hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
非対称ニューラルネットによる知覚・認知の分散型相関表現の研究

視覚系のニューラルネットワークに関して、関心のある点への注視という機能により、効率のよい情報処理がなされている。この注視の機能を導入するためにニューラルネットワークの内部情報の表現が重要となる。ネットワーク内では情報が分散・多重表現されているため,一般に解析が困難である。しかし、工学の問題であるエキスパートシステムやパターンの注視による識別の問題ではネットワークの識別能力の向上や信頼性の向上などのために分散型内部表現の解析が不可欠である。本研究では、はじめにニューラルネットワークの内部情報を解析してパタン識別のための特徴を捕らえた注視点を明らかにすることを目的とする。このため層状ネットワークの出力細胞が入力細胞の出力にどの程度敏感に反応するかを定式化した。この式を依存度と呼ぶことにする。この依存度の値が大きな領域が、そのニューラルネットワークが注視している点であると考えられる。すなわちネットワークの注視点は依存度の値の大きな領域と見なすことができる。そこで、本研究では、はじめに2値パターンのアルファベット文字を5個を分類するためのBP法による学習を行ない依存度を算出した。その結果、特徴領域の値が大きく算出された。次に、濃淡画像としての電車の全面の画像と人の顔の画像を取り上げ、学習後の依存度の算出を行なった。ここでも、特徴領域が数カ所にわたり、大きな値で算出された。これらの結果を注視点と見なし拡張を行なっている。
ゲノム編集による植物環境応答制御因子の機能改変

本研究は、植物の環境応答能向上を目的としてシロイヌナズナ気孔開口に機能するプロトンポンプを標的としてCRISPR/Cas9によるゲノム編集を行った。Cas9を配偶子および茎頂特異的強発現プロモーターで制御した場合、off-target変異の無いbi-allelic変異が高効率で得られ、新規のシロイヌナズナ変異体を作製した。新規変異体は野生型より高い葉面温度を示し、植物ホルモンアブシジン酸(ABA)に対する気孔の閉鎖能および葉の水分損失速度が高まっていた。以上のことから、CRISPR/Cas9による新規プロトンポンプ変異体は水分ストレス応答が向上していることが明らかになった。本研究は、気孔閉鎖やストレス時に働く細胞膜局在性イオン輸送体など、環境応答調節に重要な因子のゲノム編集による機能改変を目的としている。平成26年度は、まず、高効率ゲノム編集ツールの評価系を確立した。35SCaMVプロモーターの制御下での植物細胞中での発現にコドンを最適化したCas9、およびシロイヌナズナU6プロモーターの制御下でgRNAを発現するCRISPR/Cas9発現ベクターを用いて、乾燥などのストレス応答やストレスに重要な植物ホルモンアブシジン酸応答に重要な機能を持つ因子について、シロイヌナズナゲノム情報をもとに複数の標的配列をgRNAとして選抜し、CRISPR/Cas9発現ベクターに導入した。gRNAの選抜については、シロイヌナズナの気孔開口に機能するプロトンポンプは、調節領域として機能すると考えられる細胞質ドメインを標的部位として、ドミナントに作用する変異導入を試みた。最終的に、gRNA標的配列は、off-target変異を避けるために、in silico解析によるターゲット配列の探索を行って決定した。次に、構築したCRISPR/Cas9発現カセットをシロイヌナズナに形質転換した。T1形質転換植物におけるCas9タンパク質の発現レベルはウェスタンブロットにより、またgRNAの発現レベルはqRTPCRにより解析した。選抜したT1世代における変異をCel-1アッセイおよび塩基配列解析により詳細を解析した。その結果、それぞれのgRNAに対する変異効率が12.5 - 60%で生じていることが明らかになった。また、Cas9に付加した核移行シグナルを2個から1個に変換した場合では変異効率が減少した。T2世代における変異解析の結果、変異が検出されたことから、本システムを用いて安定的なゲノム編集系が構築されたことが明らかになった。植物の環境ストレス応答時に機能する細胞膜局在性イオン輸送体は気孔閉鎖やストレス耐性に重要な機能を持っており、環境ストレス応答に関わるシグナル伝達により制御されている。本研究は、植物の環境応答能向上を目的としてこのような因子のゲノム編集による機能改変を目的としている。シロイヌナズナ環境ストレス応答シグナル伝達遺伝子や気孔開口に機能するプロトンポンプを標的遺伝子として、35SCaMVプロモーターにより発現制御されるCas9カセットを用いて変異導入が確認された植物体について、20-30個体程度のT1植物をまとめてDNA回収を行って、マイクロチップ自動電気泳動装置(MultiNA、島津製作所)および次世代シーケンサー(Hiseq、イルミナ)を用いて、植物体の発達ステージ別の変異導入効率の比較を行った。その結果、体細胞レベルの変異効率は平均で2.4-32.84%であり、植物体に導入したそれぞれのgRNAによって変異効率に差が見られた。さらに、それぞれのgRNAによって植物体のステージにおける変異パターンは変化した。どのgRNAについても、幼植物体における変異効率は高かったが、一方で配偶子世代では低いことが明らかになった。Miseqによるoff-target候補配列への導入効率を解析した結果、どのgRNAについてもoff-target効果は検出されず0%であった。高効率で変異導入が生じることがわかったgRNAについて、さらに、Cas9の発現プロモーターについて配偶子および茎頂で特異的に強く発現するプロモーターに変換しゲノム編集を行った結果、bi-allelic変異が20%の効率で生じることが明らかとなった。以上から、高効率で次世代伝搬性の高いゲノム編集技術を確立することが可能となった。平成27年度においては、植物の高効率ゲノム編集ツールを開発するために、gRNA設計が可能なwebツール、GFPレポーターの発現によるCas9発現レベルのモニタリングカセット、シロイヌナズナなどのin-planta法による形質転換系に最適化された配偶子および茎頂特異的発現プロモーターによるCas9発現カセットなどを構築した。また、変異導入効率、および変異配列の網羅的解析実験系として、マイクロチップ自動電気泳動装置(MultiNA、島津製作所)および次世代シーケンサー(Hiseq、イルミナ)による検出系を確立した。以上の技術基盤により、off-target効果がない、高効率の変異導入が可能となった。配偶子および茎頂特異的特異的発現プロモーターを用いたCas9ベクターにより得られた、bi-allelic変異体は次世代を取得し、ホモ変異体を確立した。得られた新規の変異体についてその環境応答能などの表現型を解析中である。シロイヌナズナ環境ストレス応答シグナル伝達遺伝子や気孔開口に機能するプロトンポンプを標的遺伝子としてCRISPR/Cas9を用いたゲノム編集を行った。

Cas9の発現プロモーターについて配偶子および茎頂で特異的に強く発現するプロモーターに変換しゲノム編集を行った結果、オフターゲットに変異導入の無いbi-allelic変異体が高い効率で得られ、新規のシロイヌナズナ変異体alleleを作製することが可能となった。次に、得られたCRISPR/Cas9変異体の水分ストレス環境への応答性について生理学的に明らかにした。通常の生育条件において、サーモグラフィーによる非破壊計測で葉面温度を測定したところ、CRISPR/Cas9変異体は野生型より高い葉面温度を示し、通常の生育条件においても気孔が閉鎖する傾向があることがわかった。さらに、変異体では、植物ホルモン、アブシジン酸(ABA)に対する気孔の閉鎖能や葉の水分損失速度が高まっていた。以上のことから、新規に作製したCRISPR/Cas9プロトンポンプ変異体は水分ストレス応答が向上していることが明らかになった。本研究は、植物の環境応答能向上を目的としてシロイヌナズナ気孔開口に機能するプロトンポンプを標的としてCRISPR/Cas9によるゲノム編集を行った。Cas9を配偶子および茎頂特異的強発現プロモーターで制御した場合、off-target変異の無いbi-allelic変異が高効率で得られ、新規のシロイヌナズナ変異体を作製した。新規変異体は野生型より高い葉面温度を示し、植物ホルモンアブシジン酸(ABA)に対する気孔の閉鎖能および葉の水分損失速度が高まっていた。以上のことから、CRISPR/Cas9による新規プロトンポンプ変異体は水分ストレス応答が向上していることが明らかになった。シロイヌナズナを用いたゲノム編集研究について、環境応答調節に重要な因子群について、それぞれ複数のgRNA配列をターゲットとするCRISPR/Cas9形質転換植物を得ることができた。これらについて、変異導入の解析を進めており、次世代の伝播性の評価とともに、変異効率の評価の解析が予定通り進んでいる。また、変異箇所の詳細解析の結果、目的とした標的箇所には終始コドンが導入されており、目的の変異が得られていた。これらの状況より、当初の研究計画がおおむね順調に進展していると判断した。1)配偶子および茎頂特異的特異的発現プロモーターを用いたCas9ベクターにより得られた、bi-allelic変異体は次世代を取得し、ホモ変異体を確立した。得られた新規変異植物体について、乾燥や高塩ストレス耐性能などの生理応答を解析し、変異によるストレス応答性への影響を解明する。2)これまで標的遺伝子の変異体がないシロイヌナズナ近縁種や自然変異系統、イネやトマトなどの環境応答因子オルソログについて、ゲノム編集により新規変異導入を行う。植物分子生理学1)CRISPR/Cas9による変異導入植物体について、形質転換を行った世代より後代の植物体において変異伝播性の解析を行い、最終的にCRISPR/CAS9による変異系統を確立する。これらの変異系統におけるoff-
大規模最適化への自己組織化機能を持つ自律分散型確率的手法の開発

本研究は、大規模組合せ最適化問題への新しい手法の一つとして生物界の現象に学んだ確率的な分散手法の開発を行った。特に次の三点について研究を進めた。1.生物界の現象である適者生存の繰り返しによる進化としての遺伝における交叉や突然変異の考え方と、確率的手法の一つである焼き鈍し法(simulated annealing法)を融合した確率的最適化手法を新しく開発した。本手法は並列分散的手法であり、処理時間が速く、かつ解の探索範囲が非常に広いために、真の最適解が求まる確率が非常に高くなる。現在は分散処理専用のコンピュータを用いていないが、用いた場合には、非常に高速な処理が可能となる。本手法を、VLSIのレイアウト設計問題であるフロアプランなどへ適用した。2.大規模最適化の解法には欠かせない近似の概念を、平均場近似法の研究を通して探求した。計算の高速化には必須の概念である近似の概念を平均場近似法から学ぶべくその本質を探求し、種々の結果を得た。3.分散性の概念の構築のためオートマトンネットワークの学習性と最適性について研究した。具体的に並列分散的計算を実行するために必要な分散処理過程を構築するためオートマトンネットワークの処理過程に着目し議論を行い結果を得た。本年度は、以下の点について研究を進め、新しい結果を得ることが可能となった。1.組合せ論的最適化問題を効率的に解くための、自己組織化の一つの形態である遺伝的淘汰現象を取り入れた最適化手法を開発した。2.組合せ論的最適化問題であるVLSIの配置問題の一つであるフロア-プランに開発手法を適用した。簡単な例への適用において有効性が示された。3.自己組織化を取り入れる場合、二つの立場がある。一方は、対象を評価関数を用いた最適化問題としてとらえ、その最適化のための分散型確率的手法の中に自己組織化性を取り入れること。他方は、対象問題の最適化を直接自己組織化的学習法を用いて解くことである。(1)前者については、現在研究を続行中であるが、何を組織化の対象とするか非常に難しい問題点が明かとなった。(2)後者については、その基礎的な過程として学習オ-トマトンや平均場理論を用いた学習法について有益な結果が得られた。4.上記の各々の手法を簡単な実デ-タあるいはそれに近いものへ応用した。5.シミュレ-ションの結果を整理して、今後大規模な実デ-タに適用する方針を議論した。来年度は、上記15の新しく得られた結果をふまえ、一層の研究の発展を計る。1.前年度開発した、組合せ論的最適化問題を効率的に解くための、自己組織化の一つの形態である遺伝的淘汰現象を取り入れた最適化手法を、並列分散的に実行するアルゴリズムを開発した。2.組合せ論的最適化問題であるVLSIの配置問題の一つであるフロアープランに開発手法を適用した。3.計算の高速化にとって必須の概念である近似の概念を平均場近似法から学ぶべくその本質を探求し、種々の結果を得た。4.具体的に並列分散的計算を実行するために必要な分散処理過程を構築するためオートマトンネットワークの処理過程に着目し議論を行い種々の結果を得た。5.上記の各々の手法を実データあるいはそれに近いものへ応用した。6.シミュレーションの結果を整理してまとめ、今後の展望について議論した。7.研究最終年度にあたり2年間の研究結果を総括し、その成果および新しく得られた知見をまとめた。
瀬戸内海経済文化圏形成の現状と将来展望に関する総合的研究

本共同研究は、四全総をフレームとする地方の社会経済的再構築という観点から、瀬戸内海沿岸の地域を一つの圏域としてとらえ、その実態と意識を調査し、圏域としての発展のダイナミズムを獲得する可能性の検討を行うことを目的としたものである。このような目的で行われた共同研究の一つの柱は瀬戸内海沿岸1府10県の行政当局、商工会議所・商工会,農業・漁業共同組合など1182団体に対して行ったアンケート調査である。このアンケートは「瀬戸内海経済・文化圏」という概念に対して、圏域に属する市町村の実態を浮き彫りにするものであり、同時に各個別分野での共同研究に対して共通のフレームを提供した。特に注目されるのは、瀬戸内海圏という広域概念に対して、西瀬戸・東瀬戸といった中間概念の方が強く意識されていることである。個別の研究は社会・経済的なアプローチと自然・環境問題に対する工学的アプローチに大別される。社会・経済的アプローチの中では、主として人口動態の分析による圏域の中核都市についての研究、産業連関表に基づく地域間運関の研究、瀬戸内海沿岸府県の総合生活指標の構築を目指した社会学的研究、さらには情報化やリゾート開発という個々の政策課題に関する実態分析などが行われた。自然・環境問題に対する工学的研究としては、瀬戸内海沿岸の海岸における人口海岸の増加の実態に関する研究、瀬戸内海の中の孤立的な島に特有の海底地形と潮流のパターンに関する研究、交通・港湾・ウォーターフロントの開発などについての都市工学的研究などが行われた。瀬戸内海沿岸地域を圏域としてとらえ、その自立的相互関係の深化と圏域レベルでの活力形成、その中での個々の市町村の発展の構図を研究する出発点としての本研究は十分な成果を残しえた。本年度の共同研究の大きな成果の一つは,瀬戸内海関連の個別研究に対するフレ-ムの設定という意味で実施されたアンケ-ト調査である。これは瀬戸内海沿岸の市町村(1次圏)とそれに隣接する市町村(2次圏)を合わせて392の市町村の行政機関、商工会議所・商工会、農業・漁業共同組合の3種類の機関・団体に対して実施したものであり、瀬戸内海に対する意識、連携と圏域性の実態、将来計画と瀬戸内の牽引都市などについて回答を求めた。本アンケ-トに対しては多くの協力をうることができ、成果は2つの論文として福山大学人間科学研究センタ-紀要に発表される予定である。このアンケ-ト結果を瀬戸内海経済文化圏にたいする総合的研究アプロ-チの中で共有できるよう、共同研究者による研究会にて討議を重ねたが、それを個別の研究に生かしてゆくのは次年度の課題である。その他、各分野からの個別的アプロ-チの研究も進められたが、具体的成果を得たのは次のものである。(1)瀬戸内の産業連関分析:通産省の公表している産業連関表のデ-タベ-スを用いて瀬戸内海地域の産業連関分析を行う。(2)瀬戸内海の資源特性:瀬戸内海地域の分析の基礎デ-タとして、瀬戸内海沿岸の海岸線の実態を調査する。(3)瀬戸内海の情報化:瀬戸内海沿岸市町村における地域情報化への取り組みの具体的事例研究とアプロ-チの整合性の検討。その他具体的成果にはいたっていないが基礎調査が実施されたものは(4)瀬戸内海主要都市の社会指標比較、(5)瀬戸内海市町村の財政構造分析、(6)瀬戸内海沿岸のリゾ-ト施設の実態とその比較、(7)瀬戸内海沿岸市町村の活性化事業の調査とその比較、(8)水辺としての瀬戸内海に対する土木工学的アプロ-チなどである。このような目的で行われた共同研究の一つの柱は瀬戸内海沿岸1府10県の行政当局、商工会議所・商工金、農業・漁業共同組合など1182団体に対して行ったアンケート調査である。

このアンケートは「瀬戸内海経済・文化圏」という概念に対して、圏域に属する市町村の実態を浮き彫りにするものであり、同時に各個別分野での共同研究に対して共通のフレームを提供した。特に注目されるのは、瀬戸内海圏という広域概念に対して、西瀬戸・東瀬戸といった中間概念の方が強く意識されていることである。個別の研究は社会・経済的なアプローチと自然・環境問題に対する工学的アプローチに大別される。社会・経済的アプローチの中では、主として人口動態の分析による圏域の中核都市についての研究、産業連関表に基づく地域間連関の研究、瀬戸内海沿岸府県の総合生活指標の構築を目指した社会的研究、さらには情報化やリゾート開発という個々の政策課題に関する実態分析などが行われた。自然・環境問題に対する工学的研究としては、瀬戸内海沿岸の海岸における人口海岸の増加の実態に関する研究、瀬戸内海の中の孤立的な島に特有の海底地形と潮流のパターンに関する研究、交通・港湾・ウォーターフロントの開発などについての都市工学的研究などが行われた。瀬戸内海沿岸地域を圏域としてとらえ、その自立的相互関係の深化と圏域レベルでの活力形成、その中での個々の市町村の発展の構図を研究する出発点としての本研究な十分は成果を残しえた。
誘導電流測定を基礎とした水面上単分子膜の配向制御と有機単分子膜の電子機能

本研究は基本的な誘電体電気物性の立場に立ち、有機単分子膜の分極を申諸者らの開発した変位電流法により解析すること、単分子膜のトンネル電子伝導を測定し、電導機構を解明することを目指した。さらには分子膜の電子素子応用を目指し研究を試みた。本研究で得られた主な成果は以下の通りである。1.申諸者は水面上において単分子膜の電気物性を評価する技術として変位電流測定を用いる方法を開発してきた。そこで、本研究ではこの技術の上にたち、水面上で単分子膜に加圧、減圧の可逆的圧力変化を与え、これによって生ずる変位電流を計測しながら単分子膜の状態を制御する技術の確立を試み、生体膜分子膜に対して発振現象の関連から新しい知見を得た。2.1.に加え、水面上のアゾ系単子膜に光刺激を加えたときに分子が光異性化する事で発する変位電流を検出することに成功した。この技術の完成により、水面上単分子膜の光刺激にたいする分子の動的挙動を変位電流として観測できるようになった。3.Air gap付きの金属/単分子膜/Air gap/金属構造の素子を作製し、電流計を通した閉回路にて、光刺激による単分子膜の構造変化に起因する変位電流波形の検出を行ない、単分子膜の光一変位電流変換機能の研究を行なった。ここでは、アゾ系分子のシス-トランスの光異性化に着目して、固体基盤上の単分子膜の光・変位電流変換に基づく光記憶素子の基盤技術が確立できた。4.ポリイミドLB超薄膜を用いて、有機超薄膜を絶縁層としたジョゼフソン素子の試作を行なった。また、この素子を用いて、ポリイミド膜の弾性及び非弾性のトンネル電子伝導の測定を行ない、ポリイミド膜のトンネル伝導には、非弾性の成分はほとんど含まれない事が見出された。以上の4つの結果より、有機単分子膜及び分子電子素子材料の基礎と応用に向けた手がかりが得られた。
自然免疫を制御するキナーゼIRAK-4の自己免疫疾患での機能解析

免疫系の関与が指摘されている疾患は、代表的な自己免疫疾患を含め、数多く存在する。これらの疾患への有効な治療法は確立されておらず、申請者らは、モデル動物を用いて疾患成立の機序を解明し、得られた知見を足掛かりに、自己免疫疾患への新たな治療法の開発を目指そうとした。本研究においては、既に確立されて比較的容易に作製できる自己免疫疾患を作り出し、IRAK-4欠損マウスと野生型マウスを比較検討することで、自然免疫系制御因子IRAK-4の自己免疫疾患への作用機序を解明しようとした。我々の用いた実験性アレルギー性脳脊髄炎(EAE、experimental allergic encephalomyelitis)は、自己を非自己として認識し、破壊しようとする自己免疫疾患のモデルで、1型ヘルパーT(Th1)細胞を介して発症することが知られている。まずIRAK-4欠損マウスにおけるCNS(central nervous system)組織の異常の有無を調べた。所見にはっきりとした異常が見られないようであった。次にEAEの誘導抗原であるMOGペプチドを、C57BL/6系の野生型マウスあるいはIRAK-4欠損マウスに皮下投与し、脳脊髄炎発症に伴う後腿の運動麻痺の程度を比較解析しようとした。更には、EAEを引き起こしたマウスの脳切片のspinal cord部位等のCNS組織をHE染色、Kluver-Barrera染色あるいは免疫組織染色することにより、脱髄、炎症等のより詳細な検討を加えようとした。これらは現在検討中である。また、マウスのリンパ節から、MOGペプチドに特異的に反応するT細胞クローンを採取して、そのCD3/CD28抗体に対する反応性の違いを、IFN-gamma等のサイトカインの産生量を指標に検討しようとしたが、まだ実施には至っていない。我々は、自然免疫系はどのように獲得免疫系を誘導するかを検討するために、自然免疫系が著しく阻害されているIRAK-4欠損マウスを用いて下記の事柄を検討した。1、樹上細胞の活性化への影響各々のTLRのリガンドの刺激やウイルス、細菌の感染による樹状細胞の活性化の様子を野生型とIRAK-4欠損樹状細胞を用いて比較した。活性化の指標として、MHCクラスII、CD40、CD80、CD86などの表面マーカーの発現量、及びIL-12等の分泌性サイトカインレベルを測定した。その結果、IRAK-4欠損樹状細胞では、TLR9リガンド刺激による表面マーカーの発現は完全に抑制され、TLR4リガンド刺激によるこれらの発現は、有意に低下していた。更に、IL-12はIRAK-4欠損樹状細胞では、どのTLRリガンド刺激においてもほぼ完全に抑えられていた。2、活性化した樹状細胞による、recipientのnaiveTh細胞への影響成熟化した樹状細胞をガンマ線照射あるいは、グルタルアルデヒドで固定し、樹状細胞から産生されるサイトカインの影響をなくし、樹状細胞の細胞表面上の抗原提示能だけを検討した。LPS刺激ではIRAK-4欠損樹状細胞の抗原提示能によるnaiveTh細胞の増殖誘導能は、野生型樹状細胞のそれと変わらなかった。ところが、naiveTh細胞のTh1細胞へ分化の程度の指標となるは、IFN-γ産生量及びCD69の発現量はIRAK-4欠損樹状細胞による誘導では野生型に比べ著しく低下していた。つまり、IRAK-4は、抗原提示細胞である樹状細胞の適切な成熟化及びそれに引き続いて起こるTh細胞の分化に必要であることが示唆された。この結果より、IRAK-4分子の樹状細胞を介した獲得免疫系への関与が明らかとなった。そめため、自然免疫制御因子IRAK-4が自己免疫疾患に強く関与していることが示唆された。

また、マウスのリンパ節から、MOGペプチドに特異的に反応するT細胞クローンを採取して、そのCD3/CD28抗体に対する反応性の違いを、IFN-gamma等のサイトカインの産生量を指標に検討しようとしたが、まだ実施には至っていない。
外因性因子による体性幹細胞(前駆細胞)分化誘導とその再生医療への応用

平成1618年度にわたって次の3点について検討を行った。(1)神経再生の最終目標材料の神経幹細胞(前駆細胞)調整のためにマウス、カニクイサルからヒトまでのES細胞培養を確立した。首都大学東京-健康福祉学部における倫理委員会を経て、文部科学省の倫理委員会の審査を申請し、認可(平成16年12月16日)後、京都大学から譲渡されたヒトES細胞株3株を用いた。(2)井上らの開発したNeural Stem Sphere法(NSS法)によりマウス、カニクイサルのES細胞から神経幹細胞、神経細胞への分化過程の遺伝子発現および特異タンパク質発現の詳細解析を行った。培養ES細胞コロニー中のOct3/4、Nanog、Nestin、Musashi-1、NF-M、MAP-2、GFAP、MBP、GATA4、Brachyury、Cytokeratin17などの発現量をRT-PCR法で定量した。この結果、ES細胞はアストロサイト条件培地中の浮遊培養ではエピブラスト、神経外胚葉、神経幹細胞、神経前駆細胞を経て神経細胞へ一方向的に分化が進行することが確認された(国際会議で計4回ポスター発表済み、来年度も発表予定)。(3)外因性神経突起伸長因子Z-LLL-H(Zと省略)はアストロサイト由来内因性因子(Xaと省略)と同様に、神経突起伸長作用を有するが、それのみでなく、神経幹細胞から神経細胞への分化誘導作用を有することが次第に明らかになってきた。現在、ES細胞分化過程でのZの作用点、内因性因子(bFGF、BDNF、Xa)共存下での神経幹細胞から神経細胞への分化効率の最適化を再度検討中である。bFGF共存下ではその効率は著しく増大した(約10倍)。bFGFはES細胞の培養条件ではむしろ神経幹細胞の脱分化・増殖を促進することが観測され、明確に作用点が異なり、また細胞の生存率を高く保持したまま、Zの効果を増大する影響とも考えられ興味深い。これらの結果の一部は来年度に日本保健科学学会誌に論文発表準備中である。外因性神経突起伸長因子(Z-LLL-H)はPC12細胞に低濃度で作用して神経突起伸長を誘発するが、本研究ではマウス胚性幹細胞(ES細胞)由来の神経幹細胞を標的としてその分化誘導作用を検討し、再生医療への応用の一助としたい。PCI2細胞が末梢神経由来であるのに対して、用いた神経幹細胞は胚性幹細胞から井上らのNeural stem sphere(NSS)法により調製した、PC12細胞より更に未分化の神経幹細胞であるのが特徴である。既に、Z-LLL-H及び誘導体に関してこの神経幹細胞を形態上は神経細胞へ分化誘導する作用を観察しているので、今年度は先ず、形態的観察に加えて神経系細胞に特異的たんぱく質およびそのm-RNAの発現量を定量することにより、Z-LLL-H処理により誘導された細胞の免疫的・生化学的同定を行った。条件検討により決定した最適条件の下で、48時間Z-LLL-H処理した細胞群(A群)とZ-LLL-H無添加培養細胞群(B群)を比較して、(1)A群の突起伸長細胞ではネスチン発現が減弱し、ニューロン特異的NF-Hが強発現し、グリア特異的GFAPの発現はほとんど認められなかった。また、(2)各細胞群のm-RNA抽出後のリアルタイムRT-PCR定量では、A群ではB群に比べてネスチンとPax6のm-RNAが減少し、NF-Mのそれが2倍以上に増加し、GFAPのm-RNAは減少した。この結果、低濃度のZ-LLL-H添加により上記神経幹細胞はグリア細胞ではなく、神経細胞へ特異的に分化誘導されることが裏づけられた。今後、NSS法と上記外因性因子やその誘導体、既存の神経成長因子などを組み合わせて、生体外で分化誘導した神経細胞の迅速・大量移植の可能性と、内在性体性神経幹細胞の神経細胞への効果的賦活化の可能性について具体的検討を進めたい。本年度は次の3点について検討を行った。(1)神経再生の最終目標材料の神経幹細胞(前駆細胞)調製のためにマウス、カニクイサルからヒトへのES細胞培養を行うステップとして、首都大学東京・健康福祉学部における倫理委員会を経て、文部科学省の倫理委員会の審査を申請した。認可(昨年12月16日)後、京都大学からヒトES細胞株3株を譲渡され、培養を開始した。(2)井上らの開発したNeural Stem Sphere法(NSS法)におけるマウスES細胞から神経幹細胞、神経細胞への分化過程の遺伝子発現および特異タンパク質発現の詳細再解析を行った。培養ES細胞コロニー中のOct-4、Nanog、Nestin, Musashi-1、NF-M、MAP-2、GFAP、MBPなどの発現量をRT-PCR法で定量した。この結果、ES細胞はアストロサイト条件培地中の浮遊培養ではエピブラスト、神経外胚葉、神経幹細胞、神経前駆細胞を経て神経細胞へ一方向的に分化が進行することが確認された(国際会議で二回ポスター発表)。(3)外因性神経突起伸長因子Z-LLL-H(Zと省略)はアストロサイト由来内因性因子(Xaと省略)と同様に、神経突起伸長作用のみでなく、神経幹細胞から神経細胞への分化誘導作用を有することが昨年来次第に明らかになってきた。

現在、ES細胞分化過程でのZの作用点、内因性因子(bFGF、BDNF、Xa)共存下での神経幹細胞から神経細胞への分化効率の最適化を検討中である。bFGF共存下ではその効率は著しく増大した(約10倍)。bFGFはES細胞の培養条件ではむしろ神経幹細胞の脱分化・増殖を促進することが観測され、明確に作用点が異なり、また細胞の生存率に対する影響も考えられ興味深い。平成1618年度にわたって次の3点について検討を行った。(1)神経再生の最終目標材料の神経幹細胞(前駆細胞)調整のためにマウス、カニクイサルからヒトまでのES細胞培養を確立した。首都大学東京-健康福祉学部における倫理委員会を経て、文部科学省の倫理委員会の審査を申請し、認可(平成16年12月16日)後、京都大学から譲渡されたヒトES細胞株3株を用いた。(2)井上らの開発したNeural Stem Sphere法(NSS法)によりマウス、カニクイサルのES細胞から神経幹細胞、神経細胞への分化過程の遺伝子発現および特異タンパク質発現の詳細解析を行った。培養ES細胞コロニー中のOct3/4、Nanog、Nestin、Musashi-1、NF-M、MAP-2、GFAP、MBP、GATA4、Brachyury、Cytokeratin17などの発現量をRT-PCR法で定量した。この結果、ES細胞はアストロサイト条件培地中の浮遊培養ではエピブラスト、神経外胚葉、神経幹細胞、神経前駆細胞を経て神経細胞へ一方向的に分化が進行することが確認された(国際会議で計4回ポスター発表済み、来年度も発表予定)。(3)外因性神経突起伸長因子Z-LLL-H(Zと省略)はアストロサイト由来内因性因子(Xaと省略)と同様に、神経突起伸長作用を有するが、それのみでなく、神経幹細胞から神経細胞への分化誘導作用を有することが次第に明らかになってきた。現在、ES細胞分化過程でのZの作用点、内因性因子(bFGF、BDNF、Xa)共存下での神経幹細胞から神経細胞への分化効率の最適化を再度検討中である。bFGFはES細胞の培養条件ではむしろ神経幹細胞の脱分化・増殖を促進することが観測され、明確に作用点が異なり、また細胞の生存率を高く保持したまま、Zの効果を増大する影響とも考えられ興味深い。これらの結果の一部は来年度に日本保健科学学会誌に論文発表準備中である。
一酸化窒素・ヒドロキシラジカル同時発生化合物の開発

生体内一酸化窒素(NO)は、活性酸素であるスーパーオキシドと反応し、ペルオキシ亜硝酸イオンを生成するとされているが、同じ活性酸素種であるヒドロキシラジカルの影響については不明な点も多い。これを明らかにする目的でヒドロキシラジカルとNOを同時に発生させることが可能な新規な化合物の合成と反応性を検討した。一酸化窒素・ヒドロキシラジカルドナーの侯補化合物として平成12年度は、N-ニトロソ基とN-オキシド基の両方を部分構造として持つ芳香族アミノ誘導体の合成を行った。フェニルピリジルニトロサミンは光照射によりNOを遊離し、一方、ピリジンN-オキシド類はヒドロキシラジカルを遊離することをESR測定法により確認した。フェニルピリジルニトロサミンN-オキシド類からのNOの確認は、我々が開発した簡易型NO発生検出装置を適用した。平成13年度は、N-ヒドロキシアミジノ基またはN-ヒドロキシグアニジノ基が一電子酸化剤によりNOを遊離することに着目し、シアノ誘導体とヒドロキシアミンとの反応によってアミドキシム誘導体を合成した。合成した化合物はヒドロキシラジカルを発生するフェントン試薬で酸化して、これらの化合物からNOが遊離することを明らかにした。さらに、シアノピリジンN-オキシド類にヒドロキシアミンを反応させて得たN-オキシド基を持つアミドキシム誘導体については、嫌気的条件でグルコース存在下グルコースオキシダーゼとの反応でNOの生成が認められた。以上の結果、一酸化窒素・ヒドロキシラジカル同時発生化合物の合成が達成された。今後、このタイプの化合物の生理活性が期待される。一酸化窒素(NO)・ヒドロキシルラジカル発生化合物を開発する目的として、N-ニトロソ基とN-オキシド基の両方を部分構造として持つ芳香族アミン誘導体の合成を行い、合成した化合物のNOおよびヒドロキシルラジカル遊離能を分光学的手法で検討した。1.侯補化合物の合成:クロロピリジンまたはそれらのN-オキシド類にアニリン誘導体を反応させジアリールアミン体とした後、ニトロソ化を行うことにより、ピリジルフェニルニトロソアミンおよびそのN-オキシド誘導体を合成した。2.合成した化合物の分光学的検討:(1)で合成した化合物を熱または光で分解し、NOおよびヒドロキシルラジカルの発生を調べた。遊離したNOは、スピントラップ剤を用いたESR法で確認した。さらにNO量を亜硝酸イオンとしてグリース法で決定した。一方、ヒドロキシルラジカルの遊離は、還元剤およびスピントラップ剤共存下でESR法で調べた。その結果、ピリジンN-オキシド類ではヒドロキシルラジカルの生成が確認できたが、ニトロソアミン誘導体ではまだ確定できず、さらに検討が必要である。3.生体モデル反応の検討:(1)で合成した化合物を用いてプラスミドpBR322に対する作用を調べたところ、N-オキシドのないニトロソアミン類は弱い活性を示し、この活性がNO由来であると推定した。今回、N-オキシド類がヒドロキシルラジカルを遊離することが明らかになったので、N-オキシドを持つジアリールニトロソアミン類についても、NOとヒドロキシルラジカル由来の強い活性が期待される。一酸化窒素・ヒドロキシラジカル同時発生化合物として同一分子内に2種類の官能基を持つアミドキシム誘導体を合成した。すなわち、一酸化窒素を遊離する官能基としてヒドロキシアミジノ基、または、ヒドロキシグアニジノ基を持ち、また、ヒドロキシルラジカルを遊離する官能基としてN-オキシド基を持つ化合物を合成し、これらの化合物を用いて一酸化窒素とヒドロキシラジカルの生成能を調べた。1.アミドキシムの誘導体の合成:シアノ誘導体とヒドロキシアミンを反応させてピリジンアミドオキシム類を合成した。2.N-オキシド基を持つアミドキシム誘導体の合成:シアノピリジンN-オキシド類にヒドロキシアミンを反応させてヒドロキシアミジノピリジンN-オキシドを合成した。さらにヒドロキシアミジノトリアゼノピリジン誘導体についても相当するシアノトリアゼン誘導体から合成した。

3.合成した化合物の分光学的検討:(1)で合成した化合物をFenton試薬で酸化し、一酸化窒素の発生を調べた。遊離した一酸化窒素は、亜硝酸イオンとしてグリース法で決定した。一方、(2)で合成した化合物については嫌気的条件下でグルコースおよびグルコースオキシダーゼと反応した後Fe(II)を加え、亜硝酸イオンとしてグリース法で一酸化窒素を測定した。N-オキシドを持たない化合物はFenton系で一酸化窒素を生成するのに対して、N-オキシド基を持つ化合物は嫌気的条件下で還元的に一酸化窒素を生成することが明らかになった。この結果は、ヒドロキシラジカルが生成すると向時に一酸化窒素が生じることを意味する。今後、このタイプの化合物の生理活性が期待される。
卵胞発育における血管内皮細胞増殖因子VEGFの新たな役割

私どもは卵巣顆粒膜細胞の分化過程において血管内皮細胞増殖因子Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF)の発現量および局在が変化することに注目し、VEGFR-2の特異的阻害剤であるSU5416を用いた卵胞発育過程への影響を検討した結果、排卵前の分化した卵巣顆粒膜細胞においてVEGFが強く発現誘導され、VEGFR-2を介して作用していることが示唆された。卵巣顆粒膜細胞の増殖メカニズムについて明らかにするために行ったDES処理ラット卵巣でのDNAマイクロアレイによる網羅的遺伝子解析では、VEGFは増殖過程における顕著な発現変化は認められなかった。また下垂体切除ラットを用いて、ゴナドトロピン非存在下におけるDESの卵巣へ直接的な作用をin situ hybridizationにより検討したところ、VEGFはDES処理前には間質および莢膜細胞で弱く発現しているが、DES処理により2時間で莢膜細胞における発現が上昇しその後低下したことから、DES処理による卵巣顆粒膜細胞の増殖にはあまり関与していないことが示唆された。一方VEGFはゴナドトロピン作用を持つPMSG処理をしたラット卵巣で発現が上昇することが明らかになったため、PMSG処理した卵巣でin situhybridizationを行ったところ、排卵前の卵巣顆粒膜細胞において強い発現誘導が認められた。またVEGF受容体の阻害剤SU5416を用いた解析により卵胞発育過程で閉鎖する卵胞が多く認められたことからVEGFが卵巣顆粒膜細胞の分化および卵胞発育への関与が示唆された。VEGFの主要な受容体であるVEGFR-2の卵巣における発現はこれまで莢膜細胞に限局されると報告されていたが、ラットの初代培養卵巣顆粒膜細胞を用いて解析したところ、卵巣顆粒膜細胞においてもVEGFR-2が発現していることが明らかになった。また初代培養卵巣顆粒膜細胞におけるVEGFR-2は無血清培地での培養時には発現が低いが、2%FBS添加により上昇することが明らかになった。また同時に検討したVEGFR-1とVEGFR-3の発現量は非常に低く、血清を添加しても変化しなかった。以上のことから、排卵前の分化した卵巣顆粒膜細胞においてVEGFが強く発現誘導され、VEGFR-2を介して作用していることが示唆された。私どもは卵巣顆粒膜細胞の分化過程において血管内皮細胞増殖因子Vascular Endothelial Growth Factor(VEGF)の発現量および局在が変化することに注目し、VEGFR-2の特異的阻害剤であるSU5416を用いた卵胞発育過程への影響を組織切片の観察を中心に検討した。21日齢の幼若ラットに性腺刺激ホルモンPMSGとSU5416の同時投与群(SU5416群)とPMSGとSU5416の溶媒であるDMSOの同時投与群(コントロール群)について、無処理および48時間後、72時間後での卵胞発育の変化を比較した。切片の観察方法としては、各処理した幼若ラット(各処理、各時間で3個体ずつ)の卵巣から作製した切片を50枚毎(750mm毎)に3枚ずつ卵胞数を測定して、各処理における卵胞数、発育段階について評価した。また評価の基準として、卵胞の発育段階をstage1 :単層の顆粒膜細胞をもつ卵胞、stage2 : 24層の顆粒膜細胞をもつ卵胞、stage3 : 4層以上の顆粒膜細胞をもち卵胞腔のない卵胞、stage4 :小さな卵胞腔を形成した卵胞、stage5 :大きな卵胞腔を形成した卵胞、CL :黄体化した卵胞とした。無処理時の幼若ラットの卵巣ではstage1から3の卵胞が多いが、stage4の卵胞も見られた。処理48時間後では両群とも80%近くがstage3と4に発育していた。また処理72時間後では両群で発育が進んでstage5の割合が増し、排卵したことを示すCLも認められた。これまでに行った予備的な実験から阻害剤を投与したラットでは卵胞発育の早い段階での卵胞閉鎖による発育の異常が予想されたが、今回の解析ではPMSGとSU5416の同時投与による卵胞発育への影響をはっきりみることはできなかった。しかし各処理時間において、SU5416群ではコントロール群に比べて卵胞発育や卵胞腔形成がわずかながら促進されていること、また隣接する卵胞間に存在する莢膜細胞や間質細胞の形態が異常な卵胞があることが認められた。さらに各処理による卵巣の遺伝子発現の変化をReal-time PCRで解析するとPMSGによるHIF2αやVEGFの発現の上昇がSU5416投与で低下したことからも、卵胞発育におけるVEGFおよびVEGFR-2の関与が示唆されるものと思われた。
根尖病変発症におけるMMP-1遺伝子多型性の関与

Ets-1は、MMP-1発現において重要な役割を持つ転写因子である。また、MMP-1のプロモーター領域-1607での一塩基多型は、Ets-1の結合能に影響を及ぼすといわれている。そこで各種歯根膜紺胞においてEts-1結合能を調べるため以下の実験を行った。1.ヒト歯根嘆組胞の培養当研究室でストックしている数種の歯根膜細胞を、10%ウシ胎児血清を含むα-MEM(α-modificd minimum csscnlial Medium)で培養した。実験には継代数510代までを用いた。コンフルエントに達した細胞は1%ウシ胎児血清を含むα-MEMで24h培養し、その後腫瘍壊死因子(TNF-α)で刺激した。2.ノーザンプロット法によるMMP-1 mRNAおよびets-l mRNA発現の検討培養細胞の全RNAをAGPC(Acid Guanidinium-Phenol-Chloroform)法で抽出し、ノーザンプロット法によりMMP-1mRNAおよびcts-1mRNA発現を調べた。3.MMP-1およびEts-1タンパクの測定培養上清からELISA法およびウェスタンブロット法によりMMP-1およびEts-1タンパク産生量を検討した。4.ゲルモビリティシフトアッセイによる転写因子Ets-1結合能の検討培養細胞の核タンパクをDlgnamらの方法で抽出し、ゲルモピリティシフトアッセイを行った。すなわち、コンセンサスEts-1モチーフ(5-AGTCGAGGAAGTGACTAACTG-3')を合成オリゴヌクレオチドプローブとして川いて、核タンパク抽出物のDNA結合活性を調べた。以上の実験から、次のような結果が得られた。TNF-αはMMP-1mRNAおよび蛋白産生を誘導した。細胞の違い(個体差)による発現垂の違いは、認められたが、ELISA法による結果から有意差は認められなかった。また、TNF-αはEts-1mRNAおよび蛋白産生を誘導した。細胞の違い(個体差)による発現量の違いは、認められなかった。さらに、TN-αは転写因子Ets-1の活性化を誘導した。細胞の違い(個体差)による活性化の違いも確認できた。今後はルックLアッセイにより、プロモーター活性の細胞間の違いを検討するとともに、high response群とlow response詳の遺伝子解析をすすめていきたい。各種歯根膜細胞でのMMP-1発現を調べるため以下の実験を行った。1.ヒト歯根膜細胞の培養当研究室でストックしている数種の歯根膜細胞を、10%ウシ胎児血清を含むα-MEM(α-modified minimum essential Medium)で培養した。コンフルエントに達した細胞は1%ウシ胎児血清を含むα-MEMで24h培養し、その後腫瘍壊死因子(TNF-α)で刺激し、以下の実験を行った。2.ノーザンブロット法によるMMP-1 mRNA発現の検討培養上清からELISA法およびウェスタンブロット法によりMMP-1産生量を検討した。

ヒト歯根膜細胞培養系において、TNF-αはMMP-1 mRNAおよび蛋白産生を誘導した。細胞の違い(個体差)による発現量の違いは、認められたが、ELISA法による結果から有意差は認められなかった。MMP-1発現量の違いには、プロモーター領域の遺伝子多型の関与が考えられる。今後細胞種を増やし、発現量に明らかに差がある細胞を検索し、それらに遺伝子多型がどのように関与しているのか、検討を加えていきたい。Ets-1は、MMP-1発現において重要な役割を持つ転写因子である。また、MMP-1のプロモーター領域-1607での一塩基多型は、Ets-1の結合能に影響を及ぼすといわれている。そこで各種歯根膜細胞でのEts-1発現を調べるため以下の実験を行った。1.ヒト歯根膜細胞の培養当研究室でストックしている数種の歯根膜細胞を、10%ウシ胎児血清を含むα-MEM(α-modified minimum essential Medium)で培養した。実験には継代数510代までを用いた。コンフルエントに達した細胞は1%ウシ胎児血清を含むα-MEMで24h培養し、その後腫瘍壊死因子(TNF-α)で刺激し、以下の実験を行った。2.ノーザンプロット法によるEts-1 mRNA発現の検討3.ウェスタンブロット法によるEts-1産生の検討培養細胞からタンパクを抽出しウェスタンブロット法によりEts-1産生を検討した。以上の実験から、次のような結果が得られた。ヒト歯根膜細胞培養系において、TNF-αはEts-1 mRNAおよび蛋白産生を誘導した。細胞の違い(個体差)による発現量の違いは、認められなかった。今後は、一塩基多型の有無とEts-1結合能の検討を中心に遺伝子多型がMMP-1発現にどのように関与しているのか、検討を加えていきたい。そこで各種歯根膜細胞においてEts-1結合能を調べるため以下の実験を行った。コンフルエントに達した細胞は1%ウシ胎児血清を含むα-MEMで24h培養し、その後腫瘍壊死因子(TNF-α)で刺激した。2.ゲルモビリティシフトアッセイによる転写因子Ets-1結合能の検討培養細胞の核タンパクをDignamらの方法で抽出し、ゲルモビリティシフトアッセイを行った。
顔の表象形態とその形成過程に関する時系列的研究

従来、顔の既知性判断においては、既知顔の表情の影響は見られないとされていたが、研究代表者のこれまでの研究では、一貫して既知性判断において表情の効果か観察されている。しかし、表情の効果は一様ではなく、被験者の日常の知人で見られるが、有名人では見られないというものであった。本研究の目的は、表情の効果が日常の知人と有名人とでは異なるというこれまでの知見を再確認するとともに、日常の知人に対する表情の効果が、どの時点で生じるのかについても検討することとした。まず、これまでの知見を再確認する目的で予備実験を実施した。そこでは短大の学生を被験者、ターゲット人物を有名人および短大の教職員として、顔の既知性判断課題を行った。実験は7月に実施した。その結果、被験者の学年によって表情の効果が異なる傾向が示された。すなわち、1年生の場合、ターゲットが有名人、教職員のどちらの場合においても表情の効果は見られなかったが、一方、被験者が2年生の場合は、ターゲットが教職員の場合にのみ表情の効果が見られた。そこで、本実験では、最初から被験者の学年を独立変数に組み入れて、再度実験を行った。実験は11月に実施した。その結果、学年×ターゲット×表情の交互作用が有意となり、予備実験の結果が追認された。これらの結果は、Bruce&Young(1986)の顔認識モデルで仮定されている表情とは独立した内的表象(FRU)の概念とは整合せず、したがって、FRUに対して何らかの修正が必要であることを示している。教職員の場合にのみ、被験者の学年が表情の効果の発現にかかわるという今回の結果は、顔の表象形成過程において、ターゲットとの接触頻度や観察経験が重要な要因であることを示唆している。
コンタクトエピタキシャル法を用いたシリコンフォトニクス用光アイソレータの研究

集積化に適した光アイソレータの実現に向け、シリコン導波路上に磁気光学ガーネットであるセリウム置換イットリウム鉄ガーネット(Ce:YIG)を形成するための基礎研究を行った。シリコン上に非晶質状態のCe:YIG薄膜を積層後、種結晶をコンタクトさせて結晶化を図るコンタクトエピタキシャル法の条件探索を行い、非処理のCe:YIG装荷シリコン導波路に対して伝搬損失が低減されることを明らかにした。さらにコンタクトエピタキシャル法を施したシリコン上のCe:YIG膜のX線回折評価において強いピーク強度が得られ、結晶性の向上が示され、ファラデー回転係数の測定においても磁気光学効果の発現が確認された。研究計画の初年度である平成26年度は光アイソレータに必要な磁気光学ガーネット材料をシリコン導波路上に選択的に結晶化させるための基礎的技術の検討を行った。イットリウム(Y)の一部をセリウム(Ce)に置換したセリウム置換イットリウム鉄ガーネットYIG(CexY(3-x)Fe5O12;Ce:YIG)は、比較的大きなファラデー効果を示す材料である。CeとYの置換量を増加させることにより、さらに大きなファラデー効果を得ることが期待できるが、これまでに確立されたコンタクトエピタキシャル法ではCeの置換量x=1の条件が用いられていた。本研究課題ではCeの置換量x=1.5の条件に挑戦している。第1段階目の基礎的検討事項としてCeの置換量x=1.5のターゲットを用いてスパッタリングにより溶融石英基板上へ形成したCe:YIG薄膜に対して、結晶化プロセスにおける重要なパラメータである熱処理条件の検討を行った。高い結晶性を有するCe:YIG薄膜の形成条件の最適化には、さらに詳細な検討が必要であるが、Ceの置換量x=1.5の条件においてもコンタクトエピタキシャル法による結晶化の兆候が得られている。大きな磁気光学効果を有するCe:YIG薄膜の形成条件の検討と平行して、最終目標である導波路型アイソレータの実現に不可欠な磁気光学ガーネット材料のシリコン導波路上への選択的形成技術の開発を開始した。基礎的な要素技術として、シリコン上にクラッド層として形成したCe:YIG薄膜の特性評価法の開発を行った。シリコン導波路上のCe:YIG薄膜の特性評価を行うため、SOI(Silicon on Insulator)ウェハを用いた非対称マッハツェンダー干渉計シリコン導波路を製作し、その片側のアーム導波路にスパッタリングにより形成したCe:YIG薄膜の影響による波長特性の変化を測定し、評価結果の解析を進めている。研究計画の2年目である平成27年度はシリコン導波路上に形成した磁気光学ガーネット材料イットリウム(Y)の一部をセリウム(Ce)に置換したセリウム置換イットリウム鉄ガーネットYIG(Ce:YIG)の特性評価技術の確立を行った。SOI(Silicon on Insulator)ウェハ上に製作した導波路型非対称マッハツェンダー干渉計内に、スパッタリングによりクラッド層としてCe:YIG薄膜を形成したシリコン導波路を組み込み、その特性評価を行った。理論特性とのフィッティングによる解析結果から、成膜後に熱処理をしていないアモルファス状態のCe:YIG装荷シリコン導波路の伝搬損失に対して、コンタクトエピタキシャル法の熱処理を施したCe:YIG装荷シリコン導波路では伝搬損失が低減されるという結果を得た。また、従来、研究代表者が光スイッチ等のデバイスに用いていたシリコン導波路の製作プロセスでは、450°C以上の熱処理プロセスを経ることで、シリコン導波路自体の伝搬損失が増加するという課題が明らかになった。この課題の要因について、詳細な実験と検討を繰り返し、650°C程度まで伝搬損失の増大を抑制した導波路製作技術ならびに熱処理制御技術の開発を行った。また、マッハツェンダー干渉計シリコン導波路のさらなる低損失化を進め、特性評価の精度向上も図っている。これらと平行して、導波路型光アイソレータの設計、試作及び特性評価を始めている。本研究課題で実現を目指す導波路型光アイソレータの主要課題であるシリコン導波路上のCe:YIG薄膜へのコンタクトエピタキシャル技術の開発に取り組んでいる。研究過程において、シリコン導波路の製作に用いていた従来プロセスでは、450°C以上の熱処理プロセスを経ることで、シリコン導波路の伝搬損失が増加するという課題が明らかになり、このために検討を要することとなった。考え得る様々な要因について詳細な実験と検証を行い、課題を克服する導波路製作ならびに熱処理制御の技術確立に至った。引き続き、熱処理前後でのCe:YIG装荷シリコン導波路の特性評価を詳細に進めるとともに、導波路型光アイソレータの設計及び試作、特性評価に取り組み、さらに研究代表者及び研究分担者が密に連絡を取りながら、連携して研究を遂行しており、おおむね順調に進展していると考えられる。小型で高機能な光集積回路を実現するシリコンフォトニクスの発展には、非相反な伝搬特性を有する光アイソレータによって反射戻り光や不要光の入射を防止することが必要であり、シリコン導波路デバイスと同一チップ上での集積が可能な光アイソレータの実現が強く望まれている。本研究では、シリコン上に非晶質状態のセリウム置換イットリウム鉄ガーネット(Ce:YIG)薄膜を積層後、上部から種結晶をコンタクトさせて結晶化を図るコンタクトエピタキシャル法の条件探索を行い、光アイソレータに必要な磁気光学ガーネット結晶をシリコン導波路上に形成する技術の確立と光アイソレータの集積化技術の検討を行った。