hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ペロブスカイト型複合酸化物における相変態の制御

ペロブスカイト型複酸化物ABO_3について、AイオンとしてLaからLuにいたる希土類3価イオン、BイオンとしてAl^<3+>、Ga^<3+>のA,B共に3価イオン同士の組み合わせにより、組成変化、温度変化に伴う構造変化を、試料の高温合成、粉末X線回析法、熱測定により追跡し、それらの関係を明らかにした。結果としてイオン半径の組み合わせにより相変態温度を予測できる。1.試料の合成:BイオンとしてAl^<3+>を採用した場合、軽希土側のLnBO_3では酸化物試薬を出発物質とする1600°Cでの焼結反応によりペロブスカイト型相が形成されるが、YbやLuなどの重希土側ではこの温度範囲ではペロブスカイト型構造は不安定となり単一相でなかったり、ペロブスカイト型相が形成されなかったりする。一方KFを用いたフラックス法では比較的低温で融解し、蒸発により結晶の形成が可能となりLaからLuにいたる希土類元素で常圧においてペロブスカイト型LnAlO_3が形成されることを確認した。この系において、重希土側では高圧下でなければペロブスカイト型相は存在しないだろうとみなされていたが温度条件を整えれば常圧でも作成可能であること示した。一方、BイオンとしてGa^<3+>を採用した場合は、さらにこの条件が厳しくなり、同様の実験では重希土側では常圧においてペロブスカイト型相は確認されていない。
円分体の類数とベルヌイ数の性状に関する研究

(1)イデアル類群の構造を解明するために,特に奇素数pに対するp-円分体の相対類数を研究した.最初に,行列式によって相対類数が表現されるMaillet型およびInkeri型行列に対応するStickelbergerイデアルの基底を構成した.当然のことながら,このイデアルの群環における群指数は相対類数と一致する.次に,Inkeri行列の成分である特殊商を係数にもつ多項式を考え,これとある円分多項式との終結式を考察することによりLehmer型の類数公式を導いた.その結果,Lehmerが得たものとは異なる相対類数の有理整因数が決定され,その素因数が満足すべき条件を与えることができた.(2)相対類数と深く関係しているベルヌイ数の性状に関する研究として,Fermat-Euler商を含むVoronoi型のベルヌイ合同式を開発した.この合同式は多くの場面に応用することができる.例えば,P-進L関数の構成に必要なKummer型合同式や平方剰余の分布と2次体の類数が関係する古典公式を包含した新しい形の公式を与えたり,相対類数の特性を記述した有名なVandiver合同式に新しい証明を与えることができた.(3)第1種および第2種Stirling数の合成積を研究し,組合せ論の手法を用いて高位のベルヌイ数(Norlund数)および第2種ベルヌイ数に関する種々の新しい特性を発見し,また漸化関係式を開発した.これらの結果は,今までに発見されてきたものを殆ど全て包含しており,今後のベルヌイ数の研究に少なからず貢献するものと考える.(1)イデアル類群の構造を解明するために,特に奇素数pに対するp-円分体の相対類数を研究した.最初に,行列式によって相対類数が表現されるMaillet型およびInkeri型行列に対応するStickelbergerイデアルの基底を構成した.当然のことながら,このイデアルの群環における群指数は相対類数と一致する.次に,Inkeri行列の成分である特殊商を係数にもつ多項式を考え,これとある円分多項式との終結式を考察することによりLehmer型の類数公式を導いた.その結果,Lehmerが得たものとは異なる相対類数の有理整因数が決定され,その素因数が満足すべき条件を与えることができた.(2)相対類数と深く関係しているベルヌイ数の性状に関する研究として,Fermat-Euler商を含むVoronoi型のベルヌイ合同式を開発した.この合同式は多くの場面に応用することができる.例えば,P-進L関数の構成に必要なKummer型合同式や平方剰余の分布と2次体の類数が関係する古典公式を包含した新しい形の公式を与えたり,相対類数の特性を記述した有名なVandiver合同式に新しい証明を与えることができた.(3)第1種および第2種Stirling数の合成積を研究し,組合せ論の手法を用いて高位のベルヌイ数(Norlund数)および第2種ベルヌイ数に関する種々の新しい特性を発見し,また漸化関係式を開発した.これらの結果は,今までに発見されてきたものを殆ど全て包含しており,今後のベルヌイ数の研究に少なからず貢献するものと考える.本年度は次の2つの目的があった。(1)円分体Kの不変量である類数すなわちOでないイデアル全体がなす乗法群O_Kを単項イデアルP_Kで類別して得られるイデアル類群O_K/P_Kの位数を調べることにより、類群の構造を解明すること。(2)類数のp-整除性やその素因数問題が深く関係するベルヌイ数の性状と非正則素数の分布を解明すること。(1)については、円分体のガロア群に対する群環のStickelberger部分イデアルとFueter合同式系が関係するDemyanenko型行列の特性を研究した。一般論としては大きな成果は得られなかったが、特にMaillet型およびInkeri型行列に対応するStickelbergerイデアルの基底を構成することができ、それにより新しい類数公式が完成した。この公式の代数的意味付けと類群の構造の解明については、今後の主要課題となる。(2)については、まずゼータ関数値との関わりの中でベルヌイ数の性状を研究した結果、1つの成果としてアンブラ手法によってRamanujanの関係式に別証明が求まり、新しい解釈を与えることができた。またベルヌイ数とFermat-Euler商を含む関係式を開発することができ、1つの応用としてp-進L関数の構成に必要なKummer型合同式や平方剰余の分布と2次体の類数が関係する古典公式を包含した新しい公式を与えることができた。非正則素数については、既存のアルゴリズムを改良して類数の組成因子とベルヌイ数に関する多くの数値データを集積したが、それらのデータ分析から高位の非正則双の特性を現在研究中である。本年度は主として次の3つのテーマについての研究を行った:(1)p-円分体の相対類数に関するInkeri行列に基づくKummer型類数公式の開発。(2)イデアル類群の構造の解明。(3)Fermat商に関するSkula予想。(1)については、Inkeri行列に対応しているp-円分体のGalois群に対する整数環上の群環Rおよびその部分環におけるStickelbergerイデアルの特殊な基底を昨年度に構成することができ、その代数的意味付けが完成している。

これらの結果を踏まえて、今年度はInkeri行列の一般成分に関係するいくつかの商を定義し、それらの商を係数にもつ特殊な多項式値を用いたKummer型の類数公式を完成させることができた。また、これらの類数公式を観察することにより相対類数の因数の特性を調べることができた。その素因数の決定および非正則性については、今後の課題である。(2)の類群の構造については、いろいろな考察(特に特殊表現による)を試みたが、期待していた成果は得られなかった。(3)のSkula予想については、最初にBernoulli数と多項係数を含む組み合わせ論の手法を用いてその解明に努力した。しかし困難を極めたためGranvilleに相談した結果、彼の独創的なアイデアに基づき平方の場合が完全に解決された。ここで用いられたアイデアは一般巾指数の場合にも適用、拡張されると信じているが、現在のところ最終的な解決には至っていない。本年度は、主として次に述べるの3つの課題の研究を行った。(1)p-円分体の相対類数の因数の研究:イデアル類群の構造を解明するために、相対類数の因数を研究した。参考にしたのは、Kummerの類数公式と円分多項式の特性を利用したLehmerによる類数の因数表示モデルである。最初に、Inkeri行列の成分である特殊商を係数にもつある多項式を考え、それによる同種の類数公式を導いた。次に、上記の多項式と円分多項式の終結式を利用して類数の因数を決定した。これらは素因数ではないが、Lehmerが与えたものとは異なっており、将来新しい類数計算アルゴリズムの発見に継るものと考える。また、相対類数を割り切る素数の巾乗数が満足すべき特殊合同式を、Lehmerの場合と同様に発見することができた。(2)相対類数に関するVandiverの合同式の研究:相対類数とBernoulli数が関係するVandiverの合同式に関して、以前に求めたFermat-Euler商を含むBernoulli合同式とInkeri型類数公式を用いて全く新しい証明を与えることができた。(3)Stirling数によるBernoulli数の研究:第1種および第2種Stirling数の合成積を研究し、Bernoulli数に対する種々の特殊漸化式を求めた(Karl Dilcherとの共同研究)。これらの特殊漸化式は、今までに発見されている関係式をほとんど全て包含しており、今後のBernoulli数の研究に大いに役立つものと考える。
カーボンナノチューブの配向制御と自己整合型トランジスタへの応用

現在Siに替わる新素材として、カーボンナノチューブ(CNT)が注目されている。これまでCNTのデバイス応用は、CNTを基板上にすくい取り、後から電極等を形成してきた。しかしながらこの手法では、集積化を行なうことが困難である。本研究では、CNTのデバイス応用を目指し、CNTの成長の位置制御、及び配向性制御を目的に研究を進めてきた。昨年度、触媒のパターニングにより、CNTの位置制御が可能であることを見出すとともに、熱フィラメント法を用いることで、基板温度576750°Cという従来に無い低温度においてCNTが成長可能であることを明らかにした。そこで本年度は、CNTの配向性制御を目的に研究を進めた。CNTの配向性制御として、電界印加効果を用いた。このための電極にはMoを用いた。また、電極間の間隔は2μmとした。このMo電極上に、昨年度開発したFe/Co系触媒をリフトオフ法により塗布し、成長時に電極間に電圧を印加することで、電界が成長に及ぼす効果を調べた。その結果、電界強度0.25V/μmにおいてCNTが電界方向に沿って成長することを新たに見出した。また電界強度0.8V/μmにおいて、ギャップ2μmの電極間の架橋成長に成功した。しかしながら、電界強度を2V/μmまで高めると、電極間にグラファイト状の堆積物が生成することが明らかとなり、印加する電界に最適値があることが分かった。電界により、CNTが電界方向に沿って成長する理由として、CNT自体の誘電現象、及びCNTの先端付近の帯電現象が考えられる。さらに本研究ではCNTの位置制御として、従来のFe/Co触媒に替わり、新しい触媒微粒子を用いることを新たに提案した。初期的段階ながら、新しい触媒微粒子を用いてCNTの成長が可能であること、また触媒の粒径が揃っていることを反映し、得られたCNTの直径が揃っていることを見出した。これら知見は、CNTの新しい成長技術として極めて重要である。これまでCNTのトランジスタ応用に関しては、数件の発表例がある。しかしながら、そのほとんどがCNT作製後、溶液中に分散させ、これを基板上に掬い取り、電極パターンを形成したものである。この手法では、単独のトランジスタは動作するが、その集積化は困難である。そこで本研究では、CNTの電子デバイス応用を目指し、その成長位置の制御、並びに配向性制御を目指して研究を進めた。初年度は、CNTの成長技術の確立を目的に研究を遂行した。本研究ではCNT作製のため、高温でも変形しにくくCNT成長の触媒にならない、カーボンフィラメントを用いた熱フィラメントCVD法を採用した。熱フィラメント法では、フィラメントにより反応ガスが熱分解されるため、低温成長が可能であるという利点がある。また、CNTの成長には触媒が重要であるが、本研究ではFe/Co系触媒を使用した。これにより、原料ガスとしてH_2およびC_2H_2を用いて、基板温度560750°Cという従来にない低温度において単層CNTの作製に成功した。また、C_2H_2の最適流量について検討したところ、C_2H_2濃度1.5%が最適値であることを見出した。上記結果を元にデバイス応用を目指し、はじめにCNT成長の位置制御を試みた。位置制御は、フォトリソグラフィ法により、柱状構造を有する触媒パターンを形成することで行った。その結果、CNTは触媒金属が存在する部分のみに成長することを見出すとともに、柱状間距離によっては、柱間を架橋成長することを明らかにした。この結果は、デバイス応用にとって極めて重要な結果である。さらに、CNT成長の配向性制御を目的に、成長時における電界印加を行い、電界方向にCNTが成長するとの知見を得た。今後は、電界効果を利用した成長を利用して、デバイス構造を作製していく予定である。

電界により、CNTが電界方向に沿って成長する理由として、CNT自体の誘電現象、及びCNTの先端付近の帯電現象が考えられる。さらに本研究ではCNTの位置制御として、従来のFe/Co触媒に替わり、新しい触媒微粒子を用いることを新たに提案した。初期的段階ながら、新しい触媒微粒子を用いてCNTの成長が可能であること、また触媒の粒径が揃っていることを反映し、得られたCNTの直径が揃っていることを見出した。これら知見は、CNTの新しい成長技術として極めて重要である。
相利共生場におけるストレスタンパク質の新機能とその粘膜制御への応用

腸管粘膜組織の上皮細胞や免疫細胞に対する共生菌ビフィズス菌やそのストレスタンパク質の作用と分子多様性について明らかにした。腸管の上皮細胞は粘膜下の抗原提示細胞に制御的な機能を賦与し、ビフィズス菌のストレスタンパク質は共生因子様の抑制作用をもつことを示唆した。また、多糖類ナノファイバーの摂取が消化管内環境へ及ぼす影響について解析した結果、意外にも、摂食に伴う体重増加を抑制し、炎症性疾患を誘発することなく腸内細菌叢の改善につながる可能性を見出した。根源的な腸管粘膜組織の免疫恒常性を的確に制御し、アレルギーや動脈硬化などの炎症性疾患を予防するために、ナノファイバー素材は有望であることを示唆した。アレルギーや動脈硬化などの炎症性疾患を予防するためには根源的な腸管粘膜組織の免疫恒常性を的確に制御することが望まれるが、その手段は確立されていない。本研究では、生体防御へのHSPsの多機能性に着目し、腸管粘膜組織の上皮細胞や抗原提示細胞、T細胞の機能制御に対するHSPsの作用と分子多様性の意義を解明する。平成25年度では、まず、腸管粘膜組織の上皮細胞と抗原提示細胞に対するHSPsの作用を解析した。樹状細胞の単培養、Contiguous共培養系、Remote共培養系を作製し樹状細胞のCD103発現に対する上皮細胞CMT-93の作用を比較した。生理的環境を反映するContiguous共培養系では単培養と比べて、制御性樹状細胞の指標であるCD103発現を示す蛍光強度が増加し、CD103を発現する細胞の割合が増加したことから、上皮細胞が樹状細胞に制御的環境を賦与していることが判明した。しかし、マウスやビフィズス菌のHSPを上皮細胞側に添加しても樹状細胞のCD103発現には影響を及ぼさないことが示された。次に、多糖類ナノファイバーを用いたHSPs送達系の開発を試みるために、木材チップ、小麦ふすまやカニ甲殻からセルロースとキチンナノファイバーを作製した。ナノファイバーの消化管内への摂取が及ぼす影響について腸内細菌の変動と大腸粘膜固有層の免疫細胞の変動を指標に検討した。αセルロース繊維を対照にそれぞれのナノファイバーをマウスに経口投与すると、腸内細菌の分布状態が、対照群ではFirmicutes門の細菌の増加(肥満型)を示したのに対して、ナノファイバー摂取群では肥満型を示さず、有意に体重の増加が抑えられていた。FITC蛍光標識したナノファイバーをCMT-93細胞および樹状細胞に添加したところ、キチンナノファイバーが有意に認識されることを見出した。これらの結果から、粘膜組織への有用成分を送達する材料としてナノファイバー材料は機能性材料として注目できることを示唆した。平成26年度では、腸管粘膜免疫系のT細胞活性化に対するストレスタンパク質(Heat Shock Protein; HSP)の抑制作用について調べた。特に、相利共生する腸内細菌に着目し、ビフィズス菌由来のHSPの生理作用に焦点を当てた。まず、有用なプロバイオティクスとしてはたらくビフィズス菌のGroELの遺伝子をサブクローニングした。大腸菌でタンパク質を誘導発現後、精製し、ビフィズス菌由来GroELを調製した。次に、HSP(大腸菌GroEL、マウスHsp60、ビフィズス菌GroEL)を抗原負荷させたマウスの骨髄由来樹状細胞とマウスの脾細胞由来naive T細胞を、IL-10及びTGF-β存在下で共培養したところ、培養期間3日ではCD4+CD25+Foxp3+制御性T細胞(Treg)の存在率に関して、HSPに特徴的な差異を認めることはできなかった。しかし、培養期間6日ではHSP添加により、Tregの存在率が上昇することを観察した。この結果から、3種類のHSPにはTreg誘導に関わるエピトープが存在し、ペプチド断片を抗原提示細胞に提示させることにより、Treg誘導に関わることが示唆された。一方、予期せずして、増殖刺激下でのT細胞に対するストレスタンパク質の抑制作用を見出した。マウス脾臓のCD4+CD25- T細胞を、抗CD3/CD28抗体によるT細胞増殖刺激下で、HSP存在下あるいは非存在下において48時間培養したところ、HSP存在下において、IL-2産生量及び細胞増殖、CD25の発現がそれぞれ抑制された。本結果は、CD4+CD25+ Tregを介さずにHSPが直接的に作用し、T細胞の活性化を抑制することを示している。最終年度では、より生理的な環境に近づけた異なる共培養条件で再検討した。マウス骨髄細胞をGM-CSF、IL-10及びTGF-b存在下で培養した制御型樹状細胞(DCreg)を調製し、HSP抗原感作したDCregとnaive T細胞を共培養してTregのFoxp3発現率を解析した。

その結果、HSP抗原非存在下と比べて、大腸菌GroELでは有意に低下したが、逆に、ビフィズス菌GroELでは2倍以上に発現が上昇した。すなわち、制御的環境下で教育された抗原提示細胞の存在下ではビフィズス菌GroELはT細胞の分化に対して制御性に指向させるというFoxp3発現率に対するHSPの種差を新たに見出した。また、その培養上清のサイトカインを解析したところ、ビフィズス菌GroELで抗原感作した場合、IL-6およびTNF-aの炎症性サイトカインの産生が抑制されていた。そこで、ビフィズス菌GroELが未熟な抗原提示細胞の分化・教育に他のHSPとは異なる作用を示す点を明らかにする一環として、免疫応答型DCとDCregに各HSP抗原を負荷し、共刺激分子CD86の発現に与える影響を調べた。その結果、DCにHSPを負荷すると、いずれの場合もCD86の発現は増加したが、DCregへビフィズス菌GroELの抗原負荷では有意にCD86の発現が抑制されることが判明した。一方、セルロースナノファイバー(CNF)の連続経口投与が生体に及ぼす影響を調べた。8週間摂食後、炎症マーカーの指標として糞便中のリポカリン量を定量したところ対照群とほぼ同程度の値を示し、大腸炎は認められなかった。大腸の粘膜固有層に存在する、転写因子RORgtを発現する白血球細胞が減少傾向を示すことが見出された。さらに、粘膜上皮細胞の物理的なずり応答刺激を定量できる測定系も構築し、腸内細菌の相利共生を可能にするHSPの意義を見出した。腸管粘膜組織の上皮細胞や免疫細胞に対する共生菌ビフィズス菌やそのストレスタンパク質の作用と分子多様性について明らかにした。腸管の上皮細胞は粘膜下の抗原提示細胞に制御的な機能を賦与し、ビフィズス菌のストレスタンパク質は共生因子様の抑制作用をもつことを示唆した。また、多糖類ナノファイバーの摂取が消化管内環境へ及ぼす影響について解析した結果、意外にも、摂食に伴う体重増加を抑制し、炎症性疾患を誘発することなく腸内細菌叢の改善につながる可能性を見出した。根源的な腸管粘膜組織の免疫恒常性を的確に制御し、アレルギーや動脈硬化などの炎症性疾患を予防するために、ナノファイバー素材は有望であることを示唆した。3つの小課題のうち、腸管粘膜組織の上皮細胞と抗原提示細胞に対するHSPsの作用では、培養する細胞の配向に注意する必要が生じた。多糖類ナノファイバーを用いたHSPs送達系の開発に関しては予想通りの実験が遂行でき、特に、粘膜組織への有用成分を送達する材料としてナノファイバー材料の有用性を実証したが、腸管粘膜組織におけるHSPsの分子多様性の生物学的意義の解明としてのHSPs多様性識別受容体の同定が遅れている。相利共生する腸内細菌のビフィズス菌由来GroELにおいて非常に興味深いの生理作用を見出しつつある点は進展が見られたと判断できる。真正細菌である大腸菌や自己のマウス由来のHSP60とともに、制御性T細胞(Treg)の産生誘導を示す作用をもつことを明らかにし、さらに、抗原提示細胞への作用においては他のHSPとは性質が異なるという重要な示唆を得ている。また、予期せずして、増殖刺激下でのT細胞に対するストレスタンパク質の抑制作用を見出した点も評価できる。一方で、組織特異的なTregの調製や生理作用の解析とHSP多様性を識別する受容体分子の同定は遅れている。27年度が最終年度であるため、記入しない。
小学校教員を志す文系大学生を対象とした数学的モデリング授業の開発研究

本研究は、算数・数学の苦手な学生を多く抱えた小学校教員養成課程を有する大学における数学的モデリングの授業体系の提案とその有用性を示そうとした。そこで、1.授業の教材づくりとカリキュラム構成のための調査・文献、2.算数的活動を学ばせるための基礎研究、3.算数・数学的活動を計画・授業・改良させるための実践を目的とした。小学校で行う数学的モデリングのような数学的活動は「1どんな数学を使うのかを課題内容に明確に組み込む2数学の体系化を意識する3オープンエンドである」の要素を含んだ課題を設定するとともに、学生の数学の学力向上が重要となった。その結果を踏まえ、数学的モデリングの講義案を示すことができた。小学校における教材作りを目指した結果として、平成24年2月に発表した(1)季節によって影のでき方が異なる内容を扱った数学的モデリングの教育内容、平成24年8月に実施した(2)L字型廊下を通ることができるソファーの面積が最大となるモデルを扱う教育内容の2つを教材とすることにした。(1)については実現ができなかったが、(2)については京都教育大学の大学院生をアシスタント指導員として、児童の様子を観察させながらサポートのタイミングを記録させた。児童がモデルを作り上げる難しさと指導の難しさの評価をまとめた。この体験によって学生が模擬授業を実施したときに、教育内容の改善や指導方法についての新しい見地を得ることになった。この教育実験の成果については、平成25年度のICTMA16(ブラジル)で発表することにした。しかし、大学生による模擬授業交流を実現するために、7月のICME12(韓国:The 12th International Congress on Mathematical Education)での情報収集・打合せを行う予定であったが、校務により参加できなかった。そのため大きく軌道修正をすることになった。さらに、国内での遠隔教育システムを使った模擬授業の実施についても、分担者の転任による研究の環境の変化があり、整理し直すことにした。だが、IPAD等によるICT活用の研究の道筋は継続している。大学教育における数学的モデリングの授業カリキュラム案は作成した。この研究では、以下の3点を目的として算数・数学の苦手な学生を抱えた小学校教員養成系大学における数学的モデリングの授業体系の提案とその有用性を明らかにすることを目標とした。さらに数学的モデリングと密接に繋がる場面が数多く予想されるために、ICT活用教育を意識した教材内容を開発し検討を行った。授業の教材づくりとカリキュラム構成のための調査・文献研究数学的モデリングを含む算数的活動を学ばせるための基礎研究数学的モデリングを含む算数・数学的活動を計画・授業・改良させるための実践研究そこで次のような研究成果となった。子ども達により良い教育内容を提供しようとするためには、先進的な教育を実践しているドイツ連邦共和国を中心に、オーストラリア連邦、ブラジル連邦共和国の教育機関や研究者と交流をした。また、アジア目線でシンガポール共和国の資料も参考にして比較研究を行った。さらに、大学生の数学学力調査と大学教科(算数)の様子を分析し、小学校における算数教育の問題点とその授業(大学の教科教育の講義や小学校の授業)の実態・本質が明確となった。そこでは、小学校で行う数学的モデリングのような算数・数学的活動が、「1どんな数学を使うのかを課題内容に明確に組み込むこと2数学の体系化を意識すること3オープンエンドであること」の3つの要素を含んだ課題を設定するとともに、学生の数学の学力向上が重要となった。大学で実践した場合の数学的モデリングの講義内容案を考案提言をしたが、単元内容全てに渉って実践研究した成果の検討はできておらず、今後の継続すべき研究課題となる。小学校における算数・数学的活動【数学的モデリング】に対する実施に関して、数学的モデリングをオープンエンドアプローチの問題解決学習のようにして作っただけで終わる授業事例が見られた。算数・数学教育としては、「体系的な数学の構成である。どのような数学的認識を促すのかを明確にする。どのような学力を保障するかの観点を持つ」という必要性に辿り着いた。また、2011年10月に、国立大学文系学部Aと別の国立大学教員養成系学部Bと、2つの私立大学教員養成系学部C,Dの2,3回生の学生達に対して、算数・数学の学力テストを実施した。これらは小学校採用試験のレベルのものであり、この学力レベルが小学校教員の基準であると考えた。しかし、採用試験の特色上、学力が相当低くても教員として採用されることも判明した。さらに私立大学Cの学生を例にしてみると、算数授業に対して、自然現象や事物を捉える観点が備わっていないために算数・数学を使うレベルになかなか到達していない現状にあった。学力をつけるとともに、モデリングを行う目的と重要性を十分に理解させる必要があると考えられる。その上で研究分担者で会合を開き、数学的モデリングの教材作りの着手に努めた。

基本的な構成は、玉川大学を参考に取り組むこととした。また、テレビ会議システムを利用した学生間の遠隔協同学習として1月に2度、京都教育大学とドイツ・カールスルーエ教育大学と園田学園女子大学とで、試験的なドイツ・日本の比較研究を実施した。学生の異文化理解と日本の問題点に関して効果をあげた。また、本研究で行う授業での数学的モデリングの教材作りに着手する方向となった。オーストラリアでの国際学会(ICTMA15)にて、これらの基盤研究の論文発表を行い、情報・資料(教材)入手を行った。日本の数学的モデリングの模擬授業が可能かどうかの研究者等と交渉は実現できなかった。平成23年度では整理発表する予定だった投稿用論文を、国際論文(オーストラリア,ブラジル,ドイツ)に3本、国内用に1本作成したことは、基礎研究の内容として概ね順調であった。さらに実際に小学生を対象とした教育実験を行い、その成果についての論文作成に着手している。(1)学生に対する学力テストや調査、小学校の実態に関する文献調査も全体像を把握する上で達成した。(2)テレビ会議システムを活用して国際遠隔協同学習を実施して、国際比較研究の実施に成功した。本研究のために作成した玉川大学の実施カリキュラムを参照し、神戸大学・園田学園女子大学・京都教育大学の各大学にて教材化に向けての充実した話し合いができている。カリキュラムのうちの1つ2つの教材の実践が妥当であろうという方向となっている。(3)数学的モデリング授業の有効性を測る授業の事前・事後の調査については、神戸大学側に分担したが、これについては今年度未だ成熟していない。継続研究になる。(4) Ipad2の活用イメージーの構築は、各分担者に任せており、継続研究である。当初の目的として、小学校教員養成のカリキュラムを持つ大学で、算数が苦手で嫌いだが、小学校教員を目指す学生が、算数を教えられる資質まで高められるかどうかが大きな問題は変わらない。一定の評価を出すために小学生相手に、学生達にサポートをさせたことは成果があった。平成23年度は、研究の目的の数学的モデリングの実践力育成モデル授業の提案の基礎研究を満たし、平成24年度は小学生対象の授業を実践し、数学的モデリングの教材としての有効性を確認できたといえる。研究2年目以降に整理発表する予定だった投稿用論文を、予想外に国際論文(オーストラリア,ブラジル,ドイツ)に3本、国内用に1本作成したことは、基礎研究の内容として概ね順調であった。本研究のために作成した玉川大学の実施カリキュラムを参照し、神戸大学・園田学園女子大学・京都教育大学の各大学にて教材化に向けての充実した話し合いができた。
フラビン蛍光差分イメージングの機能的神経回路網解析への応用

深麻酔下のマウスの大脳皮質において、フラビン蛋白蛍光差分イメージングで、視覚刺激のスピードアップに反応して描出される小領域に対し、確実に神経トレーサーを注入し、かつその領域の入出力神経回路を的確に標識する手技を確立した。さらに、これまで視覚刺激の動きに関与することが知られていなかった視床核を新たに見出した。また、大脳皮質から上丘への投射は、小領域ごとに異なる層分布を示すことが明らかとなった。1連携研究者とともに、深麻酔下のマウスでフラビン蛍光差分イメージングをおこない、視覚刺激の「スピードアップ」変化に反応する大脳皮質二次視覚野を経頭蓋的に描出した。同時に脳表面の血管も経頭蓋的に撮影し、イメージングで描出された二次視覚野と重ね合わせ、実際の脳における二次視覚野の位置を頭蓋骨上にマークした。マウスは脳定位固定装置上に固定されているので、そのマークの平面座標を決定することができた。2マーク付近の頭蓋骨を開放して脳を露出し、1で決定した座標に、ハミルトンシリンジの針先に付けられたガラス電極を刺入し、神経トレーサー(10%ビオチン化デキストランアミン)を微量注入した。1週間の生存期間の後、還流固定し、脳を取り出した。脳の連続横断切片を作製し、トレーサーの可視化反応をおこない、トレーサー注入部、およびトレーサーが神経細胞に取り込まれて運ばれていった領域を確認した。トレーサー注入が限局的で、トレーサーが運ばれた領域が鮮明に観察できる条件を検討した。(ここまでが平成23年度)3最終年度においては、ハミルトンシリンジの替わりに、ピコスプライザーを用い、より限局的なトレーサー注入を試みた。ガラス電極の先端の口径30μmで、ガス噴射0.3秒間程度で適量注入されることがわかった。しかしながら、ガス圧の調整や実際の注入量の確認が難しかった。4最終年度においてはさらに、視覚刺激の「形状変化」に反応する大脳皮質の小領域を、二次視覚野の外側内側領域のさらに外側に見出し、“外側中間領域"であることを確認した。この“外側中間領域"に、上記の方法でトレーサーを注入し、視床の膝上核と線維連絡があることを同定した。この膝上核が視覚刺激の「形状変化」に関する情報処理をおこなう場所であることが初めて示唆された。1連携研究者とともに、深麻酔下のマウスでフラビン蛍光差分イメージングをおこない、視覚刺激のスピード変化に反応する大脳皮質二次視覚野(一次視覚野の周辺に存在する)を描出した。同時に脳表面の血管分布も撮影し、イメージングで描出された二次視覚野と重ね合わせ、実際の脳における二次視覚野の位置を確認した。以上の観察は経頭蓋的におこなわれるため、その二次視覚野の位置は頭蓋骨上にマークすることができた。マウスは脳定位固定装置上に頭部を固定されているので、そのマークの平面座標を決定することができた。2マーク付近の頭蓋骨を開けて脳表面を露出し、1で決定した座標へガラス電極を刺入し、トレーサーを微量注入した。マウス頭蓋皮膚を縫合し感染防止措置を講じ、1週間の生存期間ののち還流固定し、脳を取り出し、トレーサー注入部位およびトレーサーが運ばれた領域の確認をおこなった。トレーサー注入が限局的で、かつトレーサーが運ばれた領域が鮮明に観察できる条件を検討した。(1)ハミルトンシリンジの針先に先端口径3040 μmのガラス電極を取り付け、実験者の手動によりトレーサー(10%ビオチン化デキストラン)0.30.4 μlの圧注入をおこなった例で、鮮明なトレーサー標識領域が観察された。注入部位はやや大きめであった。(2)より限局的に注入するため、ピコスプライザー(ガス圧注入器)を用い、先端口径20 μm前後のガラス電極による注入を試みた。3これまでの実験結果から(主に2(1)の手法による)、スピード変化に反応する大脳皮質へ投射する特異的な領域が明らかとなった。すなわち、これまで知られていた一次視覚野の他、視床後外側核の亜核が新たに同定された。この亜核が視覚のスピード情報処理に関わるという報告はこれまでなかったことである。概ね達成できているが、当該年度は研究予算交付決定に時間がかかったこと、外国製であるピコスプライザーの納入およびセッティングに時間がかかったことなどから、上記2(2)の実験が予定より遅れてしまった。当該年度おこなう予定であった上記2(2)の実験が、機器納入の遅れ、また、その機器の実際の使用方法のマニュアルが無かったためにセッティングを含め、試行錯誤でおこなわなければならなかった故、思うように進まなかった。この機器は、数々の論文でその実績は証明されているものの、国内で有している研究室はまだ少ない。加えて、震災等により交付額が減額されるおそれがあり、消耗品を買い控え、所属研究室の所有品で実験を進めたため、最終的に未使用額が生じた。

今後は、まず、上記2(2)の実験を進める。必要に応じ、実際にピコスプライザーで研究をおこなっている研究室へ行き、研究打ち合わせをおこなう。そして、トレーサーを確実に限局注入できる条件が確定されたら、視覚刺激の条件をさまざまに変え、新たにイメージングで描出された特異的刺激に反応する大脳皮質の領域について、その神経回路を明らかにしていく。物品費(動物、トレーサーなどの薬品、ガラス電極などのガラス器具)に440,000円旅費(実際にピコスプライザーで研究成果を報告している研究室への研究打ち合わせ旅費、および学会発表)に150,000円その他(研究成果投稿費)に50,000円の使用予定である。
家族のダイバシティに対応するヘルスクオリティ・アウトカムリサーチの確立

ダイバシティを大切にする現代社会における、共通の看護目標を明確化するために、本研究は、あらゆる家族に共通するヘルスクオリティを明らかにする。具体的には、現代日本のあらゆる家族に共通するヘルスクオリティとはどのような概念かを明確化・言語化し、指標(中核指標)を開発する。また、4つの特定の現場領域に対応したヘルスクオリティ指標(領域指標)を開発することを目的とする。開発した指標を、どのように使うのかという方法論を同時に開発することも、重要な目的に含まれる。4つの現場領域から作成した指標を、現場でのパイロットテスト・フィールドテストにより妥当性を検証するところまでを本研究では行う。
融合マテリアルによる薄膜太陽電池の高効率化

ドナー-アクセプター型の有機薄膜太陽電池は、大面積、軽量、フレキシブルの次世代太陽電池として注目されている。しかしながら、変換効率において、Si太陽電池などに比べてまだまだ劣っており、さらなる効率改善において革新的な技術の導入が不可欠である。そこで本研究では、これまでの研究成果に基づいて、無機ナノ粒子・構造・分子との融合による、新しい有機薄膜太陽電池の開拓を進めてきた。まず、融合材料系の基盤となる液晶性高移動度材料の構造と伝導機構の解明を行った。その結果、分子のπ共役面(コア面)がカラム軸に対して傾いているにもかかわらず、カラムの二次元配置はhexagonalとなることが明らかとなった。ただし、同一コア骨格の分子においても配向状態はアルキル鎖長や置換基種、中心金属種に依存することを明らかにした。次に、感度波長拡大を目指して、半導体ナノ微粒子との融合を目指すが、その前段階として、吸収波長がフタロシアニンと相補関係にある高分子有機半導体を含む三種ブレンド・バルクヘテロ接合素子を検討し、キャリア取出しにおいて半導体ナノ微粒子が適度の凝集状態をとりキャリアパスを形成する必要があることを確認した。また、開放電圧の低下を抑えるために、採用する高分子半導体材料のLUMOを調整することにより、一方、エネルギー変換効率の飛躍的な改善には、これまでにない全く新しい概念のアプローチが必要である。その中で、フォトニックナノ構造を活用した吸収増大や励起子解離確立の改善等が考えられる。我々は、そのようなフォトニックナノ構造を自己組織的に形成するコレステリックブルー相液晶の検討を行ってきた。特に、コレステリックブルー相液晶の欠陥部分に金属ナノ微粒子を導入して、液晶と金属との融合による機能強化を検討した。26年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では、有機半導体と無機ナノ粒子・構造・分子との融合による、新しい有機薄膜太陽電池の開拓を目的として研究を実施した。用いるドナー材料として液晶性フタロシアニンを採用し、アクセプター材料としてフラーレン誘導体(PCBM)を用いて薄膜太陽電池をスピンキャスト法により作製した。まず、フィルファクター(FF)の改善のために、陰極電極とアクティブ層との間のバッファー層としてこれまで用いてきたLiFに変えてCsCO3、BCP、TPBiなどの検討を行い、Al電極蒸着時のアクティブ層へのダメージ低減がFF向上につながる可能性を示唆した。一方、感度波長拡大を目指した半導体ナノ微粒子の導入に先立って、吸収波長がフタロシアニンと相補関係にある高分子有機半導体を含む三種ブレンド・バルクヘテロ接合素子を検討し、効率改善を検討した。その結果、三種の材料がそれぞれ適度な大きさのドメイン構造を形成することが生成キャリアの取り出しに需要であり、外部量子効率(EQE)を得るために、今後導入する半導体ナノ微粒子がある程度の凝集状態をとりキャリアパスを形成する必要があることを示唆した。また、開放電圧を維持するために、導入するp型半導体のHOMO準位がフタロシアニンのそれと近い値をとる必要があることも明らかにした。次に、陽極電極上にZnOナノピラー構造を作製し、その表面にCdSナノ微粒子をコートして吸収波長範囲の拡大と生成されたキャリアの取り出し効率の改善を試みた。ナノピラー成長時にミクロンサイズの結晶が付着し、ダイオード特性を阻害しており、その除去方法の検討を行っている。そのほか、側鎖長の異なるフタロシアニン同族列や側鎖にSを導入し長波長吸収端を有するフタロシアニンなどとの混合による電子的性質の制御とキャリア伝導特性を調べ、側鎖長の異なる同族列の混合により変換効率の改善が確認された。

今年度は、感度波長拡大を目指した半導体ナノ微粒子の導入の有効性を検討するために、有機高分子材料の混合を行った。その結果、下記のような知見と問題点が明らかになり、次年度へつなげる成果が得られた。すなわち、ナノ微粒子の導入による感度波長の改善は、導入するナノ粒子の電子状態(伝導帯、価電子帯の位置など)の検討と電荷取出し特性の検討が必要となってくる。たとえば、半導体微粒子の伝導帯下端がドナー材料とアクセプター材料のLUMO準位の間に、同時に価電子帯上端がドナー、アクセプターのHOMO準位の間に来るような電子状態をとる場合には、ドナー、半導体微粒子、アクセプターのいずれの領域で生成された励起子も隣接界面で電荷分離を起こす可能性があるが、それぞれの領域がある程度の大きさで相分離していてそれぞれの領域内を生成された励起子やキャリアが動くことができる必要がある。すなわち、導入した半導体微粒子が孤立分散するのではなくある程度つながって伝導パスを形成する必要がある。したがって、ナノ微粒子の電子状態制御と同時に、集合状態、配列制御の重要性が明らかになった。平成26年度は、吸収感度波長の拡大を目指して凝集・配列制御の可能な半導体ナノ粒子・ナノロッドの検討を行い、生成キャリアの取り出しのためのパスの確保を目指す。また、ZnOナノピラー構造と半導体ナノ粒子との複合により、電荷性成功率の改善のみならず液晶性フタロシアニンのカラム構造配列制御の可能性も検討する。さらに、新規アクセプター材料やダウンコンバージョン材料の探索を行う。
ゲノムインプリンティングが関与する脳神経系発達の制御機構

ゲノムインプリンティングによって発現調節されているNecdinは、ホメオドメイン蛋白質Dlx2、細胞周期関連転写因子E2F1、ヒストン脱アセチル化酵素Sirt1、アポトーシス関連転写因子p53などと複合体を形成し、種々の脳ニューロンの分化や生存を促進した。Necdin遺伝子変異マウスでは、Necdinが哺乳類の脳神経系の発達と機能維持に必要であり、Necdinが欠損すると脳神経系の発達障害を起こすことが明らかになった。今年度は、ゲノムインプリンティングによって発現が制御されているNecdinの中枢ニューロン分化における役割を父性necdin遺伝子変異(Ndn^<+m/-p>)マウスを用いて検討し、以下の結果を得た。1.大脳基底核原基(GE)由来ニューロン分化に及ぼすNecdinの影響。マウス胎児のGE細胞を脳由来神経栄養因子(BDNF)存在下で培養したところ、GABA作動性介在ニューロンの一種であるcalretininニューロンの分化が促進された。このcalretininニューロンの分化促進はTrkBの下流シグナル伝達系、とくにMAPK系を介して起こることが分かった。この系におけるNecdinの影響を調べるため、Ndn^<+m/-p>マウス由来のGE細胞をBDNF存在下で培養したところ、野生型に比べてcalretinin陽性細胞数が有意に減少していた。Necdinは、BDNF受容体であるTrkBの自己リン酸化型を認識して結合した。したがって、内在性NecdinはBDNF-TrkB-MAPK系を増強してGEにおけるcalretininニューロンの分化を促進することが示唆される。2.小脳顆粒神経細胞(CGN)の生存に及ぼすNecdinの影響。Ndn^<+m/-p>CGNを低K^+濃度で培養すると、野生型と比較して細胞死(アポトーシス)が増強され、細胞内Cdc2 mRNAとCdc2蛋白質の発現量も有意に増加した。Ndn^<+m/-p>CGNではCdc2キナーゼ活性が増加しており、Cdc2阻害剤roscovitineで処理によってアポトーシスの増強が阻止された。さらに、Ndn^<+m/-p>マウスの小脳を免疫組織化学により解析したところ、分化したCGNが集積している内顆粒層においてCdc2陽性細胞およびアポトーシス細胞が増加していた。したがって、内在性NecdinはCdc2遺伝子の発現を抑制してニューロン死を阻止することにより、CGNの生存維持に関与しているものと推定される。ゲノムインプリンティングによって発現が制御されているNecdinの大脳皮質介在ニューロン移動と海馬錐体ニューロン軸索伸長における役割を父性necdin遺伝子変異(Ndn^<+m/-P>)マウスを用いて検討し、以下の結果を得た。1.大脳基底核原基(GE)由来ニューロンの移動に及ぼすNecdinの影響。GEから生じたニューロンは接線方向に移動を行い大脳皮質介在ニューロンになる。これらのニューロンの移動に及ぼすNecdinの影響を調べるため、介在ニューロンのマーカーであるホメオドメイン蛋白質Dlx2の大脳新皮質における分布を調べたところ、Ndn^<+m-P>マウスでは野生型に比べて大脳新皮質におけるDlx2陽性細胞数が有意に減少していた。また、Ndn^<+m/-P>マウスではGEで生じた時点でブロモデオキシウリジンで標識されて大脳新皮質に移動するDlx2ニューロン数も減少していた。したがって、内在性NecdinはGE由来の大脳皮質介在ニューロンの大脳新皮質への移動を促進することが示唆される。2.神経軸索伸長に及ぼすNecdinの影響。Ndn^<+m/-P>から調製した海馬錐体ニューロンを低密度条件下で培養し、個々のニューロンの軸索の伸長度を経時的に観察した。Ndn^<+m/-P>由来のニューロンでは、培養開始後19時間までは、軸索の伸長が野生型に比べて有意に減少していた。また、この時期の軸索伸長は培養液中のインスリン様成長因子(IGF-1)に依存することが明らかになった。NecdinはIGF-1シグナルの維持を介して軸索伸長を促進するものと推定される。したがって、内在性NecdinはIGF-1シグナル伝達を増強することにより、ニューロンの軸索伸長に関与するものと推定される。これらの知見は、ゲノムインプリンティング疾患であるプラダーウィリー症候群の発症機構を明らかにする上で重要である。ゲノムインプリンティングによって発現が制御されているNecdinのニューロンの分化発達における役割を父性necdin遺伝子変異(Ndn^<+m/-P>)マウスを用いて検討し、以下の結果を得た。1. Necdinによる大脳皮質ニューロンにおけるp53アセチル化の調節。Necdinは、ニューロンの生存や寿命に関与する脱アセチル化酵素Sirtlを介して、がん抑制遺伝子産物p53の脱アセチル化に及ぼす影響を検討した。

NecdinはSirtlやp53と三者による安定的な複合体を形成し、Sirtlによるp53の脱アセチル化を促進した。また、Necdin欠損マウスの大脳皮質由来のニューロンでは、内在性p53のアセチル化レベルが高く、DNA損傷応答におけるp53依存的なアポトーシスも増強されていた。したがって、Necdinはストレス条件下でのニューロンにおいて、Sirtlと協調して、p53の脱アセチル化を促進してアポトーシスを抑制している事が明らかになった。2. Necdinによる視床下部ニューロンのFoxolアセチル化の調節。NecdinがSirtlを介して視床下部ニューロン機能を司る転写因子であるFoxolの活性を制御するかを検討した。NecdinはFoxolと結合して転写活性を抑制した。また、NecdinはSirtlを介してFoxolの脱アセチル化を促進して、転写活性を抑制することが明らかになった。父性Ndn遺伝子欠損マウス由来の視床下部弓状核においてFoxolのアセチル化の亢進が認められた。したがって、NecdinはSirtlを介してFoxolのアセチル化レベルを調節し、Foxol標的遺伝子の転写を抑制することによって、食欲や摂食などの視床下部ニューロンの機能を調節していることが示唆された。
高圧X線トポグラフィ法の開発とマントル鉱物のレオロジーへの応用

1.高圧X線トポグラフィ法の開発:マントル高圧結晶のレオロジーと相転移の研究のために,放射光と川井型マルチアンビル高圧装置を組み合わせた高圧X線トポグラフィ法を開発した.その方法は単結晶試料を高圧セル中央に置き,ガイドブロックやアンビルの隙間を透過した結晶からの白色ラウエスポットをX線CCDカメラで観察/録画する.到達温度/圧力はまだ低い(2-3GPa, 300-500C)ものの,高温高圧下でのライブトポグラフィ像を得ることに成功した.ただし課題はまだ沢山あり,より高い分解能のカメラとトポグラフィ法には適した小型高圧装置を放射光施設に導入することが必要である.2.高圧下でのトポグラフイ像の観察:石英,オリビン,TiO2などの結晶について観察を行った.最初の室温での数十トンまでの加圧時にスポットが広がることが観察された.その後の加熱時にこのスポットは大体元の大きさに戻った.これらはそれぞれ応力の増加と温度による応力の緩和によると考えられる.さらに定温でのより高い圧力への昇圧の過程では急速にスポットが大きく広がっていくことが観察された.回収された試料は多結晶化されており,応力のために多結晶化したと考えられる.今後応力をよく制御する方法の開発が必要不可欠である.本方法は単結晶の欠陥や相転移をその場で観察できる数少ない方法の1つであり,今後さらに発展させることが必要である.またダイヤモンドアンビル装置(DAC)の利用も検討すべきであろう.1.高圧X線トポグラフィ法の開発:マントル高圧結晶のレオロジーと相転移の研究のために,放射光と川井型マルチアンビル高圧装置を組み合わせた高圧X線トポグラフィ法を開発した.その方法は単結晶試料を高圧セル中央に置き,ガイドブロックやアンビルの隙間を透過した結晶からの白色ラウエスポットをX線CCDカメラで観察/録画する.到達温度/圧力はまだ低い(2-3GPa, 300-500C)ものの,高温高圧下でのライブトポグラフィ像を得ることに成功した.ただし課題はまだ沢山あり,より高い分解能のカメラとトポグラフィ法には適した小型高圧装置を放射光施設に導入することが必要である.2.高圧下でのトポグラフイ像の観察:石英,オリビン,TiO2などの結晶について観察を行った.最初の室温での数十トンまでの加圧時にスポットが広がることが観察された.その後の加熱時にこのスポットは大体元の大きさに戻った.これらはそれぞれ応力の増加と温度による応力の緩和によると考えられる.さらに定温でのより高い圧力への昇圧の過程では急速にスポットが大きく広がっていくことが観察された.回収された試料は多結晶化されており,応力のために多結晶化したと考えられる.今後応力をよく制御する方法の開発が必要不可欠である.本方法は単結晶の欠陥や相転移をその場で観察できる数少ない方法の1つであり,今後さらに発展させることが必要である.またダイヤモンドアンビル装置(DAC)の利用も検討すべきであろう.高圧鉱物のレオロジーの研究はその困難さもあって極めて貧弱な状態である.レオロジー研究を進展させるために,X線トポグラフィ法を高圧下で利用する方法を開発することが本研究の目的である.初年度は放射光施設SPring-8において,測定系の検討や高圧セルの改良など様々な基礎的な実験を行った.高圧装置には川井型マルチアンビル高圧装置を使い,検出器としては様々な試みを行ったが最終的にCCDカメラを使った.高圧下でのトポグラフィ法の大きな実験的困難は初段および2段目のアンビルの遮蔽により回折スポットが装置外に出てこられる範囲がかなり狭いことである.そのため試料結晶の最初の位置決めと加圧中に回転させない工夫が不可欠であるが,この点はまだ試行錯誤の状態である.これまでに得られた成果としては,1)試料として水晶,ルチル,オリビンの単結晶を使って実際に室温高圧下での観察に成功した.2)高圧高温実験も行い,500度程度までの実験に成功した.3)セクショントポグラフィ法が高圧実験に適していることを見いだした.しかしいくつかの問題点も出てきた.1つは試料の変形の問題で,ある程度圧力が上がった段階で急速にラウエスポットが広がる様子が観察され,回収された試料は多結晶化していた.これには高圧セルの改良が必要である.また加熱中に観察されたトポグラフィ像の変化から試料内温度勾配が結構大きいことが推定された.これらは次年度で解決していく.またオリビンの天然結晶を試料として使うと元々の変形テクスチャーがかなり残っているようで,ラウエスポットがひどく変形しており,試料として適当ではない.そのため本年度に導入した単結晶育成装置を使って,オリビン等の単結晶試料を自前で合成して,試料として供する.本研究では高圧下での放射光を使ったX線トポグラフィ法の開発に挑んできた.今年は2年目(最終年度)である.要約すると本研究によってマルチアンビル高圧装置中の高温高圧状態の単結晶試料からのトポグラフィ像を観察することが可能になった.1年目の経験をもとにオリビンとルチル(TiO2)単結晶の観察を行った.室温での圧縮時には試料に応力によると思われる像が伸びる現象が普遍的に見られた.温度の上昇でこれはほぼ最初の状態に戻るが,加熱中に像が差動回転するような映像が見られた.

これは温度勾配による熱膨張率の違いによりトポ像がずれて見えるためと解釈した.温度勾配がトポ像に反映されるため,像の解析から温度分布が2次元的に分かる可能性がある.像自体の観察には温度分布を押さえる必要があるためヒーターに工夫を行った.温度一定でさらに加圧していくと像が大きく変形して長く伸びる現象が普遍的に観察された.この現象を示したオリビン結晶を回収して観察すると多結晶化していた.多結晶化する理由はX線の吸収を極力防ぐために使用している圧力セル内に光路としてグラファイトやBNを埋め込んでいるが,これらが高温下で外に流れ出して,さらに試料周りの柔らかい媒体が逃げ出すことにより,試料に応力がかかり多結晶化する.この逃げ出しを防ぐ必要がある.一方ルチルの場合には回収した試料に多数の共役な線上の構造が見えた.これはshear bandではないかと思われる.shear bandで区切られた中はまだ単結晶であるが,方位はわずかにずれており,長いスポットになったと思われる.現在の重要な問題点は使用している高圧装置では試料-カメラ間距離がどうしても長くなり,アライメントに時間がかかりすぎることである.今後は距離を短くするために,超小型高圧装置を製作し,それを放射光施設に持ち込んでこの問題を克服するように準備を進めている.
内向き整流性Kチャネルポア内アミノ酸変異によるプロトンブロックの発現とその解析

内向き整流性Kチャネルは構造的に電位依存性Kチャネルのサブセットである。6回膜貫通型(電位依存性)Kチャネルの後半の2回の膜貫通部位とそれに挟まれたH5領域からなる。K選択性特異配列が電位依存性チャネルと共通であるだけでなく、イオン透過路に相当する一次構造は両Kチャネル族に共通する部分が多い。ところがH5領域内の荷電残基の分布は著しい差を示す。内向き整流性Kチャネルは陽イオンチャネルでありながらポア開口部近傍に正電荷が存在し、それが全ての内向き整流性Kチャネル族で保存されている。この148番目のアルギニン残基をヒスチジン残基に置換した。変異型チャネルを対象に卵母細胞発現系で電気生理学的実験を行った。変異型単独ではチャネル活性を消失した。野生型チャネルとの共発現によってヘテロオリゴマーチャネルが出現した。これらのヘテロオリゴマーチャネルは細胞外二価カチオン(マグネシウム、カルシウム)による感受性が高くなった。野生型チャネルは細胞外のpHに対して感受性が低く、pKaは4.6であった。一方変異型のpKaは7.1とヒスチジン残基のpKaに一致する値が得られた。さらに細胞外からのマグネシムによるブロックが、野生型ではpHに依存しないのに、変異型ではpH依存性を持つに至った。pHが8では感受性が高くなり、pHが6で野生型との差がなくなった。Mg^<2+>感受性のpH依存性から求めたpKaは7.2であった。これらの実験事実はヒスチジン残基がプロトン化することが単一チャネルコンダクタンスやMg^<2+>ブロックに重要な役割を果たしていることを示している。そこで変異型の単一チャネル電流を詳細に検討した。その結果、変異型チャネルには野生型チャネルには認められないサブコンダクタンス状態が見出された。このサブ状態の分子機構については今後検討したい。