hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
心臓磁気共鳴画像の立体表示と3次元計測に関する研究

名古屋市立大学病院設置の超電導磁気共鳴装置Gyroscan S_5を用いて、volunteerや実際の症例の心拍同期磁気共鳴画像を得た。良好な3次元画像を得るためには、5mmのslice厚で心臓全体を撮像する必要があるが、心拍同期をかけているために一人の撮像に3時間以上を要することがわかった。これではルーチンワークとしては応用できず、やむをえず10mm slice厚で、Measurementsの回数を2回にして128×128マトリックスの撮像を施行することにした。このデータを磁気テープを介して、名古屋大学大型計算機センター設置のcomputer Graphics Systemに転送し、画像処理を試みた。この画像においては、各心房、各心室の輪郭抽出に関しては用手法を用いれば、少し困難を伴いはするが可能であることが判明した。しかしながらcomputerによる自動輪郭抽出はS/Nの点からみて困難であることが判明した。そこでルチーンワークあるいは集団検診に応用することが目的であるから、Man-Machine systemを製作して研究を遂行することに決定した。また、voxel法による3次元立体画像表示を種々試みたが、もう一つ立体感に乏しく、要する手間と時間のわりには臨床的有用性は少いと思われた。そこで一応voxel法は断念し、wire frame法、surface reconstruction法を用いて3次元立体表示するシステムを製作する方針となった。wall motionを観察するsoftwareならびにcardiac output,ejection fraction等も3次元計測値して求めるsoftwareも一応作成した。以上のようなprocessがルチーン化できるように、PC9801VM(NEC社製)にて処理できるようにした。このパーソナルコンピュータを用いたシステムであれば、MRI撮像現場に設置できる簡単なシステムとなりうるからである。そして汎用性をもたすため、MRIデータ入力はMTを介した入力ではなく、ITVカメラを介したoff line入力になるようにした。名古屋市立大学病院設置の超電源磁気共鳴装置Gyvoscan S5を用いて, volitrctoonの心拍同期磁気共鳴画像を得た.良好なる次元画像を得るためは, 5mmのスライス厚で心臓全体を撮像する必要があるが,心拍同期をかけているために,一人のvolunteelの撮像に3時間以上かかることがわかった.これではルーチンワークには応用できず,やむを得ず, 1cmスライス厚でMeasurementsの回数を2下位にして, 128×128マトリックスの撮像を施行することにした.これを磁気テープを介して,名古屋大学大型計算機センター設置のConpude Graplvcv Suctcmに転送し画像処理を試みた.この画像においては,各心房,心室の輪郭抽出に少し困難はあるが可能であることがわかった.このように用手法による輪郭抽出は可能となったが, com puterによる日動輪郭抽出はS/Nの点からみて相当に困難であることがわかった.そこで今後の方針として,ルーチンワークあるいは集団検診に応用することが目的であることからして,用手法によるMan-Macbiue Systemの製作をして研究を遂行するのがbetterであることが判明した.また,3次元体像の作成アルゴリズムに関しては,ワイユーフレーム法および,サーフェスリコンストラクション法による心臓の3次元立体の構築表示は,ほぼ成功したが,ヴォルメトリック法による立体表示は,まだ立体感に乏しく,なお一層の研究が必要であことがわかった.昭和62年度の研究において、心臓の各心房、各心室の自動輪郭抽出は困難であることがわかったが、今年度もひきつづき、可能性を求めて種々検討を続行した。しかしながら撮像時間の制約を考慮した磁気共鳴画像では、やはりS/Nの点からみて自動輪郭抽出は困難であることの再確認をしたような結果となった。

用手法による輪郭抽出の方針には変更をきたさない結果となった。voxel法による研究も続行したが、やはりその表示方法において、本年度中ではもうひとつ臨床的有用性を認めるところまでは研究がすすまなかった。Pesonal Computer PC9801VMに磁気共鳴画像を取り込み、これを用手法にて輪郭抽出し、3次元画像を作成するシステム作成には成功した。このシステムを用い、用手法による輪郭抽出にもとづく体積測定の評価をおこなうためにファントム実験を施行した。その結果、最大10%の誤差がみられることが判明した。この結果を考慮に入れて、臨床応用を試みる必要があることがわかった。このシステムでは、wire frame法、surface reconstruction法のcombinationにて3次元立体表示ならびに計測がおこなえるようにした。
大振幅アルフベン波による宇宙プラズマ加熱プロセスの観測的検証

磁気圏探査衛星Geotailの電場・磁場およびプラズマ粒子データを用い、プラズマシート内で観測される大振幅の非圧縮電磁流体波動である、アルフベン波の解析を行った。その結果、プラズマの分布関数等との比較研究により、大きなエネルギーを運んでいるアルフベン波はイオンビームのサイクロトロン不安定によって立てられており、イオンビームの減衰と共にアルフベン波も減衰することがわかった。リコネクションによって生じたイオンビームのエネルギーが、アルフベン波のエネルギーとなり、それがプラズマシートの加熱に寄与していることが示唆された。プラズマシートがどのようなプロセスで加熱されているのかは、磁気圏物理学における大きな課題である。Geotail衛星の電場・磁場およびプラズマ粒子データを用い、プラズマシート内で観測される大振幅の非圧縮電磁流体波動である、アルフベン波の解析を行った。その結果、地球磁気圏尾部において、多くの大振幅アルフベン波イベントが発見された。更に、プラズマの分布関数等との比較研究により、大きなエネルギーを運んでいるアルフベン波はイオンビームのサイクロトロン不安定によって立てられており、イオンビームの減衰と共にアルフベン波も減衰するらしいことがわかった。アルフベン波の運ぶポインティングフラックスの出現頻度を、プラズマの特徴によって分類して解析した。大きなポインティングフラックスを持つアルフベン波は、イオンビーム等の特徴的な粒子構造に伴って現れることがわかった。これらの粒子構造の領域の頻度分布にエネルギーの期待値を乗ずることにより、磁気圏の構造に対して、アルフベン波がどのようなエネルギー分布を持つのか、統計的に求めることが出来る。粒子構造の領域の頻度分布は、太陽風の状況(速度、密度、惑星間空間磁場等)に依存して変化するので、アルフベン波が運ぶエネルギーの、太陽風の状況に対する依存も明らかになる。地球磁気圏のプラズマシートがどのようなプロセスで加熱されているのかは、磁気圏物理学における大きな課題である。更に平成22年度は、アルフベン波によって運ばれるポインティングフラックスの磁気圏内における分布を統計的に求め、プラズマシートの持つ総熱エネルギーと比較した。その結果、アルフベン波のポインティングフラックスが、地球に近づくほど減っていくことがわかった。アルフベン波の出現頻度や空間スケールを考慮すると、プラズマシートを加熱する十分なエネルギーを運んでいることがわかった。7月に38th COSPAR Scientific Assemblyにて解析結果の口頭発表を行った。更に平成23年度は、Inner Magnetosphere Coupling II Conferenceにおいて、当該研究に関連の深い、内部磁気圏におけるアルフベン波の議論を行った。また将来の衛星プロジェクトでアルフベン波を計測するための計画を"Examination of Magnetic Field Measurement in the Inner Magnetosphere by ERG"という題目で発表した。アルフベン波を計測するための必要な磁力計の開発について、査読付き論文'Development of fluxgate magnetometers and applications to the space science missions'にまとめた。論文集'Science Instruments for Sounding Rocket andSatellite'にて出版予定である。
酵母菌をモデルとした真核細胞染色体DNA複製機構の分子生物学的・分子遺伝学的研究

1.DNAポリメラーゼII(ε)及びIII(δ)と相互作用している蛋白因子の同定と精製出芽酵母染色体DNA複製に必須な三種類のDNAポリメラーゼ(I(α),II(ε)及びIII(δ))のうち、DNAポリメラーゼII(ε)と相互作用し、DNA複製に関与すると共に細胞秋期チェックポイント制御に関与しているDpb11蛋白をコードする遺伝子をクローニングした。このDpb11蛋白を出芽酵母で多量発現して精製し、どのように染色体DNA複製に関与しているかを検討した。一方、DNAポリメラーゼIII(δ)の第二のサブユニットである分子量約55kDaの蛋白の部分アミノ酸配列の決定の結果、hydroxyureaに感受性変異として単離されたHUS2遺伝子産物と同定された。また第三のサブユニットと考えられる分子量約50kDa蛋白の部分アミノ酸配列を決定したところ、新しく単離されたRNAヘリカーゼdomainを有する蛋白であることが明らかになった。分裂酵母のDNAポリメラーゼII(ε)の遺伝子をクローニングし、その塩基配列を決定した。この遺伝子は既に単離されている細胞周期遺伝子cdc20^+と同一であることが判明した。また実際、温度感受性変異株cdc20は温度感受性になったDNAポリメラーゼII(ε)を持っていることが証明された。更にcdc20変異株を高温にさらすと、染色体DNA複製が速やかに停止することからDNAポリメラーゼII(ε)が直接染色体DNA複製に関与することが証明された。2.染色体DNA複製開始を制御する蛋白因子の同定出芽酵母染色体DNA複製の開始は、Cdc7-Dbf4protein kinase複合体によって制御されている。このCdc7-dbf4複合体の制御機構をより詳細に理解する目的で、温度感受性変異dbf4の多コピー抑圧遺伝子の単離を試みた。その結果、既に多コピー抑圧遺伝子として知られているCDC5やMSD3遺伝子の他に、新しくGLC8遺伝子が単離された。GLC8遺伝子産物はGLC7(Type Iホスファターゼをコードする)の制御遺伝子として知られていることから、Cdc7-dbf4 protein kinase複合体の活性調節にホスファターゼが深く関与していることが示唆された。出芽酵母より新しく開発したin vitroARSplasmid複製系を5-10倍促進するDNA helicase IIIをほぼ純品にまで精製し、その生化学的性質を詳細に研究した。このDNA helicaseは一本鎖DNA上を5'→3'方向に移動し二本鎖DNAを卷戻す。このDNA helicaseが実際染色体DNA複製に関与しているか検証するために、精製した蛋白の部分アミノ酸配列を決定し、それをもとに遺伝子の単離を行った。単離した遺伝子は第五番染色体右腕のテロミアに近い所に位置し、1121アミノ酸残基よりなるORF(予想分子量127KDa)を持ち、helicase supperfamilyに特徴的モチーフも有することが明らかになった。このORFを欠失した酵母変異株を作製したが、顕著な表現型は示さなかった。しかし酵母染色体DNAを用いたSouthern hybridizationの結果、DNA helicase IIIのhomologが存在することが明らかになり、このhomologが細胞内でDNA helicase IIIの代わりをしている可能性が非常に高いことが判明した。現在このhomologの遺伝子のクローニングを行っている。

2)染色体DNA複製開始蛋白の同定及び精製酵母染色体DNA複製開始部位を持つARS1 DNA断片を含む二本鎖環状DNAを酵母DNA polymerase I(α)-primase複合体、yRFA,DNA helicase IIIと大腸菌DNA gyraseの存在下で(rNTPsとdNTPsも含む)保温するとARS1に依存したDNA合成がde novoに起こり、leading鎖及びlagging鎖の両方が合成される。この系からDNA gyraseを除くと殆どDNA合成が起きない。そこでこの不活性化したin vitro系を用い、DNA gyraseと同様の働きをする酵母蛋白の同定と精製を試みたが不成功であった。一方、酵母核抽出液より大腸菌DNA gyraseを加えることなくde novoにDNA合成を開始できる系を開発した。しかしこの系には十分量のDNA polymerase I-primaseが存在しないので、外から精製したDNA polymerase I-primaseを補充しなければならない。この新しい系はin vivoと同じようにleading鎖、lagging鎖が等量ずつ合成され(ladding鎖は100-150nucleotideの大きさのDNA-RNAが、leading鎖は長いDNAが合成される)うまくin vivoの複製様式を反映していると考えられる。3)DNAポリメラーゼ補助因子の精製出芽酵母染色体DNA複製に必須なDNAポリメラーゼI,II及びIIIはそれ自体ではDNA合成をうまく行うことはできない。DNA合成を効率よく、正確に行うためには、各々のDNAポリメラーゼと複合体を形成しているDNAポリメラーゼ補助因子が必要である。DNAポリメラーゼII及びIIIの補助因子であるRF-C蛋白複合体の1つのサブユニットであるRFC2遺伝子のクローニングを行い、その遺伝子産物を大量発現・精製し、生化学的性質を明らかにした。1)DNAポリメラーゼII(ε)とIII(δ)と相互作用している蛋白の同定と精製出芽酵母染色体DNA複製に必須な三種類のDNAポリメラーゼ(I(α)、II(ε)及びIII(δ))のうち、DNAポリメラーゼII(ε)と相互作用している新しい蛋白としてDpb5を同定し、部分精製を行った。この蛋白はDNAポリメラーゼII(ε)のホロ酵素と接合してDNA鎖の3′-OH末端を認識しDNAポリメラーゼの反応を能率良くする働きを持っていることが明らかになった。現在この蛋白を更に精製し、これをコードする遺伝子の単離を行っている。一方、DNAポリメラーゼIIの第二のサブユニットであるDpb2蛋白の温度感受性突然変異を多コピーで抑圧する遺伝子DPB11を同定・単離し、この遺伝子産物が実際DNAポリメラーゼIIと複合体を作ってDNA複製に関与しているが明らかにされた。また、この蛋白は同時に細胞周期のチェックポイント
看護学教育におけるコミュニケーション能力向上のためのルーブリック開発と実用化

看護学生が実習で経験する臨床場面を複数設定し、模擬患者によるロールプレイングにより、看護学生のコミュニケーションの特徴を明らかにした。学年進行に伴い、学生は患者やその場面の状況を判断し、目的意識を明確にし、多様なコミュニケーション技術を用いるように変化していた。学生のコミュニケーション学習には、その時患者と接する目的を明確に持たせ、状況にあった行動を瞬時に判断させる能力を涵養する教育が必要である。大学教育に主体的な学習が求められている。「自分は何を学ぶのか」といった学習目標や「自分はどのレベルに到達しているのか」といった学習レベルを学生に具体的に提示するため、ルーブリック評価の導入に取り組んでいる。看護実践能力の一つであるコミュニケーション能力に着目し、コミュニケーションルーブリック評価基準を作成するため、看護場面における看護学生のコミュニケーションの特徴を明らかにした。対象者は、看護場面を経験していない看護学生1年生10人と、看護場面におけるコミュニケーションを経験した看護学生3年生10人とした。対象者は、設定された同一の状況において、対象者とは面識のない模擬患者に一定時間看護ケアを行った。その場面を3方向から撮影し録画した。撮影終了後、看護場面において、難しかった点ややりにくかった点を記録してもらった。また、録画した看護場面を対象者に見せながら、看護ケア場面での感情や意識について半構成的面接を行った。対象者の行動については、動作解析ソフトを用いて分析中である。記録や面接で得られた感情や意識に関するデータについては、質的帰納的に分析中である。上記調査と並行し、適切で実用性のあるルーブリック評価基準を作成するために、研究メンバーはそれぞれ看護教育に関する学会や、ルーブリック評価に関する研修会に参加した。さらに、ルーブリック評価を大学の教育評価にすでに取り入れ活用している講師を招き、ルーブリック評価導入に関する講演会とワークショップを開催した。コミュニケーション能力は、看護実践能力において重要であり根幹であるため、ルーブリック評価基準を作成後に広く学内で活用できるよう、研究メンバー以外の教員も参加可能とした。平成26年度に収集した、看護学生と模擬患者とのコミュニケーション場面におけるデータの分析を行った。コミュニケーション場面の録画データから、看護学生1年生と3年生の行動を動作解析ソフトを用い比較した。解析にあたっては動作解析ソフトに精通した方のスーパーバイズを受けた。看護学実習を経験しコミュニケーション学習がすすんでいる3年生は、1年生と比べ、より患者に近い距離でコミュニケーションをとり、動きの幅が広かった。一方、コミュニケーション学習がすすんでいない1年生の記録や面接調査から、コミュニケーション時の感情や意識について質的帰納的に分析した。分析にあたり質的研究者からのスーパーバイズを受けた。学生は「コミュニケーション上の弱点の自覚」があり、克服の努力をしていた。コミュニケーション時には「理想の看護師と自己のギャップ」に苦しみ、「患者との間合いの不明感」で戸惑っていた。その結果「沈黙によるパニック」に陥り、また「ケアを目指した成果と安堵感」を感じていた。これらの結果を、第35回日本看護科学学会で発表した。データの分析結果をもとに、看護学生のコミュニケーションに関するルーブリック評価案を検討した。その案について、ルーブリック評価に精通した教育研究者からのスーパーバイズを受けた。コミュニケーションに関するルーブリック評価案の実用化をめざすために、26年度の調査をふまえ、別の場面でを設定した看護学生のコミュニケーション場面におけるデータ収集について検討した。データ収集に向け準備中である。看護学生の患者とのコミュニケーション場面は多様である。このことから、実用的なコミュニケーションルーブリック評価規準作成のため、複数の看護場面でデータ収集を行うことを計画していた。しかし、研究対象者である看護学生の学習進度等の都合で、27年度に計画していたデータ収集ができなかった。このため、26年度に収集した場面から収集したデータのみから作成したコミュニケーションルーブリック規準にとどまった。研究目的は、看護学生の臨床現場におけるコミュニケーションの特徴を明らかにし、看護学生が主体的学習に活用できるコミュニケーションルーブリック評価基準を作成することである。平成26年度は、看護者からの問いかけに積極的に応答する軽症の患者に対する看護場面を設定した。看護学生1年生及び3年生を対象に、看護場面の録画データ、看護場面後の半構成的面接によりデータ収集を行い、帰納的に分析した。この結果から、看護場面における看護学生の初学者と経験者の特徴をふまえた、コミュニケーション基準案を作成した。平成28年度は、看護実践の多様な場面に活用できるルーブリック評価基準とするために、看護場面でよくみられるがやや複雑な場面を設定し、看護学生のコミュニケーションの特徴を明らかにした。「胃がん切除術後経過は順調で明日退院が決まっているが、意外にも患者はふさぎ込み、夫がベッドの脇にいる場面」という、様々な判断やコミュニケーション技術を必要とする、看護学生にとってはやや複雑と考えられる看護場面を設定した。看護場面を録画し動作解析を行った。さらに、看護場面後に、学生に振り返ってもらい、看護場面におけるコミュニケーションについての意識や感情を半構成的面接によりデータ収集を行い、帰納的に分析した。看護学生は、患者の反応を敏感に受け取り、そばにいる夫にも配慮し、自分自身のコミュニケーション技術を自己評価していた。患者と夫は熟練した模擬患者を使用し、複数回のデータ収集でも同じ場面を再現し、データの信頼性を確保した。また、動作解析については、動作解析ソフトに精通した方のスーパーバイズを受けた。

得られた結果から看護学生が主体的学習に活用できるコミュニケーションルーブリック評価基準を作成した。看護学生が実習で経験する臨床場面を複数設定し、模擬患者によるロールプレイングにより、看護学生のコミュニケーションの特徴を明らかにした。学年進行に伴い、学生は患者やその場面の状況を判断し、目的意識を明確にし、多様なコミュニケーション技術を用いるように変化していた。学生のコミュニケーション学習には、その時患者と接する目的を明確に持たせ、状況にあった行動を瞬時に判断させる能力を涵養する教育が必要である。看護教育におけるコミュニケーション能力や、ルーブリック評価に関する研修会等に参加し、研究メンバーはルーブリック評価に関する十分な知識を得た。看護学生のコミュニケーション場面における動作の撮影・録画、動作を解析するための必要な機器や動作解析ソフトを購入し、26年度と今後の調査に必要な機器類を準備した。看護場面を経験していない看護学生と、看護場面におけるコミュニケーションを経験した看護学生の両者合計20人からデータを収集することができた。しかし、2回目のデータ収集が、対象者である学生の学業に支障をきたさないことを配慮した時期となったため、分析を年度内に終了できなかった。27年度に予定していたデータ収集を実施する。このデータと26年度収集したデータから、多様な場面で使用可能な実用的な看護学生のコミュニケーションルーブリック評価規準案を作成する。実習指導にあたっている熟練看護師や教育関係者とともに、看護学教育で適用できる妥当な評価規準を検討する。卒業時のコミュニケーションコンピテンシーを策定する。看護学生が卒業時にコミュニケーションコンピテンシーを獲得できるよう、コミュニケーション学習に関するポートフォリオ設計を検討する。看護学26年度に実施した調査結果である「看護学生のコミュニケーションの特徴」を看護系の学会で発表し、参加者と意見交換を行う。学習レベルがさまざまな学生が多様な状況で使用できるコミュニケーション評価規準を作成するため、26年度に調査を実施した調査と異なる場面を設定し、模擬患者に対する看護学生のコミュニケーションの行動や意識に関するデータを収集する。26年度の調査結果と27年度の調査結果を統合し、ルーブリック評価基準案を作成する。この案を実習指導に当たっている熟練看護師や教育関係者とともに、看護学教育で適用できる妥当な評価基準を検討する。27年度に計画していたデータ収集が実施できなかったこと動作解析ソフトを当初の予定より約20万円安く購入できた。データ収集に必要な、研究協力者への謝金、逐語録作成費用、動作解析専門知識提供者への謝金等動作解析の分析の信頼性を高めるため、動作解析の熟練者にスーパーバイズを依頼する。
器官誘導能をもつ毛包幹細胞の同定と分子機構の解明

本研究課題では、成体幹細胞が持つ器官誘導、および未分化能と増殖能を同時に維持するメカニズムの解明と、次世代再生医療の先駆けとして毛包器官再生医療への応用を目的とし、器官誘導能をもつ毛包上皮性幹細胞の存在するバルジ領域の細胞を培養、増幅する技術を確立し、毛包上皮幹細胞候補となる細胞集団を特定するとともに未分化性の維持と増幅には関与すると考えられるシグナル経路を明らかにした。また、培養条件を一部変更することでヒト毛包由来細胞の培養、増殖が可能であることが明らかとなった。本研究により三次元的な器官を誘導する幹細胞の学術的な知見とともに毛包器官再生医療の実現化の可能性が示された。平成28年度の研究は、研究実施計画に沿って進捗し、下記の成果を得た。1)「器官誘導能を持つ毛包上皮幹細胞の同定と器官誘導能の分子機構の解明」従来の器官原基法を発展させ、一つの細胞から増幅させたスフェロイドを使った機能解析実験系を確立し、毛包上皮細胞一つ一つの機能を解析することが可能となった。また、細胞増殖率、生存率、形態的特長などの性状解析を進め、バルジ領域の一部の細胞のみが毛包全体を再生しうることが明らかとなった。2)「毛包上皮幹細胞の未分化性と増殖能を制御する分子機構の解明」複数のサイトカインおよび阻害剤を用いて生体内での毛包幹細胞の維持機構を再現することにより、毛包全体を再生可能な幹細胞を増殖させることが可能であることを明らかにし、各シグナル経路の機能評価を進めている。また、培養過程で1つの細胞から形成されたコロニーに複数の異なる毛包幹細胞マーカーを発現した細胞が含まれ、培養条件やコロニーによりマーカー発現の組み合わせや頻度が異なることも見出した。これは、培養条件により未分化性が異なること、またたとえ同じ培養条件でも細胞により未分化状態が異なることを示唆している。さらに、未分化性と増殖能を同時に維持する分子機構を明らかにするために、培養過程での複数のタイムポイントでの遺伝子発現プロファイルを次世代シーケンスにより比較し、データの解析を進めている3)「毛包上皮幹細胞の臨床応用へ向けた技術開発」本研究項目は29年度に実施を予定していたが、マウス細胞を用いた培養系が確立したことから、予定を前倒しし、ヒト毛包上皮細胞の培養実験を実施した。その結果マウスと同様の方法で増殖可能であることが示された。また、サイトカインの種類や濃度の検討などの培養条件の最適化に加え、再構成方法の改良など効率よく毛包を再生させる技術の開発を進めている。研究の年度計画に対し、項目1)は順調に推移しており、平成28年度計画も達成され、さらに研究を進める。項目2)については、生体内での毛包幹細胞の維持機構を再現することにより、毛包全体を再生可能な幹細胞を増殖させることが可能であるかの検証は達成された。また、分子機構の解明に関しても遺伝子発現プロファイルの取得は既に完了しており、解析が終了し次第機能解析を行う準備を進めている。項目3)に関しては、予定を前倒しし、研究を進めている。今後の研究推進については、項目1)は平成28年度の課題が達成できたことから、予定通り器官誘導能の分子機構の解明を進める。項目2)については、共同研究なども選択肢に入れ、遺伝子発現プロファイルの解析を早急に進め、分子機構の解析を中心に進める予定である。項目3)については、引き続き研究を進めていく。幹細胞生物学、再生生物学
生体の光学的な窓を利用した新規in vivoイメージング技術の開発

組織の線維化をモニターできるマウスの開発組織の傷害は循環障害、炎症など様々原因によって誘導されるが、最終的には線維化を引き起こし、線維化の程度が組織の機能障害と密接な関係にあることが知られている。組織の線維化の程度を解析することにより、組織の機能障害が明らかにできるため、通常は組織標本を作製して線維化の程度を解析しているが、線維化をin vivoでモニターできる方法が開発できれば、組織障害や機能障害の経時的なモニタリングや、薬剤による治療効果の判定に大変有用であることが予想される。そこで、組織障害時に産生が亢進する5型コラーゲンの転写および線維そのものをin vivoでモニターできるマウスを開発する。具体的には5型コラーゲン遺伝子にGFP、iRFPもしくはHalo-Tag遺伝子を挿入し、5型コラーゲンの転写および線維そのものをiRFPでモニターできるマウスを開発した。また、デグラトンiRFPを導入することにより、特定の時期のみのiRFPを観察できるマウスを開発することを目的とした。その結果、5型コラーゲン遺伝子にGFPを挿入した遺伝子を有する細胞およびマウスを作製することができた。細胞では、特定の培養条件で、5型コラーゲン線維が細胞内で合成され、分泌される状況をリアルタイムで観察することができた。また、これらの細胞をマウスの皮下に移植したところ、膠原線維が形成された。CRISPR/Casを用いたゲノム編集により、5型コラーゲン遺伝子にGFPまたはHalo-Tagを挿入したマウスを作製した。デグラトンiRFPで5型コラーゲンがモニターできるかを培養細胞で検討したところ、デグラトンiRFPは観察感王であるものの輝度が低下することが明らかとなった。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。1.近赤外領域に蛍光波長を有するモニターマウスの開発:生体では650900nmの光が最も吸収が少なく、光学的な窓(Biological Optical Window)と呼ばれている。この光学的な窓に励起特性と蛍光特性がある蛍光タンパク質であるiRFPを用いた蛍光観察法を確立した。iRFを全身で発現するトランスジェニックマウスを作製したところ、各臓器からiRFPの蛍光を観察することができた。2.反復して時期特異的に観察できるiRFPの開発:申請者らが開発した「デグラトン(Deg)プローブ」を用いて、通常は分解されるがTet添加時のみ蛍光を検出できるDeg-iRFPを開発し、反復して時期特異的に蛍光が観察できるin vivoイメージング技術の開発を試みた。様々な構築を解析したところ、分解を調節できるiRFPを作製することができた。3.蛍光観察を阻害するメラニン色素のオーダーメイド阻害法の開発:マウスを用いた研究ではC57BL/6マウスが標準系統として用いられているが、黒毛のため蛍光によるイメージングが難しかった。そこでCRISPR/Cas9システムを用いて、既に確立されたC57BL/6J背景の遺伝子改変マウスのTyrosinase遺伝子に点突然変異をオーダーメイドで導入してアルビノ化する技術を開発した。その結果、点突然変異を有するアルビノC57BL/6Jマウスを高効率で作製することができた。4.蛍光観察を阻害する体毛のオーダーメイド阻害法の開発:マウスの蛍光による観察の場合には、体毛は阻害因子となるため、多くの研究者は体毛を剃って観察している。そこでCRISPR/Cas9システムを用いて無毛変異をオーダーメイドで導入できる技術の開発を行った。自然変異として知られているHairlessマウスに同定されている変異を導入することで、無毛のマウスを作製する技術を確立した。2-2.血管新生をモニターできるマウスの開発:Flk1およびFlt1遺伝子にiRFPを挿入したマウスを開発し、時期特異的にin vivoにおいて血管新生をモニターできるマウスを開発した。実際には蛍光と発光を観察できるNano-lantanを挿入し、血管を蛍光と発光で観察できるマウスを開発した。実際に血管内皮が発光していることを確認した。2-3.組織の線維化をモニターできるマウスの開発:組織障害後の線維化時に産生が亢進する1型コラーゲンの転写を時期特異的にin vivoでモニターできるマウスの開発を試みた。線維化をモニターするために、コラーゲン遺伝子の発現制御領域を複数単離し、その下流にiRFPを挿入したトランスジーンを作製した。来年度、マウスの作製を行う予定である。2-4.神経活動の履歴(痛み刺激)をモニターできるマウスの開発:これまで開発してきた神経活動の履歴をデグラトンiRFPを用いて時期特異的にモニターできるマウスの開発を試みた。昨年度開発したデグラトンiRFPを神経活動により活性化されるZif268 promoterの下流に導入し、トランスジーンの作製を行った。また実際に、末梢の神経でiRFPの発現が確認できるかをCAG promoter-loxP-HaloTag-loxP-iRFPマウスを用いて検討した。CAG promoter-loxP-HaloTag-loxP-iRFPマウスで末梢神経でのiRFPの発現が確認できる場合は、作製したトランスジーンを用いて、来年度マウスの作製を行う。研究申請書に記載した基盤技術の開発はほぼ終了し、論文化を進めている。それらの基盤技術を用いて、疾患の進行をモニターできる動物の開発を行っており、それらも順調に進行している。本研究はおおむね順調に進展していると考えられる。2.様々な病態をモニターできるマウスの開発

2-1. iRFPにより特定の細胞を追跡できるマウスの開発:iRFPをこれまで開発されている様々なCre-driverマウスにより特定の細胞集団のみで発現させることのできるマウスを開発した。このマウスでは、全身で発現するRosa遺伝子領域にloxP-Halotag-loxP-iRFPがノックインされている。このマウスを膵臓β細胞特異的にCreを発現しているIns1-Creマウスを交配したところ、膵臓β細胞特異的にiRFPの蛍光を検出することが可能であった。2-2.血管新生をモニターできるマウスの開発:iRFPを挿入したマウスを開発し、in vivoにおいて血管新生をモニターできるマウスの開発を行った。iRFPの他に、蛍光発光イメージングが可能なNano-lanternのBACTgマウスを開発したところ、離れた場所からの発光を観察することが可能となった。2-3.組織の線維化をモニターできるマウスの開発:線維化をin vivoでモニターできるマウスの開発を行った。組織障害時に産生が亢進する1型および5型コラーゲンの転写をin vivoでモニターできるマウスを開発した。基盤技術で開発したCRISPR/Cas9によるノックインシステムを利用して、iRFPをコラーゲン遺伝子の発現制御領域の下流に挿入することを試みた。2-4.神経活動の履歴をモニターできるマウスの開発:これまでの研究で開発してきたZif268/Egr1プロモーターと長寿命Venus蛍光タンパク質を用いることにより、神経活動の履歴をモニターできるマウスを開発した。Venusの代わりにiRFPを用いて、より非侵襲的に解析できるマウスを開発した。本研究に関連した新たなレポーターマウスの開発:本研究に関連して、新たなレポーターマウスを開発した。当初の目的であった項目「1.in vivoイメージングを効率化するための基盤技術の開発」では、4つの小項目全ての基盤技術を開発することができた。また小項目「1-3.蛍光観察を阻害するメラニン色素のオーダーメイド阻害法の開発」と「1-4.蛍光観察を阻害する体毛のオーダーメイド阻害法の開発」に関連して、CRISPR/Cas9を用いた遺伝子改変マウス作製法を改良し、1Mbに及ぶゲノムDNA欠損マウスの作製、点突然変異の導入、FlagやHA tagの導入、iRFPを含むマーカー遺伝子の遺伝子発現制御領域下への挿入、コンディショナルノックアウトマウスの作製など、非常に応用範囲の広い、作製技術を開発することができた。さらに項目「2.様々な病態をモニターできるマウスの開発」でも「2-1. iRFPにより特定の細胞を追跡できるマウスの開発」は完了し、なおかつ、成体になってからのiRFPの誘導により、体外からモニター可能な細胞除去方法が確立できる可能性があるなど、予想外の発展が期待できる。また項目2の他の小項目でも、既にマウスの作製を行なっており、残り2年の研究期間中に、期待以上の成果が得られると考えられる。上記の理由により「当初の目標を超える研究の進展があり、予定以上の成果が見込まれる」と考えられる。
神経活動依存的な嗅回路構築の原理の解明

ヒトを含む高等動物の脳は、多数の神経細胞からなる複雑かつ精巧に組織された神経回路によって外界からの感覚情報を適切に処理し、行動する。この情報処理の根幹をなす神経回路は、遺伝的プログラムによる基本的なシステム構築のあと、臨界期に生じる神経活動に依存した精緻化を経て完成される。マウス嗅覚系において、嗅細胞で発生する神経活動は発現する嗅覚受容体の種類に応じた回路構築(軸索の収斂)を制御する。この神経活動に依存した軸索収斂の分子的基盤として、我々はこれまでに神経活動を介して制御される複数の細胞接着分子を同定している。これらの細胞接着分子の発現量は発現するOR分子に依存しており、分子間での発現パターンは大きく異なっている。このことから、以下の2つ疑問が想定される。一つは、どのようにORの種類という情報が神経活動のスパイク列の中に表現されるのか、もう一つは神経活動を介してどのように軸索選別分子の多様な発現パターンがつくり出されるのかである。そこで本研究では、遺伝子改変マウスを用いて嗅神経の神経活動を観察・操作することを通じて上記の2つ問題の解明に努めた。まず一つ目の問題を明らかにするために、カルシウムイメージング法を用いて嗅神経の神経活動を可視化し、時間変化のパターンを解析した。その結果、発生期の嗅細胞においては、視覚系など他の脳領域で知られているような隣接する神経の同期的な発火は観察されなかった。さらに、発現する嗅覚受容体の種類と自発的神経活動の対応関係の検証を行なったところ、嗅細胞は発現する受容体の種類に応じた特異的な神経活動パターンを示すことが明らかとなった。一般に、活動依存的な回路形成のメカニズムとしては、従来シナプス前細胞と後細胞との間における同期的な発火が重要であると考えられている(ヘブの法則)。一方、本年度の研究結果において、発生期の嗅細胞においては、視覚系など他の脳領域で知られているような隣接する神経の同期的な発火は観察されなかったものの、嗅細胞は発現する受容体の種類に応じた特異的な神経活動パターンを示すことが明らかとなった。このことは、嗅神経の回路形成はヘブ則に依らない新規の機構により表現されていることを示唆している。次年度以降の研究により、既存のよく知られた機構とは異なる、活動依存的な回路構築の新しいメカニズムを明らかにできるものと期待できる。次年度は、嗅細胞での神経活動がどのようにして細胞接着分子の多様な発現パターンを作り出しているかを明らかにするために、光遺伝学の手法を用いて嗅神経の神経活動を操作する。この目的のため、まずは嗅細胞特異的にチャネルロドプシンを発現する遺伝子改変マウスを作成する。この遺伝子改変マウスの嗅細胞に対し、青色LED光の照射によって人工的な神経活動パターンを誘導する。その際に、誘導するパターンとしては本年度の実験結果を参考とし、内在的な嗅細胞の神経活動パターンを再現する。嗅細胞に様々な人為的神経活動パターンを光照射した後、着目する細胞接着分子群の発現変化を組織学的手法(in situ hybridiation法および免疫染色)、および定量PCRにより解析する。これらの結果から、嗅細胞の活動依存的な回路構築のメカニズムを明らかにする。

次年度以降の研究により、既存のよく知られた機構とは異なる、活動依存的な回路構築の新しいメカニズムを明らかにできるものと期待できる。次年度は、嗅細胞での神経活動がどのようにして細胞接着分子の多様な発現パターンを作り出しているかを明らかにするために、光遺伝学の手法を用いて嗅神経の神経活動を操作する。この目的のため、まずは嗅細胞特異的にチャネルロドプシンを発現する遺伝子改変マウスを作成する。この遺伝子改変マウスの嗅細胞に対し、青色LED光の照射によって人工的な神経活動パターンを誘導する。その際に、誘導するパターンとしては本年度の実験結果を参考とし、内在的な嗅細胞の神経活動パターンを再現する。嗅細胞に様々な人為的神経活動パターンを光照射した後、着目する細胞接着分子群の発現変化を組織学的手法(in situ hybridiation法および免疫染色)、および定量PCRにより解析する。これらの結果から、嗅細胞の活動依存的な回路構築のメカニズムを明らかにする。
機械的な力を介した哺乳動物胚の形態形成機構の解析

哺乳動物胚は、受精後子宮内膜上皮に着床した後、子宮側組織に囲まれて形態形成が進行する。申請者等は、子宮から胚への圧力や細胞間・組織間にかかる力がマウス胚の正常発生に関与することを明らかにしつつある。しかし、初期胚発生過程において、子宮内や胚内の機械的力の大きさはどれほどで、どのように形態形成に働いているのかは依然として不明である。本課題では、子宮と胚の間、細胞と組織間でかかっている力を明らかにする。更に、同定した力学的環境を子宮内や子宮外培養下で変化させることで、機械的力が哺乳動物胚の形態形成に果たす機能を解明する。
非齲蝕性硬組織欠損の成因に関する総合的研究

現代人抜去歯、中切歯から第2大臼歯、上下顎左右側、合計6572本において、非齲蝕性歯頸部硬組織欠損(Non Carious Cervical Lesions:NCCL)の出現状況を調べた。NCCLは犬歯と第一小臼歯で最も出現頻度が高かった(4060%)。ほとんどの歯種で、NCCLは頬側(唇側)に最も高頻度に現れたが、上顎第2大臼歯では舌側に最も高頻度で現れた。形態は、表面の輪郭(弦、横長、縦長、帯、不定形)と断面の形態(円形、楔、平滑、不定形)で分類した。前歯の舌側には、縦長・円形タイプが多く、小臼歯の頬側には弦・楔タイプが多く、大臼歯の近心面と遠心面には、横長・円形タイプが多かった。NCCLには、様々な形態があることが知られているが、形態の分類基準が研究者によってまちまちであるため、NCCLの出現頻度が正確に求められているとは言えず、歯種ごとの出現頻度も求められていない。また、NCCLは、摩耗、酸蝕、アブフラクションなどが重なり合って形成されると考えられているが、どの因子がどのくらいの影響を持つかはまだわかっていない。さらに、NCCLの形態によっても成因が異なる可能性もある。そこで、NCCLの分類基準を新たに設定し、歯種ごとにNCCLの出現頻度を求めた。資料は、現代人の抜去歯(年齢性別不明)で、上顎の中切歯から第2大臼歯まで合計1362本、下顎の中切歯から第2大臼歯まで合計700本、合計2062本である。観察は、蛍光灯のもと、10倍ルーペを用いて、肉眼で行った。NCCLの形態の分類は、表面形態と断面形態の2面で行った。表面形態は6種類(上弦、下弦、横楕円、縦楕円、帯、不定形)、断面形態も6種類(円弧、撰上、楔中、楔下、平滑面、不定形)に分類した。その結果、歯種別に見ると、上顎でも下顎でもNCCLは犬歯で最も多く、次いで第一小臼歯で多く(いずれも約50%の個体で)見られた。部位別に見ると、ほとんどの歯で唇側での出現が最も多かった。形態(表面形態と断面形態)も考慮すると、中切歯、側切歯、犬歯では、唇側に上弦円弧、舌側に縦楕円円弧が多く現れ、小臼歯では、頬側に上弦円弧と上弦撰が多く現れ、大臼歯では、近遠心側に横楕円円弧が多く現れた。このようなNCCL、の現れ方から、上弦円弧にはラッシングによる摩耗、縦楕円円弧には酸蝕、上弦楔にはアブフラクション、横楕円円弧には摩耗が関与している可能性が考えられる。これらの研究と同時に、年齢と性別のわかる現代人抜去歯においてもNCCLの肉眼観察を行っており、さらにNCCLのSEMによる観察も行っている。現代人におけるNCCLの出現状況を調べた。資料は、現代人の抜去歯(性別年齢は不明)である。資料数を昨年度よりも大幅に増やし、上下顎左右側の中切歯から第2大臼歯まで、合計6000本とした。蛍光灯のもと、10倍ルーペを用いて、肉眼で歯頸部付近を観察し、NCCLの出現部位と形態を調べた。【形態の分類方法】【出現頻度】上下左右いずれでも、犬歯と第一小臼歯での出現頻度が最も高かった。【出現部位】ほとんどの歯種で、唇側での出現率が最も高かった。上下顎前歯部、上顎大臼歯部では、舌側での出現率も比較的高かった。【形態の出現頻度】ほとんどの歯種で、LCとrの組み合わせが多かった。下顎前歯部では、VEとrの組み合わせも比較的多かった。断面が喫形(uw、mw、lw)のものは、上顎小臼歯部に多かった。歯種によって、多く現れる形態の組み合わせが異なる傾向が見られたことから、NCCLの形態によって、その成因が異なる可能性が導かれた。現代人抜去歯において、非齲蝕性歯頸部硬組織欠損(Non Carious Cervical Lesions以下NCCL)の、有無、発現歯種、発現部位、形態、を調べた。観察歯種は、中切歯から第2大臼歯まで、上下顎左右側、合計6572本である。肉眼観察と10倍ルーペによる観察を行った。

その結果、NCCLは犬歯と第一小臼歯で最も出現頻度が高く(4060%)、近心と遠心に向かうにつれて頻度は低くなり、第2大臼歯では頻度は1030%だった。ほとんどの歯種で、NCCLは頬側(唇側)に最も高頻度に現れたが、上顎第2大臼歯では舌側に最も高頻度で現れた。形態は、表面の輪郭(弦、横長、縦長、帯、不定形)と断面の形態(円形、楔、平滑、不定形)で分類した。表面の輪郭で最も多かったのは円形、次いで楔形であった。断面の形態で最も多かったのは弦、次いで横長と縦長が多かった。表面の輪郭と断面の形態の組み合わせで最も多かったのは弦・円形、次いで、縦長・円形、横長・円形、弦・楔、が多かった。NCCLの形態の出現頻度は、歯種によって偏りが見られた。表面の輪郭に関して、縦長は前歯に多く、横長は大臼歯に多かった。弦はどの歯種でも多かったが小臼歯で比較的多かった。NCCLの形態の出現頻度は、歯の部位によっても偏りが見られた。表面の輪郭に関して、弦は頬側(唇側)に多く、縦長は舌側に多く、横長は近心側と遠心側に多かった。断面形態に関しては、円形がどの面でも多かったが、楔は頬側(唇側)に特徴的だった。まとめると、前歯の舌側には、縦長・円形タイプが多く、小臼歯の頬側には弦・楔タイプが多く、大臼歯の近心面と遠心面には、横長・円形タイプが多かった。歯種や歯の部位によって、現れるNCCLの形態が異なることから、NCCLの成因として、いくつかの異なった成因が考えられる。形質人類学的分析が平成23年度までに完了したので、この結果をもとに、組織学的分析、CTによる分析、生体力学的分析を進めることが可能となった。この進捗状況は計画通りである。25年度が最終年度であるため、記入しない。当初計画していた、NCCLの肉眼観察、組織学的観察、CTによる観察、のうち、肉眼観察に関しては、今年度までに十分な結果を出すことができた。組織学的観察、CTによる観察に関しては、当初予定していた分析機器が機器の不具合等から使用できなくなり、新たな機器を探していたため、今年度は予備的な観察を行うにとどまった。平成23年度までに得られた形質人類学的分析結果をもとに、組織学的分析、CTによる分析、生体力学的分析を進める。同時に、性別年齢のわかる抜去歯を用いて、形質人類学的分析を行うことによって、NCCLの出現状況の性差や年齢変化を明らかにする。これらの結果を総合して、NCCLの成因を解明する。昨年度まで行ったNCCLの肉眼観察の結果をもとに、NCCLの各形態を持つ歯について、髄室の形態をCTによって観察する。CTによる観察は、年齢性別のわかる歯を用いて行う。それによって、NCCLの肉眼形態と髄室内の形態の関係を明らかにし、NCCLの成因について考察を行う。NCCLの出現状況と成因について論文にまとめる。
所有者に代わる森林の管理主体に関する日欧比較研究

欧州の研究機関と連携して調査の検討を行い、日本および欧州において面接調査やアンケート調査を実施する。それらの調査結果に基づいて、1森林管理作業体系や森林組合等の林業関連事業体の経営状況、木材流通構造、2森林所有者の世帯構造、所有森林資源構成、林業経営の実施状況および森林組合との関係、3林業政策および森林管理受委託等の取り組みの大きく3つのポイントについて分析を行い、対象地域の林業や木材流通構造、林業関連制度・政策、森林所有者の林業経営動向を明らかにするとともに、調査対象地間の比較分析から、日欧の小中規模所有者の林業活性化と林業継承を進めるための要件を明らかにする。
スケーラブル通信ライブラリを用いた次世代惑星電磁圏連成計算技術の創出

本研究は【1】強連成計算に向けたマクロ・メソ・ミクロ計算コードの最適化、【2】スケーラブル通信ライブラリACPを用いた「コンダクタ・アプリ」の開発、の2つの課題を中心に進められた。マクロ計算コードとしては惑星磁気圏と太陽風との相互作用を解く磁気流体力学コードを用いる。メソ計算コードとしては、磁気子午面をシミュレーション空間に設定し、磁気圏内でのプラズマ波動の伝搬を解く電子流体コードを用いる。ミクロ計算コードには、磁気赤道周辺でのプラズマ粒子とプラズマ波動との相互作用を解き進める電子ハイブリッドコードを用いる。いずれのコードも、個別の計算で複数の学術論文が出版されている、実績あるコードである。本課題ではこれらのコードをdirect memory accessによるコード間通信で組み合わせて、計算を実施しつつ相互の結果を参照する強連成計算の実現を目的として研究開発を進めた。平成30年度は課題【1】に関して、前年度に引き続きマクロ・メソ・ミクロ計算コードを用いた強連成計算に向けた取り組みを行った。すなわち、(1)コード間通信で必要となるデータ形式の検討と通信モジュールへの実装、(2)コード間通信に用いるACPライブラリ関数の通信モジュールへの実装、(3)同等のコード間通信機能をMPIで実現した場合の計算コスト差の見積もりと評価、(4)メソ・ミクロ計算コードを用いた強連成計算でのベンチマーク、である。また、【2】に関してはコンダクタ・アプリをMPMD(Multiple Program Multiple Data)を実現するフレームワークとして設計を行い、プロトタイプを構築した。マクロ・メソ・ミクロ計算コードのコード間通信に必要な情報の整理と、ACPライブラリを用いた通信モジュールの設計、最適化作業は順調に進展している。同等の機能をMPIで実現した場合の計算コストの比較など、実効的な性能の評価も開始している。コンダクタ・アプリの開発検討も当初の計画通りに進められている。研究組織内での議論は円滑に進められており、当初の研究計画に対して順調に進展していると判断される。研究は順調に進展しており、次年度も当初の研究計画に従って研究を遂行する方針である。平成29年度は課題【1】に関して、マクロ・メソ・ミクロ計算コードを用いた強連成計算に向けた取り組みを行った。すなわち、(1)コード間通信に各コードで必要となる情報のデータサイズと想定される通信頻度の整理、(2)通信に必要なモジュール箇所を取り出しての最適化作業、(3)コード間通信に用いるAdvanced Communication Primitives (ACP)ライブラリについて、各コードに導入が必要な関数の選択とインターフェースの設計、(4)各コードの通信モジュール部分へのACPライブラリ関数の導入とコード開発、である。また、【2】に関してはコンダクタ・アプリに必要な機能と開発項目の検討を開始した。通信モジュールの設計と、各コードの入出力情報を管理する機能の実装に向けて、開発項目を整理した。

また、【2】に関してはコンダクタ・アプリをMPMD(Multiple Program Multiple Data)を実現するフレームワークとして設計を行い、プロトタイプを構築した。マクロ・メソ・ミクロ計算コードのコード間通信に必要な情報の整理と、ACPライブラリを用いた通信モジュールの設計、最適化作業は順調に進展している。同等の機能をMPIで実現した場合の計算コストの比較など、実効的な性能の評価も開始している。コンダクタ・アプリの開発検討も当初の計画通りに進められている。研究組織内での議論は円滑に進められており、当初の研究計画に対して順調に進展していると判断される。研究は順調に進展しており、次年度も当初の研究計画に従って研究を遂行する方針である。全国共同利用を通じて使用できる計算機資源が解析ソフトウェアライセンスを含めて一定程度確保できたことにより、平成29年度に執行予定であった大型計算機利用料と解析ソフトウェアの物品費を使用せずに、平成30年度のコード間通信性能評価のための計算機利用料として使用することとした。解析補助のための人件費は平成30年度に集中して使用・実施することとした。平成30年度に執行予定であった大型計算機利用料の一部を、平成31年度のコード間通信性能評価のための計算機利用料として使用することとした。