hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
両耳相互作用と位相情報を考慮した音声処理神経回路網

音声と雑音が混在する信号より、特定の音声情報のみを抽出する神経回路網は、種々の応用が考えられる。今まで、神経回路網への入力としては、音声スペクトルの振幅成分のみが考えられていたが、そこへ位相情報を加えることにより、抽出効率を上げることが考えられる。DSPによる、音声の取り込みとその実時間での処理プログラムの開発と並行して、神経回路網の効率的な学習法の基礎的研究として、バックプロパゲ-ションに代わる新しい学習法である、GA(遺伝的アルゴリズム)を用いた学習法を開発し、所期の結果を得た。その結果を秋の電気関係学会関西支部連合大会にて発表し(「GAを用いたニュ-トラルネットワ-クの一学習法」)、奨励賞を得た。この原理を用いて学習した神経回路網により、DSPによりとりこまれた音声から、特定の音声を抽出する実験を目下遂行中である。このGAを用いた神経回路網の学習法は、フォワ-ドタイプの神経回路網のみならず、バックワ-ドの神経回路網に対しても有効であり、将来の応用が期待される。これに関連して、音声の基本的研究の一環として音声の符号化法を研究し、同大会において、「マルチパルス符号化・VQのハイブリッド方式による音声符号化」と題する研究報告を行なった。この研究にもDSPを用いることを検討中である。
核の光依存的な遺伝子発現制御とレトログレードシグナルの関係解明

本研究においては、下等植物細胞における光依存的な核遺伝子の発現誘導に関わるレトログレードシグナル因子の同定、及び細胞内の光シグナル伝達系の進化的変遷についての基盤情報を明らかにするため、紅藻シゾンを用いて以下の研究を遂行した。1)DNAマイクロアレイ法による、暗所での既知のレトログレードシグナル因子による核遺伝子の発現誘導の解析をおこなった。その結果、Mgプロトポルフィリンの添加により短時間でHsp90遺伝子など、少数の遺伝子の発現が誘導されることを明らかにした。緑藻クラミドモナスにおいても、熱ショックタンパク質の誘導が確認されているが、ORF上流に類似した保存エレメントも見出された。レトログレードシグナル因子として知られる過酸化水素などの添加は遺伝子発現には全く影響を与えなかったが、これらは硫酸酸性の培地条件の問題もあり、今後検討したい。またいくつかのオルガネラ機能阻害剤添加下での、暗→明シフト実験の結果、核遺伝子の発現誘導に抑制的な影響が見られた。2)また、光依存的な核遺伝子の発現誘導ヘエピジェネティックな制御の有無を調べるため、HDAC阻害剤及びDNMT阻害剤添加下での光誘導性遺伝子の発現を調べたが、発現の変化は見られなかった。この結果から、ヒストンの不活性化修飾による抑制は、光依存的な各遺伝子の発現には効いていない可能性が高いことが示唆された。これらの結果から紅藻シゾンにおけるゲノムレベルでの核遺伝子の光依存的発現誘導機構は、既知のレトログレードシグナルとは異なる因子により制御されている可能性が高いことが明らかになった。
家庭用ゲーム機プレイステーション2による大規模並列流体解析システムの構築

昨年度導入した20台のプレイステーション2 Linux kitで、並列の数値流体シミュレーションを行った。非圧縮性流体の場合、大量のネットワーク通信を伴うポアソン方程式の解法が最も大きな課題となる。並列化が容易なSOR法で2次中心差分法による離散化式と、局所補間微分オペレータ法による4次精度の離散化式を解いた。Linux kitに付属するGNUのコンパイラは、プレイステーション2のCPUであるEmotion Engine(EE)の高速化アーキテクチャを利用する最適化が行えず、インライン・アセンブラにより直接EEのベクトル・レジスタVU0を利用することにした。ベクトル・レジスタVU0を4並列で効率よく実行する必要があるが、メモリーからデータをロードするのに時間がかかり、その間はVU0が休んでしまう結果となった。これを回避するために、VU0の演算スケジュールを工夫し、データのロード・ストアを含めて450MFlopsの計算速度を達成した。プレイステーション2が高速のRAMBUSメモリーを用いているために、CPUキャッシュに入りきらないデータに対するアクセスに対しても余り速度が低下しないことが明らかになった。EEのもう一つの問題点として指摘されている「VU0が単精度演算しか行えないこと」を解決する必要がある。倍精度計算に対しては浮動小数点演算プロセッサが働かなくなり、計算速度は100分の一以下に低下してしまう。単精度計算で直接従属変数からポアソン方程式を計算すると桁落ちが生じてしまうので、残差から修正方程式を導出し修正量を求めて従属変数に加算・減算して修正する方法を開発した。修正方程式を解く際に桁落ちなどの誤差が入るが、反復ごとに修正値が小さな値に移行し、従属変数の精度範囲をまかなえることが明らかになった。非圧縮性流体の移流部分や圧縮性流体に対しては局所補間微分オペレータ法が少ないメモリーに対して高精度な計算を行うことができ、プレイステーション2に適していることが分かった。また、ルンゲクッタ時間積分を行うことにより安定な計算ができることが明らかになった。高精度な大規模3次元流体解析を行うには、今までは高性能なスーパーコンピュータを必要とし、使える環境は限られていた。ソニー・コンピュータエンターテイメント社から家庭用ゲー機として発売されたプレイステーション2のCPUは単精度計算ながら6.2GFlopsの性能を持ち、価格が安いため超並列計算機のCPUとして考えた場合のコストパフォーマンスは極めて高い。そこで、プレイステーション2を多数台接続した超並列計算機システムの構築ことを本年度の目標とした。しかし、本年度ソニー・コンピュータエンターテイメント社から研究の中心となるプレイステーション2開発ツールDTL-T10000を販売してもらえず、研究方法の変更ということで同様なハードウェアCPUエンジンを持ち、3.2Gflopsの計算性能を持つPower PCで流体計算コードの基礎的ルーチンの開発を行い、ハードウェアを有効に利用する計算アルゴリズムの開発を行った。その結果、CPUの1次キャッシュに入るデータ量の場合、1Gflopsを超える性能が単体CPUで得られたが、データ量が増すごとに性能は低下し、データ転送速度が計算速度を決めていることが分かった。プレイステーション2の場合、Rambusメモリーを用いておりデータ転送速度はPower PCの4倍の速度を持つので、プレイステーション2は高い計算性能を発揮することが期待される。また、同じRambusメモリーを使うPentium4において、データ量が多い計算の場合でも高い計算性能が得られることが確認された。ネットワークに関しては、プレイステーション2に標準搭載のIEEE1394に関する調査を行い、TCP/IP overIEEE1394は現状では開発が進んでおらず、必要に応じてドライバー開発を行うことも平成13年度は検討する。平成11年6月にソニー・コンピュータエンターテイメント社からプレイステーション2Linux kitが発売された。一応、GNUのコンパイラも付属し、数値計算を行える環境が整った。本研究グループでは、プレイステーション2とLinux kitを20台購入し、数値計算と並列化の研究を開始した。プレイステーション2のCPUであるEmotion Engine(EE)は、単精度計算ながら6.2GFlopsのピーク性能を持つとされるが、実際に付属のコンパイラでコンパイルして数値計算を実行させると数10MFlopsであり、1/100程度の性能しか出ないことが判明した。数値計算としては、流体計算で最も負荷の大きいポアソン方程式の解法を選んだ。2次中心差分法による離散化式をSOR法で解いたものと、局所補間微分オペレータ法による4次精度の離散化を行った解法で検証を行った。計算速度が出ない理由は、付属のコンパイラではEE用の最適化コードを出力しないためである。そこで、アセンブラ言語により、EEを直に用いるコードの開発を行った。EEのベクトル・レジスタVU0を利用し、単精度計算に限定すれば300MFlops程度まで性能を引き出すことができることが判明した。しかし、理論性能との差は大きく、プレイステーション2が高速のRAMBUSメモリーを用いているからといってもメモリーとレジスター間のデータのロード・ストアーが大きな問題であることが分った。4つのベクトル・レジスタを使う際のスケジューリングを最適化することにより、ある程度の高速化ができる見込みが得られた。単精度計算に限定されるために、4次精度の場合には離散化式を解く際の計算精度に問題が生じること明らかになり、誤差を増大させない計算アルゴリズムの検討も開始した。問題点としては、プレイステーション2単体は32MBの主記憶しかなく、そこにOSを入れると残りが20MB以下になってしまう。従って、大規模計算は行えなくなるため必然的にネットワーク接続による並列計算が必要になる。

Linux kitのネットワークは、PCカード(PCMCIA)であり、高速なネットワーク通信が余り期待できないが、並列計算を平成14年度の研究課題の中心とする。昨年度導入した20台のプレイステーション2 Linux kitで、並列の数値流体シミュレーションを行った。非圧縮性流体の場合、大量のネットワーク通信を伴うポアソン方程式の解法が最も大きな課題となる。並列化が容易なSOR法で2次中心差分法による離散化式と、局所補間微分オペレータ法による4次精度の離散化式を解いた。Linux kitに付属するGNUのコンパイラは、プレイステーション2のCPUであるEmotion Engine(EE)の高速化アーキテクチャを利用する最適化が行えず、インライン・アセンブラにより直接EEのベクトル・レジスタVU0を利用することにした。ベクトル・レジスタVU0を4並列で効率よく実行する必要があるが、メモリーからデータをロードするのに時間がかかり、その間はVU0が休んでしまう結果となった。これを回避するために、VU0の演算スケジュールを工夫し、データのロード・ストアを含めて450MFlopsの計算速度を達成した。プレイステーション2が高速のRAMBUSメモリーを用いているために、CPUキャッシュに入りきらないデータに対するアクセスに対しても余り速度が低下しないことが明らかになった。EEのもう一つの問題点として指摘されている「VU0が単精度演算しか行えないこと」を解決する必要がある。倍精度計算に対しては浮動小数点演算プロセッサが働かなくなり、計算速度は100分の一以下に低下してしまう。単精度計算で直接従属変数からポアソン方程式を計算すると桁落ちが生じてしまうので、残差から修正方程式を導出し修正量を求めて従属変数に加算・減算して修正する方法を開発した。修正方程式を解く際に桁落ちなどの誤差が入るが、反復ごとに修正値が小さな値に移行し、従属変数の精度範囲をまかなえることが明らかになった。非圧縮性流体の移流部分や圧縮性流体に対しては局所補間微分オペレータ法が少ないメモリーに対して高精度な計算を行うことができ、プレイステーション2に適していることが分かった。また、ルンゲクッタ時間積分を行うことにより安定な計算ができることが明らかになった。
脳内において持続的に機能する酵素反応場の構築による脳神経系疾患治療への展開

生体の恒常性は、酵素が精密制御された反応場を構築することで維持されており、とりわけ多くの神経回路が集積している脳においてその役割は極めて重要であり、機能欠損は脳神経系疾患の要因となる。そこで欠損した酵素を補充し、症状改善を計る酵素補充療法(ERT)が注目されておいるが、脳は血液脳関門(BBB)と呼ばれるバリアに守られているために、既存技術では酵素を効率的に送り届けることが困難である。そこで本研究課題では、我々がこれまでに確立してきた1BBBを効率的に通過する技術と、2ERTを効率的に惹起する薬物送達システムを組みわせ、脳内に酵素の反応場を構築し脳神経系疾患の治療へと展開することを目的とする。
抗菌・抗付着性塩基性ペプチド及びプロタミンによる歯周病予防法の開発

生体分子間相互作用解析システムBIACOREを用いて,精製P.gingivalis線毛の様々な宿主由来タンパク質との結合反応を解析した結果,線毛は唾液タンパク質(高プロリン含有タンパク質および糖タンパク質,スタセリン),フィブリノーゲン,ヘモグロビンと代表的な細胞外マトリックスタンパクであるビトロネクチン,ラミニン,トロンボスポンジン,I&IV型コラーゲン,フィブロネクチン,エラスチンに対して特異的結合能を有していることが明らかとなった.さらに,これらの結合の親和性は,抗線毛抗体との結合反応に準ずる高い親和性を示した.細胞間接着因子であるヒトインテグリンαVおよびβ3のcDNAをそれぞれ組み込んだベクターをCHO細胞へ導入し,インテグリンαVβ3高発現細胞株を樹立した.P.gingivalis線毛(+)株は,線毛(-)株に比してαVβ3高発現細胞株への有意に高い付着能を示し,線毛がインテグリンα_Vβ_3に対して親和性を有することが示された.精製線毛も高発現されたインテグリンαVβ3に対しても有意な結合親和性を示し,さらにビトロネクチンとインテグリンとの相互作用は線毛添加により顕著に阻害された.線毛はビトロネクチンとその代表的なレセプターであるインテグリンα_Vβ_3の両者に対し顕著な結合能を有しており,ビトロネクチンとインテグリンα_Vβ_3との相互作用を強く阻害することが示された.さらに,線毛と宿主タンパクとの結合に際し,結合阻害活性を有する物質を検索した結果,高プロリン含有タンパク質由来の21残基よりなる合成ペプチドPRP-Cが顕著な結合阻害効果を示した.また,食用天然物抽出物であるプロタミンも同様の阻害能を有していたばかりではなく,P.gingivalisアルギニン特異的システインプロテアーゼの活性阻害効果を示した.また,プロタミンは,ヒト線維芽細胞のDNA合成を3倍にまで促進し,顕著なマイトージェン活性を示した.本研究の成果は,歯周炎の惹起から歯周組織の破壊に至る一連の炎症過程に於けるP.gingivalis線毛の果たす役割を明らかにするとともに,P.gingivalisが線毛を介して発揮する病原性を,唾液由来ペプチドとプロタミンが有意に阻害することが示され,今後の歯周病予防法において,有力な創薬研究の対象となると考えられた.生体分子間相互作用解析システムBIACOREを用いて,精製P.gingivalis線毛の様々な宿主由来タンパク質との結合反応を解析した結果,線毛は唾液タンパク質(高プロリン含有タンパク質および糖タンパク質,スタセリン),フィブリノーゲン,ヘモグロビンと代表的な細胞外マトリックスタンパクであるビトロネクチン,ラミニン,トロンボスポンジン,I&IV型コラーゲン,フィブロネクチン,エラスチンに対して特異的結合能を有していることが明らかとなった.さらに,これらの結合の親和性は,抗線毛抗体との結合反応に準ずる高い親和性を示した.細胞間接着因子であるヒトインテグリンαVおよびβ3のcDNAをそれぞれ組み込んだベクターをCHO細胞へ導入し,インテグリンαVβ3高発現細胞株を樹立した.P.gingivalis線毛(+)株は,線毛(-)株に比してαVβ3高発現細胞株への有意に高い付着能を示し,線毛がインテグリンα_Vβ_3に対して親和性を有することが示された.精製線毛も高発現されたインテグリンαVβ3に対しても有意な結合親和性を示し,さらにビトロネクチンとインテグリンとの相互作用は線毛添加により顕著に阻害された.線毛はビトロネクチンとその代表的なレセプターであるインテグリンα_Vβ_3の両者に対し顕著な結合能を有しており,ビトロネクチンとインテグリンα_Vβ_3との相互作用を強く阻害することが示された.さらに,線毛と宿主タンパクとの結合に際し,結合阻害活性を有する物質を検索した結果,高プロリン含有タンパク質由来の21残基よりなる合成ペプチドPRP-Cが顕著な結合阻害効果を示した.また,食用天然物抽出物であるプロタミンも同様の阻害能を有していたばかりではなく,P.gingivalisアルギニン特異的システインプロテアーゼの活性阻害効果を示した.また,プロタミンは,ヒト線維芽細胞のDNA合成を3倍にまで促進し,顕著なマイトージェン活性を示した.本研究の成果は,歯周炎の惹起から歯周組織の破壊に至る一連の炎症過程に於けるP.gingivalis線毛の果たす役割を明らかにするとともに,P.gingivalisが線毛を介して発揮する病原性を,唾液由来ペプチドとプロタミンが有意に阻害することが示され,今後の歯周病予防法において,有力な創薬研究の対象となると考えられた.本年度は,生体分子間相互作用解析システムBIAcoreを用いて,精製P.gingivalis線毛の様々な宿主由来タンパク質との結合反応を解析した.その結果,線毛は3種の唾液タンパク質(高プロリン含有タンパク質および糖タンパク質,スタセリン),フィブリノーゲン,ヘモグロビンと代表的な細胞外マトリックスタンパクであるビトロネクチン,ラミニン,トロンボスポンジン,I&IV型コラーゲン,フィブロネクチン,エラスチンに対して特異的結合能を有していることが明らかとなった.さらに細胞間接着因子であるヒトインテグリンファミリー分子への線毛の結合親和性を評価するために,インテグリンαVおよびβ3のcDNAをそれぞれpcDNA3,pcDNA3.1

プラスミドに組み込んだベクターをCHO細胞へ導入し,インテグリンαVβ3高発現細胞株を樹立した.線毛は高発現されたインテグリンαVβ3に対しても有意な結合親和性を示し,さらにビトロネクチンとインテグリンとの相互作用が線毛添加により顕著に阻害された.これらの結果から,線毛はP.gingivalisの宿主への付着・定着に重要な役割を果たしているばかりではなく,歯周組織の修復を阻害する働きを有していることが示唆された.線毛と宿主タンパクとの結合に際し,高プロリン含有タンパク質由来の21残基よりなる合成ペプチドPRP-Cが顕著な結合阻害効果を示した.また,食用天然抽出物であるプロタミンも同様の阻害能を有していたばかりではなく,2μg/mlの濃度でヒト線維芽細胞のDNA合成を3倍にまで促進し,顕著なマイトージェン活性を示した.次年度も引き続きこれらペプチドの線毛に対する結合阻害作用や歯肉線維芽細胞への影響の解析を行う予定である.細胞間接着因子であるヒトインテグリンファミリー分子への線毛の結合親和性を評価するために,インテグリンαVおよびβ3のcDNAをそれぞれ組み込んだベクターをCHO細胞へ導入し,インテグリンαVβ3高発現細胞株を樹立した.P.gingivalis線毛(+)株は,線毛(-)株に比してαVβ3高発現細胞株への有意に高い付着能を示し,線毛がインテグリンα_Vβ_3に対して親和性を有することが示された.精製線毛も高発現されたインテグリンαVβ3に対しても有意な結合親和性を示し,さらにビトロネクチンとインテグリンとの相互作用は線毛添加により顕著に阻害された.線毛はビトロネクチンとその代表的なレセプターであるインテグリンα_Vβ_3の両者に対し顕著な結合能を有しており,ビトロネクチンとインテグリンα_Vβ_3との相互作用を強く阻害することが示された.以上の結果から,P.gingivalis線毛は,宿主タンパクと強固に結合し,本菌の歯周組織への定着を果たすとともに,歯周組織の修復に不可欠である接着・伸展・増殖を阻害し,歯周疾患の進行に関与している可能性が示唆された.さらに,線毛と宿主タンパクとの結合に際し,結合阻害活性を有する物質を検索した結果,高プロリン含有タンパク質由来の21残基よりなる合成ペプチドPRP-Cが顕著な結合阻害効果を示した.また,食用天然物抽出物であるプロタミンも同様の阻害能を有していたばかりではなく,P.gingivalisアルギニン特異的システインプロテアーゼの活性阻害効果を示した.また,プロタミンは,ヒト線維芽細胞のDNA合成を3倍にまで促進し,顕著なマイトージェン活性を示した.本研究の成果は,P.gingivalis線毛の病原性を明らかにするとともに,P.gingivalisが線毛を介して発揮する病原性を,唾液由来ペプチドとプロタミンが有意に阻害することが示され,今後の歯周病予防法において,有力な創薬研究の対象となると考えられた.
神経細胞における選択的オートファジーの制御機構の解明

神経細胞は分裂することなくヒトでは100年以上も生き続ける特異な細胞である。このような神経細胞の長寿命はグリア細胞によって担保されるため、神経細胞は栄養飢餓状態に陥ることがないと考えられている。そのため神経系のオートファジーによるタンパク質分解は恒常的オートファジーによるものが主となり、特定の分解基質を選択的に分解する選択的オートファジーによると考えられる。選択的オートファジーでは、オートファジーレセプターが分解基質の選択性を決定する。ユビキチン化されてたタンパク質の選択性は6種類のユビキチン依存性オートファジーレセプターが関与することが報告されているが、p62/sqstm1はそのなかでも中心的な役割を果たすオートファジーレセプターである。本研究では、p62の発現量を増加させる内在性分子としてアシルドーパミンであるオレオイルドーパミンとアラキドニルドーパミンを同定し、これら内在性分子が神経系の培養細胞においてp62の遺伝子発現を誘導することを見出した。全てのユビキチン依存性オートファジーレセプターのmRNAの絶対量を培養細胞や初代培養神経細胞で測定してその絶対量を比較したところ、p62はオートファジーレセプターの約50%以上を占めており、Optineurin (OPTN)は全体の10%以下しかないこともわかった。このことは、選択的オートファジーにおいてp62が主要な役割を果たしていることを裏付ける。興味深いことに、アシルドーパミンはp62の発現誘導とは独立にアグリソーム形成も引き起こした。アシルドーパミンによるアグリソーム形成はグリア細胞で顕著に観察され、初代培養神経細胞では起こらなかった。これらの結果を論文としてまとめ、Sientific Reportsに掲載された。選択的オートファジーの制御機構の一旦として脳内のアシルドーパミンによる促進効果が示唆された。そのため、神経細胞におけるオートファゴソーム形成ではなく、選択的オートファジー自体、特にアグリファジーの細胞内モニターシステムとしての実験系の確立が必須となってきた。選択的オートファジーはオートファゴソーム形成とオートファジーレセプターによる基質認識が独立して起こるが、p62は基質と結合してセクエストソームと呼ばれる顆粒状の構造物を形成し、その構造上でオートファゴソームが伸張していくと考えられている。p62が安定なセクエストソームを形成するためにはS403のリン酸が必須であるが、そのS403リン酸化を制御することで選択的オートファジーをコントロールできると考えられる。アグリファジーをモニターするシステム構築の一環として、タウタンパク質の細胞内凝集体を恒常的に維持する細胞株を構築し、アグリファジーによる凝集体分解を評価するシステムを構築した。神経系の培養細胞において、選択的オートファジーはp62のリン酸化制御によりコントロールできると考えられるため、リン酸化を促進する化合物を探索し、それら化合物による選択的オートファジーの促進効果を評価するために、新規のアグリファジーモニターシステムを開発する。このシステムにより、選択的オートファジーが評価できるようになれば、アグリファジーによる凝集性タンパク質の分解促進につながると考えられ、またアグリファジー促進の分子機構の探索によりアグリファジー誘導の分子基盤を明らかにできると思われる。また、アグリファジー評価系として開発したタウ凝集細胞株による、凝集体分解機構の解明も行っていく。多くの神経変性疾患では、疾患神経細胞にユビキチン化タンパク質を含む封入体の蓄積が顕著な病理学的所見として観察されることから、タンパク質分解機構の破綻が疾患原因の一つであると考えられてきた。しかしながら、本当に疾患領域の神経細胞でのみ特異的にタンパク質分解機構が破綻しているのかどうかについての確証はない。我々は、脳内物質であるエンドカンナビノイドの一種であるアシルドーパミンが、タンパク質分解機構を障害せずにp62の発現を誘導してユビキチン化タンパク質とともに一過性のタンパク質封入体を形成させることを発見した。アシルドーパミンにより形成されるタンパク質封入体は、中間径フィラメントのケージ構造に包まれたアグリソームと呼ばれる構造体であり、ユビキチン化タンパク質はその内部に取り込まれ、蓄積する。アグリソームの内部構造を、構造化照明法による超解像顕微鏡法を用いて解析したところ、アグリソームはユビキチン化タンパク質を取り込んだ多数のp62小体によって構成されていることがわかった。さらに、p62 KO MEFでは、ビメンチンのケージ構造は形成されるがユビキチン化タンパク質のアグリソーム内蓄積は抑制された。これらの結果は、アシルドーパミンにより誘導されたp62タンパク質がユビキチン化タンパク質の蓄積を制御していることを強く示唆している。アシルドーパミンは脳内で合成される物質であることなどから、脳内の特定の領域にある神経細胞ではタンパク質分解の破綻がおこらなくてもタンパク質凝集体の形成が起こり、凝集体の形成はp62が主となり凝集核の形成を誘導している可能性も考えられる。これらの成果は、論文としてまとめて科学雑誌に投稿中である。初年度でこれまでの研究結果をまとめ、論文としてまとめて科学雑誌への投稿するにいたった。

選択的オートファジーでは、オートファジーレセプターが分解基質の選択性を決定する。ユビキチン化されてたタンパク質の選択性は6種類のユビキチン依存性オートファジーレセプターが関与することが報告されているが、p62/sqstm1はそのなかでも中心的な役割を果たすオートファジーレセプターである。本研究では、p62の発現量を増加させる内在性分子としてアシルドーパミンであるオレオイルドーパミンとアラキドニルドーパミンを同定し、これら内在性分子が神経系の培養細胞においてp62の遺伝子発現を誘導することを見出した。全てのユビキチン依存性オートファジーレセプターのmRNAの絶対量を培養細胞や初代培養神経細胞で測定してその絶対量を比較したところ、p62はオートファジーレセプターの約50%以上を占めており、Optineurin (OPTN)は全体の10%以下しかないこともわかった。このことは、選択的オートファジーにおいてp62が主要な役割を果たしていることを裏付ける。興味深いことに、アシルドーパミンはp62の発現誘導とは独立にアグリソーム形成も引き起こした。アシルドーパミンによるアグリソーム形成はグリア細胞で顕著に観察され、初代培養神経細胞では起こらなかった。これらの結果を論文としてまとめ、Sientific Reportsに掲載された。選択的オートファジーの制御機構の一旦として脳内のアシルドーパミンによる促進効果が示唆された。そのため、神経細胞におけるオートファゴソーム形成ではなく、選択的オートファジー自体、特にアグリファジーの細胞内モニターシステムとしての実験系の確立が必須となってきた。選択的オートファジーはオートファゴソーム形成とオートファジーレセプターによる基質認識が独立して起こるが、p62は基質と結合してセクエストソームと呼ばれる顆粒状の構造物を形成し、その構造上でオートファゴソームが伸張していくと考えられている。p62が安定なセクエストソームを形成するためにはS403のリン酸が必須であるが、そのS403リン酸化を制御することで選択的オートファジーをコントロールできると考えられる。アグリファジーをモニターするシステム構築の一環として、タウタンパク質の細胞内凝集体を恒常的に維持する細胞株を構築し、アグリファジーによる凝集体分解を評価するシステムを構築した。アシルドーパミンの作用機構として、これまで知られていた分子機構の関与について調べてみたがp62の誘導とアグリソーム形成を直接制御する分子機構の解明には至っていない。今後は、新規分子機構の解明に向けて研究計画を練り直す必要がある。神経系の培養細胞において、選択的オートファジーはp62のリン酸化制御によりコントロールできると考えられるため、リン酸化を促進する化合物を探索し、それら化合物による選択的オートファジーの促進効果を評価するために、新規のアグリファジーモニターシステムを開発する。
屈曲軸内回転を可能とするマイクロ鉗子の開発

本研究は,手首のように曲がり,かつ曲がった軸内で回転が可能なマイクロ鉗子を開発し,内視鏡先端手術や脳外科手術における活用をめざすものである.前年度試作した成果をもとに,マイクロ鉗子の操作機構の製作,操作システムの製作を進め,操作実験を行った.1.屈曲軸内回転を行うマイクロ鉗子の製作:昨年度製作が容易な2倍サイズの屈曲回転マニピュレータを試作したが,1本のワイヤによる屈曲機構では剛性が不十分であった.今年度は,2本のワイヤを用いて屈曲を行う屈曲回転マニピュレータを考案した。昨年度は,多関節機構を用いて,屈曲チューブを製作したが,剛性確保のためには,弾性変形機構を採用することが望ましいと判断し,本年度は,一方向に屈曲する弾性変形パイプとスプリングの組み合わせ構造を考案した.内視鏡手術への適用をめざして,太さ3mmサイズの屈曲軸内回転鉗子を設計・製作した.2.駆動機構の改善:昨年度製作した駆動機構の中で,2本のワイヤによる屈曲操作ができる構造に変更するとともに,屈曲のためのトルクを検出するセンサを設計・製作した.また屈曲軸内回転をする際のトルクを検出するセンサも設計・製作して取り付けた.3.操作実験による評価:製作したシステムを用いて,操作実験を行った.その結果製作した屈曲回転機構が有効な動きをすることを確認し,考案した弾性変形による機構の適切性を確認した。ただしさらに剛性と耐久性の向上を図る必要性もあることが分かった。本研究は,手首のように曲がり,かつ曲がった軸内で回転が可能なマイクロ鉗子を開発し,内視鏡先端手術や脳外科手術における活用をめざすものである。まず屈曲と回転が可能なマイクロ鉗子の構造を検討し,一方向に屈曲するリンク構造の外パイプと屈曲状態で回転を伝えることができる十字継手構造の中心軸の構造を考案し,第一次試作として,3倍サイズの屈曲回転鉗子を製作した。その結果十分な屈曲角と回転が得られることを確認した。しかし駆動のためのワイヤの取り付けや駆動時の剛性やガタなどについて改善すべき点が明らかとなった。これらの改善と小型化が次年度の課題となった。またマイクロ鉗子でつまむ部分の圧力、摩擦力を検出するセンサの開発を進めた。基本構造を考案し,有限要素法を用いた出力特性のシミュレーションを行うとともに,3倍サイズの鉗子に合わせたセンサ付きのつまみ部を製作した。次年度は,このセンサ付きつまみ部を用いた実際のつまみ動作における性能を評価し,小型化を図る。マイクロ鉗子を駆動する駆動ユニットを設計、製作した。この駆動ユニットと回転屈曲鉗子とを結合して,駆動確認をするのが,来年度の課題である。一方マイクロ鉗子を操作する操作レバーを設計し,製作を進めた。まず手術動作における手や指の動作を分析し,鉗子の挿入動作,先端部の屈曲、回転,つまみ動作,つまんだ後の引張り動作,つまんだものの移動動作などを考慮し,それらの動作にあった操作機構を考案した。また操作レバーにおけるつまみ機構を設計した。次年度は,屈曲回転鉗子のマイクロ化を実現するとともに,今年度から製作を始めたシステムを構築して総合的な評価を行う。
心臓機能の発達変化および種差に関する研究 : マウス心筋の電気生理学的特色と交感神経α-刺激反応の特殊性の解析

マウス心筋の特殊性とその発達に伴う機能的変化を各種の観点(電気的特性、収縮機構、薬物感受性、等)から検討した。主な結果は下記の通りである。1)新生児期には活動電位持続時間が比較的長いが、成熟心筋ではプラトー相を欠く極めて持続時間の短い特徴的活動電位へと変化する。成熟期のこの特異な活動電位波形は、ca電流が少ないこととItoが大きいことに起因すると考えられ、本質的にはラットと同一であった。発達に伴う変化としてはCa電流の低下を示唆する知見が得られた。2)収縮特性に関しては、収縮機構のSR-依存性が新生児では低く、発達に伴って高くなることが示唆され、質的にはラット心筋におけるものと同様の変化が起こることが明らかになったが、その変化の程度はラットに比べて小さなものであった。3)交感神経α-受容体刺激と同様の発達に伴う変化が、エンドセリンIとアンジオテンシンIIの作用に関しても認められた。即ち、新生児期にはこれらのペプチドが陽性変力作用を示すが、成熟心室筋では陰性変力作用を現す。両反応共に、受容体の種類そのものには変化がなかった(それぞれET_AとAT,)。4)アセチルコリンはマウス心房筋に対して、他の動物種とは異なり陽性変力作用を及ぼすことを見いだした。その機序に関して様々な検討を加えた結果、アセチルコリンは心房内膜の内皮細胞に作用してプロスタグランジン(PG)を遊離させ、そのPGが陽性変力作用を及ぼすことを示唆する知見が得られた。本研究の第一目標である成熟マウス心筋における交感神経α刺激による陰性変時作用の機序に関しては、Na^+,Ca^<2+>-交換反応に伴う電流を確実に測定することに成功し、α刺激によりこれが促進されることをほぼ確定したが、来年度以降も引き続き検討を加える。マウス心筋の特殊性に関する検討を、電気生理学的側面と収縮機構の面から行い、結果を論文にまとめた。その概略は次の通りである。まず活動電位波形に関しては、新生児期には活動電位持続時間が比較的長いが、成熟心筋ではプラトー相を欠く極めて持続時間の短い特徴的活動電位へと変化する。成熟期のこの特異な活動電位波形は、ICaが少ないこととItoが大きいことに起因すると考えられ、この点はラットと本質的には同一である。また、発達に伴う変化としてはICaの低下を示唆する知見が得られた。収縮特性に関しては、Ca拮抗薬は新生児心筋では活動電位短縮と張力の低下をもたらすが、成熟心筋には殆ど無効であった。逆に、筋小胞体(SR)機能を抑制するRyanodineやCPAは、活動電位80%持続時間(APD80)の短縮と収縮張力の低下をもたらすが、これらの作用は新生児心筋では小さく、成熟心筋では大きいことを見いだした。これらの結果は、収縮機構のSR-依存性が新生児では低く、発達に伴って高くなることを示唆し、質的にはラット心筋におけるものと同様の変化が起こることが明らかになった。以上のように、電気的および収縮機構に関する変化は質的にはラットと同一であることが見いだされたが、その変化の程度はラットに比べて小さなものであった。本研究の継続した目的は、マウス心筋の特殊性とその発達に伴う機能的変化を各種の観点(電気的特性、収縮機構、薬物感受性、等)から検討することであるが、本年度の研究の進展の主たるものは下記の2項目である。1)これまで、マウス心筋において交感神経α-受容体刺激により成熟心室筋で陰性変力作用が出現するという他の動物種とは異なる反応が出現するが、新生児期にはその効果が陽性であり、生後発達に伴って陽性から陰性という質的変化が起こることを見いだしてきた。更には、成熟心室筋での陰性反応の機序がNa^+,Ca^<2+>-交換電流の促進にあることも見いだした。本年度の新知見は、これと同様の発達に伴う変化が、エンドセリンIどアンジオテンシンIIの作用に関しても認められることを見いだしたことである。

即ち、新生児期にはこれらのペプチドが陽性変力作用を示すが、成熟心室筋では陰性変力作用を現す。両反応共に、受容体の種類そのものには変化がなく、それぞれET_AとAT_1である。2)本年度の第2の新知見はアセチルコリンの作用に関するものである。この副交感神経伝達物質はマウス心房筋に対して、他の動物種とは異なり陽性変力作用を及ぼすことを見いだした。そこで、その機序に関して様々な検討を加えた結果、アセチルコリンは心房内膜の内皮細胞に作用してプロスタグランジン(PG)を遊離させ、そのPGが陽性変力作用を及ぼすことを示唆する知見が得られた。即ち、陽性変力作用は(1)シクロオキシゲナーゼ阻害薬で消失し、(2)Triton X-100により内皮細胞を除去しても消失する。
口腔扁平上皮癌におけるHIF2-a関連脱分化誘導機構の解明と分子標的治療への応用

口腔扁平上皮癌細胞の低酸素環境における癌幹細胞様細胞への転換におけるHIF-2αの役割を解析し、HIF-2αを分子標的とした癌幹細胞様細胞の治療戦略を解析することができた。具体的には、1)口腔扁平上皮癌細胞株からの癌幹細胞の濃縮、2)低酸素による口腔扁平上皮癌細胞株の脱分化誘導、3)低酸素培養癌細胞におけるALDH活性の解析、4)低酸素培養癌細胞の遺伝子発現解析、5)口腔扁平上皮癌細胞株におけるHIF-2αの発現解析、6) HIF-2α遺伝子ノックダウンが低酸素環境下における脱分化に与える影響についての解析が達成された。昨年度に引き続き、以下の研究を行った。1)低酸素培養癌細胞のSphere形成能の解析:増殖因子を添加した無血清培地で細胞を培養することにより、Sphere(細胞塊)の形成を促す。低酸素培養、非低酸素培養でその数を比較した。2)口腔扁平上皮癌細胞株におけるHIF-2αの発現解析:低酸素培養、非低酸素培養癌細胞、双方でのHIF-2αタンパクの発現をWestern blottingにて解析した。本年度新たに、以下の研究を行った。3) HIF-2α遺伝子ノックダウンが低酸素環境下における脱分化に与える影響についての解析:HIF-2α遺伝子に対するsiRNAを合成し、低酸素培養癌細胞へリポフェクション法を用いて導入し、HIF-2α遺伝子をノックダウンし、mRNAとタンパク発現の低下で導入効率を評価した。また、導入した細胞について、フローサイトメトリーを用いたALDH活性、CD44発現の解析、Real-time PCRによる遺伝子発現解析、Sphere形成能の解析を行い、遺伝子ノックダウンにより脱分化癌細胞が再分化を試みた。1)口腔扁平上皮癌細胞株からの癌幹細胞の濃縮ALDHassayにて癌幹細胞の濃縮を行い、FACSAria II(BD)を使用したフローサイトメトリーにより各種口腔扁平上皮癌細胞のALDHhigh CD44+分画を解析した。また、ソーティングにより分離後、NOD/SCIDマウスに移植を行い、腫瘍形成能を検討することにより濃縮した細胞が癌細胞の性質を有しているか確認した。2)低酸素による口腔扁平上皮癌細胞株の脱分化誘導Hypoxia workstation Inivo 2 (Ruskinn)内で口腔扁平上皮癌細胞株を1%O2下で培養し、脱分化を誘導する。低酸素環境下で幹細胞様に変化したかどうか以下の実験を行った。3)低酸素培養癌細胞におけるALDH活性の解析低酸素培養癌細胞におけるALDH活性、表面抗原であるCD44の発現をフローサイトメトリーにて解析した。4)低酸素培養癌細胞の遺伝子発現解析低酸素培養癌細胞からtotal RNAを抽出し、Real-time PCRで幹細胞関連遺伝子(Oct-4、Sox2、Nanog、c-myc、Nestin、Musashi、β-catenin)、ABCトランスポーター(MDR-1、MRP-1、ABCG2)の発現を解析した。5)低酸素培養癌細胞のSphere形成能の解析増殖因子を添加した無血清培地で細胞を培養することにより、Sphere(細胞塊)の形成を促す。研究実績の概要に示したように、おおむね研究計画の通りである。1)口腔扁平上皮癌細胞株におけるHIF-2αの発現解析低酸素培養、非低酸素培養癌細胞、双方でのHIF-2αタンパクの発現をWestern blottingにて解析する。2) HIF-2α遺伝子ノックダウンが低酸素環境下における脱分化に与える影響についての解析HIF-2α遺伝子に対するsiRNAを合成し、低酸素培養癌細胞へリポフェクション法を用いて導入し、HIF-2α遺伝子をノックダウンする。mRNAとタンパク発現の低下で導入効率を評価する。導入した細胞について、フローサイトメトリーを用いたALDH活性、CD44発現の解析、Real-time PCRによる遺伝子発現解析、Sphere形成能の解析を行い、遺伝子ノックダウンにより脱分化癌細胞が再分化する可能性を検討する。3) HIF-2α遺伝子の強発現が癌細胞の脱分化に与える影響についての解析レトロウィルスを用いた遺伝子導入による強発現細胞株を樹立する。HIF-2α遺伝子をRT-PCRで増幅後、エントリークローンであるpENTER-D-TOPO (Invitrogen)へサブクローニングする。それをGateway cloningsystem (Invitrogen)を用いてpMXsベクターへ転換する。レトロウィルス調整用の宿主細胞としてPLAT-E packaging cellsを使用し、Fugene 6 transfection reagent (Roche)でトランスフェクションを行い、24h, 48h後細胞上清を回収する。回収した上清をフィルター濾過して、組み換えレトロウィルス液とする。レトロウィルス液と癌細胞を2448h共培養することにより遺伝子導入を行う。得られた強発現株を用い、2)と同様に各種解析を行う。

また、HIFの阻害剤を作用させることによる、再分化の可能性を検討する。「今後の研究の推進方策」に示した研究方法にのっとり、主に消耗品購入を予定している。
トコジラミ上科半翅類に見られる特異的な交尾様式の進化パターンと機能の解明

外傷性受精に関わる雌雄交尾器の機能と構造を把握し,得られた系統仮説に基づいて外傷性受精の進化を考察した.副交尾器の各器官の形質状態は,概ね従来の族のまとまりを支持した.雌のmesospermalege(精子の貯蔵器官)は,族レベルでさまざまな程度に変化していた.分子系統樹上の族間の系統関係は,形態では共通の祖先に由来することが強く示唆されてきたハナカメムシ族とホソナガハナカメムシ族がかなり遠縁のクレードに分かれるなど,一部形態情報と一致しなかった.平成25年度は、(1)国外博物館におけるタイプ標本調査と野外調査によるサンプリング、(2)交尾実験による接合部等の観察、(3)雌雄の内部生殖器の観察、などを行った。(1)については、大英自然史博物館とパリ国立自然史博物館で、主にハナカメムシ科各属のタイプ標本の写真撮影と形態形質の抽出を行った。野外調査については、2014年3月にタイへ赴き、インドシナ半島に分布する主要な分類群のサンプリングを行った。(2)と(3)については、雌にectospermalege(副生殖構造の一部で雄の把握器を受け入れる器官)を欠くAmphiareus obscuriceps、Dufouriellus ater、Almeida pilosaを選定して実施した。交尾開始後に液体窒素による瞬間凍結法を試みたものの、交尾時間が短く、わずかな刺激で虫体が離れたため、成功率が非常に低かった。雌の副生殖構造の観察には、交尾後に雌の腹部に傷跡(交尾時創傷)が残ることを想定し、交尾済み個体を用いた。その結果、D. aterでは第7-8腹節の間接膜中央部に傷跡が観察され、雄の把握器を受け入れる第7腹節後縁が前方にやや湾入することを確認した。これはectospermalegeの機能と部分的に一致する。一方で、A. obscuricepsでは、雌の第7-8腹節右側方の間接膜に数個の黒色の傷跡が確認されたものの、形態の変化は見られなかった。外皮の直下にmesospermalege(精子が移送される器官)が確認されたため、雄はectospermalegeを介することなく精子を直接mesospermalegeへ送り込むことが示唆された。A. pilosaについては、得られた個体数が少なかったことと、交尾実験が失敗したため雌の副生殖構造の十分な観察ができなかった。昨年度に引き続き、(1)国外博物館におけるタイプ標本調査と野外調査によるサンプリング、(2)雌雄の内部生殖構造の観察、に加え(3)分子系統解析を行った。(1)アルゼンチン自然科学博物館での調査を予定していたが協力者との調整ができなかったため、同じく新世界のグループが所蔵されているアメリカ国立自然史博物館にて調査を行った。ケブカハナカメムシ科、ハナカメムシ科Scolopini族、トコジラミ科Primicimicinae等の各属について可能な限りタイプ種に基づいた形態情報の収集を行った。野外調査については、主に実験用の新鮮な個体の収集を目的として沖縄県石垣島にて実施した。(2)主に雌の副交尾器構造の観察に主眼を置いた。その結果、精子の受入器官(mesospermalege)の形質状態が分類群によって大きく異なっていた。具体的には、ハナカメムシ族とケシハナカメムシ族ではmesospermalegeを欠く代わりにsperm pouchとconductor cordという器官が見られ、ヤサハナカメムシ属ではspermalege自体が消失していた。(3)分子系統解析を韓国のS.H.Jung氏と共同で行い、53種(内群41種、外群12種)においてミトコンドリア18S、28S、16S、COI塩基配列データに基づいた系統樹を作成した。得られた系統樹から、雌のmesospermalegeとその相同器官の進化について考察した。すなわち、1mesospermalegeを具えることが祖先形質状態とするならば、sperm pouch+conductor cordの器官が派生的な形質となり、mesospermalegeからsperm pouch+conductor cordへ進化したという仮説が立てられた。2ヤサハナカメムシ属においては、spermalegeが二次的に消失したのではないかと考えられた。カメムシ目トコジラミ上科における一般的な交尾様式に「外傷性受精」が知られているが、その進化的起源に迫る情報はほとんどない。本研究は、その特異的な交尾様式が普遍的に見られるトコジラミ上科を対象として、外傷性受精に関わる雌雄交尾器の機能と構造を属・種レベルで把握し、分子と形態による系統仮説に基づいて、外傷性受精の進化パターンを考察しようとするものである。最終年度である27年度は、前年度に引き続き分子系統解析ならびに実験用の新鮮な個体の追加のため、国内外にて野外調査を行った。2016年6月にミャンマー南部に赴き、族レベルで材料が不足していたアシブトハナカメムシ族とホソナガハナカメムシ族の種の確保に主眼をおき、それぞれXylocoris属(Arrostelus亜属)とScolopocelis属の種を採集した。これらの新鮮な個体に基づき、雌の副交尾器構造の観察を行った結果、Xylocoris属Arrostelus亜属では他の亜属と異なり、spermalegeの消失が観察された。この状態はトコジラミ科の原始的な一群やケシハナカメムシ属の一部などに似るが、前年度に得られた分子系統樹から、本上科内のさまざまなクレードで独立に生じることが示唆された。

Scoloposcelis属では、雌の副交尾器の構造がハナカメムシ族のそれと酷似していた。しかしながら、分子系統樹上ではハナカメムシ族とホソナガハナカメムシ族はかなり遠縁のクレードに分かれた。雌雄交尾器構造から推察すると、両族は共通の祖先に由来することが強く示唆されることから、さらなる解析が必要と考えられた。なお、形態情報に基づく系統解析が完了していないため、分子とともにさらにデータを追加するなどして頑健な系統仮説の構築に努めたい。外傷性受精に関わる雌雄交尾器の機能と構造を把握し,得られた系統仮説に基づいて外傷性受精の進化を考察した.副交尾器の各器官の形質状態は,概ね従来の族のまとまりを支持した.雌のmesospermalege(精子の貯蔵器官)は,族レベルでさまざまな程度に変化していた.分子系統樹上の族間の系統関係は,形態では共通の祖先に由来することが強く示唆されてきたハナカメムシ族とホソナガハナカメムシ族がかなり遠縁のクレードに分かれるなど,一部形態情報と一致しなかった.前年度に得られなかった対象種の確保が計画通り進み、形態形質の抽出ができた。とくに、これまで入手困難であった新世界のグループの形態情報を得られたことと、欧米の複数の研究者からDNA解析用のサンプルも入手できたためである。分子系統解析については、本研究課題開始前より蓄積していたデータを有効利用し、末端分類群数は十分ではないものの、大まかな系統推定には十分な結果が得られた。いっぽう、形態による系統解析がまだ実施できておらず、次年度の大きな課題として考えている。系統分類学27年度は形態による系統推定を大きな課題として捉えている。補足的に野外調査を行い、DNA解析用としても合わせて必要なサンプリングを行う。具体的には、族レベルで未だ入手できていない分類群を確保するため、東南アジアへの調査を計画している。成果の発表には、各種学会などで口頭発表するほか、国内外の英文国際誌に学術論文として投稿する。対象種の確保が計画通り進まず、得られた個体数が貧弱だったこと、想定していた操作実験の確立が不十分だったことなどが要因である。国外研究機関における標本調査については、おおむね計画通り進めることができた。タイプ標本調査ならびに野外調査は、引き続き計画通り進め、系統解析のための形質抽出を行う。成功率が低かった操作実験は、実験ケースの形状やケースに入れる個体数などを検討しつつ、精度の向上に努める。個体数の確保が困難な種については、可能な範囲で累代飼育なども試みて十分なサンプル数を集める。26年度は、分子系統解析のために、DNA抽出および塩基配列の決定も進めていきたい。
磁性多層膜－ＣｏＦｅＢ積層電極を用いた微細磁気トンネル接合に関する研究

磁気トンネル接合(MTJ)を用いた不揮発性メモリは、ワーキングメモリとして必要な特性(高速性・非破壊読出し・書き込み耐性・低電圧動作)を備えており、高性能・低消費電力ワーキングメモリとして期待されている。MTJを用いたワーキングメモリで、特にDRAMの代替を目指す場合には、大容量化のための微細化、高速読み込みのための高いトンネル磁気抵抗(TMR)比、情報を安定に保持するための高熱安定性指数、低書き込み電流を同時に満足するMTJを開発する必要がある。私は昨年度までに、CoFeBと[Co/Pt]多層膜を組み合わせた構造を用いて、直径17 nmで応用に十分な熱安定性指数と約100%のTMR比を有するMTJを実現し、またPtをPdに置き換えた構造で高熱安定性指数を維持しながら、ダンピング定数と書き込み電流を低減することに成功している。当該年度は、微細MTJ素子で高TMR比・高熱安定性指数・低書き込み電流を実現する材料の指針の確立、ダンピング定数が書き込み電流に与える影響の明確化、のために、CoFeB/Ta/[Co/Pt (Pd)]記録層を用いたMTJ素子の熱安定性指数並びに書き込み電流の垂直磁界依存性を評価した。その結果、Co/Pd多層膜を用いた構造の方が、Co/Pt多層膜を用いた構造よりも熱安定性指数と書き込み電流の比であるΔ/IC0が大きく効率の良い電流誘起磁化反転をしていること、またそれより算出されるダンピング定数がブランケット膜におけるダンピング定数とおおよそ一致することを明らかにした。これらの結果より、微細MTJ素子で高TMR比・高熱安定性指数・低書き込み電流を実現するためには、高垂直磁気異方性エネルギーと低ダンピング定数を有する材料をCoFeBと組み合わせることが有効であることを示した。28年度が最終年度であるため、記入しない。私の研究目的は、磁気トンネル接合(MTJ)を用いた不揮発性論理集積回路を実現するために、テクノロジーノードに準じた微細化、高速読み込み・書き込みのためのトンネル磁気抵抗(TMR)比の向上、書き込み電流の低減、安定に情報を保持するための熱安定性指数の向上、350°C以上の熱処理耐性の特性を同時に満たすMTJを開発することである。私は昨年度までにCoFeBと[Co/Pt]多層膜の積層構造を用いたMTJにおいて、直径25 nmで269の高熱安定性指数を得ていた。本年度は、微細なMTJを作製するためのプロセスの構築、および昨年度までに用いていたCoFeB/[Co/Pt]積層構造を工夫し高性能MTJの開発を行った。具体的には、1直径20 nm以下の磁気トンネル接合を作製するプロセスの構築、2高いトンネル磁気抵抗比と熱安定性指数を有する材料の開発、に取り組み、直径17 nmでどのような応用にも十分な熱安定性指数と約100%の高いトンネル磁気抵抗比を有する磁気トンネル接合の実現に成功した。しかしながら、実際にMTJ素子を回路上で使用する際に必要な、電流誘起磁化反転は±1 Vの範囲では観測されなかった。そこで、より低い磁気ダンピング定数が期待されるCo/Pd多層膜を用いた場合についても検討し、直径15 nmのMTJでCo/Pt多層膜を用いた場合と同等の熱安定性を維持しながら、書き込み電流を低減することに成功しており、ダンピング定数を低減できることを示した。磁気トンネル接合(MTJ)を用いた不揮発性を有するワーキングメモリは、高速性・非破壊読み出し・書き込み耐性・低電圧動作を備えており、将来の高性能メモリデバイスとして期待されている。現在用いられているワーキングメモリであるDRAMの代替を実現するためには、大容量化のための微細化、高速読み込みのための高トンネル磁気抵抗(TMR)比、情報を安定に保持するための高熱安定性Δ、低書き込み電流Ic0を満足するMTJを開発する必要がある。私は昨年度までに、Co/Pt多層膜とCoFeBを積層したCoFeB/Ta[Co/Pt]構造を用いることで、直径17 nmのMTJ素子において、Δ=92の高熱安定性と91%の高TMR比を実現し、またPtをPdに置き換えたCoFeB/Ta/[Co/Pd]構造を用いることで熱安定性を維持しながら書き込み電流を低減することに成功している。当該年度は、微細MTJ素子の高性能化を実現する材料の知見を得るために、CoFeB/Ta/[Co/Pd(Pt)]構造の1Ic0に関係する材料パラメータであるダンピング定数αの評価、2直径20nm以下のMTJ素子における電流誘起磁化反転特性の評価を行った。主な成果としては、1本研究で用いているような2つの強磁性体が交換結合した系における強磁性共鳴のモデルを確立し、CoFeB/Ta/[Co/Pt]構造よりもCoFeB/Ta/[Co/Pd]構造のほうがαが小さいことを明らかにした。また、2直径13-15nmの微細MTJ素子の電流誘起磁化反転特性を評価し、Ic0が単一スピンモデルから得られる推測と符合していないことから、両構造を用いた磁気トンネル接合の電流誘起磁化反転特性を理解するためには、更に発展させたモデルもしくは理論で考えられていない効果を取り入れて解析する必要があることを明らかにした。