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「米」の高次機能利用をめざした新規作出米の物性制御と味覚応答評価法の構築

「米」は私たちの主食であり、重要な栄養源である。また、日本で国内自給しやすく、すでに高度な栽培技術を持つ食用作物でもある。本研究は、遺伝子組み換え技術ではなく、自然交配による新規米を作出し、ユニークな構造を持つ米および米澱粉を創出した。さらにそれら米澱粉を分離し微細構造とレオロジー特性を測定し、変異体米の特性を示した。また、澱粉性食品としての「味覚強度」の評価について、開発した味覚DNAチップの味覚細胞応答評価を用いて、高分子多糖溶液の特性により、味物質の応答が異なることを示した。この成果は、人の閾値より低い濃度であるが、味物質の移動と、味覚細胞の応答を捉えられた。本研究は、食素材の「改良」とともに、食素材の構造とレオロジー、食品としての味の知覚強度の相互関係を明らかにすることを目的とし、3年間の研究期間における研究項目を3項目設定した。まず、第1項目の新規米の作出・栽培については、すでに毎年、安定的に収穫が行われ、試料米は充分な量が確保されている。それら米粒の顕微鏡観察および炊飯特性の検討が終了し、変異体米は炊飯特性がまったく異なることが示され、炊飯米の破断特性では、もろく付着性の少ない米粒であった。分離澱粉の構造解析および糊液のレオロジー解析では、アミロペクチンの鎖長分布は、変異体米澱粉は短鎖が増加していたが、湿熱処理はほとんど変化が見られなかった。一方、水溶媒における慣性半径は、日本晴米澱粉>変異体米澱粉>湿熱処理米澱粉であり、レオロジー特性を反映していると考えられたが、DMSOを分散媒とした溶質の分布状態では、湿熱処理米澱粉は複数のピークが出現し、凝集体の形成が推測された。これらの結果を学会にてポスター発表を行い、論文の投稿準備を進めた。また、第2項目の澱粉糊液と味物質の相互関係について、高濃度ゲルを調製し、味物質の溶出量の測定法の検討を進めた。研究目的を達成するために3項目からなる研究項目を設定したが、1年経過した時点で、第2項目の実験検討に着手している。今後、実験を勧め、さらに共同研究者とのデータや研究方針のディスカッションを行うことで、目的達成に向かって研究成果を報告できると考える。本研究は、食素材の構造を改良し、その構造解析を行いレオロジー特性との関連を検討し、あわせて、その構造による味の知覚強度の影響を検討することを目的としている。その目的達成のために、3年間の研究期間において3項目を設定した。まず、本研究が前回の科研費助成事業の継続であることもあり、新規作出米の作出と澱粉の構造解析は、ほぼ終了し、変異体米のアミロペクチンは短鎖と長鎖の存在割合が大きく異なり、これがテクスチャー特性に反映されていた。また、物理的改良法である湿熱処理を施すことにより、澱粉の分散状態が著しく変化することを明らかに下。これは、同じ素材でありながら、目的に応じて二次加工することで、多くの素材へ変換できることを示した。さらに、2項目目の改変した米の澱粉のレオロジー特性と味物質の溶出挙動は、澱粉の分散状態により移動がことなる結果が得られ、学会で発表し投稿論文の準備を進めた。味物質の官能評価については、その方法を含めて具体的な実験計画をたて、予備実験を計画中である。2年目が経過した時点で、計画した実験データがそろい始め、人による官能評価の実験経過の検討に着手している。今後、さらに実験を進め、機器測定と人の官能の関連性を検討し、共同研究者とのディスカッションにより実験結果の整合性を慎重に検討することで、3年の研究期間終了時には、目的を達成できると考えている。本研究は、澱粉性食品素材の構造の改良とともに、食品素材の構造とレオロジー、食品を想定して加工した後の、高分子多糖の共存下での味物質との相互関係を明らかにすることを目的とし、3年間の研究期間において研究項目を設定した。本年度は最終年度で、特に、高分子多糖の共存下での味物質の挙動について、測定法および測定結果の妥当性を検討した。味物質の移動は、共存する高分子多糖の分子量が大きいほど減少する傾向がみられた。また、この現象を味細胞を用いて数値化できるかを検討した結果、共存する高分子多糖の種類にも依存するが、味物質の量に比例して応答が高いことが示された。これは、従来にない評価系であると考える。これらの成果をまとめ学会発表への準備と論文の投稿準備を進めた。官能評価については、共存する多糖自体がもつ味の効果をどのように考慮するのかという、新たな検討課題とともに、味物質の閾値について濃度検討が重要であることが明らかとなり、今後の課題となった。本課題の3年間の成果として、澱粉性食材としての「米」の改良は、変異体米の作出は米粒、米粉および分離澱粉として利用できる利点を有し、湿熱処理は米粉や分離した澱粉に施すため、形状と利用性が制限されるが、現在の品種の利用範囲を広げることを示した。特に湿熱処理は顕著に分散性が抑制されるため、濃度依存的に味物質の味細胞との反応性を抑制する傾向がみられたが、この現象についてはさらに検討する必要がある。

米は、米粒と粉体の形態での利用性が高い食材であり、米澱粉と味物質との共存分散系における、味物質の移動について継続課題として検討する予定である。「米」は私たちの主食であり、重要な栄養源である。また、日本で国内自給しやすく、すでに高度な栽培技術を持つ食用作物でもある。本研究は、遺伝子組み換え技術ではなく、自然交配による新規米を作出し、ユニークな構造を持つ米および米澱粉を創出した。さらにそれら米澱粉を分離し微細構造とレオロジー特性を測定し、変異体米の特性を示した。また、澱粉性食品としての「味覚強度」の評価について、開発した味覚DNAチップの味覚細胞応答評価を用いて、高分子多糖溶液の特性により、味物質の応答が異なることを示した。この成果は、人の閾値より低い濃度であるが、味物質の移動と、味覚細胞の応答を捉えられた。引き続き、澱粉糊液の粘弾性および澱粉糊液中の分散質の状態とその構造解析を行う。さらに、分散質の水中での味物質との相互作用の検討を進めることで、破壊(咀嚼)過程および、非破壊過程(飲み込み)における口腔内への味物質の移動(溶出)の測定につなげる実験を行う。また、本研究課題の目的に向かい、ヒトによる官能評価および味蕾細胞の応答反応測定により、相補的に組み合わせた味覚応答評価系の構築を目指したい。引き続き澱粉糊液の粘弾性および糊液中の分散質の状態と構造解析を行う。さらに、味物質の移動について、機器測定とともに、味蕾細胞を用いて応答反応を測定し、人の官能評価との関連性を検討し、味覚応答評価系の一手法を構築を目指したい。調理科学、食品物性学国際学会(2015年10月18日21日、ミネアポリス、ミネソタ州、米国)への参加を計画していたが、参加しなかったため旅費および参加費の経費が未使用となった。また、実験器具試薬の購入のために計上していた消耗品について、実験の繰り返し回数が減ったことで使用額が減ったため計上した経費との差額が生じた。国際学会(2016年10月23日26日、サバンナ、ジョージア州、米国)への参加を計画していたが、学内業務との調整が間に合わず、成果の発表を国内学会に変更し、米国への出張計画を変更したため、未使用となった。また、投稿論文の準備が遅れ、平成29年度に支出となる予定である。消耗品に当てる予算については、実験の繰り返し回数が減ったため、計画より支出が少なくなった。平成28年度は計画2年目であり、ヒトの感覚による評価の繰り返しや、味蕾細胞の応答反応など新しい実験を組むため、その実行のための経費とし、また、論文の準備が出来次第投稿し、論文投稿費として使用する予定である。平成29年度は最終年度であり、味蕾細胞による実験と人の官能評価による統計解析を計画している。さらに、共同研究者とのディスカッション、研究結果の公開のために学会参加費および論文掲載費として使用する予定である。
動学的環境における市場メカニズムのゲーム理論的分析

動学的環境における市場メカニズムの分析をゲーム理論の手法を用いて行った.特に,(1)名目貨幣が存在するときの動学的市場における均衡の実物的非決定性,(2)「退出」と「発言」の枠組みをモデルとして構築し,市場環境での機能を分析,(3)「仮説形成的推論」を定式化し新たな社会的モデルの分析道具を構築した.動学的環境における市場メカニズムの分析をゲーム理論の手法を用いて行った.特に,(1)名目貨幣が存在するときの動学的市場における均衡の実物的非決定性,(2)「退出」と「発言」の枠組みをモデルとして構築し,市場環境での機能を分析,(3)「仮説形成的推論」を定式化し新たな社会的モデルの分析道具を構築した.また論文"A Model of Exit and Voice"を作成した.この論文では労働サーチ・モデルとチープ・トーク・モデルを組み合わせることで,市場における退出行動と組織内部における「声」("voice")行動との関係性を分析した。また関連して,論文"A Small Incongruence Leads to No Information Transmission"(天谷研一氏との共著)を作成した.この論文では従来のモデルと少し異なる環境でチープ・トークがまったく機能しないことを示し,チープ・トークの限界を示した.また論文"Abductive Inferencein Game Theory"(松井彰彦氏との共著)を作成した.この論文では従来のゲーム理論における演繹的推論・帰納的推論とは異なる「仮説形成的推論」("abductive inference")の考え方を定式化し,いかなるときにプレーヤーの主観的モデルが客観的モデルに一致するかを明らかにした.これにより新たな社会的モデルの分析が可能になった.また昨年度作成の論文"A Model of Exit and Voice"を発展させ,論文"Cheap Talk with the ExitOption: A Model of Exit and Voice"および"A Model of Exit and Voice in Marriage Market"(丸山亜希子・山本和博氏との共著)を作成した.前者は退出オプションのあるチープ・トーク・モデルを分析することで,退出行動の存在が組織内部の「発言」("Voice")の情報精度ひいては経済厚生を高めることを示した。後者ではサーチ・モデルを用いて結婚市場における退出と発言の効果を帰責主義離婚法と破綻主義離婚法という異なる離婚法の下で分析した.その結果,どちらの離婚法が社会的に望ましいかは,主に資産の移転可能性や夫婦内での行動協調の可能性などの程度によってきまることを明らかにした.当該年度は主に,動学的市場における(1)貨幣の役割,および(2)「退出と発言」の役割について研究を行った.その成果が以下に挙げるに諸論文である.
大気エアロゾルの帯電状態の解明と生体沈着への影響評価

大気エアロゾルは、呼吸によって生体内に入り込み健康に悪影響を及ぼすことが知られている。エアロゾルの帯電状態については、それが粒子の生体沈着に関わるため重要であるにも関わらず、ほとんど研究が進んでいない。そこで本研究では、実環境大気中エアロゾルの帯電状態を解明することを目的として研究開発を行った。平成30年度は、実環境大気エアロゾルの帯電状態の計測手法の開発およびフィールド調査を進め、下記に示す重要な成果を得た。KPFM法による表面電位測定の校正方法の検討を行った。ガラス基板上の一部分にイオンスパッタを用いてAuを蒸着し、このAu部分に安定化電源を用いて任意の電圧を印加して、KPFMによりAu部分の印可電圧が表面電位として正しく測定されるかを確認した。実験条件は、(1)塗布Auへの印加電圧を0 Vから2 Vまで0.5 Vずつ変化させた時、および、(2) 0 Vから0.4 Vまで0.1 Vずつ変化させた時、の2通りとした。その結果、いずれの実験においてもAuに印可された電圧をKPFMにより表面電位として正しく認識できており、その分解能は0.1 Vが確保されていることがわかった。フィールド観測の結果としては、2017年から2018年に掛けて得られた約1年分の実環境大気エアロゾルの帯電状態の解析を行った。その結果、測定日によって帯電分布は異なり、帯電粒子割合は7590%程度であった。これらの帯電分布の違いが何に起因するものなのかを検討するため、各分布の非帯電粒子(0価の粒子)の割合と気温や湿度などの気象条件との相関を調べたところ、実環境大気エアロゾルの帯電状態は容積絶対湿度と負の相関が強いことがわかった。つまり、容積絶対湿度が高いほど非帯電粒子割合が低く(帯電粒子割合が高く)なっていることがわかった。実環境大気エアロゾルの帯電状態の計測手法の開発、およびエアロゾルの帯電状態のフィールド調査、ともに大きな問題なく現在まで進めている。さらに2018年度は、当該研究分野では評価の高い国際誌3本を含む合計4本の論文を掲載することができた(Atmospheric Environment (IF=3.708) 2本、Aerosol Science & Technology (IF=2.000) 1本)。このうちの1本は、本研究が国外の研究者からも注目され、実際に中国の西安において、当研究グループにより開発された技術を用いて大気観測がなされ、それが論文となったものである。さらに本研究の成果が、慶應義塾大学の研究ハイライトとして特集された。従って、2018年度の達成度は、当初の計画以上に進展している、と判断した。KPFM法による個別粒子の帯電状態計測を進める。特に、粒子を固定しているカプトンテープが電荷を帯びている可能性と、そのことによる測定結果への影響の有無を検討する。また、表面電位の測定対象物質の物性がKPFM法による測定結果にどのような影響をもたらすかの検討を行う。さらに、一般的に平面に対して適用されるKPFM法を粒子という三次元的表面に適用する際に考慮すべきエッジ効果の解釈方法も合わせて検討する。また、これまでのフィールド観測の結果から、エアロゾルの帯電と容積絶対湿度に相関があることが分かってきた。しかし、日内で容積絶対湿度が連続的に変化した場合、帯電状態が同様な対応関係を示すかは確認できていない。そこで、エアロゾルの帯電状態の連続測定を通じて、容積絶対湿度の連続的な変化に対する帯電状態の応答を確かめるとともに、その他気象条件との相関についても検討を行う。具体的には、人為的に容積絶対湿度を変化させ帯電粒子割合が高くなった空気を乾燥させた際に帯電状態が変化するか、すなわち粒子の帯電状態の可逆性の確認を行う。これと合わせて、大気イオン濃度を測定することができるイオンカウンターを用いて、容積絶対湿度と大気イオン濃度の相関を調べる。さらに二次生成粒子とエアロゾルの帯電状態との関係を調べるため、日射量や、SMPSにより計測される微小粒子濃度とエアロゾルの帯電状態との相関、さらには微小粒子濃度と大気イオン濃度との関係を明らかにする。得られた成果は国内外の学会において発表し、国際的な学術誌への論文の投稿を行う。

その結果、測定日によって帯電分布は異なり、帯電粒子割合は7590%程度であった。これらの帯電分布の違いが何に起因するものなのかを検討するため、各分布の非帯電粒子(0価の粒子)の割合と気温や湿度などの気象条件との相関を調べたところ、実環境大気エアロゾルの帯電状態は容積絶対湿度と負の相関が強いことがわかった。つまり、容積絶対湿度が高いほど非帯電粒子割合が低く(帯電粒子割合が高く)なっていることがわかった。実環境大気エアロゾルの帯電状態の計測手法の開発、およびエアロゾルの帯電状態のフィールド調査、ともに大きな問題なく現在まで進めている。さらに2018年度は、当該研究分野では評価の高い国際誌3本を含む合計4本の論文を掲載することができた(Atmospheric Environment (IF=3.708) 2本、Aerosol Science & Technology (IF=2.000) 1本)。このうちの1本は、本研究が国外の研究者からも注目され、実際に中国の西安において、当研究グループにより開発された技術を用いて大気観測がなされ、それが論文となったものである。さらに本研究の成果が、慶應義塾大学の研究ハイライトとして特集された。従って、2018年度の達成度は、当初の計画以上に進展している、と判断した。大気エアロゾルは、呼吸によって生体内に入り込み健康に悪影響を及ぼすことが知られている。エアロゾルの帯電状態については、それが粒子の生体沈着に関わるため重要であるにも関わらず、ほとんど研究が進んでいない。そこで本研究では、実環境大気中エアロゾルの帯電状態を解明することを目的として研究開発を行った。平成29年度は、実環境大気エアロゾルの帯電状態の計測手法の開発およびフィールド調査を進め、下記に示す重要な成果を得た。電気移動度法による実環境大気エアロゾルの帯電状態の測定装置は以下の通り作製した。電極板の幅10 cm、長さ20 cm、極板間距離0.5 cm、および極板間電圧400 V。エアロゾル導入流量は0.5 L/min、清浄空気導入流量は1.0 L/minとした。これを基本条件とし、流量のみ変化させていったところ、流量を基本条件の4倍まで上げても、粒子の帯電状態の測定結果は変わらないことがわかった。次にエアロゾル導入流量を1.2 L/min、清浄空気導入流量は4.8 L/minとし、極板間電圧を+200V, +400V, -400Vとして、装置出口下流にてエアロゾル粒子をフィルターへ捕集した。なお、フィルター上におけるエアロゾル粒子の捕集径は、分析装置(蛍光X線)のビーム照射径(20mmφ)に最適化した。各フィルター上に採取されたエアロゾル中の元素分析を行ったところ、エアロゾル中の元素組成の違いによって、粒子の帯電状態が異なっている可能性が示唆された。特にCaについては、他の元素成分とは異なる帯電状態を有している可能性が示唆された。従って、達成度は、おおむね順調に進展している、と判断した。KPFM法による個別粒子の帯電状態計測を進める。
『女学雑誌』の言説にみる明治女学校の総合的研究

日本人による最初のキリスト教主義女子教育機関である明治女学校が、教育理想として掲げ実践した女子教育の先駆性と独自性を、同校を拠点に出版された『女学雑誌』の言説を調査研究することによって明らかにした。また、同時代の官立および私立女学校との比較考察を行い、明治女学校における女子高等教育を総合的に検証することによって、同校が果たした歴史的意義を日本の女子高等教育史の中に位置づけることができた。本研究の目的は、明治女学校が実践した女子高等教育の独自性と先駆性を総合的に検証することによって、同校が果たした歴史的意義を日本の女子高等教育史の中に位置づけることにある。具体的に成果としてめざすのは、以下の3点である。(1)明治女学校における女子高等教育を、同校を拠点に出版された『女学雑誌』の言説の調査研究を行うことによって明らかにする。(2)同時代の女学校との比較考察によって、明治女学校の独自性、先駆性を明らかにする。(3)明治女学校に関する総合的な研究情報をweb上で逐次発表するとともに、同web上に郷土史家も含む研究者相互の研究情報提供の場を設けることによって、明治女学校研究の拠点作りをめざす。研究初年度である本年度は、第一点目に関しては、『女学雑誌』に関する概観的な主題調査を開始した。『女学雑誌』の記事を所定の4項目に従って抽出・分類することに着手するとともに、一部内容分析も進め、その成果を論文として発表した。次年度は、主題調査および抽出・分類を継続するとともに、さらに詳細なキーワードを設けることによって、抽出した記事を、さらに分類・系統化する予定である。第二点目については、官立女学校、女子師範学校、私立(非ミッション系)女学校、ミッション系女学校など、当時の女子高等教育機関に関する文献資料の収集を行った。次年度は、引き続き文献収集を継続するとともに、関連史料所蔵機関における史料調査も行いたいと考えている。第三点目に関しては、研究最終年度でのweb公開をめざして、構成の検討など諸準備に着手した。研究第2年度である本年度は、第一点目に関しては、前年度に引き続き『女学雑誌』に関する概観的な主題調査を開始した。『女学雑誌』の記事を所定の4項目に従って抽出・分類する作業を継続するとともに、内容分析も進め、その成果を論文として発表した。また、抽出した記事を、さらに分類・系統化する作業にも着手した。第二点目については、官立女学校、女子師範学校、私立(非ミッション系)女学校、ミッション系女学校など、当時の女子高等教育機関に関する文献資料の収集を初年度に引き続き行い、成果を著書(報告書)として発表した。第三点目に関しては、資料調査とその分析に主力を注いだため、本年度はweb page作成準備を見送らざるを得なかったが、諸事情が許せばweb作成も実現したいと考えている。研究最終年度となる次年度は、主として関連史料所蔵機関における史料調査を行うとともに、最終的な成果のまとめを射程に入れた研究活動を行いたいと考えている。具体的に成果としてめざしたのは、以下の3点である。第一点目に関しては、『女学雑誌』の主題のデータ入力を進めるとともに、『女学雑誌』に関する概観的な主題調査を行った。また、『女学雑誌』の記事の抽出・分類を行うとともに、内容分析を進めた。第二点目については、官立女学校、女子師範学校、私立(非ミッション系)女学校、ミッション系女学校など、当時の女子高等教育機関に関する文献資料の収集を行い、比較文化的な視座で研究を行った。第三点目に関しては、資料調査に主力を注いだために着手が遅れたが、研究成果の一端を紹介する形でのWebページ「『女学雑誌』と明治女学校」(仮題)の作成に着手した。

最終年度の研究成果報告書提出に向けて、webページ公開の準備なども進めたいと考えている。本年度は資料調査とその分析に主力を注いだため、本研究が当初めざしていた「(3)明治女学校に関する総合的な研究情報をweb上で逐次発表するとともに、同web上に郷土史家も含む研究者相互の研究情報提供の場を設けることによって、明治女学校研究の拠点作りをめざす。」に関しては、やむを得ず着手を見送った。24年度が最終年度であるため、記入しない。上述のように、web上に明治女学校に関する総合的な研究情報提供サイトを作成し、研究者間での情報提供の場としても活用するという計画は、着手が遅れる結果となっている。次年度に着手し公開まで実現することは、時間的にも経費的にも危ぶまれるが、サイトの構成や機能を縮小するなどの対策を早急に検討し、webを通じての明治女学校研究に関する情報発信を緒につけるために、最善を尽くしたいと考えている。
２次元アンチドット型光格子中のボース気体の相図の探索

柱状のドットが多数配列し、エネルギー極小が多重連結したアンチドット型光格子中に、ボース凝縮体を誘導する。本研究では、アンチドットの高さ、サイトあたりの原子数、次元性、系の温度、原子間相互作用の強さなどを制御し、これら種々のパラメーターのもとでいかなる相が実現しうるのかを、物質波干渉パターンや運動量分布の観測を通して実験的に探索し、相図を確定させる。従来の局在型光格子との本質的な差異に着目し、ボース・ハッバードモデル適用の可否あるいは適用限界を明らかにするとともに、従来の光格子では実現しえなかった相や観測できなかった現象の探索を行う。
病巣指向性の複合型抗体による脳梗塞の治療法開発

わが国では、脳血管障害は死因上位を占め、有効な治療法開発が望まれて久しい現状である。申請者らは、起炎性の新規活性物質HMGB1に注目し、特異的抗HMGB1単クローン抗体の治療法を開発した。ラット中大脳動脈2時間閉塞再灌流の脳梗塞モデルを用いて、単クローン抗体の治療効果及びメカニズムを検討した。その結果、抗HMGB1単クローン抗体の末梢投与は脳梗塞巣を縮小し、運動麻痺症状を改善し、脳浮腫の進行を止めることが示唆された。虚血側の特定の視床下部領域、特にストレス応答に関連する脳部位で、HMGB1が発現誘導されていることが分かった。これらの知見は、虚血再灌流の脳障害に対する、抗HMGB1単クローン抗体の有効性を強く示唆する。脳血管障害は日本人の死因の第3位を占め、その内約60%は脳梗塞によるものである。現在、脳梗塞の急性期治療薬として、組換え体t-PAやラジカルスカベンジャーのエダラボンが臨床応用されているが、有効治療時間帯の制限や虚血再灌流障害あるいは副作用等の問題があり、真に有効な治療法開発が望まれて久しい。我々は、起炎性の新規活性物質HMGB1に注目し、特異的抗HMGB1単クローン抗体の治療法を開発した。その結果、ラット中大脳動脈2時間閉塞再灌流の脳梗塞モデルにおいて、梗塞巣を減少して、後遺症も減少することを確認した。脳虚血再灌流3時間後には、脳の毛細血管周囲の変化と脳血管透過性をエバンスブルー漏出を指標として評価した結果とも抗体治療により、脳血管透過性亢進が明らかに抑制示された。虚血側のアストログリアと神経細胞核のHMGB1の反応が消失していた。一方、虚血側の視床下部傍室核や視床下部前部のニューロンでは、細胞質を含む細胞全体にHMGB1の発現が上昇していた。また、視床下部前部では、血管周辺に、HMGB1強陽性の点状構造物が多数観察された。このような結果は、虚血側の特定の視床下部領域、特にストレス応答に関連する脳部位で、HMGB1が発現誘導されていることが分かった。本研究は新規性の高い有効な脳梗塞治療法として特許第3876325号という成果を取得した。脳梗塞に対する抗HMGB1単クローン抗体の治療効果ついてはFASEB Journalに『Anti-high mobility group box1 monoclonal antibodyamelioratesbrain in farction induced by transient ischemia in rats.』として報告した。これらの実験結果に基づき、脳内ミクログリアの活性化、浸潤性白血球の動態、脳内サイトカイン類の発現の観点から抗体作用の解析を進めていく。前年度に引き続いて抗体の作用機序解析を実施した。虚血再灌流3時間後に、脳微小血菅の変化を電子顕微鏡レベルで観察した。対照抗体投与群は、脳神経細胞アストロサイトの終足腫脹を見られ、血管外側の基底膜が細くまた欠如していた。脳神経細胞の終足は基底膜から遊離、血管内皮細胞の剥離、血管内に血栓の塊、この様な血液-脳関門の破綻の像が見られた。抗HMGB1単クローン抗体の投与によって、血液-脳関門の破綻を抑制し、MRI画像で虚血再灌流後誘発された脳浮腫の進行を止めることが示唆された。実際に脳組織の水分含量を測定したところ、抗HMGB1単クローン抗体治療群の方は、虚血側の大脳皮質、線条体、視床下部、海馬における水分含量の変化が30-40%抑えられた。脳内水分量調節の役割を行うアクアポリン4(AQP4)の発現を抗HMGB1抗体投与は抑制した。脳虚血後のHMGB1分子の局在変化を詳細に検討した。正常脳において細胞核に存在するHMGB1は、虚血再灌流障害の刺激で、三つの変化パターンを示した。細胞核のレンコン様の像は虚血側の線条体領域によく見られ、HMGB1の細胞核内分散、移動を示した。HMGB1の細胞核から細胞内へ放出の像は大脳皮質、線条体の周囲に多く見出され、HMGB1の細胞内からの放出像は視床下部領域が多かった。これらの結果は、虚血再灌流障害の炎症応答における細胞死とHMGB1の放出過程を明らかにした。以上の結果は、虚血性脳浮腫に対する、抗HMGB1単クローン抗体の有効性を示唆する。
白血球封入体を伴う巨大血小板性血小板減少症の鑑別診断法確立と分子病態解明

巨大血小板、血小板減少および白血球封入体を特徴とする巨大血小板性血小板減少症の代表的な疾患であるMay-Hegglin異常症はA型細胞性ミオシン重鎖(NMMHCA)をコードするMYH9遺伝子の異常症である。巨大血小板性血小板減少症は、しばしば特発性血小板減少性紫斑病と誤って診断される問題点が指摘されているが、不必要な治療を回避するためにも的確な鑑別診断法の確立が急務である。本研究では、抗NMMHCA抗体を用いた免疫染色解析法により、MYH9異常症が疑われる先天性巨大血小板性血小板減少症の末梢血塗抹標本上における顆粒球細胞質内NMMHCA局在様式を解析し、その局在様式から推測されるMYH9異常領域の塩基配列を決定し遺伝子異常を同定した。すなわち、NMMHCAの免疫染色解析法はMYH9異常症の簡便なスクリーニング法として有用であることが示された。また、gene-trap法にて遺伝子を破壊したNMMHCA欠失マウス解析では、欠失ホモ体の胎仔期早期死亡したことより、NMMHCAはマウス胎仔発育に不可欠な分子であることが推測された。さらに、ヘテロマウスにおいてMYH9異常症付随のAlport徴候に相当する表現型と思われるauditory brain stem response (ABR)低下を認めたが、HE染色像、電子顕微鏡像など組織学的解析においては異常を認めず、やはり、MYH9異常症の発現にはノックインマウス解析が必要と思われた。一方、R702C変異ノックインマウスの作製ではキメラマウスの交配によるヘテロマウスの出生率はきわめて低く(仔喰いのためか)野生型に比べ病弱なことが推測された。・MYH9異常症の免疫蛍光解析による鑑別診断我々は、これまで抗NMMHCA抗体を用いた免疫染色解析法によりMYH9異常症が疑われる先天性巨大血小板症の末梢血塗抹標本上における顆粒球細胞質内NMMHCA局在様式を解析し、その異常局在を報告してきた。今回は、6例についてNMMHCA異常局在を認め、細胞質内のNMMHCA局在様式から推測されるMYH9異常領域の塩基配列を決定したところ、全ての症例に遺伝子異常を同定できた。我々は、すでにgene-trap法にてMYH9遺伝子の破壊したNMMHCA欠失ヘテロマウスを得ている。今回、MYH9遺伝子欠失ヘテロマウス同士の交配解析では欠失ホモ体は妊娠早期に死亡・吸収され生まれてこないことが判明し、NMMHCAはマウス胎仔発育に不可欠な分子であることが推測された。また、ヘテロマウスのauditory brain stem response(ABR)の低下を6匹中2匹に認め、MYH9異常症に付随するAlport徴候に相当する表現型と思われた。・MYH9異常ノックインマウスの作成今回、ノックイン・ターゲティングベクターは、R702C変異を導入したMYH9遺伝子を含む8kbとその5'側2kbをLoxP配列に挟まれたNeo耐性遺伝子の両側に配置し、さらにDTAとのポジティブ・ネガティブセレクションを用いて構築した。これをES細胞に導入してG418選択培養し、PCR・サザン解析にて相同組換え体を単離・同定。これをC57BL/6Jマウス胚盤胞に注入して仮親子宮に移植し、キメラマウスを作成した。来年度は、キメラマウスの交配によりヘテロマウスを作成し、さらにCre-recombinaseを恒常的に発現するCAG-Creマウスとの交配によりLoxP配列に挟まれたNeo遺伝子を切り出し、R702C変異MYH9マウスを作成して解析を行う予定である。

巨大血小板、血小板減少および白血球封入体を特徴とする巨大血小板性血小板減少症の代表的な疾患May-Hegglin anomalyはA型細胞性ミオシン重鎖(NMMHCA)をコードするMYH9遺伝子の異常症であるが、特発性血小板減少性紫斑病と誤って診断されての不必要な治療を回避するためにも的確な鑑別診断法の確立が急務である。本研究では昨年に引き続き、抗NMMHCA抗体を用いた免疫染色解任法によりMYH9異常症が疑われる先天性巨大血小板性血小板減少症の末梢血塗抹標本上における顆粒球細胞質内NMMHCA局在様式を解析し、その局在様式から推測されるMYH9異常領域の塩基配列を決定したところ、遺伝子異常を同定できた。また、gene-trap法にてMYH9遺伝子を破壊したNMMHCA欠失マウスについて、ヘテロマウス同士の交配解析で欠失ホモ体の胎仔期早期死亡、ヘテロマウスにおいてはMYH9異常症付随のAlport徴候に相当する表現型と思われるauditory brain stem response (ABR)低下を認めたが、HE染色像、電子顕微鏡像など組織学的解析においては異常を認めなかった。一方、昨年度作製したR702C変異ノックイン・キメラマウスを野生型C57BL/6Jマウスと交配しヘテロマウスを作製したがそのヘテロマウス出生率はきわめて低く、唯一得られたヘテロマウスも交配・繁殖前に仔喰いにより失われた。現在、改めてキメラ率のよい組換え体ES細胞クローンを用いたキメラマウスの作製中で、キメラマウスの交配によるヘテロマウスを作製継続中であり、さらにCre-recombinaseを恒常的に発現するCAG-Creマウスとの交配によりLoxP配列に挟まれたNeo遺伝子を切り出し、R702C変異MYH9マウスを作製し解析を行う必要がある。
高分解能電子顕微鏡によるナノ電子線加工過程の構造と伝熱のその場解析

申請者らは超高速に加速した電子線の照射を利用すると、従来の加熱・冷却法、液体超急冷法では得ることができない非平衡組織を有する新素材を作製できるだけでなく、ナノメートルレベルの超微細加工が可能になることを本研究より明らかにした。最新の高分解能電子顕微鏡に採用されている電子線技術を用いることにより直径を1nm以下に集束したナノ電子線を1nm単位で走査することができ、従来の電子線加工に比べ加工精度が飛躍的に改良されることを示した。また穴あけやパタ-ニングにとどまらずに電子線加工による表面清浄化を利用した金属間化合物、セラミックの常温接合などの本加工法の様々な応用技術を見出した。具体的にはナノメートルサイズの極細電子線によって酸化マグネシウムを超微細加工し、基礎的な実験条件を把握した。(1)電子線の直径は約1nmまで収束できた。構造観察のために直径10nm程度までの収束させた電子線では空間分解能0.15nmまで保証できるように電子線制御が可能になった。(2)この電子線を用いて酸化マグネシウムに約1nmの穴をあけることや同尺度の外形加工を可能にした。(3)このような加工過程における構造変化を原子尺度の空間分解能、60分の1秒の時間分解能で観察することに成功した。(4)これらの観察から酸化マグネシウムは一般の電子線加工過程とは異なり融解状態を経ないで直接表面から脱離して加工が進行することを明らかにした。(5)酸化マグネシウム以外の酸化物(酸化亜鉛、酸化ニッケル、酸化コバルト)や半導体(テルル化鉛、硫化鉛、セレン化鉛)などについてナノ電子線加工過程の構造・組成変化を明らかにした。これらの研究結果から表面原子がキンクやステップなどの弱い結合サイトに拡散し脱離して加工が進行することを見出した。(6)加工終了直前における結晶粒界、転位、微小空隙等の格子欠陥のサイズの超微細化に伴う原子配列の変化を観察し、格子欠陥を含む領域での加工過程を明らかにした。(7)ナノ加工によって試料表面を清浄化して活性にし低温(常温)接合が新たな工学技術になり得ることを明らかにした。(4)酸化物試料にナノメートルサイズの微小領域を金属被膜して電子照射することにより超微細突起形状を作製する手法を開発した。
染色体異常及び物理的環境要因によるラット皮膚紋理の形成異常

皮膚紋理は解剖学・発生学・人類学・人類遺伝学・先天異常の領域で興味を持たれている形質であるが、今までは適当なモデル動物がなかった。筆者は1985年にラットに皮膚紋理の存在することを世界で最初に発表し、その近交系には系統特有の紋理が現れることを確認し、皮膚紋理の実験系を確立することに成功したが、今年度は以下の研究成果を得た。1.ガンマ線照射による異常染色体ラット(11番とY染色体の均衡型相互転座)を交配し、11種類、80頭の異常核型を有する個体を作成したが、皮膚紋理に特異所見は見られなかった。最初に皮膚紋理異常が発見された核型は偶然にできたもので、今回は再現されなかった。これにより皮膚紋理異常が稀なものであることが判明した。2.筆者は染色体異常とは全く異なる成因、すなわち出生直後の低湿度によってラットでは皮膚紋理に発育障害が生ずることを見出した。今回は組織標本並びに走査電顕により瘢痕の所見を明らかにした。3.異る紋理を有する近交系ラットを交配し、雑種第1代、第2代、バッククロスを約200頭作成したが、前回の実験と同様の傾向が見られ、かなり少ない座位の遺伝子に支配されていることが推測されるに至った。同様の実験を別の近交系の交配でも試みつつある。4.紋理形成のメカニズムを探るため、渦状紋、三叉紋、櫛状紋を有する3種類の近交系(NIG、ACI、SDJ)、及びこれらの間の雑種第1代の胎児(胎生19、20、21日)について掌側のパッドの形態と紋理の関係を調べたところ、両者の間に極めて規則的な関連のあることが明らかになり、従来ヒトとサルから推測されていた仮説が、今回のラットの研究により初めて実証された。
ブタの増体に影響する暑熱耐性の改良のためのDNA育種用分子マーカーの開発

これまでの研究で、FGF21をブタ増体に影響する暑熱耐性と関連する原因遺伝子候補として同定していた。本研究で、高暑熱耐性群と低暑熱耐性群との間で遺伝子型が異なる3つのFGF21多型を検出した。そのうち、プロモーター領域に存在し、転写開始点からより近い、転写開始点から-2466に位置する多型を暑熱耐性に関連する多型候補として選抜した。-2466多型を含む302bpの領域をPCRで増幅した後、制限酵素Bcc1を用いたDNA切断を行うというPCR-RFLPによる遺伝子型判別法を確立した。暑熱耐性について2014年と2016年のブタサンプルで比較を行った結果、日付、温度、THIの3つの基準による暑熱期間のいずれを用いても、2016年のブタサンプルで暑熱耐性は高いという傾向が見られた。暑熱耐性の分散値を比較した結果、2014年では日付による基準では0.0363、温度による基準では0.0336、THIによる基準では0.0306となった。2016年では日付による基準では0.0400、温度による基準では0.0466、THIによる基準では0.0470を示した。いずれの基準でも分散値は2014年と比べ2016年で大きくなる傾向が見られ、暑熱耐性を評価するにあたり2016年のブタサンプルがより適していることが示された。2016年のブタ毛根サンプルを用いてタイピングおよび相関解析を行ったが、FGF21多型と暑熱耐性の表現型の間に相関は認められなかった。サンプル数が少ない可能性があり、タイピングの際、GG型を含むより多くの個体のサンプルが得られれば、暑熱耐性との関連がみられる可能性がある。また、FGF21がブタ増体に影響する暑熱耐性の原因遺伝子ではなく、より上流の遺伝子が原因遺伝子である可能性もある。三元交雑種の肥育後期雌豚を用いて、暑熱環境下での選抜により、暑熱耐性が極端に高い個体5頭を高暑熱耐性群として、それが極端に低い個体5頭を低暑熱耐性群として作出した。このような作出のために、各雌豚の肥育後期の体重を1週間毎に測定し、各個体の適温環境下期間(5月中旬5月下旬)における1週間あたりの適温下増体量、暑熱環境下期間(7月中旬8月上旬)の各1週間における暑熱下増体量を算出した。それらの暑熱下増体量と適温下増体量の差により、各雌豚の肥育後期の暑熱耐性を暑熱下期間の1週間毎に算定し、当耐性にばらつきがみられ始める時点で、高低暑熱耐性群を選抜した。さらに、その三元交雑種の肥育後期雌豚5頭を、適温環境下の対照群として作出した。3個体群の作出にあたって、血縁関係のない個体を用いた。高低暑熱耐性群については選抜時に、対照群については高低暑熱耐性群とほぼ同齢になる時期に、最長筋を採取した。これらの3個体群の最長筋からトータルRNAを抽出し、リアルタイムPCRにより各個体のFGF21の発現量を解析した。このような解析により、FGF21が、低暑熱耐性群でのみ発現増加していることを明らかにした。こうして、FGF21が、ブタ暑熱耐性の低下と関連する、暑熱応答性の発現増加を示すことを確認した。上述のように作出した個体と発現プロファイリングに用いた個体を併せた高低暑熱耐性群のの最長筋から、ゲノムDNAを抽出した。また、FGF21のプロモーター領域の約5kb、全長遺伝子領域の約3kb、3'隣接領域の約2kbを増幅するためのプライマーを設計した。このようなゲノムDNAとプライマーを用いて各個体でのPCRダイレクトシーケンスを行った。当初予定していた計画どおり、遺伝子発現プロファイリングに用いた3個体群と同様な個体群を新規に作出し、ブタ暑熱耐性の低下と関連する、FGF21の暑熱応答性の発現増加を確認することができた。さらに、FGF21の暑熱応答性の発現増加と関連するアリルをもつDN多型を検出するためのダイレクトシーケンスを行うことができた。FGF21のプロモーター領域の約5kb、全長遺伝子領域の約3kb、3'隣接領域の約2kbを増幅するためのプライマーを用いて、発現プロファイリングに用いた高低暑熱耐性群でのPCRダイレクトシーケンスを行ったところ、3つの多型が検出された。このような3つの多型のうち、プロモーター領域に存在し、転写開始点からより近い、転写開始点から-2466に位置する多型を暑熱耐性に関連する多型候補として選抜した。さらに、-2466多型を含む302bpの領域をPCR増幅し、制限酵素BccIで切断するというPCR-RFLPによるタイピング法を確立した。暑熱耐性表現型の判定のために、同一農場における三元交雑種の肥育後期豚からなる集団を用いた。各個体の肥育後期の体重を測定し、適温環境下期間における1週間あたりの適温下増体量、暑熱環境下期間における1週間あたりの暑熱下増体量を算出した。これらの暑熱下増体量と適温下増体量の差により、各個体の肥育後期の暑熱耐性を算定した。

このような暑熱耐性表現型の算定に必要となる暑熱・適温環境下期間の設定については、6月25日8月18日を暑熱期間、それ以外を適温期間とした日付による基準、体重を計測する前の10日間の平均気温が23度以上である場合を暑熱期間、23度未満を適温期間とした温度による基準、体重を計測する前の10日間の平均THIが22以上の場合を暑熱期間ん、22未満を適温期間としたTHIによる基準を用いた。結果として、日付、温度、THIという3つの基準による3つのタイプの暑熱耐性表現型を得た。当初予定していた計画どおり、高低暑熱耐性群を用いたダイレクトシーケンスにより、暑熱耐性に関連する多型候補を選抜することができた。されに、その候補多型のタイピング法を確立することができた。また、相関解析に用いるための同一農場の各個体の暑熱耐性表現型を判定することができた。これまでの研究で、FGF21をブタ増体に影響する暑熱耐性と関連する原因遺伝子候補として同定していた。本研究で、高暑熱耐性群と低暑熱耐性群との間で遺伝子型が異なる3つのFGF21多型を検出した。そのうち、プロモーター領域に存在し、転写開始点からより近い、転写開始点から-2466に位置する多型を暑熱耐性に関連する多型候補として選抜した。-2466多型を含む302bpの領域をPCRで増幅した後、制限酵素Bcc1を用いたDNA切断を行うというPCR-RFLPによる遺伝子型判別法を確立した。暑熱耐性について2014年と2016年のブタサンプルで比較を行った結果、日付、温度、THIの3つの基準による暑熱期間のいずれを用いても、2016年のブタサンプルで暑熱耐性は高いという傾向が見られた。暑熱耐性の分散値を比較した結果、2014年では日付による基準では0.0363、温度による基準では0.0336、THIによる基準では0.0306となった。2016年では日付による基準では0.0400、温度による基準では0.0466、THIによる基準では0.0470を示した。いずれの基準でも分散値は2014年と比べ2016年で大きくなる傾向が見られ、暑熱耐性を評価するにあたり2016年のブタサンプルがより適していることが示された。2016年のブタ毛根サンプルを用いてタイピングおよび相関解析を行ったが、FGF21多型と暑熱耐性の表現型の間に相関は認められなかった。サンプル数が少ない可能性があり、タイピングの際、GG型を含むより多くの個体のサンプルが得られれば、暑熱耐性との関連がみられる可能性がある。また、FGF21がブタ増体に影響する暑熱耐性の原因遺伝子ではなく、より上流の遺伝子が原因遺伝子である可能性もある。ダイレクトシーケンスの結果に基づき、FGF21の暑熱応答性の発現増加と関連するアリルをもつDNA多型を検出し、検出したDNA多型のタイピング(遺伝子型判定)法を確立する。さらに、検出したDNA多型から、ブタ暑熱耐性の低下と関連するアリルをもつDNA多型を選出する。同様に、ブタ暑熱耐性の低下と関連するハプロタイプをもつDNA多型群を選出する。このような解析を行うことにより、選出したDNA多型(群)のブタ暑熱耐性に対する効果を確認し、その効果が大きいDNA多型(群)を、当耐性と関連する分子マーカーとして同定していくこととする。相関解析に用いる同一農場の各個体の毛根からゲノムDNAを抽出し、各個体のタイピングを行う。えられた表現型検定データとタイピングデータを用いて、SAS MIXEDプロシジャにより相関解析を行う。MIXEDプロシジャでは、暑熱耐性を従属変数として、DNA多型の遺伝子型、性、検定年を母数効果、父畜、母畜(母の腹)、一腹産子数を変量効果として取り入れた統計モデルを採用する。このような解析により、ブタ暑熱耐性と関連するアリルをもつDNA多型を選出する。
高齢化社会における地域産業構造再編に関する総合的研究

全国平均より約15年高齢化が先行する島根県を主な対象として、産業構造の変化と高齢化との相互関係を実証的に分析した。諸統計及び関連資料の解析、並びに同県下の個別企業・業界からの聴き取り調査により、労働力再生産構造の面にあらわれた高齢化社会の進展が地域の産業構造に与えるインパクトを明らかにすることができた。従来の産業構造論は、農村部から継続的に労働力が供給されてきた都市部を表象としたことから、労働力供給側の変化を十分に理論体系に組み込んでこなかった。今回の研究においては、地域産業構造の変化が地域社会の高齢化を伴った過程の解明とともに、高齢化が、産業・企業の技術革新・情報化等に障害を生み出している実態をも明らかにしえた。当該研究により得られた知見は、次のようである。1.第1次産業の比重が大きい地域では、第1次産業就業者の減少を伴う「産業構造の高度化」政策は、雇用・就業機会の減少から、若年労働力の域外流出、地域社会の高齢化の原因ともなる。従って、地域社会維持のためには、農林業の再評価が欠かせない。2.技術革新・情報化の進展は、個々の企業現場において、高齢化との矛盾を生んでいる。就業者の高齢化が現行の技術革新競争から取り残される企業を生む一方で、技術革新の導入が高年齢者の就業機会の幅を狭めているケ-スもある。社会の高齢化を視野に入れた技術革新のあり方が問われだしている。3.今後の地方の政策体系として、農業・農村の公益的機能を維持する産業構造政策が必要である。そのための財政政策の確立が求められている。1.島根県下の産業構造及び産業別・年齢別就業構造について、国勢調査をもとにして昭和35年以降の変化を統計整理したが、これにより、高齢化と産業構造の変動関係を明らかにできるようになった。その結果から、全国の変動過程と対比して島根県は、諸指標が15年ないし20年遅れていることが判明した。島根県の産業別就業構造は、全国の昭和40年ないし45年の構成が、現在の島根県の構成となっている。その後の全国の低成長期における変化過程が、これから島根県で繰り返されるのか、それとも政策的に別の過程を選択するのか、産業政策の検討に興味ある事実が明らかにされた。2.日本経済は、外需依存型から内需主導型へと産業構造の転換をすすめているが、島根県の就業構造をもとにこの産業構造変化の県下へのあらわれを検討してみると、第一次産業の高い島根県の産業構造の現状では、産業間及び年齢間の雇用のミスマッチが大量に発生するであろうことが明らかになった。ここから、全国の方向だけでない地域独自の産業構造政策の必要性が明確になった。3.島根県には大企業がなく、技術革新の大幅なおくれが常識的に考えられてきた。しかし、今回の企業内技術革新と雇用(高年齢者への影響)を聴き取り調査してみると、相当なテンポで製造技術システムが変わり、生産管理システムが革新されていることが判明した。この実態は、今回の調査で初めて明らかにされた点である。研究報告論文としてはまだ公表していないが、整理が終り次第、発表したい。当初予定していた以上に、技術革新と雇用の関係を重視しなければならないことがはっきりしてきた。第2年度(平成元年度)の研究課題としたい。高齢化社会の進展と産業構造の変化との相互関係について、島根県を主な対象にして研究した結果、次のような知見を得た。1.島根県における産業構造の高度化は、第2次・第3次産業就業者を増加させたが、それ以上に第1次産業就業者が減少したため、雇用・就業者総数を減らしている。産業構造高度化に伴う雇用機会の減少が、新規学卒者の域外流出の要因ともなっている。

地域経済における農林業は、地域社会維持の観点からも再評価が求められる。2.農林業の担い手の高齢化は確実にすすんでおり、若年労働力の補充が必要なことは言うまでもないが、同時に、高齢化の実態に合わせた農林業経営の創出による農村の活性化が求められている。3.個別企業・業界からの聴き取り調査から具体的に明らかになったこととして、技術革新、情報化が着実に進展しているが、それが高年齢者の就業との間に矛盾を生んでいる。従業者の高年齢化が技術革新の障害となっているケ-スもあり、また、技術革新の導入が高年齢者の就業機会の幅を狭めているケ-スもある。社会の高齢化を視野に入れた技術革新のあり方が問われだしている。4.本研究課題に関して新しく注目を要する動きとして、リゾ-ト開発がある。リゾ-ト開発は、地域産業構造再編に大きなインパクトを与えつつある。リゾ-ト開発には「地域の活性化」が期待されているが、地域資源、環境の有効活用からみて、地域経済の持続的発展に資するか疑わしい点が少なくない。今後の調査を必要とする。5.「東京一極集中」に象徴される都市と農村の格差に対して、新しい政策視点が必要である。それは、農業・農村の公益的機能を維持する政策体系、財政政策の導入である。
無電源ROF(Radio on Fiber)アクセスシステムの研究

本研究計画の目的は、将来の無線通信ブロードバンド化を見据えて、光ファイバ無線(ROF:Radio-On-Fiber)システムのアンテナ基地局の無給電化に必要な構成要素に関する高効率化ならびに高性能化を行い、実用化に向けての具体的な検討を実施するものである。まず、ROFシステムのキーデバイスである光変調器とフォト・ダイオードにおける光電変換の高効率化を実現するため、スリースタブ方式を用いたインピーダンス整合を適用することで、それぞれの変換効率を2.5dB、4.0dB改善することに成功した。一方、光電変換における高効率化の別のアプローチとして、半導体素子材料の改善にも着目し、希土類金属の強い蛍光体での波長変換特性を活用することで、最大で50%程度の効率向上が可能であることを理論的に明らかにした。また、光変調器における変調効率の高効率化のため、ヘテロダイン技術を適用した新しい無給電ROFシステムの構成に関する検討も行った。下り伝送系では、制御局での2段カスケード接続型の光変調器による光ミキシングによって、2.45GHzから0.45GHzにダウンコンバートされた変調信号を基地局側に伝送させて、従来方式と比較し、およそ7.5dBの特性改善が行えることを実験的に示した。上り伝送系では、基地局の無給電化のため、制御局側から光信号として伝送した2.0GHzのローカル信号と2.45GHzのアンテナ受信信号のミキシングによって、変調信号を0.45GHzにダウンコンバートする構成法を提案し、従来方式と比較して、およそ8.0dBの特性改善が行えることを明らかにした。さらに、無給電ROFシステムにヘテロダイン技術を導入しても、実用レベルの範囲で基地局への光給電パワーを増加させることで、高効率な無給電基地局を実現する目処が立つことを明らかにしている。ワイヤレスアクセスのブロードバンド化にともない、1つの基地局でのカバーエリアの縮小化が進み、基地局数が増大することから、基地局の低コスト化と保守の簡易化が必要となる。この解決策として、センター局と基地局を光ファイバーによって接続し高周波無線信号を直接伝送するROF(Radio on Fiber)技術を用いて構成を単純にすると共に、同一光ファイバーを用いた光電力伝送によって基地局に必要なエネルギーを供給する構成を考案し、さらに光電力伝送の光波長をROF信号の光波長より約100nm短波長測に選ぶことによって光ラマン効果によるROF光信号の減衰を軽減または増幅することを試みた。さらに基地局での上り信号の光変調にはEA(Electro-Absorption)変調器を用いるのが良いことを明らかにし、アンテナで受信した信号はLNA(Low Noise Amplifier)によって増幅し光変調を行うことで変調度を改善することを試みた。平成16年度は、これらの技術を適用したROFアクセスシステムの基本動作を2.4GHz帯で実験し、その効果を見極めた。(1)光電力伝送については、従来は基地局で最大15mWの電力を取り出していたが、本年度は大電力用PD(フォトダイオード)と出力300mWのLD(レーザダイオード)を用いて、基地局で26.5mWの電力を得ることができた。(2)EA変調器、フォトダイオードのインピーダンス整合による大幅な特性改善、(3)低消費電力のLNAを用いることによるEA変調の変調特性の改善、を達成することができた。主な研究実績は、(1)従来の2GHz帯から20GHz帯に高周波化した場合の性能評価、(2)損失の大きい上り回線にヘテロダイン技術を適用した場合の評価、(3)光給電における光電変換の高効率化、(4)給電光によるラマン増幅の効果の評価、などである。

(1)2GHz帯と20GHz帯の比較については、EA外部変調器、PDを用い、双方の給電部に3スタブ形のインピーダンス整合回路を接続して、マッチングによる変換損失の低減を実験的に検討した。電気→光→電気変換損失は、2GHz帯で75dB、周波数の上昇に伴い増加し、20GHz帯で84dBとなった。変換損失は2→20GHzで9dB増であった。(2)ヘテロダイン技術を適用については、2GHz帯の従来の実験系を用いて、バランス変調器を用いた周波数変換器を形成し、2.4GHzを400MHzに変換してEA変調器によって光変調し、伝送後に受信側で再び2.4GHzへ周波数変換する系の実験を行った。10MbpsのQAM信号を伝送した場合に、同一符号誤り率において最大16dBの利得が得られた。(3)光電変換の高効率化について、現時点での最大効率1318%をさらに改良するには、最近脚光を浴びている希土類金属の強い蛍光を利用して、InGaAs中にSm^<2+>,Dy^<2+>,Eu^<2+>そしてTm^<2+>をドープし、蛍光体の波長変換特性(特許第3698215号「受光素子」)を利用して、光源(波長1.47μm)をInGaAs pin-PDの分光感度の高い1.5から1.7μmの広帯域長波長領域に変換し、その変換効率を上げようとする方法を試みた。理論的には15から50%の効率向上が見込まれることが分かった。(4)ラマン増幅については、下り信号に対しては、差分利得は下り信号の場合よりも小さく、0.4dB程度に留まり、無線信号に対するパワーペナルティも3dB以下となった。長距離伝送の場合の給電光によるラマン増幅の効果は、下り信号に対してより効果的となることがわかった。