hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
天然食品由来抗酸化フラボノイドの前立腺癌予防に関わる分子基盤

また、関連の酸化ストレス調節因子も網羅的に解析することがができた。これらの成果を基に、より上流のあらたな調節メカニズムを検証・解析していく基盤ができたと考える。私たちは、プロバシンプロモーターの下流に、SV40ラージT抗原の遺伝子を結合して得られるPBSVTジーンをSDラットの受精卵に導入し、前立腺癌モデルラットを確立した。Transgenic rat foradenocarcinoma of the prostate (TRAP)と名付けられたこのモデルに発生する前立腺癌は、病理学的にヒトの前立腺癌に類似した点を多く認めた。そこで私たちは、このモデルラットから去勢抵抗性前立腺癌の転移モデルを新たに樹立し、発がんメカニズムの解析や癌予防物質の研究を行ってきた。さらに新たにcDNAマイクロアレイ解析を行い、去勢抵抗性の腫瘍で発現上昇を認め、これまで文献上報告のない遺伝子Glutathione Peroxidase 2 (GPX2)を同定した。そしてGPX2は前立腺において、酸化ストレスを制御し、発がんや去勢抵抗性を獲得した増殖に促進的に関わることを明らかにし、前立腺癌の標的因子となりうることを証明してきた。これらの成果を踏まえて本研究では、天然食品に多く含まれるルテオリンやロズマリン酸などの抗酸化フラボノイドを用いて、GPX2を制御し酸化ストレスの抑制効果を検証する。前立腺発がん予防や、治療に難渋する去勢抵抗性癌への進展を予防する基礎的研究を行い、その分子メカニズムを解明することで、天然食品を用いた新たな治療法開発に向けた足掛かりとする。6週齢のTRAP雄ラットに、ルテオリン及びロズマリン酸を20, 100 ppmの濃度で混餌投与する。対照群として、ルテオリンを投与しない群を設け、8週後の剖検時に前立腺、肝および腎を採取し、重量測定とともに血清中テストステロン、エストラジオールを測定する。前立腺組織は、前癌病変、癌病変に分けて検討した。その結果、ルテオリン投与によって酸化ストレス関連の遺伝子変化と抗腫瘍効果、さらにアポトーシスの誘導を認めることが明らかとなった。次に6週齢の去勢した雄ヌードマウス(ksn/nu-nu)に、去勢抵抗性前立腺癌細胞株PCai1を1×106皮下移植し、ルテオリンを20, 100 ppmの濃度で混餌投与した。対照群として、ルテオリンを投与しない群も設けて、6週後の剖検時に、皮下腫瘍、リンパ節、肝および腎を採取し、重量測定を行った。その結果、ルテオリンの経口投与によって、去勢抵抗性の増殖に関しても抑制効果を認め、アポトーシスの誘導、腫瘍関連血管の減弱、酸化ストレス関連マーカのGPX2の発現低下を認めることが分かった。これらの結果から、ルテオリンは、前立腺発がんや去勢抵抗性の癌増殖などの様々な段階での抑制効果を認めることが証明できた。さらに現在、in vitroにおける酸化ストレス関連因子の調節メカニズムに関する解析を行っている最中である。今回得られた動物実験の結果をもとに、新たな調節メカニズムを解明していく予定である。
成熟脂肪細胞に由来する脱分化細胞を用いた新規の再生医療用ドナー細胞の開発

終末分化した成熟脂肪細胞を脱分化誘導することによって、脱分化脂肪細胞(DFAT: de-differentiated from fat cells)を樹立した。DFATは増殖期においても種々の細胞の分化初期マーカーをすでに発現することから、細胞系譜における前駆細胞段階にあることが示された。また、DFATを種々の方法で分化誘導すると脂肪細胞に再分化するだけでなく、骨芽細胞および神経系細胞などに分化した。成熟脂肪細胞に由来するDFATは、単一な細胞群として安全、簡便かつ低コストで大量調整可能であることから、従来の幹細胞とは異なる新規の再生医療用ドナー細胞として有用であると考えられる。再生医療用のドナー細胞としてDFAT細胞を臨床応用するには、成熟脂肪細胞から均質な増殖および多分化能をもつDFAT細胞が安定的に取得されなければならない。平成27年度では、種々の犬種(品種)および年齢の個体から採取した成熟脂肪細胞からDFAT細胞を作製し、それぞれのDFAT細胞の特性(増殖および多能性)を明らかにすることを目的とて研究を行った。動物病院で外科手術の際に廃棄される皮下脂肪組織(12g)を細切したのち、コラゲナーゼ処理した。処理後、フィルトレーションして未消化組織を除去したのち、低速で遠心分離して成熟脂肪細胞の画分を採取した。培養面積12.5cm2のフラスコに5万個の成熟脂肪細胞を播種し、20%FBS添加DMEMで14日間培養した。培養後、成熟脂肪細胞から非対称分裂により生じるDFAT細胞の細胞数を調べた。その結果、培養7および14日後ではそれぞれ34×10∧5個/12.5cmおよび1.21.6×10∧6個/12.5cm2のDFAT細胞が採取された。ついで、作製したDFAT細胞の増殖能および多分化能について検討した。継代25代目までのDFAT細胞を10∧3個/cm2で播種し、培養7日後における細胞数を調べた。その結果、3.55×10∧4個/cm2のDFAT細胞が採取された。継代25代目のDFAT細胞の脂肪細胞および神経系細胞への分化能力を調べた結果、脂肪細胞および神経細胞特異的遺伝子およびタンパク質の発現が観察された。また、DFAT細胞の作製効率、増殖および多分化能は、犬種および年齢の影響はいずれにおいても認められなかった。種々の犬種(品種)および年齢の個体の皮下脂肪組織から単離した成熟脂肪細胞は、いずれにおいても安定的かつ効率的にDFAT細胞を取得できることを明らかにした。取得したDFAT細胞は高い増殖能力と多分化能をもつこと、またそれらは犬種および年齢の影響が認められなかったことを明らかにした。以上の結果から、イヌDFAT細胞が再生医療用のドナー細胞として有用であることが示された。マウスDFAT細胞から機能的な神経細胞を分化誘導する培養系の確立昨年度において、イヌDFAT細胞を神経分化誘導すると、神経特異的遺伝子群およびタンパク質の発現は認められたが、神経伝達物質に反応する神経細胞は得られなかった。本年では、イヌおよびネコDFAT細胞から機能的な神経細胞を取得する分化誘導培養系を確立するための予備検討として、遺伝子情報や神経細胞特異的タンパク質に対する抗体が豊富なマウスDFAT細胞を用いて機能的な神経細胞を取得する培養系の確立を行った。マウスDFAT細胞をbFGF添加したDMEMで24時間培養したのち、バルプロ酸を添加したDMEMで48時間培養し、神経細胞のセロトニン、ドーパミン、GABA、グルタミン酸およびコリン作動性神経細胞の分化マーカー遺伝子およびタンパク質の発現状況を調べた。また、種々の神経伝達物質を添加し、DFAT細胞由来の神経細胞が発火するかについてはカルシウムイオンのリアルタイムイメージング法によって調べた。リアルタイムPCRの結果、神経細胞特異的遺伝子およびセロトニン(5-HT)作動性神経細胞特異的遺伝子であるTph2の発現量は、培養時間の経過に伴って増加した。また、5-HT神経特異的遺伝子であるSERTは、分化誘導後にのみ発現が検出された。SYP、Tph2およびSERTの局在性を調べた結果、Tph2は核周辺部に、SYPおよびSERTは細胞膜上に蛍光が観察された。DFAT細胞由来の神経細胞に5-HT添加すると、細胞内カルシウムイオン濃度が一過的に上昇した。以上の結果から、DFAT細胞は5-HTを合成・分泌する神経細胞へと分化すること、また5-HT刺激に作動する神経細胞へと分化することが示された。以上の結果から、DFAT細胞は5-HT作動性神経細胞へ分化することが示された。本年度の計画では、イヌあるいはネコDFAT細胞から機能的な神経細胞を分化誘導する培養系を確立することを計画していたが、神経伝達物質に反応する機能的な神経細胞は得られなかった。

そこで、遺伝子情報や神経細胞特異的タンパク質に対する抗体が豊富なマウスDFAT細胞を用いて、機能的な神経細胞が取得できるかについて詳細な検討を行った。その結果、セロトニン刺激に反応する機能的な神経細胞に分化誘導することに成功した。この結果は、骨髄由来幹細胞や脂肪幹細胞においても機能的な神経細胞の分化誘導に成功してないことから、価値ある成果である。しかし、本年度においてイヌおよびネコDFAT細胞から機能的な神経細胞を取得するに至らなかったことから、本研究の進捗状況としてはやや遅れていると判断された。イヌDFAT細胞は、犬種および年齢にかかわりなく、安定的かつ効率的に採取されること、また高い増殖能および多分化能をもつことが示された。今後は、DFAT細胞が機能的な神経系細胞へ分化するかを調べるとともに、スキッドあるいはヌードマウスを用いて脊髄損傷モデルを作製し、イヌDFAT細胞およびそれ由来の神経幹細胞、前駆細胞および神経細胞を移植し、移植後における細胞動態と運動能力の回復に及ぼす影響の詳細を検討する。以上の実験で良好な結果が得られれば、脊髄損傷したイヌの治療を試みる予定である。細胞生物学、発生・再生生物学、再生医学平成28年度において確立したマウスDFAT細胞から機能的な神経細胞を分化誘導する培養系を基盤として、イヌあるいはネコDFAT細胞から機能的な神経細胞へ分化誘導する培養系を確立することを試みる。また、イヌあるいはネコDFAT細胞由来の骨芽細胞および平滑筋細胞を免疫不全マウスに移植し、移植後において定着し、組織形成するかを組織学的な検討を行う。以上の結果をもとに、実験用のイヌあるいはネコに移植し、移植後の細胞の動態を詳細に検討する。また、その結果、安全性いかかわるエビデンスが得られたら、本学動物病院並びに民間動物病院において臨床実験を試みる。
持続的な低線量放射線照射は中枢神経細胞の分化過程に影響を及ぼすか？

X線照射装置および放射性セシウム線源を用いて、低線量の放射線照射が神経の成長過程に対してどのような影響を及ぼすのかを培養皿中で維持した細胞を用いて調べた。その結果、一過性のX照射(100500 mSv/5分)と極低線量率下の持続的γ線照射(200 mSv/年)では神経の成長過程がわずかに促進されることが分かった。一方、異なる低線量率下での持続的γ線照射(200 mSv/5日)の場合、神経の成長過程は明らかに抑制されていた。以上の結果は、低線量率照射の神経成長過程に対する効果は、線量率により異なることを示しており、神経の成長が盛んな胎児への環境放射線影響の調査における有益な情報となる。福島県における避難指示解除準備区域の基準値20 mSvに近い線量率となる培養環境を137Csの密封線源を用いて作成し,中枢神経細胞の分化モデルとして用いられるPC12細胞の神経軸索伸長過程に及ぼす影響について検討した。137Cs密封線源(10 kBq)の上に培養皿をセットし,細胞接着面における線量率を測定したところ,16.6 mSv/年に相当する放射線量が得られた。この培養環境下でPC12細胞を神経成長因子(NGF)で刺激して分化を誘導し、解析ソフトにて神経軸索伸長の程度を測定した。また,各種スーパーオキシドディスムターゼ(SODs)および各種一酸化窒素合成酵素(NOSs)のmRNA発現量をPCRにて,細胞内情報伝達系であるPI3K-AktおよびErk-MAPKの活性化状況をMUSE Cell Analyzerにて観察した。NGF刺激の7日後,137Cs-γ線照射群における神経軸索の伸長が対照群と比較してわずかに亢進していることが明らかになった。このときのSODsの発現をmRNAレベルで確認したところ,照射群におけるそれが,対照群よりもわずかに低下していた。この傾向はNGF刺激1日後においても同様であった。次にNOSsの発現をmRNAレベルで確認したところ,NGF刺激1日後にnNOSの発現が,また7日後にiNOSの発現が照射群において各々亢進していた。細胞内における情報伝達系の活性化状況を調べたところ, Erk-MAPK経路の活性化に対する照射の影響は観られなかったものの,NGF刺激7日後におけるPI3K-Akt経路の活性化は照射によって低下していた。以上のことは,低線量率の137Cs-γ線照射によりNO産生が誘導され,それが細胞死抑制シグナルの低下を招き,結果的に細胞生存維持につながる神経分化シグナルを亢進させたことを示しているのかもしれない。当初計画していたマウス胎児由来の神経細胞を用いた低線量率放射線の影響を検討したところ、顕著な変動は見出せなかった。しかしながら、この実験と平行して神経分化のモデル細胞であるPC12細胞で検討を行っていたところ、予期していなかった軸索伸長の促進が短時間で観察することができた。そのため、この現象の解析を優先し、細胞内においてどのような放射線応答シグナルが起きているのかの概況把握に努めた。その結果、ラジカル応答に関する酵素の発現状況と神経成長因子刺激に対する細胞内シグナルの活性化状況の変動は観察できた。しかしながら、それらの変化が最終的な現象とどのようにリンクしているかは明らかに出来ていない。本研究の最終的な目標である低線量率放射線が神経系細胞の分化過程にどのような効果を起こすのかを示すために、今年度はより具体的なkeyタンパク質の候補を挙げたいと考えていたが、そこまでには至っていない。27年度においては、137Cs密封線源を用いて、神経分化モデル細胞の軸索伸長過程に及ぼす低線量率(約20 mSV/年)培養環境の影響について検討した。その結果、わずかな軸索伸長の亢進が見出されたが、28年度はこの現象におけるDNA損傷の修復メカニズムの起動状況を確認した。さらに、UNSCEARが低線量として定義した総線量100200mSvとなる約200mSv/年の低線量率環境下にて、同様の検討を行い、効果の増強が認められるか否かを確認した。神経軸索伸長誘導後、細胞死が惹起されるようなDNA損傷において起動される修復機構の指標となるγH2AXの発現状況を確認した。その結果、照射群と未照射群における違いは観察されなかった。次に放射線によるDNA損傷時に誘導されるKAP1およびRad17のリン酸化を確認したところ、どちらも両群においてほとんど誘導されていなかった。以上のことは、20 mSv/年程度の低線量率では、DNAの修復機構を誘導するほどのDNA損傷を引き起こす可能性は低いことを示唆している。次に、京都大学放射線生物研究センターの低線量照射装置を用いて、上記条件に対して約10倍の線量率の培養環境が及ぼす軸索伸長への影響について検討を行った。その結果、約200mSv/年の低線量率γ線の照射による軸索伸長の明らかな抑制が観察された。このとき神経軸索伸長に関与するErk経路およびAkt経路の活性化抑制は起きていなかった。しかしながら、その下流にあるRac-1の活性は、照射によって抑制されていた。一方、20mSv/年の線量率培養環境はRac-1活性に影響を及ぼさなかった。

以上のことは、線量率によってRac-1活性に対する影響は変動し、その違いが結果的に神経軸索伸長に対する異なる効果として観察されていることを示唆している。昨年度見出した低線量率137Csγ線照射による神経軸索伸長促進効果の誘導メカニズムの解析を行った。既に細胞内シグナルの活性化を確認しているが、今年度はその原因の一つとして考えられるDNA損傷修復メカニズム起動の関与の有無を調査した。その結果、放射線照射に特有のDNA損傷修復機構の活性化は認められなかった。次に、見出されている軸索伸長促進効果が著しいものではなかったことから、メカニズムの解明を容易にする目的で、国際的に定義されている低線量・低線量率の範囲内で線量を強くし照射効果を高め、同様の実験を行った。しかしながら、神経軸索伸長に対して抑制効果を示すという全く逆の結果となった。そこで2つの照射条件が示す軸索伸長に対する相反する効果は、メカニズム解明の有益なモデルになると考え、細胞内シグナルの解析を進めた。その結果、Rac-1活性の制御が、軸索伸長への影響の方向性を左右する重要な因子になっていることを見出すことが出来た。Cs-137密封線源を用いた持続的γ線照射により、福島県における避難指示解除準備区域の基準値である線量率20 mSv/年および年あたりの線量が低線量として定義される総線量200 mSvとなる線量率200 mSv/年の培養環境を作成し、神経細胞の分化モデルとして用いられる神経成長因子誘導のPC12細胞の神経軸索伸長過程に及ぼす影響について検討した。その結果、20 mSv/年の照射により軸索伸長がわずかに促進されることを見出した。このときの細胞内情報伝達系の活性化状況を確認したところ、軸索伸長に対して促進的に働くErk-MAPK経路の活性化は変化していなかったが、生存維持に対して促進的に働くPI3K-Akt経路の活性化は照射によって低下していた。一方、200mSv/年の照射影響を調べたところ、軸索伸長の明らかな抑制が観察された。このときのErk-MAPK経路およびPI3K-Akt経路の活性化状況の変化は認められなかった。しかしながら、その下流にある軸索伸長に直接関連するRac-1の活性は、照射によって抑制されていた。一方、20mSv/年の照射環境はRac-1活性に影響していなかった。以上のことから、低線量照射は線量率によりPI3K-Akt経路およびRac-1活性に及ぼす影響のバランスが異なるため、それが結果的に神経軸索伸長に対する異なる効果として現れていたものと示唆される。さらに最終年度では、細胞増殖に対する上記2種類の照射影響を調査した。その結果、200mSv/年の照射環境におけるErk-MAPK経路の活性化および細胞増殖のわずかな促進が観察された。以上、本研究は、低線量の持続的γ線照射が、線量率の違いにより神経系細胞の分化と増殖の誘導の切り替えを引き起こすことを明らかにした。本知見は、慢性照射環境が胎児に及ぼす影響の検証において有益な情報を提供するものである。X線照射装置および放射性セシウム線源を用いて、低線量の放射線照射が神経の成長過程に対してどのような影響を及ぼすのかを培養皿中で維持した細胞を用いて調べた。その結果、一過性のX照射(100500 mSv/5分)と極低線量率下の持続的γ線照射(200 mSv/年)では神経の成長過程がわずかに促進されることが分かった。一方、異なる低線量率下での持続的γ線照射(200 mSv/5日)の場合、神経の成長過程は明らかに抑制されていた。
乳がんや子宮がんなどの女性がん患者が放射線治療時に着用する衣服の開発

医師、看護師、放射線治療技師、医学物理士、衣服工学の専門家が討議を繰り返し、注意点、問題点の確認を行い、放射線治療に適合する衣服に必要条件の設定、衣服材料の選定、材料の風合い、患者の着用感の検討、形状の検討、試作した衣服の着用実験の順に研究を進め、治療衣の開発を行った。皮膚特性とのかかわりとして、風合いの良い布、皮膚刺激の少ない材料と縫い目などの観点から、材料を選び、放射線治療衣の設計を行い、試作品を完成させた。がんの治癒率は飛躍的に向上している中で、患者の関心は治療中、治療後の生活面での環境の改善(Quality of life: QOL)に移りつつある。特に女性がん患者にとっては、実際の放射線治療中に恥ずかしさや不快な感情を我慢しなくてはならない切実な問題であることから放射線治療時に着用する衣服の開発が急務である。本年度は以下の5点にわたって研究を展開した。1.放射線治療衣の必要条件の検討:乳がん患者の放射線治療時の衣服に必要な条件を明らかにした。その結果、着脱の問題、放射線照射ポイントである乳房または皮膚マーカーの特定が可能かどうか、放射線照射による化学反応、副作用で皮膚反応を増強させないか、コストの問題など、これまでの治療経験に基づいて必要条件を検討することができた。(全員)2.衣服材料の検討:このようにして吟味した治療に必要な条件及び衣服形状を考慮に入れて、衣服材料の繊維の種類、糸の種類、布の構造の候補を挙げ、選定を行っている段階である。(井上)3.測定、照射による化学反応、皮膚炎の有無の検討:主な候補材料に関して、必要な実験的検討を行っている。(佐々木、岡本)4.風合い、皮膚との摩擦特性の検討:皮膚とさまざまな種類の衣服材料との摩擦特性に関する実験を行い、特に皮膚感覚が敏感になっている可能性を考慮して患者さんの着用感の向上を検討する研究を行っている。(井上)5。他職種チームの結成:当初は放射線治療科の医師と衣服専門の研究者のみのチームであったが、研究とディスカッションを重ねるにしたがって必要とされる乳がんの専門医、看講士、放射線技師が参画し、多職種チームの形成を行うことができた。このことは実際の患者のニーズを汲み上げることを可能にし、実質に即した治療衣を作成するために非常に重要である。(全員)がんの治癒率は飛躍的に向上している中で、患者の関心は治療中、治療後の生活面での環境の改善(Quality of life : QOL)に移りつつある。特に女性がん患者にとっては、治療中に恥ずかしさや不快な感情を我慢しなくてはならない切実な問題であることから治療時に着用する衣服の開発が急務である。本年度は以下の4点にわたって研究を展開した。1.放射線治療衣の試作:昨年度に検討した乳がん患者の放射線治療時の衣服に必要な条件に基づいて、治療衣の試作を行った(井上)。着脱の問題、放射線照射ポイントである皮膚マーカーの特定が可能かどうか、コストの問題など、試作と試着を繰り返し、改善を図っている(佐々木、河野、吉田)。2.他職種チームによる治療衣の検討:昨年度より結成した乳がんの専門医、看護士、放射線技師を含む多職種チームによるディスカッションを重ね、実際の患者のニーズを汲み上げることを可能にし、試作した治療衣に対して意見を出し合いながら、実質に即した治療衣について検討を行った。その結果、前開きにして、透ける素材が必要なのは脇部のみとするデザインを考え、今後は年齢や体格に対応した治療衣について検討を重ねることとした(全員)。3.衣服材料の検討:このようにして吟味した治療に必要な条件及び衣服形状を考慮に入れて、昨年度に引き続き、衣服材料の繊維の種類、糸の種類、布の構造の候補を挙げ、風合いも考慮して選定を行っている(井上)。4.測定、照射による化学反応、皮膚炎の有無の検討:主な候補材料に関して、必要な実験的検討を行っている(佐々木、河野、吉田)。がんの治癒率は飛躍的に向上している中で,患者の関心は治療中、治療後の生活面での環境の改善(Quality of life:QOL)に移りつつある。1.最終的な治療衣服の形状を検討した。皮膚マーカーを確認できることが最も必要な条件であることから正中線と脇線の部分は透けた布地を適用することとした。下着にはならないよう考慮して慎重に形状を決定した。また、敏感になっている皮膚に対して、刺激の少ないガーゼに近い性質のやわらかい布地を適用することとした。(井上)2.測定、照射による化学反応、皮膚炎の有無の検討のために、治療衣に使用した材料に関して、必要な実験的検討を行った(佐々木、河野、吉田)。3.放射線治療時に着用する衣服の試作を行った。昨年度の結果を踏まえて、上記のような全ての条件に適応可能な材料を選定し、衣服を試作した。(井上)

4.実際の商品化を目指すために、企業の協力を得て、S,M,Lサイズの型紙を作成していただき、試着のための治療衣を作成していただいた。(井上)2.他職種チームによる治療衣の検討:昨年度より結成した乳がんの専門医、看護士、放射線技師を含む多職種チームによるディスカッションを重ね、実際の患者のニーズを汲み上げることを可能にし、試作した治療衣に対して意見を出し合いながら、実質に即した治療衣について検討を行った。その結果により作成した治療衣を患者に試着してもらい、使用感に関する調査を行った。(全員)。
ＩｏＴ時代における機械学習を用いたハードウェアトロイ識別に関する研究

本研究の目的は,(1)機械学習を用いてハードウェアトロイの特徴を学習することで回路設計情報における未知のハードウェアトロイに対し90%以上の精度で検出する手法を構築することと,(2)ハードウェア製造以後の脅威にも対応するため,ハードウェア動作時におけるサイドチャネル情報を用いたハードウェアトロイ検出手法を構築することである.この目的を達成するため,当該年度においては目的(1)に着目して,ハードウェア設計情報に対するハードウェアトロイ検出に有用な特徴量を抽出し,機械学習を利用してハードウェアトロイを検出する.研究目的(1)を達成するための研究課題として,(a)ハードウェア設計情報に対するハードウェアトロイ検出に有用な回路の特徴量を抽出することと,(b)抽出した特徴量を機械学習で学習し,ハードウェアトロイを検出するアルゴリズムを構築することが挙げられる.(a)に関して,ハードウェア設計情報から回路構造を計算機上で構築し,そこから51種類の特徴量を抽出した.その上で,特に有用であると考えられる11種類の特徴量を抽出した.(b)に関して,(a)で選択された11種類の特徴量にもとづき,これを学習・分類するニューラルネットワークを構築し,ハードウェアトロイを検出するアルゴリズムを構築した.研究課題(a),(b)をもとに,ハードウェア設計情報に対するハードウェアトロイ検出手法を実装した.ベンチマークを用いた計算機実験により,最大100%の識別精度が得られることを確認した.上記に加え,当初次年度に取り組む予定であった研究目的(2)を対象として,ハードウェア動作時におけるサイドチャネル情報を用いたハードウェアトロイ検出のための,テストデバイス設計・実装と,機械学習で学習するための特徴量設計を実施した.簡易実験によりハードウェアトロイ検出できることを確認した.当該年度において,機械学習を活用したハードウェアセキュリティ技術のための研究を推進した.本研究の目的である,(1)機械学習を用いてハードウェアトロイの特徴を学習することで,回路設計情報における未知のハードウェアトロイに対し90%以上の精度で検出する手法の構築と,(2)ハードウェア製造以後の脅威にも対応するため,ハードウェア動作時におけるサイドチャネル情報を用いたハードウェアトロイ検出手法の構築に対し,これらを達成するための研究を進めた.まず,研究目的(1)を達成するため,ハードウェア設計情報に対し,ハードウェア設計情報に挿入されたハードウェアトロイを検知するために必要な特徴量を抽出し,機械学習アルゴリズムで学習,識別する手法を確立させた.計算機上に各種アルゴリズムを実装し,実験の結果からも高い精度でハードウェアトロイを識別できることを確認した.当初の研究計画に加え,機械学習アルゴリズムに対する攻撃手法の検討など,発展的な内容にも取り組んだ.ベンチマークを用いた実験で最大100%の識別精度が得られることを確認した.次に,当初次年度に取り組む予定であった研究目的(2)を達成するため,ハードウェア動作時におけるサイドチャネル情報を用いたハードウェアトロイ検出に関し,簡単なIoTデバイスを実装した上で,ハードウェアトロイ検出において有用なサイドチャネル情報における特徴量抽出を検討した.計測で得られた情報にもとづき計算機上で特徴量を抽出し,これにもとづきハードウェアトロイ検出を試みることで,試作モデルに対する手法の有用性を確認した.以上の研究成果は,論文誌1件,国際学会3件,国内学会2件で発表したほか,1件の表彰を受賞し,学会誌において1件の解説記事を掲載した.以上から,計画以上の研究の進展があったと評価する.今後は,これまでに取り組んだ研究目的(1)ハードウェア設計情報に対する機械学習を用いたハードウェアトロイ検出手法の構築に関し,検出精度の全体的な向上を試みる.加えて,研究目的(2)ハードウェア動作時におけるサイドチャネル情報を用いたハードウェアトロイ検出手法の構築に関し,これまでに得られた初期成果をもとに内容を発展させる.これらの実現に向け,以下に取り組む.まず研究目的(1)に関し,これまでにベンチマークを用いて実験した結果から課題を詳細に考察し,これまでの研究で得られた特徴量と検出アルゴリズムを発展させることで,検出精度のさらなる向上に取り組む.次に研究目的(2)に関し,テスト対象となるIoTデバイスを複数実装し,ハードウェアトロイ検出に有用なサイドチャネル情報の特徴量を精査する.ここで抽出された特徴量をもとに,機械学習等を活用してハードウェアトロイ検出のためのアルゴリズムを構築する.また既存手法との比較やベンチマークを利用した評価実験により,構築したアルゴリズムの有効性を評価する.研究目的(1)及び(2)に対する研究開発を通じて,ハードウェアの設計情報と動作時を対象とした,機械学習を用いた包括的なハードウェアトロイ検出を実現させる.上記で得られた得られた成果をまとめ,2回程度の国内研究会と1回程度の国際会議参加を想定している.さらに,これら研究会,国際会議で得られた意見や評価をもとに研究内容を再度精査し,ここまでの成果を原著論文としてまとめる計画である.本研究の目的は,(1)機械学習を用いてハードウェアトロイの特徴を学習することで回路設計情報における未知のハードウェアトロイに対し90%以上の精度で検出する手法を構築することと,(2)ハードウェア製造以後の脅威にも対応するため,ハードウェア動作時におけるサイドチャネル情報を用いたハードウェアトロイ検出手法を構築することである.この目的を達成するため,当該年度においては目的(1)に着目して,ハードウェア設計情報に対するハードウェアトロイ検出に有用な特徴量を抽出し,機械学習を利用してハードウェアトロイを検出する.研究目的(1)を達成するための研究課題として,(a)ハードウェア設計情報に対するハードウェアトロイ検出に有用な回路の特徴量を抽出することと,(b)抽出した特徴量を機械学習で学習し,ハードウェアトロイを検出するアルゴリズムを構築することが挙げられる.(a)に関して,ハードウェア設計情報から回路構造を計算機上で構築し,そこから51種類の特徴量を抽出した.

その上で,特に有用であると考えられる11種類の特徴量を抽出した.(b)に関して,(a)で選択された11種類の特徴量にもとづき,これを学習・分類するニューラルネットワークを構築し,ハードウェアトロイを検出するアルゴリズムを構築した.研究課題(a),(b)をもとに,ハードウェア設計情報に対するハードウェアトロイ検出手法を実装した.ベンチマークを用いた計算機実験により,最大100%の識別精度が得られることを確認した.上記に加え,当初次年度に取り組む予定であった研究目的(2)を対象として,ハードウェア動作時におけるサイドチャネル情報を用いたハードウェアトロイ検出のための,テストデバイス設計・実装と,機械学習で学習するための特徴量設計を実施した.簡易実験によりハードウェアトロイ検出できることを確認した.当該年度において,機械学習を活用したハードウェアセキュリティ技術のための研究を推進した.本研究の目的である,(1)機械学習を用いてハードウェアトロイの特徴を学習することで,回路設計情報における未知のハードウェアトロイに対し90%以上の精度で検出する手法の構築と,(2)ハードウェア製造以後の脅威にも対応するため,ハードウェア動作時におけるサイドチャネル情報を用いたハードウェアトロイ検出手法の構築に対し,これらを達成するための研究を進めた.まず,研究目的(1)を達成するため,ハードウェア設計情報に対し,ハードウェア設計情報に挿入されたハードウェアトロイを検知するために必要な特徴量を抽出し,機械学習アルゴリズムで学習,識別する手法を確立させた.計算機上に各種アルゴリズムを実装し,実験の結果からも高い精度でハードウェアトロイを識別できることを確認した.当初の研究計画に加え,機械学習アルゴリズムに対する攻撃手法の検討など,発展的な内容にも取り組んだ.ベンチマークを用いた実験で最大100%の識別精度が得られることを確認した.次に,当初次年度に取り組む予定であった研究目的(2)を達成するため,ハードウェア動作時におけるサイドチャネル情報を用いたハードウェアトロイ検出に関し,簡単なIoTデバイスを実装した上で,ハードウェアトロイ検出において有用なサイドチャネル情報における特徴量抽出を検討した.計測で得られた情報にもとづき計算機上で特徴量を抽出し,これにもとづきハードウェアトロイ検出を試みることで,試作モデルに対する手法の有用性を確認した.以上の研究成果は,論文誌1件,国際学会3件,国内学会2件で発表したほか,1件の表彰を受賞し,学会誌において1件の解説記事を掲載した.以上から,計画以上の研究の進展があったと評価する.今後は,これまでに取り組んだ研究目的(1)ハードウェア設計情報に対する機械学習を用いたハードウェアトロイ検出手法の構築に関し,検出精度の全体的な向上を試みる.加えて,研究目的(2)
半導体ナノワイヤ3分岐接合デバイスの非線形メカニズムの解明と制御

化合物半導体ナノワイヤ3分岐接合構造(TBJ)が示す特異な非線形電気特性のメカニズム解明のため、レーザー光誘起局所コンダクタンス変調による新規評価法を開発し、構造内部の伝導率不均一性が非線形特性の要因であることを明らかにした。またTBJの応用として、論理回路であるNANDゲートやフリップフロップ回路をTBJにて設計し、回路の試作と動作に成功した。さらに、グラフェンやZnOなど他材料への素子展開を図った。次世代エレクトロニクス基盤材料である半導体ナノワイヤの3分岐接合は、信号処理に有用な非線形な電気的特性を室温で発現する。本研究の目的は、本デバイスの非線形メカニズムを、接合のキャリア輸送機構やポテンシャルの評価解析を通して解明することである。また、独自のゲート制御デバイスの制御機構の理解、デバイスモデルの構築、および特性制御による動作電圧の低減を目指す。平成22年度の成果は次の通りである。(1)電子平均自由行程が長いInAs系ナノワイヤによる3分岐接合デバイスを作製し、77Kでの非線形性伝達特性に特異な2段のキンクを観測した。バリスティック伝導、高電界ドメイン形成、インパクトイオン化の3つのステップが印加電圧に応じて順次関与していることを示した。(2)ナノワイヤの電界ドメイン検出と形成機構の解明のため、レーザー光誘起コンダクタンス変調測定系を構築した。照射光のスポット径は1μm、光照射位置制御のための可動ステージの位置分解能は10nmであり、電界ドメイン箇所の同定に十分な精度を確保した。GaAsデバイスでテスト測定を実施し、局所レーザー照射による非線形特性の変調とその照射位置依存性の観測に成功した。(3)GaAs系ナノワイヤ3分岐接合デバイスを集積し、NANDゲートおよびSet-Reset Flip Flop(SR-FF)回路の試作と室温での回路動作実証に成功した。また、ナノワイヤネットワークのサイズ縮小とレイアウト最適化により回路面積の縮小を進めた。さらに、ナノワイヤ作製プロセスの高精度・ゲートしきい値制御・再現性向上のために表面段差計を導入しエッチング加工精度を高め、GaAs系ナノワイヤ形成サイズの再現性の向上を図った。次世代エレクトロニクス基盤材料である半導体ナノワイヤの3分岐接合構造は、信号処理に有用な非線形な電気的特性を室温で発現する。平成23年度の成果は次の通りである。(1)ナノワイヤの電界ドメイン検出と形成機構の解明のため、独自にレーザー光誘起局所コンダクタンス変調測定系を構築した。これGaAs3分岐接合デバイスの評価を行い、ナノワイヤに低コンダクタンス部位がナノワイヤ存在しその位置が印加電圧に依存し変化すること、および、低コンダクタンス位置に光局所照射することで非線形特性が緩和することを実験的に明らかにした。本結果により室温での非線形メカニズムとして正バイアス端での電界集中モデルが妥当であることが示された。(2)高移動度・アンビポーラ伝導材料であるグラフェンを用いた3分岐接合デバイスの試作プロセスを構築した。加熱処理と化学ドーピングの組み合わせにより、SiO_2上貼付けグラフェンにおいて高キャリア移動度15,000cm^2/Vsを実現した。本プロセスにより3分岐接合デバイスを試作し、室温での非線形特性の観測、および、曲率とその極性のゲート制御を実現した。さらに理論解析を行い、動作を定量的に説明するモデルを見出した。(3)ゲート制御グラフェン3分岐接合デバイスによるインバータを提案した。グラフェンFETおよび3分岐デバイスモデルを創り出し、回路シミュレーションによりインバータ動作を実証した。(4)非線形メカニズム探索および新たな応用展開の一環として、透明酸化物半導体ZnOを用いた3分岐デバイスの試作を行った。次世代エレクトロニクス基盤材料である半導体ナノワイヤをT字やY字に接合した構造は、信号処理に有用な非線形電圧伝達特性を室温で示す。本研究の目的は、半導体ナノワイヤ3分岐接合(TBJ)デバイスの非線形のメカニズムを解明することである。さらに応用に向けたデバイス動作の理解、制御、新規材料への展開を図る。平成24年度の成果は次の通りである。(1)独自に構築したレーザー光誘起局所コンダクタンス変調評価システムを用い、GaAs系TBJデバイスの2本の入力ナノワイヤ枝のコンダクタンスを測定し、正に電圧印加した枝のコンダクタンスが低く(抵抗が高い)、左右枝のコンダクタンス差が非線形特性を生じさせていることを明らかにした。また非線形特性を支配する低コンダクタンス部位がナノワイヤ端であることを見出した。(2)2つの入力枝コンダクタンスが異なる原因を調べるため、GaAs系TBJの非線形特性の表面ポテンシャル依存性を調べた。ナノワイヤ表面にSiN膜を堆積し表面空乏を促すとコンダクタンスの非対称性が大きくなりTBJの非線形性が強まることを実験的に明らかにした。

ナノワイヤの表面ポテンシャルが非線形特性の要因であることを示した。(3)グラフェンTBJのインバータ動作に成功した。しかしながら電圧伝達利得は0.013と低い。利得の向上にはインバータの入力となるバックゲートのゲート制御性の改善が必要であること等がわかった。(4)ZnOを用いた自己スイッチングダイオード(SSD)を試作し、動作と特性の構造依存性を明らかにし、スイッチングしきい値の制御に成功した。本研究で提案した評価系を構築し、GaAs系デバイスの非線形メカニズム解明に寄与する新たな知見が数多く得られた。当初の計画に加え,グラフェン3分岐接合デバイスの実現と新たなインバータ回路の提案、さらに透明で環境負荷の小さく透明フレキシブル回路に応用可能なZnOを用いたデバイスへと広く展開された.また本研究で行った順序回路に関する論文に対し国際学会MNC2010よりOut standing paper awardが授与され高い評価を得た。24年度が最終年度であるため、記入しない。非線形メカニズム解明に関し、GaAs系素子において表面パッシベーションによって表面ポテンシャルを緩和した場合の動作評価を通し、電界集中モデルの妥当性を明らかにする。回路応用については、GaAs系デバイスの順序回路実証に既に成功していることから機能性が高いグラフェン3分岐接合デバイスへ主軸を移し、本素子によるインバータ動作の実験実証、基本論理回路応用、キャリア極性ゲート制御による回路機能変更技術へと研究を進める。ZnOデバイスについて、RFIDなどへの利用も視野に、動作実証と特性評価を行う。さらに材料毎の表面状態の違いより非線形特性を結びつけメカニズム解明につなげる。
海洋混合層における乱流パラメタリゼーションと粒子状物質の動態

Large Eddy Simulation (LES)の手法を用いて様々な大気・潮汐流条件下の海洋混合層乱流変動の数値実験を行い、従来広く使われてきたMellor-Yamada(MY)による乱流パラメタリゼーション手法を検証した。大気境界層における先行研究を参考に修正したところ、様々な外力下の混合層応答の再現性が向上した。LESの結果を用いて粒子状物質の動態を調べた結果、粒子の拡散係数と海水の渦粘性・拡散係数が同オーダーであることが示唆された。乱流手法を組み込んだ広域海洋シミュレーション実験において、修正された手法が海底混合層の発達を再現する上でMYと比べて良好な性能を示すことがわかった。本研究の目的は、海洋の広域数値モデル内における乱流パラメタリゼーション手法を検証・改良することである。平成26年度は、Large Eddy Simulation (LES)と呼ばれる、海洋物理学の分野では特に日本においてその利用が限られていた乱流計算のための数値手法を用いて、東シナ海や東京湾などの河川水や海面加熱の影響が顕著な沿岸域、および、沖縄トラフ海底付近などの成層強度が弱い深海域を想定した表層・海底混合層過程の数値実験を行った。得られた結果を現実海洋における乱流強度データと比較することで、LES実験の妥当性を確認した。LES実験の結果に基づいて広域海洋数値モデル内に組み込むための海洋物理場(流速・密度場)に関する既存の乱流パラメタリゼーション手法を乱流長さスケール等の「微視的」な観点から調べた結果、大気境界層用に開発されたNakanishi-Niino手法を乱流強度が密度成層に応じてさらに制限されるように修正することで、LESで計算された海洋応答を良好に再現できることが分かった。次年度に予定しているLESモデルを用いた海洋内の粒子状物質動態に関する研究実施にむけて、そのためのモデル整備、および、鉛直2次元断面上における基礎的な考察を行った。今日、高解像度の海洋広域数値シミュレーションに対する社会的期待が益々高まる一方で、様々な時空間スケールの海洋運動や物質輸送に影響を及ぼす乱流混合過程を陽に扱うことは依然として甚だ困難である。本研究の実施を通じて、海水温変動などの気候的観点に加え、東シナ海における植物プランクトンへの栄養塩供給、東京湾における貧酸素化、東日本沿岸における137Csの拡散・堆積・巻き上げ、および海底掘削活動に伴う栄養塩・有害物質の拡散・堆積・巻上げなどの多様な海洋環境・生態系問題の評価とその予測能力向上に対する貢献が期待される。本研究の目的は、海洋の広域数値モデル内における物理場(流速、密度など)や溶存・粒子状物質の動態に係る乱流パラメタリゼーション手法を検証・改良することである。平成27年度は、Large Eddy Simulation (LES)と呼ばれる、海洋物理学の分野では特に日本においてその利用が限られていた乱流計算のための数値手法を用いて、東シナ海陸棚域を想定した海底混合層乱流およびそれに伴う濁質動態の数値実験を行った。その結果、水温場の鉛直渦拡散係数と粒子状物質のそれとが同オーダーであり、その結果が粒子の粒径・粒子密度に顕著には依存していないことなどが明らかになった。さらに沖縄トラフ海底付近などの深海域を想定した海底混合層内の乱流過程やそれに伴う濁質動態に関する数値実験を行った。その結果、潮汐による海底境界層の発達は高々40-60 m程度であること、懸濁粒子の大部分はその海底境界層内に留まる範囲で輸送・拡散していることが試算された。この結果は、既往のADCP観測研究の結果と矛盾しないものであることが確認された。数値研究検証のための現場乱流・粒子状物質データの現場観測に参加・解析を行った。本研究を通じて得た科学的知見を学術大会・集会、学術雑誌で発表した。本研究の成果は、海水温変動などの気候的観点に加え、東シナ海における栄養塩当の物質循環、東京湾における貧酸素化、東日本沿岸における137Csの動態、さらには海底掘削活動に伴う濁質等の拡散・堆積・巻上げ問題など多様な海洋環境・生態系影響問題の評価とその予測能力向上に係る科学的知見を提供するものと考えている。平成27年度内の実施を予定していた粒子状物質の動態に関する数値研究について、該当する数値実験を進めるとともに、数値モデル検証のための現場乱流・粒子状物質データの現場観測に参加・解析を行った。得られた知見は申請者の所属研究機関(国立環境研究所)における東シナ海における栄養塩動態、東日本沿岸における放射性物質動態、海底資源開発に係る環境影響評価に関する研究などへ活用された。平成28年度は、これまでに本研究でLarge Eddy Simulation (LES)数値手法に基づいて検証・改良した乱流パラメタリゼーション手法を広域海洋数値モデル内に組み込み、東シナ海や日本沿岸を対象とした広域シミュレーションにおけるパラメタリゼーション手法の性能評価を行った。

相模灘を対象とした広域シミュレーションでは、投下式乱流計を用いた現場観測結果との比較を通じて、元来大気境界層用に開発されたNakanishi-Niino手法が海底境界層過程に関しても既存の乱流手法と比較して良好に振る舞うことを確認した。さらに、本研究がLES実験に基づいて前年度までに示した、粒子動態に対する乱流の役割に係る数値的知見について、レーザー型粒径別粒子濃度測定装置を用いた現場観測を行い、その妥当性を確認した。本研究で得た成果について、学術大会・集会、学術雑誌等で発表した(平成29年5月現在投稿中のものを含む)。今日、高解像度の海洋広域数値シミュレーションに対する社会的期待が益々高まる一方で、様々な時空間スケールの海洋運動や物質輸送に影響を及ぼす小規模乱流過程を陽に扱うことは依然として甚だ困難である。本研究の成果は、海水温変動などの気候的観点に加え、東シナ海や東京湾など浅海域における物質循環・低次生態系変動、東日本沿岸における137Csの動態、さらには海底掘削活動に伴う濁質等の拡散・堆積・巻上げ問題など多様な海洋環境・生態系影響の問題に取り組むにあたって、乱流過程などのいわば「ミクロな」観点からの科学的知見を提供するとともに、その評価・予測精度改善に向けたパラメタリゼーション手法を考案したものであると考えている。Large Eddy Simulation (LES)の手法を用いて様々な大気・潮汐流条件下の海洋混合層乱流変動の数値実験を行い、従来広く使われてきたMellor-Yamada(MY)による乱流パラメタリゼーション手法を検証した。大気境界層における先行研究を参考に修正したところ、様々な外力下の混合層応答の再現性が向上した。LESの結果を用いて粒子状物質の動態を調べた結果、粒子の拡散係数と海水の渦粘性・拡散係数が同オーダーであることが示唆された。乱流手法を組み込んだ広域海洋シミュレーション実験において、修正された手法が海底混合層の発達を再現する上でMYと比べて良好な性能を示すことがわかった。平成26年度内の実施を予定していた、(1)LESモデルと現場乱流観測データとの比較、(2)「海洋物理場」乱流パラメタリゼーションの検証について知見を得るとともに、平成27年度の実施を予定している粒子状物質の動態に関する数値研究についても、該当する数値実験を進めるためのモデルの整備を進めた。本研究を通じて得た科学的知見を学術大会・集会、学術雑誌で発表した。平成28年度(最終年度)は、広域の海洋環境シミュレーション上における改良されたパラメタリゼーション手法の性能評価を行うとともに研究の取りまとめを行う予定である。なお、研究代表者は平成28年度4月より、国立研究開発法人国立環境研究所から国立研究開発法人水産研究・教育機構へ異動したが、業務内容には引き続き海洋シミュレーションに関連するものも含まれており、前所属研究機関の関連メンバーとも適宜連絡をとりながら、本課題を遂行する。本研究における数値実験は膨大な計算量を必要とするため,研究所内または所外のスーパーコンピュータ上で行う。数値実験結果の保存・バックアップのため、記憶装置(外付けハードディスク)を購入する。解析に必要なソフトウェアのライセンスを更新する。成果発表と情報収集のため、国内外の学術大会に参加する。本研究から得られた知見をまとめて誌上発表する。環境動態解析
学習者のPredictabilityを利用したCAI英語教材開発

本研究の目的は、Predictable Input/Outputの概念に基づく英語教育プログラムをコンピュータのオンライン上に開発し、その有効性を実証することである。Predictable Input/Outputに基づくコンピュータ上の英語教育教材を開発し、それを授業および家庭で実践することで英語に触れる時間が増し、教育現場が抱える「学生の学力差」を少しでも埋めることができればと考える。本研究の目的は、このPredictable Input/Outputの概念に基づく英語教育プログラムをコンピュータのオンライン上に開発し、その有効性を実証することです。英語教育プログラムをオンライン化することで、家庭学習が容易となり、教育現場が抱える「学生の学力差」を少しでも埋めていきたい。平成21年度から23年度までの目標は、本研究の有効性を納得させ得るだけの材料をコンピュータ上に作り出すことである。具体的には、いままで研究を行ってきたPredictable Input/Outputに基づく英語教育教材をコンピュータ上に開発し、それを授業および家庭で実践することである。これにより、学生が日々英語に触れる時間がコンピュータ上に残り、学内で行われるTOEIC-IPテストを基準に具体的な英語力の効果検証を測る。平成21年度はTOEIC対策を授業に取り入れ、英語授業は活気付いていた。既存のCAI教材導入により、授業では個人指導が難しかったListeningとReading、さらに単語指導に関して、学生はゲーム感覚で英語に触れながら(体験的に)量的なものを体得することができた。これはTOEICスコアにも現れ、1年間の経年変化では平均33.9ポイント(n=185)の上昇、特に5ポイント以上上昇した130名の平均スコアは62.0ポイント上昇した。これにより、材料が整い、教材を作成しWeb化することができた。平成22年度から「英語脳の創り方」というWeb教材のパイロット版が利用されることとなった。平成22年度、平成23年度にわたって、この教材の利用により「学生の学力差」を埋めることができるのかを実証していく。本研究の目的は、このPredictable Input/Outputの概念に基づく英語教育プログラムをコンピュータのオンライン上に開発し、その有効性を実証することである。英語教育プログラムをオンライン化することで、家庭学習が容易となり、教育現場が抱える「学生の学力差」を少しでも埋めることができればと考える。平成22年度はTOEICのReading対策を中心に授業に取り入れ、英語授業はさらに活気付いた。現在開発中のCAI教材導入により、授業では個人指導が難しかったListeningとReading、さらに単語指導に関して、学生はゲーム感覚で英語に触れながら量的なものを体得することができた。これはTOEICスコアにも現れ、1年間の経年変化では平均33.8ポイント(n=175)の上昇、特に5ポイント以上上昇した114名(研究代表者金澤の担当学生数の65.1%にあたる)の平均スコアは71.7ポイント上昇した。これにより、材料が整い、教材を作成しWeb化し、改良点も出てきた。平成23年度には「英語脳の創り方」、「TOEICAコース(奈良高専版)」、「TOEICBコース(奈良高専版)」というWeb教材も改良版が導入される。平成23年度には、この2年間の研究成果を国の内外に発表していく。英語教育プログラムをオンライン化することで、家庭学習が容易となり、教育現場が抱える「学生の学力差」を少しでも埋めることができた。平成21年度から23年度までの目標は、本研究の有効性を納得させ得るだけの材料をコンピュータ上に作り出すことであった。これにより、学生が日々英語に触れる時間がコンピュータ上に残り、学内で行われるTOEIC-IPテストを基準に具体的な英語力の効果検証を測った。
溶液系における構造とダイナミクスの融合研究・統計力学を用いた記述

本研究の目的は、統計力学をもとに実験的研究手法を援用しながら、溶液系における構造とダイナミクスの連関を明らかにすることである。我々は最近、モード結合理論を用いて中間散乱因子F(k, t)を求めると、数fsから数百ps以上に至る幅広い時間領域にわたって、緩和過程を分子論的に記述できることを明らかにしたので報告する。溶質には単イオンをはじめ、双極子などのモデル系を用いた。時刻t=0において、一部サイトの荷電を変化させた。溶媒にはアセトニトリル、水など極性溶媒を用いた。サイト-サイトポテンシャルにはレナード・ジョーンズ形(additive-pairwise)のものを用いた。各溶媒中において平均エネルギー緩和の時間応答関数Se(t)を計算したところ、とりわけ50fs以下の素早い時間領域ではガウス型に近似できる曲線を示すとともに、数10fsの振幅のダンピングがみられ、レーザー分光実験でよく報告されている結果に対応していることが分かった。その一方で、数10ps以上を要する遅い緩和成分が存在することも判り、我々の実験で観測されたエネルギー分散の緩和との関連性を現在検討しているところであり、その分子論的背景をもとに新しい実験および理論的研究を構築する予定である。この研究によって、溶液の構造と時間ゆらぎに関するダイナミクスの分子論に迫ることができたと考えている。この研究成果によって、溶液の時間に依存するゆらぎの研究など、関連する研究への波及効果も大きいと思われる。溶質の瞬間的な電子状態変化に対する溶媒分子の応答を溶媒和ダイナミクスと呼び、溶液中における化学反応の動的過程と密接に関連している。まず我々は、時間分解ホールバーニング、蛍光スペクトル測定の実験を行った。これらのスペクトル極大及びスペクトル不均一幅の緩和過程を実測すれば、溶媒緩和の時間相関関数Se(t)及びSw(t)が観測できる。ここでSe(t)は溶質-溶媒系の平均エネルギー緩和過程に、Sw(t)は溶媒配向分布の緩和(系のエネルギー分散の緩和)過程にそれぞれ対応している。我々の実験は、室温中の種々の極性溶媒中において、Sw(t)がSe(t)と比べて約一桁遅く緩和することを初めて見出した。溶媒応答にガウス型を仮定する従来の標準的な理論によると、両者は一致するはずである。実験と並行して、積分方程式理論を使い、相互作用点モデル(RISM)理論による計算も行った。従来の取り扱いでは、系の時間発展を与えている動的構造因子F(k,t)に、site-siteSmoluchowski-Vlasov方程式を拡散極限で解いて用いてきた。我々は最近、モード結合理論を用いてF(k,t)を求めると、数fsから数百ps以上に至る幅広い時間領域にわたって、緩和過程を分子論的に記述できることが分かったので報告する。各溶媒中において平均エネルギー緩和の時間応答関数Se(t)を計算したところ、とりわけ50fs以下の素早い時間領域ではガウス型に近似できる曲線を示し、レーザー分光実験でよく報告されている結果に対応している。その一方で、数10ps以上を要する遅い緩和成分が存在することも判り、我々の実験で観測されたエネルギー分散の緩和との関連性を検討している。