hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
人間の制御能力を模擬した汎用型インテリジェントコントローラの開発

また、作業中のシステムの応答を計測し、人間の制御量との関係を把握する。そこでまず始めに、制御対象の数学モデルを構築し、コンピュータのモニターに制御対象を2次元表示して人間がジョイスティックで手動制御を行った。そして、このときの制御量と制御対象の動作をコンピュータのメモリに記録し、両者の関係からインテリジェントコントローラに組み込む情報の抽出法について考えた。つぎに、台車に載せた倒立振り子の実験装置を作成し、制御コンピュータ、ADコンバータ、DAコンバータ、モータドライバ、カウンタを用いた手動制御システムを構成するための準備を行った。これは、シミュレーションによる2次元情報だけは、人間は良好な制御を行うための情報を得ることが困難であり、また実機を用いることによって、外乱などの影響に対してもインテリジェントコントローラがロバストな制御系を構成する事が可能であることを示すために必要である。本研究は、人間の優れた制御能力を利用して複雑な制御対象を効率よく制御することを目的として、人間の制御を模擬する「インテリジェントコントローラ」を発展させ、制御対象の特性が未知あるいは時間とともに変動する場合でも、高度な適応学習機能により高精度な制御が可能な新しいインテリジェントコントローラを開発すること目的とする。平成11年度は、本年度までに検討してきた新型インテリジェントコントローラのアルゴリズムを用いて、実際のシステムに組み込み、その有効性を確認することを予定した。ここで用いた実験装置は、左右に移動する台車に取り付けた振り子であり、サーボモータで台車を左右に動かして振り子を真下の静止位置から真上まで振り上げて静止させるという制御問題を考える。実験の結果、インテリジェントコントローラのパラメータを調整することにより、自動振り上げ制御を行なうことに成功した。また、振り上げた後の安定化制御では、外乱として振り子の先端にインパルス状の力を加えても、その影響を短時間で克服できることを確認した。さらに、振り子の長さを変更しても、あるいは、振り子先端に重りを付けて制御対象の動特性を変化させた場合でも、自動振り上げが可能であることを確認した。特に、先端に付けた重りが振り子に対して非対称であっても、提案したアルゴリズムが有効に機能することを強調したい。このような非線形制御問題は、理論的に扱うことは極めて困難であり、本研究で提案した新型インテリジェントコントローラによって始めて可能になったと言えよう。
溶血性レクチンの膜孔形成におけるダイナミックな構造変化の解明

ナマコの一種であるグミは溶血性レクチンCEL-IIIをもつ。CEL-IIIは細胞表面の糖鎖を認識し、結合、七量体化することによって細胞膜に孔を形成し、赤血球を破壊する。すでに孔を形成した七量体の立体構造を解明しており、膜貫通部位を欠損させた変異体を作成することによって膜孔形成中間体を明らかにすることを目的としている。本年度は、膜孔を形成し貫通しているStem部位に加えて、その周りに位置するWrapping部位を欠損させた変異体を作成し、その多量体化形成能をX線小角散乱法によって解析した。その結果、Stem部位に加えてWrapping部位を欠損した変異体では膜孔を形成する七量体化は起こらず、単量体のままで存在していることが明らかとなった。Stem部位のみを欠損させた変異体では七量体化が起こり、膜貫通部位のみが無いモデル構造を構築している。これらの結果から、膜孔周辺に存在するWrapping部位が七量体化に重要な役割を果たしていることが明らかとなった。これらの知見から、CEL-IIIは糖認識ドメインが細胞表面を認識し結合後、七量体化し、Stem部位がαヘリックスからβストランドへと大きな二次構造変化を起こし、14本のβストランドからなるβバレルが膜孔を形成することによって細胞を破壊していることが示唆された。これらの結果は、七量体化が膜貫通部位のみによって引き起こされるものではなく、七量体化が起こったのちに、膜孔を形成するという機構を提案した。ナマコの一種であるグミは溶血性レクチンCEL-IIIを持つ。CEL-IIIは多量体化して孔を形成し、3つのドメインのうちドメイン3が多量体化に関与すると考えられている。ドメイン3はStem, Wrapping, Scaffold, Terminalの4つからなり、それぞれの部分を欠損させた変異体を作成し、その多量体化に与える影響を解析した。平成28年度はCEL-IIIのStem部位を欠損させたもの、Stem及びWrappinngを欠損させたもの、ドメイン3を全て欠損させたドメイン1及び2のみの発現系の構築、タンパク質の生産、種々の溶液条件下でのX線小角散乱測定を行った。すべての欠損変異体の大腸菌を宿主に用いた発現系の構築に成功し、タンパク質の生産及び精製を行った。その結果、Stem部位を欠損させたもの、ドメイン3を全て欠損させたドメイン1及び2のみの生産、精製に成功した。それらを用いて多量体化を引き起こす高塩濃度、高pH、糖及びカルシウム存在下での多量体化をX線小角散乱測定によって解析した。その結果、Stem部位を欠損させたものはTris緩衝液中でもRg値が約100Åとなり、多量体化溶液中ではRg値は約70Åとなった。ゲルろ過の結果からは目的タンパク質は単量体の位置で溶出されており、Tris緩衝液中では単量体と多量体の混合物として存在していると示唆され、また、自発的に多量体を形成しやすく、糖の存在下でよりコンパクトな構造に変化していると示唆された。一方、ドメイン3を全て欠損させたドメイン1及び2では、Tris緩衝液中及び高pH溶液では単量体として存在しているものの、塩濃度を高めることで凝集体を形成していた。このことは、ドメイン1,2のみでは単量体として存在しているが、塩濃度が高まると構造変化を引き起こすものの安定した多量体構造を形成できないことが示唆された。目的タンパク質であるCEL-IIIの欠損変異体発現系の構築に成功し、2種の変異体ではタンパク質の精製及びX線小角散乱測定を行うことに成功している。特にCEL-IIIの膜孔形成に重要な役割を果たしているドメイン3の一部分を欠損したものでの多量体化をX線小角散乱測定によって解析しており順調に進んでいる。多量体化に大きく寄与していると考えられるドメイン3の一部の欠損が多量体化に与える影響を解明することで膜孔形成における構造変化の解明につながるものと期待される。多量体化機構の解明は、異なる溶液条件下でのタンパク質の異なる立体構造形成機構の解明につながる学術的価値をもつことが期待できる。海産無脊椎動物グミ(Cucumaria echinata)は溶血性レクチンCEL-IIIをもち、CEL-IIIは糖結合ドメインであるドメイン1,2及び溶血活性に関与するドメイン3からなる。溶血活性はCEL-IIIが細胞表面の糖鎖と結合した後に七量体化し、イオン透過性の孔(ポア)を形成することによって起こる。孔はβバレル構造であり、単量体で存在するときは同部位はαヘリックスとなっている。孔形成時にβバレル構造以外での単量体間の相互作用が見られることから、七量体化の初期の構造変化にβバレル部位以外が関与していることが考えられた。そこで、本研究では、ドメイン3のβバレル形成部位(Stem部位)を欠損した変異体を作成し、その七量体化について解析した。Stem部位欠損変異体は大腸菌を宿主に用いて生産した。得られた欠損変異体の構造及び大きさはX線小角散乱(SAXS)測定によって解析した。その結果、欠損変異体のギニエ半径(Rg)は101.5 Åで、野生型の単量体時より著しく大きく、多量体化していると示唆された。また、CEL-IIIは、pH10.0、ラクツロース及びカルシウム存在下で溶液中でも多量体化することから、pH10.0で測定すると変異体のRgは80.7 Å、さらにラクツロースを加えると69.9 Åとなった。

SAXS測定よりモデル構造の構築を行うと、欠損変異体は野生型が七量体を形成した構造から膜貫通部位を除いた構造に近く、Stem部位が存在しなくても多量体化することを示した。また、その多量体構造は糖、カルシウムを加えることによってコンパクトな七量体へと構造変化し、糖・カルシウムが糖結合ドメインの構造に影響を与えていることを示した。このことから、Stem部位欠損CEL-IIIは多量体を形成し、ドメイン1,2が多量体化にも寄与していることが示唆された。昨年度までに得られていたX線小角散乱測定の結果から、本年度はモデル構造の構築に成功した。モデル構造は、野生型七量体から膜貫通部位を除いたものに近く、Stem部位を欠損すると、通常の状態でも七量体化することを示した。このことは、膜貫通部位以外の相互作用によって多量体化が可能であることを示唆している。すなわち、本タンパク質の膜孔形成多量体化は、同タンパク質が膜表面の糖鎖を認識して結合し、その後、ドメイン1,2間の相互作用によって七量体を形成する。そのうえで、膜貫通部位の相互作用によって膜孔の形成が起こるものと示唆された。本結果は、同タンパク質の膜孔形成機構の解明に大きな知見を与えるものであり、おおむね順調に進展しているものと判断した。ナマコの一種であるグミは溶血性レクチンCEL-IIIをもつ。CEL-IIIは細胞表面の糖鎖を認識し、結合、七量体化することによって細胞膜に孔を形成し、赤血球を破壊する。すでに孔を形成した七量体の立体構造を解明しており、膜貫通部位を欠損させた変異体を作成することによって膜孔形成中間体を明らかにすることを目的としている。本年度は、膜孔を形成し貫通しているStem部位に加えて、その周りに位置するWrapping部位を欠損させた変異体を作成し、その多量体化形成能をX線小角散乱法によって解析した。その結果、Stem部位に加えてWrapping部位を欠損した変異体では膜孔を形成する七量体化は起こらず、単量体のままで存在していることが明らかとなった。Stem部位のみを欠損させた変異体では七量体化が起こり、膜貫通部位のみが無いモデル構造を構築している。これらの結果から、膜孔周辺に存在するWrapping部位が七量体化に重要な役割を果たしていることが明らかとなった。これらの知見から、CEL-IIIは糖認識ドメインが細胞表面を認識し結合後、七量体化し、Stem部位がαヘリックスからβストランドへと大きな二次構造変化を起こし、14本のβストランドからなるβバレルが膜孔を形成することによって細胞を破壊していることが示唆された。これらの結果は、七量体化が膜貫通部位のみによって引き起こされるものではなく、七量体化が起こったのちに、膜孔を形成するという機構を提案した。平成28年度はCEL-IIIのドメイン3の欠損変異体に関する実験を行い、一定の成果を得ることができている。欠損変異体の研究に関しては平成29年度も引き続き行い、特に動的光散乱測定によるタンパク質の構造変化の測定、赤血球を用いた溶血活性測定を行う。また、本申請のもう一つの課題である孔形成部分の部位特異的変異体の作成を行う。その変異体作成および諸性質の解明を行うことによって本タンパク質の大きな特徴である、多量体化に伴う二次構造変化の解明を行う。
発ガン予防グルコシノレート：その生合成と分解制御の分子機構

硫黄欠乏に応答する遺伝子を対象とした逆遺伝学的な解析から、メチオニン由来GSL(mGSL)生合成の調節因子Xを見出した。Xの遺伝子欠損株および相同遺伝子X`との二重欠損株では、mGSL生合成酵素の転写産物量が増加し、mGSL量も増加した。逆にXの高発現株ではmGSL量が減少した。これらの結果から、XとX`がmGSL生合成の抑制因子であると結論した。XとX`は組織普遍的に発現し、遺伝子上流域を介して硫黄欠乏による発現誘導が起きることが明らかとなった。アブラナ科植物に多く含まれる含硫二次代謝物グルコシノレート(GSL)は、病害虫に対する忌避物質として知られ、また、発ガン抑制効果を有する。近年、GSL生合成酵素群の単離、同定が相次ぎ、生合成経路の全体像が明らかになりつつあるが、植物体内におけるGSL代謝の制御については、ほとんど知見がない。SLIM1は、環境中の硫黄欠乏(-S)に応答して、硫黄同化及びGSL分解を正に、メチオニン由来GSL(mGSL)生合成を負に制御する転写因子である。申請者は、SLIM1の制御下にある遺伝子群を対象とした逆遺伝学的解析から、mGSL生合成の抑制因子Xを見出した。本研究では、植物体内のGSL代謝制御機構の解明を目指し、XによるmGSL生合成抑制機構の解析及び新規GSL分解酵素の単離・同定を行う。得られる知見は、病虫害抵抗性や発ガン抑制効果の高い農作物の作出へ向けた分子基盤となる。1)XによるmGSL生合成抑制機構の解析...これまでに、Xの遺伝子欠損変異株ではmGSL量が増加することを見出している。平成20年度にはXの過剰発現株を作製し、この植物においてはmGSL量が減少する事を見出した。即ち、Xを用いる事により植物体内のmGSL量を任意に調節できる事が明らかとなった。一方で、Xが機能未知遺伝子であるため、XによるmGSL生合成抑制の分子機構は不明である。来年度以降は、抑制因子X自体が転写抑制活性を持つ可能性を、一過的転写活性化実験により検討する。加えて、Xの組織・細胞内局在を解析するための、プロモーターGFP植物、プロモーターコーディング領域(CDS)-GFP植物を作製した。2)GSL分解酵素の機能解析......SLIM1の制御下にある機能未同定のミロシナーゼ様遺伝子2種について、cDNAを単離した。また、遺伝子破壊株、過剰発現株を取得した。今後、硫黄十分/欠乏時の成育、GSL量、他の硫黄代謝物(硫酸イオン、チオール)量、を解析する。組織局在解析用のプロモーター-GFP植物を作製した。1) XによるmGSL生合成抑制機構の解析...これまでに、Xの遺伝子欠損変異株ではmGSL量が増加すること、Xの過剰発現株ではmGSL量が減少する事を見出した。即ち、Xを用いる事により植物体内のmGSL量を任意に調節できる。しかし、Xは機能未知遺伝子であり、XによるmGSL生合成抑制の分子機構は不明である。平成21年度は、抑制因子X自体が転写抑制活性を持つ可能性を、一過的転写活性化実験により検討した。これまでのところ、Xによる転写抑制活性は認められておらず、来年度も引き続き解析を行う予定である。加えて、Xの標的遺伝子を明らかにする目的で、Xの遺伝子欠損変異株及び過剰発現株について、GeneChipを用いた遺伝子発現解析を行った。2) GSL分解酵素の機能解析...SLIM1の制御下にある機能未同定のミロシナーゼ様遺伝子2種について、遺伝子破壊株、過剰発現株を取得した。硫黄十分/欠乏時の成育、GSL量、他の硫黄代謝物(硫酸イオン、チオール)量を解析したが、野生型株と比較して明確な違いは認められなかった。
原子間力顕微鏡を利用したリガンド:受容体相互作用の分子および細胞レベル研究

トランスフェリンとその受容体の相互作用について原子間力顕微鏡を用いた力学的測定を行なった。前年度行なった単離受容体とトランスフェリンの相互作用力測定に引き続き、生細胞表面における相互作用力を測定して、細胞表面における受容体の分布を得ることができた。しかし、受容体が細胞表面を動いているためか、分布マップは時間を変えて測定すると変化していることが確認された。また、これまでは通常の受容体とトランスフェリンの相互作用を調べたが、今年度は主として、TfR2と呼ばれる新しいタイプの受容体との相互作用を解析した。この受容体はトランスフェリンとの相互作用力が通常型よりは弱いが、がんなどの疾病との関連が検討されている新型の受容体であるため、医学方面からの関心が高い。相互作用力とそのloadingrate依存性を測定して、新型受容体の特徴を得ることができた。その結果は、ホロトランスフェリンとアポトランスフェリンで結合力とloadingrate依存性に違いが見られることから、新型受容体の生理的意義について医学関係者と検討を進めた。また、タンパク質と糖鎖の相互作用力を測定する研究を行い、レクチンの1種であるPsathyrella velutina mushroom lectin(PVL)を用いて、赤血球膜タンパク質の一つであるグリコフォリンAの糖鎖部分との相互作用力を測定し、精度の高い測定値を得た。レクチンと糖鎖(この場合は主としてシアル酸)の相互作用は生化学分野では糖鎖解析手段の一つとして、また医学分野では特異的細胞の分別手段等として広く用いられているので、赤血球をモデルとしたレクチンと糖鎖の相互作用測定の意義を医学的に検討している。本年度は血液中の鉄イオン輸送体であるトランスフェリンと、周辺細胞の細胞膜に存在する受容体の相互作用を原子間力顕微鏡を利用して測定した。まず、化学的に活性化した雲母表面にトランスフェリン受容体を架橋剤を用いて固定する。ついで、原子間力顕微鏡探針にはトランスフェリンを同様の方法で固定する。トランスフェリンを固定した探針とトランスフェリン受容体を固定した基板を接触させた後、両者を引き離す際の必要な張力の解析から、トランスフェリンとをの受容体の結合力を測定することができた。その大きさはおよそ40ピコニュートン程度であり、印加力依存性(loading rate dependency)が見られた。その依存性の解析から、活性化距離はおよそ3nm程度と見積もられた。さらに細胞膜表面での測定から、同様の結果が得られたので、我々が測定した結合力の値は生理的条件下で意味のある値であることが確認された。トランスフェリンが受容体に結合した後、細胞内にエンドサイトーシス機構により取り込まれるが、その際、複合体を取り込んだエンドソーム内のpHが低下すると、トランスフェリンとその受容体の結合力が弱くなることが予想されているので、in vitroの測定を溶液のpHを変化して行ったところ、弱酸性条件下で結合力が弱くなることが確認できた。トランスフェリンを結合した原子間力顕微鏡探針を用いて、生細胞膜表面からトランスフェリン受容体を引き出すときのフォースカーブの解析から、受容体は細胞骨格と結合していないか、していてもその結合は非常に弱いことが示された。このことは、一般に膜タンパク質と細胞骨格の連携と言う重要な現象を個別受容体分子ごとに、細胞に対しての障害を最小限にとどめて測定することができることを示唆する重要な結果であると考えた。
プレキャスト・プレストレストコンクリート部材の弾塑性復元力特性

正負繰り返し曲げせん断力を受けるプレストレストコンクリート(PC)部材は、鉄筋コンクリート(RC)部材と比較して、(1)除荷カーブが原点を指向するS字型の履歴ループ形状となり、(2)履歴エネルギー吸収が小さい特徴を有する。これらの特徴は、プレストレス、せん断力及び緊張材の付着滑りなど多くの因子が輻輳して表れているものと考えられ、これらの多くの因子の影響を定量的に分離する方法は確立されるにいたっていない。本研究の目的は、この課題を実験的・解析的に検討することにある。初年度は、純曲げを受けるプレストレストコンクリート梁部材6体の正負繰り返し曲げ試験を行い、緊張材の抜け出しの有無が履歴特性に及ぼす影響を検討した。次年度は、梁降伏型に設計された3体の1/2.7スケールの外部柱・梁部分架構試験体の正負繰り返し加力実験を行い、スラブの有無と加力点から危険断面までの距離(せん断スパン)が履歴特性におよぼす影響を検討した。最終年度は、梁にプレストレスを導入した十字型柱梁接合部試験体2体およびト型柱梁接合部試験体2体の計4体を作成し、梁に導入したプレストレスによる柱梁接合部の強度に及ぼす影響を比較し、さらにプレストレスが架構の復元力特性に及ぼす影響を検討した。また、これらの実験結果より、曲げとせん断を同時に受けるプレストレスコンクリート部材では、緊張材の歪度について断面の平面保持が成立しないことによる部材の剛性・強度・履歴ループ形状への影響が無視できない程度に大きくなることが確認されたので、これらを定量的に検討するための解析方法の開発を行った。すなわち、従来の断面の曲げ解析手法を拡張して、緊張材の付着滑り構成則を導入したした簡便な弾塑性繰り返し曲げ解析手法を提案し、簡単な実験についてその適用性を検討した。正負繰り返し曲げせん断力を受けるプレストレストコンクリート(PC)部材の復元力の履歴特性は、鉄筋コンクリート(RC)部材と比較して除荷カーブが原点を指向するS字型の形状となり、しかも履歴エネルギー吸収が少ない点に特徴があることが知られている。しかしこれらの履歴特性の特徴は、せん断力や付着など多くの因子が輻輳して影響しているものと考えられ、現在これらの多くの因子の影響を分離する方法は確立されるにいたっていない。そこで、本研究では、純曲げを受けるプレストレストコンクリート梁部材6体の正負繰り返し曲げ試験を行い、緊張材の抜け出しが起こらない条件での曲げモーメント・曲率関係の履歴特性と、緊張材に抜け出しが起こる条件での履歴特性を比較し、緊張材の抜け出しが履歴特性に及ぼす影響を検討した。試験体は、幅300mm、せいが400mm、全長が2600mmの長方形断面のプレストレストコンクリート梁5体と、同じ寸法の比較用の鉄筋コンクリート梁1体の系6体で、単純支持2点載荷法により漸増載荷正負繰り返し曲げ載荷を行い、中央の純曲げ区間を試験区間のモーメントと曲率関係を測定した。試験体の変数は、(1)緊張材の形状(丸棒、異形)、(2)緊張材の断面中心からの距離、及び(3)緊張材の偏心の有無とした。実験結果は、通常一般的に用いられる丸棒のPC鋼棒を用いると、モーメント曲率の関係にS字型のループが見られ、緊張材の残留塑性歪みは小さいのに対し、完全に抜け出しが生じない異形PC鋼棒を緊張材に用いると、緊張材の残留塑性歪みが増大しPC部材特有のS字型の履歴ループが表れないことが確認された。

実験結果や、ファイバーモデルによる曲げ解析との比較から、履歴ループのS字化の原因は、緊張材の付着が悪い場合に生じる緊張材の抜け出しであることを明らかにした。プレストレスト鉄筋コンクリート造部材の復元力特性を得るために、梁降伏型に設計された3体の1/2.7スケールの外部柱・梁部分架構試験体を作成した。試験体の変数は、スラブの有無と加力点から危険断面までの距離(せん断スパン)とした。これらの試験体について漸増振幅静的繰り返し載荷実験を行い、履歴形状や荷重と変形の関係に及ぼすスラブとシアスパンの長さの影響を検討し、次の結論を得た。スラブ付き試験体のスラブ引っ張り時には、部材角1/100で全幅のスラブ筋が降伏し全幅有効となった。PC鋼棒の荷重履歴に伴う応力は、部材角が1/200以下ではほとんど応力減退は見られないが、部材角1/50では、7080%に低下した。スラブ付き試験体では、スラブのない試験体と比較して応力減退が最大で10%ほど小さくなった。エネルギー吸収能力におけるスラブの効果は、スラブがないものと比較して、部材角が1/100で等価粘性減衰が1.7倍、1/50で1.2倍となり向上した。エネルギー吸収能力におけるせん断スパン長さの効果は、せん断長さがおよそ1/2になると、部材角が1/100で等価粘性減衰が1.7倍、1/50で1.3倍となり向上した。スラブを除いた短形断面に対してプレストレスの偏心がない場合にも、スラブが付帯するために実質的にはプレストレス偏心があるので、変位振幅が増大し、圧縮領域のコンクリートの圧壊が進むにつれ、荷重をゼロにしたときの変位(履歴中心)が次第にスラブ引っぱり側に移動する現象が見られた。梁にプレストレスを導入した柱梁接合部試験体4体を作成し、柱梁接合部の挙動が架構の復元力特性に及ぼす影響を検討した。試験体の内訳は十字型2体ト宇型2体でいずれも接合部の破壊が先行するように設計し、静的漸増振幅繰り返し載荷を行い、鉄筋コンクリートコンクリートとプレストレストコンクリートの柱梁接合部の強度と変形挙動の違いを検討した。十字型接合部では、設計どうり柱と梁の降伏前に接合部が破壊が起こった。接合部破壊時の最大層せん断力はプレストレスの有無にかかわらずほぼ同じとなった。一方、最大接合部せん断力は、プレストレスを導入した方が高くなった。ト型接合部では、接合部の破壊の前に梁の曲げ圧縮破壊または梁主筋の定着破壊が起こり、接合部破壊は生じなかった。次に、平面保持が成立しないことによる部材の付着滑りを考慮した曲げ解析法を、履歴復元力ループへの評価に利用するため、モデルを拡張し繰り返し載荷に拡張した。逆対称曲げと軸力を受けるプレストレストコンクリート柱の実験結果にこのモデルを適用し、モデルの信頼性を検討した。PC鋼材の付着剛性、付着強度が復元力特性に及ぼす影響を検討した。その結果、付着剛性および付着強度が大きいほど、部材の剛性および強度が増加すること、一定値以上の付着強度があればその影響は変わらないこと、付着剛性も部材強度に影響を及ぼすことを明らかにした。
デジタル画像相関法を用いた鉄筋コンクリート部材の破壊メカニズムの可視化

非耐力壁つき柱梁架構の部材実験において,接合部周辺の変形を取得するために画像を撮影し処理を行った。画像解像度と標点距離の関係から,画像処理による変形の解像度は0.1mm程度となり,有意な変形を取得することができた。また,変形の面的な分布も同時に取得することができ,破壊の進行過程を視覚的に確認することができた。靭性に依存する耐震設計では,部材の各限界状態を適切に設計する必要があり,そのためには,各種構造部材の変形性能を評価することが重要である。本研究では,部材の変形性能を把握するために部材の破壊メカニズムを明らかにするため,画像相関法を用いた鉄筋コンクリート部材の破壊メカニズムを可視化を目的とした検討を行っている。本年度は,その基礎的研究として,鉄筋コンクリート部材におけるせん断補強筋によるコアコンクリートの拘束が,ヒンジ領域長さに与える影響について理論的な検討を行った。ヒンジ領域長さは,鉄筋コンクリート部材の変形性能を評価する上で重要なパラメータであり,筆者らの提案する簡易変形性能評価式の高度化のために必要不可欠な要素である。既往の実験結果を整理し,せん断補強筋の拘束が強い試験体ほど変形性能が大きく,その要因がヒンジ領域長さにあることを示した。また,エネルギー法に基づく検討から,せん断補強筋による拘束が強いほど破壊面角度が小さくなり,ヒンジ領域長さが長くなることを示した。そこで,せん断補強筋による拘束効果と,ヒンジ領域長さの関係を表す評価式を提案し,その提案式を用いることで鉄筋コンクリート部材の変形性能を適切に評価できることを示した。来年度は,せん断補強筋によるコアコンクリートの拘束とヒンジ領域長さの関係を実験的に明らかにすることを目的とし,せん断補強筋量をパラメータとした中心圧縮実験を実施する。本年度は,画像相関法を用いた鉄筋コンクリート部材の変形性状,破壊性状の把握を目的とした検討を重点的に実施した。非耐力壁付き柱梁接合部を模した試験体の加力実験において,接合部周辺の変形性状,破壊性状を画像観測により計測した。試験体は全8体であり,壁長さや壁配筋等をパラメータとしている。検討より,パラメータが変形性状に与える影響が明らかとなった。また,非耐力壁付き接合部のパネルゾーンについて検討し,接合部での力の伝達経路について考察した。本年度は,昨年度に引き続き,鉄筋コンクリート部材試験における変形性状,力の伝達性状を画像相関法を用いて明らかにする手法について検討した。対象とした試験体は,非耐力壁付き架講の柱梁接合部を模した試験体9体である。試験体の接合部周辺に,鉄筋交差部を基準にして計300点の評点を設置し,逐次画像撮影を行った。撮影された画像において,評定位置を半自動的に取得するシステムを構築し,初期画像との差分により変形,ひずみ分布を取得するシステムを構築した。画像相関法によりパラメータの違いによる変形性状の違いを視覚的に明らかにした。期間全体を通じて,画像相関法を用いることで部材の変形性状を追従できることが確認された。今後の課題としては,精度の向上,処理速度の向上と半自動化が挙げられる。画像観測の有用性について確認されたため鉄筋コンクリート今後は,壁部材や柱部材を対象として,脚部の破壊性状を画像観測により明らかにするための実験を実施する。基礎的な検討を行い,本研究の目的がより明確化するとともに,本研究の重要性を示す研究成果が得られたため。旅費概算において,予定よりも減額となったために年度繰越金が生じた。今後は,画像相関法を用いた破壊メカニズムの可視化を行うため,実験的な検討を中心に実施していく。実験における試験体制作費に補填する。
糖代謝とアミノ酸代謝のクロストークにおけるグルカゴンの役割の解明

肝臓においてグルカゴン依存的に発現が増加する遺伝子としてアミノ酸を糖新生の基質へ転換する酵素やニコチンアミド代謝酵素をコードする遺伝子を同定してきた。平成29年度は、このうちニコチンアミド代謝酵素の遺伝子改変動物を得た上で、グルカゴン遺伝子欠損動物モデルとの交配を進めるに至った。両者の遺伝子を欠損する動物モデルを得ることや、その表現型解析には平成31年度もしくは平成32年度まで研究期間を要することが予測された。本研究の研究期間は平成27-30年であったが平成29年度に新規応募を行ったところ採択されたため、本研究は平成29年度を最終年度として、平成30年度からは「グルカゴンによるニコチンアミド代謝制御の生体における意義の解明」を新たな課題名として研究を展開することとなった。このほかにはグルカゴン遺伝子欠損動物モデルおよび対照群に対して高蛋白質食を与え、その応答を解析した。血中グルカゴン濃度・血糖値・血中アミノ酸濃度を測定したほか、肝臓における遺伝子発現解析を行った。その結果、グルカゴンが食事による蛋白摂取量の変化において生体の恒常性を維持する上で不可欠であることを示唆するデータが得られている。グルカゴンの作用の一部はFGF21の発現促進を介して発揮されるとする報告がされる一方で、FGF21は蛋白質の不足状態で発現が誘導されるという報告もなされたいる。我々の検討では、高蛋白質食負荷によりグルカゴンの産生が促進される一方で、FGF21の発現は抑制されることを見だした。すなわち、グルカゴンによるFGF21の発現促進は蛋白質摂取量を増やすことによりみとめられなくなることが明らかとなった。29年度が最終年度であるため、記入しない。これまでに、グルカゴン遺伝子欠損マウス(GCGKO)と対照マウスの肝臓におけるアミノ酸・糖代謝関連酵素遺伝子の発現の日周変動、胎生期から新生時期にかけての発現の変動の解析、グルカゴン投与により肝臓でのアミノ酸代謝酵素発現がどのように制御されるかについて解析を行った。これらの過程でregulator of G-protein signaling 16(RGS16)の肝臓における発現がグルカゴンにより制御されることを見出したため、RGS16ノックアウトマウスを入手し、グルカゴン・RGS16ノックアウトダブルノックアウトマウスを交配により得て、その表現型、特に肝臓における遺伝子発現と膵臓ランゲルハンス島の形態を解析した。GCGKOとGCG/RGS16 double KOの間では膵臓ランゲルハンス島の形態に明らかな差は認められず、また肝臓における遺伝子発現パターンにおいても特筆すべき変化はみとめられなかったため、現時点ではRGS16がグルカゴンによる代謝制御やランゲルハンス島α細胞の増殖制御において重要な役割をはたしている可能性は低いと考えられる。一方、やはりグルカゴンにより制御される遺伝子としてニコチンアミド代謝に関わる酵素を同定している。同遺伝子のノックアウトモデルはこれまでに作成されていないが、全身で同遺伝子の発現を欠損する動物が早期致死となる可能性は十分に考えられる。そこで、cre-loxPシステムにより、組織特異的に同遺伝子の発現を欠損する動物モデルを作成する必要があると考え、同モデルの作成を進めている。組織特異的にニコチンアミド代謝に関わる酵素遺伝子の発現を欠損する動物モデルの作成において、キメラマウスの死亡がしばしばみられたために、遺伝子ターゲティングの方法の再検討などを要した。その結果、当初予測より数ヶ月の遅延が生じている。しかしその後、キメラマウスから初代雑種マウスへの改変遺伝子の伝達も確認できたため、今後は概ね計画通りの進捗が期待できる。なお、この新規遺伝子改変マウスを用いる実験と独立して進めている実験は概ね順調に進捗している。これらの状況を総合した進捗状況判断としては、「やや遅れている」とした。これまでにグルカゴン遺伝子欠損動物モデル(GCGKO)においてアミノ酸をブドウ糖へと変換する酵素群の発現が低下していることを明らかとしてきた。肝臓における遺伝子発現の日周性変動を4時間毎に解析した場合、GCGKOと対照群の間で、糖新生の主要酵素であるホスホエノールピルビン酸カルボキシキナーゼやグルコース6リン酸フォスファターゼの発現に、明らかな差が認められない時間帯があった。一方で、アミノ酸をブドウ糖へと変換する酵素群の発現は24時間を通して明確な差が認められたことから、グルカゴンがこれら酵素の発現維持に必須の役割を果たしていることが明らかとなった。また、同じくグルカゴンにより制御されるニコチンアミド代謝酵素の発現も、24時間を通して明確な差が認められた。このほかに胎児期・出生直後から離乳期のマウスにおいて同様に肝臓の遺伝子発現解析を行い、アミノ酸をブドウ糖へと変換する酵素群やニコチンアミド代謝酵素の発現の差は出産前の胎児では認められないが、出生24時間以降では差が認められることを確認した。GCGKOはグルカゴン以外に、グルカゴンと同じくプログルカゴンを前駆体として合成されるGLP-1やGLP-2など複数のペプチドホルモンを欠損している。GCGKOにおける遺伝子発現異常がグルカゴンの欠損によるかを明確にするために、同モデルにグルカゴンを投与した上で遺伝子発現解析を行った。その結果アミノ酸・ニコチンアミド代謝酵素の発現異常がグルカゴンのみを補うことで回復することも確認した。このニコチンアミド代謝酵素がグルカゴンの生理作用の一端を担っている可能性を検証するために、同遺伝子を改変した胚性幹細胞を樹立したうえで、キメラマウスを作成、さらに雑種第一世代を得ることができた。

当初、ニコチンアミド代謝酵素を改変したマウスの作成過程でキメラマウスの早期死亡が頻発したため、進捗に遅れが生じていたが、遺伝子ターゲティング方法を変更することにより、この問題は解決した。得られたマウスの交配は順調に進んでいる。また、この新規モデルを用いる実験以外の実験(日周変動の解析、グルカゴン投与実験)及び解析は順調に進んでいる。肝臓においてグルカゴン依存的に発現が増加する遺伝子としてアミノ酸を糖新生の基質へ転換する酵素やニコチンアミド代謝酵素をコードする遺伝子を同定してきた。平成29年度は、このうちニコチンアミド代謝酵素の遺伝子改変動物を得た上で、グルカゴン遺伝子欠損動物モデルとの交配を進めるに至った。両者の遺伝子を欠損する動物モデルを得ることや、その表現型解析には平成31年度もしくは平成32年度まで研究期間を要することが予測された。本研究の研究期間は平成27-30年であったが平成29年度に新規応募を行ったところ採択されたため、本研究は平成29年度を最終年度として、平成30年度からは「グルカゴンによるニコチンアミド代謝制御の生体における意義の解明」を新たな課題名として研究を展開することとなった。このほかにはグルカゴン遺伝子欠損動物モデルおよび対照群に対して高蛋白質食を与え、その応答を解析した。血中グルカゴン濃度・血糖値・血中アミノ酸濃度を測定したほか、肝臓における遺伝子発現解析を行った。その結果、グルカゴンが食事による蛋白摂取量の変化において生体の恒常性を維持する上で不可欠であることを示唆するデータが得られている。グルカゴンの作用の一部はFGF21の発現促進を介して発揮されるとする報告がされる一方で、FGF21は蛋白質の不足状態で発現が誘導されるという報告もなされたいる。我々の検討では、高蛋白質食負荷によりグルカゴンの産生が促進される一方で、FGF21の発現は抑制されることを見だした。すなわち、グルカゴンによるFGF21の発現促進は蛋白質摂取量を増やすことによりみとめられなくなることが明らかとなった。グルカゴンにより制御される遺伝子として同定した、ニコチンアミド代謝に関わる酵素遺伝子の組織特異的ノックアウトモデルの作成を進め、その表現型解析を進めるのと並行して、GCGKOとの交配を進める。一方、グルカゴンがアミノ酸代謝の制御において不可欠な役割を果たすことが、我々の研究から明らかとなっているが、これまでに取得したアミノ酸・糖代謝関連酵素遺伝子の発現の日周変動、胎生期から新生時期にかけての発現の変動の解析、グルカゴン投与により肝臓でのアミノ酸代謝酵素発現制御に関するデータに加えて、高蛋白質食負荷実験を進める。高蛋白質食負荷実験の結果を解析することにより、肝臓におけるアミノ酸代謝制御と膵臓における内分泌細胞の増殖制御においてグルカゴンが果たす役割を明確にしたい。ニコチンアミド代謝酵素遺伝子改変マウスでは同遺伝子の二つの部分にloxP配列が挿入されているため、CREリコンビナーゼを発現するマウスと交配することにより組織特異的に同酵素を欠損するマウスを得ることができる。
カフェイン生合成酵素の多様性とその時間的・空間的細胞内局在機構の解明

カフェインはキサンチン骨格の1,3,7位がメチル化されているトリメチルキサンチンであり、テオブロミン(3,7-ジメチルキサンチン)を経て合成される。チャのカフェインシンターゼcDNAを用いてプリンアルカロイドを蓄積する植物から相同遺伝子の単離を行った。その結果、今まではキサンチン骨格のN-3位を特異的にメチル化するテオブロミンシンターゼしか単離されていなかったコーヒー(Coffea arabica)から、N-1位とN-3位の両方をメチル化するカフェインシンターゼおよびN-1位のメチル化を行う7-メチルキサントシンシンターゼの遺伝子を単離することに成功し、コーヒーにおいては3段階のすべてのメチル化の過程を明らかにした。さらにカフェインではなくテオブロミンを蓄積するカカオからもテオブロミンシンターゼ遺伝子BTS1を単離した。カカオにはカフェインシンターゼの存在は認められず、植物中のプリンアルカロイドの蓄積パターンは存在する酵素の基質特異性によって決定されることを示唆した。テオブロミンシンターゼも、カフェインシンターゼと同様に特定のオルガネラへの移行配列を持たず、細胞質基質に存在する可能性が高いと推定される。カフェインシンターゼとテオブロミンシンターゼは、基質特異性が異なるが、同種の植物由来であればそのアミノ酸配列の相同性はきわめて高いことがわかった。そこで、基質特異性の相違を決定する領域を解析した。その結果、S-アデノシルメチオニンの結合領域を含まない酵素の中央部分が、基質特異性に関与することが示された。さらにその領域に含まれるヒスチジン残基とアルギニン残基の相違によって、基質特異性が変化することが示された。しかしながら、1つのアミノ酸の置換だけでは、基質特異性が完全に変化することはなかったので、基質特異性の決定には酵素の中央部分の複数のアミノ酸が関与すると考えられる。カフェインは、キサンチン骨格の1、3,7位がメチル化されているトリメチルキサンチンであり、プリンアルカロイドと呼ばれる二次代謝産物である。今年度は当研究室で保持しているチャのカフェインシンターゼcDNAを用いて、プリンアルカロイドを蓄積することが知られている数種類の植物から、これに相当するcDNAの網羅的単離を試みた。その結果、今までにキサンチン骨格のN-3位を特異的にメチル化するテオブロミンシンターゼしか単離されていなかったコーヒー(Coffee arabica)から、N-1位とN-3位の両方をメチル化することができるカフェインシンターゼをコードする2つの遺伝子を単離することに成功した。N-1位のメチル化にだけに特異的に関与する酵素の存在は確認できず、カフェイン合成のメチル化の最終段階はチャと同様にカフェインシンターゼが関与すると考えられる。さらにカフェインではなくテオプロミンを蓄積するCamellia属の植物2種と、同じくテオブロミンを蓄積するカカオ(Theobroms cacao)からもカフェインシンターゼ相同遺伝子の単離を試みた。その結果、テオブロミンを蓄積する植物にはN-3位のメチル化に特異的に作用するテオブロミンシンターゼが存在し、カフェインシンターゼの存在は認められなかった。これにより、植物中のプリンアルカロイドの蓄積パターンは、存在する酵素の基質特異性によって決定されることが示唆された。

テオブロミンを蓄積するカカオ(Theobromacacao)にはカフェインシンターゼではなく、テオブロミンシンターゼが存在することを前年度に明らかにしたが、このテオブロミンシンターゼ遺伝子の発現について時間的な追跡を行った。その結果、テオブロミンシンターゼ遺伝子の発現パターンは、チャやコーヒーの場合とは異なり、幼葉では低く、葉の成長に伴って増加することが示された。また、テオブロミンシンターゼも、今までに単離されているカフェインシンターゼと同様に特定のオルガネラへの移行配列を持たず、細胞質基質に存在する可能性が高いと推定される。カフェインシンターゼとテオブロミンシンターゼは、プリン化合物に対する基質特異性の違いが異なるが、同種の植物由来であればそのアミノ酸配列の相同性はきわめて高いことがわかった。そこで、基質特異性の相違を決定する領域を考えるために、Camellia属植物のカフェインシンターゼとテオブロミンシンターゼを用いて、アミノ酸を置換した変異体やキメラ酵素を作製し、その基質特異性を調べた。その結果、S-アデノシルメチオニンの結合領域を含まない酵素の中央部分が、基質特異性に関与することが示された。さらにその中でも、ヒスチジン残基とアルギニン残基の相違によって、基質特異性が変化することが示された。しかしながら、1つのアミノ酸の置換だけでは、基質特異性が完全に変化することはなかったので、基質特異性の決定には酵素の中央部分の複数のアミノ酸が関与すると考えられる。
校長のリーダーシップの日本的特徴に関する研究：ルーティンとツールに着目して

研究2年度目にあたる本年度の主な研究実績は東京圏(1都3県)の公立学校学校長を対象に企業経営の理念・手法の理解及び運用等に関する質問紙調査を実施したことである。調査は悉皆で行い、回収数210(回答率34.3%)であった。本研究の出発点にあったねらいは、NPM型学校管理研究で重視されがちな共通性にではなく、表面的には同じような学校経営のためのツールであっても、歴史・文化・制度的な文脈によってそれらが実際に果たしている機能には差異があり、それを見定めることで学校経営の国際比較文化的考察が可能になるというものであった。この考察の基盤となる本調査の本格的な分析は、実施時期が年度末になったため、まだこれからの作業であるが、本研究の最終的なアウトプットである日本の学校経営におけるルーティン、ツールのインベントリー(目録)作成に向けて、大きな進捗が得られた。一方、質問紙調査と並行して実施する予定であった、研究協力校への訪問調査(文献資料の収集、インタビュー)は、研究代表者が所属する大学学部の附属学校長を兼務することになったために時間的に制約され、3校に1回ずつしか実施できなかった。研究成果の中間的なアウトプットとして、8月に開催された日英教育学会第27回大会の国際シンポジウム「スタンダード化時代の教育リーダーシップスタンダードと評価に基づく教育改革を問う」においてパネリストを務めHow do teacher evaluation practices affect school leadership?という題目で報告を行った。本シンポジウムに基調報告者として参加したマンチャスター大学のヘレン・ガンター教授と本研究の目的・進捗状況について意見交換を行ってアドバイスを受け、その後も研究交流を継続している。予算上の制約のため、質問紙調査を当初の計画より規模を縮小して実施した。また、研究協力校への訪問調査(文献資料の収集、インタビュー)については、研究代表者が所属する大学学部の附属学校長を兼務することになったために時間的な制約を受け、3校に1回ずつしか実施できなかった。しかしながら、研究目的の達成という観点からは深刻な支障はなく、おおむね順調に進展しているといえる。今度は東京圏の公立高等学校長を対象に実施した質問紙調査結果の分析を本格的に進めるとともに、研究協力校への訪問調査を継続して実施して、分析・考察を統合的に進める。時間的制約により研究代表者自身による訪問調査が当初計画していたようには進められない部分については、学校経営を研究する大学院生の協力を得て行う。国外の研究者との研究協力も継続して積極的に実施する予定である。初年度は、学校経営におけるルーティンやツールにはどのようなものがあり、それらを校長はどのように用いており、またどのように意味づけているかを明らかにすることを目的として研究協力校への訪問調査を実施した。研究協力校は研究計画時に予定した9校から6校に変更して、訪問調査(学校経営関連資料の収集と校長インタビュー)を各校で複数回実施した。その結果、研究代表者のこれまでの研究により、その日本的な特徴が見出されていた教員評価における「評価面談(evaluation meeting)」に加え、校長が自己の学校経営理念や方針を教職員に伝え浸透を図る手段としての「通信」が特に興味深い分析対象として浮上した。現在、校長のリーダーシップ実践を媒介するツールとして、この「通信」が担う機能に注目して、収集したデータの分析を進めている。校長のリーダーシップの日本的特徴に関する比較文化的視点からの考察を深めることを目的として、国際会議において「評価面談」の機能に関する研究発表を行った。「評価面談」が学校経営の道具的(合理的)機能と情緒的機能の両方を満たす日本的な学校経営ツールであるという発表内容に対し、ポルトガル、スウェーデン、オーストラリア、韓国、中国の研究者から有益なコメント、及び今後の研究の進め方に対する示唆が得られた。これとは別に、国外の研究協力者とe-mailとスカイプにより継続的に研究協議を進めた。調査研究校への訪問調査によるデータの収集と分析については、研究協力校数を変更したが、集約的に実施して、計画どおりに進展している。校長のリーダーシップに関する比較文的考察についても、国外の研究協力者との研究協議が進んでいる。

本シンポジウムに基調報告者として参加したマンチャスター大学のヘレン・ガンター教授と本研究の目的・進捗状況について意見交換を行ってアドバイスを受け、その後も研究交流を継続している。予算上の制約のため、質問紙調査を当初の計画より規模を縮小して実施した。また、研究協力校への訪問調査(文献資料の収集、インタビュー)については、研究代表者が所属する大学学部の附属学校長を兼務することになったために時間的な制約を受け、3校に1回ずつしか実施できなかった。しかしながら、研究目的の達成という観点からは深刻な支障はなく、おおむね順調に進展しているといえる。次年度には、研究協力校への訪問調査により文書資料の収集とインタビューを継続して実施しながら、得られたデータの分析に一層注力する。また、研究協力校を対象とした事例研究より得られた知見をベースに質問紙調査を実施する計画である。国外の研究協力者と研究協議を継続しながら、比較文化的考察についても一層の進展を図る。今度は東京圏の公立高等学校長を対象に実施した質問紙調査結果の分析を本格的に進めるとともに、研究協力校への訪問調査を継続して実施して、分析・考察を統合的に進める。時間的制約により研究代表者自身による訪問調査が当初計画していたようには進められない部分については、学校経営を研究する大学院生の協力を得て行う。国外の研究者との研究協力も継続して積極的に実施する予定である。国内の研究協力者(大学院生)と研究協力校への訪問調査(文書資料の収集とインタビュー)を分担して実施する計画であったが、研究協力校を絞ったこともあり、研究代表者のみで実施することができたため、人件費・謝金が未使用となった。次年度は質問紙調査を実施する予定であり、大きな支出が予定されるため、その分に充当する。研究代表者が所属する大学学部の附属学校長を兼務することになったために時間的制約が生じ、予定していた国際学会での発表および研究協議を断念せざるを得ず、さらに国内の研究協力校への訪問調査も予定していた頻度で実施することができなかったため。次年度は予定を繰り合わせて国際学会への参加を行い、あわせて研究協力校への訪問調査については、大学院生の協力を得て実施して研究費を使用する予定である。
Cdc7および複製フォーク保護因子による複製フォーク安定化維持機構の解析

がん細胞の大きな特徴は遺伝的不安定性の増大である。その原因として、外的内的な要因による複製フォーク停止への応答不全が重要な因子のひとつとして最近注目されている。主に酵母での研究から、何らかの原因で複製フォークの進行が阻害されると、まず複製フォークが異常な構造にならないように、安定化されることが明らかとなってきた。この安定化に、Claspin/Mrc1,Tim1/Swi1/Tof1,Tipin/Swi3/Csm3といった保存された因子(複製フォーク保護因子)が関与する。私たちは、DNA複製開始を制御するヒトCdc7-ASKキナーゼ複合体を発見し、その機能解析を行ってきた。Cdc7キナーゼを動物細胞で不活性化すると細胞はDNA複製を停止し、主にS期内で増殖停止する。この時、核内のPCNA fociが著しく増加するとともに、DNA損傷が蓄積する。本年度、私たちは、(1)分裂酵母においてHsk1(Cdc7)はMrc1(Claspin),Swi1(Tim1),Swi3(Tipin)と遺伝的、物理的に相互作用し、複製フォークの安定化と、チェックポイントキナーゼの活性化に必要とされること、(2)ヒトおよびマウス細胞においてCdc7が複製フォーク停止に応答するChk1キナーゼの活性化に必要であること、およびCdc7はClaspinと物理的に相互作用し、これをリン酸化すること、また、(3)動物細胞においてTim1およびTipinは複製フォーク停止によるChk1キナーゼ活性化に必要とされること、などを見い出した。私たちは、これらの結果からCdc7のS期における主要な機能にひとつは、Claspin/Tim1-Tipinと共同して複製フォーク進行障害時に複製フォークを安定化しゲノムを崩壊から守ることであると考えている。がん細胞においては、種々のチェックポイントが不全になっていることが多く、複製フォーク不安定化の誘導は、修復不能なDNA損傷を誘導し、最終的に細胞死を誘導できる可能性がある。実際、Cdc7および上記複製フォーク保護因子の発現をがん細胞において抑制したところ、細胞死が誘導された。現在、複製フォーク制御因子を標的とした制癌剤開発の可能性についても検討を行っている。
量子機械学習の統合的運用による量子認証技術の実現

初年度は、ダイヤモンドNV中心スピン量子系を用いた量子情報技術の基礎確立を念頭に、ハミルトニアンラーニングとGRAPEアルゴリズムの統合運用技術を確立し、実験に利用することでその効率や正確さについて評価し、量子指紋認証技術の基礎部分を確立した。第一課題である統合運用の確立であるが、実際に研究実施計画書のアイディアを実装し実験したところ、NV中心のハミルトニアンを特徴づける近傍C13核スピンとの超微細相互作用を誤差10kHzの高精度なオーダーで推定できた。これは従来手法(ODMR:光検出磁気共鳴を用いたスペクトル解析)の精度と比較して1桁の精度向上であり、統合運用が効果的であることを実証できた。続いて、先述の統合運用スキームにいくつかの修正を行い、より実用的な運用を可能とすることを試みた。まず提案段階での統合運用スキームは情報論的に不明瞭な点が多かったため、これらを情報理論より再検討し、より妥当性の高いアプローチで直接的なパラメータ推定の高効率化が可能となるように理論の修正を行った。また、統合運用手法の実証にあたり、ベイズ推定に伴う膨大な計算量ならびに計算時間も問題として浮彫になった。これに対して我々はGPGPU大規模並列計算の導入による抜本的な計算能力向上によって改善した。市販のGPUであるNVIDIA GTX1080(科研費購入物品)を利用し、ベイズ推定に必要とされる行列計算をGPU上で実装した結果、1万種類程度のハミルトニアン対角化問題は数秒で解けるようになり、CPUによる実装と比較して数千倍の計算能力を確保できた。これは我々の統合運用手法が現実的な時間オーダーで実施可能であり機械学習が実用的な意味で有意に実行可能であることを意味する。また、ドイツのウルム大学に1か月ほど滞在し、共同研究の模索も行った。本課題で提唱しているスキームの実用的な運用を目指すにあたり、計算能力の向上という専門外の事案を本格的に取り組まなければならないことが判明し、これに想定より時間を要してしまった。しかし、実績概要に記述の通りその点の課題はGPGPU導入の成功により解決の見通しが立っているため、次年度の研究計画に大きな修正は必要ないと判断する。前年度の研究成果である1修正版の統合運用理論2GPGPU計算に基づく計算能力向上の2点を統合し、統合版ハミルトニアンラーニングの実用的な運用を可能にする。このアプローチによって、ハミルトニアンラーニングのパラメータ推定精度を前年度よりさらに一桁向上させる。また、必要に応じてさらにGPUサーバーの導入などを行って計算能力の底上げを実施する。その後、研究計画に記載の通り本統合運用ハミルトニアンラーニングに基づくNV中心スピン系に対する包括的な高忠実度量子制御を可能とする。また、発展的な試みとしてハミルトニアンラーニングのスキームを量子測定理論に適用し、NV中心スピン系の量子シングルショット測定の忠実度向上も図っていきたい。その後、研究計画に記載の通り本統合運用ハミルトニアン

ラーニングに基づくNV中心スピン系に対する包括的な高忠実度量子制御を可能とする。また、発展的な試みとしてハミルトニアンラーニングのスキームを量子測定理論に適用し、NV中心スピン系の量子シングルショット測定の忠実度向上も図っていきたい。
個別科学技術分野（音分野）および科学的な方法に関する市民科学リテラシーの調査

生きていくために必要な基礎的学力をリテラシーと呼ぶ.市民が社会的判断を行うためには,さまざまなリテラシーが必要であり,科学リテラシーもその一つである.科学リテラシーに関する先行研究として,科学全般に関する調査や個別科学技術分野の用語・概念に関する教育は存在するが,個別の科学技術分野に関する調査や科学的な方法に関する教育はほとんどない.本研究では,成人を対象に,「音」という個別科学技術分野に焦点を当てて,用語・概念の理解および科学的な方法の理解の調査を行う.また,大学生を対象に,科学的な方法に関する明示的な教育を行い,その効果を実験的に調査する.生きていくために必要な基礎的学力をリテラシーと呼ぶ.市民が社会的判断を行うためには,さまざまなリテラシーが必要であり,科学リテラシーもその一つである.科学リテラシーに関する先行研究として,科学全般に関する調査や個別科学技術分野の用語・概念に関する教育は存在するが,個別の科学技術分野に関する調査や科学的な方法に関する教育はほとんどない.本研究では,成人を対象に,「音」という個別科学技術分野に焦点を当てて,用語・概念の理解および科学的な方法の理解の調査を行う.また,大学生を対象に,科学的な方法に関する明示的な教育を行い,その効果を実験的に調査する.