hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
遺伝子欠損マウスとホメオボックス・分子モーター遺伝子解析による難聴発症機構の解明

難聴発症機構の解明には、難聴遺伝子により、ヒト側頭骨にどのような変化が生じるかを検討することが必要である。現在までに難聴遺伝子変異が同定されたヒト側頭骨病理研究で、信頼されるデータの報告は、わずか2編に過ぎない。この内の1編が、研究代表者が、ミトコンドリア遺伝子変異によるMELAS症例の詳細なヒト側頭骨病理として、世界で初めて報告した(Laryngoscope,2003)ものである。また、これらの病理標本の細胞レベルから、DNAを抽出して遺伝子変異を解析する研究として、レーザーキャプチャー・ダイセクションとTaqMan PCR法を用いる研究に着手した。本研究の目的は、遺伝子変異が明確にされている実験動物と遺伝性難聴症例を対象にして、感音難聴の発症機構を解明することにある。実験動物としては、難聴遺伝子である分子モーター遺伝子と耳の発生に関与するホメオボックス遺伝子変異マウス、レプチン遺伝子のノックアウトマウスの聴覚、内耳組織の解析を行う。さらに、遺伝性難聴症例において、これらの難聴遺伝子変異の有無を検討し、分子モーター障害による難聴発症とホメオボックス遺伝子による耳の発生・形成のメカニズムを解明する。ヒトでは、第1鰓弓由来による外耳・中耳・内耳障害(Branchio-Oto症候群)、さらに腎障害が加わったBranchio-Oto-Renal症候群の原因遺伝子であるEYA遺伝子はホメオボックス遺伝子であるSIX1遺伝子と共同して機能することが知られている。本研究で、Six1ノックアウトマウスでは内耳の発生・分化がみられず、Six1遺伝子は内耳発生に必須であると証明した。また、本研究で、Branchio-Oto症候群において、EYA1遺伝子変異のみならず、SIX1遺伝子変異も同定された。Six1ノックアウトマウスでは内耳の発生自体が障害されるが、ヒトにおいては比較的軽微な障害である点は、遺伝子型-表現型を考慮する際に重要なデータとなる。レプチン遺伝子のノックアウトマウスは、肥満と糖尿病を発症し、野生型に比較して、難聴が早期に出現する。難聴が同定される時期において、光学顕微鏡による観察では感覚細胞、ラセン神経節、血管条の障害は観察されず、今後の研究継続により難聴発症の責任部位と遺伝子変異との関連を検索する予定である。
2次、および高次Wiener汎関数の振動積分型期待値の漸近挙動の研究

高次のWiener汎関数を位相関数とする振動積分型期待値の漸近挙動の研究を目標として念頭におきつつ、特に2次の場合について具体的な対象をexactに計算することによって、その性質を調べている。現段階では、2次の汎関数を位相として持つ場合に、上記の量がグラスマン多様体上の点と対応し、その上の力学系を記述すること、ソリトンに関係した方程式など、非線型な微分方程式との関係があることが分かっており、また他の確率論的な問題とも関係するいくつかの具体的な例が計算されている。特に本年度は、2次の場合で、かつ有限次元的な構造を持つとき、この量を複素関数と見たときの全平面解析性から、有限次元行列式による記述が容易に導かれることが分かり、現在、仮採択論文を改訂審査投稿している。次年度はここまでの情報をふまえて、3次以上の位相関数を持つ場合の具体例を探していくことが主目標となるだろうと考えている。
研削砥石の被削性に関する研究

砥石の被削性に関する本研究は砥石製造(形成焼結)後の歪除去作業及び研削作業後の形崩れ矯正作業の高能率化の基礎研究として行われたもので、超硬合金、焼結CBN及び焼結ダイヤモンド工具など最新の超硬質切削工具を用いたWAビトリファイド砥石(円筒状)の一連の外周旋削実験によって砥石の切削成形がどの程度可能であるかを追求するとともに、適正な切削加工条件について明らかにしたものである。研究内容としては切削抵抗、工具摩耗、加工面粗さ等、および振動解析が主なもので、他に切りくず生成状態の観察なども行われた。このような特性が、切削工具の材質・形状、被削砥石の結合度、切削加工条件(切削速度、切込み、送り等)によりどう変化するかを調べている。得られた結果は次のようである。(1)超硬工具の場合は全般的に摩耗が大きいが、KOI工具は比較的耐摩耗性が大きく、特に切削速度を低くすることによって切削成形の可能性がある。(2)工具摩耗は切削速度の上昇に伴い約50m/minから急激に増大する。工具摩耗を低く抑えるためには工具すくい角を負にとることが望ましい。(3)切削速度の上昇につれ切削抵抗は高くなるが、比エネルギーは通常わずかながら低下する。(4)CBN工具では工具摩耗は少ないが、微細なチッピングが生じ易い。このチッピング発生を抑制するためには、大きな負のすくい角にすることが望ましい。またダイヤモンド工具ではノーズ半径の大きい丸こまバイトの使用が決定的に有効である。(5)FFT装置による切削工具の振動解析の結果、砥石切削に特徴的な振動は検知できないが、極低速切削時の塊状切りくず生成に一致する低周波成分が認められた。(6)切りくずは一般に塊状であり切込み、速度の増加につれ小さくなる。(7)砥石の静的せん断・圧壊試験結果と切削試験結果とは比較的よく一致する。最終年度の研究として、(1)切削における切りくず生成および工具摩耗のメカニズム、(2)切削に伴う振動解析、(3)切削特性に及ぼすノーズ半径・アプローチ角及び切削液の影響、(4)ダイヤモンド工具による切削実験(追加)、及び(5)丸こまバイトの性能について実施された。先ず(1)の研究として切りくず生成の顕微鏡観察、SEMによる工具先端近傍の摩耗状態の観察、ならびに砥石片のせん断試験及び圧壊試験によるシミュレーションが行われた。その結果、連続型切りくずは無く、全て粒(塊)状で切込みや切削速度が高いほど粒径が小さいこと、そして切削試験結果がせん断試験や圧壊試験の結果と比較的よく一致することが分かった。(2)の研究ではFFT装置により切削に伴う振動波形の周波数解析が種々の切削条件に対し行われた。その結果、1mm/min以下の切削速度で低周波成分が多くみられるのに対し、これ以上では特に大きい周波数成分は認められない。(3)の研究において、先ずノーズ半径が大きくなると切削抵抗(特に主分力成分)が高くなるが工具摩耗量では差がないこと、アプローチ角が15°から45°になるにつれ切削抵抗、フランク摩耗は共に増大すること、さらに切削液の供給によりフランク摩耗が多少低減することが分かった。次に(4)の研究、すなわちダイヤモンド工具(焼結バイト)による切削実験が種々の切削条件で行われた。その結果、10m/min程度の低速域では超硬工具やCBN工具に比べ摩耗は多少多いが高速化によっても摩耗は増えないことが分かった。
レベルセット法による移動境界問題の数値解析

時間変化する自由境界の運動を求める移動境界問題に対する実用性・汎用性・信頼性をバランスよく兼ね備えた数値解法の開発を行った。具体的には、自由境界からの符号付距離関数の有限要素近似・差分近似を利用したレベルセット法をもとに、次のような改良・数値シミュレーションによる解析・理論解析を行った。1.離散版最大値原理に基づくレベルセット法の解析を行い、自由境界の運動をレベルセット法により数値的に捉えるためのメッシュサイズと時間ステップの満たすべき必要条件を導いた。また、その必要条件のもとで、提案している離散化方程式を実現する効率的なアルゴリズムを提案し、そのアルゴリズムがもとの離散化方程式と同等であることを証明した。(信頼性・実用性)2.離散化方程式及びアルゴリズムが次元に依存しない多次元拡張性を持つことに加え、様々な移動境界問題に対し具体的な数値計算を行い、今回のレベルセット法がある程度の汎用性を持つことを確かめた。具体的には平均曲率流問題・2相ステファン問題・1相外部へレショウ問題などについて、数値計算アルゴリズムを提案し、数値シミュレーションを行った。(汎用性・実用性)これらの研究成果により、符合付距離関数を用いたレベルセット法が実用性・汎用性・信頼性をバランスよく兼ね備えた移動境界問題の有望な数値解法であることがわかった。また、今後の安定性・収束性などの数学的基礎付けに展望が開かれ、更に高い汎用性を持たせる方向へもつながるものと考えている。
遺伝子治療をめざした新しい骨再生療法の開発

今年度は次のような実験を行い、以下の結果を得た。1.骨再生過程における間葉系幹細胞の性状の解析マウス大腿骨骨幹部に直径2.2mmの円形の骨欠損を作製し,同部において増殖能を有する細胞の出現時期と分布をBrd Uの取込みで組織学的に解析した。その結果,骨再生3日目からBrd Uを取込む細胞が急増する事が明らかとなり,この時期に間葉系幹細胞が増加している事が示唆された。2.骨再生過程における遺伝子発現の変動上記実験と同じ骨再生モデルを用いて骨再生過程におけるALPとオステオカルシンmRNAの変動をノーザンブロツト法で解析した。その結果,骨再生4日目でALP mRNAの発現が上昇し,5日目でオステオカルシンmRNAが上昇することが明らかとなった。3.上記2つの実験より,我々の実験系では骨再生4-5日目に間葉系幹細胞が増加していることが示唆されたので,現在正常の骨と骨再生5日目で発現レベルの異なる遺伝子をcDNAチップを用いて解析中である。4.マウス頭頂骨に直径2.2mmの骨欠損を作製し,欠損部にアデノウイルスを用いてCbfa1,BMP-2遺伝子を過剰発現させた細胞を担体に付着させ,移植した。その結果,BMP-2遺伝子を過剰発現させた細胞を移植すると骨再生が促進することが明らかとなった。Cbfa1を過剰発現させた時は明らかな骨再生促進効果は確認できなかった。1.骨再生評価法の確立2.PGSとrhBMP-2および細胞複合体の作製法と移植法直径4mmの円板状にトリミングしたPGSにrhBMP-2を添加したもの(PGS/BMP)とrhBMP-2を添加しないもの[PGS(-)]を作製し,これらを骨欠損部に移植した。さらに,PGS/BMPまたはPG(-)上で新生仔ラット頭蓋冠から採取した骨芽細胞様細胞を24時間培養し,それらを骨欠損部に移植後の骨再生の程度を上記方法で解析した。その結果、PGS/骨芽細胞様細胞複合体を骨欠損部に移植するとPGSのみの移植に比べて骨再生が促進された。また、PGS/BMP-2を移植すると骨再生が著明に促進された。PGS/BMP-2/細胞複合体の移植は、担体/BMP-2の移植より骨再生を促進する傾向が見られたが、pQCTで定量的に解析したところ有意な差ではなかった。しかし、BMP-2の添加量が少ない場合には、担体/BMP-2/細胞複合体の移植は、担体/BMP-2の移植より有意に骨再生を促進した。これらの結果より、担体/BMP-2/細胞複合体の移植は有効に骨再生療法となる可能性が示唆された。1.骨再生過程における間葉系幹細胞の性状の解析マウス大腿骨骨幹部に直径2.2mmの円形の骨欠損を作製し、同部において増殖能を有する細胞の出現時期と分布をBrdUの取込みで組織学的に解析した。その結果、骨再生3日目からBrdUを取込む細胞が急増する事が明らかとなり、この時期に間葉系幹細胞が増加している事が示唆された。2.骨再生過程における遺伝子発現の変動上記実験と同じ骨再生モデルを用いて骨再生過程におけるALPとオステオカルシンmRNAの変動をノーザンブロット法で解析した。その結果、骨再生4日目でALP mRNAの発現が上昇し、5日目でオステオカルシンmRNAが上昇することが明らかとなった。3.上記2つの実験より、我々の実験系では骨再生4-5日目に間葉系幹細胞が増加していることが示唆されたので、現在正常の骨と骨再生5日目で発現レベルの異なる遺伝子をcDNAチップを用いて解析中である。

4.マウス頭頂骨に直径2.2mmの骨欠損を作製し、欠損部にアデノウイルスを用いてCbfa1,BMP-2遺伝子を過剰発現させた細胞を担体に付着させ、移植した。その結果、BMP-2遺伝子を過剰発現させた細胞を移植すると骨再生が促進することが明らかとなった。Cbfa1を過剰発現させた時は明らかな骨再生促進効果は確認できなかった。
歯周組織の再生におよぼす新規ヘパラン硫酸プロテオグリカンに関する研究

シンデカンは、1988年にBernfieldらのグループによって発見された新規のプロテオグリカンで、ヘパラン硫酸やコンドロイチン硫酸を側鎖にもつ細胞膜貫通型のコア蛋白質である。ヘパラン硫酸は歯肉、歯根膜、歯槽骨の主要な細胞外基質成分で、歯肉溝滲出液中にも見い出されるが、シンデカン遺伝子の研究は日が浅く、ヒト口腔組織において遺伝子レベルでの動態を調べた文献はない。オステオカルシンmRNAは歯根膜、骨肉腫細胞に発現していたが歯肉細胞には発現していなかった。シンデカンmRNAは全ての細胞に発現していた。歯根膜細胞をアスコルビン酸存在下で長期間培養するとアルカリホスファターゼ活性は経時的に増加し20日後最高に達したが、これらの細胞から逐次RNAを抽出しRT-PCR法を行うと未分化な細胞と同様高度に分化した細胞においてもシンデカンmRNAが発現していた。次にRT-PCR法の結果、歯根膜細胞から検出されたPCR産物をベクターにサブクローニングし塩基配列を検索すると、ヒトシンデカンmRNAと完全に一致し歯根膜細胞がシンデカン遺伝子を発現していることが確認できた。以上の結果は、歯根膜細胞におけるシンデカンの存在を示唆し、歯根膜細胞の機能を追究する上で新たな展開を示すものと思われる。
中枢内食塩負荷時のバゾプレッシンとオキシトシン産生ニューロンの相互作用の解明

高調食塩水中枢内投与時の昇圧反応が、ニューロン活性に与える影響の検討:我々は、投与食塩水濃度が0.67Mまでは濃度依存的にFosの発現が増加するが、1.0Mを投与すると逆に減少傾向を示すことを報告した。0.67Mと1.0Mの濃度の食塩水投与時の昇圧反応は17.0±3.1mmHgと26.5±4.0mmHgと有意に上昇していることから、より大きな血圧上昇が逆にニューロンの活性を抑制しているものと推測される。そこで、ニトロプルシッド(SNP)を同時に末梢に持続注入しながら1.0M高張食塩水投与時の昇圧反応を打ち消しあった時(高張食塩水投与時の昇圧度は-3.4±3.8mmHgへ低下)のFos発現を検討した。以前の報告では、Fos発現の増加が、降圧時に視床下部のニューロンも含めてみられるとされる。しかし、我々結果からは、高張食塩水脳室内投与時の昇圧反応を打ち消しても、それぞれの領域において予想に反して減少していた。したがって1.0M高張食塩水投与時のFos発現減少は、昇圧反応のみでは説明が難しく、それ以外の因子、例えばストレスによるものも考慮する必要がある。現時点では判定に十分な数の結果を得ていないが(降圧反応にラットの個体差が大きいため)、0.67Mの高張食塩水投与時に、より緩やかな降圧反応を引き起こすミノキシジル(minoxidil)と即効的な降圧を引き起こすSNPをそれぞれ投与した時の視床下部のFos発現の違いも検討してみた。これは、降圧のストレスとしてはSNP投与のほうがより大きいと仮定した。0.67Mの高張食塩水投与時の昇圧度はミノキシジル末梢投与時:-3.7±1.9mmHg、SNP末梢投与時-7.9±0.7mmHgに低下している。SNP投与時にFos発現の減少傾向がより大きいことから、ストレス反応による抑制も考慮に入れる必要があると考えられた。心不全モデルラットにおけるPVN、SONニューロンの活性とそれに対する内因性バゾプレッシン系の影響:心不全モデルラットを作成し、中枢内浸透圧受容部位を刺激した際のSON、PVNのニューロンの感受性がどのように変化しているかを検討した。さらに、内因性のバゾプレッシン系による活性修飾も検討した。心不全モデルラットは左冠動脈前下行枝を開胸直視下に結紮し、3週間以上の回復期をおいた慢性心不全ラットを作成し実験に用いた。Fosの評価はPVNはPVM : medical(OTニューロンが優位に分布する)、PVL : lateral(AVPニューロンが優位に分布する)、PVDC : dorsomedial cap(脊髄に投射するニューロンが存在する)、e-PVN : entire(それ以外も含めたPVN全体)の部位に分け、比較検討した。正常ラットの脳室内に0.67Mの高張食塩水を投与した際のFos発現を検討するとバゾプレッシンV_1レセプター拮抗薬の前投与により、脊髄へ投射し自律神経の出力に影響するPVDCのニューロン活性が有意に増強した。すなわち、内因性バゾプレッシン系は交感神経の出力に影響し、抑制的に作用している可能性がある。しかし、慢性心不全モデルラットの結果ではその有意な抑制が消失している。したがってこの結果から、慢性心不全状態で交感神経系が亢進状態にあるとの報告との関連が示唆される。

心不全モデルラットにおけるPVN、SONニューロンの活性とそれに対する内因性バゾプレッシン系の影響:心不全モデルラットを作成し、中枢内浸透圧受容部位を刺激した際のSON、PVNのニューロンの感受性がどのように変化しているかを検討した。さらに、内因性のバゾプレッシン系による活性修飾も検討した。心不全モデルラットは左冠動脈前下行枝を開胸直視下に結紮し、3週間以上の回復期をおいた慢性心不全ラットを作成し実験に用いた。Fosの評価はPVNはPVM : medical(OTニューロンが優位に分布する)、PVL : lateral(AVPニューロンが優位に分布する)、PVDC : dorsomedial cap(脊髄に投射するニューロンが存在する)、e-PVN : entire(それ以外も含めたPVN全体)の部位に分け、比較検討した。正常ラットの脳室内に0.67Mの高張食塩水を投与した際のFos発現を検討するとバゾプレッシンV_1レセプター拮抗薬の前投与により、脊髄へ投射し自律神経の出力に影響するPVDCのニューロン活性が有意に増強した。すなわち、内因性バゾプレッシン系は交感神経の出力に影響し、抑制的に作用している可能性がある。しかし、慢性心不全モデルラットの結果ではその有意な抑制が消失している。したがってこの結果から、慢性心不全状態で交感神経系が亢進状態にあるとの報告との関連が示唆される。高調食塩水の中枢内投与時のバゾプレッシン(AVP)、或いはオキシトシン(OT)産生ニューロンの活性の検討:免疫組織化学的に、Fos陽性細胞とAVP、或いはOT産生ニューロンとの二重染色によって検討した。中枢内高調食塩水投与時に誘導される中枢内バゾプレッシン系の影響を、側脳室内へバゾプレッシンV_1レセプターアンタゴニストの前投与で中断すると、室傍核(PVN)では両ニューロンともにFos蛋白陽性細胞の割合が有意に増加したが、視索上核(SON)ではOTニューロンにおいてFos蛋白陽性細胞の割合が有意に減少した。同時に末梢血中のAVPやOTの濃度を測定し、vehicle投与群と比較すると、バゾプレッシンV_1レセプターアンタゴニストの前投与で末梢血中のOT濃度が有意に減少した。中枢内のバゾプレッシン系は、オキシトシン系等のinteractionが存在することが判明した。一方、中枢内高調食塩水投与時に誘導される中枢内オキシトシン系の影響を、側脳室内へオキシトシンレセプターアンタゴニストの前投与で中断した際の影響は、現在検討中である。高調食塩水の中枢内投与時に見られる昇圧反応が、ニューロン活性に与える影響の検討:現在までの報告では、血圧の変化(昇圧や降圧)がPVNやSONのニューロン活性に影響を与えることが示されている。しかし、我々の実験系には浸透圧あるいはNaの影響によるものと、2次的な昇圧反応によるものが含まれていると考えるのが妥当である。そこで、研究計画には含めていなかったが、昇圧反応を薬理学的に減弱した状態で、各種の濃度の高調食塩水を中枢内に投与した際のニューロンの活性も検討項目に加えた。以前の結果から0.3M、0.67M、1.0Mの高調食塩水投与時の昇圧度は判明しているので、それを打ち消すように末梢循環へ血管拡張薬のハイドララジン(HDZ)投与量を調整した。現在、0.67Mの高調食塩水投与時の昇圧反応をHDZで減弱した際の脳弓下器官(SFO)、AV3V域の正中中心核(MnPO)と終板器官(OVLT)、PVNとSON、さらに最後野(AP)のニューロン活性を検討している。
パプアニューギニア無医地区におけるヘルスカバレッジ向上に資する医療サービスの解明

ユニバーサル・ヘルス・カバレッジ(UHC)は、2012年の国連総会にて全会一致で採択された地球規模の開発目標である。2030年までに達成すべき開発アジェンダである持続可能な開発目標のターゲットにも含まれており、資源制約のある開発途上国においては、供給する医療サービスの範囲とその質を定めることが急務である。そこで、急性感染症と非感染性疾患の二重疾病負荷をかかえるパプアニューギニアの無医地区をモデルとして、実効性のある一次医療サービスの範囲と質を、人類学・医学・経済学を融合した学際的手法により解明する。
気道繊毛上皮細胞の分泌能

1.従来、気道分泌は、粘膜上皮の杯細胞、粘膜固有層の腺細胞によりおこなわれているとされてきたが、気道上皮を構成する細胞の多くは繊毛細胞であり、その異常は上・下気道を問わず気道の病態形成に重要な役割を果たしていると考えられる。まず、代表的なクロライドチャンネルであるCystic fibrosis transmembrane regulator(CFTR)抗体を用い免疫組織化学的検査をおこなった。結果、腺細胞だけではなく、繊毛上皮細胞管腔側に存在していることを確認した。2.次に、繊毛運動が保たれたモルモット気管上皮細胞を単離した状態で、正立鏡筒上下型のノマルスキー微分干渉顕微鏡を用い標的細胞を確認しながらパッチクランプを適用し繊毛運動のビデオ記録と同時にホールセルレコーディングが可能なシステムを開発した。3.このシステムを用い、β作動性、プリン作動性、コリン作動性刺激により活性かされるクロライドチャンネルが、気道繊毛上皮細胞に存在していることを証明した。4.気道繊毛上皮細胞のクロライドチャンネルの活性化は14員環マクロライド剤により抑制され、16員環マクロライド剤では変化を受けなかったことが認められた。5.アレルギーでみられる気道分泌の亢進は、腺分泌のみではく繊毛上皮細胞による上皮分泌も関与していることが示唆された。1.従来気道分泌は,粘膜上皮の杯細胞,粘膜固有層の腺細胞によりおこなわれているとされてきたが,気道上皮を構成する細胞の多くは繊毛細胞であり,その異常は上・下気道を問わず気道の病態形成に重要な役割を果たしていると考えられる。抗ヒトCFTR(cystic fibrosis fransmembrane regulator)抗体を用いて免疫組織化学的検索をおこなった結果,腺細胞だけではなく,繊毛細胞管腔側に存在していることを確認した。2.次に,繊毛運動が保たれたモルモット気管上皮細胞を単離した状態で,正立鏡筒上下型のノマルスキー微分干渉顕微鏡を用い標的細胞を確認しながらパッチクランプを適用し繊毛運動のビデオ記録と同時にホールセルレコーディングが可能なシステムを開発した。3.2.のシステムを用い,B刺激およびATPにより活性化されるクロライドチャネルが気道繊毛上皮細胞に存在していることを証明した。また,この両者が14員環マクロライド剤により抑制されることを発見した。1.繊毛運動が保たれたモルモット気管上皮細胞を単離した状態で,正立鏡筒上下型のノマルスキー微分干渉顕微鏡を用い標的細胞を確認しながらパッチクランプを適用しホールセルレコーディング可能なシステムを開発した。2.このシステムを用い,β作動性,プリン作動性,コリン作動性刺激により活性化されるクロライドチャネルが,気道繊毛上皮細胞に存在していることを証明した。3.気道繊毛上皮細胞のクロライドチャネルの活性化は14員環マクロライドにより抑制され,16員環マクロライド剤では変化をうけないことが認められた。4.アレルギーでみられる気道分泌の亢進は,〓分泌のみではなく繊毛上皮細胞による上皮分泌も関与していることが示唆された。
ブラストサイジンSの生合成変換

ブラストサイジンS(blasticidin S、BS)は、放線菌Streptomyces griseochromogenesの生産するシトシン型ヌクレオシド抗生物質で、抗カビ活性をはじめ種々の生物活性を有する。しかし、BSは化学的安定性や溶解性に欠け、化学反応による誘導体の調製が制限されている。本研究では、BSの生合成経路を利用した新規活性誘導体の調製を試みた。1)生合成前駆体利用における基質特異性の検討には、シトシン(CS)の5位(F,Cl,Br,Me)置換体を用い、生産菌の培養液中に添加して、対応する新規BS誘導体の生産を認めた。これらの誘導体は抽出精製の後、NMRスペクトルおよびマススペクトルの解析により化学構造を決定した。2)一方、BS生産菌は強いCS-デアミナーゼ活性を有し、前駆体の添加効果を著しく低下していることを観測した。本酵素は各種クロマトグラフイーにより精製し、分子量約36,000、至的温度45°C、の不安定な酵素で、Zn^<2+>やCu^<2+>等の金属イオンによる阻害を受けることが明かになった。3)BS生産菌の培養過程に各種金属イオンを共存させると、BS生産量の増加とCS-デアミナーゼ活性の抑制が認められ、Ba^<2+>やZn^<2+>の存在下にCSまたは5-Br-CSを添加すると、それぞれBS、5-Br-BSの生成比の増加が認められた。4)これらの過程で5-l-CSは生合成過程に取り込まれるが、生成した5-l-BSは分離操作中に徐々に分解し、単離することが出来なかった。BSとN-iodo-succinimideを反応すると、2-OH-3-l-BSを生成することが明らかになった。ブラストサイジンS(blasticidin S、BS)は、放線菌Streptomyces griseochromogenesの生産するシトシン型ヌクレオシド抗生物質で、抗菌活性、抗腫瘍性を有する。しかし、BSは化学的安定性や溶解性に欠け、化学変換による誘導体の調製が制限されている。本研究では、1)生産菌の変異処理による前駆体要求株の作成、2)生産菌の前駆体利用における基質特異性および許容性、を検討することにより、BSの生合成経路を利用した新規活性誘導体の調製を試み、成績体の活性を検討した。1)前駆体要求株の作成には、ニトログアニジン、メタンスルフォン酸エチル、UV照射により変異株を分離し、6株について前駆体としてシトシンの添加効果を認めたが、継代に伴う修復機能が著しく、安定した変異株を作成するには至らなかった。2)生合成前駆体利用における基質特異性の検討には、シトシン誘導体として、5位のF-、Cl-、Br、Me-置換体を用い、生産菌の培養液中にこれらを添加して検討を加え、生産菌の前駆体利用にかなりの許容性があることを認め、対応する新規BS誘導体を抽出・精製することが出来た。夫々の化学構造は、質量分析法およびNMRスペクトルの解析により決定した。また、5位l-誘導体は水溶性が低く、なお検討中である。3)上記誘導体の抗菌活性は、Cl->Br->F->BS>Me-体の順で、5位ハロゲン置換体に活性の増強を認めた。BS分解酵素のBS-deaminaseに対する作用は、F-体は阻害活性を示さなかったが、Br-、Cl-体で不拮抗阻害を、Me-体で非拮抗阻害を示した。4)前駆体の添加効果には、基質による変動が認められ、その原因を検索して、生産菌における強いシトシンデアミナーゼ活性の生産と前駆体の分解を観測した。現在、酵素の性質を検討し、阻害剤の添加による変換効率の改善を検討中である。
土壌の窒素循環における固定態アンモニウムの定量的把握

本年度の『土壌の窒素循環における固定態アンモニウムの定量的把握』の研究において,下記のことを明らかにした。1)固定態アンモニウムについて,まず農耕地での循環と収支の実態を詳らかにし,窒素代謝の諸過程を定量的に把握した。また,固定態アンモニウムの放出・固定および交換性アンモニウムイオンの化学平衡に及ぼす共存イオンのなかで,ナトリウムイオンの影響が最も著しかった。2)つぎに,微生物生態学的ならびに生化学的研究から,固定態アンモニウムの循環に関与する微生物フロラ中,硝化菌の窒素代謝素は窒素把肥沃度環境と相互関係をもつことを明らかにした。3)また,幾つかの土壌について,固定態アンモニウムと同じ反応の場をもち,固定反応に競合する固定態Kは,固定態アンモニウムとは,相互に密接な拮抗的な関係があった。4)これまでに得られた定量的なN循環に関する実験結果をもとに,土壌中の固定態アンモニウムのN代謝は,耕地生態系,とくに,21世紀にむけての環境調和型農業に対して重要な役割を果すと評価された。固定態NH_4^+の代謝・回転に関与する硝化菌、脱窒菌などの微生物フロラと無機態窒素の動態から、土壌の固定態NH_4^+は、これまでの知見に反して、かなり速く代謝循環し、固定態NH_4^+の大部分は硝化により粘土鉱物から放出された。また、それらの窒素は有機化反応と脱窒作用をうけずに土壌溶液に残存した(下図を参照)。さらに、固定態NH_4^+の放出と交換性NH_4^+の再固定態の平衡には、粘土鉱物の層間間隔を支配するKとCaの著しい関与は推察された。粘土鉱物を異にする3種の土壌に施用した植物残さより無機化されるNH_4^+の固定と放出等の代謝・循環を明らかにした。まず、既存の固定態NH_4^+、土壌有機態Nや交換性NH_4^+と新しく固定されたNH_4^+を識別するために、水耕栽培により^<15>Nで標識された稲わら(C%=37.00、N%=1.875、^<15>N atom % excess=19.7)を調製した。^<15>N標識稲わらを乾土100g当たり4.00gを添加し、土壌水分の最大容水量の60%である畑条件で30°C、28週間静置培養し、さらに、土壌に風乾処理(室温、45日)あるいは、熱乾処理(80°C、3時間)後に洗浄・培養(30°C、3週間)の操作を6回繰返した。これらの無機化過程中、稲わら由来N(^<15>N)の粘土鉱物の層間への固定速度、その固定されたNH_4^+の放出速度、さらにその後における^<15>Nの代謝循環を検討した。結果:1)静置培養により、無機化した稲わらNの内で固定される割合は、九大付属農場土壌(K:主要な粘土鉱物;メタハロイサイト/副成分;バ-ミキュライト)で1。4%)長野土壌(N:スメクタイト/カオリナイト)で0。5%)都城土壌(M:アロフェン/イモゴライト)で0。1%であり、きわめて小さかった。2)風乾処理によって、稲わらNの固定は無機化過程初期にわずかに増大し、その固定された割合はK:2.6%>N:1.2%>M:1.0%であった。3)風乾処理により脱水強度や無機化促進効果の大きい熱乾処理によって、稲わらNの固定は急激に増大し、その効果は初期に著しく大きく、培養後期まで継続して現われた。その固定割合は、N:8.2%>K:6.8%>M:2.4%であった。4)既存の固定態NH_4^+も含めた全N中、固定された稲わらNの占める割合は、熱乾処理で最も大きく、K:13.2%>N:4.6%>M:3.3%であった。5)無機化過程中、稲わらNの固定は、土壌の既存の固定態NH_4^+含量に直接的には関係なく、土壌の粘土鉱物の種類に影響され、また脱水強度によってNH_4^+の固定される程度は異なることが明らかにされた。植物に対する下層土からの窒素養分の供給割合を検討するため、土壌断面中の固定態NH_4^+の

垂直分布を測定した。その垂直分布パターンは、粘土の含量と種類、塩類濃度、有機物などが影響され、その固定態NH_4^+量よりかなりの割合で下層土の固定態NH_4^+から供給されると推察された、また、土壌中の固定態NH_4^+の動態は、共存するNaとKによっても強く影響された。本年度の『土壌の窒素循環における固定態アンモニウムの定量的把握』の研究において、下記のことを明らかにした。1)固定態アンモニウムについて、まず農耕地での循環と収支の実態を詳らかにし、窒素代謝の諸過程を定量的に把握した。また、固定態アンモニウムイオンの放出・固定および交換性アンモニウムイオンの化学的平衡に及ぼす共存イオンのなかで、ナトリウムイオンの影響が最も著しかった。2)つぎに、微生物生態学的ならびに生化学的研究から、固定態アンモニウムの循環に関与する微生物フロラ中、硝化菌の窒素代謝系は窒素肥沃度環境と相互関係をもつことを明らかにした。3)また、幾つかの土壌について、固定態アンモニウムと同じ反応の場をもち、固定反応に競合する固定態Kは、固定態アンモニウムとは、相互に密接な拮抗的な関係があった。4)これまでに得られた定量的なN循環に関する実験結果をもとに、土壌中の固定態アンモニウムのN代謝は、耕地生態系、とくに、21世紀にむけての環境調和型農業に対して重要な役割を果たすと評価された。
鉄貯蔵タンパク質フェリチンの集合体形成と細胞内輸送の制御機構

細胞質中で鉄を保存する構造を形成するタンパク質であるフェリチンは、微小管に依存して細胞内を輸送される。しかし、それに関わるモーター分子は同定されていなかった。そこで、哺乳類培養細胞から抽出した細胞質に存在するフェリチン結合タンパク質を探索した。その結果、微小管モータータンパク質分子であるキネシンがフェリチンと結合している可能性が示唆された。鉄はほぼ全ての生物種の生存に必須な微量金属であるが、遊離の鉄イオンはフリーラジカルの生産源ともなり、細胞の機能に障害を引き起こす。細胞質の鉄はフェリチンに貯蔵されることから、鉄の細胞内動態とフェリチンの細胞内分布には密接な関係が予想される。そこで、フェリチンの細胞内分布制御機構を明らかにするために、平成21年度はフェリチンの細胞内分布に細胞外鉄イオンが与える影響を、複数の細胞株を用いて詳細に観察した。その結果、大腸上皮ガン組織由来のCaco-2細胞を単層のシート状に培養した状態で、培養液に鉄イオンを添加すると、細胞内のフェリチンが複数の細胞間で同調して移動することを見出した。フェリチンは、コントロールの細胞では主に培養基質側(底部)の細胞質に分布するが、鉄イオンを添加して1日後には主に培養液側(頂部)の細胞質に分布するようになり、3日後に再び底部に分布していた。Caco-2細胞は生体内で鉄イオンの吸収を担っている腸上皮細胞に由来する株化細胞であることから、鉄イオントランスポータを発現していると考えられる。したがって、鉄イオンがまず頂部細胞膜から細胞質へと輸送され、その鉄イオンを取り込むためにフェリチンが頂部へと移動し、鉄が充填されたフェリチンが底部へと移動していると考えられる。このようなフェリチンの細胞内移動は、腸における鉄イオン吸収の仕組みを反映している可能性がある。また、肝ガン由来の株化細胞HepG2と同様に、Caco-2細胞でも培養液への鉄イオン添加に伴ってフェリチン集合体の形成が促進された。この結果は、フェリチンの集合体形成が鉄イオンに対する普遍的な細胞反応であることを示している。そこで、フェリチンの細胞内分布制御機構を明らかにするために、平成22年度はフェリチン結合タンパク質の探索を行った。フェリチンが細胞内で輸送されることが報告されているHepG2細胞をコンフルエントに培養し、低イオン強度溶液中でビーズ破砕機を用いて物理的に破砕した。その破砕液から高速遠心とフィルター濾過で大きな細胞断片や核を除き、細胞質画分とした。細胞質画分を分子量数百万Daの高分子が分画可能な樹脂をもちいて、サイズ排除クロマトグラフィーを行った。細胞質のフェリチンは、精製ウマフェリチン単量体よりも大きな分子量画分に溶出した。この画分に含まれる微小管モーター分子の探索をおこなったところ、抗キネシン抗体が反応したが、抗ダイニン抗体の反応は検出できなかった。これらの結果は、細胞内の微小管に依存したフェリチンの輸送には、微小管モーター分子の中でキネシンが関わっている可能性を示唆している。そこで、フェリチンの細胞内分布制御機構を明らかにするために、フェリチンに結合する微小管モータータンパク質の探索を行った。前年度は、HepG2細胞の細胞質画分をさらにサイズ排除クロマトグラフィーで分画し、フェリチンが最も多く含まれる高分子量画分に、分子サイズ上はその画分に含まれないキネシンが存在することを示した。そこで本年度は、細胞質中でフェリチンとキネシンが複合体を形成しているか否かを明らかにするために、免疫沈降法を用いた解析を行った。HepG2細胞の細胞質画分に抗フェリチン抗体を添加し、免疫沈降を行った。沈殿のウェスタンブロッティング解析を行ったところ、キネシンは検出されたが細胞質ダイニンは検出されなかった。キネシンがフェリチンとは無関係に沈殿している可能性があるため、抗フェリチン抗体で表面コートした磁性体ビーズを用いて、遠心分離を行わずに細胞質画分からフェリチンを回収した。磁性体ビーズを用いたフェリチン画分にもキネシンが検出された。これらの結果は、細胞内の微小管に依存したフェリチンの輸送には、微小管モーター分子の中でキネシンが関わっている可能性を強く示唆している。
三次元的な剥離流れによる偏平箱桁の流体力低減に関する数値流体解析および水槽実験

本研究では,橋梁に壁高欄を間欠的に設置することによって,剥離流の三次元的な挙動を作り出し,非定常流体力を低減する手法について,剥離流れの三次元性と流体力の変化を数値流体解析と水槽実験との両面から検討した。平成16年度は偏平長方形断面周辺流れの三次元性についてLESによる数値流体解析と水槽実験による可視化実験にPIVによる流速測定を取り入れて,非定常流耐力低減効果について検討を行った。平成17年度は,より実物に近い形状(偏平6角形断面)の桁について,壁高欄の間欠設置間隔と長さをパラメータとして非定常流体力の低減効果について検討した。(1)LESによる数値流体解析連続体力学ソフトウェアライブラリFOAMを用いたLES解析プログラムで,偏平6角形桁断面の解析を行い,既存の数値解析結果や風洞実験結果と比較し数値解の妥当性を確認した上で,壁高欄の間欠設置間隔と長さをパラメータとして検討し,LES解析による流れの可視化と流体力の算出を行った。(2)高欄周辺の剥離流の可視化実験水理実験用固定水路で流れの可視化実験を行った。PIVを用いて瞬間流速を求め,桁前縁からの剥離した流れが,高欄の上を乗り越える流れと高欄の横を過ぎる流れに分かれ,高欄の後方で複雑に干渉する様子が確認できた。また,可視化実験結果と(1)の数値解析結果と比較を行い,両者の結果が同様な流れ場となっていることを確認した。数値流体解析と水槽実験の両方で,間欠設置した壁高欄による流れの三次元的な動きを確認した。また,数値流体解析結果から,偏平長方形断面と同様にある特徴的な長さの間欠設置壁高欄により,非定常流体力が低減できることを確認した。橋桁の空力弾性振動の制御は構造力学的な対策と流体力学的な対策が考えられるが,流体力学の他の分野を見れば最近の競泳用水着のように表面の微細な形状変化によって,流体抵抗を低減している例などがあり,橋梁の空気力についても流体力学的に検討する余地があると考えられる。橋梁桁断面を簡略化した形状として偏平な角柱を対象として,その表面上に壁状の突起を設けることによって,剥離流れの三次元的な挙動を作り出し,剥離流れの形成に変化を与え,非定常流体力を低減しようとするものである。本研究では,ある吊橋の補剛桁から構造的に必要な部分だけを取り出したB/D=6.67の長方形角柱を基本断面として,角柱の前縁隅角部の内側上表面に壁を付け,これらの間隔や長さによる剥離流れの変化に着目して,数値流体解析および水槽実験による流れの可視化を行った。数値流体解析を行うために,5CPUのPCクラスターシステムと連続体力学ソフトウェアライブラリFOAMを導入し,LES解析システムを構築した。角柱周辺の流れ場の解析を行い,解析結果による流れの可視化と流体力の算出を行った。回流式固定水路で角柱の剥離せん断層内部の流れの可視化実験を水素気泡法で行い,PIVによる流速抽出を試みた。数値シミュレーション結果から,壁高欄を間欠設置することによって,剥離流の三次元性が強くなることを確認した。さらに水槽実験の水素気泡法による流れの可視化でも,数値シミュレーション結果と同様に,剥離流に強い三次元的な挙動が起こることを確認した。
竹の優れた機能に関する経験知・言い伝えの理論的解釈と新しい竹林資源利用技術の開発

我々の祖先は遥か昔から、竹の優れた構造的性質を「経験的に」認識し、生活のさまざまな場面で利用してきた。また災害の多い我が国では「地震がきたら竹林に逃げ込め」など、竹にまつわる先人の智恵が込められた含蓄のある言い伝えも数多く存在する。このような竹の優れた機能に関する経験知や言い伝えは、果たして自然科学的に正しく実証されうるのであろうか?もしこれらに正しい理論的解釈を与えられるならば、昔から知られた竹の潜在能力に、現代の工学的・化学的技術を付加した新たな価値が生み出されるのではないかと考えた。本研究ではまず、自然と共生する優れた構造・防災機能をもつ竹および竹林の性質として、これまで経験的に知られてきた事実や史実を科学的側面から紐解き、竹が私たちに教えてくれる「智恵」を理論的に実証する。さらにその知見の社会実装を念頭に、竹林資源の積極利用促進に向けた新概念材料の技術開発を目的として実施されるものである。初年度である2018年度は、3年弱の研究期間の準備段階として、これまでの研究代表者らの研究をベースに竹の構造力学的特性について独自の複合材料的観点から考察するとともに、バイオミメティック・バイオマス構造材としての利用可能性に関する検証を行い、並行して研究環境の整備などを行った。これにより、竹の維管束分布が剛性のみならず強度も非常に効果的に向上させていることなどが明らかとなった。さらにこの特性を活かした新しい構造材の開発を第2年度以降進めていく予定である。年度途中からの研究スタートにもかかわらず、理論研究、実験研究とも一定の進捗があり、第2年度に向けた予備段階としておおむね想定どおりのスタートを切ることができたと判断している。このことから上記区分と自己評価した。第2年度以降も研究代表者・研究分担者間で密に議論を行い、竹をベースとする新しい力学的付加価値を有する構造形態の概念を創出を目指す。今年度は実験装置の準備や、環境の整備などを他の研究経費も含め効率的に行ったため、次年度繰越が発生した。次年度は引き続き経費使用の効率化を進めつつ研究を進展させ、成果の外部公表を積極的に行っていく。また、研究目的を達成するために実験装置を含めた研究環境も整備し、そのための経費を使用していく予定である。
第一原理解析によるナノ薄膜の構造・機能的不安定性評価

超微小薄膜構造を持つ機能性材料の強度および機能性の低下機構を明らかにすることを目的とし,ナノスケール微小薄膜(一層/多層)構造を持つ強誘電体・強磁性体材料について,変形を受ける場合(機械的拘束条件)における原子構造の不安定性ならびに電気的・磁気的機能の不安定性を第一原理量子力学解析により検討した.本年度は強誘電体PbTiO_3の応力誘起ドメインスイッチングについて第一原理分子動力学シミュレーションを実施し,90度ドメイン壁移動の臨界せん断応力を定量的に評価(約150MPa)するとともに,Pb-O結合の再構成がドメインスイッチングを生じさせることを明らかにした.また,大規模な分子動力学シミュレーションのために必要な経験的シェルモデル原子間ポテンシャルを,第一原理解析結果にフィッティングすることにより構築した.得られたポテンシャルは,Pb(Zr,Ti)O_3の構造および弾性係数などをよく再現し,機械的特性のシミュレーションが可能であることが示された.磁性材料については,非金属基板上のニッケル鉄薄膜について,界面せん断強度の第一原理解析を行った.界面原子層の構造はスピン分極によって安定化されており,ずれに対するエネルギー障壁は高いが,隣接層のずれは分極の急激な変化を伴わず比較的小さなエネルギー障壁を持つことがわかった.さらに,薄膜や基板材料としてよく用いられる半導体材料について,ナノ多層膜で問題となる多軸応力下の限界応力を評価するため,臨界せん断応力(線断理想強度)に及ぼす垂直応力の影響を第一原理計算によって求めた.その結果,半導体結晶では垂直応力の影響は材料によって異なり,例えばシリコンやゲルマニウムでは静水圧圧縮応力がせん断理想強度を低下させることがわかった.超微小薄膜構造を持つ機能性材料の強度および機能性の低下機構を明らかにすることを目的とし,ナノスケール微小薄膜(一層/多層)構造を持つ強誘電体・強磁性体材料について,変形を受ける場合(機械的拘束条件)における原子構造の不安定性ならびに電気的・磁気的機能の不安定性を第一原理量子力学解析により検討した.本年度は強誘電体PbTiO_3を対象とし,(001)表面の面内方向自発分極およびPt/PbTiO_3/Pt多層膜の面外方向自発分極構造について,PbTiO_3の終端原子および面内ひずみが自発分極の不安定性に及ぼす影響を明らかにした.(001)表面では,TiO_2終端では面内強誘電分極のみが起こり(1x1)周期構造をとるが,PbO終端ではそれに加えてAFD回転が発生し(2x2)周期となる.[110]方向への分極が[100]方向よりも安定になることを見出すとともに,面内等方引張りにより分極が増大・AFD回転が抑制される(圧縮では逆)ことがわかった.非等方引張・圧縮により分極方向のローテーションが起こることも明らかとなった.また,Pt/PbTiO_3/Pt多層膜については,面外自発分極を起こすために必要なペロブスカイト層の最小厚さを求め,それが面内ひずみに強く依存する(引張りにより最小厚さが増大)ことを示した.基板材料としては,PbTiO_3の正方晶に近い格子定数を持つSrTiO_3が用いられることが多いが,この基板上に積層した多層膜を想定した場合,自発分極に必要な最小厚さはTiO_2終端では約24Å,PbO終端では約16Åであると求められた.超微小薄膜構造を持つ機能性材料の強度および機能性の低下機構を明らかにすることを目的とし,ナノスケール微小薄膜(一層/多層)構造を持つ強誘電体・強磁性体材料について,変形を受ける場合(機械的拘束条件)における原子構造の不安定性ならびに電気的・磁気的機能の不安定性を第一原理量子力学解析により検討した.本年度は強誘電体PbTiO_3の応力誘起ドメインスイッチングについて第一原理分子動力学シミュレーションを実施し,90度ドメイン壁移動の臨界せん断応力を定量的に評価(約150MPa)するとともに,Pb-O結合の再構成がドメインスイッチングを生じさせることを明らかにした.また,大規模な分子動力学シミュレーションのために必要な経験的シェルモデル原子間ポテンシャルを,第一原理解析結果にフィッティングすることにより構築した.得られたポテンシャルは,Pb(Zr,Ti)O_3の構造および弾性係数などをよく再現し,機械的特性のシミュレーションが可能であることが示された.磁性材料については,非金属基板上のニッケル鉄薄膜について,界面せん断強度の第一原理解析を行った.界面原子層の構造はスピン分極によって安定化されており,ずれに対するエネルギー障壁は高いが,隣接層のずれは分極の急激な変化を伴わず比較的小さなエネルギー障壁を持つことがわかった.さらに,薄膜や基板材料としてよく用いられる半導体材料について,ナノ多層膜で問題となる多軸応力下の限界応力を評価するため,臨界せん断応力(線断理想強度)に及ぼす垂直応力の影響を第一原理計算によって求めた.その結果,半導体結晶では垂直応力の影響は材料によって異なり,例えばシリコンやゲルマニウムでは静水圧圧縮応力がせん断理想強度を低下させることがわかった.
生体新生仔における大脳皮質神経細胞の活動観察法の開発

大脳皮質神経回路の正確な形成は、認知等の高次機能に必須である。新生仔期の大脳皮質神経回路では神経活動が観察され、この活動は正確な神経回路形成に深く関与する。しかし生きた新生仔動物の大脳皮質内において、個々の神経細胞がどのような活動様式を示すかは、適切な方法がほとんど開発されておらず未だ多くが不明であった。本研究では、覚醒下新生仔マウスの大脳皮質において個々の神経細胞の活動パターンを二光子顕微鏡観察する手法を確立した。さらに、活動を観察した細胞の形態を同時解析する条件を見出した。以上は、新生仔大脳皮質神経細胞の活動様式がどのように神経回路形成に関与するかを解明するのに有用な手法となる。本研究の目的は『生体新生仔における大脳皮質神経細胞の活動観察法を開発し、活動依存的な神経回路形成の分子細胞メカニズムを明らかにする』ことである。申請書では、以下の研究を提案した。研究1、大脳皮質体性感覚野バレル皮質第4層神経細胞のカルシウムダイナミクスと細胞形態を同時解析する手法を確立し、神経活動様式と細胞形態様式(具体的には先端樹状突起の有無)の関連を調べる。研究2、細胞種特異的NR1欠損マウスなどの遺伝子組換えマウス(NR1は神経回路形成に重要な役割を果たすNMDA型グルタミン酸受容体の必須サブユニット)の第4層細胞をイメージングし、カルシウムダイナミクスと細胞形態の関連におけるNMDA受容体の役割を調べる。平成27年度は研究1を主に行った。まず、活動と細胞形態を同時解析する手法の洗練に成功した。次にこの手法を、バレル皮質第4層神経細胞に適用した。バレル皮質第4層には興奮性神経細胞として、尖端樹状突起を持つ星状錐体細胞と、尖端樹状突起を持たないバレル細胞が存在する。これらのカルシウムダイナミクスを調べたところ、大きな違いは検出されなかった。この結果は、活動様式と尖端樹状突起の有無には、大きな関連がないことを示唆する。上記のとおり、27年度は研究1を大きく進展することができた。また研究2についてもデータ蓄積を進めている。また研究進展の一部は、複数の学会や研究会で発表した。よって研究は順調に進展していると考えられる。本研究の目的は『生体新生仔における大脳皮質神経細胞の活動観察法を開発し、活動依存的な神経回路形成の分子細胞メカニズムを明らかにする』ことであった。研究は以下にまとめるよう、おおむね達成することができた。1新生仔大脳皮質の活動を観察するためのタイムラプスカルシウムイメージング法の開発に成功した。なおイメージングのために改良した遺伝子導入ベクターシステムの一部については、論文発表した(Luo*, Mizuno*et al., Sci Rep, 2016)2このイメージング法により、活動依存的な神経回路形成への関与が強く示唆される神経活動パターンの同定に成功した。近日中に論文投稿予定である。3上記の活動パターンを生み出す分子メカニズムを探るため、各種遺伝子を欠損させた細胞のイメージングを行った。予定通りデータを集めることができたため、論文投稿を目指しデータ解析中である。研究1については、細かな樹状突起配置様式と活動様式の関連の解析を進めたい。研究2については、活動様式と細胞形態様式の関連におけるNMDA受容体の役割を明らかにするため、さらにデータ蓄積を行うと共に、解析を進める。神経科学27年度は高額な2光子顕微鏡のレーザー光源を購入予定であったが、結果的に購入しなかった。これは、効率よく使用する方法を検討した結果、使用中の光源の寿命を延ばすことに成功したためである。28年度には光源を購入する可能性が高い。よって生じた次年度使用額は問題なく使用できる。
スキー実滑走時模擬振動発生源シミュレータの開発とスキー滑走機構解明の基盤構築

本研究は、スキー実滑走時模擬振動暴露シミュレータの開発を行なうとともに、スキー滑走メカニズム解明のための基盤構築を目的とする。シミュレータは、スキーヤーを想定した雪塊を、雪面に見立てたスキー滑走面で滑走させるものである。スキー板の振動は、ボールバイブレータを圧縮空気で回転させ、発生させる。シミュレータでは雪塊が滑走する際の動摩擦力、動摩擦係数、滑走速度が算出される。実験の結果、250Hz付近の振動を板に暴露した場合、滑走速度の増加、摩擦係数の低減、滑走速度の増加に伴う動摩擦係数の低下が認められた。以上の結果より、本シミュレータはスキー滑走メカニズム解明の基盤として適当であることが示唆された。平成24年度は、前年度基盤開発したスキー実滑走時模擬振動発生源シミュレータ(スキー滑走面を雪面と仮定、スキーヤーを想定した雪塊が仮定雪面を滑走する際の滑走速度、摩擦力を計測し、動摩擦係数を算出するとともに、人工的に板を加振振動させ、振動周波数が滑走に与える影響を検討するシステム)を用い、低温環境下でいくつかの条件を付加した雪塊滑走実験を行った。あわせて、構築したシステムから得られるデータの精度・再現性について、算出した動摩擦係数を指標に再考した。実験条件としては、1スキー実滑走環境を想定した気温の違い、2スキーヤーの体重を想定した雪塊質量の違い、3スキー滑走斜面を想定したスキー角の違い、4振動周波数の違いとして、滑走速度、動摩擦係数について定量的に検討した。これらの実験の結果、スキーの滑走製に影響すると考えられている200[Hz]前後の振動周波数をスキーに励起した場合と励起しない場合との比較において、いかなる物理条件下(14)であっても雪塊の滑走速度が上昇することを確認した。さらに、スキー実滑走では発生しない(周波数強度が小さい)500[Hz]前後の高周波の振動を励起した場合、200[Hz]前後の振動周波数を励起した場合よりも滑走速度が上昇することを確認した。加えて、これらの実験をとおして計測された動摩擦力より算出した動摩擦係数は、0.0180.065の範囲となり、これまで報告される数値とほぼ等しい数値であったため、システムの精度および得られる数値の精度についても、その保証が確認された。平成25年度は平成2324年度までの結果を受け、年度当初の予定に修正を加え、これまでのスキー実滑走時模擬振動発生源シミュレータとは異なるコンセプトのシミュレータの開発を行った。これまでのシミュレータは、スキー滑走同様斜め方向への自由落下(等加速度条件)を滑走源としたが、当該年度に開発したシミュレータでは、スキーヤーを想定した雪塊をモータによってけん引することで滑走させるため等速度条件となり、より厳密な速度条件下での振動の影響について検討することが可能となった。このシステムにより、スキー板の強制振動を暴露しない条件(0Hz)では滑走速度と動摩擦係数の関係は正の相関関係(速度の上昇に伴う動摩擦係数の若干の増加)がみられた。しかし、統計的に有意な関係ではなかった。これに対して、250Hz前後の振動をスキー板に暴露したところ、滑走速度と動摩擦係数の関係は、統計的に有意な負の相関関係(速度の上昇に伴う動摩擦係数の明確な低下)が認められた。これらの結果特にスキー板の強制振動を暴露しない条件での結果は、アモントン・クローンの法則に従い、動摩擦係数は速度に依存しない、あるいは速度の上昇に伴う動摩擦係数の若干の増加は垂直抗力に比例するクローン摩擦ではなく、粘性摩擦が高くなった可能性を示唆する等、今後のスキー滑走理論解明に興味深い結果が得られている。特に後者の粘性摩擦については、雪の融解につながる可能性も示唆すると考える。以上の結果を踏まえ、年度当初の予定に従い、5001000Hzといった高周波の振動暴露実験および粘性ダンパーを用いたスキー板の実滑走実験を行い、現在(H25.4.30現在)解析を進めている。最後に、当該研究期間の成果を以下のとおりまとめる。1スキー滑走時の高い周波数の振動が滑走速度を増加させる2滑走メカニズムとして雪の融解も依然とひとつの有力な説である以上である。平成23年度は、スキー実滑走時模擬振動発生源シミュレータの開発を行なった。シミュレータはスキー滑走面を表面とし、スキートップ部とテール部に加速度センサー(PIEZOTRONICS社製352B型)を設置、両端からの加速度信号を検出、A/D変換した後コンピュータに取り込み、運動解析システム(東陽テクニカ製WaapーWin)で周波数解析等を行うシステムとした。スキーは角度調整を可能とし、スキー・スキーヤー系を想定した雪塊ブロック(重錘によって質量を変化させる)がスキー滑走面上を滑走するものとした。雪塊ブロックには滑車を装着し、ワイヤーを介してワイヤーの一端をスキートップ部外に固定したデジタルフォースゲージ(イマダ社製DP-50X)に装着、もう一端を巻き取り用ドラムに装着した。