hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
TrabidによるLys63結合型ポリユビキチン鎖の選択的切断の構造的基盤

マウス、ゼブラフィッシュ、ハエTrabidのOTUドメインを調製したが、500種類の条件で結晶化を試みても結晶は得られなかった。一方、ユビキチンリガーゼ複合体LUBACの構成因子であるHOIL-1LのNZFドメインと直鎖状ユビキチン二量体複合体の結晶構造を決定した。得られた結晶構造とそれを元にした変異体解析結果からHOIL-1Lによる直鎖状ユビキチン鎖認識機構を解明し、その結果は学術誌PNASに掲載されたマウス、ゼブラフィッシュ、ハエTrabidのOTUドメインを調製したが、500種類の条件で結晶化を試みても結晶は得られなかった。得られた結晶構造とそれを元にした変異体解析結果からHOIL-1Lによる直鎖状ユビキチン鎖認識機構を解明し、その結果は学術誌PNASに掲載されたTRABIDによるK63結合型ポリUb鎖の認識および切断活性の機構を明らかにするため、TRABIDのOTUドメインの結晶構造解析を試みた。マウス、ゼブラフィッシュ、ショウジョウバエの3種の生物種からTRABIDの遺伝子をクローニングし、それぞれについて5種類程の発現系の構築を行った。その結果としてK63結合型ポリUb鎖特異的な切断活性を持つTRABIDのOTUドメインの大量調製に成功した。しかし、これらのサンプルについて結晶化の初期スクリーニングを行ったところ、結晶を得ることはできなかった。TRABIDのOTUドメイン単体では結晶化に適さない事がこの結果からわかったため、今後はK63結合型Ub2量体との複合体の結晶化を目指して結晶化を行う。一方、TRABID以外にも特定のポリUb鎖を特異的に認識するタンパク質は存在するため、それらについても平行して研究を行い、その結果としてHOIL-1LのNZFと直鎖状Ub2量体の複合体の結晶構造解析に成功した。HOIL-1LはHOIPとともに直鎖状Ub鎖形成複合体(LUBAC)とよばれるユビキチンリガーゼ複合体を構成する。LUBACは直鎖状Ub鎖の形成を促進することでNF-κBシグナル伝達を活性化する。これまでHOIL-1LのNZFドメインはUb鎖の選択的認識は行わないと考えられていた。しかし、今回の研究からHOIL-1LのNZFドメインは直鎖状Ub鎖と特異的に結合する事を明らかとし、さらに結晶構造からそのメカニズムも解明した。現在、その成果をまとめ論文投稿にむけ準備中である。TRABIDはK63結合型ポリユビキチン鎖を切断することでWntシグナル経路においてβカテニンと転写因子の相互作用を促進すると考えられているが、その選択的切断機構は明らかになっていない。本研究ではTRABIDによるK63結合型ポリUb鎖の認識および切断活性の機構を明らかにするため、TRABIDのOTUドメインの結晶構造解析を試みた。マウス、ゼブラフィッシュ、ショウジョウバエのTRABIDについてK63結合型ユビキチン鎖との複合体の結晶化を行ったが結晶は得られなかった。しかし今回の研究からHOIL-1LのNZFドメインは直鎖状Ub鎖と特異的に結合する事を明らかとし、さらに結晶構造からそのメカニズムも解明した。また、結晶構造情報をもとにした変異体解析の結果から、HOIL-1Lによる直鎖状ユビキチン鎖の認識がNF-κBシグナル伝達経路において重要な役割を果たすことが明らかとなった。この成果は「Proceedings of the National Academy of Sciences」に掲載された。
p38MAPKを標的にした動脈硬化性疾患に対する新規治療法の開発

p38MAPKは虚血や炎症で活性化されアポトーシスや細胞増殖に関与するが、血管新生を強力な調節因子であることから、これを直接の標的とした血管新生治療の可能性を検討した。p38MAPK活性化作用のあるアニソマイシンの血管新生への作用を検討したところ、低濃度よりin vitro管腔形成を強力に抑制したが、p38MAPK阻害剤はアニソマイシンによる管腔形成抑制作用を強力に阻害した。p38MAPK阻害剤はアニソマイシン非刺激時にも管腔形成を強力に促進したことから、in vitro管腔形成系においては定常状態から若干p38MAPKが活性化されているが、さらに虚血や炎症などのp38MAPKが活性化された状態では、p38MAPK阻害剤はより管腔形成を促進しやすいと考えられた。さらに、スタチン系製剤は低濃度でp38MAPKの活性化を抑制する作用があることから、血管内皮前駆細胞の誘導作用以外に管腔形成自体も促進する可能性が示唆された。血管新生におけるp38MAPKの役割を、ヒト臍帯静脈内皮細胞(HUVEC)/ヒト線維芽細胞(NEDF)共培養系血管新生にて検討した。p38MAPK阻害剤であるSB203580、SB202190、およびFR167653は肝細胞増殖因子(HGF)による血管新生増加作用を著明に促進させた。一方、p38MAPK活性化剤であるanisomycinはHUVEC/NHDF共培養系における血管新生を完全に抑制したが、p38MAPK阻害剤SB203580はanisomycinの血管新生抑制反応を阻害した。HMG-CoA還元酵素阻害剤であるフルバスタチンは低濃度においてHUVECにおけるHGFによるp38MAPKリン酸化を抑制した。この結果、低濃度フルバスタチンはHUVECのアポトーシスを減少させることにより、HUVEC/NHDF共培養系におけるHGFによる血管新生増加作用をさらに促進した。しかし、高濃度フルバスタチンは、p38MAPKリン酸化を抑制せず、さらにHUVECの細胞増殖を抑制し、HGFによるHUVEC/NHDF共培養系における血管新生増加作用を完全に抑制された。低濃度のHMG-CoA還元酵素阻害剤のようにp38MAPKリン酸化抑制作用を持つ薬剤は、p38MAPKが活性化するような状態において特に血管新生促進作用を発揮しやすいものと考えられた。今後の虚血性疾患における治療において、病変部におけるp38MAPK活性の評価および、その抑制作用を持つ薬剤の重要性を示す結果であった。p38MAPKが実際に血管新生調節因子として作用していることを証明するため、低濃度のHMG-CoA還元酵素阻害剤がp38MAPK活性を抑制したことから、そのモデルとして使用した。HMG-CoA還元酵素阻害剤であるフルバスタチンは、低濃度においてp38MAPKリン酸化を強力に抑制したが、Aktリン酸化を変化させなかった。さらに、フルバスタチンが血管新生調節因子発現へ及ぼす影響を検討した。低濃度フルバスタチンは血管内皮細胞におけるインテグリンα2、α5、αV、β1、β3の発現はむしろ抑制した。フルバスタテンは高濃度で血管内皮細胞におけるp27(kip1)の発現を増加させたが、低濃度では変化させなかった。フルバスタチンは高濃度で皮膚線維芽細胞における血管内皮増殖因子発現を増加させたが、低濃度では変化させなかった。低濃度フルバスタチンは血管新生を促進するが、p38MAPK阻害剤存在下ではむしろ抑制した。これらの結果は、低濃度フルバスタチンによる血管新生増加作用はp38MAPKに依存していることを示しており、実際にp38MAPKは重要な血管新生調節因子として作用していることが明らかとなった。
遺伝子導入動物による発癌の研究

活性化癌遺伝子を導入すると大体予測された細胞の癌化がおこる。しかし、活性化Hーrasでは胚性腫瘍が、Nーmycでは発生異常がおこる。また、フレンドウイルスのgp55をβーアクチンプロモ-タ-を用いて種々の組織で発現させても、赤芽球腫はおこるが他の細胞の癌化はおこらない。このことは、細胞癌化のためには、もともとその細胞において情報伝達に関与しているセットの遺伝子の活性化が必要なことを示唆している。活性化癌遺伝子による腫瘍化では殆んど単クロ-ン性であり、他の第2次、第3次の変化が生じる必要のあることが示唆されている。アルブミンプロモ-タ-を接続したSV40T抗原遺伝子を導入すると肝癌が生じるが、この癌細胞ではHーrasの変異もおこっていることが確認された。また、Eμーmyc遺伝子によるリンパ腫の場合、βリンパ腫では第4番染色体の異常が、C3HマウスにおけるTリンパ腫の場合は第6番染色体の異常が生じていることが明らかとなった。TL抗原遺伝子の導入では、γδT細胞のリンパ腫が高頻度に生じるが、これらの癌細胞では20%に新たなレトロウイルスの組込みが観察された。これらの変化が2次要因として癌化に関与している可能性が示唆された。癌遺伝子や癌抑制遺伝子以外の要因も癌の発生に関与している可能性がある。これらの要因の中でDNA修復に関与するメチル基転移酵素の影響を調べるため、大腸菌の遺伝子を導入したマウスを作製したところ、自然発生の肝癌の頻度が低下している可能性が示唆された。また、βーインタ-フェロンの強制発現によっても肝癌の頻度は低下していた。更に、Eμーmycによるリンパ腫の発生において、用いるマウスの遺伝背景によって、発症年令や癌化する細胞型が影響をうけることも明らかとなった。野性マウスを用いた研究から、染色体の組換えを高頻度におこすDNA領域が存在することが明らかとなった。ES細胞を用いた相同遺伝子組換えにも成功した。
ラット骨肉腫および悪性線維性組織球腫細胞における分子病理学的研究

1)MoltiprobeRNaseprotection assayで、骨肉腫細胞においてはTGF-β1および2の発現が中等度に見られ、TGF-β3も弱い発現がみられたが、MFH細胞株においては、TGF-β1の強発現がみられ、TGF-β2および3の発現は認めなかった。TGF-βreceptor IIの発現は、control fibroblastとの比較で発現の増減は認めず、RT-PCR-restriction SSCP法ではTGF-βreceptor II、Smad2および4いずれの遺伝子にもpoint mutationやdeletionは検出されなかった。2)ラット骨肉腫およびMFH細胞に対しtyrosine kinase inhibitor STI571は、いずれの細胞株に対しても、浸度・時間依存性に増殖抑制効果を示した。抑制率は、10μM・72時間処置で骨肉腫が約20%にとどまったのに対し、MFHでは約40%の抑制効果を認めた。関連するtyrosine kinaseの発現を検索したところ、PDGFRαの発現がMFGで有意に高かったのに比しPDGFRβ発現は同等に認め、c-kit発現はいずれにおいても認められなかった。3)ラット骨肉腫およびMFH細胞ではp16^<INK4a>発現を認めたが、肺腺症細胞では発現は認められなかった。Methylation specific-PCRでは、肺腺病にのみmethylated DNAを認め、bisulfite sequencingでは骨肉腫細胞でcoding regionのすぐ上流のCpG islandsが高メチル化されているのに対し、肺腺癌においてはTATA box近傍のCpG islandsが一貫してメチル化されていた。4)いずれの細胞に対してもHMR1275は時間・濃度依存性に増殖を抑制したが、p16^<INK4a>の発現を認めない肺腺癌細胞に対する効果が最も強く300nM-72時間処置で増殖抑制率は約80%に達し、骨肉腫、MFHに対しても約60%の抑制率を示した。肺腺病、骨肉腫に対しては、5-aza 2'-deoxycytidineによるp16^<INK4a> inductionにより、100nMの濃度で500nMに匹敵する効果が得られた。1)ラット骨肉腫細胞COS1NRおよび悪性線維性組織球腫細胞MFH1NRにDsRed-2蛍光ベクターを遺伝子導入し、蛍光ラット骨肉腫および悪性線維性組織球腫細胞を作成した。現在、G418 selectionにより細胞株樹立中である。3)可移植性ラット骨肉腫および悪性線維性組織球腫の皮下腫瘍と肺転移巣におけるFHIT遺伝子の変異について検索した。RT-PCRでは、高転移系自然発生骨肉腫、低転移系および高転移系4-HAQO誘発骨肉腫において、aberrant transcriptが見いだされた。aberrant transcriptのpatternは、一定の傾向を示さず、転移能等との相関も見いだせ得なかった。また、Wastern blottingでは低転移系自然発生骨肉腫を除く低転移系および高転移系4-HAQO誘発骨肉腫と悪性線維性組織球腫においてFhit protein量の減少が見られた。4)ラット骨肉腫細胞COS1NRおよび悪性線維性組織球腫細胞MFH1NRに対するtyrosine kinase inhibitorであるST1571の増殖抑制効果について検索した。COS1NR細胞に対しては増殖抑制効果を認めなかったのに対し、MFH

1NR細胞に対しては、10μMの濃度で48hで対照群の75%に、72hで69%に細胞増殖を抑制した。これら細胞におけるPDGFR、c-kitの発現を検索したところ、c-kitの発現はいずれにおいても見られず、PDGFRαの発現量に相違を認め、MFH1NR細胞で強い発現を認めた。現在、その増殖抑制メカニズムについて検索中である。1)ラット骨肉腫COS1NR, COS4NRおよび悪性線維性組織球腫MFH1NR, MFH2NR細胞に対するtyrosine kinase inhibitor STI571の増殖抑制効果について検討した。いずれの細胞株に対しても、濃度・時間依存性に増殖抑制効果が認められた。抑制率は、10μM・72時間処置で骨肉腫が15-22%にとどまったのに対し、MFHでは36-40%の抑制効果を認めた。関連するtyrosine kinaseの発現を検索したところ、PDGFRαの発現がMFHで有意に高かったのに比しPDGFRβ発現は同等に認め、c-kit発現はいずれにおいても認められなかった。3)これらの細胞におけるp16の発現の相違を検討するため、promoter regionのmethylation statusについて検索した。その結果、骨肉腫ではpartial methylation、MFHではhypomethylationであることが、methylation specific PCRおよびbisulfite sequencingによって確認された。
ラム波伝播解析に基づく複合材構造の高精度ヘルスモニタリングの研究

本研究では,運用中の航空機・高速車輌を対象に,センサとアクチュエータを組み込んだ知的金属と積層複合材構造について,高精度ラム波伝播数値解析法と信号処理法を確立するとともに,ラム波と各種の損傷との相互作用を詳細に調査し,損傷で生じた反射波と透過波の発生メカニズムや反射波と透過波の特徴を調べることにより,金属や複合材構造の損傷位置の同定精度と信頼性を向上するとともに,損傷範囲を定量的に評価する手法を確立した.本研究では,運用中の航空機・高速車輌を対象に,センサとアクチュエータを組み込んだ知的金属と積層複合材構造について,高精度ラム波伝播数値解析法と信号処理法を確立するとともに,ラム波と各種の損傷との相互作用を詳細に調査し,損傷で生じた反射波と透過波の発生メカニズムや反射波と透過波の特徴を調べることにより,金属や複合材構造の損傷位置の同定精度と信頼性を向上するとともに,損傷範囲を定量的に評価する手法を確立した.将来の高速車輌や航空機における構造の信頼性・安全性の一層の向上を図るためには、疲労や異物衝突による損傷を非破壊的・自動的かつ実時間で検出する構造ヘルスモニタリングが重要となる。本研究は、次世代高速車輌や航空機の安全な運行に不可欠な技術として、複合材構造の健全性を運行中に定量評価するラム波による高精度構造ヘルスモニタリング技術の開発を目的とする。そのため、本研究では、高精度ラム波伝播解析法と信号処理法を確立するとともに、複合材構造の損傷位置、損傷範囲と損傷形態を定量的に評価する手法を確立する。平成19年度において、実施した研究の成果を下記のように示す。まず、積層複合材料における波伝播の特性を把握するため、Transfer Matrix法に基づいて、ラム波の分散特性(周波数と波伝播速度の関係)を解析した。また、高精度の波伝播数値解析を実現するため、得られたラム波の分散特性から抽出する周波数と波数の情報を用いて、一つ高精度・高効率の平面要素を構築し、この要素とスペクトル要素を組み合わせたハイブリッド解法を提案した。また、横き裂あるいははく離等の損傷を有する一次元積層はり問題などを解析し、損傷からの反射波の伝播挙動を高精度に解析した。さらに、CFRP積層板におけるラム波の伝播解析のため、上記の要素を二次元のMindlin板要素まで拡張した。当該板要素に、従来Mindlin板要素におけるShear Lockingの問題を克服ため、新たな変位場の構築を提案した。上記の要素の開発により、将来、損傷を有する複合材構造におけるラムの伝播特性、特に損傷からの反射波の特性の解明に大きな役を立つことは予想される。また、実験において、圧電アクチュエータとセンサを用いて、はく離を有する積層はりにおけるラム波を計測し、数値計算の有効性を確認したとともに、はく離からの反射波の到着時間の計測により、はく離の位置を高い精度で同定した。将来の高速車輌や航空機における構造の信頼性・安全性の一層の向上を図るためには、疲労や異物衝突による損傷を非破壊的・自動的かつ実時間で検出する構造ヘルスモニタリングが重要となる。平成20年度において、実施した研究の成果を下記のように示す。まず、LAMB波伝播の特性を把握するため、Cheybeshev多項式に基づいて、一つ高い計算効率と計算精度を有しているMindlin pseudospectral plate要素を提案した。また、板における穴とき裂の損傷について、高精度の波伝播数値解析を行い、損傷から反射波の発生メカニズムを解明した。さらに、レーザの走査加振により板にLAMB波を発生させ、損傷を有する板における波の伝播様子を画像化した。得られた実験的波の伝播様子を用いて、数値解析の妥当性を検証し、数値解析手法の有効性を確認した。さらに、CFRP積層はりにおけるはく離損傷について、SO波を用いて、はく離の位置同定を行った。実験および数値解析で高精度な損傷位置同定を実現した。また、数値計算を用いて、はく離から発生した反射波の特性を調べた。二次元板における穴とき裂の損傷について、一つAO波を用いた損傷位置同定手法を提案し、実験および数値解析で損傷位置同定の有効性を確認した。上記の研究内容以外に、CFRP積層板における低速度衝撃により生じたはく離の形状などの情報を得られるため、一つ高精度なCohesive界面を提案し、高精度なCFRP積層板の衝撃解析を行つて、また、実験により検証した。平成21年度において、実施した研究の成果を下記のように示す。(1)前年度に開発されたCheybeshev多項式に基づくMindlin pseudospectral plate要素を用いて、CFRP積層板における詳細なLAMB波伝播解析を行った。

また、LAMB波がCFRP積層はりでのはく離損傷を通過する際に、反射波と透過波の特徴を得ることにより、はく離両端で生じた反射波の大きさを解明し、はく離位置同定の高精度化を実現した。さらに、LAMB波がはく離で起きたモード変換など複雑な現象を詳しく解析した。(2)LAMB波のデータ処理のため、ウェーブレット変換に基づく一つ高効率と高精度な信号処理アルゴリズムを開発し、CFRP積層はりにおけるはく離からの反射波や透過波を抽出することにより、反射波や透過波の特徴を実験的と数値計算的に検討した。(3)CFRP積層はりにおけるはく離での最大反射波の発生条件を対象とし、開発したMindlin pseudospectral plate要素を用いて、LAMB波の最適加振周波数および信号内のサイクル数を調べた。さらに、はく離部の固有振動解析により、下記のような最も重要な結論を得た:LAMB波の加振周波数がはく離部の固有振動数と一致するとき、最大反射波が発生する。つまり、最大反射波の発生が共振現象と一致していることを確認した。この成果に基づいて、加振信号の合理設計案も提出した。(4)楕円状の損傷を想定し、損傷からの反射波の強さを評価することにより損傷大きさを推定する理論を提案した。さらに、楕円状の損傷の実験データを用いて、提案した損傷サイズの評価理論の有効性を検証した。
細菌べん毛モーター・スイッチ複合体の構造解析

細菌の運動器官であるべん毛はその根元に左右両方向に回転できる分子モーターを持つ。この分子モーターの回転方向の切り替えは基部体にあるCリングと呼ばれるスイッチ複合体によって行われる。本研究では、べん毛モーターの回転方向制御の機構を理解するために、野生株、CCW(左回転)またはCW(右回転)に偏った回転を示す変異体Cリングの極低温電子顕微鏡を用いた構造解析を行った。野生型とCW型のCリングの構造を比較することによって回転方向変換時のCリング構造変化を可視化できた。本研究ではべん毛モーターの回転方向制御機構を理解するために、回転方向の制御に関わるスイッチ複合体(Cリング)を極低温電子顕微鏡を用いて単粒子像解析によって高分解能の構造解析を行うことを目指している。そのために左回転(CCW)または右回転(CW)に偏った回転を示す変異体からのCリング付きフック基部体を精製し、構造解析を行い、それぞれの構造を比較することによって回転方向変換時の構造変化を可視化する。今年度は電子顕微鏡による構造解析のために、Cリング構成蛋白質の一つであるfliGの変異によりCCWまたはCWに偏った回転を示す変異体に、べん毛構築がフック基部体で止まる変異を導入し、さらにclpP遺伝子を破壊することで、フック基部体の高発現株を作成した。この株を用いて精製法の改良を行ったところ、精製過程にショ糖密度勾配遠心を加えることでこれまで以上に高純度かつ高濃度のCリング付きフック基部体を得ることに成功した。このCリング付きフック基部体を極低温電子顕微鏡で観察し、単粒子解析用のデータの収集を行い、現在構造解析を進めている。Cリングの構造解析における問題点は個体毎にその対称性が異なっていることである。このためすべての粒子像に対して一つの対称性を仮定して解析を行うと対称性のばらつきにより低分解能の構造解析しかできなくなる。そこでフックの変異によってべん毛の構築が基部体で止まる変異体からCリング付き基部体を精製し、極低温電子顕微鏡像から上向きの像だけを選択し、Cリングの対称性の解析を行った。この結果Cリングの個体毎の対称性のばらつきが34回対称を中心に3335回対称まで分布することが示された。そこで各対称性毎に平均像を作製し、Cリングの直径を求めた。今後、Cリングの構造解析を行う上でCリングの直径によって分類し、それぞれの対称性を仮定して構造解析を進めていく予定である。本研究では細菌べん毛モーターの回転方向制御機構を理解するために、回転方向の制御に関わるスイッチ複合体(Cリング)の構造を極低温電子顕微鏡を用いた単粒子像解析によって解析した。そのためにスイッチタンパク質の一つであるFliGの変異によって左回転(CCW)または右回転(CW)に偏った回転を示す変異体(バイアス変異体)からのCリング付きフック基部体を精製し、構造解析を行い、それぞれの構造を比較することによって回転方向変換時のCリングの構造変化を可視化した。昨年度から引き続きCCW, CWバイアス変異体基部体の電子顕微鏡によるデータ収集を行い、三次元構造解析を試みた。切り出した基部体像をさらにMリングとCリングの一部を含む領域(Cリング上部)とCリング全体像(Cリング下部)に分けそれぞれの領域を別々に解析した。Cリング下部構造はその直径に従って3335回対称に分類し、構造を構築した。両者の構造はリングの側面のドメイン配置と内側のリングの位置に大きな変化があった。Cリング上部は26回回転対称を仮定し三次元構造を構築した。CCW, CWの構造を比較するとMリング直下の密度の配置が両者において大きく変化していた。このようにCCW, CW間のCリングの構造変化の可視化に成功した。Cリング上部は主にFliGタンパク質からできていると考えられている領域であるが、現在の三次元構造は20A程度でありFliGの原子構造を当てはめることは難しい。このためFliGのN末端またはC末端にフルオリンを融合させた基部体を構築した。これらの内、N末端融合タンパク質を持つ基部体はCリングの構造を保持したまま精製が可能であり、このCリング構造を解析することでCリング構造中のFliGタンパク質の位置と配向を決定することができると考えられる。
東日本の島弧地殻における非弾性変形マッピング

非弾性変形を検討する基礎データとなる日本列島のGNSSデータの再解析については,東北地方について20年分の再解析を終えるとともに,地震および機器交換に伴う座標値の跳びの選択を状態空間モデルを用いて選択する方法を開発し時系列データに適用した。また,大規模地震の後に生じる余効変動の補正をマルコフ連鎖モンテカルロ法を用いて行い適用した。再解析結果と国土地理院のルーチン解析結果との間には有意な差が確認され,再解析の有効性を確認した。大地震前後の変形応答の比較から非弾性変形を特定する手法を試験的に北海道地域に適用し,2003年十勝沖地震前後の地殻変動から,胆振東部地域で非弾性変形の可能性のある持続的なシグナルを検出した。また,新潟県中越地域では,GEONETに加えて稠密GNSS観測データも利用して,非弾性変形のシグナルと浅部堆積層の影響を分離した。堆積層中に発達していると考えられる低角度のデタッチメント断層で堆積層と基盤岩とが力学的に分離している可能性が示された。東北地方では,2011年東北沖地震前後の地殻変動パターンの比較から,地震時に顕著な沈降が検出された火山地域が,余効変動の中でも特異点となっていることを見出し,有限要素法を用いて変形メカニズムを検討した。非弾性変形に関する従来手法(Noda and Matsu'ura, 2010)について,ひずみの分布を表すために双三次Bスプライン関数を使用して,試験的に2016年熊本地震震源域の地震時および地震間の地殻変動分布から三次元的な非弾性ひずみの推定を試みた。矩形断層を仮定したモデルと比べてややぼやけたイメージとなるが,非弾性変形の場所と大きさを概ね捉えることに成功した。一方,地震間の非弾性ひずみは,地震活動から推定した結果と比べ有意に大きく,非地震性の非弾性変形の寄与が示唆される。GNSSデータの再解析は当初の予定よりやや遅れているが,地殻変動の推定に必要不可欠な時系列解析手法の検討が予定以上に進んだため,今後座標値が得られた時に迅速に非弾性変形の解析へと進むことができるようになった。従来手法の見直しも順調に進んでおり,具体例を用いた試験解析まで進めることができた。また,東北沖地震に関連する非弾性解析からも様々な新しい知見が得られており,全体としては概ね順調に推移していると考えている。GNSSのデータ解析については,前年度に導入したサーバーが順調に稼働しており,広域かつ長期間のデータ解析を順次進める。また,地震間・地震時・地震後のデータを総合的に扱う解析手法も今年度中に完成し,試験的な解析まで実施したいと考えている。以前に関連する研究を行っていた学生が新たに教員となったため,研究協力者として加わってもらう予定である。2019年度は,5月に千葉市で開かれるJpGUにおいて研究分担者と会合し,今後の研究の進め方について検討する予定である。また,年度後半にも1度会合を予定している。一方,台湾の研究者から,台湾を対象とした非弾性変形の研究を持ちかけられており,本研究で開発・改良する手法の適用対象として台湾も視野に入れて研究を進める予定である。

また,東北沖地震に関連する非弾性解析からも様々な新しい知見が得られており,全体としては概ね順調に推移していると考えている。GNSSのデータ解析については,前年度に導入したサーバーが順調に稼働しており,広域かつ長期間のデータ解析を順次進める。また,地震間・地震時・地震後のデータを総合的に扱う解析手法も今年度中に完成し,試験的な解析まで実施したいと考えている。以前に関連する研究を行っていた学生が新たに教員となったため,研究協力者として加わってもらう予定である。2019年度は,5月に千葉市で開かれるJpGUにおいて研究分担者と会合し,今後の研究の進め方について検討する予定である。また,年度後半にも1度会合を予定している。一方,台湾の研究者から,台湾を対象とした非弾性変形の研究を持ちかけられており,本研究で開発・改良する手法の適用対象として台湾も視野に入れて研究を進める予定である。
核内クロマチン構造のフラクタル次元と核内温度の同時イメージング技術の開発

ヒトの全長2メートルのDNAはわずか10マイクロメートルのサイズの核の中に収納されています。それが空間的にどれくらい凝縮しているかを定量化するため、我々は核内クロマチンのフラクタル次元という数理的な指標を計測・イメージングすることに挑戦しました。その計測原理は、クロマチン上に二種類の蛍光色素を導入して、その間にクロマチン構造のフラクタル次元に依存したエネルギー移動を生じさせることです。我々はこの原理を使ってクロマチン構造のフラクタル次元をイメージングすることに成功しました。哺乳類の核内DNAはサブMbの長さのクロマチンドメインを形成していることが、近年の染色体構造捕獲法から明らかになってきた。さらに、その動的なドメイン構造の実相も一分子ヌクレオソーム観察から明らかにされつつある。我々はこれまでにヌクレオソームファイバーによって形成されるクロマチンドメインの数理モデルを展開してきた。さらに、一分子ヌクレオソーム観察との融合研究から、平均的なドメインサイズが数百ナノメートルであることを示してきた。また、クロマチンドメインの凝縮度をフラクタル次元によって特徴付け、ヌクレオソーム動態からフラクタル次元を評価してきた。本年度は、核内クロマチン構造のフラクタル次元の空間分布を評価するためのイメージング技術の開発を行った。最初に、二種類の蛍光タンパク質を安定的に発現するマウスES細胞株の樹立を行った。当初の計画では、薬剤誘導型プロモーターを利用して、蛍光タンパク質の核内発現量を調整したが、試行錯誤の結果、最終的には、レンチウィルスを用いた導入法によって蛍光寿命イメージングに適した細胞株の作成方法を現在行っている。解析技術の開発は計画通りに進んでいる。一般的にソフトウェア上で操作する蛍光寿命イメージングでは、大きなデータ量の生データは特殊な形式で格納されており、誰でも使用しやすいグラフィカルインターフェース上で解析が行われる。しかしながら、本研究が目指すフラクタル次元を評価するためのソフトウェア上のプログラムは存在しないため、ソフトウェア上での解析は困難である。そこで、生データから蛍光寿命減衰カーブを抽出し、非線形フィッティングによってフラクタル次元を評価するプログラム開発に取り組み成果を挙げている。本年度の後半では、観測に適した細胞株の樹立と解析プログラムの向上のサイクルを回しており、核内フラクタル次元イメージング技術を確立する前段階に入ることができた。当初の計画よりも、細胞株を樹立して蛍光寿命イメージングをするサイクルが長引いたり、細胞作製方法も試行錯誤したため、少し遅れている。しかしながら、解析プログラムの開発は成功しているので、順次、そのサイクルを早めることによって、平成28年度分の遅れを取り戻すことができると考えている。クロマチンファイバーは核内で階層的に折りたたまれて収納されている。近年の染色体構造捕獲法によってその詳細なゲノム間配置が明らかになってきた。さらに、生細胞内の一分子ヌクレオソームの超解像イメージングによって動的に組織化されたクロマチンドメインの存在も明らかになった。これらを背景に、我々はこれまでにヌクレオソームファイバーによって形成されるクロマチンドメインの数理モデルを展開してきた。そこでは、「フラクタル次元」によって定量化されたクロマチンドメインの凝集度合いが理論的に重要な概念である。平成29年度は、生細胞の核内クロマチンのフラクタル次元を蛍光寿命イメージング法によって計測する技術を確立した。二種類の蛍光プローブ(ドナーとアクセプター)間のエネルギー移動(FRET)はそれらの配置に依存し、ドナーの蛍光寿命はフラクタル次元に依存する。この原理をクロマチンファイバーに適用した。いくつかのドナーとアクセプターのペアと導入方法を試した結果、これまで報告されたきたものよりもずっと効率的にFRETが生じる方法を発見することができた。計測された各ピクセルの時間ドメインの蛍光寿命減衰の生データから、空間的なフラクタル次元分布に変換するためのプログラムを開発することに成功した。マウスES細胞の間期と分裂期のクロマチンの凝集度の変化をフラクタル次元によって定量化することができた。また、この薬剤処理や分化誘導後のクロマチンに対しても同様に計測・解析し、フラクタル次元によってクロマチン状態を表現する技術を確立することができた。当初の計画では、平成29年度では核内クロマチン構造のフラクタル次元と温度の同時イメージングを行う予定であった。しかしながら、これは前者の技術が確立した後にできることである。そのため、平成28年度の計画が遅れた分を、平成29年度では取り戻す必要がある。遅れの原因は判明しているため、まずはその対処を推進する。同時イメージングに必要な3種類の蛍光物質の性質については、計画通り事前の知識があるので、解析プログラム開発を事前に推進する。生物物理当初の計画では、論文としての発表と、そのための英文校閲、研究協力者への謝金、及び、学会発表のための旅費と参加費を計上していたが、計画が少し遅れていることと、研究協力者の資金が潤沢なために、使用することができなかった。研究の遅れを取り戻すための研究推進と国内と海外での成果発表を拡充することで、差額に対する有効的な使用を図る。
S-RAMPプロジェクト:磁気嵐の研究

S-RAMPプロジェクトの一環として、太陽/地球環境擾乱現象の予報に向けて、太陽地球間の電磁場/プラズマダイナミックスについて基礎理解を得ることを目的とした。リアルタイム予報を目指し、太陽風と磁気嵐/サブストーム発生の関係を調べ、擾乱現象の発生メカニズム解明に向けてのヒントを見つけることと、予報スキムを作成することを実際上のゴールとした。2年間の本研究を通して得られた諸事項は、次のようにまとめることができる。1.太陽風のリアルタイムデータを用いて磁気嵐発生を予報するには、本研究で2つのアルゴリズムを提案する。ひとつは環電流の強度を表すDst指数を、経験則によって計算すること、もうひとつはMHDモデルを走らせ、極冠域の電位を計算することである。いずれの方法も、本研究で定量的テスト済みである。2.宇宙天気の長期予報として、地磁気活動の季節変動をとりあげた。磁気嵐の半年周期(春秋に最大、夏冬に最小)の変動は、従来から知られているRussell-McPherron効果ではなく、太陽風の速度ベクトルと地球磁場双極子の角度が最大になる影響が効果的であるこいとを発見した。3.地上磁場の準リアルタイムデータを用いて、電離層電位、電流分布を計算するスキームの実行した。まず、リアルタイム磁場のデータを世界の磁場観測所チェーンから取り入れるための交渉から始め、ロシア地区以外のほとんどのデータを確保できる見通しをつけた。そして、米国にある国立地球物理データセンターを経由して、当研究所のGEDASシステム(太陽地球環境データ解析システム)に、ほぼリアルタイムで導入できるようになった。当研究所で開発された地上磁場データ逆計算法KRM法とAMIE法を組み合わせ、汎世界的グローバル電位分布と、局所的電位分布を繋げた。これは、磁場観測所の世界分布が非一様なため、そのままKRM法を適用しても、観測所が密な領域の微細構造が鏡像として疎な領域に表れ、非現実的な計算結果しか期待できないことによる。一方、観測所の分布が疎な領域には、経験的電位分布をAMIE法とともに適用し、汎世界的電位分布を推定することに使う。こうして得られた電位値を局所的領域(たとえば、北米)の境界について指定し、その局所領域にKRM法を適用した。これらの2ステップの計算をリアルタイムで行なうアルゴリズムをほぼ完成させた。4.S-RAMPプロジェクトでは、宇宙天気(大磁気嵐)の予報にも力点をおいている。本研究で得られた基礎知識を、通信総合研究所での宇宙天気予報アルゴリズムに導入するテストも行なっている。磁気嵐の太陽活動および太陽風依存性を調べるため、本年度は次のサブテーマ研究を行なった。1.太陽風電場によって、磁気嵐の指標である環電流(ring current)がどのような変動をするかを再現できるBurton etal.公式が、現在まで共通に使われているが、この経験式がどの程度観測を再現しているかを定量的に調べた。その結果、平均約50%の誤差があることがわかり、この差の原因となり得る候補をリストアップした。

環電流の粒子成分、減衰率が磁気嵐によって違うことが確率の高い原因であるが、太陽風エネルギーが磁気圏に入る効率が大きい差をつくることが示唆された。この効率が、1つの磁気嵐の中でも変動することは、太陽風擾乱(たとえば、磁気雲)の各部分によって物理的性質が異なることを示している。2.半年周期の磁場変動(春秋に最大、夏冬に最小)は、今までR-M(Russell-McPherron)仮説として広く受け入れられてきた。しかし、aa指数を使っての長期にわたるデータ統計の結果、R-M効果は全体の半年磁場変動の20%程度しか説明していないことを見つけた。大部分の変動は、太陽風の速度ベクトルと地球磁場双極子の角度が最大になる「春秋分効果」によることも示した。この性質は、現在Dst指数にもあてはめて統計続行中である。3.S-RAMPは応用、即ち宇宙天気の予報研究に重点をおくプロジェクトでもある。aa、Dst指数よりもさらに高精度の高緯度AE指数(AU、AL指数)について、UT(標準時)依存性を調べ、地磁気活動の予報に役立てる経験式を見出すことを試みた。AUの方が強い季節変動を示すため、この効果を規格化する経験式を提案した。リアルタイム予報を目指し、太陽風と磁気嵐/サブストーム発生の関係を調べ、本年度は次のサブテーマの研究を行なった。1.地上磁場の準リアルタイムデータを用いて、電離層電位、電流分布を計算するスキームのテストをした。まず、リアルタイム磁場のデータを世界の磁場観測所チェーンから取り入れるための交渉から始め、ロシア地区以外のほとんどのデータを確保できる見通しをつけた。そして、米国にある国立地球物理データセンターを経由して、当研究所のGEDASシステム(太陽地球環境データ解析システム)に、約40ヶ所の観測所からのデータがほぼリアルタイムで導入できるようになった。2.当研究所で開発された地上磁場データ逆計算法KRM法とAMIE法を組み合わせ、汎世界的グローバル電位分布と、局所的電位分布を繋げた。これは、磁場観測所の世界分布が非一様なため、そのままKRM法を適用しても、観測所が密な領域の微細構造が鏡像として疎な領域に表れ、非現実的な計算結果しか期待できないことによる。一方、観測所の分布が疎な領域には、経験的電位分布をAMIE法とともに適用し、汎世界的電位分布を推定することに使う。こうして得られた電位値を局所的領域(たとえば、北米)の境界について指定し、その局所領域にKRM法を適用した。これらの2ステップの計算をリアルタイムで行なうアルゴリズムをほぼ完成させた。3.ACE衛星による太陽風のリアルタイム値を初期値として使い、太陽風/磁気圏MHDモデルを走らせた。得られた電位分布を磁力線に沿って電離層高度に投影し、KRM法から得られている電位分布と比較した。サブストームの成長期では、両者はよい一致を示すが、爆発相ではそれらの差はかなり大きい(最大100%の差異が生じる)。
エピゲノム及び遺伝子による細胞内制御ネットワークモデリングと細胞分化機構の解析

細胞内システムの解析において、遺伝子発現量のみを考慮した制御関係ネットワークが考えられてきたが、細胞分化の過程において遺伝子だけでなくDNAメチル化やヒストン修飾等のエピゲノム状態の変化により、制御関係が変化し、異なる機能を持つ細胞へ分化すると考えられている。本研究では、遺伝子とエピゲノムによる制御ネットワークの解析に用いられる、遺伝子発現量の高精度な推定手法の開発、並びにエピゲノム状態推定の高精度化のための基盤手法の開発を行う。さらに、細胞内制御ネットワークの解析を目的として、マウスの細胞分化過程における遺伝子発現量データならびにヒストン修飾データからの転写因子の結合予測手法の開発を行う。エピジェネティクスにおける機構の一つであるDNAメチル化の検出にはBisulfiteシークエンス法が用いられる。Bisulfite反応では、メチル化されていないシトシン(C)がウラシル(U)に変化し、シークエンス結果では、チミン(T)となることから、シトシンからチミンへの変化を検出からメチル化状態が推定される。しかしながら、通常より考慮される塩基の種類が減少するため、より正確なシークエンス配列のマッピング、変異コールを行う必要がある。そこで、本年度は、リファレンスゲノムにマッピングされたシークエンスデータからより正確に変異コールを行うため、各シークエンスリードだけでなくリードペアを通じて複数のヘテロ変異をまたぐリード情報を考慮して局所的に変異のフェージングを行いながら、フェージング情報を利用しつつ変異コールを行う統計的手法を開発した。また、遺伝子発現データからの遺伝子制御ネットワークの推定には、遺伝子発現量の計測の精度が重要となる。近年RNA-Seq技術により直接mRNAのシークエンシングを行い、リファレンス配列にマッピングすることで、従来技術よりも精度の高い遺伝子発現量の定量が可能となっている。しかしながら、シークエンスリードのマッピングの際のアラインメントにおいてギャップの考慮などが不十分である問題があった。このため、ギャップ付きアラインメントを考慮し、各スプライシングバリアントの単位で正確に遺伝子発現量の定量するための手法を開発した。細胞分化過程における遺伝子制御ネットワーク構造変化の解析には、ヒストン修飾情報や近隣の遺伝子の発現量を特徴量とした、細胞種特有な転写因子の結合を推定が重要となる。また、細胞種特有の転写因子の結合推定の高精度化には、各特徴量の高精度化が望まれる。本年度は、上記特徴量の高精度化及び特徴量からの高精度な細胞種特有の転写因子の結合推定の2課題について取り組んだ。前者については、単純反復配列、コピー数変異、HLA領域などの難読化領域におけるゲノム情報がヒストン修飾、転写因子の結合情報取得のためのChIP-Seq解析でのピークコールの高精度化において求められる。単純反復配列について、フェージングされた周辺SNPからの遺伝子系図情報を用いた次世代シークエンシング(NGS)データによる高精度な単純反復配列構造推定手法を提案した。コピー数変異について、既存手法では、似通ったゲノム領域においては、コピー数が合わせて求められる問題があったが、集団のNGSデータからLDAを元にしたモデルにより異なるゲノム領域のコピー数として分離・推定する方法を提案した。HLA領域については、昨年度提案のRNA-Seqからの発現量推定法を拡張し、既知HLA領域を鋳型とし、NGSデータからのリードをマップすることで既存手法より高精度にHLA型を推定する方法を提案した。また、特徴量の1つとして重要な遺伝子発現量の推定について、昨年度提案のRNA-Seqから発現量推定法において、パラメータ更新の枝刈りにより精度を維持したままの高速化を実現している。後者課題では、マウスにおけるES細胞から心臓細胞への分化過程におけるRNA-Seqデータ、ヒストン修飾及び転写因子のChIP-Seqデータからのヒストン修飾情報等の特徴量と転写因子結合の正例・負例のデータをDeep Neural Networkで学習し、既存手法より高精度に細胞種特有の転写因子結合情報を推定する手法を提案した。バイオインフォマティクス本年度は、エピジェネティクス状態の解析の基礎となる手法の調査と関連手法の開発、また、遺伝子発現量の定量に関連した手法の開発を主に進めることで、エピジェネティクスデータを考慮した遺伝子制御ネットワーク解析の基盤固めを行うことができた。現在公開されているマウスの胚から肝臓への分化における時系列遺伝子発現データから、エピジェネティクス情報を考慮した遺伝子制御ネットワーク推定手法の開発を行う予定である。平成25年度における手法の開発において、東京大学医科学研究所ヒトゲノム解析センターのスーパーコンピュータを利用していたが、所属研究機関における利用が平成26年度4月30日までとなった。このため、スーパーコンピュータ内の解析データを引き上げ、保存するために必要なハードディスク費用および保存したデータの整理・管理に付随して必要となる文房具等の物品費用を平成26年度として計上した。東京大学医科学研究所ヒトゲノム解析センターのスーパーコンピュータ内の、平成25年度における解析結果を平成26年度4月30日までに引き上げ、保存するためのハードディスクを購入し、引き上げ作業を行う。また、引き上げ作業後の保存データの整理・管理に付随して必要となる文房具等の物品の購入を行い、保存データの整理・管理を行う。
感情から読み解く中心市街地の都市環境のあり方に関する研究

本研究の目的は,中心市街地のフィジカルな都市環境や市民の生活行動と,市民が中心市街地に対してもつ感情との関係を明らかにし,現代都市における中心市街地の意味を再考することである.2018年度は,詳細なインタビュー調査に先立ち,全国14都市のアンケート調査より,個人属性,生活行動,中心市街地環境が,中心市街地への好ましい感情(選好,推奨,誇り)にどのように影響するかを簡易的に分析した.その結果,居住年数や中心市街地への訪問頻度は,中心市街地への好ましい感情に対してほとんど影響を及ぼしておらず,過去(5年前,10年前,20年前)に比べて訪問頻度が増加した人の方が好ましい感情を持つこと,中心市街地にお気に入りの場所(小売店,飲食店,オープンスペース)があることや中心市街地に美しさ,歴史性,自然,個性を感じられることが,中心市街地に対する好ましい感情につながることがわかった.これらの結果から,詳細なインタビュー調査の内容を再検討している.また,インタビュー調査に向けた準備としては,地域選定を行い,中心市街地再生の取り組みが進められている愛知県岡崎市を対象として詳細調査を行う計画を立てている.準備のひとつとして,行政及びNPOに対して,中心市街地再生のハード・ソフトの取り組みに関する聞き取り調査を行った.別々に始まった様々な活動をひとつの枠組みに統合しつつあること,川辺とまちのハード施策とともに,市民や民間の参画を促すソフト施策も進められていることがわかった.このことからも,インタビュー調査を岡崎市中心市街地を対象として行う計画は適切であると考えている.当初はインタビュー調査から始める計画であったが,詳細なインタビュー調査内容の検討に向けて,複数都市の一般調査の分析を行ったため.14都市のアンケート調査の分析結果を踏まえて,詳細なインタビュー調査の内容を再検討し,インタビュー調査を行う.インタビュー調査は,愛知県岡崎市を対象に,まず,中心市街地で活動や生活をしている人々にインタビュー調査を行って,感情と都市環境や生活様態との関係とともに中心市街地の性質を捉える.その後,より広い層にインタビュー調査を行うことを検討する.前者は地域のまちづくり関係者の協力のもとに行い,後者は調査会社にモニター抽出依頼することを検討する.中心市街地への感情については具体的発言が得られにくい可能性があるため,グループインタビューも検討する.これらのインタビュー調査結果の分析を通して感情尺度とモデルを作成し,あらためてよりサンプルの多いアンケート調査を行って定量的分析をしていく.本研究の目的は,中心市街地のフィジカルな都市環境や市民の生活行動と,市民が中心市街地に対してもつ感情との関係を明らかにし,現代都市における中心市街地の意味を再考することである.2018年度は,詳細なインタビュー調査に先立ち,全国14都市のアンケート調査より,個人属性,生活行動,中心市街地環境が,中心市街地への好ましい感情(選好,推奨,誇り)にどのように影響するかを簡易的に分析した.その結果,居住年数や中心市街地への訪問頻度は,中心市街地への好ましい感情に対してほとんど影響を及ぼしておらず,過去(5年前,10年前,20年前)に比べて訪問頻度が増加した人の方が好ましい感情を持つこと,中心市街地にお気に入りの場所(小売店,飲食店,オープンスペース)があることや中心市街地に美しさ,歴史性,自然,個性を感じられることが,中心市街地に対する好ましい感情につながることがわかった.これらの結果から,詳細なインタビュー調査の内容を再検討している.また,インタビュー調査に向けた準備としては,地域選定を行い,中心市街地再生の取り組みが進められている愛知県岡崎市を対象として詳細調査を行う計画を立てている.準備のひとつとして,行政及びNPOに対して,中心市街地再生のハード・ソフトの取り組みに関する聞き取り調査を行った.別々に始まった様々な活動をひとつの枠組みに統合しつつあること,川辺とまちのハード施策とともに,市民や民間の参画を促すソフト施策も進められていることがわかった.このことからも,インタビュー調査を岡崎市中心市街地を対象として行う計画は適切であると考えている.当初はインタビュー調査から始める計画であったが,詳細なインタビュー調査内容の検討に向けて,複数都市の一般調査の分析を行ったため.14都市のアンケート調査の分析結果を踏まえて,詳細なインタビュー調査の内容を再検討し,インタビュー調査を行う.インタビュー調査は,愛知県岡崎市を対象に,まず,中心市街地で活動や生活をしている人々にインタビュー調査を行って,感情と都市環境や生活様態との関係とともに中心市街地の性質を捉える.その後,より広い層にインタビュー調査を行うことを検討する.前者は地域のまちづくり関係者の協力のもとに行い,後者は調査会社にモニター抽出依頼することを検討する.中心市街地への感情については具体的発言が得られにくい可能性があるため,グループインタビューも検討する.これらのインタビュー調査結果の分析を通して感情尺度とモデルを作成し,あらためてよりサンプルの多いアンケート調査を行って定量的分析をしていく.当初はインタビュー調査から始める計画であったが,詳細なインタビュー調査内容の検討に向けて,複数都市の一般調査の分析を行ったため,主にインタビュー調査のための予算が繰り越しになった.当初2018年度に予定していたインタビュー調査は2019年度に実施し,併せてその分析とモデル化も行う.
多相クロック化剰余数演算回路に基づく超高信頼ディジタル信号処理システム

1.パルス列剰余数演算回路の構成法の検討を行った。(1)パルス列剰余数演算回路を発展させて、位相モ-ド多値論理回路という新しい概念の回路構成法を提案した。本回路は、振動波形の位相を論理値に対応づけるもので、剰余数演算によく適合し、かつ、誤り検出機能を容易に導入できるという特長を有している。本成果を、第13回多値論理フォ-ラムにおいて発表した。(2)位相モ-ド多値論理回路をCMOS素子を用いて設計した。設計回路を、電子回路解析プログラムPSPICEを用いてシミュレ-ションし、基本動作を確認した。(3)位相モ-ド多値論理回路を個別CMOSICを用いて試作し、基本動作を確認した。2.雑音印加実験装置の製作を行った。提案した回路の耐雑音特性、および、誤り検出特性を実験的に検証するため、雑音印加実験装置の製作を行った。実験の再現性を高めるために、これまで使用していた雑音実験装置を全面的に作り直した。3.多相クロックフォ-ルトトレラントディジタル信号処理システムの構成法の検討を行った。剰余数演算回路を、桁ごとに位相の異なるクロックパルスで駆動し、いくつかの桁の回路が雑音で誤動作しても、正常な桁の回路の出力を元に訂正するというシステムの構成法を検討した。現在、信頼度解析中である。4.剰余数系に基づくフォ-ルトトレラント機能をWSIの製造欠陥救済に適用する方法を検討した。成果を、電子情報通信学会VLSI設計技術研究会において発表した。また、IEEEの回路とシステムに関する国際シンポジュ-ムにおいて発表する予定である。
30年後の同期型交換網のための研究

本研究では、30年後に実現される同期網について研究を行なった。エラスティック光パスネットワーク(以下EOPN)を対象とした研究を行なった。EOPNは、近年のインターネットトラヒックの増大に対応するため、細かい粒度の周波数スロットを組み合わせ光パスごとに柔軟に帯域を提供することで光ファイバ内の帯域を有効活用する。EOPNを実現する上で通信のリクエストに対して使用する経路,周波数帯域を決定するRSA(Routing Spectrum Assignment)問題は重要な課題である。柔軟性と品質保証を兼ね備えたサービス予約型割当を提案し、計算機シミュレーションによる評価を行い、提案方式の有効性を示した。さらには、エラスティック光パスネットワークでは、ホップ数が大きいパスは、効率の悪い変調方式が用いられるため、割り当てる周波数スロットが大きくなり、棄却率の観点から不公平になってしまうという問題点に取り組んだ。この不公平性を解消するため、変調方式別の帯域を設けた動的周波数割り当て手法を提案した。計算機シミュレーションにより、その有効性を示した。また、別のアプリケーションである同期型の交通網を対象に研究を行なった。ここでは、通信ネットワークの技術を応用した同期型の交通制御システムを提案する。このシステム内で自動走行車、いわゆるロボットカーは光ネットワークでの通信パケットのように集中制御される。また、本システムでは制御エリア内でのロボットカーのルーティング方式と、各進行方向への交通信号の周期時間の分配方式を提案している。このシステムを用いてロボットカーを集中制御した場合に、制御エリア内の車両のスループットが取り得る上限値を計算機シミュレーションを用いて評価した。論文、研究会、国際会議、大会それぞれ1件の発表を行なった。GPSや時刻同期プロトコルといった広域に分散した機器同士を高精度で時間同期させるための技術が確立された。これにより、通信ネットワークや交通ネットワークといった交換ネットワークを、同期型を前提に理想的に制御できるようになりつつある。以上の背景をふまえ、本研究では、こういった同期型交通ネットワークに共通の課題であるパケットパッキング技術や同期技術の研究を行なっている。また、光パケットネットワーク技術による光交換ネットワークとロボットカー技術による交通ネットワークを具体的な研究対象として、それぞれの交換ネットワーク固有の特徴も加味しながら、実際に生じうる様々な要求に応えられるようアルゴリズムを改良し、評価を行なっている。平成25年度は、まず、同期型交換ネットワークに共通の研究課題であるパッキングアルゴリズムの設計、評価を行なった。次の手順で研究を進めた。1)同期型交換ネットワークの一般的なモデルを構築した。具体的には、システムが時間スロット化されており、時間スロットに基づいてパケットの送信やスイッチングが行なわれることである。また、ラダー型やメッシュ型のトポロジが使用されやすいこともモデルに含まれる。2)パケットをタイムスロットに詰め込むパッキングアルゴリズムを設計した。具体的には、経路は距離と負荷を最小化するように選択されると仮定し、空きスロットが生じないようにパケットを詰め込むアルゴリズムである。3)パッキングアルゴリズムを数値計算により評価した。4)設計したアルゴリズムを様々な要求に応じた制御ができるよう改良した。具体的には、現実的な光交換ネットワークと交通ネットワークのモデルに適用するための改良を行なった。5)改良されたアルゴリズムを数値計算により評価した。交付申請書に記載した研究計画のとおり進められたため。また、数値評価により、提案するアルゴリズムの有効性を示すことができたため。また、学会での研究発表も複数を行なうことができたため。今後は、光交換ネットワークと交通ネットワークという2つの応用先それぞれに関して、アルゴリズムの改良とシミュレーションによる評価を行なう。以下、具体的に述べる。i)光交換ネットワークについては1.同期型光交換ネットワークのモデルを構築する2.平成25年度に設計したパッキングアルゴリズムを光交換ネットワーク固有の特徴を加味して改良する3.光交換ネットワークのシミュレータを構築する汎用の通信ネットワークシミュレータを拡張して構築する予定である4.設計したアルゴリズムの評価を行なう。