hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
人腕運動系における運動学習機構に関する研究

人は繰り返し運動することにより徐々に上達できる運動学習の能力を有している.この観点から,内部モデルを学習ことによりこの運動学習を説明する学習制御モデルが提案されてきた.しかし,これらの学習制御モデルでは学習語には獲得した内部モデルを用いたフィードフォワード制御により正確な運動が可能となるが,学習初期にはほとんど制御できていないという問題点がある.一方,人の運動系は、筋や反射系により実現されている可変粘弾性特性を有している。この可変粘弾性特性を利用することにより、運動の習熟度に応じて運動戦略を適応的に変化させることが可能である。例えば、運動目標を達成しやすくなるために、学習初期に粘弾性を高くすることにより運動精度を高めることができる。しかし、高すぎる粘弾性はエネルギー収支や疲労の点から不利である。このような観点から、本研究では、学習が進むにつれて粘弾性を徐々に下げてゆくことにより、学習後には相対的な小さい粘弾性で高精度な運動が可能となる学習制御モデルを提案した.この学習制御モデルの有効生を計算機シミュレーションにより確認した.本研究で提案した学習制御モデルは,運動学習過程において有効な戦略の1つを説明している可能性があり,生理学的観点からも可能なモデルとなっている.今後,人腕の運動計測により本提案モデルの妥当性を検証する予定である.人は繰り返し運動することにより徐々に上達できる運動学習の能力を有している.この観点から,内部モデルを学習ことによりこの運動学習を説明する学習制御モデルが提案されてきた.しかし,これらの学習制御モデルでは学習語には獲得した内部モデルを用いたフィードフォワード制御により正確な運動が可能となるが,学習初期にはほとんど制御できていないという問題点がある.一方,人の運動系は、筋や反射系により実現されている可変粘弾性特性を有している。このような観点から、本研究では、学習が進むにつれて粘弾性を徐々に下げてゆくことにより、学習後には相対的な小さい粘弾性で高精度な運動が可能となる学習制御モデルを提案した.この学習制御モデルの有効生を計算機シミュレーションにより確認した.本研究で提案した学習制御モデルは,運動学習過程において有効な戦略の1つを説明している可能性があり,生理学的観点からも可能なモデルとなっている.今後,人腕の運動計測により本提案モデルの妥当性を検証する予定である.
家蛍卵の低温適応に関する生理生化学的研究

本研究では,家蚕卵(特に非休眠卵)の低温下における生化学的な特異現象をポリオール代謝およびこれに係る酵素活性の変動や卵殻の脂質代謝を通じ,カイコ卵の生化学的適応究明の手がかりを得ることを目的とした.まず,非休眠卵の低温に対する感受性をポリオール蓄積との関連から検討した.産卵24時間後に25,15,10,5および1゚Cに保護したところ, 15゚C以上ではグリコーゲンの減少に伴いソルビトールが15μmoles/gegg程度生成された.これに対し10゚C以下では,グリコーゲンの減少とともにソルビトールが約50μmoles蓄積され,再び減少した.しかし, 1゚C保護卵ではこの減少が認められず, 5゚Cに移すとソルビトールが減少し,グリコーゲンが増大した.そして,これらソルビトールの変動と低温保護非休眠卵のふ化能力とは密接に関連していることが判明したことから,ソルビトールの代謝に係るNAD-ソルビトール脱水素酵素を介し,非休眠卵は低温に対し適応すると推察した.一方,卵殻には休眠開始期の酸素透過生に関与する卵殻特異脂質が存在する.この脂質の化学構造をGC-MSによって分析したところ,飽和高級アルコール酢酸エステルで炭素数38(C_<38>OAC)と52(C_<52>OAC)で,卵殻裏面に分布することが判った.そして,これらの脂質は,休眠生とは直接関連付けることは困難であり,むしろ休眠中にwater proofing substanceとして働いていると考えられた.また,家蚕卵に存在する主要なリン脂質はホスファチジルコリン(PC),ホスファチジルエタノールアミン(PE),ホスフェチジルセリン(PS)であることが判った.そして,いずれのリン脂質もC16:0,C18:0,C18:1,C18:2,C18:3の脂肪酸から構成され,休眠卵を冷蔵することによってリン脂質中の不飽和脂肪酸の質的変化が起っているものと推察した.このことは,低温下における家蚕卵は膜系脂質を介しても生理化学的な応答を行っていることが考えられる.本研究では,家蚕卵(特に非休眠卵)の低温下における生化学的な特異現象をポリオール代謝およびこれに係る酵素活性の変動や卵殻の脂質代謝を通じ,カイコ卵の生化学的適応究明の手がかりを得ることを目的とした.まず,非休眠卵の低温に対する感受性をポリオール蓄積との関連から検討した.産卵24時間後に25,15,10,5および1゚Cに保護したところ, 15゚C以上ではグリコーゲンの減少に伴いソルビトールが15μmoles/gegg程度生成された.これに対し10゚C以下では,グリコーゲンの減少とともにソルビトールが約50μmoles蓄積され,再び減少した.しかし, 1゚C保護卵ではこの減少が認められず, 5゚Cに移すとソルビトールが減少し,グリコーゲンが増大した.そして,これらソルビトールの変動と低温保護非休眠卵のふ化能力とは密接に関連していることが判明したことから,ソルビトールの代謝に係るNAD-ソルビトール脱水素酵素を介し,非休眠卵は低温に対し適応すると推察した.一方,卵殻には休眠開始期の酸素透過生に関与する卵殻特異脂質が存在する.この脂質の化学構造をGC-MSによって分析したところ,飽和高級アルコール酢酸エステルで炭素数38(C_<38>OAC)と52(C_<52>OAC)で,卵殻裏面に分布することが判った.そして,これらの脂質は,休眠生とは直接関連付けることは困難であり,むしろ休眠中にwater proofing substanceとして働いていると考えられた.また,家蚕卵に存在する主要なリン脂質はホスファチジルコリン(PC),ホスファチジルエタノールアミン(PE),ホスフェチジルセリン(PS)であることが判った.そして,いずれのリン脂質もC16:0,C18:0,C18:1,C18:2,C18:3の脂肪酸から構成され,休眠卵を冷蔵することによってリン脂質中の不飽和脂肪酸の質的変化が起っているものと推察した.このことは,低温下における家蚕卵は膜系脂質を介しても生理化学的な応答を行っていることが考えられる.1.カイコ卵のリン脂質の分離・同定:カイコ卵における低温馴化の機構をリン脂質動態との関連で明らかにするため、薄層クロマトグラフィーにおけるRf値およびリン脂質の特異呈色反応、さらに赤外分光分析よりリン脂質の同定を行った。その結果、カイコ卵に存在する主要なリン脂質はホスファチジルコリン,ホスファチジルエタノールアミンおよびホスファチジルセリンであった。また、いずれのリン脂質種も【C_(16:0)】,【C_(18:0)】,【C_(18:3)】,【C_(18:2)】,【C_(18:3)】の脂肪酸から構成されていることが判明した。2.低温保護非休眠卵のホスホフラクトキナーゼ(PFK)活性:非休眠卵を25°C保護したもの、および産卵24時間後に5°Cおよび1°Cに移した卵のポリオール蓄積とPFK活性との関連について検討した。25°C保護卵のPFK活性は、ふ化までに上昇したのに反し、5°C及び1°C保護卵では、有意な活性の変動をみることはできなかった。3.除殻培養卵の低温下におけるポリオール蓄積:低温保護非休眠

卵におけるポリオール蓄積が、卵殻の酸素透過性と関連あるか否かについて検討するため、除殻培養卵を低温下(5°C)で保護した。その結果、培養開始より14日後にかけて、ソルビトールとグリセロールが蓄積された。このことから、カイコ卵におけるポリオールの蓄積と卵殻の酸素透過性とは直接関係あるとは考え難いことが判った。4.カイコ卵の卵殻特異的脂質、【X_1】と【X_2】の構造:卵殻に存在する二つの未同定の脂質【X_1】と【X_2】を分離,精製し,それらの化学構造について検討した。【X_1】は【C_(52)】の高級アルコールの酢酸エステル,【X_2】は【C_(38)】の高級アルコール酢酸エステルであることが判った。両脂質は、休眠開始期に特異的な変動を示し、生理状態に応じて、相互変換を行っているとも考えられるが、このことについては、さらに検討を必要とする。
階層的ゲノム・エピゲノム編集法を用いた疾患発症モデリング技術の開発

本研究では、単一細胞内で多発的に生じるゲノム・エピゲノム異常による疾患のモデル化を可能にするゲノム・エピゲノム編集技術の開発を実施した。ゲノム編集については、基盤整備としてMMEJ依存的遺伝子ノックイン(PITCh)の効率化とPITChの自動設計ツールを開発するとともに、効率化した技術を用いてPITChによる複数遺伝子座への同時ノックインを実現した。また、エピゲノム編集については、従来のシステムによる編集効果を上回るエフェクター超集積型システム(TREE)を構築した。これらの成果により、ゲノム編集・エピゲノム編集の両面から、多因子性の複雑な疾患の発症をモデリング可能な技術が確立された。TALENやCRISPR-Cas9を用いたゲノム編集技術、ならびにゲノム編集から派生した転写制御/エピゲノム改変技術の開発は、近年世界中で競って進められ、疾患モデル細胞の作製にも広く利用されつつある。一方で、がんの原因となる変異やエピゲノム異常は、階層的に蓄積されていくことが知られている。そこで本研究では、申請者らが確立したPlatinum TALEプラットフォームやマルチガイドCRISPR-Cas9システム、簡便・正確・高効率な遺伝子ノックインを可能にするPITChシステム等を駆使し、ゲノム・エピゲノム編集ツールを単一細胞内で段階的に作用させることで、ヒト疾患の階層的発症メカニズムのモデル化を実現することを目的とする。本年度は、階層的ゲノム編集技術の基盤整備のため、培養細胞におけるPITCh法の効率化と、PITCh法による遺伝子ノックインの自動設計ツールの確立を進めた。PITCh法は、相同組換えに依存しない遺伝子ノックイン法であり、マイクロホモロジーと呼ばれる数十bp程度の短い相同配列を利用して、マイクロホモロジー媒介性末端結合(MMEJ)に基づいて外来遺伝子を挿入することが可能である。本研究では、MMEJに関わる因子のスクリーニングを実施し、特定の因子の過剰発現によって、PITCh法による遺伝子ノックインの効率が上昇することを明らかにした。更に、PITCh法に利用するsgRNAおよびマイクロホモロジー配列の設計を自動化するウェブツールを開発することで、ハイスループットなPITCh法の設計を可能にした。研究概要に記載した培養細胞におけるPITCh法の効率化の研究成果を、共同責任著者および共同筆頭著者の一人としてBMC Genomics誌に論文発表した。また、同じく研究概要に記載したPITCh法による遺伝子ノックインの自動設計ツールの開発についても、共同責任著者の一人としてBioengineered誌に論文がin pressの状態となっている。これらの成果は、次年度の研究開発の基盤となるものであり、現時点において研究開発が順調に進展していると考えられる。ゲノム編集については、DNA二本鎖切断(DSB)の修復経路に関わる因子を、ゲノムDNA上の標的領域に集積させることで、MMEJ依存的遺伝子ノックイン(PITCh)をはじめとしたさまざまなゲノム編集を効率化させるlocal accumulation of DSB repair molecules(LoAD)法を確立した。更に、LoAD法を応用し、PITChによる複数遺伝子座への同時ノックインを実現した。これらの成果について、責任著者として論文を取りまとめ、現在国際学術雑誌に投稿中である。一方エピゲノム編集については、これまでに開発されてきたエフェクター直接融合型やエフェクター集積型の効果を上回る、エフェクター超集積型システム(three-component repurposed technology for enhanced expression; TREE)を新たに開発した。TREEシステムを用いることにより、従来システムでは顕著な発現の活性化がみられなかったがん関連遺伝子の発現を強く誘導できることが明らかとなった。更に、TREEシステムの優位性が細胞種や遺伝子座に依存しないことを証明し、普遍的に高い効果を示すエフェクター集積システムとして利用可能であることが示唆された。本成果についても、責任著者として論文を取りまとめ、現在国際学術雑誌に投稿中である。また、「標的遺伝子にエフェクタータンパク質を集積するための組成物、およびその利用」として特許出願を完了した(特願2018-041322)。次年度は、本年度に確立した技術基盤を更に拡大すると共に、階層的ゲノム・エピゲノム編集への展開を進める予定である。具体的には、PITCh法による遺伝子ノックインの更なる効率化と、PITCh法によってノックインできるドナーDNAのキャパシティーの拡大を予定している。また、Platinum TALEプラットフォームやマルチガイドCRISPR-Cas9システムをエピゲノム編集技術に応用する試みを既に開始しており、本成果についての論文化を予定している。これらの改良型技術基盤を利用し、複数のゲノム編集およびエピゲノム編集を同時または段階的に作用させ、階層的ゲノム・エピゲノム編集を実現する計画である。ゲノム生物工学
アダプター分子ASCを介した血栓形成における新たな制御機構の解明と治療への応用

申請者らのグループは、これまで心血管疾患の病態に共通する無菌性炎症を制御している細胞内分子複合体NLRP3インフラマソームの重要性を明らかにしてきた。そして最近、血小板にはインフラマソーム構成分子の一つであるアダプター分子ASCのみが存在し、このASCがインフラマソームとは独立して血栓形成に寄与していることを見出し、血小板のASCに結合する候補分子を探索・同定を行ったところ、候補分子を5つ同定した。そこで、これら候補分子の細胞内での局在や挙動、ASCとの結合・解離について解析を進めた。Flagタグを融合したASCおよびMycタグを融合した候補分子をHeLa細胞へ強制発現させ、それぞれを蛍光標識し共焦点顕微鏡下での観察を行ったところ、ASCと候補分子は細胞内で部分的に共局在しており、相互作用することが示唆された。また、免疫沈降法によりASCと候補分子との結合部位の同定を試みたが、HeLa細胞およびHEK293細胞では結果が得られず、結合部位の同定には至らなかった。しかし、マウスの血小板においては免疫沈降法でもASCと候補分子との結合が確認でき、さらに、コラーゲンやトロンビン刺激によってASCスペック様の凝集塊や多量体形成が認められた。また、ASC KOマウスの血小板ではこれら刺激による細胞内カルシウム濃度が野生型マウスと比較して優位に上昇していた。これらの結果から、血小板においてはASCと候補分子が相互作用し、刺激による活性化の制御に関与することが示唆された。これまでに、ASCと候補分子との結合部位の同定を試みたが、培養細胞ではその同定に至らなかった。しかし、マウスの血小板においてはASCの活性化や候補分子との結合が認められたことから、ASCは血小板の活性化制御に関与していると考えている。現在、野生型マウスとASC KOマウスの血小板を用いて細胞内シグナルの解析や細胞内カルシウム濃度の評価を行っており、有意な差を得ている。以上の結果から、本研究はおおむね順調に進行しており、今後は血小板を用いたシグナル解析やヒト巨核球細胞株であるCMK-11 5やMeg-01を使用した解析を進めていくとともに、病態モデルを用いたin vivoでの解析を行う予定である。2019年度は、レンチウイルスベクターによるASCおよび候補分子の強制発現・発現抑制(CRISPR/Cas9システムを利用)系を構築し、活性化刺激を加えた際の血小板凝集能・細胞内シグナル・細胞内カルシウム濃度について評価する。これらの解析にはヒト巨核球細胞株(CMK11-5・Meg-01)を使用する。また、深部静脈血栓モデル(右腎静脈直下での下大静脈結紮)および脳梗塞モデル(光化学反応による中大脳動脈の血栓形成)を作製し、生体での新規候補分子の発現や局在、ASCとの結合を検討するとともに、候補分子の阻害薬等を用いて血栓形成への影響を検証する。

これらの解析にはヒト巨核球細胞株(CMK11-5・Meg-01)を使用する。また、深部静脈血栓モデル(右腎静脈直下での下大静脈結紮)および脳梗塞モデル(光化学反応による中大脳動脈の血栓形成)を作製し、生体での新規候補分子の発現や局在、ASCとの結合を検討するとともに、候補分子の阻害薬等を用いて血栓形成への影響を検証する。
半導体中の深い不純物を利用したテラヘルツレーザの研究

半導体中の不純物準位を利用したテラヘルツレーザの開発を目的とした研究であったが、PドープしたSiについては試料をベルリンのグループから提供され、発振を確認したが、TeをドープしたGeについては発振は確認できなかった。その原因を追求するため赤外の光伝導の実験を自由電子レーザとFTIRを用いて行ない不純物準位に関係したいくつかのピークを観測した。自由電子レーザを用いた実験では90meV付近からの立ち上がりと120meV,160meV付近にピークが見られこれらのピークをフォノンを伴った励起状態と伝導帯の間のFano共鳴として説明し、ウィーンで18年7月に開催された半導体物理学国際会議で口頭発表するとともに、18年9月に上海で行なわれた赤外とミリ波国際会議で招待講演をおこなった。しかしながらロシアのグループからFano共鳴として解釈したピークはホットエレクトロンがフォノンを放出する過程を観測しているのではないかというコメントがあった。このことを確認するために自由電子レーザよりはるかに強度が弱い通常のFTIRの実験を筑波の物質材料機構で行ない、自由電子レーザによる測定結果とは非常に異なる結果を得た。この結果は18年12月に大阪市大で行なわれた光物性研究会と19年3月に鹿児島で行なわれた物理学会で発表した。この2つのデータの違いからロシアのグループのコメントが正しく、自由電子レーザの実験はホットエレクトロン、FTIRの実験はFano共鳴が観測されていると思われる。FTIRのスペクトルは非常に複雑で、現在のところかなりはっきりとしている結論の一つはGe中のTeに束縛された2つの電子が同時に脱離する過程が観測されている。大きな疑問はピーク強度の温度変化が激しく90meVという第一イオン化エネルギーでは説明できない点である。今のところTeドナーにもう一つ電子が束縛されたD^-センターが観測されている可能性がある。このことについては19年4月にも実験を行ない原因を追求している。Si:Pについてテラヘルツのレーザ発振を確認するとともにGe:As、Ge:ZnとGe:Teについて赤外の光伝導により不純物準位を詳細に調べテラヘルツレーザの発振の可能性について検討した。端面を正確に平行に研摩した5x7x7mm^3の直方体のPをドープしたSiの試料をドイツのDLR研究所から供給してもらった。試料を液体ヘリウム中にセットし1MWのTEAへ炭酸ガスレーザで励起し発光をGe:As検出器で検出した。励起光の入射角度に非常に敏感であり励起強度依存性に閾値があることからレーザ発振を確認した。検出器の特性を調べるためTEA炭酸ガスレーザ励起で赤外の光伝導の測定をGe:AsとGe:Znに対して行った。Ge:Asは発散的な、Ge:Znは飽和的な非線形な依存性が観測された。Ge中の不純物準位を詳しく調べるため自由電子レーザを用いて赤外光伝導の実験を行った。フォノン吸収による伝導の減少以外にGe:Asでは120meV、Ge:Znでは115meVに光伝導の減少が観測された。ともに自由キャリヤがLOフォノンを放出して不純物の励起状態に緩和する過程に対応していると考えられる。Ge:TeではFano効果と見られる構造が観測され1_S(T_2)状態のイオン化エネルギーが10.5meVと求められた。

これらの実験結果から深い不純物を利用しても1s(T_2)状態のイオン化エネルギーは比較的小さいのでテラヘルツレーザの発光エネルギーは5meV程度とSiと比較するとかなり低い振動数で発振することが予想される。半導体中の不純物準位を利用したテラヘルツレーザの開発を目的とした研究であったが、PドープしたSiについては試料をベルリンのグループから提供され、発振を確認したが、TeをドープしたGeについては発振は確認できなかった。その原因を追求するため赤外の光伝導の実験を自由電子レーザとFTIRを用いて行ない不純物準位に関係したいくつかのピークを観測した。自由電子レーザを用いた実験では90meV付近からの立ち上がりと120meV,160meV付近にピークが見られこれらのピークをフォノンを伴った励起状態と伝導帯の間のFano共鳴として説明し、ウィーンで18年7月に開催された半導体物理学国際会議で口頭発表するとともに、18年9月に上海で行なわれた赤外とミリ波国際会議で招待講演をおこなった。しかしながらロシアのグループからFano共鳴として解釈したピークはホットエレクトロンがフォノンを放出する過程を観測しているのではないかというコメントがあった。このことを確認するために自由電子レーザよりはるかに強度が弱い通常のFTIRの実験を筑波の物質材料機構で行ない、自由電子レーザによる測定結果とは非常に異なる結果を得た。この結果は18年12月に大阪市大で行なわれた光物性研究会と19年3月に鹿児島で行なわれた物理学会で発表した。この2つのデータの違いからロシアのグループのコメントが正しく、自由電子レーザの実験はホットエレクトロン、FTIRの実験はFano共鳴が観測されていると思われる。FTIRのスペクトルは非常に複雑で、現在のところかなりはっきりとしている結論の一つはGe中のTeに束縛された2つの電子が同時に脱離する過程が観測されている。大きな疑問はピーク強度の温度変化が激しく90meVという第一イオン化エネルギーでは説明できない点である。今のところTeドナーにもう一つ電子が束縛されたD^-センターが観測されている可能性がある。このことについては19年4月にも実験を行ない原因を追求している。
類似症例検索に基づくマンモグラフィ診断支援システムの開発と地域医療への展開

本研究の目的は,医師に診断のための参考症例として類似症例を提示する診断支援システムの開発とその有用性を評価することである.平成18年度は,経過観察前後の現在と過去の各微小石灰化クラスタにおいて,6つの病変形態を定量化するアルゴリズムを確立した.そして,これらの特徴量空間における診断対象症例の最近傍症例を類似症例として選択する類似症例検索アルゴリズムを開発した.本年度は,さらに以下の研究成果が得られた.(1)微小石灰化クラスタを高精度に定量化するため,個々の石灰化陰影の領域を正確に抽出するレベルセット法に基づく抽出アルゴリズムを開発した.このアルゴリズムを実験試料に適用し特徴量を計測した結果,病理組織型間の特徴量の差が大きくなり,アルゴリズムの有効性が示された.(2)(1)で得られた12特徴量により構成された特徴量空間を類似症例検索アルゴリズムに導入した.診断対象症例と類似症例の病理組織型が一致したとき正しく類似症例が検索されたと評価した.その結果,従来のアルゴリズムより病理組織型の一致度が向上し,類似症例をさらに的確に検索できる可能性が示唆された.(3)類似症例検索に基づく診断支援システムのプロトタイプを作成した.このプロトタイプは,診断対象画像・類似症例画像の通常・拡大表示,濃度階調変換などの機能を備えている.医療現場のヒアリングにより,本プロトタイプは,ユーザインターフェイスのデザイン,操作性において十分臨床応用可能との評価が得られた.(4)北米放射線学会(RSNA)にて,25症例を対象に本診断支援システムの有用性の予備評価実験を行った.10年以上の読影経験がある放射線科医28名が実験に参加した結果,類似症例の表示により医師の鑑別精度が平均15%向上する結果が得られ,臨床的に有用となる可能性が示唆された.本研究の目的は,診断対象症例に関して,症例データベースの中から微小石灰化クラスタの特徴に基づく類似症例を検索し,医師に診断のための参考症例として提示する診断支援システムを開発することである.本年度は,同じ病理組織型に属する微小石灰化クラスタが類似した病変形態および成長速度を有することに着目したデータベースの構築ならびに類似症例検索アルゴリズムの開発を行った.(1)まず,3ヶ月間の経過観察の前後に93患者から得られた現在と過去の拡大マンモグラムにより症例データベースを構築した.これらには悪性の微小石灰化クラスタ55例(浸潤癌11例,come do型非浸潤癌19例,noncome do型非浸潤癌25例)と良性の微小石灰化クラスタ38例(乳腺症23例,線維腺腫15例)が含まれる.(2)次に,医師が悪性度の評価に用いている微小石灰化クラスタの6つの病変形態(大小不同,濃淡不揃い,形状不整,線状・分岐状の分布,乳頭方向への分布の広がり,石灰化の個数)を特徴量として定量化するアルゴリズムを確立した.(3)そして,現在と過去の拡大マンモグラムにおける,それぞれの微小石灰化クラスタから定量化された12特徴量により特徴量空間を構成した.この特徴量空間において類似する症例は互いに近くに存在すると仮定され,特徴量空間における診断対象症例の最近傍症例を類似症例として選択する類似症例検索アルゴリズムを開発した.(4)最後に,Leave-one-out testing methodに基づき類似症例検索アルゴリズムの性能評価を行った.ここでは,診断対象症例と類似症例の病理組織型が一致したとき正しく類似症例が検索されたと評価した.その結果,約90%の病理組織型が一致し,類似症例を的確に検索できる可能性が示唆された.本研究の目的は,医師に診断のための参考症例として類似症例を提示する診断支援システムの開発とその有用性を評価することである.平成18年度は,経過観察前後の現在と過去の各微小石灰化クラスタにおいて,6つの病変形態を定量化するアルゴリズムを確立した.そして,これらの特徴量空間における診断対象症例の最近傍症例を類似症例として選択する類似症例検索アルゴリズムを開発した.本年度は,さらに以下の研究成果が得られた.(1)微小石灰化クラスタを高精度に定量化するため,個々の石灰化陰影の領域を正確に抽出するレベルセット法に基づく抽出アルゴリズムを開発した.このアルゴリズムを実験試料に適用し特徴量を計測した結果,病理組織型間の特徴量の差が大きくなり,アルゴリズムの有効性が示された.(2)(1)で得られた12特徴量により構成された特徴量空間を類似症例検索アルゴリズムに導入した.診断対象症例と類似症例の病理組織型が一致したとき正しく類似症例が検索されたと評価した.その結果,従来のアルゴリズムより病理組織型の一致度が向上し,類似症例をさらに的確に検索できる可能性が示唆された.(3)類似症例検索に基づく診断支援システムのプロトタイプを作成した.このプロトタイプは,診断対象画像・類似症例画像の通常・拡大表示,濃度階調変換などの機能を備えている.医療現場のヒアリングにより,本プロトタイプは,ユーザインターフェイスのデザイン,操作性において十分臨床応用可能との評価が得られた.(4)北米放射線学会(RSNA)にて,25症例を対象に本診断支援システムの有用性の予備評価実験を行った.10年以上の読影経験がある放射線科医28名が実験に参加した結果,類似症例の表示により医師の鑑別精度が平均15%向上する結果が得られ,臨床的に有用となる可能性が示唆された.
近似の不釣合を避けた電子相関分子間相互作用理論の確立とその応用

局所射影Hartree-Fock(HF)分子軌道(Locally Projected HF Molecular Orbital, LPMO)を基底とした一電子励起摂動法(Single excitation Perturbation Theory, SPT)によって、HF近似内では基底関数欠損誤差(Basis Set Superposition Error, BSSE)を避ける高速計算法を開発した。本方法では従来用いられていたCounterpoise法のような煩雑な計算が不要であり、計算速度も速く、水分子クラスター25量体にも適用できることを実証した。さらに、分子間相互作用エネルギーの定量的議論には不可欠な分散項(ファン・デア・ワールス項)をBSSEなしで高速に計算するために、摂動法に分散項だけを加えて計算する「LPMO 3SPT +分散項」と呼べる方法を開発した。この方法を使い、水分子クラスター(H2O)n、ハロゲン結合体、電荷移動錯体の安定化エネルギーの計算を行い、CCSD(T)法による参考計算結果と比較し、良い一致が得られることを示した。この方法の一つの特徴は、沢山の閉殻分子から構成されているクラスター系の分子対毎に電荷移動項と分散項を追加の計算なしに算出することができることである。この解析法を(H2O)n(n≦16)に適用し、水素結合では電荷移動項と分散項が強く相関していて、共に重要な役割を果たしていることを示すことに成功した。IClの第2吸収帯励起によって生成するI原子とCl原子の量子状態の分岐比やその解離方向の角度分布について、スピン軌道CI法と非断熱結合要素を含む量子論的な動力学計算に、量子干渉効果を正しく取り入れることにより、実験と理論の矛盾を解消することに成功した。局所射影Hartree-Fock分子軌道(Locally Projected、LP HF MO)を基底とした摂動論によってハートリーフォック近似内では基底関数欠損誤差(Basis Set Superposition Error, BSSE)を避ける高速計算法を実現した(1電子励起3次摂動, LP MO 3SPT)。これまでは、BSSEを取り除くためにCounterpoise(CP)手順という手間のかかる方法が使われていたが、この理論ではそのような煩雑な手順を使わないため、普通のワークステーションで水の25量体(1075個の基底関数が必要)の相互作用エネルギーもHF近似内ではBSSEなしの計算を実現させた。さらに、ファン・デア・ワールス(分散, Dispersion)項を計算する2電子励起摂動計算を加え、"LP MO 3SPT + Dispersion"近似法を開発した。この場合に対するCP手順の適切性を詳細に検討し、その限界と適用方法を明確にした。LP MOでは、被占軌道・励起軌道ともに各分子に局在しているので、2電子励起摂動展開においてファン・デア・ワールス項に寄与する電子配置だけを取り込む理論を構築できることを示した。この計算法により、水分子クラスター内の水素結合を解析し、分散項が電荷移動項とほぼ同等な重要性を持つことを明らかにすることが出来た。さらに、電子供与受容(Electron-Donor-Acceptor, EDA)錯体においても、分散項が錯体形成の中心的な役割を果たしていることも明らかにした。「LPMO 3SPT +分散項」の計算プログラムはまだ並列化をしていない。しかしながら、水分子クラスター(H2O)n(n≦16)の計算をaug-cc-pVDZ基底で通常の計算環境で実行できる。具体的には、SGI UV1000という計算機でn=11の計算をするには、8coreで3時間50分CPU時間を要する。ところがNWChemという並列度の高いプログラムで実行したCCSD(T)計算では240coreで2346CPU時間も必要になった。10個の異性体の相対エネルギーは両方法で4kJ/molの差もない(全結合エネルギーは420kJ/mol)。普通の計算環境では、n=16をCCSD(T)で計算を実施することは不可能に近いが、本方法では容易であり、相対エネルギーの差は2kJ/molにも満たなかった。より大きな系に適用するためには、並列化は不可欠であるが、現在のプログラムでも十分高い実用性を実現している。現在の計算プログラムの問題点は、LPMOを求める段階で、π電子系が重なっている場合に、scf計算の収束性が悪いことである。原因は"overcomplete"にあることが判明したが、これを克服するためにはscf部分の全面的書き直しが必要である。本課題は、この十二年間、申請者が進めてきた一連の研究である。LP MO 3SPT法によって、煩雑な手順が必要なCP法を必要とせずに、HF近似内ではBSSEを排除した計算を実現した。さらに、分散項を加えることによって、対結合エネルギーが20kJ/mol程度の系に対しては、高精度ベンチマーク計算に匹敵する信頼性ある研究を実現した。本理論の特徴は、多数の分子からなる大きなクラスターにも適用できることである。その結果として、水11量体の多くの異性体の研究が可能になり、再安定異性体構造を決める因子を解析することが出来るようになった。開発したプログラムは、並列化を実現していないが、大きな基底関数で問題になる2電子積分の分子軌道変換に工夫を加えた結果、個人所有の小型ワークステーションでも、基底関数の数が数百から千程度も計算を可能にした。LP MO 3SPT + Dispersion近似法を閉殻系分子クラスターの実用的研究手段とすることに成功した。1)LPMOの収束性に問題が生じる系が見いだされているので、LPMO解法を改良するアルゴリズムを開発する。

また、OpenMPを使った並列化も避けられなくなっている。2)同時に、懸案であった開殻分子を含むクラスターへの適用可能を達成する。3)理論的な課題として、1励起状態における分子間相互作用の研究へ発展させる方策を探る。非直交分子軌道を用いた多配置摂動法がその可能性が高い。行列要素の計算には、近年開発されている原子価結合法計算のプログラムが活用できる。2分子間相互作用によって分子内電子相関が変化する影響を正確にかつ高速で計算する方法を研究する。4)これまで開発済みのプログラムを使い、モンテカルロ法と組み合わせ、水和された陽イオンと陰イオンの構造と熱力学関数を研究する。クラスター内反応も取り扱うことのできるサンプリング法を研究する。また、分散項が支配的な簡単な分子(例えばメタンやエタンなど)の気体状態関数を3体項まで入れてモンテカルロ法で直接計算する方法を研究する。5)これらの研究を通じて、LPMOを活用する理論が豊かな可能性を持っていることを示し、協力・共同研究者を増やす。1)開発済みのプログラムを使い、応用計算を進める。マルティカノニカルレプリカスィッチング法と結合して、単分子クラスター(例えば、K+(Ne)n,、Cl-(H2O)nなど)の構造の内部温度依存を研究する。2)既存のプログラムを、並列化する。もっとも必要とする分散項計算から並列化への修正に取りかかる。3)開殻分子をふくめクラスター計算を可能にするプログラムを開発する。これには、理論的な問題で、新たに分担者に参加して頂いた藪下教授の協力を仰ぐ。4) LP MOによる摂動法は、論理的に、逐次的に近似を向上できる。BSSEを導入しないで高精度化する理論の構築も図る。1)研究成果を発表するために、国際会議や国内の学会で、口頭およびポスター発表をするための参加費と旅費に使用。2)共同研究を進展させるための交通費・旅費として使用。3)利用するソフトウエアを最新状態に維持するためのアップデート代金として使用。4)文献・書籍の購入代金として使用。5)外付けハードディスクなどこれまでの科研費で購入してきたパーソナルコンピュータの周辺機器の交換・修理などに使用。1)研究成果を広め、共同研究を進めるために、少なくと1年に1回は海外の国際会議に出席する。分担者の共同研究者である博士課程の学生の国内外の学会出席を支援する。2)活用しているソフトウエア(特に、intel compiler)を常に最新の版にしておく。3)申請者と二人の分担者(およびその博士課程学生)との共同研究推進のため交流研究会を行う。
MRS,MRIを用いた新規骨格筋代謝マーカーの確立とその応用

(目的)近年、ヒトにおける1H・MRSを用いた骨格筋細胞内脂質(IMCL;intramyocellularlipid)の定量的評価が可能となり、細胞内脂質とインスリン抵抗性の関連が明らかにされてきた。また、MRIによりT1、T2を測定することで骨格筋線維組成を推測する方法が検討されてきた。そこで今回我々は従来のIMCLに加えて、T1、T2の測定を行い、それぞれのパラメーターの関連性や骨格筋のインスリン感受性との関連性について検討することを目的として研究を行った。(結果)SOLではTAに比較して約3倍のIMCLが観察された。T1値はTAとSOLには有意差を認めず、GIRやIMCLとの相関を認めなかった。T2は、TAでSOLに比較して有意に低値であった(P<0.0001)。T2とGIRとは有意な相関関係を認めなかったが、IMCLと有意な正の相関を認めた(r=0.70、P<0.0001)。(考察)T2値が骨格筋の部位やIMCLを検出するマーカーとなりうる可能性があることが示唆された。(目的)近年、ヒトにおける^1H-MRSを用いた骨格筋細胞内膳質(IMCL ; intramyocellular lipid)の定量的評価が可能となり、細胞内膳質とインスリン抵抗性の関連が明らかにされてきた。(結果)過去の報告と同様にSOLではTAに比較して約3倍のIMCLが観察された。T1値はTAでSOLに比較して、有意に高値であり、T2では、これとは逆にTAでSOLに比較して有意に低値であった。T1はIMCL、GIRとの有意な相関を認めなかった。T2値に関しても、GIRとは有意な相関関係を認めなかったが、IMCLと有意な正の相関を認めた(r=0.72、P<0.0001)。(考察)T2は骨格筋の糖膳質代謝マーカーの一つになる可能性が示唆された。これらの関連については、被験者数を増加させることにより、今後のさらなる検討を要すると考えられた。
コミュニカティヴ・アプローチの方法論とその成果に関する実証的研究

本研究は、初等英語教育におけるコミュニカティヴ・アプローチ(CA)について、比較的長期にわたる実験的な教授・学習過程の成果を通して、その方法論的特色を明らかにしようと試みたものである。その際、とくにわが国の伝統的な文法的アプローチ(GA)あるいはCAに文法規則の教授を付加したものと対比した。初年度(平成3年度)には、69名の小学6年生児を週2回約10カ月にわたり、CAとGAの両方の教授法で教授した。教授法の主効果については、筆記テストではGAが、口頭テストではCAが有意だった。また流動性知能についてCAで特恵的、GAで補償的となり、既習英語学力についてCAで補償的、GAで特恵的となるATI(適性処遇交互作用)が見いだされた。このパターンは初期のものと反対でありながら、学習期間全体を通じて安定していた。また意欲面では、CAでは学習意欲を変化させて学習成果をもたらすのに対し、GAでは学習意欲を介在としていなかった。2年度(平成4年度)には、160名の小学5年生により、CA対GAの比較ならびに外人アシスタントの有無の比較を目指した第1実験と、第1実験の参加者のうち70名のの小学6年生により、CAのみとCAに規則教授を加えたものとの比較を目指した第2実験を行なった。そして第1実験において先行研究の初期の結果を、また第2実験では本研究初年度の結果を、基本的に追認した。本研究の結果は、学習者の適性との関係でコミュニカティヴ・アプローチの特色を明らかにした点で、実践的に意義があるだけでなく、適性構造が学習過程の中で変化し、かつ長期的にある程度安定することを示した点で、適性理論の理論的視点からも興味深いものである。本年度は約1年をかけて計60余時間にわたり、小学校6年生児70名(男女約半数ずつ)に初級英語を伝統的Grammati cal Approach(GA^1.文法中心的方法)とCommunicative Approach(CA^1.意思伝達中心的方法)の2通りの方法で別々に教え、その結果を能力面・意欲面の両側面から比較した。能力面で特等すべき結果は、これら教授法と学習者の適性(とくに英語既有能力と言語性知能)との間に長期的に安定した、しかも学習開始直後とは異なる交互作用(ATI:適性処遇交互作用)が確語されたことである。これは特にヒアリング能力に顕著に見られたもので、英語既有能力の個人差はCAよりもGAで結果の個人差と相関が高いのに対し、言語性知能の個人差はGAよりもCAで高く結果の個人差と相関していた。いいかえれば、GAでは英語の領域固有の知識が、またCAではより一般的な知的能力がそれぞれヒアリング能力獲得に影響を及ぼす適性であることが示唆される。そしてこのATIパタ-ンは、寺語を始めたばかり(本実験に先立つ20時間の教授直後)の時点でのパタ-ン(言語性知能に対してCAは補償的に、GAは特恵的に効く)と大きく異なるものであり、学習の進行とともに適性構造が変化することを示するものとして興味深い。意欲面で注目すべき結果は、CAとGAで学習におよぼす意欲の機能が異なり、ちがったプロセスが見出されたことである。すなわちCAでは【学習者の能度・性格要因(外向性、外国人に対する能度)→学習意欲→学習結果】というプロセスが見出されたのに対し、GAでは、学習意欲を媒介せず、もっぱら知的能力がモ習成果を規定していることが示された。さらにGAでは学習者の認知する学習意欲の程度に教師間差がほとんど見られないのに対し、CAでは教師差が大きく、授業の進午とともに差が拡大してゆく傾向が見られた。これらの結果は生態学妥当性の高いものと考えられる。

本年度は前年度の知見をふまえ、初級英語における文法的アプローチ(GA)とコミュニカティヴ・アプローチ(CA)との2つの教授法を、より生態学的妥当性の高い学習環境下で実験的に比較検討した。本年度の実験は次の2実験からなる。実験1:GAとCAの比較(2)×AET(外人アシスタント)の有無(2)の比較被験者小学5年生約160名主な結果(1)一般知能に対してCAは補償的に、GAは特恵的に効く「適性処遇交互作用(ATI)が、全研究同様に見いだされた。(2)CAはコミュニケーション志向の高い学習者に特恵的に効く(3)CAとAETの存在は意欲を媒介として学習効果を高める実験2:CAとCA+規則教授の比較(純粋なCAとCAに文法的な説明を加味した教授法との比較)被験者小学6年生(実験1の被験者の一部)約70名主な結果(1)既習英語学力に対しCAは補償的に、GAは特恵的に効くATIが見いだされた。(2)一般知能に対してCAは特恵的に、CA+規則教授は補償的に効く(3)規則教授を与えるこのにより、学習者の英語学習に対する意識が変わり英語学習でもっとも大切なことは「規則を覚えることである」と認識するようになる。
透過光を用いた深層筋の運動時酸素動態計測

近赤外線分光法(NIRS)を用いた筋組織計測は、その計測方法が簡便なことからスポーツ医科学の分野でも広く利用されているが、散乱光を利用しているため皮下12センチ程度の筋組織しか計測していない。筋組織の深層部は遅筋線維が多いため、運動時には主働筋として動員されているが、それらの情報をNIRSでは検出できないのが現状である。そこで、受光センサーを複数設置して受光量を増やすプローブを開発し、散乱光ではなく透過光を用いて運動時における筋組織酸素動態の計測を試みた。ヒト筋組織は光吸収物質(特にミオグロビン)の濃度は他組織よりも高く、従来実施されている散乱光と同様の方法で透過光を用いても検出部にて得られる光量が不充分であったため、プローブの装着を皮膚の上から皮下脂肪をピンチするように送光部と受光部を強く押し込むことで皮下脂肪による散乱の影響を少なくした。プローブの上から測定部位をピンチするので、高圧にも耐えられるプローブを制作した。その結果、透過光を用いて安静時および等尺性運動時におけるヒラメ筋の酸素動態を検出することに成功した。しかしながら、骨格筋有酸素能が高い鍛錬者では、受光部位に検出される光量が少なすぎて測定出来なかったため、更に光量を増やすなどの改善が必要である。また、透過光と同時に散乱光を用いて表層部と深層部の酸素動態の違いを検出するため、皮下脂肪厚の違いが透過光のデータに及ぼす影響についての実験も平行して行った。皮下脂肪厚がほぼ同じ被験者を集めて運動時における脱酸素化動態と全身持久力との関係を調べた結果、両者の間には有意な相関関係が確認されたが、皮下脂肪厚を考慮しないで様々な被験者で検討したところ両者の関係が弱まる傾向が観察された。また、散乱光を用いた運動時の筋組織計測は平均光路長が短縮することを発見し、改めて平均光路長の影響が出にくい透過光の有用性が再確認された。ヒト筋組織は光吸収物質(特にミオグロビン)の濃度は他組織よりも高く、従来実施されている散乱光と同様の方法で透過光を用いても検出部にて得られる光量が不充分であったため、プローブの装着方法を色々と工夫する必要がある。今回我々は、1受光量を増やすために受光センサーを複数設置、2皮下脂肪の光散乱の影響をなるべく少なくするために、皮膚の上から皮下脂肪をピンチするように送光部と受光部を装着、3プローブの上から測定部位をピンチするので、高圧にも耐えられるプローブの制作など、様々な測定装置の改良を行った。その結果、透過光を用いて安静時および等尺性運動時におけるヒラメ筋の酸素動態を検出することに成功したが、送光部および受光部ともに大幅な改良を必要余儀なくされた。当初は一年程度で改良が終了する予定であったが、運動時にも対応出来るように何度も改良を重ねた事もあり、計測可能になったのが平成30年度の秋頃になったため、この度延長願を提出した。平成30年度にようやく透過光を用いて安静時および等尺性運動時におけるヒラメ筋の酸素動態を検出することに成功した。しかしながら、骨格筋有酸素能が高い鍛錬者では、受光部位に検出される光量が少なすぎて測定出来なかったため、光吸収物質(ヘモグロビン/ミオグロビン)が多いヒラメ筋ではなく上腕二頭筋を用いて現在実験を行っている。今後は被験者数を増やし、透過光と散乱光を用いて運動時における筋酸素動態の相違について検討していきたい。また、皮下脂肪厚の違いが透過光のデータに及ぼす影響についても併せて実験を行いたい。平成28年度は,透過光を用いた筋組織深層部の情報を検出するプローブの作成ならびにそのソフトの開発を実施した。透過光プローブの製作に関しては,研究分担者である静岡大学工学部の庭山雅嗣准教授と共同で行ったが、安定したシグナルがまだ得られず、基礎的な実験と改良を重ねている段階で本年度は終了した.上記の開発と並行して,皮膚血液量と表層部の筋組織酸素動態を同時に計測できる装置の開発を行った.皮膚血液量と筋組織表層部の同時計測装置の製作に関しては,NIRS装置の製造および販売を行なっている株式会社アステムに依頼し、運動時における皮膚血液量(sBV)と筋組織血液量(mBV)の動態について計測した。低負荷(換気閾値:VTの60%)、中強度(VTの90%)、高強度(VTと最高酸素摂取量の中間強度)の固定負荷自転車運動を、それぞれ6分間実施した。その結果、中強度では運動継続に伴いmBVは著しく増加した。sBVも増加傾向を示したが、mBVの方がsBVに比べて有意に増加した。また高強度運動では、運動継続に伴いmBVは減少する動態を示したが、sBVは特に運動後半で顕著に増加を示し、両者全く異なる動態を示した。本研究の結果から、NIRSを用いて皮膚血液量と筋組織血液量をそれぞれ同時に計測できる可能性が示唆された。また、我々が以前、固定負荷運動中における組織血液量の増加は皮膚由来ではなく筋組織由来であると主張したが、今回の結果はその主張を改めて支持するものとなった。透過光を用いた筋組織深層部の情報を検出するプローブおよびソフトウェアの開発に時間を要しており、まだ骨格筋の計測が出来ていない状況である。今年度は比較的薄い筋群から深層筋の測定を開始し、安定したデータが取れ次第、厚みのある筋群の測定を試みる。

これまでスポーツ医科学分野で広く利用されている散乱光ではなく、透過光を用いた筋組織酸素動態を計測するため、昨年度に引き続いて測定装置の改良を行った。受光量を増やすために受光センサーを複数設置したプローブを制作した。また、プローブの装着方法も、皮膚の上から皮下脂肪をピンチするように送光部と受光部を強く押し込み、皮下脂肪による散乱の影響を少なくした。その結果、透過光を用いて安静時および等尺性運動時におけるヒラメ筋の酸素動態を検出することに成功した。しかしながら、骨格筋有酸素能が高いと思われる鍛錬者では、受光部位に検出される光量が少なすぎて測定出来なかったため、更に光量を増やすなどの改善が必要がである。また、比較的吸収物質濃度が少ない上腕二頭筋では安定して透過していたので、今年度は上腕二頭筋とヒラメ筋で実験を行う。また、透過光と同時に散乱光を用いて表層部と深層部の酸素動態の違いを検出するため、皮下脂肪厚の違いが透過光のデータに及ぼす影響についての実験も平行して行った。その結果、皮下脂肪厚が散乱光に与える影響は非常に大きく、皮下脂肪厚の影響を無視して筋組織酸素濃度を評価すると結果の誤解を招く恐れがあることが確認された。そこで昨年度は、皮下脂肪厚がほぼ同じ被験者を集めて運動時における脱酸素化動態と全身持久力との関係を調べた結果、両者の間には有意な相関関係が確認されたが、皮下脂肪厚を考慮しないで様々な被験者で検討したところ両者の関係が弱まる傾向が観察された。従って、散乱光、透過光を問わず、近赤外線を用いて筋組織酸素動態を計測する際には、皮下脂肪厚の影響を考慮する必要があることが再確認された。測定装置の制作が大幅に遅れてしまった事が原因である。近赤外線分光法(NIRS)を用いた筋組織計測は、その計測方法が簡便なことからスポーツ医科学の分野でも広く利用されているが、散乱光を利用しているため皮下12センチ程度の筋組織しか計測していない。筋組織の深層部は遅筋線維が多いため、運動時には主働筋として動員されているが、それらの情報をNIRSでは検出できないのが現状である。そこで、受光センサーを複数設置して受光量を増やすプローブを開発し、散乱光ではなく透過光を用いて運動時における筋組織酸素動態の計測を試みた。ヒト筋組織は光吸収物質(特にミオグロビン)の濃度は他組織よりも高く、従来実施されている散乱光と同様の方法で透過光を用いても検出部にて得られる光量が不充分であったため、プローブの装着を皮膚の上から皮下脂肪をピンチするように送光部と受光部を強く押し込むことで皮下脂肪による散乱の影響を少なくした。プローブの上から測定部位をピンチするので、高圧にも耐えられるプローブを制作した。しかしながら、骨格筋有酸素能が高い鍛錬者では、受光部位に検出される光量が少なすぎて測定出来なかったため、更に光量を増やすなどの改善が必要である。皮下脂肪厚がほぼ同じ被験者を集めて運動時における脱酸素化動態と全身持久力との関係を調べた結果、両者の間には有意な相関関係が確認されたが、皮下脂肪厚を考慮しないで様々な被験者で検討したところ両者の関係が弱まる傾向が観察された。また、散乱光を用いた運動時の筋組織計測は平均光路長が短縮することを発見し、改めて平均光路長の影響が出にくい透過光の有用性が再確認された。