hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
沙漠緑化樹種である旱柳(Salix Matsudana)の水消費量に関する研究

この実験で,蒸散量を的確に把握できた.2.水ポテンシャルの測定カンリュウの当年生枝を切り取り,すばやく水ポテンシャル測定装置(プレッシャーチャンバー)に装着し,測定した.測定日は蒸散量測定と同じ日に行った.水ポテンシャルは降水との関係があった.3.モウソ沙地への適用単位葉面積当たりの蒸散量から,これまで毛鳥素沙地で測定した葉面積から枝齢ごと個体ごとの総葉面積を求め,毛鳥素沙地における蒸散量を推定した.さらに,ヘクタール当たりの植栽密度を500本とし,枝齢ごとの蒸散量を推定した.おおまかではあるが,推定可能なことが明らかになった.4.まとめ本研究から,半乾燥地における蒸散量の推定手法が確立されさらに他の樹種への適用の可能性が示された.この手法を応用すれば,防風林帯を造成する前に,事前に水資源の永続的な利用可能水量の把握が可能になる.
天然放射性リン同位体による亜熱帯海域のリン供給過程の解明

亜熱帯海域表層の生元素循環をめぐる最大の問題は、二酸化炭素収支から示されている有機物の季節的生産サイクルに対して、それに見合うリンの供給が確認されていないことである。本研究は、天然放射性リン同位体32-Pと33-Pをトレーサーとして用いたリン循環解析と高感度分析による低濃度リンの動態解析とを組み合わせて、亜熱帯海域表層におけるリン供給過程を明らかにしようとするものである。平成30年度は、海洋研究開発機構学術研究船白鳳丸により2017年9-10月に西部北太平洋亜熱帯域北緯23度ラインの有光層内から得られた放射性リンのデータを解析した。また、白鳳丸航走中に北緯31度、東経138度付近で得られた雨水の放射性リンデータも解析した。北緯23度ラインの有光層内のリン環境は、リン酸塩濃度が10 nM程度、溶存有機態リン濃度が100 nM程度、粒状リン濃度10 nM程度と比較的均一であった。雨水の33-P/32-Pは0.37であり、各形態リンの33-P/32-Pと比較して同等あるいは低かった。溶存リンと粒状リンの33-P/32-Pを比較したところ、粒状リンよりも溶存リンが高いケースや逆のケースがみられた。粒状リンよりも溶存リンが高いケースでは、溶存リンの滞留時間が50日以上と長かっため、生物利用されにくい溶存有機態リンが多く存在していたことが推察された。粒状リンの33-P/32-Pをサイズ別に比較すると、マイクロプランクトンの方がピコ・ナノプランクトンより高いケースが多く、栄養段階に従ってリンが移行していたことが示唆された。平成30年度は、2017年9-10月に白鳳丸航海により得られた西部北太平洋亜熱帯域北緯23度ラインの放射性リンデータの解析が主目的であった。放射性リンデータと高感度分析法により得られた各形態リン濃度データとを併せて解析することにより、西部北太平洋亜熱帯域北緯23度ラインのリン循環を明らかにすることができた。さらに、気象庁観測船による定期航海にも継続して乗船しており、高感度分析法を用いたリン動態の季節変化に関する解析も併行して行っている。以上より、当初の計画通り、本研究は順調に進展しているといえる。平成27-30年度に現場海域から得られた放射性リンデータおよび各形態リン濃度データを総合的に解析する。2016年7月に西部北太平洋亜熱帯域の北緯27度、東経144度の定点で得られたデータと2017年9-10月に西部北太平洋亜熱帯域の北緯23度ラインより得られたデータとを比較解析することにより、リン供給過程の時空間変動を明らかにする。気象庁観測船による時系列観測も継続して実施し、高感度分析法を用いたリン動態の季節変化に関する解析を併行して進めることで、亜熱帯海域におけるリン循環の全容を明らかにする。本研究では、天然放射性リン同位体32-Pと33-Pをトレーサーとして用いたリン循環解析と高感度分析による低濃度リンの動態解析とを組み合わせて、亜熱帯海域表層におけるリン供給過程を明らかにしようとするものである。平成27年度は、海水中の粒子状リン(PP)および全溶存リン(TDP)の放射能測定のためのリン捕集法の検討を中心に行った。リン捕集には、当初計画の現場係留型大量ろ過装置の代替として安価な揚水ポンプを用いた大量ろ過装置を用いた。本装置を東京海洋大学練習船「青鷹丸」と「神鷹丸」に設置し、相模湾および西部北太平洋亜熱帯域において試験運用した。現場海域において、10 m、50 m、100 m長のホースを用いて3深度から同時に海水を汲み上げることに成功した。汲み上げた海水は、最初に、孔径10 &micro;mと0.5 &micro;mのポリプロピレンワインドカートリッジフィルター(ADVANTEC)に通過させ、サイズ別PP試料を採取した。次に、水酸化鉄(III)を吸着させた孔径5 &micro;mのポリプロピレンワインドカートリッジフィルターにろ過海水を通過させ、TDP試料を採取した。3.589.52時間かけて8106370 Lの海水をろ過することができ、その間フィルターが詰まることはなかった。相模湾の観測における水酸化鉄(III)吸着フィルターによる溶存無機態リン(DIP)および溶存有機態リン(DOP)の回収率を調べたところ、DIPおよびDOPの平均回収率は、それぞれ70.4±15.4%および45.4±11.6%であった。これらの回収率は先行研究と同程度であり、本ろ過装置でも放射能測定に供する溶存リン試料を採取可能であることがわかった。平成27年度は、海水中の粒子状リン(PP)および全溶存リン(TDP)の32-Pおよび33-P測定法の確立が主目的であった。この目的の根幹である試料採取に関して、揚水ポンプを用いた大量ろ過装置を設計し、現場海域において試験運用することに成功した。現場海域で得られた試料は、放射性リン測定のために、灰化、モリブデン酸アンモニウム沈殿、マグネシウムアンモニウム沈殿、イオン交換処理を行うが、これらの複雑な処理過程について先行研究を参考に滞りなく進んでいる。

また、超低バックグラウンド液体シンチレーションカウンターの校正や検出限界等の確認も併せて進行中である。さらに、高感度分析による低濃度リンの動態解析について、西部北太平洋亜熱帯域において採水観測を実施し、試料を得ている。以上より、当初の計画通り、本研究は順調に進展しているといえる。亜熱帯海域表層の生元素循環をめぐる最大の問題は、二酸化炭素収支から示されている有機物の季節的生産サイクルに対して、それに見合うリンの供給が確認されていないことである。本研究では、天然放射性リン同位体32-Pと33-Pをトレーサーとして用いたリン循環解析と高感度分析による低濃度リンの動態解析とを組み合わせて、亜熱帯海域表層におけるリン供給過程を明らかにしようとするものである。平成28年度は、海水中の溶存ヌクレオチドリンの放射能測定のためのリン捕集法の検討を中心に行った。溶存ヌクレオチドリンを捕集するために、平成27年度に確立した揚水ポンプを用いた大量ろ過装置に新たに活性炭カラムを組み込んだ装置を開発した。ADVANTEC社製のヤシガラ炭カラムおよび繊維状活性炭カラムを用いて海水のろ過速度およびATPの捕集効率を調べたところ、両カラムとも最大20 L/minのろ過速度であり、ほぼ100%のATP捕集効率を示した。しかしながら、ヤシガラ炭カラムには溶存リンのコンタミネーションが確認されたため、本装置には繊維状活性炭カラムを組み込むこととした。活性炭カラムを組み込んだ大量ろ過装置を用いて、西部北太平洋亜熱帯域において10日間に及ぶ時系列定点観測を実施した。得られた試料は陸上研究室に持ち帰った後、直ちに試料処理し、超低バックグラウンド液体シンチレーションカウンターにより放射能測定を行った。高感度分析による低濃度リンの動態解析では、気象庁定期航海で得られた試料を分析し、データ解析することにより、西部北太平洋亜熱帯域における溶存リンの季節変化が明らかとなった。冬から夏にかけて表層のリン酸塩濃度がナノモルレベルで低下し、一方で表層のDOP濃度が上昇する様子が明らかとなり、亜熱帯域において冬から夏にかけて起こる純群集生産を支えるリン動態の一端を捉えることに成功した。平成28年度は、海水中の溶存ヌクレオチドリンの放射能測定のためのリン捕集法の確立が主目的であった。活性炭カラムを組み込んだ大量ろ過装置を開発し、実際に現場海域において試験運用することに成功した。現場海域で得られた試料の化学的処理および放射能測定についても先行研究を参考に滞りなく進んでいる。超低バックグラウンド液体シンチレーションカウンターの校正や検出限界等の確認も併せて進行中である。また、高感度分析による低濃度リンの動態解析について、西部北太平洋亜熱帯域における溶存リンの季節変化を明らかにした。以上により、当初の計画通り、本研究は順調に進展しているといえる。本研究は、天然放射性リン同位体32-Pと33-Pをトレーサーとして用いたリン循環解析と高感度分析による低濃度リンの動態解析とを組み合わせて、亜熱帯海域表層におけるリン供給過程を明らかにしようとするものである。平成29年度は、超低バックグラウンド液体シンチレーションカウンターの校正および検出限界の確認を実施し、2016年7月に西部北太平洋亜熱帯域の北緯27度、東経144度の定点における有光層内から得られた放射性リンデータの解析を行った。
18世紀ドイツ哲学と「もう一つの公共性の構造転換」に関する理論的・歴史的研究

この研究の目的は、18世紀ドイツ哲学、特にカント哲学において「国家的(staatlich)」とは根本的に異なった「公共的(offentlich)」の理解が「理性の公共的使用」に即して成立してくるが、その成立過程を「法的なるもの」と「政治的なるもの」との相克という観点から前批判期における「教育」の担う役割を分析し、それが「政治的なるもの」として国家を改善する機能を持つことを解明することによってここに「国家的」次元とは異なった「公共的」次元が開示されたことを論証すると同時に、それが原型となり批判期に移行して「理性の公共的使用」の論理を形成することを『純粋理性批判』などのテクストに即して明らかにするところにある。すなわち、ハーバマスが『公共性の構造転換』の中で析出した「公共性の構造転換」とは異なった、あるいはハーバマスが見失っていた「もう一つの公共性の構造転換」の領域としての「教育」を解明する手掛かりがこの研究によって獲得された。いま「ハーバマスが見失っていた」と書いたが、『公共性の構造転換』では不思議なことにベルリン啓蒙主義やバーゼドウなどの教育学的議論に関する分析が欠けており、その意味でこの研究はその不在を埋めるための橋頭量を確保することを目指したものでもあった。これらの問題は研究期間中に公刊された加藤泰史執筆の諸論文で模索されさまざまに検討が加えられたが、最終的には研究成果報告書に掲載された、加藤泰史執筆の論文「理性批判と公共性の問題」に集約された。平成17年度の研究計画にしたがって国内で収集可能な文献を購入すると同時に、ミュンヘンおよびベルリンの国立図書館とドレスデン工科大学で資料調査を行い、収集した文献・資料などを参考にしながら、カント・フィヒテ・ハーバマス・クリストドゥリディスなどのテクストに独自の分析を加えて、論文としてまとめ、加藤泰史「法的なるものと政治的なるもの--カントの「理性の公共的使用」をめぐって--」(中部哲学会編『中部哲学会年報』第37号)と、加藤泰史「カントとフィヒテ--「ナショナリズム」と「コスモポリタニズム」をめぐるカントとフィヒテ--」(日本フィヒテ協会編『フィヒテ研究』第13号)として公刊した。前者では、現代法哲学の「法的なるもの」と「政治的なるもの」をめぐる論争の観点を導入することで、カントが提起した「理性の公共的使用」が「政治的なるもの」として機能していることを明らかにした。この「公共的使用」がいかなる源泉から展開してきたのかはまだ世界のカント研究でも明確には明らかにされていないが、現在その源泉の一つをルソーの影響に定位することでこの問題を解決するための研究作業を続けており、その一部を論文にまとめる予定である。また、後者の論文では、カントの政治哲学を取り上げて『永遠平和のために』でもヨーロッパの植民地主義に対する内在的批判に「理性の公共的使用」の論理を確認することができ、それが中国および日本の鎖国政策の積極的評価につながっていることを明らかにすると同時に、その論理がフィヒテには継承されなかったことでフィヒテが「ナショナリズム」を強調するにいたったことを明らかにした。1.カントは前批判期においてルソーの『エミール』の影響を受けて、国家に回収されないような「公共的教育」の可能性を追及していたが、それは同時に教育を通して社会を改善するという構想を持つことも示している。つまり、教育の場面ですでに新たな公共性の構造転換が遂行されつつあったわけである。さらにこの時期では、自然状態および社会状態に対する評価も基本的にルソー的観点から行われて、前者に価値が置かれることになる。しかしやがてカントは、ホッブズの影響によって、法制度の重要性を強調するようになるが、これは批判期になっても変わらない。このことは「前批判期における「法的なるもの」と「政治的なるもの」」で論じた。2.したがって、批判期においては法制度をめぐって新たな論理の形成が行われる。

このときに注目すべきは、理性使用と法制度ないしは法制度の改革とが結び付けられて論じられていることであり、法制度そのものの論理が「理性の私的使用」として解明されると同時に,法制度を改革する論理が「理性の公共的使用」に定位されて,前批判期の教育に代わって批判期には批判という新たな論理が提起されたのである。現在執筆中の論文ではこの論点を「根源的契約」の構造分析に即して敷衍する予定である。3.カントは「永遠平和」という国際政治の問題にも「理性の公共的使用」の論理を適用して国際連盟という思想の重要性を強調している。その知己に重要な論点は自己相対化であるが、それに対してフィヒテは自己を絶対化する論理を提示して、ここにナショナリズムの原型が提示されることになる。
雨水による放射性物質の濃縮及び拡散に関する研究

東京電力福島第一原子力発電所事故により環境中に飛散した放射性物質が、沈着後にどのようにふるまうのか、特に放射性セシウムの易動性に着目した研究を行った。雨水によって濃縮・拡散を繰り返す放射性セシウムの易動性を、測定法を確立した上で、原子力発電所周辺から東京都内の公立学校のグラウンドなどで測定し動態を明らかにした。また食品中の放射性セシウムについても、既存のデータと実測値を比較し、将来の動態予測を行った。2011年3月に発生した福島第一原子力発電所の事故によって、放射性物質が広く環境中に沈着した。比較的長い半減期を持つ放射性セシウム(134Cs, 137Cs)が環境中で卓越し、その化学的性質から雨水や風といった自然現象によって集積、拡散する。放射性物質には固有の半減期があり、その物理的性質から将来の放射能を予測することは可能であるが、それは、一切その場から放射性物質が移動しないことが前提であり、環境評価には適切ではない。本研究では数平方キロメートルの比較的小さな分水嶺を研究対象に置いたことから、一度の測定だけではなく、詳細な定点測定によって放射性物質の拡散、濃縮を評価する方針である。平成25年度では、雨水を効率よく排水するシステムを有する茨城県守谷市を中心に、雨水によって運搬される放射性セシウムの動態観測を行った。特に市内で最大の人工河川であるプロムナード水路に着目し、水路内で水平、垂直方向に約120試料を採取した。この他、規模にかかわらず集積が確認される地点で試料採取を行い、約40試料を採取した。すべての試料はGe半導体検出器によってガンマ線を測定し、放射能を求めた。その結果、水路内では放射性セシウムは鉛直方向にはほとんど浸透せず、水平方向に移動し、水路の上流ほど雨水によって流され、放射能が物理的半減期よりも極めて早く低減する傾向が強いことが明らかになった。その一方で、下流側では雨水によって運搬される量と蓄積される量が拮抗していることも明らかになった。得られた値は速やかに市役所、住民ボランティア団体に開示している。その一部は科学誌等で公開した。また、守谷市以外にも放射性物質の沈着量が極めて多い福島第一原子力発電所正門近辺や、逆に沈着量が比較的少なかった東京都内でも放射能測定や放射線マッピングの定点観測を行い、放射性物質の雨水による移動について引き続き検討を行っている。2011年3月に発生した福島第一原子力発電所の事故によって、放射性物質が広く環境中に拡散、沈着した。本研究では、数平方キロメートル内の比較的小さな分水嶺内を研究対象とし、沈着した放射性セシウムの経年変化を詳細に観測することで、半減期の長い137Csの動態を追うことを大きな目的としている。平成26年度では、茨城県守谷市の人工河川(農業用河川)、岩手県釜石湾および、東京都文京区内の公立小学校内の校庭において、放射性セシウムの動態を観測した。河川内の堆積物中に含まれる放射性セシウムは、鉛直方向にはほとんど分布せず、水平方向の移動が大きいことが明らかになり、かつ、複数回堆積物を採取することによって、フローを定量的に評価することが可能となった。このような研究成果は、守谷市に随時報告し、連携をとっている。岩手県の釜石湾では、湾内全体の堆積物を採取、放射能の測定を行うことによって、湾奥から湾央、湾口にむかって放射性セシウムが徐々に移動している様子を観測することができた。また、東京都内の小学校の校庭における放射性セシウムの動態は、校庭が人工芝でおおわれているケースが多いため、直接放射能を観測することが困難であることから、既存の空間線量計を独自に改良し、高感度で放射性セシウムを検出できるシステムを構築した。その結果、雨水の樋や枡において相対的に放射性セシウムの濃縮を観測することが可能になった。このことに加えて、一般的な空間線量計では区別することができなかった、天然核種(おもに40K)による影響を排除することが可能となった。このようなシステムをさらに広い範囲に拡大させ測定を継続する計画である。平成27年度では、平成26年度までに得られたデータと、過去に蓄積されたデータを比較し、福島第一原子力発電所事故(2011年)後の放射性物質の動態について、様々な視点から考察を行った。そのうちの一つに、日本における小麦・米の生物的半減期について検討を行った論文がある。放射性セシウムや放射性ストロンチウムは、自身の半減期に則って減衰するが、環境中では、雨水や流水、土壌の性質によって毎年の土壌の濃度が物理的半減期以上に大きく減衰する事が知られている。この傾向を中長期的に観測したデータを用いたことによって、2011年の事故後の動態を予測する事が可能となった。その結果として、年1 mSvの追加被ばく量を基準として定められた現在(2016年)の一般食品中の基準値100 Bq/kgは、放射性セシウムと比較して僅かな飛散量であったとしても、長期的(数十年単位)には、放射性ストロンチウムの動態に大きく左右される事を示した。このように、沈着した放射性物質が雨水などの自然現象で移動すること自体は予測が付きにくい事象であっても、これまでに蓄積されたデータと比較することで、将来の傾向をつかむことを可能とした。

これらの動態研究に加えて、2013年に発生した福島第一原発3号機オペフロ上のガレキ撤去に伴うダスト飛散と、その年夏以降の福島県南相馬市の圃場で発生した新たな米の汚染について、実測値とシミュレーションにより、両者の因果関係を強く示唆する結果も得ることができた。東京電力福島第一原子力発電所事故により環境中に飛散した放射性物質が、沈着後にどのようにふるまうのか、特に放射性セシウムの易動性に着目した研究を行った。雨水によって濃縮・拡散を繰り返す放射性セシウムの易動性を、測定法を確立した上で、原子力発電所周辺から東京都内の公立学校のグラウンドなどで測定し動態を明らかにした。また食品中の放射性セシウムについても、既存のデータと実測値を比較し、将来の動態予測を行った。当初の計画では、測定対象を現在よりも拡大する計画があったが、測定値の検証や機器の調整に時間を要したため、十分な面積の測定には至っていない。しかし、その分、高精度な測定が可能になったことから、今後の測定面積の拡大に目途がついた。このような状況であるので、研究の達成度はおおむね順調と判断できる。環境分析化学研究対象とした茨城県守谷市からは、引き続き放射線アドバイザーを委嘱されており、放射性物質の動態について市民、市役所と協同した測定を継続していく。また、都内の各自治体の教育委員会とも連携し、放射性物質の測定について各学校からの理解を得ていく予定だ。1年間あたりの分析数の目標を約200試料に設定していたが、実際の測定数は約240試料(Ge半導体検出器以外の測定機器による分析も含む)になり、当初計画した放射性物質の動態を探るうえで必要になる目標数には達している。また試料採取のたびに、協力体制にある守谷市に対して、随時、測定結果及び研究成果を報告してきた。しかし、放射性物質の動態を直接観測できるマッピングについては、現在の測定法よりもさらに高空間分解能を実現できる見込みが立ったことから、より高度な測定システムの構築のための検討の時間を必要とした。上記2点を総合的に判断して、おおむね順調と自己評価する。平成25年度は研究協力体制にある守谷市より放射線アドバイザーを委嘱され、守谷市内の放射性物質の動態について、報告、検討を重ねてきた。同時に住民ボランティア団体とも共同体制にあり、引き続き行政、住民、研究者の3者が共同で放射性物質について連携する体制を整えることができた。平成26年度も同アドバイザーを継続する方針であり、平成25年度と同様の研究推進体制をとっていく予定だ。
規則性人工リグニンポリマーによるモノリグノール重合の制御

β-O-4型人工リグニンオリゴマーを、成長しつつあるリグニンの鋳型(テンプレート)として作用させることにより、モノリグノールの脱水素重合の制御やリグニンの化学構造に及ぼす因子の解明を行うことを計画した。テンプレートとなるリグニンオリゴマーの合成では、少量ながら5量体までの合成を達成した。酸化銀を用いたシナピルアルコール(SA)の重合では、γ位にアセチル基を有するSAは、β-O-4構造が優先することが判明した。化学計算の結果、アセチル基によりラジカル同士のクーロン反発が抑制されるためにβ-O-4構造が優先することが示唆された。本研究は、比較的疎水的であるといわれている樹木細胞壁内のリグニンの生合成環境をフラスコ内で再現し,筆者らが独自に合成に成功したβ-O-4型人工リグニンポリマーを,生長しつつあるリグニンの鋳型(テンプレート)として作用させることにより,モノリグノールの脱水素重合の制御を行うと共に,どのような機構によってリグニンの化学構造が決定されるのかを明らかにし,フェノール類の重合制御による機能性ポリマーの合成へと展開するための基盤技術を確立することを目的としている。本年度は、昨年度に引き続き、西洋わさびペルオキシダーゼを用いて、両親媒性のポリエチレングリコール(PEG)鎖が導入された有機溶媒耐性ペルオキシダーゼの調製を行ない、PEG化の反応条件の検討を行った。また、未処理のペルオキダーゼを用いてコニフェリルアルコールを酸化カップリングし、その反応生成物から、2量体4量体をシリカゲルカラムクロマトグラフィーやTLCなどで分取した。さらに、HPLCによる反応生成物の定量を行うための、最適なカラムの探索や、溶離液の条件などの検討を続けている。また、酸化銀を用いて水溶液より疎水的なジオキサンやベンゼン等を用いたモノリグノールの酸化カップリングを行い、溶媒の効果について検討した。β-O-4型人工リグニンオリゴマーの合成では、反応条件を検討し、最終的にグアイアシルタイプの2量体および3量体の合成を行った。本年度は、まずアセトフェノン誘導体を出発物質にして、テンプレートとなるβ-O-4構造のみで結合した人工リグニンポリマーをg単位で化学合成を行った。さらに、西洋わさびペルオキシダーゼを用いて、両親媒性のポリエチレングリコール(PEG)鎖が導入された有機溶媒耐性ペルオキシダーゼの調製を行った。有機溶媒耐性化のための反応条件の最適化にはさらに検討を要するが、電気泳動(SDS-PAGE)を用いてペルオキシダーゼの分子量の測定を行った結果、得られた有機溶媒耐性ペルオキシダーゼは、ペルオキシダーゼ1分子あたり、PEG鎖が2分子導入されたものと、5分子の導入されたものに相当していることが分かった。同様にラッカーゼに対して有機溶媒耐性化処理を行った。その結果、未反応のラッカーゼは消失したが、明確な分子量をもつラッカーゼは得られなかった。この点についてはさらに検討を要する。本研究は、比較的疎水的であるといわれている樹木細胞壁内のリグニンの生合成環境をフラスコ内で再現し、βーOー4型のリグニンオリゴマーを、成長しつつあるリグニンの鋳型(テンプレート)として作用させることにより、モノリグノールの脱水素重合の制御を行うとともに、どのような機構によってリグニンの化学構造が決定されるのかを明らかにし、フェノール類の重合制御による機能性ポリマーの合成へと展開するための基盤技術を確立することを目的としている。まず、βーOー4型のリグニンモデルオリゴマーの合成では、ステップワイズなリニア型の合成ルートを用いて25量体までのオリゴマーの合成を達成することができた。さらに、酸化銀を用いたモノリグノールの酸化カップリングでは、水中よりも疎水的な有機溶媒中での反応において、γ位にアセチル基を有するシナピルアルコールは、シナピルアルコールの場合よりもβーOー4構造の生成が優先することを見出した。化学計算ソフトを用いてDFT計算を行ったところ、γ位のアセチル基の電子吸引効果により、β位の電子密度が有為に減少していることがわかった。これらのことから、γ位にアセチル基を有するシナピルアルコールは、βーOー4構造の形成時に、接近するラジカル同士のクーロン反発が抑制されるためにβーOー4構造の生成が優先することが示唆された。静電相互作用の寄与が示唆され、βーOー4型のオリゴマーのテンプレート効果の検証とともにさらに検討を続ける予定である。

木質バイオマス前年度に既に開始していたペルオキシダーゼのPEG化は、再現良くできることがわかった。また、モノリグノールの酸化カップリング反応生成物から、シリカゲルカラムクロマトグラフィーなどによる分取操作を繰り返すことにより、5種のモノリグノールの脱水素重合物の単離をすることができた。また、酸化カップリングに溶媒の効果があることも明らかにできた。しかし、HPLCによる反応生成物の分析条件の検討は思うように進まなかったため、おおむね順調とした。予定していたβ-O-4型人工リグニンポリマーのgスケールの合成を行い、さらに2年目以降に行う予定であった有機溶媒耐性酵素の調製も進めた。しかし、同位体ラベル化は行えなかったので、全体としては概ね順調であると判断した。今後は、合成した有機溶媒耐性ペルオキシダーゼ(PEG化ペルオキシダーゼ)を用いて、モノリグノールの脱水素重合を行ない、疎水環境の影響を検討する。また、昨年度合成したβ-O-4型人工リグニンポリマーを用いて、β-O-4鎖が鋳型として働くかどうかについても検討する。反応生成物のHPLCによる分析条件も検討を続ける。研究の進展に合わせて20万円の前倒し支払請求をした結果、当初の予定よりも多くの研究費を使用した。しかし、最終的には次年度使用する予定の額が15580円となった。全体の経費と比べて少額であり、消耗品の購入等に充てる。今後は、調製した有機溶媒耐性ペルオキシダーゼを用いて非水系溶媒(有機溶媒やイオン液体)中で,モノリグノール(コニフェリルアルコールおよびシナピルアルコール)の脱水素重合を行い,溶媒の疎水性の影響や,鋳型の影響を明らかにする。具体的には,以下のことを行う。1通常の西洋わさびペルオキシダーゼ,および有機溶媒耐性ペルオキシダーゼを用いて,水系非水系溶媒(緩衝水溶液,有機溶媒,イオン液体)中でモノリグノールの脱水素重合を行い,PEG修飾の効果と,溶媒の疎水性の影響を明らかにする。2鋳型として,β-O-4型人工リグニンポリマー,またはヘミセルロース(キシラン,グルコマンナン)を用いて,有機溶媒(ジオキサン等)またはイオン液体と有機溶媒の混合溶媒中(AmimCl/DMAcまたはAmimCl/DMSO)で,モノリグノールの脱水素重合を行う。3脱水素重合物(DHP)の化学構造を,1H-13C HSQC NMR等のスペクトル法を用いて明らかにする。研究の進展に伴い、40万円の前倒し請求をした。HPLCによる反応生成物の分析・分取が計画時より困難であることが判明したため、最適な分析カラムや分取カラムを検討するための予算が当初の想定より多く必要になった。しかし、メーカーの年度末キャンペーンなどを利用した結果、約6万円の未使用額が発生することとなった。次年度使用予定額は、残金と合わせて40数万円である。酵素の購入や反応試薬、HPLC溶媒の購入、学会参加旅費等に使用する予定である。また、HPLCの保守にも使用する予定である。
加齢による舌・咀嚼筋委縮のオートファジー、ユビキチン・プロテアソーム系の機能解析

老化により口の周りの筋や舌の筋のサイズが小さくなりかつ弱くなるしくみについて調べた。口の周りの筋や舌の筋は生命を保つために必要なので、手足や体の筋と比較して、老化しても活発に活動しているおり、蛋白質を分解する働きも活発であることが推測された。また、老化の影響は口の周りの筋や舌の筋のなかでも異なっていることが推測された。【緒言】骨格筋における蛋白質の分解は主にユビキチン・プロテアソーム系およびオートファゴソーム・リソソーム系によって行われている。この二つの分解系はインスリン様増殖因子(IGF)→IGF受容体I(IGFRI)→シグナル伝達因子Akt1→転写調節因子Fox03を介して調節されている。老化に伴い顕著な筋萎縮が起きるとはよく知られているが、老化による筋萎縮における、この二つの分解系の働きや調節機序については明らかになっていない。本研究においては、老化促進マウス(Klotho)の咬筋、舌筋、腓腹筋におけるこの二つの分解系の働きについて調べた。【材料と方法】実験には4週齢のKlotho及び野生型マウス各5匹を用いた。咬筋、舌筋、腓腹筋を摘出し、湿重量を測定した。Western blotting法によりこれらの筋におけるIGFRI、Akt1、Fox03のリン酸化フォーム、オートファゴソーム・リソソーム系のマーカーであるIC3、Gabarap、ユビキチン・プロテアソーム系のマーカーであるMAFbx、MuRF1の発現について調べた。【結果】Klothoマウスの咬筋、舌筋、腓腹筋の湿重量は、正常マウスと比較して、それぞれ59%、33%、68%という顕著な減少を示した(p<0.01)。IGFRI、Akt1、Fox03のリン酸化フォームおよびMAFbx、MuRF1の咬筋、舌筋、腓腹筋における発現についてはKlotho及び野生型マウスの間で有意な差異は認められなかった。Klothoマウスの咬筋、舌筋においてGabarapの発現量が正常マウスと比較してそれぞれ249%(P<0.05)、279%(p<0.01)の増加が認められた。【考察】以上の結果からKlothoマウス咬筋、舌筋における筋萎縮にオートファゴソーム・リソソーム系が機能している可能性が示唆された。本年度はKlotho老化モデルマウスの咬筋、舌筋におけるオートファゴソーム・リソソーム(オートファジー)系を調節している経路の探索をおこなうとともに、自然老化ラットにおいても同様なことが起きているかを確かめる実験を行う予定であった。しかし、実際にはKlotho老化モデルマウスにおけるオートファジー系の調節経路を明らかにする実験を主に行うとともに、自然老化ラットの筋標本の採取を行った。4週齢のKlothoマウスおよび野生型マウスを安楽死させ舌、咬筋、腓腹筋を摘出し蛋白質を分離・精製した。Western blotting法を用いて、これらの筋におけるIGFシグナル伝達因子(IGF受容体、Akt、FoxO3)のリン酸化レベルおよびmTORシグナル伝達経路の下流の構成因子(4E-BP1、S6K)のリン酸化レベルを解析した。IGFシグナル伝達経路のマーカーは調べた3種類の筋において、Klothoマウスと野生型マウスの間で統計学的な有意差は認められなかった。mTOR下流のシグナル伝達因子である4E-BP1、S6Kのリン酸化レベルは、Klothoマウスの咬筋では約5060%(p<0.01)、舌筋で4045%(p<0.01)、野生型と比較して低下していたが、腓腹筋ではKlothoマウスと野生型マウスの間で統計学的な有意差は認められなかった。以上の結果よりKlothoマウスの咬筋と舌筋におけるオートファジー系の活性化にはIGFシグナルではなく、直接mTORを介する経路が関与していることが示唆された。咬筋や舌筋では咀嚼、嚥下、呼吸などの生存のために必須な活動に関与しているため活発に活動し、腓腹筋と比較してアミノ酸不足が起こっていたためmTORを介してオートファジーが活性化されたことが推測される。本年度は自然老化ラットを用いて舌、咬筋の萎縮のメカニズム、および萎縮のメカニズムにおけるオートファジー系、ユビキチン・プロテアソーム系の機能を明らかにするために以下の実験を行う予定であったが、実際にはミオシン重鎖を骨格筋の性質のマーカーとして用いて、老化による骨格筋の特性変化について調べた。6、12、24ヶ月齢の野生型マウスを安楽死させ咬筋、オトガイ舌筋、オトガイ舌骨筋を摘出しRNA、蛋白質を分離した。老化に伴う筋特性変化を明らかにするためにSDS-PAGE、Real-time PCR法を用いて、これらの筋におけるミオシン重鎖のタイプI、IIa、IIb、IId/xの発現を解析した。咬筋においては、蛋白質、mRNAともにタイプIIb、IId/xの発現が観察されたが、老化に関連する発現量の統計学的に有意な変化は認められなかった。オトガイ

舌筋においては蛋白質、mRNAともにタイプIIa、IIb、IId/xの発現が観察された。蛋白質、mRNAともにIIbの発現量が老化に伴って減少していることが観察された。IIb、IId/xの発現量には老化に関連する大きな変化は観察されなかった。オトガイ舌骨筋においては蛋白質、mRNAともにタイプIIa、IIb、IId/xの発現が観察されたが、老化に関連する発現量の統計学的に有意な変化は認められなかった。以上の結果から、咬筋、オトガイ舌筋、オトガイ舌骨筋などの口腔周囲筋においては老化に関連する筋の特性変化は小さいことが示唆された。また、老化の影響は口腔周囲筋の間でも差があることが示唆された。本年度はKlotho老化モデルマウスの咬筋、舌筋におけるオートファジー系を調節している経路の探索をおこなうとともに、自然老化ラットにおいても同様なことが起きているかを確かめる実験を行う予定であったが、実際にはKlotho老化モデルマウスにおけるオートファジー系の調節経路を明らかにする実験はほぼ終了したが、自然老化ラットの実験は筋標本の採取を行うことができたのみである。従って、(3)やや遅れているとの自己評価になった。24年度が最終年度であるため、記入しない。来年度は自然老化ラットをもちいて舌、咬筋の萎縮のメカニズム、および萎縮のメカニズムにおけるオートーファジー系、ユビキチン・プロテアソーム系の機能を明らかにするための実験を行う。
アルツハイマー病に関わる新規シナプス脱ユビキチン酵素の機能解析

様々な脳神経変性疾患におけるユビキチン/プロテアソーム系異常の関与が明らかにされつつある。ユビキチン化されたタンパク質は、アルツハイマー病の神経原線維、パーキンソン病のレビー小体、トリプレットリピート病の核封入体など種々の神経変性疾患の不溶化凝集体の共通成分である。本来プロテアソームで分解されるべきユビキチン化タンパク質の凝集、異常蓄積はユビキチン/プロテアソーム系の機能異常を示唆する。シナプス脱ユビキチン酵素(synUSP)は申請者がクローニングに成功した新規脱ユビキチン酵素である。最近までの研究で、申請者らはこの酵素が1036アミノ酸から構成され、N末に脱ユビキチン活性ドメインを持ち、C末にユビキチン様領域を有し、大脳のシナプス後肥厚部(PSD)画分に濃縮されることを明らかにした。また、synUSPのカルボキシル末端に対する抗血清も作製済し、大腸菌を用いたモデル基質に対する脱ユビキチン活性を有することなどの基本的な性質を明らかにした(Tian QB et al : J Neurochem,87:665-675,2003)。さらに、synUSP遺伝子を培養細胞で過剰発現することにより、細胞質内凝集体形成のモデル系を確立した。この凝集体は、レビー小体との関係解明に大変重要である。申請者らは凝集体形成に関わる部分をマッピングするための欠失変異体も作製した。ノックアウトマウスを作製するためのゲノムクローン(BAC clone)を既に入手しており、ターゲッティングベクターの構築も進行中である様々な脳神経変性疾患におけるユビキチン/プロテアソーム系異常の関与が明らかにされつつある。ノックアウトマウスを作製するためのゲノムクローン(BAC clone)を既に入手しており、ターゲッティングベクターの構築も進行中である現在、様々な脳神経変性疾患におけるユビキチン/プロテアソーム系異常の関与が明らかにされつつある。最近までの研究で、申請者らはこの酵素が1036アミノ酸から構成され、N末に脱ユビキチン活性ドメインを持ち、C末にユビキチン様領域を有し、大脳のシナプス後肥厚部(PSD)画分に濃縮され、モデル基質に対して脱ユビキチン活性を有することを明らかにした。今年度は、これらの研究成果をまとめ、Journal of Neurochemistryに発表した。そして、酵母Two-Hybridを用いて、基質を検索した結果、Secretogranin III (SgIII)がsynUSPと結合することを明らかにした。今後は、SgIIIとsynUSP結合部位をPull-down法、免疫沈降法、及び培養細胞の二重免疫染色法を用いて同定する予定である。さらに、synUSPのノックアウトマウスを作製するための準備として、mouseのsynUSP遺伝子のクローニングし、BAC cloneのスクリーニングを開始した。

最近までの研究で、申請者らはこの酵素が1036アミノ酸から構成され、N末に脱ユビキチン活性ドメインを持ち、C末にユビキチン様領域を有し、大脳のシナプス後肥厚部(PSD)画分に濃縮されることを明らかにした。また、synUSPのカルボキシル末端に対する抗血清も作製済し、大腸菌を用いたモデル基質に対する脱ユビキチン活性を有することなどの基本的な性質を明らかにした(Tian QB et al : J Neurochem,87:665-675,2003)。さらに、synUSP遺伝子を培養細胞で過剰発現することにより、細胞質内凝集体形成のモデル系を確立した。この凝集体は、レビー小体との関係解明に大変重要である。申請者らは凝集体形成に関わる部分をマッピングするための欠失変異体も作製した。ノックアウトマウスを作製するためのゲノムクローン(BAC clone)を既に入手しており、ターゲッティングベクターの構築も進行中である
堆厩肥連用土壌のトマト青枯病抑制機構の解明

名古屋大学農学部付属農場堆厩肥(400t ha^<-1> y^<-1>)連用土壌(厩肥区)における青枯病抑制機構について検討した。薬剤耐性変異株を用い土壌環境中での病原菌の動態を追跡したところ、トマト青枯病菌は厩肥区土壌では急速に死滅するばかりでなく、トマト根および茎葉部における増殖も著しく抑制されることがわかった。したがって、厩肥区土壌では根における病原菌の増殖、感染、植物体内への蔓延が抑制される結果、発病が軽減されると推察された。土壌をガンマ線殺菌、あるいはクロロホルム燻蒸すると、土壌中における病原菌の生残が良好となり、ほぼすべての個体が発病するようになった。土壌を60度、30分間熱処理しても病害発生は無処理と比べまったく変化しなかったことから、胞子形成菌などの熱に対してある程度耐性能を有する微生物群が厩肥区土壌におけるトマト青枯病抑止性を担っていることがわかった。また、土壌pHを低下させたり、土壌水分を比較的乾燥気味(最大容水量の35%程度)に維持することにより、植物生育を損なわずに、青枯病を防除することが可能となることが示唆された。これら一連の実験ではトマト青枯病発生程度と土壌における病原菌の生残とがきわめてよく対応しており、病原菌の土壌中における死滅を促進することにより青枯病が軽減されることがわかった。一方、化学肥料連用土壌に各種堆肥を添加し、有機物施用によるトマト青枯病抑制効果を検討したところ、本農場で使用している厩肥、および鶏糞堆肥を4%添加することでトマト青枯菌を減少させると共に青枯病を顕著に抑制できることがわかった。しかし、その他の有機物(豚糞堆肥、バーク堆肥、コーヒー粕堆肥、青刈り作物)ではそういった抑制効果は認められず、有機物を施用する事では必ずしも青枯病防除にはつながらないことが判明した。トマト青枯病発生程度は名古屋大学農学部付属農場化学肥料連用土壌(化肥区)に比べ堆厩肥(40t, 400t ha^<-1> y^<-1>)連用土壌(慣行区と厩肥区)において著しく抑制された。また、薬剤耐性変異株を用い土壌環境中での病原菌の動態を追跡したところ、トマト青枯病菌は化肥区では非根圏、根圏、植物体内のいずれにおいても高密度で検出されたが慣行区、厩肥区では非根圏においてある程度の生存が認められたが、根圏、植物体内ではほとんど検出されなかった。慣行区、厩肥区で発病が軽減された原因として、植物体への感染・増殖が抑制されていることが推察された。この原因解明の第一歩として、土壌を60度30分の熱処理、あるいは120度15分のオートクレーブ殺菌処理を行い、土着微生物の一部あるいはすべてを死滅させた。発病程度は熱処理の有無にほとんど影響を受けなかったことから、慣行区および厩肥区のトマト青枯病抑制能は土壌に元々生息する微生物に由来するのではなく、その他の熱に安定な要因であることが示唆された。慣行区、厩肥区は堆厩肥の施用により化肥区と比べ各種の無機養分含量が高くなっているため、化肥区土壌にCaを含む各種養分を添加して発病程度に及ぼす影響を検討した。若干化肥区における発病が軽減されたが、依然慣行区に比べると高い発病率であったことから、慣行区、厩肥区の青枯病抑制能に対する無機養分の寄与は小さいと推察された。化肥区に慣行区を混合すると、その割合に応じて化肥区の発病度が軽減されたことから、慣行区には何らかの発病抑制効果が存在し、それはトランスファーされることが分かったが、その実態については現在の所不明である。

しかし、その他の有機物(豚糞堆肥、バーク堆肥、コーヒー粕堆肥、青刈り作物)ではそういった抑制効果は認められず、有機物を施用する事では必ずしも青枯病防除にはつながらないことが判明した。
立体湾曲シリコン導波路を用いた革新的空間光学の開拓

近年シリコンフォトニクスの空間光学への研究展開が活発化しているが、基板面から面外方向に光を取り出すために回折格子カプラを用いている。本研究は、研究実施者らが最近開発した立体湾曲シリコン導波路カプラ(エレファントカプラ)をアレー状に複数個並べて面外方向に光を取り出し、光ビームをステアリングする新しい素子の基盤的研究を遂行することを目的としている。エレファントカプラは回折格子カプラにない本質的特長(点光源性、低波長依存性、低偏光依存性)が期待でき、それによりビーム品質のよい独創的なステアリングデバイスが実現できると期待される。本研究を進める過程で、光出射するエレファントカプラを逐次切り替え出射光をレンズでコリメート化すれば、当初想定していたフェーズドアレー方式を用いなくても簡明な駆動方式で優れたステアリング素子を実現可能であることに気づき、研究方針に変更を加えた。この新方式ではエレファントカプラから出射する光ビームの空間的広がり方を制御できる技術を確立することが重要であり、ビームウェスト幅が5マイクロメートル程度の擬ガウシアンビームを垂直出射するエレファントカプラの実現を目標に設定し、その作製技術の開発に取り組んだ。立体湾曲シリコン導波路の先端部を、長さ数マイクロメートルのうちに幅が数十nmまで漸減するような逆テーパ構造とし、その周囲を厚さ23マイクロメートル程度の酸化膜で等方成膜して頂部に微小レンズ構造を形成し、逆テーパ構造から放射した光を頂部レンズで集光して擬ガウシアンビーム化を目指す原理であるが、実験的にシリコン導波路を立体湾曲するイオン注入と酸化膜を追加デポするCVDのプロセス条件を調整することにより、湾曲部での放射損失を大幅に抑制することができた。さらにほとんど偏光依存性のない素子を作製できた。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。最近シリコンフォトニクスの空間光学への研究展開が海外で活発化しているが、基板面から面外方向に光を取り出すために回折格子カプラを用いている。本研究は、研究実施者らが最近開発した立体湾曲シリコン導波路カプラ(エレファントカプラ)をアレー状に複数個並べて面外方向に光を取り出し、それを干渉させて光ビームをステアリングする新しい素子の基盤的研究を遂行することを目的としている。エレファントカプラは、回折格子カプラにない本質的特長(点光源性、小さな配置間隔が可能)があり、それによりステアリング角度が大きくビームの収束性のよい独創的なデバイスが実現できると期待される。このようなステアリング素子を実現するためには、多数のエレファントカプラを2um程度の挟ピッチで高精度に位置配置できる微細加工技術の確立が必要である。また、それぞれのカプラから出射される光の位相を個別に制御する必要があり、多数の熱型位相変調器のTiNヒーター電極にアクセス可能な電気プローブ技術の確立が必要である。さらに空間に放射された光ビームの強度プロファイルを評価する観察光学系の確立が必要である。2016年度はこれらの要素技術の確立に注力し、新規に開発した高精度位置配置技術を用いることにより、複数のエレファントカプラを配置した表面出射型フェーズアレー素子のプロトタイプ構造の試作に成功した。また観察光学系構築が容易な端面出射型の2点出射型フェーズアレー素子を試作し、出射光の位相を干渉させ波長掃引によるビーム偏向の原理実証に成功した。さらにシリコン導波路の上部に設置する高集積の熱型位相変調器のTiNヒーター電極部に一括アクセス可能な専用プローブカードを開発した。エレファントカプラを高精度に位置配置できる微細加工技術の開発は順調に進んだ。また、狭ピッチで配置されたヒーター電極部に一括アクセス可能な専用プローブカードを開発できたことは、当初計画以上の進歩であった。一方、エレファントカプラ加工の中核プロセスであるイオン注入は、当初計画では産総研中央地区にある装置を存分に使用する予定であったが、年度の途中で頻繁に故障し最終的には年度末で廃棄処分となってしまったため、外部機関の装置の利用を模索せざるを得なくなった。幸い東北大学の共用装置が利用できるようになったが、使用環境の調整や新たな条件出し、遠路の往復や費用負担の増加などの理由により研究進捗に大きな影響が出た。そこでイオン注入実験の回数を減らして研究を進めるように方針を変更したため、当初計画から考えると進捗はやや遅れている。本研究を遂行する過程で、このようなステアリング素子を実現するためには、エレファントカプラから出射する光ビームの空間的広がり方を制御できる技術を確立することが重要であることが分かった。そこで2017年度は3次元FDTD法による数値解析手法により、エレファントカプラ中での光の伝搬挙動を丁寧に解析した。

その結果、立体湾曲シリコン導波路の先端部を、長さ数マイクロメートルのうちに幅が数十nmまで漸減するような逆テーパ構造とし、その周囲を厚さ23マイクロメートル程度の酸化膜で等方成膜して頂部に微小レンズ構造を形成すると、逆テーパ構造から放射した光が頂部レンズで集光され、ビームウェスト幅が5マイクロメートル程度の擬ガウシアンビームを形成可能であることが明らかになった。そこでこのような構造の試作にも取り組み、実際にこのような構造が製造可能であり、またそこから放射される光ビームの空間的広がり方は数値解析法による予想とよく一致することが確かめられた。エレファントカプラ加工の中核プロセスであるイオン注入は、当初計画では産総研中央地区にある装置を存分に使用する予定であったが、頻繁に故障し最終的には廃棄処分となってしまったため、現在は東北大学の共用装置を利用している。しかし、使用環境の調整や新たな条件出し、遠路の往復や費用負担の増加などの理由により研究進捗に大きな影響が出ている。イオン注入実験の回数を減らして研究を進めるように方針を変更したため、当初計画から考えると進捗はやや遅れている。近年シリコンフォトニクスの空間光学への研究展開が活発化しているが、基板面から面外方向に光を取り出すために回折格子カプラを用いている。本研究は、研究実施者らが最近開発した立体湾曲シリコン導波路カプラ(エレファントカプラ)をアレー状に複数個並べて面外方向に光を取り出し、光ビームをステアリングする新しい素子の基盤的研究を遂行することを目的としている。エレファントカプラは回折格子カプラにない本質的特長(点光源性、低波長依存性、低偏光依存性)が期待でき、それによりビーム品質のよい独創的なステアリングデバイスが実現できると期待される。本研究を進める過程で、光出射するエレファントカプラを逐次切り替え出射光をレンズでコリメート化すれば、当初想定していたフェーズドアレー方式を用いなくても簡明な駆動方式で優れたステアリング素子を実現可能であることに気づき、研究方針に変更を加えた。この新方式ではエレファントカプラから出射する光ビームの空間的広がり方を制御できる技術を確立することが重要であり、ビームウェスト幅が5マイクロメートル程度の擬ガウシアンビームを垂直出射するエレファントカプラの実現を目標に設定し、その作製技術の開発に取り組んだ。立体湾曲シリコン導波路の先端部を、長さ数マイクロメートルのうちに幅が数十nmまで漸減するような逆テーパ構造とし、その周囲を厚さ23マイクロメートル程度の酸化膜で等方成膜して頂部に微小レンズ構造を形成し、逆テーパ構造から放射した光を頂部レンズで集光して擬ガウシアンビーム化を目指す原理であるが、実験的にシリコン導波路を立体湾曲するイオン注入と酸化膜を追加デポするCVDのプロセス条件を調整することにより、湾曲部での放射損失を大幅に抑制することができた。さらにほとんど偏光依存性のない素子を作製できた。当初の計画で前提としていた産総研のイオン注入装置が利用できなくなってしまったことは極めて大きな研究環境の変化であるが、東北大学の共用装置の利用等でできる研究内容を精査し、できるだけ当初の目的の趣旨に沿う研究を展開していく。
論理指向ニューラルネットワークを利用したパターン認識システムのハードウェア実装

今年度の研究計画に従って、論理指向ニューラルネットワーク(LOGO-NN)をVHDLによって設計し、FPGA上へのハードウェア実装を試みた。その作業過程を通じて、比較的簡単なパターン認識に対しては高性能なLOGO-NNを低コストでハードウェア化できることが確認された。しかし、問題の難易度が高くなるにつれて、LOGO-NNに必要となるデータビット数とニューロン数は増加し、十分なコスト削減が難しいことも確認された。そこで、この問題を回避するために、LOGO-NNと連想メモリを併用したパターン認識システムを新たに考案した。連想メモリは入力パターンを修復する能力があるため、低コスト化によってLOGO-NN単体の性能がある程度低くなったとしても、システム全体で高いパターン認識率を維持できることは明らかであり、さらに、それをシミュレーションによって確認することができた。また、連想メモリは多層パーセプトロン(MLP)とスパース結合ニューラルネットワーク(SINN)を組み合わせて構成した。ここで、MLP部はLOGO-NNによって実現することで低コスト化を図った。一方、SINN部はハードウェア化が容易なモデルとして知られるセルラーニューラルネットワーク(CNN)を基に構成した。したがって、連想メモリ自体の低コスト化も十分に達成することができた。このように今年度の研究では、LOGO-NNと連想記憶MLP-SINNを組み合わせることによって、本研究の目的であるLOGO-NNを利用した高性能なパターン認識システムが低いハードウェアコストで実現されることを示すことができた。今後の課題は、このパターン認識システムをLSI上に実装することで、より大規模な問題に対応できるようにすることなどが挙げられる。今年度は研究計画に準じて、論理指向ニューラルネットワーク(LOGO-NN)のための学習回路を効率的にデジタルハードウェア化するために、以前我々が提案したLOGO-BPアルゴリズムの修正およびその検証を行った。これと同時に、LOGO-NN(認識システムの動作部)のプロトタイプ回路をVHDLによって設計した。前者の学習アルゴリズムに関する研究については、各パラメータのピット数を小さい値に制限した上で、さらに、除数を2のべき乗とすることで除算器をシフトレジスタに置き換えるなどの修正を行った。これにより、学習回路に対するハードウェアコストの低減が十分に見込めるに至った。また、この修正アルゴリズムの性能を詳しく検証したところ、文字パターン認識などの比較的簡単とされる分類問題に対しては、ハードウェアの制約を全く受けない理想的な高速学習アルゴリズムと同程度以上の性能を示すことが確認された。しかし、線形分離性があまりに乏しい分類問題については、それぞれの問題に応じたビット数およびニューロン数が必要であることも確かめられた。今後、LOGO-BPにおいては上記の問題についての対処法を考案することが課題である。一方、VHDLで設計したLOGO-NNがVHDLシミュレータ上で正常に動作することを確認した。しかし、現段階ではインタフェースまで考慮に入れた設計にはなっていないので、メモリシステムも含めた設計が必要である。そこで、今後は学習回路の設計も同時に進めることで、学習機能を持つパターン認識システムとして、文字認識システムのプロトタイプ回路をFPGAもしくはLSI上に実現する予定である。