hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
慢性疼痛の発症機序解明へ向けての一次知覚神経ナトリウムチャネルの機能解析

痛みなどの侵害性情報は,小型後根神経節(DRG)細胞に発現する複数種の電位依存性Naチャネルサブタイプが起こす活動電位によって伝搬される.小型DRG細胞のうち,C線維をもつ細胞はさらに,糖蛋白であるisolectinB4(IB4)で認識される群(IB4陽性細胞)とされない群(IB4陰性細胞)とに分類される.これらは,それぞれ異なる種類の痛みの伝搬に関与しており.Naチャネルの発現も異なっている可能性が考えられる.そこで,野生型(WT)マウスと,痛みとの関連が指摘されているサブタイプであるNaV1.8を欠失したNaV1.8ノックアウト(KO)マウスからDRG細胞を単離し,IB4による生体染色を行い,IB4陽性細胞と陰性細胞を同定した.そして,ホールセルパッチクランプ法を用いて,各タイプの細胞に発現するNaチャネルの電気生理学的性質を解析し,活動電位の発生に果たす役割について検討した.その結果,WTマウスのIB4陽性細胞,陰性細胞共に,静止膜電位付近ではNaV1.8によるTTX-R/slow Na電流が活動電位の主体となっていることが示された.しかし,膜電位が過分極側になると,IB4陰性細胞でのみ,TTX感受性サブタイプによるTTX-S/fast Na電流が活動電位の一部を形成していた.このような違いが,それぞれの細胞群が異なる痛みの伝搬に関与していることと関連している可能性が考えられた.一方,NaV1.8 KOマウスのDRG細胞においては,IB4陽性細胞,陰性細胞共に,NaV1.8の欠失により,静止膜電位付近で主体となるNa電流がTTX-S/fast Na電流にスイッチし,代償的に働いている可能性が示唆された.さらに,IB4陽性細胞ではNaV1.9によるTTX-R/persistent Na電流のアップレギュレートが見られ,このサブタイプもNaV1.8を代償している可能性が考えられた.痛みなどの侵害性情報は,小型後根神経節(DRG)細胞に発現する複数種の電位依存性Naチャネルサブタイプが起こす活動電位によって伝搬される.小型DRG細胞のうち,C線維をもつ細胞はさらに,糖蛋白であるisolectinB4(IB4)で認識される群(IB4陽性細胞)とされない群(IB4陰性細胞)とに分類される.これらは,それぞれ異なる種類の痛みの伝搬に関与しており.Naチャネルの発現も異なっている可能性が考えられる.そこで,野生型(WT)マウスと,痛みとの関連が指摘されているサブタイプであるNaV1.8を欠失したNaV1.8ノックアウト(KO)マウスからDRG細胞を単離し,IB4による生体染色を行い,IB4陽性細胞と陰性細胞を同定した.そして,ホールセルパッチクランプ法を用いて,各タイプの細胞に発現するNaチャネルの電気生理学的性質を解析し,活動電位の発生に果たす役割について検討した.その結果,WTマウスのIB4陽性細胞,陰性細胞共に,静止膜電位付近ではNaV1.8によるTTX-R/slow Na電流が活動電位の主体となっていることが示された.しかし,膜電位が過分極側になると,IB4陰性細胞でのみ,TTX感受性サブタイプによるTTX-S/fast Na電流が活動電位の一部を形成していた.このような違いが,それぞれの細胞群が異なる痛みの伝搬に関与していることと関連している可能性が考えられた.一方,NaV1.8 KOマウスのDRG細胞においては,IB4陽性細胞,陰性細胞共に,NaV1.8の欠失により,静止膜電位付近で主体となるNa電流がTTX-S/fast Na電流にスイッチし,代償的に働いている可能性が示唆された.さらに,IB4陽性細胞ではNaV1.9によるTTX-R/persistent Na電流のアップレギュレートが見られ,このサブタイプもNaV1.8を代償している可能性が考えられた.電位依存性ナトリウムチャネルは神経細胞の興奮を直接担っている膜タンパク質であり、9種類のサブタイプに分類される。これらはテトロドトキシン(tetrodotoxin ; TTX)に対する感受性の違いによって、TTX感受性および非感受性ナトリウムチャネルの二つのグループに分けられる。後根神経節(dorsal root ganglion ; DRG)ニューロンには、2種類のTTX非感受性ナトリウムチャネルサブタイプ(Na_v1.8とNa_v1.9)が発現している。TTX非感受性ナトリウムチャネルは、小型DRGニューロンに特異的に発現しており、痛覚の伝搬や疼痛の発現に重要な役割を果たしている。炎症などで産生遊離されるプロスタグランジン(prostaglandin ; PG)は、疼痛過敏やアロディニアの発現に深く関与している。その作用のメカニズムのひとつとして、PG特にPGE_2がDRGニューロンにおけるTTX非感受性ナトリウム電流を増強し、それによってDRGニューロンの過興奮が引き起こされるという考えが広く支持されている。しかしながら、これらの結果が報告された当時は、Na_v1.9の存在が知られておらず、PGE_2のTTX非感受性ナトリウムチャネルに対する影響についてはまだ未解明な点が多い。そこで、本研究では、これまでに私達の研究で得られたDRGニューロンにおけるTTX非感受性ナトリウム電流に関する知見を基に、Na_v1.8およびNa_v1.9に対するPGE_2の影響を再検討した。NA_v1.8およびNa_v1.9によって引き起こされる各コンポーネントのピーク電流値、活性化閾値、および活性化の電位依存性などのチャネルの性質は、いずれもPGE_2による有意な影響が認められなかった。

本研究の結果はTTX非感受性ナトリウムチャネルとPGE_2の関連についての再検討が必要であることを強く示唆する。痛みなどの侵害性情報は,小型後根神経節(DRG)細胞に発現する複数種の電位依存性Naチャネルサブタイプが起こす活動電位によって伝搬される.小型DRG細胞のうち,C線維をもつ細胞はさらに,糖蛋白であるisolectinB4(IB4)で認識される群(IB4陽性細胞)とされない群(IB4陰性細胞)とに分類される.これらは,それぞれ異なる種類の痛みの伝搬に関与しており,Naチャネルの発現も異なっている可能性が考えられる.そこで,野生型(WT)マウスと,痛みとの関連が指摘されているサブタイプであるNaV1.8を欠失したNaV1.8ノックアウト(KO)マウスからDRG細胞を単離し,IB4による生体染色を行い,IB4陽性細胞と陰性細胞を同定した.そして,ホールセルパッチクランプ法を用いて,各タイプの細胞に発現するNaチャネルの電気生理学的性質を解析し,活動電位の発生に果たす役割について検討した.その結果,WTマウスのIB4陽性細胞,陰性細胞共に,静止膜電位付近ではNaV1.8によるTTX-R/slow Na電流が活動電位の主体となっていることが示された.しかし,膜電位が過分極側になると,IB4陰性細胞でのみ,TTX感受性サブタイプによるTTX-S/fast Na電流が活動電位の一部を形成していた.このような違いが,それぞれの細胞群が異なる痛みの伝搬に関与していることと関連している可能牲が考えられた.一方,NaV1.8 KOマウスのDRG細胞においては,IB4陽性細胞,陰性細胞共に,NaV1.8の欠失により,静止膜電位付近で主体となるNa電流がTTX-S/fast Na電流にスイッチし,代償的に働いている可能性が示唆された.さらに,IB4陽性細胞ではNaV1.9によるTTX-R/persistent Na電流のアップレギュレートが見られ,このサブタイプもNaV1.8を代償している可能性が考えられた.
あやし行動場面における乳児と対面者の相互情動反応に関する生理心理学的研究

乳児は泣きやぐずりによって養育者に不快感や苦痛を訴え,養育者はそれによって乳児の状態を知り乳児の情動を調整するためにあやし行動をおこす。乳児はそのような相互交渉によって自分の情動を平静化させる。しかし,適切なあやし行動を行えないと,乳児の情動は治まらない。そして,それがまた,養育者の情動をネガティブに変え,これが引き金になって乳幼児の虐待を引き起こすことも考えられる。そこで本研究では,あやし行動時における乳児とその対面者の相互の情動変化について,生理心理学的研究を行った。顔面皮膚温,唾液中コルチゾール,あやし行動,あやし言葉,対乳児音声の測定を行った。乳児にあやし行動を行い,乳児の顔面皮膚温を測定した。その結果,乳児の情動変化に応じて,鼻部皮膚温が変化した。乳児をあやして笑いを喚起させると,鼻部皮膚温は低下した。また,対面者と乳児の唾液を採取して,情動変化を検討したところ,あやし行動を快と感じた対面者ほど,乳児あやし行動時にコルチゾール値が有意に低下した。一方,乳児については,様々な被験者にあやされた乳児のコルチゾール値はあやされることで有意に上昇した。対乳児音声については,multimodal mothereseとして知られる非接触的あやし行動や遊戯的音声を発言しながら乳児と関わっており,mothereseも出現していた。そこで本研究では,あやし行動時における乳児とその対面者の相互の情動変化について,あやし行動時における乳児とその対面者の相互の情動変化について,生理心理学的研究を行った。実験参加の同意を得た学生16名(女子8名・男子8名)を被験者とした。対象乳児は,6ヶ月の男児1名である。被験者は別室で60分間過ごした後,唾液採取を行い,乳児を10分間あやす。その20分後,再度,唾液採取を行った。また,実験後,主観的感情評定をするためのアンケートとインタビューを行った。乳児と対面者の行動と表情は,リモートコントロールが可能なビデオカメラ4台で撮影し,4画面合成録画をした。録画した映像を5秒間に区切ってコンピュータに取り込み,動画ファイルを作成した,行動・表情のカテゴリー分析を行った。また,乳児に関しては,Lewisら(1993)の方法を参考にして,泣きの評価を行った。唾液中コルチゾール濃度は採取した唾液試料を遠心分離した後,冷凍保存する。分析時に唾液を解凍,ろ過した後,セミミクロカラム高速液体クロマトグラフィーを用いて分析した。その結果、あやし行動を快と感じた対面者ほど,乳児あやし行動時にコルチゾール値が有意に低下することが分かった。そこで本研究では,あやし行動時における乳児とその対面者の相互の情動変化について,あやし行動時における乳児とその対面者の相互の情動変化にっいて,生理心理学的研究を行った。

被験者は別室で60分間過ごした後,唾液採取を行い,乳児を10分間あやす。その20分後,再度,唾液採取を行った。また,実験後,主観的感情評定をするためのアンケートとインタビューを行った。乳児と対面者の行動と表情は,リモートコントロールが可能なビデオカメラ4台で撮影し,4画面合成録画をした。録画した映像を5秒間に区切ってコンピュータに取り込み,動画ファイルを作成した,行動・表情のカテゴリー分析を行った。また,乳児に関しては,Lewisら(1993)の方法を参考にして,泣きの評価を行った。唾液中コルチゾール濃度は採取した唾液試料を遠心分離した後,冷凍保存する。分析時に唾液を解凍,ろ過した後,セミミクロカラム高速液体クロマトグラフィーを用いて分析した。その結果、乳児に対して苦手意識のある学生が乳児をあやした場合,交流中に乳児のコルチゾール値が上昇した。一方,対面者は交流中にコルチゾール値の有意な上昇はみられなかった。乳児は泣きやぐずりによって養育者に不快感や苦痛を訴え,養育者はそれによって乳児の状態を知り乳児の情動を調整するためにあやし行動をおこす。乳児はそのような相互交渉によって自分の情動を平静化させる。しかし,適切なあやし行動を行えないと,乳児の情動は治まらない。そして,それがまた,養育者の情動をネガティブに変え,これが引き金になって乳幼児の虐待を引き起こすことも考えられる。そこで本研究では,あやし行動時における乳児とその対面者の相互の情動変化について,あやし行動時における乳児とその対面者の相互の情動変化について,生理心理学的研究を行った。今年度は,あやし行動,あやし言葉,対乳児音声について分析を行った。乳児との接触経験がない男子学生(1824歳)18名,女子学生(1822歳)14名を被験者とし,生後34ヶ月の男児1名を対象乳児とし,実際に乳児をあやす場面で,学生が(1)どのようなあやし行動を行うのか,(2)どのようなあやし言葉を発するのか,(3)その音声にmothereseが出現するのかについて調べ,それらに(4)男女差はみられるのか検討を行った。男女とも乳児の機嫌が悪くならなかった学生は,multimodal mothereseとして知られる非接触的あやし行動や遊戯的音声を発言しながら乳児と関わっていた。一方,男女ともに乳児の機嫌が悪くなった学生は,身体運動的なあやしや接触的あやし行動,注意喚起や受容的な発言をしていた。しかし,そのどちらにおいても,男女ともにmothereseが出現していた。即ち,乳児との接触経験がなくてもmothereseが出現することが明らかになった。
第7回国際棘皮動物学会議のためのシンポジウム及び研究会の開催

本プロジェクトの目的は、1990年に日本で開催が予定されている国際棘皮動物学会議に備えて、国内の体制を整え、棘皮動物学の現況と将来の展望を確立することにある。そのため、次に上げる項目について計画し、実行し、成果を納めた。1国内の棘皮動物研究の指導的位置にある研究者を、各分野を網羅するように選び、昭和63年12月17日及び18日富山県富山市および宇奈月に於て研究会を開催した(クローズド)。これにより、国内の棘皮動物研究者を、発生学、生化学、生理学、形態学及び分類学および生態学などの分野にわけ、国際会議にむけて組織化する基礎がつくられた。特に日本において国際棘皮動物学会議には未参加であった生態学関係者が組織化されたことは、大きな進展であった。2上記国内研究者に加え、国外の棘皮動物研究者のリストアップを行ない、国際会議開催に備えた。その結果約400人の研究者の名簿が作成された。3以上の実績のもとに、日本国内における棘皮動物学関連の各分野の研究の現状と将来の展望に関して、オープンのシンポジウムを昭和64年1月15日、東京・早稲田大学講堂で開催した。このシンポジウムには約100人の参加があり、各分野をカバーする9演題について発表が行なわれた。各発表は活発な討議をともない、棘皮動物学についての理解を深めた。なお、このシンポジウムの発表の内容は研究成果報告書をまとめ、広く関係者に配布した。
磁化運動および力学運動を用いたスピン流制御の理論

ナノスケールの極小磁石を対象として、磁石の方向である磁化の運動と物体そのものの運動から磁気の流れである「スピン流」を生み出す新しい手法の理論提案を行った。ナノ磁石の境界である「磁壁」の運動に伴い発生する微小電力の出力安定化に有利な性質(高磁気異方性)を特定することで、従来材料の100倍の出力増大が可能であることを明らかにし、その磁気デバイス応用の提言を行った。また、金属の表面や界面に発生する特殊な磁場を用いることで、極めて強力なナノ磁石を作ることができることを理論的に明らかにした。更に、液体金属を使うことで物体運動からのスピン流生成が可能であることを理論的に予言し実験グループと共に実証した。1スピン起電力の理論とこれまでに行われた実験に関する初めての総合報告を発表した(SPIN)。2スピン起電力の基礎理論の拡張の一環として、スピン軌道相互作用の影響を調べ、磁化が一様・静的でも電場の時間変化でスピン起電力が発現することを示す全く新しい理論式を導出した(Physical Review B)。3上記2の研究をさらに発展させることで、ラシュバ型スピン軌道相互作用による界面磁気異方性の新しい発現機構を発見し、電界による強磁性超薄膜の磁気を制御する手法の提案を行った(Scientific Reports)。4スピン起電力の応用研究として、(株)日立と共同で2件の特許出願(発明名称:磁気メモリ、スピン流制御装置)を果たした。5力学的スピン流生成の手法として、スピン回転結合に基づく微視的理論構築を行った。この成果は、力学的スピン現象に関するSolid State Communications誌の特別号"Spin Mechanics"に掲載が決定している。磁化運動によるスピン流制御に関して、代表者がこれまでに理論的な提案を行い、実験グループと共同で開発を進めてきた磁壁の運動に伴うスピン起電力に特に注目し、そのさらなる応用展開を図った。第一に取り組んだ課題は、スピン起電力の出力安定化機構の解明である。数値シミュレーションを用いた解析により、スピン起電力に生じるスパイク状ノイズの原因は、磁壁の変形を伴う非線形ダイナミクスにあることを突き止めた。そこで、磁気異方性の大きな強磁性体を用いることで、磁壁の運動を制御しこれまでの100倍の大きさのスピン起電力が安定して生成されることを理論的に明らかにした。また、磁気異方性の大きな物質は素子の微細化の点でも有利であることを示した。以上の結果は、Appl. Phys. Lett.誌に発表され、スピン起電力を応用する際の材料設計に強力な指針を与える研究成果であるとして、Virtual Journal of Nanoscale Science and Technology誌に注目論文として取り上げられた。以上の成果に基づき、第二に、ナノ加工を施した磁性細線を用いることで、直流磁場を交流電圧に直接変換する機構を考案した。これにより、入力する直流磁場の大きさや変換に用いる強磁性細線の形状を変えることで出力電圧の交流特性が制御可能となる。本成果はAppl. Phys. Lett.誌に発表され、磁気と電気という異種のエネルギー形態を直接結びつけた、高効率なエレクトロニクス分野を切り開く大きな一歩であり待機電源が不要な電子素子などへの応用が期待されるとして、American Institute of Physics (AIP)の注目論文(Physics News Highlights)に選定され、Physorg.comを含めた複数の海外技術情報ポータルサイト、電気新聞、日本経済新聞で報道された。1スピン起電力の出力増大と応用を目的とした磁気バブル格子の理論・数値解析を行い、磁場勾配から電圧生成が可能であることをはじめて示すとともに、出力電圧が磁気バブルの配列数に比例して増大することを明らかにした(Scientific Reports)。本研究はドイツマインツ大学との国際共同研究成果であり、3月に開催された第70回日本物理学会年次大会においても口頭発表した。2ラシュバ型スピン軌道相互作用による界面磁気異方性の理論を発展させるとともに、学会及び研究会(日本物理学会、及び応用電子物性分科会研究会)において招待講演を行った。3日立製作所と共同で出願していた特許2件(磁気メモリ、スピン流制御装置)が登録された。4力学的スピン流生成の理論に関して、東北大学で行われた国際研究会Spin Mechanics 2において招待講演を行った。また、液体金属の流れからのスピン流生成の手法として、スピン回転結合に基づく微視的理論構築を行った。この成果は、実験グループとの共著論文として論文投稿し現在査読中である。5力学回転運動によるバーネット磁場の核磁気共鳴法を用いた観測結果に関して、理論的な考察を行い実験グループとの共著論文として成果発表を行った。最終年度は、スピン起電力の出力増大を目的として、対象物質をこれまでの強磁性体からより高速・高エネルギー励起が期待される反強磁性体に拡張する試みに着手した。このために、反強磁性体研究が盛んなドイツマインツ大学と国際共同研究を開始した。また、液体金属からの力学スピン流生成では、発現機構がスピン回転相互作用を通じた流体の形成する渦度の横揺らぎにあることを見出し、現象理解の突破口を開いた。さらに、力学スピン流生成の理論に関する初めての総合報告を発表した。研究期間全体では、磁壁の運動に伴うスピン起電力に特に注目し応用展開を図った。第一に、スピン起電力の出力安定化に取り組んだ。数値解析により、パーマロイ中の磁壁移動実験で生じるスパイク状電圧ノイズの原因が、磁壁構造変化を伴う非線形ダイナミクスにあることを突き止め、磁気異方性の大きな材料に置換することで10100倍のスピン起電力が安定生成されることを明らかにした。

さらに、ラシュバスピン軌道相互作用による垂直磁気異方性の理論を構築し、外部電界による磁化制御の可能性を指摘した。本成果は、日刊工業新聞、化学工業日報、Phys.org、Materials Today等で報道されるとともに、関連学会・研究会での招待講演を行った。第二に、ナノ加工を施した磁性細線を用いることで、直流磁場を交流電圧に直接変換する機構を考案した。入力直流磁場の大きさや強磁性細線の形状を変えることで出力電圧の交流特性が制御可能となる。本成果は、American Institute of Physicsの注目論文に選定され、Phys.org、電気新聞、日本経済新聞等で報道された。また、スピン起電力の応用研究として、(株)日立製作所と共同で2件の特許出願を果たし、共に特許登録された。以上の成果に関連し、平成28年度科学技術分野の文部科学大臣表彰若手科学者賞を受賞した。ナノスケールの極小磁石を対象として、磁石の方向である磁化の運動と物体そのものの運動から磁気の流れである「スピン流」を生み出す新しい手法の理論提案を行った。ナノ磁石の境界である「磁壁」の運動に伴い発生する微小電力の出力安定化に有利な性質(高磁気異方性)を特定することで、従来材料の100倍の出力増大が可能であることを明らかにし、その磁気デバイス応用の提言を行った。また、金属の表面や界面に発生する特殊な磁場を用いることで、極めて強力なナノ磁石を作ることができることを理論的に明らかにした。更に、液体金属を使うことで物体運動からのスピン流生成が可能であることを理論的に予言し実験グループと共に実証した。本年度の研究計画に掲げた、「複合磁気構造の集団運動によるスピン起電力の出力増大」という中心課題に対し、磁場勾配による磁気バブル格子の運動を解析することで、実際に出力電圧が磁気バブルの配列数に比例して増大することを示し論文・学会で発表を行った。本成果は、スピンを用いたエネルギー変換技術の新しい可能性を切り開くものとして、理論・実験の両面で今後の発展が期待される。また、実験グループとの連携に関しても、ドイツマインツ大学で行われている回転磁場による強磁性ナノリング中の磁壁運動とそれに伴うスピン起電力の理論解析を担当している。もう一つの中心課題である、力学運動からのスピン流生成に関しては、特に所属研究機関の実験グループで行われた「液体金属の流体運動からのスピン流生成実験」の微視的理論構築に成功した。本成果は、スピン流物性の舞台を従来の固体から流体に拡張する画期的な試みであり、流体スピントロニクスという新分野を切り開く可能性を秘めている。以上のことから、本研究は極めて順調に進展していると判定した。物性理論最終年度として、磁化運動および力学運動を用いたスピン流制御の理論の統一的な視点を得ることを主眼に置く。また、関連する実験グループとの共同研究を加速し、成果発表につなげる。
複合トレーサー内蔵ペレットを用いた不純物蓄積回避スキームにおけるロバスト性の検証

核融合プラズマ中に不純物が溜まる現象を回避する方法は幾つかあるが、それを実現させている物理機構の解明が現在の課題である。また、適用裕度(ロバスト性)に着目した回避手法の最適化研究は、ほぼ手つかずの状況にある。研究代表者は、低Z不純物と高Z不純物を等量含む複合トレーサー内蔵ペレットを新たに開発し、大型ヘリカル装置において不純物蓄積回避手法におけるロバスト性の実験的検証を低Z不純物と高Z不純物に対して同一条件で実施し、その検証を飛躍的に加速させる。これにより、不純物蓄積回避の鍵となる物理パラメータを抽出し、計算による結果との比較、検証から、不純物蓄積回避を実現させている物理機構の解明を目指す。
原子レベルからみたセラミックス粒界ガラス相の破壊挙動

セラミックスの破壊強度は雰囲気の影響を大きく受ける。特にアパタイト-ウォラストナイトガラスーセラミックス組成の人工骨では、ガラス相を粒界相に存在するので、その影響は顕著である。本研究では、この人工骨を用いて、凝似体液を始めとする種々の環境下で、破壊特性がどのように変化するかについて調べるとともに、破壊じん性が大きく、応力腐食や疲労を受けにくくするには、組成をどのように改善すれば良いかなどについて検討を行った。得られた結果は以下の通りである。(1)アパタイトーウォラストナイト人工骨セラミックス(以下AW)の安定破壊試験を行ない、破壊じん性値が1.12MPa・m^<1/2>であることがわかった。また、その有効破壊エネルギ-は、ケロシン中で3.88Jm^<ー2>となったが、水中では1.99、凝似体液中では1.84と大きく減少し、応力腐食反応を人工骨が受けやすいことがわかった。また、破断面のSEM観察の結果、破壊は粒界ガラス相で生じていることがわかった。以上より、水や凝似体液は、粒界のガラス相と腐食反応をおこし、破壊エネルギ-、つまり破壊じん性値を下げることがわかった。実際に、使用条件下では、応力を受けているので、この反応を抑えることが肝要である。そこで、ガラス組成をケイ酸塩、リン酸塩、ホウ酸塩ガラスを変化させ、ガラス自体の安定破壊をおこさせ、その挙動を観察したところ、ケイ酸塩ガラスでは胞性破壊しやすいのに対し、リン酸塩やホウ酸塩ガラスでは塑性変形をおこしやすいことがわかった。そこで、出発原料として、リン酸塩組成を多く含ませることにより、人工骨セラミックスの破壊特性を改良できることがわかった。(2)分子動力学コンピュ-タシミュレ-ションにより、原子レベルでの破壊実験を行なったところ、ホウ酸塩ガラスではその構造にボロキソルリングなど中距離表面構造があるので塑性変形しやすい事がわかった。
エッジヘビィデータ環境下におけるストリーミング計算用非線形フィルタ手法の研究

ビッグデータの量の著しい増大スピードの一因である発生速度の増大は、センサー技術の向上と廉価化がもたらした産物である。情報システムの実世界との接点となる現場でのデータ発生頻度は増大の一途である。この現象はエッジヘビィデータ問題とも呼ばれている。ビッグデータはそのままクラウドへ輸送することは現実的でなく、その場で目的に応じたオンライン計算が必須である。本研究では、異なる特性をもつフィルタリング機能の優れた点を融合した手法の開発を目標とする。その結果、ストリーム計算の適用可能性を拡大する。ビッグデータは、ECサイトやソーシャルメディアのようなクラウド上だけでなく、むしろエッジと呼ぶべき、インターネットの終端である計測・観測の現場で大量生産されている。それらをそのままクラウドへ輸送することは、その輸送コストおよび帯域量の観点から現実的でなく、その場で目的に応じたオンライン計算が必須である。その目的のために、機械学習分野ではストリーム計算と呼ばれる研究分野が大きな注目を浴びている一方、大規模な次元の観測ベクトルデータの処理に関しては気象・海況予報分野において逐次データ同化手法の研究がこの20年間継続的になされてきた。本研究では、この異なる特性をもつフィルタリング機能の両者の優れた点を利用した手法の開発を目標とする。初年度は既存手法の調査と整理にあてた。樋口は機械学習分野のストリーム計算の最新動向を調べた。特に、問題のタイプ(判別問題、回帰問題、...)、入力データの次元、出力データのタイプ、パラメータベクトルの次元、判別関数や回帰モデル等の出力データ表現の種類、学習器内の最適化法、細かい数値技術など、複数項目の観点から整理した手法の分類を行なった。機械学習コミュニティで研究されてきたFOBOSやRDAへの考察はもちろん、Fused Lassoのようなオフラインタイプの最適化問題の便宜的な簡易解法の調査も行なった。中野はデータ同化研究開発センターの我々以外のメンバーとも連携して、逐次データ同化手法、特にアンサンブルベースの逐次フィルタ研究の最前線を調査した。斉藤は中野と協力して、アンサンブル変換カルマンフィルタおよび局所アンサンブル変換カルマンフィルタのコンピュータ上への実装を開始した。各メンバーの調査結果をとりまとめ招待レビュー記事として発表を行なった。さらには、樋口、中野、齋藤の三人で、学会でのチュートリアルセミナーも企画および実施した。3年研究計画の課題の中間年にあたる本年度は、逐次データ同化手法のストリーム計算への適用可能性を探った。特に、ストリーム計算でアドホックに定めていたメタパラメータ(パラメータベクトルに係わる各拘束条件の重み)を、データ適用的に決定する方策ついて検討した。具体的には、時変メタパラメータの推定に状態空間モデルでよく利用する、ハイパーパラメータ(ここではメタパラメータに相当)に対する平滑(smoothness)拘束条件を採用する。その拘束条件も含めて学習器全体を自己組織化状態空間モデルで表現し、この状態空間モデルに対して逐次データ同化手法を適用した。逐次データ同化のアンサンブルから、最適化による推定とは異なる特性をもつパラメータベクトルを算出するアルゴリズムを開発した。本年度はマスメディア等により、一般の方々も含めて人工知能への興味と期待が大きくふくれあがった年であった。特に産業界においては、IoT(Internet of Things)の潜在的能力の本格的利用には人工知能が欠かせないという理解のもとに、人工知能の基礎技術である機械学習への注目度がこれまで以上に大きくなっている。IoTと機械学習技術の接点となる重要な要素技術は、本研究課題の主題でもあるストリーム計算と断言しても間違いない。産業界でもその認識を共有する方々が徐々にではあるが増えてきており、そのため本研究課題の狙いと方向性について、その紹介依頼が産業界を中心に多方面から本年度はかなり増えた。この点から、少なくともメニューAおよびBの方法論の観点からの研究進捗は、一定の評価を得られたと考えている。その一方で、Bメニューの具体的な数値実験の評価作業については、計算速度の観点からの検討がまだ不十分であり、そのため論文等の発表にまでには至らなかった。従って、総合的観点から研究はおおむね順調に進展していると判断した。ビッグデータはエッジと呼ぶべき、インターネットの始端である計測・観測の現場で大量に算出されている。1000倍の速度の無線LANが計画中であるものの、ビッグデータをそのままクラウドへ輸送することは、ブロードバンドの将来的発展を考えても、輸送コストおよび帯域量の観点から、現場での目的に応じたオンライン計算の研究の重要性は増してきている。事実この数年、機械学習分野ではストリーム計算と呼ばれる研究分野が大きな注目を浴びてきた。一方、大規模な次元の観測ベクトルデータの処理に関しては、気象・海況予報分野において、逐次データ同化手法と呼ばれる計算手法の研究がこの20数年間継続的になされてきた。本研究では、この異なる特性をもつフィルタリング機能の両者の優れた点を相互に利用する手法の開発を目指した。最終年度では、二つの研究軸(AメニューとBメニュー)各々でまとめの作業に注力した。

Aメニューは、逐次データ同化手法のストリーム計算への適用可能性を探るものであり、逆にBメニューはストリーム計算で利用される最適化技法の逐次データ同化手法への適用を模索するものである。Aメニューでは、入力ベクトルとして時刻tの入力画像データ、観測データを二値(例えば、映像内の不審者の有無)、(潜在変数)状態ベクトルとして判別器に含まれるパラメータとする、時変判別器構築問題に対して、前年度考案したアンサンブルベースの非線形フィルタの適用を試みた。Bメニューでは、比較的低次元の状態空間モデルを用いた双子実験により、ストリーム計算を模倣する非線形予測フィルタのMAP解としての数値的振る舞いを考察した。さらに、これまで開発してきた非線形フィルタのソース等をPythonライブラリとして整理したプラットフォームを構築した。あわせて、論文や国際会議等での発表情報とあわせてホームページで情報を公開した。ビッグデータの量の著しい増大スピードの一因である発生速度の増大は、センサー技術の向上と廉価化がもたらした産物である。情報システムの実世界との接点となる現場でのデータ発生頻度は増大の一途である。この現象はエッジヘビィデータ問題とも呼ばれている。ビッグデータはそのままクラウドへ輸送することは現実的でなく、その場で目的に応じたオンライン計算が必須である。本研究では、異なる特性をもつフィルタリング機能の優れた点を融合した手法の開発を目標とする。その結果、ストリーム計算の適用可能性を拡大する。初年度は調査研究が主であった。従って、調査の結果を何らかの形で研究者コミュニティに還元することは、確実な一つの研究成果と考えられる。研究テーマを想起した時の予想通り、ビッグデータ分析法におけるストリーム計算の研究はますます盛んとなり、それらとの関連性の高いエミュレーション研究についても、少しずつではあるがその重要性の認識は高まりつつある。その大きなうねりのなかで、本研究テーマの研究参加者が、調査研究の内容を整理し全体像を俯瞰する形でチュートリアルセミナーを企画できたことは、初年度の研究目的の内容から鑑みると、十分に目的は達成できたと考えられる。また、逐次データ同化手法の今後の方向性を調査した結果は、論文の前書き等にも情報として入れることができ、さらに複数の論文発表にまで至った点は高く自己評価できる。また、多数の国内外の国際会議やワークショップで、本研究テーマに関連した研究内容に関するレビュー的招待講演を行ったことは、本研究テーマが研究者コミュニティから注目されていることの証左である。ただし、非線形フィルタの計算機への実装については、参加者間で充分な議論の時間がとれたとまでは言えず、やや不満が残った。
感染予防利用へ向けたビフィズス菌の細胞接着タンパク質遺伝子構造の解析

本研究ではビフィズス菌をはじめとするいわゆる腸内有用細菌とされる乳酸菌の腸上皮への付着機構を明らかにする目的として、菌体の有する糖鎖結合性を解明することとした。その結果、Bifidobacterium bifidum、Lactobacillus reuteriおよびLactobacillus acidophilusに属する菌株で複合糖質糖鎖に結合することが見いだされた。興味あることに、これらの菌株の一部はHelicobacter pyloriなどの病原菌の細胞レセプター分子への結合を競合的に阻止することが見いだされ、感染予防へ利用できることが証明された。また、糖鎖結合性を示すそれぞれの乳酸菌株から結合タンパク質の同定を試みたところ、いずれの菌株も菌体表層の50-60Kdaタンパク質がその結合に関与していることが示唆された。そこで、それぞれの遺伝子をクローニングし、塩基配列を解析した。さらに、大腸菌でそれぞれのタンパク質を組み換えタンパク質として発現させ、糖鎖結合性を調べたところ、L. acidophilusで発現していた分子量50Kdaのタンパク質は糖タンパク質糖鎖中のマンノースに結合することが示された。一方、他の2株で見いだされたタンパク質は特異的に糖鎖に結合することは見いだされなかった。申請者はこれまで、Bifidobacterium bifidumが糖脂質であるアシアロGM1およびスルファチドに結合し、これらをCaco-2細胞上でレセプター分子として利用していること、本菌株が胃腸管感染症起因菌であるHelicobacter pylori, Salmonella typhimurium, Escherichia coli pb株に対する細胞付着阻害効果を持つことを明らかにしてきた。また、糖脂質上の結合サイトと考えられる糖鎖を固定化したアフィニティーゲルを用いたクロマトグラフィーによって、Bifidobacterium bifidum菌体表層から効果的に糖脂質結合タンパク質を精製することが可能となった。また本タンパク質のアミノ酸配列を決定した結果、これまでには報告されていない新規なタンパク質であることが明らかとなった。現在アミノ酸配列情報に基づき糖脂質結合タンパク質をクローニングを行っているが未だ成功していない。ところで、Lactobacillus属乳酸菌も含め、本菌株と同様な細胞付着機構および病原微生物に対する付着阻害活性を有しているか検索したところ、Lactobacillus reuteri菌株に同様の機構、活性が見出された。従って、本研究で見出されたレクチン活性は種を越えて保存されている可能性が考えられた。今後は、ビフィズス菌とLactobacillus reuteriの両菌株を用い、比較検討していく予定である。本研究ではBifidobacterium bifidumの腸上皮細胞への接着に糖鎖結合タンパク質が関与しているものと考え、タンパク質および遺伝子レベルで同定することを目的とし、遂行してきた。その結果、約60kDaの菌体表層タンパク質が糖鎖結合タンパク質であるものと推察された。また昨年度、B.bifidumに加え、Lactobacillus reuteriおよびLactobacillus acdophilusにおいても糖鎖結合タンパク質を発現している株の存在を明らかにした。これらの菌も糖鎖結合タンパク質として分子量約50-60kDaのタンパク質が関与していることを示唆した。本年度は、これら3種の菌株が産生する糖鎖結合タンパク質遺伝子の同定を試みるとともに、大腸菌における発現タンパク質を作製し、糖鎖結合タンパク質の性状を明らかにすることを目的とした。PCR法およびインバースPCR法でそれぞれの遺伝子を増幅し、塩基配列を解析しORFを決定した。また、塩基配列の情報に基づき成熟タンパク質領域を大腸菌で発現させた。その結果、B.bifidumおよびL.reuteriの遺伝子情報に基づいて作製された発現タンパク質は目的とする糖鎖に結合しなかったが、L.acidophilusにおいてはマンノース糖鎖に結合することが示され、確実に糖鎖結合タンパク質であることを明らかにした。また、L.acidophilusにおける発現タンパク質は腸管切片を用いた免疫染色法で、上皮部分によく結合することも示された。前2者の発現タンパク質が糖鎖に結合しなかった原因については今後検討していく予定である。
バナジウムを含む富士山地下水を用いた糖尿病治療法に関する基礎的研究

富士山周辺の地下水や湧水には、微量元素「バナジウム」が多く含まれている。一方、バナジウムを糖尿病モデル動物に与えると、血糖値の上昇が改善されることが報告されている。そこで我々は、富士山地下水に含まれるバナジウム濃度と同レベル(0.1mg/L)のバナジウム水溶液を調製し、これを糖尿病モデル動物に3ヶ月間飲料水として与え飼育した。しかし、糖尿病改善効果は認められなかった。一方、薬物療法を行っている糖尿病患者の中には、富士山地下水を飲み始めると血糖値が改善された者がおり、バナジウムと糖尿病薬との相互作用による相乗的薬理効果が期待されている。そこで、これらの相互作用を検討し、バナジウムを含む富士山地下水を用いた新しい糖尿病治療法の開発を目的として、糖尿病疾患モデルマウス(KK-A^y)を用いてバナジウム溶液と経口糖尿病薬併用による検討を行った。糖尿病薬として、スルホニルウレア系の薬物であるグリベンクラミド(オイグルコン^R、ダオニール^R)および、ビグアナイド系の薬物であるブホルミン(ジベトスB^R)を選び実験に使用した。なお、バナジウム溶液は、富士山地下水中バナジウムと同じ化学形態であるバナデート(メタバナジン酸アンモニウム)を用い、1mg/Lに調製した。動物の臓器に十分バナジウムが蓄積した時点(5週間飼育後)で、これら糖尿病治療薬を与えたが、バナジウム溶液を与えていない対照の動物と比べ、糖尿病治療効果(血糖値、HbAlc、総コレステロール、中性脂肪)に差は認められなかった。従ってこれらの結果から、糖尿病治療薬の薬理作用をバナジウムが増加させる働きは認められないと考えられた。しかし、今回の実験では糖尿病治療薬単独投与による薬理効果が明確に認められない場合があり、投与条件や動物の飼育条件の更なる検討が必要であると考えられた。富士山周辺の地下水には、微量元素「バナジウム」が多く含まれている。バナジウムを経口的に糖尿病疾患モデル動物に摂取させると、血糖値の低下することが報告されている。そこで我々は、地下水に存在するバナジウムと同じ化学形であるバナデート(VO_3^-)で0.1mg/Lバナジウム水溶液(富士山地下水中バナジウム濃度レベル)を調製し、糖尿病疾患モデルマウスに飲料水として与えた。一方、薬物療法を行っている糖尿病患者の中には、富士山地下水を飲み始めると血糖値が改善された者がおり、バナジウムと糖尿病薬とのコンビネーションによる新しい糖尿病治療法の開発が期待されている。そこで本研究は、富士山地下水と糖尿病薬との併用による、新しい糖尿病治療法の開発を目的とし、富士山地下水を飲料水として与えて飼育した糖尿病疾患モデル動物に糖尿病薬を与え、その治療効果について検討を行う。また、糖尿病に効果を示す元素としてはバナジウム以外に亜鉛、クロム、セレン、マンガンなども知られている。富士山地下水にはバナジウム以外に多くのミネラル成分も含まれており、バナジウムとこれら成分が相乗的に働いて糖尿病を改善する可能性も否定できない。そこで初年度は、糖尿病疾患モデルマウス(KK-A^y)に富士山地下水ならびにその濃縮液を飲料水として与え飼育し、定期的に血糖値ならびにグリコヘモグロビン(HbA1c)の測定を行った。その結果、富士山地下水やその濃縮液だけでは糖尿病治療効果が示されないことが明らかとなった。この結果をふまえ、2年目に富士山地下水と糖尿病薬との併用効果を検討する予定である。また、これら動物の臓器中バナジウム量をICP-MSで測定した。その結果、肝臓、腎臓および筋肉にバナジウムが蓄積することが明らかとなった。

2年目は尿中への排泄量に関しても検討する予定である。富士山周辺の地下水や湧水には、微量元素「バナジウム」が多く含まれている。一方、バナジウムを糖尿病モデル動物に与えると、血糖値の上昇が改善されることが報告されている。そこで我々は、富士山地下水に含まれるバナジウム濃度と同レベル(0.1mg/L)のバナジウム水溶液を調製し、これを糖尿病モデル動物に3ヶ月間飲料水として与え飼育した。しかし、糖尿病改善効果は認められなかった。一方、薬物療法を行っている糖尿病患者の中には、富士山地下水を飲み始めると血糖値が改善された者がおり、バナジウムと糖尿病薬との相互作用による相乗的薬理効果が期待されている。そこで、これらの相互作用を検討するため、バナジウムを与えて飼育した糖尿病モデルマウスに糖尿病薬を飲ませ、その治療効果について検討を行った。糖尿病薬としてブホルミンとグリベンクラミドを選んだ。ブホルミンは肝臓からのブドウ糖の放出抑制や抹消(主に筋肉)でのブドウ糖の取り込み増加、グリベンクラミドは主に膵臓のβ細胞からのインスリン放出の促准を作用機序としている。実験は糖尿病モデルマウス(KK-Ay)5週齢に1mg/Lのバナジウム水溶液を飲料水として与え、9週齢になるまで飼育した。対照群には精製水を同様に与えた。これら動物にブホルミンあるいはグリベンクラミドをそれぞれ1日1回、9日間投与した。投与期間中血糖値およびHbA1cを測定したが、バナジウムと糖尿病薬併用による効果は認められなかった。10日目に血漿中総コレステロールおよび中性脂肪を測定したが、対照群との間に差は認められなかった。また、臓器中のバナジウム量を測定した結果、肝臓および腎臓で蓄積量の増加が認められた。従って、バナジウム蓄積量に差はあるが、経口糖尿病薬の作用に差は認められないことが明らかとなった。
凍結乾燥法による夛孔質セラミックスの新しい製造法の開発

凍結乾燥法による夛孔質セラミックスの製造法の開発にあたり、次のような実験を行った。1.出発原料として、硫酸アルミニウム水溶液を用い、これに焼結助剤となる硫酸マグネシウムを加え、この混合水溶液を直径2.1mmの球状液滴とし、急速凍結した。2.凍結粒子を減圧容器に移し、氷を昇華除去し、乾燥粒子を得た。3.乾燥粒子を熱分解炉にて仮焼し酸化物粒子を得た。4.この酸化物粒子の、形状観察および粒子径、細孔径の計測のために光学顕微鏡およびSEM観察を行い、次いで比表面積の測定を行った。また、粒子の圧縮破壊試験を行い機械的強度を求めた。上記の実験から次のような結果を得た。1.多孔質セラミックスの細孔径は、次の因子に支配される。(1)凍結速度(2)原料金属塩濃度(3)焼結温度および時間2.粒子の機械的強度は、次の条件によって変化する。(1)凍結バスの温度および冷媒の種類(2)焼結助剤の酸化マグネシウム添加量(3)焼結温度および時間(4)仮焼条件3.上記の検討結果から、次のような条件のもとで、実用に供せられる球状多孔質アルミナ粒子(粒子径0.5mm;平均細孔径1μm;比表面積の2m^2/g破壊荷重205g)を得た。
状態空間法による多変数適応2自由度モデル予測制御手法の開発と化学プロセスへの応用

モデル予測制御手法とは,プラント出力の長期予測をもとに制御系を設計する手法であり,外乱やモデル化誤差に対してロバスト性が高く,入出力の制約条件が考慮でき,さらに,商業用ソフトウェアが充実しているなどの特徴を持つため,主に化学プロセス制御の分野で広く用いられている.しかし,モデル予測制御手法は化学工学分野もしくは応用現場の中で発展してきたため,システム制御理論分野の先端的な制御手法が十分に活用されていなかった.この問題に対し,当研究者らはシステム制御理論の分野で活発に研究されている2自由度制御系設計手法をモデル予測制御手法に導入することに取り組み,モデル予測制御手法の一種である一般化予測制御(Generalized Predictive Control;GPC)手法を拡張し,その2自由度構成法を与え,新しく提案された手法が,従来のGPC法に比べ,過渡応答やロバスト安定性に優れていることを確認した.本研究では,そのような2自由度構成されたモデル予測制御手法の1)多変数化,2)適応化を理論と実験の両方面からの有効性の検討を行うことを目的とした.昨年度は,この研究目的に対し,2.状態空間法のGPCの多変数系に拡張する研究発表.(システム制御情報学会論文誌,2000)3.1入出力系の2自由度GPCを適応系に拡張し,アルバータ州立大学の計算機プロセス制御研究室に2週間滞在して,温度制御用パイロットプラントに適用する実験をおこなった.本年度は,その研究結果に基づき,適応型2自由度GPC手法の提案とその制御手法を温度制御用パイロットプラントに適用した実験結果をイタリア,ピサで開催されたIFAC AdChem2000において発表した.また,2自由度GPCに関連する本研究の結果も含めた状態空間法を用いたGPCに関する解説記事も,計測自動制御学会の学会誌「計測と制御」に発表した.さらに,適応アルゴリズムの高性能化を目指し,ハイゲインフィードバック制御を用いた適応制御手法の高性能化について論文発表を行った(システム制御情報学会).以上の研究結果より,本研究の研究目的である2自由度構成されたモデル予測制御手法の多変数化,および適応化に対する基本的な成果が得られたと考えられる.モデル予測制御手法とは,プラント出力の長期予測をもとに制御系を設計する手法であり,外乱やモデル化誤差に対してロバスト性が高く,入出力の制約条件が考慮でき,さらに,商業用ソフトウェアが充実しているなどの特徴を持つため,主に化学プロセス制御の分野で広く用いられている.しかし,モデル予測制御手法は化学工学分野もしくは応用現場の中で発展してきたため,システム制御理論分野の先端的な制御手法が十分に活用されていなかった.この問題に対し,当研究者らはシステム制御理論の分野で活発に研究されている2自由度制御系設計手法をモデル予測制御手法に導入することに取り組み,モデル予測制御手法の一種である一般化予測制御(Generalized Predictive Control;GPC)手法を拡張し,その2自由度構成法を与え,新しく提案された手法が,従来のGPC法に比ベ,過渡応答やロバスト安定性に優れていることを確認した.本研究では,そのような2自由度構成されたモデル予測制御手法の1)多変数化,2)適応化,3)理論と実験の両方面からの有効性の検討,を行うことを目的とする.今年度は,この研究目的に対し,2.状態空間法のGPCの多変数系に拡張する研究発表.(システム制御情報学会論文誌,2000)3.1入出力系の2自由度GPCを適応系に拡張し,温度制御系に適用.(IFAC AdChem 2000,June 2000)をおこなった.その結果,1.2自由度GPCを多変数系に拡張することに対する方法は実現可能である.2.1入出力系に対する2自由度GPCに適応機構を導入することによって,制御対象のプロセスに大きな不確かさが含まれる場合も,良好な応答が得られることを実験的に確認した.などが,わかった.来年度は,今年度の研究結果を踏まえて,1,多変数系の2自由度GPCに適応機構を導入する手法の確立.2.スーパバイザ(監督機構)を導入し,動作条件の変化に対して適応的に制御則を切り替える機能も加える手法の確立.を行う予定である.モデル予測制御手法とは,プラント出力の長期予測をもとに制御系を設計する手法であり,外乱やモデル化誤差に対してロバスト性が高く,入出力の制約条件が考慮でき,さらに,商業用ソフトウェアが充実しているなどの特徴を持つため,主に化学プロセス制御の分野で広く用いられている.しかし,モデル予測制御手法は化学工学分野もしくは応用現場の中で発展してきたため,システム制御理論分野の先端的な制御手法が十分に活用されていなかった.この問題に対し,当研究者らはシステム制御理論の分野で活発に研究されている2自由度制御系設計手法をモデル予測制御手法に導入することに取り組み,モデル予測制御手法の一種である一般化予測制御(Generalized Predictive Control;GPC)手法を拡張し,その2自由度構成法を与え,新しく提案された手法が,従来のGPC法に比べ,過渡応答やロバスト安定性に優れていることを確認した.本研究では,そのような2自由度構成されたモデル予測制御手法の1)多変数化,2)適応化を理論と実験の両方面からの有効性の検討を行うことを目的とした.昨年度は,この研究目的に対し,2.状態空間法のGPCの多変数系に拡張する研究発表.(システム制御情報学会論文誌,2000)

3.1入出力系の2自由度GPCを適応系に拡張し,アルバータ州立大学の計算機プロセス制御研究室に2週間滞在して,温度制御用パイロットプラントに適用する実験をおこなった.本年度は,その研究結果に基づき,適応型2自由度GPC手法の提案とその制御手法を温度制御用パイロットプラントに適用した実験結果をイタリア,ピサで開催されたIFAC AdChem2000において発表した.また,2自由度GPCに関連する本研究の結果も含めた状態空間法を用いたGPCに関する解説記事も,計測自動制御学会の学会誌「計測と制御」に発表した.さらに,適応アルゴリズムの高性能化を目指し,ハイゲインフィードバック制御を用いた適応制御手法の高性能化について論文発表を行った(システム制御情報学会).以上の研究結果より,本研究の研究目的である2自由度構成されたモデル予測制御手法の多変数化,および適応化に対する基本的な成果が得られたと考えられる.
感覚運動制御と高次認知機能が共有する神経機構と作動原理の解明

本研究では運動前野および頭頂葉が、運動を伴わない脳内情報操作においての機能的分担について、空間情報の脳内操作時の脳活動を機能的磁気共鳴画像法を用いて検討した。空間情報の操作にあたり、情報を静的に保持する過程には後部頭頂皮質が、保持した情報を動的に操作する過程には頭頂葉に加えて外側運動前野が寄与する、という仮説を立て検証にあたった。この目的のために、わが国に古くから伝わるくじ引き法である「あみだクジ」を応用した視空間情報操作課題を考案した。本課題では、あみだくじパターンを静的に保持記憶する期間と、記憶したパターンに基づいて実際にあみだくじを脳内で実施する操作期間とが時間的に分離されている。その結果、空間情報(あみだくじパターン)を静的に保持する時には、両側後部頭頂皮質に強い活性が見られたのに対して、運動前野の活動は明らかでなかった。一方、記憶したパターンに基づいて実際にあみだくじを行うときには、後部頭頂皮質のより広い範囲に加え、両側外側運動前野で強い活性が見られた。これらの結果は、後部頭頂皮質は空間情報の記憶・保持に寄与するのに対して、外側運動前野は、記憶した空間情報にもとづいて動的な操作をおこなうときに重要な役割を果たすことを示唆しており、私たちの仮説を支持する結果と考えられる。またあみだくじを実際に実施しているときに広範囲で活性が認められた頭頂葉の上頭頂小葉、下頭頂小葉および楔前部の3領域の活性について時系列解析をおこなったところ、上頭頂小葉、下頭頂小葉は保持期間も操作期間も同様の活動が見られていたのに対し、より正中よりに位置する楔前部は、操作期間に選択的な活動を示した。このことは後部頭頂皮質の中でも、楔前部は静的な情報保持過程ではなく、動的な操作により選択的にかかわる可能性を示唆するものと考えられる。
piRNA経路におけるmRNA分解を介した遺伝子発現制御機構の解明

piRNAサイレンシングはゲノムの安定性を維持する機構として必要不可欠であるにも関わらず、mRNAを前駆体とし、全piRNAの17%をしめるgenic piRNAについては、その生物学的意義は不明である。本研究では、genic piRNA産生機構がどのように生殖細胞における広範な遺伝子発現を安定に維持し、正常な生殖細胞の発生に寄与しているのかを明らかにする。