hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
認知情報処理特性を考慮したインタフェイス設計

作業刺激の作成にはパソコンソフトFrame DIAS for Windows(平成10年度購入設備)を使用し,解析にはパソコンソフトVisual C++(平成10年度購入設備)を用いた。上記の実験結果から,認知的負荷の増大が知覚特性や注意,認知情報処理容量にいかなる影響を及ぼすか,また,最適な認知的負荷に関するモデルを構築し,適度な認知的負荷のインタフェイス(作業システム)設計のための指針について検討中である。平成11年度には,二重課題へ音声入力と音声出力を用いた場合の有効性について検討していく。本研究では、人間とコンピュータのインタフェイス改善を目的として、適切な認知負荷に関する側面、認知情報処理能力の干渉をいかに緩和するかの側面、メンタルワークロードの側面から検討を加えた。まず、平成9年度には,マルチウィンドウ・システムと計器監視システムにおいて,認知的負荷の増加に伴う視覚情報処理容量の変化を、視野の狭窄化、視線の動きの変化に基づいて明らかにし、視覚情報処理容量の低下がエラーの増加といかに関連しているかを明らかにした。さらには、有効視野を定量的に評価するための方法を提案し、注意の広さと深さのトレードオフの問題をモデル化し、中心視での認知的負荷が増えることによって視野狭窄現象が生じることを明らかにした。平成10年度には,同種の作業を被験者に長時間負荷して、認知的負荷に伴うストレスを脳波のウェーブレット変換に基づいて評価することを試み、人間にとって適度な認知的負荷をもつインタフェイスについて考察した。認知的負荷の増大に伴うメンタルワークロードの増加を評価するには,α波、β波、θ波のパワー値の総和の大きさとパワー値の最大値、および80%のパワー値の出現時間が非常に有効であることが明らかになった。平成11年度には、マルチモーダル・インタフェイスや二重課題へ音声入力を用いた場合の有効性を検討した。キー入力のみで作業を行うよりも、主作業もしくは副作業に音声入力を用いることは、手の動きを抑え、ヂュアルタスクにおける作業負担の軽減に有効であることがわかった。また,マルチモーダル・インタフェイスにおける音声入力の利点と利用上の問題点が明らかになった。
Rac1,Cdc42,IQGAP1によるカドヘリンを介した細胞間接着の制御機構

研究代表者の所属する研究室では、低分子量GTP結合蛋白質Rac1とCdc42の新規標的蛋白質としてIQGAP1を同定し、その機能解析を行なってきた。IQGAP1は遊走している細胞においてはleading edgeに、上皮細胞では細胞間接着部位に局在して、細胞運動や細胞間接着を制御していることを報告している。IQGAP1は、β-カテニンと直接結合し、E-カドヘリン/カテニン複合体からα-カテニンを解離することにより細胞間接着を負に制御することが報告されている。研究代表者は、細胞間接着部位におけるIQGAP1の発現量がRNAiにより抑制されると、アクチン、E-カドヘリン、β-カテニンの細胞間接着部位での濃縮が減少することを見出したことから、IQGAP1が細胞間接着を正にも制御していることを報告した。また、IQGAP1に極めて同一性が高いIQGAP3のクローニングに成功し、IQGAP3がIQGAP1と同様に、活性型Rac1およびCdc42に特異的に結合し、アクチンとも直接結合することを明らかにした。さらに、IQGAP3の脳における発現量が高いことを確認し、免疫染色法を用いて、IQGAP3が細胞内でアクチンと共局在し、軸索の遠位部で濃縮していることを明らかにした。RNAiを用いてIQGAP3の発現を抑制すると、細胞骨格の形成異常とともに神経突起の伸長が抑制されることから、IQGAP3が神経細胞での形態形成に重要な役割を果たしていることを見出した。低分子量GTP結合蛋白質のサブファミリーのひとつであるRhoファミリーは、Rac1、Cdc42、Rhoなどから構成されており、細胞増殖因子などの細胞外シグナルの下流で分子スイッチとして機能し、アクチン細胞骨格や細胞接着の制御に重要な役割を果たしていることが明らかにされてきた。研究代表者の所属する研究室では、Rac1とCdc42の新規標的蛋白質としてIQGAP1を同定し、その機能解析を行なってきた。一方で、活性型Rac1/Cdc42は、IQGAP1の機能を阻害し、種々の標的蛋白質を介してアクチン重合を促進させることにより、細胞間接着を制御すると考えられてきた。最近、哺乳動物において特定遺伝子抑制をするRNAi(RNA interference)の効果が見られるようになった。研究代表者は、RhoファミリーとIQGAP1の細胞間接着の機能を解析する目的で、システマチックにRNAiを行ない細胞間接着への効果を検討した。細胞間接着部位でのIQGAP1の発現量がRNAiにより抑制されると、アクチン、E-カドヘリン、β-カテニンの細胞間接着部位への濃縮が減少することを見出したことから、IQGAP1は細胞間接着を負に制御するだけでなく、正にも制御していることを報告している。また、IQGAP1の発現量がRNAiにより抑制されると、細胞運動能が著しく低下することを見出し、IQGAP1が細胞極性形成においても重要な役割を果たしていることを報告している。また、IQGAP1の発現量がRNAiにより抑制されると、細胞運動能が著しく低下することを見出し、IQGAP1が細胞極性形成においても重要な役割を果たしていることを報告した。さらに、IQGAP1に極めて同一性が高いIQGAP3のクローニングに成功し、IQGAP3がIQGAP1と同様に、活性型Rac1およびCdc42に特異的に結合し、アクチンとも直接結合することを明らかにした。また、IQGAP3の脳、心臓、肺での発現を確認した。現在、IQGAP3の細胞内での局在を検討し、その生理的意義の解析を行っている。また、RNAiを用いてIQGAP3の発現を抑制することで、細胞間接着および細胞極性形成における役割を解析中である。

研究代表者は、細胞間接着部位におけるIQGAP1の発現量がRNAiにより抑制されると、アクチン、E-カドヘリン、β-カテニンの細胞間接着部位での濃縮が減少することを見出したことから、IQGAP1が細胞間接着を正にも制御していることを報告した。また、IQGAP1に極めて同一性が高いIQGAP3のクローニングに成功し、IQGAP3がIQGAP1と同様に、活性型Rac1およびCdc42に特異的に結合し、アクチンとも直接結合することを明らかにした。さらに、IQGAP3の脳における発現量が高いことを確認し、免疫染色法を用いて、IQGAP3が細胞内でアクチンと共局在し、軸索の遠位部で濃縮していることを明らかにした。RNAiを用いてIQGAP3の発現を抑制すると、細胞骨格の形成異常とともに神経突起の伸長が抑制されることから、IQGAP3が神経細胞での形態形成に重要な役割を果たしていることを見出した。
物質中のミクロスケールな構造とマクロ物性の相関の解明

平成26年度は、特に間接型強誘電体である六方晶希土類金属マンガン酸化物RMnO3において見いだされている渦型の特異なドメイン構造の起源の解明と、そのドメイン構造が誘電率などの物性に及ぼす影響を明らかにすることに注力した。マンガン系では相転移温度が1000 K以上と高温であり、透過型電子顕微鏡で相転移に伴うドメイン形成過程の直接観察はできないため、結晶構造がRMnO3と同じでかつ低い相転移温度を持つ物質の探索および合成をおこなった。そこで、相転移温度が800 K程度との報告例もあるインジウム系に着目した。フラックス法により単結晶の合成に成功し、透過型電子顕微鏡によって強誘電ドメイン構造の観察をおこなった。その結果、RMnO3で見いだされた渦型のドメイン構造と同じドメイン構造をインジウム系も有するということを初めて明らかにした。この結果は、渦型のドメイン構造はマンガンという特有の元素によるものではなく、結晶構造そのものに起因することを示唆する結果であり、渦型ドメイン構造の起源の解明に近づくことができた。また、インジウム系の結晶は透明であり、黒色のマンガン系と比べて電気抵抗が高く、高温まで誘電率測定が可能となった。しかしながら、今までのところ、測定温度の範囲内で誘電率の明確な異常は観測されていない。翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。
油浴潤滑高速パッド軸受の前縁境界条件に関する研究

本研究は、油浴潤滑状態にあるティルティングパッドジャーナル軸受と扇形固定パッドスラスト軸受を対象に、高速時の油膜圧力分布計算の際無視しえないパッド前縁での圧力境界条件を定める理論モデルの提案を目的として行われた。本研究で得られた主な成果を以下に列挙する。1.複数パッドで構成された実際の軸受では、計算対象パッドの前縁での圧力上昇は、先行するパッドの影響を強く受けて、単一パッドの場合とは大きく異なる。2.先行パッド後縁から対象パッド前縁直前(前縁への衝突流の影響が及ばない適当な位置)までの間にランナ上に発達する流れの推定に当たっては、運動量の法則を適用し、対象パッドの前縁通過時の圧力上昇(潤滑膜圧力計算の際のパッド前縁部での圧力境界条件)の推定に当たっては、前縁直前とすきま内流入直後の流れに機械的エネルギの連続を仮定した理論解析モデルを提案した。3.上記理論解析モデルは、通常の油で潤滑された高速軸受で実現されるレイノルズ数の範囲では、実験的に得られる入口圧力を比較的正確に推定する。4.動粘度の低い流体での潤滑、あるいは、通常よりも大きい軸受すきまを用いる場合など、さらにレイノルズ数が上昇すると、このモデルで算出される入口圧力は低下を始め、やがて負となって、計算負荷容量は入口圧力を零に設定した場合よりも低下する。これは、パッド間流れの発達が不十分で、すきま内においても、入口部から十分発達した流れとする仮定が崩れることを意味している。5.この現象は、本研究では、実験装置の限界から、これを確認するには至らなかったが、あたかも油量不足であるかのような状態が生じる可能性を示唆する。引続き検討すべき課題といえる。
分子錯体の光反応

大気化学的に重要な水錯体NO_x【triple bond】H_2O、NO_y【triple bond】H_2O、O_3【triple bond】H_2Oなどを選び、別個の電子雲が接触した環境にある分子錯体の分光学および光反応の問題に取り組んだ。これら分子錯体について、分子間振動などに関するデータを獲得した。錯体形成と光反応に関するポテンシャルを調べ、理論計算と比較した。さらに、分子錯体に固有な可視紫外光誘起の接触型反応を調べた。錯体系光反応では、光解離を伴わない錯体内原子移動反応が可能となり、紫外および可視域に光吸収帯をもつ単分子の分子錯体系では可視光で特異な原子移動反応が誘起された。のような新しい非解離型二分子反応を解析すると同時に、その大気化学的役割について検討した。以下に研究成果の具体例を記す。連続流動法による大気微量成分-水錯体の生成、検出、反応を調べた。SO_2-H_2O 1:1錯体を採用し、効率よく低温マトリックス中に生成する方法の確立と、その赤外吸収スペクトルから分子種の帰属と、錯体構造を決定した。O_3-H_2O錯体は紫外光および可視光を照射した際、O_3-H_2O錯体バンドは特異的に減少することが明らかとなり、錯体特有の反応が進行していることを確認し、そのメカニズムを確立した。パルスノズルによる分子錯体の生成法を制御した。trans形とgauche形の2つの回転異性体をもつ1,2-ジクロロエタンを温度計にして、1,2-ジクロロエタンの平衡温度を測定することで制御した。二酸化窒素二量体とヨウ化メチル二量体の赤外吸収スペクトルをDFT及びMP4計算に基づき帰属した。これらの成果を踏まえ、水錯体に拡張した研究を実施し、分子錯体の生成法をコントロールする手法を開発し、その光反応を解析した。つぎの3項目に分けて研究成果を記す。(1)パルスノズルによる分子錯体の生成法の制御:trans形とgauche形の2つの回転異性体がある1,2-ジクロロエタンを温度計にして、CsI基板上に凍結された異性体の分布比を希ガスの背圧を変化させたところ、1,2-ジクロロエタンの平衡温度は60Kの温度範囲で制御が可能であった。さらにN_2O二量体とCH_3I二量体の赤外吸収スペクトルをDFT及びMP4計算に基づき帰属した。(2)大気微量成分-水錯体の生成、検出、反応:水錯体研究の第一段階として、1:1錯体を効率よく低温マトリックス中に生成する方法論の確立と、その赤外吸収スペクトルから分子種の帰属と、錯体構造の推定手順の確認を行った。試料としては、既に1:1錯体がマイクロ波分光法により詳細に決定されているSO_2-H_2Oを採用した。また、O_3-H_2O錯体は可視光を照射した際、O_3単体のバンド強度がまったく変化しないのとは対照的に、O_3-H_2O錯体バンドは特異的に減少することが明らかとなり、錯体特有の反応が進行していることが分かった。(3)現在立上げ中の分子錯体光反応解析装置:平成13年度の主要設備品として分子錯体光反応解析装置を製作している。1)高分解能測定が可能なこと、2)高感度測定が実現できること、3)今後新たな装置が組み込めるように発展性を持たせることなどを装置設計の基本方針とした。分解能0.04cm^<-1>、S/N200,000:1で測定可能な赤外吸収分光計を購入し、その分光計にあわせたマトリックス・真空チェンバーを製作した。マトリックス基板に機械的振動が伝播するのを極力防いだ低雑音化も、装置の高感度化を保障する条件と考えられる。また、試料の吹きつけ、光照射が最適な配置で実施できるように、回転可能な基板を装備した。O_3-H_2Oの1:1錯体のν3振動のスペクトルを帰属した。錯体はO_2マトリックス内で分裂して観測された。このO_3-H_2O 1:1錯体に紫外光を照射すると、錯体の光化学反応によるスペクトル変化を示した。O_3モノマーは増加し、O_3-H_2O 1:1錯体は減少した。またH_2O_2及びH_2O_2-H_2Oの生成が観測された。O_3-H_2O、H_2O_2の強度の時間変化を調べると、紫外光照射によりO_3-H_2O 1:1錯体は完全には消失せず、照射から一定時間経過後は定常濃度となることが分かった。またH_2O_2はO_3-H_2Oが定常濃度になった後は、生成速度が遅くなることが分かった。これらの結果からO_2マトリックス内では、紫外光照射により次の反応が競合していると解釈した。(1)O_3-H_2O錯体の光化学反応によってH_2O_2が生成する。(2)O_3モノマーの光分解で生じたO原子が、近接するO_2及びH_2Oと反応することによってO_3-H_2O錯体が生成する。さらに可視光照射による反応についても考察した。SO_2、H_2Oの濃度変化に対する1343.5cm^<-1>、1150cm

^<-1>の吸収強度は、それぞれの濃度に1次に比例して変化し、これらのバンドをSO_2-H_2Oの1:1錯体に帰属した。DFT計算(B3LYP/6-311+G(d, p))により、SO_2-H_2Oの1:1錯体の吸収波数を求め、実験値と比較した結果、計算値と実験値はよく一致した。試料の吹き付け時における基板温度を変化させると、錯体濃度が変化した。基板温度が高いほど錯体濃度が増加した。温度上昇で、基板上でSO_2とH_2Oが会合し、錯体形成が促進されたものと解釈された。20Kの高い温度条件の吹き付けでは、より大きなサイズの錯体形成が見られたが、約9Kの条件では、SO_2-H_2Oの1:1錯体による1343.5cm^<-1>、1150cm^<-1>のみが観測された。大気化学的に重要な水錯体NO_x【triple bond】H_2O、NO_y【triple bond】H_2O、O_3【triple bond】H_2Oなどを選び、別個の電子雲が接触した環境にある分子錯体の分光学および光反応の問題に取り組んだ。これら分子錯体について、分子間振動などに関するデータを獲得した。錯体形成と光反応に関するポテンシャルを調べ、理論計算と比較した。さらに、分子錯体に固有な可視紫外光誘起の接触型反応を調べた。錯体系光反応では、光解離を伴わない錯体内原子移動反応が可能となり、紫外および可視域に光吸収帯をもつ単分子の分子錯体系では可視光で特異な原子移動反応が誘起された。のような新しい非解離型二分子反応を解析すると同時に、その大気化学的役割について検討した。以下に研究成果の具体例を記す。連続流動法による大気微量成分-水錯体の生成、検出、反応を調べた。SO_2-H_2O 1:1錯体を採用し、効率よく低温マトリックス中に生成する方法の確立と、その赤外吸収スペクトルから分子種の帰属と、錯体構造を決定した。O_3-H_2O錯体は紫外光および可視光を照射した際、O_3-H_2O錯体バンドは特異的に減少することが明らかとなり、錯体特有の反応が進行していることを確認し、そのメカニズムを確立した。パルスノズルによる分子錯体の生成法を制御した。trans形とgauche形の2つの回転異性体をもつ1,2-ジクロロエタンを温度計にして、1,2-ジクロロエタンの平衡温度を測定することで制御した。二酸化窒素二量体とヨウ化メチル二量体の赤外吸収スペクトルをDFT及びMP4計算に基づき帰属した。これらの成果を踏まえ、水錯体に拡張した研究を実施し、分子錯体の生成法をコントロールする手法を開発し、その光反応を解析した。
第四紀後期における黒潮流路・勢力変動の実態とアジアモンスーンとの相互作用の解明

最終氷期から現在にかけての黒潮流路や勢力の変動を三次元的に復元するために,白鳳丸KHO6-3次航海にて奄美海台および四国海盆から新たにコアを採取し,非破壊基礎解析を実施した.また,既存のコア試料について各種の分析を行い,以下の知見を得た.1.四国沖では,主に表層混合層に生息するGlobigerinoides ruberのδ^<18>O変動が,生息水深が深く水温躍層下部付近を中心に生息しているGroborotalia infratoの変動よりも明らかに振幅が大きい.G.ruberのδ^<18>O変動は,ベーリング-アレレード(B-A)温暖期とヤンガードライアス(YD)寒冷期に対応する変化を明瞭に示しているが,亜表層種はそれらに対応していない.また,表層種と亜表層種との間のδ^<18>O偏差は水温躍層深度の上下移動を復元するための指標となるが,そのΔδ^<18>Oは温暖期に大きく寒冷期に小さい.特に,B-Aと完新世前期にはΔδ^<18>Oが大きく最終氷期最寒期(LGM)やYD期にはΔδ^<18>Oが小さい.また,23.3cal.kyrに一時的にΔδ^<18>Oが減少する.これらの結果は,LGMやYD期には水温躍層が浅海化していた,つまり,黒潮勢力が弱化していたと解釈される.また,四国沖では表層混合層と中層の温暖化のタイミングが異なり,表層が先行して温暖化している.中層も含めて三次元的に現在の黒潮システムが成立したのは約5千年前である.2.九州南方四国沖におけるアルケノン古水温は,現在よりもLGMに約34°C低下しており,約17cal.kyrに急激に温暖化する.しかしながら,LGMの表層水温分布は現在とほぼ同様であり,日本列島南方海域では一様に34°C寒冷化していた.このような水温マッピングに基づくと,黒潮流路は最終氷期でもほぼ現在と同様の流路であった可能性が高い.しかし,水温低下幅を考慮すると黒潮の勢力は弱化していたため水温減率は大きくなっていたと考えられる.1.研究試料の採取および非破壊計測白鳳丸によるKH04-2次航海(6-7月)に参加し,九州-パラオ海嶺から南北トランセクトをなす配置で新たに4本の海洋コアを採取することに成功した.採取したコアは,高知大学に持ち帰り,研究室にてX線CTスキャナやマルチセンサーコアロガーを用いた非破壊物理計測を実施した後,個別分析用のサンプリングを行った.2.コアの年代モデル推定新たに採取したコアの堆積年代を推定するために,有孔虫化石の酸素同位体比測定,および,火山ガラスの屈折率測定を行った.現時点で,2本のコアの同位体比測定が済んでいるが,日本列島に近いKPR1PCのコア最下部は約3万年前まで達していることが明らかとなった.堆積速度は約20cm/千年と見積もられることから,最終氷期以降の古海洋変動を高い時間分解能で復元することが可能である,また,北緯28度のKPR3PCでは過去10万年間の解析が可能であると推測される.3.既存コアの有機地球化学分析トカラ海峡東部および四国沖から採取済みであったコア試料の地球化学的分析を行った.バルク有機物の炭素・窒素同位体比を測定した結果,四国沖では最終氷期から完新世への移行期に窒素同位体比が大きく変化することがわかった.これは黒潮流路の変化に伴って海水中の栄養塩濃度および組成が変化したことを反映していると推測される.また,アルケノン古水温計から復元される表層水温は,最終氷期に約4度低下しており,1万7千年前に急激に温暖化していることがわかった.これらの有機地球化学的データを基に,過去の黒潮流路の変遷史を詳細に復元することが可能であろう.最終氷期から現在にかけての黒潮流路や勢力の変動を復元するために,各種の実験を行い,以下の知見を得た.1.コアの年代モデル構築2004年度に九州-パラオ海嶺にて採取した海洋コアの堆積年代を推定するために,有孔虫化石の酸素・炭素同位体比測定,および,火山ガラスの屈折率測定を行った.研究費にて雇用している技術補佐員の協力により,1年間で2000試料を超える同位体比測定を実施した.その結果,九州東方沖のKPR1PCコアの最下部は約3万年前まで達しており,平均堆積速度は約20cm/千年と見積もられる.また,北緯28度のKPR3PCでは,約10万年周期の氷期・間氷期サイクルが2つ分認定され,過去約20万年間の古海洋変動の復元が可能である.2.九州-パラオ海嶺コアの地球化学的分析四国沖MD012422コア堆積物中の炭酸カルシウム濃度は,数%27%の間で変化しており,一般的に間氷期に高く,氷期に低い傾向を示した.また,その濃度変動は堆積物の明度の変化と同調していた.

一方,九州-パラオ海嶺域のKPR3PCの炭酸カルシウム濃度は約40%前後であり,いくつかの年代で極小ピークを示した.それらの濃度低下は,火山灰による希釈層準を除くと,間氷期(亜間氷期)から氷期(亜氷期)への遷移期に相当する.従って,北西太平洋の水深3000m付近における炭酸塩溶解の程度は,気候寒冷化期に最も強くなっていた可能性がある.3.最終氷期以降の黒潮流域の古海洋変動浮遊性有孔虫の酸素同位体比およびアルケノン古水温に基づくと,四国沖では最終氷期末期の17,000年前に急激に温暖化が始まり,その後3回の温暖化が繰り返し生じていた.また,17,000-15,000年前は酸素同位体比が有意に重くなることから,海洋表層における塩分増加イベント(例えば,アジアモンスーンの弱化など)が生じていたと推測される.最終氷期から現在にかけての黒潮流路や勢力の変動を三次元的に復元するために,白鳳丸KHO6-3次航海にて奄美海台および四国海盆から新たにコアを採取し,非破壊基礎解析を実施した.また,既存のコア試料について各種の分析を行い,以下の知見を得た.1.四国沖では,主に表層混合層に生息するGlobigerinoides ruberのδ^<18>O変動が,生息水深が深く水温躍層下部付近を中心に生息しているGroborotalia infratoの変動よりも明らかに振幅が大きい.G.ruberのδ^<18>O変動は,ベーリング-アレレード(B-A)温暖期とヤンガードライアス(YD)寒冷期に対応する変化を明瞭に示しているが,亜表層種はそれらに対応していない.また,表層種と亜表層種との間のδ^<18>O偏差は水温躍層深度の上下移動を復元するための指標となるが,そのΔδ^<18>Oは温暖期に大きく寒冷期に小さい.特に,B-Aと完新世前期にはΔδ^<18>Oが大きく最終氷期最寒期(LGM)やYD期にはΔδ^<18>Oが小さい.また,23.3cal.kyrに一時的にΔδ^<18>Oが減少する.これらの結果は,LGMやYD期には水温躍層が浅海化していた,つまり,黒潮勢力が弱化していたと解釈される.また,四国沖では表層混合層と中層の温暖化のタイミングが異なり,表層が先行して温暖化している.中層も含めて三次元的に現在の黒潮システムが成立したのは約5千年前である.2.九州南方四国沖におけるアルケノン古水温は,現在よりもLGMに約34°C低下しており,約17cal.kyrに急激に温暖化する.しかしながら,LGMの表層水温分布は現在とほぼ同様であり,日本列島南方海域では一様に34°C寒冷化していた.このような水温マッピングに基づくと,黒潮流路は最終氷期でもほぼ現在と同様の流路であった可能性が高い.しかし,水温低下幅を考慮すると黒潮の勢力は弱化していたため水温減率は大きくなっていたと考えられる.
マトリョーシカ型進化原理（総括班）

真核生物の進化、及び、オルガネラ(細胞内小器官)の進化は、生物学の最も重要な基本命題である。一般に葉緑体・ミトコンドリアなどのオルガネラは細菌の内部共生によって生まれ、真核生物に革新的な代謝機能を与えた。本研究は(1)オルガネラ進化につながる一次・二次共生関係を生物界から広く検出し、共生を可能とする仕組みを理解する、(2)進化過程にある共生・寄生オルガネラの機能と維持機構を解明する、(3)「内部共生体に駆動される真核生物進化」という新しいパラダイムを確立する、(4)オルガネラ移植等の細胞工学手法による試験管内生物進化に必要な技術基盤を確立することを目指し研究を展開し成果を生んだ。領域班会議を9月29日、1月7-8日、2月22-23日に開催し、研究の進捗状況を相互確認した。2年度以降の分子生物学会、植物学会、原生動物学会等の班会議・報告会等の方針を領域全体で議論・決定した。更に、3年時に京都で開催予定の国際シンポの開催・テーマ・招聘者などに関して、担当者を中心として総括班会議にて議論した。次世代シーケンサーを用いたゲノミクス支援に関して、更に、コムギ胚芽無細胞合成系を用いたタンパク質合成支援に関して、公募班員採用後の支援方針を議論し決定した。イメージング支援では、リアルタイムイメージング(共焦点レーザー顕微鏡)・微細局在解析(超解像顕微鏡・クライオ電子顕微鏡)の技術支援体制の確認を行った。バイオリソース支援では、責任者を中心に運用方針を議論・決定した。リーチアウトのために、ホームページの作成・アップデートを行った。ニュースレターの発刊を行い、成果の発信を行った。領域班会議を2回、7月と1月に開催し、研究の進捗状況を相互確認した。特に支援班が支援すべき項目・内容に関して、領域全体の方向性に従って調整を行った。今後の国際シンポの開催・テーマ・招聘者、アウトリーチ活動などに関して、担当者を中心として総括班会議にて決定した。研究支援活動として、ゲノミクス・メタゲノミクス支援では、班員から提案された要望から、領域全体の利益に合致するものを総括班が選定した上で、次世代シーケンサーを用いたゲノム・メタゲノム解析の支援を行った。コムギ胚芽無細胞合成系を用いたタンパク質合成支援では、通常の発現系で合成が困難なタンパク質の発現・合成・精製支援を行った。広報活動として、ニュースレターの作成、ホームページの作成、アウトリーチ活動(筑波科学週間・サイエンスカフェ・ひらめき☆ときめきサイエンスなど)により成果を社会に還元する。国際・国内学会等の場でのコンセプトの宣伝としては、6月にチェコにてCanadian Institute for Advanced Researchの国際会議へ参加した。更に、広報活動として、ニュースレターの作成、ホームページの作成、アウトリーチ活動はサイエンスカフェにより成果を社会に還元した本領域では、共生・寄生に駆動されるオルガネラと真核生物の進化を、寄生性および自由生活性の原生生物を対象として研究を進めている多様な研究者が糾合し、多層空間的に理解することを目指す。そのため、本申請研究(総括班)では円滑な領域運営を行うとともに、領域発の統合的研究成果を生み出せるよう、各研究者の有機的連携を最大限にすることを目的とした。すなわち、1.領域の運営方針を決定する領域班会議の運営、2.研究展開の加速を可能とする研究支援活動(ゲノム・メタゲノム、イメージング解析、タンパク質合成)、3.領域内での意見交換と支援活動を活性化するとともに、領域外の国内外の先端研究者との交流、異分野研究技術の融合、若手研究者教育・育成を支援するフォーラム・シンポジウムの企画・運営、4.研究成果の発信と学問領域の宣伝を目的とした広報活動を行った。領域班会議を2回、9月と1月に開催し、研究の進捗状況を相互確認した。同時に、支援班・国際シンポ等の開催・テーマ・招聘者・広報活動などに関して議論・決定した。研究支援活動としてはゲノミクス・メタゲノミクス支援として、班員から提案された要望に対して、次世代シーケンサーを用いたゲノム・メタゲノム解析の支援を行った。シンポジウム・広報活動として、6月には、Canadian Institute for Advanced Researchの会議にて、9月にはInternational Society for Evolutionary Protistologyの学会へ領域から参加した。9-10月には、マトリョーシカ型生物学研究会主催の国際シンポジウムを開催した。また、ニュースレターとホームページの作成により成果を公表した。

本研究は(1)オルガネラ進化につながる一次・二次共生関係を生物界から広く検出し、共生を可能とする仕組みを理解する、(2)進化過程にある共生・寄生オルガネラの機能と維持機構を解明する、(3)「内部共生体に駆動される真核生物進化」という新しいパラダイムを確立する、(4)オルガネラ移植等の細胞工学手法による試験管内生物進化に必要な技術基盤を確立することを目指し研究を展開し成果を生んだ。真核生物のオルガネラは細胞内共生細菌の宿主への隷属により成立するとされる。しかし原生生物・藻類等ではオルガネラが宿主を支配する逆転現象や二次共生オルガネラが存在する。本領域ではこの現象をマトリョーシカ人形に例え、共生・寄生に駆動されるオルガネラと真核生物の進化を多層空間的に理解することを目指している。総括班では、本領域の各研究者の有機的連携を可能とするために年間2回の総括班会議(7月20-22日/1月12-13日)を実施し、領域の運営を円滑化した。また、研究展開の加速を可能とする研究支援活動としてゲノム・メタゲノム支援を行い、計画・公募班を対象にゲノム研究の支援を行った。同時にバイオインフォマティクス講習会を行い、ゲノム解析の和立て育成を行った。更に、超解像度顕微鏡を用いたイメージング解析の育成コースの開催を通じた支援を行った。また、タンパク質合成等に関しても領域内の支援を強化した。更に、若手研究者育成を目的とした合宿(第1回日本細胞共生学会若手の会2012)(下田、11月7-9日)を開催し、学生とポスドクの育成を強化した。また、国際学会Protist2012において本領域のシンポを開催した(Oslo, July 30-Aug 3, 2012)。更に、第34回日本分子生物学学会(横浜, 12月13-16日)、第76回日本植物学会(姫路、9月15-17日)にてそれぞれシンポジウムを開催した。また、アウトリーチ活動として、つくば科学フェスティバル「生物ひろば」でのブースの開催(つくば、7月17-18日)、原生動物フェスティバル(姫路、9月15日)、サイエンスカフェ「マトリョーシカフェ」(東京、3月29-30日)などを開催し、新しいパラダイムの発信の広報活動を行った。すべての項目、特に研究支援、研究成果の発表、若手育成、アウトリーチなどに関して予定通りに展開されている。計画通り順調に達成された。27年度が最終年度であるため、記入しない。生化学・細胞生物学・感染症・寄生虫学・原生生物学・代謝・小胞輸送・病原機構・創薬領域班会議は継続的に年2回、7月と1月に開催し、研究の進捗状況を相互確認する。研究領域全体の目標を常に整理し、問題点を領域全体で議論し、具体的方策をつくる。特に支援班が支援すべき項目・内容に関して、領域全体の方向性に従って調整を行う。更に、今後の国際シンポの開催
アンチセンスDNAの至適投与法の確立を目指した体内動態、細胞内動態解析法の開発

前年度に引き続き、アンチセンスの体内動態ならびに薬効の評価系確立を目的とした検討を行った。デリバリーする際の有効な標的部位となるレセプター介在性エンドサイトーシスに関する速度論解析を行い、問題点の一つであるダウンレギュレーションのin vivo評価系の確立を試みた。肝細胞増殖因子受容体として知られるc-metのダウンレギュレーションを過剰量リガンドで引き起こしたところ臓器非特異的にc-metの低下と回復が観察された。臓器細胞膜分画を調製しWestern blot法により細胞表面レセプターの定量化を行ったところ、得られた発現量とリガンドの臓器クリアランスとの間に比例関係があり、本手法によりin vivoレベルでのダウンレギュレーションの解析が可能であることが示唆された。これまで我々が試みてきたエンドサイトーシス速度論モデル構築において、本手法を用いることによりレセプター側の動きについても情報を得ることが可能となった。そこでアンチセンスの薬効評価系として申請者らが精通している薬物輸送蛋白質(トランスポーター)の機能発現をターゲットとした。すなわち肝細胞血管側に発現するトランスポーターに対するアンチセンスを構築し、蛋白の発現量と機能について検討を行った。アフリカツメガエル卵母細胞発現系で肝臓総mRNAに対するハイブリダイゼーションを行いアンチセンスの本質的活性を確認した。また肝トランスポーターの基質を数種類選択し、これらの肝細胞取り込みに占めるトランスポーターNtcpならびにoatp-1の寄与率を算出した。これによりin vivoでアンチセンスをターゲティングした際の、機能(肝細胞への基質の取り込み)の最大活性を見積ることが可能となり、薬効発現系の確立につながるものとなった。アンチセンスを医薬品として開発する上で最も重要な課題は体内動態の制御である。標的部位への移行性の乏しいアンチセンスを、効率的にデリバリーするための基礎的検討項目として、本年度は標的細胞表面に存在する受容体もしくは抗原を認識したデリバリーをとりあげ、その有効性と問題点とを薬物のデリバリー効率の観点から速度論的に考察し明らかにした。表面受容体をターゲットとする場合、効率的なエンドサイトーシスが期待できる反面、エンドサイトーシス後の細胞内運命の制御が問題となるため、腎臓由来上皮細胞系において上皮成長因子をモデル化合物として用い、その細胞内挙動を解析したところ、大部分がリソゾームで分解を受けるものの、ごく一部が分解を受けずに細胞表面へリサイクルないしはトランスサイトーシスされることが明らかとなった。そこでターゲティングの効率を高める目的で、種々の阻害剤を用い細胞内運命の制御を試みたところ、リソゾーム酵素の働きを阻害するいくつかの薬品を用いることによって細胞内での分解を阻害し結果として細胞内滞留性が上昇することが明らかとなった。以上より、細胞内運命を制御することによってデリバリーの効率を高めることが可能であることが示唆されたが、さらなる効率化を目的として現在遺伝子組み換え技術を応用した検討を試みている。次に細胞表面抗原を認識したデリバリー効率を評価する目的でp糖蛋白質抗体を用いた細胞内挙動の評価を行った。抗体を放射能標識し、細胞表面への結合と取り込まれたものとを分離評価したところ、速度は遅いものの一部がエンドサイトーシスされることが明らかとなった。このことはp糖蛋白質過剰発現細胞へのアンチセンスのデリバリーの可能性を示唆するものであり、よりエンドサイトーシスの効率を高める工夫をすることによって実用化が進むものと思われる。
新規ステロイド系抗ピロリ菌薬の開発

本研究において、ステロイドホルモンのプロゲステロンを基本母核構造とした新規合成プロゲステロン誘導体が、ヒトの胃癌発症の原因菌であるピロリ菌に対して選択的な殺菌作用を示し、腸内細菌などの他の一般的な細菌に対しては全くその作用を示さないことが明らかとなった。このことから、プロゲステロンを基本母核構造として、ピロリ菌の除菌に特化した抗菌薬(抗ピロリ菌薬)の開発が可能であることが示された。新規に合成したプロゲステロン誘導体のピロリ菌に対する抗菌活性について検討した結果、この新規合成プロゲステロン(17hPL)は、本菌に対して効果的な抗菌作用を示すことが判明した。17hPLは、ピロリ菌細胞表面の主要なグリセロリン脂質のホスファチジルエタノールアミン(PE)に対して強い結合親和性を示し、PEを介してピロリ菌細胞に結合し、本菌の膜構造の不安定化を誘導し、ついには本菌を溶菌させることが明らかとなった。17hPLの抗菌作用は、ピロリ菌に対して選択的であり、他の一般的な細菌に対しては、全く抗菌作用を示さなかった。プロゲステロン(性ステロイドホルモン)は、細菌毒素のリポ多糖(LPS)刺激によって活性化したマクロファージからの一酸化窒素(NO)の産生を抑制することが知られている。これはプロゲステロンのホルモン作用の一つである。そこで、LPS刺激によって活性化したマウス・マクロファイージに対する17hPLのNO産生抑制効果について検討した。その結果、LPS-活性化マクロファージにおける17hPLのNO産生抑制効果は、プロゲステロンのその効果よりも有意に低いことが示された。即ち、17hPLでは、ホルモン作用の減弱が認められた。また、真核細胞に対する17hPLの細胞毒性も全く認められなかった。新規に合成したプロゲステロン誘導体(17hPL)のピロリ菌に対する抗菌活性を検討した結果、17hPLは、ピロリ菌細胞膜上のグリセロリン脂質成分のホスファチジルエタノールアミンに対して選択性の高い結合親和性を示し、本菌の膜構造を不安定化させ、ついには本菌を溶菌させること、他の一般的な細菌種には全くその作用を示さないこと、マウス・マクロファージ様細胞株に対する毒性が極めて低いこと、および同細胞株に対するプロゲステロン作用が有意に弱いことが明らかにされ、プロゲステロン分子を基本母核構造としたステロイド化合物が、ピロリ菌除菌治療に特化した抗菌薬となり得る可能性が実証された。そこで、17hPLとは化学構造を異にする別のプロゲステロン誘導体(17hPA)を新規に合成し、その抗ピロリ菌活性を検討した結果、17hPAは、17hPLよりもさらに優れた抗ピロリ菌作用を示すことが判明した。また、ヒト胃癌細胞株、ヒト乳癌細胞株およびアフリカミドリザル腎上皮細胞株に対する17hPLおよび17hPAの細胞死誘導活性を検討した結果、17hPLは、それら細胞株に対して細胞死をほとんど誘導しなかったのに対して、17hPAは、それら細胞株に対して明らかな細胞死誘導作用を示し、その作用は、特にヒト胃癌細胞株において顕著であった。即ち、17hPAは、ピロリ菌に対する抗菌薬としてだけでなく、胃癌に対する抗腫瘍薬としての可能性も見出された。現在、17hPAのピロリ菌に対する抗菌作用機序およびヒト胃癌細胞株に対する抗腫瘍作用機序の詳細な解析がおこなわれている。申請者は、ピロリ菌除菌治療に特化した抗菌薬(抗ピロリ菌薬)の開発を目的として、プロゲステロンを基本母核構造としたプロゲステロン誘導体(17hPLおよび17hPA)を新規に合成し、17hPLおよび17hPAのピロリ菌に対する抗菌活性および抗菌作用機序について検討をおこなった。17hPLおよび17hPAは、ピロリ菌に対して選択的な殺菌作用を示し、大腸菌などの他の一般的な細菌に対しては全くその作用を示さなかった。17hPLおよび17hPAのピロリ菌に対する選択的な殺菌作用機序の解析を試みた結果、17hPLおよび17hPAは、ピロリ菌細胞に特徴的な膜脂質に対する選択性の高い結合親和性によってピロリ菌細胞膜に結合し、その膜構造の不安定化を誘導し最終的に本菌を溶菌させることが強く示唆された。新規合成プロゲステロン誘導体の基本母核構造が、ステロイドホルモンのプロゲステロンであることから、マウス由来の細胞株を用いて、17hPLの哺乳類細胞に対するホルモン作用について検討をおこなった。その結果、17hPLのホルモン作用は、プロゲステロンおよび既存の合成プロゲステロン誘導体のその作用よりも有意に弱いことが判明した。一方、17hPAの哺乳類細胞に対するホルモン作用については検討はなされていないが、17hPAがヒト乳癌細胞に対してよりもヒト胃癌細胞に対して選択的な抗腫瘍作用を示すことが示唆されtた。以上のことから、ピロリ菌除菌治療に特化した抗菌薬の開発において、プロゲステロンが有用な基本母核構造体であることが示された。また、17hPAが、ヒト胃癌細胞に対してある程度の選択性をもって抗腫瘍活性を有することが、本研究における副次的な成果として見出されたことから、申請者は、今後、新規合成プロゲステロン誘導体の抗腫瘍活性および抗腫瘍作用機序についても、さらに詳細に検討する予定である。本研究において、ステロイドホルモンのプロゲステロンを基本

母核構造とした新規合成プロゲステロン誘導体が、ヒトの胃癌発症の原因菌であるピロリ菌に対して選択的な殺菌作用を示し、腸内細菌などの他の一般的な細菌に対しては全くその作用を示さないことが明らかとなった。このことから、プロゲステロンを基本母核構造として、ピロリ菌の除菌に特化した抗菌薬(抗ピロリ菌薬)の開発が可能であることが示された。新規プロゲステロン誘導体のピロリ菌に対する選択的な抗菌作用が確認できた。新規プロゲステロン誘導体の抗ピロリ菌活性に関する一通りの研究成果が、海外の専門誌に掲載された。細菌学新規プロゲステロン誘導体のピロリ菌に対する詳細な抗菌作用機序を解析する。新規プロゲステロン誘導体のヒト胃癌細胞株に対する詳細な抗腫瘍作用機序を解析する。ピロリ菌感染マウス・モデルの構築を試みる。ピロリ菌感染マウス・モデルが成功裡に構築された場合、そのマウス・モデルを用いて、新規プロゲステロン誘導体の生体内におけるピロリ菌除菌効果を検討する。予想通りの結果が順調に得られ、第一段階のデータが科学専門誌に既に掲載された為。前年度の実際の物品費の使用額が、前年度計画していた物品費の予想使用額よりも僅かに低額だったため。今後、もう1種類の新規合成プロゲステロン(17hPA)のピロリ菌に対する抗菌活性、他の細菌に対する抗菌活性およびヒト由来細胞株に対する毒性を検討する。また、上記した17hPLおよび17hPAのプロゲステロン受容体に対する結合親和性について解析する。さらに、可能であればピロリ菌感染モデルを実験動物を用いて構築し、生体内における新規合成プロゲステロンの抗ピロリ菌効果を検討する。前年度の当該助成金の残額は、不測の事態が生じた場合に備えて、翌年度分として使用させて頂きたいと思います。
臨床応用に向けた重症心不全治療に対する骨髄細胞シートの新規治療戦略の構築

ウサギ大腿部骨髄由来間葉系幹細胞シートの自家移植による陳旧性心筋梗塞部に対する治療効果を検討した。何も貼付しないコントロール群、通常培養後の細胞シート貼付群、低酸素培養後の細胞シート貼付群の3群で、1左心室の機能、2心筋梗塞領域を比較した。左心室の機能は、左心室駆出率・左室内径短縮率により評価し、心筋梗塞領域は、マッソン・トリクローム染色により評価した。いずれもコントロール群に比べ、通常培養後の細胞シート貼付群で、さらに通常培養後の細胞シート貼付群に比べ、低酸素培養後の細胞シート貼付群で有意に左心室の機能の増加、心筋梗塞領域の減少を認めた。我が国における重症心不全患者数はおよそ160万人に上り、そのうちの約半数の80万人が虚血性心疾患である。今後、糖尿病患者の増加や高齢者の増加により虚血性心疾患患者数は右肩上がりに増加することは確実であり、効果的な治療法の早急な確立が求められる。幹細胞移植は、虚血性心疾患に対する優れた治療法として期待されている。治療効果に影響を与える要因の一つとして移植に用いる細胞種が挙げられるが、中でも間葉系幹細胞は虚血心における血管新生効果や線維化面積縮小などに大きな効果があるとされる。しかし近年行われた臨床試験では、虚血心における劇的な心機能回復効果は得られず、治療効果を向上させる新たな方法の確立が求められる。本研究では、間葉系幹細胞から細胞シートを作製し、さらに細胞シートの機能増強を誘導することで虚血心における治療効果が向上するか否かについて、マウスおよびウサギを用いて検証した。まず初めに、マウス大腿部骨髄から単離した間葉系幹細胞から細胞シートが作製し得るか否かを検証した。結果、温度応答性培養皿を用いて単層の間葉系幹細胞シートの作製に成功した。次に、作製した間葉系幹細胞シートを低酸素の条件で12、24、48時間培養し、培養上清中の血管新生濃度を測定した。結果、マウス間葉系幹細胞シートの機能賦活化には48時間の低酸素培養が適していることが明らかとなった。本年度はさらに、ウサギ大腿部から単離したウサギ間葉系幹細胞を用いた細胞シートの作製および低酸素培養による機能賦活化の検討を行い、マウス同様の結果を得ている。平成27年度には、マウス骨髄から単離した間葉系幹細胞を用いて細胞シートの作製、低酸素プレコンディショニングによる細胞シートの機能賦活化、マウス心筋梗塞モデルへの移植、を当初計画として挙げていたが、細胞シートの移植実験を次年度以降にするよう若干の計画変更を行った。代わりに、ウサギ骨髄間葉系幹細胞による細胞シートの作製および低酸素培養による機能賦活化の有無、などについて検討し、いずれの動物種においても優れた成果をえることが出来た。ウサギ大腿部骨髄由来間葉系幹細胞シートの自家移植による陳旧性心筋梗塞部に対する治療効果を評価した。何も貼付しないコントロール群、通常培養後の細胞シート貼付群、低酸素培養後の細胞シート貼付群の3群で、1左心室の機能、2心筋梗塞領域、3梗塞領域周辺の毛細血管密度を比較・検討した。左心室の機能は、左心室駆出率・左室内径短縮率により評価した。コントロール群に比べ、通常培養後の細胞シート貼付群で、さらに通常培養後の細胞シート貼付群に比べ、低酸素培養後の細胞シート貼付群で有意に左心室の機能が増加していた。次に心筋梗塞領域は、マッソン・トリクローム染色により評価した。コントロール群に比べ、通常培養後の細胞シート貼付群で、さらに通常培養後の細胞シート貼付群に比べ、低酸素培養後の細胞シート貼付群で有意に心筋梗塞領域が減少していた。最後に梗塞領域周辺の毛細血管密度は、レクチン染色により評価した。コントロール群に比べ、通常培養後の細胞シート貼付群で、さらに通常培養後の細胞シート貼付群に比べ、低酸素培養後の細胞シート貼付群で有意に梗塞領域周辺の毛細血管密度が増加していた。ウサギ大腿部骨髄由来間葉系幹細胞シートの自家移植による陳旧性心筋梗塞部に対する治療効果を評価し、論文として報告することができたため。昨年までに低酸素プレコンディショニングにより骨髄由来間葉系幹細胞シートの陳旧性心筋梗塞部に対する治療効果が増強されることを明らかにした。骨髄由来間葉系幹細胞シートのみならず、低酸素プレコンディショニングによりcardiosphere由来細胞シートの陳旧性心筋梗塞部に対する治療効果も増強されるが、骨髄由来間葉系幹細胞シートおよびcardiosphere由来細胞シートにおける低酸素プレコンディショニングにより活性化されるシグナル伝達分子は明らかになっていない。骨髄由来間葉系幹細胞シートおよびcardiosphere由来細胞シートにおける低酸素プレコンディショニングにより活性化されるシグナル伝達分子を比較・検討するため、平成29年度は、ヒトcardiosphere由来細胞シートを用いて、低酸素プレコンディショニングにより活性化されるシグナル伝達分子の解析を行った。その結果、通常酸素濃度の環境下での培養に比べ、低酸素プレコンディショニングを行ったヒトcardiosphere由来細胞シートでは、HIF-1alphaおよびリン酸化Aktの発現量の増加が認められた。今後、ヒト骨髄由来間葉系幹細胞シートにおける低酸素プレコンディショニングにより活性化されるシグナル伝達分子を明らかにし、両シート間で低酸素プレコンディショニングにより活性化されるシグナル伝達分子を比較・検討していく予定である。

何も貼付しないコントロール群、通常培養後の細胞シート貼付群、低酸素培養後の細胞シート貼付群の3群で、1左心室の機能、2心筋梗塞領域を比較した。左心室の機能は、左心室駆出率・左室内径短縮率により評価し、心筋梗塞領域は、マッソン・トリクローム染色により評価した。いずれもコントロール群に比べ、通常培養後の細胞シート貼付群で、さらに通常培養後の細胞シート貼付群に比べ、低酸素培養後の細胞シート貼付群で有意に左心室の機能の増加、心筋梗塞領域の減少を認めた。平成28年度以降には、低酸素刺激により機能増強した間葉系幹細胞シートの自家移植により、陳旧性心筋梗塞モデルでの治療効果を検証する。臨床試験に向けた取り組みとして、ヒトの間葉系幹細胞シートを作製し、その血管新生能の評価を行う。心臓血管外科平成27年度には、マウス陳旧性心筋梗塞への機能賦活化間葉系幹細胞シートの移植を計画していたが、計画変更して次年度以降に行うこととした。そのため、計上していた金額に差額が生じた。条件検討のための実験がスムーズに進み、予想より使用額が少額で済んだということもあるが、1000円未満であるので、ほぼ予想通りの使用額と思われる。平成27年度に行う予定だった動物実験を平成28年度に行うため、そこに未使用額分を充てることとする。消耗品の購入費に充てる予定である。
運動立体視による空間認識を行う視覚情報処理システムの集積化に関する研究

自動運転や自律歩行ロボットを実現する上で、物の動きや位置関係を把握する空間認識は必要不可欠である。本研究では、電力性能比に優れた空間認識システムの構築を目的として、視覚刺激の移動に基づいて空間認識を行う運動立体視の神経回路網モデルの機能をLSI化した。膨大な神経配線を限られたチップ面積内に実装するために、モデルの処理ステージ毎に最適な仮想配線方式を採用した。また、試作したLSIの実環境性能を検証するためのリアルタイム空間認識システムを構築した。その結果、接近する物体に対応したオプティカルフローを毎秒30フレームで検出することに成功し、一般的なCPUに比べて100倍以上の電量性能比を達成した。物の動きや位置関係を把握する空間認識は、自動運転車や自律歩行ロボットを実現する上で必要不可欠である。通常、工学的システムにおいては、画像センサや距離センサの情報を元に空間認識が行われるが、実時間処理のための高速演算には大きな電力消費を伴う。一方生物は、主に視覚情報を頼りに極めてエネルギー効率のよい空間認識を行っている。例えば昆虫や鳥も行っている運動立体視では、単眼から得られる情報を使って対象物の素早い動きを認識し、障害物回避などの視覚運動制御を行っている。この運動立体視による空間認識を集積回路(LSI)で実現することが本研究の目的である。本研究では、ヒトの視覚野における空間認識の神経回路網モデルの一つである川上・岡本モデルに着目した。川上・岡本モデルをLSI化する上での大きな課題は、膨大な神経配線の実現と、神経細胞の応答強度の集積におけるゲイン調整である。これらを、アナログ・ディジタル混載アーキテクチャにより解決する。具体的な研究項目は、1)仮想配線方式を実現するメモリアーキテクチャの設計、2)神経細胞の応答強度を集積する多入力アナログ加算器の設計、3)視野の局所領域の運動(局所運動)を検出するLSIの試作と性能評価、4)空間認識システムの構築と性能評価、という4つに分類される。初年度にあたる平成27年度は、空間認識システムの構築に必要とされる機能・性能を詳細に検討した上で、主に以下の課題について研究を行った。・運動立体視による神経回路網モデルのLSI化に向けた最適化・分散メモリアーキテクチャとパケット通信による空間認識LSIのプロトタイプ設計結果、局所運動を統合することで、接近してくる物体を構成する平面の方位と衝突までの時間を検出する処理を、一般的なデスクトップPCに搭載されたCPUと比較して同程度の処理速度、100分の1以下の消費電力で実行できる見込みを得た。局所的な領域毎に並列的に実行可能な局所運動の検出よりも、複数の局所運動を直列的に集積する統合処理が、空間認識を実時間処理する上での課題であることが明らかになったため、当初の研究計画になかった局所運動を統合して空間認識を行うLSIの設計に多くの時間を割いたため。本研究では、ヒトの視覚野における運動立体視の神経回路網モデルの一つである川上・岡本モデルに着目した。本モデルをLSI化する上での大きな課題は、膨大な神経配線の実現と、神経細胞の応答強度の集積におけるゲイン調整である。そこで、1)仮想配線方式を実現するメモリアーキテクチャの設計、2)神経細胞の応答強度を集積する多入力アナログ加算器の設計、3)視野の局所領域の運動(局所運動)を検出するLSIの試作と性能評価、4)空間認識システムの構築と性能評価、という4つの研究目標を設定した。2年目にあたる平成28年度は、これまで想定していたメモリベースの仮想配線方式を見直し、新たな仮想配線方式を採用した局所運動検出LSIを試作した。これは、配線情報を記述したテーブルをLSI内のオンチップメモリに保存する代わりに、配線情報を回路で逐次計算する方式である。結果、オンチップメモリを排除することで、回路面積を約12分の1に削減することに成功した。また、配線情報を計算する回路が最大限並列動作するように細粒度パイプラインを構築することで、メモリベース方式と比べて約1.7倍の高速化を実現した。これまでに、局所運動の検出を行うLSI(平成28年度)とそれらの出力を統合するLSI(平成27年度)を試作した。LSI試作を進める中で神経回路網モデルの処理に適したアーキテクチャ・回路構成を検討し、仮想配線方式の実現方法を根本的に見直すことで、神経回路網モデルの集積度を8倍程度向上させることに成功した。但し、当初の計画で予定していた多入力アナログ加算器の設計に関しては遅れている。