hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
制約充足問題の最適解近似アルゴリズムを高速化する制約条件の簡単な識別方法

制約充足問題は、与えられた制約条件を満足する解を求める問題であり、日常現れる問題の一種である。制約充足問題を効率良く解くアルゴリズムと制約条件の関係を解析し、アルゴリズムの効率化が可能となる制約条件の種類・形状を発見し、未解決であった解の値の総和を近似するブール変数を有する数え上げ制約充足問題の完全な分類を行った。また、数え上げ制約充足問題の2極値定理の応用として、リスト行列グラフ分割数え上げ問題の分類に成功した。更に、理論的な多項式時間計算と異なり、より現実的な対数記憶領域計算モデルや、記憶デバイスをスタック方式に限定した計算モデルを使い、組み合わせ最適化問題に新たな研究領域を切り開いた。○平成25年度で2年目となる本研究では、初年度に引き続き、最適化問題の一般的な解法アルゴリズムと時間・領域計算量の分析を行った。○最適化問題の計算量分析では、新たに最適化問題の対数領域計算可能性に取り組んだ。まず、日常使用される携帯やタブレット端末のような矮小メモリーを持つ計算機モデルで、最適化問題の解法アルゴリズムの効率を論じる。これまでの多項式時間計算量の概念では分類不可能な最適化問題に対し、新たに対数領域計算の概念を導入することで、より詳細な分類を可能にした。本研究の特筆すべき点は、より精密な論理回路還元性の概念を用いた新しい分類方法を確立し、分類の精度を飛躍的に上げたことである。この研究成果は2013年12月に中国成都で開催された国際会議ISAAC 2013で発表した。○多項式時間計算機モデルを用いた研究では、近年完成された制約充足問題の分類の応用として、無向グラフのリスト分割数え上げ問題を取り扱い、Oxford大学の研究グループとの共同研究で完全な分類を行った。中でも、与えられた制約条件の形状にグラフを分割可能か否かを判定する問題は、リスト分割問題と呼ばれ、殊に応用範囲が広い。この成果の優れた点は、制約充足問題に帰着することで、全てのリスト分割数え上げ問題の計算量の分析が初めて可能となり、これにより、問題の完全な分類を得ることが出来た。この結果は2014年6月にバンクーバーで開催される国際会議CCC 2014で発表する予定である。○更に固定長メモリーの小型計算機端末の計算機モデルを用いて、解法アルゴリズムの複雑さの分析を行った。この分析のために、固定領域計算に初めて還元性の概念を導入し、これによって、還元性の適応回数によって問題の難しさを分類することが可能となった。この結果は、2014年1月にスロバキアで開催された国際会議SOFSEM 2014で口頭発表を行った。制約充足問題は、一般に、多変数に関する「制約条件」を全て満たす「解」についての問題であり、本研究では特に、ブール変数を持つ制約充足問題の最適解を近似的に求めるアルゴリズムの効率を議論する。この研究成果は多くの実用的な制約充足問題への応用が見込まれている。本研究の遂行には、まず近似解を求める効率的アルゴリズムが存在する制約条件の種類を明確にする必要がある。初年度(2012年度)の研究では、これまでの研究成果に基づいて、まず、「重み付き制約充足問題」の解の総数を近似的に求める高速アルゴリズムが存在する制約条件の種類を考察した。これまで、正の有理数の値をとる制約条件についての結果が知られていたが、本研究では制約条件の取れる値を複素数まで拡張した。特に今回は、一変数に関する制約条件を全て使用可能とする仮定(このような問題は「保守的な制約充足問題」と呼ばれる)の下で、複素数値を取りえる制約条件を有する制約充足問題について、その解の総数を近似的に求める多項式時間アルゴリズムが存在するために制約条件の満たすべき必要十分条件を決定し、この条件を満たさない制約充足問題は全て「#P完全」になることを証明した。ここで#P完全とは、効率的な方法では解が得られないことを意味している。更に、各々の制約条件がk変数(「次数」と呼ばれる)しか使用しない特別な状況下では、次数3以上の制約充足問題は全て次数3の場合に帰着されることを示した。これらの結果に引き続き、保守的でない制約充足問題について考察した。これは長らく未解決の問題であり、本研究では制約条件が実数値を取りまた「対称形」である場合について、制約充足問題の解の総数の効率的な近似アルゴリズムが存在するために制約条件が満たすべき必要十分条件を示した。この結果によって、現実の制約充足問題を取り扱うソフトウェア開発が今後容易になることが期待される。○与えられた制約条件を満たす最適解に関する「制約充足問題」は、極めて実用性の高い計算問題の一つで有り、これまの研究では、正当な解の総数を求める近似アルゴリズムの計算量の分析と評価を行ってきた。

その応用として、昨年度に引き続き、予め与えられたリスト行列を用いて任意のグラフを同型分割する総数を求める「リスト行列によるグラフの分割数え上げ問題」を考察し、その解法アルゴリズムの計算量を分析した。この分析から、リスト行列の形状の種類に基づき、数え上げ問題の難しさによる分類を行い、またこの分類を計算機で行うことの難しさを論じた。○本研究が考察したこの問題は、Federらによって研究された「リスト行列によるグラフ分割可能性判定問題」を数え上げの観点から再考察したものであり、近年ではHellらがリスト無しの3x3行列によるグラフ分割数え上げ問題の完全な分類を行ったが、一般の行列については未解決である。本研究ではリスト有りの一般的な行列についてグラフの分割問題の研究を行い、数え上げの利点を生かして、特殊な制約条件を満足する制約充足問題の解の総数を求める問題に還元する画期的な手法を用いて、完全な分類に初めて成功した。○「リスト行列によるグラフの分割数え上げ問題」研究は、オックスフォード大学の研究者との2年間に渡る共同研究の成果であり、2014年6月に米国で開催された国際会議CCC 2014で口頭発表を行った。更にこの成果を拡張し、専門誌SIAM Journal on Computingに投稿し、現在までに採択が決定されている。○更に、これまで主に取り扱ってきた多項式時間計算計算の計算能力を弱めた計算機モデルを考察しその性質を分析した。弱い計算モデルとしては特にプッシュダウン・オートマトンに注目し、与えられた問題の複雑さを分析する一般的な理論を構築した。計算量理論、アルゴリズム理論、最適化問題○平成25年度は福井大学大学院情報・メディア工学専攻の専攻長の職務に忙殺されたが、本研究の目標とする制約充足問題の計算量による分類とその応用に関して、新しい成果が得られた。また、共同研究にも力を入れ、イギリス及びドイツの研究者グループと交流を持った。特に、Oxford大学との共同研究は予想外の進展があり、非常に有意義な成果を挙げた。年度末までの研究成果として、国際会議論文3編(その内1編は6月発表予定)と専門誌掲載論文2編が出版された。この国際会議論文は、これから内容を書き足して国際的な専門誌への投稿を予定している。イギリスの研究者グループとは、今後も研究協力を続けていくつもりである。また、ドイツの研究者との共同研究については、今後の成果が見込まれている。○以上の理由から、研究は滞り無く進んでいるものと判断する。本研究は、現実世界で重要な制約充足問題の解を求めるアルゴリズムの効率に関する研究であり、研究初年度に計画していた実数値制約条件を持つ制約充足問題の数え上げに関する証明技術の分析と改良を行った。その結果、制約条件の種類を分類するための基礎的な証明技術が格段に向上した。この技術は今後の研究に必要不可欠なものである。今年1月には、ドイツのダグスツールで開催された数え上げ計算論の知識者会議に招かれ、本研究で得られた数え上げ制約充足問題の成果についての招待講演を行った。また2月には、リバプール大学のGoldberg教授の下を訪れ、彼女の研究グループと短期間ではあるが一緒に研究活動を行った。これは、今後の研究協力への道を開くと共に、本研究の更なる推進に繋がることが期待される。以上の理由から、研究は滞りなく順調に進んでいると判断される。
異なる生物種間を越えて伝播するRNAiの分子育種学的応用研究

RNAiはmRNA発現を特異的に抑制する分子機構であるが、同時に相同なゲノム配列に対してエピジェネティックな影響を及ぼすことが知られている。しかし、このような知見は、RNAiの二次的な影響であると考えられ、本格的な研究が進んでいるとは言い難い。よって我々はRNAiを引き起こした形質転換イネにおいて、そのエピジェネティックな影響について解析を行った。相同なDNA配列には、CpG特異的なDNAメチル化が誘導され、さらにsiRNAが検出されない周りの配列にもDNAメチル化が広がっていることが示された。しかし、CpG配列特異的なde novoDNAメチル化が誘導されているにもかかわらず、このメチル化はOsMet1には非依存的であり、さらに顕著なクロマチン修飾もまた見られなかった。これらのことから、RNAiに伴うエピジェネティックな影響は、DNAメチル化のみであり、同じsiRNAがシグナルとなっているにもかかわらずヘテロクロマチン領域とは大きく異なることが明らかとなった。RNAiは相同なゲノム配列にde novoDNAメチル化を誘導するが、RNAiが起きていない状況において内在のDNAメチル化レベルは一定に保たれている。これは、de novo DNAメチル化と能動的なDNA脱メチル化が起きており、そのバランスが保たれている事による。Arabidopsisでは、このバランスが崩れDNAが高度にメチル化する変異体がいくつか同定されているが、これらの高メチル化領域は、ある一定の領域に保たれており、この配列特異性がどのように決定されるかは未知であった。我々は、ros3変異体の解析を行ったところ、ROS3がRNA結合タンパク質をコードしていることが示された。さらに、ROS3と結合したRNA(低分子量RNA)が、ROS1や他のDMLsによる能動的DNA脱メチル化の配列特異性を決定していることを明らかにした。今後の研究に用いる目的で、誘導型RNAiの開発を行った。エストロゲン処理により発現誘導がかかるpER8というベクターを利用した。そこへ、以前我々が報告したpANDAベクターのGATEWAYを用いたRNAi領域を組み込んだベクターを作成した。このベクターを用いて、誘導型RNAiコンストラクトを作成し、形質転換植物を作成した。これら誘導型RNAiコンストラクトを導入した形質転換植物のスクリーニングを行ったところ、外来遺伝子であるGFPをターゲットとしたもの、内在遺伝子PDSをターゲットにしたもの、それぞれ40-50%の系統で、顕著なRNAiがエストロゲン処理により誘導されることを確認した。さらに、RNAiの分子マーカーでもあるsiRNAについて検出を行ったところ、RNAi誘導時に特異的に顕著なシグナルが観察された。RNAiが誘導されなかった形質転換植物では、siRNAのシグナルが検出されなかったことから、これらの形質転換体では発現誘導がかからなかったと考えられる。次に、誘導型RNAiが観察された形質転換植物を用い、RNAiが誘発される系時的な変化について解析を行った。その結果、エストロゲン処理4時間後には、発現量が約50%にまで減少し、同時にsiRNAのシグナルが検出された。その後、RNAiの効果はさらに強まり、12時間後には発現量は20%以下にまで抑制された。siRNAシグナルも、時間を経るにつれ強度が増し、24時間後にプラトーに達した。しかし、RNAiによる発現抑制効率は12時間後と比べ大きな変化は見られなかった。以上の結果から、非常に低濃度のdsRNAによって、初期過程ではRNAiが誘導されることが示唆された。さらに誘導したRNAiを、エストロゲン非存在培地に移しRNAi誘導を止めた後も、48時間は発現量は20%程度に抑制された状態が維持されることを明らかにした。RNAi誘導から72時間後には、RNAiからの緩やかな回復が観察された。以上の結果から、植物にはRNAiを維持する機構があるにもかかわらず、RNAiのトリガーが不在である条件下ではRNAiからの回復が起きることが示された。以上の結果は、現在投稿準備中である。外部から導入したヘアピン型RNA由来のsiRNA(small interfering RNA)が植物ゲノムに対してどのような影響を及ぼすのか解析を行った。プロモーター領域および遺伝子領域をターゲットとし、RNAi形質転換体を作製し、それぞれのターゲット領域について、DNAメチル化や、クロマチン修飾の変化といったエピジェネティックな影響について解析を行った。その結果、遺伝子領域をターゲットとした場合には、CpG配列特異的なDNAメチル化が検出された。反面、プロモーター領域をターゲットとした場合には、すべてのパターンのシトシン残基が高度にメチル化された。内在の7遺伝子のプロモーター領域をターゲットとしたが、そのすべてのプロモーター領域で、強いde novoDNAメチル化が検出されたが、転写抑制が起きたのは、1遺伝子のみであった。このプロモーター領域には、DNAメチル化の他、ピストンH3の脱アセチル化が観察された。しかし、他の転写抑制が見られなかったプロモーター領域では、ヒストン修飾には変化が認められなかった。遺伝子領域をターゲットとした場合には、すべての場合において、ピストン修飾に違いは検出されなかった。これらのことから、siRNAはどのようなDNA配列においても、CpG配列もしくはすべてのシトシン残基といったパターンの違いはあるが、de novo DNAメチル化を誘導することが明らかとなった。さらに、siRNAによって誘導されるヒストン修飾は、ターゲットとした配列や、ゲノム上での位置によりその修飾が大きく異なることが示唆された。

また、転写が抑制されるためには、DNAメチル化のみでは不十分で、ヒストン修飾が大きな役割を担っていることが明らかとなった。RNAiはmRNA発現を特異的に抑制する分子機構であるが、同時に相同なゲノム配列に対してエピジェネティックな影響を及ぼすことが知られている。しかし、このような知見は、RNAiの二次的な影響であると考えられ、本格的な研究が進んでいるとは言い難い。よって我々はRNAiを引き起こした形質転換イネにおいて、そのエピジェネティックな影響について解析を行った。相同なDNA配列には、CpG特異的なDNAメチル化が誘導され、さらにsiRNAが検出されない周りの配列にもDNAメチル化が広がっていることが示された。しかし、CpG配列特異的なde novoDNAメチル化が誘導されているにもかかわらず、このメチル化はOsMet1には非依存的であり、さらに顕著なクロマチン修飾もまた見られなかった。これらのことから、RNAiに伴うエピジェネティックな影響は、DNAメチル化のみであり、同じsiRNAがシグナルとなっているにもかかわらずヘテロクロマチン領域とは大きく異なることが明らかとなった。RNAiは相同なゲノム配列にde novoDNAメチル化を誘導するが、RNAiが起きていない状況において内在のDNAメチル化レベルは一定に保たれている。これは、de novo DNAメチル化と能動的なDNA脱メチル化が起きており、そのバランスが保たれている事による。Arabidopsisでは、このバランスが崩れDNAが高度にメチル化する変異体がいくつか同定されているが、これらの高メチル化領域は、ある一定の領域に保たれており、この配列特異性がどのように決定されるかは未知であった。我々は、ros3変異体の解析を行ったところ、ROS3がRNA結合タンパク質をコードしていることが示された。さらに、ROS3と結合したRNA(低分子量RNA)が、ROS1や他のDMLsによる能動的DNA脱メチル化の配列特異性を決定していることを明らかにした。
蛍光性を有する中毒物質の臓器内局在の証明に関する研究

薬物中毒の培検材料,特にホルマリン固定された臓器標本や,組織切片標本しか存在しない様な場合にもそれから中毒物質を検出したり,その薬物の局在性を立証する事が,法医中毒学的な検索では重要なことと考えられる.そこで,種々の薬物のうち,アクリノール中毒は培検例を中心に,また他の薬物はモデル実験として動物実験を中心に組織標本で中毒物質の局在性の証明方法について検討した.その結果,アクリノールはそれ自身が蛍光性を示し,さらに取り込まれた細胞内では,核酸と結合するという性質がある為に,ホルマリン固定した臓器の凍結切片だけでなく,パラフィン切片からでさえ,蛍光顕微鏡や顕微蛍光分光法装置を用いることにより容易に検出・同定が可能であった.この方法は強い蛍光性を示す薬物による中毒例,たとえばフルオレッセン投与に伴う急死例にそのまま応用出来たが,それ以外の医薬品中毒の例での蛍光組織化学的な検討は十分出来なかった.一方,蛍光組織化学的な分析での問題は,第一に薬物の蛍光強度は一般に,あまり強くないこと,第二に分析の為に紫外線を照射すると,容易に蛍光強度に低下が見られること,第三に永久組織標本にしにくい事があげられる.したがってこれらの諸問題を解決する為に目的とする薬物の誘導体をハプテン抗原として,抗体を作成し,それを用いた免疫組織化学的手法で中毒薬物を検出するという分析方法を開発した.この方法で薬物の局在性を検索するためには第一に,反応に用いる抗体の特異性の十分な究明と非特異反応の抑制が重要であった.第二に,目的とする薬物が,検体の切片上で,抗体が認識出来る様な形で局在する必要があり,組織固定にはグルタールアルデヒドとパラフォルムアルデヒド混合液を用い, 04°C, 3時間という狭い固定条件が必要であった.薬物中毒の培検材料,特にホルマリン固定された臓器標本や,組織切片標本しか存在しない様な場合にもそれから中毒物質を検出したり,その薬物の局在性を立証する事が,法医中毒学的な検索では重要なことと考えられる.そこで,種々の薬物のうち,アクリノール中毒は培検例を中心に,また他の薬物はモデル実験として動物実験を中心に組織標本で中毒物質の局在性の証明方法について検討した.その結果,アクリノールはそれ自身が蛍光性を示し,さらに取り込まれた細胞内では,核酸と結合するという性質がある為に,ホルマリン固定した臓器の凍結切片だけでなく,パラフィン切片からでさえ,蛍光顕微鏡や顕微蛍光分光法装置を用いることにより容易に検出・同定が可能であった.この方法は強い蛍光性を示す薬物による中毒例,たとえばフルオレッセン投与に伴う急死例にそのまま応用出来たが,それ以外の医薬品中毒の例での蛍光組織化学的な検討は十分出来なかった.一方,蛍光組織化学的な分析での問題は,第一に薬物の蛍光強度は一般に,あまり強くないこと,第二に分析の為に紫外線を照射すると,容易に蛍光強度に低下が見られること,第三に永久組織標本にしにくい事があげられる.したがってこれらの諸問題を解決する為に目的とする薬物の誘導体をハプテン抗原として,抗体を作成し,それを用いた免疫組織化学的手法で中毒薬物を検出するという分析方法を開発した.この方法で薬物の局在性を検索するためには第一に,反応に用いる抗体の特異性の十分な究明と非特異反応の抑制が重要であった.第二に,目的とする薬物が,検体の切片上で,抗体が認識出来る様な形で局在する必要があり,組織固定にはグルタールアルデヒドとパラフォルムアルデヒド混合液を用い, 04°C, 3時間という狭い固定条件が必要であった.本研究においては、薬物の検出について従来の物理化学的方法とともに、酵素抗体法による組織内同定に成功しているので、主としてメタンフェタミン(MA)とフェノバルビタール(PB)の結果について述べる。MA抗体については次の如くにして作成した。まずMAにN-(4-bramobutyl)-phtalimideを加え縮合し、これを単離し加水分解して4-aminobutyl-methamphetamineを作成、次いでglutaraldehydeの存在下でBSAと抱合し、これを抗原としてFreund complete adjuvantとともにウサギに注射した。この抗体はMA、amphetamineに対して反応する他、期待通りbutyl-MAの如き抗原ともcross-reactする。マウス一匹当り1mgのMAを腹腔内に投与し、著しい興奮状態のうちに断頭して直ちに臓器を取出し、各種固定液(メタノール,ホルマリン,glutaraldehyde)により固定し、パラフィン切片及び凍結切片を作成し、酵素抗体法により染色した。結果は、(1)メタノールやホルマリン固定ではMAは組織内に同定されない。(2)glutaraldehydeを含んだ電顕用の固定液はMAの固定には極めて有効である。(3)MAの陽性細胞としては、神経細胞,腎上皮細胞,胃腸管の上皮細胞,マクロファージがある。この陽性反応は抗体にMAを加えることによって完全に中和されるので特異反応とみられる。PBについては、市販の抗PB抗体を用いて、その組織学的検出に成功した。以上の結果から、薬物の組織内同定は酵素抗体法を用いることにより確実かつ正確に施行することが出来、しかも組織内分布の評価は薬理学レベルのそれと同じ程度までになっていることが判明した。これにより薬物の組織化学的分析が飛躍的に向上することが期待できるとともに、薬物中毒の研究を生化学的のみならず、形態学的にも追跡できる道をひらいたことになる。又、市販のすぐれた抗薬物抗体を形態学的に応用することが可能なことをも明らかにした。
FRCプラズマへの定常維持の基礎研究

反転磁場配位(FRC)では回転不安定性とTilt不安定性の二つの巨視的不安定性が致命的と考えられてきたが、前者は多極磁場で抑制可能であり、後者はこれまで観測されていない。それゆえこのFRCではプラズマ輸送機構の問題が将来の展望のためにも最重要かつ早急に解決されるべきものである。一方FRCプラズマはholeーlessであるので、加熱、磁束供給は中性粒子入射等による外部からの手段によらなければならない。本研究ではまずFRCプラズマの一次元MHD輸送シミュレ-シュンを行った。MHD輸送の物理的記述を厳格におこなうことによって正確な解を得ることが可能となった。この結果によればFRC閉じ込め特性はこれまで重要視されてきたs値(MHD的度合いを表す値)には物理的に無関係であり、基本的には古典的(〓r_s^2・Te^<ー3/2>)である。この古典値にr_s/l_s(r_s;プラズマ半径、l_s;プラズマ長)に大きく(2.73.0乗)依存する一次元輸送からみた閉じ込めの異常性が重畳サれる。この異常性は実験装置によって異なり、1(古典的)から15の値になる以上のFRC輸送の考察結果から、FRCプラズマ閉じ込め特性の向上にはl_sを大きくする実験条件を選び、飛躍的向上には従来からのθピンチによるプラズマ生成に加え外部からの追加熱によるTeの増大が最重要であると言える。FRCプラズマの熱流失速度は10数10MWである。中性粒子をプラズマ軸に垂直に入射することにより損失値以上のエネルギ-を供給することによって追加熱をおこなうとともに磁束供給の可能性を調べるという従来からの方式を検討した。その結果軸方向からイオンビ-ムを入射する方式のほうが格段に効率が良いことが判明した。これにしたがい、1kA、50200kV(50200MW)、パルス幅110μsの磁場絶縁型パルスイオンビ-ム発生装置の設計ならびに製作をおこなった。イオンダイオ-ドでの粒子軌道計算より磁場絶縁に対する必要条件を決定した。反転磁場配位(FRC)はポロイダル磁場のみによる高ペ-タのプラズマ閉じ込め配位であるので、その閉じ込め特性(粒子拡散、反転磁束散逸)に関して不明な点が多い、そこで本研究ではまずFRCプラズマにおける粒子・反転磁束の輸送の電磁流体(MHD)近似を用いた数値シミュレ-ションを発展させ、この理論的に求められた古典的プラズマ閉じ込め時間とこれまでの国内外の実験結果を比較検討した。これによって、実験での閉じ込め特性はプラズマのアナペクト比(長さ/半径)が小さくなるに従って急激に悪くなることを示すとともに、この閉じ込め特性の異常性は反転磁束の二次元的拡散(散逸)によることを明らかにした。またプラズマの定常状態維持には『FRCでの粒子拡散と反転磁束散逸のリンケ-ジ』という観点からこの二次元的磁束拡散機構が不可欠であることを明らかにした。このFRCプラズマ定常維持には外部より加熱、反転磁束供給が必要である。本研究では高密度中性粒子ビ-ムを50MW程度の強度でパルス的にプラズマに入射しその効果を検証するとともに、高密度イオンビ-ムのプラズマへの効率的直接入射の可能性を調べることが課題である。本年度はZピンチガンによって生成されたプラズマをイオン源とする幾何学的ビ-ム収束方式、磁場絶縁型イオンダイオ-ドの設計及び製作をおこなった。このダイオ-ドでエネルギ-が50keV,電流が1kA、パルス幅が1μ秒のビ-ム特性が期待できる。このビ-ム出力(50MW)はプラズマからのエネルギ-損失の50倍程度大きい。平成3年度ではイオンビ-ムの収束、中性粒子化、収束ビ-ムのプラズマへの移送を行い、FRCプラズマとの相互作用を調べる。また技術的にはイオンビ-ムの長パルス幅化の可能性を追及していく。

中性粒子をプラズマ軸に垂直に入射することにより損失値以上のエネルギ-を供給することによって追加熱をおこなうとともに磁束供給の可能性を調べるという従来からの方式を検討した。その結果軸方向からイオンビ-ムを入射する方式のほうが格段に効率が良いことが判明した。これにしたがい、1kA、50200kV(50200MW)、パルス幅110μsの磁場絶縁型パルスイオンビ-ム発生装置の設計ならびに製作をおこなった。イオンダイオ-ドでの粒子軌道計算より磁場絶縁に対する必要条件を決定した。
グローバルビジネスパーソンのジャンル別自律英語学習プラットフォーム構築とその検証

本研究の成果は以下の三つである。(1)『ビジネスミーティング英語力』(朝日出版社)の刊行であり、そこで明らかになったビジネスミーティングにおける様々な問題点とその解決策を整理し、ビジネスミーティングにおける役職別の到達目標とそれに至るまでの方策のひな形を作成したこと。(2)ビジネスミーティングの自律学習システムの基盤を準備したこと。(3)国内外の学会で成果発表し、さらには国際シンポジウムを開催することにより、本研究の意味を広く認知させることができ、平成31年12月に刊行予定のRoutledge社からの本においていくつかの章で紹介する足がかりになったこと。研究初年度となる平成26年度は以下の3点を行った。(1)本研究の先行研究となる「企業が求めるビジネスミーティング英語力」の調査結果を国内外の学会で成果報告をするとともに、平成27年5月に刊行予定の『ビジネスミーティング英語力』(朝日出版社)の執筆を行った。(2)本研究の基本となるビジネスのジャンルに関連した先行研究の整理、Business English as a Lingua Franca (BELF)研究そのものの整理、ビジネスに関連した具体的な到達目標に関連した先行研究の整理をした。(3)先行研究の「企業が求めるビジネスミーティング英語力」から得られた結果から、英語力向上のための具体的な方策の準備を行った。研究2年目となる平成27年度は以下の3点を行った。(1)本研究の先行研究である「企業が求めるビジネスミーティング英語力」の調査結果を『ビジネスミーティング英語力』(朝日出版社)として平成27年5月に刊行した。(2)上記の『ビジネスミーティング英語力』(朝日出版社)で明らかになったビジネスミーティングにおける様々な問題点とその解決策を整理し、国内外の学会などで発表した。(3)ビジネスミーティングにおける役職別の到達目標とそれに至るまでの方策のひな形を作成した。研究の2年目の5月に先行研究である『ビジネスミーティング英語力』(朝日出版社)が刊行された。本科研の大きな目標のひとつであり、ミーティング(会議)というジャンルにおいて何が問題となっており、何が解決策として講じられるかを整理できたことは大きな収穫である。ビジネスやBELF (Business English as a Lingua Franca)の先行研究の整理が若干遅れてしまっているのが「おおむね」という理由であるが、国内外で学会などで研究成果の一部を予定通り発表しているのでほぼ順調に研究は進んでいるといえる。研究3年目となる平成28年度は以下の3つの成果発表を行った。また、ビジネスミーティングをテーマとした自律学習システムのサンプル作成を行った。研究2年目に行う予定であったBELF (Business English as a Lingua Franca)からの理論研究を進めることができたので、従来から進めていたEBP (English for Business Purposes)からの理論研究と統合することが可能になった。イタリアの学会での研究成果の発表をはじめとして予定通りの国内外の学会発表もできたので、おおむね計画通りに進んでいるといえる。研究初年度であるために、先行研究である「会議における英語力」の理解に時間を要したが、逆に、本を執筆することにより問題点が明らかになり、理解が大いに深まったといえる。当初予定していた「会議」というジャンルの先行研究の整理は概ね完了し、そのジャンルに基づいた自律英語学習の方向性(試案)が出せたことがその理由である。今年度は以下の4点に焦点をあてて研究を推進していく。(1)ビジネスミーティングの自律学習システムのひな形の作成に集中する。(2)BELfはビジネスの到達目標の先行研究の整理を行う。(3)国内外の学会において(1)と(2)の検証結果をひとつひとつ発表する。(4)研究成果を国際誌に投稿する。最終年度は以下の4点に焦点をあてて研究を推進していく。(1)ビジネスミーティング自律学習システムの実地テストを行う。(3)成果報告会(国内外の学会を含む)を行う。(4)最終報告書の執筆を行う。29年度が最終年度であるため、記入しない。応用言語学、英語教育学今後は「会議」や「交渉」などのジャンルごとの自律英語学習の実験と検証を繰り返し行うことによりプラットフォーム作成に取り掛かれるようにする。そのためにも、一つ一つの検証結果を国内外の学会や学術誌などで発表していくことを推進方策とする。研究代表者の寺内一はタイで行われた第39回Thailand TESOL Internationmal Conferenceにおいて成果発表(招待講演)を行ったが、その旅費精算が年度内の学内の締め切りに間に合わなかったため。平成26年度に使用するはずの研究分担者の近畿大学所属の照井雅子先生が基金分を繰り越ししているから。

研究分担者の照り雅子氏は研究遂行において、その研究成果を平成26年8月に広島市立大学で行われた大学英語教育学会第53回(2014年度)国際大会において発表する予定であったが、怪我をしたため、参加を断念せざるを得なかったかr。研究分担者の桐村亮氏は研究遂行において、その研究調査を香港市立大学で平成27年3月に行ったのであるが、本研究費を使用せずに香港に赴くことが可能になったため。基金分であるため、平成28年4月に支払いを行う予定で、これ以外はほぼ順調に進む予定である。最終年度には報告書作成に向けて国内出張などで使用する予定である。29年度が最終年度であるため、記入しない。研究分担者の照井雅子氏は平成27年9月にソウルで開催される韓国応用言語学会での成果発表に使用し、桐村亮氏は平成27年度の研究遂行のための国内調査旅費に充当する。
育ち合う仲間文化を醸成する保育者の役割：幼児間の対人葛藤に対する支援の縦断的検討

本研究の目的は、幼児間の対人葛藤に対する保育者の支援を縦断的に検討することによって、幼児が育ち合う仲間文化を生成していく上での保育者の役割を明らかにすることである。この目的を達成するために本年度は以下の2段階で研究を進めた。1)保育者の対人葛藤に対する支援の在り方が、幼児が育ち合う仲間文化を生成していくプロセスにどのように影響しているのかについて、縦断的な検討を行った。具体的には、幼稚園でのフィールドワークによって園生活の中で自然に生じた対人葛藤の事例を収集し検討を行った。その結果、保育者が対人葛藤に対して善悪の二項対立的な判断ではなく事情の複雑さをそのまま受けとめようとするスタンスであることが、子どもたちの仲間へのかかわりに影響しており、育ち合う仲間文化の生成に通じたと考えられた。この成果は、ポスター発表「The Role of Teachers for Approaching Peer Conflict withRespect for Diversity」(世界幼児教育・保育機構OMEP第69回世界大会)において発表した。2)1)で検討した育ち合う仲間文化の生成に通ずる保育者の対人葛藤に対する支援の在り方について、その支援の在り方が国内外を含む世界全体の幼児教育の議論においていかに位置するものであるのかを検討するため、その支援が生み出される背景にあるわが国の保育観・保育文化に着目し、文献研究を行った。具体的には、わが国の幼児教育の父と呼ばれ、東京女子高等師範学校附属幼稚園主事(現お茶の水女子大学附属幼稚園園長)を務めた倉橋惣三(1882-1955)の保育思想について検討を行った。この成果は、論文「倉橋惣三の保育思想における道徳教育観ー連載「人間性の涵養」(1953年)の分析を通してー」(人間文化創成科学論叢第20巻)にまとめて発表した。29年度が最終年度であるため、記入しない。この目的を達成するために以下の2側面から研究を進めた。1)保育者の「幼児間の対人葛藤に対する支援」が、保育者の日々の省察のプロセスにおいてどのように展開されているのか、それに動画記録がいかに貢献するかという側面について、縦断的な検討を行った。具体的には、フィールドワークによって対人葛藤に保育者が支援している事例の動画記録を収集し、それを保育者本人と視聴し、保育者の支援や支援した子どもに対する理解について対話的な振り返りを行った。その結果、保育者の省察過程は、自身の支援に対する反省的な振り返りというよりも、時々刻々と生じる出来事に応じてリフレクティブに子ども理解を進展させていく過程であることが明らかになった。そして、動画記録は、保育者が不在で知り得ない子どもの姿の視聴が驚きを喚起し、子ども理解の進展に寄与していたことが明らかになった。この成果は、保育者の省察過程については日本発達心理学会第27回大会において、動画記録の寄与についてはEd-Media学会において発表した。2)保育者の「対人葛藤に対する支援」の在り方が「幼児が育ち合う仲間文化を生成していく」プロセスにどのように影響しているのかという側面について、縦断的な検討を行った。具体的には、フィールドワークによって対人葛藤に保育者が支援している事例および周囲の幼児が葛藤の当事者に対してかかわる事例を収集し、縦断的な検討を行った。その結果、保育者の支援の在り方に応じて、周囲の幼児による葛藤の当事者に対するかかわりが1年間で変容していたことが明らかになった。この成果は、次年度OMEP第69回世界大会において発表することが決定している。長期的なフィールドワークによって事例を収集し分析するという研究の性質上、データ収集・分析・アウトプットを並行的かつ往還的に行ったが、いずれも順調に進めることができた。特に、1)については、国内学会ならびに国際学会においても成果を発表し、国内外の研究者との意見交流を行うことができた。2)については、データ収集と分析を進めることができ、その成果は次年度に国際学会にて発表することが決定した。以上から研究はおおむね順調に進展している。

2)1)で検討した育ち合う仲間文化の生成に通ずる保育者の対人葛藤に対する支援の在り方について、その支援の在り方が国内外を含む世界全体の幼児教育の議論においていかに位置するものであるのかを検討するため、その支援が生み出される背景にあるわが国の保育観・保育文化に着目し、文献研究を行った。具体的には、わが国の幼児教育の父と呼ばれ、東京女子高等師範学校附属幼稚園主事(現お茶の水女子大学附属幼稚園園長)を務めた倉橋惣三(1882-1955)の保育思想について検討を行った。この成果は、論文「倉橋惣三の保育思想における道徳教育観ー連載「人間性の涵養」(1953年)の分析を通してー」(人間文化創成科学論叢第20巻)にまとめて発表した。今年度、十分なデータ収集が行えたことから、採用最終年度となる次年度は、分析とアウトプットに中心に行う。1)については、学会発表での意見交流を踏まえ、論文の執筆を行う予定である。2)については、まずは国際学会での発表に向けて準備を進めていく。学会発表後はそこでの意見交流を踏まえた論文の執筆に取り掛かる。最終的には、博士論文の執筆も視野に研究成果全体のまとめを行っていきたいと考えている。29年度が最終年度であるため、記入しない。
眼表面構成細胞におけるstem cell factorの発現とその制御

培養眼表面構成細胞(正常ヒト結膜上皮細胞、テノン嚢線維芽細胞、角膜上皮細胞、角膜実質細胞、SV40不死化角膜上皮株細胞、結膜上皮株細胞)におけるstemcell factor (SCF)の発現を検討した。すべての細胞の培養上清および細胞溶解液中にSCFタンパクがELISA法により検出可能であった。単位細胞あたりのSCF発現はテノンの線維芽細胞、角膜実質細胞に多く角膜および結膜上皮細胞に少なかった。培養上清中のSCFに対する細胞溶解液中のSCF濃度は上皮細胞に多く線維芽細胞、角膜実質細胞に少なかった。正常結膜上皮細胞、結膜上皮株細胞、角膜上皮株細胞から可溶型、膜結合型両者のSCFmRNAが検出された。テノン嚢線維芽細胞からは可溶型SCFmRNAは検出されたが、膜結合型の発現は、はっきりしなかった。これらの細胞における各種サイトカインのSCF産生に及ぼす影響を検討した結果、インターロイキン-4はテノン嚢線維芽細胞の培養上清中および角膜上皮株細胞の細胞溶解液中のSCF発現を促進することが判明した。各種培養細胞の培養液にステロイドおよび各種抗アレルギー薬を添加し、SCFの発現を検討した結果、デキサメタゾンは角膜上皮株細胞の細胞溶解液中およびテノン嚢線維芽細胞の培養上清中のSCF発現を有意に抑制することが判明した。また、フマル酸ケトチフェンなどある種の抗アレルギー薬はテノン嚢線維芽細胞の培養液中へのSCF発現を抑制する可能性があることが判明した。新たにヒト角膜上皮株細胞、結膜上皮株細胞、正常ヒト角膜上皮細胞、正常ヒト結膜上皮細胞、正常ヒトケラトサイト、正常ヒト結膜下線維芽細胞の培養形を確立した。またSCFのELISA系を確立し、より微量のSCFタンパク濃度が検出可能でかつ測定誤差の低い条件を検討した。上記の各細胞を培養後、各々の細胞において培養上清、細胞溶解液のSCFタンパクの発現をELISA法により検討し、いずれの培養上清および細胞溶解液からもSCFタンパクの発現を確認した。また、各細胞よりmRNAを抽出し、RT-PCR法によりSCFmRNAの発現を検討した結果、上皮細胞では膜結合型SCFmRNAの発現が多く、線維芽細胞、ケラチノサイトでは主に可溶型SCFmRNAが発現していることを確認した。各種細胞の培養液中に生理活性物質(EGF、bFGF、IL-1,4)を投与し24時間後培養上清および細胞溶解液のSCFタンパク濃度を検討した。また3および6時間培養後の各細胞におけるSCFmRNA発現を検討した。その結果これまでのところ、これら生理活性物質の単独投与いずれもSCFタンパクの発現に有意差は見られなかった。また、mRNA発現にも明らかな変化は認められず、可溶型および膜結合型の発現比率にも変化は見られなかった。現在、投与濃度、測定時間を再検討しているが、今後複数の生理活性物質を投与することで検討を行う予定である。平成14年度の研究を継続し、ヒト角膜上皮株細胞、結膜上皮株細胞、正常ヒト結膜下線維芽細胞の培養系用い、培養液中に生理活性物質(bFGF、IL-1,4,6、TGF-β、IFN-γ、VIP)を単独あるいは一部組み合わせて投与し一定時間培養後の培養上清および細胞溶解液のSCFタンパク濃度をELISA法で検討した。その結果、ヒト角膜上皮株細胞を1%ウシ胎児血清および各種生理活性物質を含む培地を用いて24時間培養後その細胞溶解液のSCF濃度を検討したところ、IL-4(5ng/ml)+VIP(50μM)を投与した場合に対照に比較し有意なSCF濃度の上昇が認められた。正常ヒト結膜下線

維芽細胞では、0.3%ウシ胎児血清および各種生理活性物質を含む培地を用いて48時間培養後培養上清のSCF濃度を検討した結果IL-4(10ng/ml)を添付した場合有意なSCF濃度の上昇が認められた。また、上記細胞を用いて、10%ウシ胎児血清を含む培養液に各種薬剤(各種抗アレルギー薬(トラニラスト、フマル酸ケトチフェン、クロモグリク酸ナトリウム、他)およびステロイド(デキサメタゾン))を明らかな細胞障害をおこさない濃度(培養上清のLDHアッセイにて決定)で投与し一定時間培養後の培養上清および細胞溶解液のSCF濃度を検討したところ、ヒト角膜上皮株細胞の細胞溶解液および正常ヒト結膜下線維芽細胞培養上清のSCF濃度はフマル酸ケトチフェン10^<-4>M,10^<-5>M、デキサメタゾン10^<-6>M投与により有意な低下が認められた。
環境負荷低減のためのリュース型構造の開発

(1)壁体の載荷初期における面外曲げ剛性解析曲げに有効なSRB-UP乾式材料組織体の断面積が、壁体に与えられているプレストレスと曲げ応力度の大小によって載荷中に変化することを考慮した面外曲げ剛性解析を行った。(2)壁体の面外曲げ載荷に対する変形性状の測定SRB-DUP構造壁体の面外曲げに対する靱性は湿式の組積造壁体に比べて非常に高く、3%radを超える変形角を与えた場合も残留変形は非常に小さかった。壁体は2段階の弾性剛性を示し、その実測値と、曲げ引張縁開口時のせん断応力度の実測値はそれぞれの解析値に近い値となった。但し、SRB-DUP乾式材料組織体のヤング係数を用いて壁体の面外曲げ剛性を算定する場合、断面のせいの大きさに応じて値を若干補正する必要があることが分かった。(1)柱部材の載荷初期における曲げ剛性解析1(1)の解析における考え方を同様に適用した柱部材の載荷初期における曲げ剛性解析を行った。(2)柱部材の軸力+曲げ載荷に対する変形性状の測定SRB-DUP構造柱部材は、その使用限界時の圧縮強度に相当する圧縮力を与えた状態で±3%radの曲げ変形を繰り返し与えても、水平耐力の目立った低下は見られず、安定した載荷履歴曲線を描くことが確認された。3.環境負荷低減のためのリユース型構造・SRB-DUP構造体の力学特性に関するまとめSRB-DUP構造体は、その構成要素間に存在する隙間を積極的に利用して、強軸方向には高いエネルギー吸収能力を、弱軸方向には弾性に近い状態で高い変形能力を発揮することが確認された。同構造は材料のリユースが可能な、地球環境負荷の低減にも寄与する建築構造システムである。(1)離散分布及び数列を用いたプレストレス分布解析数列を用いたプレストレスの鉛直方向分布(累加)解析式を導出した。また,二項分布の一般解を用いたプレストレスの水平方向分布解析式を導出した。(2)壁体及び柱部材内部におけるプレストレス分布の実測プレストレスの鉛直方向分布(累加)解析式中のばね座金の特性を示す係数に圧縮試験値の7割弱の値を用いることで実測値を的確に把握できることが確認された。また,プレストレスの水平方向分布解析に一組のプレストレス伝達割合を表す係数k及びk'を用いることで実測値を的確に把握できることが確認された。(1)壁体及び柱部材の軸圧縮載荷に対する変形性状の測定壁体及び柱部材の圧縮応力度-軸方向ひずみ関係は若干下に凸のひずみ硬化性状を示し,見かけのヤング係数及び座屈発生荷重は載荷に伴い漸増することが確認された。(1)壁体の降伏点解析並びに載荷初期における面内剛性解析壁体の構成要素間の滑りを考慮した降伏点解析式を導出した。また,組織体のヤング係数及びせん断弾性係数を考慮した初期剛性解析式を導出した。(2)壁体の面内曲げせん断載荷に対する変形性状の測定提案する降伏点解析式及び初期剛性解析式の妥当性が確認された。また,同壁体は載荷履歴曲線のループの形状が紡錘形で面積も大きく,鋼構造に相似なエネルギー吸収能力の高い構造体になっていることが確認された。4.プレストレス導入量の管理に関する検討鉛直補強要素の張力計測値を用いたプレストレス分布算定方法を提案し,その妥当性を確認した。(1)最下層が基準面にアンカーされない場合のプレストレス分布解析平成16年度の研究で導出したSRB-DUP構造壁体の内部におけるプレストレスの水平方向分布解析式を応用して,梁部材の内部におけるプレストレスの水平方向分布解析式を導出した。(2)梁部材内部におけるプレストレス分布の実測梁部材の奇数層と偶数層を組積する場合,また梁部材内部でプレストレスが伝達する領域の中間層より上部の層と下部の層を組積する場合で異なるプレストレス伝達割合を表す係数k及びk'を用いることにより,実測値に近い解析値が得られることが分かった。(1)梁部材の載荷初期における面内曲げ剛性解析薄鋼板を用いた梁部材の面内曲げ初期剛性解析式及び面内降伏曲げ耐力算定式を導出した。(2)梁部材の面内曲げ載荷に対する変形性状の測定導出した初期剛性解析式及び面内降伏曲げ耐力算定式の妥当性が確認された。また,同梁部材は構成要素が脆性的であるにもかかわらず,部材全体として高い変形能力を示すことが確認された。加えて,引張縁に山形鋼を用いたSRB-DUP構造梁部材の面内曲げ載荷に対する変形性状を測定し,同梁部材の復元力特性を得た。(1)梁部材の載荷初期における面外曲げ剛性解析薄鋼板を用いた梁部材の面外曲げ初期剛性解析式及び面外降伏曲げ耐力算定式を導出した。(2)梁部材の面外曲げ載荷に対する変形性状の測定導出した初期剛性解析式及び面外降伏曲げ耐力算定式の妥当性が確認された。また,同梁部材では使用した薄鋼板が横補剛され,同鋼板の強軸曲げ耐力が十分に引き出されることが分かった。

(2)壁体の面外曲げ載荷に対する変形性状の測定SRB-DUP構造壁体の面外曲げに対する靱性は湿式の組積造壁体に比べて非常に高く、3%radを超える変形角を与えた場合も残留変形は非常に小さかった。壁体は2段階の弾性剛性を示し、その実測値と、曲げ引張縁開口時のせん断応力度の実測値はそれぞれの解析値に近い値となった。但し、SRB-DUP乾式材料組織体のヤング係数を用いて壁体の面外曲げ剛性を算定する場合、断面のせいの大きさに応じて値を若干補正する必要があることが分かった。(1)柱部材の載荷初期における曲げ剛性解析1(1)の解析における考え方を同様に適用した柱部材の載荷初期における曲げ剛性解析を行った。(2)柱部材の軸力+曲げ載荷に対する変形性状の測定SRB-DUP構造柱部材は、その使用限界時の圧縮強度に相当する圧縮力を与えた状態で±3%radの曲げ変形を繰り返し与えても、水平耐力の目立った低下は見られず、安定した載荷履歴曲線を描くことが確認された。3.環境負荷低減のためのリユース型構造・SRB-DUP構造体の力学特性に関するまとめSRB-DUP構造体は、その構成要素間に存在する隙間を積極的に利用して、強軸方向には高いエネルギー吸収能力を、弱軸方向には弾性に近い状態で高い変形能力を発揮することが確認された。同構造は材料のリユースが可能な、地球環境負荷の低減にも寄与する建築構造システムである。
トポグラフィー制御技術に基づく生きた局所神経回路の構成的実験手法の確立

第3年度の研究では、「Ink-jet Printing」および「マイクロピペット描画法」を用いた新たな細胞アレイ作成法を開発した。本手法を神経系の細胞群に適用することで、実際に「小規模な神経回路」(構成細胞数が1個から数個の神経回路)のアレイ(小規模神経回路アレイ)が形成され、様々な細胞構成の神経回路が規則的に配列されていることを生かした神経回路活動のハイスループット計測が可能であることを示した。本技術は、「神経回路」という多数の要素が入り組んだ相互作用を行う系における、種々の構成要素(細胞)の性質とシステム全体(神経回路)の挙動の関係をマルチスケールの生体計測に基づいて実験的にアプローチするための実用的な実験系であると位置づけられる。小規模な神経回路は、一枚の培養底面上に数百から数万個形成させることが可能である。これらの神経回路の多くにおいては、リズミックな自発発火と細胞内カルシウムレベルの振動が観察され、単一ニューロンのみからなる(アストロサイトなどのグリア細胞もいない)最小構成のオータプス神経回路においても、周期的な自発発火が生じ得ることが確認された。また、第1年度の研究で開発した可動式の金属微小電極を用いた細胞外の電圧パルス刺激に対しても、周波数と振幅の両面での減衰を伴う振動的な発火が数秒から数十秒間持続することを示す信号が観察された。本結果は、再帰的構造の神経回路ではニューロンの膜電位振動か自発的に生成され得ることを示唆しており、今後は、本実験系を用いた小規模神経回路活動の網羅的計測と解析を通して、機能的神経回路が自律的に形成されるプロセス、さらに、出来上がった神経回路が機能する仕組みを説明し理解していきたいと考えている。本研究は、実際に生きた神経回路の活動計測に基づいて脳神経系の情報処理機構を明らかにしてゆくための新たな研究手法の開発を目的とする。そのために今年度は、小規模な神経回路の量産技術およびその活動計測技術を新たに開発し((1)・(2))、それらを組み合わせることで、計測対象とする神経回路の全体像と内部構造を把握した上での電気活動計測が可能であることを確認した((3))。各々については以下のような結果を得た。(1)「スプレーパターニング」による小規模神経回路の量産技術の開発細胞非接着性の細胞培養皿底面にPoly-D-Lysine水溶液を噴霧し、細胞接着性の微小領域(直径数十から数百μm)を一度に多数作成した培養底面上に神経細胞を分散させて培養する方法で、微細加工設備を用いずとも、一個数十個の細胞からなる小規模な神経回路を一枚の培養皿の中に約5千個形成させる手法を開発した。(2)「可動式微小電極」による培養神経回路の位置選択的細胞外電位計測法の開発ガラス管微小電極に先端径10μmの金属線を挿入した微小電極を作成し、マイクロマニピュレーターで電極先端を培養細胞に近接させる方法で、培養神経細胞の自発的活動電位発生(自発発火)の信号が観測された。本手法では、計測対象の細胞を自由に選択しながら、従来の培養底面固定型の微小電極アレイ(MEA)と同等のS/N比と40μSの時間分解能で細胞外電位変化の計測が可能である。(3)小規模神経回路の自発活動の位置選択的細胞外計測(1)で構築した培養8日目以降の小規模神経回路の構成細胞に(2)で作成した可動式微小電極の先端を近接させると、その細胞の自発発火の信号が計測された。電極先端付近に複数の細胞体が密集する条件では自発発火の信号が約1msの間隔をおいて計測される場合もあった。この結果は、計測対象の神経回路の構成細胞間で同期的な自発発火が行われていることを示唆する。本研究は,生きた神経回路に対する単一ニューロンレベルの活動計測とネット全体ワークレベルの活動計測を両立させることで,神経回路網システム内の部分と全体の相互作用の全貌の記録データに基づくボトムアップの脳機能研究手法を確立することを目的とする。第二年度は可動式微小電極の空間分解能とS/N比の改善((1)),小規模神経回路の電気的活動(自発および誘発活動)の記録と解析((2))を行った。(1)では電極構造の先鋭化によって細胞外電位計測の空間分解能及びS/N比が改善された。さらに,本手法が大脳皮質由来のニューロン群に対しても適用可能であることを確認した。(2)では(1)で得られた高感度の電極を用いてラット海馬由来小規模神経回路群の自発的スパイク発火の検出を行った結果,スパイクの間隔と振幅が共に数分間周期で振動する状態遷移が観察された。特に,単一ニューロンが形成した(グリア細胞を含まない)最小構成の再帰的神経回路においても同様の振動的状態遷移を見せる自発発火が生じ得る事を確認した。この振動の周期にはネットワークの規模への明瞭な依存性はみられず,ネットワークの構成ニューロン数が1個から数千個までの範囲では共通して数分間前後の範囲であった。一方スパイク発火の頻度については,構成ニューロン数が増大するほど個々の構成ニューロンの発火頻度も増大する傾向がみられた。また,誘発活動については,信号増幅回路-電気刺激回路の高速スイッチング-トレーシング機構を利用することで1本の電極からの刺激と計測の両方を行ったが,その結果,小規模神経回路において,単発の電圧パルス刺激に対して数秒数十秒間,14Hz程度の振動的スパイク発火が観察された。

以上の自発誘発活動の計測の結果から,細胞数個程度のきわめて小規模な神経回路においても,自発的に階層的なリズム構造が形成され得ることが示唆される。第3年度の研究では、「Ink-jet Printing」および「マイクロピペット描画法」を用いた新たな細胞アレイ作成法を開発した。本手法を神経系の細胞群に適用することで、実際に「小規模な神経回路」(構成細胞数が1個から数個の神経回路)のアレイ(小規模神経回路アレイ)が形成され、様々な細胞構成の神経回路が規則的に配列されていることを生かした神経回路活動のハイスループット計測が可能であることを示した。本技術は、「神経回路」という多数の要素が入り組んだ相互作用を行う系における、種々の構成要素(細胞)の性質とシステム全体(神経回路)の挙動の関係をマルチスケールの生体計測に基づいて実験的にアプローチするための実用的な実験系であると位置づけられる。小規模な神経回路は、一枚の培養底面上に数百から数万個形成させることが可能である。これらの神経回路の多くにおいては、リズミックな自発発火と細胞内カルシウムレベルの振動が観察され、単一ニューロンのみからなる(アストロサイトなどのグリア細胞もいない)最小構成のオータプス神経回路においても、周期的な自発発火が生じ得ることが確認された。また、第1年度の研究で開発した可動式の金属微小電極を用いた細胞外の電圧パルス刺激に対しても、周波数と振幅の両面での減衰を伴う振動的な発火が数秒から数十秒間持続することを示す信号が観察された。本結果は、再帰的構造の神経回路ではニューロンの膜電位振動か自発的に生成され得ることを示唆しており、今後は、本実験系を用いた小規模神経回路活動の網羅的計測と解析を通して、機能的神経回路が自律的に形成されるプロセス、さらに、出来上がった神経回路が機能する仕組みを説明し理解していきたいと考えている。