hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
海水作用を受けるコンクリートの局所劣化機構の解明

本研究は海水作用を受けるコンクリートの局所劣化(海水劣化)のメカニズムを解明するとともに,その劣化対策および周辺技術を開発することを目的としている。平成30年度には,以下の3点について検討するとともに,研究成果を取りまとめた。[1]新しく公開された熱力学データベース(cemdata18)を用いて,熱力学相平衡計算で海水劣化の条件について検討した。その結果,H29年度に実施した計算結果と異なる相も析出したが,基本的にはH29年度と類似した傾向が確認された。[2]長期間実海洋環境に暴露されたコンクリート内部の元素分布(海水からのイオン浸透及びコンクリートからのカルシウム溶脱)からCSHの減少量を解析し、ビッカース深さと比較した。CSH量の減少範囲はビッカース深さより若干浅い結果となったが、ある程度の予測が可能であることが示された。[3]実海洋環境に暴露されたコンクリート試験体の表層付近における劣化状況を,長期間にわたり経時的に確認を行い,これまでの検討結果と整合していることを確認した。平成28年度には,以下の3点について検討した。[1]海水劣化の発生条件を明確にするため,既往の調査結果を再整理した。整理の結果では,コンクリートの海水劣化は材料等に依存せず,同じコンクリートであっても劣化の発生の有無にばらつきがあった。また,海水劣化したコンクリートを分析した結果,微細なひび割れが多く発生し,その中をエトリンガイトやブルーサイトが充填している状況が確認できた。マクロな海水劣化の予測モデルとして,Mgの浸透深さを指標としたモデルを提案した。[2]セメント硬化体の体積変化について,海水の乾湿条件等をパラメータとして,長さ変化をモニタリングする実験を開始した。現状で目立った変状は認められていないが,幾つかの要因では緩やかに膨張が始まった。また,試験途中で幾つかの試験体が破損した。したがって,平成29年度の実験では,試験体の寸法・形状を工夫して改めて実験することを考えている。[3]熱力学相平衡計算ソフトウェアであるGEMSを用いて,海水劣化の条件について検討した。その結果,海水濃度がある一定の領域で体積膨張する可能性が示された。海水とNaClの比較から,体積膨張には硫酸イオンの影響が強いことが分かった。次に,幾つかの条件(海水組成,材料組成)で,エトリンガイトの生成条件について検討した。さらに,海水が相組成に及ぼす影響について感度解析を実施した。計画通り順調に進んでいるため。ただし,実験では幾つかの試験体で破損が生じ,後述する通り追加実験が必要と考えている。平成29年度には,以下の3点について検討した。[1]熱力学相平衡計算により,海水劣化の条件について検討した。その結果,海水濃度がある一定の領域で,また日射や気温の上昇に伴って,局所的に体積膨張する可能性が示された。[2]海水劣化したコンクリートの分析を行い,海水に起因する膨張劣化であることを電子顕微鏡観察およびエネルギー分散型蛍光X線分析装置を用いて明らかにした。局所的に多くの微細ひび割れが発生しており,その劣化フロントではエトリンガイトが生成していた。これらの結果は概ね相平衡計算の結果と整合していた。[3]セメント硬化体の体積変化について,海水の乾湿条件等をパラメータとして,長さ変化をモニタリングする実験を継続した。一部の試験体で変状が確認され,今後分析を進める予定としている。計画通り順調に進んでおり,海水による局部劣化メカニズムが明確になりつつある。特に,熱力学相平衡計算で得られた結果は査読付論文として対外発表を行った。平成28年度に引き続き,計画通り進める予定である。平成28年度に破損した試験体があるため,平成29年度には追加実験することを考えている。計画通り順調に進んでいるため,引き続き進める予定である。平成30年度には,これまでの実験の検証を行うことを考えている。
多様性を有するRNAキナーゼの進化情報解析とその情報に基づいた酵素機能の改変

本研究は情報科学を駆使したRNAキナーゼ(Clp1)のシステマティックな進化学的解析と、その進化情報に基づいたClp1の変異実験という、大きな2本の基軸より遂行される。ここで、Clp1は主にヒトでtRNA前駆体のプロセシングに関わるリン酸化酵素として同定されている。本研究における情報解析では、該当分子の進化を系統樹やネットワーク解析を行うことで検討すると共に、種分化におけるドメインの獲得過程を、マルチプルアライメント解析などを通してアミノ酸レベルで明らかにする。2017年度の研究実績は以下の通りである。まず、Clp1のアミノ酸配列と相同なタンパク質複数種をQueryとして用いて相同性探索を行ったところ、生物の3大ドメインを構成する約1500種で計2890配列のClp1関連タンパク質を推定することができた。この中にはClp1と相同だが、rRNA前駆体のプロセシングに関わることが報告されているNol9やGrc3なども含まれていた。さらに、これまでその存在が知られていなかったバクテリアに由来した該当タンパク質を明らかにできた。バクテリアのClp1遺伝子は系統樹上で特定の門や種に限定されず、そのドメイン構造の比較から、アーキアのそれが、水平伝搬した結果であることが予想された。また、予期しないことであったが、Clp1のポリヌクレオチドキナーゼドメインを含む、様々なマルチドメイン含有型タンパク質が真核生物種に100種以上存在することを明らかにできた。一方で、実験的な解析のために、超好熱性アーキアPyrococcus furious (Pf)に由来するPf-Clp1を用いた試験管内のRNA鎖リン酸化反応系を構築した。(1) UniProtタンパク質データベース(2017年11月時点で約9926万配列)に対して現在までに同定されているClp1のアミノ酸配列と相同なタンパク質を複数種Queryとして用いて、相同性探索を行ったところ約1500種で計2890配列のClp1関連タンパク質を推定した。また、完全長のゲノムが報告されている代表的な生物種でClp1遺伝子の存在を検討したところ、真核生物では100%、アーキアで61%の種が該当遺伝子を有していることが明らかになった。さらに、バクテリアにおいてもClp1と相同な遺伝子が8.3%存在していた。(2)酵母菌や植物で見出されたtRNAリガーゼ(Trl1)は3つの酵素(ポリヌクレオチドキナーゼ、環状型リン酸の開裂酵素(CPDase)及びRNAリガーゼ)に対応したドメインを有している。ここで、ポリヌクレオチドキナーゼに対応するドメインはClp1のそれと相同である。今回の網羅的な相同性探索の結果として、Clp1のポリヌクレオチドキナーゼドメインを含む、様々なマルチドメイン含有型タンパク質が真核生物種に100種以上存在することを明らかにした。この中には未同定のドメインを複数有するような1,000-2,000アミノ酸長に及ぶ大型のタンパク質があった。(3)情報解析で同定したClp1相同タンパク質の、生化学的な活性の検証を実現するために、まず、超好熱性アーキアPyrococcus furious (Pf)に由来するPf-Clp1を用いた試験管内のRNA鎖リン酸化反応系を構築した。(1) 2017年度に見出したClp1相同タンパク質の系統樹上での位置をそのドメイン構造の有無と共にまとめ上げ、学術論文の投稿を行う。(2)申請当初は、ヒトClp1分子が有するRNA鎖特異性に関して、RNA鎖でも、DNA鎖でもリン酸化することが報告されているアーキアClp1分子との比較、キメラ酵素の活性解析により検討する予定であったが、バクテリアでのClp1相同タンパク質を見出すに至り、バクテリアでの該当分子の特異性解析を優先し、主にこの情報を得て、Clp1タンパク質ファミリーの進化と多様性、その基質特異性に迫りたい。

バクテリアのClp1遺伝子は系統樹上で特定の門や種に限定されず、そのドメイン構造の比較から、アーキアのそれが、水平伝搬した結果であることが予想された。また、予期しないことであったが、Clp1のポリヌクレオチドキナーゼドメインを含む、様々なマルチドメイン含有型タンパク質が真核生物種に100種以上存在することを明らかにできた。一方で、実験的な解析のために、超好熱性アーキアPyrococcus furious (Pf)に由来するPf-Clp1を用いた試験管内のRNA鎖リン酸化反応系を構築した。(1) UniProtタンパク質データベース(2017年11月時点で約9926万配列)に対して現在までに同定されているClp1のアミノ酸配列と相同なタンパク質を複数種Queryとして用いて、相同性探索を行ったところ約1500種で計2890配列のClp1関連タンパク質を推定した。この中にはClp1と相同だが、rRNA前駆体のプロセシングに関わることが報告されているNol9やGrc3なども含まれていた。また、完全長のゲノムが報告されている代表的な生物種でClp1遺伝子の存在を検討したところ、真核生物では100%、アーキアで61%の種が該当遺伝子を有していることが明らかになった。さらに、バクテリアにおいてもClp1と相同な遺伝子が8.3%存在していた。(2)酵母菌や植物で見出されたtRNAリガーゼ(Trl1)は3つの酵素(ポリヌクレオチドキナーゼ、環状型リン酸の開裂酵素(CPDase)及びRNAリガーゼ)に対応したドメインを有している。ここで、ポリヌクレオチドキナーゼに対応するドメインはClp1のそれと相同である。今回の網羅的な相同性探索の結果として、Clp1のポリヌクレオチドキナーゼドメインを含む、様々なマルチドメイン含有型タンパク質が真核生物種に100種以上存在することを明らかにした。この中には未同定のドメインを複数有するような1,000-2,000アミノ酸長に及ぶ大型のタンパク質があった。(3)情報解析で同定したClp1相同タンパク質の、生化学的な活性の検証を実現するために、まず、超好熱性アーキアPyrococcus furious (Pf)に由来するPf-Clp1を用いた試験管内のRNA鎖リン酸化反応系を構築した。(1) 2017年度に見出したClp1相同タンパク質の系統樹上での位置をそのドメイン構造の有無と共にまとめ上げ、学術論文の投稿を行う。(2)申請当初は、ヒトClp1分子が有するRNA鎖特異性に関して、RNA鎖でも、DNA鎖でもリン酸化することが報告されているアーキアClp1分子との比較、キメラ酵素の活性解析により検討する予定であったが、バクテリアでのClp1相同タンパク質を見出すに至り、バクテリアでの該当分子の特異性解析を優先し、主にこの情報を得て、Clp1タンパク質ファミリーの進化と多様性、その基質特異性に迫りたい。
胸部食道癌に対する集学治療の研究-手術は必要か-

目的:切除可能(中等度進行)食道癌を対象とし、食道切除と化学放射線療法の成績を比較する。(3)手術可能な全身状態および根治的化学放射線療法が可能な全身状態(4)活動性の進行重複癌がない。(5)Infomedconsentが得られている。方法:ICに基づいて、患者が治療法を選択する。(1)食道切除術群:治癒切除例では化学療法、姑息切除例では化学放射線療法を追加。(2)化学放射線療法群:主病巣と転移リンパ節に放射線60Gy+CDDP/5FU少量連日2コース(3)Neoadjuvant群:化学放射線療法半量投与の効果をみて、手術するか否か決定する。結果:2003-06年に102例をエントリー。食道切除76例、化学放射線療法18例、Neoadjuvant8例。これは同期間中の切除例の55%(79/144)、非切除例の19%(23/119)であった。(1)食道切除群:治癒切除59例、姑息切除16例、試験開胸1例(2)化学放射線療法群:CR:14例、PR:2例、NC:2例、救済手術例なし。(3)Neoadjuvant群:切除3例、非切除5例(CR=3例、PR:2例)食道切除群の1,2,3年生存率は81%、56%、49%、化学放射線療法群の1,2,3年生存率は89%、68%、46%、Neoadjuvant群の1,2年生存率は50%、50%であった。はじめに化学放射線療法を選択した群(化学放射線療法群+Neoadjuvant群)の1,2,3年生存率は74%、60%、40%であった。結論:切除可能(中等度進行)食道癌に対する化学放射線療法は、短期的には食道切除と同等の生存率を得る可能性がある。目的:中等度進行食道癌を対象として、食道切除術と根治的放射線化学療法の治療成績を比較する。対象:(1)食道扁平上皮癌(3)手術可能な全身状態:重篤な合併症がない。肝腎心肺機能が保たれている。(4)放射線化学療法が可能な全身状態:Ccr>30ml/分、白血球数>3000、血小板数>10万(5)活動性の進行重複癌がない。(1)食道切除術:患者の希望により抗癌剤を追加(2)放射線化学療法:放射線60Gy+CDDP/5FU少量連日投与2コース(3)放射線化学療法の半量投与後、効果をみて手術か放射線化学療法単独かを決定する。結果:2003年中に15例がエントリーされた。手術12例、放射線化学療法3例。これは2003年の切除例の55%(12/22)、非切除例の14%(3/21)(1)切除例:手術単独5例、術後化療5例、術後放射線化学療法2例(2)放射線化学療法例:完遂2例、非完遂1例食道病変CR 2例、PR 1例、リンパ節転移PR 2例、郭清術1例対象:1986年

2002年までに久留米大学外科および放射線科に入院し、食道切除または根治的放射線化学療法(放射線50Gy以上、CDDPおよび5FU系の抗癌剤)が施行された深達度T2T3の食道癌方法:原病生存率の比較結果:(1)N0症例:標準手術と縮小手術の5生率は70%、放射線化学療法では5生がない。(2)N1症例:標準手術の5生率は40%、縮小手術と放射線化学療法の5生率は20%結論:T2T3食道癌に対する放射線化学療法は縮小手術と同等か、またはそれに劣る。目的:中等度進行食道癌を対象とし、食道切除術と根治的放射線化学療法の治療成績を比較する。対象:(1)食道扁平上皮癌。(3)手術可能な全身状態:重篤な合併症がない。肝腎心肺機能が保たれている。(4)放射線化学療法が可能な全身状態:Ccr>30ml/分、白血球数>3000、血小板数>10万(5)活動性の進行重複癌がない。方法:Informed consentに基づいて、患者が次の3つの治療方法から1つを選択する。(1)食道切除例:治癒切除例では患者の希望により抗癌剤を、姑息切除例では放射線化学療法を追加する。(2)放射線化学療法:放射線60Gy+CDDP/5FU少量連日投与2コース。(3)放射線化学療法の半量投与後、効果をみて手術か放射線化学療法単独かを決定する。(Neoadjuvant群)放射線36Gy+CDDP/5FU少量連日⇒手術又は非手術を選択⇒放射線24Gy+CDDP/5FU少量連日結果:2003年と2004年に45例がエントリーされた。食道切除30例、放射線化学療法10例、neoadjuvant群5例であった。これは同期間中の切除例の54%(32/59)、非切除例の26%(13/50)であった。(1)切除例:治癒切除21例、姑息切除9例。(2)放射線化学療法例:完遂6例、非完遂4例。CR3例、PR2例、NC5例。(3)Neoadjuvant群:切除2例、非切除3例(CR1例、PR1例、NC1例)。食道切除例の1年生存率は64%、平均生存期間13.8ヶ月。放射線化学療法例の同生存率は77%、平均生存期間12.4ヶ月。Neoadjuvant群では1年生存がなく、平均生存期間6.4ヶ月であった。結論:中等度進行食道癌に対する放射線化学療法は食道切除と同等の生存率を得る可能性がある。目的:切除可能(中等度進行)食道癌を対象とし、食道切除と根治的化学放射線療法の成績を比較する。(3)手術可能な全身状態:年齢<80歳。重篤な合併症がない。肝腎心肺機能がよい。(4)根治的化学放射線療法が可能な全身状態:Ccr>30ml/分、白血球>3000(5)活動性の進行重複癌がない。(6)Informed consentが得られている。方法:ICに基づいて、患者が次の3つの治療方法から1つを選択する。(1)食道切除術群:治癒切除例では化学療法、姑息切除例では化学放射線療法を追加。(2)化学放射線療法群:主病巣と転移リンパ節に放射線60Gy+CDDP/5FU少量連日2コース(3)Neoadjuvant群:化学放射線療法半量投与の効果をみて、手術するかしないか決定する。放射線36Gy+CDDP/5FU少量連日⇒手術・非手術を選択⇒放射線24Gy+CDDP/5FU少量連日結果:200305年に71例がエントリー。食道切除50例、化学放射線療法14例、Neoadjuvant7例。これは同期間中の切除例の54%(52/97)、非切除例の24%(19/79)であった。(1)食道
上肢運動支援用知的外骨格型ロボットシステムの研究

本研究では,これまでに開発した上肢多自由度運動支援用外骨格型ロボットを統合することにより,肩関節3自由度,肘関節1自由度,前腕1自由度,手首2自由度の合計7自由度の運動を支援する高い外骨格型ロボットを開発した.本ロボットでは,安全性について十分配慮し,安全な可動範囲以外は動かないような構造にした.一方,ロボット使用者(装着者)の動作意思通りのパワーアシストを実現させるため,複数個所の筋電信号を用いて使用者の上肢運動を生成するカベクトルを推定するアルゴリズムを提案した.また,パワーアシストを行う際に,カメラや超音波センサー等の情報を基に使用者(ロボット装着者)の環境とのインタラクションをモニターし,使用者の動作に問題や危険性が見られる場合には本来行うべき動作に補正したり,危険を回避する動作に補正したりする「認知アシスト付パワーアシスト」を実現させるためのアルゴリズムを提案し,有効性を実験により確認した.キーワード:知能ロボティクス,機械力学・制御本研究では,これまでに開発した上肢多自由度運動支援用外骨格型ロボットを統合することにより,肩関節3自由度,肘関節1自由度,前腕1自由度,手首2自由度の合計7自由度の運動を支援する高い外骨格型ロボットを開発した.本ロボットでは,安全性について十分配慮し,安全な可動範囲以外は動かないような構造にした.一方,ロボット使用者(装着者)の動作意思通りのパワーアシストを実現させるため,複数個所の筋電信号を用いて使用者の上肢運動を生成するカベクトルを推定するアルゴリズムを提案した.また,パワーアシストを行う際に,カメラや超音波センサー等の情報を基に使用者(ロボット装着者)の環境とのインタラクションをモニターし,使用者の動作に問題や危険性が見られる場合には本来行うべき動作に補正したり,危険を回避する動作に補正したりする「認知アシスト付パワーアシスト」を実現させるためのアルゴリズムを提案し,有効性を実験により確認した.キーワード:知能ロボティクス,機械力学・制御本研究では、高齢者や障害者の日常生活に必要な上肢運動を知的に支援する外骨格型ロボットシステムの研究開発を進めている。本ロボットシステムでは、リアルタイムにロボット装着者の生体信号(筋電信号)から装着者の生成動作推定を行う知的制御器と各種センサー情報を利用して装着者を知的にサポートするロボット知能が重要となる。平成19年度は、これまでに開発した上肢4自由度運動支援用外骨格型ロボット(肩関節2自由度、肘1自由度、前腕1自由度の合計4自由度運動を支援するロボット)の前腕部を1自由度(前腕回内外運動)から3自由度(前腕回内外運動、手首屈伸運動、橈屈尺屈運動)に変更すると共に、関連筋肉の筋電信号と前腕部3自由度運動との関係を解析し、筋電信号を用いて装着者の思い通りの前腕部3自由度運動を補助する筋電制御器を開発した。また、新たな筋電制御の手法も提案した。各種センサー情報を利用して装着者を知的にサポートする研究に関しては、ロボット側でカメラや超音波センサーを用いてロボット装着者と環壌との関係を認知し、装着者の運動に問題や危険性がある場合にはロボット側で自動的に装着者の動作補正を図る「認知アシスト」の概念を提案した。本手法は、装着者の運動に問題や危険性が予測される場合にのみ動作補正を試みるもので、装着者の運動に問題や危険性がない場合は、通常のパワーアシスト(動作補助)が行われることになる。今年度は、物を取り損ねそうな場合に本来の手先軌道に補正するアルゴリズム、および手先が何かにぶつかりそうな場合に回避するよう動作補正を行うアルゴリズムを提案した。提案した手法の有効性は実験により確認した。本研究では,高齢者や障害者の日常生活に必要な上肢運動を知的に支援する外骨格型ロボットシステムの研究開発を進めている.本ロボットシステムでは,リアルタイムにロボット装着者の生体信号(筋電信号)から装着者の生成動作推定を行う知的制御器と各種センサー情報を利用して装着者を知的にサポートするロボット知能が重要となる.平成20年度は,(1)上肢多自由度運動(肩運動,肘運動,前腕運動を組み合わせた多自由度運動)の動作補助を行う外骨格型ロボットの設計・製作,および(2)上肢運動の自動衝突回避や目標物へのガイド等を行う「認知アシスト付パワーアシスト」を実現させるロボットの知能化の研究に重点を置いた.上肢多自由度運動の動作補助を行う外骨格型ロボットの設計・製作に関しては,これまでに開発した上肢多自由度運動支援用外骨格型ロボットを統合し,不足部分を新たに補うことにより,上肢7自由度の運動を支援する外骨格型ロボットを設計・製作した.認知アシスト付パワーアシストロボットの研究では,カメラや超音波センサーの情報を基に使用者(ロボット装着者)の環境とのインタラクションをモニターし,使用者の運動に問題や危険性が予測される場合にのみ動作補正を試みるもので,使用者の運動に問題や危険性がない場合は,通常のパワーアシスト(動作補助)が行われることになる.今年度は,使用者の手先軌道に問題が予測される場合に本来の手先軌道に補正するアルゴリズムを3次元に拡張し,音による警告の有効性も検討した.提案したロボットや制御手法の有効性は実験により確認した.
超微少流体送液システムを集積化した高度Lab-on-a-Chipの構築

電気化学的原理に基づく微小送液システムおよび、これを用いた微小化学分析システムの研究を行った。本研究では、エレクトロウェッティングおよび電極反応に伴って発生するガスにより駆動する機構を中心に検討を進めた。エレクトロウェッティングによるシステムでは、電極とPDMSの突起構造の間に溶液を閉じ込める。ここで電極の電位を変えると、その濡れ性が変わり、溶液は毛管現象により流路中を進む。複数の電極を流路に沿って並べることにより、複雑な流路ネットワーク中でも、バルブなしで、自由に送液方向を制御できた。これらのシステムを用いて、アンモニア、尿素、クレアチニン、アミノ酸などの濃度を測定する微小化学分析システムを構築した。送液だけでなく、溶液の混合もできるため、酵素等の最適pHで反応を進行させ、高感度に測定を行うことができた。エレクトロウェッティングはバルブを形成するのに用いることもできる。これにより、複数溶液を逐次反応槽に導入する機構などを実現し、チップ上でイムノアッセイを行うことにも成功した。ガスの生成・消滅を利用するシステムでは、白金黒電極上で水素を発生・消滅させ、ダイヤフラムの変位に変える。ポンプ2個、バルブ4個を集積化したシステムを作製し、Y字型流路で順次溶液を送液・混合した。Amplex redの蛍光を検出することにより、過酸化水素およびL-グルタミン酸の定量を行うことができた。また、同様のポンプを2個Y字型流路入り口に配置したシステムにより、GOT、GPTなどの酵素活性を測定するシステムも作製し、評価した。高度な微小化学分析システムを実現する上で、送液システムの開発は長年の課題である。本研究では電気化学的原理に基づく微小送液システムを作製し、化学センサ、バイオセンサとの集積化を試みた。一つのシステムでは金電極の濡れ性を電極電位により制御し(エレクトロウェッティング)、開放型の微小な流路ネットワーク中で微少流体の送液を行った。このシステムは微小化に有利で、複雑な流路ネットワーク中でも容易に送液が行えるという特徴がある。また、もう一つのシステムでは、閉じた空洞・流路内に形成した白金黒上で水素気泡を可逆的に生成・消滅させ、隔膜を介して微小流路内の溶液の動きに変換した。これは小規模システムに向いており、送液される溶液が限定されないという特徴がある。従来、微小チップ上に形成された流路ネットワーク中での溶液の移動は難しかったが、本研究で作製したこれらのシステムではそれを実現した。また、いずれのシステムも、駆動電圧、消費電力が従来の他種のマイクロポンプに比べて桁違いに小さいという特徴がある。化学分析システムでは、単に送液するだけでなく、複数の溶液の混合も必要になる。上記の2つのシステムでは、いずれもこれが可能である。溶液の送液・混合が可能になると、生化学分析への可能性が拓けてくる。エレクトロウェッティングを利用したシステムでは、その開放型流路を利用して、エアギャップ型アンモニアガス電極を集積化し、機能させることに成功した。また、これを尿素、クレアチニンセンシングシステムに応用した他、電気化学発光を利用したアミノ酸の検出も行った。気泡を利用したシステムでは、蛍光検出により過酸化水素、L-グルタミン酸のセンシングを行い、これらを定量できることを示した。

送液だけでなく、溶液の混合もできるため、酵素等の最適pHで反応を進行させ、高感度に側定を行うことができた。エレクトロウェッティングはバルブを形成するのに用いることもできる。これにより、複数溶液を逐次反応槽に導入する機構などを実現し、チップ上でイムノアッセイを行うことにも成功した。ガスの生成・消滅を利用するシステムでは、白金黒電極上で水素を発生・消滅させ、ダイヤフラムの変位に変える。ポンプ2個、バルブ4個を集積化したシステムを作製し、Y字型流路で順次溶液を送液・混合した。Amplex redの蛍光を検出することにより、過酸化水素およびL-グルタミン酸の定量を行うことができた。また、同様のポンプを2個Y字型流路入り口に配置したシステムにより、GOT、GPTなどの酵素活性を測定するシステムも実現した。
IoTを活用した落雷位置標定ネットワークの構築による気象災害防止

本研究では、申請者が全国に24局展開しているVLF帯の落雷位置標定ネットワークについて、関東地方には50km毎に、少ない地域は県に1局以上観測装置を追加設置する計画であり、2018年度に栃木県1局、長野県1局、埼玉県1局、東京都1局、小笠原父島1局、神奈川県1局、静岡県2局、新潟県1局、石川県1局、京都府1局、香川県1局を設置した。また、海外には、ハワイ、フィリピン、インド、ベトナム(ホーチミン、ダナン、ハノイの3カ所)、グアム、タイ、カンボジアに設置し、2018年度末までに国内40局、国外12局の計52局となり、目標を大きく上回った。この設置により、日本国内はもとより、東南アジア各地の落雷をリアルタイムで把握出来るようになり、インターネットで無料で公開し、気象災害防止に貢献している。また、リアルタイムの落雷位置情報を1年間通じて集計し、バングラデシュ、インドネシア、タイ、カンボジアで落雷密度マップを初めて作成することが出来た。さらに、送電線の雷事故との照合を実施し、事故件数の6割以上を本システムが標定していることを確認するとともに、東京電力のLLSと比較した結果、その位置精度は、中央値で1kmとなり、LLSとほぼ同等の精度を持っていることを確認した。なお、落雷電荷量の推定には、スカイツリーデータと比較検討する必要があるが、設置後にスカイツリーに落雷が無いため、まだ比較が出来ない状況である。落雷観測装置を国内および国外に予定を上回る台数を設置し、日本全国はもとより、アジア各地の落雷位置をリアルタイムで把握出来るようになり、各地の落雷密度マップを作成することが出来た。また、東京電力の落雷位置標定装置(LLS)と比較し、概ね同等の精度があることも確認することが出来た。しかしながら、落雷電荷量の推定には、基本となる落雷電流を直接測定する必要があり、東京スカイツリーへの落雷データと比較予定であったが、観測装置の追加設置後、まだ東京スカイツリーへ落雷しないため比較検討が出来ない状況である。落雷観測装置を日本および東南アジアにさらに15台程度追加設置し、アジア全域の落雷を把握出来るシステムにする。特に、エリアの西端のインドやバングラデシュへの落雷を捉えるため、インド国内に10カ所程度装置を増設する計画である。また、無料でネットにリアルタイムの落雷データを提供しているため、セキュリティを強化する必要があり、エストニアのセキュリティシステムを導入する計画である。当該年度の年度末である3/22ー27に出張したが、この旅費の経理上の支出が4月となっため、差異が生じた。次年度の計画は予定通り実施する。リアルタイムの落雷位置情報を無料で一般に公開中。
「変性β2ミクログロブリン仮説」の検証

血清β_2-microglobulin(β_2-M)は、高齢者のadverse health outcomeの独立した危険因子である(Shinkai et al.Arch Intern Med,2008)。本研究事業は、その機序に迫るべく変性β_2-M仮説(詳細は略)を検証することが目標であった。昨年度は、まずプロテオーム解析の手法を用いて変性β-2-Mの検出法を開発した。その手順は、抗ヒトβ_2-M抗体固定化ビーズの作成→抗体アフィニティーによる血清中のβ_2-Mの吸着濃縮→二次元電気泳動法による変性β_2-Mの分離、質量分析による変性β_2-Mの構造解析、というものである。これを応用して、若年者サンプル6例、高齢者サンプル6例を対象にβ_2-Mの分子修飾の有無を調べた。最終的には、質量分析法において、若年者サンプルでは理論的Mwから16Da離れた箇所(Lower mass)にのみピークが見られたのに対し、高齢者サンプルではLower massからさらに16Da離れた箇所(Higher mass)にもピークが見られた。すなわち、高齢者の血清中β_2-Mの一部は酸素添加されていることが判明した。次の段階として本年度は、酸素添加β_2-Mとadverse health outcomesとの因果関係すなわち「変性β_2-M仮説」の検証をすべく、研究計画を立てた。まず、性、年齢階級別の酸素添加β_2-Mの出現率を求める予定であったが、その段階で、β_2-Mの精製過程に問題があり質量分析スペクトラムが安定せず、データの再現性に課題があることが判明した。そこで、年度後半は、酸素添加β_2-Mの検出法の改良を行い、安定したデータを得る方法を開発することに時間を費やすこととなった。「変性β_2-M仮説」の検証という最終目標は達成できなかったが、本研究で改良された方法を応用して、近い将来ぜひ実現したいと考えている。血清β_2-microglobulin(β_2-M)は、高齢者のadverse health outcomeの独立した危険因子である。特に循環器疾患との関連が強いという特徴がある。本研究事業(2年間)では、その機序を明らかにすべく、「β_2-Mが何らかの変性を起こし、これがアミロイド形成に関与し、高齢者のadverse health outcomesのリスクを増大する」との仮説を検証する。平成21年度(初年度)は、まずプロテオーム解析の手法を用いて変性β_2-Mの検出法を確立した。二次元電気泳動法によるβ_2-Mのスポットは、若年者、高齢者サンプルとも、いずれも単一でクリアなものであった。しかし、質量分析による結果では、若年者と高齢者サンプル間に大きな違いを認めた。高齢者サンプルでは、理論的Mwから16Da離れた箇所(Lower mass)あるいはさらに16Da離れた箇所(Higher mass)の二カ所にピークが見られたが、若年者サンプルでは、Lower mass分子のみ検出されHigher mass分子は検出されなかった。ただ、高齢者サンプルにおけるLower mass分子とHigher mass分子のピーク面積の比率は、濃度非依存的であった。高齢者の血清中β_2-Mは分子修飾を受けていることがわかったが、これと高齢期のadverse health outcomesとの因果関係、すなわち「変性β_2-M仮説」の検証は、次年度の課題として残された。
組織微細化したアルミニウム合金の塑性加工性評価に関する研究

Al合金の強度向上のため強ひずみ加工法の一手法として簡便な温間多軸繰り返し鍛造(MAF)法を用い超微細結晶粒を有する材料の作製の改善とその塑性加工性の評価を目的とする。H14年度:*数μmsubμmの結晶粒を有する微細組織板材の創製は温間多軸鍛造加工と圧延の組み合わせ加工プロセスにより十分な成果を収めることが出来た。*微細組織材料の塑性加工の評価のため試作した二軸引張り試験機は設計仕様(荷重;5kN,軸のストローク;120mm、ひずみ速度;10^<-5>10^3、温度;600°C、試験片形状;十字型)に基づき、試験機として十分な精度を有することを確認した。また、試験片として十宇型試験片を使用するがその最適形状・寸法を決定した。H15年:*十字形試験片により高温下で80%以上の変形を二軸応力下に付与することが可能.*単軸応力下ではひずみ速度の増加と供にm値は減少していくが,二軸応力下では1.7x10^<-1>s^<-1>までm値0.30以上を維持する.*同一粒径試料において単軸および二軸応力下では機械的諸特性に差異が生じ.焼なまし温度673Kにおいて単軸および二軸応力下でn値は0.33および0.26である。*粒径の変化により機械的諸特性に及ぼす影響は単軸応力下と二軸応力下では異なった.*試験温度673K、ひずみ速度8.3x10^<-2>s^<-1>で約60%変形した後,せん断変形を伴わない二軸応力下でも動的再結晶の形成が確認された.*試験温度673Kにて単軸応力下では引張方向に結晶粒が伸長し引張方向に対して垂直に空隙が生じるが,二軸応力下では結晶粒が等軸を維持し任意の方向に対して空隙が生じる.以上、微細結晶粒を用いた超塑性変形においては負荷応力状態により変形の様子が異なるため、加工条件推定のための変形シミユレーションにおいては二軸応力下での加工評価パラメータを用いる必要がある。A1合金の強度向上のため強ひずみ加工法の一手法として簡便な多軸繰り返し鍛造(MAF)法を用い超微細結晶粒を有する材料の作製の改善とその塑性加工性の評価を目的とする。本年度は(1)微細結晶材の変形伸びに関する試験片形状の効果と超微細材の低温超塑性の出現と変形機構の解明を実験的求める(2)塑性加工性を調べるべく単軸引張での加工硬化と二軸下でのそれの関係を比較すべく二軸試験機の試作を行い、基礎的なデータの集録につとめる。以上の点について研究した。その結果、(1)については以下の結果が得られた。本研究の目的の一つである数μmsubμmの結晶粒を有する微細組織板材の創製は温間多軸鍛造加工と圧延の組み合わせ加工プロセスにより十分な成果を収めることが出来、初期の目的は達成した。多軸鍛造加工速度の材料内部組織に与える効果についてはまだ一部研究の余地を残している。これら成果は学会での口頭、論文で既に発表しており、加工プロセス開発に関しては所属機関を通じて特許申請がなされている。(2)の微細組織を有する材料の塑性加工性の評価については以下のようである。

研究手段として設計・試作を計画していた微細材用2軸引張り試験機の製作は設計仕様(荷重;5kN,軸のストローク;120mm、ひずみ速度;10^<-5>10^3、温度;600°C、試験片形状;十字型)に基づき完成させ、試験機として十分な精度を有することが確認した。また、十字型試験片の形状評価を行い、最適な十字型試験片形状・寸法を決定した。前述の2軸試験機を用い、室温においては、材料の結晶粒寸法と初期異方性が組み合わせ応力下での変形に及ぼす効果、また、高温では組み合わせ応力下での結晶粒寸法と再結晶挙動など変形能との関係を現在研究中であり、その一部は春の学会に報告する。本年度の研究目的は前年度で得られた超微細粒試料、試作二軸引張り試験機を用い、室温、高温下での二軸応力下の塑性加工性評価パラメータを求め、変形過程中の組織変化と関係付け、単軸のそれと比較し二軸応力下での加工評価パラメータの有用性を検討した。その結果以下の結論が得られた。(1):二軸引張試験機および十字形試験片を用いることで,試験片面内に二軸応力が作用する均一変形部を作り出すことが可能で、大変形を効率よく試験片に付与するためには,変形中の試験片表裏の対称性を維持することが必要で、十字形試験片の中心部を両面から板厚減少のため加工する必要がある.(2):作製した十字形試験片は高温下で80%以上の塑性変形を二軸応力下に付与することが可能である.(3):単軸応力下ではひずみ速度の増加と供にm値は減少していくが,二軸応力下では高速変形である1.7x10^<-1>s^<-1>までm値0.30以上を維持する.(4):同一粒径試料において単軸および二軸応力下では機械的諸特性に差異が生じた.また、その差が顕著に表れた焼なまし温度673Kにおいて単軸および二軸応力下ではn値は0.33および0.26であり,r値は1.08および1.24であった.(5):粒径が変化することにより機械的諸特性に及ぼす影響は単軸応力下と二軸応力下では異なった.(6)試験温度673Kにてひずみ速度8.3x10^<-2>s^<-1>において約60%変形した後の,せん断変形を伴わない二軸応力下でも動的再結晶の形成が確認された.(7)試験温度673Kにて単軸応力下では引張方向に結晶粒が伸長し引張方向に対して垂直に空隙が生じるが,二軸応力下では結晶粒が等軸を維持し任意の方向に対して空隙が生じる.以上、微細結晶粒を用いた超塑性変形においては負荷応力状態により変形の様子が異なるため、加工条件推定のための変形シミユレーションにおいては二軸応力下での加工評価パラメータを用いる必要がある。
脱落膜における胸腺外T cellの分化とレパトア

細胞性免疫の担い手であるT-cellは前駆細胞が骨髄より胸腺に遊走し胸腺上皮細胞に`教育'されることによって自己の認識し分化成熟する。その際にpositive/negativeの2段階の選択を受ける。近年,腸管粘膜や皮膚など末梢において成熟分化するT-cellの存在が注目される。これは胸腺におけるような選択を受けないためにautoreactive T-cellが存在し、外界との接点における第一線の免疫に重要な役割を果たしている。我々はもう一つの外界との接点である脱落膜に注目しここに分化するT-cellの有無を検索した。脱落膜は妊娠により子宮内膜に形成され移植免疫学的には異物である胎児胎盤の認識とその生着に積極的に関与していると可能性がある。我々は未分化なIg遺伝子やTCRの再構成に必須のRAG-1,2発現をRT-PCR法によって検討し、妊娠初期-後期に得られた全例の脱落膜組織に発現することを明らかにした。RAG発現がB-cellのclass switchに由来する可能性を否定するために脱落膜単核細胞の抗Ig処理を行なったがこの操作によっても発現は減弱せず、さらにFACS分画脱落細胞では従来未分化なNKと考えられてきたCD16CD56^<bright>に強い発現を認めた。その結果この細胞の本態はNK,Tのcommon progenitorであり、母児免疫寛容に何らかの役割を有する可能性がある。現在,さらに脱落膜T-cellのTCRレパトアを解析中であるが,正常妊娠ではVγ1細胞が著しく多いことよりよりこれが認識する胎児胎盤の対応抗原について解析し母児免疫における意義を検討している。
障害の有無による社会経済格差の実態とその要因分析

本研究は、障害の有無に起因する社会経済格差の実態およびその要因を計量経済モデルを用いて明らかにすることで、障害児者の生活の質の向上に資する制度設計に対する一提案を行うことを目的としている。研究初年度にあたる今年度は、研究実施計画に基づき、計画的に研究に必要なさまざまな基盤整備を実施した。具体的には、国内における障害児者に関連する支援制度の体系化とともに、計量経済分析に必要なデータの収集を行っている。また、2019年3月には、タイ・バンコクにあるChulalongkorn Universityにて関連するデータ資料等の収集を行うとともに、その経済学部に所属する研究者とともに、Ministry of Social Development and Human Securityが管轄するDepartment of Empowerment of Persons with Disabilitiesの障害者基金の運営/管理の実務担当者およびPolicy and Planning(政策/制度設計)の実務担当者に対し、日本の障害者雇用に関する現状と課題について説明するとともに、タイにおける障害者政策に関するヒアリング調査を実施した。この調査は、日本と同程度の障害児者を抱えるタイとの制度上の違いを明らかにするものであり、本研究を進める上で非常に有益な示唆をもたらすものとなっている。タイにおける障害者は日本の障害者に比べ働き方の選択肢が多く(さまざまな雇用支援制度が実施されているものの)社会的マイノリティという位置づけではない。また、雇用されていない発達障害者の割合が多いことがわが国の障害者雇用における大きな特徴の一つであることが明確になったことは、今後本研究を進めるうえで注目すべき点であると考えている。研究実施計画に記載していた内容については、ほぼ計画的に遂行できたという点で上記のような評価を行った。今後は引き続きさらなるデータ等を収集するなど、研究目的を達成するために着実に研究を継続させる所存である。なお、タイでの情報および基礎データの収集は予想を反して十分なものであった。一方、日本のデータについては(タイのデータと比較すると)蓄積が乏しいことが明らかとなっている。我が国における既存のデータを上手く活用し、日本における精緻な分析の適切な手法を今後さらに検討したいと考えている。研究実施計画に示した通り、今後は、わが国の労働市場における障害の有無が就労環境/賃金格差に与える影響を分析する。障害児者のデータ蓄積が少ない中で、精緻かつ信頼性の高い分析結果を出すには、適切なモデルの検討/構築が必要不可欠である。今後も、共同研究者と綿密な研究打ち合わせをしながら、目標達成に向けて着実に研究を遂行する予定である。また、Chulalongkorn Universityに所属する研究者との打ち合わせの中で、タイと日本における障害者施策の比較分析に関する研究の重要性が明らかとなっている。今後はCollege of Population Studiesに所属する他の研究者とのネットワークを広げ、共同研究を実施したいと考えている。
頭頸部癌の病期診断における造影PET/CTの有用性の検討

平成1920年度は頭頚部癌の病期診断における造影PET/CTの有用性を検討し、論文発表した。頭頚部癌では頚部リンパ節転移の有無が治療方針に大きく影響するため、平成21年度はPET/CTによる頚部リンパ節の診断能、特に読影者間の変動(inter-observer variation)と読影者内の変動(intra-observer variation)を検討した。臨床的に頭頚部癌が疑われ、生検(もしくは手術)によって組織学的確定診断の得られた治療前症例(32例)に対して、PET/CTおよび頚部造影CTを施行した。頚部画像について、単純PET/CT画像(PET・単純CT・単純PET/CT融合画像)、造影CT画像、造影PET/CT画像(PET・造影PET/CT融合画像)を画像診断医が読影し、頚部リンパ節転移を評価した。手術適応がある症例は、最終検査後2週間以内に手術が施行された。手術症例では頚部リンパ節の病理診断を確定し、手術症例以外では少なくとも6ヶ月の臨床経過観察と画像診断による経過観察をもって確定診断とした。4名の読影医(専門医2名と非専門医2名)がそれぞれの画像を2回読影した結果を、PET/CTと造影CTとで比較すると、PET/CTの方がinter-observer variationとintra-observer variationが小さい、すなわちどの読影医が診断しても結果が一致する傾向がみられた。診断結果が一致するということは、PET/CTの診断基準が明確で評価方法として優れていることを示唆する。頭頚部癌の病期診断におけるPET/CTの有用性をさらに裏付ける結果となった。本研究では,頭頚部癌の病期診断における造影PET/CTの有用性について検討することを目的とする。臨床的に頭頚部癌が疑われ,生検(もしくは手術)によって組織学的確定診断の得られた治療前症例に対して,全身PET/CT,頚部MRI,頚部エコーを施行した。単純PET/CT画像(PET・単純CT・単純PET/CT融合画像),造影CT画像,造影PET/CT画像(PET・造影PET/CT融合画像),頚部MRI画像をそれぞれ2名の画像診断専門医の合意に基づいて読影し,臨床病期分類を決定した。臨床病期分類は"TNM Classifioation of Malignant Tumours,6th Edition"に基づいて決定した。手術適応がある症例は,最終検査後2週間以内に手術が施行された。手術症例では術後臨床病期分類を確定し,術前臨床病期分類と比較検討した。手術症例以外では少なくとも6ヶ月の臨床経過観察と画像診断による経過観察をもって確定診断とした。本研究の予定症例登録数は60例であるが,平成19年度は20例登録した。20例での診断結果から,「頭頚部癌の病期診断における造影PET/CTの初期経験」として第54回米国核医学会で報告した。またPET/CTでは頭頚部だけでなく全身の評価が可能なため,腰部臓器,特に副腎病変について検討し,「副腎病変の診断における造影PET/CTの有用性を第93回北米放射線学会で発表した。臨床的に頭頚部癌が疑われ、生検(もしくは手術)によって組織学的確定診断の得られた治療前症例(42例)に対して、全身PET/CT、頚部MRI、頚部エコーを施行した。単純PET/CT画像(PET・単純CT・単純PET/CT融合画像)、造影CT画像、造影PET/CT画像(PET・造影PET/CT融合画像)、頚部MRI画像をそれぞれ2名の画像診断専門医の合意に基づいて読影し、臨床病期分類を決定した。臨床病期分類は"TNM CIassification of Malignant Tumours, 6th Edition"に基づいて決定した。手術症例では術後臨床病期分類を確定し、術前臨床病期分類と比較検討した。また頭頚部、特に副鼻腔疾患の画像についてPET/CT、頚部MRI、頚部CTの有用性を検討し、第94回北米放射線学会で発表した。

診断結果が一致するということは、PET/CTの診断基準が明確で評価方法として優れていることを示唆する。頭頚部癌の病期診断におけるPET/CTの有用性をさらに裏付ける結果となった。
Mo/W混合金属巨大球状ポリ酸の溶液内安定性の評価と分解生成物の解明

直径約3nmの大きさをもち、正二十面体対称性を示す球状132核ポリモリブデン酸イオンは、触媒への応用や、複合酸化物の出発原料として注目されている。しかし、溶液中での存在状態や安定性が不明であることが、この系の理解を妨げてきた。本研究では、様々な割合でMoとWを混合して合成した132核ポリ酸イオンについて、紫外可視吸収スペクトルとX線小角散乱の温度・時間依存性を同時測定することにより、安定性の評価と分解生成物の構造決定を目指す。本研究の成果は、球状132核ポリ酸の特長を生かした高耐久触媒の開発や、分解過程における中間生成物を活用した新規複合酸化物の設計への指針を与えると期待される。
光遺伝学による神経回路と行動の解析

線虫の温度に対する学習行動をモデル実験系とし、新しい光遺伝学ツールの導入と評価を行うことで、これまで解析が難しかった、行動中の神経回路における活動動態とそれによる行動制御メカニズムの一端を明らかにした。特に、線虫の特性を活かして厳密な行動実験を実現する実験系を構築し、神経活動や行動を同時計測している最中に光遺伝学の利点を活用することで、神経活動を制御した。これらの解析により、AFD感覚神経細胞における感覚シグナルと行動の関係や、AIYおよびRIA介在神経細胞で観測される確率的な神経活動の機能解明を進めた。線虫は体が透明なためオプトジェネティクスを適用し易い実験系であるが、青色光が行動に影響を与えることが知られているため、channelrhodopsin2を用いた行動実験は制限がある。これを解決するために、動作波長が長い、もしくは行動に影響を与えない新規のオプシンを用いて行動中の神経活動を制御することで、行動を制御する神経回路の解明を進めている。これまでに緑色光で動作するchannelrhodopsin green receiver (ChRGR)とChR2(C1V1)、さらに短時間の青色光照射で作動するChR2(C128S)も導入し、それらを温度受容神経細胞であるAFDへ発現させることに成功した。これらのチャネルロドプシンの動作を神経活動レベルで確かめるために、遺伝的にコードされたカルシウムセンサーであるGCaMP3も同時にAFDへ発現させ、カルシウムイメージングを行いながら神経活動の制御を試みた。ChRGRとChR2(C1V1)は有意な神経活動の上昇が見られなかったが、ChR2(C128S)は光刺激により有意な活動上昇が見られた。ChR2(C128S)は青色光でON、黄色光でOFFになるオプシンで、ONの状態は数時間以上続くことが論文で報告されている。カルシウムイメージングで神経活動の状態を測定すると、ChR2(C128S)はAFD神経細胞で発現させた場合、1秒程度の青色刺激に対してONの状態が続く時間は数分(5, 6分)程度であることが確認された。これらのことから、少なくともChR2(C128S)を使うことで、短い青色励起光によりAFD神経細胞をON状態に数分間保つことができ、これにより青色光の影響を与えずに行動実験を行えることを確認した。平成24年度神経活動が行動をどのように制御しているのかを理解するために、神経細胞の接続関係が完全に分かっている線虫にオプトジェネティクスを用いることで、特定の神経細胞の活動と行動変化の関係を調べることを目的とした。一般に神経活動の興奮に用いられているchannelrhodopsin-2 (ChR2)は470nm程度の青色光で励起されるが、一方で青色光自体が線虫の行動に影響を与えることも知られている。このチャネルロドプシンを使った行動実験での青色光の影響を回避するため、改変型チャネルロドプシンchannelrhodopsin green receiver (ChRGR)を用いることを検討した。ChRGRは505nmをピークとした緑色光により励起されるため、青色光に比べて線虫の行動に与える影響が少ないと考えられた。線虫ゲノムにコドンオプティマイズさせたChRGRの配列を、線虫の温度受容神経細胞であるAFD特異的に発現させることが知られているプロモーターにつなげたDNAコンストラクトを作成し、これを導入することでChRGRをAFD神経細胞に発現させたトランスジェニック系統を作成した。また同時に緑色光自体が行動に影響するかどうか、温度勾配上で観察される温度走性行動を利用して、緑色光の影響を調べた。2 mW/mm×2程度の強い光を連続で照射した場合、緑色光でも行動に影響を与えるが、パルス光を使うことでこれが回避されることが分かった。青色光を使う場合、パルス光にしても行動異常(好冷性の温度走性)が見られたため、青光よりも緑色の方が行動に対する影響が少ないと考えられた。今後、AFD神経細胞にChRGRを発現させた個体と緑色パルス光を用いてAFD神経細胞の活性とその行動への影響を検証する予定である。これまで主に感覚神経細胞であるAFD神経細胞で確立してきたオプトジェネティクスによる神経活動の操作を、介在神経細胞であるRIA神経細胞に適用することで、調べることが難しかった介在神経細胞の機能解明を進めた。RIA神経細胞特異的に光依存性プロトンポンプであるArchを発現させた線虫系統を作成し、温度勾配上で自由行動する線虫個体に対して光刺激を行い、神経活動と行動を計測した。神経活動計測には遺伝的にコードされたカルシウムインディケーターであるGCaMPを用い、RIA特異的にGCaMPとArchを発現させた線虫を用いた。この線虫は光刺激がない場合は確率的な神経活動を示し、黄色光刺激によりその活動が抑制された。RIA介在神経細胞の活動制御とその計測は世界で初めて実現することができ、Archによる神経活動の抑制が光刺激により速やかに実現できることが確認された。この線虫系統を用いて、自由行動下で黄色光刺激によるRIA特異的な神経活動の抑制を行い、行動の変化を定量的に計測、解析した。当初の予想と異なり、RIAの長時間の抑制は温度勾配上で培養温度へと移動する温度走性行動は抑制せず、常に光刺激のある条件でも一時間後に培養温度へと移動した。そこで、より細かな行動の変化を捕らえるため、短時間の光刺激に対する、方向転換や体の屈折制御などの細かい行動を解析した。

神経活動と行動の同時計測を実施すると、黄色光刺激により神経活動が低下することと、それに伴い首の屈折に偏りがあることが示唆された。首部分の微妙な制御による方向の決定は、移動する際に決定的な影響があるため、この微妙な制御にRIA介在神経が関わることで、温度走性を含む探索・意思決定を制御していることが予想される。線虫の温度に対する学習行動をモデル実験系とし、新しい光遺伝学ツールの導入と評価を行うことで、これまで解析が難しかった、行動中の神経回路における活動動態とそれによる行動制御メカニズムの一端を明らかにした。特に、線虫の特性を活かして厳密な行動実験を実現する実験系を構築し、神経活動や行動を同時計測している最中に光遺伝学の利点を活用することで、神経活動を制御した。これらの解析により、AFD感覚神経細胞における感覚シグナルと行動の関係や、AIYおよびRIA介在神経細胞で観測される確率的な神経活動の機能解明を進めた。27年度が最終年度であるため、記入しない。分子遺伝学、神経科学新規オプシンタンパクを目的の神経細胞で発現させることに成功し、その動作確認を行うことができた。これまで青色光による忌避行動の影響避けることができなかったため、行動制御に関わる実験は難しかったが、本研究の結果により、忌避行動を引き起こす事なく行動中の神経活動制御も可能になることが期待できる。ChR2(C128S)がAFD神経細胞で少なくとも5分程度は活性化することを確認しているので、1秒程度の短い青色光を照射した後、刺激を与えない状態で5分程度の行動を観測することで、光による忌避行動の影響がほとんどない状態でAFDの活動による行動変化が計測できると考えられる。さらに、光による制御が確認できなかったオプシンについても、オプトジェネティクス研究を進める上で技術的に重要な点が明確になっており、遺伝子導入方法を工夫することで機能する可能性も示唆されてきた。また、当研究室のカルシウムプローブを用いた神経活動計測から、これまで分かっていなかったRIA介在神経細胞の応答特性が明らかになってきた。介在神経細胞は接続関係が複雑であることが多く、活動のパターンも直感的に分かりにくいものであることが多いため、本研究による特異的な神経活動制御の有効性が活かせる実験系である。オプシンタンパクを用いた神経活動の光制御と合わせて、RIAに関する神経回路動態の知見を詳細に調べることで、これまで手付かずであった介在神経細胞の機能解明が進むことが期待できる。本研究では既にハロロドプシンと比べて抑制効果の高いArchやArchTを利用することで、自由に行動している線虫におけるRIA神経活動を抑制し、その行動への影響を計測する実験を進めている。この実験系はカルシウムイメージングによる計測と、オプシンによる光活動制御によって初めてアプローチできる対象であり、本研究で進めてきた研究の大きな成果が得られると期待できる。本研究は最先端の光遺伝学的手法を駆使して、温度走性行動を制御する神経回路の情報処理機構を解明することを目的とする。従来のチャネルロドプシンの問題点を克服するために、近年、性質や機能の異なる光遺伝学解析のためのタンパク質が競って開発されてきたが、実験に使用できるかどうかの検証は未だなされていない。今年度は、改良型チャンネルロドプシン実際の実験に活用するために、光照射条件の詳細な検討を行った。