hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
破壊過程に着目した堤防・地盤・氾濫流相互連成モデルの構築

堤防を越流する津波の水理特性の正確な予測は、将来の巨大津波へのより良い防災・減災計画の策定において重要である。現在は非線形長波モデルが津波氾濫の予測に広く使われているが、このモデルは鉛直方向の流れが大きく水平方向流速に比べて無視できない場、例えば海岸堤防の越流などの解析において、水位、流速および圧力の予測の精度が落ちる。本研究では海岸堤防の津波越流のような流れ場においても精度良く計算できる、多層型非線形分散波モデルを構築した。既存研究として、アーセル数の大きい条件下で適用可能な非線形分散波理論である後藤の式(1984)と、海岸波浪の多層型非線形分散波モデルである金山の式(1997)を参考にし、津波遡上計算における多層型非線形分散波式の導出を行った。運動の仮定は後藤の式と同様に行い、またある程度の回転は許容する導出とした。鉛直流速は連続の式を底面から考慮している高さまで鉛直積分することで決定し、その時間微分項が各層における運動方程式で考慮される。導出した多層型非線形分散波式を解析するシミュレータを開発し、妥当性検証を行った。理論式により得られる段波先端速度および段波波高や、定常越流問題で堤防の天端上や裏法など静水圧から大きくずれる箇所における圧力、非定常越流問題における越流量など、非常によく実験や理論値を再現できた。ケーススタディとして東日本大震災における福島県の木戸川の遡上津波の再現計算を行った。先行研究において既存モデルではこの津波の遡上速度を大きく過小評価していたが、今回開発した多層モデルでは遡上速度の再現性が大幅に向上した。以上のように、津波計算における氾濫ハザードの推定精度の高いモデルが構築できた。表題の堤防や地盤との相互作用については直接的には表現できなかったが、圧力場の再現性も大幅に向上したことにより、これらの影響も十分に考えられるモデルとなっている。29年度が最終年度であるため、記入しない。2011年の東北地方太平洋沖地震では、各地で津波が海岸堤防を越流した。以降、中央防災会議は設計規模以上の津波に対しても、十分な減災効果を発揮できるような粘り強い堤防の設置を目指している。ところが、堤防周りの津波氾濫の流れは複雑な場になっており、従来の静水圧分布を前提としたモデルによる解析では、特に天端や裏法における圧力や流速を十分な精度で求めることができないことが指摘されている。既存モデルでも、動圧モデルによる解析では圧力や水面形の再現性において静水圧モデルへの優位性が確認されているが、堤防周りのような急勾配人工物周りの非定常場の解析には不向きである。今後の全国的な津波減災計画を考えるにあたって、特に人工物周りの複雑な流れや圧力場を精度良く、それでいて少ない計算時間で解析可能な津波の計算モデルが必要不可欠である。本研究では、多層モデルを用いて、堤防周りの流れをより精度良く簡便に解析できるモデルを開発している。多層型モデルとして、金山(1997)で提案された、鉛直流速が層毎に傾きを変える線形の鉛直分布を有している、という仮定に基づいて、モデルの基礎方程式を導出した。導出した基礎方程式の数値計算のため、シミュレータの構築、およびいくつかの実験結果を利用した妥当性検証を行っている。それにより、越流時のおおまかな水面形や圧力低下、津波の越流総量などにおいて、実験結果とよく一致していることが確かめられた。最終的には、本モデルにより求められた堤防への負荷圧力を利用して、堤防の破壊過程も表現することを目標としている。堤防破壊過程を含めた広域の氾濫シミュレーションにより、さらなる津波ハザードが可視化されることが期待される。当初の年度計画は、当該年度中に多層モデルのシミュレータの構築を完了している計画であったが、シミュレータが未完成である。最も大きな課題は、複数層で解析を行った際に、層の境界の部分で不整合な値を取ることである。本研究の多層モデルの基礎方程式は、堤防周りの流れに着目するため層の切り方を場所によらない一定値とすることを前提に組み立てている。したがって、流況によって自由表面の存在する層が異なる。この境界条件の設定がうまくいっておらず、鉛直加速度を起因となる時間微分項が不安定になっていると考えられる。もうひとつの課題は、水表面における流速である。本研究で用いている支配方程式には、水表面流速が含まれている。しかしながら、水表面の流速は、層内平均流速と該当層内の傾きの外挿から得られる形になっており、流れが急変する箇所で過大評価をしてしまっている。

運動の仮定は後藤の式と同様に行い、またある程度の回転は許容する導出とした。鉛直流速は連続の式を底面から考慮している高さまで鉛直積分することで決定し、その時間微分項が各層における運動方程式で考慮される。導出した多層型非線形分散波式を解析するシミュレータを開発し、妥当性検証を行った。理論式により得られる段波先端速度および段波波高や、定常越流問題で堤防の天端上や裏法など静水圧から大きくずれる箇所における圧力、非定常越流問題における越流量など、非常によく実験や理論値を再現できた。ケーススタディとして東日本大震災における福島県の木戸川の遡上津波の再現計算を行った。先行研究において既存モデルではこの津波の遡上速度を大きく過小評価していたが、今回開発した多層モデルでは遡上速度の再現性が大幅に向上した。以上のように、津波計算における氾濫ハザードの推定精度の高いモデルが構築できた。表題の堤防や地盤との相互作用については直接的には表現できなかったが、圧力場の再現性も大幅に向上したことにより、これらの影響も十分に考えられるモデルとなっている。ここまでで生じているシミュレータに関する問題への対処と同時に、もう一度支配方程式から見直していく。現在は金山(1997)で提案された仮定に基づきモデルを構築しているが、Boussinesq方程式を多層型にすることも視野に入れている。シミュレータ完成後の妥当性検証について、他の実験結果だけでなく自ら実験を行うことを考えている。特に津波が堤防を越流する際の堤防周りの圧力の非定常変化の詳細なデータを得たい。本研究の表題は「破壊過程に着目した堤防・地盤・氾濫流相互連成モデルの構築」であるが、ひとまずは圧力場を精緻に表現可能な多層型津波氾濫モデルの開発を目指すことを考えている。圧力場を求めることで、堤防や地盤との相互作用、あるいはその破壊を再現することができると考えられるためである。29年度が最終年度であるため、記入しない。
非線形ダイナミクスとカオス理論を適用した渦励起自励振動に関する研究

インライン渦放出に関連するロックインのメカニズムを調べるため、渦の2列流れモデルの動的振る舞いを解析した。交互渦列へと成長していく二つの渦列の不安定現象を確認した.力学的にこの結果は,リミットサイクル振動子となっている.この振動子の安定性については,簡略化されたハートレン・クーリエ(HC)モデルに平均化理論を用いて研究を行った.振動子は移動円筒による周期的な励振のもとで不安定化し,振動数比1/3,1/2,1/1,2/1,3/1のモードロック状態となることがわかった.この研究の後半部では,実際の流れにおけるこれらのモードロック状態の存在について調べた.これらの状態は,複雑な軌跡構造と関係している.最初のステップとして,数値的な解析を行った.渦軌跡は簡略形ナビエ・ストークス方程式によってモデル化した.速度場は有限個のモードによってモデル化される.この流れの3次元的な摂動を考慮することによって,2次の不安定が見つかる.p/qのモードロック状態へエネルギーを伝達し,小さな周期的摂動を増幅する非線形なメカニズムが存在する.2/1モードロック状態が最も強い共振となることがわかり,摂動解析と一致した.第二のステップとして,モードロックの存在を実験的に確かめた.流れの中で周期的に加振された円筒に対して,流れの可視化を行った.その結果,ロックイン軌跡構造の証拠が見つかった.物理的に,2/1ロックインは,二つの渦が一つとなって周波数が半分となる渦結合と関係していることがわかった.これらの結果は,渦結合のような非線形なメカニズムや渦軌跡がエネルギーを流体中の構造物へと伝え,大きな振幅の振動となっていくことを示唆している.インライン渦放出に関連するロックインのメカニズムを調べるため、渦の2列流れモデルの動的振る舞いを解析した。交互渦列へと成長していく二つの渦列の不安定現象を確認した.力学的にこの結果は,リミットサイクル振動子となっている.この振動子の安定性については,簡略化されたハートレン・クーリエ(HC)モデルに平均化理論を用いて研究を行った.振動子は移動円筒による周期的な励振のもとで不安定化し,振動数比1/3,1/2,1/1,2/1,3/1のモードロック状態となることがわかった.この研究の後半部では,実際の流れにおけるこれらのモードロック状態の存在について調べた.これらの状態は,複雑な軌跡構造と関係している.最初のステップとして,数値的な解析を行った.渦軌跡は簡略形ナビエ・ストークス方程式によってモデル化した.速度場は有限個のモードによってモデル化される.この流れの3次元的な摂動を考慮することによって,2次の不安定が見つかる.p/qのモードロック状態へエネルギーを伝達し,小さな周期的摂動を増幅する非線形なメカニズムが存在する.2/1モードロック状態が最も強い共振となることがわかり,摂動解析と一致した.第二のステップとして,モードロックの存在を実験的に確かめた.流れの中で周期的に加振された円筒に対して,流れの可視化を行った.その結果,ロックイン軌跡構造の証拠が見つかった.物理的に,2/1ロックインは,二つの渦が一つとなって周波数が半分となる渦結合と関係していることがわかった.これらの結果は,渦結合のような非線形なメカニズムや渦軌跡がエネルギーを流体中の構造物へと伝え,大きな振幅の振動となっていくことを示唆している.インライン渦放出に関連するロックインのメカニズムを調べるため,渦の2列流れモデルの動的振る舞いを解析した.流れ方向および流れ垂直方向両方の摂動を考慮した.連成非線形振動のロックインの振る舞いを支配する非線形ダイナミクスからの結果を用いて解析を行った.二つの主な不安定軌跡モードが得られた.はじめのモードは,軌跡の対称性が持続する.このモードは対称軌跡で合流する渦に関連するものと思われる.二つ目のモードは,軌跡の対称性を破壊し,交互渦列へといたる.これら二つのモードからはじめることで,実験的に観測される複数の派生的なロックインが,非線形モデルの相互作用によって生成されることが示される.ロックインは,二つのモードのファレイ組成によって決定される.現在の解析によって,インライン渦放出の基本的なメカニズムが明らかになった.研究の第二部では,複数の周波数が生成されるメカニズについて調べている.この目的のため,Hartlen-Currie(HC)渦放出モデルの分岐解析を行っている.連続性解析によって,実験的試験によって報告されているヒステリシス応答の存在性が明らかになる.モードロック状態は,非線形振動子が周期的な力をうけるときに発生する.つぎに,3次摂動および周期的な力をうけるHCモデルのアベレージング解析が行われる.この解析によって,1/3,1/1,2/1,3/1の周波数比におけるモードロック状態の存在が明らかになる.モードロック状態(もしくは共振)はホップ分岐またはサドルノード分岐によって生まれる.この研究プロジェクトの前半部では,交互渦列へと成長していく二つの渦列の不安定現象を確認した.力学的にこの結果は,リミットサイクル振動子となっている.この振動子の安定性については,簡略化されたハートレン・クーリエ(HC)モデルに平均化理論を用いて研究を行った.振動子は移動円筒による周期的な励振のもとで不安定化し,振動数比1/3,1/2,1/1,2/1,3/1のモードロック状態となることがわかった.この研究の後半部では,実際の流れにおけるこれらのモードロック状態の存在について調べた.

これらの状態は,複雑な軌跡構造と関係している.最初のステップとして,数値的な解析を行った.渦軌跡は簡略形ナビエ・ストークス方程式によってモデル化した.速度場は有限個のモードによってモデル化される.この流れの3次元的な摂動を考慮することによって,2次の不安定が見つかる.p/qのモードロック状態へエネルギーを伝達し,小さな周期的摂動を増幅する非線形なメカニズムが存在する.2/1モードロック状態が最も強い共振となることがわかり,摂動解析と一致した.第二のステップとして,モードロックの存在を実験的に確かめた.流れの中で周期的に加振された円筒に対して,流れの可視化を行った.その結果,ロックイン軌跡構造の証拠が見つかった.物理的に,2/1ロックインは,二つの渦が一つとなって周波数が半分となる渦結合と関係していることがわかった.これらの結果は,渦結合のような非線形なメカニズムや渦軌跡がエネルギーを流体中の構造物へと伝え,大きな振幅の振動となっていくことを示唆している.
AlGaN/GaNヘテロ構造の欠陥準位とデバイス・スイッチング特性の相関研究

窒化物半導体をベースとしたAlGaN/GaNヘテロ構造は次世代の高周波パワーデバイス材料として期待されているが、実デバイスでは高周波・高出力動作時にデバイス・スイッチング特性が不安定となる電流コラプスの問題が顕在化しており、実用化への障害となっている。本研究では、AlGaN/GaNヘテロ構造のバルク領域に起因する電流コラプスの原因解明を目的として、バルク領域での欠陥準位とキャリア捕獲の相関を系統的に調べ、スイッチング特性を支配する欠陥準位を特定した。AlGaN/GaNヘテロ界面の2次元電子ガスを用いた高移動度トランジスタは省エネルギー型の高周波パワーデバイスとして期待されているが、結晶中に存在する欠陥準位の存在によりスイッチング特性が不安定となる電流コラプス問題が顕在化している。AlGaN層への表面保護膜形成やゲート電極形状による電界緩和により、電流コラプスは7割程度抑制されているが、未だ完全排除には至っていない。本研究では、バルク結晶における電流コラプス現象の原因解明を最終目的としている。平成25年度は、有機金属気相成長法における結晶成長温度をパラメータとして炭素ドーピングの観点からGaNバッファ層に存在する欠陥準位とターンオン時のスイッチング特性の相関関係をショットキーダイオードを作製し詳細に検討した。結晶成長温度が低い程(1170°C→1120°C)、GaNバッファ層に存在する残留炭素量は1e16cm-3台で増加し、伝導帯下2.07, 2.75, 3.23eVに炭素関連の欠陥準位が顕在化することを光容量過渡分光測定から明らかにした。それぞれの欠陥準位はGa空孔(Ga空孔-酸素), Ga空孔-炭素,炭素に帰属するものと思われる。同時に、炭素量が多くなる程、スイッチング特性が遅くなることをオフ状態からのターンオン電流回復特性評価から明らかにした。したがって、ターンオン状態では2次元電子ガスがゲート電極へ順方向に流れるのに対して、その一部がGaNバッファ層の欠陥準位にトラップされるため、スイッチング特性が遅くなると考えられる。更に、これらの欠陥準位エネルギーに対応する光照射を組み合わせてターンオン電流回復特性を評価することで、スイッチング特性に対するそれぞれの欠陥準位の影響を明確に分離した。3つの炭素関連の欠陥準位の内、伝導帯下2.75eV付近に存在する欠陥準位がスイッチング特性を支配していることが分かった。AlGaN/GaNヘテロ界面の2次元電子ガスを積極的に利用した高移動度トランジスタは省エネルギー型の高周波パワーデバイスとして期待されているが、結晶中に存在する欠陥準位の存在によりスイッチング特性が不安定となる電流コラプス現象が深刻な問題となっている。研究開発当初はAlGaNバリア層への表面保護膜の形成やフィールドプレート型ゲート電極構造による電界緩和により電流コラプス現象は7割程度抑制されてきたが、バルク結晶内の欠陥準位に起因する電流コラプス現象が残存しており、未だ完全排除には至っていない。本研究ではバルク結晶に起因する電流コラプス現象の原因解明を最終目標としている。平成25年度は、有機金属気相成長(MOCVD)法による成長温度をパラメーターとして、GaNバッファ層に存在する炭素関連の欠陥準位とターンオン時のスイッチング特性の相関関係をショットキーダイオードを作製して詳細に検討した。平成26年度は、実用的な観点から更に踏み込んで、この両者の相関関係をウエハレベルで評価可能かどうか検討した。ウエハ面内の部位による違いを明らかにするため、非侵襲測定が可能な水銀プローブ電極を用いて、ウエハ内の任意の位置で、光容量過渡分光法による欠陥準位の高感度評価とC-t法によるターンオン・スイッチング特性の短時間評価を可能とした。更に、複数ある炭素関連欠陥準位の光吸収エネルギーに対応する光照射を組み合わしてターンオン時の容量回復特性を評価することで、スイッチング特性に対するそれぞれの欠陥準位の影響を短時間で明確に分離できるようにした。その結果、残留炭素濃度に大きく依存するが、伝導帯下2.75eVと3.23eVに存在する炭素関連欠陥準位がスイッチング特性を支配することが分かった。また、この手法を用いると、AlGaNバリア層表面のスイッチング特性に及ぼす影響も簡便に評価できることが分かった。AlGaN/GaNヘテロ界面の2次元電子ガスを用いた高移動度トランジスタは省エネルギー型高周波パワーデバイスとして期待されているが、結晶中に存在する欠陥準位の存在によりデバイス・スイッチング特性が不安定となる材料面での問題が残っている。本研究では、サファイア基板上にMOCVD結晶成長したAlGaN/GaNヘテロ構造を評価対象として、単色分光励起を利用した光容量過渡分光法による欠陥準位評価とそれぞれの欠陥準位の吸収エネルギーに対応した光照射下でデバイス・ターンオン時の電流や容量の回復特性評価を組み合わせることで、結晶成長中の炭素取り込みによりGaNバッファ層内で生成する欠陥準位とデバイス・スイッチング特性の相関を系統的に検討した。その結果、結晶成長温度やIII/V原料比をパラメータとして、GaNバッファ層中に不純物炭素が残存する程、3種類の特有の欠陥準位(伝導帯下2.07, 2.80, 3.23eV)密度が多くなることが分かった。中でも、伝導帯下2.80eVと3.23eVに存在する炭素関連の欠陥準位が2次元電子ガスをキャリアトラップすることでバルク領域でのデバイス・スイッチング特性を直接的に支配していることが分かった。

窒化物半導体をベースとしたAlGaN/GaNヘテロ構造は次世代の高周波パワーデバイス材料として期待されているが、実デバイスでは高周波・高出力動作時にデバイス・スイッチング特性が不安定となる電流コラプスの問題が顕在化しており、実用化への障害となっている。本研究では、AlGaN/GaNヘテロ構造のバルク領域に起因する電流コラプスの原因解明を目的として、バルク領域での欠陥準位とキャリア捕獲の相関を系統的に調べ、スイッチング特性を支配する欠陥準位を特定した。実験による検討は連携研究者の協力により当初の計画通り順調に進んでいる。半導体物性工学これまでの実験検討で、サファイア基板上にMOCVD結晶成長した一般的なAlGaN/GaNヘテロ構造ではGaNバッファ層に存在する炭素関連の欠陥準位がスイッチング特性を支配していることが明らかになった。平成27年度は、実用上の観点からSi基板上に作製したAlGaN/GaNヘテロ構造ウエハを購入し、欠陥準位とスイッチング特性の相関を評価し、サファイア基板上のAlGaN/GaNヘテロ構造の結果と比較検討する予定である。平成25年度の実験では、連携研究者の協力により、成長パラメータを変更して異なる残留炭素量を有するAlGaN/GaNヘテロ構造を自前でタイムリーに結晶成長することができたため、バルク結晶における欠陥準位とスイッチング特性の相関検討も順調に進んだ。また、平成26年度に予定していた実デバイスの動作温度に近い高温度(80°C,120°C)におけるスイッチング特性の評価も一部前倒しして行った。その結果、欠陥準位との相関を詳細に検討するには、室温での遅いスイッチング特性の方が好都合であることも分かった。研究成果を海外で開催される国際会議で発表する予定であったが、海外出張を次年度に延期したため予算の一部を繰り越すこととなった。平成26年度は、市販のAlGaN/GaNヘテロ構造ウエハを数種類購入し、バルク結晶における欠陥準位とスイッチング特性の相関検討をウエハレベルで行い、これまでの実験結果の信頼性を確認する予定である。特に、フォトルミネッセンス,光容量過渡分光法,スイッチング特性評価を組み合わせることで、ウエハ面内の部位による違いを明らかにし、実デバイスに近い形でバルク結晶内での電流コラプス現象の原因解明を行う予定である。次年度はSi基板上にMOCVD成長したAlGaN/GaNヘテロ構造ウエハを購入し、バルク結晶における欠陥準位とスイッチング特性の相関を検討する予定である。また、最終年度であるため、研究成果を纏めて海外の国際会議で発表するための海外出張も計画している。平成25年度の実験では、連携研究者の協力により、成長パラメータを若干変更することで異なる残留炭素量を有するAlGaN/GaNヘテロ構造を自前でタイムリーに結晶成長することができたため、消耗品代(市販のAlGaN/GaNウエハ代)を繰り越すこととなった。平成26年度は、市販のAlGaN/GaNヘテロ構造ウエハを数種類購入し、ウエハレベルでバルク結晶における欠陥準位とスイッチング特性の相関を検討し、より実デバイスに近い形でバルク結晶内での電流コラプス現象の原因解明を行う予定である。
カーボン系固体酸の高性能化・高機能化

本研究は高密度のスルホ基を結合したナノサイズのグラフェンで構成されるアモルファスカーボンであるカーボン系固体酸の形態、官能基を制御することによって高性能・多機能な新規触媒を創生する。カーボン系固体酸の高性能化・高機能化を目的として材料開発を進めた。結晶性セルロースを低温で部分的に炭化しスルホ化すると、従来の糖類を原料としたカーボン系固体酸に比べて酸強度が高く、化学的安定性に優れた固体酸が得られた。同じ性能の固体酸は廃木材からも合成できることが確認された。この材料はプロピレンの水和による2-プロパノール合成、高級脂肪酸のエステル化・油脂のエステル交換反応(バイオディーゼル合成)で従来のカーボン系固体酸の触媒活性を上回る性能を示した。また、カーボン系固体酸の高機能化を目的として、メソポーラスシリカ細孔内でカーボン系固体酸を構築した。ブドウ糖をメソポーラスシリカ細孔内に導入した後、これを部分炭化・スルホ化すると細孔内にカーボン系固体酸を構築できた。従来のカーボン系固体酸の表面積は1m^2g^<-1>程度であるが、細孔内に構築された固体酸の表面積は600m^2g^<-1>に達した。この材料をαメチルスチレンダイマー合成触媒として用い、その性能を評価した。ブレンステッド酸を触媒としてαメチルスチレンを二量化すると、高分子合成に重要な可逆的二量体と、価値がない環状の不可逆な二量体が生じ、両者を分離する必要がある。しかしメソポーラスシリカに構築したカーボン系固体酸は96%の選択率で工業上重要な二量体を合成できることが明らかになった。一方、従来のカーボン系固体酸はこの反応に全く触媒活性を示さない。分光学的手法により、カーボン系固体酸の酸強度はメソポーラスシリカ細孔内ではさらに高くなることが明らかになり、この高い酸強度が選択的反応性に関与している可能性が示唆された。カーボン系固体酸触媒によるセルロースの加水分解に成功した。カーボン系固体酸と水の存在下でセルロースは水溶性βグルカンオリゴ糖とグルコースに加水分解する。カーボン系固体酸触媒によりセルロースからグルコースが生成する場合の見かけの活性化エネルギーは110kJ mol^<-1>であり、硫酸を触媒とした既存の加水分解法(160kJ mol^<-1>)に比べて低い活性化エネルギーで反応が進行することが明らかになった。反応後、糖水溶液とカーボン系固体酸触媒は速やかに分離し、分離した触媒は繰り返し反応に利用できることから、従来の硫酸を触媒とした手法に比べ低環境負荷でセルロースを加水分解できることが確認された。一方、ゼオライトや含水ニオブ酸等の酸性水酸基を有する無機酸化物固体酸、イオン交換樹脂等の高分子固体酸では上記の反応が進行しない。カーボン系固体酸は高密度のスルホ基だけでなく、フェノール性水酸基、カルボン酸基が結合している1nm程度のグラフェンからなるアモルファスカーボンであり、この材料のフェノール性水酸基がセルロースを含めたβグルカンを吸着する能力を有するため、カーボン系固体酸は効率的に上記加水分解反応を触媒することが示唆された。なお、酸性水酸基を有する無機酸化物固体酸は水存在下では十分な酸強度を発揮することができず、また酸量が少ないため、βグルカンを吸着しても効率的に加水分解することはできない。また、スルホ基が結合した高分子固体酸はスルホ基のみを有しているため、βグルカンを吸着できない。本研究は高密度のスルホ基を結合したナノサイズのグラフェンで構成されるアモルファスカーボンであるカーボン系固体酸の形態、官能基を制御することによって高性能・多機能な新規触媒の創生を目的としている。今年度ではカーボン系固体酸をメソポーラス材料内部に構築することにより、カーボン系固体酸-メソポーラス複合材料の創生に成功した。この材料は有用なαメチルスチレンダイマーのみを選択的に合成することが初めて見出された。既存の固体酸、および通常のカーボン系固体酸では当該反応は選択的に進行しない。また、すでに本研究により報告者らは当該材料がセルロースバイオマスを糖化できる唯一の固体酸であることを見出しているが、その反応メカニズム、反応支配因子は明らかになっていなかった。本研究は様々な実験により、当該反応のメカニズムと反応支配因子を解明することに成功した。当該反応では触媒のセルロースの吸着および強酸点の双方が必要不可欠であり、既存固体酸触媒はこの2つを兼ね揃えていないため、セルロースを分解できないことが見出された。また、本研究ではアーティフィシャルニューラルネットワーク(ANN)と応答曲面法(RSM)を組み合わせた新手法でカーボン系固体酸触媒によるセルロース糖化反応の最適条件の決定および反応支配因子を解明に成功した。これにより稲わら等の草本系、および杉等の木質系バイオマスの糖化を最適化し、当該触媒が硫酸と同等以上の性能で反応を進めることを実証した。
骨軟部腫瘍に対する免疫治療の開発

軟部肉腫において最多である未分化多形肉腫27例、粘液型脂肪肉腫36例、平滑筋肉腫11例、脱分化方脂肪肉腫15例、滑膜肉腫36例についてCD8, FOXP3, CD163,PD-L1について切除標本を用いた発現解析を行った。いずれの腫瘍についてもCD8陽性のリンパ球浸潤が様々な割合で確認されたが、未分化多形肉腫、平滑筋肉腫、脱分化型脂肪肉腫に高い発現を認めた。CD163陽性マクロファージは未分化多形肉腫、平滑筋肉腫、脱分化型脂肪肉腫に高い発現が認められた。滑膜肉腫においてはCD8は優位な予後良好因子であった。CD163は逆に滑膜肉腫、粘液型脂肪肉腫、において優位な予後不良因子であることが判明した。現在M2マクロファージが優位な予後不良因子であることが複数の肉腫で証明できた。マウス移植モデルにおいてマクロファージ阻害剤の効果を検討すべくマクロファージの予後関与に最適な実験系を模索しているが、実験モデルの造腫瘍性とマクロファージ浸潤の傾向について最適なモデルを検討中である。マクロファージへの治療ターゲットのみならず、HLAの発現がいくつかの肉腫で極端に低下していることが判明し、HLAの発現を賦活できる方法がないかを模索中である。現時点で複数の方法がHLAの発現、PD-L1の発現を賦活化することをin vitroで見いだしており、これを移植モデルで証明する方法を模索している。投稿論文に回す費用を次年度にまわした。
MRIの歯科領域への応用に関する研究:高分解能MRIによる下歯槽神経の画像診断

下顎骨を貫通する下顎管は下歯槽神経および動脈を含む神経血管束であり、埋伏智歯の抜歯や歯科インプラントの術前診査において、その診断は非常に重要である。本研究では、MRIの最適化を行い、同診断における高分解能MRIの有用性を評価した。本研究によって最適化されたMRIは、下歯槽神経の診断においてCTを上回る診断能を有する可能性が示された。今年度はMRIを利用した下歯槽神経の局在診断について研究を行った。まず予備研究として過去6ヶ月間に本学附属病院にてMRIにて下顎骨の撮像を行った480症例の画像ファイルのreviewを行い、下歯槽神経血管束のMR像について評価を行った。同神経血管束は画像上連続する線状構造として認められ、T1強調像では低信号、T2強調像ではやや弱い高信号を示し、ガドリニウムによって強く増強されていた。同構造の描出率はほぼ100%であり、特にMRIT1強調像の有用性を確認した。次に下歯槽神経血管束を三次元的に表示するためMRI画像の曲面Multiplanar reconstruction(曲面MPR)の手法について検討を行った。当初MRI専用のソフトウェアの開発を計画していたが、MRIの画像データをDICOM変換してCTコンソールに転送を行い、既存のCT用Dentascanプログラムを使用して再構築処理を試みたところ、解決すべきいくつかの問題点が存在したが、最終的に実用上問題の無い再構築画像を得ることができた。したがって以降はこのCT用プログラムを本研究のために利用することとした。次いで下歯槽神経血管束を描出するためのMRI原画像の最適化について検討を行った。撮像シークエンスの画質への影響についてデータを収集中であるが、現在までのところ、内耳の評価のために利用されているCISS法をmodifyしたシークエンスを用いることによって高精細な画像が得られる可能性が示されている。撮像シークエンスの最適化について、次年度も継続して研究を行う予定である。今年度は、下歯槽神経血管束を描出するためのMRI画像の最適化に関する研究を前年度から継続して行った。高精細な下歯槽神経の描出のために、内耳の評価に利用されているCISS法をmodifyしたシークエンスが利用できることをすでに前年度に確認していたが、今年度は撮像のパラメータを更に工夫した結果、画像のコントラストとSN比とを大幅に改善することができた。次に得られた画像をDICOM変換してCTコンソールに転送を行い、既存のCT用Dentascanプログラムを使用して曲面MPR処理を試みた。このMRI-MPR(CPR)画像について3名の観察者が5-Point scaleにて主観的評価を行ったところ、すべての項目において3点以上の評価であり、充分臨床に利用できるものと考えられた。しかし現在のところやはり解像度に関してはMDCTと同等とまでは言えないため、次年度も引き続き最適化についての検討を行う予定である。一方最近になって、生体内部の水の拡散の異方性を利用した拡散テンソル画像を基に巨視的な神経線維の走行を三次元的に描出する新しい試みが、中枢神経領域において報告されている。これは水の拡散が神経線維の走行に沿った方向には拡散しやすく、直交する方向に拡散しにくい現象を利用して、種々の方向からMPGを印加した上で繰り返し撮像を行い、神経線維の方向を解析し画像化するものである。この拡散テンソルに基づく診断法はFiber tracking法と呼ばれており、中枢神経領域においては、神経の走行だけでなく病的変化も表示できることが期待されている。そのため今年度より上述したCISS法による診断に加えて、Fiber tracking法を下歯槽神経の診断に応用できる可能性についても検討を開始した。昨年度の報告書に記載したとおり、平成20年度に行った研究は、下歯槽神経血管束を描出するためのMRI画像の最適化に関する研究、および拡散テンソル画像の応用に関する研究であった。前者については、昨年度までに、内耳の評価に利用されているCISS法をmodifyしたシークエンスを用いることよって神経血管束の高精細な画像が得られること、更にこれらを基に曲面MPR処理を行った画像を歯科インプラントの術前診断のために利用できる可能性が示唆されていたものの、画像ノイズの更なる低減が必要であった。今年度は、全く新しいシークエンスであるFISP法に着目して、撮像および画質評価を行った。FISP法は前述のCISS法と比較して解像度は若干劣る(ボクセルサイズはCISS法: 0.45×0.45×1.0mm, FISP法: 0.9×0.45×1.0mm)ものの、SN比に優れた画像の得られることが明らかとなった。解剖構造の“見やすさ"について3名の観察者が、両者の画像を比較した結果、解像度がやや劣るFISP法の方が有意に優れているという結果が得られた。一方拡散テンソル画像の応用に関しては、SIEMENS社より提供していただいた試作の拡散テンソル撮像ソフトウェア(多軸拡散強調EPIシークエンス)と無償の画像処理ソフト(dTV; developed at the University of Tokyo)を使用して、下歯槽神経の画像化を開始した。

当該研究機関に設置されているMRI撮像装置本体がすでに老朽化しているため、十分に満足できる結果は得られてはいないが、下歯槽神経の走行の一部を描出することができたと考えている。
地区データ・ベース作成用システムによる民家絵図の解析に関する研究

「地区データ・ベース作成用システムによる民家絵図の解析に関する研究」では、「建家取調図面帳」と題した明治10年代の民家に関する絵図資料を大量に収集した。その内訳は、農家では、和歌山県かつらぎ町で11ヵ村約900戸、京都府加茂町で3ヵ村約300戸、京都府長岡京市で1村約100戸、徳島県で1ヵ村約70戸、一方、町家では、京都市で42ヵ町約1,200戸、大阪市で22ヵ町約800戸、大津市で6ヵ町約200戸など、合計で約3,500戸の民家の平面、建物配置などに関する資料を集積した。これらの大量のデータを処理するためには、コンピュータによる「地区データベース作成用システム」を導入し、絵図資料のデータを入力するとともに、水帳、古写真、絵画、職業史料なども入力して、復元の基礎データを作成した。つぎに入力データをもとに、間取りや住宅設備の類型化、間口規模と間取り類型との関係、また建蔽率、土蔵の配置、集住形態などを解析した。すなわち、一村あるいは一町の全住戸を網羅した検討をおこない、間取りの類型、座敷飾などの内部仕様、附属屋の配置形態、町家の集合形態などを検討する。また、民家の階層性に注目し、同一村(町)において歴史的にどのような変遷を遂げるのか、また同一時期において地域的にどのような特性をもつのかを比較検討した。その結果、村方史料による農家の研究では、間取りの分析(類型化と階層性に関する研究)、座敷飾の分析(類型化と階層性に関する研究)、家屋配置、附属屋に関する分析、そして民家の階層性及び地域特性に関する比較研究が可能になった。町方史料による町家の研究では、間取りの分析(類型化と階層性の関する研究)、住宅設備、附属屋に関する分析、町家の集合形態の分析(町ごとの類型化と地域特性に関する研究)、集住形態と職住関係の検討などが可能になった。とくに連続平面図の作成に際して、原図の寸法誤差の修正がコンピュータ内で簡単に処理できるようになり、住戸密度、建蔽率や容積率が正確に計測できるようになり、現代の居住水準との比較が容易になった。これらの研究成果の一部は、「伝統的都市型住居とその近代的変容-大阪船場道修町の町家-」と題して発表した。今回の研究に用いた「地区データベース作成用システム」は、大量の絵図関係のデータ処理に比較的有効に機能した。ただ、原資料の操作に高度の専門的知識が要求されるので、精度の高いデータを得るためには、その点の改善が必要である。
中山間地域における自然・社会環境変化に伴う土砂生産能力の変化に関する研究

本研究は、山地域(特に、中山間地域)における近年の土砂生産・流出状況の実態を把握し、これらの地域の土砂生産能力やその変化をもたらした影響因子を現地実態把握調査,空中写真判読,人工降雨実験,数値実験等を実施することにより明らかにしようとしたものである。まず、愛媛県内に位置する重信川上流域内に試験プロットを設置し,土層内部における降雨浸透に伴う雨水の挙動の観測を実施した。その結果,降雨中には土層内を均一に流れるマトリックス流よりも数倍速い樹木根系周辺部に沿った流れ(根系流)の存在が確認された。さらに,紀伊半島中部に位置する宮川ダム流域内での崩壊発生頻度やダム堆砂量と降雨分布特性や森林の施業状態との関係について考察を加えた。以上の結果を基に、森林の施行状態変化が流域内でのダム堆砂量や崩壊発生ポテンシャルに及ぼす指標として「崩壊発生可能面積率:APr」をそれぞれ定義し、表層崩壊の発生誘因として位置付けられる「降雨」と、自然・社会環境変化を表す指標として位置付けられる森林施行状態変化を考慮した「崩壊発生可能面積率:APr」を説明変数として抽出し、「ダム堆砂量予測式」と「表層崩壊発生予測式」をそれぞれ構築した。また、高知県北部に位置する早明浦ダム上流域を対象として、これらの予測式の適用性について検討を加えた。その結果、宮川ダム流域と早明浦ダム上流域との土砂の生産状況は全く異なっている(対照的である)にもかかわらず、両式の高い適合性(再現性)が確認された。さらに、これらの研究成果を踏まえ、宮川ダム上流域を対象とし、自然・社会環境の変動予測を行うとともに、この環境変化を加味したダム堆砂量の将来予測を行った。本研究は、山地域(特に、中山間地域)における近年の土砂生産・流出状況や土砂災害による被災状況の実態を把握し、これらの地域の土砂生産能力やその変化をもたらした影響因子を現地実態把握調査,空中写真判読,現地水文観測,人工降雨実験,数値実験等を実施することにより明らかにしようとするものである。本年度は,1998年の高知災害を事例として抽出し,中山間地域での自然・社会環境変化に伴う土砂災害形態や規模の変動実態を把握した。そして、これによって得られた知見を基に次年度以降の研究において実施することになる土砂災害形態や規模の予測システムや、合理的かつ有機的な治山・砂防計画の策定に資することを前提とした将来予測を行う上で必要となる基礎情報を得た。さらに、紀伊半島中部に位置する宮川ダム流域を対象とし、流域からの土砂生産状況の経年変化実態を把握した。そして、これらのダム堆砂資料を用いて、林業の衰退に伴う森林整備すなわち森林施業状態の変化が流域からの土砂生産状況ひいては土砂生産ポテンシャルに及ぼす影響を定量的に把握した。そして、森林施業の変化を指標とした流域からの生産土砂量推定式を提示し、土砂生産状況の再現計算を行った。次年度以降の研究では、今年度の調査により得られた研究成果を踏まえ、中山間地域における自然環境や社会環境の変動予測を行うとともに、この環境変化に伴った土砂災害形態や規模の将来予測を行うことにより、21世紀に向けて治山・砂防計画や対策を展開していく上での方向性を明らかにすることを目的とする。本研究は、山地域(特に、中山間地域)における近年の土砂生産・流出状況の実態を把握し、これらの地域の土砂生産能力やその変化をもたらした影響因子を現地実態把握調査,空中写真判読,人工降雨実験,数値実験等を実施することにより明らかにしようとするものである。本年度は,平成11年度に実施した研究成果を踏まえ、紀伊半島中部に位置する宮川ダム流域内での崩壊発生頻度と降雨分布特性の関係について考察を加えた。

そして、ここで得られた崩壊地の出現状況資料を基に、林業の衰退に伴う森林整備すなわち森林施業状態の変化が表層崩壊の発生に及ぼす影響を定量的に把握した。自然林により構成される斜面と伐採跡地内の斜面とを比較すると、崩壊発生限界降雨量は前者の方が大きく、同一規模の降雨が作用した場合の崩壊面積率は後者の方が大きくなるといった事実が確認された。以上の結果を勘案し、森林の施行状態変化が流域内での崩壊発生ポテンシャルに及ぼす指標として「崩壊発生可能面積率:APr」を新たに定義した。さらに、上記研究成果を基に、表層崩壊の発生誘因として位置付けられる「降雨」と、自然・社会環境変化を表す指標として位置付けられる森林施行状態変化を考慮した「崩壊発生可能面積率:APr」を説明変数として抽出し、表層崩壊発生予測式を構築した。次年度以降の研究では、今年度の調査により得られた研究成果を踏まえ、中山間地域における自然環境や社会環境の変動予測を行うとともに、この環境変化に伴った土砂災害形態や規模の将来予測を行うことにより、21世紀に向けて治山・砂防計画や対策を展開していく上での方向性を明らかにすることを目的とする。本研究は、山地域(特に、中山間地域)における近年の土砂生産・流出状況の実態を把握し、これらの地域の土砂生産能力やその変化をもたらした影響因子を現地実態把握調査,空中写真判読,人工降雨実験,数値実験等を実施することにより明らかにしようとしたものである。本年度は,平成1112年度に実施した研究成果を踏まえ、紀伊半島中部に位置する宮川ダム流域内での崩壊発生頻度やダム堆砂量と降雨分布特性や森林の施業状態との関係について考察を加えた。以上の結果を基に、森林の施行状態変化が流域内でのダム堆砂量や崩壊発生ポテンシャルに及ぼす指標として「崩壊発生可能面積率:APr」をそれぞれ定義し、表層崩壊の発生誘因として位置付けられる「降雨」と、自然・社会環境変化を表す指標として位置付けられる森林施行状態変化を考慮した「崩壊発生可能面積率:APr」を説明変数として抽出し、「ダム堆砂量予測式」と「表層崩壊発生予測式」をそれぞれ構築した。また、高知県北部に位置する早明浦ダム上流域を対象として、これらの予測式の適用性について検討を加えた。その結果、宮川ダム流域と早明浦ダム上流域との土砂の生産状況は全く異なっている(対照的である)にもかかわらず、両式の高い適合性(再現性)が確認された。さらに、平成12年度調査より得られた研究成果を踏まえ、宮川ダム上流域を対象とし、自然・社会環境の変動予測を行うとともに、この環境変化を加味したダム堆砂量の将来予測を行った。
塩害水田におけるイネの成育および耐性に関わる遺伝子の同定と生理機構の解明

本研究の目的は、塩害水田におけるイネの生育に関わる遺伝子の同定と、その遺伝子が関わる環境ストレスの特定およびそのストレスへの耐性に関わる生理機構の特定である。本研究では、特に塩害水田において認められるイネ葉身の褐変化(Bronzing)に注目し、日本型イネ品種日本晴とインド型イネ品種カサラスの交配後代を用いたquantitative trait loci(QTL)解析等の遺伝学的手法により、その遺伝要因と環境要因の解明を目指している。平成16年度までの研究の結果では、Bronzingの発症には、遺伝要因として第3染色体長腕部に1箇所の遺伝子座(qLb-3:QTL leaf bronzing-chromosome 3)が、環境要因として塩害水田で発生する環境ストレスの一つである土壌の還元化が関与していることが示唆されていた。それらの結果をふまえ、平成17年度では、qLb-3のファインマッピングとqLb-3と相互作用を示す遺伝子座の検出を試みた。qLb-3に関する約2000個体の組み換え集団を用いた連鎖解析の結果、qLb-3は第3染色体長腕末端部に位置するspl-1マーカーとAC092852マーカー間の約120kb内に存在することが示された。また、染色体部分置換系統および約100個体の組み換え集団を用いた連鎖解析の結果、Bronzingの発症にはqLb-3だけでなく第11染色体単腕部のqLb-11が関与していること、さらにそれらの2遺伝子座はBronzingの発症に関し相互に作用することが示された。平成17年度の本研究の成果は、国際誌Breeding Scienceに投稿中である。
遺伝毒性物質の閾値形成におけるトランスリージョンDNA合成の役割に関する研究

DNAポリメラーゼκ(Polκ)は,損傷を持ったDNAの複製(トランスリージョンDNA合成)に関与する酵素である.トランスリージョンDNA合成に重要な役割をはたすPolκのアミノ酸を同定するとともに,Polκが不活化したヒト細胞株とノックインマウスを樹立し,トランスリージョンDNA合成が遺伝毒性物質の閾値形成に関与する可能性を示唆した.遺伝毒性発がん物質の閾値に関する国際シンポジウムを開催した.DNAに反応して発がん性を示す遺伝毒性発がん物質の作用には「閾値(無作用域)」が存在しないとされ、どのように低用量であってもヒトに対してリスクを負わせものと考えられている。だがヒトには各種の生体防御機能が存在し、低用量での遺伝毒性作用を不活化し、事実上の閾値を形成する可能性が考えられる。本研究では、損傷を乗り越えてDNA合成を行うトランスリージョン(TLS)型DNAポリメラーゼが「遺伝毒性の閾値」形成にはたす役割を明らかにすることを目的とする。TLS型DNAポリメラーゼは、DNA損傷部位で進行を停止する複製型DNAポリメラーゼに代わって損傷部位でのDNA合成に関与する特殊なDNAポリメラーゼである。損傷部位で複製が中断されると、DNA二本鎖切断が生じ染色体異常が生じる。また誤った塩基が損傷部位の向かい側に挿入されると突然変異が誘発される。したがってTLS型DNAポリメラーゼは遺伝毒性の回避に関与しており、その欠損細胞は化学物質などの遺伝毒性に高い感受性を示すことが予想される。本研究では、TLS型DNAポリメラーゼの一つであるDNAポリメラーゼκ(以下Polkと略)の(1)機能解析を行うとともに、Polkの活性を消失した(2)ヒト細胞株と(3)ノックイン(KI)マウスを樹立し(4)「遺伝毒性に関する閾値」形成にトランスリージョンDNA合成がはたす役割について検討する。DNAポリメラーゼκ(Polκ)は,損傷を持ったDNAの複製(トランスリージョンDNA合成)に関与する酵素である.トランスリージョンDNA合成に重要な役割をはたすPolκのアミノ酸を同定するとともに,Polκが不活化したヒト細胞株とノックインマウスを樹立し,トランスリージョンDNA合成が遺伝毒性物質の閾値形成に関与する可能性を示唆した.遺伝毒性発がん物質の閾値に関する国際シンポジウムを開催した.近年、損傷DNAを鋳型として複製することのできる新規なDNAポリメラーゼが見出され、損傷を乗り越えるDNA合成(トランスリージョンDNA合成、以下TLSと略)に関与することからTLS型DNAポリメラーゼと呼ばれている。TLS型DNAポリメラーゼは主に遺伝毒性の回避に関与し、その欠損細胞は遺伝毒性物質に高い感受性を示すことが予想される。本研究では、TLS型DNAポリメラーゼの一つであるDNAポリメラーゼκ(以下Polkと略)の機能解析を行い、低濃度での毒性を高感度に検出するマウス個体とヒト細胞の遺伝毒性検出系を確立する。初年度は(1)ヒトPolkの生化学的機能解析と(2)Polkの活性中心部に変異を導入したノックインマウス(ヘテロ)の作製を行った。(1)ヒトPolkはbenzo[a]pyrenediolepoxide(以下BPDEと略)が付加した鋳型/プライマーDNAに強く結合した。ヒトPolkの大腸菌ホモローグであるDinBについては、13番目のphenylalanineがBPDEのTLSに重要な役割をはたしていると報告されている。そこでPolkの対応するアミノ酸(Y112)を他のアミノ酸に変え、BPDE oligonucleotideに対する結合を測定した。だが変異体は野生型と同様に強い結合を示し、鋳型鎖上のBPDEを乗り越えるTLS活性も野生型より高い値を示した。以上の結果から、大腸菌DinBとは異なり、ヒトPolkではY112以外のアミノ酸がBPDEとの相互作用に関与しているものと結論した。(2)Polkの活性中心部に存在する198番目のaspartic acidと199番目のglutamic acidをalanineに置換するターゲティングベクターを作製し、これをC57BL/6マウスのES細胞にトランスフェクションして、染色体上の当該部位に目的の変異を持つクローンを得た。これをマウス受精卵へ導入し、キメラマウスを作製した。野生型マウスと交配させ仔の遺伝子型を解析し、導入した変異をヘテロに持つマウス個体を確認した。ヒトゲノムは、絶えず内因性、外因性の遺伝毒性物質に曝露されており、損傷を持ったDNAを鋳型にして行われるDNA複製は突然変異や染色体異常を誘発する。DNA損傷に基づく遺伝毒性を回避するため、ヒト細胞にはDNA損傷部位を乗り越えて複製を続ける特殊なDNAポリメラーゼが備わっている。このDNA損傷部位を乗り越えて進むDNA合成はトランスリージョンDNA合成(TLS)と呼ばれ、TLSに特化したDNAポリメラーゼはTLS型DNAポリメラーゼと呼ばれる。本研究では、ヒトTLS型DNAポリメラーゼの一つであるDNAポリメラーゼκ(hPolκ)の生化学的解析を進めるとともに、同酵素の活性を特異的に不活化させたノックインマウスおよびノックインヒト細胞株を樹立することにより、低用量域での遺伝毒性発がん物質の閾値形成にTLSがどのように関与するかを明らかにすることを目的としている。平成19年度は(1)hPolκのtyrosine 112をalanineに置換した変異体(Y112A)の性状解析を継続し、Y112Aではミスマッチ末端からのプライマー鎖伸長活性が著しく減弱していることを明らかにした。Y112A変異蛋白質はbenzo[a]pyrenediolepoxide(BPDE)

adductを持つDNAに対して野生型hPolκと同様の強さで結合し、鋳型鎖上のBPDEを乗り越える活性も野生型とほぼ同様であった。以上の結果から、hPolκのY112は、BPDE adductに代表されるguanine N2 adductのTLSよりも、ミスマッチ末端からの伸長反応において重要な役割をはたしているものと結論した。(2)Polκの198番目のaspartic acid(D198)と199番目のglutamic acid(El99)をalanineに置換したノックインマウス(D198A/E199A)のヘテロ体同士を交配してホモ体を得た。ホモ体において変異蛋白質が野生型マウスと同レベルで発現していることをウェスタンブロット法にて確認した。(3)ヒト細胞株Nalm-6のhPolκ遺伝子(POLK)を完全欠失させた変異株とhPolκにD198A/El99A変異を導入した株を樹立した。ヒトゲノムは、絶えず内因性、外因性の遺伝毒性物質に曝露されており、損傷を持ったDNAを鋳型にして行われるDNA複製は突然変異や染色体異常を誘発する。DNA損傷に基づく遺伝毒性を回避するため、ヒト細胞にはDNA損傷部位を乗り越えて複製を続ける特殊なDNAポリメラーゼが備わっている。このDNA損傷部位を乗り越えて進むDNA合成はトランスリージョンDNA合成(TLS)と呼ばれ、TLSに特化したDNAポリメラーゼはTLS型DNAポリメラーゼと呼ばれる。本研究では、ヒトTLS型D酷ポリメラーゼの一つであるDNAポリメラーゼκ(hPolκ)の生化学的解析を進めるとともに、同酵素の活性を特異的に不活化させたノックインマウスおよびノックインヒト細胞株を樹立することにより、低用量域での遺伝毒性発がん物質の閾値形成にTLSがどのように関与するかを明らかにすることを目的としている。平成20年度は(1)hPolκのphenylalanine 171をalanineに置換した変異体(F171A)の性状を解析し、鋳型鎖のbenzo[a]pyrenediolepoxide(BPDE)adductの向かい側に正しいdCMPを挿入するF171Aの活性が、野性型酵素よりも20倍以上高いことを明らかにした。(2)Polκの198番目のaspartic acid(D198)と199番目のglutamicabid(E199)をalanineに置換したノックインマウス(D198A/E199A)と変異検出用のレポーター遺伝子を持つgpt deltaマウスを交配した。ノックインマウスとPolκ野性型マウスの遺伝毒性物質に対する感受性の比較を開始した。(3)ヒト細胞株Nalm-6のhPolκ遺伝子(POLK)を完全欠失させた変異株と、hPolκにD198A/E199A変異を導入した株、および野性型株の遺伝毒性物質に対する感受性の比較を進めた。(4)遺伝毒性発がん物質の閾値に関する国際シンポジウムを開催した(招へい講演者、国外5名、国内16名、参加者約200名)。
大脳における音声記憶の形成と保持:鳥類の歌システムをモデルとした研究

鳥類の音声記憶と関連する神経基盤については、遺伝子発現や単一神経応答を指標とした先行研究により、大脳の新線条体尾内側部(NCM)が責任部位であることが示唆されている。本研究は、鳥類の音声知覚に関わる認知的記憶の形成と保持、検索のメカニズムを行動レベル・神経解剖レベルで探り、とくにNCMと認知的記憶との関係を明らかにすることを目的として行われた。具体的には、行動実験に用いやすく解剖学的な措置にも耐性の高いジュウシマツを被験体として用い、記憶測定のための行動実験の前後でこの部分を破壊し、行動の変容を測定することで認知的記憶の責任部位を明らかにしようと試みた。ジュウシマツのオスは個体ごとに異なる歌をうたう。多数の歌を恣意的に2つのカテゴリにわけ、オペラント条件付けをほどこしてジュウシマツの歌の記憶容量を測定した。この訓練の前後で、NCMと関連する神経構造に解剖学的な措置を与え、記憶の変容を測定した。この結果、NCMを破壊することで記憶の想起・保持過程が相対的に障害されること、さらに、損傷の程度が十分大きいときには、記憶の形成にも影響することがわかった。このことで、NCMが聴覚記憶の責任部位であることは明らかになった。しかしながら、現段階では、NCMが記憶の想起と保持のどちらに関係するのかを分離することができていない。記憶の想起と保持とを行動指標のみで分離することは難しいが、平成11年度の研究の一環として心拍反応を指標とした記憶過程を測定することが可能になったので、さらに研究を発展させていく予定である。さらに将来は、NCMにより形成される記憶が鳥類の適応行動一般にどのよ・うに関わってくるのかを解明したい。本研究は、鳥類の音声認識を対象として、認知的記憶の形成と保持、探索のメカニズムを行動レベル・神経解剖レベルで探ることを目的としている。9年度には、ジュウシマツの歌の記憶容量限界および想起の際の系列配置効果などの行動学的指標を確立した。また、解剖学レベルでの分析に至る準備のため、破壊実験も行った。20個体より録音した歌を恣意的に2つのカテゴリー(Go,Nogo)にわけ刺激として用いた。ジュウシマツの成鳥オス3羽、メス2羽、計5羽を被験体として用い、いっぽうのカテゴリの刺激が提示されたとにはキ-をつつき、他方の刺激が提示されたときには2秒間待つよう、オペラント弁別訓練を施した。正反応率が80%を超えたところで、あらたに一組の歌を加え、訓練を続けた。このようにして、215セッションの訓練をつづけた結果、5羽すべての鳥で、累積学習曲線が飽和した。このときの記憶容量は、平均4組(8個体ぶんの歌を2つのカテゴリに分けて記憶)であった。この後、50日間の休止を挟んで、想起の実験を行った結果、系列位置効果が現れた個休が2羽あった。記憶容量・想起効率には、雌雄差がなかった。これらの被験体のうち、4羽について、歌の記憶をつかさどるとされている大脳部位、NCMを破壊した。手術後数週間後の想起テストでは、記憶容量が大きかった2個体では、学習された歌のカテゴリをすべて想起することはできなかった。以上の結果から、ジュウシマツでは、約8個体ぶんの歌を記憶でき、さらに、歌記憶に関わることが示唆されていた大脳部位NCMは、歌の記憶のうち保持・形成・想起のいずれかのレベルにおいて機能を担うことが示唆された。10年度では、さらに破壊実験を続け、記憶機能のうちいずれかを担っているのかを明らかにしたい。