hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
人の持続的な適応を引き出す人工物デザイン方法論の確立

該当年度において,認知モデルベースのロボットの表出デザイン,学習AIシステムのアルゴリズム理解の実験的解明,モノラル音による方向情報の伝達に関する研究を行い,論文,国際会議での研究発表を成し遂げた.以下,それぞれについて概要を説明する.(1)認知モデルベースのロボットの表出デザイン:色に対する人間の感情状態の変化を研究する色彩心理学,ヒューマンロボットインタラクションの先行研究におけるメタアナリシスを中心に,移動ロボットの感情表出を様々なアプリケーションで行い,ユーザインタフェースを実装した.デザインの方法論として,(a)認知モデルによる有望な表出候補の絞り込み,(b)参加者実験による実験的な最終表出候補の絞り込みの2つのステージからなる「認知的表出デザイン」フレームワークを提案した.そして,人間の意思決定へ影響する表出,マルチモーダルな表出,コンテキスト依存した表出の領域において,この設計論を検証し,成果を上げた.(2)学習AIシステムのアルゴリズム理解の実験的解明:非常にシンプルな学習アルゴリズムをベースとして,人間の学習AIアルゴリズムに対する様々な認知バイアスを提案し,その存在を参加者実験により検証した.XAI(説明可能AI)の基礎理論となる成果を上げた.(3)モノラル音による方向情報の伝達:モノラルのビープ音の表出により,左右方向の情報を伝達するビープ音パターンを,(1)で提案した「認知的表出デザイン」のアプローチによる実際に実装し,実験的に検証した.平成30年度が最終年度であるため、記入しない。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。HCIヒューマンコンピュータインタラクションにおける他者モデルであるユーザモデルを構築し,それを工学的に応用するという枠組みに基づいて,主に以下の2つの研究成果をあげた.1.適応認知モデルの構築:人間の適応認知モデルの構築を目指し,ヒューリスティックスの提案と実験的な検証を行った.相手の意図を推定し合う協力ゲームであるマッチングペニーゲームにおいて,人間の実験参加者とシンプルな適応アルゴリズムが実装されたコンピュータシステムが対戦し,そのプロセスにおいて,人間がコンピュータの適応アルゴリズムをどのように理解するかについて,いくつかのヒューリスティックスを仮定して,それを実験的に検証した.2.周辺認知テクノロジーPCTによるペリフェラル通知の実現と実験的評価:現在PCディスプレイ上でメール着信,アプリケーションの更新などの多くの情報通知が実装されているが,適切な情報通知の方法は十分に研究されていない.そこで,新しい情報通知手法として,メインタスク処理に集中しているときは認識せず,集中が途切れたときは認識できる周辺視野領域である視野ナローイング領域をPCディスプレイ上で同定して,そこに通知アイコンを提示するだけで,ユーザが通知受理可能になったときに自動的に通知に気づくペリフェラル情報通知を提案した.まず,実際に参加者実験により視野ナローイング領域を構成し,それを用いてペリフェラル情報通知を実装,参加者実験により提案法の有効性を示した.3. PRVAの外見設計の実験的分析:オンラインショッピングの商品推薦擬人化エージェントPRVAの外見設計について,特徴的な外見と商品との組み合わせに対する参加者の購買意欲を実験的に調査し,アンケート調査の結果に対する因子分析と併せて,PRVAの外見設計に関する知見を得た.該当年度において,以下の3つの研究プロジェクトを並列して遂行した.1.リーダーフォロワー関係の適応認知モデルの構築:2人の人間による協調作業において見られる関係に,意思決定の対立時にどちらに従うかというリーダーフォロワー関係(LF関係)があるが,システムと人間におけるLF関係の成立要因は解明されていない.本プロジェクトでは,宣言マークマッチングゲームにおいて,人間のユーザと知的エージェント間におけるLF関係の認知的決定要因モデルを実験的に解明した結果,「人間はエージェントの知性の高さよりも,エージェントのリーダー志向の強さに影響をうけて,自らフォロワーになる」ことが示唆された.2.方向を直感的に伝達できるモノラルビープ音パターンの設計:モールス信号のような非常にシンプルなビープ音パターンによって,上下左右の方向を予備知識や訓練なしに人間に伝達できる方法論を開発した.実際に,様々な認知モデルに基づいて,複数のビープ音パターンを実装して,参加者の協力により比較実験を行った.その結果,精度80%を超えるビープ音パターンを実装できた.3.ユーザの信頼遷移モデルに基づく商品推薦エージェントの設計:ユーザの感情とエージェントの知性を2変数としたユーザの信頼状態遷移モデルを構築し,それに基づいて,遷移オペレータ(情動伝染や知的な推薦)を商品推薦エージェントが実行することで,ユーザの信頼感をコントロールする枠組みを提案し,その有効性を参加者実験により確認した.4.ヒューマノイドロボットインタフェースによるノンバーバル情報表出の促進:音声コマンドシステムをベースに,ユーザが対人であれば自然に表出されるノンバーバル情報を対人工物に対しても引き出せるようなロボットインタフェースを実装し,その効果を実験的に評価した.その結果,対PCと対ロボットでは,ユーザの表出が異なることがわかった.予定していた研究テーマは,「1.リーダー・フォロワー関係の適応認知モデルの構築」,「2.方向を直感的に伝達できるモノラルビープ音パターンの設計」,「3.ユーザの信頼遷移モデルに基づく商品推薦エージェントの設計」,「4.ヒューマノイドロボットインタフェースによるノンバーバル情報表出の促進」の3つであった.このうち,1, 2, 3については,オンライン実験システムを導入した実験環境を整備して,その実験環境で30名以上の参加者による評価実験を行った.そして,その実験結果を統計的に分析することで,提案方法の有効性,妥当性を検証することができた.

さらには,ユーザ適応システムに人間を従わせるにはどのようなインタラクションデザインが必要か,背景知識なしに直感的にモノラル音で方向を伝達できる表出の設計論,ユーザの信頼を獲得できる商品推薦エージェントの設計論について,さまざまな知見が得られた.また,それらの結果を学会発表できるレベルまでまとめることができた.しかし,残念ながら,3.においては,ヒューマノイドロボットNAOを用いた実験システムの開発が予定通りには進まず,数名の参加者による実験に留まり,実験条件も十分ではなかった.以上を総括的に評価するに,現在までの進捗状況は「(2)おおむね順調に進展している」であると考えられる.H28年度においては,以下の実績があった.1.リーダーフォロワー関係モデルの追加実験:人間とAIのリーダーフォロワー関係を解明するための参加者実験を平成27年度で行ったが,エージェントの能力とリーダー志向が共に低い条件での参加者実験が抜けていたので,より実験結果の信頼性を高めるために,その条件での参加者実験を行った.結果は,その条件下では加者はフォロワーにならないという傾向が示された.これは,想定どおりの結果であった.2.社会的グルーミングインタラクションによる邪魔にならない情報通知:本研究課題のメイン研究テーマの1つである周辺認知テクノロジーに関するテーマとして,ソーシャルタッチを応用して親和性を高めることで,情報通知の煩わしさの問題を解消した.参加者実験により,その効果を確認した.3.モノラルビープ音パターンによる方向の伝達:昨年度でその可能性と有効性を確認したモノラルビープ音の系列パターンにより,上下左右4方向を伝達する研究を推進した.視覚的探索の分野での音声モダリティによるナビゲーションへの応用を検討した.4. A01班との共同研究:A01班では,旅行商品の対面販売における姿勢,対話等の分析を行っており,そこからユーザ状態推定に有効なヒューリスティックスが得られている.それらと,C01班の商品推薦エージェントの設計論を融合することで,新しいエージェント設計,インタラクションデザインの研究の方向性を議論した.予定していた研究テーマは,「1.リーダーフォロワー関係モデルの追加実験」,「2.社会的グルーミングインタラクションによる邪魔にならない情報通知」,「3.モノラルビープ音パターンによる方向の伝達」,「4. A01班との共同研究」の4つであった.1.については,実際に追加実験を行い,「追加条件下では,人はAIの意見をフォローしない」という想定通りの結果を確認した.2.については,社会的グルーミングを評価する参加者実験を行い,提案方法の有効性を指示する結果を得た.また,3.については,研究のとりまとめを行い,ジャーナル論文投稿を準備した.4.まだ実際の研究を開始するまでには至らず,準備段階である.以上を総括的に評価するに,現在までの進捗状況は「(2)おおむね順調に進展している」であると考えられる.
肥満症、メタボリックシンドロームにおける食事のリズム調節因子の解析

肥満症の発症に関しては夜食などいつ食べたのかという食事のリズムは重要な因子である。今回の研究では幾つかの食事のリズムと肥満との関係について検討した。摂食リズムの変化させたモデルとして、マウスへ高脂肪食を食べる時間帯により通常モデル群、摂食量はかえずに暗期のみ摂食する暗期摂食群、摂食量はかえずに明期のみ摂食する明期摂食群の3群に分けて解析した。明期に高脂肪食を摂取したとき群が、有意に通常モデル、暗期摂食群に比較して内臓脂肪量の増加所見を認めた。また血糖値や中性脂肪値の上昇所見を認めた。これらの結果よりマウスにおいては睡眠期である明期に高脂肪食をとると肥満や代謝異常を助長することが分かった。肥満や糖尿病、メタボリックシンドロームなど生活習慣病を考える上で食習慣への介入は重要である。現在その中でどれ位、どのような食事を食べたのかという食事量や食事内容への解析が主に行われている。一方で食事の量、内容とあわせて、間食、夜食などいつ食べたのかという食事時間帯のずれ、いわゆる食事のリズムの解析も重要な因子である。今回の実験目的は、食事時間のリズムの違いと、肥満症、メタボリックシンドロームとの関係を、マウスを用いて解析していくことである。実験方法はマウスを摂食リズムにより、(A)通常モデル群、(B)摂食量はかえずに暗期中心に摂食する暗期摂食群、(C)明期中心に摂食する明期摂食群の3群に分け3週間解析した。その時の実際の食事量と体重の測定を経時的自動摂食リズム解析装置を用いて日々測定し、まずその表現形を解析した。通常の15%前後の餌では3群ともに著変は認めなかったが、60%高脂肪食を摂取したときはC)明期中心に摂食する明期摂食群が有意に(A)通常モデル、(B)摂食量はかえずに暗期中心に摂食する暗期摂食群に比較して末梢組織の糖脂質代謝因子と脳からのリズム関連分子の変化を認めた。具体的には、明期中心に摂食する明期摂食群で肝臓および白色脂肪内の中性脂肪含量と白色脂肪内のレプチン、腫瘍壊死因子の増加所見を認めた。また脳ではヒスタミン合成酵素含量の日内リズムが軽度ずれていた。以上より高脂肪食負荷時に、通常は摂食しない明期中心に摂食することが肥満また糖尿病の発症につながりその関連因子として脂肪組織のレプチン、腫瘍壊死因子、脳内のヒスタミン合成酵素含量が関与している可能性が示唆された。肥満やメタボリックシンドロームの治療において食事への介入は重要である。食事への介入では食事の量や食事の内容への介入が主に行われている。一方で食事の量や内容とあわせて、間食や夜食などいつ食べたのかという食事の時間帯のずれ、いわゆる食事のリズムへの介入に当研究の意義と重要性はある。当研究は、食事時間のリズムの違いと肥満症やメタボリックシンドロームとの関係についてマウスを用い解析した。マウスを摂食のリズムにより、通常摂食群、摂食量はかえずに暗期中心に摂食する暗期摂食群、明期中心に摂食する明期摂食群の3群に分け肥満症への影響について解析した。通常の餌では3群ともに大きな変化は認めなかったが、高脂肪食を摂取したときは明期中心に摂食する明期摂食群が有意に通常摂食群や暗期摂食群に比較して内臓脂肪量の増加を認めた。併せて白色脂肪内の糖脂質代謝因子と脳内のリズム関連分子の変化を認めた。更に明期中心に摂食する明期摂食群で白色脂肪内のレプチンの増加とアディポネクチンの低下所見を認めた。また脳内ではヒスタミン合成酵素含量の暗期での低下が見られた。以上より高脂肪食負荷時に、通常は摂食しない明期中心に摂食することが肥満症の発症につながりその関連因子として脂肪組織のレプチン、アディポネクチン、脳内のヒスタミン合成酵素含量が関与している可能性が示唆された。肥満やメタボリックシンドロームなど生活習慣病を考える上で食事の習慣への介入は重要である。現在その中でどれ位、どのような食事を食べたのかという食事の量や食事内容の解析が主に行われている。一方で食事の量、内容とあわせて、間食、夜食などいつ食べたのかという食事時間帯のずれ、いわゆる食事のリズムも大切な因子である。実際に夜勤者などで同じ量の食事を食べても夜型の食事の方が太りやすい現象などはよく見られるが、その詳細な解析は未だである。

今回の実験目的は、食事時間のリズムの違いと、肥満症、メタボリックシンドロームとの関係を、マウスを用いて解析していくことである。実験方法はマウスを摂食リズムにより、(A)通常モデル群、(B)摂食量はかえずに暗期中心に摂食する暗期摂食群、(C)明期中心に摂食する明期摂食群の3群に分け3週間解析した。その時の実際の食事量と体重の測定を経時的自動摂食リズム解析装置を用いて日々測定し、まずその表現形を解析した。通常の15%前後の餌では3群ともに著変は認めなかったが、60%高脂肪食を摂取したときはC)明期中心に摂食する明期摂食群が有意に(A)通常モデルQ、(B)摂食量はかえずに暗期中心に摂食する暗期摂食群に比較して体重の増加を認めた。またその際の、副睾丸周囲脂肪重量の有意な増加と血糖値、血液インスリンの増加をC)明期中心に摂食する明期摂食群において認めた。以上より高脂肪食負荷時に、通常は摂食しない明期中心に摂食することが肥満また糖尿病の発症につながっている可能性が示唆された。肥満やメタボリック症候群の治療において食事への介入は重要である。食事の介入は一般に食事の食事の量や内容への介入が主に行われている。一方で食事の量や内容とあわせて間食や夜食などいつ食べたのかという食事の時間帯のずれ、いわゆる食事のリズムも重要と考えられる。そこで今回肥満症における食事のリズムについて解析した。マウスを摂食のリズムにより、通常摂食群、摂食量はかえずに暗期中心に摂食する暗期摂食群、明期中心に摂食する明期摂食群の3群に分けて肥満症への影響や白色脂肪や脳内因子への影響について解析した。明期中心に摂食する明期の高脂肪食摂食群が通常摂食群や暗期摂食群に比較して有意に内臓脂肪量の増加を認めた。また明期の高脂肪食摂食群では、血糖値とインスリン濃度、中性脂肪濃度、肝臓内中性脂肪含量と骨格筋の中性脂含量の増加を認めた。さらに明期摂食群で通常摂食群や暗期摂食群に比較して白色脂肪内のレプチンと腫瘍壊死因子の増加所見を認めた。一方、脳内では視床下部においてヒスタミン合成酵素発現の暗期での低下が見られ、エネルギー消費の相対的低下所見を認めた。最後にヒスチジンを明期中心に摂食する明期摂食群へ脳内投与したところ明期摂食群の肥満が部分的に改善した。以上より高脂肪食負荷時に通常は摂食しない明期中心に摂食する食事のリズムが肥満症の発症につながりその関連因子として脂肪組織のレプチン、腫瘍壊死因子、脳内のヒスタミン合成酵素が関与している可能性が示唆された。内分泌代謝研究目的の達成度の区分としてはおおむね順調に進展している。平成24年度の計画では、摂食リズム変化モデル動物の末梢性因子の解析と脳からのリズム関連分子の解析を行う予定であった。当初の予定通り摂食リズム変化モデル動物の末梢性因子の解析としてレプチン、腫瘍壊死因子が、脳からのリズム関連分子としてヒスタミン合成酵素の解析結果が得られており全体としておおむね順調に進んでいる。研究目的の達成度については、平成23、24年度はおおむね順調に進展した。平成23、24年度の計画では、摂食リズム変化モデル動物の末梢性因子の解析と脳からのリズム関連分子の解析を行う予定であった。当初の予定通り摂食リズム変化モデル動物の末梢性因子の解析としてレプチンが、脳からのリズム関連分子としてヒスタミン合成酵素の解析結果が得られている。平成25年度の計画では、摂食リズム変化モデル動物の末梢性因子の解析と、脳からのリズム関連分子の更に詳しい解析を進めた。
福建省福清出身華人の移住および同郷紐帯の拡大と文化的・社会的制度としての「故郷」

1980年代以降、日本や欧米などにおける華人社会は、新たな中国人移民の流入によって、その規模が急速に拡大し、コミュニティの内部構造もより重層的で複雑化した。本研究では、中国人の移住・定住に関する諸問題が、彼らの血縁、地縁紐帯の原点である故郷への帰属意識と関与、いわゆる「僑郷アイデンティティ」と密接な関係にあるという視点に立ち、中国系移民の主要送出地の一つ、福建省福清地域と彼らの移住先であるインドネシア、日本などでの実地調査を通して、華人の移住・定住との社会的、文化的バックグラウンドとしての故郷との「関係」が形成・再生産されるプロセスと社会的に機能するメカニズムを理論的に究明する。
損傷膝関節の潤滑機能評価を目的とした多自由度ロボットアームによる力学計測

ロボティクスを応用した実験系に圧力分布を実時間で計測するセンサを組み込んだシステムを構築することにより,軟部組織を温存した動物関節の生理的条件下に近い状態での圧力測定を行った.ウサギ膝関節を対象とした測定を行い,外傷治療として行われる半月板切除術の大腿脛骨関節面への影響を検討した.ロボットアーム(RV-1A,三菱電機),6軸力センサ(IFS 67M25A-I40,JR3),圧センサ(I-SCAN 10×10 H2.5,ニッタ)を組み込んだ実験系を構築した.ロボットアームの位置を測定座標にて固定し,その際検出される荷重と圧力をリアルタイムで計測した.初期荷重を10Nとし,荷重直後,150s後,300s後,600s後,1200s後の荷重と圧力を計測した.試料は日本白色家兎(11週齢オス,体重2.5kg,n=7)の膝関節を使用した.屠殺後,膝関節部分を切り出し,-40°Cで保存した.実験開始直前に解凍し,皮膚,筋肉などの半月板,靭帯以外の軟部組織を除去した.大腿骨,脛骨の骨幹部で骨切りし,脛骨側試験片をセンサ側に,大腿骨側試験片をロボットアームに固定した.膝関節の初期位置を目測によって決定し,その座標をコンピュータに記憶させた.関節に半月板を残した状態で靭帯や軟部組織を除去し,試験器にセットした.膝関節の間にシート状の圧力センサを挟み,初期位置からセンサ出力10N程度まで垂直方向に力を加え,力が安定したときの座標をコンピュータに記憶させた.荷重姿勢を保ったまま,荷重直後,2.5分後,5分後,10分後,20分後の圧力分布と全荷重をリアルタイムで計測した.5回の繰り返し実験の後に,半月板を切除し,同様の測定を行った.無侵襲(半月板あり)では,ピーク圧力の平均値は0sにおいて0.363±0.031MPa,150sにおいて0.362±0.012MPa,300sにおいて0.357±0.031MPa,600sにおいて0.361±0.015MPa,1200sにおいて0.347±0.033MPaであった.半月板切除後では,ピーク圧力の平均値はOsにおいて0.376MPa,150sにおいて0.376MPa,300sにおいて0.372±0.006MPa,600sにおいて0.374±0.005MPa,1200sにおいて0.367±0.009MPaであった.ロボティクスを応用した実験系に圧力分布を実時間で計測するセンサを組み込んだシステムを構築することにより,軟部組織を温存した動物関節の生理的条件下に近い状態での圧力測定を行った.ウサギ膝関節を対象とした測定を行い,外傷治療として行われる半月板切除術の大腿脛骨関節面への影響を検討した.ロボットアーム(RV-1A,三菱電機),6軸力センサ(IFS 67M25A-I40,JR3),圧センサ(I-SCAN 10×10 H2.5,ニッタ)を組み込んだ実験系を構築した.ロボットアームの位置を測定座標にて固定し,その際検出される荷重と圧力をリアルタイムで計測した.初期荷重を10Nとし,荷重直後,150s後,300s後,600s後,1200s後の荷重と圧力を計測した.試料は日本白色家兎(11週齢オス,体重2.5kg,n=7)の膝関節を使用した.屠殺後,膝関節部分を切り出し,-40°Cで保存した.実験開始直前に解凍し,皮膚,筋肉などの半月板,靭帯以外の軟部組織を除去した.大腿骨,脛骨の骨幹部で骨切りし,脛骨側試験片をセンサ側に,大腿骨側試験片をロボットアームに固定した.膝関節の初期位置を目測によって決定し,その座標をコンピュータに記憶させた.関節に半月板を残した状態で靭帯や軟部組織を除去し,試験器にセットした.膝関節の間にシート状の圧力センサを挟み,初期位置からセンサ出力10N程度まで垂直方向に力を加え,力が安定したときの座標をコンピュータに記憶させた.荷重姿勢を保ったまま,荷重直後,2.5分後,5分後,10分後,20分後の圧力分布と全荷重をリアルタイムで計測した.5回の繰り返し実験の後に,半月板を切除し,同様の測定を行った.無侵襲(半月板あり)では,ピーク圧力の平均値は0sにおいて0.363±0.031MPa,150sにおいて0.362±0.012MPa,300sにおいて0.357±0.031MPa,600sにおいて0.361±0.015MPa,1200sにおいて0.347±0.033MPaであった.半月板切除後では,ピーク圧力の平均値はOsにおいて0.376MPa,150sにおいて0.376MPa,300sにおいて0.372±0.006MPa,600sにおいて0.374±0.005MPa,1200sにおいて0.367±0.009MPaであった.予荷重時間の増大が関節の摩擦係数の上昇を起こすことが報告されている.しかし,そうした潤滑機能の変化が何によって起きるかはもとより,正常関節の潤滑機構そのものについても,古くから多くの研究が重ねられているにも関わらず明確な結論は得られていない.

本研究では,摩擦の増大が接触圧力分布の変化と関連すると考え,ロボットアームを組み込んだ摩擦測定装置を用い,摩擦係数を測ることにより,荷重時間が起動摩擦に及ぼす影響について検討した.それと同時に,接触圧力分布を調べることにより,予荷重時間による摩擦と接触圧力の関係を検討した.実験装置を,ロボットアーム,力センサ,タクタイルセンサ,コンピュータによって構築した.実験試料は日本白色ウサギの雄,10週齢の膝関節を用いた.荷重センサ側に脛骨,ロボットアーム側に大腿骨を,骨セメントにより固定し,力の検出による摩擦測定系を構築した.あらかじめ予備実験で摩擦面を探索しておき,その後,摩擦測定動作に入った.測定の際に5分の静止荷重時間を設けた.静止荷重は,測定の際の荷重と同様,10Nになるように保った.設定静止荷重時間後,大腿骨を水平方向に滑らせた.滑り動作開始直前から鉛直方向の荷重と水平方向の摩擦抵抗力を測定し,滑り動作終了後コンピュータで計算することで摩擦係数を算出した.摩擦速度0.5mm/s,摩擦距離1.5mmとした.この測定を各試料各静止荷重時間において5回ずつ行い,平均を取った.静止荷重0sにおける関節の摩擦係数(平均値±標準偏差)は0.017±0.003,静止荷重150sにおける関節の摩擦係数は0.127±0.113,静止荷重300sにおける関節の摩擦係数は0.217±0.194,静止荷重600sにおける関節の摩擦係数は0.344±0.228であった.静止荷重0sにおける接触領域は42.2mm^2,静止荷重150sにおける接触領域は52mm^2,静止荷重300sにおける接触領域は62.6mm^2,静止荷重600sにおける接触領域は74.4mm^2であった.荷重時間後,摩擦時の接触圧力は集中する傾向がみられた.ロボティクスを応用した実験系に圧力分布を実時間で計測するセンサを組み込んだシステムを構築することにより,軟部組織を温存した動物関節の生理的条件下に近い状態での圧力測定を行った.ウサギ膝関節を対象とした測定を行い,外傷治療として行われる半月板切除術の大腿脛骨関節面への影響を検討した.ロボットアーム(RV-1A,三菱電機),6軸力センサ(IFS 67M25A-I40,JR3),圧センサ(I-SCAN10×10 H2.5,ニッタ)を組み込んだ実験系を構築した.ロボットアームの位置を測定座標にて固定し,その際検出される荷重と圧力をリアルタイムで計測した.初期荷重を10Nとし,荷重直後,150s後,300s後,600s後,1200s後の荷重と圧力を計測した.試料は日本白色家兎(11週齢オス,体重2.5kg, n=7)の膝関節を使用した,屠殺後,膝関節部分を切り出し,-40°Cで保存した.実験開始直前に解凍し,皮膚,筋肉などの半月板,靭帯以外の軟部組織を除去した.大腿骨,脛骨の骨幹部で骨切りし,脛骨側試験片をセンサ側に,大腿骨側試験片をロボットァームに固定した.膝関節の初期位置を目測によって決定し,その座標をコンピュータに記憶させた.関節に半月板を残した状態で靭帯や軟部組織を除去し,試験器にセットした.膝関節の間にシート状の圧力センサを挟み,初期位置からセンサ出力10N程度まで垂直方向に力を加え,力が安定したときの座標をコンピュータに記憶させた.荷重姿勢を保ったまま,荷重直後,2.5分後,5分後,10分後,20分後の圧力分布と全荷重をリアルタイムで計測した.5回の繰り返し実験の後に,半月板を切除し,同様の測定を行った.
飛翔体衝突による粉粒体のクレーター形成メカニズム及び力学的支配因子の解明

飛翔体が粉粒体の表面に衝突した時のクレーター形成については未解明な点が多い.本研究では,種々の形状・材質の飛翔体が粉粒体の表面に衝突した際のクレーターのサイズおよびその条件について,主に実験により詳しく調べた.特にあまり調べられていない斜め衝突時の挙動について詳しく調べ,クレーターサイズや貫入条件についての実験式を提案した.さらに,飛翔体の形状がクレーター形成に与える影響について調べた.飛翔体が粉粒体の表面に衝突した時のクレーター形成については未解明な点が多い.本研究では,種々の形状・材質の飛翔体が粉粒体の表面に衝突した際のクレーターのサイズおよびその条件について,主に実験により詳しく調べた.特にあまり調べられていない斜め衝突時の挙動について詳しく調べ,クレーターサイズや貫入条件についての実験式を提案した.さらに,飛翔体の形状がクレーター形成に与える影響について調べた.四角形容器(塩ビ製,縦40cm×横30cm×高さ20cm)にランダム充填した球の集合体を粉粒体モデルとして用い,その上表面の中心に球状飛翔体を衝突させ,クレーター形成の挙動を,二台の高速度ビデオカメラ(側面からと上方から)による撮影および三次元離散要素法によるシミュレーションにより,詳細に調べた。平成19年度は,密度,直径の影響を調べるために,粉粒体の球に,プラスチック球(直径6mmで0.12g,0.25g,0.33g)およびガラスビーズ(直径1.7mm)を用い,飛翔体として,鋼球(直径9mm,11.1mm,12mm)および直径11.1mmのアルミナセラミックス球,真鍮球を用いた。粉粒体表面のクレーター形成のメカニズムを詳細に調べるために,飛翔体の衝突速度(125m/s)と衝突角度(0°65°)も変化させた。その結果,衝突速度にほとんど関係することなく,衝突角度と共に,飛翔体は粉粒体への貫入から,跳ね返りに遷移していき,その遷移域付近に,飛翔体が粉粒体の表面に沿って水平に進む現象が生じる角度領域が存在した。そこで,飛翔体と粉粒体を構成する粒子の直径比と密度比を用いて,その遷移角度に関する実験式を提案した。一方で,飛衝突後の飛翔体の挙動(貫入もしくは跳ね返り)とクレーターの形には密接な関係があったが,飛翔体と粉粒体の密度比が大きくなると,衝突角度がクレーター形状に与える影響が明確になり,密度比が小さくなると影響は明確ではなくなった。また,飛翔体が貫入した場合,衝突角度が最終的なクレーターの大きさに与える影響はあまり大きくなく,過渡的なクレーターの大きさには影響を与えることが,離散要素法シミュレーションから分かった。塩化ビニル製容器(400mm×300mm×高さ200mm)にランダム充填した粉粒体に対し,その表面の中心に球状飛翔体を衝突させ,クレーター形成の挙動を,二台の高速度ビデオカメラ(側面からと上方から)による撮影により,詳細に調べた.実験において飛翔体と粉粒体の密度の比,直径の比を変化させ,飛翔体が貫入する臨界角度(貫入臨界角度)およびクレーターの形状に与える影響を調べ,実験式の構築を行った.粉粒体として,プラスチック球(直径6mmで0.12g,0.25g,0.33g),ガラスビーズ(直径1.7mm)および3号ケイ砂を用い,飛翔体として,鋼球(直径620mm)および直径11.1mmのアルミナセラミックス球,真鍮球を用いた.飛翔体と粉粒体の密度の比は最も重要な因子であり,貫入臨界角度に対し,密度比の0.5乗に比例した.直径比の影響はプラスチック球とガラスビーズを用いた結果とケイ砂を用いた結果で傾向が異なり,それぞれの実験結果を用いて実験式を構築した.傾向が異なる理由は不明であるが,特性のうち両者で主に違うのは,安息角もしくは形状係数であるため,それら関係していると思われるが今後さらなる検討が必要である.また,飛翔体の形状の影響を調べるため,同じ質量もしくは形状の飛翔体を用いた.球と同じ質量の円柱(先端が平面もしくは球形)と,中空した円柱を用いて調べた.その結果,貫入臨界角度に対しては飛翔体の先端形状(先端面積)に主に依存し,質量の影響の方が小さいことがわかった.またクレーターの形状は,円柱形の飛翔体の場合,中央丘型クレーターとなり,球形の場合と異なる結果であった.
反応親和度の解析による糖鎖反応構造の推定

今まで少数の糖鎖とサンプル間に着目されてきた糖鎖研究は,近年の技術進歩により糖鎖とそれに反応するサンプルの大規模な観測が可能となり,新時代を迎えている.その一例が機能糖鎖オミックスコンソーシアム(Functio nal Glycomics C onsortium ; FGC)であり,現在同コンソーシアムのWebサイトには3000を超えるサンプルにする反応情報が蓄積されている.この大きなFGCデータベースは我々に糖鎖反応に関する俯瞰的な様子を見せてくれ,このデータを用いて様々な糖鎖とサンプルの反応に関する仮説が導きだされることが期待できる.本研究ではこの仮説検証に向け, 2つの手法を開発し評価した.第一に糖鎖アレイの反応データに着目をしたクラスタリング手法である.クラスタリングは類似の反応を示すサンプルもしくは糖鎖をグループ化するアルゴリズムであり,類似した反応を示すサンプルは同一のグループに,また,類似の反応を示す糖鎖は同一のグループに集めることが可能である事を示した.次に,サンプル(タンパク質)との反応に関与する糖鎖の部分構造を抽出する手法の開発を行った.サンプルが糖鎖に反応する際,糖鎖構造全体を認識する事は少なく,糖鎖の部分的な構造が重要である.本研究では,組み合わせ論的なアプローチによって,糖鎖の持つ部分構造の組み合わせと反応するサンプルの関係を調査するアルゴリズムを開発し,インフルエンザやガレクチンが認識する可能性の高い部位を特定した.今まで少数の糖鎖とサンプル間に着目されてきた糖鎖研究は,近年の技術進歩により糖鎖とそれに反応するサンプルの大規模な観測が可能となり,新時代を迎えている.その一例が機能糖鎖オミックスコンソーシアム(Functio nal Glycomics C onsortium ; FGC)であり,現在同コンソーシアムのWebサイトには3000を超えるサンプルにする反応情報が蓄積されている.この大きなFGCデータベースは我々に糖鎖反応に関する俯瞰的な様子を見せてくれ,このデータを用いて様々な糖鎖とサンプルの反応に関する仮説が導きだされることが期待できる.本研究ではこの仮説検証に向け, 2つの手法を開発し評価した.第一に糖鎖アレイの反応データに着目をしたクラスタリング手法である.クラスタリングは類似の反応を示すサンプルもしくは糖鎖をグループ化するアルゴリズムであり,類似した反応を示すサンプルは同一のグループに,また,類似の反応を示す糖鎖は同一のグループに集めることが可能である事を示した.次に,サンプル(タンパク質)との反応に関与する糖鎖の部分構造を抽出する手法の開発を行った.サンプルが糖鎖に反応する際,糖鎖構造全体を認識する事は少なく,糖鎖の部分的な構造が重要である.本研究では,組み合わせ論的なアプローチによって,糖鎖の持つ部分構造の組み合わせと反応するサンプルの関係を調査するアルゴリズムを開発し,インフルエンザやガレクチンが認識する可能性の高い部位を特定した.糖鎖は細胞表面に付着し,ウイルスや薬剤の認識に関わる重要な因子である.しかし,構造が木構造を成し複雑であること,またゲノムには糖鎖構造に関する情報は書かれておらず,機能解明は困難を極めている.この困難を乗り越えるため,本研究では近年発達してきた300を超える糖鎖に対し化合物の結合度合いを調査できる糖鎖アレイのデータを利用し,糖鎖構造と化合物の反応予測を行うデータマイニング技術を確立することで,糖鎖の化合物・ウイルス反応部位を特定する.本研究により,ドラッグデリバリーの効率化,ウイルス感染の予防と特定の効率化が期待できる.本研究は,木構造と多次元数量ベクトルを扱い,かつその組み合わせを考えなければいけないため,チャレンジ性の高い研究である.平成22年度は,糖鎖反応親和度と糖鎖構造の相関解析を行った.まず,文書類似性の判定などで用いられるコサイン距離等の距離法,また,ウォード法などなどの基本的なクラスタリング手法を用いることで糖鎖間及びサンプル間で類似したものが抽出できるかを確かめた.この結果,類似したサンプルにも関わらず相関が薄い物が散見された.来年度は,より類似したサンプルが抽出できるよう非線形空間の導入を行う.次に制約付きクラスタリング手法を用いて関連する糖鎖構造の同定を行った.これにより,インフルエンザB型が認識すると知られている部位を自動的に同定することに成功した.今後はより多くの認識部位を特定していく.第三にこれら解析結果を一般に提示できるようWebサーバの開発をおおなった.しかし,現段階ではまだユーザビリティの低い状態なので生命科学者や化学者に対しても見やすくできるよう開発をすすめる.糖鎖は細胞表面に付着し,ウイルスや薬剤の認識に関わる重要な因子である.しかし,構造が木構造を成し複雑であること,またゲノムには糖鎖構造に関する情報は書かれておらず,機能解明は困難を極めている.この困難を乗り越えるため,本研究では近年発達してきた300を超える糖鎖に対し化合物の結合度合いを調査できる糖鎖アレイのデータを利用し,糖鎖構造と化合物の反応予測を行うデータマイニング技術を確立することで,糖鎖の化合物・ウイルス反応部位を特定することを目標とした.本研究では2つの手法を開発し評価した.第一に糖鎖アレイのデータにのみ着目をしたクラスタリング手法である.クラスタリングは類似の反応を示すサンプルもしくは糖鎖をグループ化するアルゴリズムであり,類似した反応を示すサンプルは同一のグループに,また,類似の反応を示す糖鎖は同一のグループに集めることが可能である事を示した.鳥や豚のインフルエンザはそれぞれ特徴的な糖鎖に結合する事が知られているが,本アレイの情報を用いてもインフルエンザによって異なる糖鎖に反応することを示すことができた.これにより,本結果を利用することで異なる糖鎖構造を有していても類似のサンプルに反応する場合などを発見する事が可能となった.

次に,サンプル(タンパク質)との反応に関与する糖鎖の部分構造を抽出する手法の開発を行った.サンプルが糖鎖に反応する際,糖鎖構造全体を認識する事は少なく,糖鎖の部分的な構造が重要である.主として末端構造が重要であるが,分岐などを認識しているケースも存在する.本研究では,組み合わせ論的なアプローチによって,糖鎖の持つ部分構造の組み合わせと反応するサンプルの関係を調査するアルゴリズムを開発し,インフルエンザやガレクチンが認識する可能性の高い部位を特定した.
聴覚におけるストループ効果の研究

ストループ効果とは、色と文字の意味が一致していないカラーワードに対して、被験者に色の反応を求めたとき、色と文字の認知の間に干渉が生じ、反応時間が増大するという視覚心理学の分野における効果である。この研究の目的は、「色」と「文字の意味」に対して、絶対音感保有者の認知する歌声の「音高(音名)」と「意味(単語)」を対応させ、聴覚の分野においても視覚におけるストループ効果と同様の効果が生じるかどうかを調べることである。音声刺激としては歌手に1オクターブ内のハ長調のド音からシ音までの音高をもつ7音をそれぞれ、ド、レ、ミ、ファ、ソ、ラ、シ、という単語(発音)で発声してもらったものを用いた。被験者は絶対音感を保有している音楽専攻学生である。実験方法としては、被験者は音声刺激を聴取し、できるだけ速く音刺激の音高を口頭で答えた(音高反応)。音声刺激の始めから口頭反応の始めまでの反応時間(RT)を測定した。次に、音名にかかわらず、発声した単語をそのまま答えさせる実験(単語反応)も行った。実験結果のうち、音高反応に関しては、すべての被験者について、音声刺激の音名と発声した単語の一致した条件における反応時間RTsは異なった条件における反応時間RTdよりも有意に短かかった。単語反応についてもほとんどの被験者について、RTs<RTdとなったが、全体的には有意差はなかった。なおこの研究は、平成11年9月に日本音響学会、11月に日本音楽知覚認知学会のそれぞれの研究発表会で発表した。さらに平成12年8月に英国で開催される第6回音楽知覚認知国際会議において発表する。ストループ効果とは、色と文字の意味が一致していないカラーワードに対して、被験者に色の反応を求めたとき、色と文字の認知的葛藤により、反応時間が増大するという興味ある効果である。これまでに、ストループ効果は視覚の分野だけで研究されており、聴覚の分野ではこの効果に対応する現象は見い出されていない。この研究においては、聴覚の分野でストループ効果と対応させることができる研究として、色と文字の意味に対して、絶対音感保有社の知覚する音高(音名)と発声の意味を対応させた。ここで、音名と発声の意味の認知的葛藤があれば反応時間は増大し、なければ反応時間は音名と発声の意味が一致する場合と同じになることが予想される。今年度は、まずパソコンと音編集ソフトを用いて、音声刺激の録音編集システムおよび反応時間測定システムを構成した。音声刺激としては、男性歌手に1オクターブ内のド音からシ音までの7音をそれぞれ、ド、レ、ミ、ファ、ソ、ラ、シ、という発音で発声してもらった。これらの49音をランダムな順序に編集し、さまざまな程度の絶対音感を有する被験者に聴取させ、できるだけ早くその音名を答えさせ、反応時間を測定した。その結果、一般的には音名と発声の意味の認知的葛藤があり、かなりの聴覚的ストループ効果が認められた。しかし、個人差がかなりあり、とくに絶対音感能力の大小が結果に大きな影響を与えた。現在、被験者の人数と種別(絶対音感能力の大小)を増やして実験を行っている。通常、ストループ効果とは、色と文字の意味が一致していないカラーワードに対して、被験者に色の反応を求めたとき、色と文字の認知の間に葛藤が生じ、反応時間が増大するという視覚心理学の分野における興味ある効果である。しかしこれまでに、聴覚心理学の分野ではストループ効果に対応する現象は見い出されていなかった。ここでは、色と文字の意味に対して、絶対音感保有者の知覚する音高(音名)と発声した声の意味(音声)を対応させ、聴覚の分野においても視覚におけるストループ効果と同様の効果が生じるかどうかを調べた。本年度は、音声刺激としては、男性歌手と女性歌手1人づつに1オクターブ内のド音からシ音までの7音をそれぞれ、ド、レ、ミ、ファ、ソ、ラ、シ、という発音で発声してもらいこれらを録音した。これらの49音をパソコンによりランダムな順序に編集し、さまざまな程度の絶対音感を有する多数の被験者に聴取させ、できるだけ早くその音名を答えさせ、反応時間を測定した。その結果、音名と発声の意味(音声)の認知的葛藤すなわち聴覚的ストループ効果がかなり生じていることを明らかにした。さらに実験刺激は同じであるが、単に音名だけを答えるのではなく、発声した声の意味(音声)も答えさせたところ、さらに認知的な葛藤は大きくなった。また、音声-音名の順に答えさせるよりも、音名-音声の順に答えさせた方が、葛藤は大きくなった。

実験方法としては、被験者は音声刺激を聴取し、できるだけ速く音刺激の音高を口頭で答えた(音高反応)。音声刺激の始めから口頭反応の始めまでの反応時間(RT)を測定した。次に、音名にかかわらず、発声した単語をそのまま答えさせる実験(単語反応)も行った。実験結果のうち、音高反応に関しては、すべての被験者について、音声刺激の音名と発声した単語の一致した条件における反応時間RTsは異なった条件における反応時間RTdよりも有意に短かかった。単語反応についてもほとんどの被験者について、RTs<RTdとなったが、全体的には有意差はなかった。なおこの研究は、平成11年9月に日本音響学会、11月に日本音楽知覚認知学会のそれぞれの研究発表会で発表した。さらに平成12年8月に英国で開催される第6回音楽知覚認知国際会議において発表する。
超臨界降着による宇宙論的ブラックホール形成過程の解明

研究課題「超臨界降着による宇宙論的ブラックホール形成過程の解明」に向けて、本年度行ったことは、一般相対論的輻射流体計算コードの開発である。宇宙論的な巨大ブラックホール形成過程の解明にはブラックホール降着円盤の理論的研究が不可欠であるが特に、謎に包まれた超巨大ブラックホールの成長過程の一つの可能性である超臨界降着を研究するにあたっては輻射がガスダイナミクスに与える影響を無視できない。そのため近年、輻射流体シミュレーションにより超臨界降着流の理論は研究されて来たが、光子の振動数がガスダイナミクスに与える影響を考慮したような計算はほとんど行われていない。そこで、我々は振動数依存型の一般相対論的光子Boltzmann輻射輸送計算コードを作成を目指した。このコードでは光子の運動量空間分布を解くため、これまで良く使用されてきたM1法(これは光子の運動量空間の情報をかなり落とした流体近似のようなもの)では正確に解くことができなかった光学的厚さが1程度のガス領域を正確に記述できる。特にこのような領域ではアウトフローの加速やコンプトン散乱によるスペクトルの変化などが起こり始める領域であるため、これらを正確に解くことは非常に重要だと考えられる。このようなコードを実装するにあたり、ガスと輻射の相互作用、特にコンプトン散乱の扱いが非常に難しいため、散乱過程を光子モンテカルロ法による散乱計算結果を用いてテーブル化し、Boltzmannコードに組み込むような工夫を行った。本年度はテスト計算のみで終了してしまったが、テスト計算ではスペクトル計算など正確に行えることが確認できた。次の計算では実際に超臨界降着円盤にこのコードを適用し、円盤のどこでどのようにスペクトルが変化し、結果どのようなスペクトルが円盤から放射されるのかということを研究して行く予定である。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。研究課題「超臨界降着による宇宙論的ブラックホール形成過程の解明」に向けてまずすべきことは、単独のブラックホールへの降着現象の解明である。宇宙初期ブラックホールの成長と降着現象は非常に密接に関わっているとされているため、ブラックホールの成長を語る上で単独のブラックホールへの降着現象の特徴、観測可能性などの諸々の性質などの解明が不可欠である。その中でも特に非常に高い降着率をもつ超臨界降着現象が宇宙論的超巨大ブラックホールを形成する上で最重要であるとされている。単独ブラックホールへの超臨界降着現象の解明のために、まず2次元輻射流体計算コード(Kawashima et al. 2009)を用いて単独ブラックホールに降着するダイナミクスを追った。今回特に注目したのは超臨界降着円盤が観測される角度によってどのような天体として観測されるかということである。降着円盤に供給される質量流入率を変えた複数のモデルで輻射流体計算を行い、その結果、エディントン降着率の300倍程度の質量降着率をもつ超臨界降着円盤は円盤方向から観測すると0.1keV程度の非常にsoftで熱的なX線スペクトルを、円盤垂直方向から観測すると1keV以上のhardで非熱的なX線スペクトルを示すことが示唆された。この結果は、超高光度X線源(非常に高いX線光度をもちhardなスペクトルを持つ天体)と超高光度軟X線源(非常に高いX線光度を持ちhardなスペクトルを持つ天体)を超臨界降着円盤一つで統一的に理解する描像を計算により定量的に支持した初めての例となった。現在発見されている高光度X線天体の統一理解に一つの説得力を与えた点でも意義の有る研究であると言える。研究費のお陰で特に困ること無く共同研究や国際学会に参加できているので順調である。研究課題「超臨界降着による宇宙論的ブラックホール形成過程の解明」に向けて、今年度行ったことは連星をなしているブラックホールの周りの円盤とその周りに与える影響の調査である。近年、重力波天体が次々に見つかりブラックホール同士あるいはブラックホールに限らないコンパクト天体同士の連星が存在し、明らかにそれが重力波を放出しながら合体しているということが確認された。コンパクト天体同士の連星系は合体前後の短い時間では数値相対論の文脈でよく計算されてきたが、重力波放出による角運動量の引き抜きの寄与が少ない遠方(1pc程度)の計算はあまりなされておらず、周りのガスの運動がどうなるのか、その天体はどのようなスペクトルで観測されるのかはあまり理解されていない。そこで昨年度は、Fositeと呼ばれる流体計算コードを用いて連星ブラックホールの周りのガス円盤、特に超臨界降着をしているガス円盤のシミュレーションを行った。その結果、連星ブラックホールを囲むような周連星円盤、それに加えてそれぞれのブラックホールの周りに小さな降着円盤が出来ることが分かり、その特徴的な時間変動が周連星円盤の内縁でのケプラー角速度で決まっていることを突き止めた。さらに、超臨界降着円盤であるのでそれぞれのブラックホールの円盤からの輻射圧駆動型のアウトフローが期待できるため、アウトフローの運動を運動方程式を解く事により計算した。その結果、それぞれの降着円盤から噴出したアウトフローは連星の中間に衝撃波領域を作り、その領域からのX線放射が期待されるということも分かった。

超臨界降着している連星ブラックホールは円盤からの放射に加え、衝撃波領域からの非常に硬いX線が観測されることが期待され、加えて周期変動も示すため、もしこのようなスペクトル、時間依存性が観測されればそれが超臨界降着している連星ブラックホールであるという根拠になると言える。2017年度は天文若手夏の学校というイベントの主催校でしばらくそちらにかかりきりになってしまったが、共同研究者の助力もあったお陰でそれなりの結果は残すことはできた。研究課題「超臨界降着による宇宙論的ブラックホール形成過程の解明」に向けて、本年度行ったことは、一般相対論的輻射流体計算コードの開発である。宇宙論的な巨大ブラックホール形成過程の解明にはブラックホール降着円盤の理論的研究が不可欠であるが特に、謎に包まれた超巨大ブラックホールの成長過程の一つの可能性である超臨界降着を研究するにあたっては輻射がガスダイナミクスに与える影響を無視できない。そのため近年、輻射流体シミュレーションにより超臨界降着流の理論は研究されて来たが、光子の振動数がガスダイナミクスに与える影響を考慮したような計算はほとんど行われていない。そこで、我々は振動数依存型の一般相対論的光子Boltzmann輻射輸送計算コードを作成を目指した。このコードでは光子の運動量空間分布を解くため、これまで良く使用されてきたM1法(これは光子の運動量空間の情報をかなり落とした流体近似のようなもの)では正確に解くことができなかった光学的厚さが1程度のガス領域を正確に記述できる。特にこのような領域ではアウトフローの加速やコンプトン散乱によるスペクトルの変化などが起こり始める領域であるため、これらを正確に解くことは非常に重要だと考えられる。このようなコードを実装するにあたり、ガスと輻射の相互作用、特にコンプトン散乱の扱いが非常に難しいため、散乱過程を光子モンテカルロ法による散乱計算結果を用いてテーブル化し、Boltzmannコードに組み込むような工夫を行った。本年度はテスト計算のみで終了してしまったが、テスト計算ではスペクトル計算など正確に行えることが確認できた。次の計算では実際に超臨界降着円盤にこのコードを適用し、円盤のどこでどのようにスペクトルが変化し、結果どのようなスペクトルが円盤から放射されるのかということを研究して行く予定である。今後の研究には2つの柱が有り、それは(1)連星ブラックホールの周りの降着現象の解明と理解(2)一般相対論的輻射流体計算とスペクトルである。(1)はキール大学(ドイツ)のTobias Illenseer氏との共同研究であり、前年度、前前年度と同様に今年度もまたキール大学に赴き研究の打ち合わせをする予定である。前年度までで2次元計算までのコードは完成しており、今年度の目標は、(a)アウトフローが作る衝撃波領域の観測可能性の検証と(b)3次元計算の2つである。(a)に関しては2次元計算から分かった円盤の大まかの構造を元にアウトフローの量と軌道、どこで衝突するかなどを計算し衝撃波領域の大きさやその光度などを定量的に計算することを目指している。(b)に関してはTobias氏と共同でコードを書き換え3次元計算に対応できるようにすることを目標としている。(2)に関しては国立天文台の大須賀健氏、高橋博之氏との共同研究で振動数依存型の一般相対論的輻射流体コードを作成している。こちらはShibata et al. 2011を参考に振動数依存型の輻射モーメントの従う方程式を解くコードを目指している。
琵琶湖湖底ベント孔近傍に集群するミジンコと共生する微生物群集のメタゲノム解析

琵琶湖北湖の定点(水深90m)において、0-30mと60-90mからDaphniaを採取し、体躯、腸管、排泄物に分けてその細菌組成を調べた。全ての試料から全DNAを抽出し、古細菌および真正細菌の16S rDNA V4領域を標的として2-step PCRによりライブラリーを作成した。全ての試料からGenusレベルで150以上のOTUが検出され、Daphnia体内外の細菌群集組成は極めて高い多様性を示すことが分かった。古細菌は検出されず、メタン酸化細菌との関連は示せなかった。Orderレベルでクラスター解析した結果、体躯、腸管、排泄物に関連した細菌組成はそれぞれ特徴的な組成を示すことが分かった。琵琶湖北湖中央部定点において、水深30mからのプランクトンネット(口径30cm、目合い0.1mm)の鉛直曳きにて動物プランクトン試料を採取し、これよりEodiaptomus japonicusを10個体,Daphnia galeataを10個体そしてJesogammarus annandaleiを3個体ソートした。これらをホモジナイズした後、Takara Fast DNAキットを用いて全DNAを抽出して分析した。E. japonicusおよびD. galeataからは150ng, J. annandaleiからは55ngのDNAを得ることができた。16D rDNA V4領域をターゲットとした真正細菌および古細菌特異的プライマーを用いてPCRを行い、おのおののライブラリーを作成した。Miseqによりライブラリーの塩基配列を決定し,FLASH(ver1.2.10)を用いてペアエンド結合を行った後,Qiime(ve.1.9.0)により群集構造解析を行った。その結果、古細菌の配列は全く見られず、構築したライブラリーにメタン生成菌の存在を確認することはできなかった。一方、真正細菌特異的プライマーによるライブラリーからは、すべてのサンプルから大量のゲノム配列を得ることができた。これらの配列には、Kojima et al. (2914)によって酸素濃度の低い亜熱帯湖沼深層における優占菌であることが確認された脱窒メタン酸化細菌の配列が含まれていた。これまでに本菌は溶存酸素が枯渇し、メタンが供給されると考えられる水深90m付近での優占が明らかとなっている。また、E. japonicusとD. galeataからの細菌群集構造は、J. annandaleiからのそれより類似していた。研究はおおむね順調に進んでいる。採集した動物プランクトンの体表面の滅菌および、それらから腸管のみを分離することも可能となった。しかし、結果から一般細菌のコンタミネーションを特定する方法はまだ確立されていない。また、湖底直上のミジンコ群集を採集するに至っておらず、今年度の課題である。琵琶湖北湖沖(35°21,837'N、136°06,127'E、水深92.2 m)において,閉鎖式プランクトンネット(網目450μm、口径45cm)の鉛直曳きにて,6月は0-30mと60-90m,8月は60-90mから動物プランクトンを採集した。得られたサンプルからDaphniaのみを取り出し,半数の個体に関しては排泄物排出のために,スターチを添加した培養水中にて一時間放置した。さらに一部の標本については実体顕微鏡下にて解剖し,腸管のみを取り出した。1Daphnia個体全体(スターチ処理と未処理),2Daphnia腸管(スターチ処理と未処理),3Daphnia排泄物(スターチ処理と未処理),および4湖水のそれぞれからSoil DNA Isolation Kit(NORGEN Biotek Corp)を用いて全DNAを抽出した。古細菌および真正細菌の16S rDNA V4領域を解析対象としてMiseq Illuminaにてメタゲノム解析を行った。その結果,1ー3のすべてのサンプルから,Genusレベルで150以上のOUTが検出され,Daphniaの体内外の細菌群集組成は高い多様性を有することが明らかになった。すべてのOUTが細菌もしくはシアノバクテリアと高い相同生を示し,古細菌は全く見られなかった。また,OUTが最も多かったのは,4の湖水であった。Orderレベルでクラスター解析をした結果,1,2および3は,それぞれクラスターに分かれた。このことから,細菌群集は体外,腸管内,排泄物それぞれに特徴的な組成であることが明らかとなった。また,3の排泄物中の細菌組成は,12のそれとは大きく異なり,季節や深度を問わず約50-85%をBacillalesが占めた。一方,12および4においてはBacillalesは数%程度の組成にとどまり,Burkholderialesが最も優占していた。

今年度は、まず結果に混在する一般細菌を動物プランクトンとの共生細菌から分離する方法の確立を目指す。これによって、琵琶湖に生息する動物プランクトンに共生する細菌組成を明らかにすることができる。また、今回解析を行ったすべての生物試料は表層から採取したものであった。今年度は、湖底直上から動物プランクトンサンプルを採取し、これらの共生細菌叢を明らかにする予定である。これらが達成されることによって、琵琶湖における動物プランクトンの共生細菌叢を明らかにすることができ、メタンの生成や酸化に関与する微生物群集が動物プランクトンとの共生関係にあるのか確かめることができ、メタンを出発点とする食物網の可能性を探る一助となるものと期待される。水圏生態学悪天候などにより、当初予定していたより調査回数が少なかったため、それにかかる調査補助、試薬、サンプル処理費用が少なく済んだため、この余剰分を次年度へ繰り越した。今年度は、前年度より頻度高くサンプルを採取するため、それにかかる調査補助、試薬、ゲノム解析費用が発生する。昨年度繰越金はこれらに充当されることとなる。