hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ジェミナルに基づく量子化学理論の確立とそのナノ磁性デバイス材料への応用

本研究では,現在広く用いられている一電子波動関数(オービタル)に基づく量子化学の枠組みを超え,二電子波動関数(ジェミナル)に基づく量子化学理論とプログラムの構築を行った.これにより,静的電子相関と呼ばれる効果が強くはたらく系の高精度量子化学計算を,ほぼパラメータなしで実行することを可能とした.さらに,大規模系計算理論のひとつである分割統治法を整備し,実在系の高精度量子化学計算が可能となった.本研究では,現在広く用いられている一電子波動関数(オービタル)に基づく量子化学の枠組みを超え,二電子波動関数(ジェミナル)に基づく量子化学理論とプログラムの構築を行った.これにより,静的電子相関と呼ばれる効果が強くはたらく系の高精度量子化学計算を,ほぼパラメータなしで実行することを可能とした.さらに,大規模系計算理論のひとつである分割統治法を整備し,実在系の高精度量子化学計算が可能となった.量子化学理論では、一電子波動関数(オービタル)から全電子波動関数を構築するのが一般的であるが、本研究では二電子対波動関数(ジェミナル)を基本に用いることで、新しい高精度多配置量子化学計算の理論体系とプログラムを確立することを目的としている。ジェミナル量子化学の基本理論は反対称化強直交ジェミナル積(APSG)法であるが、本年度は、まずAPSG波動関数に対して適用可能な簡便な摂動補正理論として、MP-MCPT理論を開発した。この理論は、単参照波動関数に対するMoller-Plesset (MP)摂動論と同じハミルトニアン分割を多配置波動関数に適用可能とした拡張であり、他の多参照摂動補正理論よりも単純かつ容易に摂動補正を行うことが可能なものである。実際にこの理論に基づいたプログラムを作成し、APSG波動関数に対して適用したところ、MP-uMCPT法と呼んでいる実装を行うと他の摂動補正法とほぼ同等の高い精度を与えることがわかった。次に、APSG法を拡張して開殻系を取り扱える表式を導出した。ジェミナルは電子対の一重項波動関数であるため、開殻部分をオービタルで記述することによりこの拡張を実現した。ほぼ同じ拡張はRassolovらにより提案されているが、我々はスピン制限型の実装を行いスピン混入誤差を取り除いた。さらに、APSG計算の収束性の改善にも取り組んだ。自然軌道の最適化過程でAnderson法を導入することで、計算コストの高い積分変換を含む軌道回転の回数を半分から1/3程度に削減することに成功した。本研究課題では、APSG法を大規模系に適用する際に分割統治(DC)法の活用を考えているが、DC法においても(1)開殻系計算への拡張、(2)エネルギー勾配表式の開発、の進展があった。量子化学理論では、一電子波動関数(オービタル)から全電子波動関数を構築するのが一般的であるが、本研究では二電子対波動関数(ジェミナル)を基本に用いることで、新しい高精度多配置量子化学計算の理論体系とプログラムを確立することを目的としている。本年度はまず、ジェミナル量子化学の基本理論となる反対称化強直交ジェミナル積(APSG)法を実用的に計算可能とするために、収束性の改善に敢り組んだ。APSG計算で必要となる自然軌道の最適化の際に、Newton-Raphson法によるHessianを使った収束とDIIS法を組み合わせることで大きく計算コストを削減することに成功した。DIIS法の誤差ベクトルの選び方の相違により2種類の方法を提案したが、特に軌道勾配を誤差ベクトルに用いた方法が良好なパフォーマンスを示すことが確認された。また、昨年度開発した2つの手法、すなわち(i)APSG波動関数に対する簡便な摂動補正理論(MP-MCPT法)と、(ii)開殻系に拡張したAPSG波動関数を結合し、開殻系も定量的にエネルギーを記述できるジェミナル理論を構築した.本研究課題では、APSG法を大規模系に適用する際に分割統治(DC)法の活用を考えているが、DC法においても(1)2次Moller-Plesset摂動(MP2)計算の開殻系への拡張、(2)時間依存法及び有限場法を用いた分子超分極率計算法の開発、などの進展があった。さらに、現在一般的となったクラスタ・コンピュータによる大規模計算を効率的に行う手法として、(3)Generalized Distributed Data Interface(GDDI)を用いたDC-MP2法の2段階並列化、も行った。本研究ではジェミナル量子化学の基本理論として反対称化強直交ジェミナル積(APSG)法を採用している。本年度は、昨年度研究を開始した開殻系のAPSG波動関数に対する摂動的動的電子相関の補正法を完成させ、論文で発表した。30以上の開殻系小分子に対して行った性能評価により、本手法は分子構造パラメータをより正確に再現することが確かめられた。これにより、定量的解析が可能な開殻系のジェミナル理論が完成した。また、ジェミナル理論をナノ材料などに適用するため、本年度は主に大規模量子化学計算理論である分割統治(DC)法の整備と拡張を行った。

具体的にはまず、高精度量子化学計算に用いられる2次Moller-Plesset摂動(MP2)法に対して、DC法を用いたエネルギー勾配表式を提案し、量子化学計算に不可欠な構造最適化計算を可能とした。また、このDC-MP2法の有効性を検証するために、HIV-1及び西ナイルウィルスに対する新奇抗ウィルス薬の阻害機構の解析に本手法を応用した。さらに、これまでは基底状態理論の枠組みの中で開発を行ってきたDC法を励起状態理論へと拡張した。例として、本手法と高精度励起状態理論のSAC-CI法を組み合わせて用い、光活性イエロータンパク中の色素の励起波長シフトを再現した。ONIOM法のような既存の大規模励起状態理論とも比較を行い、本手法がより高い精度で励起エネルギーを再現することが確認された。以上により、ジェミナルに基づく閉殻系及び開殻系の量子化学理論の確立と、それをナノ材料に適用する基盤の構築が行われた。ナノ磁性デバイス材料の実証計算を行うための準備として、理論体系とプログラムが着実に整いつつある、具体的に研究の目的で掲げている3つの理論・プログラム展開のうち、「(1)動的相関の摂動的取り込み」と「(2)開殼系への理論拡張」はほぼ完成し、もうひとつの「(3)並列化と大規模系理論への展開」についても、プログラムの成熟が進んでいる。24年度が最終年度であるため、記入しない。まず、上述の3つの理論・プログラムを融合し、実用的な計算を可能とする手法を検討する必要がある。当初よりAPSG波動関数が、すでにDC法で用いることの可能な結合クラスター(CC)波動関数と同じ形式で表されることから、DC法との融合は難しくないと目されているので、来年度はまずこの問題に理論的・実践的に取り組む。また、大規模化を行う前にも、小分子の磁性材料に対してAPSG法を用いた応用計算に着手し、理論の信頼性を確認しながら大規模化を推進していく。
太陽光圧を利用した分布入力による宇宙膜面構造物のアクティブ形状制御

近年の宇宙開発では,優れた軽量性・収納性を有する,宇宙膜面構造物の研究開発が盛んに行われている.宇宙膜面構造物は多くの場合,二次元構造物として扱われており,これを三次元構造物に拡張することは,その利用可能性を大きく広げるものである.本研究は,太陽光圧を分布入力として与えることで,スピン型の宇宙膜面構造物のアクティブ形状制御を実現することを目的とする.すなわち,膜面の反射率を電気的に切り替え,太陽光圧に起因する周期外力を与えて共振を励起し,さらに,その周波数をスピンと同期させることで,慣性空間で静止した定在波面を形成する.平成30年度の研究では以下の成果を獲得した.1)不均一な質量分布を持つ膜面を多粒子系でモデル化し,数値的な振動モード解析を行った.その結果,膜面の質量分布,つまりアクチュエータの搭載位置の変化に伴い,システムの固有振動数が有意に変動することを確認した.その変動傾向を考慮することで,共振周波数が定在波周波数と一致するよう,適切に膜面を設計するための方針を得た.2)数値解析の結果,振動状態に応じて共振点が変動するため,一定周期のスイッチングによるフィードフォワード制御では,共振を起こせないことが判明した.そこで,モード速度の正帰還によるフィードバックを用いて,変動する共振点を自動で追尾する,自励振動の制御則を構築した.ここでは,システムの運動方程式を,モード座標とその微分を状態変数とする多入力・多出力の状態方程式に変換し,固有関数が入出力の伝達特性を支配することに着目することで,振動を発散させるフィードバックゲインの最適設計を行った.3)以上の研究より,膜面上のアクチュエータの配置が,システムの固有振動数(構造特性)と共振倍率(制御特性)に与える影響が明らかになった.この結果を踏まえ,最も効率よく定在波を励振するための,システム全体の最適化手順を確立した.1年目の研究は,1)不均一な質量分布を持つ膜面の構造解析,2)太陽光圧入力のスイッチング制御則の構築,3)構造・制御要求を満たすシステムの最適化,の3項目を計画しており,実績として全ての項目を計画通りに実施することができた.特に,2)の制御系設計の過程で,現実のシステムでは共振点が変動することが判明し,当初想定していたフィードフォワード制御では,共振を励起できないことが分かった.そこで,状態フィードバックを用いた共振点追尾コントローラの設計,並びに,それを実現するためのモード座標推定フィルタを導入することで,問題の解決を図った.また,構築した制御理論の検証のため,当初は2年目に実施を予定していた,5)数値シミュレーションによる検証,を一部先行して実施した.ここでは,本特別研究員が過去に作成した,多粒子モデルによる膜面ダイナミクスシミュレータに,膜面要素の光学特性の切り替え機能を実装し,上記で設計した太陽光圧制御システムを組み込んだ.このシミュレータを用いて数値シミュレーションを行ったところ,非線形領域においてシステムの共振周波数が変動していること,そして設計した制御システムがその共振点を適切に追尾していること,が確認できた.特に,このシミュレーションの結果より,振動が成長して非線形領域に入ると,線形領域と比較して大きく挙動が変わることが分かった.さらに,この非線形挙動に対しても,設計した制御器は正しく機能しており,制御システムとしてのロバスト性が確認できた.以上より,当初予定していた研究項目に加えて,当初想定されていなかった問題に対する解決策も提示することができた.さらに,次年度に予定していた数値シミュレーションを先行して実施することで,様々な力学的現象が明らかになった.そのため,1年目の研究は,当初の計画以上に進展しているといえる.本研究の最終目的は,宇宙機のスピンと同期した構造共振を励起することで,慣性空間で波面が静止する定在波を生成可能とすることである.1年目の研究の結果,膜面の構造特性を操作することで,システムの固有振動数を定在波周波数に一致させる見通しが得られた.しかし,質量分布に関するパラメトリックスタディを行ったところ,この構造操作には限界があり,固有振動数を定在波周波数と厳密には一致させられないモードが存在することが分かった.さらに,仮に構造操作によって目標の固有振動数を得られたとしても,共振点の変動効果のため,厳密な定在波とはなりえない.そこで,上述した問題を解決するため,2年目の研究では,周波数フィードバックによる共振点制御を行う.1年目に実施した自励振動の制御則では,システムの極の実部が正値となるようゲインを設計することで,振動の発散を図った.一方,極の虚部は振動の周波数特性を表しており,この値の設計に関しては言及していない.そこで,時変ゲインを扱うレギュレータを設計することで,変動する共振点を定在波周波数に向けて制御することを試みる.続いて,構築した制御理論の有効性を,真空槽を用いた地上実験によって立証する.JAXA宇宙科学研究所が保有する真空槽を使用し,ステッピングモータを用いて,小型の膜面を真空中で遠心力展開する.地上では重力の効果が強く,太陽光圧を用いた制御は事実上不可能であるため,代替アクチュエータとして,piezo benderを使用する.これは,電圧印加によって曲げ変形を起こす圧電素子である.

計測系としては,制御系とは別に用意した圧電素子を用いた歪みセンサ,もしくは高速度ステレオカメラを用意し,膜面の変形状態(モード座標)の推定を行う.制御器・観測器を合わせた,ハードウェアとしての制御システムを構築し,本研究が提案するアクティブ形状制御の理論を実証する.近年の宇宙開発では,優れた軽量性・収納性を有する,宇宙膜面構造物の研究開発が盛んに行われている.宇宙膜面構造物は多くの場合,二次元構造物として扱われており,これを三次元構造物に拡張することは,その利用可能性を大きく広げるものである.本研究は,太陽光圧を分布入力として与えることで,スピン型の宇宙膜面構造物のアクティブ形状制御を実現することを目的とする.すなわち,膜面の反射率を電気的に切り替え,太陽光圧に起因する周期外力を与えて共振を励起し,さらに,その周波数をスピンと同期させることで,慣性空間で静止した定在波面を形成する.平成30年度の研究では以下の成果を獲得した.1)不均一な質量分布を持つ膜面を多粒子系でモデル化し,数値的な振動モード解析を行った.その結果,膜面の質量分布,つまりアクチュエータの搭載位置の変化に伴い,システムの固有振動数が有意に変動することを確認した.その変動傾向を考慮することで,共振周波数が定在波周波数と一致するよう,適切に膜面を設計するための方針を得た.2)数値解析の結果,振動状態に応じて共振点が変動するため,一定周期のスイッチングによるフィードフォワード制御では,共振を起こせないことが判明した.そこで,モード速度の正帰還によるフィードバックを用いて,変動する共振点を自動で追尾する,自励振動の制御則を構築した.ここでは,システムの運動方程式を,モード座標とその微分を状態変数とする多入力・多出力の状態方程式に変換し,固有関数が入出力の伝達特性を支配することに着目することで,振動を発散させるフィードバックゲインの最適設計を行った.3)以上の研究より,膜面上のアクチュエータの配置が,システムの固有振動数(構造特性)と共振倍率(制御特性)に与える影響が明らかになった.この結果を踏まえ,最も効率よく定在波を励振するための,システム全体の最適化手順を確立した.1年目の研究は,1)不均一な質量分布を持つ膜面の構造解析,2)太陽光圧入力のスイッチング制御則の構築,3)構造・制御要求を満たすシステムの最適化,の3項目を計画しており,実績として全ての項目を計画通りに実施することができた.特に,2)の制御系設計の過程で,現実のシステムでは共振点が変動することが判明し,当初想定していたフィードフォワード制御では,共振を励起できないことが分かった.そこで,状態フィードバックを用いた共振点追尾コントローラの設計,並びに,それを実現するためのモード座標推定フィルタを導入することで,問題の解決を図った.また,構築した制御理論の検証のため,当初は2年目に実施を予定していた,5)数値シミュレーションによる検証,を一部先行して実施した.ここでは,本特別研究員が過去に作成した,多粒子モデルによる膜面ダイナミクスシミュレータに,膜面要素の光学特性の切り替え機能を実装し,上記で設計した太陽光圧制御システムを組み込んだ.このシミュレータを用いて数値シミュレーションを行ったところ,非線形領域においてシステムの共振周波数が変動していること,そして設計した制御システムがその共振点を適切に追尾していること,が確認できた.特に,このシミュレーションの結果より,振動が成長して非線形領域に入ると,線形領域と比較して大きく挙動が変わることが分かった.
肺腺癌ゲノム解析に基づく治療標的キナーゼの探索

肺腺癌で変異しているタンパク質キナーゼを、97例の肺腺癌症例の網羅的ゲノム解析から探索し治療標的としての有用性を検討した。すべての症例において、何らかの細胞増殖を司る遺伝子に変異を認めた。肺腺癌のゲノム多様性を反映した実験系を構築するため26株の肺腺癌細胞株の網羅的ゲノム、エピゲノム情報を収集しデータベース化し公開した。LC-2/ad細胞ではCCDC6-RET融合遺伝子が発現しRETのキナーゼ活性を阻害する薬剤バンデタニブが抗腫瘍効果を示すことを明らかにした。これらの情報は肺がんの新規治療開発を推進する全国規模の患者スクリーニングや、治療薬の臨床試験にもすでに応用されている。肺腺癌の治療成績向上には新規標的分子の同定とそれに対する特異的阻害剤の開発が必須である。蛋白質リン酸化酵素(キナーゼ)の多くは細胞の増殖・生存を制御し、特異的な阻害剤の開発も進んでいることから、分子標的として有望である。国立がん研究センター東病院の肺腺癌組織97例の全エクソン解析を行ったところ、既知のドライバー遺伝子であるEGFRに加え、すべての症例において何らかのキナーゼ遺伝子に既知および新規の変異が検出されることが明らかになった。これらキナーゼの中に新たな治療標的が含まれていることを期待し、変異によってがん細胞の増殖、生存、浸潤等が促進するものを同定し、さらに変異キナーゼに対する特異的阻害剤により、これらの生物学的特性が変化するかを検討し、新たな治療法開発、臨床応用への展開をめざしている。本年度はすでに解析が終わった臨床検体97例に加え、日本人肺腺癌から樹立された6細胞株の全エクソン解析及び融合遺伝子解析を行った。うちLC-2/ad株においてRET遺伝子を含む10番染色体の逆位が同定され、同株ではCCDC6-RET融合遺伝子の発現が確認された。これは最近臨床検体でも発見された新規ドライバー遺伝子と同じものであり、同株がRET融合遺伝子を発現する肺腺癌のモデルとなることが期待された。培養細胞実験系、マウス移植腫瘍実験系においてRETのキナーゼ活性を阻害するバンデタニブは顕著な増殖抑制、殺細胞効果および抗腫瘍効果を発揮した。国立がん研究センター東病院をはじめとする臨床研究グループはRET融合遺伝子陽性肺がんを全国規模でスクリーニングしバンデタニブの効果を検証する第2相医師主導治験を展開しており、本研究はこの治療法のproof of conceptに相当するものである。臨床検体97例および肺腺癌から樹立された23細胞株の全エクソン解析及び融合遺伝子解析から、LC-2/ad株ではCCDC6-RET融合遺伝子が発現しRETのキナーゼ活性を阻害するバンデタニブが抗腫瘍効果を発揮することを示した。さらに詳細なバンデタニブの薬理作用を明らかにするためにRET下流分子の活性変化をリン酸化タンパク質のスクリーニングにより検討した。またバンデタニブに長期曝露することで薬剤耐性細胞を作製し、その分子生物学的機序について検討を開始した。これまで肺腺癌において治療標的とされていなかった受容体型チロシンキナーゼの一つが約10%の症例で体細胞変異を生じていることを見出し、一部の症例でタンパク質レベルでの発現上昇も認めた。変異型受容体遺伝子をクローニングし非がん細胞へ過剰発現を行い、細胞内シグナル伝達、細胞増殖への寄与を検討した。今後このキナーゼ遺伝子に変異をもつ細胞株の探索と、それに対する特異的阻害剤による抗腫瘍効果についても検討を進める。タンパク質リン酸化酵素(キナーゼ)の多くは細胞の増殖・生存を制御し、特異的な阻害剤の開発も進んでいることから、分子標的として有望である。国立がん研究センター東病院の肺腺癌組織97例の全エクソン解析を行ったところ既知のドライバー遺伝子であるEGFRに加え、すべての症例において何らかのキナーゼ遺伝子に既知及び新規の変異が検出されることが明らかになった。

患者個々に異なる遺伝子変異プロファイルに合わせた治療開発をより促進するためには、こうした多様性を反映する細胞実験系が必要である。日本人肺腺癌由来13株を含む26株の細胞株について網羅的ゲノム、エピゲノム、トランスクリプトーム解析を行い、データベース化して公開した。臨床検体のドライバー変異にはBRAF、ERBB2など他がん種で治療標的として特異的阻害剤の臨床開発が進んでいるものが低頻度ながら含まれていた。本研究でも明らかとなったこうした背景をもとに薬物治療が予定される肺がん患者を全国規模でスクリーニングする試みを開始した。肺腺癌のドライバーとなる遺伝子異常には点変異に加え、染色体逆位、転座による遺伝子融合も注目されている。最近明らかになったRET融合遺伝子を発現する肺腺癌細胞株としてLC-2/ad株を明らかにし、RETのキナーゼ活性を阻害するバンデタニブが抗腫瘍効果をもたらすことを前年度までに報告したが、より詳細な作用機序を解析するために一細胞シークエンス技術を利用し、バンデタニブ処理によるLC-2/ad細胞のトランスクリプトーム変化を明らかにした。RET融合遺伝子陽性肺がんに対するバンデタニブの研究者主導臨床試験が進行中であり、本研究で得られた知見を臨床の実地デモ役立てることが期待される。26年度が最終年度であるため、記入しない。腫瘍治療学26年度が最終年度であるため、記入しない。臨床検体に追加して解析した細胞株エクソームのデータから最近同定されたドライバー遺伝子の異常を発見し、細胞株モデルで分子標的治療の有用性を示唆することができた。これに続く新たな変異遺伝子についてもエクソームデータからの抽出が完了し、うち3遺伝子については臨床検体で同定された変異を導入した発現実験系の構築が終わっており、第2年度以降に生物学的特性を明らかにする研究が実行できる。先行して同定したRET融合遺伝子陽性細胞株についてキナーゼ阻害剤による抗腫瘍効果、耐性獲得の分子機構の解析が進み、これらの結果を現在国立がん研究センター東病院で進行中の臨床試験に反映させている。新たな治療標的候補遺伝子について非臨床実験系の構築が進んだ。RET阻害薬の分子生物学的作用機序、耐性獲得機序を解析し、進行中の臨床試験と連動して治療法開発を進める。新規変異キナーゼ及びその制御分子3遺伝子について特異的阻害剤による治療効果の可能性を検討する。新規変異キナーゼについて特異的阻害剤による治療効果の可能性を検討する。臨床検体の網羅的解析については各国から報告が集積しており変異頻度の検証を目的とした追加300症例の解析の蓋然性は低下している。より治療開発に有用な細胞株の多層オミックス解析を重点的に行うことで本研究の目的がより達成できると考えられる。変異頻度の検証を目的とした追加300症例の解析に先立ち、細胞株ゲノム検索を行い標的分子の発見に成功したため、検証用臨床検体の解析が第2年度以降にくりこしとなったため。
神奈川県下の住民および歯科医師のフッ化物応用に対する意識構造

神奈川県下の地域性の異なる数カ所の地域を選び、小学生の保護者および歯科医師を対象に質問紙法による調査を行い、フッ化物応用に関する意識構造を知り、我が国における公衆衛生レベルでのフッ化物応用の可能性を検討する目的で分析した。そして以下の結果を得た。1,小学生の保護者の分析結果(1)歯科保健やフッ化物応用に関する意見に3地区で大きな差は見られなかった。予防に対する期待は大きいようであるが、フッ化物応用に関する知識及び有効性や安全性の認識は明確ではなかった。フッ化物の塗布経験が歯科保健に関する情報源やフッ化物応用方法の選択に強い影響を持ち、フッ化物応用における意識構造を決定する重要な要因となっていた。2.歯科医師における分析結果(1)経済的な問題以外では、3つの地区に歯科保健サービスやフッ化物応用に関する意見に大きな差違は見られなかった。全体的に予防への意欲は強く、特に衛生教育の有効性を認める意見が強かった。(2)フッ化物の応用方法に関しては局所応用を認める意見が多く、フッ化物応用方法の選択には安全性に対する認識が強く影響しているようである。小学生の保護者そして歯科医師ともに、フッ化物の局所的応用方法を期待する意見が多いようであったが、その決定は確かな情報や知識に基づいてはいない様であった。本研究による住民及び歯科医師のフッ化物応用に関する意見構造の把握は、今後の我が国の歯科保健対策に対する一つの重要な知見となるであろう。1,研究目的神奈川県下の地域性の異なる数カ所の地区を選び小学生の保護者及び歯科医師を対象に調査し、フッ化物応用に関する住民及び歯科医師の意識構造を地域性との関連から知ることを目的とする。そして、我が国におけるフッ化物の応用の遅滞の原因を明らかにするものである。2,研究経過(1)予備調査によって、横浜市内の小学生及び歯科医師の持つ歯科保健やフッ化物応用に関する意識構造が行動科学的手法によって明らかにされた。統計学的分析方法として共分散構造分析が極めて有効であった。(2)上記の結果から、小学生の保護者のフッ化物応用の意識モデルをさらに検討し、それに基づき質問紙を作成した。そして、神奈川県下の3つの地域を選択し、それぞれの地域内にある各1カ所の小学校において調査を完了した。(3)データ・アァイルがほぼ完成し、基礎的統計量について分析した。その結果、地域の歯科保健に対する取り組みの違いがいくつかの変数に影響を与えている様であった。また、正しい情報の提供が不足しているようであり、その事がフッ化物応用への意見に影響を及ぼしていると考えられた。(4)今後、共分散構造分析方法を中心に用い、意識構造モデルの確定と比較を行っていく予定である。さらに、歯科医師における調査を並行し、保護者の意識モデルとの関連性について検討する。神奈川県下の地域性の異なる数カ所の地域を選び、小学生の保護者および歯科医師を対象に質問紙法による調査を行い、フッ化物応用に関する意識構造を知り、我が国における公衆衛生レベルでのフッ化物応用の可能性を検討する目的で分岐した。(2)フッ化物の塗布経験が歯科保健に関する情報源やフッ化物応用方法の選択に強い影響を持ち、フッ化物応用における意識構造を決定する重要な要因となっていた。(2)フッ化物の応用方法に関しては局所応用を認める意見が多く、フッ化物応用方法の選択には安全性に対する認識が強く影響しているようであった。

小学生の保護者そして歯科医師ともに、フッ化物の局所的応用方法を期待する意見が多いようであったが、その決定は確かな情報や知識に基づいてはいない様であった。本研究による住民及び歯科医師のフッ化物応用に関する意識構造の把握は、今後の我が国の歯科保健対策に対する一つの重要な知見となるであろう。
共熱分解制御によるプラスチック/木質バイオマス混合廃棄物の高度化学原燃料転換

既存技術ではリサイクル困難なプラスチック/木質バイオマス混合廃棄物を、既存のガス・石油精製および化学原料設備に供給可能なガスおよびオイルに転換する共熱分解プロセスを確立する。申請者はこれまで、プラとバイオマスを共に熱分解(共熱分解)すると、プラとバイオマスの熱分解生成物同士が相互作用する現象を見出してきた。本研究は、3つのシナジー効果:1チャー抑制、2ガス化促進、3液化促進を「狙って」最大化する共熱分解制御法を確立するため、生成物収率およびシナジー効果に及ぼすプラ・バイオマス混合法および熱分解方法(熱分解ガス接触方法、温度、反応時間等)の影響を定量的にかつ化学反応レベルで明らかにする。
くりこみ群によるフラクタル上の非マルコフ過程の解析

フラクタル空間上での非マルコフ過程の研究をおこなっている。無限に広がるプレ・シェルピンスキー・ガスケットとよばれるグラフ上で、無限の長さのループ・イレーズド・ランダムウォークが構成できることを証明した。ループ・イレーズド・ランダムウォークは、単純ランダムウォークからできた順にループを消して得られるウォークとして定義される。プレ・シェルピンスキー・ガスケット上の単純ランダムウォークは再帰性を持つのでまず有限なガスケット上でループ・イレーズド・ランダム・ウォークを構成し、コルモゴロフの拡張定理を用いてそれを無限に拡張する。このようなループ・イレーズド・ランダム・ウォークの構成と、歩数nが大きくなる時の漸近的性質,すなわち,出発点とn歩目の位置の間の直線距離の期待値が、歩数nが十分大きいときにnのべきの形の振舞いをみせることと、nの指数(変位の指数)の値、growth exponentとよばれる、ある距離に達するまでにどのくらいの歩数が平均的に必要かを表す指数を求めた。また、平均的な振舞いとは別に、pathごとの振舞いを見るものとして、重複対数の法則を証明した。これを論文にまとめたものがStochastic processesand their applicationsに受理され2019年のうちに出版予定である。無限プレ・シェルピンスキー・ガスケット上のループ・イレーズド・ランダムウォークの論文を投稿してから、掲載決定するまで長くかかった。証明を改善すべき箇所をいくつか指定され、また注釈として書いた事実を定理の形にまとめて証明をつけるようにすすめられるなど、査読者との間に3回のやり取りがあり、直すのに多くの時間がかかった。フラクタル空間でのループ・イレーズド・ランダムウォークの研究は、研究代表者が考案したELLF法、すなわち、大きい順からループを消していく方法を用いていた。この方法で構成したループ・イレーズド・ランダムウォークはは普通のシェルピンスキー・ガスケット(2ーガスケット)上では標準的ループ・イレーズド・ランダムウォーク(ループをできた順に消す)と同じものであることを証明した。無限に広がる3ーガスケット(正三角形を6つの上向きの小さい正三角形で置き換える操作を繰り返して得られる)上では、指導する大学院生が、無限の長さをもつループ・イレーズド・ランダムウォークがELLF法で構成できること、および変位の指数を得た。また、研究代表者が標準的な構成法と一致することを証明した。これらの証明は実際に両方計算して比較したものだが、一般的に成り立つ仕組みがあると予想している。平面内の一般のn-ガスケットに対して成り立つと予想して証明しようとしているが、その証明を完成させたい。また、空間の構成の時に2ーガスケットと3ーガスケットがランダムに現れるような、ランダム環境内のループイレーズドランダムウォークを構成したい。『Fractals』の翻訳を完成させたい。フラクタル空間上で、単純ランダムウォークからループを消して得られるループ・イレーズド・ランダムウォークを中心に、非マルコフ過程の研究を行っている。前年度までに、(有限な)シェルピンスキー・ガスケット格子上で、自己回避ウォークとループ・イレーズド・ランダムウォークを一つのパラメータで連続につなぐ統一モデルを構成し、その連続極限の存在を証明した。このモデルは、自己回避ウォークと単純ランダムウォークをパラメータで連続につなぐ自己反発ウォークに対して、研究代表者が提唱した「ループを大きい順に消す方法」を適用して得られる。得られたランダムウォークの連続極限の確率過程は、パラメータが0のときに標準自己回避ウォークの連続極限に対応し、1のときにループ・イレーズド・ランダムウォークの連続極限になる。このウォークは非マルコフ的であるが、くりこみ群の方法によって厳密な解析が可能である。今年度は、構成した連続極限の確率過程の見本関数の性質、特に、短時間挙動の指数、重複対数の法則などを得た。さらに、パラメータの値を大きくしたときの極限の様子を数値計算で調べた。同じモデルの別の方向性として、格子を細かくするのではなく、辺の長さは1のままで無限に広がるシェルピンスキー・ガスケット格子を考えて、その上の無限の長さのループ・イレーズド・ランダムウオークを構成し、その漸近的性質を調べた。シェルピンスキー・ガスケット上の単純ランダムウォークは再帰的なので、ループを消して無限長のウォークを構成するには、コルモゴロフの拡張定理の整合条件を満たすように接続する工夫が必要であるが、くりこみ群の方法により実現した。出発点からの距離が平均的に歩数の何乗で増えるかを示す変位の指数は、短時間挙動の指数と一致することが予想されていたが、それを厳密に証明した。自己回避ウォークとループ・イレーズド・ランダムウォークを連続的につなぐ統一モデルの連続極限の性質として、研究計画に挙げていた、短時間挙動の指数、重複対数の法則の成立を証明した。さらに数値計算によってパラメータの値を大きくしたときのランダムウォークの振舞いが得られた。これらの結果は、連携研究者の大塚隆史等と共に論文にまとめて投稿し、Discrete and Continuous Dynamical Systems誌に掲載された。ループ・イレーズド・ランダムウォークの短時間挙動の指数と、変位の指数が等しいことを証明し、平均変位の振舞いに関しても、標準的自己回避ウォークよりも詳しい性質が得られた。この部分は論文にまとめて投稿中である。無限に広がるプレ・シェルピンスキー・ガスケットとよばれるグラフ上で、無限の長さのループ・イレーズド・ランダムウォークを構成した。

プレ・シェルピンスキー・ガスケット上の単純ランダムウォークは再帰性を持つのでまず有限なガスケット上でループ・イレーズド・ランダム・ウォークを構成する。次に、それらを整合条件を満たすようにつないで、コルモゴロフの拡張定理によって無限の長さのループ・イレーズド・ランダムウォークを構成する。このようなループ・イレーズド・ランダム・ウォークの構成と、歩数が大きいときの漸近的性質、すなわち、出発点とn歩目の位置の間の直線距離の期待値が歩数nが十分大きいときにnのべき乗の形の振舞いをみせること、および、nの指数(変位の指数)の値は前年度までに得られていた。29年度はさらに、growth exponentとよばれる、ある距離に達するまでにどのくらいの歩数が平均的に必要かを表す指数を求めた。この値は変位の指数の逆数になることが予想されていたが、その証明を与えた。また、平均的な振舞いとは別に、pathごとの振舞いを表すものとして、重複対数の法則を証明した。無限プレ・シェルピンスキー・ガスケット上のループ・イレーズド・ランダムウォークに関する研究は論文にまとめて投稿中であるが、査読に時間がかかっている。プレ・シェルピンスキー・ガスケットは平面内のグラフであるがその3次元版も考えられる。3次元のプレ・シェルピンスキー・ガスケット上のループ・イレーズド・ランダムウォークはこれまで研究されてこなかった。大学院生との共同研究で3次元ガスケット上のループ・イレーズド・ランダムウォークを構成しようとしているが、まだ途中である。平面内でも3ーガスケットという、シェルピンスキー・ガスケットとは異なるフラクタルグラフがあるが、無限に広がる3ーガスケット上のループ・イレーズド・ランダムウォークの構成に大学院生と取り組んでいる。無限の長さをもつループ・イレーズド・ランダムウォークの構成および変位の指数は得られているが、この研究もまだ途中である。フラクタル空間上での非マルコフ過程の研究をおこなっている。無限に広がるプレ・シェルピンスキー・ガスケットとよばれるグラフ上で、無限の長さのループ・イレーズド・ランダムウォークが構成できることを証明した。ループ・イレーズド・ランダムウォークは、単純ランダムウォークからできた順にループを消して得られるウォークとして定義される。プレ・シェルピンスキー・ガスケット上の単純ランダムウォークは再帰性を持つのでまず有限なガスケット上でループ・イレーズド・ランダム・ウォークを構成し、コルモゴロフの拡張定理を用いてそれを無限に拡張する。
制御における動的な溶媒効果の理論的解明

本研究では,遷移状態の知見に基づいて化学反応を制御することを目的とし,特に反応分子に対する周辺の分子(「溶媒」など)の影響に注目して理論的研究を遂行している。化学反応の例として,HCN分子においてHCN構造からCNH構造に異性化する反応をとりあげ,周囲の分子としてArを1個置いた系を選択した。電子状態計算によってポテンシャルエネルギー曲面を得たのち,反応のダイナミクスの解析に着手した。H29年度までの解析では,解析理論および数値計算の両面から,遷移状態付近の相空間構造に着目し,限られたサンプルにおける予備的な結果を得ていた。これを受けてH30年度は,Arの初期位置と運動量を系統的にサンプルして,相空間内の反応分断面(遷移状態)や反応境界を求めた。結果の解析を通して,まず相空間構造とそのAr原子による変化を可視化するためのプロットの方法,特に座標系の選択について議論した。Ar原子の影響が明快に現れ,かつ物理的解釈のためにも見通しの良い座標として,分子固定系におけるH原子の位置座標および近似的な反応方向の運動量を選択し,今後の解析に用いることとした。相空間内の反応性境界に対するArの影響として,「Arがそこにあることによる影響」(静的な効果)と「ArがHと相互作用しながら同時に動くことによる影響」(動的な効果)に分けて考えると見通しがよいことを見出し,Arの動きを拘束した場合の計算と拘束をかけない場合の結果とを比較することで,静的な効果と動的な効果をそれぞれ可視化して取り出すことに成功した。結果を受けて,ポテンシャルエネルギー地形の形状に戻りながら再検討し,これらArの効果が典型的に現れると期待できる初期条件をリストアップした。これらの初期条件を網羅的に調べることにより,これまでよりさらに一般的かつ系統的な解析が進むものと期待される。前年度実施状況報告書の「今後の研究の推進方策等」欄に記載した内容である,Arの初期位置と運動量を系統的にサンプルしたうえでの相空間構造の解析,相空間構造の可視化の方法についての検討,一部の原子の動きを拘束した場合とそうでない場合においての反応チャネルや相空間構造を系統的に比較などを,計画通りに遂行した。周辺分子の影響をこのように別々の要因に分けて取り出せることは,化学反応の仕組みに対する知見を深める意義があるものと考えられる。昨年度までの段階において課題として残されていた,より一般的な初期条件に対する系統的な解析については,実際に様々な初期条件に対して計算を行ない結果を整理したことで,ほぼ解決した。また,結果を見ながらポテンシャルエネルギー地形の形状に戻りながら再検討し,これらArの効果が典型的に現れると期待できる初期条件を改めてリストアップした。今後は,これらの初期条件を網羅的に調べることにより,これまでよりさらに一般的かつ系統的な解析が進むものと期待される。今年度の最後にリストアップした,Arの効果が典型的に現れると期待できる初期条件を用いて網羅的に計算を行なうことにより,化学反応の成否を決める相空間構造に対するAr原子の静的および動的な影響を抽出し,可視化する。その上で,結果の物理的解釈を議論し,化学反応を制御する周辺分子の影響について系統的な理解を得ることを目指す。さらに,現在はポテンシャルエネルギー面の鞍点付近の領域に限って抽出している反応性境界を,反応物および生成物に対応する井戸の領域まで延長し,当初の研究目的である井戸の中での緩和過程に対する周辺分子の影響についても解析を拡張する。鞍点から離れた領域での計算や,Arを鞍点付近でなく生成物井戸に近い位置に置いた条件での計算において,反応性境界の探索がうまく収束しない結果が,現在までの予備的な計算においていくつか見出されている。これは,単純な「反応物→鞍点近傍→生成物」という反応過程ではなく,鞍点近傍の領域にトラップされたり,鞍点から生成物に至らずに跳ね返されたりする特別な過程の存在を示唆していると考えられるので,この点についてもトラジェクトリの様子を精査しながら解明を進めていく予定である。本研究では、遷移状態の知見に基づいて化学反応を制御することを目的とし、特に反応分子に対する周辺の分子(「溶媒」など)の影響に注目して理論的研究を遂行している。化学反応の例として、HCN分子においてH原子がC原子と結合した構造(HCN)からH原子がN原子と結合した構造(CNH)に異性化する化学反応をとりあげ、周囲の分子としてArを1個置いた系を選択した。28年度は、このHCN-Arクラスター系におけるHCNとArの間の相互作用のエネルギー的な側面を明らかにするため、電子状態計算を行った。まず、HCN分子を鞍点構造(非直線形)に固定し、そこにArを近づけた配置において、種々の計算レベルにおける電子状態エネルギーを求めた。電子相関を入れない計算では、相互作用において斥力しか出てこないが、電子相関を含めると2 kJ/mol程度の深さの井戸が見いだされたため、分散力による引力が働いていると結論された。

事前の予想では、Arは無極性分子であるが、HCNは永久双極子をもつので誘起力による引力が主な寄与になるかと推測したが、実際には誘起力の効果は主ではなく、分散力を正しく見積もることのできるレベルの計算が必要であることが分かった。次に、電子状態計算によって得られたエネルギーを、解析関数にフィッティングすることを試みた。HCN最安定構造とCNH構造においては、HCNとArの相互作用は2体のLennard-Jonesポテンシャルの和で良く再現できたが、鞍点構造においては2体項に加えて交差項を必要とした。このことは、鞍点構造にある分子では相互作用に強い方向性があり、分子内の各原子が「丸く」は見えないということを示唆している。当初の計画である、HCN-Arクラスター系における様々な構造における電子状態計算を順調に遂行した。反応物(HCN最安定構造),生成物(CNH構造),鞍点構造のそれぞれにおいて、Arの位置を3次元のグリッド上でサンプリングして網羅的に計算を行ったため、HCNの構造がこの3点にあるときの相互作用の情報としては十分なものが得られたと判断できる。種々の計算レベルでの結果を比較したため、相互作用において誘起力よりも分散力のほうが主な寄与をしているという知見も得られた。また、様々な計算手法と基底関数による結果を比較検討した結果、用いた中で最もレベルの高いCCSD(T)/aug-cc-pVQZ計算の結果が、より低レベルの計算による結果と有意に異なっていたため、本系における計算レベルとしてCCSD(T)/aug-cc-pVQZが必要であると結論した。分散力の効果を評価できる密度半関数法であるCAMB3LYPも検討したが、分散力の強さが定量的に十分ではなかった。この結果は、本研究における今後の電子状態計算の指針となる。得られた電子状態エネルギーの解析関数へのフィットにおいても、HCNの上記3つの構造においては満足のいく結果が得られた。特に、鞍点構造において通常のLennard-Jonesポテンシャルに加えて交差項を加えることによりフィットの精度が大幅に改善されたこと、そのことが相互作用に強い方向性があるという知見につながったことは非常に面白い結果といえる。本研究では、遷移状態の知見に基づいて化学反応を制御することを目的とし、特に反応分子に対する周辺の分子(「溶媒」など)の影響に注目して理論的研究を遂行している。化学反応の例として、HCN分子においてH原子がC原子と結合した構造(HCN)からH原子がN原子と結合した構造(CNH)に異性化する化学反応をとりあげ、周囲の分子としてArを1個置いた系を選択した。28年度は、このHCN-Arクラスター系におけるHCNとArの間の相互作用のエネルギー的な側面を明らかにするため、電子状態計算を行ない、ポテンシャルエネルギー曲面の概要を明らかにした。この結果を受け、29年度は得られたポテンシャルエネルギー曲面上での原子核のダイナミクスを、とくに本研究の中心テーマである「遷移状態」に着目しながら、詳細に解析した。解析に際しては、(i)正準摂動理論を用いた解析理論による相空間構造の抽出と(ii)数値的なトラジェクトリ計算による反応チャネルへのArの影響の解明、の二つの方向からアプローチした。(i)の正準摂動理論による解析では、相空間内において反応の成否を分ける「反応境界」というべき構造体を、数理的な理論により計算し、その位置や形状がArの存在によって変わることを明らかにした。
自閉スペクトラム症のPTSD様症状の神経基盤に関する研究

自閉スペクトラム症(ASD)患者群と、定型発達(TD)対象群について、脳の形態画像および機能結合情報を得るために頭部MRI検査を行う。また臨床症状評価項目として知能評価としてWAIS-III、認知機能評価としてBACS-J、WCST、ASDの評価としてAQ-J、PTSD様症状などの評価スコアとしてIES-R-J、ASSP、逆境体験評価のためACE、CATSなどを行う。ASD群について、MRIデータより得られた脳容積、皮質厚、密度など皮質情報や白質微小構造、脳領域間機能結合情報と、PTSD様症状や逆境体験の重症度などの臨床症状との関連性について、TD群との比較を交えて解析して検討する。
多言語多文化キャンパスで必要なリテラシー能力に関する調査・研究

本研究は、日本語能力の低い、または皆無の留学生の増加に伴い、日本人学生と留学生の共通言語が日本語と英語となりつつある日本の大学において、留学生が日本人学生と円滑にコミュニケーションを進め共に学習・研究を遂行するために必要なジャパン・リテラシー(日本語の言語能力、社会文化能力、社会言語能力)を彼らの使用言語、及び日本語のレベル別に明らかにした。次に、それらの能力を養成するために必要な日本語教育について検討し、教育内容・方法を提案した。本研究の目的は、日本語能力の低い留学生が増加し、日本人学生と留学生の共通言語が日本語と英語となった多言語・多文化キャンパスにおいて、両者が実際に行なうコミュニケーションの分析結果をもとた、留学生が大学コミュニティーへ参画するために必要なリテラシー能力を留学生のタイプ別(学位取得型、短期滞在型、主言語が英語か日本語か)に明らかにし、日本語教育、異文化コミュニケーショシ教育への示唆を得ることにある。上記の目的を達成するために、23年度は、主にデータ収集を行った。まず、留学生のタイプ別に、彼らが大学生活を送る上で学生同士や教員とコミュニケーションが必要な場面を選定し、その一部でコミュニケーションを録音・録画した(学生同士のディスカッション、ゼミでのやりとり、事務室でのやりとり、等)。同時に、留学生の日本語クラス、日本人学生と留学生の合同クラスで行っている異文化コミュニケーションの講義において、参加者間のディスカッション(日本語のみ、英語+日本語場面)を録音・録画した。来年度以降はて本年度収集したデータをもとに、留学生のタイプ別に日本人学生とのコミュニケーションの促進要因、阻害要因を検討し、そこから日本語教育、および異文化コミュニケーション教育への示唆を得る予定である。今年度は、特に大学院留学生と、3ヶ月程度の短期滞在の留学生を対象に、彼らがキャンパスのコミュニティーの一員として研究活動、学生間の交流に参加するために必要な能力と、その養成について検討した。大学院留学生は、英語で研究活動を行う修士課程の留学生で、日本語能力皆無で入学している。彼らの生活、研究の基盤となる研究室での生活を調査した結果、研究に関する議論は英語で問題なく行うことができるが、日常生活に関するコミュニケーションには、日本語が有効であることがわかった。そこで、今年度は、初級レベルの日本語で日本人学生とどのようなコミュニケーションが可能なのか、またその促進、阻害要因は何かを探るために、日本人学生と日本語初級レベルの留学生のコミュニケーションを分析した。その結果をもとに、留学生を対象とした日本語クラスにおいて、特にひとつの話題を発展させる活動を行い、その成果を検討した。また、日本語初級レベルの留学生が、日本語のコミュニケーショシの進め方を同じ学習者から学ぶ機会を提供するために、日本語上級レベルの留学生と会話をする場を設定し、その教育効果を示した。一方、日本人学生側からの歩み寄りも必要であることから、日本語と英語の二言語を使用したコミュニケーションの促進を図るために翻訳を取り入れた活動を、日本人学生と留学生を対象とした「異文化間コミュニケーション」の講義で行い、その成果を検討した。3ヶ月程度日本に滞在する超短期の留学生に対しては、まず、彼らのコミュニケーションの実態を把握する必要があることから、短期滞在の留学生にインタビュー調査を行い、それぞれが研究室で行っているコミュニケーションの様相や、彼らのニーズなどを調べた。その調査結果については、現在分析中である。本年度は、多言語多文化キャンパスに必要なリテラシー能力に関するこれまでの研究結果をもとに、英語で研究活動を行う初級日本語学習者、及び日本語で研究活動を行う上級日本語学習者に対する教育への示唆をまとめた。英語で学位取得を目指す留学生は、論文や学会発表には日本語能力が求められていないが、研究室で日本人学生と関係を構築し協働的に研究を進めるためには、研究室の習慣や行事の意味を理解した上で適切な行動が取れる社会文化能力、雑談などの日常の会話を円滑に進めることができる日本語能力や社会言語能力が必要であった。そこで、本研究では、彼らに求められるリテラシー能力を1年間で効率よく教育するためのプログラムを開発した。このプログラムは、初級日本語クラスにおいて話題や相手、コミュニケーションのタイプ等をもとに体系化した会話活動を軸として相互行為的に会話を構築できる能力を養成するものである。そこには、大学で求められる社会文化能力、社会言語能力の養成も取り入れた。日本語で研究活動を行う日本語上級レベルの留学生には、日本語母語話者と良好な関係を構築するための社会言語能力、また学習や研究を進める中で行われるグループ討論に参加できる日本語能力や社会言語能力の必要性が特に高かった。そこで、こうした能力を養成するための教育への示唆を得るために、特に関係を損なう可能性が高いと思われる接触場面や、日本人学生、留学生がそれぞれの母語で実際に行ったグループ討論場面のデータを収集し、これらの分析を通して日本人学生と日本語上級レベルの留学生が円滑にコミュニケーションを進め、相互理解を深めるために留意すべき点を具体的に示した。本研究は、様々な背景の留学生が大学コミュニティーに参加し、学習、研究、そして学生交流を行うために必要なリテラシー能力を調査し、その養成のための教育的示唆を得ることを目的としている。この目的を達成するために、昨年度は英語で研究活動を行う留学生に求められるリテラシー能力に関する調査を行い、今年度は、その結果をもとに、留学生、および日本人学生に必要なを養成するための教育的活動を試み、その成果を検討した。

さらに、昨年度とは異なる背景の留学生(3ヶ月程度日本に滞在する留学生)のコミュニケーションの実態を明らかにするための調査を開始しており、概ね目的に沿った調査・研究が進んでいる。24年度が最終年度であるため、記入しない。最終年度となる24年度は、これまでの調査結果、研究結果をもとに、多言語多文化キャンパスで求められる能力を、留学生の背景(留学目的、滞日期間、使用言語など)ごとに整理し、その養成に必要な教育について提言をまとめる予定である。また、日本人学生が身につける能力についても検討する。最終的には、留学生、日本人学生に対する具体的な教育内容、方法を示したいと考えている。