hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
フロッキュレーション解析に基づく環境界面工学の展開

移動現象など土壌と水環境におけるコロイド界面現象の物性論的課題についてモデルコロイドのロッキュレーションに基づく基礎的な解析結果を考察し、特に1コロイドの凝集過程に関わるダイナミクスの解明、2多孔質複合体のゼータ電位の実体解明、3フロック群の乱流沈降の水理解析、4濃厚コロイドの分離技術の確立、5バイオフィルムにおける細菌凝集と界面動電現象の解明、6フィールドにおける凝集沈降と水質構造の関連づけ、以上6項目について個別的な検討を行うと同時に相互の関連づけを明らかにした。主な成果として、1については、弱い乱流下での流れの作用とブラウン運動のカップリングによる凝集過程を明らかにした点、腐植物質などのアニオン性の高分子電解質がカチオン性の高分子凝集剤の作用機構に及ぼす影響を凝集速度の観点から明らかにした点、また、異形のコロイド粒子の界面動電現象と凝集速度の関係を明らかにした点を挙げることができる。4については、微生物を用いで形成されるフロックの分離特性を生育ステージに基づいて明らかにした点を挙げるこができる。1コロイドの凝集過程に関わるダイナミクスの解明については、ラテックス粒子、シリカ粒子、また繊維状のセルロースナノファイバーを選定し、コロイドの安定性を解析した。ラテックス粒子の凝集についてはブラウン運動と流体運動のカップリングを解析した。2多孔質複合体のゼータ電位の実体解明については、この問題が大きく3つのスキームに整理できることを明らかにした。その結果にもとづいて、低次フロックに着目した電気泳動運動の実体を解析した。3フロック群の乱流沈降の水理解析については、沈降開始までの保持時間の凝集条件依存性から、マクロな分離過程をミクロなコロイド粒子間の相互作用の観点から説明することを明らかにし、4濃厚コロイドの分離技術の確立については、微生物造粒の出現に着目し、その解析をおこなった。5バイオフィルムにおける細菌凝集と界面動電現象の解明において、モデルを用いた実験を進めた。6フィールドにおける凝集沈降と水質構造の関連づけにおいては、マリンスノーの挙動に着目した解析を手掛けた。1コロイドの凝集過程に関わるダイナミクスの解明、2多孔質複合体のゼータ電位の実体解明、3フロック群の乱流沈降の水理解析、4濃厚コロイドの分離技術の確立、5バイオフィルムにおける細菌凝集と界面動電現象の解明、6フィールドにおける凝集沈降と水質構造の関連づけ、の6項目について研究を続行するが、特にモデルコロイドを中心に得られている13を活用して46の解析に重点をおいて研究を推進する。本研究の目的は、環境中のコロイドがナノ粒子と溶存有機物から構成され、乱流条件下にあることを想定して得られたフロッキュレーションの動力学の結果に基づいて、環境界面工学の体系を構築し、その有効性を実証することにある。体系的展開の有効性を解析する立場から、1.コロイドの凝集過程に関わるダイナミクスの解明、2.多孔質複合体のゼータ電位の実体解明、3.フロック群の乱流沈降の水理解析、4.濃厚コロイドの分離技術の確立、5.バイオフィルムにおける凝集と界面動電現象の解明、6.フィールドにおける凝集沈降と水質構造の関連づけ6課題について、解析項目を絞り込み、実験環境およびデータの取得体制の整備を中心に研究を推進した。予備的な実験の結果であるが、コロイドの凝集速度を用いる乱流強度の基準化法を乱流強度の関数で解析し、弱乱流における凝集速度論の適用限界を明らかにしつつある。また、高分子電解質を加えた際の凝集速度を解析し、乱流による高分子電解質の引き延ばし作用がコロイドの凝集に及ぼす過程を解析した。実験環境としては新たに、ゼータ電位解析装置、ナノパーティクル計測器を導入し、光散乱、光回折等、数種類の測定より得られる凝集過程にあるコロイド粒子の粒径分布の特徴を比較する研究に着手した。これは、フィールドデータを解析する上で重要となる。また、モンモリロナイトフロック群の沈降過程を解析し、イオン強度、pHなどの物理化学的なパラメータの違いによる沈降特性の違いの解析から、Edge-Face及びFace-Faceのミクロな粘土粒子間相互作用の違いが、マクロスコピックな懸濁液の沈降挙動に影響することを明らにした。また、モンモリロナイト懸濁液では沈降乱流の解析に対してはレーザーシート光源を用いた可視化解析装置及び画像処理システムを導入が有効であり、沈降時に高い精度で解析できる可能性があることを確認しつつある。研究実績の概要で述べた通り、研究の進捗状況は順調である。研究概要で述べた6項目のそれぞれについて1では乱流中でのコロイド粒子およびコロイド粒子と高分子との衝突過程をこれまでにない実験領域と精度で解析し、次に行う予定の溶存有機物が共存する際の影響因子の実験準備が整いつつある。一方、2に対しては装置の組み立てを順調に進めている。3では粘土のミクロ粒子間相互作用とマクロスコピックな粘土懸濁液の移動現象に関する問題提起をまとめ、予備実験の結果と合わせ投稿論文として報告した。13の進捗に基づいて、46の後半3課題に関する具体的な関連づけが可能となる。特に、測定系においては、初年度に層流せん断流れ場でのフロックの運動の観察を可能にするクウェットチャンバーと2方向からの沈降挙動の撮影を可能にする沈降顕微鏡から構成されるフロック流動可視化システムを前倒しで導入したことによって、単一フロックの沈降と電気泳動をフロック径の関数として測定する装置の飛躍的な精度の向上とフィールド向けの簡素化した測定系の確立がなされつつある。

また、本研究に関連し、7月29日にサマースクール「土・水・生命環境とコロイド界面現象2016ーコロイド物理、微生物と界面、マイクロ流体、凝集ー」、9月23日に日本化学会コロイド界面部会一般シンポジウム「ソフト・ハードマターの分散・凝集ー大きさ・物質・学問領域の枠組みを越えてー」、12月29日に中国同済大学での出前講義など複数回のセミナーを実施し対外的なネットワークを強化した。また、初年度において本研究に関連したテーマで、マレーシア及びベトナムより博士課程に国費留学生が入学することが決定し、次年度以降は国際的なネットワークがさらに強化された実施体制となる。本研究の目的は、環境中のコロイドがナノ粒子と溶存有機物から構成され、乱流条件下にあることを想定して得られたフロッキュレーションの動力学の結果に基づいて、環境界面工学の体系を構築しその有効性を実証すること、さらにその活動を通して国内および世界をリードする拠点基盤とネットワークを構築することある。これらの目的を遂行する立場から、1.コロイドの凝集過程に関わるダイナミクスの解明、2.多孔質複合体のゼータ電位の実体解明、3.フロック群の乱流沈降の水理解析、4.濃厚コロイドの分離技術の確立、5.バイオフィルムにおける凝集と界面動電現象の解明、6.フィールドにおける凝集沈降と水質構造の関連づけ6課題について、実験を中心に研究を推進した。特に課題1に対しては、高分子電解質を加えた際の凝集速度の解析では、正および負に帯電する2種類の高分子電解質を添加した場合にはそれら2つの高分子電解質の相互作用の結果、凝集が大きく阻害される場合と逆に促進される場合の両者が存在することを明らかにした。これらは腐植物質の機能やポリイオンコンプレックスの作用機構を解析する重要な土台となることが期待され、課題4の展開にも関連すると考えられる。一方、課題2に関連しては、自作の実験装置の開発が進展し、課題5への展開が期待される。また、課題3に関連しては、モンモリロナイトフロック群の沈降過程の解析が進展し、沈降乱流の可視化に成功した。また、課題6に関連し、水環境における懸濁態挙動に関するワークショップを開催し、室内実験の成果とフィールドでの測定の関連付けの可能性を確認した。研究実績の概要で述べた通り、研究の進捗状況は順調である。特に概要でも述べたとおり課題1に対しては様々なケースの凝集過程について目覚ましい成果が得られ、その成果は今後も大きく発展、展開することが期待できる。実用的な系では凝集は乱流混合で促進されるが、様々な角度から乱流中での凝集過程を解析していく中で、乱流構造そのものに対しこれまでにない新しい視点が明らかにされつつある。課題3では粘土のミクロ粒子間相互作用とマクロスコピックな粘土懸濁液の移動現象に関する問題提起と沈降挙動の可視化に進展がみられ、化学的条件と水理学的条件の両者をパラメータとする実験を推進している。課題13の進捗に基づいて、課題46の後半3課題に関する具体的な関連づけが可能となる。
自己免疫性心筋炎の発症機構と臨床像の研究

自己免疫性心筋炎の発症機構・病態・治療法と、自己免疫性心筋障害と拡張型心筋症の関連について動物モデルを用いて検討した。心筋ミオシンでルイスラットを感作することによって、ヒト巨細胞性心筋炎の動物モデルである実験的自己免疫性心筋炎を作成することができる。実験的自己免疫性心筋炎において出現する巨細胞の特徴について電子顕微鏡による微細構造の検討および免疫組織学的検討を行い、これらの巨細胞がマクロファージの融合によって出現してきたものであることを示した(研究発表6)。次に、実験的自己免疫性心筋炎をリンパ球によって同系ラットに転嫁できることを示し、B細胞や抗体では疾患転嫁ができないことから、T細胞依存性自己免疫疾患であることを示した(研究発表2)。また、αβT細胞受容体抗体によって実験的自己免疫性心筋炎の発症が抑制できることを示し、この疾患の発症におけるαβT細胞の重要性を示した(研究発表5)。さらに、実験的自己免疫性心筋炎の慢性期および再発時の形態学的検討を行いヒト拡張型心筋症によく似た病態に進展することを示した(研究発表1と3)。この一連の研究によって、巨細胞性心筋炎の発症に自己免疫性心筋障害が関与している可能性が高いこと、自己免疫性心筋炎は拡張型心筋症に進展し得ることが示された。
腸管における水・電解質代謝の内分泌調節

バソプレシンの腸管における水・電解質のホメオスターシスの維持への関与を明らかにするため、大腸粘膜イオン輸送に対するバソプレシンの作用を電気生理学的に検討し、その細胞内情報伝達機構について検討した。モルモット遠位大腸粘膜をユッシング型のチェンバーを用いて、大腸粘膜における能動輸送へのバソプレシンの効果を検討した。漿膜側ブメタニド存在下(カリウムとクロライド分泌抑制下)で電流成分(アミロリド感受性起電性ナトリウム吸収)はバソプレシンにより濃度依存性に抑制され、起電性ナトリウム吸収を阻害すると考えられた。次に、あらかじめ粘膜側アミロリド存在下(起電性ナトリウム吸収を阻害下)では、バソプレシンは比較的低濃度で短絡電流をマイナス側へ、高濃度では短絡電流をプラス側へ変化させた。マイナス側への電流変化は粘膜側高カリウム液で消失し、カリウムの分泌によると考えられた。プラス側への変化はクロライドチャンネルブロッカーにより抑制され、クロライドの分泌と考えられた。これらの変化はすべてバソプレシンV1レセプター拮抗剤で抑制された。バソプレシンと細胞内カルシウムの関わりを明らかにするために陰窩細胞と表層上皮細胞においてバソプレシンが細胞内カルシウム濃度を変化させうるか、カルシウム感受性蛍光色素を用いて検討した。バソプレシンにより細胞内カルシウム濃度は濃度依存的に上昇がみられこのカルシウム濃度変化はバソプレシンV1レセプター拮抗剤で抑制された。バソプレシンはモルモット遠位大腸粘膜においてV1レセプターを介してナトリウム吸収抑制、カリウムとクロライドの分泌刺激を起こすと考えられた。バソプレシンのV1レセプター刺激により大腸粘膜上皮細胞の細胞内カルシウム濃度は上昇し、バソプレシンは細胞内カルシウムイオンをセカンドメッセンジャーとして大腸粘膜イオン輸送へ作用していると考えられた。大腸は水・電解質代謝において重要な役割を果たしているが、その調節機序については十分明らかにされていない。我々は主に腎尿細管に働いて全身の水・電解質代謝において重要な役割を果たしているバソプレシンについて、大腸粘膜イオン輸送に対する作用を検討した。まずモルモット遠位大腸粘膜を剥離しユッシングチェンバーにマウントしたうえで粘膜側と漿膜側との間のイオン輸送を電気生理学的に検討した。バソプレシンは経上皮的なイオンの輸送を示す短絡電流を濃度依存性に変化させた。イオン輸送の阻害剤を用いて検討したところ、バソプレシン1nMの漿膜側への投与によりアミロライド感受性のナトリウム吸収は阻害された。同じくバソプレシン1nM投与にてカリウムに対しては分泌亢進作用を示し、さらに高濃度ではカリウムのみならずクロライドに対しても分泌亢進に作用した。これらの作用はすべてバソプレシンのV1レセプター拮抗剤で抑制されV2レセプター拮抗剤では抑制されないことから、V1レセプターを介した作用であると考えられた。ほ乳類腸管におけるバソプレシンのV1レセプターの存在は未だ報告がなされておらずその生理的意義についてはさらなる検討が必要と考えられる。バンプレシンの作用はV1セプターではカルシウム、V2レセプターではサイクリックAMPが細胞内セカンドメッセンジャーとして作用している報告されており、今後大腸粘膜上皮細胞におけるバソプレシン作用を細胞内セカンドメッセンジャーとの関わりを含めて検討を加えていく予定である。

モルモット遠位大腸粘膜をユッシング型のチェンバーを用いて、大腸粘膜における能動輸送へのバソプレシンの効果を検討した。漿膜側ブメタニド存在下(カリウムとクロライド分泌抑制下)で電流成分(アミロリド感受性起電性ナトリウムの吸収)はバソプレシンにより濃度依存的に抑制され、起電性ナトリウム吸収を阻害すると考えられた。次にあらかじめ粘膜側アミロリド存在下(起電性ナトリウム吸収を阻害下)では、バソプレシン比較的低濃度で短絡電流をマイナス側へ、高濃度では短絡電流をプラス側へ変化させた。マイナス側への電流変化は粘膜側高カリウム液で消失し、カリウムの分泌によると考えられた。プラス側への変化はクロライドチャンネルブロッカーにより抑制され、クロライドの分泌と考えられた。これらの変化はすべてバソプレシンV_1レセプター拮抗剤で抑制された。バソプレシンと細胞内カルシウムの関わりを明らかにするために陰窩細胞と表層上皮細胞においてバソプレシンが細胞内カルシウム濃度を変化させうるか、カルシウム感受性蛍光色素を用いて検討した。バソプレシンにより細胞内カルシウム濃度は濃度依存的に上昇がみられ、このカルシウム濃度変化はバソプレシンV_1レセプター拮抗剤で抑制された。バソプレシンはモルモット遠位大腸粘膜においてV_1レセプターを介してナトリウム吸収抑制、カリウムとクロライドの分泌刺激を起こすと考えられた。バソプレシンのV_1レセプター刺激により大腸粘膜上皮細胞の細胞内カルシウム濃度は上昇し、バソプレシンは細胞内カルシウムイオンをセカンドメッセンジャーとして大腸粘膜イオン輸送へ作用していると考えられた。
マラリアにおけるスカベンジャーレセプターの役割の解明

本研究では、マクロファージ(Mφ)が原虫、もしくは原虫感染赤血球を認識する機構の解明の一助として、Mφのスカベンジャーレセプター(SR)のノックアウト(KO)マウスMSR-A(-/-)を用い、KOマウスのネズミマラリア原虫Plasmodium berghei感染における病態を観察した。KOマウスにおけるネズミマラリア原虫に対する感染抵抗性について、KOマウスMSR-A(-/-)およびその対照のMSR-A(+/+)系を供試動物とし、原虫株としてP.berghei NK65を用いて検討した。人工感染後、KOマウス群が対照マウス群より早期に死亡した(p=0.021,カプランマイヤー法)。生存したマウスでは、原虫血症のピークが注入感染後57日と23週間の2回観察された。感染6日後までの初期の原虫血症は対照群で高かった。KOマウス群の死亡時期は原虫感染率のピーク後に多かった。原虫感染率と死亡には傾向がなく、原虫血症が高くても耐過する個体があった。感染5、10および15日後のマウス血清について生化学的検討を行った結果、両群とも早期からの肝機能障害と、腎機能障害が観察された。感染5、10および15日後のマウス諸臓器について病理学的に観察した。肝臓では、類洞内にはマラリア色素貪食クッパー細胞が多数存在するが、その頻度は明らかKOマウスの方が多かった。脾臓では、マラリア色素貪食像も認められるが、その分布や頻度に両群マウスで差は見られなかった。肺では、肝臓、脾臓に比べれば軽度ではあるが、両群ともに肺胞マクロファージによると思われるマラリア色素の貪食像が認められた。本研究により、SRがネズミマラリアの防御免疫に機能している可能性が示唆された。また、病理学的および血液生化学的検索から、本モデルがマラリア研究に有用であることがわかった。
社会問題と科学知識とをつなぐオンライン教材の開発-放射線を例として-

本研究課題では、社会的理解が進む一方、科学的理解が遅滞する放射線教育を支援するためのオンライン放射線教材の開発ならびにその教育実践を目的とする。研究では、小中高等学校の教科書における放射線の取扱いを調査するとともに、小中高等学校の教諭から付けたい力としての放射線に関して聴き取り調査を行い、中学生向けに「医療と放射線」、高校生向けに「原子核と放射線」と題するオンライン教材を作成した。更に、作成した教材を、学校における課程教育(オンスクール教育)および学校外自由教育(オフスクール学習)において活用した。特に、オフスクール学習においては、生徒向けだけではなく、生涯学習としての放射線教育を試みるために一般市民を対象とした科学技術体験活動あるいはコラボレーション学習活動を開催し、高い教育効果を得た。オンライン放射線教材の活用によって、従来にはない教育形態を提供することが可能となる。当該教育の特徴を以下にまとめる。(1)教科・科目を超えた問題提示型学習活動の支援(2)個人あるいは少人数単位で学べる学習環境の創造(3)タブーを作らない学習項目の提示(4)ディベート機会の創造(5)教材効果の広がりおよび価値対立的な問題に対する合意形成能力の育成これらの成果を基礎として、今後は、インドにおけるオンライン放射線教育教材を用いた教育など海外での教育実践を行う。また、これらの効果を脳科学的に解明する試みも新たに実施する。放射線教育教材の開発に先駆けて、現行学習指導要領における放射線教育の扱い、並びに諸外国における教育内容に関して調査を行い、更に、教育現場における放射線教育の実際および教諭が放射線・原子力に関して、望ましいと考える学習内容の調査を行った。教育現場における調査では、中学校・高等学校の理科あるいは工業科教諭との個別調査あるいは原子力体験セミナー(文部科学省主催)に参加した小・中・高等学校教諭との集団討論によって、各課程において付けたい力(学習目標)としての放射線・原子力関連学習内容をまとめた。これらの調査を基礎として、小学校では「環境問題と原子力」、中学校では「医療と放射線」、そして高等学校では「原子構造と放射線」という結びつきで学習を展開することが望まれていることが明らかとなり、現在までに、高等学校向けのオンライン教材として、「原子構造、崩壊、半減期、確率」を学習できる教材ならびに中学校向けオンライン教材として、「放射線、医療、人体探索、CT」を学習できる教材を作成した。この他にも、自然放射線映像などもオンライン化したが現在までに体系化されていない。上記試作教材に関しては、既に放射線教育ネットワークを形成している高等学校(40名)および工業高等専門学校(120名)にて実践を行った。この時の評価をもとに、能動的な学習が可能な形式に現在、内容および構成を改善中である。なお、本研究課題遂行にあたっては、放射線・原子力教育は、合理的な思考だけでなく、国民の社会的認識としての安心、平和、そして原子爆弾による痛みを認め、互いに思いやる心を基礎として取組んでいる。
被災地域の高齢者における心身の健康増進を目的とした世代交流プログラムの実践と評価

本研究の目的は,被災地区において,地域在住同士の相互作用による効果の高まりに期待しながら地域作りの中でプログラムを実践し,その効果について検討することである.2014年から2017年までの3年間,心身の健康に関する講話と参加者の交流を深めるためのレクリエーションを主な内容とした心身の健康増進を目的とした世代交流プログラムに取り組んだ.豊かな高齢化社会を目指した地域における環境づくりや健康教育を進める上では,プログラムのさらなる発展と普及が望まれる.本研究では,被災地域においてスポーツ活動を通じて地域住民の交流を促進することで地域高齢者の心身の健康増進へとつながるのではないかと仮説を立てた.地域に潜在するマンパワーを掘り起こし,サービスの担い手(高齢者ボランティア)とサービスの受け手(一般高齢者)の相互作用による効果の高まりに期待しながら地域作りの中でプログラムの効果検証を行い,豊かな高齢社会を目指した地域における環境づくりや健康教育を進め上で有効な資料を得ることが本研究の目的である.平成26年度は,研究者と自治体の担当者により,研究対象者の選定と無作為対照比較試験の準備をおこなった.また,これから地域介入していく既存の組織:主に社会福祉協議会による『生きがいデイサービス』(集会所にて実施)の事業の視察と,そこで実施する健康関連の話題(うつ病,睡眠,栄養,認知症の基礎知識など)の情報提供の資料の制作を進めた.また,集会所では身体活動を通じて他者(高齢者同士,介入補助の大学生,社協スタッフ,行政スタッフ)とふれあい,交流するためのプログラムを考案し試行した.現在の日本では,豊かな高齢社会を目指した地域における健康教育をすすめるための健康づくりプログラムのさらなる発展と普及が望まれている.本研究では,被災地域において運動・スポーツ活動を通じて地域住民の身体活動や運動への意識改善と住民同士の交流促進を推し進めることで,地域高齢者の心身の健康増進へと繋がるのではないかと仮設を立て,いくつかの介入プログラムを進めてきた.ひとつ目の介入プログラムは既存の組織(今回は社会福祉協議会の『生きがいデイサービス』)に対するプログラムの提供である.生きがいデイサービスの対象者は年齢が65歳以上の地域在住高齢者であるが,実際にサービスを利用者の平均年齢は80歳と比較的高い年齢層となっている.したがって,ここでのプログラムは,生きがいデイサービス利用者の主な活動の拠点である集会所におけるレクリエーション活動の充実化を目指した.ふたつ目の介入プログラムは,地域の健康づくり活動のリーダー的役割を担う人材の発掘である.生きがいデイサービスの参加者は平均年齢80歳代と比較的高年齢であり,この組織は今回の介入後に健康づくり活動のリーダー(普及啓発の担い手)となるにはやや負担が大きいため,引き続き自身の健康づくりを実践するグループと位置づけた.そこで,平成27年度は,健康づくり活動のリーダーの募集を行ったところ30人が登録され,2回の研修会に取り組んだ.上述のような2つの介入プログラムの実施と並行して,平成27年度はプログラムの効果評価のための初回調査を実施した.具体的には生きがいデイサービスでのプログラムの効果を詳細に検討するために,身体・心理・社会的側面からなるアンケートを用いて生きがいデイ利用者87名と,対照群となる同サービス非利用者87名に対して会場調査および戸別訪問調査により実施した.本研究の研究フィールドは,宮城県石巻市北上町である.当該地区は東日本大震災の津波の影響を大きく受けた地区である.したがって自治体で担当するスタッフ(主に保健師)の通常業務の負担が大きいうえに,研究開始初年度は,担当者の配置変更等も重なったため,当初予定していた計画を実施するための手続きや確認作業がその節目ごとに少しずつ遅れたこともあり,介入プログラムの開始にやや遅れが生じてしまった.介入プログラムの開始後は,そのプログラムに関してはスムーズに遂行されているといえるが,本研究の計画立案時点で描いていたいくつかのプログラム実行まで至っていない.超高齢社会が進む日本では,地域における健康教育をすすめるための健康づくりプログラムの充実が求められている.本研究では,被災地域において運動・スポーツ活動を通じて地域住民の身体活動や運動への意識改善による身体機能の向上と,運動をメインとしたプログラムによる住民同士の交流促進をはかることで心理社会的側面の健康度の改善をねらい介入プログラムを展開してきた.介入プログラムの柱のひとつ目は,既存の組織(本研究では社会福祉協議会の『生きがいデイサービス』に対するプログラムの提供である.生きがいデイサービスは65歳以上の地域在住高齢者を対象としているが,同地区の生きがいデイサービス登録者の平均年齢は80歳と比較的高い年齢層であった.また,活動は同地区に点在する集会所で実施されるため,年齢や会場に見合うようレクリエーション活動の内容を工夫しておこなった.介入プログラムのふたつ目は,地域の健康づくり活動のリーダーの発掘および育成である.生きがいデイサービスの登録者の多くは高年齢者層であり,リーダー的役割の担い手としては負担が大きいと判断した.そこで前期高齢者層を意識した募集により30人が登録し,研究期間の2年目と3年目に5回の研修会を実施し,リーダーとして必要な知識の習得と実践力を養ってもらった.上記の2つのプログラムに加えて,3年目は心身機能の低下リスクの高い『一人暮らし』.高齢者に対してアダプテッド・スポーツ種目である風船バレーと卓球バレーの実践と指導をおこない,交流イベントを開催した.これら複数のプログラムは運動を切り口としているが,介護予防に必要な知識や実践スキルの醸成するための包括的な介入プログラムとなっている.本研究のフィールドは宮城県石巻市(北上地区)である.当該地区は東日本大震災の津波の影響を大きく受けた地区である.

したがって自治体で担当するスタッフ(保健師)の通常業務の負担が大きい上に,研究開始初年度は担当者の配置変更も重なったため,当初予定していた計画の実施に遅れが生じていた.開始後の介入プログラムの遂行は順調ではあったが,最終年度追跡調査の時期が漁業の繁忙期と重なったことと,新たな行政区割作業により現地調査員の選定を見合わせなければならなかったため効果評価のための最終年度追跡調査を数ヶ月遅らせることになった.特に震災被災地区ということもあり,住民の生活および要望を優先するのが適切だるとの判断によるものである.現在の日本では,豊かな高齢社会を目指した地域における健康教育を進めるためのプログラムの開発と普及が急務の課題である.東日本大震災後の被災地区においては,生活の基盤が震災前後でおおきく変化した地域住民も存在し,心身の健康の保持増進を進めるうえで不利な状況におかれている.そのような状況下において運動・スポーツ活動を通じて地域在住高齢者の心身の健康増進を目的とした介入プログラムを実施し,その効果評価について検討を行った.介入プログラムは社会福祉協議会が取り組む『生きがいデイサービス』の参加者(65歳以上の地域在住高齢者)を対象に身体機能の維持・向上を図る軽体操および参加者の交流促進を目的としたレクリエ-ション活動を実施した.介入地区の対象者が参加しやすい距離に点在する7ヶ所の集会所を活動実施場所として年間18回の『生きがいデイサービス』が開催された.そのうち,研究者による直接介入が3回,研究者が考案したプログラムを現地スタッフが実施する介入が10回,その他のプログラムが5回で構成されており,参加率は全体で70%であった.介入プログラムの効果を検討するために身体・心理・社会的側面からなるアンケートを用いて介入群(生きがいデイ利用者)と非介入群(生きがいデイ非利用者)への調査を実施したところ,介入の有無と心理および社会的側面を示す各指標のスコアにおいて交互作用が見られた.結果の概要については,介入プログラムの参加者および研究フィールドの関係スタッフに対して報告を行った.また,研究フィールドである被災地区においては,研究期間中に仮設住宅から新たなコミュニティへの移住が進み,今後はそれらコミュニティにおいて住民への健康づくり活動を支える取り組みについて検討していくことが課題として残された.
導波型非線形光学デバイスによる光波の量子状態制御の基礎研究

導波型非線形光学デバイスによる光波量子状態制御の可能性と問題点を明らかにするため、理論解析とデバイス設計・作製および実験的検討を行い、以下のような具体的成果を得た。1.導波路と擬似位相整合構造を用いた光第2高調波発生(SHG)デバイス、縮退パラメトリック増幅器、縮退パラメトリック発振器による光波量子状態制御の理論解析を行った。解析には本グループがSHGデバイスに関して展開してきた量子論に基づく擾乱伝搬マトリクスを用いる手法を各種のパラメトリック過程に拡張し、出力光の量子状態とそのデバイスパラメータ依存性を明らかにした。進行波型および共振型の縮退パラメトリック増幅によるスクイズド真空状態および位相スクイズド光の発生、縮退パラメトリック反増幅による振幅スクイズ光の発生に関する定式化を行い、光第2高調波発生デバイスと位相シフタおよび縮退パラメトリック増幅器を同一導波路に集積することにより、小型で多機能な光波量子状態制御デバイスを構成できることを示した。2.量子状態制御用導波型疑似位相整合SHGデバイスを設計し、実際にLiNbO_3結晶に電圧パルス印加法で位相整合用分極反転構造を設け、プロトン交換法で光導波路を形成して作製し、その特性を改善した。新たな導波路形成法として気相プロトン交換法を提案・開発した。進行波型デバイスでは相互作用長を10mmに拡大した設計で記録的な規格化効率230%/Wを達成した。また共振器型では位相シフタを集積化することにより電気的に共振状態に同調できる機能を付加し、試作デバイスでその動作を実験的に確認した。3.量子状態制御の実験的評価のため、スクイジングスペクトルを測定できる平衡ホモダイン光検出系を構成し、低雑音半導体レーザを用いてその特性を評価して量子雑音評価のための基礎データを得た。
地震・津波波動場の空間連続性に基づく情報抽出

近年の基盤的地震観測網の整備によって蓄積された記録は,地震と地震発生場としての固体地球の理解を格段に進展させた.さらに近年は海域にも高密度地震・津波監視網が整備され,観測網はさらなる拡充をしつつある.では,高密度な地震・津波の観測記録から,いったいどれだけの情報量を抽出することができるのだろうか?この研究では,『多数の観測点で得られる地震・津波記録が空間的に連続である』という特徴に着目し,従来の地震・津波波形解析を『固体地球の波動現象における波動場空間連続性からの情報抽出』という抽象的なレベルで共通の問題として捉え直すことで,それぞれの解析手法をさらに進化させることを目的とする.近年の基盤的地震観測網の整備によって蓄積された記録は,地震と地震発生場としての固体地球の理解を格段に進展させた.さらに近年は海域にも高密度地震・津波監視網が整備され,観測網はさらなる拡充をしつつある.では,高密度な地震・津波の観測記録から,いったいどれだけの情報量を抽出することができるのだろうか?この研究では,『多数の観測点で得られる地震・津波記録が空間的に連続である』という特徴に着目し,従来の地震・津波波形解析を『固体地球の波動現象における波動場空間連続性からの情報抽出』という抽象的なレベルで共通の問題として捉え直すことで,それぞれの解析手法をさらに進化させることを目的とする.
複合材料中の繊維－樹脂界面に起因する非線形超音波伝搬挙動の解明

本研究では,複合材料中の繊維ー母材界面の非線形性に起因する高調波発生挙動を数値的に検討した.数値解析の結果,繊維ー母材界面の結合状態の指標である接触面剛性によって二次高調波の散乱波の指向特性が大きく異なることなど,従来知られていなかった非破壊評価に有用と考えられる現象が確認された.これに加えて,炭素繊維強化プラスチック(CFRP)を対象として,その微視的・巨視的な損傷と超音波伝搬に伴う非線形性の変化との関係について検討を行った.本検討では非線形パラメータβとCFRPに生じる損傷についての知見を得るとともに,減衰係数と高調波発生特性による,CFRPに生じる損傷の評価の可能性を示した.複合材料における繊維ー樹脂界面の微視的なはく離を検出することにより早期段階での非破壊評価の実現が期待できる.しかし,線形的なパラメータを評価する従来の非破壊評価法では,こうした微視的な損傷の検出は困難であった.そこで本研究では,繊維ー樹脂界面のはく離が非線形超音波伝搬挙動に与える影響を明らかにすることで本課題の解決を目指している.平成28年度は以下の2点について検討を行った.1.の検討では,短冊状の直交積層炭素繊維強化プラスチック板の試験片に対して引張負荷中に超音波を入射し,高調波発生挙動と線形的な減衰特性の変化の両面から検討を行った.引張試験は続けて2回行った.その結果,1回目の試験においては,基本波に対する高調波振幅が顕著な増加を示すが,2回目の試験ではほとんど増加しないことがわかった.非線形パラメータの変化の傾向は損傷の傾向と一致しており,損傷によって基本波に対する高調波振幅が増加するという考察を支持している.一方で,材料の非線形性の評価に影響を与えうる試験片の減衰特性も同時に試験前後で大きく変化している.このため,本実験における基本波に対する高調波振幅の変化が,材料の非線形性の変化によるものであるとは現在のところ断定できない.2.上記の実験的検討により得られた結果を適切に解釈するため,複合材料中の繊維ー母材界面の非線形性に起因する高調波発生挙動を数値的に検討した.本解析では繊維に対して直交方向に縦波および横波が入射される条件を想定した.多数の繊維による多重散乱および界面における非線形性を考慮するため,固有関数展開に基づいた定式化を行った.また,本定式化に基づいた数値解析の結果,円柱ー母材界面の結合状態の指標である接触面剛性によって二次高調波の散乱波の指向特性が大きく異なることなど,従来知られていなかった非破壊評価に有用と考えられる現象が確認されている.1.の検討では,本研究において検討の対象とした繊維ー樹脂間の破壊現象だけでなく,トランスバースクラックと呼ばれる巨視的な破壊が生じたために,材料の減衰特性が大きく変化したと考えている.本年度の検討では,材料の非線形性を適切に評価するために,減衰特性が高調波振幅に与える影響を十分に評価する必要が生じた.また,治具の作成,超音波を入射するためのウェッジの形状に試行錯誤を要したため,レーザ加工機を導入することでより効率的に課題を進めた.引張負荷下の直交積層材料中の高調波発生挙動および減衰特性に関する知見が得られた一方で,減衰特性の評価などの追加の検討に必要な試験片が想定よりも多くなったため,用意した試験片では繊維ー樹脂間の破壊現象のみを対象とした検討が十分に行うことができていない.2.の数値的な検討では母材中に1本の繊維が存在する場合における高調波の発生挙動に関して数学的な定式化を提案し,さらに複数の繊維が存在する複合材料中の高調波発生挙動に関しても多重散乱の影響を厳密に考慮した定式化を行った.これらに加え,定式化に基づいた数値解析により,従来知られていなかった非破壊評価に有用と考えられる現象が確認されるなど当初想定されていた以上の知見を得ている.以上のことから1.の実験的検討では,予期していない現象の対応のために追加の検討が必要になったが,2.の理論的・数値的解析により当初想定されていた以上の知見を得ており,総じて本研究課題の進捗は概ね順調と考えている.複合材料における繊維ー樹脂界面の微視的なはく離を検出することにより早期段階での非破壊評価の実現が期待できる.しかし,線形的なパラメータを評価する従来の非破壊評価法では,こうした微視的な損傷の検出は困難であった.そこで本研究では,繊維ー樹脂界面のはく離が非線形超音波伝搬挙動に与える影響を明らかにすることで解決を目指した.本課題では以下の2点について検討を行った.1.炭素繊維強化プラスチック(CFRP)を対象として,その微視的・巨視的な損傷と超音波伝搬に伴う非線形性の変化との関係について検討を行った.まず,短冊状の直交積層CFRP板の試験片に対して引張負荷中に超音波を入射し,高調波発生挙動を評価した.その結果,材料の非線形性を表す非線形パラメータβの変化の傾向は,試験片に与えた引張損傷の傾向と一致していることが示された.これに加えて,高調波発生挙動と材料中の損傷の関係を詳細に検討した.試験中に発生した横き裂をレプリカ法を用いて写し取り,その横き裂密度と高調波発生挙動の変化の関係を評価した.その結果横き裂密度の増加に伴って非線形パラメータβが減少することが示された.非線形パラメータβの変化はミクロな損傷の発生を反映していると考えられる.

2.上記の検討と並行して,複合材料中の繊維ー母材界面の非線形性に起因する高調波発生挙動を数値的に検討した.本解析では繊維に対して直交方向に縦波および横波が入射される条件を想定した.多数の繊維による多重散乱および界面における非線形性を考慮するため,固有関数展開に基づいた定式化を行った.本定式化に基づいた数値解析の結果,円柱ー母材界面の結合状態の指標である接触面剛性によって二次高調波の散乱波の指向特性が大きく異なることなど,従来知られていなかった非破壊評価に有用と考えられる現象が確認されている.本研究では,複合材料中の繊維ー母材界面の非線形性に起因する高調波発生挙動を数値的に検討した.数値解析の結果,繊維ー母材界面の結合状態の指標である接触面剛性によって二次高調波の散乱波の指向特性が大きく異なることなど,従来知られていなかった非破壊評価に有用と考えられる現象が確認された.これに加えて,炭素繊維強化プラスチック(CFRP)を対象として,その微視的・巨視的な損傷と超音波伝搬に伴う非線形性の変化との関係について検討を行った.本検討では非線形パラメータβとCFRPに生じる損傷についての知見を得るとともに,減衰係数と高調波発生特性による,CFRPに生じる損傷の評価の可能性を示した.繊維ー樹脂界面破壊と非線形伝搬挙動との関係に着目するために,従来の検討よりも小さなひずみを与えた試験片の製作や,材料の変更を行う予定である.平成28年度の実験に比べて破壊の生じている領域が小さくなることから,より微弱な高調波振幅を検出する必要がある.これらの課題は,平成28年度に得られた数値解析の結果を反映し,検討に適した試験片および,試験条件に最適化した周波数フィルタ回路を導入することにより,解決が可能であると考えている.新たな試験片はすでに発注しており,来年度にむけて準備を行っている.一方,2に示した解析的な検討では,1本あるいは複数本の繊維から発生する高調波の放射分布に関して,定性的な説明を加えることを目指す.これにより,より一般性のある知見を見出し,課題の目標を達成する予定である.動弾性力学に基づく超音波伝搬挙動,特に非線形現象を利用した超音波非破壊評価予備調査・検討の結果,材料中の超音波伝搬挙動に関する数値解析的な検討において固有関数展開による多重散乱を扱う手法が有効であることがわかったため,当初予定していたFEMソフトウェアの拡張プロセッサであるDigimatを購入せずに,代わりにハウスコードによる解析を行った.このため,平成28年度の助成金に未使用額が生じた.繰り越された平成29年度請求分は,平成28年度に十分に行われなかった繊維ー樹脂界面破壊と高調波発生挙動に関する検討を行うために,試験片製作費用および超音波センサ類の拡充に用いる予定である.
現代アメリカの通商政策の特質とその展開過程に関する研究

「現代アメリカの通商政策の特質とその展開過程に関する研究」は、2007年度2009年度の3カ年の期間にわたり、クリントン政権期からG.W.ブッシュ政権期におけるアメリカの自由貿易協定(FTA)政策および対中通商政策に関する理論的・実証的研究を行ってきた。その主な成果は、雑誌論文1本(「ブッシュ政権の通商戦略と中米自由貿易協定」)、図書2冊(『グローバル化のなかの日中経済関係--進展と深化』『G.W.ブッシュ政権の経済政策--アメリカ保守主義の理念と現実』)にまとめられている。当初の計画ではアメリカの対中通商政策に関する基礎的調査を中心に進める予定だったが、学会報告や出版の機会を得ることができたため、これに加えてアメリカのFTA政策に関する研究成果の取りまとめも進めることになった。対中通商政策については、2007年9月2日10日にワシントンDCに滞在し、資料収集および現地の研究者2名(Claudei Barfield: American Enterprise Institute、Robert Sutter: Georgetown University)に対するヒアリングを行った。現地で新たな資料を入手でき、さらにヒアリングによって今後の研究にとって有益な助言を得ることもできた。また、テーマに関する代表的な研究の整理を進めた。これらの作業は来年度以降のより具体的な分析のための基礎となった。アメリカのFTA政策については、ケース・スタディとしてこれまでに成立したFTAの中で最も激しい議論の対象となった中米自由貿易協定の交渉および批准のプロセスを分析し、学会で報告した。また、G.W.ブッシュ政権のFTA政策に関する包括的な分析も進め、編著のなかの1章「通商政策:貿易促進権限と自由貿易協定」としてまとめた。2度の学会報告では、それぞれ貴重なコメントを得ることができた。この報告はなるべく早く論文の形にまとめて公表する予定である。編著の方は、2008年夏にミネルヴァ書房から『G.W.ブッシュ政権の経済政策:アメリカ保守主義の理念と現実(仮題・河音琢郎氏との共編著)』として刊行予定である。これらの作業によって、まだわが国においてはほとんどまとまった研究の存在しないアメリカのFTA政策に関する分析をまとめることができた。本研究課題の最終年度である今年度は、昨年度に引き続き、1 G.W.ブッシュ政権のFTA(自由貿易協定)政策、2クリントン政権期における対中通商政策、の2つのテーマを柱として研究のとりまとめを進めた。1については、アメリカと日本、中国の東アジア政策を中心に、近年の東アジア地域主義の動向を分析した「東アジア地域の基本構造に関する一試論」をまとめた。同論文では、アメリカ(G.W.ブッシュ政権)、日本、中国の自由貿易協定や通商政策を比較し、それぞれが現在の東アジア地域主義においてどのような役割を果たし、また、将来の東アジア経済統合に向けてどのような展望を持っているのかを分析した(同論文は『グローバル化のなかの日中経済関係』に所収され、御茶の水書房から刊行された)。2については、19952000年における中国のWTO加盟に向けた米中交渉とアメリカの国内通商政治を具体的かつ詳細に分析し、研究成果を2つの学会で発表した。報告では、一般に「アドホックで宥和的」とされるクリントン政権の対中政策を、米中交渉および米国国内政治(行政府・議会間関係)の2つの側面から分析し、それらの評価が米国議会における反対勢力の過大評価に基づくものであることを明らかにした。報告に対するコメントを受け、主張をより分かりやすいものに手直しした上で論文(「アメリカの通商政策と中国のWTO加盟-対中関与政策とは何か」)を執筆し、現在、学会誌(政治経済学・経済史学会)に投稿中である。
記号,数値パラメータが混在する大規模電子回路の記号解析

記号パラメータと数値パラメータが混在する大規模電子回路の記号回路関数を一括して導出するとともに、回路の大規模化に伴う計算量および記憶容量の増大を押さえることが本研究の目的である。本研究ではこれらの目的を回路グラフの分割手法の導入によって解決せんとしている。1回路グラフの分割手法による解析:大規模電子回路のグラフを記号パラメータを多く含むいくつかの部分グラフと数値パラメータのみを含むいくつかの部分グラフに分割し、夫々を解析し、最後に全体の回路の記号解析を行うものであり、昨年度は節点分割手法について検討した。今年は、枝分割手法と節点・枝混合分割手法を検討して来たが、残念ながら、混合分割手法の体系化が遅れている。しかし、解決の目途は立っているので、現在はその完成に努力を重ねている。(ただ、この手法は本質的に並列計算処理を行うことが必要であることがわかったので、このテーマの真の完成のためには今後の一層の研究が必要である)。2共通木集合の最適類別パラメータの決定問題:昨年度は、上記問題をパリティマトロイド問題に還元し、最適類別パラメータの必要十分条件とそのパラメータを求めるアルゴリズムを明らかにした。本年度は、与えられるパリティマトロイドをそのまゝ扱うのではなく、最適類別パラメータを効率的に求める観点から、扱うマトロイドをより小さくするための理論的体系化(パリティマトロイドの基本分割・細分)を行い、種々のマトロイドのクラスを明らかにできた。しかし、この問題をパリティマトロイドの分割、クラス分けの点から完全に解くことが望まれるが、それには尚一層の時間が必要である。
活性型ヨードシルベンゼン超分子錯体の合成とその反応

ヨウ素は毒性をほとんど示さないため、三価の超原子価ヨウ素化合物は環境にやさしい、環境に調和する酸化剤として有機合成化学で多用されている。その代表がヨードシルベンゼンであるが、残念ながらI-O超原子価結合を介したポリマーであるため、通常の有機溶媒には溶けず、その反応性も低い。酸化剤として使用するには、酸触媒を加えてヨードシルベンゼンを活性化させる必要がある。この目的のためにBF_3-Et_2O, HBF_4, TfOHなどの酸がよく使用され、ヨードシルベンゼンモノマー活性種が生成すると信じられている。ところがこれらの活性種は室温では直ちに分解してしまうほど不安定であり、単離はできず、その詳細な構造も不明のままであった。本研究では、これらの反応種にクラウンエーテルを配位させて、酸素原子の多重配位効果によりこれを安定化し、超分子錯体を合成・単離することに成功した。即ち、新しい活性型ヨードシルベンゼンモノマーを開発し、その適度な酸化能を活用して特徴ある酸化反応を開拓することができた。1)クラウンエーテル存在下、ヨードシルベンゼンにHBF_4を作用させて、超分子錯体である活性型ヨードシルベンゼンモノマーを合成した。次いで、これらの安定性を調べ、錯体の単結晶を作成して固体構造をX線結晶解析により明らかにした。2)クラウンエーテルは水によく溶けるため、活性型ヨードシルベンゼンモノマーを用いる酸化反応を水中で実施し、これらを水中で使用可能な新しい超原子価酸化剤として位置づけることができた。具体的には、1)フェノール類のキノンへの酸化反応、2)置換フェノールのp-quinolへの酸化反応、3)スルフィドの酸化反応、4)オレフィンのジヒドロキシ化反応、5)シリルエノールエーテルのα位酸素化反応や6)ジアリールヨーダン合成反応などを水中で実施することに成功した。
抗体CDRのアミノ酸配列と抗原特異性の相関関係の解析

抗体は、HL鎖Vドメインの抗原相補性決定領域(CDR)と呼ばれる計6ケ所が形造る凸凹構造で抗原物質と安定な複合体を形成することにより抗原を特異性に認識する。このCDRのアミノ酸配列は事実上抗体毎に異なる高い多様性を示す。本研究ではそれ以外の部分(フレームワーク領域)のアミノ酸配列を一定にしたままCDRに多様な配列を導入した抗体ライブラリーの作製を行っている。抗体はFabの形でファージ膜上のcpIIIタンパクに融合した形で発現される。目的とする抗原とファージ抗体を結合させた後、ファージ粒子を回収することにより抗体遺伝子が得られる。本年度は(1)抗体としてFab、一本鎖Fv.Fvの形で発現されるベクターを作製し、相互に検討した結果、Fab型抗体が最も優れた性質を示すことが判明した。(2)抗HEL活性を示す多くの変異体の解析を行った。(3)様々なステロイド物質に対して異なる特異性を示す抗体を得てCDR配列と抗原特異性の関連を解析した。(4)H鎖CDRIIIの外側に位置する94番目の残基が抗原特異性に大きな影響を与えることを示した。(5)様々な抗原に対して特異性に結合する抗体が必ず含まれるライブラリーを作製するために6種類の抗体遺伝子を鋳型にライブラリー化できるように遺伝子を細工した。(6)error-prone PCRシステムを確立した。今後様々な抗原に対して必ず特異的に結合する抗体が含まれるライブラリーを作製するためにH鎖のCDRIIIへのランダム配列の導入-抗体単離後error-prone PCRを行い、抗原結合力の高まったクローンを得るシステムを確立する。
介在神経回路における情報変換原理の解明

線虫は、一定の温度で、餌を十分に与えられた環境で飼育されると、餌のない温度勾配上で飼育温度にむけて移動する。一方、一定温度で飢餓を経験した線虫は、温度勾配上で飼育温度に移動せず、温度勾配上を探索するような行動を示す。これまでの研究によれば、温度を受容する感覚ニューロンAFDと、そのシナプス後ニューロンである介在ニューロンAIYの相互作用が飢餓による行動の変容に重要であることが示唆されている。そこで、本年度は、飽食経験のある個体と、飢餓経験のある個体で、AFDとAIYの相互作用がどのように異なるかを調べるため、AFDとAIYにそれぞれカルシウムプローブRCaMP2とGCaMP3を発現させた系統を用いてカルシウムイメージングを行った。具体的には、マイクロビーズで体を固定した線虫に対して温度変化刺激を与えながら、AFDとAIYから同時にカルシウムシグナルを取得した。20度で飽食を経験した個体に対して、17度付近から21度まで振動しながら上昇する温度刺激を与えると、AFDのカルシウムシグナルは温度振動にフェイズロックする振動を示した。AIYは17度付近ではAFDの振動に同期する応答を示したが、より高温ではAFDと逆に同期していた。一方、20度で飢餓を経験した個体に対して同じ温度振動刺激を与えると、AFDは飽食個体と同様の応答特性を示したが、AIYは17度付近でAFDに対して逆に同期することがわかった。相互相関関数によるタイムラグ相関解析、およびヒルベルト変換を用いたシグナル間位相差の検出により、17度付近におけるAFDとAIYの動的相互作用が、飢餓経験によって変容していることが分かった。この結果は、これまでに得られた行動実験の結果を説明しうるものであった。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本研究は、脳神経回路地図が明らかになっている線虫が示す飼育温度探索搾取行動に着目し、脳神経系において、意思決定過程を経て行動を選択するという一連の情報処理メカニズムの解明を目的とする。線虫は飼育温度を記憶し、温度勾配上に置かれると飼育温度を探索し、その温度域付近に到達する頃になると、等温線上に沿って前進行動を続けながらその温度域に留まろうとする。この記憶温度探索搾取行動を実行中の線虫個体の運動を、時系列に沿って追尾することで、行動を成立させるための運動要素の動的な遷移を解析した。高解像度の動画を長時間計測し、数百個体の行動の時系列を定量的に評価できるシステムであるMulti WormTrackerを用いて、記憶温度探索搾取行動中の異なる運動要素(たとえば、前進、後退、シャローターンと呼ばれる浅い角度での前進方向の変更、など)の切り替えやそれらの組み合わせを検出し、それらの遷移過程を計測した。また、記憶温度探索搾取行動に重要な遺伝子群の機能欠損突然変異体や、細胞特異的なCaspaseの発現により各神経細胞に細胞死を誘導した系統について同様の行動解析を行い、分子や神経細胞が運動要素の切り替えや遷移に果たす役割を明らかにした。これは行動戦略の分子・細胞・回路基盤の理解において重要な知見である。さらに、温度受容神経細胞AFDと、AFDから直接入力を受ける介在神経細胞であるAIYの神経活動に焦点を絞って解析を行なった。固定下の野生型個体および各神経細胞の機能が異常となる突然変異体に対して、カルシウムイメージングを用いて詳細に計測し、行動解析と同様に、計測データを数理物理学的手法により解析した。さらに自由行動下での解析を実施することで行動とAIY神経活動の関係とそれに関わる特定分子の役割を解析した。これにより行動を選択する際の神経回路における情報処理メカニズムの理解を促進した。研究目的の達成に必要な研究実施事項を着実に遂行し、神経科学における重要な知見が得られつつある。また得られた成果は国際的な専門誌への論文発表として準備を進め、申請した研究計画期間内での発表が見込まれる。

相互相関関数によるタイムラグ相関解析、およびヒルベルト変換を用いたシグナル間位相差の検出により、17度付近におけるAFDとAIYの動的相互作用が、飢餓経験によって変容していることが分かった。この結果は、これまでに得られた行動実験の結果を説明しうるものであった。本研究は脳神経回路地図が明らかになっている線虫が示す飼育温度探索搾取行動に注目し、脳神経回路において意思決定過程を経て行動を選択するという一連の情報処理メカニズムの解明を目的とする。詳細な定量行動解析を基盤として、完全に構成神経細胞が明らかとなっている神経回路の中の特定の神経細胞を機能低下させた影響を解析することは、複雑な制御メカニズムから成り立っている行動制御を紐解くために必須である。本年度は、昨年度のmulti worm trackerを用いた定量解析の結果を基盤としてさらに解析を発展させることで、神経回路の機能地図として理解を進め、上記の研究目標を達成するための着実な進歩を得た。また同時に、単一神経細胞の解像度で神経活動計測を実施し、特定の神経細胞の活動と、他神経細胞や行動との関係を解析した。この成果と行動の定量解析で得られた結果と合わせることで、単一神経細胞-神経回路-行動を繋げる包括的な理解が進んだ。さらに数理的手法を実際の実験データに適用するフレームワークの構築と、その解析結果から得られる描像を得ることで、異なる神経細胞間の活動に時間ずれがある場合でもその関係性を定量的に評価することが可能となり、その結果、温度刺激などの外界からの入力がどのように神経回路で処理されているかということが明らかになってきた。異なるアプローチを組み合わせることで、上記の目標達成に着実に近づいており、さらに今後の発展が期待できる技術基盤の形成と実験結果をえることができた。初年度に進めたMulti WormTrackerを用いた記憶温度探索中の行動解析を基盤として、細胞特異的にCaspaseを発現させ、神経回路における特定の神経細胞の役割を解析する摂動実験を進めた。前年度から引き続く大規模な一連の摂動実験により、これまで想定されていた神経回路の機能的地図を塗り替える新たな知見を得た。また本研究で着目している探索搾取行動について、特徴となる等温線上を継続して探索する行動の解析方法を開発し、それを用いてどの神経細胞が探索搾取行動に関わるかを解析することで、探索搾取行動の制御に寄与の高い神経細胞を同定した。さらに本研究で着目している感覚神経細胞の情報を統合すると考えられるAIY神経細胞について、感覚神経細胞の神経活動と同時に活動を計測する実験系を構築した。これにより、様々な条件でこれらの神経細胞の相互作用がどのように起きているか解析することが可能になった。数理解析手法についても、二つの時系列シグナルについて時間ずれを考慮して比較する解析方法を、得られたカルシウムイメージングデータに適用できるよう実装を進めた。これにより、観察者が目で見て直感的に把握していたシグナルの違いを定量的に解析する方法論の確立ができた。本年度新しく得られた実験結果と開発した解析方法は、これまでに確立している温度探索行動の解析方法と組み合わせることにより研究目標の達成に大きく貢献する。Multi Worm