hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
多波長宇宙論データの同時解析法の開発と宇宙の暗黒成分の究明

銀河のイメージング、分光データから得られるクラスタリング統計量、重力レンズ効果の測定を組み合わせ、銀河バイアスの不定性を観測的に除去し、宇宙論パラメータを制限する手法を開発できた。開発した手法をスローン・ディジタル・スカイ・サーベイ(SDSS)のデータに適用し、宇宙論パラメータを制限することができた。特に、宇宙論スケールにおける重力理論のテストに有効なパラメータを制限ができ、Planck宇宙背景放射の測定結果と若干の矛盾があることを報告した。また、宇宙最大の自己重力天体である銀河団について、個数カウントと重力レンズ効果の測定を組み合わせ、より正確に宇宙論パラメータを制限する手法を開発した。広天域の宇宙背景放射、銀河イメージング・分光サーベイ、またX線衛星による全天サーベイ計画など、世界中でダークエネルギーの探査を目的とした宇宙論サーベイが稼働中、あるいは計画中である。これら多波長の宇宙論データを組み合わせ、ダークエネルギー、宇宙論パラメータの制限を改善する、また無バイアスな制限を引き出すことができる手法の開発は極めてタイムリーなトピックである。この背景のもと、本研究者は、宇宙論の研究で著名なシカゴ大学のScott Dodelson教授、英国のマンチェスター大学のSarah Bridle教授と共に世話人を務め、伝統ある米国のアスペン物理センターで、H26年度7月に「Combining probes in cosmology surveys」研究会を開催した。世界中で宇宙論の理論研究、また大型宇宙論サーベイを牽引している研究者を一堂に会し、活発な議論の場を持つことができた。これらの議論を受け、異なる波長、手法の宇宙論データを組み合わせ、宇宙の構造形成モデルを制限する手法を開発することに成功した。これまでは、各波長、各宇宙論データの内部に閉じた研究が活発にされていたが、これらの様々なデータを横断的に組み合わせ、宇宙論研究を展開するという新たな視点、流れをもたらすことができた。また、開発した宇宙論手法を実際の観測データに適用し、ダークマターの総量、また現宇宙の構造形成の成長度合いを表すパラメータを制限することに成功した。これらの研究は業界でも注目されており、今後もさらに活発に議論され、様々な相乗効果が得られると期待される。広天域の宇宙背景放射、銀河イメージング・分光サーベイ、またX線衛星による銀河団サーベイなど、世界中でダークエネルギーの性質の解明を目的とした宇宙論サーベイが稼働中、あるいは計画中である。これら多波長の宇宙論データを組み合わせ、ダークエネルギー、宇宙論パラメータの制限を改善する、また系統誤差に影響を受けない制限を導出することを可能にする手法を開発することを目的とする。本研究者は、米国の宇宙背景放射、銀河サーベイの研究で著名なプリンストン大学のDavid Spergel教授らと共同研究を進め、スローン・ディジタル・スカイ・サーベイ(SDSS)のデータから測定した重力レンズ観測量とクラスタリング統計量を組み合わせ、銀河バイアスの不定性を除去する手法を開発した。また、宇宙論の理論研究で著名なシカゴ大学のWayne Hu教授とも共同研究を進めた。N体シミュレーションは宇宙論の研究では必要不可欠になっているが、周期境界条件による不定性である、シミュレーションの体積を超えるゆらぎ(重力)の影響を取り入れる手法を解決した。この手法により、広天域サーベイ領域を超えるゆらぎの影響を考慮することが可能になり、逆にそのゆらぎを測定できる可能性を指摘した。大波長スケールのゆらぎは宇宙初期のインフレーションの物理を反映していると考えられ、この研究は注目を集めている。N体シミュレーションは、宇宙の非線形大規模構造の物理を調べる必要不可欠な手法になっている。このN体シミュレーションでは周期境界条件を課す必要があり、つまりN体シミュレーション体積を超えるゆらぎ(重力)の影響を無視する不定性が知られていた。この問題に着目し、我々はN体シミュレーションを超えるゆらぎの影響を取り入れる手法を開発した。我々の研究は、約30年間に及ぶ宇宙論のN体シミュレーションの研究史で、初めて定量的に示した結果であり、その意義は大きいと考える。逆に、この手法を用いることで、大波長スケールのゆらぎが宇宙の構造形成に及ぼす影響を調べることが可能になり、またその理論モデルと観測データを比較することで、大波長スケールのゆらぎを制限することが可能になることを指摘した。大波長スケールのゆらぎは、インフレーションなどの初期宇宙の物理をよりクリアに反映していると考えられており、その応用、さらなる研究の発展が期待できる。H27年度中には査読雑誌に10編の論文を発表している。これらの理由で、計画していた研究はおおむね順調に進展していると言える。本研究は、これら多波長の宇宙論データを組み合わせ、ダークエネルギー、宇宙論パラメータの制限を改善する、また系統誤差に影響を受けない制限を導出することを可能にする手法を開発することを目的とする。本研究者らは、宇宙背景放射、銀河サーベイの研究で著名な米国プリンストン大学のDavid Spergel教授らと共同研究を進めている。本年度は、スローン・ディジタル・スカイ・サーベイ(SDSS)のデータから得られた銀河団統計量、重力レンズ観測量、また銀河団とイメージング銀河カタログのクラスタリング統計量を組み合わせ、銀河団の母体であるダークマターのハロー(自己重力領域)の境界を探る手法を開発した。ダークマターハローの境界領域は、宇宙の階層的構造形成の物理過程において、銀河団領域へのダークマターの集積過程、またダークマターが重力でのみ他の粒子と相互作用しないという性質を反映する。

我々が発見したダークハローの境界領域の位置は、冷たいダークマターを仮定した構造形成シミュレーションが予言するより領域より小さい(半径が小さい)結果を示している。様々な系統誤差のテストを行ったが、小さい境界領域を引き起こす効果を同定することはできていない。例えば、ダークマター粒子同士が自己相互作用(self-interaction)するというモデルを考えると、摩擦力として働き、小さい境界領域を引き起こす可能性がある。このように研究期間中に、様々な宇宙論観測量を組み合わせ、構造形成モデルを制限する手法を開発できた。銀河のイメージング、分光データから得られるクラスタリング統計量、重力レンズ効果の測定を組み合わせ、銀河バイアスの不定性を観測的に除去し、宇宙論パラメータを制限する手法を開発できた。開発した手法をスローン・ディジタル・スカイ・サーベイ(SDSS)のデータに適用し、宇宙論パラメータを制限することができた。特に、宇宙論スケールにおける重力理論のテストに有効なパラメータを制限ができ、Planck宇宙背景放射の測定結果と若干の矛盾があることを報告した。また、宇宙最大の自己重力天体である銀河団について、個数カウントと重力レンズ効果の測定を組み合わせ、より正確に宇宙論パラメータを制限する手法を開発した。多波長、異なる手法の宇宙論データを組み合わせ、宇宙論パラメータを制限する手法を開発することができた。また、実際に開発した手法をスローン・ディジタル・スカイ・サーベイ(SDSS)およびCanada France Hawaii Telescope Survey (CFHTLenS)のデータに適用し、手法的には銀河のクラスタリング解析と重力レンズ効果の測定を組み合わせることで、宇宙論パラメータを制限することに成功した。この結果は査読論文に受理されており、H27年度中に掲載される予定である。このように、理論モデルの開発、新宇宙論手法の開発、また実際のデータへの適当という三段階の研究が達成し、当初予定したよりも順調に進んでいると言える。上述した多波長宇宙論データから得られる宇宙論統計量を組み合わせる手法をさらに発展させる。特に、分光銀河サーベイの銀河の3次元分布から、N体シミュレーションで正確な予言が可能なダークマターハローの分布を復元する手法を開発する。クラスタリング統計量、赤褒貶歪み効果、重力レンズ、宇宙背景放射のスニヤエフ・ゼルドヴィッチ効果、X線放射などダークマターハローについては様々な宇宙論観測量が得られるが、それらを組み合わせ、宇宙論パラメターを制限する手法を開発する。また、上述したN体シミュレーションの手法をさらに発展させ、これらの観測量に及ぼす大波長スケールのゆらぎの影響を定量的に調べる。N体シミュレーションを多数走らせ、それらから宇宙論観測量の理論予言をデータベース化し、この研究で開発した手法を実際のデータに適用する準備を進める。
バクテリオロドプシンのプロトンホップ・機構

バクテリオロドプシン(bR)のプロトンポンプ活性機構について、米国カリホルニア大学Lanyi教授、ウエイン大学Needleman教授との位置特異的変異蛋白質のデザインおよび調整を軸に、固体高分解能NMR,赤外分光学、X線回折の三つの面からの日米共同研究を行い、日米共同研究により以下の結果を得た。(1)固体NMRプロトンポンプは、光吸収によるレチナールの異性化、細胞外側でのプロトン放出、細胞質側でのプロトンのとりこみ、シッフ塩基の脱プロトン化によるAsp85へのプロトン移動によって生じる。この間の蛋白質骨格構造の変化を知るために、[1-^<13>C]Val-標識bRおよびD85N変異株のスペクトルを高アルカリ状態で調べた。後者の変異株はAsp85のプロトン付加に対応しM中間体様構造において、へリックスBおよびB-Cループに大きな構造変化をもたらすことを明らかにするとともに、蛋白構造変化への寄与の重要性を指摘することができた。(2)赤外分光学レチナールの光異性化反応における蛋白質側の構造変化を詳細にしるために、偏光赤外分光学測定を行った。光異性化にともなう蛋白質構造変化の解析を行い、重水置換可能なO-H伸縮振動から、89位のスレオニン残基において、異性化反応にともなって水素結合強度が強まることを観測することができた。(3)X線回折時分割測定の可能性を拡張するために、紫膜の光反応の時間分解X線小角解析データに対して、特異値分解法を適用した。その結果、光吸収後に生成するシッフ塩基の脱プロトン化からの戻り反応において、2っつの異なる構造をとることが明らかになった。なお、米国側では、単結晶のX線解析により基底状態およびM中間体における高分解能の3次元構造の解析に成功している。バクテリオ口ドプシン(bR)のプロトンポンプ活性機構について、共同研究者であるカリフォルニア大学Lanyi教授、ウエイン州立大学Needeman教授と、変位体タンパク質のデザインおよび調製を軸に、固体高分解能NMR、赤外分光学、X線回折の三つの面からの日米共同研究を行い、ポンプ活性とタンパク質骨格構造変化に関して、以下の結果を得た。(1)固体高分解能NMR bRの変異体D85NによりM中間体の室温でのトラップを行い、その^<13>CNMRスペクトルから、Asp85のプロトン化によりレチナールとの相互作用の著しい減少、膜貫通へリックス領域におよぶ大きいコンホメーション変化と、ms-μsオーダーの揺らぎをともなうことを見いだした。さらに、C末端へリックスと細胞質側ループの特異的相互作用、プロトン移動経路における残基のコンホメーション変化を検出した。(2)赤外分光学プロトンポンプの方向性を規定するスイッチが過渡的に存在するかどうかの検証のために、ミリ秒時間領域での構造変化を示すM中間体ついて、偏光赤外分光から後期プロトン移動に関与する水分子の水素結合変化と、スイッチにともなう骨格の構造変化に現れる新しい振動バンドを見いだした。(3) X線回折重原子置換法を利用し、I222CにおけるC原子を水銀で修飾し、光中間体の生成にともなうI222の動きを、X線位置投影法で調べた。その結果、I222の位置するGヘリックスのMN中間体における動きは、7A分解能の回折データにおける2A以内であるが、その誤差は実験誤差を大きく凌駕しており、ヘリックスF方向への傾きとして観測できることがわかった。

バクテリオロドプシン(bR)のプロトンポンプ活性機構について、米国カリホルニア大学Lanyi教授、ウエイン州立大学Needleman教授との位置特異的変異蛋白質のデザインおよび調整を軸に、固体高分解能NMR、赤外分光学、X線回折の三つの面からの日米共同研究を行い、日米共同研究により以下の結果を得た。(1)固体NMRプロトンポンプは、光吸収によるレチナールの異性化、細胞外側でのプロトン放出、細胞質側でのプロトンのとりこみ、シッフ塩基の脱プロトン化によるAsp85へのプロトン移動によって生じる。この間の蛋白質骨格構造の変化を知るために、[1-^<13>C]Val-標識bRおよびD85N変異株のスペクトルを高アルカリ状態で調べた。後者の変異株はAsp85のプロトン付加に対応しM中間体様構造において、ヘリックスBおよびB-Cループに大きな構造変化をもたらすことを明らかにするとともに、蛋白構造変化への寄与の重要性を指摘することができた。(2)赤外分光学レチナールの光異性化反応における蛋白質側の構造変化を詳細に知るために、偏光赤外分光学測定を行った。光異性化にともなう蛋白質構造変化の解析を行い、重水置換可能なO-H伸縮振動から、89位のスレオニン残基において、異性化反応にともなって水素結合強度が強まることを観測することができた。(3)X線回折時分割測定の可能性を拡張するために、紫膜の光反応の時間分解X線小角回折データに対して、特異値分解法を適用した。その結果、光吸収後に生成するシッフ塩基の脱プロトン化からの戻り反応において、2っつの異なる構造をとることが明らかになった。すなわち、速い成分はMに、遅い成分はN中間体の構造の特長を示すことがわかった。なお、米国側では、単結晶のX線回折により基底状態およびM中間体における高分解能の3次元構造の解析に成功している。
口腔粘膜に発現するエンドペプチダーゼの抗炎症マーカーとしての有用性の検証

膜結合性ペプチダーゼ【neutral endopeptidase(NEP;EC 3.4.24.11;CD10)、aminopeptidase N(APN;EC3.4.11.2;CD13)、またNEPと同様のメタロプロテアーゼであるendothelin converting enzyme 1(ECE-1)の4つのアイソフォームとADAMS9,10,17のmRNAの口腔粘膜における発現の検証をリアルタイムPCR法で行った。前述の酵素のうち、APN以外の酵素は口腔粘膜上皮においてmRNAの発現が認められた。またそれぞれの酵素が、口腔または全身のどのような要因と関連しているかを検証するため口腔粘膜は九州歯科大学附属病院の患者を含め、様々な年齢の対象者から採取され、比較検討が行われたが、平成21年度までの段階では、歯周病患者と健常者におけるNEPのmRNAの発現量など口腔疾患におけるそれぞれの酵素の発現の違い、または年齢、性差による発現の違いなど明確な結果は得られていない。本研究は、口腔粘膜に発現するエンドペプチダーゼの抗炎症マーカーとしての有用性をパイロット研究として検証するため行われてきたが、これら酵素の口腔粘膜における役割を解明することは口腔疾患の病態を解明する上でも非常に重要であると考えており、今後も引き続き上記テーマに関しでは詳細な検証を行っていく予定である。口腔粘膜のケラチノサイト上のケモカインやサイトカインのようなペプチドを分解して、免疫・炎症反応を制御する可能性を有している三つの膜結合性ペプチダーゼ[neutra endopeptidase(NEP;EC3.4.24.11;CD10)、aminopeptidase N(APN;EC 3.4.11.2;CD13)、dipeptidyl-peptidaselV(DPPIV、EC3.4.14.5;CD26)]のうち、健常者から採取した口腔粘膜上皮上のNEPおよびAPNのmRNAの発現の確認を行うため、それぞれのペプチダーゼに特異的なリアルタイムPCR法で用いるプライマーの設計を行った.また健常者、歯周炎患者における口腔ケラチノサイトにおけるNEPの発現レベルと臨床的病態との関係を解明するため、九州歯科大学附属病院口腔健康科を受診中の患者を対象に口腔健康調査ならびに口腔粘膜上皮組織の採取が行われ、採取された口腔ケラチノサイト上のNEPとANPの定量解析をリアルタイムPCRにより順次解析を行った.患者を対象とした調査は平成19年度だけではなく、平成20年度にも追跡調査を含め行う予定で、健常者、歯周炎患者それぞれ50名を目標に無作為に対象者を抽出し調査を継続中である.平成20年度には今回の研究結果について何らかの新知見を報告し、将来的には口腔におけるNEPなどの膜結合性ペプチダーゼの機能を解明し、それらの発現や制御法を確立することによって、口腔疾患の予防や治療の有効な手段の開発に寄与できると考えている.平成19年度に引き続き、口腔粘膜のケラチノサイト上のケモカインやサイトカインのようなペプチドを分解して、免疫・炎症反応を制御する可能性を有している三つの膜結合性ペプチダーゼ[neutralendopeptidase (NEP; EC3.4.24.11; CD10)、aminopeptidase N (APN; EC3.4.11.2; CD13)、dipeptidyI-peptidaseIV (DPPIV、EC3.4.14.5; CD26)]のうち、健常者から採取した口腔粘膜上皮上のNEPおよびAPNのmRNAの発現の確認を行うため、それぞれのペプチダーゼに特異的なリアルタイムPCR法で用いるプライマーの設計を行った.また健常者、歯周炎患者における口腔ケラチノサイトにおけるNEPの発現レベルと臨床的病態との関係を解明するため、九州歯科大学附属病院口腔健康科を受診中の患者を対象に口腔健康調査ならびに口腔粘膜上皮組織の採取が行われ、採取された口腔ケラチノサイト上のNEPとANPの定量解析をリアルタイムPCRにより順次解析を行った。患者を対象とした調査はだけではなく、健常者、歯周炎患者それぞれ50名を目標に無作為に対象者を抽出し調査を継続中である.平成21年度には今回の研究結果について何らかの新知見を報告し、将来的には口腔におけるNEPなどの膜結合性ペプチダーゼの機能を解明し、それらの発現や制御法を確立することによって、口腔疾患の予防や治療の有効な手段の開発に寄与できると考えている.膜結合性ペプチダーゼ【neutral endopeptidase(NEP;EC 3.4.24.11;CD10)、aminopeptidase N(APN;EC3.4.11.2;CD13)、またNEPと同様のメタロプロテアーゼであるendothelin converting enzyme 1(ECE-1)の4つのアイソフォームとADAMS9,10,17のmRNAの口腔粘膜における発現の検証をリアルタイムPCR法で行った。

本研究は、口腔粘膜に発現するエンドペプチダーゼの抗炎症マーカーとしての有用性をパイロット研究として検証するため行われてきたが、これら酵素の口腔粘膜における役割を解明することは口腔疾患の病態を解明する上でも非常に重要であると考えており、今後も引き続き上記テーマに関しでは詳細な検証を行っていく予定である。
急性胃粘膜病変形成における脳・腸管ペプチドの関与

胃酸分泌、胃運動機能調節、およびストレス誘発胃粘膜病変形成に種々の神経ペプチドが神経調節因子として関与していることが明らかになってきている。とりわけTRHの中枢性投与による急性胃粘膜病変形成については、我々のものも含めて報告されている。そこで本研究ではTRH中枢性投与の胃粘膜血流動態に及ぼす影響について検討するとともに胃機能調節に関与する諸種神経ペプチドの中枢性投与時における脳内CRFの変動も観察した。SD雄性ラットを用い、種々ニューロペプチドの髄腔内投与3時間後に断頭屠殺し、視床下部組織のCRF含量をradio immunoassayにより測定した。その結果は、生理食塩水投与の対照群では、1.24±0.06ng/mg protein(Mean±SE)であったのに対し、胃粘膜病変形成に促進的に働くとされているTRH,VIPでは、それぞれ0.83±0.03 0.98±0.06ng/mg proteinであり、対照群と比べ有意な減少が認められた。さらに寒冷拘束ストレスを加えたラット視床下部CRF含量は、0.91±0.06ng/mg proteinと著明な低下がみられた。ところで、ラット胃粘膜血流は、電解式組織血流計を使用し水素クリアランス法で測定した。生理食塩水投与の対照群では、測定経過を通じ有意な変動を示さなかったのに対し、TRH髄腔内投与群では、投与直後46.9±3.2ml/min/100g(Mean±SE)より、60分後には31.7±4.1ml/min/100gと有意に減少が認められ、90分後には回復傾向を示した。以上の結果より、TRHの中枢性投与は強度のストレス状態を惹起し、急性胃粘膜病変形成に至ること、さらにその機序としては、すでに述べられているような胃酸分泌、胃運動機能の亢進のみならず、胃粘膜血流低下による局所の乏血も関与している可能性が示唆された。
ポリユビキチンとSUMOの提示する高次構造シグナルの立体構造と機能

SUMO化の基質の一つであるDNA修飾酵素チミンDNAグリコリラーゼ(TDG)は、非SUMO化状態であると脱塩基部位(AP部位)を含むDNAに強く結合するが、SUMO化を受けるとそのDNAとの結合活性を失う。本研究期間内またはその後に、我々はSUMO-1修飾、及びSUMO-3修飾を受けたTDG中央領域(残基112-339)のX線結晶構造解析法により決定した立体構造を報告した。SUMO-1化を受けたTDG中央領域は、TDG触媒ドメインと、そのC末端側の領域がSUMO-1に巻きついたような形状を持つSUMO含有ドメインの、2つのサブドメインを持つ。TDGとSUMO-1の主たる相互作用は、TDGのLys330とSUMO-1のC末端Glyとの間のイソペプチド結合とTDGの残基307-314が形成するSUMO-1とのβシート形成であった。この2つの相互作用部位の間にある残基317-329はヘリックスを形成していた。他のグループから既に報告されていた大腸菌ミスマッチウラシルDNAグリコシラーゼ(MUG)とDNAの複合体の立体構造を基に、SUMO-1化TDG中央領域のAP部位を持つDNAとの複合体の構造モデルを作成した。モデルからTDGの残基317-329の作るヘリックスがDNAと立体衝突を起こしうる可能性が示唆された。これらから我々はTDGはSUMO-1化により構造変化を起こしDNAと立体障害を起こす事でTDGのDNA結合を阻害するというモデルを提唱した。平成16年度においては、1)ユビキチン認識モチーフのユビキチン認識に関する構造生物学、2)ポリユビキチン鎖の溶液中での高次構造の特徴のNMRによる解析、3)SUMO化蛋白質の構造と機能に関する研究、を進めた。ユビキチン認識モチーフのユビキチン認識に関する構造生物学については、酵母Dsk2の持つユビキチン認識モチーフであるUBAドメインとユビキチンの複合体の溶液中での立体構造を基に、UBAドメインの行うユビキチン認識について、変異体解祈などの結果を使って詳細な解析と考察を行った。その結果、UBAドメインは似たフォールドを持つCUEドメインと、似通ったユビキチン認識を行うことが判った。しかし少なくとも米国のグループによって報告されているCue2-1のCUEドメイン-ユビキチン複合体とは、ユビキチンのLys48付近との相互作用に差異が見出された。ポリユビキチン鎖の溶液構造に関しては、平成15年度に主に行ったLys48リンク、Lys63リンクの2量体、4量体ユビキチンのNMRによる溶液中での構造的特徴の解析に引き続き、Lys48リンクの3量体ユビキチンの解析を行った。また4量体ポリユビキチンについても更なる解析を行い、K48リンクのポリユビキチンにおける隣接サブユニット間の会合の平衡を示唆するデータを得た。但し、この検証には今後の詳細な解析を必要とする。SUMO化蛋白質の構造と機能に関する研究については、平成15年度に進めたp53のSUMO化の機能的、生化学的な解析に引き続き、チミンDNAグリコシラーゼの酵素活性ドメインからSUMO化部位を含む中央部分のSUMO化体の構造解析を進め、一定の進歩を得た。またSUMO化されたRanGAP1とUbc9とRanBP2の一部を含む、複合体の結晶化スクリーニングを行った。平成17年度はSUMO化を受けたチミンDNAグリコシラーゼ中央領域の立体構造解析に関する研究発表を行った。蛋白質のSUMO化は、転写・複製・修復といった核内現象や、細胞質-核間輸送、核内局在を制御することが知られており、近年急速に基質蛋白質の同定が進んでいる。

SUMO化は被修飾蛋白質の高次構造を変化させる事により、標的因子との相互作用面を獲得し、機能変換を行う可能性が指摘されていたが、SUMO化蛋白質の調製が容易でない事からこの新規の機能変換機構は仮説にとどまっている。SUMO化の基質の一つであるDNA修飾酵素チミンDNAグリコリラーゼ(TDG)は、非SUMO化状態であると脱塩基部位(AP部位)を含むDNAに強く結合するが、SUMO化を受けるとそのDNAとの結合活性を失う。我々はSUMO-1修飾、及びSUMO-3修飾を受けたTDG中央領域(残基112-339)の立体構造をX線結晶構造解析法により決定した。SUMO-1化を受けたTDG中央領域は、TDG触媒ドメインと、そのC末端側の領域がSUMO-1に巻きついたような形状を持つSUMO含有ドメインの、2つのサブドメインを持つ。TDGとSUMO-1の主たる相互作用は、TDGのLys 330とSUMO-1のC末端Glyとの間のイソペプチド結合とTDGの残基307-314が形成するSUMO-1とのβシート形成であった。この2つの相互作用部位の間にある残基317-329はヘリックスを形成していた。他のグループから既に報告されていた大腸菌ミスマッチウラシルDNAグリコシラーゼ(MUG)とDNAの複合体の立体構造を基に、SUMO-1化TDG中央領域のAP部位を持つDNAとの複合体の構造モデルを作成した。モデルからTDGの残基317-329の作るヘリックスがDNAと立体衝突を起こしうる可能性が示唆された。これらから我々はTDGはSUMO-1化により構造変化を起こしDNAと立体障害を起こす事でTDGのDNA結合を阻害するというモデルを提唱した。
着床機序に関する研究

受精卵の子宮内膜への着床は妊婦成立の起点であり臨床的には不妊や避妊などに直接関わりのある現象である。しかしその機序の詳細については不明な点が多い。本研究はin vitroで胞胚が子宮内膜に着床するような実験系を作成し、胞胚と子宮内膜の相互作用を形態学的並びに生化学的に観察し、着床機序を明らかにするとともに着床に必須の因子、着床促進因子、着床阻害因子の解明を目的とした。実験材料は、家兎の着床期胞胚と子宮内膜を用い、実験方法は、すべてin vitroで行ない、以下の成績をえた。1.子宮内膜組織の上皮細胞と間質細胞の分離培養内膜組織を細片化後、酵素分散、分別濾過、短時間培養の一連の処理により上皮細胞と間質細胞の分離と純培養をうることに成功した。分離純培養した上皮細胞、間質細胞をコラ-ゲン膜の両面に培養し、生体内と同じ内膜組織腰構築を作成することに成功した。さらに複数の接着因子から成る基底膜抽出成分を用いて同様の試みを行ない、一層生体内の状態に近い組織構築を作成することに成功した。着床期胞胚を組織構築した子宮内膜の上皮細胞表面に置きin vitro着床モデル実験を行なった。胞胚は約6時間で内膜上皮に接着し、トロホブラストと内膜上皮細胞の両者の相互作用によって透明帯融解、次いで両細胞間の微絨毛架橋形成、さらに微絨毛の指状嵌合の形成に続いてデスモソ-ム、部分的細胞融合によって両細胞は不可逆的に接着した。この過程と同時進行で胚発生が進み原始卵黄嚢、原始線条形成が認められた。本研究は、in vitroで胞胚が子宮内膜に着床するような実験糸を作成し胞胚と子宮内膜の相互作用を形態的ならびに生化学的に観察し着床機序を明らかにするとともに、着床に必須の因子、着床促進因子、着床阻害因子を解明することを目ざすものである。本年は家兎を用い自然交尾後61/2日目の子宮から得た胞胚と同時期の子宮内膜との相互作用を観察することを目ざし、まず子宮内膜細胞の培養を行った。従来の子宮内細胞の培養は上皮細胞と間質細胞が混在し、着床のモデルとして適切ではないので、本研究では両細胞を分離し、培養し、in vitroにおいて両細胞が生体内と同様の組織構築を形成するよう培養基質として基底膜成分を用いて実験し、以下の成績をえた。1.単離した上皮細胞は基底膜成分基質上では細胞集団を形成し、通常の培養基質上のように一面に単層のシートを形成しなかった。2.細胞集団を観察していると間もなく個々の細胞は円状に配列し、増殖した細胞は時計針回転方向に一致してラセン状に配列し重層構造を示し、次第に基底面と垂直方向に発育し、管状の腺構造を形成した。3.培養後2週間後、管状の腺構造の高さの延長を停止し、最上層の細胞群は遠心性に周辺方向に向って増殖拡大し子宮腔上皮様の単層のシートを形成した。4.腺管ならびに腔上皮様細胞は超微形態的に生体内の内膜上皮細胞と全く同じ構造を有し、線毛を有する細胞も認められ、子宮内膜上皮細胞のin vitroでの組織構築再現に成功した。5.estradiolは腺管の高さを高める作用を示した。以上、子宮内膜上皮細胞による組織構築再現に成功し、次いで上皮細胞と間質細胞を用いた子宮内膜組織構築作成の実験を進めている。自然交尾後6 1/2日目の雌家兎から得た胞胚を基底膜抽出物質上で組織再構成培養した子宮内膜上皮の上に静置してin vitro着床モデル実験を行ない、胞胚トロホブラスト、透明帯、子宮内膜

上皮細胞の変化を電顕によって観察した。約6時間後に胞胚の内膜上皮への接着率は100%に達し、電顕観察でトロホブラストと内膜上皮の微絨毛が聡明帯内部に伸展し周囲の透明帯が融解しつつあるのが認められた。時間経過とともに透明帯の融解は著しくなり、融解した空間に両細胞間の微絨毛連絡網が形成され、これはトロホブラストと内膜上皮との最初の接着と考えられた。約24時間後には以上の変化はさらに著明となり両細胞の微絨毛は密に接し指状嵌合を形成する。その後、両細胞の細胞膜は密接しデスモソ-ムの形勢と部分的細胞融合が観察されるに至った。以上家兎着床期胞胚と組織再構成培養した子宮内膜上皮を用いin vivoの着床状態により近似したin vitroの着床モデル実験系を確立し、着床現象が母児両者の細胞双方の密接な相互作用によって成立することが明らかにされた。今後、両細胞の接着過程における細胞膜レクチン、種々の細胞間物質の変化を検討し、さらに培養液に種々の蛋白質分解酵素阻害剤、プロスタグランディン合成阻害剤、副腎皮質ホルモン、性ステロイドホルモンなどを添加し、in vitro着床に及ぼす影響を検討する計画である。自然交配後61 2日目の雌家兎からえた胞胚を基底膜抽出物質上で組織再構成培養した子宮内膜上皮の上に静置してin vitro着床モデル実験を行ない、胞胚トロホブラストと子宮内膜上皮細胞の相互作用を観察し以下の成績をえた。約6時間後には胞胚はすべて内膜上皮に接着した。その後トロホブラストと内膜上皮細胞の双方の微絨毛が透明帯内に向って伸展し透明帯は次第に菲薄化し融解した。融解によって生じた空間に両細胞間の微絨毛間連絡網が形成された。これはトロホブラスと内膜上皮細胞の最初の接着と考えられた。約24時間後には以上の変化はさらに著明になるとともに両細胞の微絨毛は密に接し指状嵌合を形成した。その後、両細胞の細胞膜は次第に密接し、遂にはデスモソ-ムの形成と部分的細胞融合が観察され両細胞は不可逆的に接着した。このような変化は胞胚と内膜上皮の接する多数の接点において観察された。以上の胞胚と内膜上皮細胞の接着過程と同時進行して胞胚内の内細胞塊発育、胚盤形成、原始卵黄嚢形成、原始線条形成などの胚の初期発生過程が観察された。以上家兎着床期胞胚と組織再構築した子宮内膜上皮細胞を用い、in vivoの着床状態に近似した着床モデル実験系を確立し、着床現象が母児両者の細胞双方の密接な相互作用によって成立することを明らかにした。またこの実験系で胚の初期発生が円滑に進行することを観察し、この実験系がin vivoにおける着床期の現象を再現出来ることが立証された。今後この実験系を用いてさらに詳細な着床機序の研究を推進していく計画である。
高分散性表面改質セラミック超微粒子の直接合成

代表的なセラミックス粒子であるSiO_2粒子を生成する反応系をモデルとし、コロナ・無声放電を反応励起法とする気相化学合成法により、表面に様々な有機基が結合した超微粒子生成を試みた。基礎的な合成法および生成粒子の物性について以下の知見が得られた。1.弱電離プラズマを反応励起法として使用することで常温常圧の反応条件でも効率よく超微粒子の合成を行わせることが可能である。本研究での合成法では熱的な反応が進行しないので、有機物を含む反応系に対して穏やかな反応条件の設定が可能である。2.SiO_2粒子の合成原料として有機珪素化合物を仕様すると、簡単な加水分解反応により、表面に様々な有機基が結合した粒子を気相から直接合成することが可能である。本研究では、表面に様々なアルキル基、アルコキシ基、フェニル基等が結合した粒子を合成することができた。3.得られた粒子は総て粒径が0.1μm以下のサイズの揃った超微粒子であり、有機溶媒中に簡単に分散させることができる。粒子表面は親油性(疎水性)であり、親水性であるSiO_2粒子に比べて通常の気相中での分散が容易であった。本方法により、表面改質セラミックス超微粒子を簡便な気相反応により合成可能である。4.表面に結合した有機基の含有量は、反応ガスの濃度により制御することが可能である。5.表面有機基の熱的安定性は、有機基の種類によって異なるが、メチル基が他の有機基に比べてはるかに安定であり、空気中で600°C程度の高温でも安定に存在することが確認された。
卵巣明細胞腺癌の生物学的特性の解明

卵巣明細胞腺癌において酸化ストレスマーカー(COX2、iNOS、8-OHdG)の免疫染色を行った。COX2、iNOS、8-OHdGは淡明細胞を主体とする明細胞腺癌の62%、36%、55%で発現を認め、好酸性細胞を主体とする明細胞腺癌の77%、67%、77%で発現を認めた。類内膜腺癌ではCOX2 75%, iNOS65%, 8-OHdG 0%で、8-OHdGの発現のみに差を認めた。しかし細胞の淡明化を呈する類内膜腺癌では8-OHdG発現を66%の症例で認めた。以上の結果より、明細胞腺癌は類内膜腺癌に比較し、強い酸化ストレスにさらされていることが示唆され、8-OHdG発現は細胞の淡明化と関連していると考えられた。本研究にて卵巣明細胞腺癌の生物学的特性を明らかにするため、酸化ストレスマーカー発現、遺伝子異常の有無について研究した。酸化ストレスのマーカーである8-OHdG、iNOS、COX2の免疫染色を行い、陽性細胞数と染色強度の和total score (TS)として評価した。COX2、iNOS、8-OHdGは淡明細胞主体の明細胞腺癌の62%、36%、55%で発現を認めTSの平均値は5.2、3.8、5.0、好酸性細胞主体の明細胞腺癌の77%、67%、77%で発現を認めTSの平均値は5.2、5.2、5.7であった。比較対照である類内膜腺癌ではCOX2 75%, iNOS65%, 8-OHdG 0%で、8-OHdGの発現のみに差を認めた。しかし淡明細胞を呈する類内膜腺癌では8-OHdG発現を66%の症例で認め、TSの平均値は4.4であった。以上より、明細胞腺癌は強い酸化ストレスにさらされていることが示唆され、8-OHdG発現は細胞の淡明化と関連していると考えられた。腫瘍発生に関連すると思われる遺伝子(PIK3CA, ARID1A)の異常の検索行った。明細胞腺癌においてPIK3CA遺伝子変異は認められなかった。ARID1A遺伝子変異は、蛋白発現低下と相関することが知られているため、その免疫染色によって評価した。蛋白発現低下は淡明細胞主体の明細胞腺癌の18%、好酸性細胞主体の明細胞腺癌の22%で認められた。対照である類内膜腺癌において蛋白発現低下は認められなかった。酸化ストレスマーカー発現、ARID1A発現低下と、臨床病理学的因子との関連は認められなかった。本研究にて卵巣明細胞腺癌の生物学的特性を明らかにするため、その発生母地による腫瘍発生機序の相違について研究した。本研究の概要は(1)明細胞腺癌のHE標本をレビューし、詳細な病理組織所見を記録する。特に腫瘍発生にかかわる子宮内膜症や腺線維腫の所見を注意深く抽出する。(2)酸化ストレスのマーカーである8-OHdG、iNOS、COX2を免疫染色し、HE所見から得られた病理組織所見と比較検討する。(3)腫瘍発生に関連すると思われる遺伝子(PIK3CA, ARID1A, PDGFR, TGF-beta RII, LH/hCGR)の異常を検索する。(4)病理組織所見(特に子宮内膜症や腺線維腫)、酸化ストレスマーカーの発現、遺伝子異常の関係について検討する、の4段階で計画し、初年度は(2)まで行う予定であった。対象は卵巣明細胞腺癌105例であり、まず詳細にHE標本をレビューした。その結果、腫瘍全体的が腺線維腫成分であった2例を除いて全例で典型的な明細胞腺癌の所見(複雑な乳頭状構造、管状嚢胞状構造、充実性増殖、淡明な細胞質またはホブネイル細胞、強い核異型)を認め、診断に間違いがないことを確認した。核分裂数は強拡大10視野中平均6.2個であった。子宮内膜症との合併は80例、腺線維腫との合併は26例にみられた。続いて一部の症例で酸化ストレスマーカーの免疫染色を行い、陽性細胞数と染色強度の和total score (TS)として評価した。

COX2は明細胞腺癌の全例で発現を認めTSの平均値は5.9(最小値4から最大値8)、iNOSは94%の症例で発現を認めTSの平均値は3.9(最小値0から最大値6)であった。8OHdGは100%の症例で発現し、TSの平均値は5.5(最小値2から最大値8)であった。以上の結果より、明細胞腺癌は強い酸化ストレスにさらされていることが示唆された。現在、研究概要の2段階目の終盤である。本研究の概要は(1)明細胞腺癌のHE標本をレビューし、詳細な病理組織所見を記録する。特に腫瘍発生にかかわる子宮内膜症や腺線維腫の所見を注意深く抽出する。(2)酸化ストレスのマーカーである8-OHdG、iNOS、COX2を免疫染色し、HE所見から得られた病理組織所見と比較検討する。(3)腫瘍発生に関連すると思われる遺伝子(PIK3CA, ARID1A, PDGFR, TGF-beta RII, LH/hCGR)の異常を検索する。(4)病理組織所見(特に子宮内膜症や腺線維腫)、酸化ストレスマーカーの発現、遺伝子異常の関係について検討する、の4段階で計画し、初年度は(2)まで行う予定であった。8-OHdG、iNOS、COX2を免疫染色をするにあたりその染色条件の決定が当初は順調にいかず実験のやり直しを繰り返したが、染色過程において抗原賦活方法を工夫することで良好な染色条件を決定することができた。全4段階中2段階目がまもなく終了する予定であり、おおむね順調に進展している。(4)病理組織所見(特に子宮内膜症や腺線維腫)、酸化ストレスマーカーの発現、遺伝子異常の関係について検討する、の4段階で計画し、初年度でほぼ2段階目まで終了した。次年度は、初年度のHE標本レビュー結果をもとに適切な病変からマイクロダイセクションを行ってDNAを抽出し、目的の遺伝子異常を解析する予定である。病理組織像、酸化ストレスマーカーの免疫染色所見、腫瘍発生にかかわると思われる遺伝子異常のデータを出したのち、これらの関係性を検討し、論文にまとめる予定である。次年度の実験はマイクロダイセクションや分子生物学的解析が中心となる。実際にはマイクロダイセクションに必要な特殊なプレパラートや、DNA抽出、プライマーの設定、PCR、遺伝子変異の解析、などを行うにあたり、大量の試薬、器具、消耗品が必要となる。また学会発表、論文発表にともなう経費が必要になる。これらに研究費を使用する予定である。
低密度行列に基づく情報処理技術に関する研究

平成19年度は、平成17年度、18年度に得られた結果に基づき、2元低密度行列アンサンブルに関する重み分布の2次モーメント解析に着手した。特にq元体上のランダム行列アンサンブルについて重み分布の共分散公式が新たに導出できた。この共分散公式を利用して、q元線形符号の最小距離の分布について確率的解析が可能となったことが今期の特筆すべき成果の一つである。また、上記の研究と平行して、低密度行列を用いた誤り検出方式の性能解析に関する研究も行った。誤り指数を通して平均見逃し誤り率の漸近的な振る舞いを明らかにするとともに、見逃し誤り率の指数について、密行列アンサンブルと疎行列アンサンブルでその振る舞いに大きな違いがあることを明らかにした。平成19年度の後半は本プロジェクトで得られた知見を整理するとともに論文執筆とその準備を進めた。今期は、2元低密度行列を利用したメッセージ認証方式の開発とその性能解析、ならびに低密度行列に関する平均コセット重み分布の理論的導出を行った。低密度行列に基づくメッセージ認証方式は、通信路上で生じうるメッセージの改ざんを検出することを目標とした方式である。既存の方式と比較して、比較的容易に符号化が可能であるという特徴を持つ。重み分布解析の手法を利用して改ざんを見逃す確率の評価を行い、安全に関する検討についても行った。パラメータを適切に選択することにより、実用上十分な安全性が確保されることを示した。この結果について、情報理論分野の国際会議であるInternational Symposium on Information Theoryにおいて発表を行っている。上記の研究と平行して、平均コセット重み分布の導出に関する理論的な研究も進めた。特に、異なる2つの低密度行列アンサンブルを組み合わせて得られる複合型アンサンブルのコセット重み分布に関する公式を導出した。この成果は、高い性能を持つことで知られるマルチエッジ型アンサンブルの平均重み分布を与える基礎となることが明らかとなっている。この成果は、2005 Hawaii, IEICE, SITA Joint Conference on Information Theoryにおいて発表を行っている。今期は、2元低密度行列アンサンブルに関するシンドロームエントロピーの評価、ならびに低密度行列を用いた誤り検出方式の性能解析に関する理論的導出を行った。低密度行列アンサンブルのシンドロームエントロピーはそのアンサンブルに属する行列の最尤復号性能の評価に重要な量である。本研究では、組み合わせ的手法を利用することにより、いくつかのアンサンブルにおいて、シンドロームエントロピーの上界と下界の導出に成功している。誤り指数を通して平均見逃し誤り率の漸近的な振る舞いを明らかにするとともに、見逃し誤り率の分散に関する公式を導いた。さらに副産物として、いくつかのアンサンブルにおいて重み分布の共分散公式が得られている。この成果は、ITA workshop(UCSD)(2007年2月)において発表を行っている。また、共分散公式については、2007年5月に電子情報通信学会情報理論研究会において発表予定である。
知覚が反射性眼球運動に与える影響－意識と不随意運動の相互作用－

本研究の目的は、感覚運動情報処理プロセスにおける認識という主観的な現象と運動の相関を解き明かし、脳の意識的過程と無意識的過程の関係性に迫ることである。本研究では、物理的な画像シフトの方向とは異なる運動知覚を想起させる2フレーム・ムービーを用いて、眼球運動も物理的な画像シフトの方向とは異なる方向に生じることを、マカクサルを用いて明らかにした。このことは、マカクサルがヒトの良いモデルであることを示している。今後、ヒトで示唆されている「知覚の反転は初期視覚野の情報処理が反映された結果である」という仮説を、マカクサルを用いた電気生理学的実験により神経活動から明らかにしていくことが可能になるだろう。本研究の目的は、常に見えている物理的刺激は同じなのに知覚される像が切り替わる「両眼視野闘争」の刺激を用いて、眼球運動を誘発し、認識(意識に上った視覚刺激)と自動化された運動(無意識)が、どのように影響し合っているのかを追求することである。そのために、当該年度は、ヒト実験システムの構築と実験パラメータ決定を計画した。まず、ヒト実験システムの構築においては、ヒトの短潜時で生じる眼球運動を計測するために、時間解像度の高い、高精度な眼球運動計測システムを開発する必要があった。連携研究者とともに、時間的にも空間的にも精度の高い両眼の眼球運動計測システムの開発を、独自のアルゴリズムによって行った。当該年度において両眼計測を同時に行い、サンプリング周波数:500Hz(時間解像度2ミリ秒)で眼球の動きを検出できる眼球運動計測システムを開発した。一方で、視覚刺激を作成し、実験パラメータを決定する計画では、眼球運動を引き起こすために適切な視覚刺激と、両眼視野闘争を引き起こすために適切な視覚刺激を両立させる視野角・輝度等の最適パラメータを設定する必要があるが、未だ不十分な段階である。両眼視野闘争を引き起こす視覚刺激で眼球運動を誘発するには、問題点がある。その問題を解決するために、視覚刺激の呈示時間関係や呈示方法を工夫する必要がある。刺激と知覚の乖離をひきおこせる「両眼視野闘争」は、有用な視覚刺激ではあるが、適切な両眼視野闘争を引き起こすには、呈示している視覚刺激が小さい(視野角1度程度である)必要がある。視野角の大きい視覚刺激を使おうとすると視野のあちこちで視野闘争が起きるため、視野の一部には右眼呈示像が、別の部分には左眼呈示像が見えるようになる。追従眼球運動を誘発するには、より広い視野が動くと大きな眼球運動が誘発されるため、最適な実験パラメータを決定する必要があるが、この部分が進んでいない。そのために、初年度はヒト実験システムを構築し、連携研究者とともに、高精度な眼球運動計測システムを開発した。時間的にも空間的にも精度の高い両眼の眼球運動計測システムであり、独自のアルゴリズムによって、サンプリング周波数:500Hz(時間解像度2ミリ秒)、精度:0.2度以下で両眼計測を同時に行い眼球の動きを検出できる。当該年度は、眼球運動を引き起こすのに適切な視覚刺激の検討を計画した。眼球運動を誘発する両眼視野闘争の刺激を作成したが、誘発される眼球運動が非常に小さく、実験パラメータを決定するに至っていない。心理物理学的に、2フレーム・ムービーを用いた視覚刺激では、特定の条件で、動きの知覚が反転する。タイヤの回転が、実際の回転方向と逆方向に知覚されるのも、この現象によるものだ。現在、この動きの知覚を反転させる2フレーム・ムービー(眼視野闘争の刺激ではないが、実際に与える視覚刺激の運動方向と知覚にのぼる運動方向が反対になるような刺激)を作成し、追従眼球運動を誘発することが出来た。さらに、誘発された眼球運動も反転することも明らかにした。また、意識に上らない運動学習について論文化した。刺激と知覚の乖離をひきおこせる「両眼視野闘争」は、有用な視覚刺激ではあるが、適切な両眼視野闘争を引き起こすには、呈示している視覚刺激が小さい(視野角1度程度)である必要がある。追従眼球運動を誘発するには、より広い視野が動くと大きな眼球運動が誘発されるため、本研究で誘発される眼球運動が非常に小さく実験パラメータを決定するに至っていない。そこで、心理物理学的に、動きの知覚が反転する2フレーム・ムービーを用いることを考えた。この刺激によって眼球運動を誘発させ、誘発された眼球運動も反転することを明らかにした。また、産総研実験施設集約化のため、当該実験を行っている実験室を移設したため、実験を停止せざるを得なかった間、意識に上らない運動学習について論文化した。

そのために、初年度はヒト実験システムを構築し、連携研究者とともに、高精度な眼球運動計測システムを開発した。本計測装置は、時間的にも空間的にも精度の高い両眼の眼球運動計測システムであり、独自のアルゴリズムによって、サンプリング周波数:500Hz(時間解像度2ミリ秒)、精度:0.2度以下で両眼計測を同時に行い眼球の動きを検出できる。2年目の昨年度は、眼球運動を引き起こすのに適切な視覚刺激の検討を初年度から引き続き行った。眼球運動を誘発する両眼視野闘争の刺激を作成したが、実験パラメータを決定するに至らなかった。一方で、特定の条件下での視覚刺激では、動きの知覚が反転することが心理物理学的に知られている。動きの知覚を反転させる視覚刺激(Two-frame movie)を作成し、誘発された眼球運動も反転することを明らかにした。また、意識に上らない運動学習について論文化した。3年目の当該年度は最終年度であり、昨年度開発した視覚刺激によって視覚運動を知覚する意識との関係を探るため、Two-frame movieを用いてマカクサルの眼球運動を誘発し、初期視覚野に潜む時空間解像度を詳細に解析した。その結果を、げっ歯類およびヒトの結果と比較検討することで、系統発生的に異なる脳機能を持つ種(げっ歯類、マカクサル、ヒト)をまたいだ解析を可能にし、仮説をたて、モデルを構築した。本研究成果は、日本神経科学学会と北米神経科学学会で発表した。さらに、実験動物に眼球運動を誘発しているときに、眼球運動計測と同時に大脳皮質MST野の単一ニューロン活動を記録した。本研究の目的は、感覚運動情報処理プロセスにおける認識という主観的な現象と運動の相関を解き明かし、脳の意識的過程と無意識的過程の関係性に迫ることである。本研究では、物理的な画像シフトの方向とは異なる運動知覚を想起させる2フレーム・ムービーを用いて、眼球運動も物理的な画像シフトの方向とは異なる方向に生じることを、マカクサルを用いて明らかにした。このことは、マカクサルがヒトの良いモデルであることを示している。今後、ヒトで示唆されている「知覚の反転は初期視覚野の情報処理が反映された結果である」という仮説を、マカクサルを用いた電気生理学的実験により神経活動から明らかにしていくことが可能になるだろう。両眼同時計測できる高精度な眼球運動計測システムを開発したが、現在の両眼視野闘争を引き起こす実験システムでは使えない。そのため、視覚刺激提示方法を変更し、偏光板をもちいた両眼視システムを構築する方針である。両眼視システムを構築して実験パラメータを今後も検討する一方で、動きの知覚が反転する2フレーム・ムービーを用いて、さらに初期視覚野の情報処理を明らかにする方針である。2フレーム・ムービーを用いた研究においても、最終的には、知覚と運動の関係を詳細に明らかにする研究につなげていきたい。神経科学視覚刺激の最終的なパラメータ決定まで至らなかったため、当該年度は予備的実験を行い、既存設備での視覚刺激呈示にとどまった。さらに、当初、予定していなかった実験室の移設が決まり、実験を中断し、年度内に実験室の移動を行った。そのため、当該年度においては、本研究のために新たに構築する視覚刺激呈示装置の開発まで進まなかった。
エピタキシャル成長したビスマス層状構造強誘電体ナノプレートの創製と応用

高温スパッタ法によりNb:TiO2(101) (Nb = 0.79 mass%)基板上に膜厚約3μmのBi3.25Nd0.75Ti3O12 (BNT-0.75)及びBi3.25Nd0.75-xEuxTi3O12 (BNEuT, x = 0-0.75)薄膜の作製を行い、ナノプレート構造体作製のための至適なスパッタ諸条件(過剰Bi2O3量、基板加熱温度、ガス圧及び有効電力密度)を明らかにした。作製したビスマス層状構造強誘電体ナノプレートの物性評価を詳細に行い、当該材料が強誘電・圧電・マルチフェロイック応用に有望であることを実証した。高温スパッタ法により導電性Nb:TiO2(101)(Nb=0.79 mass%とする)基板上にヘテロエピタキシャル成長した厚み3μmのBi3.25Nd0.75Ti3O12 (BNT-0.75)ナノプレートを作製した。作製したナノプレートの表面構造観察を集束イオンビーム(FIB)用走査イオン顕微鏡(SIM)及び電界放射型走査電子顕微鏡(FE-SEM)を用いて行った。断面構造及び格子像は高分解能透過型電子顕微鏡(HR-TEM)を用いて行った。配向性及び超格子構造形成の有無についてはTEMに付帯の制限視野電子回折(SAED)システムにより観察した。また、ナノプレート構造体の強誘電性(P-Eヒステリシス特性)及び圧電性(d33-電界特性)は、それぞれ強誘電体薄膜テストシステム(RT66A)と圧電応答顕微鏡システム(PFM)を用いて行った。以上の研究は研究計画に基づき行い、その結果、下記に示す成果を得た。(1)得られたBNTナノプレートはSIM像から[100]/[010]方向に平行に配向し、約100-120 nm厚みと約3 μmの高さを有していた。ナノプレート上部及び下部とNb:TiO2基板のSAEDパターンから、ヘテロエピタキシャルな関係を維持していることを確認した。また、100/010の超格子構造の形成も確認された。(2)強誘電性について上部電極とナノプレート頂上が接触する実面積を用いて測定した室温における残留分極(2Pr)及び抗電界(2Ec)は、それぞれ約48 μC/cm2と約297 kV/cmであった。(3)圧電性について室温における圧電定数d33は12 pm/Vであった。(4) BNTナノプレートがa/b軸配向した単結晶膜であり、そのすぐれた強誘電性と圧電性を世界に先駆けてはじめて明らかにした。過去二年間において種々の検討を行い合成に成功したBi3.25Nd0.75Ti3O12 (BNT-0.75)ナノプレートについてさらなる強誘電性(特に残留分極、2Pr)の向上を目指してNdサイトへのイオン半径の小さいEu3+置換効果を検討した。具体的には、高温スパッタ法により導電性Nb:TiO2(101) (Nb=0.79 mass%)基板上にヘテロエピタキシャル成長した厚み約2.2μmの(Bi3.25Nd0.75-xEux)Ti3O12 (BNEuT, x=0-0.75)ナノプレートの作製を試み、これに成功した。作製したBNEuTナノプレートの配向性・結晶性は高分解能薄膜X線装置を、表面及び断面微細構造、超格子構造形成の有無、基板結晶との長距離格子整合性は電界放射型走査電子顕微鏡と高分解能透過型電子顕微鏡を用いて行った。また、強誘電性(P-E特性)及び圧電性(d33-電界特性)は、それぞれ強誘電体テストシステム(RT66A)と圧電応答顕微鏡システム(PFM)を用いて測定した。もっとも優れた強誘電・圧電性を示す組成についてBNEuTナノプレート間隙にエポキシ樹脂を注入・熱硬化処理して超音波トランスデューサを作製した。以上述べた研究成果は下記のとおりである。(1)得られたBNEuT膜はa/b軸方向に単一配向し、配向率は99.0-99.8%であった。(2) BNEuTのc軸長/Nb:TiO2のb軸長=7.15から優れた長距離格子整合性を有することを見出した。(4) PFM観察から、x=0.1で最大の圧電定数d33=15 pm/Vを示し、PFM位相像の観察結果よりBNEuTナノプレートはa軸方向に強配向していることを見出した。