hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
自己推進系の非線形ダイナミクス

自己推進系として「非線形散逸伝搬波」と「変形する自己駆動粒子」を対象とした理論研究を行った。前者に対しては外場やフィードバック相互作用による制御と安定性を調べた。自己推進粒子の個別運動では、並進運動だけではなくスピン運動も起こす場合のモデル化とその性質を2次元と3次元で詳細に研究した。また、並進、変形、スピンおよび、外場、流れ場の非線形結合により、多彩なダイナミクスが現れることを示した。自己推進粒子集団のダイナミクスについては伝搬するバンド構造が出現し、そのバンドは正面衝突によって壊れず、あたかもソリトンのように振る舞うことを発見した。非線形散逸波のダイナミクスに関しては、前年度の研究をさらに発展させ、以下の二つの課題について研究を行った。一つはチューリングパターンを示す興奮性反応拡散方程式に遅延フィードバックをかけ、その強度と遅延の大きさを変化させたときの振る舞いを計算機シミュレーションと理論解析で調べた。動かない空間周期間が伝搬を起こしたり、空間周期構造が不安定化し一様な時間振動に変化するなどの結果を得た。もう一つは動かない孤立局在解に遅延フィードバックをかけることにより伝搬をおこさせたり、あるいは、伝搬を停止させたりの制御が可能であることを示した。これらの成果は非平衡パターンの制御への応用の可能性を開くと同時に、非線形ダイナミクスの新たな理論展開を起こすものとして意義がある。自己推進粒子ダイナミクスにおいては、並進運動だけではなく回転(スピン)運動も起こす場合のモデル化とその性質を2次元と3次元で詳細に研究した。並進、変形、スピンの非線形結合により、多彩なダイナミクスが現れることを予言している。自己推進粒子集団のダイナミクスについても空間2次元で大規模な数値シミュレーションを行った。粒子密度を増加させると秩序だった運動が現れるが、さらに密度を上げると秩序状態が崩壊することを見いだした。さらに、この秩序崩壊の近傍では一様伝搬秩序状態は不安定化し、無秩序状態のバンド構造が発現することを発見した。粒子の推進速度が周りの粒子密度の増加関数であるようにモデルを拡張するとバンド構造が容易に出現することも確認した。これらの成果は非平衡での集団ダイナミクスの転移に対して新たな知見を加えるものである。自己推進系として「非線形散逸伝搬波」と「変形する自己駆動粒子の個別運動と集団運動」を対象として、前者に対しては外場やフィードバック相互作用による制御と安定性を、後者に対しては外場と粒子間相互作用による運動形態と安定性を研究してきた。今年度は、反応拡散系でのフィードバック制御については、フィードバックの時間と強さをパラメータとしてチューリングパターンのダイナミクスの相図を作成した。その運動のいくつかについては解析的理解を進めた。特に、フィードバックによる不安定化条件についてモデルの詳細によらない理論結果を得た。自己推進粒子系では、反応拡散系の理論を流体相互作用をする系にまで拡張した。個別運動においては、並進運動の他に回転(スピン)運動も起こす場合のモデル化とその性質を2次元と3次元で詳細に研究した。また、並進、変形、スピンおよび、流れ場の非線形結合により、多彩なダイナミクスが現れることを予言した。自己推進粒子集団のダイナミクスについては空間2次元で大規模な数値シミュレーションを行った。粒子の推進速度が周りの粒子密度の増加関数であるようにモデルを拡張すると、一様な秩序状態が不安定化し伝搬するバンド構造が出現することを示した。予想しなかった結果として、上に述べた伝搬するバンドは正面衝突によって壊れず、あたかもソリトンのように振る舞うことを発見した。この結果を粘菌の孤立密度波でみられるソリトン的振る舞いの実験と比較検討した。関連する研究として、自己推進粒子集団が周期構造を形成して並進運動するとき、速度などに依存してどのような構造が安定であるかの研究も行った。これらの研究成果は非線形科学に新しい知見を与えるものであり、長期的には非平衡メゾスコピック構造の形成と制御などへの応用が期待できる。伝搬するバンドの衝突におけるソリトン的挙動は今後さらに解明すべき重要性を持つテーマである。自己推進系として「非線形散逸伝搬波」と「変形する自己駆動粒子集団」を対象として、前者に対しては外場やフィードバック相互作用による制御と安定性を、後者に対しては外場と粒子間相互作用による多彩な運動形態と安定性を研究してきた。非線形散逸伝搬波では、これまで定式化されていない新たな位相ダイナミクスを進展させる必要がある。変形可能な自己駆動粒子系の研究では、まず、外場におかれた1個の変形可能な粒子のダイナミクスを調べた。変形する自己駆動粒子間に相互作用がある場合の協同運動と乱れの研究は現在進行中である。非線形散逸波の外場による引き込み現象では、非線形振動子と同様のサドル・ノード分岐だけでなくホップ分岐も現れることを数値シミュレーションで確認した。

このダイナミクスを正しく表現するには、少なくとも二種類の位相が必要であることを指摘した。変形する自己駆動粒子系の研究ではまず、重力や電場に置かれた変形する自己駆動粒子の運動と分岐に関して計算機シミュレーションと理論解析を行った。次に、3次元空間内での変形する自己駆動粒子の発展方程式を反応拡散系から導出した。さらに、変形する自己駆動粒子集団の秩序運動から乱れた運動への非平衡転移を数値シミュレーションで調べ、転移の性質を明らかにすることを目指している。一見無関係にみえる「非線形散逸伝搬波」と「変形する自己駆動粒子集団」の二つの系に対して、ある場合にはどちらも位相ダイナミクスの方法が有効である。自己推進系の非線形ダイナミクスの数理構造を統一的立場から解明することは非線形ダイナミクスの分野に大きく貢献すると同時に、ナノ、メゾスケールでの粒子ダイナミクスや生体細胞ダイナミクスなどの対する貢献も期待できる。自己推進粒子集団のダイナミクスについてはすでに論文として公表している。また、新しいモデルに関する結果も学術雑誌に公表している。さらに、スピンまで考慮した自己推進粒子1個のダイナミクスについても2次元と3次元の両方に関して論文として公表している。非線形散逸波のフィードバックダイナミクスに関しては孤立局在解とチューリングパターンのそれぞれに関して、物理学会、国際研究集会などで発表している。23年度の計画のうち、3次元自己推進粒子の運動と外力中の自己推進粒子の運動についてはすでに論文として公表している。非線形散逸波の外場による引き込み現象については、論文投稿中である。変形する自己推進粒子集団の秩序運動とその崩壊については、論文にまとめる作業中である。このように当初の計画に従って研究が進行している。自己推進粒子のスピンについては、角運動量を生成して回転する場合の他に、粒子の表面に伝搬波が生じてその結果、回転が起こる場合もある。さらに、回転だけではなく二つの変形を行き来する定在波の可能性もある。このダイナミクスは細胞運動や垂直加振の液滴の運動などと密接に関係する重要な研究テーマである。非線形伝搬波については外力、フィードバックのあるダイナミクスの理論研究をさらに進め結果を公表する。研究分担者中尾准教授との共同研究は、当初の目的を実質的に達成したので、今後は、その成果に基づき数名の大学院学生を指導し、かれらの協力を得ながら研究を遂行していく。計画の変更や問題点はない。ドイツの関係する研究機関に滞在し共同研究を行う。また、国内でも、九州大学と北海道大学に比較的長期間訪問し共同研究を行う。したがって、研究費は、主として、国内、海外への出張旅費等に使用する予定である。次年度使用額20万円あまりは、23年度にドイツに共同研究に行く予定であったが、受け入れ先研究者の個人的事情でそれをキャンセルせざるを得なかった。その事情は、現在は解消しているので、今年度に訪問する予定である。
多施設DPCデータ解析を用いた低侵襲手術の費用対効果の検証と至適治療戦略への展開

心臓外科領域の治療においても、経大動脈的大動脈弁置換術(TAVI)を中心とする低侵襲治療が発展してきた。一方で、医学的な有用性だけでなく、費用対効果の検討も避けられない状況にある。そこで、我々はDPCデータに注目し、これを用いて治療的選択肢が複数存在する治療に関して費用対効果の観点より比較・検討するシステムを構築してきた。以前我々は、当院のDPCデータを用い人工心肺を用いる大動脈弁置換術(SAVR) vs.経カテーテル的大動脈弁置換術(TAVI)」における費用対効果検証プロトコールを作成した。問題点もあったが、SAVRは95%、TAVIは100%で抽出可能であった。その結果、在院死亡率、集中治療室(ICU)滞在期間、病院滞在期間、30日以内の再入院を比較可能であり、また、出来高合計、薬剤出来高、材料出来高も比較でき、TAVI群のほうが、低侵襲であるがゆえに在院日数は短く、薬剤、検査費用は低額であるが、材料出来高が高額であるため総医療費は高額であり、医療経済の観点からは不利であるという結論を得た。この抽出方法をもとに、今、現在のDPCデータから全国データを抽出することでタイムラグのないビッグデータにより手術成績、費用対効果を比較することができるものと考えている。問題点は、そのデータをどうやって入手するかであったが、厚生労働省のホームページにて「DPCデータの提供に関するホームページ」があり、その審査を受けることで、ビッグデータを入手可能であることが分かった。現在その審査のための書類を作成中であり、データ入手後データ解析を行う予定であるが、DPCデータは、匿名化はされてはいるが国有の重要なデータであり、統計解析の専門家と相談しながら、しっかりと解析を行っていく予定である。本研究の共同研究者であった当科の主任教授が昨年10月に突然退職された。突然のことで本研究はさることながら、当科における診療、教育に関して、私が急遽責任ある立場となり、業務が急増した。本研究の見聞を広げるために参加しようとしていた学会などにも参加できず、研究の研究としては遅れていると言わざるおえない。そのような中でも、厚生労働省ホームページにて「DPCデータの提供に関するホームページ」があることが分かり、その審査スケジュールを把握したことは、本研究の肝であるDPCデータ収集への足掛かりとなっており、前進と言える。まずは全国のDPCデータを入手することが第一である。厚生労働省へ「DPCデータ提供に関する申し出」を行うため書類を作成し審査に応募する。その後全国のDPCデータから抽出されたデータを入手できれば、統計解析作業に移る。国有の有用なデータであるため、統計解析の専門家とその解析データを検証し、今年度の日本循環器学会総会にて発表し、英文での論文化を行う予定である。

国有の有用なデータであるため、統計解析の専門家とその解析データを検証し、今年度の日本循環器学会総会にて発表し、英文での論文化を行う予定である。本研究の共同研究者であった当科の主任教授が退職され、診療、教育などの業務が急増し、本研究を行う時間が大きく削減された。今年度は新たな診療科長が就任され、本研究に本格的に時間を割けるようになっている。計画としては「DPCデータの提供に関するホームページ」より厚生労働省の審査を受けることで全国データを入手できることが分かったためま、まずはその審査に応募、合格することが最優先である。審査のための出張費、インターネットに接続しないパソコンでの解析が条件であるためデータ解析のためのパソコン、ハードディスクの入手、データー入手後の統計解析のための専門家への相談費用などの人件費で当該年度の費用を次年度に使用する予定である。
Headless変異マウスを用いた頭部形成機構の解析

マウスの頭部は、前方臓側内胚葉(AVE)と沿軸中内胚葉(AME)という2つのシグナルセンターの誘導により形成される。私は、トランスジェニックマウス作成時に、出生時に前頭部を大きく欠失するという頭部誘導の異常に特徴的な表現型を示す新規の変異マウス系統(headshrinker ; hsk)を得、その解析を行なった。hskでは、AVEや初期AMEの形成は正常であったが、後期AMEの形成が異常であり、その後、中脳後脳境界より前方部分を欠失した表現型を示した。従って、hskでは後期AMEの異常が原因となり前頭部の退縮が起こると考えられる。トランスジーンの挿入部位は、染色体FISH法によりChr4 C5-C6に同定され、この領域には頭部形成に必須な既知の遺伝子は存在しないことから、hskは新規の頭部形成遺伝子の変異マウスであると考えられた。トランスジーンの挿入部位近傍をクローニングしたところ、トランスジーンはLdb1結合分子であるSsdp1遺伝子の約100kbに及ぶ巨大なイントロンに挿入されていた。Ssdp1遺伝子はhskにおいては、その発現レベルが野生型の約30%に低下していた。Ssdp1遺伝子cDNAを発現するトランスジェニックマウスを作成したところ、hskにおいて頭部欠失の表現型が回復した。これらの結果は、hskではSsdp1遺伝子は発現の低下がみられるhypomorphic alleleになっていることを示唆している。また培養細胞において、Ssdp1はアクチベーターとして働き、Ldb1とともに頭部形成に重要な転写因子Lim1による遺伝子発現を増強した。これらの結果から、Ssdp1はコアクチベーターとして、Lim1-Ldb1-Ssdp1複合体を形成することにより、頭部誘導シグナルセンターである後期AMEの形成に必須の役割を果たしていることが明らかとなった。マウスの頭部は、前方臓側内胚葉(AVE)と沿軸中内胚葉(AME)という2つのシグナルセンターにより誘導される。我々は、トランスジェニックマウス作成時に、前頭部を大きく欠失して生まれてくるという頭部誘導の異常に特徴的な表現型を示す劣性変異マウス系統(TSUBAKI)を樹立した。TSUBAKIホモ変異胚は、E7.5までは形態的に正常であるが、E8.5以降前頭部に異常が見られ始め、E9.5では中脳後脳境界領域より前方部分が欠失した。E6.5-7.0におけるAVEやAMEでのマーカー遺伝子の発現は正常であったが、形態的に正常であったE7.5では既にAMEや前方神経外胚葉(ANE)における遺伝子発現の減少や消失がみられた。従って、TSUBAKIでは後期のAMEあるいはANEの異常が原因となり前頭部の退縮が起こると考えられる。トランスジーンの挿入部位は、染色体FISH法によりChr4 C5-C6に同定され、この領域には頭部形成に必須な既知の遺伝子は存在しないことから、TSUBAKIは新規の頭部形成遺伝子の変異マウスであると考えられた。トランスジーンの挿入部位近傍をクローニングしたところ、トランスジーンはある遺伝子(Gene A)の約100kb)に及ぶ巨大なイントロンに挿入されていた。Gene Aは7.5日胚までは胚全体に発現しており、ホモ変異胚においては、その発現レベルが野生型の約40%に低下していた。Gene AのcDNAをCAGプロモーターによって胚全体に発現するトランスジェニックマウスを作成したところ、TSUBAKIホモ変異胚において頭部欠失の表現型が回復した。これらの結果は、TSUBAKIではGene Aは発現の低下がみられるhypomorphic alleleになっていることを示唆している。頭部誘導の過程では、Gene Aの発現量が一定レベル以上必要であることが明らかになった。
若年勤労者の過労死に関する発症危険因子の解明

本研究は、40歳未満の若年勤労者について、健康診断等の有所見成績と業務や日常生活に関する調査、生体内のストレス関連物質の検査値等から、過労死の危険因子の解明を試みる。本年度は、若年勤労者の所見の頻度分布を把握し、さらに所見の発現に関与する生活習慣・危険因子の把握を試みた。具体的には、A協会が受託している職域の人間ドック受診者(3,652人)のうち、脳血管疾患や心疾患の既往・現病歴を有する者を除き、血圧、脂質、血糖、肥満のすべてに欠測値のない40歳未満の受診者666人(平均年齢34.7±3.3歳)について、肥満、高血圧、高脂血、高血糖の頻度分布、ならびに保有所見の合併頻度を調べた。さらに、3所見合併者と4所見合併者をあわせた多所見者と無所見者で生活習慣問診票の全答者308人(平均年齢34.4±3.5歳)を対象に、飲酒習慣、喫煙経験、運動習慣、食習慣の4項目について、多所見者19人(平均年齢36.1±2.4歳)と無所見者289人(平均年齢34.3±3.5歳)とでロジスティック回帰分析を行った。その結果、各所見の合併状況は、1所見では高脂血が23.6%と最も多く、ついで肥満が4.8%であった。2所見合併では高脂血と肥満の合併(10.8%)、3所見合併では高血圧と高血糖と肥満の合併(2.0%)が高い頻度を示した、4所見合併は0.8%であった。対象者の年齢階級別(10・20・30歳代)の所見の合併頻度については、年齢階級が上がるにつれて、無所見の占める割合が低下しているのに対し、1所見のみと2所見合併の占める割合は増加した。3所見合併と4所見合併は30歳代にのみ確認された。多所見合併と生活習慣との関連性については、喫煙経験あり(オッズ比6.25、95%信頼区間:2.11-18.52)、食習慣に問題あり(オッズ比3.00、95%信頼区間:1.10-8.15)の者に多所見合併が多かった。
高速応答型温度計素子の技術開発

高速応答型温度計素子を、ポリイミドの薄肉チューブ上にポリイミドワニスをアンカー層として塗布した上に、電子顕微鏡用のカーボンコーターを用いてシャープペンシルの芯(φ0.5 3B)を蒸着源として、複数回、製膜することで試作した。試作・した素子から銀ペーストで電極を引き出し、PPMSにて抵抗値の温度依存性を室温から低温側まで測定した。結果、室温で数kΩ20kΩの素子が、1040Kで10MΩに達する、市販の低温用温度計よりも高い感度を持っていることが明らかになった。完成した温度計素子の時間応答特性を、以下のようにして測定した。1)暗所にて温度計素子に定電流を印可し、その端子間電圧をロックインアンプに入力した。2)高輝度型LEDを輻射熱源とし、温度計素子から約5mmに設置した。3)輻射熱源に周期的な電圧を印可し、同時に参照信号をロックインアンプのリファレンスとした。4)熱源の印可周期を変えながら、温度計素子の反応電圧振幅を測定した。この結果、10Hzで0.7mV、1kHzで10μVの電圧振幅が得られた。なお、輻射熱以外の電磁気学的カップリングによる偽信号か判別するために、温度計と熱源の間にシャッター(黒画用紙)を挿入したところ、信号が消失することが確認できた。これにより、室温での利用に適切な温度計、測温系の組み合わせの開発が完了した。以上で、本研究の目標としていた高速応答型温度計素子の完成を確認した。当初予定していた、低温技術を用い、高速な圧力計をリファレンスとする検証測定系や、比較的、高抵抗の温度計素子を使用するための微少定電流源や、低入力オフセットアンプも開発を完了している。今後の課題としては、抵抗値が10MΩを超えると測定系が複雑になるので、低温での抵抗値が過大にならないための技術開発があげられる。なお、この成果を日本物理学会で報告したところ、高価になりがちな薄膜の実験を安価に学生実験に取り入れることができる好例であるとの評価を受けた。他大学で、この視点での教材開発が始まっている。
上顎癌の早期診断に対する免疫学的研究

癌の臨床的対応策は,今日なお,早期発見と早期治療である.上顎癌の免疫学的研究に際し,我々が実施計画の基本としたのは,癌の早期発見や早期探知に応用出来る免疫学的方法の開発であった.癌の免疫学的研究に際し,最も重要な基礎作業の1つは,癌関連抗原の分離と特異性の高い抗体の作製である.我々は上顎扁平上皮癌(MSCC)を材料に,等電点の差に着眼し, TAAを分離し抗体を作製したが,この研究に関する成果はすでに国内外の学会や論文として発表して来た.今回報告する新たな知見や成果等は,次の通りである.即ち, 1)組織やスメア標本を対象に,腫瘍マーカーによる扁平上皮癌の免疫組織学的診断に際し,従来より共存するケラチンとの疑陽性反応が問題となっていたが,我々が作製した抗ケラチン・モルモット血清の前処置によるMaskingで,非特異反応を回避出来ることが証明された. (癌学会,耳鼻咽喉科学会,臨床免疫学会で発表)2)臨床応用の2つめは,患者血清をサンプルとしたゼラチン粒子(GP)による血清学的診断法の確立である.即ち,マレイミド処理したGPと抗SCCAAb(IgG)を結合させ, 1%GP-抗SCCAAb(IgG)を作製し,各種癌患者血清や良性疾患および健常者血清を用い, U字型マイクロプレートによる凝集反応による血清学的簡易診断法を考案し検討を加えた.陽性判定基準は健常者群の成績から4倍希釈以上とすると,頭頸部癌の平均陽性率は68%であり,肺SCCでは67%,子宮頸部SCCでは75%,同腺癌では20%弱の成績が得られたが,各種良性疾患患者血清では10%台の陽性であった.本法はSCC患者血清で陽性率が高く,早期癌でもその傾向が得られ,しかも特別の器具・機材を必要とせず, 3時間で判定が可能であることから,臨床応用が期待される.本法は抗SCCAAbが多量に必要となることから,今後抗SCCAAbの確保が必要となる.癌の臨床的対応策は,今日なお,早期発見と早期治療である.上顎癌の免疫学的研究に際し,我々が実施計画の基本としたのは,癌の早期発見や早期探知に応用出来る免疫学的方法の開発であった.癌の免疫学的研究に際し,最も重要な基礎作業の1つは,癌関連抗原の分離と特異性の高い抗体の作製である.我々は上顎扁平上皮癌(MSCC)を材料に,等電点の差に着眼し, TAAを分離し抗体を作製したが,この研究に関する成果はすでに国内外の学会や論文として発表して来た.今回報告する新たな知見や成果等は,次の通りである.即ち, 1)組織やスメア標本を対象に,腫瘍マーカーによる扁平上皮癌の免疫組織学的診断に際し,従来より共存するケラチンとの疑陽性反応が問題となっていたが,我々が作製した抗ケラチン・モルモット血清の前処置によるMaskingで,非特異反応を回避出来ることが証明された. (癌学会,耳鼻咽喉科学会,臨床免疫学会で発表)2)臨床応用の2つめは,患者血清をサンプルとしたゼラチン粒子(GP)による血清学的診断法の確立である.即ち,マレイミド処理したGPと抗SCCAAb(IgG)を結合させ, 1%GP-抗SCCAAb(IgG)を作製し,各種癌患者血清や良性疾患および健常者血清を用い, U字型マイクロプレートによる凝集反応による血清学的簡易診断法を考案し検討を加えた.陽性判定基準は健常者群の成績から4倍希釈以上とすると,頭頸部癌の平均陽性率は68%であり,肺SCCでは67%,子宮頸部SCCでは75%,同腺癌では20%弱の成績が得られたが,各種良性疾患患者血清では10%台の陽性であった.本法はSCC患者血清で陽性率が高く,早期癌でもその傾向が得られ,しかも特別の器具・機材を必要とせず, 3時間で判定が可能であることから,臨床応用が期待される.本法は抗SCCAAbが多量に必要となることから,今後抗SCCAAbの確保が必要となる.
歯根膜恒常性維持における転写因子Mkxの機能解明

今年度は下記の実験を予定していた。1.週齢によるMkx発現量の変化...4週、10週、6か月および12か月齢において野生型マウスを用いて歯根膜のMkx発現量を比較検討。6か月齢以上のマウスに関しては予備実験で安定した結果を得ている凍結粉砕の手法を用いてRNA抽出を行う。マウスの加齢(に伴う歯根膜の成熟)とMkx発現量の相関関係から近似曲線を作成し、欠損マウスの加齢に伴う表現型発症の理解の一助とする。その後、Mkxのヒトへの応用を見据え、Mkx欠損ラットを用いて矯正力を歯に加える実験を本実験として行う。2. Mkxと関連遺伝子発現の局在比較...Mkxとの関連が疑われる候補遺伝子について、Mkx欠損マウスの歯根膜の免疫多重染色にてMkxと関連遺伝子各々の発現局在を比較する。Mkx欠損マウスにおけるMkx発現部位の確認は抗GFP抗体を用いて検討(欠損マウスはMkx遺伝子にGFPをノックインしてMkxの機能を喪失させている)。3. Mkx欠損ラットを用いた矯正学的歯の移動実験...8週齢の野生型およびMkx欠損ラットの前歯と第一臼歯を矯正用コイルを用いて互いに牽引するように口腔内に接着し両群ラットの歯の移動距離を経日的に14日目まで観察。その後屠殺を行いμCTにて歯の移動様相を解析。組織学的観察および免疫染色による遺伝子発現変動も確認する。しかしながら、3の実験の予備実験の段階で、ラットの歯の組織学的解析の手法が難しく、時間を要してしまった。また研究代表者の病院退職に伴い、今後の実験の継続が難しくなった。申請者は平成27年までに転写因子Mohawk homeobox (Mkx)が歯根膜において遺伝子発現し、Mkx欠損マウスでは成熟に伴い歯根膜のコラーゲン線維の変性が著しく亢進することを見出した。本研究はMkx欠損マウスおよびMkx欠損ラットを用いて歯根膜の恒常性維持におけるMkxの機能を分子学的に解明することで、歯の移動に歯根膜が不可欠な矯正歯科臨床ならびに歯根膜の再生医療等に転写因子Mkxを応用する分子基盤の構築を行うことを目的としている。なお、平成29年4月の本研究プログラムの科研費受給開始に先立ち、一部のデータをまとめた報告として平成29年に国際科学誌Developmentにオンライン版を発表している。上記報告の中で平成29年度に予定していた実験のうち、下記の実験は遂行した。・野生型およびMkx欠損マウスの上顎臼歯部の歯根膜の細胞形態を、トルイジンブルー染色の光学顕微鏡にて観察。さらに、細胞内小器官の構造や辺縁形態の詳細な形態に関して透過型電子顕微鏡による細胞レベルの形態学的観察(10週、6か月および12か月齢)。・将来的にMkxをヒトに応用するための、ヒト歯根膜線維芽細胞を用いたin vitro実験系(Mkx過剰発現やMKXノックダウン)の本実験およびデータ解析。これら結果をふまえ平成29年度は、下記の研究実績を達成することができた。1.Mkx欠損ラットを用いて矯正歯科学的な歯の移動実験の予備実験を開始した。2.加齢とMkx発現量の相関の解明、遺伝子発現様相の解析(マイクロアレイ) 10週齢の野生型およびMkx欠損マウス歯根膜から抽出したRNAからマイクロアレイを用いて各種遺伝子の発現変動に関して確認を行った。Developmentに掲載していない遺伝子に関しても解析を行い、学会発表を行った(日本分子生物学会年会)。現在の状況に至る理由として、申請書にも記載のとおり、当初から下記の準備を行っていたことが大きいと考えられる。歯根膜の分子学的研究においてはマウスの実験系では組織の絶対量が少なく歯も小さいことから、介入実験として矯正力を歯に加える実験系では、ラットを用いた報告が多い。しかしながら、遺伝子改変ラットが技術的に作製不可能であるが故に野生型ラットの実験に限定されていた。しかしこれらの問題を克服するためにこの度、我々の研究室および本学システム発生・再生医学分野との共同研究で、システム発生・再生医学分野において遺伝子編集技術(CRISPR/Cas7)を用いてMkx欠損ラットの作製、樹立に成功し本研究に用いる準備を整えていた。さらに将来的にMkxをヒトに応用するために、ヒト歯根膜線維芽細胞を用いたin vitro実験系(Mkx過剰発現やMKXノックダウン)の予備実験を並行して行っていた。また当初、研究が計画どおりに進まない場合の対応として下記を検討していた。実際の結果と併せてここに記載する。1. 12か月齢マウスの歯の石灰化度が高く、非脱灰標本が薄切できない場合...刃の種類を検討しそれでも困難な場合は、最も硬いエナメル質のみ削合し非脱灰の薄切を行う。→この点に関してはエナメル質のみを削合して非脱灰の薄切を行うことで実験できた。2. 10週のマイクロアレイでは候補遺伝子の同定が難しい場合...4週および12か月齢のサンプルも追加し、歯の萌出直後、萌出完了、歯根膜成熟時で遺伝子発現変動を確認し、候補遺伝子同定の一助とする。→4週齢のマイクロアレイを追加し、10週齢と比較して昨年度Mkxの遺伝子と神経および脈管関連遺伝子の発現変動の変化を学会発表にて行った。実験計画当初に想定した問題点が生じたものの、これら対応によって遅滞なく研究を遂行することができたと思われた。1.週齢によるMkx発現量の変化

...4週、10週、6か月および12か月齢において野生型マウスを用いて歯根膜のMkx発現量を比較検討。6か月齢以上のマウスに関しては予備実験で安定した結果を得ている凍結粉砕の手法を用いてRNA抽出を行う。マウスの加齢(に伴う歯根膜の成熟)とMkx発現量の相関関係から近似曲線を作成し、欠損マウスの加齢に伴う表現型発症の理解の一助とする。その後、Mkxのヒトへの応用を見据え、Mkx欠損ラットを用いて矯正力を歯に加える実験を本実験として行う。2. Mkxと関連遺伝子発現の局在比較...Mkxとの関連が疑われる候補遺伝子について、Mkx欠損マウスの歯根膜の免疫多重染色にてMkxと関連遺伝子各々の発現局在を比較する。Mkx欠損マウスにおけるMkx発現部位の確認は抗GFP抗体を用いて検討(欠損マウスはMkx遺伝子にGFPをノックインしてMkxの機能を喪失させている)。3. Mkx欠損ラットを用いた矯正学的歯の移動実験...8週齢の野生型およびMkx欠損ラットの前歯と第一臼歯を矯正用コイルを用いて互いに牽引するように口腔内に接着し両群ラットの歯の移動距離を経日的に14日目まで観察。その後屠殺を行いμCTにて歯の移動様相を解析。組織学的観察および免疫染色による遺伝子発現変動も確認する。しかしながら、3の実験の予備実験の段階で、ラットの歯の組織学的解析の手法が難しく、時間を要してしまった。また研究代表者の病院退職に伴い、今後の実験の継続が難しくなった。下記実験を今後予定している。1.週齢によるMkx発現量の変化...4週、10週、6か月および12か月齢において野生型マウスを用いて歯根膜のMkx発現量を比較検討する。加齢に伴う歯根膜の恒常性維持におけるMkxの役割が概ね解明され、Mkxが関与する候補遺伝子の同定も完了した後、Mkxと候補遺伝子の歯根膜での発現局在と細胞内の発現配分を解析し、ヒトへの応用を見据え、Mkx欠損ラットを用いて矯正力を歯に加える実験を本実験として行う。※その他、適宜追加予定の実験(一部)...野生型および欠損マウス歯根膜の組織切片にVon-kossa染色を施行し、カルシウム様物質の検出を確認。検出結果によっては両群マウス歯根膜のμCT解析も検討する。
線維形成能および細胞毒性を有する短鎖ペプチド配列の予測・探索法の確立

ナノ線維を形成するペプチドを用いた材料の創製は各方面で重要になっている。しかしながら、未だにどのような配列が線維形成し、細胞毒性などを発現するのか、という根本的な学術的「問い」に対する答えは見出されていない。そこで本研究では、申請者がこれまで開発してきたペプチドアレイ構築手法や統計解析手法、および研究分担者の画像解析手法やパターン認識手法を駆使して、ペプチドミニライブラリを作製して、線維形成・毒性発現配列を予測でき、配列設計が策定できるような手法の確立を目指す。以上が達成できれば、ケミカルバイオロジー分野の課題である配列・構造・機能の相関の一部が見出されることが期待できる。
CRPSに対する集学的治療の効果と自発性脳活動異常との関連

複合性局所疼痛症候群(Complex Regional Pain Syndrome; CRPS)は、外傷や手術後に四肢の異常な痛みに加えて、浮腫、発汗異常など自律神経が関与すると思われる症状や、運動障害や萎縮性変化など、多彩な臨床症状を呈する慢性疼痛症候群であり、その治療においては個々の病態に応じた多面的なアプローチが重要となる。CRPSに伴う臨床症状の多くは脳機能の障害に起因すると考えられており、治療を有効に行うためにはその病態の解明と、客観的評価法の確立が必要である。resting-state fMRI(rs-fMRI)は安静時における脳活動を計測し、脳部位間の自発活動の同期性を評価する方法である。この脳部位間における自発活動の同期は、「機能的結合」と呼ばれ、すでに慢性腰痛や線維筋痛症患者を対象にした研究が行われ、病態解明への有用性が示されている。本研究ではまず、CRPS患者において日常生活動作に最も影響しQOL低下の大きな原因となる、運動機能障害の中枢機序の解明を目的として、上肢CRPS患者の感覚・運動ネットワークをrs-fMRIにより検討した。CRPS患者群では、健常対照群と比べて、左右の一次運動野および左右小脳の間の機能的結合がみられず、また補足運動野と左右の上頭頂葉や島との間の機能的結合もみられなかった。機能的結合の変化がみられた脳部位は,運動制御や体性感覚の処理に関係することから、この結果はCRPSにおける運動障害と関連し、rs-fMRIによる機能的結合の評価がCRPSの病態解明に有用である可能性を示すものである。本研究では、CRPS患者を対象に集学的治療の前後で、主に質問票による身体的・心理的臨床評価と、脳の自発活動を評価するresting-state fMRI(rs-fMRI)を行い、CRPSに伴う臨床症状と脳内ネットワークの異常との関連性を明らかにし、rs-fMRIの、CRPSにおける病態や治療反応性に対する検査法としての臨床応用可能性について検討することを目的としている。研究実施計画の通り、平成27年第一四半期に実施体制の整備を行い、第二四半期から検査を開始した。しかし、開始後MRI撮像に関する技術的な問題が生じ、変更を余儀なくされたため、当初予定していたよりも症例数は集まっていない。また、第四四半期から開始する予定であった、健康成人に対する検査も開始されていない。なお、この問題に関して、研究対象者への不利益は一切生じていない。CRPSは希少な疾患であるため、CRPS症例の確保が本研究課題においてもっとも重要な問題である。したがって、近隣病院で受診患者に対し本研究課題を紹介してもらうよう積極的な告知をおこない、当院への紹介CRPS患者は増加している。平成28年度以降も症例数の確保の為、積極的な告知を継続し、また当科ホームページを整備し募集を図ることも検討している。以上を行っても、最終的に統計解析に必要な最低症例数12例に満たなかった場合には、臨床評価(身体的評価・心理的評価)とrs-fMRIの結果について事例研究的に検討し、学会発表や論文発表を行う予定である。研究開始後、MRI撮像に関する技術的な問題が生じ、変更を余儀なくされたため。また、当院への紹介CRPS患者数は増加しているものの、集学的治療が適応となる症例が少なかったため。研究開始時から、関連する施設への依頼やインターネットでの公募など、被験者募集を行ってきた。これにより、CRPS患者の当院への紹介数は増加したが、そのほとんどが集学的治療により運動障害の改善を見込めない慢性期や心理社会的要因の強い関与が疑われる症例であった。従って、当院で行なっている、CRPS患者への集学的治療の前後でrs-fMRIにより機能的結合の変化を評価できた症例は数例のみであった。

複合性局所疼痛症候群(Complex Regional Pain Syndrome; CRPS)は、外傷や手術後に四肢の異常な痛みに加えて、浮腫、発汗異常など自律神経が関与すると思われる症状や、運動障害や萎縮性変化など、多彩な臨床症状を呈する慢性疼痛症候群であり、その治療においては個々の病態に応じた多面的なアプローチが重要となる。CRPSに伴う臨床症状の多くは脳機能の障害に起因すると考えられており、治療を有効に行うためにはその病態の解明と、客観的評価法の確立が必要である。resting-state fMRI(rs-fMRI)は安静時における脳活動を計測し、脳部位間の自発活動の同期性を評価する方法である。この脳部位間における自発活動の同期は、「機能的結合」と呼ばれ、すでに慢性腰痛や線維筋痛症患者を対象にした研究が行われ、病態解明への有用性が示されている。本研究ではまず、CRPS患者において日常生活動作に最も影響しQOL低下の大きな原因となる、運動機能障害の中枢機序の解明を目的として、上肢CRPS患者の感覚・運動ネットワークをrs-fMRIにより検討した。CRPS患者群では、健常対照群と比べて、左右の一次運動野および左右小脳の間の機能的結合がみられず、また補足運動野と左右の上頭頂葉や島との間の機能的結合もみられなかった。機能的結合の変化がみられた脳部位は,運動制御や体性感覚の処理に関係することから、この結果はCRPSにおける運動障害と関連し、rs-fMRIによる機能的結合の評価がCRPSの病態解明に有用である可能性を示すものである。研究開始時から、関連する施設への依頼やインターネットでの公募など、被験者募集を行ってきた。これにより、CRPS患者の当院への紹介数は増加したが、そのほとんどが集学的治療により運動障害の改善を見込めない慢性期や心理社会的要因の強い関与が疑われる症例であった。従って、当院で行なっている、CRPS患者への集学的治療の前後でrs-fMRIにより機能的結合の変化を評価できた症例は数例のみであった。特に今年度は当科へ紹介されたCRPS患者のうち同意の得られた症例はなかった。
ミクログリアを貪食細胞に誘導する分子メカニズムに関する研究

本研究は、正常脳内では、貪食能を持たないミクログリア溝どのようなメカニズムで貪食細胞に変貌するのかを明らかにしようとしたもので、主に貪食性の発現に関係する分子を探索することに目的をおいたものである。初年度は、ラット顔面神経に毒性レクチンを注入し神経細胞死誘導モデルを作成する予定であったが、その神経毒レクチンRCA60は輸入禁止品目にあたり入手できないため、代用として過酸化水素やパーオキシナイトライトを使った系を確立した。2年目には、上記の系を使用し、運動神経に細胞死を起こし、ミクログリアが貪食細胞に変貌する時に誘導される分子をサブトラクション法で探索した。その結果、貪食細胞が生じる顔面神経核に誘導される分子として様々な機能タンパク質が検出されただ、大部分はプロテアーゼの類およびその勉の酵素、細胞骨格タンパクであり、貪食性に関連する分子は発見できなかった。一方、培養系で、貪食性ミクログリアをphorbol myristate asetate (PMA)処理することにより非貪食性に変換することに成功した。この系を使用することで、貪食特異的タンパク質の探索を行うことにした。最終年度は、前年に引き続き、様々なサブトラクション法により貪食誘導分子の探索を行ったが、特筆できる結果は得られなかった。一方、培養系で、貪食性ミクログリアと非貪食性ミクログリアのタンパク質を比較した結果、貪食細胞に特徴的な、分子量約90kDaのタンパク質(p90)を検出することができた。大量の培養ミクログリアを使用して、DEAE Sephadex、ヒドロキシアパタイト、SephacrylS200およびポジアクリルアミド電気泳動によりp90を分離し、N末端アミノ酸配列分析を行ったところ、ある配列(Asp-Asp-Glu-Val---)(未公開)が明らかになった。今後、このp90の同定とアミノ酸配列結果の再確認が必要であるが、ミクログリアの貪食関連タンパク質の候補として興味が持たれる。本研究は、脳のミクログリアが貧食性を発現する時に誘導される分子を検出し、貧食能を誘導する分子メカニズムを解析することを目的としたものであるが、今年度は特に、ラットの顔面神経に細胞死を誘導し、それに応答して起こるミクログリアの貧食細胞への変換系を確立することを第一目標に考えた。新生仔ラットの場合は、顔面神経を切断するだけで運動神経は細胞死を起こし、周囲に貧食細胞が現れたが、動物の管理、取り扱いや手術が非常に難しく、日常的な実験には不適当であった。そこで成獣ラットを用い、顔面神経に細胞死を誘導させる簡便な系の確立をめざすことにした。既に報告されているように、毒性レクチンであるRCA60(リシン)を顔面神経に注入する方法を計画したが、この毒性レクチンは日本では入手できないことがわかった。そこで次にその代用として、RCA120を購入して顔面神経に注入してみたが、運動神経の細胞死はほとんど誘導されず、このレクチンは神経細胞死誘導には不適当であることがわかった。そこで、現在、過酸化水素水やパーオキシナイトライト注入による神経細胞死の誘導系を検討している。神経細胞死の誘導系が確立していないため、ディフェレンシャルディスプレイによる貧食性特異的mRNAの検出実験にはまだ至っていないが、神経細胞死誘導系が確立した場合、顔面神経核からmRNAを検出するための予備的検討は行っている。

コントロール側と神経切断側の顔面神経核を切除し、RNAや蛋白質の抽出を行う方法を基礎的に検討した結果、数匹分の顔面・神経核を使用することで、ディフェレンシャルディスプレイや二次元電気泳動による解析が十分可能であることが示された。毒性レクチンが購入不可という予想外のできごとにより、神経細胞死誘導系が確立されず、当初の計画が遅れ気味であるが、今後新たな試行を行うことにより遅れを取り戻す予定である。本研究は、末梢神経の細胞死に伴ってミクログリアが貪食細胞に変貌する現象から、ミクログリアには貪食性の誘導に関連する分子が発現されるものと推測されるため、この分子を探索することにより、貪食性の誘導メカニズムを解析することであった。ラットの片側顔面神経に過酸化水素あるいはパーオキシナイトレイトを注入し運動神経を傷害させて1日後および3日後に、新たに誘導される分子をサブトラクション法で検索したところ、これまでに約20種類の分子を拾うことができた。ただ、ヌクレオチド配列分析の結果、それらの大部分はありふれた細胞骨格蛋白や細胞内の代謝系酵素ばかりで、貪食性に関係のありそうな蛋白、膜酵素、転写因子の類いは皆無であった。しかし、まだ見落としている分子がある可能性もあるので、今後もサブトラクション法によって繰り返し検討していく予定である。このような生体内における検索とは別に、培養ミクログリアを使用して、貪食性に関係する分子の探索も行ってきた。培養ミクログリアは、基本的に貪食性であるが、プロテインキナーゼC(PKC)活性を阻害すると、その貪食性は失われる。そこで、この現象を利用して、貪食性関連たんぱく質の検出を試みた。培養ミクログリアをPKC阻害剤で処理すると、蛍光ビーズの取込みは全く見られなくなるので、これをレスティングミクログリアのモデルとし、一方、通常の培養ミクログリアは貪食性であるので、それは貪食性ミクログリアのモデルとした。これら両者を二次元電気泳動により比較した結果、貪食性のミクログリアに特徴的に存在する蛋白スポット(plが5,分子量約9万)が検出された。この分子は貪食性の誘導メカニズムに関連する可能性が考えられている。ただ、この蛋白質の量が微量であるため、実際の配列分析までは少し時間を要するかもしれない。昨年度に引き続き、ラットの片側顔面神経に過酸化水素あるいはパーオキシナイトライトを注入し運動神経を傷害させて貪食細胞が出現した時に、新たに誘導される分子をサブトラクション法で返し繰り返し検索したが、その結果は昨年度同様、貪食性に関係のありそうな膜蛋白、膜酵素、転写因子の類いは検出できなかった。一方、昨年度、培養ミクログリアをPMA処理することにより貪食性を欠失させることができたが、この非貪食性ミクログリアに存在せず貪食性ミクログリアに存在するMW 90kDaのタンパク質(p90)を貪食関連分子の候補として分離することを試みた。p90は、ミクログリアホモジネートをDEAE Sephadex、ヒドロキシアパタイトおよびSephacryl S200によって部分精製することにした。P90はヘパリンSepharoseやConASepharoseには一部分吸着したが、大部分は非吸着性だったので、これらは使用しないことにした。また、クロマトフォーカシングでは、pH4.8を中心として広く溶出されたため、これも精製には使用しないことにした。上記3段階の操作で得られたp90標品は、最後にトランスブロットによりPVDF膜上に回収した。PVDF
パラジウム・アルキン・炭素プロ求核体による触媒的不斉四級炭素構築

多置換インドール化合物は生理活性化合物の基本骨格として数多く見られることから、それらの化合物の合成法の開発は有機合成において極めて重要な課題である。オルトアルキニルアニリンからの触媒的環化反応は1,2-二置換インドールの合成法として数多くの研究がなされている。しかしながら、窒素上に転位基を有するオルトアルキニルアニリンからの1,2,3-3置換インドールの合成はこれまでにほとんど研究例がない。最近当研究室では、塩化白金触媒の存在下、オルトアルキニルアニリドから、3-カルボニルインドールが合成されることを見出した。私は今回、オルトアルキニルスルフォアニリドからの多置換インドール化合物の触媒的合成を検討した。その結果、触媒量の臭化金の存在下、N-メチルオルトアルキニルスルフォアニリドから、対応する3-メシルインドールが良好な収率で得られることを見出した。興味深いことに触媒として臭化パラジウムを用いた場合、3-スルフォニルインドールとともに、6-スルフォニル化体が生成することを見出した。詳細な触媒、反応条件、基質の検討を行った結果、臭化インジウムを触媒として用い、オルトアルキニルアニリドの他方のオルト位にメトキシ基を導入した場合、6-スルフォニルインドールが選択的に得られることを明らかにした。スルフォニルインドールは種々の生理活性化合物に見られる構造であるが、これまでに効率的な合成方法はほとんど知られていない。本手法はこれ等のスルフォニルインドールの効率的合成法になると考えられる。
光通信における多値振幅信号とＷＤＭ方式に対応する自動ルーティング回路に関する研究

データ通信のバックボーンであるフォトニックネットワークの帯域が圧迫されつつあり、今後も更なる通信路容量の増大が求められている。このため、複数レベルの信号振幅による情報(多値信号)表現と、WDM方式を組み合わせた光信号処理回路を提案した。この回路は非線形誘電体の自己屈折率変調により、信号振幅に依存して共振器の光学的長さが変化することを基本アイデアとしていた。また、人工的かつ周期的な媒質定数の分布をもつフォトニック結晶構造を回路部品および導波路として利用し、媒質定数差による電磁波の全反射に基づく従来の構造よりも小型の光信号処理回路の設計を行い、素子製作に必要なパラメータを見出した。本研究テーマは、光波(一般には電磁波)と物質の相互作用により、光信号振幅や周波数に依存する経路制御が可能な材料および構造についての検討を行い、実存する材料パラメータを用いた設計を行うことである。平成27年度には、検討の第一段階として、電磁波の信号振幅に依存して屈折率が変化する非線形誘電体、および周波数に依存して屈折率が変化する分散性誘電体のための数値解析コードの開発を完了した。更に、これらの信号スペクトルを数値解析するための手法についても、マイクロ波帯における実験と比較して良好な解析結果を得られる方法を見出した。数値解析手法として、Constrained Interpolated Profile(CIP)法を採用した。入力信号について、スペクトル領域においては想定される周波数帯域のみを有する矩形スペクトルとし、それを時間領域において標本化関数で表現した信号を入力とした。これによって、伝送路の特性を一度の計算で得られるようになった。これは、従来の総計算時間の数十分の一程度である。これを、導波路内に共振器構造を設けた場合について適用したところ、共振ピーク周波数が誤差1%程度で求められることが確認できた。非線形性について、ラマン散乱とカー効果を考慮した。また周波数分散性を有する媒質も考慮した。ラマン散乱と分散性媒質は、時間領域においては、ともに時間に関する畳み込み積分で表される。これは、デジタル信号処理技術で広く用いられているZ変換により、有限の(2つ又は3つ前の離散時間の)過去の計算量のみで評価できる。カー効果についても、テイラー展開(一次関数近似)で過去の離散時間データ評価することができる。従来のCIP法に対して、これらの非線形性と分散性に関する補正を加えるだけで、それらの特徴が現れる計算結果を得ることが出来た。以上2点の成果は、国際学会論文(査読付き)として採択された。平成27年度には、CIP法を非線形および分散性誘電体に適用するために、(1)周波数応答解析ができるよう既存のコードを改良し、更に、(2)マクスウェル方程式に現れる非線形項や分散項の数値計算への取り込みのための定式化および数値解析を実施した。(1)について、マイクロ波帯において三角格子状に配置された円形誘電体ピラーを用いたフォトニック結晶の伝送特性実験と、CIP法の数値解析結果を比較した。誘電体ピラーの直径7.5mm、材質はセラミックで、比誘電率は4.0GHz周辺にて36.0である。実験では格子間隔を26.5mmに設定し、完全ストップバンドを実現した。この周波数帯に含まれる3.6GHzから4.2GHzの範囲を入力として取り扱った。欠陥導波路をX字型に設定し、その1つの枝を入力ポート、残り3つの枝を出力ポートとした。出力ポートに均等分配となるよう、最適な非対称X字型構造を決定した。その後、出力ポート中に間隔が異なる3対のピラーを配置しフィルタとした。これらフィルタを透過し出力ポートで観測される共振周波数について、実験と数値計算結果の比較を行ったところ、数値計算によって誤差1%程度で共振周波数を求めることが出来た。(2)について、線形分散項や非線形ラマン散乱項を、ディジタル・フィルタ理論で用いられるのと同様に、Z変換を用いて有限過去の時間領域における離散データのみで評価できることが知られている。代表者はこれをCIP法に取り込み、分散性と非線形性をあわせ持つ1次元媒質中でのガウス型の包絡線光パルス伝搬の数値解析を行った。包絡線パルス振幅が小さい場合は、線形分散項の寄与が大きく伝搬とともにパルス波形が歪み、振幅が大きい場合は、非線形項の寄与が支配的となってパルスはその中心に向かって集中しながら伝搬する、いわゆるソリトンのような振る舞いを示すことが明らかになった。以上の結果は、国際会議論文(査読付き)2編として採択が決定している。周波数に依存して誘電率が変化する、分散性媒質中のパルス電磁波伝搬のための数値解析コードの作成と動作確認を行った。数値計算法として、汎用的な時間領域有限差分(FDTD)法と、数値分散が少なく誤差が比較的少ないConstrained Interpolation Profile(CIP)法の2種類に対して、有限の過去のデータのみを使用して現在の分散項の寄与を評価できるZ変換を応用したアルゴリズムを実装し、比較を行った。いずれの手法においても、ガウス型の包絡線を持つパルス波の入力に対して、分散性がある場合は包絡線が時間・空間的に広がりながら伝搬することを確認した。また、電界について3次の項が現れるKerr型非線形効果と、同じく3次の時間遅れの分散項を含むRaman散乱が同時に存在する場合についても解析を行った。FDTD法では、いくつかの文献に掲載されているパラメータに対してパルス電磁波が同様の振舞いを示すことを確認した。

ただし、CIP法については定式化においてZ変換を用いた分散項をどの段階で評価するべきかが未だ明らかでなく、エネルギー保存則を満たさないままパルス波が伝搬してしまう。現在、この原因を解明すべく、定式化とコーディングに取り組んでいるところである。光通信における多値振幅信号とWDM方式に対応する自動ルーティング回路については、ピラー型2次元フォトニック結晶を利用する予定である。既に線形・非分散性媒質で構成された構造中をパルス波が伝搬する場合の数値解析コードは完成しており、入出力における周波数スペクトルと電磁界分布を評価することが可能である。今後は、CIP法については上記の不具合が残っているため、FDTD法を採用することとし、進行方向に対して横向き(ピラー型誘電体円柱の軸方向)に唯一の電界成分が存在するTEモードについて解析を進める予定である。ただし、CIP法についても継続して検討を行う。分散性媒質中のパルス電磁波伝搬のための数値解析コードの作成と動作確認を行った。一次元空間における平面波について、時間領域有限差分(FDTD)法と、Constrained Interpolation Profile(CIP)法の2種類に対して、更新しようとしている離散時間の2タイムステップ前までの過去のデータのみを使用して現在の分散項の寄与を評価できるZ変換を応用したアルゴリズムを実装し、比較をすることが可能になった。時間領域における分散性誘電体の表現には、時間に関する畳み込み積分計算が現れるが、直接的にこれを計算しようとすると、計算開始時点から最新の時刻まですべての電界データを保持しなければならず、膨大なメモリ空間が必要となる。しかし、ここで用いたZ変換を応用する手法では、メモリ使用量を大幅に減らすことが可能である。また、計算に要する時間短縮にも非常に有効である。いずれの手法においても、入射パルス波が定性的に妥当なふるまいをすることを確認できた。この一点以外は、計画通りに研究を進めることができている。現状の光通信システムにおける光信号処理は、電気信号と光信号の変換(E/OまたはO/E変換)を伴うため、その処理時間が伝送速度におけるボトルネックとなっている。申請者は、E/OまたはO/E変換を経ず、光通信における信号経路の切替(ルーティング)を、光信号キャリア周波数と光信号振幅に依存して行う光回路の基本的な検討を主として数値シミュレーションによりおこなった。その際、光信号伝送・処理回路として注目されているフォトニック結晶構造を応用することとした。また、高価な設備を必要とする光信号周波数での実験の代替として、比較的安価なマイクロ波領域でフォトニック結晶回路を製作し、信号周波数に依存する出力ポート切替実験を行った。光信号処理では、信号振幅の増大とともに現れる自己屈折率変調などの非線形光学効果が知られている。