hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
共進化ダイナミクスに基づく自律ロボット設計原理

生物進化を模したアルゴリズムに基づく進化的計算の分野は,最近めざましい成果をあげつつある.しかし,実用に成功してきた進化的計算のアルゴリズムの多くは,固定的な適応度関数を用いる遺伝的アルゴリズムに代表されるような,いわば,静的な適応度地形における山登りに相当するものであった.しかし,生物の進化はそのように単純なものではなく,集団を構成する各個体の適応度は,同集団中の個体,あるいは異集団の個体との相互作用に依存し,さらに,個体のレベルにおいても,形質間の動的な相互作用の影響は無視できない場合が多いと考えられる.そこで,このような(広義の)「共進化」現象の解明,及び応用を目的として,次の3つの互いに依存し合うアプローチを並行して進めた.まず,第一に,様々な現象において存在する共進化のメカニズムを概念レベルで統一的に理解するために,共進化に関わる3つの最小モデルの作成,及び挙動の観察,解析を行い,創発的計算パラダイムに基づいた方法論で共進化ダイナミクスを検討した.第二に,共進化のフレームワークを自律ロボットの設計手法として応用するための知見を得るために,特に,ロボットの構造と行動の共進化,及びロボット行動における捕食者と被食者の共進化に焦点をあてて検討した.第三に,共進化を志向した群ロボットにおける社会的知能の創発のメカニズムを検討するために,群知能としての計算知能の創発,ロボットにおける感情,認知の多様性と適応性というテーマに関して検討した.このようにして,共進化現象の統一的な理解のための数学的な知見を得るとともに,共進化のメカニズムを多面的に応用して自律的ロボットを設計するための原理,及び,方法論に関する知見を得ることができた。本研究では,第一に,新しいロボットの設計手法として,生物の発生と進化のメカニズムを応用した,ロボットの構造と行動の共進化モデルを構築した.基本的なシミュレーション実験により,各種センサを使い分ける多様なロボットが自動設計可能であることが確認された.さらに,同モデルをマルチエージェント環境に拡張した。2台のロボットによる協調作業を前提としたタスクを設定し,提案モデルに基づくシミュレーション実験を行った結果,センサ等の選択や使用法の違いによる役割分担が創発した.ロボット集団の多様性を適度に保つことが効率的な進化を実現することも示された.第二に,競合型共進化遺伝的アルゴリズムによって追跡ロボットと逃走ロボットの両者の行動を進化さぜる追跡逃走行動獲得問題を対象とし,逃走ロボットの進化が追跡ロボットの進化に比べて速すぎる場合に,逃走ロボット集団の多様性を抑制することにより,追跡ロボットの進化を促進する手法を提案した.シミュレーション実験により,特に進化の初期状態において,逃走ロボット側この自動的な進化速度の調整機能が働いて追跡ロボットの効率的な進化が促進されることが示された.第三に,群ロボットの構成手法を検討するために,蟻のフェロモンと探索経路の共進化の観点からAnt Colony Optimization(ACO)手法を解析した.フェロモンの多様性は直接、巡回路の多様性に反映するのに対して、巡回路の多様化によって調節された多様性は巡回路長の評価に応じてフェロモンの多様性への影響が自動的に制限されるため、多様性の調節がより効果的に働く可能性が高いという基本本方針から、巡回路の多様性を調節するための操作であるランダム選択手法の導入を検討した。その結果、多様性を調節することにより良解を安定して生成し,最適解からの誤差が導入前の1020%程度になることが示された.

生物進化を模したアルゴリズムに基づく進化的計算の分野は,最近めざましい成果をあげつつあるが,基本的に,静的な適応度地形における山登りに相当するような静的な適応度地形を想定したものであった.本研究では,集団を構成する各個体の適応度は,同集団中の個体,あるいは異集団の個体との相互作用に依存し,さらに,個体のレベルにおいても,形質間の動的な相互作用の影響が無視できないような,(広義の)「共進化」現象の解明,及び応用を目的として,次の3点の方向から構成的アプローチに基づいて研究を進めた.まず,様々な現象において存在する共進化のメカニズムを概念レベルで統一的に理解するために,創発的計算パラダイムに基づいた方法論で共進化ダイナミクスを検討した.また,共進化のフレームワークを自律ロボットの設計手法として応用するための知見を得るために,特に,ロボットの構造と行動の共進化,及びロボット行動における捕食者と被食者の共進化に焦点をあてて検討した.さらに,共進化を志向した群ロボットにおける社会的知能の創発のメカニズムを検討するために,群知能としての計算知能の創発,ロボットにおける感情,認知の多様性と適応性というテーマに関して検討した.このようにして,共進化現象の統一的な理解のための数学的な知見を得るとともに,共進化のメカニズムを多面的に応用して自律的ロボットを設計するための原理,及び,方法論に関する知見を得ることができた.
エクセントリック運動による筋損傷発生機構の解明に向けての動物実験モデルの開発

筋が張力を発揮している状態で引き伸ばされる筋運動に伴って生じる筋損傷の発生きこうを検討するための動物実験のモデルを考案し、その装置を完成させた。このシステムはラットを被験動物としており、一方の前脛骨筋に筋損傷を生じさせるモデルである。ネンブタールを用いた全身麻酔下で、左右どちらか一方の前脛骨筋の両端にワイヤー電極を装着し、電気刺激装置に接続する。電気刺激により筋硬直を生じさせ、足関節を背窟させる。この状態にある足関節をあらかじめ足部に装着したレバ-により底窟位まで強制的に伸展させるシステムである。足関節を低窟させるスピードや範囲はコントロールできるようになっている。また、その回数やセット数などの条件も設定できる。さらに、背窟力を測定できるようになっており、運動前後での筋収縮力の変化をモニターできるように工夫した。このシステムを完成させるのに時間がかかってしまったので、このシステムを用いてのデータ収集は終えていない。現在、伸展させる速度や範囲の条件を変えて、組織学的に見られ筋損傷の程度との関係について検討している。また、このシステムにより同一固体に定期的に筋損傷を与えることができることが確認できたので、看護損後の回復過程や、損傷後さらにまた損傷を加えた場合の筋組織の変化などを明らかにしていけるものと思われる。最近、筋が張力発揮下で強制的に伸展されるいわゆるエクセントリック運動のトレーニング効果が注目されているが、本研究によって完成された実験モデルは、今後の研究に非常に有用であると思われる・早期に実験データをまとめて発表いきたいと考えている。
日本所蔵資料に基づく近代北京語の研究

中華人民共和国の樹立後に制定された標準語は、北京方言を基礎としたものであるため、学界では長らく北京語=標準語という意識が存在し、北京語の方言的独自性を析出しようとする意識に乏しかった。しかし、実際の北京語は標準語と異なる点が数多く観察され、特に清代後期から中華民国期に至るまでの北京語(近代北京語)は、標準語に継承されていない多くの独特な要素を有している。本研究の目的は、日本に所蔵される北京語の資料、たとえば小説、民間芸能、満(蒙)漢対訳文献、中国語教科書等を活用し、近代北京語の音声、語彙及び文法についてその機能や特徴、変化の過程や原因等を解明することである。平成29年度の課題は、これまで収集してきた近代北京語資料に対する整理と分析を行い、そこから得られた知見を国内外の学会における研究発表及び研究論文の形で公表することであった。研究分担者は、近年発見された明治期の中国語教科書である深澤暹『北京官話全編』の副詞についての分析を公表したほか、北京大学蔵の戯曲作品『玉霜移蔵曲・十全福』の解題及びその言語的特徴に関する論文を執筆するなど、活発な研究活動を行った。特に、清中後期から中華民国期までにおける北京語の音韻変化を扱った論文が、国際的な中国語学会において若手研究者賞の最終候補になったのは特筆すべき成果と言える。また、研究代表者と研究分担者の間で進めている清代満漢対訳文献に関する共同研究では、清代に流行した満洲語教科書の一つである『清語易言』、及び旧約聖書の満漢対訳版である『古新聖経』について、現存諸版本を校合し、満洲語のローマ字転写と逐語訳を含む校注テキストを作成した。29年度が最終年度であるため、記入しない。しかし、実際の北京語には標準語と異なる点が数多く観察され、特に清代後期から中華民国期に至るまでの北京語(近代北京語)は、標準語には継承されていない多くの独特な要素を有している。本研究の目的は、日本に所蔵される北京語の資料、例えば小説、民間芸能、満(蒙)漢対訳文献、中国語教科書等を活用し、近代北京語の音声、語彙及び文法について、その機能や特徴、変化の過程や原因等を解明することである。日本には一次資料が豊富に現存することに加え、外交上の必要性から編纂された中国語教科書類があり、さらに清末の小説についてもいち早く翻訳や注釈が作られるなど、他国に比べて有利な条件があるためである。本年度は、本研究に関係する先行研究を把握するととともに、日本に所蔵される近代北京語資料についての予備的調査を行った。調査・収集の対象となる資料は、清代後期から中華民国期までの北京口語を反映する小説、漫才、講談、辞書、戯曲、録音資料、満(蒙)漢合璧文献、諸外国の中国語教科書(明治・大正期の中国語教科書、朝鮮半島で使用された中国語教科書)等である。調査は『清代民国漢語文献目録』(学古房、2011年)を手引きとして行い、実見した文献については書誌的な記述を残した。また、研究代表者と研究分担者で清代の満漢対訳文献についての共同研究をスタートさせ、代表者が満洲語の側から、分担者が中国語の側から分析を進めている。年度後半からのスタートであったものの、来日前の準備を入念に行っていたことが奏功して、近代北京語に関する先行研究の把握という面では概ね遺憾なく行えたと思う。ただし、実見による資料調査は、時間の制約もあって関西地区の所蔵機関が中心とならざるを得なかった。平成28年度の課題は、昨年度に引き続き先行研究の把握と、日本に所蔵される近代北京語資料の調査・収集に努めることと共に、それらの資料に対する整理と分析を行うことであった。また、日本所蔵の近代北京語資料が世界の中でどのように位置づけられるのかという問題を解明するため、他の国に所蔵される近代北京語資料との比較にも目を向けた。研究分担者は、本年度明治時代の中国語教科書である福島安正『四声聯珠』についての整理と注釈を完成させ、中国での出版に漕ぎ着けたほか、清代後期から使われ始めた副詞の「挺」について、文献に登場した時期を確定させるともに、その文法化の原因を分析した論文を執筆した。

また、研究代表者と研究分担者の間で進めている日本所蔵の清代満漢対訳文献に関する共同研究の成果として、満洲語の助詞dabalaと中国語の文末助詞「罷了/罷列」の相互関係を分析した論文を執筆するとともに、満洲語と中国語が混在する形を持つ説唱文学の作品である子弟書『Katuri Jetere』について、現存諸版本を校合し、満洲語のローマ字転写と翻訳を含む校注テキストを作成した。研究分担者は、日本に所蔵される北京語の資料を活用して、近代北京語の音声、語彙及び文法を分析した論考を発表するとともに、研究代表者との間で進めている共同研究においても、独自性の高い成果を上げているため。中華人民共和国の樹立後に制定された標準語は、北京方言を基礎としたものであるため、学界では長らく北京語=標準語という意識が存在し、北京語の方言的独自性を析出しようとする意識に乏しかった。しかし、実際の北京語は標準語と異なる点が数多く観察され、特に清代後期から中華民国期に至るまでの北京語(近代北京語)は、標準語に継承されていない多くの独特な要素を有している。本研究の目的は、日本に所蔵される北京語の資料、たとえば小説、民間芸能、満(蒙)漢対訳文献、中国語教科書等を活用し、近代北京語の音声、語彙及び文法についてその機能や特徴、変化の過程や原因等を解明することである。平成29年度の課題は、これまで収集してきた近代北京語資料に対する整理と分析を行い、そこから得られた知見を国内外の学会における研究発表及び研究論文の形で公表することであった。研究分担者は、近年発見された明治期の中国語教科書である深澤暹『北京官話全編』の副詞についての分析を公表したほか、北京大学蔵の戯曲作品『玉霜移蔵曲・十全福』の解題及びその言語的特徴に関する論文を執筆するなど、活発な研究活動を行った。特に、清中後期から中華民国期までにおける北京語の音韻変化を扱った論文が、国際的な中国語学会において若手研究者賞の最終候補になったのは特筆すべき成果と言える。また、研究代表者と研究分担者の間で進めている清代満漢対訳文献に関する共同研究では、清代に流行した満洲語教科書の一つである『清語易言』、及び旧約聖書の満漢対訳版である『古新聖経』について、現存諸版本を校合し、満洲語のローマ字転写と逐語訳を含む校注テキストを作成した。本年度からはある程度時間の余裕をもって調査を行うことが可能になるため、関西地区以外の所蔵機関にも積極的に赴いて、引き続き日本所蔵の近代北京語資料の実見調査に努めるとともに、それらに対する整理と分析に重点を置く。引き続き、日本に所蔵される北京語の資料を使用して、近代北京語における特殊性の背景と原因、通時的変化の過程及びその規則性等についての分析を行う。また、研究代表者との間で進めている日本所蔵の清代満漢対訳文献に関する共同研究においても、成果を共著の形でまとめていく。29年度が最終年度であるため、記入しない。
認知症を予防する新たな遠隔医療・医師-患者間プログラム『i-CAN』の開発と応用

認知症の予防と早期発見、進行鈍化は、超高齢社会を迎えたわが国の重要課題である。しかし、認知症予防に対し薬物療法の効果は立証されておらず、生活習慣の改善や認知機能トレーニングなど非薬物療法の有効性に関する検証が求められている(Boltz et al. 2016)。申請者は、既に認知機能評価・トレーニング用アプリケーション、User Experience-Trail Making Test: UX-TMTを開発(小久保ら、2015)、現在臨床応用を進めている(Kokubo et al. 2018)。本研究では認知症を予防する新たな遠隔医療・医師ー患者間プログラム『i-CAN』の開発と応用を進めている。本研究の目的は、(1)認知症を予防する新たな遠隔医療・医師-患者間プログラム『i-CAN』の開発、(2)パイロット試験の実施:『i-CAN』実施可能性の検討と運用ガイドライン策定、(3)無作為化比較試験の実施:『i-CAN』の有効性の検討の3点である。平成30年度の研究では、29年度に開発を進めていた認知症予防プログラムとアプリケーションについて、患者と家族、認知症医療従事者らのユーザー体験を参考に機能の選択と統合を行った。特に、新たに取り組んだi-CANアプリケーション服薬支援機能の実装や、MCI患者を対象とした不安とうつの認知行動療法プログラムの検討では、i-CANプログラムの実施可能性を確認出来た。また、i-CANプログラムとアプリケーションが、認知症予防に限らず発達研究や介入効果研究等、幅広い目的に活用出来、応用可能性が高いことが示唆された。今年度は、プログラムのコンセプトを引き継ぎつつ、開発を行っているシステムを一新し、ユーザー・エクスペリエンス(ユーザー体験)をベースに課題の改善と計画の見直しを行った。現在までの進捗状況は概ね以下の通りである。(1)各機能の統合:アプリケーションに服薬支援機能を新たに実装し、医療機関受診と服薬、認知機能トレーニングの履歴と予定が同時に閲覧出来るよう機能を統合し、基本的な完成度は大きく向上した。(2)使用感調査と開発へのフィードバック:ユーザーおよび専門家として患者、家族、神経心理学者ならびに認知症専門医等に聞き取りを行い、多くの示唆に富む意見や好意的な感想を得た。そのため、結果をアプリケーション開発にフィードバックし、優先すべき課題の選択と集中へ活用した。(3)実施可能性と有効性の向上:アプリケーションを医療従事者用と患者・家族用で独立させたことにより、実用化に向けて大きな進展となった。また、多様なユーザーを想定して認知機能トレーニングゲームのバリエーションを増やし、認知機能の側面から想定するアプリケーションユーザー層を広げた。(4)認知症予防のための認知行動療法プログラム:高齢者の不安とうつに対する認知行動療法プログラムを応用したMCI患者向けのプログラム試案を作成し、運用と検討を行ったところ、結果は概ね良好であった。(5)プロジェクト・マネージメント:研究開発のプロセスにおいて生じる様々な事象、特に計画の修正を要する事案について、定期的に進捗管理を行い、計画の見直しと実行によってプロジェクト全体の質を確保した。今年度は、研究体制の見直しと再構築を行い、再度プログラム内容を検証し、基本プログラムの完成を目指す。特に、i-CANアプリケーションとi-CAN認知症予防プログラムが適切に運用出来るよう、随時協力依頼を行い、研究の安全かつ円滑な遂行と深度ある開発の推進を図る。また、今年度も得られた研究成果をタイムリーに学術誌や学会等で発表する予定である。一方、昨年度の使用感調査から、i-CANアプリケーションについては認知症予防に限らず、他の用途への応用に期待が高いことが分かった。また、ICT機器の性能向上はめざましく、最近ではモバイル技術を活用した新しいデータに関心が高まっている(Koo BM et al. 2019)。そのため、今年度の実施にあたっては新たな機器を導入し、ユーザーの負担軽減を図ると同時に開発しているアプリケーションとプログラムの精度向上を図る予定である。本研究の参加者は、非臨床(健常成人、HC)群29名、パーキンソン病患者(PD)群28名、軽度認知障害と認知症患者(MCI&D)群27名の計84名であった。本研究では、全参加者(n=84)の97.6%がUX-TMT認知症スクリーニング検査の課題すべてを遂行でき、解析対象とした81名の検査平均所要時間はHC群428.8(±109.1)秒、PD群542.0(±168.7)秒、MCI&D群777.5(±256.1)秒であった。MCI&D群は、HC群と比較して有意に認知機能検査得点が低く、UX-TMT検査所要時間が長かった。UX-TMT認知症スクリーニング検査得点についてMCI&D群とHC群を対象にROC解析を行った結果(n=53)、カットオフ得点=21で高い感度(.83)と特異度(.92)を示し、得点に年齢を加えると感度(.96)と特異度(.92)はより高くなった(Figure 1)。さらに、UX-TMT認知症スクリーニング検査はMMSE-Jと高い相関(r = .77)を示し、クロンバックのα係数(.71-.83)は中程度の内的一貫性を示した。また、認知機能トレーニング課題を拡充し、認知機能や身体機能に併せた難易度設定を行った。同時に、認知症を予防するための新たな遠隔医療・ヘルスケアプログラムを補助するための、タブレット内蔵カメラを利用した非接触バイタルセンシング技術の開発と実装を行った。

H29年度の研究において、UX-TMT認知症スクリーニング検査は、疾患のある高齢者でも従来検査と同等の短い時間と被検者自身による簡単な操作によって遂行可能であった。また、従来検査法と同等に判別性能も高く、日本人対象の認知症スクリーニング検査として高い有用性と信頼性、妥当性を示した。H29年度の研究では、被験者間の年齢マッチング等いくつかの課題が明確になったものの、今後の疫学・臨床研究において主たる、或いは補助的検査として有用なツールとなることが期待される。また、筆者らはH29年度中に認知機能トレーニング機能と非接触バイタルセンシング機能の開発にも着手し、現在有効性の検討と改良を行っている。このため、本研究課題の現在までの進捗状況としては、概ね順調に進捗していると言える。認知症の予防と早期発見、進行鈍化は、超高齢社会を迎えたわが国の重要課題である。しかし、認知症予防に対し薬物療法の効果は立証されておらず、生活習慣の改善や認知機能トレーニングなど非薬物療法の有効性に関する検証が求められている(Boltz et al. 2016)。申請者は、既に認知機能評価・トレーニング用アプリケーション、User Experience-Trail Making Test: UX-TMTを開発(小久保ら、2015)、現在臨床応用を進めている(Kokubo et al. 2018)。本研究では認知症を予防する新たな遠隔医療・医師ー患者間プログラム『i-CAN』の開発と応用を進めている。本研究の目的は、(1)認知症を予防する新たな遠隔医療・医師-患者間プログラム『i-CAN』の開発、(2)パイロット試験の実施:『i-CAN』実施可能性の検討と運用ガイドライン策定、(3)無作為化比較試験の実施:『i-CAN』の有効性の検討の3点である。平成30年度の研究では、29年度に開発を進めていた認知症予防プログラムとアプリケーションについて、患者と家族、認知症医療従事者らのユーザー体験を参考に機能の選択と統合を行った。特に、新たに取り組んだi-CANアプリケーション服薬支援機能の実装や、MCI患者を対象とした不安とうつの認知行動療法プログラムの検討では、i-CANプログラムの実施可能性を確認出来た。また、i-CANプログラムとアプリケーションが、認知症予防に限らず発達研究や介入効果研究等、幅広い目的に活用出来、応用可能性が高いことが示唆された。今年度は、プログラムのコンセプトを引き継ぎつつ、開発を行っているシステムを一新し、ユーザー・エクスペリエンス(ユーザー体験)をベースに課題の改善と計画の見直しを行った。現在までの進捗状況は概ね以下の通りである。(1)各機能の統合:アプリケーションに服薬支援機能を新たに実装し、医療機関受診と服薬、認知機能トレーニングの履歴と予定が同時に閲覧出来るよう機能を統合し、基本的な完成度は大きく向上した。(2)使用感調査と開発へのフィードバック:ユーザーおよび専門家として患者、家族、神経心理学者ならびに認知症専門医等に聞き取りを行い、多くの示唆に富む意見や好意的な感想を得た。そのため、結果をアプリケーション開発にフィードバックし、優先すべき課題の選択と集中へ活用した。(3)実施可能性と有効性の向上:
Flow Cytometryを用いたDNA損傷の新しい評価法の開発

1.ラット分離肝細胞をコラゲナーゼ潅流法によって採取し,lysis buffer処理によりDANをnuclecoidの状態で抽出し,種々の濃度のethidium bromide(EB)を加えた際のnucleoidの大きさの変化をFlow cytometryによる前方散乱光の変化で測定したところ以下の結果を得た。1)分離肝細胞採取の過程により生ずると思われるDNAの損傷により,lysis buffer処理後に多くのDNA断片がみられた。2)EB蛍光強度によりgatingを行い,debrisを除いた状態でnucleoidの前方散乱光の変化をみるとEBの濃度の上昇とともに一旦増大し,さらに濃度を上げると縮小するという予想された変化を示した。3)しかし,in vivoの実験系では,上記の肝細胞分離過程における肝細胞DNA障害を無視できないため,培養細胞系を用いて,本法の妥当性を評価することにした。2.ヒト肝癌細胞株Hep G2を用いて,障害機序として温熱処理およびThioacetamide(TAA)処理を行った後,温熱処理の場合は直後に,TAA処理の場合は24時間後に本法を用いてDNA損傷の評価を行い,以下の結果を得た。1)温熱処理では,温度および時間依存性にnucleoidの縮小化は妨げられた。すなわち,nick translationによるDNA損傷度の評価と同様の傾向が本法でも測定し得た。2)TAA処理では比較的低濃度の10mMではnucleoidの縮小化は妨げられたものの,高濃度の50mM,100mMでは逆にnucleoidは対照群より縮小し,濃度依存性の変化を得えることはできなかった。3.以上から,本法のDNA損傷度の評価をin vivo実験系に適用するには,その検体処理にさらなる工夫を要することが判明した。また,本法は癌細胞の温熱療法後のDNA損傷度の評価に有用であり,治療効果あるいは治療感受性の評価に応用できる可能性が示唆された。
植物抵抗性遺伝子の多様化機構の解明と進化工学的応用

前年度より引き続いて、植物抵抗性遺伝子Pibを出発点としたロイシンリッチリピートの反復単位を利用したシャッフリングライブラリーの質の向上に努めた。反復単位を重合化させる過程で少数のユニットしか重合しないものが含まれてくるのを防ぐために、ゲル回収方法やライゲーション・PCR反応時に添加するヌクレオチド濃度等の検討を行った。その結果、平均1kb、約10反復単位が重合したライブラリーが得られた。得られたライブラリーを用いて、イネいもち病菌の病原性に関わるハイドロフォービン遺伝子MPG1とイネ萎縮病ウイルスの外被タンパク構成成分である第8分節の二つの遺伝子断片をベイトとし、バクテリアTwo-Hybridシステムを用いて相互作用する遺伝子配列の選抜を行った。その結果、MPG1と相互作用する二つのクローンが見出された。このクローンの塩基配列を明らかにしたところ、同じ配列であることが明らかとなり、再現性が示された結果となった。しかしながら、得られたクローンが選択培地上で生育する速度は、バクテリアTwo-Hybridシステムにおいて添付されているポジティブコントロール遺伝子配列(酵母のGalタンパク質系を大腸菌用に適合化させたもの)と比較して非常に遅いものであった。このことは、選抜されてきたタンパク質がMPG1に対して結合力が弱いことを示唆するものであった。現在は、より強い結合力を持っ遺伝子配列を得るために、選抜されてきた遺伝子配列をもとにしてError-prone PCRを行い新たな選抜を試みている。植物抵抗性遺伝子はタンパク質相互作用の機能を持つと考えられるロイシンリッチリピート(LRR)領域を介して病原体を感知しているものと考えられている。本研究課題は、既に当研究室において単離されたイネいもち病抵抗性遺伝子Pibを出発点とし、LRR領域を進化工学的に改変して新たな病原体を認識できる植物抵抗性遺伝子の作出を試みるものである。まず、LRR領域を進化工学的に改変させる手法の確立を試みた。LRR領域の反復単位であるロイシン残基を境界として区切り、各ユニットを個別に増幅できるプライマーを設計してPCR増幅した。また、5'側と3'側のプライマーには突出末端が共通であるが認識配列が異なる制限酵素認識配列を追加した。制限酵素処理したPCR断片をゲル回収することにより、リピート単位であるロイシン残基部分が"のりしろ"となった遺伝子断片を得た。この遺伝子断片を混合してライゲーション反応する際に制限酵素を同時処理することで、遺伝子の方向性が保たれた状態で任意の組み合わせでユニット単位が結合することが期待される。この過程において得られた「ユニットシャッフル」クローンをランダムにシークエンスした結果、各ユニットがランダムに取り込まれた新規塩基配列が作られていることが確認された。続いて、ターゲットとなる植物病原体由来タンパク質の決定とその遺伝子コンストラクトの作製を行った。これまでに植物に抵抗性反応を誘導するエリシター活性が報告されておらず、しかし病原力を発揮するためには必須なタンパク質を認識できればより持続性のある植物抵抗性遺伝子として利用可能と考えられた。今回はイネ萎縮ウイルスの構成タンパク質とイネいもち病菌のハイドロフォービン遺伝子を選択した。これら遺伝子をバクテリアTwo-Hybridシステム用のベイト用プラスミドに読み枠を保持したままクローニングした。
地域の自然環境理解に基づく大気・熱環境学習プログラムの開発

身近な地域の大気中二酸化炭素濃度と環境放射線を測定対象として,学校現場での使用に適した簡易測定器を検討・選定した.簡易測定器を用いて定点連続測定や移動測定を行って得たデータを用いて解析や可視化を行うとともに,得られたデータや解析結果をデータベース化した.また,選定した簡易測定器を用いて身近な環境測定を行う活動を取り入れた学習プログラムを開発し,それらの紹介を教員研修会等で行った.越境大気汚染や都市の温暖化なども含めて,大気・熱環境に関する学習用の素材・教材を提供するためのウェブサイトを作成した.地域の大気・熱環境を対象として,学校現場で児童生徒や教諭が実際に身近な地域の自然環境の定点観測や調査を行い,その結果および気象・大気などに関する外部機関のデータをもとに,理科学習を活用して取り組むエネルギー環境学習パッケージを開発することを最終目的として,今年度については以下の研究を実施した.昨年度選定した簡易測定器を用いて大気中二酸化炭素濃度の連続測定を行った.解析に利用可能なデータがおよそ1年分蓄積された.簡易測定器を用いた測定でも大気中二酸化炭素濃度の季節変化を捉えることができることを確認した.身近な環境放射線の基礎資料収集のために,簡易測定器(GM管式とシンチレーション式)を用いた連続測定システムを構築し,データアーカイブを開始した.特徴的な放射線環境についての資料・教材作成のために航空機内や船内における空間線量率データを収集した.サポート終了となるため,今後はWindowsXP搭載パソコンが廃棄されたり利用されなくなったりすると思われる.これを有効活用して学校現場の教諭が簡易測定器による安定した環境放射線連続測定システムを構築することができるように手順書を作成した.身近な大気の情報(大気の濁り・視程,霧や雲,火山活動など)を得るために展開している映像観測網のなかで,WindowsXP搭載パソコンを用いたオンラインシステムについてはシステムの更新を行い,連続性のあるデータが取得できるようにした.温暖化に関する教材・資料作成のために,これまで蓄積してきた映像観測画像に写っている樹木の様子と熊本地方気象台で観測されているサクラやイチョウの観測結果を照らし合わせ,撮影画像は植物季節観測画像資料として利用可能であることを確認した.作成した画像資料およびデジタルカメラやパソコン+USBカメラを用いた連続自動映像観測システムの構築方法を小学校の教員研修会で紹介した.身近な地域の大気中二酸化炭素濃度と環境放射線を測定対象として,学校現場での使用に適した簡易測定器を検討・選定した.簡易測定器を用いて定点連続測定や移動測定を行って得たデータを用いて解析や可視化を行うとともに,得られたデータや解析結果をデータベース化した.また,選定した簡易測定器を用いて身近な環境測定を行う活動を取り入れた学習プログラムを開発し,それらの紹介を教員研修会等で行った.越境大気汚染や都市の温暖化なども含めて,大気・熱環境に関する学習用の素材・教材を提供するためのウェブサイトを作成した.地域の大気・熱環境を対象として,学校現場で子どもたちや教諭が実際に地域の自然環境の定点観測や調査を行い,その結果および気象・大気などに関する外部機関のデータをもとに,理科学習を活用して取り組むエネルギー環境学習パッケージを開発することを最終目的として,今年度については以下の研究成果が得られた.大気中二酸化炭素濃度の連続測定および可搬測定を行うために使用可能な簡易型の二酸化炭素濃度測定機器の選定を行った.選定した機器を用いて連続測定を行い,データアーカイブを開始した.簡易型の測定器による測定でも二酸化炭素濃度の日変化が明瞭に捉えられることを確認した.また,移動測定を行い,学校現場における環境学習に適した測定ポイントを検討した.環境放射線に関する教材・学習プログラム開発のための基礎研究として,熊本県内各地においてγ線の線量率を測定してマップを作成し,空間線量率と地質との関連性を検討した.また,児童・生徒による測定を行う際は多数の測定器が必要となることから,安価な放射線測定器を用いた測定を複数機種について実施し,学校現場での使用に適した機種を選定して,その機種を用いた児童・生徒実験・測定方法を検討した.越境大気汚染に関する教材開発のための基礎研究として,秋に発生した黄砂現象を解析した.春に黄砂が飛来することは広く知られているが,春以外の季節でも黄砂が飛来することを示す実例として意味がある.衛星データを用いて黄砂を可視化した時系列画像および動画から黄砂の発生・輸送過程を明らかにした.教材化のために解析結果や関連データ・資料等のデータベースを作成した.小・中学校の教員研修会において大気・熱環境に関する教材や二酸化炭素測定器,放射線測定器の使い方などを紹介した.越境大気汚染に関する教材を用いて中学校で授業実践を行い,生徒アンケートや教諭の意見を参考にして教材の改良を行った.地域の大気・熱環境を対象として,児童生徒や教諭が実際に身近な地域の自然環境の定点観測や調査を行ったり,気象・大気などに関する外部機関による身近な地域のデータを用いたりしてエネルギー環境学習を行うための学習プログラムを開発することを目的として,以下の研究を実施した.昨年度までに機種選定を行い,連続測定を行っている大気中二酸化炭素濃度の解析より,簡易測定器でも日変化や季節変化を明瞭に捉えられることがわかり,データの有用性が確認できたため,二酸化炭素濃度データベースを作成してデータ更新中である.環境放射線の簡易測定器を用いて,連続測定を行っているデータを検討した結果,モニタリングポストデータでは明瞭に表れている降雨の影響が,本研究の使用機器,測定環境,測定方法ではほとんど捉えられないことが明らかとなった.

簡易測定器を用いた環境放射線走行サーベイシステムを構築し,得られたデータを地形図や地質図上にマッピングする方法を確立した.春の熊本市におけるPM2.5高濃度事象の汚染タイプと輸送パターンを,大気環境測定局のPM2.5濃度データ,地上天気図,ライダー観測結果,モデルによる硫酸塩エアロゾル分布画像,後方流跡線解析により調べたところ,越境大気汚染の影響が大きいことがわかった.教材化に適した顕著な事象はなかったため,今後も事例解析を続ける必要がある.身近な空の様子(霧や雲,大気の濁り・視程,火山活動など)を得るために展開している映像観測網によって得られた画像データベースを学校現場で利用しやすくするために,関連する気象データや情報,火山に関する情報へのリンクも含めたホームページを作成した.温暖化や大気環境に関する学習プログラム用の教材や資料,それらを用いた授業実践例などを教員研修会や免許更新講習等で紹介し,改善のための意見聴取を行った.また,簡易測定器の貸出についての案内も行った.理科教育,環境科学平成25年度の研究計画にしたがって研究を実施し,実績概要欄に記載した成果が得られた.記載事項以外についても情報収集・データベース化が進んでいる.平成24年度の研究計画にしたがって研究を実施し,研究実績の概要欄に記載した成果が得られた.また,記載事項以外についても情報収集や予備的な検討が進んでいる.大気・熱環境に関する基礎研究・データ収集および教材化を継続して実施する.大気中二酸化炭素濃度および環境放射線の連続測定を継続するとともに,自動車等を使用して広域の環境放射線移動測定を実施し,身近な大気環境に関する基礎情報を充実させる.加えて,近年特に注目されている微小粒子状物質の高濃度現象について解析して教材化を行うことにより,大気環境に関する教材を充実させる.これまでに作成した教材や資料,データベースを整理し,これらを有効活用したエネルギー環境学習パッケージとする.開発した教材や観測システム等を教員研修会等で紹介したり試用してもらったりして現場教員の声を取り入れた改良を行う.また,準備が整ったものから学校現場への機材貸し出しを開始する.本研究によって収集したデータ・素材や教材などをデータベースへ追加したり,ホームページの更新を随時行っていく.大気・熱環境に関する基礎研究・データ収集および教材化を継続して実施する.理科学習との関連を検討しながら,エネルギー環境学習パッケージを作成する.
後期更新世における動植物相の変遷と旧石器文化の関係解明のための学際的研究

1.北海道から発見されているマンモスゾウ10点のうち,年代が測定されていない7点についてAMS法による放射性炭素年代測定を行った.その結果,マンモスゾウの生息年代は,約4.51.6万年であることを明確にした.また,北海道においては約3万年前にナウマンゾウが生息していたことから,2つの動物群の入替りが起こっていることを明らかにした.2.従来おもに石狩低地帯の花粉分析結果から北海道の植生変遷史がまとめられていたが,これに補足するデータを追加し,サハリンと北海道の後期更新世の植生変遷史をまとめた.その結果,マンモスゾウが生息していることには草原が広がり,ナウマンゾウが生息していたころには落葉広葉樹林が広がっていたことがさらに明確になった.3.北海道から発見されている旧石器遺跡をこれまでの石器製作技術論のみから個々の遺跡を記載する方法ではなく,地球科学的手法を用いて再検討した.その結果,不定形剥片石器,細石刃石器群とSpfa-1火山灰(約4.5-4.0万年前)やEn-a火山灰(約2.2-1.9万年前)との層位関係が明らかになった.4.以上のことを総合し,環境変遷と旧石器遺跡との対応関係を元に多様な石器群の形態解析と行い,自然と人類の相互作用を具体的な例証に基づいてまとめた.すなわち,約2.2-2万年前の不定形剥片石器,細石刃石器群は寒冷な気候下,広がった草原にマンモスゾウが生息するような環境で作られた.一方,約3万年前と考えられる小型剥片は温暖あるいは冷涼な気候下,落葉広葉樹の森にナウマンゾウが生息するような環境で作られた.以上のことをまとめて国際誌で報告した.1.北海道から発見されているマンモスゾウ10点のうち,年代が測定されていない7点についてAMS法による放射性炭素年代測定を行った.その結果,マンモスゾウの生息年代は,約4.51.6万年であることを明確にした.また,北海道においては約3万年前にナウマンゾウが生息していたことから,2つの動物群の入替りが起こっていることを明らかにした.2.従来おもに石狩低地帯の花粉分析結果から北海道の植生変遷史がまとめられていたが,これに補足するデータを追加し,サハリンと北海道の後期更新世の植生変遷史をまとめた.その結果,マンモスゾウが生息していることには草原が広がり,ナウマンゾウが生息していたころには落葉広葉樹林が広がっていたことがさらに明確になった.3.北海道から発見されている旧石器遺跡をこれまでの石器製作技術論のみから個々の遺跡を記載する方法ではなく,地球科学的手法を用いて再検討した.その結果,不定形剥片石器,細石刃石器群とSpfa-1火山灰(約4.5-4.0万年前)やEn-a火山灰(約2.2-1.9万年前)との層位関係が明らかになった.4.以上のことを総合し,環境変遷と旧石器遺跡との対応関係を元に多様な石器群の形態解析と行い,自然と人類の相互作用を具体的な例証に基づいてまとめた.すなわち,約2.2-2万年前の不定形剥片石器,細石刃石器群は寒冷な気候下,広がった草原にマンモスゾウが生息するような環境で作られた.一方,約3万年前と考えられる小型剥片は温暖あるいは冷涼な気候下,落葉広葉樹の森にナウマンゾウが生息するような環境で作られた.以上のことをまとめて国際誌で報告した.動物相関連では,高橋と添田が,日本から産出しているマンモスゾウ12標本のうち,9標本の放射性炭素年代測定を試みた.その結果,すでに年代が測定されていた標本のデーターを総合すると,日本産マンモスゾウの年代は45,110±48016,320±90yrBP(補正年代値)であることがわかった.植物相関連では,特にMIS 3の時代の試料の充実を目的とし,研究協力者の五十嵐と出穂が作業を分担・実施した.今年度は計4回の野外調査を実施し,5地点で花粉分析試料を採取した.採取場所(試料数)は,(1)北海道湧別町東芭露ナウマンゾウ化石地点(大雪御鉢平テフラ上・下位;10件),(2)北海道下川町粘土の沢遺跡(2件),(3)北海道厚真町上幌内モイ遺跡(恵庭aテフラ上位・下位;5件),(4)北海道上川町大函大雪御鉢平テフラ模式露頭(大雪御鉢平テフラ下位;1件),および(5)北海道富良野市東麓郷1遺跡(14件)である.そのうち(1)と(2)について,実験室で試料の前処理をおこない,(1)の花粉化石の同定とダイアグラム作成が完了した.考古関連では,北海道と東シベリアの旧石器遺跡を対象として検討をおこなった.北海道の旧石器については,出穂が担当し,既存の遺跡の地質編年を実施し,あわせてMIS 3に遡る可能性を持つ遺跡の試掘調査と分布調査を実施した.東シベリアのMIS 3の時代の旧石器遺跡であるカーメンカ遺跡,ホティク遺跡,トルバガ遺跡,ストゥデョノエ遺跡,ウスチメンザ遺跡等の資料を観察し,年代測定用化石試料8件を採取した.これらの成果を地質学的に対比するため,テフラの検討をおこなった.

>30kaに年代づけられる大雪御鉢平テフラの年代と分布を検討するために,野外調査は6回実施し,実験室では屈折率測定,EPMA分析を実施した.後期更新世における動植物相の変遷と旧石器文化の関係を解明するために,昨年度行った動物化石の年代測定結果とこれまで報告されているデータを総括し,約5万年前以降の日本列島における動物群の変遷を考察した.その結果,日本列島では西から渡来したナウマンゾウを含む動物群と北から渡来したマンモスゾウを含む動物群が見られ,この両者は気候の寒暖変化に伴って日本列島を南北に移動することを繰り返した様子が明かとなった.最終的にゾウや大型のシカ類が日本列島から消えたのは一部の地域を除き本州地域では約2万年前,北海道では約1.6万年前であったと思われる.マンモスゾウとナウマンゾウの両動物群が生息し,気候に対応して棲み分けたと考えられる北海道地域において,新たな花粉分析結果も加え当時の植生を復元した.その結果,古期マンモス生息時代には北海道はサハリンのKhoeとほぼ似たエゾマツを主とし,グイマツ,トドマツを交える亜寒帯針葉樹林(タイガ)が分布していたことが明らかとなった.また,ナウマンゾウの生息した3万年前は,野付湾岸と石狩湾岸で前後の時代に比べて,気候が緩和したことが認められ,新期マンモス生息時代は寒冷・乾燥気候下にグイマツとハイマツが優勢となり,野付湾茨散を除く北海道の各地で草原が発達したことが判明した.この気候変化に伴う動物群の入れ替りと旧石器遺跡の関係は,いまだ明瞭とはなっていない.しかしながら,今回の調査によって北海道中央部の8遺跡および南東部の17遺跡においてSpfa-1テフラやEn-aテフラとの関係位置づけることができ,旧石器遺跡における道具の様式の変化と気候や動植物との関係を考察する材料が整えられた.
糖尿病の奇形のアポトーシスにおける分子機構の解明

糖尿病母体からの新生児は奇形の発生が高く、その発生を抑制することが近年重要な課題となっている。器管の形成過程において、アポトーシスが重要な役割を演じることが知られている。近年アポトーシスを促進、抑制的に働く癌遺伝子が発見されてきたが、Baxはアポトーシスを誘導し、Bcl-2は抑制的に働くとされる。糖尿病における奇形の発生とアポトーシスの関与およびBax,Bcl-2の発現を検討した。少なくともmating一週間前に生理的食塩水およびstrepotozotocinを投与し、正常および糖尿病ラットの作製後、雄雌同一ケージで一晩飼育(mating)し、正常および糖尿病ラットを作成した。主な器官形成期に相当する妊娠第9,10,11日にembryoを取り出し、4%paraformaldehydeで固定し、45μmの切片を作成した。Terminal deoxynucleotidyl transferaseを作用させ、peroxidase標識抗biotion抗体を用いて免疫組織学的に検出した。Bax,Bcl-2の発現はBax,Bcl-2抗体を用い、免疫組織学的に検出した。妊娠第9,10,11日のembryoにおいては、アポトーシスは原始腸管、神経管、体節、眼胞、咽頭弓に認められた。それに一致してBaxの発現が認められた。しかし、BaxとBcl-2が同時に強く発現している場合は、アポトーシスはほとんど認められなかった。正常ラットのembryoに比較して妊娠糖尿病ラットのembryoではアポトーシスは原始腸管、神経管、体節、眼胞眼胞、咽頭弓に多数認められた。それに一致して強いBaxの発現が認められた。Bcl-2の発現はほとんど認められなかった。すなわち、正常ラットのembryoにおいて、Baxが発現し、生理的なアポトーシスが生じ、正常な器官が形成される。一方、糖尿病ラットのembryoにおいては、Baxが強く発現し過剰なアポトーシスが生じ、器官分化が障害され、奇形が発生することが推定された。糖尿病母体からの新生児は奇形(神経管閉鎖不全)の発生が高く、その発生を抑制することが近年重要な課題となっている。器管の形成過程において、アポトーシスが生じることにより、器官癒合が生じ、器官が形成されることが知られている。神経管形成は神経管ヒダが盛り上がり、最終的に神経管が癒合し、神経管が形成される。糖尿病における神経管の閉鎖不全におけるアポトーシスとBax,Bcl-2の発現を検討した。主な器官形成期に相当する妊娠第10,11日にembryoを取り出し、4%parafomaldehydeで固定し、45μmの切片を作成した。神経管の閉鎖が進行しつつある妊娠第10日の正常ラットの神経上皮細胞においてapototic cellは多数認められた。神経管の閉鎖が終了した妊娠

第11日の正常および糖尿病妊娠ラットの神経管にapototic cellは部分的に見られた。また、心臓の起始部、原子腸管にもapototic cellが見られた。Baxの発現は神経管閉鎖が進行し、apoptosisが多く見られた妊娠第10日の神経管、原子腸管、心臓にその発現が認められた。Bcl-2の発現は神経管の閉鎖が終了し、apoptosisが部分的に見られた妊娠第11日の神経管、原子腸管、心臓にその発現が認められた。糖尿病母体からの新生児は奇形の発生が高く、その発生を抑制することが近年重要な課題となっている。器管の形成過程において、アポトーシスが重要な役割を演じることが知られている。近年アポトーシスを促進、抑制的に働く癌遺伝子が発見されてきたが、Baxはアポトーシスを誘導し、Bcl-2は抑制的に働くとされる。糖尿病における奇形の発生とアポトーシスの関与およびBax,Bcl-2の発現を検討した。少なくともmating一週間前に生理的食塩水およびstrepotozotocinを投与し、正常および糖尿病ラットの作製後、雄雌同一ケージで一晩飼育(mating)し、正常および糖尿病ラットを作成した。主な器官形成期に相当する妊娠第9,10,11日にembryoを取り出し、4%paraformaldehydeで固定し、45μmの切片を作成した。Terminal deoxynucleotidyl transferaseを作用させ、peroxidase標識抗biotion抗体を用いて免疫組織学的に検出した。Bax,Bcl-2の発現はBax,Bcl-2抗体を用い、免疫組織学的に検出した。妊娠第9,10,11日のembryoにおいては、アポトーシスは原始腸管、神経管、体節、眼胞、咽頭弓に認められた。それに一致してBaxの発現が認められた。しかし、BaxとBcl-2が同時に強く発現している場合は、アポトーシスはほとんど認められなかった。正常ラットのembryoに比較して妊娠糖尿病ラットのembryoではアポトーシスは原始腸管、神経管、体節、眼胞眼胞、咽頭弓に多数認められた。それに一致して強いBaxの発現が認められた。Bcl-2の発現はほとんど認められなかった。すなわち、正常ラットのembryoにおいて、Baxが発現し、生理的なアポトーシスが生じ、正常な器官が形成される。一方、糖尿病ラットのembryoにおいては、Baxが強く発現し過剰なアポトーシスが生じ、器官分化が障害され、奇形が発生することが推定された。
フォトン走査型トンネル顕微鏡による半導体励起子コヒーレンスの観測

高密度に成長させた自己形成半導体量子ドットの単一ドットスペクトル測定に成功した.低温における均一幅の評価からキャリア(励起子)の緩和過程を考察し,0次元系における励起子コヒーレンスについて議論をおこなった.不均一なサイズ広がりをもつInGaAs量子ドット系に対し,近接場光学顕微鏡による高分解能観察を試みた.その際,(1)弱励起下における線形領域でのスペクトル測定をおこなう,(2)キャリアの拡散による分解能の低下を避けるために,局所励起,局所検出を同時におこなう,の2点を達成するためにファイバプローブの高感度化を積極的に進めた.クライオスタット中で動作する近接場光学顕微鏡システムを作製し,測定はすべてヘリウム温度下でおこなった.高感度微小開口プローブを用いることにより,200nmの分解能を達成し,同時観測ドット数を10個程度にまで制限した.発光スペクトルを測定した結果,従来のファーフィールド観察では得られない,スパイク構造が見い出された.さらに,その1つ1つの構造が単一ドットからの発光スペクトルであることを定量的に確認した.また,検出波長を選択し,プローブを2次元的に走査することにより,選択された発光波長をもつドットの空間的な分布を観測した.単一ドットからの発光スペクトルの均一幅としては,12meVが得られた.これは,測定温度における熱エネルギーよりも大きな値となっている.高さの低い量子ドットに対して,他のグループが非常に狭い均一幅を得ているという結果と比較すると,ドットのサイズが均一幅を決定する重要な因子になっている可能性が指摘できる.ドットの高さが高くなるに従い,0次元系の特徴が失われていき,エネルギー準位構造,フォノンとのカップリングなどの変化が,励起子コヒーレンスに大きな影響を与えていると考えられる.高密度に成長させた自己形成半導体量子ドットの単一ドットスペクトル測定に成功した.低温における均一幅の評価からキャリア(励起子)の緩和過程を考察し,0次元系における励起子コヒーレンスについて議論をおこなった.不均一なサイズ広がりをもつInGaAs量子ドット系に対し,近接場光学顕微鏡による高分解能観察を試みた.その際,(1)弱励起下における線形領域でのスペクトル測定をおこなう,(2)キャリアの拡散による分解能の低下を避けるために,局所励起,局所検出を同時におこなう,の2点を達成するためにファイバプローブの高感度化を積極的に進めた.クライオスタット中で動作する近接場光学顕微鏡システムを作製し,測定はすべてヘリウム温度下でおこなった.高感度微小開口プローブを用いることにより,200nmの分解能を達成し,同時観測ドット数を10個程度にまで制限した.発光スペクトルを測定した結果,従来のファーフィールド観察では得られない,スパイク構造が見い出された.さらに,その1つ1つの構造が単一ドットからの発光スペクトルであることを定量的に確認した.また,検出波長を選択し,プローブを2次元的に走査することにより,選択された発光波長をもつドットの空間的な分布を観測した.単一ドットからの発光スペクトルの均一幅としては,12meVが得られた.これは,測定温度における熱エネルギーよりも大きな値となっている.高さの低い量子ドットに対して,他のグループが非常に狭い均一幅を得ているという結果と比較すると,ドットのサイズが均一幅を決定する重要な因子になっている可能性が指摘できる.ドットの高さが高くなるに従い,0次元系の特徴が失われていき,エネルギー準位構造,フォノンとのカップリングなどの変化が,励起子コヒーレンスに大きな影響を与えていると考えられる.
携帯型酸素瀬摂取量連続測定装置の開発

本研究では携帯型で,被験者になるべく苦痛を与えずに,日常の酸素摂取量を長時間連続的に測定できる装置の開発を行った。装置は,フロ-スル-方式を応用したもので,被験者は頭部全体を覆ったフ-ド内で呼吸をする。呼気はフ-ド下部より流入する空気と混合され,ブロア-よって強制的に排出される。この混合気体は,ブロア-の上流に接続された流量・温度測定部へ流れる。また同時に,小型吸引ポンプによって酸素分圧測定部へ導かれる。流量測定は熱移動型流量計,温度はIC温度センサ,酸素分圧は薄膜限界電流式酸素センサで測定する。フ-ド内の酸素分圧をあらかじめ設定した酸素分圧値に一致するように制御を行う。すべての測定デ-タは,デジタル記録計に5秒ごとに書き込まれる。デジタル記録計のメモリ-として不揮発性メモリ-を使用している。実験終了後,メモリ-チップを測定装置から取り外し,パ-ソナルコンピュ-タを用いて酸素摂取量を算出する。装置は250×155×85cmで登山用の背負子を用いて被験者に装着する。重量は約4kgである。電源は7.2VのNiーCd電池2本を直列に接続して用いた。一回の充電で約1時間の測定が可能である。メモリ-容量は5秒ごとの測定で60分間の記録が可能である。この装置のステップ変化に対する応答は約30秒,測定誤差は14%以下であった。運動負荷中の酸素摂取量を市販の据置型酸素摂取量連続測定装置と比較した結果両者は高い相関を示した(r=0.973)。また応答性についても両者はほぼ同様の変化を示した。本装置を用いて,いくつかのフィ-ルド実験を試みた。日常行動,サイクリング,自動車運転時の酸素取量を測定し,本装置は測定を中断することなく行うことができた。これらの結果より本装置は,日常生活の酸素摂取量を連続的に測定できる有益な装置であることが示された。初年度は、携帯型酸素摂取量測定装置のプロトタイプを完成し、特に頭部フード内の酸素濃度を安静時から、運動時までの酸素摂取量変化に対して、常に一定の酸素濃度を保つ排気流量制御法を確立した。その構成は、フード、流量計、酸素計、温度計、記録装置よりなる。原理はフードで被験者の頭部を覆い、被験者の呼気とフード下部より流入する空気の混合ガスを排気ブロアによってフードから強制排気し、排出空気ガスの酸素濃度と流量から酸素摂取量を求める。流路の途中に熱パルス型流量計を装着し、また混合ガスの一部を分岐し、酸素計に導いた。酸素計は、応答の早い限界電流式酸素センサを用いた。そして、酸素濃度を一定にするように流量を変化させる制御機構を開発した。全ての値は、不揮発性メモリーに保存し、実験終了後、メモリーに保存したデータを読み取り装置を介してコンピュータに読み込む。携帯型装置の重量は、約4kgで被験者の背部に装置する。測定時間は連続60分の測定が可能であり、これは、排気ブロワの消費電力によるところが大きい。装置の性能は、応答時間30秒で、運動時の酸素摂取量変化にも十分追従することが示された。市販の酸素摂取量測定装置を用いて校正した結果、誤差は酸素摂取量毎分0.2から2.1lの範囲で、最大12%であった。