hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
離散凸パラダイムの深化と拡大

経済学,システム工学,最適化理論,アルゴリズム理論などの広汎な分野における基礎的諸問題に関わる離散構造を,離散凸性という横断的視点から整理し,「離散凸」という新しいパラダイムを確立し,それを広範囲の応用分野に浸透させる研究を行った.「離散凸パラダイム」の横糸を成す,構造定理やアルゴリズムを代表とする離散関数に関する数理の研究と,縦糸を成す,諸応用分野における具体的な諸問題に対する研究を行った.本研究の目的は,経済学,システム工学,オペレーションズ・リサーチ,最適化理論,アルゴリズム理論などの広汎な分野における基礎的諸問題に関わる離散構造を,離散凸性という横断的視点から整理し,「離散凸」という新しいパラダイムを確立し,それを広範囲の応用分野に浸透させることにある.この目的の実現のため,「離散凸パラダイム」の横糸を成す,構造定理やアルゴリズムを代表とする離散関数に関する数理の研究と,縦糸を成す,諸応用分野における具体的な諸問題に対する研究を行った.離散凸解析理論の研究ですでに整備されたM凸関数とL凸関数の概念,共役性,双対性などの理論的コアを,より深めた理論研究と,様々な分野に拡げる応用研究の両面から,研究計画を実行した.経済学,システム工学,最適化理論,アルゴリズム理論などの広汎な分野における基礎的諸問題に関わる離散構造を,離散凸性という横断的視点から整理し,「離散凸」という新しいパラダイムを確立し,それを広範囲の応用分野に浸透させる研究を行った.「離散凸パラダイム」の横糸を成す,構造定理やアルゴリズムを代表とする離散関数に関する数理の研究と,縦糸を成す,諸応用分野における具体的な諸問題に対する研究を行った.本研究の目的は,経済学,システム工学,オペレーションズ・リサーチ,最適化理論,アルゴリズム理論などの広汎な分野における基礎的諸問題に関わる離散構造を,離散凸性という横断的視点から整理し,「離散凸」という新しいパラダイムを確立し,それを広範囲の応用分野に浸透させることにある.この目的の実現のため,「離散凸パラダイム」の横糸を成す,構造定理やアルゴリズムを代表とする離散関数に関する数理の研究と,縦糸を成す,諸応用分野における具体的な諸問題に対する研究を行った.具体的な本年度の研究実績は以下の通りである.・ジャンプシステムと呼ばれる離散システム上の関数に対して,M凸関数の概念を定義し,合成積やネットワーク誘導などの基本演算ができることを示した.さらに,ネットワーク誘導の一般化として,リンキングシステムによる変換が定義できることを示した.・ジャンプシステム上のM凸関数に対して,局所最適性が大域最適性を保証するという定理を示すとともに,大域最適解を求めるアルゴリズムを示した.・数理経済学におけるマッチングモデルにおいて,効用関数が離散凹関数である場合に均衡が存在することを示した.これにより,近年海外において提案されたいくつかのモデルが,統一的な枠組に吸収されたことになる.・制御理論において基本となる行列束の構造を組合せ論的に特徴づけた.・連続変数と離散変数が混ざった関数に対してM凸関数の概念を定義し,局所最適性と大域最適性の関係など,その基本的な性質を明らかにした.本研究の目的は,経済学,システム工学,オペレーションズ,リサーチ,最適化理論,アルゴリズム理論などの広汎な分野における基礎的諸問題に関わる離散構造を,離散凸性という横断的視点から整理し,「離散凸」という新しいパラダイムを確立し,それを広範囲の応用分野に浸透させることにある。この目的の実現のため,「離散凸パラダイム」の横糸を成す,構造定理やアルゴリズムを代表とする離散関数に関する数理の研究と,縦糸を成す,諸応用分野における具体的な諸問題に対する研究を行った。具体的な本年度の研究実績は以下の通りである。・マトロイドの重要な性質の一般化として,2部グラフノマッチングの抽象化概念であるリンキングシステムを用いた変換によって,M凸関数がM凸関数に移されることを示した。・リンキングシステムは行列の乗算と類似の演算を直接的に表す離散構造としても知られている。行集合と列集合を共有するリンキングシスァムの組を,行列ペンシルの組合せ論的抽象化と捉えて,マトロイドペンシルと定義し,行列ペンシルのKronecker標準形に類似した組合せ的な構造を明らかにした。応用として,リンキングシステムの冪乗に関する室田(1990)の定理に簡潔な別証明を与えた。・離散凸関数の実用的な高速最小化法のために,連続関数を用いて離散関数が定義されているという実用上一般的なケースに対して,連続緩和を利用した最小化法を導入した。さらに,連続緩和解と離散最小解の近接性を証明した。・多重クラス待ち行列システムの解析で現れる劣モジュラ関数に対して,効率的な最小化アルゴリズムを構築した。「離散凸パラダイム」の基礎を成す離散凸解析の理論を平易に紹介する書籍を発行した。離散凸関数の諸例についても述べ,諸応用分野への展開を図った。本研究の目的は,経済学,システム工学,オペレーションズ・リサーチ,最適化理論,アルゴリズム理論などの広汎な分野における基礎的諸問題に関わる離散構造を,離散凸性という横断的視点から整理し,「離散凸」という新しいパラダイムを確立し,それを広範囲の応用分野に浸透させることにある.この目的の実現のため,「離散凸パラダイム」の横糸を成す,構造定理やアルゴリズムを代表とする離散関数に関する数理の研究と,縦糸を成す,諸応用分野における具体的な諸問題に対する研究を行った.

具体的な本年度の研究実績は以下の通りである.・連続変数のM凸関数とL凸関数の数学的な扱いにおいては,解析学的な性質については直感的な議論では不十分であり,数学的な観点から精密な議論が必要な場合がある.そこで,連続変数のM凸関数とL凸関数が実効定義域の境界においても連続であるという基本的な事実に対する,数学的に厳密な証明を与えた.この事実の証明は,離散変数のM凸関数とL凸関数の最小化に対する連続緩和法の解析に有益である.・一般グラフのマッチングとマトロイドの共通独立集合問題の共通の一般化として,点集合上に2種類のマトロイドが付随する有向グラフにおける独立偶因子問題を考察し,偶因子問題に対するPapの組合せ的アルゴリズムを拡張するとともに,Edmonds-Gallai型の分解原理を与えた.・劣モジュラ関数の最小化に関して,関連する研究動向を整理し,さらに既存のアルゴリズムより簡潔な組合せ的多項式時間アルゴリズムを設計した。・離散凸関数最小化アルゴリズムを実装したソフトウェア,ODICON(Optimization algorithms for DIscrete CONvex functions)をWeb上で公開した.このソフトウェアでは,最小化アルゴリズムの見通しのよいC言語ソースを提供すると共に,最小化される関数の素直なインタフェースを示し,別のプログラムからライブラリとして呼び出されることにも対応している.
リン脂質合成酵素が細菌細胞の分裂隔壁細胞膜に局在する機構の解析

主要なリン脂質を合成する酵素のほとんどが枯草菌では細胞分裂隔壁部位に局在することを本申請者らは明らかにしている。これらのリン脂質合成酵素は、如何にして隔壁の細胞質膜に集まるのであろうか。どのような因子がこれらのリン脂質合成酵素を隔壁部位に局在させる役割を果たすのであろうか?これらの課題に対して、18年度は、以下の項目IとIIの2方向から研究計画を実施した。I.リン脂質合成酵素の細胞分裂隔壁の細胞質膜への局在と相互作用各リン脂質合成酵素の局在がFtsZや細胞分裂タンパク質等の存在に依存するか・相互作用があるか否かを明らかにすることが本研究の第一の目的であるが、枯草菌のリン脂質合成の最初の過程(リゾホスファチジン酸合成)には、まずアシルリン酸を合成し、これを基質として用いアシル基をグリセロール3リン酸に転移する、新たな酵素系(PlsX-YneS)が存在することを分子遺伝学的、また酵素学的な検討により見出した(脂質生化学研究2007投稿中)。このため本年度は、リン脂質合成の初期過程の酵素とタンパク質PlsX, YneSおよびアシルキャリアータンパク(ACP)等のGFP融合による細胞内局在と相互作用を中心に検討することとした。その結果、YneSは他のリン脂質合成酵素と同様に隔壁の強く局在するが、PlsXにっいては不均一な局在が見出された。また、PlsXとYneSは相互作用すること、PlsXは多量体となること、ACPとの相互作用は検出されないことが大腸菌two-hybrid法による解析から明らかになった。II.膜リン脂質合成酵素を隔壁部位に局在させる酵素タンパク質内の機能領域の解明リン脂質合成酵素が細胞分裂隔壁部位への特異的局在を実現するには、このために働く特定の領域が酵素タンパク質内に存在することが期待される。昨年に続き本年度はCL合成酵素、PGP合成酵素に注目し、膜貫通ドメインの両端域やCOOH末端の両親媒性ヘリックス領域を欠失させた一連の変異タンパク質-GFP融合体を構築し、更にWestern法による融合タンパクのsizeと量の確認をも加え、局在の変化を解析した。両酵素ともにCOOH末端に局在するために必須の領域があることを明らかにした。PGP合成酵素ではCOOH末端近くの膜貫通領域近傍が局在に関わる可能性を示唆した。これら主要なリン脂質の合成酵素は、如何にして隔壁部位に集まるのであろうか。どのような因子がこれらのリン脂質合成酵素を隔壁部位に局在させる役割を果たすのであろうか?この課題に対して、17年度は、以下の項目IとIIの2方向から研究計画を実施した。I.リン脂質合成酵素を細胞分裂隔壁の細胞質膜に局在化させる因子の探索各リン脂質合成酵素の局在がFtsZや細胞分裂タンパク質・酵素等の存在に依存するか否かをまず明らかにし、依存関係の有無を明確にすることを第一の目的とする。

このため今年度は、細胞分裂に大きな影響を与えないが、細胞分裂に関与することが明らかにされているタンパク質を欠損する変異株細胞を用い、リン脂質合成酵素-GFPの局在の変化を検討した。検討した6種の細胞分裂タンパクのひとつの欠損により、GFP融合体の正しい隔壁への局在が乱される場合があることを見出した。II.膜リン脂質合成酵素を隔壁部位に局在させる酵素タンパク質内の機能領域の解明リン脂質合成酵素が細胞分裂隔壁部位への特異的局在を実現するには、このために働く特定の領域が酵素タンパク質内部に存在することが期待される。本年度は枯草菌のCL合成酵素とその直上流のPGP合成酵素に注目して、膜貫通ドメインの両端域や両親媒性のヘリックス領域を欠失させた一連の変異タンパク質-GFP融合体を構築し、細胞内局在の変化を解析した。両酵素ともにC末端側に局在するために必須の領域があることを明らかにした。タンパク質の膜貫通ドメインの両端領域や両親媒性ヘリックス領域は、細胞質膜の脂質二重層表面の極性基部位に接することから、C末端側にあるこれらの領域が脂質極性基の認識に関わる可能性に注目し、現在検討している。主要なリン脂質を合成する酵素のほとんどが枯草菌では細胞分裂隔壁部位に局在することを本申請者らは明らかにしている。これらのリン脂質合成酵素は、如何にして隔壁の細胞質膜に集まるのであろうか。どのような因子がこれらのリン脂質合成酵素を隔壁部位に局在させる役割を果たすのであろうか?これらの課題に対して、18年度は、以下の項目IとIIの2方向から研究計画を実施した。I.リン脂質合成酵素の細胞分裂隔壁の細胞質膜への局在と相互作用各リン脂質合成酵素の局在がFtsZや細胞分裂タンパク質等の存在に依存するか・相互作用があるか否かを明らかにすることが本研究の第一の目的であるが、枯草菌のリン脂質合成の最初の過程(リゾホスファチジン酸合成)には、まずアシルリン酸を合成し、これを基質として用いアシル基をグリセロール3リン酸に転移する、新たな酵素系(PlsX-YneS)が存在することを分子遺伝学的、また酵素学的な検討により見出した(脂質生化学研究2007投稿中)。このため本年度は、リン脂質合成の初期過程の酵素とタンパク質PlsX,YneSおよびアシルキャリアータンパク(ACP)等のGFP融合による細胞内局在と相互作用を中心に検討することとした。その結果、YneSは他のリン脂質合成酵素と同様に隔壁の強く局在するが、PlsXについては不均一な局在が見出された。また、PlsXとYneSは相互作用すること、PlsXは多量体となること、ACPとの相互作用は検出されないことが大腸菌two-hybrid法による解析から明らかになった。II.膜リン脂質合成酵素を隔壁部位に局在させる酵素タンパク質内の機能領域の解明リン脂質合成酵素が細胞分裂隔壁部位への特異的局在を実現するには、このために働く特定の領域が酵素タンパク質内に存在することが期待される。昨年に続き本年度はCL合成酵素、PGP合成酵素に注目し、膜貫通ドメインの両端域やCOOH末端の両親媒性へリックス領域を欠失させた一連の変異タンパク質-GFP融合体を構築し、更にWestern法による融合タンパクのsizeと量の確認をも加え、局在の変化を解析した。両酵素ともにCOOH末端に局在するために必須の領域があることを明らかにした。PGP合成酵素ではCOOH末端近くの膜貫通領域近傍が局在に関わる可能性を示唆した。
放射線被ばくのバイオマーカーとしてのメタロチオネインアイソフォーム遺伝子の利用

放射線被ばくのバイオマーカーとしてヒトメタロチオネインアイソフォーム遺伝子の利用を考え、ヒト培養細胞にX線を照射(1 Gy16 Gy)して24時間後のメタロチオネイン遺伝子の発現パターンを調べた結果、メインアイソフォームであるMT-2AやMT-1Xなどほとんどのアイソフォームが抑制を受ける一方、マイナーアイソフォームであるMT-1H及びMT-4は明らかに誘導されることを見出した。今までに知られる金属や酸化ストレスによる発現パターンとは明らかに異なり、X線被ばくのバイオマーカーになる可能性が示された。放射線被ばく量の測定はガラスバッジ等を用いて可能であるが、被ばくによる生体影響程度を知るための簡便なばく露影響指標(バイオマーカー)は現時点で開発されていない。そこで本研究ではメタロチオネインアイソフォームをはじめとした複数種の遺伝子発現変動を指標とした放射線被ばくのバイオマーカーとしての可能性を探る。平成22年度は放射線照射によるメタロチオネインアイソフォーム遺伝子の発現パターン解析を培養細胞系で解析するための条件設定を行った。そのために放射線医学総合研究所の協力を得てX線照射装置を用いたヒト血球系細胞株(HL-60)への照射を行い、遺伝子発現解析のための照射条件(照射量、線量率)を決定した。解析対象遺伝子はメタロチオネインアイソフォーム遺伝子に加え、ヘムオキシゲナーゼ-1遺伝子も測定系に加えることとし、そのための条件設定を行った。本遺伝子は酸化ストレスに対する重要な防御因子で放射線による転写誘導が知られていること、また複数種の遺伝子解析によりバイオマーカーとしての精度上昇が期待できる。これら遺伝子について、照射24時間後の細胞生存率から、低線量域(30100mGy)および高線量域(28Gy)照射後の発現解析が進行中である。一方、医療現場におけるフィールドについて分担者(木村)が打診を進め、大阪にある中規模病院の放射線科医師および技師について協力依頼を行い受託された。そのため上記遺伝子解析の進行状況を考慮しつつヒトにおける被ばく前後のメタロチオネインアイソフォーム遺伝子解析も可能となったと考えられる。そこで本研究ではメタロチオネイン(MT)アイソフォームをはじめとした複数種の遺伝子発現変動を指標とした放射線被ばくのバイオマーカーとしての可能性を探る。平成23年度は放射線照射によるMTアイソフォーム遺伝子の発現パターン解析を培養細胞(HL-60細胞)で行った。照射は放射線医学総合研究所においてX線照射装置を用いた0.03Gy8Gyの照射量で行い、照射24時間後のMTアイソフォーム遺伝子の発現変動を定量PCR法で解析した。その結果、MT-2A発現量の有意な上昇に加え、MT-1A及びMT-1Eの発現量増加が認められた。これらの増加は1Gyより低線量の照射量では認められず、また他のアイソフォーム遺伝子の変動は8Gyの照射でも観察されなかった。さらに酸化ストレスに対する重要な防御因子で放射線による転写誘導が知られているヘムオキシゲナーゼ-1遺伝子の発現変動も同時に調べたが、プライマー設計に問題があるのか複数のPCR産物が検出され、プライマー配列を検討し作製し直しても単一産物の増幅とはならなかったため現時点では結果が出揃っていない。メジャーな遺伝子であることからプライマー配列の変更で解決できると思われる。以上の結果よりMT-2A,-1A,-1Eが放射線照射により発現変動したことから、これら3種を中心に照射条件を変えて(照射後の時間、照射時の血清の有無、照射量の再検討など)、さらに解析を進めると共にパターン化を試みていく。一方、医療現場におけるフィールドについては共同研究者(元研究分担者:木村真三)が大阪にある中規模病院の放射線科医師および技師について協力依頼を行った。木村の所属先変更に伴い実施については現時点で未だ保留であるが、次年度での実験予定には組み込む。放射線被ばくによる生体影響程度を知るための簡便なバイオマーカーは現時点で開発されていない。MTアイソフォームの発現は金属や酸化ストレスによって著しく誘導されることが数多く報告され、動物実験でもMTの誘導が報告されている。しかし培養細胞を用いた本検討ではメインアイソフォームであるMT-2AやMT-1Xなどの誘導が殆ど認められなかった。そこで照射量を上げる(1 Gy50 Gy)、照射後の解析時間を変える(24時間後、48時間後)など、照射条件を様々に変えて検討したが、やはりこれらメインアイソフォームの変動は観察されず、X線照射により殆どのアイソフォームがむしろ発現抑制を受けると結論付けた。なお、この時の細胞生存率は90%以上であり、障害によるものではないと考えられる。

本検討ではMTメインアイソフォームの誘導条件を見出す必要があると考え、他のマイナーアイソフォームの解析が遅れたが、次に、得たサンプルについてこれらマイナーアイソフォームについての発現量を定量した。その結果、メインアイソフォームが抑制を受ける照射量で、MT-1H及びMT-4の明らかな誘導が認められた。例えばカドミウムでは程度の差はあるが全てのMTアイソフォームが誘導される。しかしX線では抑制アイソフォーム(MT-2A, -1X)、無変動アイソフォーム(MT-1G)、誘導アイソフォーム(MT-1H, MT-4)に分類された。この結果は、MTアイソフォームの発現パターンがX線照射による生体影響を反映するバイオマーカーになる可能性を示す。なお、医療現場での発現パターン解析は共同研究者(元研究分担者:木村真三)の所属先変更に伴い実施が困難となり、当該年度では実現しなかった。震災対応、夏期節電により照射実験を行う機会が大幅に減った(放射線医学総合研究所は原発対策において中心的役割を果たしてきたためやむを得ない状況である)。しかし年度の後半に培養細胞を用いて照射条件を決定し、照射後のメタロチオネインアイソフォーム遺伝子の「動き」を捉えつつある。照射条件等を変え、現象をより確実なものとしていく。24年度が最終年度であるため、記入しない。培養細胞に加え、ヒト血液から単離するリンパ球での照射実験を先ずは行う予定である。研究代表者の所属研究所と放射線医学総合研究所との物理的距離があるため、照射実験を頻回行うためにはエフォート率を若干増やし、本研究課題に費やす時間を増やす必要がある。
調理作業の心理的効果―食育におけるアクティブラーニングの検討―

【目的】食育におけるアクティブラーニングとして、グループで行う調理実習の心理的効果を、今回は客観的指標に焦点をあて検討した。【方法】2018年7月10月に、同意を得た大学生11名(21.5±0.5歳)を対象に、グループでの調理実習と机上学習を行う介入研究を実施した。客観的指標として心拍データから交感神経活動度(LF/HF)を、また、それぞれ介入前後に唾液中αアミラーゼ活性(アミラーゼ)を測定した。さらに主観的指標として介入前後に質問紙POMSと、介入後の自由記述を行った。【結果】LF/HFにおける調理実習と机上学習の比較では、調理実習中4.2±2.4、机上学習中2.9±1.2であり、有意差傾向を示した(t=2.12,p=.067)。調理実習前と机上学習前、調理実習後と机上学習後での比較では、有意差はなかった(t=.01,p=.994、t=1.46,p=.183)。なお、調理実習の試食時は2.9±1.2を示した。介入前後のアミラーゼ変化率は、調理実習で10ポイント上がり、机上学習で23ポイント下がった。一方、POMSでは、調理実習前より実習後で有意に低下し(t=4.29,p=.002)、机上学習前後では、学習後にポイントが上昇したが有意差はなかった(t=.65,p=.539)。自由記述では調理実習の記載量が多く、内容も多彩であった。【考察】立位での調理実習は座位での机上学習より交感神経活動度が高まり、このことはアミラーゼ結果からも示唆された。また、POMSおよび自由記述結果から、調理実習による感覚、運動、認知機能などを介した情報や刺激が、心理的活性化と同時に安定性をもたらしていることも考えられた。これまで検討対象としてきた客観的指標は、調理作業前後、もしくは試食後に測定する唾液中αアミラーゼ活性が中心であった。また主観的指標としては、質問紙による調理作業前後、試食後のデータを検討してきた。本研究では、体表に装着して測定する機器およびディスポーザブル電極パットなどの消耗品、それらに対応するPCなどから、調理実習中を通してのデータ収集が可能となった。このため、介入前後および試食後の比較にとどまらず、調理作業中、試食中の心理的状態を検討することができ、有効な客観的指標のデータを集めることができた。これらのデータを、これまでの客観的指標、主観的指標に加えて検討することで、より精度が高い検討ができると考えている。これまで客観的指標として、唾液中αアミラーゼ活性を見てきたが、個人差が大きいことから、個人内変動として変化率を算出し分析を行ってきた。今後は心拍データから、スペクトル解析によって得られる周波数領域の交感神経活動度をストレス指標とし、客観的指標結果を集積したいと考えている。関連機器の購入により、一度に多くのデータを集積することができるようになったことから、次年度は調査対象者数を増やし、統計的処理をすることにより結果を精査したい。また、Big Five質問紙から得られる個々のパーソナリティとの関連性、および自由記述による質的分析も引き続き行い、主観的指標と客観的指標を合わせ検討したいと考えている。

本研究では、体表に装着して測定する機器およびディスポーザブル電極パットなどの消耗品、それらに対応するPCなどから、調理実習中を通してのデータ収集が可能となった。このため、介入前後および試食後の比較にとどまらず、調理作業中、試食中の心理的状態を検討することができ、有効な客観的指標のデータを集めることができた。これらのデータを、これまでの客観的指標、主観的指標に加えて検討することで、より精度が高い検討ができると考えている。これまで客観的指標として、唾液中αアミラーゼ活性を見てきたが、個人差が大きいことから、個人内変動として変化率を算出し分析を行ってきた。今後は心拍データから、スペクトル解析によって得られる周波数領域の交感神経活動度をストレス指標とし、客観的指標結果を集積したいと考えている。関連機器の購入により、一度に多くのデータを集積することができるようになったことから、次年度は調査対象者数を増やし、統計的処理をすることにより結果を精査したい。また、Big Five質問紙から得られる個々のパーソナリティとの関連性、および自由記述による質的分析も引き続き行い、主観的指標と客観的指標を合わせ検討したいと考えている。(理由)所属大学における、外すことができない職務日程と、本研究成果を発表するための学会日程、および研究知見を深めるための研究会日程などが重なることがあり、通常年度より学会参加を減らす必要が生じたため、旅費などの支出が少なかった。そのため、差し引き額を次年度に繰り越した。(使用計画)2019年度の消耗品費として、調理作業用食材費、心拍センサーディスポーザブル装着用電極パット、POMS質問紙、唾液αアミラーゼ測定のチップなどの購入に充てる予定である。
眼球運動解析に基づいた情動-姿勢制御に関与する神経機構の解明

霊長類において,回転運動中の速度情報を貯蔵する性質を有する「velocity storage integrator; VSI」由来の反応は,末梢感覚器からの入力情報を統合し,空間認知などの高次脳機能や不安・動揺病等に深く関与する反応特徴として着目されている。この反応は従来,マウスで記録・解析することは非常に困難であったが,我々は耳石器を傾けた状態で回転刺激を与えることで,マウスでも誘発されることを見出し,その反応様式を詳細に検証・報告してきた。GABAB受容体アゴニストを用いた薬理学的実験では,マウスにも霊長類と同様な高次眼球運動を担うGABA作動性神経伝達機構が,高度に保存されていることを明らかにした(Behav Brain Res, 2016)。一方,本研究では不安様行動を呈するマウスとVSIの相関性を,過去の霊長類での解析手法にならい検証するものの,耳石器入力を介して誘発される眼球運動の評価には,末梢内耳の形態学的特徴の検証が不可欠であり,マウス内耳の免疫組織学的実験も並行して実施した。その中で突発的な異常回転運動を来すCaspase-3欠損マウスがVSIの著しい障害をきたし,特に,本研究で着目している耳石器のうち球形嚢に特異的な加齢性変化が見られたことから,当初の計画を発展させ,末梢感覚器の免疫組織化学的検証を詳細に行い,Caspase-3遺伝子が球形嚢有毛細胞の維持に不可欠であることを明らかにした。なお,反射性眼球運動は加齢による変化は観察されず,球形嚢有毛細胞が完全に消失していた個体でも,明瞭な反応を駆動していたことは,前述の刺激装置が耳石器のうち卵形嚢を特異的に刺激することと矛盾しない結果であり,現在,得られた研究成果に関する論文投稿を行っている。また,新たに開始した臨床病理分野での免疫組織学的知見の一部を英文雑誌に報告した。本研究代表者は、これまでに,京都大学認知行動脳科学,産業技術総合研究所システム脳科学研究グループと共同し、小型動物用眼球運動実験システムを開発・発展させてきた。この装置では,多彩な視覚刺激により誘発された眼球反応を赤外線カメラで計測することで,マウスの視覚誘発性眼球運動の詳細な解析が可能である。その後、テキサス大学耳鼻咽喉科にて、これまで培った生理学的アプローチに分子生物学,内耳形態学を融合させた、多角的な眼球運動研究を実施してきた。この中で,耳石器を傾けた状態で回転刺激を加えることで、従来観察することが困難であった高次の脳神経回路網に由来した眼球反応をマウスで誘発できることを見出した(Neuroscience, 2015; Exp brain res, 2015)。これにより、霊長類と同様の神経機構がマウスにも保存され,上位前庭中枢の神経回路網を分子レベルで解明する新たな実験系の構築が可能であることが示された。本研究では,これまで注目されていなかった,マウスで誘発される高次の眼球運動神経回路網由来の反応に焦点を当てている。霊長類ではこの脳神経回路網は、末梢感覚器からの入力情報を統合し,空間認知などの高次脳機能に深く関与するものとして,今日までに様々な特徴が知られている。特に海馬,扁桃体などの情動制御に携わる脳領域への神経投射が明らかにされており、また、不安・動揺病との密接な相関が示唆されていることから、駆動される眼球運動の反応特性を解析し,情動変化を定量化する試みがなされている。本研究で得られたデータは、これらヒトでの研究成果と重ね合わせることで,心因性めまいなどの精神的要因を評価する客観的検査法の開発,ならびに情動ー姿勢機能を制御する候補遺伝子の探索に貢献できることが期待される。霊長類において,バクロフェン(GABAB受容体アゴニスト)が高次脳神経回路網に由来する眼球運動を選択的に抑制することから,この神経回路網の形成にはGABA作動性ニューロンの関与が重要であると考えられている。そこで、我々は同様な薬理学的検討をマウスに行い、マウスがバクロフェン投与前後で、霊長類と同様な反応様式を示すことを明らかにした(1)。これにより、霊長類と同様な高次眼球運動を担うGABA作動性神経伝達機構が,マウスにも高度に保存されていることが推察される。一方で、マウスをヒトのモデル動物として応用するには,ヒトを対象とした基礎研究が不可欠である。航空自衛隊入間基地にある空間識訓練装置が、我々がマウスで実施してきた回転刺激をヒトで再現できることに着目し、ヒト/マウス間での反応特性の類似点,ならびに相違点を検証している。あらかじめプログラムした視覚刺激、並びに耳石器刺激を同期させ明所、暗所下で誘発される浮動感を比較した実験では、耳石器入力が空間認知に及ぼす影響を眼球運動計測を介して定量化できることを示した(2)。本研究代表者は,これまでに,京都大学認知行動脳科学,産業技術総合研究所と共同し,小型動物用眼球運動実験システムを開発・発展させてきた(Neuroscience, 2010; J Vis, 2010)。その後,テキサス大学耳鼻咽喉科にて,これまで培った生理学的アプローチに分子生物学,内耳形態学を融合させた多角的な眼球運動研究を実施してきた。その中で耳石器を傾けた状態で回転刺激を加えることで,従来観察することが困難であった高次の脳神経回路網に由来した眼球反応をマウスで誘発できることを見出し(Neuroscience, 2015;Exp

brain res, 2015),霊長類と同様の脳神経機構がマウスにも保存され,上位前庭中枢の神経回路網を分子レベルで解明する新たな実験系の構築が可能であることを示した。霊長類ではこの高次神経回路網の形成にはGABA作動性ニューロンの関与が重要であると考えられており,一昨年度は薬理学的検討をマウスに行い,マウスがバクロフェン(GABAB受容体アゴニスト)投与前後で,霊長類と同様な反応様式を示すことを明らかにした(Behav Brain Res, 2016)。この結果は,霊長類と同様な高次眼球運動を担うGABA作動性神経伝達機構が,マウスにも高度に保存されていることが推察される。一方で,マウスをヒトのモデル動物として応用するには,ヒトを対象とした基礎研究が不可欠である。航空自衛隊入間基地にある空間識訓練装置が,我々がマウスで実施してきた回転刺激をヒトで再現できることに着目し,ヒト-マウス間での反応特性の類似点,ならびに相違点を検証している。視覚,並びに耳石器刺激で誘発される浮動感を明所,暗所下で比較した実験では,耳石器入力が空間認知に及ぼす影響を眼球運動計測を介して定量化できることを示した(Acta Otolaryngol, 2016)。本研究では,不安様行動を呈する遺伝子変換マウスの眼球運動,並びに末梢内耳の形態学的特徴を評価対象としている。不安モデル動物として,主にCaspase-3欠損マウスを用いている。このマウスは両感音難聴に加え,一定方向の異常回転運動を呈することが知られており,過去の報告では末梢内耳の形態/機能的障害が異常回転運動に起因すると推察されている。我々が行った実態顕微鏡下での観察でも半規管系の形態異常が高頻度で観察されることから,本遺伝子が正常な半規管形成に重要な役割を担うことは明らかである。一方で,注意深く観察を行うと,この回転運動がケージの移し替えの際等,不慣れな環境下において誘発されるものの,通常の環境下では平衡機能障害は明瞭でなく,この所見は異常行動が単純な末梢内耳の障害だけではなく,より上位の神経伝達障害の関与,すなわち空間認知,情動制御といった高次脳領域の障害を反映している可能性が示唆される。実際,耳石器由来の反射性眼球運動は正常であったにもかかわらず,本研究で着目している高次脳神経回路網に由来した眼球反応は著明に障害されていた。これまでに眼球運動のデータ集積はほぼ終了し,昨年度はそれぞれの個体から採取した耳石器の形態学的検証を行った。これまでに本マウスにおいて末梢耳石器の形態学的特徴に関する報告は少なく,今回,幅広い個体(雌雄別,年齢別:若年(<6か月),老齢(>18か月))から採取した耳石器(卵形嚢・球形嚢)を蛍光顕微鏡下で観察し,有毛細胞の免疫組織学的検証を行った。その結果,卵形嚢では野生型,KOマウスで有毛細胞数,密度に変化はなく,また,年齢別でも優位な差は認められなかった。しかしながら,球形嚢では,若年群では野生型,KOマウスで形態学的変化は認めなかったものの,老齢群ではKOマウスに有毛細胞の明らかな消失,変性が認められた。霊長類において,回転運動中の速度情報を貯蔵する性質を有する「velocity storage integrator; VSI」由来の反応は,末梢感覚器からの入力情報を統合し,空間認知などの高次脳機能や不安・動揺病等に深く関与する反応特徴として着目されている。
交通管制効率化にむけた多種データの並列化・即時的処理手法の検討

多種交通データベースの統合利用に関する処理法に関する検討を重点的におこない,高速道路における追突事故発生時の交通状況,周辺の道路線形・構造要因に関する多種データの統計的解析と,交通変動要因把握のためのDB仕様・オンライン利用法の検討,交通データのマイニング手法に関する検討をおこなった.また同時に,交通流シミュレーションの並列計算処理アルゴリズムを検討するため,流体モデルを援用した交通流数理モデルの実装をおこなった.今後,モデルの妥当性検証を実データ等を用いて検証をおこなった上で,区間を分割演算したシミュレーション構築を目指すことを考えている.本年度は,交通データの有効活用方法の検討に関して,高速道路上における道路マネジメントが必要な事象の中でも交通事故発生時に着目したデータ活用方法を中心に検討してきた.また,マルチエージェントシミュレーションの計算負荷の軽減に関する検討も国内における分析対象フィールドだけでなく,海外事例への適用を視野に入れて,Matlabなどの既存アプリケーションでの並列計算処理手法の有効活用についても意見交換を進めてきた.また,交通情報の実需要アンケートという観点では,高速道路上の休憩施設に関する思考や,一般道路におけるカーナビ情報の有効性という観点での調査に関わった.都市内高速道路の追突事故を対象とした分析においては,対象時間帯を分けて推定した重回帰モデル,共分散構造モデルなどの統計的手法によって交通事故へと至る過程をマクロレベル指標で感知して,注意を促す情報提供をおこなうことにある程度の有効性を見出したものの,事故それぞれの各論での発生要因が必ず存在していると考えられたため,次年度も引き続き詳しい事故発生状況の解析を続け,交通状況予報提供のためのデータ処理プロセスの検討材料と出来る研究を続けていく.交通流シミュレーションに関しては,実現象での適用に向けて密度の不連続性の課題を改善する必要性が出てきたため,今後も引き続き検討を行っていくこととしたい.本年度の研究実績としては,上記で得られた成果を用いて口頭発表3件と,海外発表1件へとつなげた.次年度は本研究の枠組みで得てきた交通関連ビックデータの有効活用に向けた知見を実用展開に向けた処理手法へとできるように,研究成果の対外的成果発表や学会での議論を精力的にすることで,研究総括をおこなえるよう継続的に取り組んでいく.多種交通データベースの統合利用に関する処理法に関する検討を重点的におこない,高速道路における追突事故発生時の交通状況,周辺の道路線形・構造要因に関する多種データの統計的解析と,交通変動要因把握のためのDB仕様・オンライン利用法の検討,交通データのマイニング手法に関する検討をおこなった.また同時に,交通流シミュレーションの並列計算処理アルゴリズムを検討するため,流体モデルを援用した交通流数理モデルの実装をおこなった.今後,モデルの妥当性検証を実データ等を用いて検証をおこなった上で,区間を分割演算したシミュレーション構築を目指すことを考えている.本年度は,土木計画分野の高速計算需要を調査し,データの処理法に関する研究を重点的におこない,交通サービス水準に関連する多種データの特性把握,交通変動要因把握のためのDB仕様・オンライン利用法の検討,交通データのマイニング手法に関する検討をおこなった.次年度は,情報工学分野で研究が進められている計算処理プロセス研究を活用して,多種多様な交通データの統合的取扱い,即時的処理に関する融合的研究をおこなうことにより,簡易な操作で大規模データハンドリングをおこないながら,広域から局所的な問題まで包括的に交通サービス水準を評価・診断できるシステム構築の検討を進めていく.また,交通流シミュレーションの並列計算処理アルゴリズムを検討するため,流体モデルを援用した交通流数理モデルの実装をおこなった.今後,モデルの妥当性検証を実データ等を用いて検証をおこなった上で,区間を分割演算したシミュレーション構築を目指すことを考えている.並列型交通流シミュレーションにおける大きな課題である変数の取扱い方法や交通の非定常状態に関する検討をおこなう.また,並列処理による実際の交通状況との差異について考察するため,既往のミクロシミュレーションモデルの演算結果と比較をおこなうことを考えている.研究実績として,上記で得られた成果を用いて口頭発表2件をおこなっている.次年度では,査読付き論文への投稿に向けて具体的な研究成果を得られるよう,鋭意研究を進めていく.本年度は,研究最終年度のまとめとして,多種交通データベースの統合利用に関する処理法に関する検討を重点的におこない,追突事故発生時の交通状況,周辺の道路線形・構造要因に関する多種データの統計的解析と,交通変動要因把握のためのDB仕様・オンライン利用法の検討,交通データのマイニング手法に関する検討をおこなった.計算処理プロセス研究を活用して,多種多様な交通データの統合的取扱い,即時的処理に関する融合的研究をおこなったものの,大規模データハンドリングに適した,広域から局所的な問題まで包括的に交通サービス水準を評価・診断できる道路マネジメントへと活用できるシステム構築にまでは至らず,交通計画分野のデータ利活用に関する課題取りまとめを重点的におこなったうえで,後継の研究課題にて継続的に取り扱っていくこととした.また,本年度は交通流シミュレーションの並列計算処理アルゴリズムを重点的に検討するため,流体モデルを援用した交通流数理モデルの実装をおこなった.特に,モデルの妥当性検証を実データ等を用いて検証をおこなった上で,区間を分割演算したシミュレーション構築を目指した.並列型交通流シミュレーションにおける大きな課題である変数の取扱い方法や交通の非定常状態に関する検討をおこなった.今後,並列処理による実際の交通状況との差異について考察するため,既往のミクロシミュレーションモデルの演算結果と比較をおこなうことを考えている.研究実績として,上記で得られた成果を用いて口頭発表3件をおこなっている.次年度では,査読付き論文への投稿に向けて具体的な研究成果を得られるよう,鋭意研究を進めていく.交通計画・交通工学今年度は,事故データの有効活用方法に関して,検討をおこなってきた.交通流数理モデルを用いたシミュレーションの実現象の再現妥当性に関しての検討は続けており,執筆中の論文の査読通過を目指して,鋭意努力していく.

おおむね初年度の目標は達成している.基本的な数理モデルの作成をこれまでにおこなったので,今年度は実現象の妥当性検証をおこなっていく.また,並列計算処理アルゴリズムの検討の為,流体モデルを援用した交通流数理モデルの実装結果より,今後,モデルの妥当性検証を実データ等を用いて検証をおこなった上で,区間を分割演算したシミュレーション構築を目指す.学内の研究室運営教員である,宇野伸宏准教授・牛島省教授と,引き続き共同で研究を推進する予定である.また,高速道路会社との共同研究プロジェクトとして,交通事故データ解析を進めているため,交通障害発生時の即時的な交通データ活用に関するさらなる検討を進めていきたいと考えている.学内の研究室運営教員である,宇野伸宏准教授・牛島省教授と,共同で研究を推進する予定である.スパコンを使用した高い計算力を生かしたシミュレーションの作成,オンラインデータ利用を考えた交通情報の蓄積法を検討予定である.また,高速道路における具体的なデータを借用する予定をしており,交通安全指標の即時計算アルゴリズムについて,検討を予定している.該当なし
アミンのヒドロキシルアミンへの新規変換法の開発と天然物合成への応用

昨年度の研究によって、一級アミンをシアノメチル化体を経て対応するヒドロキシルアミンへと変換する新規変換法を見いだすことができた。そこで、本年度の研究においては、本反応のス適応範囲を明らかにすべく様々な基質を用いて反応を行った。一般に、一級アミンをハロゲン化アルキルでアルキル化し、対応する二級アミンを選択的に得るのは困難である。そこでまず、アミンを対応するシアノメチル化体へと変換する条件に関して詳細な検討を行った。その結果、アミノ基の付け根の立体的な込み具合に応じて、適当なハロゲン化アセトニトリルと塩基を組み合わせることによって、アミンを選択的に対応するシアノメチル化体へと変換できることがわかった。また、続くMCPBAでのニトロンへの変換反応は、アルキルアミン、ベンジルアミン、ジフェニルメチルアミン、さらにはグリシン誘導体を用いた場合でも完全に位置選択的に進行し、シアノ基側にニトロンが形成された。また、最終段階のヒドロキシルアミン塩酸塩を用いたニトロンからN-モノアルキルヒドロキシルアミンへの変換反応は、いずれの基質を用いても高収率で進行した。さらに、実験操作に関して詳細な検討を行ったところ、ニトロンの段階で単離精製をせずに直接最終物まで変換したところ収率が改善されることがわかった。このように、本反応は広い範囲の一級アミンに適応可能な新規N-モノアルキルヒドロキシルアミンの合成法として、今後広く用いられることが期待される。なお、以上の結果はSynthesis誌上において発表を行った。本年度は、一級アミンからN-アルキルヒドロキシルアミンへの変換法の基礎的な検討を行った。作業仮説にしたがって、まず、一級アミンをシアノメチル化し、続く、MCPBAでのニトロンへの酸化、およびニトロンからヒドキシルアミンへの変換の各段階に関して、反応条件など詳細な検討を行った。第一段階目のシアノメチル化に関してはクロロおよびプロモアセトニトリルと塩基として炭酸カリウムもしくはHunigベースを用いることで、モノシアノメチル体を高収率で得ることができた。なお、嵩高いアミノに関しては、ヨードアセトニトリルを用いて反応を行えばよいことも同時に見いだした。第二段階目のMCPBAによる酸化反応は、予想通りシアノ基の電子的影響によると思われる置換基効果により位置選択的に進行し、シアノ基側が二重結合になった望みのニトロンのみが生成することがわかった。得られたニトロンからヒドロキシルアミンへの変換は、過剰量のヒドロキシルアミン塩酸塩をメタノール中60度で作用させた条件でもっとも良好に進行することが判明した。以上のように、作業仮説での反応が予想通り進行することが、ベンジルアミン等の簡単なモデル化合物を用いた検討で明らかになったので、今後は種々の基質を用いて上記反応を行い本反応の適応範囲に関する知見を得たいと考えている。
体内全肝冷却潅流後の脂肪投与と肝エネルギーバランスに関する実験的研究

ラット全肝冷却潅流モデルによる阻血後のエネルギー基質の酸化は、燐核磁気共鳴スペクトロスコピーで検討したβ-ATP/Piからみると、肝エネルギーバランスが阻血前の60%に回復した時点より再開するという平成4年度の実験結果をふまえ、平成5年度は兎を用いて阻血肝における脂肪酸の酸化に関する実験を行った.その結果、10分間の全肝阻血により動脈血ケトン体比は低下したが血流再開後60分で安定し以後plateauとなった.また阻血により肝でのVLDLの生成および脂肪酸のβ酸化の指標となるケトン体生成は抑制された.肝での脂肪酸の酸化をさらに検討するために、trioctanoinを静脈内に投与して、経時的に総ケトン体を測定したところ、肝阻血により中性脂肪の加水分解ならびに加水分解産物である遊離脂肪酸の肝への取り込みは抑制されるが、動脈血ケトン体比が0.7前後に安定する血流再開後60分以後にtrioctanoinを投与するとこの抑制はみられなかった.また脂肪酸のβ酸化は動脈血のケトン体比が0.7に安定した頃より正常に復することが明らかとなった.以上の結果より、肝阻血をともなった肝臓手術後の患者に経静脈栄養を行うに当たっては、動脈血ケトン体比を測定しながら、この値が0.7に安定した時点より脂肪乳剤の投与が可能であることが示唆された.ラット全肝冷却潅流モデルによる阻血後のエネルギー基質の酸化は、燐核磁気共鳴スペクトロスコピーで検討したβ-ATP/Piからみると、肝エネルギーバランスが阻血前の60%に回復した時点より再開するという平成4年度の実験結果をふまえ、平成5年度は兎を用いて阻血肝における脂肪酸の酸化に関する実験を行った.その結果、10分間の全肝阻血により動脈血ケトン体比は低下したが血流再開後60分で安定し以後plateauとなった.また阻血により肝でのVLDLの生成および脂肪酸のβ酸化の指標となるケトン体生成は抑制された.肝での脂肪酸の酸化をさらに検討するために、trioctanoinを静脈内に投与して、経時的に総ケトン体を測定したところ、肝阻血により中性脂肪の加水分解ならびに加水分解産物である遊離脂肪酸の肝への取り込みは抑制されるが、動脈血ケトン体比が0.7前後に安定する血流再開後60分以後にtrioctanoinを投与するとこの抑制はみられなかった.また脂肪酸のβ酸化は動脈血のケトン体比が0.7に安定した頃より正常に復することが明らかとなった.以上の結果より、肝阻血をともなった肝臓手術後の患者に経静脈栄養を行うに当たっては、動脈血ケトン体比を測定しながら、この値が0.7に安定した時点より脂肪乳剤の投与が可能であることが示唆された.阻血冷却状態にあった肝が、血流再開後、いつからどのような熱源を酸化する能力を回復するかを実験的に研究した。一晩絶食したWistarラットを対象とし、全身麻酔後、気管切開し調節呼吸とした。われわれが開発したin situ全肝冷却潅流阻血法の要点は、全肝阻血を行う際に肝下部下大静脈を右腎静脈分岐部のすぐ末梢で遮断し、門脈を直接穿刺して肝の冷却潅流を行い、その潅流液を右腎静脈を切開して回収するところにある。潅流速度は1 ml/minとし、阻血時間は30分とした。肝エネルギーバランスは燐核磁気共鳴スペクトロスコピーにより、β-ATPと無機燐(Pi)を測定し、β-ATP/Piにより評価した。全肝阻血中および血流再開後5時間にわたり生理的食塩水のみを投与したC群、血流最開直後よりfull strengthのブドウ糖を投与したG群、血流再開後1時間よりfull strcngthのブドウ糖を投与したG1群、血流再開後1時間よりhalf strcngthのブドウ糖を投与した1/2Gl群、脂肪とブドウ糖を1:1(カロリー比)としたfull strengthの輸液を直後より開始したFO群、1時間後より開始したFl群を設定した。その結果C群のラットの肝エネルギーバランス回復は良好であったが、血流再開後直ちにfull strengthの熱源(G,Gl,FO群)を投与すると基質の種類に関係なく肝エネルギーは低下しラットは死亡した。一方1/2Gl群およびFl群での肝エネルギーバランスの回復は良好でラットは生存した。すなわち阻血冷却にあった肝はエネルギーバランスが前値の60%の回復した時点よりhalf strength程度のブドウ糖か、full strenthであっても脂肪でブドウ糖のカロリー比が1:1の基質を酸化する能力を回復することが明かとなった。ラット全肝冷却潅流モデルによる阻血後のエネルギー基質の酸化は、燐核磁気共鳴スペクトロスコピーで検討したβ-ATP/Piからみると、肝エネルギーバランスが阻血前の60%に回復した時点より再開するという平成4年度の実験結果をふまえ、平成5年度は兎を用いて阻血肝における脂肪酸の酸化に関する実験を行った。その結果、10分間の全肝阻血により動脈血ケトン体比は低下したが血流再開後60分で安定し以後plateauとなった。また阻血により肝でのVLDLの生成および脂肪酸のβ酸化の指標となるケトン体生成は抑制された。肝での脂肪酸の酸化をさらに検討するために、trioctanoinを静脈内に投与して、経時的に総ケトン体を測定したところ、肝阻血により中性脂肪の加水分解

ならびに加水分解産物である遊離脂肪酸の肝への取り込みは抑制されるが、動脈血ケトン体比が0.7前後に安定する血流再開後60分以後にtrioctanoinを投与するとこの抑制はみられなかった。また脂肪酸のβ酸化は動脈血のケトン体比が0.7に安定した頃より正常に復することが明らかとなった。以上の結果より、肝阻血をともなった肝臓手術後の患者に経静脈栄養を行うに当たっては、動脈血ケトン体比を測定しながら、この値が0.7に安定した時点より脂肪乳剤の投与が可能であることが示唆された。
逆浸透膜を利用した園芸作物の根圏環境の制御

1,前年度に半透膜を利用した植物の根圏には土壌も養液も存在しない栽培装置を試作した(膜耕).いくつかの園芸作物について,膜耕と従来のロックウ-ル耕と生育を比較したところ,膜耕の方が生育がよいもの,ロックウ-ル耕の方が生育がよいものの双方が存在することが分かった。また、膜への定植時に供給水を加圧し、植物が水をすいやすいようにすることで、かなりの植物がほぼ100%活着することが分かった。2,膜耕で栽培したコリウスが土耕、ロック-ル耕等ので育成した物より低光量の屋内で長く生存することをこれまでに報告した。膜上の植物根をしめらせると落葉数や生存率が,防根シート耕(半透膜の代わりに防根シートを用いて膜の選択透過性などをなくしたもの)と同程度になった。また、この時、根の活性が膜耕の根のみ高かった。こ膜面が濡れず根の活性が高く保たれていることが重要であるらしいことが分かった.3,ヒメコリウスを屋内に持込んだとき、PEGにより0.2MPa程度の浸透圧をかけたものに変えると、1か月以上植物茎葉は伸長せず、葉色の退色もかなり抑えられた。この時膜はPEGを極めて通しにくい物であることが必要であることが分かった。このことから膜耕では溶質の影響を排除しながら浸透圧による水ストレスを植物に与えることが可能であることが示された4,水の透過性がほぼ同じで、イオン透過性のことなる膜を用いて植物を育てたところ、イオン透過性の高い膜になるに従いよく生育するのではないことが分かったこのことについての詳しい調査は今後行う。
フラーレンの骨格変換を機軸とする内包フラーレンの有機合成

中空のフラーレン骨格内部に小分子・原子・金属イオン等が閉じこめられた内包フラーレンは従来法では純粋な物質の大量合成が困難である。本研究では、比較的安価に得られる空のフラーレンを原料として、フラーレン骨格に穴を開け、そこから小分子や金属イオンを導入した後、穴を閉じるという、いわば「分子手術」とも言える手法によって、新しい内包フラーレンを有機化学的手法により合成し、新規物性の発現を目指した。すなわち、開口C_<60>誘導体の内部に重水素分子をほぼ定量的に導入し、重水素分子を内包させたままで開口部を修復することによってD_2@C_<60>を合成した。また、開口C_<60>誘導体に液相にて高圧のヘリウムガスを作用させ、素早く開口部を縮小することによって、ヘリウム原子を内包したC_<60>を合成することができた。反応直後のヘリウム内包率は40%であったが、HPLCにより内包率80%まで向上させることができた。また、フラーレン骨格外側の^1H NMRスペクトルを測定することによって、内包ヘリウムとフラーレン骨格との分子間相互作用が存在することを明らかにした。一方、開口C_<60>へのH_2,HD, D_2分子の導入の平衡定数ならびに放出の速度論的パラメーターを決定することにより、D_2分子がH_2分子よりも内包されやすいことを明らかにした。さらに、水素分子を内包したC_<60>カチオンの発生を確認した。さらに、13員環開口部にセレン原子をもつC_<60>誘導体を合成した。水素分子を内部に挿入し、放出速度測定によって開口部の大きさを評価したところ、硫黄類縁体に比べて若干開口部が大きくなっていることが明らかとなった。また、アミン類との反応を検討したところ、水分子が内部に導入可能な大きさの開口部構築が可能であることが分かった。金属あるいは小分子を内包したフラーレン類の製造法は、従来アーク放電などの低効率かつ制御困難な手段に依存しており、物性研究の大きな制約となっている。我々は今回、水素分子を内包した新しいフラーレンH2@C60を、初めて有機化学的に合成することに成功した。我々はこれまでに、C60の骨格表面に硫黄を含む13員環の開口部を設けることによって、その骨格内部に水素分子1個を100%の効率で導入できることを報告している。本研究では、水素分子を内包したフラーレン誘導体の13員環の開口部を、開口部の硫黄原子の酸化ならびに光化学的な脱離により、12員環に縮小させた。次に低原子価チタンを用いるカルボニル基のカップリング反応により、その開口部を8員環に縮小させた。ここまでの過程では内包された水素分子の放出は全く観測されなかった。最後に熱分解反応により、水素分子を内包したフラーレンC60を合成した。この結果、空のC60から3段階の有機化学反応により開口部を設け、小分子を導入し、4段階の有機化学反応で開口部を修復することによる内包フラーレンの有機合成法を確立させた。得られた水素内包C60は、空のC60に極めて類似したUV-Vis, IR, NMRスペクトルを与えた。この結果、内包された水素分子と外側のフラーレン骨格との相互作用は極めて小さいものであることが明らかとなった。さらに、電気化学測定により、水素内包C60は、4段階までの還元と一段階の酸化を受け、その電位は空のC60とほぼ同一であることも分かった。一方、内包された水素分子の1H NMRの化学シフトは外側のフラーレン骨格の構造変化を鋭敏に反映し、極めて高磁場にシグナルを与えるため、フラーレン骨格の電子状態のよいプローブとして利用可能であることを初めて示した。フラーレンC70はC60よりも大きな内部空間をもつために、2個の小分子の内包が可能であると期待されている。そこで本研究では水素分子を内包したC70の合成を行った。すなわち、C70とピリダジン誘導体との熱反応により、8員環開口部をもつ誘導体を合成し、光化学的な酸化反応により開口部を12員環へと拡大し、さらに硫黄原子を開口部に挿入することによって13員環の開口部をもつC70誘導体を合成した。この誘導体の構造はX線結晶構造解析により決定され、開口部の大きさが先に報告した開口C60誘導体のものとほぼ同程度であることが確認された。また、理論計算により水素分子の挿入に必要なエネルギーを見積もり、開口部の大きさを評価した。次に13員環開口体に高圧の水素ガスを作用させたところ、水素分子1個が内包されたもの(収率97%)に加えて、2個の水素分子が内包されたもの(収率3%)が生成していることが、NMR測定により明らかとなった。内包された水素分子は可逆的に取り出すことも可能である。一方、2個内包体の温度可変NMR測定を行ったところ、内包された2個の水素分子は室温では互いの位置の交換が速いものの、低温ではその速度が減少し、NMRの時間尺度で止まることが明らかとなった。最後に水素分子を内包したままでの開口部の修復を4段階の有機化学反応により行った。その結果、水素分子1個を内包したC70、ならびに2個の水素分子を内包したC70をそれぞれ単離することに成功した。H2@C70のNMR, IR測定の結果、内包水素分子と外側のC70骨格の間には弱い相互作用があることが明らかとなった。