hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
生体発動分子の機能発現に関する構造ダイナミクス研究

MDシミュレーションでは、TrkA-d5とNGFのN端ペプチド(Npep)複合体、および、TrkA-d5とTP1ペプチドとの複合体の計算を実施した。その結果、TrkA-d5/Npep複合体では、Npepの結合構造が安定しなかったのに対し、TrkA-d5/TP1複合体では、TP1が一つの結合ポーズに収斂する傾向が観察され、実験と整合する結果を得た。次に、新学術領域のA01-1班と連携し、人工発動分子であるイオンチャネルについてのMDシミュレーション研究を開始した。人工イオンチャネルの分子モデルを計算機中に構築し、MD計算に必要な力場パラメータを設定した。そして、脂質二重膜中に配置し、構造ダイナミクスを観察した。多量体のサブユニット数を変化させ、その構造の安定性を検討した。さらに、B01-2班と連携し、微小管を構成するチューブリン・キネシン複合体の分子シミュレーションの検討を開始した。また、C01-2班との連携研究により、発動膜タンパク質である好熱菌由来ロドプシンを対象とした溶液NMR解析に着手した。当初の計画では、MDシミュレーションとNMR計測の連携によって、TrkA受容体の分子認識機構に着目し、その結合ペプチドの設計を第一目標にしていた。この研究は順調に進み、TrkA受容体NGF結合ドメイン(TrkA-d5)と結合ペプチドのMDシミュレーションの実施、及び、NMR解析に向けたTrkA-d5発現・精製法の確立を行った後、結合ペプチドとのNMR相互作用実験を実施することができた。さらに、本班の強みであるMDシミュレーションとNMR計測を活かし、新学術領域の他班との連携研究をスタートさせた。A01-1班にて設計された人工発動分子の機能発現モデルについてMDシミュレーション研究を実施し、いくつかの多量体の脂質二重膜中の構造ダイナミクスが明らかにした。また、B01-2班と連携し、微小管を構成するチューブリン・キネシン複合体に力を加えたときの応答の研究を検討している。一方、C01-2班との連携研究では、熱安定性の高い発動膜タンパク質を対象として、高分解能な溶液NMR解析が実施可能な状況となってきた。これらの連携研究は、新学術領域が始まってから開始したものであり、当初の計画以上に進展していると思われる。TrkA受容体の研究では2018年度に実施したMDシミュレーションの結果をもとにして、結合分子の設計に入る。まずは、ドッキング計算などで、MDシミュレーション結果が再現できるかを検討する。その後、結合分子に変異を導入し、結合能が向上する変異をドッキング計算によって探索する。その設計した分子について、再度MDシミュレーションを実施し、安定に結合できているかどうかを確かめる。ドッキング計算より精度の高いMDシミュレーションによる結合自由エネルギー計算も試行し、結合能の向上を確かめる。そこで結合能の高い分子が見出されたら、NMR実験に情報を提供し、実験的検証を行う。実験的検証のために、TrkAのNGF結合ドメイン(TrkAd5)にジスルフィド結合を導入した安定化変異体を作製する。
下肢の感覚障害を有する高齢者における障害物跨ぎ動作の視覚運動制御

高齢者の転倒状況として「つまずき」がもっとも多く、これを回避するために障害物跨ぎ動作が必要となる。障害物を安全に跨ぐためには、接近中の視覚情報や下肢の固有感覚が重要である。近年、下肢の固有感覚障害を有する高齢者は転倒リスクが高いことが報告されている。よって本研究では、下肢の固有感覚障害を有する高齢者における障害物跨ぎ動作の視覚運動制御について明らかにする。また、身体機能との関連性を分析することで、下肢の固有感覚障害を有する高齢者への転倒予防対策について検討を行う。
食品免疫機能分子による免疫・アレルギー反応誘導・制御の分子機構の解明

1.腸管免疫の特性の分子生物学的解析(1)小腸上皮内リンパ球(IEL)で特異的に発現する遺伝子断片を含むDNAマイクロアレイを用いた解析の結果、脾臓T細胞と比較してIELで高発現する遺伝子を同定した。(2)卵白食摂取により卵白アルブミン(OVA)特異的T細胞抗原レセプタートランスジェニックマウス(TCR-Tg)のIELにおける遺伝子発現の変化を明らかにした。(3)マウス胎児由来小腸上皮細胞の初代培養法を確立し、その抗原提示能を明らかにした。2.経口免疫寛容誘導機構の解析(1)パイエル板を欠損したマウスにおいても経口免疫寛容が誘導されることを示した。(2)経口免疫寛容状態のT細胞において特異的に発現しているタンパク質を二次元電気泳動で分離し、マススペクトル解析を行ったところ、Caspase3のタンパク質発現が上昇していることが示された。(3)経口免疫寛容状態のT細胞に特異的に発現する遺伝子をsubtraction法を用いてクローニングした。3.食品アレルギーモデルの解析と食品免疫機能分子によるアレルギー抑制(1)卵白食の経口摂取によりOVA特異的TCR-Tgの血中に特異IgE抗体が誘導されるだけでなく、小腸絨毛において、好酸球・マスト細胞が浸潤することを見い出し、炎症反応が起きていることが確認された。また、誘導される特異抗体はその立体構造を主に認識することを示した。(2)上記食品アレルギーモデルにおいて、TCRアンタゴニスト活性を持つOVA由来アナログペプチドの投与により、体重減少や特異的IgE抗体産生応答が抑制できることを示した。(3)上記モデルにおいて、腸内細菌叢に影響を与えることが知られるオリゴ糖ラフィノースの摂取により、IgE応答が抑制された。(4)OVA由来ペプチドの抗原量の違いにより抗原未感作T細胞のサイトカイン発現パターンが変化することを示した。1.腸管免疫の特性の分子生物学的解析(1)小腸上皮内リンパ球(IEL)と脾臓CD4陽性T細胞にそれぞれ特異的に発現する遺伝子の候補を多数得た。これを用いることによりDNAマイクロアレイ解析が可能になった。(2)マウス胎児小腸由来の小腸上皮細胞(IEC)の初代培養法を確立した。また、このIECがT細胞に対して抗原提示能をもつことを明らかにした。2.経口免疫寛容の分子機構の解析(1)パイエル板を欠損したマウスにおいても経口免疫寛容が誘導されることが明らかになった。(2)経口免疫寛容状態のT細胞において特異的に発現しているタンパク質を二次元電気泳動で分離し、マススペクトル解析を行った。3.食品アレルギーモデルの解析(1)卵白アルブミン(OVA)の経口摂取によりOVA特異的T細胞抗原レセプタートランスジェニックマウス(TCR-Tg)の小腸絨毛において、好酸球・肥満細胞が浸潤することを見い出し,炎症反応が起きていることが確認された.(2)上記食品アレルギーモデルにおいて、OVAの経口投与により誘導される抗OVA抗体は、OVAの立体構造を主に認識していることを明らかにした。(3)食品アレルゲン由来ペプチドの抗原量の違いによりT細胞におけるTh2型サイトカインの転写因子の発現量が変化し、これによりサイトカイン発現パターンが変化することを明らかにした。4.食品免疫機能分子によるアレルギー抑制上記食品アレルギーモデルにおいて、腸内細菌叢に影響を与えることが知られるオリゴ糖ラフイノースの摂取により、IgE応答が抑制されることが明らかになった。

5.食品免疫機能分子の腸内細菌を介した免疫系の制御上記食品アレルギーモデルにおいて、腸内細菌叢に影響を与えることが知られるオリゴ糖ラフイノースの摂取により、IgE応答が抑制されることが明らかになった。(1)腸管免疫の特性の分子生物学的解析:DNAマイクロアレイ解析の結果、全身免疫系のT細胞に比較して小腸上皮内リンパ球(IEL)で高発現している遺伝子群を同定し、遺伝子発現の特徴からIELを複数の機能的細胞集団に分類することができることを明らかにした。また、卵白食あるいは対照食を摂取させた卵白アルブミン特異的T細胞抗原レセプタートランスジェニックマウス(OVA-TCR-Tg)間では、IELにおける遺伝子発現が大きく異なることを示した。(2)経口免疫寛容の分子機構の解析:経口免疫寛容状態のT細胞に特異的に発現する遺伝子をsubtraction法を用いてクローニングした。Differentialscreening法により擬陽性クローンを排除し、候補クローンについてはその発現特異性を定量的RT-PCR法を用いて確認した。一方で、このT細胞に特異的に発現するタンパク質を2次元電気泳動で分離し、マススペクトル解析を行ったところ、Caspase3のタンパク質発現が上昇していることが示された。(3)アレルギーモデル反応の解析:卵白食を摂取させたOVA-TCR-Tgの腸管における炎症成立過程を組織学的に検討し、卵白食開始後21日目までは、特異的T細胞を中心とする組織傷害が、21日目以降ではマスト細胞と特異抗体を中心とする組織のリモデリングを伴う炎症反応が起きていることを明らかにした。(4)食品免疫機能分子によるアレルギー抑制:アレルゲン(OVA)およびそのアミノ酸置換変異体をコードしたDNAを筋肉注射やカプセル化して経口投与することにより、OVA-TCR-Tgマウスのみならず通常マウスにおいても抗原特異的な免疫応答を誘導できることを示した。(5)食品免疫機能分子の腸内細菌を介した免疫系の制御:無菌OVA-TCR-Tgにおいても卵白食摂取により炎症反応が起こることを見い出した。またパイエル樹状細胞は細菌由来物質に対し脾臓樹状細胞と異なるサイトカイン応答を示すことが確認された。
芸者の「芸」研究を通した芸能理論の再構築

先行研究では、各領域において、昭和後期から平成中期にかけての社会情勢の変化とそれが齎した花街・花柳界の衰退、この衰退を阻止するべく各地の花柳界で行われた新たな若手人材育成の取り組み、芸妓の仕事意識、芸妓による邦舞・邦楽の伝承の現状、花街建築の保存状況等の報告が行われてきた。本研究は、近代的経済志向とは異なる経済志向を持つ社会(花柳界)の行為主体(芸妓)の仕事の変容に焦点を当て、現地調査を進めてきた。芸妓は、行為としての芸と自身をその場に拘束する時間の対価として金銭を受け取り、これを稼業とする。かつて盛況だった頃の花柳界では、芸妓の時間の価値は一律ではなく他の客との競合で倍増するものであり、また、時間は金銭と同じく芸妓に対する贈答物にもなるものだった。客が芸妓の特定の時間を買った上でその時間に芸妓を拘束する権利を放棄し、場所や人に拘束されない時間を芸妓に贈るという「遊び」も存在していた。しかし、現代の経済志向は上記の遊びを許容しない。たとえ花柳界であっても、誰が/何を/何処で/幾らで購入したのか等、あらゆる情報を明白にしなくてはならない。さらに、衰退以降に花柳界を再活性化のため、客が支払う料金制度の見直しが行なわれ、これらは地域毎に一律化した。芸妓が所属する組織によっては働き方が異なるため、芸妓の労働に支払われる対価報酬が固定給であったり、固定給+出来高であったり、完全出来高となっている。このように、地域によって芸妓の働き方が異なるのも現代の花柳界の特徴である。現在活動する芸妓と彼女らの労働をマネジメントする組織は、彼女ら自身と、衰退以前の花柳界を経験した芸妓らと、自身を取り巻く経済世界との間で、金銭・時間を始め、絶えざる「仕事」に対する齟齬を調整することが求められていることが、今年度の調査で明らかとなった。今後、これらの成果は学術誌を通じて報告を行う予定である。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。2017年度、「1990年代-2010年代において花街空間を構成する施設、機関はどのように変化したか」「現代の地方都市を拠点に活動する芸者の労働形態はどのようなものか」に注目して調査を行い、愛媛県松山市の花柳界と、秋田県秋田市・湯沢市の花柳界を中心に現地調査を行った。また、調査の一環として、2017年10月にアメリカのNYで開催された「花あかりオーケストラ」、福井県で開催された「花あかり」への参与観察を行い、(1)花街空間を構成する施設の減少とその要因、(2)芸者の労働形態の多様化、2点の成果が得られた。(1)現在百年以上の歴史を有する料亭は全国に約130軒存在しているが、その多くが戦時下の空襲や塩害、台風、大雪等の影響で建造物をリフォームし、花街建築の特徴を有するものが減少している。さらに上記の戦災や天候の影響だけでなく、建造物の修理の際に使用した木材の質の低下、釘や鉄骨の使用により建造物の耐久年が著しく低下したといわれている。現在、上記の建造物の管理維持が難しくなったこと、後継者不足を理由に閉業するものも増加し、2016年-2017年の間に百年以上の歴史を有する料亭が3軒閉業している。料亭組合が解散し影響力が少ない現在、芸者が営業する「場」は茶屋、料亭のみならず、ホテルや旅館の宴会場が増え、参加人数や会場の面積が大規模と化し、これが芸者の芸にも影響を与えている。(2)芸者の労働形態は、芸者自身の方針は勿論だが、花街の構成要素、所属人数のほか、特に芸者を養成し営業を支援する組織の方針によって大きく変化するといえる。現在営業する全国の芸者を大まかに分けると、置屋(検番)所属の芸者か料亭所属の芸者、会社組織所属の芸者、その他の4つに分類できる。これらの所属組織の運用が生む労働環境の差異については研究報告書としてまとめた。2017年9月に当該テーマを主に社会学の方法論を用いて研究を進めることにしたため、受入研究者の変更を行った。この変更により2017年度は研究状況(特に得られた研究成果の分析、研究成果の報告)に遅行がみられた。しかし、現地調査は継続して行っており、当事者である芸者や芸者の芸を維持するために必要な「花街」を存立させる機関・施設の関係者の聞き取り調査や参与観察を実施しており、これまでに得られた調査成果を調査協力者らと共有し、意見交換を行いながら論文化に努めている。

かつて盛況だった頃の花柳界では、芸妓の時間の価値は一律ではなく他の客との競合で倍増するものであり、また、時間は金銭と同じく芸妓に対する贈答物にもなるものだった。客が芸妓の特定の時間を買った上でその時間に芸妓を拘束する権利を放棄し、場所や人に拘束されない時間を芸妓に贈るという「遊び」も存在していた。しかし、現代の経済志向は上記の遊びを許容しない。たとえ花柳界であっても、誰が/何を/何処で/幾らで購入したのか等、あらゆる情報を明白にしなくてはならない。さらに、衰退以降に花柳界を再活性化のため、客が支払う料金制度の見直しが行なわれ、これらは地域毎に一律化した。芸妓が所属する組織によっては働き方が異なるため、芸妓の労働に支払われる対価報酬が固定給であったり、固定給+出来高であったり、完全出来高となっている。このように、地域によって芸妓の働き方が異なるのも現代の花柳界の特徴である。現在活動する芸妓と彼女らの労働をマネジメントする組織は、彼女ら自身と、衰退以前の花柳界を経験した芸妓らと、自身を取り巻く経済世界との間で、金銭・時間を始め、絶えざる「仕事」に対する齟齬を調整することが求められていることが、今年度の調査で明らかとなった。今後、これらの成果は学術誌を通じて報告を行う予定である。2017年度は、「1990年代-2010年代において花街空間を構成する施設、機関はどのように変化したか」「現代の地方都市を拠点に活動する芸者の労働形態はどのようなものか」に主眼を置き、調査をすすめてきた。2018年度はこの問題関心を継続し、さらに深化させたうえで現地調査をすすめていきたい。また、2018年4月から調査地の一つである松山市の花柳界では、現代の芸者と芸者を支える機関の働き方を変える革新的な労働改革がすすめられている。この労働改革では芸者の労働にかかる情報処理にテクノロジーが積極的に利用されているため、申請者が参加している国立民族学博物館共同研究【若手】「テクノロジー利用を伴う身体技法に関する学際的研究」で得られた知見を交えながら、報告をすすめていきたいと考える。本年度は、研究の最終年度であることを加味して、現地調査と並行しながら、研究開始年から今年度までに得られたデータの整理を行い、研究の総括をすすめていきたい。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
腎細胞癌による破骨細胞誘導因子RANKL発現と骨転移

研究目的:腎細胞癌は高頻度に骨転移を合併する。骨転移巣の形成には破骨細胞の誘導が必須であるため、本研究では腎細胞癌における破骨細胞誘導因子、RANKLとその受容体RANK発現を検討した。結果・意義:定量PCRによって腎細胞癌24例・非腫瘍性腎組織11例におけるRANKL,RANKL mRNA発現を調べた結果、淡明細胞癌では乳頭癌、嫌色素細胞癌および非腫瘍性腎組織に比べ有意にRANKLmRNA発現が亢進していた。淡明細胞癌、乳頭癌では、嫌色素細胞癌、非腫瘍性腎組織に比べRANK mRNAが高発現を示していた。RANKL mRNAが最も高値を示した症例は術後2年目に骨転移が発見された。腎細胞癌68例におけるRANKL蛋白発現を免疫組織学的に検討したところ、淡明細胞癌では乳頭癌、嫌色素細胞癌に比べRANKL蛋白の発現レベルが有意に高かった。また、RANKL発現はpT,pN,pM因子および骨転移と相関していた。経過観察中に骨転移を合併した13症例はすべて淡明細胞癌であった。骨転移巣の癌細胞では高度のRANKL発現が認められ、染色性は骨芽細胞よりも高度であった。癌細胞周囲には骨吸収像が目立ち、TRAP陽性の多数の破骨細胞が出現していた。淡明細胞癌におけるRANKL発現が癌浸潤や骨転移に関与していることが示唆された。近年、RANKLが破骨細胞の活性化に加え、癌細胞の移動能に関与することが報告されており(Jones, etal, Nature 2006, 440, 692-6)、本年度は腎細胞癌由来の細胞株にRANKL遺伝子の導入を行い癌細胞の移動能の変化を調べるとともにRANKL inhibitorであるOPGを加えて抑制効果を検討する。また、今回検討した症例に関して再発・予後との臨床経過との関連を統計学的に解析し、RANKL発現の意義を考察する。研究の目的:平成19年度の研究により高頻度に骨転移を合併する淡明細胞癌では破骨細胞誘導因子であるRANKLが発現しており、RANKL高発現例は高頻度に骨転移を合併することが明らかになった。本年度はRANKLの受容体であるRANK, RANKLのdecoy receptorであるOPG発現についても調べ、RANKL,RANK/OPG systemと予後との関係を解明するとともに、腎細胞癌由来細胞株におけるRANKL/RANK/OPG systemの意義をin vitro, in vivoの実験系にて検討した。結果・意義:RANKL高発現・RANK高発現・OPG低発現を示す腎細胞癌症例はその他の症例と比べ、有意に再発率・骨転移率・死亡率が高いことが分かった(P<0.0001)。そのため、RANKL/RANK/OPG systemは骨転移のみでなく、腎細胞癌の他臓器への転移・再発等の悪性化に関与していると考えられる。腎細胞癌由来の細胞株Caki-1, ACHN cellsはRANKを発現しているがRANKLは発現していない。これらの細胞にRANKL蛋白を添加して培養すると遊走能が亢進し、RANKL蛋白の作用はOPG蛋白を添加することで抑制された。同様にCaki-1cellsにRAKKL cDNAを導入すると遊走能の亢進がみられ、培養系にOPGを添加するとその作用が抑制された。さらにRANKLを導入したCaki-1 cellsをnude mouseに移植するとparental cellsおよびvectorのみを導入したCaki-1 ceUsと比較すると辺縁部での結合性が低下しており、遊走能および浸潤能の亢進が示唆された。この様にRANKL/RANK/OPG systemは骨転移のみではなく、腎細胞癌の遊走・浸潤に関わっていることが示唆されたため、RANKLを特異的に抑制することが腎細胞癌の効果的な新規治療法の開発につながる可能性があることが分かった。
情動的環境要因の受容がもたらす感性脳機能的作用とそのメカニズムの解明

環境からの感覚刺激の受容がストレス応答に与える効果を、モデル動物及びヒトを対象に研究した。動物実験では拘束ストレス下でのストレス応答ニューロンの興奮が、雑音(ホワイトノイズ)の提示で減弱した。ヒト実験では、不動姿勢(拘束)で自律神経活動指標の心拍数が明環境で増えたが、聴覚刺激の提示は影響しなかった。下肢運動リハビリ訓練のシミュレーション実験に関するfMRI解析では、訓練と同時に心地よい聴覚刺激(小鳥のさえずり)を提示すると運動関連皮質に加えて情動関連部位も賦活した。動物とヒトに関する結果の相関性はまだ明確ではないが、モデル動物実験パラダイムがヒト対象研究にも活用可能なことが示された。研究計画について研究倫理委員会及び実験動物委員会の承認を得た。ヒト対象の環境刺激の影響の研究では異種感覚刺激の個別統制のため刺激提示・計測端末を被験者頭部に装着する必要があるため、各感覚刺激刺を個別制御できる防音室を導入し、まず視覚と聴覚について、クロスモーダル感覚刺激環境を統制可能な実験環境を整備した。軽度の拘束状態である不動起立姿勢保持時のストレス反応に対する聴覚受容効果について自律神経活動と前頭部酸素化ヘモグロビン量の相対的濃度変化を記録し、現在データを解析している。感性工学的もの造りと環境設計の研究では、リハビリテーション訓練現場を念頭に運動学習効果に及ぼす感性の働きを調べる実験の手続きを検討した。「足首の屈伸運動出力と視覚入力による結果のワィードバック」を課題に、被験者の距腿関節角度変化量を測る装置を試作、MRI装置内のモニタ上に提示するタスクツール画面のプロトモデル作成、さらにタスク内容や画面構成を検討した。また、椅子の形状簡略化の感性評価実験条件を整えた。動物実験では、マカクザルを対象にリラックス度、注意関心度に関する生理指標の計測の準備をした。防音実験ブースの製作、注視タスク機器の設置、視覚刺激制御ソフトウェア開発を行った。注意関心度の指標に単純な注視タスクパフォーマンスの定量化手法を考案し、基礎データとしてホワイトノイズを聞きながらタスクを行う実験を十数回行い、結果を解析している。環境がこころ(感情、注意、関心、社会性)に与える影響の神経生物学的解析のため、新規動物モデル実験としてコモンマーモセット(8ヶ月齢、♀3匹)の飼育施設構築後、動物を導入して飼育馴化を行なっている。馴化に伴うストレス状態変化の指標として尿中ストレスマーカーマーカーの推移、測定値の変動等の基礎データ収集のために、継時的に各個体から採尿している。本年度は、感性工学的もの造りと環境設計に関して、リハビリテーション訓練指導への応用を念頭に、健常者を対象とする運動タスク課題遂行中の脳活動をfMRI画像解析するための機材一式の本格的製作に取り組んだ。対象者の左右の距腿関節の随意運動により、MRI装置内に設置したモニタを見ながら、2次元的にカーソル移動を制御できる(左関節は上下移動、右関節は左右移動)装置を製作した。また、この実験に用いる運動タスク課題を検討し、難易度の異なる3種類のタスクを選定した。これらを用いて運動課題遂行時の脳活動部位の特定と運動学習効果による活動部位の変化を観察するための実験的な基盤を確立した。モデル動物実験では、実験室環境にコモンマーモセットを馴化させ、タッチパネルモニタに視覚弁別刺激を提示、その応答に対して作動する報酬装置を含めた、視覚弁別課題用実験装置を開発した。また、ストレスマーカーとしての尿中コルチゾル量を測定するための最適ELISA法の検討を開始した。さらに、マカクザルを対象にリラックス度や注意関心度の生理指標として眼球運動課題の達成度と眼球運動の動的特性に注目し、2頭のサルからデータを収集した。異種感覚統合実験に先立ち、聴覚刺激について現在、ホワイトノイズ聴取下での課題達成度および動的特性の実験室内・実験室間・個体間での変動を解析し、動的特性の変化様式において個体の違いに依存しない一定の傾向を見出している。この結果は、生理指標の解釈で問題となる個人差(個体差)の解決の糸口になる可能性がある。ヒト被験者に対する研究では、直立したままで移動できない状況で受けるストレスに対する応答について、頭部皮膚温のサーモグラフィ計測、皮膚コンダクタンス計測、心拍数、NIRS計測を行い、環境音の聴取と環境光の明るさの違いの影響を現在解析中である。ヒト対象のクロスモーダル感覚刺激実験パラダイム設計では、被験者(12名)を対象にストレス負荷下で聴覚・視覚刺激を提示し、脳と自律神経の活動を調べた。防音室内でストレス群(不動起立姿勢保持)と対照群(着座・安楽姿勢)に、聴覚刺激(ホワイトノイズ・川のせせらぎ等)を提示した結果、不動姿勢による心拍数増加に聴覚刺激が影響しないこと、前頭葉活動は両群で明瞭な差異がないことが示された。

動物モデル実験に対応したこのヒト対象実験パラダイムによる聴覚と視覚(照明の有無)のクロスモーダル実験では、不動姿勢による心拍数増加は暗黒よりも照明下で顕著だが、これに聴覚刺激は影響しないことが示された。感性工学的もの作りと環境設計については、MRI室内での足首運動タスクのツール画面表示・周辺機材の対磁場性問題が解決され、足運動時の脳活動解析が実行可能な状況がほぼ確立できた。モデル動物による環境の感性効果の解析では、眼球運動課題を訓練したマカクザルでリラックス度・注意関心度について注視課題パフォーマンス、反応時間、運動の最大速度の間の関係を調べ、これらの指標に対する背景音(ホワイトノイズ、滝の音)の効果を解析した。注視課題パフォーマンスは独立して変化し、他の指標は互いに相関することが判った。ホワイトノイズから滝の音へ背景音が変わると注視課題パフォーマンスは一定で、反応時間が増加、最大速度が低下する傾向があった。背景音の違いが反応時間・最大速度に影響することからリラックス度と環境音との関連が示唆された。マーモセット研究では、感情・社会性の神経生物学的解析に向け、視覚弁別課題作成のために動物の嗜好性を調べ、報酬候補を決定した。また、ストレス応答の指標として尿中コルチゾールの測定法を決定した。ラット研究では、特定周波数の音刺激が副腎皮質機能を制御する視床下部神経細胞のストレス応答活動を減弱させることが判った。<ヒト対象実験>下肢の運動機能回復訓練タスク遂行時に、fMRI計測と同時に聴覚刺激提示が可能な実験装置とタスクパラダイムを作成した。また、運動パフォーマンス解析システムを構築して、タスク画面のターゲットとカーソルの動きの動画記録をもとにタスク上達度の解析を試みた。健常者2名を対象にタスク上達度と脳血流動態を調べた。タスクパラダイムとして、運動課題2分と休憩1分のセットの4反復遂行を1回として、これを2回実施し、合計8回の課題を実施した。8回目で前の各回より優位な活動亢進が前運動野、補足運動野、前頭前野背外側部、小脳隆起、尾状核、帯状皮質で認められた。これらの脳部位は、運動学習、注意、意思決定に関わる領域であり、本実験パラダイムで運動学習の初期の脳活動変化が捉えられると判断した。また、試行回数の増加に伴うターゲット-カーソル間平均距離の短縮化が認められ、運動の上達度も捉えられた。さらに、同一実験環境下で心地よい刺激(聴覚刺激として小鳥のさえずり)を提示した健常者1名について録画とfMRI計測を実施し、現在データ解析を進めている。<モデル動物実験>コモンマーモセット成体(雌4頭、雄1頭)の各個体について、ストレス応答の指標となる尿中コルチゾール濃度をELISA法で測定し、飼育環境とストレス応答の変化に関するデータを収集、解析した。前年度に構築したシステムに改良を加えながら、視覚弁別課題のトレーニングを動物に行い、モニタに提示された視覚刺激に手を触れると、報酬としてジュースを獲得できることを学習させた。
リーマン多様体上のデルタ型磁場を持つシュレディンガー作用素の解析

アハラノフ・ボーム効果は古典電磁気学において便宜的に導入されたベクトル・ポテンシャルが量子力学的散乱振幅に観測可能な量子効果として現れる現象である。本研究課題ではアハラノフ・ボーム型磁場(δ磁場)がリーマン多様体上のシュレディンガー作用素のスペクトルにどのような影響を及ぼすかについての研究を行った。双曲平面の場合には周期格子上に配置されたアハラノフ・ボーム型磁場を考え、定数磁場中でランダウ準位が存在するための十分条件(磁束密度に対する閾値)を与えた。ユークリッド平面上の2点に磁束がある場合には、磁束の量子化条件の下でMathieu関数を用いて固有関数の厳密な表示を与えた。本年度の主要な結果は以下の通りである。(1)3次元空間内の太さ0のリング内に閉じ込められた磁束πのアハラノフ・ボーム型磁場を持つシュレディンガー作用素に対し、扁球座標および回転楕円体波動関数を用いて一般固有関数を具体的に構成し、数式処理ソフトを用いて数値計算を行った。「磁束π」という条件はこの手法で方程式を解くために必要な数学的条件であるが、アハラノフ・ボーム効果を実証した外村彰らの実験で用いられた超伝導体トーラス中の磁束も(磁束の量子化により)πであり、その意味では極めて重要な場合の解が得られたと言える。さらに、一般の直交曲線座標を被覆写像とみなした場合に被覆変換群の表現に付随するラプラシアンはアハラノフ・ボーム型シュレディンガー作用素の一般化とみなされるが、二・三次元の場合にその分類についての研究を行った。(2)ランダム・シュレディンガー作用素の固有関数のフーリエ空間上での挙動についての数値計算を行った。離散型2次元アンダーソン・モデルを有限な範囲で打ち切って行列計算を行い、ランダム性が強い場合には配位空間では局在が起こるがフーリエ空間では固有関数が広がりを持つこと(これはアンダーソン局在と不確定性原理から期待される事実)、およびランダム性が弱い場合にフーリエ空間において固有関数のある種の局在が観察されるが配位空間では広がりを持つことを確かめた。ランダム系における高エネルギー領域での散乱状態の存在(Mobility edgeの問題)は未解決の難問であり、ここで観察された弱ランダム領域におけるフーリエ空間での局在は、問題解決への糸口となることが期待される。また、ランダム・シュレディンガー作用素をフーリエ空間で考える際にはポテンシャル項の(緩増加超関数としての)フーリエ変換との合成積が現れるが、ランダム・ポテンシャルのフーリエ変換の滑らかさについての研究も併せて行った。平成25年度は主としてユークリッド平面上の2点に磁束の値が量子化されたアハラノフ・ボーム型磁場(δ磁場)を持つシュレディンガー作用素の散乱振幅、およびそれに関連するスペクトル・シフト関数の計算を行った。従来の方法は2点が十分に離れているという仮定の下で各点の周りでの極座標を用いてグリーン関数・散乱行列の主要部のみを取りだすものであったのに対し、この研究では2点を焦点とする楕円座標を用いることにより任意のエネルギーの散乱行列に対する厳密な表示を得たところが大きな進歩であった。さらに従来の方法は高エネルギーにしか使えないのに対し、今回得られた表示は特に低エネルギーの時に極めて速く収束するため、数値計算を援用することにより詳しい計算が可能になった。研究期間全体を通じた成果は次の通りである。(1)「双曲平面上のアハラノフ・ボーム磁場に対するランダウ準位の存在・非存在の判定」(平成23年度)(2)「2次元周期的シュレディンガー作用素のスペクトル・ギャップの上界に対する評価」(平成23年度)(3)「2次元楕円領域上の2焦点に量子化されたアハラノフ・ボーム型磁場を持つシュレディンガー作用素に対する変数分離型固有関数の完全性」(平成24年度)(4)「2次元平面上の量子化されたアハラノフ・ボーム型磁場に対する散乱振幅の計算」(平成25年度)上記(1)(2)は既知の結果の拡張・精密化であるのに対し、(3)(4)は旧来の方法と根本的に異なる手法による新しいアプローチであり、今後のさらなる拡張・発展が期待される。特に、「3次元ユークリッド空間内のリング内に閉じ込められたアハラノフ・ボーム型磁場に対する散乱振幅の計算」の問題は外村彰らの実験と極めて状況が類似しており、厳密解の表示・数値計算のいずれの面からも興味深い。今後も継続して研究を進める予定である。本年度の主結果は次の4つにまとめられる。(1)双曲平面における定数磁場とアハラノフ・ボーム磁場を併せ持つ系におけるランダウ準位の存在条件を決定した。さらにその系として、ユークリッド平面におけるアハラノフ・キャッシャー型定理の双曲平面の場合での一般化を与えた。

これは、超対称性理論における対称性の破れを表す零状態に関する具体的な存在条件を与えるものである。(2)ユークリッド平面において2点にアハラノフ・ボーム型磁場を持つシュレディンガー作用素が楕円座標で表される厳密解を持つための条件を調べ、さらにその応用として2次元ユニタリゲージを持つシュレディンガー型作用素を定義し、その厳密解を与えた。この系は、外村彰らによる実験で用いられたトーラス内に閉じ込められた磁場を平面で切断することで得られるが、得られた厳密解を実験と比較することで実験データのより精密な検証を行うことを目的とする。(3)2次元ユークリッド平面における周期的ポテンシャルを持つシュレディンガー作用素のスペクトルに関するベーテ・ゾンマーフェルト予想(スペクトル・ギャップが有限個になるという予想)に関して、従来得られていた結果の精密化・および証明の簡略化を行った。これは固体物理で基礎となるスペクトルのバンド構造に関してより精密な情報を与えるものであり、理論上も応用上も極めて重要な結果と言える。(4)2次元ユークリッド平面におけるポワソン点過程に従って分布するランダムなポテンシャルを持つシュレディンガー作用素のスペクトルに関する未解決問題に対して、その完全な解決を与えた。このモデルはランダム・シュレディンガー作用素の理論における基本モデルの一つであり、そのスペクトルに関しても予想は既にあったのだが、今までに技術的な理由で証明が欠けていた部分を全く別の手法で解決した画期的な結果である。3次元ユークリッド空間中のリング内の磁場に対するシュレディンガー作用素の一般固有関数が具体的の構成できるという事実は、昨年度に得た2次元の場合の結果から自然に期待されるものであり、期待通りの成果が得られたと言える。ランダム系に対する結果は現在のところ数値的な結果ではあるが、今後の数学的研究の方向を示唆する興味深いものでもある。当初の予定であった双曲平面上のシュレディンガー作用素の解析については順調に成果を上げることが出来た。さらに、研究の過程でユークリッド平面上の2点にアハラノフ・ボーム型磁場を持つシュレディンガー作用素、ユークリッド平面上の周期ポテンシャルやポワソン型ランダムポテンシャルを持つシュレディンガー作用素に関する重要な結果が得られ、予想以上の成果を上げることが出来た。次年度の研究計画は以下の通りである。(1)昨年度研究した2次元ユークリッド平面内の2点にアハラノフ・ボーム型磁場を持つモデル、および本年度に研究した3次元ユークリッド空間内のリングに磁場を持つモデルそれぞれについて、固有関数の漸近解析を行い、散乱理論を構築する。楕円座標、長球・扁球座標に対するラプラシアンの固有関数展開は多母数スペクトル解析(Multi-parameter spectral analysis)に属する問題であるが、作用素が連続スペクトルを持つ場合には現在のところ十分に整備されているとは言えない状況である。池部らによる一般固有関数展開の理論、およびMcLachlan, Meixner-Schafkeらの特殊函数の理論を詳細に研究し、この系における一般固有関数展開を導き、その応用として散乱振幅の具体的表示を計算する。可能であればより一般的な多母数スペクトル問題について一般固有関数展開定理を導きたい。(2)ランダム・シュレディンガー作用素のフーリエ空間での挙動についての研究をさらに進展させる。
てんかん脳の異常ネットワーク形成により発現する細胞膜蛋白を標的とする新規治療

我々の開発した生後7週前後にてんかんを発症してくる皮質異形成ラットを用いて,神経免疫,特にグリア細胞のてんかん発症への関連を,免疫染色,PCR法を用いて検討した.結果,発症前の生後4週の皮質,海馬においてアストロサイトやミクログリアの足突起を首座とした炎症が生じていると推定できた.このことから,発症前にIL-1やTLR4に関連した炎症の抑制をターゲットとした治療を行うことで,てんかん発症を防ぐことができる可能性が示唆された.また,てんかん患者の聴覚誘発磁界の計測により機能的ネットワークの変化を抽出できた.聴覚誘発脳磁界計測は重症度を推定するバイオマーカーになりうると考えられた.従来我々が行ってきた方法により胎生18日に子宮壁外から液体窒素で冷却したプローベを子宮壁越しに胎児両側半球に圧接して両側大脳半球に冷却損傷を与えることにより,出生後7週前後から自発海馬てんかんを発症してくる皮質異形成モデルラットを作製した.自発発作にグリア細胞がどのようにかかわっているかを検討するために,出生4週と10週のモデルラットにGFAP, Iba-I, AQP4の染色を行った.その結果GFAP, Iba-Iは10週目でも亢進がみられなかったのに対し,AQP-4で発現亢進を認めた.我々のこれまでの研究では,Cx43の染色が4週,10週とも亢進しており,今回の結果と合わせて考察すると,GFAPで有意な差がないのでアストロサイト自体は増加しておらず,一方GFAPで染まりにくい足突起が増加して,その結果として足突起に多く存在するCx43やAQP4の染色が亢進しているのではないかと考えられた.また,Iba-Iの亢進がみられない点から,ミクログリアが活性化するほどの細胞障害は生じていないと考えられた.Cxの亢進がどのように影響しているかを検証するためにコンディショナルノックアウトの手法を用いて,アストロサイトのCx43を脱落させるモデルを作成を試み,アストログリア特異的にCx43をノックアウトするGLAST-CreERKI/+;Cx43flox/floxマウス(Cx43コンディショナルKOマウス)を樹立した.このマウスにタモキシフェンを投与し,大脳,海馬,小脳でCx43の発現を免疫染色で確認したところ目的どうりにCx43がノックアウトされていることを確認した.てんかん患者において,皮質海馬の異常なネットワークが形成されていると仮定して,音刺激により誘発された脳磁界が側頭葉患者と健常対象でどのように異なるか,データを集積している.自発発作を生じるラット凍結病変モデルを対象としてグリア関連機能がてんかん発症にどのように関与しているかを引き続き検証している.てんかん患者の臨床データ,脳磁図データの集積を行っている.我々が開発した胎生期冷却刺激により作成した自発てんかんを生じる皮質異形成ラットの解析を更に進めた.このラットでは生後7週目前後から自発てんかんを生じることが,これまでの我々の研究で観察されている.そこで,今年度の研究として,生後10週目の皮質異形成ラットにおいて,炎症関連物質およびアストロサイトがてんかん原生の形成に関与しているかを検討した.皮質異形成ラット4匹とコントロールラット4匹を対象にして,NMDAR1,NMDAR2A,NMDAR2B,GAD,AQP4,IL1β,Cx36,TLR4の免疫染色を行い,各ラットの海馬および皮質より25ヵ所ずつ測定範囲を設定してImageJにて半定量を行った.その結果,皮質異形成ラットの海馬にてNMDAR1,NMDAR2A,NMDAR2B,GAD,AQP4,IL1βにて優位な増加を認めたがCx36,TLR4に有意差は認めなかった.皮質異形成ラットの皮質においてはNMDAR1, NMDAR2B,GAD,AQP4,IL1β,Cx36にて優位な増加を認めたがNMDAR2A,TLR4に有意差は認めなかった.これらの結果から,皮質異形成ラットではグルタミン受容体を介した興奮性が亢進している事,海馬CA1の介在GABA神経に存在して記憶に関連した機能を持つと推定されているCx36が皮質異型性ラットで亢進している事が示唆され,その背景として皮質異形成の存在が皮質・海馬伴にIL1βを介した炎症を引き起こしている可能性,アストロサイトの突起終末でK+と水の均衡を担っているAQP4が興奮性の亢進に関与している可能性が示唆された.マウスの脳波計測方法も確立し,Pten geneノックアウトによってmTORが亢進したマウスにおける海馬のてんかん性活動を証明した.モデル動物を作成するのが技術的に困難な面があり、実験結果の確認に時間を要している。昨年度に引き続き,胎生期冷却刺激により作成した皮質異形成を有するラットを解析した.このラットでは生後7週前後から自発てんかんを生じてくる.昨年度は自発てんかんを生じているであろうと推定される生後10週目の皮質異形成ラットにおいて,海馬および皮質組織に免疫染色を施しコントロールラットと比較した.その結果,海馬・皮質両者において興奮性受容体であるNMDA受容体の増加に加え,IL-1,AQP4の増加を認めたが,TLR4の有意な増加は認めなかった.これらの結果から,自発発作を生じている状態では,皮質異形成の存在が皮質・海馬伴にIL1βを介した炎症を引き起こしている可能性が示唆された.

今年度は自発発作を生じる前段階の皮質異形成ラットを対象として,自発発作を生じさせるに至るメカニズムに炎症が関連しているか検証した.生後4週の皮質異形成ラット5匹の脳組織を対象に,ミクログリア,アストロサイト,コネキシン,IL1.TLR4の発現をリアルタイムPCR法を用いて定量化し,Sham刺激ラット5匹と比較した.その結果,皮質異形成ラットの海馬および皮質において, TLR4,ケモカインフラクタルカインの受容体で脳内ではミクログリアに特異的に発現するCx3cr1,活性化アストロサイトのマーカーであるVimentin,アストロサイト間・アストロサイト/オリゴデンデログリア間・アストロサイト/脳血液関門間の接着および情報伝達に役割を果たすCx43に著明な上昇を認めた.GFAPおよびIL-1は海馬においては上昇を認めたが,皮質においては有意な上昇を認めなかった.これらの結果から,てんかん発症前の皮質,海馬の両者において,まずTLR4を介した炎症がミクログリア,アストロサイトを活性化させ,コネキシンの発現を増加させる状態が生じ,海馬においてはIL-1を介した炎症も生じていると推定された.我々の開発した生後7週前後にてんかんを発症してくる皮質異形成ラットを用いて,神経免疫,特にグリア細胞のてんかん発症への関連を,免疫染色,PCR法を用いて検討した.結果,発症前の生後4週の皮質,海馬においてアストロサイトやミクログリアの足突起を首座とした炎症が生じていると推定できた.このことから,発症前にIL-1やTLR4に関連した炎症の抑制をターゲットとした治療を行うことで,てんかん発症を防ぐことができる可能性が示唆された.また,てんかん患者の聴覚誘発磁界の計測により機能的ネットワークの変化を抽出できた.聴覚誘発脳磁界計測は重症度を推定するバイオマーカーになりうると考えられた.引き続き,自発発作を生じるラット凍結病変モデルを対象としてグリア関連機能がてんかん発症にどのように関与しているかを免疫染色を用いた手法で引き続き検証する.グリアネットワークを介してシンシチウムを形成しているグリアネットワークがてんかん発症にどのように関与しているかを調べるために,今回樹立したコネキシン43ノックアウトマウスを用いて検証を行っていく.また,マウスでも長時間ビデオ脳波モニタリングができるようにシステムを作成している.これに加え,実際のてんかん患者の臨床データ,画像データ,脳磁図計測データを蓄積している.動物実験と並行して実際のてんかん患者脳磁図検査によるネットワーク解析を行う。神経内科学皮質異形成モデルの安永した作製には技術を要するため,当初予想していたより時間がかかり,モデルの数が少なく,免疫染色に要する抗体の量が少なかったため,次年度に配分した.また,患者情報の蓄積には当初の予定より時間がかかるため,次年度以降への予算を配分した.当初計上していた旅費に若干の余剰金が出たため。皮質異形成モデルを安定して作成し,今年度測定できなかった抗体を用いて免疫染色を行っていく.てんかん患者の臨床データ,画像データ,脳磁図データに加え,患者から摘出したてんかん原性部位の組織の蓄積を今後も続けていく.H29年度は研究成果発表のため出張が増えるのでそこで償却する予定。
超高速全光スイッチの低エネルギー動作化と全光信号処理デバイスへの展開

InGaAs/AlAsSb系の超薄膜量子井戸のサブバンド間遷移を用いた超高速光ゲートスイッチの低エネルギー動作化を目指して、デバイス設計に必要な基礎物性パラメータの評価、高品質結晶の作成技術の研究開発を行い、160Gb/s領域で、2pJの低エネルギーで動作する全光変調位相変調効果を用いたサブバンド間遷移素子の基盤技術を確立した。また、周期構造を集積化することで位相変調効率を上げる構造を提案設計して、その製作技術を確立した。InGaAs/AlAs/AlAsSb結合量子井戸を用いたサブバンド間遷移の吸収飽和を利用した超高速全光スイッチについて、低エネルギー動作化に重要な量子井戸の歪補償技術、ならびに動作エネルギーに直接的に影響する電子の位相緩和時間の制御について研究を進めた。この量子井戸では、井戸層であるInGaAs層とバリヤ層のAlAsSb層との間に数原子層のAlAs層を挟んで相互拡散を抑制してシャープな界面の量子井戸を実現している。しかし、AlAs層に起因する歪を補償するために井戸層のIn組成を大きくしており、これに起因する2光子吸収の増大が素子特性を劣化させていた。In組成を低減させ、同時に歪補償を行う構造として、AlAsSb層のSb組成をずらす新しい歪補償構造を検討した。その結果、多層の量子井戸構造で良好なX線回折パターンを得た。今後2光子吸収の評価と素子のスイッチングエネルギーの評価を進める。素子のスイッチングエネルギーは電子の位相緩和時間の逆数に比例する。また、位相緩和時間は素子の帯域に密接に関係している。この位相緩和時間の制御の第一歩として、短パルス励起による非縮退4光波混合の手法を用いて、位相緩和時間の評価を行った。その結果180fsの緩和時間を得た。この評価では、フォトンエコーはみられず、吸収スペクトルに不均一広がりがあるものの、井戸内での電子の移動に起因すると思われる均一広がり的な振る舞いを示すことが判った。位相緩和時間から見積もられる帯域は14nmである。一方、これより大きな20nmの制御パルスと信号パルスの離調で短パルスでのスイッチング特性を評価し、応答が確認された。不均一広がりの影響でより広い帯域で応答が得られたものと考えられる。今後ドーピング濃度と位相緩和時間の関係を評価して、帯域と低エネルギー動作化を両立させる最適設計を目指す。InGaAs/AlAs/AlAsSb結合量子井戸を用いたサブバンド間遷移スイッチについて、低エネルギー動作化のために、2光子吸収の低減の可能性、4元クラッド層に光閉じ込めの強化、一層の低エネルギー動作化のための、周期構造と組み合わせた素子構造の検討を行った。夫々の研究項目の結果は以下の通りである。1)2光子吸収量子井戸層の組成が2光子吸収に与える影響を、実験的に検討を行った。その結果、2光子吸収はバンドギャップが2光子のエネルギーよりも小さくなっている場合、井戸の組成が直接的には影響しないことが明らかとなった。低エネルギー動作化には、短素子長化して、同時にドーピング濃度を上げて吸収係数を高くする手法が最も有効であることを確認した。2)4元クラッド層の検討クラッド層の屈折率を下げ、光閉じ込めを強化するため、従来のInAlAs/InPの上下のクラッド層に替えて4元のAlGaAsSbの上下クラッド層を検討した。導波路の非線形を表すFigure of Meritが約1.5倍にできることを解析で示し、4元クラッド層の成長条件を詰めて、素子構造を製作した。次年度から素子特性の評価を行う。3)周期構造との組み合わせDFBレーザ的な周期構造で軸方向に光閉じ込め強度の強い部分を作り、低エネルギー動作化する方法について、基礎的な解析をおこなった。別途見つかっている、InGaAs系サブバンド間遷移スイッチの全光位相変調効果と組み合わせることで、低エネルギー動作素子に繋がる可能性を示した。また、周期構造の製作についても基礎的プロセスの開発を行った。これまでに,InGaAs/AlAs/AlAsSb量子井戸におけるサブバンド間遷移で,TM偏光の励起光によるTE偏光の信号光に対する位相変調効果を用いることで低エネルギー動作化が図れることを示している。19年度は,位相変調効果を利用した超高速全光スイッチの一層の低エネルギー動作化を目指して,以下の研究開発を行った。(1)物性パラメータの評価高効率の位相変調を与える量子井戸設計のために,より正確な量子井戸の物性パラメータが必要である。このため,超薄膜量子井戸に対して,フォトリフレクタンス法による量子準位の同定と,これを用いた伝導体のバンドオフセット,バンドの非放物性を含む有効質量の同定を行った。これにより,より厳密な量子井戸の設計と製作が可能になった。また,前年度から引き続いて,多元混晶の屈折率評価を行った。これにより,低エネルギー動作化に必要な光閉じ込めを強化する導波路の設計・製作が可能になった。(2)周期構造素子の検討

周期構造を用いて,空間的に光を閉じ込めることで,光強度を上げて,低エネルギー動作化に繋げることを目指して,周期構造製作技術の開発を行った。電子ビーム露光とドライエッチング技術を用いて,メサ型導波路の両側面に深い周期構造を作製して,155μm帯のTM偏光の励起光に対して,ストップバンドを持つ導波路構造を作製することに成功した。最終年度である20年度には,これらの検討結果を反映した素子で,低エネルギー動作化の効果を確認する。InGaAs/AlAsSb系量子井戸を用いたサブバンド間遷移素子における全光位相変調効果を用いた超高速全光信号処理デバイスを目指して、超薄膜結合量子井戸構造の結晶品質の改良評価、量子井戸設計のための物性パラメータの評価を行った。さらに、これらの結果を用いて高位相変調効果の量子井戸構造の設計と試作、さらに周期構造による反射の効果を用いた高光位相変調効果のデバイス構造の試作を行った。結晶の品質の改良評価では、これまでに開発した歪補償量子井戸構造の歪補償効果を逆格子マッピングによる評価で確認した。また、物性パラメータ評価では、前年度に引き続きフォトリフレクタンス法によるバンドバンドオフセット、有効質量の評価ならびに量子井戸材料の屈折率評価を行った。これらの評価結果を用いて、結合量井戸構造の結合度を最適化した素子を設計試作して、0.5rad/pJの全光位相変調効率を得た。また、デバイス構造からの位相変調効率の増大を目指して、メサ構造の導波路に周期構造を切り込む素子構造を開発し、周期構造がTEモードの偏光に対して、ストップバンドを有することを確認した。素子の片端面近傍にこの周期構造を配置することで、TEモードに対するミラーとして使用することが出来、反射型の素子とすることで、全光位相変調効率を2倍に上げることができる可能性を示した。これらの結果により、ピコ秒領域で動作する超高速光信号処理デバイスとして、サブバンド間遷移素子基盤が確立した。
板成形と鍛造加工を併用した新しい増肉成形法の開発とその最適化

近年、省エネルギー、省資源の観点から自動車等の機械部品に対する軽量化の要求が厳しくなってきている。部品の軽量性と強度を同時に確保するためには、強度が必要な部分にのみ肉厚を大きくし、その他の部分では可能な限り薄く部品を設計・加工することが必要となる。このような部分的に肉厚の異なる部品を塑性加工により一体成形することが可能ならば、コスト、生産性、材料歩留まりならびに材料強度の面から、極めて有用である。本研究では、深絞りと鍛造の両方を組み合わせて形状を作り出していく逐次板鍛造加工に着目し、板材の肉厚を制御すること、特にその工程の最適化手法を開発することを目的として、まずその初期段階のための基礎的研究として、板鍛造加工実験ならびに剛塑性有限要素解析プログラムを用いたシミュレーションを行い、このような増肉加工の可能性について検討した。さらに、加工条件の増肉に対する影響について調査した。厚さの均一な板材から、深絞りと逐次鍛造による多段加工で増肉することを試みた。剛塑性有限要素解析プログラム用いたシミュレーションと、実際の増肉実験を行い、以下の結果を得た。1.深絞りと鍛造を組み合わせた加工で材料を半径方向内側に移動させることにより、増肉成形できることが確認できた。2.シミュレーションの結果と実験の結果を比較し、よい一致が確認できた。3.本研究の増肉成形の初期段階において鍛造上型の開口部径duの値が小さいほうが、材料が外側に流動しやすく、その後の工程において材料を内側に移動させることが困難になることがわかった。また、開口部傾斜角θの値に関しては大きいほど外側に材料が流動しやすいことがわかった。1)材料の最も内側の部分に工具による拘束をもたせることにより、その部分の板厚を厚くさせることが可能だとわかった。板の深絞り加工と逐次鍛造加工を組み合わせることにより、低い成形荷重で板材の肉厚分布を制御することを目的として、本年度は深絞り方向と同一方向にボス部を成形する加工の実験および剛塑性有限要素解析を行った。半深絞り加工により直径を縮小させた材料を傾斜開口部付ダイスで逐次鍛造を行った。その際、開口部直径、開口部傾斜角度、ダイ肩Rを変化させ、各工程後の板厚分布を測定し、材料がどの程度内側に移動したかを評価した。評価の基準として材料の半径方向位置を体積積分した「形状パラメータ」を用い、この値がどれだけ小さくなったかによって評価した。実験および解析により、以下の結果を得た。(1)本加工法を用いて板厚分布を低加工荷重で変化させられることが分かった。(2)解析の結果は、板厚分布、荷重ともに実験結果とよく一致し、精度は高いことが分かった。(3)逐次鍛造工程初期においては、ダイ開口部径が小さいと材料が外側に流れやすく、その後の工程において材料を内側に寄せることか困難になる。(4)開口部傾斜角が大きすぎると工程途中で材料にしわが発生し、成形が不安定になる。(5)ダイ肩Rの板厚分布に対する影響は小さい。

本研究では、深絞りと鍛造の両方を組み合わせて形状を作り出していく逐次板鍛造加工に着目し、板材の肉厚を制御すること、特にその工程の最適化手法を開発することを目的として、まずその初期段階のための基礎的研究として、板鍛造加工実験ならびに剛塑性有限要素解析プログラムを用いたシミュレーションを行い、このような増肉加工の可能性について検討した。さらに、加工条件の増肉に対する影響について調査した。厚さの均一な板材から、深絞りと逐次鍛造による多段加工で増肉することを試みた。剛塑性有限要素解析プログラム用いたシミュレーションと、実際の増肉実験を行い、以下の結果を得た。1.深絞りと鍛造を組み合わせた加工で材料を半径方向内側に移動させることにより、増肉成形できることが確認できた。2.シミュレーションの結果と実験の結果を比較し、よい一致が確認できた。3.本研究の増肉成形の初期段階において鍛造上型の開口部径duの値が小さいほうが、材料が外側に流動しやすく、その後の工程において材料を内側に移動させることが困難になることがわかった。また、開口部傾斜角θの値に関しては大きいほど外側に材料が流動しやすいことがわかった。1)材料の最も内側の部分に工具による拘束をもたせることにより、その部分の板厚を厚くさせることが可能だとわかった。