡するUncx4.1-LacZトランスジェニックマウスを用いた解析を開始した。体節が形成されないD111ノックアウトマウスとMesp2ノックアウトマウスにおいて、椎体の分節化はどのように生じているのか解析するため、新たに体節後半部の発生運命を追跡するUncx4.1-LacZトランスジェニックマウスを用いた解析を開始した。脊椎動物のうち羊膜類で体節から脊椎骨の椎体が生じる際には、1個の体節の後半部が次の体節の前半部と結合する再分節化という過程を経る。ニワトリ胚では再分節化の過程が移植実験によって実証されているが、マウス胚では古典的な記載しかなされていない。マウス胚における再分節化の過程を明らかにするため、まず野生型のUncx4.1-LacZトランスジェニックマウスにおいて脊椎骨の形成過程を観察した。その結果、体節後半部の細胞から椎間板と椎体の前半部が生じることが確認された。また脊椎骨の各領域(頸椎、胸椎、腰椎、仙椎、尾椎)において、脊椎骨形成の様式は少しずつ異なっていた。

次にMesp2ノックアウトマウスのバックグラウンドでは、体節中胚葉全体がUncx4.1-LacZを発現しβガラクトシダーゼ染色されたが、脊椎骨のうち神経弓は顕著に癒合していたのに対して、椎間板と椎体の交互の分節構造は形成された。Mesp2ノックアウトマウスでは、後方化した体節中胚葉から椎間板と椎体の両方が形成されていた。これらの観察結果から、体節の分節化と前後パターンの形成は、椎間板と椎体の繰り返しパターン形成に必須ではなく、その規則性に必要であると考えられた。
ヘルペスウイルスをベクターとする牛クリプトスポリジウム感染症ワクチン開発の研究

本研究では牛クリプトスポリジウム感染症のワクチンを開発するために、クリプトスポリジウム原虫の感染防御抗原遺伝子のクローニングと組換えウイルスによる発現及びその感染防御免疫誘導効果などを検討した。1)クリプトスポリジウム原虫の感染防御抗原をコードする遺伝子のクローニング日本で牛から分離されたクリプトスポリジウム(水戸株)より虫体ゲノムDNAを抽出し、PCR法にて本原虫の主要抗原P15とP23遺伝子をクローニングした。クローニングした遺伝子の全塩基配列を解読したところ、水戸株のP15とP23の塩基配列は公表されているkus-1株(米国分離株)の塩基配列とそれぞれ100%と99%一致していることが明らかになった。2)クリプトスポリジウム原虫の感染防御抗原遺伝子を発現する組換えウイルスの構築P15とP23遺伝子を発現する組換えワクシニアウイルス、P23遺伝子を発現する組換えウシヘルペスウイルス及びオーエスキー病ウイルスを作製した。これらの組換えウイルスにより発現されたP15とP23タンパク質の分子量と抗原性などは天然型タンパク質に類似していることが明らかになった。3)組換えウイルスの免疫誘導能の検討P15とP23遺伝子を発現する組換えウイルスをマウス或いはウサギに接種したところ、クリプトスポリジウム原虫に対する特異抗体の上昇が確認された。今後、これらの試作ワクチンの牛におけるクリプトスポリジウム原虫感染防御効果などを検討して行く予定である。クリプトスポリジウムは人や牛など数多くの動物の消化管に寄生する人獣共通感染症の病原性原虫である。感染した人や動物の糞便には、丈夫な膜に包まれたオーシストと呼ばれる虫体が多数排出される。このオーシストは塩素など通常の消毒では死なないため、一旦水源を汚染すると人の集団感染を引き起こす恐れがある。本原虫による水源の汚染源は主に牛の排泄物とされている。近年日本各地で牛クリプトスポリジウム感染症の散発的発生例が報告されており、河川への汚染が非常に危惧されている。したがって、牛クリプトスポリジウム感染症を制圧することは公衆衛生上の重大な課題となっている。本研究はヘルペスウイルスをベクターとする牛クリプトスポリジウム感染症のワクチンを開発し、牛での本感染症を予防することにより、水道水の水源汚染を防ぐことを最終目的とするが、本年度にはCryptosporidium parvum(C.parvum)主要免疫原性タンパク質P15遺伝子のクローニングと発現を検討した。C.parvum水戸株を子牛に経口投与して感染させ、糞便中に排出されたオーシストを回収した。エーテル抽出法によりオーシストを精製し、虫体ゲノムDNAを抽出した。このDNAを鋳型としてPCRを行い、増幅されてP15遺伝子(ORF)を精製し、pUC19ベクターにクローニングした。クローニングしたP15遺伝子の全塩基配列を解読したところ、水戸株のP15遺伝子配列が公表されているkus-1株の塩基配列と100%一致していることが明らかになった。次に、pGEMEX2ベクターを用いてP15を大腸菌で発現させた。この発現産物をマウスに免疫して得た抗血清はC.parvum虫体と特異的に反応することが蛍光抗体法で確認された。

したがって、牛クリプトスポリジウム感染症を制圧することは公衆衛生上の重大な課題となっている。本研究はヘルペスウイルスをベクターとする牛クリプトスポリジウム感染症のワクチンを開発し、牛での本感染症を予防することにより、水道水の水源汚染を防ぐことを最終目的とするが、本年度にはCryptosporidium parvum(C.parvum)主要免疫原生タンパク質P23遺伝子のクローニングと発現を検討した。C.parvum水戸株を子牛に経口投与して感染させ、糞便中に排出されたオーシストを回収した。エーテル抽出法によりオーシストを精製し、虫体ゲノムDNAを抽出した。このDNAを鋳型としてPCRを行い、増幅されたP23遺伝子(ORF)を精製し、pUC19ベクターにクローニングした。クローニングしたP23遺伝子の全塩基配列を解読したところ、水戸株のP23遺伝子配列が公表されているkus-1株の塩基配列と99%一致していることが明らかになった。次に、組換えワクシニアウイルスによりP23遺伝子を発現させた。組換えP23タンパク質はC.parvum由来のP23タンパク質に類似いていることが明らかになった。クリプトスポリジウムは人や牛など数多くの動物の消化管に寄生する人獣共通感染症の病原性原虫である。感染した人や動物の糞便には、丈夫な膜に包まれたオーシストと呼ばれる虫体が多数排出される。このオーシストは塩素など通常の消毒では死なないため、一旦水源を汚染すると人の集団感染を引き起こす恐れがある。本原虫による水源の汚染源は主に牛の排泄物とされている。近年日本各地で牛クリプトスポリジウム感染症の散発的発生例が報告されており、河川への汚染が非常に危惧されている。そこで、本研究はヘルペスウイルスをベクターとする牛クリプトスポリジウム感染症のワクチンを開発し、牛での本感染症を予防することにより、水道水の水源汚染を防ぐことを目的にして進めてきた。本年度にはCryptosporidium parvum(C.parvum)主要免疫原性タンパク質P23遺伝子を牛ヘルペスウイルス1型ベクターのTK領域に挿入し、組み換えウイルスBHV/P23を構築した。BHV/P23により発現された組み換えP23タンパク質は虫体由来のものと類似した抗原性を有していることが確認された。また、BHV/P23をウサギに接種したところ、C.parvum特異の抗体産生が認められた。今後、BHV/P23の牛でのC.parvum感染防御効果が有望視される。
バイオハイブリッドロボティクス創成に向けた3次元細胞アセンブリと筋組織形成

生体と機械の融合による新た機械システム(バイオハイブリッドデバイス)の創成において,細胞を微小構造体上へ3次元的に配置する技術の開発が求められている.本研究では,磁気アルキメデス効果と呼ばれる磁性の相対性を利用し,細胞を磁場により3次元的にアセンブリする技術を確立した.特に,心筋細胞を用いて,収縮能を持った微小な心筋組織を微小構造体に直接構築することに成功した.近年,従来の物理法則を利用したマイクロアクチュエータやセンサではなく,細胞や生体組織を機械部品として活用しようというバイオハイブリッドデバイスに関する研究が注目を集めている.しかし,これらのバイオハイブリッドデバイスにおいて,機械部品と比べ繊細な生体組織や細胞にダメージを与えることなく,所望の位置へ所望の数の筋細胞をアセンブリする技術は確立されていない.そこで,本研究では,申請者の提案する超高速磁気細胞アセンブリ法を用いて,マウス筋芽細胞およびiPS細胞等をマイクロ構造体へ3次元的にアセンブリし,マイクロ構造体上で筋組織へと分化させることで,自律的に移動するマイクロロボットを実証することを目的としている.本年度は,まず,細胞を標識すること無く任意形状の3次元組織を任意の位置に形成する電磁石システムの開発に向けて,有限要素法ベースの電磁場解析を行いその仕様を決定した.また,静磁場を用いた3次元アセンブリについても磁場解析を行ったうえで,蛍光ビーズを用いて実験を行った.特に,ネオジム磁石と鉄板を積層することで,高さ方向へ強い磁力を発生させることができ,細胞を浮遊させることができることを見いだした.さらに,磁力と重力のバランスを取ることで,その凝集位置を平面方向だけで無く,3次元的に制御できることにも成功した.また,蛍光ビーズだけではなく,マウス筋芽細胞を用いて,2本のマイクロピラー間を細胞で橋渡しすることにも成功した.本研究では,細胞や生体組織を機械部品として活用するバイオハイブリッドデバイスの創成に向けて,細胞のアセンブリ技術の開発を行っている.申請者の提案する高速磁気細胞アセンブリ法を用いて,繊細な生体組織や細胞にダメージを与えることなく,所望の位置へ所望の数の筋細胞をアセンブリする技術の確立を目指す.本年度は,マイクロピラー間にアセンブリした筋芽細胞凝集体の長期間維持および電磁石による凝集体の位置制御について研究を行った.まず,ネオジム磁石を使った高速磁気細胞アセンブリ法によりチャンバー底面に設置した2本のマイクロピラー間に橋渡しする形で,細胞アセンブリし,細胞凝集体を形成した.そしてこの凝集体の維持と筋組織への分化に向けて,2台の小型のペリスタポンプを使って培地を連続的に,新しい培養液を供給しつつチャンバー内の培養液を排出するシステムを構築した.このシステムにより,アセンブリ時は磁性化合物を含む常磁性培地で培養し,アセンブリ後細胞の増殖を促す成長培地(牛胎児血清含有)へと交換した.そして,最終的には筋芽細胞の分化誘導を促す分化培地(馬血清含有)へと交換した.これにより,3週間以上細胞凝集体をマイクロピラー間に接着させたまま維持することに成功した.次に,スフェロイド(細胞凝集体)を任意の位置に設置するために,電磁石デバイスを用いてスフェロイドの位置制御の例として,円運動を実証した.まず,3次元電磁場解析を行い,電磁石デバイスの4つのコイルに供給する電流を変化させた場合の磁束密度および磁力の分布を求めた.そして,各コイルに90度ずつ位相をずらした正弦波を入力することで,スフェロイドを円運動させることが可能であることを確認した.次に,直径200μmのスフェロイドを作製し,解析結果通り,スフェロイドを円運動させることに成功した.当初の予定通り,筋細胞凝集体をマイクロピラー間に接着させたまま長期間維持することおよび,電磁石を用いることで,細胞凝集体の操作の例として円運動に成功した.本研究では,細胞や生体組織を機械部品として活用するバイオハイブリッドデバイスの創成に向けて,細胞のアセンブリ技術の開発を行っている.研究代表者の提案する高速磁気細胞アセンブリ法を用いて,繊細な生体組織や細胞にダメージを与えることなく,所望の位置へ所望の数の筋細胞をアセンブリする技術の確立を目指す.H28年度は,バイオハイブリッドデバイスの一例として,これまでに確立した疑似反磁性細胞アセンブリと灌流培養法を組み合わせることで,心筋細胞によるマイクロピラー駆動を実証した.まず,疑似反磁性細胞アセンブリとネオジム磁石とSUS430プレートを組み合わせた磁石アレイにより,チャンバー底面に設置した2本のマイクロピラー間に橋渡しする形で,新生児ラットより摘出した心筋細胞をアセンブリし細胞凝集体を形成した.そして,そのままこれまでに確立した灌流培養法により数日培養することで,自律的に拍動する心筋組織を微小構造体上に直接形成することに成功し,心筋組織の収縮によりマイクロピラーが変位することを確認した.次に,この心筋組織に各周波数の電気パルス刺激を行い,筋組織の力学的特性をピラーの変位に基づき評価した.骨格筋組織では刺激周波数がだいたい5 Hzを越えると強縮する様子が見られるが、心筋組織であるため強縮はせずに,最大5Hz程度の単収縮を行った.また、構築した心筋組織をαアクチニンおよびDAPIで染色し,心筋組織が構築されていることを確認した.H27年度に確立した疑似反磁性細胞アセンブリと灌流培養法を応用し,バイオハイブリッドデバイスの一例として,疑似反磁性アセンブリによりマイクロピラー間に収縮能を持った筋組織を構築することに成功した.

さらに,この筋組織の収縮によるマイクロピラーの変形に基づき,収縮特性を評価を行うに至った.本研究では,細胞や生体組織を機械部品として活用するバイオハイブリッドデバイスの創成に向けて,細胞のアセンブリ技術の開発を行っている.研究代表者の提案する高速磁気細胞アセンブリ法を用いて,繊細な生体組織や細胞にダメージを与えることなく,所望の位置へ所望の数の筋細胞をアセンブリする技術の確立を目指す.本年度は,昨年度の後半に行った疑似反磁性細胞アセンブリと灌流培養法を組み合わせた心筋細胞によるマイクロピラー駆動実験を再度行い,電気パルス刺激へ応答と筋組織の力学的特性をピラーの変位に基づきより詳細に評価した.生体と機械の融合による新た機械システム(バイオハイブリッドデバイス)の創成において,細胞を微小構造体上へ3次元的に配置する技術の開発が求められている.本研究では,磁気アルキメデス効果と呼ばれる磁性の相対性を利用し,細胞を磁場により3次元的にアセンブリする技術を確立した.特に,心筋細胞を用いて,収縮能を持った微小な心筋組織を微小構造体に直接構築することに成功した.昨年度,代表者の所属機関の異動があったため,磁場解析による電磁石デバイスについては設計にとどまったが,静磁場を用いたマイクロ構造体への細胞アセンブリについては,当初の予定を上回り,凝集位置の制御のみならず,マイクロピラー間への細胞による橋渡しまで成功している.H27年度の確立した方法により,マイクロピラー間に収縮能を持った筋組織を構築し,その力学評価を行う.また,筋芽細胞からだけではなく,幹細胞からの筋組織構築についても検討したい.まず,構築した心筋組織のより詳細な力学的特性の評価を行う.さらに,複数のマイクロピラーへの同時アセンブリすることでデバイスのアレイ状での構築など,より複雑なバイオハイブリッドデバイスの実証に向けて研究を進めて行きたい.29年度が最終年度であるため、記入しない。ナノマイクロシステムまず,昨年度設計した電磁石デバイスを完成させるともに,細胞凝集位置の制御について検討する.また,静磁場を用いた実験については,アセンブリした筋細胞を筋組織へと分化し,その駆動を実証するとともに,幹細胞を用いた実験についても検討を始めたい.当初,任意の位置に細胞アセンブリするためには,任意の強さの磁場を発生させる必要があり,そのために電磁石デバイスを新たに設計製作する予定であった.しかし,磁場解析の結果,永久磁石を自動ステージにより走査することで,より容易に当初の目的が達成可能であることが分かった.そこで,電磁石デバイスは新規作製を取りやめることとしため,次年度使用額が生じた.筋組織構築に当初の想定以上の時間を要したため,次年度以降も再現性のある実験データ取得に向け,研究を継続するため.29年度が最終年度であるため、記入しない。昨年度,代表者の所属機関の異動があったため,磁場解析による電磁石デバイスについては設計にとどめ,本年度実行予定であったマイクロ構造体への細胞アセンブリについての実験および検討を繰り上げて行った.そのため,電磁石デバイス作製費分を繰り越すこととなった.電磁石デバイスの作製を取りやめる一方で,作製した筋組織の評価にあたって,アセンブリから分化培養の間,常時組織の状態をモニタリングする必要がある.そのため,H28年度請求額と合わせて,専用の観察系を構築するための顕微鏡を購入する.
プロセスミネラロジーに基づいたスラグからのマグネタイト回収プロセスの構築

銅製錬スラグの新たな用途開発の1つとして,スラグを徐冷し、マグネタイトを析出、結晶化させ、物理選別により分離濃縮するプロセスの構築を目指した。多くの有用金属のキャリアとしても期待されるマグネタイトに着目し,徐冷や温度保持などのプロセス条件が析出するマグネタイトの生成量およびグレインサイズに及ぼす影響を、自作した模擬スラグおよび実スラグの双方を用いて系統的に把握した。冷却速度を3 K/minまで緩やかにすることによって、物理選別の適用が可能なグレインサイズが得られることが確認され、粉砕および高勾配湿式磁選によって、銅が混入せず一般的な鉄鉱石と同等な鉄品位の磁着産物を得られることを確認した。初年度は,他元素が寄与しないように模擬スラグを用いて種々の検討を行った。スラグの基本組成であるFeO品位65 %,SiO2品位35 %となるように,特級試薬のSiO2,電解Fe粉,Fe2O3を混合したものをアルミナるつぼ中で1300 °C,1時間,Ar雰囲気下で電気炉を用いて溶解し,水砕処理したものを模擬スラグとした。模擬スラグに対して,マグネタイト生成に対する生成量,結晶性,グレインサイズといった鉱物学的特性に対する温度履歴の影響を,MLA(Mineral liberation analysis)とXRDを用いて系統的に調査した。模擬スラグを1300 °Cで1時間溶融させた後に冷却速度を自然放冷(約16 °C/min),10 °C/min,3 °C/minと1 °C/minとして徐冷実験を行った。結果として,1 °C/minの条件にてマグネタイトの析出量,グレインサイズが共に最大となった。次に,温度保持を行うことでさらなるマグネタイトの結晶成長促進を試みた。最適保持温度を検討するため冷却速度は3 °C/minで一定とし1300 °Cで模擬スラグを1時間溶解させた後に1050 °C,1100 °C,1150 °C,1200 °Cにそれぞれ徐冷してから1時間温度保持させ,再度徐冷を行った。1100 °Cにおいて温度保持を行った条件がマグネタイトのグレインサイズが最大となった。最後に,最適保持時間を検討するため1100 °Cにおいて1時間および3時間温度保持を行い,冷却速度は3 °C/minおよび1 °C/minで徐冷を行った。マグネタイトのグレインサイズは1時間温度保持を行った条件が増加し,3時間温度保持を行った場合減少する傾向が確認された。また,マグネタイトの析出量はどの条件においても変化がなく,保持時間に依存しないことが確認された。初年度は模擬スラグに対して、温度履歴がマグネタイト生成量およびそのグレインサイズに及ぼす影響を系統的に調査する予定であったが、系統的な実験的検討は全て終了し、徐冷がマグネタイト生成量の増加およびそのグレインサイズの増大に効果的であること、ある程度の温度保持がグレインサイズの増加に効果的であることを定量的に明らかにすることができた。また、これらの検討を行うためのMLAを中心とした一連の固体分析方法についても確立することができた。本年度は,昨年度対象とした模擬スラグと同様に,実スラグまたは実スラグ組成に近い模擬スラグを対象としてマグネタイト生成における生成量,結晶性,グレインサイズといった鉱物学的性質に対する温度履歴の影響を評価した。実スラグを1300 °Cで1時間溶融させた後に,冷却速度を自然放冷(約16 °C/min),10 °C/min,3 °C/minと1 °C/minとして徐冷実験を行った。模擬スラグと同様に1 °C/minの条件にてマグネタイトの析出量とグレインサイズが最大になる傾向が確認された。しかし,実スラグは微量元素を多く含むため,析出量とグレインサイズは模擬スラグの結果に及ばなかった。次に,模擬スラグを用いて共存元素がマグネタイト析出に及ぼす影響を系統的に評価した。主に銅製錬スラグに含有している元素であるZn,Ti,Mg,Caについて検討し,共存元素の重量割合が5 %になるように模擬スラグに添加し,1300 °Cで1時間溶融させた後に3 °C/minで冷却した。ZnとTiはマグネタイトに固溶したため,グレインサイズは何も添加しない模擬スラグを徐冷した際よりも小さくなることが確認された。また,CaとMgはマグネタイトに固溶せず,Caを添加した場合ではマグネタイトの結晶成長を促進したことが確認されたが,これはスラグの流動性が向上したためではないかと推察される。最後に,磁選を用いたマグネタイト回収を試みた。3 °C/minで徐冷した実スラグ全体を20 μm以下になるように振動ミルで粉砕し,磁束密度を1000 Gとして高勾配湿式磁選を行った。また,1度の磁選では銅の目的品位である0.3 %以下が達成されなかったため多段磁選を行った。結果として,2段目の磁選で磁着物中の銅品位が0.3 %以下を達成し,マグネタイトの品位が50.1 %となり電炉での製鉄原料として用いることができることが示唆された。

銅製錬スラグの新たな用途開発の1つとして,スラグを徐冷し、マグネタイトを析出、結晶化させ、物理選別により分離濃縮するプロセスの構築を目指した。多くの有用金属のキャリアとしても期待されるマグネタイトに着目し,徐冷や温度保持などのプロセス条件が析出するマグネタイトの生成量およびグレインサイズに及ぼす影響を、自作した模擬スラグおよび実スラグの双方を用いて系統的に把握した。冷却速度を3 K/minまで緩やかにすることによって、物理選別の適用が可能なグレインサイズが得られることが確認され、粉砕および高勾配湿式磁選によって、銅が混入せず一般的な鉄鉱石と同等な鉄品位の磁着産物を得られることを確認した。今年度模擬スラグに対して明らかとなった条件を元に、種々の共存元素が存在する実スラグに対して同様の系統的な調査を行う予定である。実スラグに対しても、加温・徐冷処理の後に磁選による固固分離を実施する予定であり、例えばスラグ中のマグネタイトを鉄源として回収する際に忌避元素となるCuなどとの分離効率についても、系統的に調査する予定である。資源循環工学差額は153円と小さく、まとめて購入したことなどによる割引相当分である。来年度の消耗品購入にあてる。
液体燃料電池用電極の分極特性とその表面解析

メタノールおよびヒドラジンを利用した液体燃料電池の負極として多孔質Raneyニッケル触媒を適用した。Raneyニッケル電極は、多孔質ニッケル板にアルミニウムを溶射した基板から作製した。このアルミニウムを溶射したニッケル板を550750°Cで処理して合金を作製し、続いてアルカリ溶液でその合金を処理してアルミニウム分を溶出させることにより多孔質ニッケル電極を活性化させた。こうして作製したRaneyニッケル電極は熱伝導、電気伝導ともに優れており、それ自身電極としての使用に耐えうる強度も持っていた。メタノール燃料電池、ヒドラジン燃料電池とも、電極の特性(分極抵抗)は合金化するときの処理温度が高いほど向上した。これは、SEM観察、BET表面積測定から活性化したニッケル粒子が増えることに起因することがわかった。X線回折測定において回折ピークが幅広く、結晶にたくさんの乱れがあることが示唆され、これはBET表面積の増加と関係づけられた。XPS測定により電極中のアルミニウムとニッケルの分布状態を調べた結果、金属ニッケル以外に電極の表面から200Å迄のところにNi_2O_3あるいはNi(OH)_2の存在が確認されたが、アルミニウムも表面から1200Åにわたってほぼ一様にAl_2O_3あるいはAl(OH)_3として分布していることがわかった。Raney触媒のNiK吸収端XANESスペクトルの形状はニッケル金属のそれとほとんど変わらないが、RaneyニッケルのEXAFSスペクトルの振動構造は急激に減衰し、解析の結果、ニッケル周りの配位数は通常のニッケル金属の12と比べ6程度に減少していることがわかった。このことは、Raneyニッケル中の残りの6つのニッケル原子は通常の位置から移動していることを示しており、X線回折の結果とも併せて、多量の欠陥が活性化したニッケル中に生成していることが考えられた。プラズマ溶射装置を用いてスポンジ状ニッケル板の両面にアルミニウムを溶射し、600750°Cで熱処理してラネ-合金を界面に作製した。次に20%KOH水溶液で合金板を展開してラネ-触媒とし、メタノールおよびヒドラジン燃料電池用電極とした。分極抵抗は合金生成温度および電解液の濃度が高いほど低く(0.50.2Ω・cm^<-2>)なり、高性能の分極特性を得た。また、ヒドラジン燃料電池の方がわずかなながら性能が良かった。この高性能の分極特性は、走査型電子顕微鏡(SEM)観察による活性層の増加、X線回折(XRD)による格子不整の増加およびBET比表面積の増大に基づくものと考えられる。板状ラネ-ニッケル触媒表面をX線電子分光法(XPS)を用いた解析した結果、表面から200Åの深さまではNi_2O_3またはNi(OH)_2が存在し、アルミニウムはAl_2O_3またはAl(OH)_3として少なくとも1200Åの深さまで均一に分布していることが分かった。また、X線吸収微細構造(XAFS)分光法を用いて表面活性層を解析した結果、ニッケルのK吸収端近傍スペクトル(XANES)では、活性を有するラネ-ニッケルは通常のニッケル金属のスペクトルと同じ位置にあるが、合金のスペクトルとは明らかに異なっていた。XAFSの解析から、通常の金属ニッケルは12配位であるのに対し、ラネ-ニッケル触媒では配位距離が同じであっても6配位となり、格子不整が多く存在していることが示唆された。これはX線回折から求めた結晶子の大きさが触媒では120250Åであることとよく一致する。

このアルミニウムを容赦したニッケル板を550750°Cで処理して合金を作製し、続いてアルカリ溶液でその合金を処理してアルミニウム分を溶出させることにより多孔質ニッケル電極を活性化させた。こうして作製したRaneyニッケル電極は熱伝導、電気伝導ともに優れており、それ自身電極としての使用に耐えうる強度も持っていた。メタノール燃料電池、ヒドラジン燃料電池とも、電極の特性(分極抵抗)は合金化するときの処理温度が高いほど向上した。これは、SEM観察、BET表面積測定から活性化したニッケル粒子が増えることに起因することがわかった。X線回折測定において回折ピークが幅広く、結晶にたくさんの乱れがあることが示唆され、これはBET表面積の増加と関係づけられた。XPS測定により電極中のアルミニウムとニッケルの分布状態を調べた結果、金属ニッケル以外に電極の表面から200Å迄のところにNi_2O_3あるいはNi(OH)_2の存在が確認されたが、アルミニウムも表面から1200Åにわたってほぼ一様にAl_2O_3あるいはAl(OH)_3として分布していることがわかった。Raney触媒のNiK吸収端XANESスペクトルの形状はニッケル金属のそれとほとんど変わらないが、RaneyニッケルのEXAFSスペクトルの振動構造は急激に減衰し、解析の結果、ニッケル周りの配位数は通常のニッケル金属の12と比べ6程度に減少していることがわかった。このことは、Raneyニッケル中の残りの6つのニッケル原子は通常の位置から移動していることを示しており、X線回折の結果とも併せて、多量の欠陥が活性化したニッケル中に生成していることが考えられた。