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生活習慣病によるアルツハイマー病発症機構の解明

本研究は、アルツハイマー病の危険因子(肥満・糖尿病)によるアミロイド-βタンパク質(Aβ)産生増加の分子機構を明らかにし、アルツハイマー病治療薬及び予防法の開発基盤となる知見を得ることを目的とし、以下の成果を得た。(1)肥満・糖尿病の病態で認められる小胞体ストレスは、転写因子ATF4を介してプレセニリン1(PS1)の発現とAβ産生を増加させる。(2)フラボノイドの一種であるケルセチンは、小胞体ストレス応答を活性化させ、Aβ産生を抑制する。高齢化社会において急増するアルツハイマー病は、脳内におけるアミロイドβタンパク質(Aβ)の異常産生によって神経細胞死が引き起こされ、認知障害をもたらす。しかし、ほとんどのアルツハイマー病は未だ原因が不明であり、発症の分子機構も明確でない。本研究は、アルツハイマー病の危険因子である生活習慣に起因する肥満や糖尿病がもたらすストレスシグナル(小胞体ストレス)によるAβ産生増加機構の解明を目的とし、研究期間において以下の新規機構を明らかにした。1肥満・糖尿病の病態として注目されている小胞体ストレスは転写因子ATF4を介してプレセニリン1(PS1)の発現とAβの産生を亢進させる。2フラボノイドの一種であるケルセチンは、小胞体ストレス応答を活性化させ、Aβ産生を抑制する。【目的】高齢化社会において急増するアルツハイマー病は、脳内におけるアミロイドβタンパク質(Aβ)の異常産生によって神経細胞死が引き起こされ、認知障害をもたらす。本研究は、アルツハイマー病の危険因子である生活習慣に起因する肥満や糖尿病がもたらすストレスシグナル(小胞体ストレス)によるAβ産生増加機構を明らかにすることを目的とする。【研究実績】肥満・糖尿病の病態として注目されている小胞体ストレスによるAβ産生亢進機構の解明:(1)小胞体ストレスは、転写因子ATF4を介してプレセニリン1(PS1)の発現とAβの産生を亢進させる。【研究の意義と重要性】未だ不明な点が多い危険因子によるAβ産生の分子機構が明らかになる。さらに、食品に含まれるケルセチンがもたらすAβ産生抑制の作用機構を明らかにすることで、アルツハイマー病の予防や治療法開発の基盤となる知見が得られる。平成23年度の本研究遂行により、肥満・糖尿病の病態として注目されている小胞体ストレスが、転写因子ATF4を介したアミロイドβタンパク質産生を亢進することを明らかにした(Ohta et al., BBRC 2011)。本研究成果は、以前明らかにした加齢に伴うオートファジーの機能低下がもたらすアミロイドβタンパク質産生機構(Ohta et al., Autophagy 2010)と同様、危険因子によるアルツハイマー病発症の分子機構解明に向けた基盤的知見である。平成23年度の本研究遂行により明らかになった、ケルセチンによるAβ産生抑制作用の分子機構の解明:(1)ケルセチンのAβ産生抑制に至る作用機構を明らかにする。(2) (1)の知見を基盤とし、マウス生体におけるケルセチンの効果を検証する。本研究は、培養細胞を用いた実験が根幹であり、その関連消耗品および試薬の購入に使用する。また、実験用動物の購入・維持費用、旅費、謝金、その他研究経費は必要不可欠な金額を計上し、適切に使用する。
腎芽腫におけるWTX遺伝子異常による薬剤抵抗性機構の解明

腎芽腫の生存率や再発率の改善および副作用や晩期障害の軽減のため、新規治療法の開発や患者を層別化して治療するための新規分子マーカーの開発が必要である。これまでの研究でWTX変異を呈する腎芽腫患児の予後が不良であることを報告した。しかしながら、WTX遺伝子変異を呈する腫瘍の多くは長期生存している。WTX異常に加えて腫瘍死特異的な染色体異常を呈するかどうかを明らかにするためSNP array解析を行った。しかしながら、腫瘍死症例特異的または長期生存症例特異的な染色体異常を同定することはできなかった。現在、治療抵抗性のメカニズムを明らかにするため網羅的発現解析を行っている。胎児腎の発生過程で生じる腎芽腫の5年生存率は、治療法の発展により30%から90%まで劇的に改善された。2009年の報告では予後予測因子であった病期、組織型および年齢にかかわらず、各病期の10%の患者が死亡に至る。更なる生存率の改善には予後不良症例を予見可能な新規分子マーカーの開発と予後不良症例に対する治療法の開発が必要である。我々は日本人腎芽腫114症例の解析から腎芽腫死亡症例の7割にWTX遺伝子異常が生じ、強力な予後因子であることを明らかにした。また、特に化学療法剤に抵抗性を示した2症例全てがTP53とWTX遺伝子両方に変異を有した。本研究はこれまでの成果を進展させ、WTX遺伝子異常を有する腎芽腫の薬剤耐性への関与とそのメカニズムを明らかにすることで臨床応用に役立てることである。WTX遺伝子異常を有する腎芽腫が全て腫瘍死に至るわけではない。そこでWTX遺伝子異常を有する腎芽腫の生存症例および腫瘍死症例特異的な染色体異常を明らかにするため、WTX遺伝子異常症例でSNP array解析を行ったが生存例および腫瘍死症例特異的な染色体異常は見いだせなかった。最近、アメリカおよびヨーロッパのグループが腎芽腫の予後不良症例でSIX1/2とmiRNA processing genes(miRPGs)の遺伝子異常が生じていることを明らかにした。そこで、腎芽腫114検体を用いSIX1/2およびmiRPGs遺伝子異常のhot spot領域の変異解析を行った。SIX1/2遺伝子およびDROSHA(miRPGs)遺伝子異常はそれぞれ2、1、2検体で生じていたがDGRC8(miRPGs)は変異を認めなかった。これら遺伝子変異頻度は非常に低くWTX遺伝子異常のように予後との相関は認められなかった。腎芽腫は小児腎腫瘍の90%を占める。医学の発展、集学的治療と年齢・病期・病理組織型によるリスク分類に従って層別化された治療により、5年生存率は90%に改善されたが20%は再発し10%の腎芽腫患児は死亡に至る。これまでに我々はWTX遺伝子異常が腎芽腫の強力な予後因子であることを明らかにしてきた。最近、腎芽腫の新規遺伝子として胎児腎形成に関与する転写因子SIX1およびSIX2とmiRNAの生合成に関わる遺伝子群(miRNAPGs: DROSHA、DICER1、XPO5、およびDGCR8)が同定された。COGからの報告ではSIX1/2とmiRNAPGs両方に遺伝子異常を呈する腎芽腫は予後不良であり、SIOPからの報告ではそれぞれの異常が予後あるいは悪性度と相関する可能性が示唆された。本年度は昨年度実施できていなかったDICER1遺伝子の変異解析を行うとともに、SIX1/2、DROSHAおよびDGCR8遺伝子の解析検体数を増やし日本人腎芽腫132症例の変異解析の結果を得た。また、MYCN遺伝子の変異や増加および1番染色体の増加が予後と相関すると海外から報告され、これらの異常についても解析した。我々が予後不良因子であると考えているWTX遺伝子異常と新たな予後因子との相関を解析した。日本人腎芽腫ではSIX1/2遺伝子異常、miRNAPGs異常、MYCN遺伝子変異や増加および1番染色体の増加は予後との相関が認められなかった。これらの結果は日本人と海外の腎芽腫ではその特徴が異なることが示唆された。また、WTX遺伝子異常とこれらの新規予後因子の異常がともに生じている腎芽腫は認めなかった。海外より2015年に転写因子(SIX1およびSIX2)とmicroRNA processing genes (miRNAPGs; DROSHA, DGCR8, DICER1)の遺伝子異常を生じた腎芽腫は予後不良であるとの報告がなされた。COGからの報告ではSIX1またはSIX2とmiRNAPGs両方に遺伝子異常を呈する腎芽腫は予後不良であり、SIOPからの報告ではそれぞれの異常が予後あるいは悪性度と相関する可能性が示唆された。また、昨年度MYCN遺伝子の変異や増加が予後と相関すると海外から報告された。そのため、これらの遺伝子異常と我々が予後不良因子であると考えているWTX遺伝子異常との相関を腎芽腫132検体で解析したため、当初の予定通り研究を進めることが出来なかった。腎芽腫は小児腎腫瘍の85-90%を占める。医学の発展、集学的治療と年齢・病期・病理組織型によるリスク分類に従って層別化された治療により、5年生存率は85-90%に改善されたが25%は再発し10-15%の腎芽腫患児は死亡に至る。

更なる腎芽腫の治療成績の改善および副作用や晩期障害の軽減のためには、予後予測分子マーカーを用い更に患児を層別化することによりリスクに適した治療を実施していく必要がある。これまでに我々は既知原因遺伝子異常の解析および網羅的な染色体解析を腎芽腫121検体で実施し、WTX遺伝子異常が腎芽腫の予後不良因子であることを明らかにしてきた。一方、海外の解析から1q gain、17p loss、MYCN gain、あるいは1pと16qの両領域にLOHまたはSIX1/2遺伝子および/またはmicroRNAprocessing pathways (DICER1, DROSHA, DGCR8)遺伝子異常を呈する腎芽腫の予後が不良であることが明らかになった。しかしながら、本研究における解析から欧米人腎芽腫とは異なり日本人腎芽腫においてはこれらの染色体・遺伝子異常と予後不良との相関は認められなかった。WTX遺伝子異常を有する腎芽腫が全て腫瘍死に至るわけではない。そこでWTX遺伝子異常を有する腎芽腫の生存症例および腫瘍死症例特異的な染色体異常を明らかにするため、WTX遺伝子異常症例でSNP array解析を行ったが生存例および腫瘍死症例特異的な染色体異常は見いだせなかった。現在、WTX遺伝子異常を呈する腎芽腫患児の予後が不良であるそのメカニズムについては明らかにするため、WTX遺伝子欠失腎芽腫4症例と予後良好なWT1遺伝子異常腎芽腫6症例の網羅的遺伝子発現解析を行っている。腎芽腫の生存率や再発率の改善および副作用や晩期障害の軽減のため、新規治療法の開発や患者を層別化して治療するための新規分子マーカーの開発が必要である。これまでの研究でWTX変異を呈する腎芽腫患児の予後が不良であることを報告した。しかしながら、WTX遺伝子変異を呈する腫瘍の多くは長期生存している。WTX異常に加えて腫瘍死特異的な染色体異常を呈するかどうかを明らかにするためSNP array解析を行った。しかしながら、腫瘍死症例特異的または長期生存症例特異的な染色体異常を同定することはできなかった。現在、治療抵抗性のメカニズムを明らかにするため網羅的発現解析を行っている。昨年度、研究施設の立て替えおよび移動が当初予定よりも大幅に遅れ、WTXの発現抑制および発現活性化により、細胞株の増殖能・運動能や治療薬に対する薬剤感受性を解析するin vitro系の研究を進めることができなかった。しかしながら、SNP array解析による染色体異常解析を終了し、さらに欧米から報告された新規腎芽腫原因遺伝子の一部(SIX1、SIX2、DROSHAおよびDGRC8)の変異解析を114検体にて行った。WTX遺伝子異常を有する腎芽腫の生存症例と腫瘍死症例の染色体異常をSNPs array解析にて明らかにし、腫瘍死症例特異的な染色体異常を解析する。小児腫瘍我々が予後不良因子であることを明らかにしたWTX遺伝子変異、および他グループから予後と相関することが報告されたSIX1/2とmiRNA processing genes(miRPGs)の遺伝子変異の解析をさらに検体数を増やして解析する。また、WTXの発現抑制および発現活性化により、細胞株の増殖能・運動能や治療薬に対する薬剤感受性を解析するin vitro系の研究を進める。研究施設の立て替えおよび移転が計画より大幅に遅れたため、培養細胞を用いた系が進行せず実験計画の変更が生じた。
十九・二十世紀五カ国(独・英・日・仏・米)における法曹養成と法学教育

本研究では、主要五カ国(独・英・日・仏・米)における法曹養成制度と法学教育制度の「歴史的類型」を理念型として析出し(黒田論文「法曹養成の歴史的諸類型」)、それらが近・現代200年にわたる各国特有の国家と法のあり方、および社会構造史的な基礎、とりわけ法律家集団と官僚制の各国あり方によってどのように規定されて成立したのかを明らかにしようと試みた。そのために、各国の歴史的諸制度とその改革の経緯に着目し、そのための史料や文献を収集し分析する作業に取り組んできた。これによって、各国における法曹養成と法学教育の実情が、史料に即してかなり明らかになった。歴史的に概観する研究報告論文の他に、共同研究者による個別的歴史研究としては、まず黒田(研究代表)がアメリカにおいて弁護士事務所での見習教育からロースクールでの法曹養成に転換していった原因とプロセス、法曹団体の役割と性格、およびProfession「理念」について、そしてドイツについてはグナイストの「自由弁護士」論とベルリン法学協会の果たした歴史的役割について研究した。イングランドについては深尾がLaw Society関係史料にもとづき19世紀後半のイギリスでの法科大学院設立運動の隆盛と挫折の過程を分析、フランスについては野上が革命後の弁護士職の歴史と特殊フランス的法律家秩序の変容のプロセスを、三阪が第三共和政初頭における司法官試験導入過程を研究した。三阪と黒田は、日本の司法官試験・弁護士試験と弁護士団体について比較法史的観点から研究をおこなった。本研究の成果の全体については、平成14年10月5/6日に開催される第50回法制史学会研究大会シンポジウム「歴史の中の法曹養成」において報告し、そこでの討論とあわせて公刊することになっている。研究計画第1年目の今年度は、まずセットとして購入が可能であったドイツの司法省官報Justiz-Ministerial-Blatt、国務参事会・閣議議事録Acta Borussica,Neue Folge、法学教育に関する英米文献コレクション(Legal Education,Legal Profession)、合衆国統一州法典委員会記録などを購入した他、戦前からの法学部をもつ日本の国立・私立大学百年史をはじめ、法曹養成・法学部教育の変遷を辿るのに必要な文献を購入し、手分けをして分析を進めてきた。それと共に、すでに共同研究者それぞれが所属する研究機関で大型研究設備・図書充実費によって購入済のドイツ同盟・帝国議会議事録、ドイツ法曹大会議事録、イギリス議会議事録・司法改革委員会報告書、フランス法曹史関係の史料集さらに内閣文庫・国立公文書館などの第一次史料に即しての調査・分析を進めている。それによって、各国の法曹養成と法学教育の歴史的変遷が実証的に明らかになりつつあり、「英米法系」や「大陸法系」といった形でひとくくりにはできない各国間の相違点とその歴史的背景が具体的に明らかになりつつある。さらに今年度は、共同研究者4名全身が、ロンドン、パリ、ベルリン、ニューヨーク、東京などの公文書館・大学・図書館に直接おもむき、第1次史料の探索・調査・複写発注などを行った。各国の法曹団体や代表的な大学の史料や文献は、各自購入したパソコンを駆使し、さらに国内外の研究機関、公文書館、研究者へ照会し、その成果のデータベース化をめざしている。各共同研究者は研究会や相互の研究交流を行った他、法制史学会月例研究会(近畿部会)などで報告することを通じて、外部の研究者・実務家との研究交流も行ってきた。第2年度は、収集した史料・文献の分析と整理をさらにすすめ、ネットワークをより緊密にしていくことになる。研究年度2年目、まず黒田は、購入した資料の解読・分析を進めるとともに、私学研修福祉会からの在外研究資金をえて夏期2ヶ月半アメリカとドイツで在外研究を行い、アメリカ法曹とロースクールの成立・発展史、及びドイツでの司法試験と法学部カリキュラムについて、基礎資料と文献の調査を行った。研究の成果の一部は、今年度は法制史学会近畿部会や日独社会学者会議で報告し、他分野の研究者との交流を深めつつ論文として完成させつつある。

深尾は、前年度収集した資料の内、Law Society関係資料を中心に整理、分析を行っているが、1870年代の法科大学設立運動の興隆と挫折の過程に焦点を絞って、近代的法律プロフェッションとしてのソリシタ、バリスタの成立過程を明らかにしつつある。野上は、近代フランスの法律家養成について、革命直後の主権論と権力分立論に基づく政治的選択、19世紀に一般的であった社会的身分的選択、法律家の資質として「知的要素」を排除することによって保たれた特殊フランス的法律家秩序の変容のプロセスを、20世紀初頭の「国家試験」の導入を巡る動きを軸にして調査している。三阪は、昨年度に引き続き、法学教育について、主要大学の大学史等の資料に基づいて、統計データの資料の整理を行いつつある。また、法曹養成の法的枠組みの形成や法曹の社会的役割に関して、従来の研究を整理しながら、通史的把握を試みている。また今年度は、各種研究会や合宿研究会などでチーム・メンバーの個別研究の相互交流を行い、平成14年秋に予定されている法制史学会学術大会シンポジウム「歴史における法曹養成と法学教育」に結実させるための作業を進めてきた。本年度は、収集した資料や文献の解読と分析、研究分担者同士の共同作業と討論を引き続き進めるとともに、公開の研究会を連続して開催することによって諸分野の研究者・法律実務家との研究交流を精力的に行った。すなわち、当該研究チーム・メンバーの中間報告とともに、各国の法曹養成制度を実際に体験した人たちをゲストとして招き体験談を語ってもらい、研究課題についての意見交換をおこなった。具体的には、第1回(2001年5月26日、於:甲南大学)は、黒田報告「アメリカ合衆国における法曹養成システムの歴史と現状」とともに、児玉実史氏(大阪弁護士会登録後コーネル大学ロースクール卒業、ニューヨーク州弁護士登録)の報告「アメリカ『ロースクール」における法学教育方法と試験の実態」についての討論、第2回(同年9月29日、於:龍谷大学)では、三阪佳弘報告「戦前日本の法曹養成制度」とあわせて、豊川義明氏(大阪弁護士会法科大学院設立・運営に関する協議会委員長)の報告「戦後日本の法曹養成制度の問題点と改革の方向」についての討論、第3回(同年12月22日、於:駒澤大学)では、黒田報告「ドイツ法曹養成制度史概観とその特質」とあわせて、川田篤氏(東京弁護士会登録後、ケルン大学法学部に4年間在籍、法学部の全課程を終了)の報告「ケルン大学法学部における学部教育」についての討論、第4回(2002年3月16日、於:名城大学)では、野上報告「革命以降のフランス弁護士制度の変遷」とあわせて、松川正毅氏(大阪大学大学院教授)の報告「現在のフランスの法曹養成-教育と試験-」についての討論、を重ねてきた。これらの共同研究の成果は、イギリスの法曹養成史についての第5回公開研究会(5月、於:関西学院大学)、法制史学会秋季研究大会(10月6/7日、於:龍谷大学)でのシンポジウム「歴史の中の法曹養成」で共同研究の総括的報告を行い、そこでの討論とあわせ、研究成果を論文集として公刊することになっている。
触覚による質感認知の基盤となる能動的触知覚の研究

この研究の目指すもの能動的触知覚を伴う質感認知について研究するに際して、三つの基本的なテーマを設定した。一つは末梢受容器において触覚情報(機械的入力)がどのように神経活動に変換されるかということ。二つ目は、感覚器(ヒゲ)の運動パタンとその制御に関わるニューロンの活動を調べること。そして三つ目は、覚醒ラットにおいて運動制御と感覚情報が統合される回路の構造を明らかにすること。我々の先行研究では、運動制御を行う領域が感覚情報処理を行う領域の活動に影響を与えることが示されている(Furuta et al., 2010)。これらのテーマについて電気生理学的手法と形態学的手法を直接的に組み合わせて実験を行った。これまでに得られた成果一つ目のテーマでは、微小電極を用いて単一末梢神経の活動を調べた上で色素を注入しその形態も明らかにした。これにより末梢受容器の形態学的特徴と反応特性の関係を直接的に調べることが出来る。末梢受容器が構築する感覚器の構造と情報変換メカニズムの関係が明らかになりつつある。二つ目のテーマについて、高速カメラを用いてヒゲの運動をリアルタイム解析するシステムを構築した。これによりヒゲ運動の長時間にわたる記録が可能になり、ヒゲ運動を制御するニューロンの活動との関連性を明らかにすることができるようになった。三つ目のテーマに関して、覚醒状態のラットで神経活動を解析し、また、そのニューロンに色素を注入して形態をも明らかにする実験システムを構築した。大脳皮質感覚野第6層のニューロンに注目してこの実験を行ったところ、細胞体の位置や軸索の投射パターンによる分類とヒゲ刺激に対する反応特性との間に一定の関係があることが分かった。24年度が最終年度であるため、記入しない。私は能動的に触覚器を動かすことによって触覚を得ること(能動的触知覚という)が「触覚による質感認知」において重要と考え、この能動的触知覚を実現する脳内機構を当該研究課題の目的とした。この課題の中では、ラットのヒゲ感覚系を題材とし、2つの具体的な実験テーマを設定した。(1)動いたヒゲが触れる対象物の形態情報を神経活動に変換する末梢システムの機構の解明。(2)覚醒動物における能動的触覚受容に対するニューロンの活動特性とそれらのニューロンが構成する神経回路構造の関係の解明。一つ目のテーマに関しては、ヒゲ情報を伝える一次求心性線維にガラス電極を刺入し、その線維の末梢側にある機械受容器の反応特性を調べた後、色素を注入して受容器の形態や位置関係を可視化した。受容器の形態学的分類やその位置と、反応特性の間には非常に重要な関連性があることを発見した。この結果は現在論文に執筆中であり、近々発表できる。二つ月のテーマに関しては、覚醒動物を固定してニューロンの反応を調べながらヒゲの運動も記録できるセットアップを構築する必要があった。高速ビデオカメラと画像解析システムによってリアルタイムで覚醒動物のヒゲの動きを数値化して記録するシステムを完成させた。リアルタイムでヒゲの運動を画像から数値化するシステムは世界で初めてである。平成24年度はこのシステムを使ってデータを出していく。申請書に書いた計画通り、末梢の受容器の形態学的特徴と反応特性との関連性を明らかにすることが出来たため。また、覚醒動物を用いた実験を行うためのセットアップを構築することに成功したため。今のところ研究計画に大きな変更は無い。覚醒動物を用いた実験を重点的に行い、データを出していく。
内殻電子エキシトンを利用した局所構造解析

最新の透過型電子顕微鏡を利用し,高エネルギー分解能で電子エネルギー損失分光(EELS)を行うと,従来は観測できなかった内殻電子エキシトンに起因する鋭いピークを見ることができる.しかし,これまでエキシトン線と局所環境との関係に注目した研究は見られず,材料科学の観点からの応用研究もない.このエキシトン線を第一原理計算で再現するために,内殻空孔と励起電子の相互作用,さらに励起電子とフォノンの相互作用について精確に採り入れた,ベーテ・サルペータ方程式(BSE)に基づいた新しい理論計算法を開発することを目的とした.最新の透過型電子顕微鏡を利用し,高エネルギー分解能で電子エネルギー損失分光(EELS)を行うと,従来は観測できなかった内殻電子エキシトンに起因する鋭いピークを見ることができる.このエキシトン線は,3d遷移金属L端や4f希土類のM端と同様に線幅が狭く,材料中の局所環境に敏感と推定される.しかし,これまでエキシトン線と局所環境との関係に注目した研究は見られず,材料科学の観点からの応用研究もない.本研究では,このエキシトン線を第一原理計算で再現するために,平均場近似を超え,内殻空孔と励起電子の相互作用,さらに励起電子とフォノンの相互作用について精確に採り入れた,ベーテ・サルペータ方程式(BSE)に基づいた新しい理論計算法を開発することが目的である.そしてエキシトン線を,新しく局所構造解析技術として材料科学の課題に応用するための礎を造ることを目指している.平成26年度は,任意の数の局在基底関数を採り入れることを可能とし,同時に計算精度を損なうことなく計算効率を向上させた汎用的なコード開発を共同研究者とともに進めた.これは,FLAPW法で,広範に利用されているWien2kコードでは,内殻電子と準内殻電子,価電子を分けることで計算を高速化しているが,同時に準内殻電子の取り扱い方による任意性が生じてしまうためである.とくに内殻エキシトンが顕著となる100eV以下の励起端で顕著である.共同研究者らがExciting!コードとして開発しているものに統合した.また,フォノンの寄与を組み込むために,フォノンの振動ベクトルと振幅を第一原理計算によって求めた.申請者らのグループで開発したphonopyコード[A. Togo, F. Oba, and I. Tanaka, Phys. Rev. B, 78, 134106 (2008).]を活用した.上記のFLAPW+BSE計算プログラムへのインタフェースを作製し,計算手法とともに,平成26年度中に公開した.内殻エキシトンの計算手法の確立により,局所構造解析に応用するためのケーススタディを行った.第一に,六方晶BNやグラファイトについて,面間距離の変化や,表面・特殊粒界での結合欠陥に伴う電子状態や振動状態の変化と,理論エキシトン線の変化について調査した.この系は,将来的には共同研究により実験が可能と想定しているものであり,内殻エキシトンを局所構造解析に応用する好例になると期待している.また,エキシトン効果の電子論的起源を明らかにするため,実空間での内殻空孔と励起電子の分布を図示した.さらに,酸化チタンのマグネリ相における構造欠陥を対象とした検討を行った.これも,実験的検証を想定した系である.これらの研究を通して,実在系での粒界や表面での局所構造解析への応用研究を視野に入れることが可能となった.最新の透過型電子顕微鏡を利用し,高エネルギー分解能で電子エネルギー損失分光(EELS)を行うと,従来は観測できなかった内殻電子エキシトンに起因する鋭いピークを見ることができる.しかし,これまでエキシトン線と局所環境との関係に注目した研究は見られず,材料科学の観点からの応用研究もない.このエキシトン線を第一原理計算で再現するために,内殻空孔と励起電子の相互作用,さらに励起電子とフォノンの相互作用について精確に採り入れた,ベーテ・サルペータ方程式(BSE)に基づいた新しい理論計算法を開発することを目的とした.当初の計画通り,エキシトン線を第一原理的に計算する汎用的なコードを開発することができた.また,当初の計画通り,フォノンの寄与を組み込むことができた.さらに,想定していた計算効率を大幅に向上させることができた.高精度第一原理計算内殻エキシトンの計算手法の確立により,局所構造解析に応用するためのケーススタディに取り掛かる.第一に,六方晶BNやグラファイトについて,面間距離の変化や,表面・特殊粒界での結合欠陥に伴う電子状態や振動状態の変化と,理論エキシトン線の変化について調査する.この系は,将来的には共同研究により実験が可能と想定しているものであり,内殻エキシトンを局所構造解析に応用する好例になると期待している.この系では,エキシトン効果の電子論的起源を明らかにするため,実空間での内殻空孔と励起電子の分布を図示する.次に,酸化チタンのマグネリ相における構造欠陥を対象とした検討を行う.これも,実験的検証を想定した系である.これらの計算対象は,計算負荷が過重にならないと期待できる.これらが成功した場合は,実在系での粒界や表面での局所構造解析への応用研究を進める.当初計画よりも計算手法の開発を重視したため,計算機導入のための物品費を減らした.一方,来年度には,局所構造解析に応用するためのケーススタディに取り掛かるため,計算資源を増強する必要がある.このため,次年度使用額が生じた.
In vivoホールセル記録と光遺伝学で解明する運動関連神経活動安定化の神経基盤

歩く、走る、何かを掴むといった運動に伴って、脳は特定のパターンを持った神経活動を生成する。運動の学習は、その運動をコードする神経活動を安定に再現できるようにして、ばらつきの少ない動作を可能にする。しかし、安定な神経活動がどのように形成されているのかはよくわかっていない。本研究では運動中のマウス一次運動野でニューロンのスパイク活動とシナプス入力を計測し、光遺伝学的に神経活動へ内因的な外乱を加えた時の変化と、元の活動へと収束していく過程を解析する事によって、運動実行に関わる神経活動がどのようなシナプス入力によって形成され、安定化されているのかを明らかにする。平成30年度は29年度に引き続き、運動課題実行中のマウス大脳皮質運動野で単一神経細胞からスパイク活動とシナプス入力を記録するための実験方法最適化を進めた。また、in vivoホールセル記録によるスパイク活動の計測の代替法として、事前にin vivo2光子イメージングによって運動課題中のカルシウムイメージングを行い、活動パターンを同定した細胞に対してホールセル記録を行う方法についても検討を進めている。これまでに、AAVインジェクション方法やガラス窓の設置方法等、2光子イメージングを行うためのパラメータを最適化し、実際に神経活動を記録できる事を確認した。また、麻酔下ではあるものの、シナプス入力を記録しながら光刺激を行う実験系についても検討を進めた。平成30年度には、運動課題実行中のマウス大脳皮質一次運動野の単一神経細胞からスパイク活動と興奮性・抑制性シナプス入力を計測する事、また、シナプス入力を記録しながら記録細胞周辺の神経活動を光遺伝学的に攪乱する実験系の確立を目的としていた。これまでに、麻酔下ではあるものの、光遺伝学的な方法によってシナプス入力に変化が生じる事を確認している。現在は運動課題実行中のマウス大脳皮質においても同様に光遺伝学的な方法とホールセル記録を組み合わせる方法の検討を進めている段階にある。2019年度には、引き続き、記録実験方法の最適化を進め、単一神経細胞からのスパイク活動、シナプス入力記録を行う。また、引き続き、スパイク活動記録の代わりに、in vivo 2光子イメージング法によってあらかじめ運動課題中の神経活動を記録しておき、その後パッチクランプ記録を適用する方法、これらの計測方法と光遺伝学的手法を組み合わせ、運動課題実行中の大脳皮質で光遺伝学的に神経活動へ内因的な外乱を加えた時の変化と、元の活動へと収束していく過程を解析する。運動課題実行中のマウス大脳皮質運動野で単一神経細胞からスパイク活動とシナプス入力を記録するためには、長時間安定したパッチクランプ記録を行う必要がある。そこで、平成29年度は、パッチクランプ用ガラス電極形状、電極内液、記録用ガラス窓の形状等について最適化を進めた。また、同じ訓練個体から複数日にわたり記録を行うためのガラス窓設置方法を検討した。これにより、2光子顕微鏡下で運動課題実行中のマウス一次運動野において興奮性・抑制性シナプス入力を単一の神経細胞から記録する実験方法を確立する事ができた。また、電気記録用のガラス窓を用いて2光子イメージング法による神経細胞活動の計測が可能かどうかについても検討を進め、イメージング用のガラス窓と同等の記録が可能である事を確認した。平成29年度には、運動課題実行中のマウス大脳皮質一次運動野の単一神経細胞からスパイク活動と興奮性・抑制性シナプス入力を計測する事を目的としていた。これまでに、シナプス入力を記録する実験系を確立する事が出来たが、これに加え、スパイク応答を記録する事が困難であった。現在は十分な記録時間を確保するために実験方法の最適化を進めており、来年度には予定していた計画を遂行する予定でいる。

これまでに、AAVインジェクション方法やガラス窓の設置方法等、2光子イメージングを行うためのパラメータを最適化し、実際に神経活動を記録できる事を確認した。また、麻酔下ではあるものの、シナプス入力を記録しながら光刺激を行う実験系についても検討を進めた。平成30年度には、運動課題実行中のマウス大脳皮質一次運動野の単一神経細胞からスパイク活動と興奮性・抑制性シナプス入力を計測する事、また、シナプス入力を記録しながら記録細胞周辺の神経活動を光遺伝学的に攪乱する実験系の確立を目的としていた。これまでに、麻酔下ではあるものの、光遺伝学的な方法によってシナプス入力に変化が生じる事を確認している。現在は運動課題実行中のマウス大脳皮質においても同様に光遺伝学的な方法とホールセル記録を組み合わせる方法の検討を進めている段階にある。平成30年度には、引き続き、in vivoホールセル記録実験の最適化を進め、単一神経細胞からのスパイク活動、シナプス入力記録を行う。また、スパイク活動記録の代わりに、in vivo2光子イメージング法によってあらかじめ運動課題中の神経活動を記録しておき、その後パッチクランプ記録を適用する方法についても検討を開始する。また、光遺伝学的に神経活動を操作する方法については、ウイルス打ち込みのパラメータを最適化し、30年度後半には光遺伝学とホールセル記録を組み合わせた計測を開始する予定でいる。2019年度には、引き続き、記録実験方法の最適化を進め、単一神経細胞からのスパイク活動、シナプス入力記録を行う。また、引き続き、スパイク活動記録の代わりに、in vivo 2光子イメージング法によってあらかじめ運動課題中の神経活動を記録しておき、その後パッチクランプ記録を適用する方法、これらの計測方法と光遺伝学的手法を組み合わせ、運動課題実行中の大脳皮質で光遺伝学的に神経活動へ内因的な外乱を加えた時の変化と、元の活動へと収束していく過程を解析する。本年度の研究が遅れており、実験に必要な物品、試薬等の購入が予定していたよりも少なかった。来年度は遅れている分も含め、研究を進める予定でおり、29年度の未使用分も合わせ、予定していた物品などの購入に充てる。来年度は遅れている分も含め、研究を進める予定でおり、30年度の未使用分も合わせ、予定していた物品などの購入に充てる。
海洋島弧系の上部マントル

本研究の目的は,海洋性島弧系の上部マントルを対象とし,海底地震観測データに記憶された遠地地震の情報を調べ,またあらたにより長周期の地震計を開発し長期海底地震観測をによるデータとを合わせて上部マントルの不均質構造を高い解像度で明らかにし,その原因となるダイナミックプロセスを解釈することである。まず,短周期海底地震計アレー観測による遠地地震P波の相対走時残差分布パターンから,ソロモン島弧下の上部マントルに,地震活動のない沈み込みプレートの存在を推定することができた。この推定には,島弧地殻構造ならびに浅部堆積構造の補正により精度を上げている。しかし,P波検出に使用した波の卓越周波数は1Hz程度であり,センサーの4.5Hz固有周波数よりだいぶ低い。限られた周波数,観測期間を拡げることは必須の要請である。本研究により1Hz型の速度センサー,長期観測を可能にするためのデジタルレコーダー(約4GB記録)を開発し,時刻精度も従来型より1桁向上させた海底地震計を開発した。これまでの研究から伊豆小笠原島弧が海洋性島弧を必ずしも代表していない可能性がでてきた。伊豆小笠原での初期のプレート沈み込みは比較的高温であり,水の供給とあいまって特有のボニナイトを生産した。この存在が上部マントルからのマグマ供給による再溶融によるカコウ岩質地殻を形成した可能性がある。OBS観測から判明した地殻構造,上部マントルの低Q領域の存在はこの地質学的モデルを支持する。本研究の目的は、海洋性島弧系の上部マントルを対象とし,これまでの海底地震観測データに記録された遠地地震の情報を調べ,またあらたにより長周期の地震計を開発し長期海底地震観測を実施して得るデータとを合わせて上部マントルの不均質構造を高い解像度で明らかにし,その原因となるダイナミックプロセスを解釈することである。今年度は2カ年の計画の初年度にあたり,新型の機器開発に主力をそそいだ。その結果,従来の4.5Hz型の速度センサーにかわり1Hz型の速度センサーを備えた海底地震計を開発できた。自然地震を観測対象とするため,長期観測を可能にするためのデジタルレコーダー(約3GB記録)も開発し,時刻精度も従来型より2桁向上させた。試験観測は陸上で行い長期安定性は証明された。海底試験観測は,来年度に実施する予定である。一方,これまで短期の(数週間1ヶ月程度)の短周期海底地震計による観測は多くの機会があり,微小地震,人工地震の観測を主にしてきた。そこで,遠地地震がどのくらい観測できるかは1992年5月27日のマグニチュード7クラスのサンタクルズ地震の海底地震計アレー観測を例にして調べた。震央距離は約5600kmである。現在の暫定結果では,初動付近はS/N比は高いが,1Hz以下のエネルギーは小さく,S波,表面波の情報抽出は困難である。今後,より詳細に記録のスタッキングなど解析手法を工夫してより長周期の情報がどこまで得られるか定量化する。伊豆小笠原島弧直下の上部マントルは不均質の高いことが予想され,92年の観測結果では波の減衰が背弧側できわめて大きく,短周期の波はまったく観測されないことがわかった。したがって,長周期側の感度の高い観測なしにはマントルの非弾性を定量化できない。この研究で開発した地震計によりその定量化を進める計画である。本研究の目的は、海洋性島弧系の上部マントルを対象とし,海底地震観測データに記録された遠地地震の情報を調べ,またあらたにより長周期の地震計を開発し長期海底地震観測によるデータとを合わせて上部マントルの不均質構造を高い解像度で明らかにし,その原因となるダイナミックプロセスを解釈することである。まず,短周期海底地震計アレー観測による遠地地震P波の相対走時残差分布パターンから,ソロモン島弧下の上部マントルに,地震活動のない沈み込みプレートの存在を推定することができる。

しかし,P波検出に使用した波の卓越周波数は1Hz程度であり,センサーの4.5Hz固有周波数よりだいぶ低い。限られた周波数,観測期間を拡げることは必須の要請である。本研究により1Hz型の速度センサー,長期観測を可能にするためのデジタルレコーダー(約4GB記録)を開発し,時刻精度も従来型より1桁向上させた海底地震計を開発した。これまでの研究から伊豆小笠原島弧が海洋性島弧を必ずしも代表していない可能性がでてきた。伊豆小笠原の初期のプレート沈み込みは比較的高温であり,水の供給とあいまって特有のボニナイトを生産した。この存在が上部マントルからのマグマ供給による再溶融によるカコウ岩質地殻を形成した可能性がある。OBS観測から判明した地殻構造,上部マントルの低Q領域の存在はこの地質学的モデルを支持する。
物理吸着系単分子層を利用するナノケーブルの創成と構造制御

共役ポリマーの特性は化学式のみならず精密制御が困難な立体構造や凝集構造にも依存する。本課題では、アルキル(R)鎖で周期的に架橋され等間隔に保持されたall-trans共役鎖の配列であるナノケーブル(NC)の化学・幾何・電子構造の相関と制御要因を検討した。超高真空下で低温のグラファイト基板に物理吸着したアルカテトラインの単分子層の重合によりNC(PD/PA)を構築し、次の成果を得た。1反応前後の紫外光電子スペクトル(UPS)と準安定励起原子電子スペクトル(MAES)の微細構造を計算結果に基づいてsp炭素・共役鎖のπ・σ軌道とR鎖の擬π・σ軌道に帰属し、上部価電子帯全域の電子構造を明らかにした。2NCのUPSではPAπ性HOMOバンド頂上とPDπ性HOMO-1バンド頂上を観測し、特異な化学構造と高度規則性に基づく異常に小さなイオン化エネルギーを得た。3擬π軌道はエネルギーに応じて電子分布の特性とMAESバンドへの寄与を著しく変えることを見出した。4NC化によるMAESの激変を共役鎖のV字谷化、バンドの分散、共役鎖ーR鎖間・R鎖同士の軌道混合の変化で説明した。5NC(PD/PA)のSTM観察による周期構造と計算による最適化構造の一致は良好であった。NC(PA)の構築に必要なモノマーを得るべく、鎖状化合物をモノイン化してチオフェン環の2,5位に置換基として導入後、還元的脱硫反応により炭素骨格を構築する合成法を開拓した。各種デバイスの配線材料への利用が検討されている共役ポリマーの特性は、化学式のみでは決まらず立体配置・配座(立体構造)にも依存するが、その基礎研究は、立体構造の揃っていない試料や、(薄膜の場合)不純物や下地の荒さの影響を避けがたい試料に対して行われてきた。本課題では、単純化と共役鎖の高度秩序化が可能な系として、立体構造が規定された共役鎖の配列であるナノケーブル(NC)を構築し、化学構造・幾何構造・電子構造の相関とその制御要因を解明することを目的とする。超高真空下でグラファイトの劈開面に、中央に共役ジイン、両末端にモノインを有するアルカテトラインをall-trans配座・flat-on配向で物理吸着させた極薄(0.4 nm)単分子層に重合反応を誘起することにより、交互に並ぶポリジアセチレン(PD)とポリアセチレン(PA)を周期的に交差するアルキル鎖で等間隔に保持したNC (NC(PD/PA))を形成し、準安定励起原子電子分光(MAES)、紫外光電子分光(UPS)、走査トンネル顕微鏡(STM)観察によるその場評価を行った。反応前のモノマーの運動性と分子配列、NCにおける共役鎖の配列、NCと下地の整合関係を観測し、立体構造が固定された各鎖に基づく周期を明らかにするとともに、PD性・PA性πバンドをアルキルバンドから分離して検出し、膜面に露出した共役系でありながらバルクの無置換PAより著しく小さなイオン化エネルギーを観測した。同一試料膜を大気に曝さずに分光器ー顕微鏡間で移送しMAES・UPSとSTM観察による解析を可能にする目的で平成27年度に導入することを計画していたモバイルマニピュレーションシステム(MMS)は、設計を全面的に見直したため工作依頼を平成28年度に延期することとし、平成27年度の実験は分光器と顕微鏡で別々に形成した試料膜に対して行った。合成・保存上の工夫で蒸着用セルに仕込む前の試料に活性種が発生することを避けることにより、過去に果たせなかったアルカテトライン単分子層とNC(PD/PA)の超高真空STM観察に成功するとともに、高度規則性に基づく明瞭なバンドを示す電子スペクトルを得た。関連ポリマーである帯状PDが生成するアルカジインの場合と比べるとアルカテトラインは分子配列が観測される条件が厳しく、NC生成条件の把握が容易でないことが明らかになりつつある。紫外線を照射せずとも蒸着時に熱的に生成したと思われるNC(PD/PA)やPDかPAのいずれか未確定の一方のみが生成した重合体が得られる場合もあり、それらのデータはアルカテトラインの単分子層反応に関する謎を解く鍵となる可能性がある。電子スペクトルの解析に必要な理論計算は、NC(PD/PA)に対してのみならず、平成28・29年度に扱うことを予定していた別タイプのNCに対しても開始している。各種デバイスの配線材料への利用が検討されている共役ポリマーの特性は、化学式のみでは決まらず立体配置・配座(立体構造)にも依存するが、その基礎研究において、実験は立体構造が揃っていない試料(薄膜では不純物や下地の荒さの影響を避け難い試料)に対して、計算は実在系から遠いモデル系に対して行われてきた。本課題は、単純化と高度秩序化を両立可能で実験と計算を直接比較できる系として、立体構造が規定された共役鎖の配列であるナノケーブル(NC)を構築し、化学構造・幾何構造・電子構造の相関と制御要因を解明することを目的とする。超高真空下でグラファイトの劈開面に構築し、準安定励起原子電子分光・紫外光電子分光・STM観察による解析を進めてきたNC(PD/PA) (flat-on配向で交互に並ぶall-

transポリジアセチレン(PD)・ポリアセチレン(PA)をアルキル(R)鎖で周期的に架橋したNC)に加えて、実験的には未構築の共役鎖がPDのみのNC(PD)、PAのみのNC(PA)、それらの部分構造であるナノワイヤNW(PD)・NW(PA) (共役鎖1本+ R側鎖)に対して、周期的境界条件を課した第1原理計算により最適化構造と電子構造のR炭素数n依存性を検討し、π電子構造の特徴・成り立ち・制御因子を把握した。共役鎖のπ電子系とR鎖の擬π電子系の混合が系の周期構造定数とPD・PAの軌道エネルギーの相対位置やHOMO-LUMOエネルギーギャップEgを著しく変えること、また、NC(PD/PA)の周期構造は観測値に一致し、その高度秩序性が計算上は無置換PAよりHOMOが安定なNC(PD/PA)にバルクPAより1 eV小さなイオン化エネルギーの実測値を与えることを明らかにした。同一試料膜を大気に曝さずに装置間で移送し電子分光とSTM観察を可能にするモバイルマニピュレーションシステム(MMS)は、その設計を完了後、製作を引き受ける業者を探すことに長い時間を要したため納入が年度末になり、立ち上げるには至らなかった。NC(PA)構築の可能性を検討するべく新規モノマーの合成を数多くの経路で試みた。チオフェンとアセチレンを用いたクロスカップリングと脱硫ー還元を経る新しい手法を見出し、必要な炭素骨格を構築できたが、目的物まであと数段階クリアすべき反応がある。実験は遅れているが計算は想定より進んだため標記の判断を行った。各種デバイスの配線材料への利用が検討されている共役ポリマーの特性は、化学式のみでは決まらず立体構造にも依存するが、その基礎研究において、実験は立体構造が揃っていない薄膜試料、計算は実在系から遠いモデル系に対して行われてきた。本課題は、単純化と高度秩序化を両立可能で実験と計算を直接比較できる系として、立体構造が規定された共役鎖の配列であるナノケーブル(NC)を構築し、化学・幾何・電子構造の相関と制御要因を解明することを目的とする。超高真空(UHV)下でグラファイトの劈開面にアルカテトラインを横たえて物理吸着させて得た単分子層は、同様に形成した他の鎖状化合物の単分子層の場合とは異なり、第1原理計算による状態密度(DOS)と対応する微細構造を有する紫外光電子スペクトル(UPS)と準安定励起原子電子スペクトル(MAES)を与え、STM観察で示された分子配列の高度規則性と矛盾しない。また、アルカジインの場合とやや異なるMAESバンドの強度分布は、C2p-C2sギャップに生じ末端モノインに分布する軌道に基づくことが判明した。単分子層重合によるスペクトルの変化ΔUPS・ΔMAESは、交互に並ぶall-transポリジアセチレン(PD)・ポリアセチレン(PA)をアルキル鎖で周期的に架橋したNC(PD/PA)構造に対して算出したDOSとモノマーのDOSの差分ΔDOSとよく対応した。さらにΔUPS・ΔMAESの構造の由来を、算出したバンド分散と波動関数をも参照して説明し、NC(PD/PA)の生成を確認するとともに、その価電子帯頂上からC2s性バンド上部までの特異な電子構造の詳細を明らかにした。共役鎖としてPAのみを含むNC(PA)の構築に必要なモノマーを得るために、鎖状化合物をモノイン化してチオフェン環の2,5位に置換基として導入後、還元的脱硫反応により炭素骨格を構築する合成法を開拓した。NC(PA)を構築するための新規モノマーを様々な経路で合成することを試み、目的化合物を得た。しかし、収率改善と精製に難儀しており、新規モノマーの成膜性、分子配列の規則性、単分子層重合性、重合体の構造の検討には至っていない。
高雑音下における実時間読唇ヒューマン・マシンインターフェイスの開発に関する研究

近年,ロボット技術が長足に進展した結果,これまでのように定められた作業行程のみを機械が単独に繰り返し行うのではなく,人の指示を受けながら人が行う作業を補助する働きをするものが有効であることが認識されつつある.このような際の人とロボットが行う情報交換の手段にはいくつかの方法が考えられるが,そのなかでも言葉を利用することは,人にとって特に訓練を行わなくてもよいことや,特別な道具を利用しなくてもよいことなどの点から大変有効な手段である.音声認識に関する研究は,従来から各所で盛んに行われているが,ロボットの利用を必要とする場面のように周囲の雑音が大変大きい環境では,十分に音声を認識できないという基本的な問題がいまだに解決できていない.本研究計画では,このような高雑音環境下での単語認識を実現する1つの手段として,視覚情報である唇の動きを実時間で取り込みながらそれを認識することにより,人が発する単語の認識を行うことを考える.この方法によると周囲の雑音に影響されない単語認識システムを構築することができるだけでなく,人にとって特別な訓練や道具を必要としない柔軟なヒューマン・マシンインターフェイスを実現することができると期待される.本研究計画では,人の発話中の顔画像を実時間で取り込み,それから唇の動きを抽出する手法について検討し,そのFPGAと呼ばれる集積回路へのハードウエア化を試みた.FPGA中には動的輪郭モデルとよばれる,画像の輪郭を高速に抽出することができる回路を実現し,画像1枚あたり平均で3ミリ秒で処理することができた.これは日本で標準のNTSCと呼ばれるビデオ信号の規格で定められるフレーム間の間隔が33ミリ秒であることを考えると,大変高速であり実時間処理ができることが実証できた.また,発話中の唇の動きを表現する各種のパラメータについて考察を加え,まず母音認識手法を確立した.近年,ロボット技術が長足に進展した結果,これまでのように定められた作業行程のみを機械が単独に繰り返し行うのではなく,人の指示を受けながら人が行う作業を補助する働きをするものが有効であることが認識されつつある.このような際の人とロボットが行う情報交換の手段にはいくつかの方法が考えられるが,そのなかでも言葉を利用することは,人にとって特に訓練を行わなくてもよいことや,特別な道具を利用しなくてもよいことなどの点から大変有効な手段である.音声認識に関する研究は,従来から各所で盛んに行われているが,ロボットの利用を必要とする場面のように周囲の雑音が大変大きい環境では,十分に音声を認識できないという基本的な問題がいまだに解決できていない.本研究計画では,このような高雑音環境下での単語認識を実現する1つの手段として,視覚情報である唇の動きを実時間で取り込みながらそれを認識することにより,人が発する単語の認識を行うことを考える.この方法によると周囲の雑音に影響されない単語認識システムを構築することができるだけでなく,人にとって特別な訓練や道具を必要としない柔軟なヒューマン・マシンインターフェイスを実現することができると期待される.本研究計画では,人の発話中の顔画像を実時間で取り込み,それから唇の動きを抽出する手法について検討し,そのFPGAと呼ばれる集積回路へのハードウエア化を試みた.FPGA中には動的輪郭モデルとよばれる,画像の輪郭を高速に抽出することができる回路を実現し,画像1枚あたり平均で3ミリ秒で処理することができた.これは日本で標準のNTSCと呼ばれるビデオ信号の規格で定められるフレーム間の間隔が33ミリ秒であることを考えると,大変高速であり実時間処理ができることが実証できた.また,発話中の唇の動きを表現する各種のパラメータについて考察を加え,まず母音認識手法を確立した.近年,ロボット技術が長足に進展した結果,これまでのように定められた作業行程のみを機械が単独に繰り返し行うのではなく,人の指示を受けながら人が行う作業を補助する働きをするものが有効であることが認識されつつある.このような際の人とロボットが行う情報交換の手段にはいくつかの方法が考えられるが,そのなかでも言葉を利用することは,人にとって特に訓練を行わなくてもよいことや,特別な道具を利用しなくてもよいことなどの点から大変有効な手段である.この点,音声認識に関する研究は,従来から各所で盛んに行われているが,ロボットの利用を必要とする場面のように周囲の雑音が大変大きい環境では,十分に音声を認識できないという基本的な問題がいまだに解決できていない.本研究計画では,このような高雑音環境下での単語認識を実現する1つの手段として,視覚情報である唇の動きを実時間で取り込みながらそれを認識することにより,人が発する単語の認識を行うことを考える.これは,人がいわゆる「読唇」によって,ある程度言葉を理解できることを考えれば現実的な方法といえる.この方法によると周囲の雑音に影響されない単語認識システムを構築することができるだけでなく,先に述べたような人にとって特別な訓練や道具を必要としない柔軟なヒューマン・マシンインターフェイスを実現することができると期待される.本研究計画期間の初年度にあたる今年度は,人の発話中の顔画像を実時間で取り込み,それから唇の動きを抽出する手法について検討し,そのハードウエア化を試みた.開発を試みたハードウエアはFPGAと呼ばれる内部構造を自由に設計できる集積回路を中心に,プリント基板上に実現するものとした.FPGA中には動的輪郭モデルとよばれる,画像の輪郭を高速に抽出することができる回路を実現し,その結果現状では試作ではあるが画像1枚あたり平均で3ミリ秒で処理することができた.

これは日本で標準のNTSCと呼ばれるビデオ信号の規格で定められるフレーム間の間隔が33ミリ秒であることを考えると,大変高速であり実時間処理ができることが実証された.研究計画2年目の来年度は今年度の研究結果に基づき,高い雑音下でも正確に人の発話を検出できるよう,唇の動きの変化を捉えることによる発話区間の自動抽出手法について検討する予定である.その後,発話中の唇の動きを表現する各種のパラメータについて考察を加えた後,それを用いた認識手法を確立し,最後にこれらの技術を総合して実時間読唇システムの構築を試みる.近年,ロボット技術が長足に進展した結果,これまでのように定められた作業行程のみを機械が単独に繰り返し行うのではなく,人の指示を受けながら人が行う作業を補助する働きをするものが有効であることが認識されつつある.このような際の人とロボットが行う情報交換の手段にはいくつかの方法が考えられるが,そのなかでも言葉を利用することは,人にとって特に訓練を行わなくてもよいことや,特別な道具を利用しなくてもよいことなどの点から大変有効な手段である.この点,音声認識に関する研究は,従来から各所で盛んに行われているが,ロボットの利用を必要とする場面のように周囲の雑音が大変大きい環境では,十分に音声を認識できないという基本的な問題がいまだに解決できていない.本研究計画では,このような高雑音環境下での単語認識を実現する1つの手段として,視覚情報である唇の動きを実時間で取り込みながらそれを認識することにより,人が発する単語の認識を行うことを考える.これは,人がいわゆる「読唇」によって,ある程度言葉を理解できることを考えれば現実的な方法といえる.この方法によると周囲の雑音に影響されない単語認識システムを構築することができるだけでなく,先に述べたような人にとって特別な訓練や道具を必要としない柔軟なヒューマン・マシンインターフェイスを実現することができると期待される.本研究計画では,人の発話中の顔画像を実時間で取り込み,それから唇の動きを抽出する手法について検討し,そのハードウエア化を試みた.開発を試みたハードウエアはFPGAと呼ばれる内部構造を自由に設計できる集積回路を中心に,プリント基板上に実現するものとした.FPGA中には動的輪郭モデルとよばれる,画像の輪郭を高速に抽出することができる回路を実現し,その結果現状では試作ではあるが画像1枚あたり平均で3ミリ秒で処理することができた.これは日本で標準のNTSCと呼ばれるビデオ信号の規格で定められるフレーム間の間隔が33ミリ秒であることを考えると,大変高速であり実時間処理ができることが実証できた.また,高い雑音下でも正確に人の発話を検出できるよう,唇の動きの変化を捉えることによる発話区間の自動抽出手法についても検討した.発話中の唇の動きを表現する各種のパラメータについて考察を加え,まず母音認識手法を確立した.その後,母音の並びにより単語を認識する手法を考案し実時間読唇システムの構築を試みた結果,良好な結果を得ることができた.