hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
時計遺伝子に着目したガンの時間薬物治療法に関する基礎研究

本研究より、生活環境の変化に伴いCPT-11の時間毒性は変容し、これらの変容に伴い日周リズムがシフトする因子がCPT-11の毒性発現規定因子となる可能性が考えられる。規定因子の探索を目的に薬物動態学的側面より検討を加えた。血中CPT-11, SN-38(主活性代謝物)濃度は、投薬時刻の違いによる有意な差異が認められなかった。また、肝組織・血液中carboxylesterase(CPT-11をSN-38に代謝する酵素)活性も有意な日内変動は認められなかった。本研究より、CPT-11の時間毒性に寄与する因子としてCPT-11及びSN-38の薬物体内動態は関与しないことが示唆された。現在、CPT-11の時間毒性発現規定因子として、標的酵素のtopoisomerase I、骨髄中DNA合成能、副作用が現れる骨髄・腸粘膜中の時計遺伝子群などの日周リズムに着目し検討している。時間制限摂食マウスを対象としたCPT-11の副作用に及ぼす投薬タイミングの影響及び副作用発現規定因子の選定および代替生体リズムマーカーの探索明暗周期(明期:07:00-19:00)、自由摂食(ALF)もしくは時間制限摂食(TRF)(摂食時間:09:00-17:00)条件下で2週間飼育した7週齢ICR雄性マウスを使用した。自由摂食群と比較し時間制限摂食群では、約12時間毒性発現の位相がシフトすることが確認され、両群とも副作用がマウスの活動期において重篤となることで一致した(14年度実績報告より)。これら毒性発現の機序を薬物動態学的および薬力学的側面より検討した結果、ALF群では副作用の日内変動と薬物動態およびTopoisomerase-I活性の日周リズムに関与が認められたが、TRF群ではこれらに関与は認められなかった。しかし、両群共に骨髄細胞の細胞周期の日周リズムと骨髄抑制の日内変動には対応が認められた。従って、CPT-11の時間治療における投薬タイミング規定因子の一候補として骨髄細胞の細胞周期を選定した。また、白血球と骨髄細胞の細胞周期の日周リズムには対応が認められ、白血球は頻回採取が不可能な骨髄細胞に代わる代替生体リズムマーカーとして利用できる可能性が示唆された。ガン治療に用いられる薬剤の投薬タイミング規定因子の探索CPT-11以外にも抗ガン剤のadriamycin, docetaxel, interferon-β, melatoninおよび癌性疼痛治療に用いられるmorphineを対象に投薬タイミングの違いによる効果および副作用への影響を評価した。投薬タイミングを規定する候補因子は各薬剤において個々に異なった。以上より、一元的な生体リズムマーカーによって投与設計を行うのではなく、個々の薬剤の治療目的に対し柔軟に生体リズムマーカーを選択し投与設計を行う必要性があることが明らかとなった。
多数の微小結晶を用いた結晶構造解析手法および自動化システムの開発

タンパク質の結晶構造解析において,特に高難度試料の場合,現状簡便に解析が可能な20-30 μm以上の大きさの結晶の作製は困難である場合が多い.本研究では多数の微小結晶を用いたデータ収集およびデータ処理の自動化を行うことで,構造解析可能な構造振幅データを自動で得られるようにした.はじめに微小結晶を用いたデータ収集・処理のワークフロー化を行い,これまで手作業が必要であった部分の自動化およびデータ処理プロトコルの確立を行った.これにより,微小結晶作製から構造決定までのプロセスが大幅に短縮された.共同研究により入手した試料を用いてテストを行い,既に多数の構造決定に成功している,第三世代放射光によるX線の超高輝度化や,タンパク質調製技術の進歩などにより,1つのタンパク質の構造決定に必要な時間やコストは大幅に削減された.しかしながら,膜タンパク質や複雑な複合体など生命機能の解明に重要な構造解析の難度は高く,現状簡便に解析が可能な20-30 μm以上の大きさの結晶を得ることは難しい.近年,大型放射光施設SPring-8のビームラインBL32XUで利用可能になったマイクロビームX線を用いることで,10 μm程度の微小結晶からでも十分な強度の回折を得ることができるが,数回程度の照射で試料が破壊される放射線損傷のため,多数の微小結晶の回折強度測定を繰り返し,完全なデータを収集しなければならない.本研究は,多数の微小結晶を用いたデータ収集およびデータ処理の自動化を行うことで,構造解析可能な構造振幅データを全自動で得ることを目的としている.本年度は,微小結晶を用いたデータ収集・処理のワークフロー化を行い,これまで手作業が必要であった部分の自動化を行った.共同研究により入手した試料を用いてシステムのテストを行い,全自動でのデータ収集に成功した.データ処理もわずかな手作業のみで行えるようになった.前年度はデータ収集法およびデータ処理法に着手し,共同研究によって得た種々の微小結晶試料を用いて基礎データを集めた.多数の微小結晶を用いて高分解能データを収集するワークフローを確立し,その自動化を進めた.結晶凍結ループ上に多数散布された試料に対し,低線量回折スキャンを行い,タンパク質試料からの回折が確認された位置から,5-10°の振動写真データを収集するフローは,閾値を予め設定しておく点を除き,ほぼ自動化された.個別データ処理は完全自動化され,データのマージも最終的な判断は必要になるが,ほぼ自動化できている.既に実際の試料を用いた構造解析にも多数成功しており,まだ改良の余地はあるものの,十分に実用性のあるシステムが開発できている.これらのことから,おおむね順調に進展していると判断した.第三世代放射光によるX線の超高輝度化や,タンパク質調製技術の進歩などにより,1つのタンパク質の構造決定に必要な時間やコストは大幅に削減された.しかしながら,膜タンパク質や複雑な複合体など生命機能の解明に重要な構造解析の難度は高く,現状簡便に解析が可能な20-30 μm以上の大きさの結晶を得ることは難しい.近年,大型放射光施設SPring-8のビームラインBL32XUで利用可能になったマイクロビームX線を用いることで,10 μm程度の微小結晶からでも十分な強度の回折を得ることができるが,数回程度の照射で試料が破壊される放射線損傷のため,多数の微小結晶の回折強度測定を繰り返し,完全なデータを収集しなければならない.本研究は,多数の微小結晶を用いたデータ収集およびデータ処理の自動化を行うことで,構造解析可能な構造振幅データを全自動で得ることを目的としている.本年度は,前年度に引き続き,微小結晶を用いたデータ処理システムの改良を行った.共同研究により入手した種々の試料を用いてテストや,試料にあわせて必要な機能の追加を行った.用意された試料情報に基づく全自動のマージ処理や,結晶方位の偏りの可視化を含む結果のより詳細な分析機能の実装を行い,Webブラウザで表示可能なレポートの自動生成機能も付与した.既に複数の構造解析に成功しており,論文準備中である.実験へのフィードバック機構については今後も検討が必要である.タンパク質の結晶構造解析において,特に高難度試料の場合,現状簡便に解析が可能な20-30 μm以上の大きさの結晶の作製は困難である場合が多い.本研究では多数の微小結晶を用いたデータ収集およびデータ処理の自動化を行うことで,構造解析可能な構造振幅データを自動で得られるようにした.はじめに微小結晶を用いたデータ収集・処理のワークフロー化を行い,これまで手作業が必要であった部分の自動化およびデータ処理プロトコルの確立を行った.これにより,微小結晶作製から構造決定までのプロセスが大幅に短縮された.共同研究により入手した試料を用いてテストを行い,既に多数の構造決定に成功している,既に実際の試料を用いた構造解析にも成功しているが,特にデータ処理方法にはまだ改良の余地があると考える.本年度は,データの分類方法,スケーリングアルゴリズム,異常データ棄却方法の改善に注力する.また,データ処理結果のデータ収集へのフィードバックも重要な課題である.

現状得られているデータでは問題になっていないが,結晶方位の偏りを定量化して実験にフィードバックしたり,リアルタイムで解析処理を行うことで十分な結果になったと判断できた時点で実験を中断し次のサンプルを測定するなど,実験の効率化には不可欠な技術である.本年度はこのフィードバック機構の開発も行う.開発した技術はすぐにユーザに供出し,実際の高難度構造解析に役立てる他,さらなる問題点や改善点の抽出につなげていく.28年度が最終年度であるため、記入しない。X線構造生物学28年度が最終年度であるため、記入しない。
固体高分解能NMRおよびESR分光法による新しい文化財分析法の開発

以下の6つのサブテーマについて具体的な成果を得ることができた。1)29Si固体高分解能NMRによる埴輪胎土の分析。2)1HNMR-MOUSEによる紙材に含有される水の状態分析。3)吸着分子の吸着挙動で探る細孔構造。4)ESR分光法を用いた新しい文化財分析法と環境評価法の開発。5)埴輪の産地同定法の検討とその課題。6)マチカネワニ化石骨格のX線CT測定。もともとが物理化学や地球科学を主たる専門とする分担者が果敢に異分野に挑戦したものであり、個別の研究ではある程度の業績を上げることができた。しかし、最も大きな障害となった点は、完全に非破壊で検査することができなかったために、面白い資料を入手できなかったことである。たとえば、大阪府教育委員会の文化財保護課の技師から大阪府下の古墳から出土した琥珀破片の分析依頼があったが、完全に非破壊で測定することができないために諦めざるを得なかったことがある。また、当初から概算要求し続けたNMRイメージング装置が導入できなかったことも非破壊での研究を困難にした。いずれにせよ、このような文化財科学の手法開発研究は、4年というような短いタイムスパンではなかなか成果を出しにくい分野である。今後も、息長く挑戦し続けることが肝要であろう。本課題を遂行したことにより、十分にその下地はできたものと考えている以下の6つのサブテーマについて具体的な成果を得ることができた。本課題を遂行したことにより、十分にその下地はできたものと考えているNMRやESR分光法を用いた美術工芸品や考古遺品の新しい年代測定法、産地同定法の開発をめざした方法論の確立を行うには、これら手法に適した試料の選択が必要不可欠である。そこで、平成16年度は仏教寺院遺跡の石材・煉瓦、埴輪・陶磁器、琥珀等の資料収集を第一の目的として行った。埴輪試料については、古墳時代後期(紀元後6世紀)に築造された兵庫県勝福寺古墳出土の埴輪を入手すべく、遺跡から出土した埴輪の基礎的な整理作業として、出土品の実測、胎土の肉眼およびデジタルマイクロスコープによる観察と記録、そして写真撮影を進め、考古学的な基礎的作業を終了した。同時に関連する円筒埴輪の集成を進めた。その結果、京都府、滋賀県、岐阜県、愛知県にわたり、19遺跡において類似する資料が確認できた。以上の中間的な成果を考古学研究会関西例会第128回例会(大阪歴史博物館、2004年5月29日)において、「兵庫県川西市所在勝福寺古墳の調査-後円部に2つの横穴式石室をもつ古墳の調査-」(寺前直人)と題したスライド報告を行った。この他にも、アンコールワット寺院遺跡の煉瓦や石材、日本各地の琥珀などの文化財資料を入手した。これらについて、予備的な^<13>cおよび^<29>Si MAS NMRの測定を行い、適切な資料前処理の方法やNMR測定条件の検討を行った。これと平行して、NMR分光法を文化財科学へ応用するための基礎的研究として、固体高分解能NMR法を用いた固体構造の研究を行い、いくつかの雑誌論文にまとめた。また、ESR画像計測装置の感度向上にむけた装置改良として、外部ロックインアンプを用いてESR信号対ノイズ比の向上をはかることにより,計測時間の短縮化と高分解能化に成功した。昨年度以来、NMRイメージング装置を概算要求しているが、現時点では認められていない。したがって、今年度も主として固体高分解能NMRとESR法を用いた産地同定法開発のための基礎研究を推進した。新しい装置としてNMRマウスを運営費交付金で導入した。これは表面コイルを用いて資料の含有水分の状態を非破壊的に観測する装置である。たとえば、紙の劣化防止は、書籍、巻物、掛け軸などを取り扱う文化財科学において非常に重要な課題である。紙の主成分であるセルロースは、互いに絡まり合ってナノ空間を形成する。この空間は、製紙過程で取り込まれた水分子で満たされている。紙の劣化は、非晶質性セルロース部を通してこの水が失われることで進行すると考えられている。数種類の標準的な紙を用いて予備的な測定を行い、本年3月末の第86回日本化学会春季年会で発表する予定である(江口・上田・宮久保)。

また、ナノ空間の基礎的性質を探るXe-129 NMRを用いた物理化学研究も並行して推進している。(江口・上田・宮久保・小林・尾身)これに関連して、昨年末の環太平洋化学会(Pacifichem 2005)において江口は「材料化学へのNMRの応用」のシンポジウムをオーガナイズし、上田が招待講演を行った。資料収集も引き続いて行っている。まず、肥塚の仲介でアンコールワット遺跡の砂岩片(推定されている7カ所の石切り場に対応)をJSA岩石班班長の内田教授(早稲田大学理工学部)から譲り受け、^<29>Si MAS NMRとESRの測定を行っている。NMR測定は常磁性不純物のためにS/Nが悪く難航しているが、データが蓄積しつつある段階である。さらに、埴輪資料の収集を福永・寺前が行った。阪大が所蔵するマチカネワニの骨格化石に対する研究は、すべて化石表面の形状に対して行われたもののみであり、骨の内部構造に対する研究は、ほとんど行われていないのが現状である。今回、高知大学海洋コア総合研究センターのX線CT装置を用いて全骨格の内部構造を測定した。約200点のすべての内部構造をX線CT装置を用いて測定する初めての試みであり、学術的価値も大変高い。今後、測定データを詳細に検討することにより、骨格内部の網目構造(毛細血管の後)から、変温動物であるマチカネワニの基礎代謝等が推測できる可能性があり、ひいては、マチカネワニ生存当時の気候等も推定できる可能性がある。また、分類学上重要な歯の並びに関しても、顎の骨の内部構造を調べることにより、より明確に定義することが可能であると思われる。紙の劣化を評価するために、pHの異なる紙について、pHがスピン-スピン緩和時間(T_2)に及ぼす影響をNMRマウスにより検討した。コピー用紙を、pH=7の水とpH=5および3に調整した塩酸にそれぞれ浸した後、乾燥させた試料について^1H T_2を測定したところ、T_2の減少はアルカリ性が強いほど顕著であった。すなわち、強い酸性およびアルカリ性の紙では紙中の水の運動性が低下し、特にアルカリ性でその傾向は強くなることが明らかとなった。今後、統計的に紙の劣化を議論するに耐えうるより多くのデータの蓄積が必要である。谷らは、日本海の海底コア試料を用い,堆積物に含まれる石英微粒子の粒径,結晶化度,酸素空格子量の3つを指標として解析した.粒径の粗い石英は中国北部から中国東北部,シベリアを起源とする風成塵,粒径の細かい石英は日本列島からの砕屑物であることを明らかにした.また,石英微粒子の粒径や酸素空格子量は氷期・間氷期サイクルと同調した変動を持つことから,東アジアにおける過去の風の影響を堆積物から読み取ることが出来ることを示した.福永、寺前らは、去年度に引き続き、NMRおよびESR分光法の分析対象となる埴輪および古墳出土の土器の資料集成を行った。また、その過程で資料の出土位置と器種構成に着目し、古墳時代の葬送儀礼が海外の影響を受け変化したとされてきた横穴式石室への土器副葬に対して、在来的な文化要素が色濃く認められるということを指摘した。大阪大学豊中キャンパスの2箇所で採集された土器片試料と,川西市勝福寺で採集された試料について,29SiMASNMRスペクトルを測定した。
一酸化窒素（ＮＯ）によるＲＴＫリン酸化制御機構の分子生物学的解析と癌治療への応用

NOによるIGFシグナル制御のメカニズムを解明するために、IRS-1蛋白と結合する蛋白がIRS-1の発現およびリン酸化を制御するという仮説の下、Yeast two hybrid assayを行った。IRS-1をbaitとし、これをYeastにて発現させcDNA libraryを遺伝子導入し発現させた未知の蛋白を釣り上げた。これにより、8個の蛋白が候補に上った。これらの蛋白のほとんどが細胞膜近くにて増殖シグナルに関与すると思われるものであった。これらの蛋白の一つはIGFシグナルを制御することを明らかにした。これまでの研究でNOがIGF-I/insulinreceptorおよびEGFRのリン酸化をも抑制することを確認したがそのメカニズムについてはいまだ解明されていない。本研究においては、これらの分子生物学的メカニズムを解明すると同時に、in vivoにおいてNOドナーによる癌治療の有効性とそのメカニズムについて検証することである。NOによるInsulin receptorsubstrate-1(IRS-1)の制御のメカニズムを解明するために、IRS-1蛋白と結合する蛋白がIRS-1の発現およびリン酸化を制御するという仮説の下、Yeast two hybrid assayを行った。IRS-1をbaitとし、これをYeastにて発現させcDNA libraryを遺伝子導入し発現させた未知の蛋白を釣り上げたのである。今後はこれらの蛋白を一つ一つ機能解析し、IRS-1制御のメカニズムを解明する予定である。また、NOおよびMEK inhibitorの同時投与による癌増殖抑制のメカニズムの解明において、各種のMEK inhibitorによる違いが明らかとなった。これは、MAPKの抑制によるフェードバック機構の解明においてきわめて重要である。臨床において癌の治療としてのMEK inhibitorが有効でない癌種があるが、その理由はこういったフェードバック機構によるものかもしれない。現在更なる実験を行っている。そのうち一つの蛋白は膵癌細胞MIAPaCa2 cellにおいて発現し、IRS-1蛋白と結合することをbinding assayにて明らかとなり、またその蛋白の制御はIGF-I/PI3-K/Akt pathwayおよび増殖を制御することが明らかとなった。また、その遺伝子をクローニングし哺乳類細胞蛋白発現ベクターにsubcloningした。細胞内で高発現させ、IRS-1とのbinding assayおよび細胞形質の変化などのについて明らかにする予定である。癌細胞においてIGF-I, EGF等の増殖シグナルは重要である。IGF-IR, EGFRの下流のシグナルにPI3-K pathwayおよびMAPK pathwayの2つのpathwayが存在している。これまで我々研究クループは一酸化窒素(NO)がIGF-IR, IRS-1、Ak/PKBのリン酸化を抑制する反面ERKのリン酸化を増強させること、さらにIGF-IRのアダプター蛋白であるIRS-1はNOによりubiquitin化し分解が促進することを発見し発表してきた。本研究の目的はIGF-IR, EGFR等のtyrosine receptor kinase (RTK)におけるリン酸化の制御のメカニズムを明らかにすることである。MEK inhibitorによる癌細胞MIAPaCa-2および大腸癌細胞HCT116においてMEK inhibitor (MEK-I,U0126)は下流のERK1/2のリン酸化を抑制すると同時にIGF-IR, EGFRのリン酸化を逆に増強させることを明らかにした。これらの癌細胞株においてMEK inhibitor (U0126)およびNOドナー(GSNO)の同時添加はPI3K pathwayおよびMAPK pathwayの両方を抑制し、さらに多くの癌細胞株にて2剤の同時添加はより強力な細胞増殖抑制効果を示した。本研究では次の仮説を検証する予定である。仮説1:NOはtyrosine receptor kinase (RTK)のS-nitrosylationによってligandによるリン酸化を抑制する。仮説2:NOまたはMEK inhibitorによるRTKリン酸化の制御には第3の物質(蛋白質)が必要である。仮説3:NO donor + MEK-Iはマウス膵癌移植モデルにおいて癌の増殖・転移を抑制する。

MEK inhibitor (U0126)およびNOドナー(GSNO)の同時添加はPI3K pathwayおよびMAPK pathwayの両方を抑制し、さらに多くの癌細胞株にて2剤の同時添加はより強力な細胞増殖抑制効果を示したが、これをマウス膵癌移植モデルにて検討する必要がある。また、仮説1,2は実験のDNA construct合成等の準備段階である。IGF-IR, EGFRリン酸化のNOによる制御のメカニズムの解明は1ビオチンスイッチ法でS-nitrosylationを同定する。3NOによるRTKリン酸化抑制系にS-nitrosylationを抑制するDTT添加によりによりS-nitrosylationおよびこれらreceptorのリン酸化への影響を確認する。4IGF-IR, EGFRに結合する蛋白を同定する(Yeast two hybrid assay)を予定している。In vivoにおけるNO donor +MEK inhibitorの癌増殖抑制効果の検討については進行が遅れている。これには時間と費用の問題がかかわっている。該当なし試薬(抗体を含む)、培地・胎児牛血清、X線フィルム、実験器具(消耗品)、実験動物(ヌードマウス)、動物飼育代等の実験に必要物品の購入費が必要である。
量子化学計算を活用したフローマイクロ合成による新規アミン創製法の構築

本課題では、フローマイクロ法が得意とする不安定中間体を経由する有機合成を対象として、反応系の分子構造から量子化学計算に基づいて第一原理的に反応スキームを設計する理論モデルを構築することを目的とする。フローマイクロ合成では、反応系の液混合および反応時間をマイクロ構造のデバイスを用いてミリ秒オーダーの時間分解能で制御することができるが、そのデバイス設計にあたっては試行錯誤的な最適化が必要となる。本課題では、反応経路上の遷移状態構造およびその電子状態を理論的に予測し、計算から得られる熱力学諸量をパラメータとして、フローマイクロリアクターおよび合成反応条件の最適化を試みる。二年目にあたる本年度は、具体的な合成反応をターゲットとした検証実験および昨年度までに構築を進めた量子化学計算モデルを用いた理論解析を行った。ターゲット反応として、酸ハライドにアミンを塩基溶液共存下で反応させてアミドを得るショッテンバウマン反応を採用した。フローマイクロリアクターを用いた実験では、リアクター長および内径を変えて混合液の滞留時間を調整し、反応収率の反応時間依存性を調べた。さらに、本実験系に対する反応速度論をモデル化し、速度定数を決定した。一方、理論計算では比誘電率をパラメータとして溶媒効果を考慮したモデルを採用し、密度汎関数法による遷移状態解析を実施した。以上の実験および理論検討を複数のアミン種に対して行うことで、当該モデルの妥当性を確認できた。初年度に当初、導入予定であった計算プログラムの適用が技術的に困難であることが判明し、再選定を行う必要があったことなどのためやや遅れが生じた。二年目にあたる本年度は順調に進んだが、多少、遅れが残っている。これまでに構築、検証した理論モデルが妥当であることを確認できたため、今度はモデルの精度向上および応用展開、成果発表を精力的に進める。本課題を進める中で、フローマイクロリアクターによる実験データを速度論で解析するモデルとして、確立されたものはあまり知られていないことがわかった。現状、複数の仮定と近似に基づくラフな解析を行っているため、得られる速度定数の信頼性に大きな幅があるものと考えられる。今後、精査を行う必要がある。また、量子化学計算モデルに関しても、適用可能な溶媒や分子種等について検証しつつ、改良を行っていく予定である。フローマイクロ合成は、溶液の混合および反応の時間をマイクロ構造のデバイスで制御することで、ミリ秒オーダーの時間分解能を誇る手法である。したがって、従来のバッチ式では扱えないような短寿命不安定中間体を経由して、目的物質を得ることができる。本合成法では、新規の分子変換プロセスを実現し得る一方、個々の合成反応系に対して試行錯誤的に反応パラメータを最適化する必要がある。そこで、本課題では、新規アミン合成を対象に、不安定中間体の分子構造から量子化学計算に基づいて第一原理的に反応スキームを設計するモデルを構築することを目的とし、理論および実験研究を行う。初年度は、対象とするアミン合成反応系での遷移状態解析を実施すべく、適用可能な量子化学計算モデルの検証を行った。その際、特に、影響が大きいと予想された溶媒種や溶媒和構造に関する依存性に着目した。並行して、実際のアミン合成に関する準備実験を行った。その結果、適したモデルと実験系の候補を得た。さらに、反応スキームの設計に必要な理論モデルの構築を進めた。すなわち、遷移状態解析によって活性化エネルギーを予測し、その結果に基づいて、最適な合成反応パラメータ(反応温度、リアクタ滞留時間、フロー速度など)を設計できるよう、理論検討を行った。これにより、候補反応系(アミノ基に隣接する炭素へ求電子的に置換基を導入する反応)の実験を行うにあたり、必要な実験仕様が決まりつつある。当初、導入予定であった計算プログラムの適用が技術的に困難であることが判明し、再選定を行う必要があったことなどのため。有機合成反応の計算解析を効率的に進めるため、計算リソースおよびプログラムの強化を行う。

計算環境を整えた上で計算結果を揃え、本格的な検証実験に着手する。これまでに構築、検証した理論モデルが妥当であることを確認できたため、今度はモデルの精度向上および応用展開、成果発表を精力的に進める。本課題を進める中で、フローマイクロリアクターによる実験データを速度論で解析するモデルとして、確立されたものはあまり知られていないことがわかった。現状、複数の仮定と近似に基づくラフな解析を行っているため、得られる速度定数の信頼性に大きな幅があるものと考えられる。今後、精査を行う必要がある。また、量子化学計算モデルに関しても、適用可能な溶媒や分子種等について検証しつつ、改良を行っていく予定である。当初、導入予定であった計算プログラムの適用が技術的に困難であることが判明し、再選定を行った。その結果に基づき、計算解析を効率的に進められる様、計算リソースおよびプログラムの強化のために予算を使用する。初年度に、当初、導入予定であった計算プログラムの適用が技術的に困難であることが判明し、再選定を行った。そのため、予算執行計画も全体的に遅れている。今後は、計算解析を効率的に進められる様、計算リソースおよびプログラムの強化のために、引き続き予算を使用する。また、より効率的に実験検証を進められるように、モデル物質の合成作業等に関しては、アウトソーシングも活用していく。さらに、二年目以降、十分な成果が出つつあるので、それらを効果的に発表するように努める。
部分床義歯の支台歯としてのインプラント応用に向けての有限要素解析

インプラントサポーテッド部分床義歯(以下ISRPD)による補綴治療を予定している患者のCTデーターを基にコンピューター上で三次元有限要素モデルを構築しインプラントの有無でISRPDおよび支台歯の変位を分析した。結果、インプラント埋入によりISRPDの変位量は減少することが明らかになり、本研究において構築したモデルは患者ごとにシミュレーションができ、今後のISRPDの臨床応用が大いに期待できる。有限要素解析のための欠損歯列並びに部分床義歯、インプラント体からなる3次元構築モデルを構築し、これを用いて次年度に義歯荷重時の動態解析を行う予定として、今年度行った内容について報告する。・・対象とする欠損歯列パターンの選択は昭和大学歯科病院補綴科に通院していて義歯を使用している100名の患者から頻度の高い多数歯欠損又は咬合支持が失われた遊離端欠損である症例を抽出した。・欠損歯列症例の資料採得は、被験者の可能性のある患者の口腔内写真(申請購入品)、口腔内基本診査、模型資料採得(申請消耗品)、咬合採得、デンタルX線撮影等の資料採得を行っている。また、20年度申請設備品FEMソフトウェアの購入、およびセッティングを行いプログラムの始動を実施し、患者個別のデータを入力し、分析を開始した。・CTデータの取り込みは、CTデータとして使用する被験者の本学倫理委員会の申請を準備している。また20年度申請設備品3Dソフトウェアを購入、およびセッティングを行いプログラムの始動を実施した。・・なお、データの分析実況としてはまだ初期段階として、3Dでは残存歯と顎堤部の形態、FEMでは、骨組織と残存歯の状態について分析を行っているところである。今後このデータをさらに解析しながら、3DデータとFEMデータを重ねていく予定である。・インプラントサポーテッド部分床義歯(以下ISRPDとする)による補綴治を予定している患者に対して、CT撮影を行った。この結果からインプラントの形態を決定し、また実際にISRPDを製作した。引き続きインプラント体とISRPDをμCT撮影し、ISRPDを装着した三次元有限要素モデルを構築した。荷重のインプラント埋入の有無でISRPDおよび支台歯の変位を分析した。ISRPDの変位の大きさを(1)床最遠心部、(2)インプラント埋入部、(3)ISRPD寄りのクラスプ先端部、(4)ISRPDから離れた部位に設定したクラスプ先端部、(5)ISRPDと歯の接合面の計5箇所で計算し、また支台歯の変位の大きさをISRPDのクラスプが設置される(6)第2小臼歯部、(7)第1小臼歯部、(8)犬歯部の計3箇所で計算した。その結果、インプラント埋入によりISRPDの変位量は大きく減少することが明らかになり、各測定部における変位量はインプラント埋入後(1)23%(2)28%(3)27%(4)52%(5)39%となった。支台歯の変位の大きさも同様に減少し、それぞれの測定部位において(6)27%(7)35%(8)40%となった。過去の研究において実際の患者から得られる複数の要素のCTデータを用いて構築された三次元有限要素モデルを用いて機能時の義歯の挙動を解析した研究は見あたらず、本研究において構築したモデルは、使用されるインプラント体や実際に設計、製作されたISRPDをモデルに組み込み、患者から得たデータを基盤とした初めてのシステムであると考えられる。これにより治療前に、患者ごとに最適なシミュレーションを行うことが可能となり、実際の治療後の予後を追跡しデータを補充していくことで、このシステム自体も今後より臨床に即したシミュレーションが可能となり、ISRPDの臨床応用への糸口となることが大いに期待できる。
NMR法を用いた分裂病モデル動物の研究

正常ラット脳の各部位(前頭葉皮質、頭頂葉・後頭葉皮質、前脳部辺縁領域-中核、側座核、嗅結節等を含む-、線状体、海馬、小脳、脊髄)の^1HNMRスペクトルをBruker社製400MHz高分解能NMR装置を用いて測定し、代謝産物の部位別分布を調べた。てんかんモデル動物であるキンドリングラットを扁桃核を慢性電気刺激して作製し、刺激側と反刺激側の前頭葉皮質、海馬の^1HNMRスペクトルを測定し、N-アセチルアスパラギン酸、グルタミン酸、グルタミン、GABA等のアミノ酸やクレアチン、クレアチンリン酸、グリセロホスホリルコリン、イノシトール等の代謝物質の濃度を正常ラット脳の値と比較した。その結果、刺激側の海馬でN-アセチルアスパラギン酸やクレアチン、クレアチンリン酸、グリセロホスホリルコリン等の代謝物質の低下傾向が検出された。これは、神経細胞に代謝障害が生じている可能性を示唆する。しかしながら、マイクロウェーブ処理したラット脳の部位別標品からの過塩素酸を用いる抽出過程で脳内代謝物質の一部が分解する可能性が認められた。これは、本来の目的であるラット脳内代謝物質濃度の正常群および分裂病モデル群間での定量的な比較を妨害する要因となり得る。このため、5種類の抽出方法の特性について比較検討し、全般的な回収率の良さとホスホクレアチンの崩壊の少なさの点で、メタノール/クロロホルム法が優れていると結論した。さらに、多成分系の測定で生じる信号ピークの重なり合いを克服して正確な代謝物質信号強度の分離測定を行なうために、個々の代謝物質のモデルスペクトルを作製し試料のスペクトルに対して最小自乗法に基づき最適化することにより各成分信号の強度を決定するデータ処理法を確立した。これらの方法を用いることにより、ラット脳内代謝物質濃度の正常群および分裂病モデル群のより高精度な定量値が得られるものと期待できる。正常および分裂病モデルラットの脳をマイクロウエーブ照射後、脳の各部位を区分けし、過塩素酸(PCA)処理により脳内代謝物質を抽出した。酸抽出物は、分離、精製操作を行なわないで、直接、そのままNMR測定試料とし、高分解能NMR装置にて測定を行なった。この結果、脳内代謝物質に由来する150本以上のピークを得た。現在、これらのピークの帰属、同定を行なっているところである。定性的ではあるが、既に脳内の各部位別で差異や正常と分裂病モデルラット脳での差異に関する知見を得ている。マイクロウエーブ照射による酵素失活法は、極めて有効であり不安定な高エネルギー燐酸化合物等が安定に定量にできるようになったが、PCA抽出法により脳内代謝物質濃度に変動が見られることが分かった。このためPCA法の他、各種抽出法の比較も合わせて行なっている。この問題を総合的に研究した報告はこれまでないので、本研究を通じて明らかにして行きたい。また、複雑な不均一複合体である脳内代謝物質試料のスペクトル解析を進めるために既知の脳内代謝物質の標準スペクトルを測定し、スピン解析ソフトLAOCOON5によりNMRパラメータを求め、これらの情報をデータベース化することを試みている。既に重なり合った複雑なスペクトルを分離、定量するソフトの開発を行なっており、今後これらの情報を組み合わせることによりコンピュータによる脳内代謝物質の複雑なNMRスペクトルの自動解析、定量を行なうソフトも合わせて開発して行く予定である。
病態生理の解明に基づく新規かつ特異的なPTSD治療薬開発のための基礎的研究

恐怖記憶の機序とセロトニンの関連に着目し、遺伝子改変マウスを用いて解析を行った。恐怖条件付けテストによる解析から、5-HT3受容体欠損マウスは恐怖記憶の獲得や保持は正常であるが、消去が障害されている事を見出し、5-HT3受容体が恐怖記憶の消去に特異的に関わる重要分子で、5-HT3受容体欠損マウスは、PTSDの有用なモデル動物となる事を明らかにした。運動には、恐怖記憶も含めた記憶能力の向上効果や抗うつ効果、海馬神経新生の促進効果がある。5-HT3受容体欠損マウスを用いた組織学的解析と行動解析により、5-HT3受容体は、運動による海馬神経新生の増加や抗うつ効果に必須である事を見出した。恐怖記憶は、恐怖体験によって獲得されると長期間にわたって保持される。しかしその後、恐怖を感じる必要がない事を学習すると恐怖記憶の消去が起こる。恐怖記憶の機序にはセロトニン(5-HT)が関わっている事に着目し、遺伝子改変マウスを用いて5-HTの作用機序の解析を行った。恐怖条件付け行動試験によるマウスの行動解析により、5-HT3受容体KOマウスでは、恐怖記憶の獲得や保持に関しては正常であるが、消去のみが障害されている事を見出した。さらに恐怖記憶に関わる行動解析を展開し、恐怖記憶の消去の特性の1つであるrenewal効果が5-HT3受容体KOマウスでは見られない事を見出した。この結果より、恐怖記憶の消去のプロセスにおけるコンテクスト特異性に5-HT3受容体が重要である事が明らかとなった。次に、5-HT3受容体KOマウスの脳の組織形態的解析を行った。Kluver-Barrera染色などを用いた脳の組織レベルでの解析では、恐怖記憶の消去に関わる海馬や扁桃体、前頭前野には明らかな形態学的な異常が見られなかった。恐怖記憶の消去には、海馬の神経新生の関与が報告されており、続いて海馬歯状回における神経新生について解析した。BrdUによる分裂細胞の標識法と神経新生の分子マーカーを用いた免疫組織学的手法により、5-HT3受容体KOマウスでは、海馬歯状回における細胞増殖や神経新生が、野生型マウスと比較して、同程度であり差がない事が明らかとなった。一方、運動には恐怖記憶も含めた記憶学習能力の向上効果や抗うつ効果、海馬神経新生の促進作用がある事が知られている。これらの効果に5-HTが関与している事に着目し、更なる解析を展開した。そして、5-HT3受容体KOマウスを用いた海馬の組織学的解析と行動解析により、運動による海馬神経新生の増加や抗うつ効果に5-HT3受容体が必須の働きをしている事を見出した。恐怖記憶の機序とセロトニンの関連に着目し、恐怖条件付けテストによって、5-HT3受容体欠損マウスでは、恐怖記憶の獲得や保持は正常であるが、消去が障害されていることを見出し、恐怖記憶の制御機構の中で、特に消去のプロセスに5-HT3受容体が必須の役割をしていることを明らかにした。恐怖記憶などの記憶、情動機能は、環境や経験によって変化する。獲得された恐怖記憶も、経験に依存して記憶の増強や消去が起こる。運動などの活動経験も記憶や情動などの脳機能に影響をもたらし、従来の研究から運動は、恐怖記憶を含めた記憶学習能力の向上効果や抗うつ効果、海馬の神経新生の促進効果が報告されてきた。これらの効果にはセロトニンの関与が示唆されていたが、詳細な機序は不明であった。5-HT3受容体は海馬に発現していることが知られていたが、海馬の神経新生との関連は明らかでなく、また海馬は記憶やうつ行動との関連が知られていた。そこで5-HT3受容体欠損マウスを用いて、運動による抗うつ効果や記憶学習能力の向上効果、海馬神経新生の増加効果に、5-HT3受容体がどう関与しているのか検討を行った。BrdUを用いた海馬神経新生の組織学的解析とマウスの記憶学習行動とうつ行動の解析により、(1)5-HT3受容体は定常状態で海馬歯状回における細胞増殖や神経新生に必要ではない(2)5-HT3受容体は運動による海馬歯状回の分裂細胞や神経前駆細胞の増加および神経新生の増加に必要である(3)5-HT3受容体の活性化は海馬の神経新生を促進する(4)5-HT3受容体は運動による抗うつ効果に必要であるが、記憶学習能力の向上効果には必要でないことを見出した。恐怖記憶の消去は、海馬の神経新生との関わりが示唆されており、海馬神経新生とセロトニンの解析を進める中で、当初の予想を超えた興味深い研究成果を得ることができた。

5-HT3受容体KOマウスの行動解析については、恐怖条件付け試験を用いて詳細な解析を展開し、恐怖記憶の消去に関する5-HT3受容体の役割を見出した。また、5-HT3受容体KOマウスの脳の組織学的解析では、恐怖記憶に関わる脳部位の組織形態を観察し、また主に海馬の神経新生に関する免疫組織学的解析を進め、結果を得ている。さらに、運動が引き起こす記憶や情動機能の変化に着目し、運動による海馬の神経新生や抗うつ効果などの脳の組織形態変化や行動変化にまで解析を展開し、大変興味深い結果を得る事ができた点は、当初の計画以上の展開であった。神経科学、解剖学これまでの実験を続行しつつ、以下の実験を開始し、進めていく。遺伝子改変マウスを導入して脳の組織形態学的解析および行動解析を進め、記憶や情動に関わる更なる解析を展開する。海馬における神経新生とセロトニンとの関連について解析を進める。海馬や扁桃体や前頭前野における記憶や情動に関わる遺伝子発現の変化を解析し、5-HT3受容体KOマウスで特異的に発現が変化する分子の同定を進める。実験用マウス、組織学的実験で用いる薬品・試薬及び実験器具の一部を次年度に購入し、使用する事となったため。また、研究の全体に要する研究費の範囲内であり、次年度に使用計画通り使用する予定である。実験用マウスの購入、薬品・試薬の購入、実験用器具の購入、学会参加費、研究の打合せのための交通費、研究成果投稿料・論文別刷り代に使用する。2014年11月19日日刊工業新聞掲載セロトニン3番受容体、海馬の神経細胞を作る働きに関与
直接計測による単一粒界の焼結動力学の探究

焼結は膨大な数の粒子が高温で周囲と相互作用して運動する結果として起こる。本研究では単一粒界の焼結における収縮と粒子回転の結晶粒相互の方位依存性を、収束イオンビーム(FIB)加工した微小試験片を用いて、直接計測する技術を開発した。この技術により、結晶方位に依存する粒界拡散係数、粒界エネルギーをひとつひとつの粒界に対して測定し、粒界ごとに異なる焼結挙動と2つの粒子間に作用する「焼結力」を解明した。微視的な焼結力をもとに、巨視的な焼結挙動を記述する連続体力学の「焼結応力テンソル」と結晶粒配向等によるその異方性を解析するとともに、多粒子凝集体の形状変化を記述するテンソル・ビリアル方程式を提案した。本研究は収束イオンビーム(FIB)により加工したミクロ試験片を用いた直接計測により単一粒界の焼結の動力学を探求することを、目的とする。本年度は面心立方格子をもつ金(Au)をモデル材料として用い、単一粒界に作用する焼結力と粒子運動の計測技術の開発を行った。試料には金箔リボン(Au,純度99.99%,厚さ10μm)を用いた。900°Cで熱処理し,平均粒径25μmまで粒成長させた後,集束イオンビーム加工(FIB)により単一粒界をもつ微小試験片を製作した。表面にカーボンナノロッドを蒸着し,位置測定の基準とした。試験片に真空中,750°Cで熱処理を繰り返し,結晶粒の回転・収縮量の時間変化を測定した.結晶粒の方位関係は後方散乱電子線回折像(EBSD法)で決定した。焼結中の粒子間距離の収縮量につれて,回転角も増加した.いくつかの試験片では特定の方位で回転が停止した。粒界エネルギーは方位に依存し,粒子回転は粒界エネルギーを減少する方向に起こるため,回転の停止は特定方位で粒界エネルギーが最小となることを示した。3次元コンピュタシミュレーションにより、収縮と回転をそれぞれ焼結力とトルクに対する応答として解析した。Auに対するモデル実験結果とシミュレーション結果とを比較することにより、表面エネルギーと方位角との関係を表す曲線を決定するとともに、粒界拡散係数を推定した。さらに、ミクロ試験片の形状変化をもとに表面拡散係数を測定する手法を新たに提案した。Auの表面拡散係数はカーボン蒸着に影響され,抑制されることが示唆された。微粒子凝集体の焼結においては,粒界拡散だけでなく,表面拡散や体拡散も同時に起こる.凝集体は焼結によって,すきまの多い構造から緻密な構造へと変化し,また,最初に異方的な形状をしていたとしても,しだいに等方的な形状へと変化する.本研究では単一結晶粒,単一粒界の焼結から出発して,最終的に複雑な微粒子凝集体の形状変化の動力学までを系統的に記述する理論の構築も行った.テンソル・ビリアル方程式は慣性モーメントテンソルに対する運動方程式のことであり,力と距離の積を系全体で積分して求められる.通常のビリアル定理が等方的な系を扱うのに対して、テンソルの対角項は異方的な系に応用できる.慣性モーメントテンソルは微粒子凝集体の形態を特徴付ける量であって.偏差成分は形状異方性を表し,等方成分は慣性2次モーメントや回転半径(radius of gyration)に関係し,形状のコンパクトさを表す.結晶粒子の焼結は粒界拡散により起こり,その熱力学的駆動力である焼結力や焼結応力は表面エネルギーテンソルと関係している.同時に体拡散,表面拡散,蒸発ー凝縮によって粒子形状は変化する.バルクな材料の緻密化は密度で表現できる.一方,隙間の多い微粒子凝集体が焼結によって,よりコンパクトに,また,より等方的形状になる挙動は慣性モーメントテンソルの変化として記述できる.体拡散と表面拡散による焼結のテンソル・ビリアル方程式を提案した.この方程式は微粒子凝集体だけでなく,母材中の気孔,キャビティ,析出物,介在物の組織形成の解析にも応用できる.焼結で製造されるセラミック部品や素子は、結晶配向やミクロ組織制御によりその特性を向上できる。ミクロスケールの組織形成及びマクロスケールでの収縮を予測、制御するには、結晶粒の方位関係や粒界構造が焼結にどのように影響するかを知る必要がある。本研究は収束イオンビーム(FIB)により加工したミクロ試験片を用いた直接計測により単一粒界の焼結の動力学を探求し、それと巨視的な焼結挙動とを関連づけることを目的とする。ミクロ試験片実験について、本年度は面心立方金属に対して開発した計測技術をチタン酸ストロンチウム(SrTiO3)に対して適用することを試みた。チタン酸ストロンチウムの双晶粒界に対してFIB加工によりミクロ試験片を作成した。

しかしながら、異方性の強い本材料においてはチャネリング現象によって加工性が異方的となり所望の形状の試験片作成はできなかった。巨視的挙動に関しては基板上への薄膜の拘束焼結ならびに焼結鍛造やホットプレスなどの加圧焼結において組織構造の異方性と粒界拡散や粒界エネルギーの異方性が影響を及ぼす。微視的な粒界の挙動が巨視的な焼結挙動に及ぼす影響をモデル化し、モデルがアルミナなどのセラミックスに対する実験結果とよく一致することを示した。さらに、粘性焼結における粒子形状変化に関するテンソルビリアル方程式を提案した。また微視的および巨視的スケールでの粘性焼結の力学挙動を焼結力と焼結応力の概念を応用して解明した。本年度は、従来に例をみないミクロ試験片による単一粒界実験に成功するとともに、3次元シミュレーション手法と組み合わせることにより、当初計画以上の成果が得られた。この成果は当該分野で最も重要なジャーナルであるActa Materialiaに投稿し、非常に迅速にアクセプトされ、すでに掲載された。25年度が最終年度であるため、記入しない。本研究ではfcc金属に対して、収束イオンビームにより加工したミクロ試験片を用いた直接計測により単一粒界に作用する焼結力と粒子運動の計測技術の開発に成功している。この技術をセラミックスに適用するため、チタン酸ストロンチウムをモデルとして試みたが容易ではなく、材料によって大きな加工性の違いが存在することが明らかとなった。今後は様々な材料に対して試みて、技術の適用性を広げる必要がある。このため、ミクロ試験片に関しては当初計画よりもやや遅れている。一方で、ミクロ試験片の焼結挙動の知識をもとに巨視的な焼結を推測する連続体力学的アプローチについては、当初の予定を越えた大きな進歩があった。このため、総合的に見るとおおむね順調に進展していると自己評価する。今後,より精密な測定のためには,試験片加工精度の向上,位置測定精度の向上,加熱炉の雰囲気制御が必要である。微粒子凝集体の焼結においては、粒界拡散だけでなく、表面拡散や体拡散も同時に起こる。凝集体は焼結によって、すきまの多い構造から緻密な構造へと変化し、また、最初に異方的な形状をしていたとしても、しだいに等方的な形状へと変化する。今後は、ミクロ試験片の直接計測によって金属ならびにアルミナなどのセラミックスに対して微小変形や表面拡散が焼結の動力学にいかに影響するかを調べるとともに、単一結晶粒、単一粒界から出発して、最終的には複雑な微粒子凝集体の形状変化の動力学までを系統的に記述する理論の構築もめざす。
モデル内部形成型自律システム

本研究課題である「モデル内部形成型自律システム」の構築には,多様な試行に基づいて学習を行う手段,学習結果の中から未学習の状況にも適用可能な一般性の高いものを抽出して表現する手段,階層的な構造をもつ制御機構とその適切な切替え機構が必要である.これらを実現するために,以下の事項について研究を行った.多様な試行に基づいた学習を実現する手段として,非決定論的な試行を生み出すことが可能なカオス的な挙動の生成と消滅を制御できる機構,探索範囲を必要に応じて自動的かつ階層的に拡大あるいは縮小する最適化法,多様な解を得ることができる遺伝的共生アルゴリズム,最適化手法に含まれる設計パラメータをも適切な値に自動調整する発見的最適化手法を開発し,それぞれ例題を用いてその有効性を検証した.一般性のある知識の抽出の実現手段として,入力ゲート付きニューラルネットワークとRBF(Radial Basis Function)ネットワークのノード統合手法を考案し,より少ない変数(条件)で表される一般的なルールの抽出を行うことができることを,自律移動エージェントの行動学習を例として確認した.また,ノードゲート付きニューラルネットワークを開発し,これにより複数階層からなる制御系とその切替え機構が実現できることを,非線形システム制御を例題として確認した.さらに,移動エージェントの行動学習において,与えられた環境のみに有効な行動方針を学習する通常の学習に加え,一般性の高い知識を抽出する学習方法を付加し,環境が変化した場合にも,環境変化に素早く対応できる行動学習システムを構築した.本研究課題である「モデル内部形成型自律システム」の構築には,多様な試行に基づいて学習を行う手段,学習結果の中から未学習の状況にも適用可能な一般性の高いものを抽出して表現する手段,階層的な構造をもつ制御機構とその適切な切替え機構が必要である.これらを実現するために,以下の事項について研究を行った.多様な試行に基づいた学習を実現する手段として,非決定論的な試行を生み出すことが可能なカオス的な挙動の生成と消滅を制御できる機構,探索範囲を必要に応じて自動的かつ階層的に拡大あるいは縮小する最適化法,多様な解を得ることができる遺伝的共生アルゴリズム,最適化手法に含まれる設計パラメータをも適切な値に自動調整する発見的最適化手法を開発し,それぞれ例題を用いてその有効性を検証した.一般性のある知識の抽出の実現手段として,入力ゲート付きニューラルネットワークとRBF(Radial Basis Function)ネットワークのノード統合手法を考案し,より少ない変数(条件)で表される一般的なルールの抽出を行うことができることを,自律移動エージェントの行動学習を例として確認した.また,ノードゲート付きニューラルネットワークを開発し,これにより複数階層からなる制御系とその切替え機構が実現できることを,非線形システム制御を例題として確認した.さらに,移動エージェントの行動学習において,与えられた環境のみに有効な行動方針を学習する通常の学習に加え,一般性の高い知識を抽出する学習方法を付加し,環境が変化した場合にも,環境変化に素早く対応できる行動学習システムを構築した.本研究課題である「モデル内部形成型自律システム」の構築に必要な要素は,多様な試行に基づいて学習を行う手段,学習結果の中から未学習の状況にも適用可能な一般性の高いものを抽出して表現する手段,階層的な構造をもつ制御機構とその適切な切替え機構である.これらを実現するために,本年度に開発した主要な手段・手法は,ゲート付きニューラルネットワークとRBF(Radial Basis Function)ネットワークのノード統合手法である.ゲート付きニューラルネットワークは,ニューラルネットワーク内に信号伝達とノード発火を制御するゲートを設けたもので,異なる複数機能の切替え使用,信号の要不要の判断が可能である.これを用いると,複数階層からなる制御系とその切替え機構の構築,不要信号を学習により自動的に排除した一般性のあるモデルの構築を行うことができる.さらに,ゲートの開閉決定機構としてRBFネットワークを用い,今回開発したノード統合手法を適用することにより,さらにモデルの一般性を高め,人間にとって解釈の容易な形式とすることができる.以上を,障害物を避けながら目標に到達する方策を強化学習を用いて学習するエージェントに対して適用することにより,学習で獲得した成果の中から一般性の高いものを抽出して表現することができることを確認した.また,複数の機能を有し,それを切り替え使用することの有効性を,非線形システムであるクレーンの制御を例題として確認した.この他,多様な試行に基づく学習を補助するものとして,多様性を実現するカオスの生成・消滅を行う方法,および学習を効率化するものとして,最適値探索手法とそのパラメータの自動設定法も開発した.本研究課題である「モデル内部形成自律システム」の構築には,多様な試行に基づいて学習を行う手段,学習結果の中から未学習の状況にも適用可能な一般性の高いものを抽出して表現する手段,階層的な構造をもつ制御機構とその適切な切替え機構が必要である.これらを実現するために,以下の事項について研究を行った.多様な試行に基づいた学習を実現する手段として,昨年度開発したパラメータを自動調節する最適値探索手法を改良し,より少ない計算量で効率的な最適値探索が行えるようにした.一般性のある知識の抽出と階層的な制御機構の実現手段として昨年度に開発したゲート付きニューラルネットワークのネットワーク構造,ゲート構造および学習アルゴリズムを改良し,自律移動エージェントの行動学習において一般性の高い知識を獲得できること,および,複数の機能を持つ制御器のどの機能を利用すべきかを状況に応じて適切に判断する機構を学習によって獲得し,高い制御性能を示すことができることを確認した.

さらに,自律移動エージェントの行動学習を例題として,与えられた環境内での目標達成のための行動ルールの学習と同時に,より一般的なルールを学習によって獲得し,さらにそれを利用することによって,環境が変化した場合においても速やかに適切な行動をとることのできる自律システムを構築した.