hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
GPUクラスターを用いた1億粒子シミュレーションによる惑星形成過程の解明

本研究では、新しい計算法の開発と最新の計算機を構築することによりこれまで以上の粒子数を用いた微惑星集積過程の研究を行うことを目的としている。本研究により、はじめて100万粒子を超える惑星形成N体計算が可能となった。大粒子数(1000万粒子)を用いたN体計算では、これまでよりも惑星の成長が早い結果が得られており、今後この過程について詳細を明らかにする。2015年度は惑星形成用大規模N体シミュレーションコードの開発及び、GPUクラスターの構築を行った。2015年度に開発した大規模N体シミュレーションコードはParticle-Particle Particle-Tree法(PPPT法)とFramework for Developing Particle Simulator(FDPS)を組み合わせた惑星形成用N体シミュレーションコードである。開発したコードを用いた次の二つのテスト計算を行った。(1)粒子の離心率及び軌道傾斜角の二乗平均平方根の時間進化。(2)最大質量の粒子の時間進化。これらについて先行研究と一致した結果を得られた。また、コードの性能について(1)エネルギー誤差の時間進化(2)使用するCPUコア数による計算時間の比較を行い十分な性能を出せることを確かめた。これらの結果から1000コア程度の並列計算でも性能を出せることを示した。これらの結果については2016年春季天文学会年会において発表を行った。当初予定していた惑星形成用大規模N体シミュレーションコードの開発終了し、性能評価においても当初の予想以上の性能値を得ることができた。平成28年度は惑星形成用大規模N体シミュレーションコードの性能評価及び岩石惑星の形成シミュレーションを行った。我々が新たに開発したハイブリッド並列N体コード(PENTACLE)は粒子間重力の並列化にFramework for Developing Particle Simulator (FDPS)を用いている。FDPSは高性能な並列計算コードをより簡単に開発できるライブラリである。また、PENTACLEコードでは惑星形成において重要となる近接遭遇を高精度で計算し、かつその演算量を減らすため、異なる数値積分法を組み合わせるParticle-Particle Particle-Tree法(PPPT法)を使用している。開発したコードについては、スーパーコンピュータを用いて計算精度、並列化効率、計算速度などを詳細に調べ、実用に耐えうるものであることを示した。その後、このコードを用いて大規模惑星形成シミュレーションを行い、100万体の微惑星が集積合体し岩石惑星になる過程を計算した。この計算では粒子数を変えることで微惑星の大きさを変化させ微惑星サイズによる惑星の進化の違いを明らかにすることを目的としている。計算の結果、より小さな微惑星を用いることで微惑星が受ける円盤ガスからの抵抗が大きくなり微惑星の速度分散が抑えられることが確認できた。これらの結果については、日本天文学会、日本惑星科学会、日本地球惑星科学連合連合大会において発表を行なっている。これまで行われていない100万粒子での惑星形成を100万年シミュレーションで計算することに成功した。また、PENTACLEコードを使用することで1000万体の惑星形成シミュレーションについても実現可能であることが示せた。平成29年度は惑星形成用大規模N体シミュレーションコードについての研究成果をまとめ、論文として出版した(Iwasawa et al. 2017)。当該コードはPENTACLEという名称をつけ、GItHubにて公開しており、自由に利用できるような環境を整えた。また、GPU版コードについてもほぼ開発は終了しており、最新版のGPUに合わせた最適化を行っている。GPUに加え、Xeon Phiを利用できるようコードの修正を計画しており、今後のスーパーコンピュータに対応できるよう引き続きシミュレーションコードの開発を継続していく。また、本コードを用いた超高解像度惑星形成N体シミュレーションを実行している。粒子数100万体(粒子質量10^21 g程度)までは先行研究と同じ進化経路をたどっているが、1000万体(粒子質量10^20 g程度)では集積速度が早くなる領域がみられた。今後より大粒子のシミュレーションと初期条件を変えたシミュレーションを行い、より現実的な初期条件から開始した場合の惑星進化について解明することを目指す。また、本コードによりこれまで行われてこなかった広範囲のN体シミュレーションを実行している。このシミュレーションでは0.4から20 auまでの領域に微惑星を配置して雪線の外側の氷微惑星がどのように内側領域に移動するか調べ、原始地球における水輸送過程を明らかにすることを目的としている。現在、国立天文台のスーパーコンピュータXC30を用いて100万体の計算が問題なく行えることを確認できたので、現在100万体の粒子を用いた惑星形成シミュレーションを準備中である。これと並行してGPUクラスターの増強を行い、開発したN体シミュレーションコードのGPU対応を進める。これらの準備作業が終了後、本研究の主目的である大規模惑星形成N体シミュレーションを実施する。本研究の目的である1億体のシミュレーションに向けて現在GPU計算用の重力カーネルを開発中である。これにより初めてキロメートルサイズの微惑星を取り扱うことが可能になる。また、太陽系の8個の惑星の軌道を含む領域のシミュレーションを進めており、これまではわからなかった太陽系初期の物質の移動についての調査を行う。29年度が最終年度であるため、記入しない。
スラリの超音波計測法に関する研究

本研究は指向性の強い高周波の超音波を利用して、不透明液体である微細固体粒子スラリ中の球粒子の抗力を測定するとともに、スラリへの超音波計測法の適用条件を明らかにすることを目的として、今年度の研究を実施した。本研究によって得られた成果は以下の通りである。1.供試スラリと物性測定:微細固体粒子として、カ-ボンブラック(以下C.B.と略)とカオリンを用い、測定対象のスラリ濃度をそれぞれ0.1%-5%及び0.5%-1%とした。水平円管流れの層流及び乱流域の圧力損失デ-タが測定され、供試スラリのレオロジ方程式が求められた。C.B.スラリの2%以上では非ニュ-トン流体モデルである指数則モデルが適用出来ること、また、それ以外のスラリではニュ-トン流体として扱えることが明らかにされた。得られた乱流域のデ-タは指数則モデルにおけるDodge-Metznerの式と良く一致することが明らかにされた。2.スラリ中の球の抵抗測定:直径が6.35mm-14.96mm範囲の20種類の供試球が上記スラリ中の落球実験に用いられ、レイノルズ数が10^3-3x10^4の範囲でそれらの抗力計数が測定された。0.1-0.5%のC.B.スラリで抗力係数が最大約15%減少する抵抗減少効果が得られた。さらに、この現象が生ずるレイノルズ数の領域は従来から明らかにされている希薄高分子溶液の場合とほぼ等しいことを実験によって明らかにし、球の境界層剥離に及ぼす微細固体粒子の粒子径や密度の影響を指摘した。3.超音波の減衰:スラリ中の超音波の減衰がスラリ濃度及び微細固体粒子の粒子径や密度等の物理的性質に依存することを明らかにし、減衰が最も少ない超音波の周波数の存在を示した。
『蒙求和歌』に見る漢文学と和文学の融合

源光行『蒙求和歌』の未翻刻伝本の公刊を果たすとともに、その基本的性格を明らかにし、一部の伝本に依存してきた『蒙求和歌』研究の環境を大きく改善した。また、同一故事の受容方法を他作品と比較することで文学史的な位置づけを試みたほか、和歌文学的見地からは新古今時代歌人としての源光行の和歌表現の特質を明らかにし、2種類ある本作品の成立過程については文体的特徴の比較という国語学的手法を用いて検討を行った。平成25年度の「研究実施計画」によって予定された研究課題のうち、(1)基礎的研究を中心に研究を進めた。具体的には『蒙求和歌』第三類本の翻刻・校訂作業を行い、「『蒙求和歌』第三類本本文〈三〉:哀傷部から雑部」(『京都大学国文学論叢』31号、2014.3)によって公表したことが大きな成果である。これにより、本文の提供がなされていなかった『蒙求和歌』第三類本の全体が初めて明らかとなった。第三類本は、池田利夫氏による諸本調査・分類考察によって、第一類本・第二類本の混態本と位置づけられ、原態から遠ざかった本文を有するものとして諸本研究の中で退けられがちであった。しかし、第一類本・第二類本本文現存写本に不備の少なくないことも明らかで、第三類本のみの独自本文が見いだせることは重要である。つまり、『蒙求和歌』本文の再検討に際して、第三類本が果たす役割は決して小さくなく、その本文を紹介したことは、これまでに活字化されてきた本文のみに依拠した研究の次の段階、新たな諸本研究・注釈研究へ向けての、基本資料整備の一環として、資するところが非常に大きい。さらに、同翻刻には、本文の翻刻だけではなく、『蒙求』の出典番号および第一類本・第二類本所収和歌との対応を示し、今後の研究の基礎となるべく調査結果を付している。また、同じく本文の公開が進んでいない、第一類本第二種本・第三種本について、先行研究で触れられていない諸本(無窮会蔵本・早稲田大学図書館本など)を中心に、資料を閲覧し書誌調査を行った。これらの一部は平成26年度中に成果の公表を予定している。「研究実施計画」によって予定された研究課題のうち、(1)基礎的研究において、大きな進展が果たせた。平成26年度は、本文が未紹介であった第二類第二種本・第三種本についての基礎的研究を主として行い、「「片仮名本『蒙求和歌』第二種・三種本の研究ー付第三種本翻刻と略異同ー」として公表した。これにより第二類第二種本・第三種本の様相を明らかにするとともに、『蒙求和歌』本文研究における第二類第二種本の重要性を指摘した。また、本文の提供がなされていなかった第三種本の本文を翻刻し、未紹介の一本を含めた三本の校異を示した。この成果により『蒙求和歌』研究に欠かせない、基礎的資料の整備を行うことができた点も大きな実績である。また、第二類第二種本のうち、多くの伝本の校合に用いられながら現存の確認できない宝永本と兄弟関係にあると位置づけられている広島大学本について、原本調査・本文研究を実施した。この調査の成果を含む第二類第二種本の本文については、平成27年度上半期での公刊へ向けて準備を進めている。また「研究実施計画」のうち、(4)『蒙求和歌』の学問的環境については、論文「女主、昌なりー日本中世における則天武后像の展開ー」(森田)によって、日本文学における中国史受容の実態について具体的な事例を基に検証を行い、『蒙求和歌』の位置づけを試みた。また(2)和歌文学としての『蒙求和歌』においても、研究協力者による成果が論文として公表された。『蒙求和歌』諸本のうち、本文が未公刊であった第二類本第二種本の本文を翻刻し、主要伝本との校異を含めた公刊を果たした。これにより主要な形態の伝本がほぼ出揃い、これまでの新編国歌大観のみに依存した研究環境を大きく改善することができた。同時に、前年度までに公刊を終えていた『蒙求和歌』第三類本(一類本・二類本の混態本)について、その基本的性格を検討し、両本が混態される過程において用いられた伝本はかなり良質ものであり、現存の一類本・二類本の欠脱を補い得る有効な資料となることを明らかにした。ただし、一部には第三類本特有の増補も見られることも併せて指摘した。さらに『蒙求和歌』のみならず、同じ源光行の著作である『百詠和歌』を対象に含めて、源光行の和歌表現を検討し、『蒙求和歌』『百詠和歌』の和歌表現に新古今的表現が頻出すること、さらに、光行の『源氏物語』研究の師である藤原俊成の影響が濃く認められることを指摘した。この研究により、漢詩和歌化という特殊性ゆえに見落とされてきた『蒙求和歌』『百詠和歌』を同時代の中に位置づけること、また光行の文学的形成を考える糸口を得ることが出来た。また、問題にされることの多かった『蒙求和歌』一類本・二類本の先後について、説話部分の文体から考察した。特に重視したのは漢文訓読的要素の軽重である。

「イハク...トイヘリ」という呼応や、係助詞ナムの使用などについて、その分布や両系統間の相違を通じて検討すると、二類本に訓読文的傾向が強いのに比して、一類本は和文的色彩が濃いことが明らかになる。このことに加え、『蒙求和歌』が漢籍の『蒙求』に基づいて成立しているという事実を考え合わせれば、訓読文的な二類本が先に成立し、それを改編して和文的な一類本ができたのだと結論づけられる。源光行『蒙求和歌』の未翻刻伝本の公刊を果たすとともに、その基本的性格を明らかにし、一部の伝本に依存してきた『蒙求和歌』研究の環境を大きく改善した。また、同一故事の受容方法を他作品と比較することで文学史的な位置づけを試みたほか、和歌文学的見地からは新古今時代歌人としての源光行の和歌表現の特質を明らかにし、2種類ある本作品の成立過程については文体的特徴の比較という国語学的手法を用いて検討を行った。(1)基礎的研究について、第二類第三種本の本文および諸本間の校異の公開を果たしたことで、諸本研究が大きく進展したと評価できる。また、第二類第二種本の本文整備に向けての準備も進められており、平成27年度上半期での公刊が予定されている。また(2)和歌文学としての『蒙求和歌』・(3)国語・漢籍資料と『蒙求和歌』・(4)『蒙求和歌』の学問的環境の個別研究課題についても、研究代表者・分担者・協力者がそれぞれの分担に従って研究を進めており、その一部はすでに論文として公表されている。以上、おおむね順調に進展していると評価できる。和漢比較文学平成27年度は、まず第二類第二種本についての本文公開へ向けた基礎研究を推進していく計画である。すでに、平成26年度までに一部の書誌調査を終えており、平成27年度に継続実施する書誌調査を経て、その本文を公刊する。これにより『蒙求和歌』各系統すべての主要伝本の公刊がなされることとなる。以上の本文研究の成果をふまえつつ、(2)和歌文学としての『蒙求和歌』・(3)国語・漢籍資料と『蒙求和歌』・(4)『蒙求和歌』の学問的環境の個別研究課題についても、平成27年度に、さらなる成果の公表が予定されている。(1)基礎的研究(2)和歌文学としての『蒙求和歌』(3)国語・漢籍資料と『蒙求和歌』(4)『蒙求和歌』の学問的環境の四つの研究課題を設定した。研究計画初年度として、(1)基礎的研究に該当する、第三類本の本文の公開を果たせたことは大きな達成である。また第一類第二種・第三種の本文整備へむけての基礎的調査を実施し、計画二年目、三年目での公刊への体勢を調えることができている。(2)(4)については、研究代表者・分担者が、それぞれの分担に従って研究を進めており、その一部は平成26年度に公開が予定されているものもある。したがって、おおむね順調に進展していると評価できる。平成26年度に実施した資料調査における資料撮影代等の請求が年度末に遅れることになったため、一部、次年度使用額として計上した。また、平成27年度上半期に、平成26年度に実施した調査研究に関して、研究協力者を含めた研究成果公開のための編集会議を実施することとなった。この会議実施にかかる謝金・旅費等の一部を平成26年度助成金によって支出することとしたため、次年度使用額が生じた。平成26年度は、第一類本第二種本・第三種本について、本文研究を進め、その位置づけを検討していく。これは、「研究実施計画」のうちの(1)基礎的研究にあたる。すでに、平成25年度中に、先行研究で触れられていない諸本(無窮会蔵本・中田光子旧蔵本・早稲田大学図書館本など)を中心に、書誌調査を行っており、その継続研究である。そのうち第一類本第三種本については、平成26年中に翻刻紹介を行う。
「盲ろう二重障害」インターネット教員研修システム構築に向けた調査・開発研究

1視覚と聴覚の両方に障害がある盲ろう二重障害は、希少性と教育の高度の専門性のために、欧米では国の主導により、研修システムが発展充実してきた。しかし、日本では多くの教員が希望しながらも、研修の機会が提供されないできた。その原因として「遠隔性」と「研修コンテンツの欠如」がある。この状況打開に向け、盲ろう二重障害教員研修システムの構築をめざし、次の目的を挙げ、研究を進めた。(1)盲ろう二重障害教育研修のためのコンテンツの開発研究。(2)インターネットを利用した研修プログラムを開発し実験的に実施する。その結果を踏まえ、実現可能な盲ろう教育研修システムを提案する。2研究期間の4年間に、上記研究目標達成のため、以下5領域の研究を進めた:(1)研修コンテンツ開発-国内事例研究・海外研究者との研究交流(日本に情報が不足する領域)(2)研修テキストおよびビデオ教材の作成:盲ろう全般にかかる基礎的研修コンテンツ盲ろう理解、盲ろうのコミュニケーション、疑似体験の方法、視覚および聴覚の基礎盲ろうの主要なサブグループにかかる研修コンテンツ高機能盲ろう、先天性風疹症候群、CHARGE症候群、アッシャー症候群による盲ろう盲ろう研修の効果について実験的研修の受講前と受講後の教育実践の変化を事例的に示したビデオ(3)盲ろう障害教育遠隔教育に関する海外情報収集と日本の状況に合った研修方法の開発(4)2回の実験的研修実施、フォローアップ、評価後に、改善された研修プログラムを再度実施(5)学会での成果報告3実現可能性のある盲ろう二重障害インターネット教員研修システムの提案内容は以下を含む:盲ろう教育研修基礎カリキュラム、遠隔と来所型研修の組み合わせ方、教材、受講者の組み合わせ、適正受講者数、講師め専門性、受講後の評価とフォローアップ方法、教員の異動が速い日本における盲ろう教育の専内性の継続と維持可能な研修の在り方。研究は大きく分けて、研修コンテンツ開発研究と、海外盲ろう教育研修システムの研究に分けられる。研修コンテンツ開発は、盲ろうの福祉・教育概論に関する資料収集、盲ろうの7つのサブグループについての実践的な資料収集、有効な研修方法の開発という3要素から成り立っている。今年度はサブグループの中で、医療との連携を緊密に必要とするCHARGE連合に焦点を当てた。海外の研修システムについては、アメリカとイギリスについて調査を行った。研修コンテンツ開発研究と作成・日本およびアジア地域における盲ろう福祉についての概論テキストにむけて、研究分担者が資料を収集した。盲ろう福祉概論の基礎資料に用いる。・盲ろうのサブグループであるCHARGE連合に焦点を当て、事例研究・実態調査を行った。また、アメリカから、2名の研究者(医療・教育)を招聘して、家族相談会および公開講演会を開催し、その資料をもとに、CHARGE連合についての情報をまとめた資料集とビデオ教材を作成した。・研修方法として有効な、疑似体験についての実践資料を収集した。弱視および盲ろう疑似体験の簡易キットおよびテキストをこの資料に基いて開発する。海外盲ろう教育研修システム研究・上記招聘研究者より、アメリカにおけるCHARGE連合についての研修システムについて情報を収集した。・研究分担者がイギリス・マンチェスター大学にて、盲ろう児の聴覚支援に関する研修方法の情報を収集した。

今年度はサブグループの中で、高機能盲ろうと先天性風疹症候群に焦点をあて、海外の研修システム調査は、アメリカとカナダで調査を行った。研修コンテンツ開発研究と作成・日本の盲ろう福祉についての概論テキストにむけて、研究分担者が、盲ろう児・者の適した空間について資料収集を行った。盲ろう福祉概論の基礎資料に用いる。・盲ろうのサブグループである高機能盲ろうと先天性風疹症候群に焦点を当て、事例研究・実態調査を行った。高機能盲ろうの少学生の、日本語獲得のための国語、本人の興味・関心を生かして展開する社会・歴史、具象から抽象的表現へ展開する美術等の教科を通年で事例研究をおこなった。これら資料にもとづく手引書とビデオの作成は来年度に実施する。先天風疹症候群による知的障害を併せ有する小学生の、行動の理解、時間の構造化、コミュニケーションの拡大についても、通年で事例研究をおこなった。これら資料にさらにもう一年、人間関係の拡大と余暇活動について事例研究をつづけ、ビデオと手引書の作成を行う。海外盲ろう教育研修システム研究・研究代表者が、カナダで開催された第13回Deafblind International研修システムについて情報を収集した。・研究分担者がアメリカ、テキサス盲学校における盲ろう巡回支援についての情報を収集した。インターネット教員研修システムの海外調査1として、アメリカに於けるユタ州立大学のSKI-HI研究所における盲ろうについての、教員向けおよび保護者向け研修の実地調査を行った。そのなかで、間接的な疑似体験のDVD教材、保護者向けの子どもの実態を包括的にとらえるためのポートフォリオ記入を土台にした盲ろうの基礎講座は、我が国の実態に適応させると、きわめて有効な教材であることが把握された。現在、子どもの実態把握を容易にするポートフォリオを土台にした基礎的研修教材を作成中である。海外調査2は、進行性の盲ろう生徒が高等教育に進んだ場合の支援の在り方についての調査として、アメリカ国立聾工学院における実地調査をおこなった。遠隔教育と実地演習を組み合わせた、モデル研修を実施した。盲ろうのサブグループのうちのCHARGE症候群による盲ろうと、他の障害を併せ有する盲ろうの、二つのタイプの盲ろうについて、聾学校教諭2名、知的障害養護学校教諭1名、肢体不自由養護学校教諭1名の計4名の教員を対象に、二グループに分けて実施した。モデル研修は、以下の4部から構成した。1自習型教材による事前学習と担当生徒についての情報の整理・ビデオ撮影2来所型研修による、より専門的な講義、疑似体験、担当生徒についての討議などの演習3研修実施後2ヶ月後のフォローアップ4教員間のネットワーク形成と促進事前学習教材は、本研究で開発した、CHARGE症候群についてのビデオ、試験的に作成した子どもの情報を整理するためのポートフォリオを用いた。研修実施後のアンケートでは、高い評価を受講者から得た。
強度及び分解速度の最適化に向けた生体吸収マグネシウム合金の組織制御

マグネシウムは人間にとって重要な必須元素であり,インプラント材に用いることで,患部が完全に治癒した後,体内に徐々に溶けて消失するので,低侵襲医療デバイスとして理想的な生体吸収材料である.しかし,生体吸収マグネシウム合金の体内における最適強度の実現および分解速度の制御が依然課題となり,医療用デバイスの応用にはまだ十分に実用化されていない.そこで,本研究は生体吸収マグネシウム合金を用いた高機能化した低侵襲医療デバイスの実用化を実現するため,バニシング加工によりマグネシウム合金の表層部結晶組織を制御することで,生体吸収マグネシウム合金製品の任意の部分の強度制御および分解速度の制御を実現することを目的としている.平成30年度には,まず加工パラメータを精密に制御可能なバニシング加工システムを構築した.従来のバネを内蔵したバニシング工具は,加工開始する前にバネに与える与圧を事前に調整する必要が有るため,場所ごとに塑性ひずみを精密に導入することが困難である.そこで,本研究はロードセルとアクチュエータを内蔵した力制御可能なボールバニシング工具を提案した.加工中に生じる荷重の測定値をリアルタイムでフィードバックすることで,空気圧サーボの出力を調整できるオンマシンバニシング力制御システムを構築した.また,生体吸収マグネシウム合金AZ31の試験片に対して,細かく加工条件を変更し,加工による得られた表面改質層に対して,粗さ計測,硬さ計測,残留応力分析を行い,加工条件が表面特性に与える影響を明らかにした.加工した試験片の表面観察,断面観察,XRD解析を行うことによりバニシング加工が素材表面の結晶粒径,結晶方位などの変化へ与える影響を実験的に明らかにした.初年度では,まず加工パラメータを精密に制御可能なバニシング加工システムを構築した.構築したシステムを用いてAZ31の試験片に対してバニシング力,送り速度,パス間隔などの加工条件を変更しながら加工実験を行い,構築した加工システムの有効性が確認した.非接触粗さ測定機を用いて得られた表面を測定し,加工パラメータが表面粗さに与える影響を評価した.結果として,パス間隔が表面粗さRaへの影響は支配的であることが分かった.また,光学顕微鏡を用いて試験片の表面観察及び断面観察を行い,バニシング加工による試験片表面の結晶粒が微細になり,約0.5mmの加工硬化層が得られることが確認した.加工パラメータが得られた表面の硬さへ与える影響を評価した結果,バニシング力が表層部の硬さ変化に重要な要因であることが分かった.さらに,微小部X線回折装置を用いて試験片のスペクトルを測定し,バニシング加工を実施することにより試験片の(10-10)方向の結晶数と(0002)方向の結晶数両方増加したことが確認した.以上により,加工パラメータを適切に設定することにより,生体吸収マグネシウム合金の結晶粒径および結晶方位をコントロールできる可能性を示した.平成31年度には,人体の体内環境を模擬した腐食実験装置を試作する予定である.腐食速度を適切に評価するために,擬似体液の成分(塩分,タンパク質,アミノ酸など),擬似体液の流速・温度を適切に制御し,加工による得られた生体吸収マグネシウム合金試験片の腐食挙動および分解速度について評価できる腐食実験装置を試作する.平成31年度以降には,バニシング加工および熱処理による生体吸収マグネシウム合金の強度および分解速度制御手法の構築を試みる.バニシング加工に得られた試験片を試作した体内環境を模擬した装置に一定時間に浸漬し,引張試験やSEM表面観察を用いることで,腐食によりその機械強度および表面性状の変化ついて評価する.また,バニシング加工に得られた表面特性(表面粗さ,硬さ,残留応力)の変化および結晶組織の変化が生体吸収マグネシウム合金の分解速度にどのように影響を及ぼすことを検討する予定である.マグネシウムは人間にとって重要な必須元素であり,インプラント材に用いることで,患部が完全に治癒した後,体内に徐々に溶けて消失するので,低侵襲医療デバイスとして理想的な生体吸収材料である.しかし,生体吸収マグネシウム合金の体内における最適強度の実現および分解速度の制御が依然課題となり,医療用デバイスの応用にはまだ十分に実用化されていない.そこで,本研究は生体吸収マグネシウム合金を用いた高機能化した低侵襲医療デバイスの実用化を実現するため,バニシング加工によりマグネシウム合金の表層部結晶組織を制御することで,生体吸収マグネシウム合金製品の任意の部分の強度制御および分解速度の制御を実現することを目的としている.平成30年度には,まず加工パラメータを精密に制御可能なバニシング加工システムを構築した.従来のバネを内蔵したバニシング工具は,加工開始する前にバネに与える与圧を事前に調整する必要が有るため,場所ごとに塑性ひずみを精密に導入することが困難である.そこで,本研究はロードセルとアクチュエータを内蔵した力制御可能なボールバニシング工具を提案した.加工中に生じる荷重の測定値をリアルタイムでフィードバックすることで,空気圧サーボの出力を調整できるオンマシンバニシング力制御システムを構築した.また,生体吸収マグネシウム合金AZ31の試験片に対して,細かく加工条件を変更し,加工による得られた表面改質層に対して,粗さ計測,硬さ計測,残留応力分析を行い,加工条件が表面特性に与える影響を明らかにした.加工した試験片の表面観察,断面観察,XRD解析を行うことによりバニシング加工が素材表面の結晶粒径,結晶方位などの変化へ与える影響を実験的に明らかにした.初年度では,まず加工パラメータを精密に制御可能なバニシング加工システムを構築した.構築したシステムを用いてAZ31の試験片に対してバニシング力,送り速度,パス間隔などの加工条件を変更しながら加工実験を行い,構築した加工システムの有効性が確認した.非接触

粗さ測定機を用いて得られた表面を測定し,加工パラメータが表面粗さに与える影響を評価した.結果として,パス間隔が表面粗さRaへの影響は支配的であることが分かった.また,光学顕微鏡を用いて試験片の表面観察及び断面観察を行い,バニシング加工による試験片表面の結晶粒が微細になり,約0.5mmの加工硬化層が得られることが確認した.加工パラメータが得られた表面の硬さへ与える影響を評価した結果,バニシング力が表層部の硬さ変化に重要な要因であることが分かった.さらに,微小部X線回折装置を用いて試験片のスペクトルを測定し,バニシング加工を実施することにより試験片の(10-10)方向の結晶数と(0002)方向の結晶数両方増加したことが確認した.以上により,加工パラメータを適切に設定することにより,生体吸収マグネシウム合金の結晶粒径および結晶方位をコントロールできる可能性を示した.平成31年度には,人体の体内環境を模擬した腐食実験装置を試作する予定である.腐食速度を適切に評価するために,擬似体液の成分(塩分,タンパク質,アミノ酸など),擬似体液の流速・温度を適切に制御し,加工による得られた生体吸収マグネシウム合金試験片の腐食挙動および分解速度について評価できる腐食実験装置を試作する.平成31年度以降には,バニシング加工および熱処理による生体吸収マグネシウム合金の強度および分解速度制御手法の構築を試みる.バニシング加工に得られた試験片を試作した体内環境を模擬した装置に一定時間に浸漬し,引張試験やSEM表面観察を用いることで,腐食によりその機械強度および表面性状の変化ついて評価する.また,バニシング加工に得られた表面特性(表面粗さ,硬さ,残留応力)の変化および結晶組織の変化が生体吸収マグネシウム合金の分解速度にどのように影響を及ぼすことを検討する予定である.次年度に国際会議INCASE2019が開催するので,今年度情報収集するための旅費を節約し,研究成果を次年度の国際会議INCASE2019で発表する予定がある.
次世代型殺鼠剤開発を目的とした殺鼠剤抵抗性ラットの抵抗性獲得機序の解明

野生齧歯類は様々な感染症を媒介するため駆除する必要がある。駆除には殺鼠剤が用いられたがこれらに抵抗性を有す個体群が出現し駆除を困難にしている。従来抵抗性群は殺鼠剤の標的分子が変異し殺鼠剤が結合しにくい形になるのが原因と考えられてきた。本研究では殺鼠剤の解毒代謝機能を評価した。その結果、抵抗性群では肝で殺鼠剤を代謝し排泄する能力が向上しており、標的分子の変異と代謝能の向上という二つの機構を併せ持つことが判明した。殺鼠剤抵抗性齧歯類が世界各地の都市部に出現している。これらは人獣共通感染症の媒介動物となる危険性があるが、現在都市部で主に用いられているワルファリン等抗血液凝固系の殺鼠剤に対し抵抗性を有している。このため現在有効な駆除方策がなく公衆衛生上の問題である。抵抗性獲得機序の解明とそれに応じた新規防除策の提案は急務である。抵抗性には大きく、抗血液凝固系殺鼠剤の標的分子ビタミンKエポキシド還元酵素(VKOR)の遺伝子変異と、殺鼠剤摂取後の代謝など体内動態の変化が寄与すると考えられている。しかしVKOR変異が生体の感受性に与える影響や、代謝能に変化をもたらす因子は不明であり、抵抗性の解明にはこれらを包括的に観察する必要がある。当該研究では東京新宿由来のワルファリン抵抗性クマネズミと小笠原諸島由来の感受性クマネズミのクローズドコロニーをモデル動物とし、上記の複数の観点からワルファリンへの応答を観察し抵抗性獲得機序の包括的な解明を試みる。本年度は本抵抗性クマネズミのワルファリン代謝能を解明することを目的とし、in situでの肝灌流試験により生体に近い条件でのワルファリン代謝活性を測定した。一方で、肝臓より薬物代謝酵素画分を抽出し、in vitroでのワルファリン代謝試験も実施することで代謝酵素の機能も評価した。その結果、in situ肝灌流試験では抵抗性群において3-8倍程度有意に高いワルファリン代謝能が確認された。一方in vitro代謝試験では抵抗性群は1.2-1.3倍程度と有意だがin situ試験に比べ軽度の高代謝能を示した。これらの結果から上記抵抗性群は高いワルファリン代謝能を持つが、その原因はin vitro試験で観察した薬物代謝酵素シトクロムP450自身ではなく、in vitro試験で観察できない、生体内でのP450の活性に必要な電子伝達系などの補因子にある事が示唆された。当該研究の当初計画では殺鼠剤抵抗性ラットを用いた肝灌流試験によりその肝ワルファリン代謝能を解明する予定であった。本年度は野生クマネズミクローズドコロニーを用いたワルファリン肝灌流試験の手技を確立し、実際にそれらが高い肝ワルファリン代謝能を持つことを明らかとした。それに加え、in vitroでのP450画分を用いたワルファリン代謝活性試験、薬物代謝酵素発現量の定量も行いこれらの結果と前述の肝灌流試験の結果を比較することができた。その結果、今回用いたラットは高い代謝能を持つ反面その機序はこれまで報告にない薬物代謝酵素以外にあるという興味深い結果が得られた。これまで殺鼠剤抵抗性ラットの研究は標的分子VKORの遺伝子変異や肝臓の酵素画分を用いた研究に限られており、生体レベルでの殺鼠剤代謝能を解明した報告は本研究が初めてである。また、高代謝に寄与する因子が電子伝達系などにある事が示唆されたが、これらは従来抵抗性に関与することは知られておらず、今後のさらなる研究が期待される結果となった。以上から、今年度の研究成果は当初の予定を超えて本研究を推進できたものと判断し進捗状況を1とした。野生げっ歯類は種々の人獣共通感染症を媒介するため殺鼠剤による駆除は不可欠である。しかしワルファリン(Wf)など殺鼠剤に対し抵抗性を有する個体群が世界各地に出現している。現在これらに有効な防除策は乏しく、抵抗性獲得機序の解明と新規防除策の提案は急務である。これまでWf抵抗性の原因はWf標的分子ビタミンKエポキシド還元酵素の遺伝子変異だと考えられてきたが、申請者らが東京の殺鼠剤抵抗性ラットのWf体内動態を解析した所、血中からのWf排泄が亢進しており、抵抗性にWfの代謝・排泄も寄与することが示唆された。そこで、当該研究では抵抗性げっ歯類の肝代謝機能解明を試みた。1肝灌流試験により肝代謝能を評価した所、Wfの代謝産物である5つの水酸化体全てにおいて抵抗性群が感受性群より510倍程度有意に高い生成量を示し、抵抗性群が高い肝ワルファリン代謝能を持つと判明した。2Wf代謝を担う薬物代謝酵素シトクロムP450を評価するため肝酵素画分とWfをin vitroで反応させ酵素速度論的に解析した。この際、P450の活性に必要な電子供与体NADPHを過剰量添加・NADPHの前駆体であるNADP+を添加し肝酵素画分にNADPHを産生させる二群を作った。NADPH過剰添加系では抵抗性群は感受性群より有意に高い酵素活性を示したがその差は軽微であった。一方、NADP+を添加するとその差は顕著になった。つまり抵抗性群の高代謝能は代謝を直接担うP450が原因ではなく、電子供与体NADPHの産生能向上が原因と示唆された。3抵抗性群におけるNADPH

産生能を評価すると抵抗性群では肝臓での主要なNADPH産生源であるペントースリン酸経路によるNADPHの産生速度が感受性群に対し有意に高かった。野生齧歯類は様々な感染症を媒介するため駆除する必要がある。駆除には殺鼠剤が用いられたがこれらに抵抗性を有す個体群が出現し駆除を困難にしている。従来抵抗性群は殺鼠剤の標的分子が変異し殺鼠剤が結合しにくい形になるのが原因と考えられてきた。本研究では殺鼠剤の解毒代謝機能を評価した。その結果、抵抗性群では肝で殺鼠剤を代謝し排泄する能力が向上しており、標的分子の変異と代謝能の向上という二つの機構を併せ持つことが判明した。今年度の研究成果を受けて、今後は大きく下記の2つに着目し当該研究を継続する。1電子伝達系に着目したワルファリン高代謝機構の解明今年度得られた結果から、東京の殺鼠剤抵抗性ラットでは肝臓での高いワルファリン代謝能を有しその機序はワルファリン代謝を担う酵素シトクロムP450ではなく、その活性に必要な電子伝達系などの補因子にある事が示唆された。今後は高代謝能獲得機序の解明を目指し、肝サンプルを用いたメタボローム解析、トランスクリプトーム解析を行う。これらの試験系は生体内の諸代謝物・遺伝子発現量の変動を網羅的に観察することができる。本手法により、電子伝達系の諸因子での抵抗性ラットと感受性ラットの差を観察する。これにより発見した候補物質、遺伝子については個々により詳細な解析を加え高代謝能に寄与する因子の同定を目指す。2ワルファリン標的分子VKOR遺伝子変異が生体に与える影響の解明また、抵抗性に関与するもう一つの機序として挙げられているワルファリン標的分子VKORに生じた遺伝子変異が生体内でのワルファリン感受性に与える影響を観察する。現在、VKORの活性に必要な生体内での電子供与体は不明であり、VKOR活性の測定は試験管内で還元剤(ジチオスレイトール:DTT)との反応による系が主流である。しかしDTTはVKORの生理的な電子伝達系の流れを超えた反応を行うことが知られており、現在VKOR変異が感受性に与える影響を正確に定量できる手法は乏しい。これを受けて、昨年度行った肝灌流試験を応用し、生理的な条件でのVKOR活性を測定することを目指す。本手法はVKOR変異に加え上述の代謝も加味した反応を観察できる。また、一方で簡便な手法として、DTTに代わりVKORの自然な活性を測定できる還元剤を探索し、肝灌流との結果と比較しVKOR変異が生体に与える影響の正確な評価を目指す。毒性学
入力文の分割・翻訳・連結による同時通訳システム

同時通訳機能を備えた音声翻訳システムの新しい翻訳方式として、入力文を(1)単文相当に分割し、(2)各々を翻訳し、(3)翻訳結果をうまくつなげながら訳す、という分割・翻訳・連結による機械翻訳方式の開発を推進した。本研究組織が有する自然言語処理と音声言語処理に関する基礎研究の成果を活用し、音声の入力途中の段階で「うまく分割する」技術と翻訳された結果を「うまく連結できる」技術に焦点をあてて実施した。本研究では、同時通訳機能を備えた音声翻訳システムの新しい翻訳方式として、入力文を適切な翻訳単位に分割し、各々の単位に対応する訳文を作成し、それらをうまくつなげながら翻訳結果を生成するという、「分割・翻訳・連結による同時翻訳方式」の実現を目的とする。このために初年度は、以下の研究項目を推進し、いくつかの成果を得ることができた。1.対訳対応つき音声言語コーパスの構築:音声データの同時翻訳単位への分割、及び、単位ごとに対訳対応が与えられたコーパスを作成した。作成は、名古屋大学同時通訳データベースに対して注釈を与えることにより実施した。すなわち、全16講演に含まれるすべての文に対して、それを意味的単位に人手で分割し、各単位に同時通訳に適した形式で訳文を付与した。これは本研究を推進する上での基盤データとして使用される。2.音声言語コーパスの分析とその応用:コーパスの分析により同時翻訳単位の音響的特徴(速度、ポーズなど)、言語的特徴(構文構造、節境界など)を明らかにした。これらのデータを用いて以下に示す研究内容を実施した。(1)講演文の意味単位への分割手法を構築した。抽出した特徴を考慮した機械学習手法を考案し、適切な長さへの分割を約80%の精度で実現できることを確認した。(2)対話文の翻訳単位としての基本的性質とその分割技術を開発した。節境界タイプを考慮することにより、同時性を満たす単位境界検出において78%の精度に達することを明らかにした。本研究では、同時通訳機能を備えた音声翻訳システムの新しい翻訳方式として、入力文を適切な単位に分割し、各々の単位に対応する訳文を作成し、それらをうまくつなげながら翻訳結果を生成するという「分割・翻訳・連結による同時翻訳方式」の実現を目的とする。今年度は、初年度に構築した対訳対応付き音声言語コーパスを基盤に、以下の研究項目を推進し、いくつかの成果を得ることができた。1.音声言語文の単位分割手法の開発:講演の翻訳の同時性を高めることを目的に、日本語講演テキストの単位分割手法を開発した。23,598文節規模の日本語講演データに対して、形態素、文節、節、及び、係り受け構造などの言語タグを与え、それに対して改行挿入実験を実施した。実験には同時通訳コーパスを使用した。ベースラインと比較し、大幅に性能が向上しており、本手法の効果を確認することができた2.翻訳単位間の意味関係の推定手法の開発:翻訳単位間の意味的関係に基づいて対訳表現を適切に連結することを目的に、接続助詞「が」のあいまい性を解消する手法を開発した。本手法では、入力として接続助詞「が」を含む文を入力し、その意味関係が「逆接」であるか「逆接以外」であるかを推定する。本研究では、新聞記事コーパスから大量の学習データを自動的に作成することを可能にした。推定実験の結果、正解率75.0%を達成した。3.同時的な文構造解析技術の開発:音声言語文をその入力と同時的に解析するための高精度な手法を開発した。本手法では、接合操作に基づくアプローチを採用することにより、左再帰構造に起因する局所的曖昧性の問題を回避する。単語間の依存関係に注目し、依存関係の一貫性が保たれるような操作のみを許容することにより、下降型解析に基づく従来の解析手法と比べてより高精度な解析が実現できることを実験により確認した。最終年度として、これまでに構築した言語基盤ならびに要素技術をもとに、入力文の分割、翻訳、連結に基づく同時通訳機能の実現に関する研究を推進した。1.同時通訳機能の設計:同時通訳プロセスの基本設計を与えた。システムを構成するモジュールとして「解析」「分割」「翻訳」及び「連結」を設定し、それぞれの機能を明確化した。設計にあたっては、処理の精度に加え、通訳タイミングを重視して設計した。さらに、これらの設計を既存の同時通訳コーパスの構成に反映し、コーパスへのアノテーションの拡張を実施した。2.同時通訳の要素技術の高性能化:これまでに開発した以下の要素技術について整備し、同時通訳機能を実現するための高性能化を推進した。(A)入力文の解析技術:文の入力と同時進行的に解析を実行する技術を開発した。実験により、本手法が通常の文単位の構文解析システムと同程度の精度を有し、かつ、リアルタイムに実行できる解析性能を有していることを確認した。(B)入力文の分割技術:講演文及び対話文を対象に、係り受け関係、節境界の位置・種類、ポーズ長など、分割位置に関連する要因をパラメータとする確率モデルを実装した。

開発用データを用いて分割実験を繰り返し、分割に最適なパラメータとその組み合わせを決定した。(C)分割された単位間の関係検出技術:単位間の関係を、連体修飾、主題-述語などの文法的側面から定め、それを係り受け構造を考慮して自動的に検出する確率モデルを実現した。同時通訳コーパスを用いた実験によって高い検出性能を備えていることを明らかにした同時通訳機能を実現するために上述の諸技術を統合可能性について検証を与えた。具体的には、旅行をドメインとする対話文、及び、日常トピックを対象とした講演文をターゲットとして選定し、その実現可能性を確認することができた。
金属炭化物の酸化における界面反応とクラックの発生機構

TiC、ZrC、HfC、NbCの粉末、単結晶試料を使って酸素分圧416kPa、温度400800゚Cで酸化し、速度論的考察と酸化物の界面での詳細なSEM、TEM観察、EPMA分析によって界面反応を決定し、クラックの発生を含めた酸化機構を解明し、次の知見を得た。1)TiCの酸化は四段階を経て進行し、クラックがオキシカーバイト/チタン低級酸化物の生成とアナターゼの結晶化によって発生する。2)ZrCを酸化するとi)ZrC_<1-x>O_xがZrC中に生成し、さらに酸化が進行すると炭素を1423at%含んだ比較的緻密なzone1と炭素を710at%含んだ多数のポアー、クラックの入ったzone2から成る酸化物層が生成した。ii)zone1では数十nmのサイズの立方晶ZrO_2粒子が生成し、zone2ではこの粒子が凝集、成長するためポアーが生成することが分かった。iii)zone1は放物線則に従って成長するが、ある厚さ(24μm)に達すると一定となった。zone2は時間に対して直線的に成長した。3)HfCの酸化はほとんどZrCの場合と同様な結果となった。4)NbCの酸化は界面での化学反応が律速となり進行した。粒子中のクラッキングが酸化を著しく促進した。界面反応が律速なのは、結晶表面に対して垂直な方向に伸びた柱状粒子の為と結論できた。単結晶炭化ジルコニュウム(ZrC)の(100)画を切り出し、その面を鏡面研磨した試料を、酸素分圧2.7kPa、温度500、550、600°Cで酸化し、酸化による重量増加量を微量電気天秤で連続的に追跡して、酸化を速度論的観点から検討した。さらに、酸化した試料を切断し、その面の走査型電子顕微鏡による生成相の形態観察、背面反射法による組成分布さらにEPMAによる酸素、炭素、Zr各元素の定量分析を行って次の知見を得た。1.500°Cでは200h酸化しても重量増加量が僅かなため、酸化速度を解析できなった。550、600°Cでは、酸化は時間に対して直線的に進行することがわかった。2.X線回折の結果、酸化による試料表面での生成相は立方晶と斜方晶のZrO_2で、結晶子径は非常に小さく、100A程度であった。試料断面を観察すると、生成層はち密でクラックのないZrcに密着した中間層(M層)とクラックが多数入った層(Z層)の2層から成っていた。3.EPMAの結果、このM層とZ層はZrO_2であり、M層には炭素が多量に含まれその量はZrO_21molに対して30100mol%にも達し、M層中で濃度勾配を示した。この炭素はZ層中にも残存しクラック発生箇所では非常に少なくなった。4.M層とZ層の厚さの経時変化を測定すると、いずれも温度の上昇と共に増加するが、一定温度下ではM層の厚さは時間に依存せず一定となり、Z層の厚さは直線的に増加した。5.以上の結果に基づき、ZrCの酸化反応を考察した。ZrCのうちZrは酸化されてZrO_2を生成するが、炭素を酸化する程に酸素ボテンシャルが高くないためZrC/ZrO_2界面で炭素を析出し、ち密で炭素を多量に含むM層が生成する。このM層がある厚さに成長するとクラックが入りZ層となる。従って、M層の厚さは一定に保たれ、クラックの多数入ったZ層が厚くなる。HfCの単結晶を酸素分圧58kPa、温度500800°Cで酸化して、酸化物層のSEM観察とEPMA分析を行い、酸化速度の結果と合わせて次の知見を得た。

1)酸化物層のSEMの組成像において、HfCサイド側により濃い灰色をしたコントラストを持つzone1と淡いコントラストを有するzone2の二層から成っていた。2)zone1では元素のX線強度比C/Hfが非常に高く、この領域で炭素が析出し、特にHfC/zone1界面での析出量が多かった。(3)zone1の厚さは温度、時間に余り依存せず、24μmとなった。一方、zone2は各温度共に時間に対して直線的に厚くなった。4)zone1に比べzone2ではポアー、クラックが多数入っていた。NbCの酸化を二種類の粉末と単結晶を使って、酸素分圧8kPa、温度390-610°Cで行い速度論的に考察すると共に、酸化物層のSEM観察、TG-DTA-MS同時測定を行って次の知見を得た。1)いずれの試料も酸化は界面での化学反応が律速となって進行した。2)酸化に伴う粉末粒子中のクラッキングが酸化を促進し、特に、485°C以上の温度で酸化が多量のCO_2放出を伴って爆発的に進行した。これは、クラッキングによって露出した新しい反応表面の急激な酸化によるものである。3)単結晶の酸化物層は多孔質で表面に垂直な方向に伸びた柱状粒子から成っていた。この酸化物の形態が、反応界面での化学反応が律速であることの原因となっている。
メダカ体幹部で一生涯ロバストに維持されるzic1発現境界形成メカニズム

メダカ体幹部は脊索を中心として背側と腹側が大きくコンパートメント化している。特に背側ではzic1及びzic4(zic1/zic4)が発現し、筋肉の形態や色素パターンなどの背側特異的な特徴を生み出す。興味深いことにzic1/zic4は脊索付近に明瞭で直線的な発現境界をもち、この境界は一生涯維持される(図1A; Kawanishi et al, Development 2013)。このように体の背腹を一生涯分断するような大規模かつロバストなコンパートメント境界はこれまで報告がない。本研究の目的は、どのようなメカニズムでこの境界が形成され維持されるのかを明らかにすることである。平成30年度はさらに研究を進め、HBSがzic1発現境界を作る分子メカニズムを以下のように明らかにし、その成果を公表した(Abe et al., Cell Report 2019)。まず、神経管背側から分泌されるカノニカルWntsがzic1の発現を誘導することをつきとめた。そこでカノニカルWntシグナルの抑制因子で体節で発現する遺伝子を探索しhhipに着目した。メダカにおけるhhipの発現パターンの解析から、hhipはHBCsで強く発現し、CRISPR/Cas9システムを用いてhhipノックアウトメダカを作成したところ、hhipノックアウトメダカではHBCsは形成されるにもかかわらず、zic1発現境界の精緻化が異常になることがわかった。さらにhhip分子がカノニカルWntz分子と直接結合することを共免疫沈降法によって確かめた上で、hhipを発現させた培養細胞をWntレポータ細胞と共培養させると、Wntシグナル活性が確かに低下することがわかった。以上から、背腹中心に位置するHBCsで発現するhhipがzic1の上流であるwnt分子をトラップすることでzic1発現境界が形成・精緻化され、最終的には自身が背腹を分断する水平筋中隔へ分化することで物理的バリアとして機能し、発現境界を維持していることが示唆された。申請者らは、発生初期は正常でありながら発生後期になって徐々に背側の体型、ヒレの形、色素パターンなどが全体として腹側化してしまうユニークなメダカDouble anal fin (Da)変異体を用いた研究から、体幹部では発生初期の背腹情報は、いったん体節に集約されてzic1/zic4(Daの原因遺伝子)のオン・オフという二値的情報に変換され、その後「改めて」、zic1/zic4を発現する体節細胞がヒレなどの体幹部の表皮組織を背側化へと誘導すること、またzic1は成体でも、体節に由来する器官(椎骨、筋節、真皮)の背側で発現が強く維持されており、その発現境界に特殊な細胞群(boundary cellと命名)が存在することを発見した。そこで本研究では、脊索レベルで一生涯明確に保たれるzic1/zic4発現境界がどのような機構で形成されるのかを明らかにすることを目指す。平成28年度は、以下の2点を明らかにした。1. zic1上流因子2.Boundary前駆細胞の位置の特定Boundary細胞の由来を調べるため、全身でDsRedを発現する胚(βactin-DsRed)の細胞を野生型胚に移植してキメラを作成し、Boundary細胞がラベルされた胚について映像を遡ることで前駆細胞の位置を調べたところ、体節の分節直後は脊索付近に位置していたことが明らかとなった。研究計画当初は、平成28年度はzic1上流因子の同定とBoundary前駆細胞の位置の特定、さらにBoundary細胞で発現する遺伝子群を少数細胞RNA-seq法によって網羅的に検出する予定であった。前者2つは計画通りに進んだ。少数細胞RNA-seq法については、zic1-GFPの発現強度によってboundary細胞のみを選択する条件検討にとどまっているもののおおむね順調に進展している。メダカ体幹部は、背側特異的に発現し、明瞭な発現境界をもつzic1/zic4によって背腹が仕切られている(Kawanishi et al, Development 2013)。本研究ではこのように体の背腹を一生涯分断するような大規模かつロバストなコンパートメント境界の形成メカニズムの理解を目指す。昨年度までに、zic1発現を可視化したトランスジェニックメダカ(zic1:GFP)を用いてzic1発現境界の精緻化とともに出現する新規の細胞群を見出した。今年度はこの細胞群(Boundary cells)の機能を以下のように調べた。zic1発現境界の位置は水平筋中隔(魚類体幹部の背腹を分断するシート状の構造)の位置と一致する。Boundary cells挙動を解析したところ、体節が成熟するにつれて、数を増やしながら水平的に拡大してシート状の構造を形成し、からだの中心である脊索付近まで到達することがわかった。このことから、Boundary cellsは今まで由来が不明であった水平筋中隔の前駆細胞であることがわかった。次に、ヘッジホッグシグナルの阻害剤であるサイクロパミンを用いてBoundary cellsの形成を阻害したところ、zic1発現境界が正常に形成されず、zic1の発現が腹側に拡大した。さらに、Boundary cellsの移動を魚類体節細胞の水平移動に関わることが示唆されているSDF1/CXCR4シグナルをCXCR4のアンタゴニストであるAMD3100で阻害した結果、zic1発現境界が乱れた。以上の結果から、Boundary cellsは明瞭なzic1発現境界の形成に関与することが検証された。

平成28年度に発見し体節内の脊索付近で生じる新規細胞群が、水平筋中隔という体幹部にとって重要な組織の前駆細胞であることを初めて明らかにでき、しかもそれらの細胞がzic1発現境界の形成に関与することがわかり、本研究の目的が細胞レベルで半ば明らかにすることができたため。メダカ体幹部は脊索を中心として背側と腹側が大きくコンパートメント化している。特に背側ではzic1及びzic4(zic1/zic4)が発現し、筋肉の形態や色素パターンなどの背側特異的な特徴を生み出す。興味深いことにzic1/zic4は脊索付近に明瞭で直線的な発現境界をもち、この境界は一生涯維持される(図1A; Kawanishi et al, Development 2013)。このように体の背腹を一生涯分断するような大規模かつロバストなコンパートメント境界はこれまで報告がない。本研究の目的は、どのようなメカニズムでこの境界が形成され維持されるのかを明らかにすることである。平成30年度はさらに研究を進め、HBSがzic1発現境界を作る分子メカニズムを以下のように明らかにし、その成果を公表した(Abe et al., Cell Report 2019)。まず、神経管背側から分泌されるカノニカルWntsがzic1の発現を誘導することをつきとめた。そこでカノニカルWntシグナルの抑制因子で体節で発現する遺伝子を探索しhhipに着目した。メダカにおけるhhipの発現パターンの解析から、hhipはHBCsで強く発現し、CRISPR/Cas9システムを用いてhhipノックアウトメダカを作成したところ、hhipノックアウトメダカではHBCsは形成されるにもかかわらず、zic1発現境界の精緻化が異常になることがわかった。さらにhhip分子がカノニカルWntz分子と直接結合することを共免疫沈降法によって確かめた上で、hhipを発現させた培養細胞をWntレポータ細胞と共培養させると、Wntシグナル活性が確かに低下することがわかった。以上から、背腹中心に位置するHBCsで発現するhhipがzic1の上流であるwnt分子をトラップすることでzic1発現境界が形成・精緻化され、最終的には自身が背腹を分断する水平筋中隔へ分化することで物理的バリアとして機能し、発現境界を維持していることが示唆された。今後はBoundary細胞の可視化とBoundary細胞が分泌すると予想されるzic1上流因子の阻害因子を同定をめざす。そのために、Boundary細胞で発現する遺伝子群を少数細胞RNA-seq法によって網羅的に検出する。具体的にはzic1:GFP Tg胚のBoundary細胞がGFP(zic1)を強く発現することを利用してフローサイトメトリーによって分画し、quarts-seq法(Sasagawa et al., 2013)によりcDNAを増幅、MiseqおよびHiseq1500を用いて配列決定する。その後イルミナのfastqを用いて配列のマッピング、遺伝子タグ数を算出する。タグ数をRにおいてTCCプラグインを用いてノーマライズする。これらRNA-seq法で同定された遺伝子群の中からマーカとなりうるものを特定し、その調節領域用いてトランスジェニック(Tg)を作出する。