hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
自閉症家系の遺伝子解析:脳内情報伝達系遺伝子群の解析

自閉性障害の原因遺伝子同定を目的として、機能的候補遺伝子、染色体7q31局在遺伝子に関して、変異解析を行った。対象遺伝子は、機能的候補遺伝子とsちえ、脳内遺伝子発現制御機構に関与する遺伝子群、情報伝達系遺伝子群を中心に網羅的に解析した。染色体座位特異的遺伝子群については、7q31-34領域の中で、脳内発現が推定される遺伝子群を選択した。研究は、「ヒトゲノム・遺伝子解析研究に関する指針」に沿って立案され、自治医科大学倫理委員会の承認を得て行われた。候補遺伝子群の全exonについて、DHPLC法でheteroduplexを検出する方法と直接塩基配列決定法により変異を検出した。遺伝子メチル化部位結合蛋白遺伝子群では、MDB1に、expn9にC805Tのミスセンス変異が同定された。WNT遺伝子ファミリーの一つにミスセンス変異、7q31局在の遺伝子Aにミスセンス変異、多発性外骨腫の2例にEXT1遺伝子にflameshiftを生じるdeletionとミスセンス変異が同定された。変異が同定された者はいずれも男児であり、父親に同一の変異が同定される例が多かった。これらは、自閉症は、単一遺伝子病でありうる。しかし、原因遺伝子は多数である。男児に検出されることが多いことは、臨床所見とも呼応するが、父親に同一の変異が検出される例が多いことは、常染色体優性遺伝する遺伝子変異によることを、示唆している。メチル化部位結合蛋白遺伝子の一つに変異が同定されたことは、Rett障害と類似の分子機構が自閉症一般にある可能性を示唆した。WNT遺伝子群は脳の発生に関与すると考えられ、脳形成過程から異常が存在することが示唆された。自閉症の責任遺伝子同定を目的として、平成12年度には、以下を行った。1.Rett症候群の責任遺伝子MECP2及び、メチル化関連蛋白遺伝子群の変異のスクリーニングを行う目的で、それぞれのプライマーを設定し、WAVEにてSSCP-PCRによる変異スクリーニングを行った。MECP2、MBD1、MBD2,MBD3についてスクリーニングシステムを確立し、罹患者リンパ芽球DNAについてスクリーニングを施行している。2.セクレチン治療で言語・行動の改善を認める報告が多いことから、自閉症例におけるセクレチン遺伝子の解析を行った。ヒトセクレチン遺伝子の全塩基配列の解析を行った。自閉症例に頻度の高い多型が2箇所検出された。この多型とセクレチン治療効果との関連については、解析中である。3.自閉症罹患者、健康同胞、家族のリンパ球DNAにおける特定染色体領域に局在する遺伝子のSNP解析をWAVE核酸解析装置で開始した。自閉症集団の候補遺伝子解析をDHPLCおよび、直接塩基配列決定法により行い、以下の結果を得た。1.EXT1,EXT2遣伝子解析:EXT遺伝子は、多発性外骨腫を呈する遣伝性疾患の原因遣伝子として同定され、癌抑制遺伝子の一つとして関心を集めている。脳にも広く発現しているが、脳に於ける機能はまだ不明である。多発性外骨腫を呈し、さらに、自閉症・知的障害を呈する2家系において、EXT1遺伝子の変異を同定した。2変異ともに、新たなdeletion変異であり、これにより、EXT1遺伝子発現の低下が示唆された。脳における発現局在の検討では広く発現が確認され、脳機能におけるEXT1の関与が示唆された(J Hum Genetics in press 2002)この成果は、EXT遺伝子の脳に於ける新たな機能を示唆すると同時に、結節性硬化症と同じく、癌抑制遺伝子の障害が自閉的認知機能の障害に関与することを示唆した点で重要な成果である。今後、EXT遺伝子群の発達期脳における発現局在、きのうの解析を進める。2.FOXP2

遺伝子解析:読字障害の家系における最初の原因遺伝子として同定され、7q31における遺伝子として注目されているforkhead familyの一つであるFOXP2遺伝子の解析を行った。日本人特有の新たな遺伝子多型を同定した。多型の同定のみで、53の自閉症例には、有意な変異は同定しなかった。1例においてミスセンス変異を同定し、疾患との関係は、今後の多数解析により検討される。3.MBD遣伝子群の解析:MECP2、MBD1,2,3の遣伝子群に関して53例において解析した。MBD1にcodingregionにミスセンス変異を同定した。同胞における解析を進めている。疾患関連遺伝子変異であることが同定されれば、MBD遺伝子群における最初の疾患関連変異であり、自閉症とサイレンシング遺伝子の関係をさらに示唆する。以上、多数の候補遺伝子における全塩基配列の解析を施行し、自閉症関連遺伝子変異を同定し、さらに、解析が進められている。自閉症の原因遺伝子、分子病態の解明を最終目的として、自閉症罹患者に見られる退伝子変異を同定した。研究方法:機能的候補遺伝子群の経にスクリーニングと同時に、自閉症遺伝子座位の一つである染色体7q31領域の遺伝子群の変異検索を行った。自閉症罹患者は、全て小児であり、その遣伝子解析に関しては、親への説明後の同意を口頭、書面で得て採血し、リンパ芽球を作成し、DNAを使用した。本研究は、自治医科大学倫理委員会の審議・承認を得た。細胞、DNA試料は、連結可能匿名化で管理された。遺伝子の全exon、intrgn境界をPCR増幅し、DHPLCでheteroduplexの有無を検出し、heteroduplexDNA鎖に関しては、直接塩基配列決定法で変異を同定した。結果:候補遺伝子群として、脳内発現低分子量D蛋白、低分子量G蛋白制御蛋白、メチル化部位結合蛋白、脳内発現転写因子(FOXP2など)、serotonin関連蛋白、セクレチン関連蛋白、G蛋白結合型受容体を有するリガンド、受容体、等の機能性候補遺伝子群を解析した。その他、7q31領域の遺伝子群を網羅的に解析した。セクレチン治療の有効性が問題に合っていた時点で、セクレチン関連情報伝達系の遺伝子解析を目的として、ヒトセクレチン遺伝子をクローニングした。セクレチン治療を受けた罹患者の内、言語機能に臨床的効果を認めた者と、効果のない例について、セクレチン、セクレチン受容体の遣伝子多型を解析し、両者で比較検討した。結果:MBD1にミスセンス変異を患者、および、その母親に検出し、健常対象者試料には検出されなかった。WNT2に、罹患者特異的なミスセンス変異を同定した。FOXP2、その他には、罹患者特異的変異は同定されなかった。セクレチン有効者と無効者でセクレチン、受容体遺伝子の多型に有意な差はなかった。結論・考察:MBD1は、メチル化部位結蛋白の一つであり、Rett障害の原因遺伝子と同一ファミリーに属する。Rettの発達障害像は、自閉症であり、それと類似の機能を有するMBD1にミスセンス変異が同定されたことは、類似分子機構が、少なくとも自閉症の一部には、基本的な病態であることを、示唆している。FOXP2には、有意な変異は検出されなかった。
現代イスラームの生命倫理と古典思想の関係

現代のムスリムによるイスラームの生命倫理、特に中絶や初期胚に関する議論を分析し、近代以前の伝統的な古典の死生観と比較することにより、古典思想の現代的意義を解明した。私の研究の全体構想は、「イスラームにおける生命倫理の総合的研究」である。古今のイスラームの生命倫理を文献学的に探求するのみならず、現地調査を行い、現代のムスリムにおける生命倫理に関する意識や実態について、近代以前の伝統的な古典思想の影響を解明したい。その中で本研究では、まず現代の生命倫理について関連する文献を厳密に読解し、明らかにした上で、古典時代の文献の該当箇所と比較し、現代の生命倫理を古典文献にさかのぼって跡付け、古典思想の現代的意義を明らかにし、古典思想と現代の生命倫理の関係および変遷の過程を文献学的に明らかにすることが本研究の目的である。今年度は、現代イスラームの生命倫理が依拠している古典の議論を検証した。再生医療に関する生命倫理を視野に入れ、生命の発生に関する該当箇所を重点的に調査した。まず、ガザーリーの代表作『宗教諸学の再興』の「婚姻作法の書」を中心に、ガザーリーのスーフィズム文献、法学書、その他の膨大な著作の該当箇所も参照した。また、スーフィーかつ法学者であるイブン・カイイム・アル=ジャウズィーヤ(1350年没)の『霊魂の書』と『預言者の医学』、哲学者かつ医者のイブン・スィーナー(1037年没)の『医学典範』、についても、該当箇所を翻訳、分析した。また現代の法学者や医療関係者のウェブサイトにおける発言についても調査した。生命倫理の扱う幅広いテーマのうち、特に女性と出産に関わる諸問題を取り上げ、古典イスラーム思想の現代的意義を明らかにした。今年度は、特に受精から出生までの胚の形成過程に焦点を当て、(1)受精卵から人間への胚の形成過程についての議論、(2)避妊・中絶の問題、(3)初期胚の利用の問題を取り上げた。なおイスラーム世界には手術は行わず、護符やおまじないを使用する「預言者の医学」と呼ばれる民間療法があり、高度な医療に対する反対も根強いことも検討課題である。(1)コーラン、ハディース、イブン・スィーナーの医学書などの古典においては、精液と月経が混ざって凝固し、それが成長して、霊魂が吹き込まれる過程を経て胎児が形成されると考えられている。入魂の時期については、受胎後40日、80日という意見もあるが、ハディースに基づき120日目という見解が有力となり、現代の法学者にも受け入れられている。(2)預言者ムハンマドが性交中断(避妊)を認めたというハディースに基づき、古典時代のガザーリー、現代のカラダーウィーを含め多くのムスリム法学者が避妊を認めている。中絶について古今の法学者に最も支持されているのは、120日目までの中絶は許可されるというものだが、ガザーリーは反対の立場である。カラダーウィーは避妊についてはガザーリーに賛成するが、中絶に関しては、120日まではやむを得ない理由がある場合、120日以降は母体の生命が危険な場合に限り許されるとする。(3)ES細胞と関わる初期胚利用に関しては、現代の法学者や思想家によると、120日までは許されるという見解が多い。ただし受精直後から命は始まっているとする慎重な意見もあるし、コーラン、ハディースなどに依拠せず、積極的にES細胞研究を推進すべきだと考える意見もある。今年度は、昨年度までの中絶や家族計画に関する研究を踏まえ、特に初期胚の破壊を伴うES細胞を利用した再生医療の問題を取り上げた。そして古今のイスラーム思想家の議論を比較し、古典イスラーム思想の現代的意義を明らかにした。さらにイスラーム(イスラーム教)の生命倫理を客観的に見直すために、イスラームの兄弟宗教である、ユダヤ教、キリスト教の初期胚に関する議論との比較も行い、三大一神教におけるその特徴および位置づけを解明した。アメリカ国家生命倫理諮問委員会の報告書などを中心として、以下のような結論を得た。(1)イスラームにおいては、中絶の議論と同様、ES細胞の議論においても、中絶と同様に入魂に関するコーランおよびハディースが持ち出され、大多数の見解では、再生医療に使用するためならば、受精卵を破壊し、ES細胞研究を行うことは許可されるという結論に至っている。(2)ユダヤ教においては、旧約聖書やタルムードに基づき、妊娠40日までは胎児は水のような存在であり、人格を持たないと考えられるため、ES細胞研究への利用は許されるという見解が一般的である。しかしながら、初期胚利用を認めつつも慎重な立場も見られた。概してユダヤ教は、ES細胞の樹立と研究を認め、聖典に依拠して初期胚が人間とみなされるおおよその時期を定めている点、また利益と損失を比較して病気の治療を優先する点がイスラームと共通している。(3)キリスト教においては、新約聖書では中絶について直接言及していないが、『十二使徒の教訓』における胎児を殺してはならないという文言やローマ教皇の回勅等に基づき、リベラル派を除き、概して最も弱い存在である受精卵の段階で人格を認め、初期胚の破壊には反対の立場が多いと言えよう。またアメリカにおいては、公的資金の投入の可否といった政治政策に積極的に働きかけている点が特徴である。24年度が最終年度であるため、記入しない。
計算量の下界を求めるコンピュータによる計算の研究

本研究はコンピュータで計算することにより、問題の計算量の下界を求めることである。(m,n)-マージングネットワークにおける最小比較器数M(m,n)を求める問題を考える。M(1,n)は明らかであり、M(2,n),M(3,n)についてはすでに結果が知られている。またM(n,n),n(〕ltoreq.〔)5,n=7,8,9の値も既知である。1.M(6,6)に対しては16(〕ltoreq.〔)M(6,6)(〕ltoreq.〔)17が知られていた。研究代表者等はM(6,6)=17を理論的に証明した。(論文投稿中)2.M(4,5)=12,M(4,6)=14,M(4,8)=17であることを証明した。このうちM(4,6)=14の証明はコンピュータによる膨大な計算を含む。この計算においては、13比較器からなるマージングネットワークをコンピュータですべて調べあげ、それらが(4,6)-マージングネットワークとなっていないことをチェックした。バックトラックやデータ構造などプログラム上の工夫が必要であった。(論文掲載済)3.M(4,7)=16,M(5,6)=16であることをコンピュータで計算することにより求めた。計算量が膨大なので、計算時間を短縮する手法を考案する必要があった。(論文は研究会で発表済)研究分担者の笠井は自然言語の解析のためのアルゴリズムを考え、新しい構文解析木として「左右木」を提案した。さらに「プッシュダウン変換機」を導入し、その性質を示した。山崎はグラフアルゴリズムの解析を行い、あるパラメータが固定されたグラフのクラスに対し、グラフの同型問題が多項式時間で解けることを示した。(論文掲載済)これらはいずれも本研究をすすめるための基礎研究であり、今後の研究に活かす予定である。研究分担者の笠井は自然言語の解析のためのアルゴリズムを考え、新しい構文解析木として「左右木」を提案した。山崎はグラフアルゴリズムの解析を行い、グラフのあるクラスの同型問題が、あるパラメータを固定すれば難しい問題でないことを示した。これらはいずれも本研究をすすめるための基礎研究であり、次年度以降に参考にしていく予定である。山崎はグラフアルゴリズムの解析を行い、あるパラメータが固定されたグラフのクラスに対して、グラフの同型問題が多項式時間で解けることを示した。これらはいずれも本研究をすすめるための基礎研究であり、次年度の研究に参考にしていく予定である。M(1,n)は明らかであり、M(2,n)、M(3,n)についてはすでに結果が知られている。またM(n,n),n【less than or equal】5,n=7,8,9の値も2.M(4,5)=12、M(4,6)=14、M(4,8)=17であることを証明した。

この計算においては、13比較器からなるマージングネットワークをコンピュータですべて調べあげ、それらが(4,6)-マージングネットワークとなっていないことをチェックした。バックトラックやデータ構造などプログラム上の工夫が必要であった。(論文掲載済)3.M(4,7)=16、M(5,6)=16であることをコンピュータで計算することにより求めた。計算量が膨大なので、計算時間を短縮する手法を考案する必要があった。(論文は研究会で発表済)研究分担者の笠井は自然言語の解析のためのアルゴリズムを考え、新しい構文解析木として「左右木」を提案した。更に「プッシュダウン変換機」を導入し、その性質を示した。山崎はグラフアルゴリズムの解析を行い、あるパラメータが固定されたグラフのクラスに対し、グラフの同型問題が多項式時間で解けることを示した。(論文掲載済)これらはいずれも本研究をすすめるための基礎研究であり、今後の研究に活かす予定である。
セラミックスの破壊時における破面間架橋効果の定量化

本研究では,複合強化型セラミックスの靭性強化機構について,破面間相互作用の定量化を中心とした研究を展開した.実験手法としては,1)分光法による破面間応力の直接測定,2)R-曲線挙動の観察,並びに3)クラック開口変位の解析を採用した.分光法による応力測定では,破面間に沿って大きな引っ張り応力が発生していることをその場測定により明らかにできた.また開口変位の解析では,アーウィン放物線からの「ずれ」に着目しながら,そこに働いているであろう破面間相互作用の大きさと分布を推定できた.その際の観察クラックとしては,SEPB試験片を中心に検討したが,実験技術の簡便さを考慮して,ビッカース圧子によるIF試験片の採用も一部試みた.その結果,IF試験片では臨界負荷条件(クラックの進展開始条件に近い応力条件)近辺での測定しかできないと言う制限はあるが,クラック先端からある一定の範囲におけるクラックプロファイルの測定値は,信頼できる可能性があることを見出すことができた。またその結果は,分光法による結果やR-曲線挙動から得られた架橋応力推定値とほぼ一致するものであった.研究は,当初はモノリシックセラミックスを中心に着手したが,その後にはいくつかの複合強化セラミックス(セラミック/金属複合体,セラミック/セラミック複合体,ガラスセラミック/金属複合体など)に展開し,さらには比較のために,破面間相互作用の少ないガラスやシリコン単結晶などにも展開できた.得られた結論を端的に整理すると,破面間相互作用の発現領域はクラックに沿ってかなり長く,外部印加荷重に対しては線形的にレスポンスする性質が極めて顕著であった.その結果,通常のモノリシックセラミックスや複合強化セラミックスに発現する破面間相互作用の実体は,弾性架橋機構が主体的であると結論された.本研究では,複合強化型セラミックスの靭性強化機構について,破面間相互作用の定量化を中心とした研究を展開した.実験手法としては,1)分光法による破面間応力の直接測定,2)R-曲線挙動の観察,並びに3)クラック開口変位の解析を採用した.分光法による応力測定では,破面間に沿って大きな引っ張り応力が発生していることをその場測定により明らかにできた.また開口変位の解析では,アーウィン放物線からの「ずれ」に着目しながら,そこに働いているであろう破面間相互作用の大きさと分布を推定できた.その際の観察クラックとしては,SEPB試験片を中心に検討したが,実験技術の簡便さを考慮して,ビッカース圧子によるIF試験片の採用も一部試みた.その結果,IF試験片では臨界負荷条件(クラックの進展開始条件に近い応力条件)近辺での測定しかできないと言う制限はあるが,クラック先端からある一定の範囲におけるクラックプロファイルの測定値は,信頼できる可能性があることを見出すことができた。またその結果は,分光法による結果やR-曲線挙動から得られた架橋応力推定値とほぼ一致するものであった.研究は,当初はモノリシックセラミックスを中心に着手したが,その後にはいくつかの複合強化セラミックス(セラミック/金属複合体,セラミック/セラミック複合体,ガラスセラミック/金属複合体など)に展開し,さらには比較のために,破面間相互作用の少ないガラスやシリコン単結晶などにも展開できた.得られた結論を端的に整理すると,破面間相互作用の発現領域はクラックに沿ってかなり長く,外部印加荷重に対しては線形的にレスポンスする性質が極めて顕著であった.その結果,通常のモノリシックセラミックスや複合強化セラミックスに発現する破面間相互作用の実体は,弾性架橋機構が主体的であると結論された.セラミックス系材料の破面間架橋効果の役割を明らかにするため,以下の通りの実験を行いその結果を得た.1,破壊力学的手法により破壊抵抗性の測定実験本年度は,主としてモノリシックな緻密質セラミックスを対象として,研究代表者らが提案している鋭いノッチを導入する方法で破壊力学試験片を作製し,安定破壊実験を行った.その結果を従来法のSEPB法による試験結果と比較すると,粒子径が大きく,またその形状異方性が進行するにつれて,両測定結果間に開きが生じることを確認した.2,ラマン分光分析を利用したクラック進展中の破面相互作用のその場定量化実験非酸化物の窒化ケイ素や炭化ケイ素では,外部応力とラマン散乱の波長ピークシフトとの関係を安定的に結びつける条件を見出した.またアルミナのようにラマン感度が期待できない材料に対しては,微量不純物からの蛍光分光を利用した同様の条件を見出すことができた.3,破面間相互作用の破壊力学的手法による理論解析クラック先端部周辺の架橋応力分布が定量化できているので,それを関数化した新しい破壊力学式を提案し,その式を利用した破壊抵抗曲線(R曲線)と,1で実測した特性との比較評価を行いながら,破壊力学式中のパラメータの修正を開始できている.4,負荷を受けているクラックの開口変位計測以上の材料についていずれも開口変位の計測を行い,その結果を整理中である.併せて次年度の研究展開を考慮して,多孔性セラミックスについても,アルミナのフィルターや炭化ケイ素熱交換器材料を入手して,開口変位測定を始めた.昨年度の報告で,多結晶セラミックスが示す破壊に対する抵抗性の主要機構は,破面間相互作用なのではないかと言う新提案を行ったが,本年度は粒径の異なるアルミナ焼結体,および炭化ケイ素ウィスカーを分散強化した窒化ケイ素基複合焼結体を試料として,それらの破壊時に生じる破面間相互作用の大きさを定量的に求めることに挑戦した.

実験は,鏡面研磨加工をした供試材にクラックを入れ,そのクラックに開口型の応力を印加した状態で,開口変位の量を側面からその場SEM観察することにした.さらに本年度は,上述の開口量を種々の開口応力条件下で測定することにも成功した.完全弾性体中に存在する単一クラックに開口応力が印加されると,破面間相互作用のないクラックは,理論的には,放物線状の開口分布を示す.しかし本実験の供試材はいずれもクラック先端部での開口が狭くなり,かなりの量の閉口応力が破面間で発生していることを示唆していた.この破面間応力量を定量化するために,2次元の有限要素計算を行い,放物線状に開口しているクラックを,実験で観察された程度に閉口させるためには,どの程度の応力量が必要となるかを見積もり,その見積もり応力が従来から指摘されてきた,セラミックス系材料に観察される弾性架橋応力や粒子架橋応力にほぼ相当することを証明した.さらに開口応力を段階的に変えた実験から,弾性架橋として見積もられた部分の閉口応力(破面間相互作用)が,印加応力とほぼ線形的に変化することが確かめられ,理論的にも実験的にも破面間相互作用の実態を明確にできた.本年度は最終年度となるので,破面間相互作用の定量化に向けての研究を展開した.応力が印加されたクラックの微視的形状(クラックプロファイル)を詳細に"その場"観察し,完全弾性体仮定が成り立つ材料で(破面間相互作用がない場合に)期待される,アーウィン放物線形状からの「ずれ」に着目しながら,そこに働いているであろう破面間相互作用の大きさと分布を推定した.その際の観察クラックとしては,SEPB試験片を中心に測定を展開したが,実験技術上の簡便さを考慮して,ビッカース圧子圧入によるクラック(IF試験片)の採用も一部試みた.その結果,SEPB試験片では広範囲な負荷条件下での測定が可能であるのに対して,IF試験片では臨界負荷条件(クラックの進展開始条件に近い応力条件)近辺での測定しかできないと言う制限が見出された.しかしIF試験片でも,クラック先端からある一定の範囲におけるクラックプロファイルの観察結果は,十分に信頼できる可能性があることが分かった。研究は,いくつかの複合強化セラミックス(セラミック/金属複合体,セラミック/セラミック複合体,ガラスセラミック/金属複合体など)に展開し,さらには比較のために破面間相互作用の少ないガラスやシリコン単結晶などにも着手できた.得られた結論を整理すると,多結晶セラミックスに生じる破面間相互作用の発現領域はクラックに沿ってかなり長く,外部印加荷重に対しては線形的にレスポンスする性質が極めて顕著であった.その結果,複合強化セラミックスはもちろん,通常のモノリシックセラミックスにおいても,そこで発現する破面間相互作用の実体は,従来,予想されていたよりもずっと顕著であり,またその機構の内容は,粒子架橋や強化相架橋を含んだいわゆる弾性架橋機構が主体的であると結論された.
固体中の量子輸送現象の非線形効果についての理論的研究

本研究では、固体中の電子分布の電場応答の理論的研究を行った。特に、電場による金属絶縁体転移の理論的研究を、非平衡グリーン関数法を用い解析的、数値的に行った。また、バンド絶縁体を簡単な模型で近似し、電子相関を平均場近似で扱い相転移の仕組みを調べた。その結果以下の点が明らかになった。1、電子相関の影響でバンドギャップが電流下で不安定になり、ある電場の値でギャップがつぶれ絶縁体から金属への転移が起こる。この、敷居値となる電場スケールは、今まで知られていたZener理論から与えられる電場スケールに比べ小さい。実験でZeenr理論より小さい電場での金属絶縁体転移が観測されているが、本研究結果はこの実験結果と理論との相違を解決する。2、上述の通り、金属絶縁体転移には二つの電場スケールが現れる。この2つの電場の間に外場があるとき、バンドギャップの安定化解は二つ現れる。一つは金属に対応し、もうひとつは絶縁体に対応する。そのため、この電場領域では金属相と絶縁体相が共に安定な相となる。これは平衡理論での一次転移に相当する特徴であることから、電場による相関電子系の金属絶縁体転移は一次転移であることがわかった。3,不純物効果を考慮すると、不純物順位がフェルミ面上にある時、共鳴トンネル効果が起き、これが金属絶縁体転移を誘発する。そのため、試料が一様に転移するのではなく、一次元的な金属相が部分的に生じることになる。この解析結果は実験結果とも一致し、相関電子系の電子デバイスへの応用の指針になる結果である。
リン酸結合蛋白の微小溶液チャンバーによる、少数個蛋白質からのリン酸検出系の構築

フェムトリットルの桁をもつマイクロチャンバーに蛍光標識したリン酸結合蛋白を閉じ込め、少数個蛋白からのリン酸の解離を測定する実験系を構築することが本研究の課題である。今年度は、まずPDMSチャンバーを作成する装置の再構築を行い、遮光した正立顕微鏡を用いてチャンバー内の蛍光標識リン酸結合蛋白の観察を行った。その後、恒温室で倒立顕微鏡観察に切り替えた。その過程でチャンバーの乾燥問題への対処、ステージのドリフト問題の解消、チャンバーのサイズや形状の再検討、材質の検討を行った。特筆すべき成果としては、ます、チャンバーのサイズを約2/3まで縮小することができたことである。この小さ目のチャンバーにおいても蛍光標識リン酸結合蛋白を閉じ込め、レーザー照射による退色からの蛍光復活がないことから溶液の漏れがないことを確認できた。次に、チャンバーの形状をこれまでの円筒形からステージの方向に細長くなった直方体に変更したものについても実験を行った。今後、この1μm ×1μm×10μmの直方体チャンバーに線維状蛋白を閉じ込め、局所的なリン酸解離検出を目指す。更に、油中のdropletチャンバーを用いた実験も行い、リン酸結合蛋白の封入に成功した。この実験系で、PDMSチャンバー同様に、リン酸を結合したリン酸結合蛋白のチャンバーの蛍光強度はリン酸無しの場合に比べて高くなることを確認することができた。Dropletチャンバーでは溶液の漏れが少なく、封入の耐久時間も長いことが予想される。また、溶液交換が可能になること、体積をフェムトリットルよりも小さくできることから、今後の実験においてturnoverの遅い蛋白質からのリン酸検出が見込まれる。25年度が最終年度であるため、記入しない。細胞内にはPiが関与する化学反応を触媒する蛋白質が多数存在する。ATP加水分解の自由エネルギーを利用して運動するモーター蛋白質などもその例である。これらの蛋白質が細胞内において少数個で高濃度を実現して働くときの分子協同性や分子個性、エルゴード性を明らかにしたいと考えた。そこで、超微小チャンバーとリン酸結合蛋白を使って通常の1分子観察では可視化することが困難なPiの個数測定を目的とした。PDMS樹脂でできた容積64フェムトリットルのチャンバーアレイに極低濃度まで希釈した回転分子モーターF1-ATPaseを封入すると、1個の蛋白が閉じ込められたチャンバーがところどころにできる。このチャンバーにおけるATPase反応の進行を蛍光顕微鏡で観察した。既知濃度のPiを用いて測定したチャンバーの蛍光強度を基準としてPi生成速度を見積もると、F1-ATPaseのATPase活性と同程度であった。この事から、この実験系の有用性が示された。また、チャンバー内のガラス表面に固定された蛍光標識蛋白質1分子の段階退色から会合数を決定する実験も行い、サブユニット会合数とPi生成の関係を調べる実験系の検討も行った。今後はチャンバー体積を小さくするか、微小体積を作る別の技術も応用し、Piの検出限界を下げて究極的には1個のリン酸の生成を実時間で検出できる実験系の構築を目指す。これまで、少数個のリン酸を検出し個数を数えるための実験系の改良を行ってきた。まずリン酸結合蛋白については、標識する蛍光分子をクマリンからローダミンに変え、蛍光強度増加率が大きくなるようにした。また、蛍光標識後のリン酸結合蛋白のカラム精製法に注意を払い、蛍光標識率を上げることにも成功した。このようにして、リン酸に対してシグナルが高く検出される蛋白質を作成した。次に、このようにして作成した蛍光標識リン酸結合蛋白を微小体積のチャンバーに閉じ込めるシステムの構築を試みた。

64フェムトリットルのPDMSでできたチャンバーに上記蛋白を閉じ込め、F1-ATPaseがATPを加水分解して放出するリン酸濃度の増加を実時間で検出する事に成功した。チャンバー間で溶液に漏れがないように、チャンバーをガラス面に抑える方法を検討し、漏れを調べる実験も確立した。蛍光強度が増加したチャンバーの特定の穴にレーザーを照射し、退色させたあとの蛍光の回復が無いことから隣のウェルからの漏れ込みがないことを確かめることができた。また、リン酸の定量のために既知濃度のリン酸をチャンバーに閉じ込め、蛍光強度からキャリブレーションを行う方法を確立した。最後に、マイクロチャンバーに閉じ込めた1分子のイメージングにも着手した。ガラス基板上に蛍光標識した蛋白質をまばらに固定し、チャンバー内に閉じ込めたガラス基板上の蛋白の会合数を決定することが可能になった。今後の研究を推進する方向性として、実験系のブラッシュアップと少数性の生物学的問題への応用があげられる。実験系のブラッシュアップについては、ますチャンバーの体積を下げるのが目標である。チャンバーの体積を数フェムトリットルにすることで、検出するリン酸の個数を数えられる程度の個数まで下げることができると考えられる。ただし、チャンバーの体積が小さくなることでPDMSチャンバーへの吸着の影響が大きくなることが考えられるため、場合によってはマイクロチャンバーだけでなく、油の中に水滴を閉じ込める方法を検討する必要が生じる可能性もある。また、チャンバー内1分子の観察に関しては、PDMSの屈折率が水と異なるため全反射照明が実現しないという可能性があるため、チャンバーの材質を変える方法の検討も必要となるであろう。少数個特有の生物学的問題への応用については、まずはF1-ATPaseについてリン酸の解離を実時間で検出することが今後の目標である。また、領域会議等で共同研究の計画が進み、蛋白質やその集合体からのリン酸の解離を実時間で検出しようとする試みが進展する可能性がある。このように、本研究は実験系の構築とアプリケーションという両面において推進が見込まれる。25年度が最終年度であるため、記入しない。
4次元コンピュータグラフィックスを用いた脳神経外科手術検討法の開発と有用性の検証

平成30年度は予定通りの進捗であった。詳細を下記に述べる。a)スカラーデータとベクトルデータの準備:当施設の倫理委員会承認下に、健常人のtime-of-flight MRアンギオグラフィー(スカラーデータ)およびphase-contrast MRアンギオグラフィー(ベクトルデータ)をそれぞれ10セット取得した。両者の中心領域の最適閾値を探索し、スカラーデータは50%、ベクトルデータは75%が最適閾値と予測された。b)レジストレーション:上記a)によって得られたデータを自動でレジストレーションする方法を探索した。具体的には正規化相互情報量法を実施するにあたって、その前処理や初期設定パラメータに調整が必要であることが示唆された。c)検証:上記a)およびb)によるレジストレーション法を検証した。上記a)の10セットのデータを用いた。1位置合わせをしていない場合、2最適閾値を用いない場合、3提案手法を用いた場合の3群において、スカラーデータとベクトルデータとのレジストレーション誤差を検証した。検証にはtarget registration errorを用い、脳主幹動脈分岐部7箇所のtarget registration errorを測定したところ、各々の誤差は、12.6mm±0.1mm、2誤差が大きすぎて測定不能、11.6mm±0.1mmとなり、提案手法が最も精度が高いことが示唆された。平成30年度は、計画書に記載された内容は全て実施した。解析結果も予想された通りであった。平成30年度は、2回の学会発表の業績結果であり、研究開始初年度としては学術的に研究は充分達成された。2019年度以降も下記の如く予定通りに研究をすすめる。2019年度臨床応用への開発と手法確立、および精度検証a)疾患データへの適用:疾患データにおける提案レジストレーション法の精度を検証する。対象は血管構造や血行動態が最も複雑である脳動静脈奇形20例とする。流入動脈と流出静脈の血流方向、血流量を測定し、術中所見を真として検証する。b)他の医用画像とのレジストレーション法の開発および検証:脳神経外科手術検討に必要な全ての医用画像から構築された融合3次元画像(3DCG)とベクトルデータとのレジストレーション法を構築する。前処理を独自に工夫した正規化相互情報量とする。独自の工夫とは具体的には、関心領域の設定方法、レジストレーションを行うデータ群の順序化などである。これらの前処理法の最適解を探索し、その精度検証を実施する。3. 2020年度:臨床的有用性および病態解明への応用:脳動静脈奇形20例を対象に提案手法の臨床的有用性を評価する。提案手法によって流入動脈および流出静脈の血流情報(方向、量、速度)が得られるので、これによる手術検討を行い、その有用性を評価する。手術所見を真とする。また血管内塞栓術前後の脳動静脈奇形のナイダスの血流変化を提案手法を用いて測定し、塞栓術前後の血行動態変化を定量的に可視化する。特に塞栓術後の出血のリスクに関して有益な情報が得られないかに着目する。また、脳腫瘍に関しても提案手法の臨床的有用性を評価する。対象は血管芽細胞腫10例とする。栄養動脈、流出静脈、正常血管に関する血流情報に基づく手術検討を実施する。上記2疾患に対しては、血流情報によって手術検討や手術遂行の精度が向上するのかを評価する。特にこれまでの技術では不可能であった、血流量を重視した手術検討の有用性を見出す。詳細を下記に述べる。

流入動脈と流出静脈の血流方向、血流量を測定し、術中所見を真として検証する。b)他の医用画像とのレジストレーション法の開発および検証:脳神経外科手術検討に必要な全ての医用画像から構築された融合3次元画像(3DCG)とベクトルデータとのレジストレーション法を構築する。前処理を独自に工夫した正規化相互情報量とする。独自の工夫とは具体的には、関心領域の設定方法、レジストレーションを行うデータ群の順序化などである。これらの前処理法の最適解を探索し、その精度検証を実施する。3. 2020年度:臨床的有用性および病態解明への応用:脳動静脈奇形20例を対象に提案手法の臨床的有用性を評価する。提案手法によって流入動脈および流出静脈の血流情報(方向、量、速度)が得られるので、これによる手術検討を行い、その有用性を評価する。手術所見を真とする。また血管内塞栓術前後の脳動静脈奇形のナイダスの血流変化を提案手法を用いて測定し、塞栓術前後の血行動態変化を定量的に可視化する。特に塞栓術後の出血のリスクに関して有益な情報が得られないかに着目する。また、脳腫瘍に関しても提案手法の臨床的有用性を評価する。対象は血管芽細胞腫10例とする。栄養動脈、流出静脈、正常血管に関する血流情報に基づく手術検討を実施する。上記2疾患に対しては、血流情報によって手術検討や手術遂行の精度が向上するのかを評価する。特にこれまでの技術では不可能であった、血流量を重視した手術検討の有用性を見出す。Precision 17 7000DELLの購入を次年度に持ち越したため。2019年度に購入し、手術室でも画像解析を行う。
日本人地域住民における心房細動の実態と危険因子に関する研究：久山町研究

(1)心房細動発症のリスク予測モデルの開発: 1988年の久山町健診を受診した心房細動の既往のない40歳以上の住民2628名を14年間追跡した成績を用いて,心房細動発症の危険因子を探索した.多変量解析の結果,高齢,男性,コレステロール低値,肥満,心雑音,心電図異常が心房細動の独立した有意な危険因子であることを確認し,これらの因子を用いたリスク予測モデルを作成した.(2)血清高感度CRPレベルと心房細動発症の関連:上記の集団を19年間追跡した成績を用いて,慢性炎症の指標である高感度CRPレベルと心房細動発症との関連を検討した.高感度CRP高値は心房細動発症の独立した有意な危険因子であった.(1)心房細動発症データベースの作成福岡県久山町では1961年以降,循環器健診の受診者を対象に時代の異なる複数の追跡集団(コホート)を構築し,心血管病の発症および死亡についての追跡調査を行っている.本年度は,1988年に健診を受診した40歳以上の住民2742名からなるコホート(久山町第3集団)を対象に,毎年の循環器健診における心電図および追跡調査の成績を用いて,2007年までの19年間にわたる心房細動発症のデータベースを作成した.(2)心房細動発症の危険因子の解析(1)で構築したデータセットを用いて,1988年の健診で測定した曝露因子が心房細動発症に及ぼす影響について検討した.その結果,加齢,男性,高血圧,血清LDLコレステロール低値が心房細動の発症リスク上昇と関連することが明らかとなった.1988年に健診を受診した40歳以上の住民2742名からなるコホート(久山町第3集団)を対象に,毎年の循環器健診における心電図および追跡調査の成績を用いて,2007年までの19年間にわたる心房細動発症のデータベースを作成した.このデータセットを用いて,1988年の健診で測定した曝露因子が心房細動発症に及ぼす影響について検討した.その結果,加齢,男性,高血圧,収縮期血圧高値,拡張期血圧高値,血清総コレステロール低値,血清LDLコレステロール低値,血清non-HDLコレステロール低値,血清高感度CPR高値,虚血性心疾患の既往歴,心雑音の存在,心電図異常(左室肥大またはST低下)の存在が,それぞれ心房細動の発症リスク上昇と関連することが明らかとなった.解析に必要なデータセットを用いて心房細動発症の有意な危険因子をいくつか同定することが出来た.(1)心房細動発症データベースの更新:福岡県久山町では1961年以降,時代の異なる複数の追跡集団(コホート)を構築し,心房細動を含む心血管病の発症および死亡についての追跡調査を行っている.本年度も昨年度に引き続いて各コホートの対象者に対する健診およびアンケート調査を実施し,新規の心房細動発症に関する追跡調査を行った.そのデータを統計解析に用いるデータベースに追加し更新を行った.(2)心房細動発症のリスク予測モデルの開発: 1988年の健診を受診した40歳以上の男女のうち心房細動の既往のない2628名を14年間追跡した成績を用いて,心房細動発症の危険因子を探索した.多変量解析の結果,高齢,男性,コレステロール低値,肥満,心雑音,心電図異常が心房細動発症の独立した危険因子であることを確認した.さらに,これらの因子を用いたリスク予測モデルを作成した.(3)血清高感度CRPレベルと心房細動発症の関連: 1988年の健診を受診した40歳以上の男女のうち心房細動の既往がなく,また血清高感度CRP濃度を測定し得た2505名を19年間追跡した成績を用いて,高感度CRPレベルと心房細動発症との関連を検討した.高感度CRPを4分位に分けて検討した結果,高感度CRPの最低値群(第1分位)を基準とした最高値群(第4分位)の多変量調整後のハザード比は1.63と有意に高く,また対数変換後の高感度CRPの1標準偏差上昇あたりの多変量調整後のハザード比も1.12と有意に高かった.つまり,慢性炎症の指標である高感度CRPレベルの上昇は心房細動の独立した危険因子であることが示唆された.(1)心房細動発症のリスク予測モデルの開発: 1988年の久山町健診を受診した心房細動の既往のない40歳以上の住民2628名を14年間追跡した成績を用いて,心房細動発症の危険因子を探索した.多変量解析の結果,高齢,男性,コレステロール低値,肥満,心雑音,心電図異常が心房細動の独立した有意な危険因子であることを確認し,これらの因子を用いたリスク予測モデルを作成した.(2)血清高感度CRPレベルと心房細動発症の関連:上記の集団を19年間追跡した成績を用いて,慢性炎症の指標である高感度CRPレベルと心房細動発症との関連を検討した.高感度CRP高値は心房細動発症の独立した有意な危険因子であった.解析に必要なデータセットを整備し,心房細動の危険因子に関する統計解析に着手することが出来た.(1)心房細動発症データベースの作成および時代的推移の検討

第3集団(1988年の健診受診者)以外の久山町の追跡集団(コホート)についても心房細動の発症データベースを整備することにより,心房細動罹患率の時代的推移について検討する予定である.(2)心房細動発症の危険因子の解析引き続き,心房細動発症の危険因子に関する統計解析を進めるとともに,心房細動発症を予測するためのリスクモデルを開発する予定である.疫学(1)心房細動発症データベースの作成および時代的推移の検討第3集団(1988年の健診受診者)以外の久山町の追跡集団(コホート)についても心房細動の発症データベースを整備することにより,心房細動罹患率の時代的推移について検討する予定である.(2)心房細動発症の危険因子の解析引き続き,心房細動発症の危険因子に関する統計解析を進めるとともに,心房細動発症を予測するためのリスクモデルを開発する予定である.平成26年度(昨年度)の当初の計画では,研究に必要な出張費用(旅費)と研究補助者に支払う人件費を支出する予定であったが,実際には出張を行う必要がなく,また研究補助員を雇用する必要がなかった.平成27年度(本年度)は研究補助者に支払う人件費を支出した.平成26年度の未使用額が残っていたため,次年度使用額が生じた理由となった.平成26年度の当初の計画では,研究に必要な出張費用(旅費)と研究補助者に支払う人件費を支出する予定であったが,実際には出張を行う必要がなく,また研究補助員を雇用する必要がなかった.平成28年度は,本研究をさらに推進し完成させるためために必要な研究補助員を引き続き雇用する予定であり,その人件費として,また研究成果を学会,論文等で公表するために旅費,論文原稿作成費用として使用する予定である.平成27年度は,本研究をさらに推進するために必要な研究補助員を新たに雇用する予定であり,その人件費として,また,研究成果を学会等で公表するために旅費として使用する予定である.
アリールボロン酸と安息香酸からの光反応によるアリールラジカル生成と合成への応用

アリールラジカルは、ラジカルの不対電子が軌道にあるためシグマラジカルと呼ばれ、置換基による安定化を受けることができず非常に反応性が高くなる。その生成方法はハロゲン化アリール、スズ化合物とラジカル開始剤を用いた反応やCuやRh、Irなどの遷移金属とアリールジアゾニウム塩などの特殊な基質での反応だけが知られていた。このように制限された生成方法しか知られていないため、アリールラジカルを利用した合成方法の開発は遅れている。これに対して、アリルラジカルやt-ブチルラジカルのようなアルキルラジカルは、不対電子がパイ軌道にあるためパイラジカルと呼ばれ、超共役や共鳴により安定化されているので、様々な方法から容易に生成させることが可能であった。本申請では、容易に入手可能なアリールボロン酸や安息香酸からの光誘起電子移動反応を利用したアリールラジカル生成方法の確立と、新規な合成反応への応用を検討する。本申請で基質として用いるアリールボロン酸は、鈴木ー宮浦カップリング反応に必要な基質であるため、多種多様なアリールボロン酸が合成され、販売されている。さらに、安息香酸誘導体は天然に多く存在し、非常に安定な化合物である。本申請の結果、これらの容易に入手可能な基質から温和な条件でアリールラジカル生成が可能になった場合、アリールラジカルの反応性への理解だけでなく、様々な合成反応へ応用することができ、ラジカル反応の研究に大きく寄与する。さらに、有機化学だけでなくラジカル重合への応用を考えると高分子化学に対しても大きな波及効果が考えられる。29、30年度に、アリールボロン酸から本光反応を用いたアリールラジカル生成に成功し、程よい収率でアルケンへの付加や還元反応が進行した。また、アリールラジカルが生成している直接的な証拠としてTEMPOラジカルトラッピングに成功し、様々なアリールラジカル生成ができるようになった。これらの結果を、論文に投稿し、Chem. Commun.に掲載された。また、30年度は安息香酸からのアリールラジカル生成に成功し、論文化に向けて実験を行っている。安息香酸のアリールラジカル生成に成功したので、このアリールラジカルを利用した合成反応の開発を行っている。例えば、生成させたアリールラジカルをジオキサンなどの水素原子を引き抜きやすい基質を用いることで、安定なラジカルを生成でき、合成反応に利用できるか検討している。また、触媒として可視光を吸収できるものを合成し、この安息香酸の脱炭酸反応に応用できるか検討している。平成29年度は、研究計画のとおり、芳香族のボロン酸を基質とした光反応によるアリールラジカル生成とアルケンへの付加を検討したところ、増感剤としてフェナントレンと1,4-ジシアノベンゼンを、また、アルケンを5等量加えることで、芳香族のボロン酸のMeerwein型反応が進行することを明らかにした。様々な置換基を有するフェニルボロン酸だけでなく、ナフタレンやフェナントレンのボロン酸からもアリールラジカルが生成できること、また、アリールラジカルだけでなく、この方法を用いれば、アルケニルラジカルやアルキルラジカルも生成できることを明らかにした。ボロン酸だけでなく様々なボレートにも応用でき、収率は低いが、アルケンへの付加体を得ることに成功した。アルケンとしても、アクリロニトリルやアクリル酸エステル、アクリルアミドなどの様々な電子不足アルケンも使用できることがわかった。さらに、生成するアリールラジカルは反応性が高いため、溶媒のアセトニトリルの水素を引き抜くことを明らかにし、このためにアルケンが5等量以上必要になることも理解できた。これらの結果は、国際的な英語査読雑誌(Chemical Communications)に掲載した。さらに、関連の論文も1報(J. Org.Chem.)掲載することができた。これらのことにより、アリールラジカルの反応性などの基礎的な知見を得ることができ、次年度の研究に繋ぐことができた。研究計画どおりに進んでおり、さらに、それらの結果を論文2報に掲載することができたため。

さらに、有機化学だけでなくラジカル重合への応用を考えると高分子化学に対しても大きな波及効果が考えられる。29、30年度に、アリールボロン酸から本光反応を用いたアリールラジカル生成に成功し、程よい収率でアルケンへの付加や還元反応が進行した。また、アリールラジカルが生成している直接的な証拠としてTEMPOラジカルトラッピングに成功し、様々なアリールラジカル生成ができるようになった。これらの結果を、論文に投稿し、Chem. Commun.に掲載された。また、30年度は安息香酸からのアリールラジカル生成に成功し、論文化に向けて実験を行っている。平成29年度において、基礎的なアリールラジカルの反応性がわかったため、この知見を利用して、基質としてカルボン酸を用いた同様の反応を開発する。安息香酸のアリールラジカル生成に成功したので、このアリールラジカルを利用した合成反応の開発を行っている。例えば、生成させたアリールラジカルをジオキサンなどの水素原子を引き抜きやすい基質を用いることで、安定なラジカルを生成でき、合成反応に利用できるか検討している。また、触媒として可視光を吸収できるものを合成し、この安息香酸の脱炭酸反応に応用できるか検討している。
水面波を伴う開水路流れにおける界面ガス交換プロセスの解明と実用モデルの提案

河川の自浄作用と自濁作用の定量評価において,大気からの酸素供給量の予測は極めて重要である.一方で自然水域は複雑な諸条件をもつため,酸素輸送速度の実用的な評価法は十分に確立されていない.特に風や重力に誘起される水面波は,水面近傍の乱流生成を促進するためガス輸送に大きな影響を与えるが,その物理機構においては不明な部分が多く実務への応用は停滞している.本研究は学術と実務の乖離を可能な限り埋めるべく,水面変動を考慮した新しいガス交換モデルを構築し,河川を模した粗度実験水路における乱流計測と野外計測を行ってその信頼性を鋭意検証した.その結果,普遍性の高いモデルであることを証明できた.酸素や二酸化炭素ガスは河川流れの自由水面を通じて大気/水層間を活発に交換しており,それらを適切に予測および評価することは,ローカルな水域生態系の形成からグローバルな地球温暖化プロセスまで幅広いスケールをもつ環境諸問題の解決において急務である.最近の計測機器や計算手法の技術進展とともにその詳細が学術的に明らかにされつつあるが,自然界の実フィールドは複雑な諸条件をもつため,ガス輸送速度の実用的な評価法は十分に確立されていない.特に風や重力に誘起される水面波は,自由水面近傍の乱流生成を促進するためガス輸送に大きな影響を与えるが,その物理機構においては不明な部分が多く実務への応用は停滞している.そこで本研究では学術と実務の乖離を可能な限り埋めるべく,水面変動を考慮した新しいガス交換モデルを構築し,実験水路における乱流計測と野外計測を行ってその信頼性を鋭意検証することを目的としてスタートした.H25年度はマルチカメシステムの構成の前段階として,桟粗度開水路乱流を対象にした界面発散値の計測と解析を主に実施した.ステレオ解析以前にシンプルな2D解析によって界面発散値の水理特性を深く検討することは極めて重要である.さらにガス交換を支配する乱流エネルギー散逸率の評価法について従来のスペクトル方式ではなく,時空間データから定義に基づく厳密な評価手法を提案した.特に本年度ではこれらの実験結果から,水面の界面発散が底面粗度と密接な関係があり,乱流の最小スケールであるコルモゴロフスケールによってこの関係を底面状況に依存しない普遍的な形でモデル化することに成功した.初年度で見通しをつけた水面PIV法によって複数の水理条件における水面発散値のデータを得た.特に底面のマクロ粗度のガス輸送現象への影響を考察するため,実験ケースは流速,水深だけでなく粗度の主流方向間隔を幅広く系統変化させた.本システムにより各ケースの水面流速発散値の時間空間分布が獲得でき,これを統計処理して発散強度を計算できた.また水深方向にレーザーライトシートの照射高さをかえたところ、ここで扱った実験ケースに限っては粗度による発散分布の局所性は水面付近においてはみられなかった.同時に2台の溶存酸素計(DO)計を用いたガス輸送速度の評価を行った.さて実験室でゃ亜硫酸ソーダによって水路をあらかじめ脱気させておくとDO値の時系列変化よりガス輸送速度が計算できる.これは一般的な手法であるが,水温制御等,きわめて慎重な実験操作が要求される.一方で発散強度はPIVによる流速分布より微分演算で比較的シンプルに求められるため,この値によってガス輸送速度が予測できれば実用上の価値が非常に大きく,この点が本研究の推進動機となっている.本年度は実験室スケールにおいてPIVによって得られた発散強度とDOの時系列計測によって得られたガス輸送速度の対応関係を調べ,新SDモデルの検証を行った.滑面ケースや底面植生流れのケースですでに得られている新SDモデルは、今回対象とした桟粗度流れにおいても適用できることが確認できた.次のステップでは2次流の影響や水面波の影響を考慮しより一般性の高いモデルへ拡張する.開水路の自由水面を介するガス輸送は河川水質の保全において重要な役割をもつが,ガス輸送速度や再ばっ気係数の実測は難しく信頼性の高い予測モデルの構築が求められている.最終年度では前年度までに提案した修正型界面発散モデル(修正SDモデル)の物理的解釈を行うとともに,2次流の影響が大きい高水深ケース(小アスペクト比)について重点的に計測を行い,修正SDモデルの適用性能を検証した.また周波数帯のガス輸送フラックスへの寄与特性を発散値のパワースペクトルに基づいて評価し,低周波数帯の界面発散がガス輸送を支配することを定量的に示した.従来のSDモデルでは水深が変化すると比例定数が変わる問題があるが,修正SDモデルでは積分スケール渦の効果を組み込んでいるため,2次流のような水深スケール運動が発達するケースを含めた広い水理条件に対して統一的なスケーリングが可能となり,開水路乱流場におけるガス輸送速度の予測精度の向上につながった.研究期間全体を通じて,幅広い水理条件における界面ガス輸送特性を高精度の乱流計測を実施して調べた.特に界面発散値の計測を開水路乱流で行った例は国内外でもほとんどなく貴重なデータが得られた.また底面粗度の存在は水面乱流場に大きな影響を及ぼすことも明らかになり,従来の平均流速を用いたガス輸送係数の評価法は不十分であることを指摘した.さらにこの課題を克服するために,界面発散モデルを修正した新しいモデルを提案し,実験定数を求めた.この新モデルは,底面の粗滑に関係なく適用できることを検証した.さらに水面波が存在する場合のステレオ式発散値計測法についても一定の見通しをつけた.河川の自浄作用と自濁作用の定量評価において,大気からの酸素供給量の予測は極めて重要である.一方で自然水域は複雑な諸条件をもつため,酸素輸送速度の実用的な評価法は十分に確立されていない.