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THｚ域誘電スペクトル測定による高分子溶液の超高速ダイナミックスの研究

周波数帯域1M3THzの誘電スペクトル測定システムを構築した。親水性高分子水溶液の誘電スペクトルでは、水素結合のないダングリング水酸基をもつ水分子の緩和が、濃度増加に伴い減少した。一方、水和に起因する緩和が新たに観察され、その強度を増した。水分子のダングリング水酸基を親水性基に水素結合させることで、水和が生じることが明らかになった。水溶液中でニトロ基やシアノ基の近傍に偏在する水分子の水酸基は、双極子-双極子相互作用は生じるものの、官能基との間に水素結合を形成せず、ダングリング水酸基になることが分かった。これの官能基は親水性と疎水性の中間の性質を有するので、中間親水性基に分類した。これまでの高分子物質の溶液研究では、溶媒を連続媒体と見なし、その中で高分子鎖がブラウン運動しているという描像を基本に、平均的な高分子の形態と分子運動のみが議論されてきた。従って、モノマーオーダーの分子運動が溶媒との相互作用も含めて一般的に理解されているとは言い難い。本研究では、溶液中での溶媒分子の並進および回転の分子運動が完全に終息するTHz域までの超高周波誘電スペクトルを捉える測定手法を用いることで、溶解した高分子物質と溶媒の分子運動の階層性を完全に理解することを目指した。代表者は、フェムト秒レーザー技術を用いた分光装置開発の専門家ではないため、THz域誘電スペクトル測定を行える市販装置の中で、最も測定精度が高いと判断されるものを選定し、平成26年度に導入した。このTHz分光システムはTHz域での吸光度を測定する目的で開発されたものであるが、吸光度の周波数依存性を複素屈折率、さらに複素誘電率へと変換する。また、減衰全反射(ATR)法の採用で、水などTHz波の吸収が非常に大きな物質の測定も可能である。しかし、THz分光装置が納入されても高精度な測定が行えるまでには、解決しなければならない技術的な問題が幾つか存在する事が明らかになったので、本年度内はその解決にほとんどの時間を費やすことになった。THz分光システムの構築完了の判断は、水のTHz域誘電スペクトル測定の結果を基準に行う。THz域での純水の誘電特性については信頼できる値が幾つか報告されているので、それらとの比較が容易である。水の測定結果が、文献値と全く同じ誘電スペクトルとして得られた段階で、装置の調整が完了したと判断する。昨年度に導入されたTHz域誘電スペクトル測定装置の調整を終え、代表的な極性溶媒の分子運動に関する基礎的な研究を開始した。27年度の後半からは、それらの極性溶媒(例えば水)に低分子物質や単純な構造の高分子物質を溶解させた溶液について、THz域までの誘電スペクトル測定を開始した。溶液中の水和水(或いは溶媒和分子)は、溶質濃度増加に伴ってその濃度を増すので、GHz域での誘電スペクトルの増加から水和数をモニターしながら、THz域の誘電スペクトルにおいても強度が増加する運動モードを探査した。溶液内には水和していない自由水分子も存在するので、その分子運動にも注目した。その水の運動性は、溶質を含まない純粋な状態のものと差異が無いと考えるのは単純であるが、現実はそう簡単ではないことが分かった。GHz域に現れる水和していない水分子の回転緩和モードが、溶質の存在による影響を受け加速或いは減速されることがしばしば報告されているが、その全容は未だに明らかにされていない。水溶液中の自由水分子に生じる分子運動様式の変化について、THz域誘電緩和スペクトル測定の結果得られた水分子同士が形成する水素結合ネットワーク内でのライブレーションモード、さらにダングリング水酸基の運動の溶質濃度依存性に基づく明瞭な解釈を、近赤外吸収スペクトルの測定結果やラマン散乱の測定結果と合わせて、現在まとめる段階にある。極性有機物質についてのGHzTHz域の分子運動に対も同時に研究を進め、エチレンカーボネートートやプロピレンカーボネートが反平行分子会合体を形成している事実を既に明らかにしている。昨年度末に導入したTHz域誘電スぺクトル測定装置の調整が概ね順調に進み、水のスペクトルを正確に測定できるようなった。合わせて、水溶液の精密測定が可能になり、水溶液中の水分子と溶質分子の分子運動を正確に分離して議論できるような状況に概ね到達できた。この状況は、当初の予定をほぼ実現できていると言えるので、順調な状況であると判断される。最終年度である平成28年度には、研究の対象を温度に依存して水和数が変化する「感温性高分子」とそのモノマーやダイマー等の水溶液にも拡張した。研究の手法は、平成27年度に行ったものとほぼ同様で、調整した水溶液に対する50GHzまでの、或いはTHz域までの広帯域誘電スペクトル測定を様々な温度で行った。幾つかの高分子は、温度に依存して水和数を明瞭に減少させ、最終的には溶解性を無くして白濁化、場合によってはゲル化した。高分子物質のなかでもポリエチレンエチレングリコールは、低温域においてモノマー当り4個程度の水和水を有し、その水和寿命が25ピコ秒程度であることが既に知られているので、水和現象を議論するには好都合な高分子である。ポリエチレンエチレングリコールの水溶液には、水和水と自由水が濃度に依存した分率で存在し、その分子運動が観測されると期待される。

濃度を変化させながらTHz域までの誘電スペクトルを観測すると、確かに自由水中で0.2ピコ秒程度に観測される(水素結合を形成していない)ダングリング水酸基をもつ水分子の運動モードが減少した。その一方、高分子に水和した水分子のダンクリング水酸基の運動に相当すると考えられる1ピコ秒程度の緩和が強度を徐々に増すことが明らかになった。一方、中間親水性に分類される、水中には溶解するものの水和水をもたない(ニトロメタンなどの)物質では、水和水のダングリング水酸基の運動に相当する1ピコ秒程度の誘電緩和が全く観測されなたっか。これらの事実から、溶質分子に水和している水分子のダイナミックスの特徴が幾らか明らかになったと結論付けられる。得られた研究成果は既に順次国内外の学会で発表し、国際的科学雑誌に論文として投稿準備中である。周波数帯域1M3THzの誘電スペクトル測定システムを構築した。親水性高分子水溶液の誘電スペクトルでは、水素結合のないダングリング水酸基をもつ水分子の緩和が、濃度増加に伴い減少した。一方、水和に起因する緩和が新たに観察され、その強度を増した。水分子のダングリング水酸基を親水性基に水素結合させることで、水和が生じることが明らかになった。水溶液中でニトロ基やシアノ基の近傍に偏在する水分子の水酸基は、双極子-双極子相互作用は生じるものの、官能基との間に水素結合を形成せず、ダングリング水酸基になることが分かった。これの官能基は親水性と疎水性の中間の性質を有するので、中間親水性基に分類した。平成26年度は、THz域誘電スペクトル測定を行える市販装置の中で、最も測定精度が高いと判断されるものを選定し、それを導入することで概ね終了した。引き続き、高精度な測定が行えるように導入された装置の微調整を行う必要があるが、研究としては概ね予定通りの進行状況である。水以外にもやアルコール、アセトン、アセトニトリル等の汎用極性溶媒の分子運動をTHz域誘電スペクトル測定の結果に基づいて解析し、それらに高分子物質を溶解させた際に起こる分子運動の変化の内、(i)溶媒和(或いは水和)した溶媒分子の運動は共鳴的なのか或いは緩和的なのか?(ii)溶媒和していない自由な溶媒分子の運動様式は純粋な状態のものから変化するのか或いはしないのか?の二点について明瞭な結論を出し、水和あるいは溶媒和がどの様な状態なのかを定量化することである。28年度が最終年度であるため、記入しない。高分子物理化学THz域誘電スペクトル測定装置の技術的困難を解決した後、装置の性能を最大限に生かした広帯域(50GHz4THz)誘電スペクトル測定システムを構築し、既存の装置と合わせ1mHz4THzの世界的に見ても極めて広い周波数域をカバーする誘電スペクトル測定施設を誕生させる。その後は、完成した施設を用いて、極性溶媒(例えば水)に低分子物質や単純な構造の高分子物質を溶解させた溶液について、広帯域誘電スペクトル測定を開始する。高分子物質としては、ポリビニルアルコールなどの水和数の温度依存が少なく、水酸基等を有するために水和位置が比較的分かり易いものを選ぶ予定である。
多臓器不全患者における治療薬消長の薬動力学的研究

多臓器不全患者において薬物の吸収・排泄は健康人と異なることが予測される。本研究は薬物を投与することにより病態の重篤度を判定する可能性を調ベ、臓器不全患者に対し薬物を投与する時の注意点を検索した。その結果肺水腫犬にノルエピネフリンを投与し血中濃度の消退を測定することにより肺血管内皮障害の程度が診断出来、腎不全の患者にシソマイシンを投与する時は投与量を減ずることの重要性が示唆された。I.肺水腫犬にメルエピネフリンを投与し肺血管障害を判定する研究雑種成犬をコントロール群とオレイン酸を投与して作成した肺水腫群の2群に分け、ノルエピネフリンを投与し2群間の消退を調べた。コントロール群は投与前値に比し、投与後30秒では有意に高値を示したものの、60秒以後は有意差を認めなかった。肺水腫群では90秒後まで有意に高かった。ノルエピネフリンは肺毛細管内皮細胞で吸収されるので、この差は内皮細胞障害の程度を反映すると考えられる。障害(+)郡と(ー)群との間には有意の差をもって消退に違いがあることから、ノルエピネフリンを投与し、その消退を測定することにより、肺胞内皮障害の程度を推測しうると考える。II.シソマイシン点滴静注後の血中濃度測定により腎障害患者への投与法の研究アミノグリコシド系坑生物質は、従来筋注投与が一般的だったが、最近は確実な効果を期待して静注投与が増加してきている。われわれはアミノグリコシド系坑生物質の一つであるシソマイシンを健康成人と臓器不全を有するICU患者に投与し、薬動力学的解析を行い問題点を検討した。ほとんど腎から排泄されるアミノグリコシド系坑生物質は、薬物消長曲線をシミレーションすることにより血中濃度予測可能であり、腎不全患者では投与量を減ずるか投与間隔を伸ばすことが必要である。われわれは重症呼吸不全患者にたいし、栄養管理の面、HFVという換気モードの面からアプローチを進めてきたが、今回は多臓器不全患者における治療薬の消長を検討することによって薬動力学的解析を行うことに取り組んだ。本年度は薬動力学の基礎となるプログラムを山岡らの非線型最小二乗法(MULTI)を改良して作成した。この有用性を抗生物質であるシソマイシンを一定量・一定時間で投与し、健康成人と腎機能障害患者について検討した。投与間隔と最低血清濃度の実測値とシミレーション値を比較したところ、健康成人においては2分画モデルでほゞ一致することが判明した。一方腎不全患者においては、蓄積作用のためと推測したが、実測値血清濃度が高く、かかる患者においては中毒域に容易に到達しやすく、投与量・間隔とも注意する必要があることが示唆された。補助金によりカテコラミンの測定機器を1986年11月に購入し、分裂症患者の電気ショック前後の血清中のカテコラミン濃度を測定した。これら患者のコントロール値は200800pg/mlとやゝ正常人より高かったが、電気ショック90秒後は10002000pg/mlに達した。この測定機器で測定した値は従来の測定法で測定した値とほゞ同じであり、かつ前処理に要する時間が大幅に短縮され、検体の測定処理能力が向上した。本研究は未発表であるが、投槁予定である。カテコラミンの測定器を昭和61年11月に購入し,分裂病患者に電気ショックを行う前後のノルエピネフリンの濃度を測定した.

その結果を昭和62年9月に行われたFifth Asean Congress of Anaesthesiologists,昭和62年11月に行われた第7回日本臨床麻酔学会で発表したが,電気ショックによりエピネフリンは有意の変化を示さなかったが,ノルエピネフリンは有意に上昇した.さらに現在は家兎の腎動脈を結紮し腎不全モデルを作成,これにオレイン酸を注入し肺不全を作り,肺・腎不全家兎のカテコラミン・キシロカインの薬動力学的消長を検討している.昭和62年に購入したミナト社製オートスパイロメータは挿管中の患者に対し呼吸機能が測定可能なようにアタッチメントを付け,集中治療部入室重症患者の呼吸機能を測定している.肺水腫犬にノルエピネフリンを投与して血中濃度の消退を測定することにより肺血管障害を判定する研究について共同研究者の今村が報告した。これら雑種成犬をコントロール群と肺水腫群(オレイン酸0.075ml/kg投与により作成)の2群に分け、ノルエピネフリン(1μg)を投与して2群間の消退を調べることにより、肺血管障害の程度を推定する可能性を検討したものである。コントロール群は投与前値に比し、投与後30秒では有意に高値を示したものの60秒後以降は有意差を認めなかった。肺水腫群では投与後90秒後までは有意に高かった。ノルエピネフリンは肺毛細管内皮細胞で吸収されるので、この差は内皮細胞障害の程度を反映すると考えられる。障害(+)群と(-)群との間には有意の差をもって消退に違いがあることから、ノルエピネフリンを投与し、その消退を測定することにより、肺胞内皮障害の程度を推測しうると考える。本年度腎不全家兎モデルを作成し薬物投与による薬動力学的解析を行った。腎動脈10分結紮によりモデルは作成し得たが、家兎は小動物なので薬物分析に必要な量の採血が経時的に行えず、実験動物を大動物にする必要がある。
軸索切断後の網膜神経細胞の変性抑止と軸索再生に関する研究

熟成哺乳動物としてラットを用い、網膜を摘出培養し、網膜内の生存神経細胞と再生神経突起を観察することで神経再生促進因子の効果を検討した。あらかじめ上丘より蛍光色素DiIを用いて逆行性染色を行い、網膜神経節細胞を標識したのち、コラーゲン培養法をちいて無血清培養液にて網膜組織を培養した。この培養系において蛍光色素により標識された細胞が培養網膜において観察され、一部は培養中も生存できることを確認した。また、この標識細胞から神経突起が再生していること、抗Thy1抗体により染色されることからこの再生突起は網膜神経節細胞の再生突起であることを確認した。さらにこの培養液に各種の神経栄養因子を添加し、その網膜内の神経節細胞の変性過程を蛍光顕微鏡下で観察検討した。この研究から神経栄養因子のうち神経成長因子('nerve growth factor:NGF)、脳由来神経栄養因子(brain-derived neurotrophic factor:BDNF)およびニューロトロフィン-4(neurotrophin-4:NT-4)に神経変性抑止効果があることを見いだした。またこれらの物質により再生突起の増加が観察され、神経再生促進効果も確認できた。今後もこの培養系をもちい、培養液中に様々な物質を添加して成熟哺乳動物網膜の神経再生を解析すること、さらにこれら変性抑止因子、神経再生促進因子を生体系において応用し、中枢神経細胞からの軸索再生機構について研究を進める予定である。
外来看護師が高齢者虐待の予兆を察知し介護者援助を行うための看護モデル開発

1.先行研究の事例検討による看護仮説モデル作成:先行研究である辻(2013)を対象とし、外来看護師5名へのインタビュー調査の逐語録を質的帰納的に追分析し、看護仮説モデルを作成した。2.高齢者虐待の予兆を察知した事例遭遇時の具体的な支援内容等抽出のための外来看護師へのインタビュー調査の実施と分析:作成した仮説モデルを基に、外来看護師にインタビュー調査を行い、質的記述的データを質的帰納的に分析した。1)研究参加者:ネットワーク標本抽出法にて、病院や診療所の外来で働く高齢者虐待疑い事例に遭遇したことがある外来看護師6人に協力を要請した。2)データ収集方法:外来看護師に個別に半構造的面接調査を行った。先行研究の辻(2013)を元に作成した仮説モデルとインタビューガイドを元に看護実践内容や高齢者・家族の反応を面接した。10事例の聴取ができた。3)データ分析方法:ICレコーダーに録音した音声記録から逐語録を作成した。そして研究参加者の語りから以下の分析2つを行った。(1)一事例ごとの分析と比較:高齢者虐待徴候の情報収集をして対応するまでの事例ごとの時間とプロセスを,複線径路等至性モデル(Trajectory and Equifinality Model )を使用し分析した。(2)全事例の看護実践内容の分析:看護実践内容に関して、1高齢者虐待疑い事例への支援内容、2把握した情報のアセスメント内容、3看護実践した評価内容を13それぞれに関して、意味内容を損ねないように、コード化、サブカテゴリー化、カテゴリ化した。分析に関しては、2018年度は2事例分しか行えなかったため、今後残りの事例の分析を進める予定である。2018年度は当初の計画通りに、看護仮説モデルの作成ができ、それを基に外来看護師へのインタビュー調査が実施できた。まだデータ分析がすべては終わっておらず、今後分析をすすめて看護モデル案を作成し、パターン化できるかどうかを見ていく予定である。2019年度は、外来看護師へのインタビュー調査の分析の続きと看護モデル試案の作成を行い、2019年8月までに前年度からの外来看護師へのインタビュー調査の分析を終了する。2019年9月12月に、インタビュー調査の結果を整理・検討し、「外来看護師が高齢者虐待の予兆を察知し介護者援助を行うための看護モデル試案」を作成する。2018年度は、当初データ整理のアルバイト使用を予定し、人件費として計上していたが、まだその作業に行き着くまでの研究の進捗状況ではなかったので、使用しない分が次年度使用額となった。2019年度はインタビュー調査のデータ分析をすすめ、データ整理を進める予定であるので、人件費・謝金を使用して効率的に研究を進めていく予定である。
歩行に伴う人体帯電の予測を目的とした接触帯電特性を測定するシステムの開発

接触と分離のみで発生する微少な電荷量を測定するための実験系を構築するため、真空吸着法の確立と高感度のファラデーケージの開発を行った。絶縁体同士で摩擦を極力抑制して接触させたところ接触帯電量は当初の予測よりも少なく測定感度以下という結果があった。従来、物と物とを接触させるだけで帯電するという説明が主流であったが、今回得られた成果ではその説明は必ずしも正しいとは言えない可能性を含んでいる。また、接触による電荷移動の駆動力を検討するため接触電位差測定装置を作製し、自動測定用のプログラムを開発した。本研究の目的は、乾燥期によく経験する静電気放電電撃ショックのない生活環境の構築に資するため、未だに十分に解明されていない歩行によって生じる人体帯電現象の実体を明らかにすることである。平成25年度は前年度に引き続き、履物と床材との接触によって移動する電荷量を実験的に推定するため、物質同士の接触のみで移動する電荷の量を測定する装置(以降、接触移動電荷量測定装置)の開発に取り組み、実際に数種類の絶縁体を用いて電荷量を測定した。得られた結果については学会で発表し、その定量性について議論・検討を行っているところである。また、接触時に電荷が移動するときの駆動力に関わると考えられる接触電位差を測定する装置の開発に取り組み、電極の振動とエレクトロメータによる電流測定を連動させる制御プログラムを作成した。24時間にわたる測定を実施したとき、電極の振動の中心が無視できないほどドリフトしていることがわかり、現在、この改善を検討している。また、歩行時の人体に発生する電位変化の測定結果について学会発表を行った。本研究の目的は、乾燥期によく経験する静電気放電電撃ショックのない生活環境の構築に資するため、未だに十分解明されていない歩行によって生じる人体帯電現象の実体を明らかにすることである。そのための方策として、本研究の初年度である平成24年度は、履物と床材との接触によって移動する電荷量を実験的に推定するため、真空吸着法を利用した試料の接触方法とファラデーケージを組み合わせることにより、物質同士の接触のみで移動する電荷量が測定可能な新奇な装置(以降、接触移動電荷量測定装置)の開発を行った。試料に加わる接触圧は人体と床材の間に生じるものと同程度にする必要があり、真空排気装置の性能や試料形状はもちろんであるが、既製の真空計や気圧計などを利用することで接触圧の制御をすることが可能かなども含めて総合的に検討した。さらに、必要な物品を購入し、試料の接触分離機構を完成させた。一方、ファラデーケージは、当初必要な感度が不明確であったため、関連する文献の調査を行うとともに当研究所が既に保有しているファラデーケージを用いて測定を試みたところ、感度はそのファラデーケージの100倍程度は向上させる必要あることが明らかになり、現在、新たにファラデーケージの設計及び試作を行っているところである。また、接触時に電荷が移動するときの駆動力に関わると考えられる接触電位差を測定する装置を製作するため、関連文献の調査を詳細に行い、この測定に必要なエレクトロメータ、電極振動用シリンダー、モーションコントローラ等の仕様を十分検討した上でそれらを購入した。実際に接触電位差を測定するためには電極の振動とエレクトロメータによる電流測定を連動させる必要があり、現在、制御プログラムおよびデータ収集プログラムを作成しているところである。また接触電位差測定においては微少電流測定が必要なためのノイズ対策についても検討した。本研究の目的は、乾燥期によく経験する静電気放電電撃ショックのない生活環境の構築に資するため、未だに十分に理解されていない歩行によって生じる人体帯電現象の実体を明らかにすることである。本研究では、接触・分離で発生する微小な電荷量を測定する装置の研究開発を行う。最終年度である平成26年度は前年度までに作製した接触移動電荷量測定装置と研究代表者が所属する機関の静電気測定室を利用して絶縁体同士の接触帯電量のデータ収集を行った。試料は比較的加工が容易なプラスチック材料(PVC、POM、N6、PMMA、ABS)を選択した。結果は試料の組み合わせによる系統性は見られず、ゼロ電荷とみなせるものもあった。この原因は、絶縁体同士の純粋な接触だけでは電荷の移動が起こらないため、もしくは、分離後に接触面間での放電発生によって電荷緩和が生じたため、という2つの可能性について検討したが、いずれにしても現状の測定感度ではこれらの可能性を議論するのに不十分であることがわかった。この結果等については学会発表した。また、接触時に電荷が移動するときの駆動力になると考えられる接触電位差を測定する装置の開発において、電極の振動の中心が無視できないほどドリフトする問題があったが、制御プログラムの改良で対応することできた。今後、歩行によって生じる人体帯電現象の実体の解明に向け、接触移動電荷量測定装置の感度を向上させ、絶縁体同士の接触帯電について明らかにしていくとともに、接触電位差測定装置を活用していく予定である。

総合領域研究は着実に推進しているが、地方独立行政法人への移行に伴って業務量が想定外に増加したことに加え、初年度に家族の病気等で、本研究の十字時間を十分に確保することができなかったため。研究は着実に推進しているが、地方独立行政法人への移行に伴って業務量が想定外に増加したことに加え、家族の病気等で、本研究の従事時間を十分に確保することができなかったため。平成25年度は接触移動電荷量測定装置と接触電位差測定装置の製作を終えてデータ収集作業に移行した。平成26年度は引き続きこれらの装置を用いたデータ収集を行う。前者の装置は1回の接触と分離のみで生じる電荷を測定する目的で作製したが、人体の歩行において摩擦は切り離すことができないため、新たに同機を用いた摩擦帯電量の測定方法についても検討する。また、後者の装置はこれまでに、電極振動用のシリンダーにおいて24時間にわたる測定を実施したときに振動の中心のドリフトが顕著となることが明らかとなり、これを改善する必要がある。まず補正プログラムで対応可能かどうかを検討し、不可能と判断される場合にはドリフトが無視できるレベルのシリンダーを新たに購入して入れ替える。また一方で、講演会や学会等で成果発表や情報収集を行うとともに、活発な議論を通じて問題点の抽出・解決を図る。接触移動電荷量測定装置も接触電位差測定装置も未完成の状況にある。まず、ファラデーケージに必要な部材を調達し、ファラデーケージの加工や測定電荷量の校正を行って、接触移動電荷量測定装置を完成させる。また、その作業と並行して、接触電位差測定の制御プログラム及びデータ収集プログラムの作成およびノイズ対策を行って接触電位差測定装置を完成させる。さらに、必要に応じてこれらの装置のチューニングを行い、本格的なデータ取得を可能にする。接触移動電荷量測定装置については新奇な装置であるため特許出願を行う。本年度は8,904円残したが、これは本年度中に予定していたファラデーケージ及び接触電位差測定用のシールドの設計が上記の理由によって遅れてしまい、これらの部材の購入ができなかったためであり、次年度に繰り越して使用する。次年度はそれらに加えて、接触電位差測定用の電極材、実験用試料等の調達のため物品費はおよそ15万円程度を見込んでいる。また、学会等の参加は6件ほど予定しており旅費は23万円程度、参加費等でその他3万円程の使用を予定している。
データベースをつうじた地域と科学の知の統合による気候応答型居住環境の創出

気候応答型居住環境データベースのアーキテクチャーを構築するため、4月、7月、10月の3度にわたり、建築学と情報学の研究者による情報学ミーティングおこなった。さらに、5月、10月の2度にわたり、建築史学、建築環境工学、情報学、気候学・水文学、農学の研究者からなる全体ミーティングをおこなった。全体ミーティングでは、データベースのアーキテクチャーにおいて、異なる分野の視点が整合的に組合わされるよう、各分野の視点を交わらせながら、アーキテクチャーのプロトタイプを対象に、全体の構成の確認と、個別の修正箇所と修正法の検討をおこなった。加えて、具体的事例のページについてもプロトタイプの作成をおこなった。検討会をつうじて、気候応答型居住環境データベースのアーキテクチャーを構築する上で解決が必要な2つの課題を明確にすることができた。また、具体的事例の記述でも、解決すべき課題を明確にした。研究成果の社会への還元として、6月に金沢大学で研究会「私たちのアジア都市・建築」をおこない、10月に武庫川女子大学生活美学研究所で研究会「地域と科学の知の統合による気候応答型居住環境の創出気候に適応した居住環境と形態」、12月に台湾大学芸術史研究所で研究会「海域アジアの暮らしと移動」などをおこなった。2019年3月には、チェンマイ大学(タイ)建築学部において、“Sri Lankan Architecture and City"と題する講義をおこなった。気候応答型居住環境データベースの構築に関連して各研究者の執筆した論文、書籍などの業績は別に記すとおりである。建築学と情報学の研究者による情報学ミーティングが順調に進んだ。気候応答型居住環境データベースのアーキテクチャーについて、課題となる具体的箇所が明らかになり、完成までの筋道が明確となった。具体的事例のページについてもプロトタイプは作成することができた。現在のところ、目だった問題は生じていない。研究の進捗にあわせて、必要な箇所で計画の前倒しをおこなう。全体ミーティングを通じて、気候応答型居住環境データベースのアーキテクチャーで2つの具体的課題が明確となった。1つは、気候学と建築環境工学における、熱循環を捉える概念図式の相違である。両者の理論を包括する統合的説明が必要である。2つ目は、居住環境の気候応答事例と、それに対応する具体的気候との空間上での関連付け方である。加えて、具体的事例の記述における課題が1点明らかとなった。それは、建造物を熱循環の仕組みとして捉える視点と、具体的素材の組み合わせとして捉える構法的視点という、2つの異なる視点の接合である。これまでの検討から、形態上の特徴が両者を媒介する要素となると考えられる。今年度はこれら3つの課題の解消を中心に検討会をおこなう。課題解消に向け、建築環境工学の宇野朋子氏に新たに研究分担者に加わっていただき、専門的知見を補強する。加えて、検討会では必要に応じて関連分野の研究者を招聘する。異なる分野の研究者の間で居住環境の気候応答を捉える視点を共有するため、可能であれば、具体的事例を実地で検討する機会を設ける。データベースの進捗によっては、コロンボ(スリランカ)における気候応答型居住環境の具体的デザインを前倒ししておこなう。研究成果は随時社会へ還元する。

それは、建造物を熱循環の仕組みとして捉える視点と、具体的素材の組み合わせとして捉える構法的視点という、2つの異なる視点の接合である。これまでの検討から、形態上の特徴が両者を媒介する要素となると考えられる。今年度はこれら3つの課題の解消を中心に検討会をおこなう。課題解消に向け、建築環境工学の宇野朋子氏に新たに研究分担者に加わっていただき、専門的知見を補強する。加えて、検討会では必要に応じて関連分野の研究者を招聘する。異なる分野の研究者の間で居住環境の気候応答を捉える視点を共有するため、可能であれば、具体的事例を実地で検討する機会を設ける。データベースの進捗によっては、コロンボ(スリランカ)における気候応答型居住環境の具体的デザインを前倒ししておこなう。研究成果は随時社会へ還元する。
神経細胞分化におけるゲノムの構造と核内配置の制御

神経細胞分化における核内変化の全体像に明らかにすることで多様な分化の分子メカニズム解明を目指し、蛍光イメージング技術を用いて染色体の遺伝子座や転写因子など核内因子の動態を解析した。その結果、転写因子とその認識配列との相互作用を1分子レベルで解析することが出来た。大脳皮質は多様な特性を持つ神経細胞からなるシステムであることが明らかになってきたが、その構成要素となる神経細胞の分化過程での多様な遺伝子発現を制御する分子メカニズムに関しては不明な点が多い。本研究では、申請者らのノックアウトマウスの解析から神経細胞分化に特異的で新たな遺伝子発現制御因子として予測されるDNA修復酵素の役割と意義を明らかにする。さらに、分化過程の核内で遺伝子座や転写因子、DNA修復酵素など様々な核内因子の相互作用を空間配置とその動態として解析に挑むことで既存の概念を越えた新たな神経細胞分化の原理を明らかにすることを目的とする。(1)大脳皮質神経細胞分化の遺伝子発現制御における修復酵素の機能解析遺伝子発現に伴うプロモーター領域のメチル化CpGの脱メチル化のメカニズムに関しては多くの点が不明であるが、DNAメチル化酵素とDNA修復酵素の相互作用によるヌクレオチド除去と再合成による活性化が示唆されている。このメカニズムの神経細胞分化における役割を明らかにするために、初めに分化過程の遺伝子発現制御においてこの作用を受ける遺伝子群の探索を行った。その結果、神経細胞の軸索誘導に関与する遺伝子など複数を候補遺伝子として明らかにすることができた。(2)大脳皮質神経細胞分化における染色体の動態解析染色体の核内配置が神経細胞分化に果たす役割を明らかにするため、異なる分化状態にある神経細胞の染色体セントロメア領域の動態を特異的プローブを用いたFISH法により調べた。その結果、分化の進行に伴って染色体の再配置が起こることが示唆された。また、これには電気活動が関与することが示唆された。神経細胞の分化過程での多様な遺伝子発現を制御する分子メカニズムに関しては不明な点が多い。遺伝子座や転写因子、DNA修復酵素など様々な核内因子の相互作用を空間配置とその動態として解析に挑むことで既存の概念を越えた新たな神経細胞分化の原理を明らかにすることを目的とする。(1)神経活動依存的な遺伝子発現における遺伝子座の動態解析これまで神経活動依存的なセントロメア領域の核内再配置を大脳皮質神経細胞で観察してきた。さらに解析を進めるため、神経活動依存的遺伝子発現が知られている遺伝子座の核内配置を調べた。核内空間における3次元的な配置を可視化するために、3次元蛍光in situハイブリダイゼーション法を用いた。各遺伝子座のBACクローンを鋳型としてビオチン化ラベルしたDNAプローブを作製した。その結果、神経細胞において特異的遺伝子座の核内配置を可視化することができた。遺伝子発現による遺伝子座の再配置を解析中であり、共役した動態の観察が期待される。(2)神経活動依存的な遺伝子発現における核内小器官の動態解析神経細胞分化における核内因子として核内小器官の動態と役割に関しては多くの点が不明である。神経細胞分化における核内小器官の時空間的動態をライブイメージングにより明らかにすることを目指した。核内小器官として核小体やCajalボディ等を可視化するため、それぞれ特異的局在が知られている蛋白質に蛍光蛋白質を連結した発現ベクターを作製した。マウス大脳皮質神経細胞に遺伝子導入を行い、分散培養をカバーガラス上に行った。その結果、核内に複数のドット状の局在とその動態を観察することが可能となった。現在、発火頻度の異なる細胞での核内小器官の動態を解析中であり、遺伝子発現と共役した動態が観察されることが期待される。本研究は遺伝子発現制御における核内分子動態の役割を明らかにするため、新たな研究手法として1分子蛍光イメージング法を用いて転写因子CREBとその認識配列CRE(TGACGTCA)に着目して相互作用を可視化し定量的な計測から時空間的動態を解析した。CREBはもっとも研究されている転写因子の1つで、cAMPやカルシウムイオンの細胞内シグナルに応答して二量体を形成することでCRE配列に特異的に結合し遺伝子発現を制御することが知られている。神経系においては神経回路形成や海馬における長期記憶の形成に関与することが知られている。1分子のCREBを可視化するため大腸菌組換えタンパク質を精製し、蛍光ナノクリスタルQdotで標識した(Qdot-CREB)。この組換えタンパク質のCRE配列特異的な結合活性をゲルシフト法により調べた結果、これまでの報告と同様にコントロールとして用いた非認識配列である転写因子NFκBの認識配列(NFκB配列)に比べて明らかに高い結合性が観察された。そこで1分子レベルでの解析のためカバーガラス表面上にCRE配列またはNFκB配列を固定化しQdot-CREBとの相互作用を全反射顕微鏡を用いて調べた。その結果、Qdot-CREBはNFκB配列に比べてCRE配列により長い時間結合することが初めて明らかとなった。
極限的に簡潔なＢＤＤデータ構造の研究

BDD(Binary Decision Diagram;二分決定グラフ)は、論理関数や組合せ集合を圧縮して索引化するデータ構造であり、近年、様々な用途に広く応用されている。しかしBDDではポインタやハッシュ表のための記憶を使用するため、BDDの圧縮率があまり高くない例題に対しては、単純なビット列表現に比べて効率が大幅に悪化することがある。本研究では、BDDの構造情報をビット列に圧縮して格納することで、極限的に簡潔なBDD構造を生成するアルゴリズム「DenseZDD」を開発した。さらに既存のBDD構造とハイブリッドに結合することで、動的なデータ変更にも対応する手法の開発を進めた。BDD(Binary Decision Diagram;二分決定グラフ)は、論理関数や組合せ集合を圧縮して索引化するデータ構造であり、実用的な場面で1000倍以上の圧縮率が得られることがあるため、近年、様々な用途に広く応用されている。しかしBDDではポインタやハッシュ表のために数十倍の定数ファクタの記憶量を使用するため、BDDの圧縮率があまり高くならない例題に対しては、単純なビット列表現に比べて効率が大幅に悪化することがある。本研究計画では、ポインタやハッシュ表を極力使用せずに極限的に簡潔なBDDデータ構造を研究し、最悪のケースでも単純ビット列とほぼ同等の記憶効率が得られるような、真に有効な圧縮データ構造を目指す。さらに、そのような簡潔なBDDデータ構造を有効に活用する演算処理アーキテクチャを明らかにする。今年度は、BDDの構造情報をビット列に圧縮して格納することで、極限的に簡潔なBDD構造を生成するアルゴリズムを実装するための諸問題に取り組んだ。さらに既存のBDD構造と、簡潔なBDD構造をハイブリッドに結合することで、記憶効率とを高めつつ、論理演算による動的なデータ変更にも対応する手法の研究を進めた。本研究成果は、国際会議SEA2014に論文投稿し、高い競争倍率を勝ち抜いて採録が決定した。さらに国内外の著名研究者と活発に意見交換し、今後の研究の方向性について知見を得ることができた。今年度は、BDDの構造情報をビット列に圧縮して格納することで、極限的に簡潔なBDD構造を生成するアルゴリズムの基盤を構築した。さらにRank/Select辞書の技法を用いて、メンバシップや要素数のカウント、制約条件による絞り込み等、種々のクエリ演算を高速に実行するための補助データ構造を追加する方法の検討を進め、記憶効率と演算速度のトレードオフの見極めを行った。さらに、極限的な簡潔構造の技術をもとにして、現実的な大規模疎行列を扱う問題を高速化する簡易な手法を考案した。本研究成果は、国際会議ALSIP2012および電子情報通信学会コンピュテーション研究会で発表を行った。今年度は、これまでに取り組んできた極限的に簡潔なBDD構造を生成するアルゴリズムの応用範囲を広げるための研究開発を進めた。主な成果としては、与えられた非巡回有向グラフに含まれる全ての半順序集合を圧縮列挙索引化する手法、および与えられたグラフのオイラー路を全列挙索引化する手法などが挙げられる。本研究成果は、国際会議ISSAC2014およびWALCOM2015に論文投稿し、高い競争倍率を勝ち抜いて採録された。

さらに国内外の著名研究者と活発に意見交換し、今後の研究の発展性について知見を得ることができた。大規模離散構造データ処理アルゴリズムアルゴリズムを実装して基盤的な評価を行ったのち、性能向上のための検討を進めた。本成果は競争倍率の高い国際会議にも採択されており、おおむね順調に進展している。アルゴリズムを実装して基盤的な評価を行った。本成果は学会発表も行っており、おおむね順調に進展している。基本的には現在の状況でほぼ順調と考えており、このままの方針で研究を一層推進する。年度末の納品予定時期のずれにより若干の繰り越しが生じた。学会参加のための旅費・参加費や、情報収集のための講演謝金、研究用のPC等の少額備品等に追加充当する予定である。経費の節減により生じた未使用額については、学会参加のための旅費・参加費や、情報収集のための講演謝金、研究用のPC等の少額備品等に追加充当する予定である。
人工核酸塩基受容体の電気化学特性を利用したSNPsの超高感度検出法の確立

ポスト・シークエンス時代の最も重要な課題にSNPsのタイピングがあげられる.そのためには,SNPsを高感度・高精度・簡便・迅速に分析する分子システムの考案と,そのチップ化が必須である.本申請課題たおいては,我々が開発に成功している低分子量の人工核酸塩基受容体をオリゴヌクレオチドに組み込み,人工受容体部分の電気化学的特性を利用してSNPsの検出を試みた.既に本申請者らは,チミン塩基認識部位をフェロセンで連結した人工受容体の開発に成功しており,以下の研究項目を昨年度と今年度に実施して成果を得た.1オリゴヌクレオチドの5'末端に連結できるよう人工受容体の構造を改変した.2改変した人工受容体の核酸塩基認識能とそれに伴う電子的な摂動を確認した.3修飾したオリゴヌクレオチドの3'末端にチオール基を結合させた.4そのオリゴヌクレオチドを,チオール基の部位で金電極に固定化させる方法を確立した.5金電極表面の改質(原子レベルでの平たん性の確保)を種々検討し,精密研摩法と真空蒸着法によって十分な平坦性を確保することに成功した.6金電極への修飾オリゴヌクレオチドの固定化を最適化させる方法を確立した.7金電極に固定化された修飾オリゴヌクレオチドのマッチDNA存在下,ミスマッチDNA存在下での電気化学応答を詳細に検討した.その結果,マッチDNA存在下とミスマッチDNA存在下で電気化学応答の差異を確認した.現在,成果7で得られた差異を最大化すべく,種々検討中である.本申請者らは,二つのチミン塩基認識部位をフェロセンで連結した人工受容体の開発に成功している.この人工受容体は強力にチミン-チミンジヌクレオチドを認識し,認識の結果,フェロセン部位の電子的な摂動が誘起されることを確認している.これらの成果を基に,今年度は以下の項目を実施した.1オリゴヌクレオチドの5'末端に連結できるよう人工受容体の構造を改変した.2改変した人工受容体の核酸塩基認識能とそれに伴う電子的な摂動を確認した.3電気化学特性を有した人工受容体をオリゴヌクレオチドの5'末端に連結する方法を検討した.4 13の問題点を抽出し,さらに人工受容体の構造を改変し最適化を図った.5修飾したオリゴヌクレオチドの3'末端にチオール基を結合させた.6そのオリゴヌクレオチドを,チオール基の部位で金電極に固定化させる方法を検討した.7金電極表面の様子を調べるためAFM(原子間力顕微鏡)を用いて検討を行った.8 7の結果に基づいて,金電極表面の改質(分子レベルでの平たん性の確保)を検討中である.9金電極の固定化を最適化させるために,種々の条件を検討中である.ポスト・シークエンス時代の最も重要な課題にSNPsのタイピングがあげられる.そのためには,SNPsを高感度・高精度・簡便・迅速に分析する分子システムの考案と,そのチップ化が必須である.本申請課題たおいては,我々が開発に成功している低分子量の人工核酸塩基受容体をオリゴヌクレオチドに組み込み,人工受容体部分の電気化学的特性を利用してSNPsの検出を試みた.既に本申請者らは,チミン塩基認識部位をフェロセンで連結した人工受容体の開発に成功しており,以下の研究項目を昨年度と今年度に実施して成果を得た.1オリゴヌクレオチドの5'末端に連結できるよう人工受容体の構造を改変した.2改変した人工受容体の核酸塩基認識能とそれに伴う電子的な摂動を確認した.3修飾したオリゴヌクレオチドの3'末端にチオール基を結合させた.4そのオリゴヌクレオチドを,チオール基の部位で金電極に固定化させる方法を確立した.5金電極表面の改質(原子レベルでの平たん性の確保)を種々検討し,精密研摩法と真空蒸着法によって十分な平坦性を確保することに成功した.6金電極への修飾オリゴヌクレオチドの固定化を最適化させる方法を確立した.7金電極に固定化された修飾オリゴヌクレオチドのマッチDNA存在下,ミスマッチDNA存在下での電気化学応答を詳細に検討した.その結果,マッチDNA存在下とミスマッチDNA存在下で電気化学応答の差異を確認した.現在,成果7で得られた差異を最大化すべく,種々検討中である.
機能置換基を有する多糖の化学合成とその生化学機能材料化

天然の糖より出発して重合性をもつ無水糖モノマーを作り、これを高重合させて多糖を得て、多糖を修飾することによって生理活性物質に変えることを目的としている。1.リボースポリマーおよびコポリマーの生化学機能材料化。1、4-無水リボース誘導体の開環重合で得られる(1→5)-α-D-リボフラナンは高い抗凝血性を示したので,重合触媒等を変えて(1→5)-α-リボフラノースと(1→4)-β-D-リボピラノース単位から成る混合構造の立体不規則性ポリマーを作り、これを硫酸化したところ、低い抗凝血性ポリマーが得られた。次に、(1→5)α構造100%のコポリマーすなわち34%リボースと66%キシロース単位から成るコポリマーを得て、硫酸化したところ、それぞれのホモポリマーより低抗凝血活性のヘパリノイドが生成した。活性低下は、立体規則性の悪いものの方が大きかった。多糖の抗原-抗体反応については、(1→4)-β-D-リボピラナンを用いて作らせた抗体とリボピラナン、リボピラノース構造を若干含むリボフラナンおよびリボフラナンの3種とそれぞれ反応させた。抗原として用いたリボピラナンと抗体はよく反応し、リボピラノース構造を含むリボフラナンとも少し反応したが、リボフラナンとは全く反応しなかった。また、リボフラナンの抗原性は極めて弱く、実験に用いたうさぎは抗体を産生させられなかった。2.分枝多糖の合成と生化学機能性。1、6-無水グルコースのC3位にt-ブチルジメチルシリル基をつけたモノマーの開環重合より得た多糖誘導体にマンノースの枝を生やしたマンノース分枝デキストランを合成した。天然デキストランによって産生させたデキストラン抗体との交差反応を行い、マンノース分枝デキストランは分枝度の似たグルコース分枝デキストランと同程度の抗原-抗体反応をした。
改良個別要素法による木構造物の地震等による破壊プロセスの解析

木構造物の地震による倒壊プロセスを解析するためには、まず、その接合部が動的な負荷によってどの様な挙動をとるかを知る必要があった。そこで、柱と梁もしくは土台との接合部に、速度を変えて引っ張りカならびにせん断力を負荷する実験を行った。その結果、接合部の破壊形態ならびに荷重一変位曲線は、静的負荷を受ける場合と動的負荷を受ける場合とで異なることが確かめられた。次に、軸組構造である木質構造体の、動的負荷のもとでの倒壊の過程を改良個別要素法によりシミュレートすることを試みた。まず、2次元のフレームモデルで開始し、四角形が平行四辺形になりながら倒壊するプロセスで、うまく動作するプログラムを作ることが出来た。これを、軸要素を4列に配置された個別要素ならびに要素間バネによって構成し、最終的には、各要素をモジュール化することで、簡単な2階建ての建物の倒壊過程をシミュレートするところまで漕ぎ着けた。筋交いをさまざまなパターンで配置して、土台部に動的負荷を与えた場合をシミュレートした結果、筋交いが非対称に入った構造では、建物が回転しながら倒壊していくなど、現実に起こりうる現象をよく再現することができた。一方、1/9縮尺の模型に動的負荷をする実験も行った。金物による接合部を粘着テープで再現するなどさまざまな工夫を重ねて、構造物の倒壊過程を再現することができた。計算に用いた筋交い配置パターンと同じ構造を持ったものどうしを比較した結果、実験結果とシミュレーションとは、接合部が破壊していく順番や、建物が倒壊していくプロセスにおいて非常によく一致した。以上のように、本研究は、実大振動実験を行うことが出来ないような、大型木質構造物の地震時の挙勤などを解析する上で、有力な手法を提供できる可能性を示すことが出来た。本年度はまず、個別要素法を改良して、木材の接合部に適合した新たなプログラムを作成することを第一の目標とした。目黒の改良個別要素法(MDEM)は、非連続な粒状要素(コンクリートの骨材に相当)と、それらに連続性を与える間隙バネ(モルタルに相当)からなるが、異方性の大きい材木にこのモデルを近付けるためにさまざまな工夫を加えた。接合部のモデル化は、要素間バネの定数を変えることで対応させた。衝撃試験機を用いて、出来上がったモデルでシュミレートする際の、個々の樹種や材質に応じた材料定数や、接合金物部での結合定数を実験によって求めた。材料定数としては、通常の弾性計算に使われるヤング率や強度の他に、粘性係数、摩擦係数などを測定した。さらに、金物を用いた接合部の強度試験により、地震動のような動的な負荷を受ける場合と、実験室レベルでの荷重試験機による静的負荷試験とでは、接合部の破壊形態にちがいがあることが判明し、また、荷重-変位曲線も異なることがわかった。破壊過程は、高速度ビデオカメラを用いて詳しく観察を行い、シミュレーションの結果と比較検討した。その結果、改良個別要素法は接合部の破壊過程をかなり良く再現できることが判明した。上記接合部に加えて、軸組壁のフレームモデルをつくり、土台部に動的負荷が作用した場合の、倒壊過程のシミュレーションも開始した。ここでも、改良個別要素法は倒壊過程の再現に、かなり見込みがあることがわかった。前年度に引き続き、本年度は、数種の接合金物を用いた土台ー柱間の接合部の引っ張り試験を、さまざまな負荷速度において周到に行った。地震動のような高速の負荷を受ける場合と、実験室レベルでの荷重試験機による静的負荷試験とでは、接合部の破壊形態に違いがあることが判明した。また、荷重-変位曲線も異なることがわかった。

速度が上がると最大荷重は増加するが、金具部分での変形が減少し、土台が割れやすくなり、接合部として脆性的な破壊を示すようになり、衝撃エネルギーの吸収能力が落ちる。この破壊過程を改良個別要素法によってシミュレートするプログラムを開発し、高速ビデオカメラを用いた観察結果と比較検討した。その結果、改良個別要素法は接合部の破壊過程をかなり良く再現できることが判明した。次の過程として、木質軸組構造体の倒壊過程のシミュレーションに着手した。2次元平面内のモデルで、枠状構造体の土台部分に動的負荷が作用した場合を軸状エレメントを用いた改良個別要素法によりシミュレートした結果、枠状構造が平行四辺形に変形しながら倒壊していくプロセスをうまく再現できることが判明した。このプロセスは振動台の上での模型実験との比較を行って確認した。このことから、改良個別要素法をさらに拡張して、3次元の軸組構造モデルのシミュレーションを試みた。その結果、筋交いを有する枠状壁と、無い枠状壁とで動的負荷に対する倒壊プロセスが違うことなどがうまく再現できた。これらの成果から、本研究で開発した解析手法は木構造物の地震力に対する挙動をシミュレートするのに有望であると考えられる。上記の成果を、ロトルアで開催された環太平洋木質構造会議において発表した。前年度までで、木構造における接合部の破壊挙動は、静的負荷を受ける場合と動的負荷を受ける場合とで異なることが実験的に確かめられ、また、破壊の過程を改良子個別要素法によりシュミレートすることが可能なことが示された。また、2次元、ならびに簡単3次元の軸組構造体の、倒壊過程のシュミレーションの可能性が示された。この成果を踏まえて、今年度は2階建ての3次元軸組構造体のシュミレーションを可能にするべく、プログラムにさまざまな改良を加えた。このプログラムでは、柱、梁、土台、筋交いなどの軸要素を、4列に配置された個別要素ならびに要素間バネによって構成した。前年度までは、シュミレーション対象となる軸組構造体の構成が変わるごとにプログラムを作り直していたが、それぞれの軸要素をモジュール化することにより、複雑な構造体にも対応出来るように改良した。2階建ての建物に、筋交いをさまざまなパターンで配置したものに対して、土台部に動的負荷を与えた場合をシュミレートした。その結果、筋交いが非対称に入った構造では、建物が回転しながら倒壊していくなど、現実に起こりうる現象をよく再現することができた。また、計算に用いた筋交い配置パターンと同じ構造を持つ1/9縮尺の模型を用いた動的負荷実験を行った。その結果、実験とシュミレーションは、接合部が破壊していく順番や、建物が倒壊していくプロセスにおいて非常によく一致した。本研究においては、まだ、定量的な強度データを得るに至っていないが、定性的には、強烈な地震を受ける場合の、軸組木構造体の倒壊過程を予測するのに非常に有用な手段となり得ることが示されたと考えている。