hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
妊娠の成立と維持に関する新しい免疫担当細胞の同定と機能解析

サイトカイン産生測定法の開発を目的に細胞刺激物質として精液を使用し、生理的かつカップル特異的な免疫担当細胞サイトカインを測定し、精液により子宮内膜NK細胞が刺激され、サイトカイン産生が認められる事が明らかとなった。末梢血、子宮内膜を用いたNK細胞における活性性および抑制性受容体共発現測定およびサイトカイン産生は行い得た。また精液による子宮内膜刺激によるカップル特異的なタイプ1/タイプ2サイトカインバランスも行い得た。各種受容体による細胞分離後のサイトカイン産生が現在進行中である。翌年度以降も継続して測定していく内容であるので、翌年予定のものに加え継続して検討を行っていきたい。子宮内膜および末梢血におけるNK細胞表面に発現する活性性受容体であるCD16およびNKp46と他の活性性あるいは抑制性受容体との共発現を測定し、その生理学的意義、不妊症(着床不全)・不育症への関与を解明すること、さらには免疫担当細胞の妊娠の成立および維持に関する役割を明らかにすることを目的として、以下の検討を行った。施設倫理審査委員会の承認と患者への説明と同意のもと、子宮内膜組織を着床不全患者、不育症患者より採取した。子宮内膜組織は組織破砕機を用いて物理的に単細胞レベルまで粉砕し、NK細胞浮遊液を作成のうえ、子宮内膜NK細胞表面抗原(CD16(活性性)、CD56、NKp46(活性性)、CD158a(抑制性)、NKG2A(抑制性)、NKG2C(活性性)、NKG2D(活性性))発現およびサイトカイン産生(IFN-γ、TNF-α、IL-4、IL-10)をフローサイトメトリーにて測定した。NK細胞は、CD16+/CD56dim細胞の割合の高低により2群に分類した。また免疫担当細胞の生理的サイトカイン産生測定方法の開発を目的に、精液を用いて子宮内膜NK細胞を刺激し、生理的かつカップル特異的なNK細胞産生サイトカインを測定しうることを明らかにした。さらにサイトカイン産生およびサイトカイン産生比は、免疫異常の有無で異なることを示した。また精液による子宮内膜各種受容体による細胞分離後のサイトカイン産生が現在進行中である。翌年度以降も継続して測定していく内容であるので、翌年度予定のものに加え継続して検討を行っていきたい。今後は現在行っているNK細胞における活性性受容体および抑制性受容体の共発現およびサイトカイン産生についての測定を継続するとともに、NK細胞をさらに各種受容体発現により細分化し、それらの機能発現を明らかにしていきたい。さらに次年度以降予定しているNK細胞の機能を制御すると考えられるNK22細胞、NK17細胞を測定可能としていきたい。これらの検討により不育症・不妊症の病態の一端がさらに解明されると思われる。さらに今年度以降予定しているNK細胞の機能を制御すると考えられるNK22細胞、NK17細胞を測定可能としていきたい。
植物細胞の生体防御機能の発現・制御機構の化学的解明

植物細胞に特定のイソプレノイドを接触させると、それに呼応してその細胞は生体防御物質と考えられる低分子化合物や情報伝達に関与すると考えられる酵素群を細胞外に分泌することが見い出されたので、本研究では、ストレス物質の認識、その情報の細胞内伝達、さらに生体防御などの生理作用の発現に至る一連のカスケードとその機構の化学的解明を計った。1.植物細胞系としてゼニゴケ培養細胞を対象にし、ストレス化合物としてモノテルペノイドを用いて、細胞がストレス化合物の侵入を受けた際の情報伝達に関与している蛋白質を活性化剤・阻害剤を用いて明らかにした。さらに、ダイズ培養細胞より見い出されたGTP結合活性を有する蛋白質の構造を解析し、トリプシン阻害活性を持つ蛋白質と相同性があることを見い出した。2.ゼニゴケ細胞に化学ストレスをかけると、ラクトン構造を有する防御物質(ポポリルラクトン)、フェノール性物質(ルヌラリン)およびその重合体が分泌された。そこで、ポポリルラクトンがどのような生合成経路によって生成するのかを調べ、単純な酢酸-マロン酸経路ではなく複合経路による可能性を見い出した。また、細胞外に分泌されたペルオキシダーゼを単離・精製し、これがルヌラリンを酸化重合することを確認した。3.細胞がストレス化合物の侵入を受けた際に特異的に変化する核タンパク質を追跡・単離し、ヒストン類似の蛋白質であることを見い出した。また、アポトーシスが発現する際に、クロロプラスト関連蛋白質が減少することを見いだした。1.ストレス分子認識系の解明....植物細胞系としてゼニゴケ培養細胞を対象にし、ストレス化合物としてモノテルペノイドを用いて、細胞がストレス化合物の侵入を受けた際のSignal Transductionに関与しているG-蛋白質を活性化剤・阻害剤を用いて明らかにした。さらに、GTP結合能を指標としてその蛋白質を単離し、そのアミノ酸配列を決定した。2.防御物質生合成系の解明....現在までに見い出しているラクトン構造を有する生体防御物質(ボボリルラクトン)の関連化合物を検索した。ストレス物質でゼニゴケ培養細胞を処理することによって新たに生成した高等植物成長阻害物質を単離した。その結果、フェノール性物質であることを見い出した。3.防御活性発現系の解明....これまでに見い出したボボリルラクトンがタバコ培養細胞の細胞死を引き起こすことがわかったので、その細胞死がアポトーシスなのかネクローシスなのかを調べた。その結果、アポトーシスと考えられる結果を得た。4.シグナル伝達系の解明....31Pでラベルしたリン酸をゼニゴケ培養細胞に加えた後に,ストレス物質を添加し、シグナル伝達にかかわる2nd Messengerを細胞内に発生させ,生じるリン酸化蛋白質の検索を行った。関連すると考えられる数種のタンパク質を単離したので、次年度に、その1次構造の解析を行う予定である。1.ストレス分子認識系の解明---植物細胞系としてゼニゴケ培養細胞を対象にし、ストレス化合物としてモノテルペノイドを用いて、細胞がストレス化合物の侵入を受けた際の情報伝達関与しているG-蛋白質を活性化剤・阻害剤を用いて明らかにした。2.防御物質生合成系の解明---現在までに見い出しているラクトン構造を有する生体防御物質(ボボリルラクトン)の関連化合物を検索し、フェノール性物質およびその重合体を見い出した。また、ストレスを加えて培養した細胞系において生成することが見い出されたボボリルラクトンがどのような生合成経路によって生成するのかを調べた。その結果、単純な酢酸-マロン酸経路ではなく、複合経路による可能性が見い出された。3.防御活性発現系の解明---細胞がストレス化合物の侵入を受けた際に特異的に変化する核タンパク質を追跡・単離し、その1次構造を解析してこれがヒストン類似の蛋白質であることを見い出した。

4.シグナル伝達系の解明---ダイズ培養細胞より見い出されたGTP結合活性を有する蛋白質の構造を解析した。その結果、トリプシン阻害活性を持つ蛋白質と相同性があることが分かった。1.ストレス分子認識系の解明-植物細胞系としてカミツレおよびゼニゴケの培養細胞を対象とし、ストレス化合物としてモノテルペノイドを用いて、細胞がストレス化合物の侵入を受けた際の細胞の核DNAを調べ、アポトーシスに特徴的なラダー状の分解が起こっていることを見いだした。また、その活性構造相関を調べた。2.防御物質生合成系の解明-細胞外分泌される酵素系を調べ、パーオキシダーゼがフェノール性物質を重合体に変換することを見い出した。そこで、関与しているパーオキシダーゼを単離し、その構造を解析した。3.防御活性発現系の解明-細胞がストレス化合物の侵入を受けた際に特異的に変化するタンパク質を追跡・単離し、光合成系に関連するタンパク質であることを見い出した。4.シグナル伝達系の解明-ダイズ培養細胞より見い出されたGTP結合活性を有する蛋白質の構造を解明し、このタンパク質がトリプシン阻害活性を持つ蛋白質と類似していることを見い出した。
放射能汚染の可視化が可能なフレキシブル二次元放射線RPLイメージセンサ

ビーズ状のリン酸塩ガラスの作製技術を確立するとともに、ビーズ状ガラスを透明な有機膜でラミネートした「シート状リン酸塩ガラスを用いたラジオフォトルミネッセンス(Radiophotoluminescece:略してRPL)2次元放射線量計」を実現し、その応用を図る。具体的には、放射能汚染分布を二次元で検知できるフレキシブル線量計、放射線管理区域で作業をする従事者が身に着ける手袋や作業衣に加工したRPL線量計などを開発し、その応用の可能性を検討する。
植物内生細菌の機能を利用した難防除植物病害の生物的防除法の開発

本研究の目的は、難防除病害として知られるナス科植物等青枯病に対して直接的な拮抗性または植物への全身抵抗性の誘導(ISR)、および生育促進活性を有する植物内生細菌(PGPEB)を選抜し、それらを有効資材化することにより、タバコ立枯病に対する生物的防除法の開発を図ることである。前年度までに、野生ナス科植物Solanumnigrumの茎および根内から、顕著な根の伸長促進効果を示す多くのPGPEBを選抜し、それらの根伸長活性とACCd活性、IAA産生性、およびタバコ立枯病抑制活性を明らかにし、有望な生物防除素材としての可能性を指摘した。今年度は、タバコ植物体内での病原細菌-内生細菌との相互作用を解明し、分子機構ならびに病害抵抗性に関わるシグナル経路の解明を試みた.選抜されたPGPEBによる発病抑制を評価するために,青枯病菌で汚染した土壌にタバコを移植した。植物体内における両者の相互反応を可視化するために両細菌にGFPを導入した。さらに定量リアルタイムPCRにより、PGPEB接種により誘導される各種抵抗性関連遺伝子(PR1、Coi1、NPR1、PDF1.2,ERF1 and EREBPs)の発現を調査した。その結果、4つのPGPEB分離株においてタバコの青枯病に対する有意な抑制効果が認められ、予め接種されたPGPEB株が、タバコの根においてGFPuvを形質転換された青枯病菌の感染に及ぼす影響を観察することが可能であった。またPGPEB接種により誘導される各種抵抗性関連遺伝子の発現を調査した結果,接種した24時間後のタバコ葉において強いPRI遺伝子の発現が認められた.さらにサリチル酸加水分解酵素遺伝子(NahG)で形質転換したタバコ変異体(NahG)を用いることにより,その発病抑制はサリチル酸シグナル伝達系に依存することが確認された.これまで生物的防除素材の微生物としては、根圏細菌を利用した研究が主流であったが、我々はさらに内生細菌を新たな候補として加え、植物と微生物との相互反応を分子生物学的手法等を用いることにより解明し,その知見に基づき新たな生物的防除法開発の展開を図る.そこでナス科野生種植物Solanum nigrumから77菌株の内生細菌を分離し、それぞれ-2040°Cで中長期保存した。これらについて、同植物の根の伸長性に対する影響を調べた結果、これまでに37分離株に顕著な促進効果が認められた。その中から最も強い植物生育促進性(plant growth promotion: PGP)を示す5菌株を選抜し、今後の試験用とした。根の伸張性と1-アミノシクロプロパン-カルボキシル酸デアミナーゼ(ACCd)活性との間には相関が認められ、またこれらの菌株はACCdに加えてインドール酢酸(IAA)を産生することを見出し、PGP活性との関連性が示唆された。さらにこれらの菌株が、in vitroでナス科青枯病菌(Ralstonia solanacearum)に対する強い抗菌活性を有することが分かった。これまでの結果から、選抜された内生菌はナス科青枯病菌の有望な生物的防除素材となりうると考えられた。以上の結果について、日本植物病理学会大会(2010.4/18-20京都)において学会発表し、また論文作成中である。今後16S-rRNAの塩基配列に基づく種レベルの同定、分離細菌の系統解析を行う。また抗菌活性能について抗菌物質の同定、ファージあるいはバクテリオシン産生性等についての検索を行い、さらに細菌間の密度調整や病原細菌における病原性関連遺伝子の発現に密接に関与するとされる情報伝達機構であるクオラムセンンシング(Quorum sensing)機構等の研究へと発展させる。本研究の目的は、世界的に難防除病害として知られるナス科植物等青枯病の病原細菌であるラルストニアソラナシアルム(Ralstonia solanacearum)に対する直接的な拮抗性または植物への全身抵抗性の誘導(ISR)、および生育促進(PGP)活性を示す植物内生細菌を選抜し、植物体内での病原細菌-内生細菌との相互作用を解明し、それら内生細菌を有効資材化することにより、タバコ立枯病に対する生物的防除法の開発を図ることである。本年度の特筆する研究成果として、野生ナス科植物の1種であるSolanum nigrumの茎および根内から分離された内生細菌の中で、同植物の根の伸長促進効果を示す多くの菌株を見出し、とくに顕著な活性を示す菌株を選抜した。まず、それらの根伸長活性と1-アミノシクロプロパン-カルボキシル酸デアミナーゼ(ACCd)活性との間には高い相関関係が存在することを明らかにした。また、これら菌株がインドール酢酸(IAA)を産生することを確認し、植物生育促進への関与の傍証が得られた。さらに、これらの分離菌株が青枯病菌に対して顕著な抗菌作用を示すとともに、タバコ植物における立枯病の発生を有意に抑制することを示した。以上の結果から、選抜された内生細菌はタバコ立枯病に対する有望な生物防除素材となりうる可能性が明らかになった。さらに、これら内生細菌の示す発病抑制作用の機構について、内生細菌および青枯病菌にそれぞれ緑色蛍光タンパク(GFP)を導入した変異株を作製し、植物内での両者の相互作用を視覚化によって検証した。また同時に内生細菌の接種によって発現される植物の誘導抵抗性(防御)関連遺伝子の発現を比較定量することによる発病抑制機構との関連性について考察を行った。

本研究の目的は、難防除病害として知られるナス科植物等青枯病に対して直接的な拮抗性または植物への全身抵抗性の誘導(ISR)、および生育促進活性を有する植物内生細菌(PGPEB)を選抜し、それらを有効資材化することにより、タバコ立枯病に対する生物的防除法の開発を図ることである。前年度までに、野生ナス科植物Solanumnigrumの茎および根内から、顕著な根の伸長促進効果を示す多くのPGPEBを選抜し、それらの根伸長活性とACCd活性、IAA産生性、およびタバコ立枯病抑制活性を明らかにし、有望な生物防除素材としての可能性を指摘した。今年度は、タバコ植物体内での病原細菌-内生細菌との相互作用を解明し、分子機構ならびに病害抵抗性に関わるシグナル経路の解明を試みた.選抜されたPGPEBによる発病抑制を評価するために,青枯病菌で汚染した土壌にタバコを移植した。植物体内における両者の相互反応を可視化するために両細菌にGFPを導入した。さらに定量リアルタイムPCRにより、PGPEB接種により誘導される各種抵抗性関連遺伝子(PR1、Coi1、NPR1、PDF1.2,ERF1 and EREBPs)の発現を調査した。その結果、4つのPGPEB分離株においてタバコの青枯病に対する有意な抑制効果が認められ、予め接種されたPGPEB株が、タバコの根においてGFPuvを形質転換された青枯病菌の感染に及ぼす影響を観察することが可能であった。またPGPEB接種により誘導される各種抵抗性関連遺伝子の発現を調査した結果,接種した24時間後のタバコ葉において強いPRI遺伝子の発現が認められた.さらにサリチル酸加水分解酵素遺伝子(NahG)で形質転換したタバコ変異体(NahG)を用いることにより,その発病抑制はサリチル酸シグナル伝達系に依存することが確認された.
ダイニン分子のモーター領域の機能解析

ウニ精子外腕ダイニンは2つの重鎖、3つの中間鎖、6つの軽鎖よりなる。本研究によって、6つの軽鎖のうち5つをクローニングした。これでは軽鎖1と軽鎖3について報告する。2のつ蛋白質はマウスt複合体領域にコードされているTctex2とTctex1とそれぞれ高いホモロジーがあった。これらマウス蛋白質はマイオテックドライブ、雄性不妊や生殖細胞の発生に関与していると考えられていたが、機能に関しては不明であった。本研究によって、マウス蛋白質はマウス精子の外腕ダイニンの2つの軽鎖に相当することから、分子モーターであるダイニンがこの古典的に有名な現象に関与していることを明らかにした。マイオテックドライブはダイニン軽鎖に変異が起こり、分子モーターが正常に機能できなくなった結果精子の運動が起こらず雄性不妊になると推測される。我々は更に研究を進めTctex2蛋白質の機能も明らかにした。精巣内にあっては精子は運動しておらず、外的刺激によって初めて動き始める。この時精子の鞭毛蛋白質がリン酸化される。我々はこのリン酸化される蛋白質がTctex2であり、この蛋白質がリン酸化されないとダイニンの機能できないことを確認した。したがってtマウスの運動性のない精子では、リン酸化の指令が変異Tctex2からモーター分子である重鎖に伝わらないため、運動が起こらないと考えられる。
海洋酸性化が沿岸生物の世代交代、群集・個体群構造に及ぼす長期影響評価

人為起源二酸化炭素がもたらす海洋酸性化の生物への影響評価については、短期間の飼育実験による生物の応答を基準としており、一方で比較的長寿命の生物における長期的な影響については不明な点が多い。本研究では、沿岸生態系で中心的な役割を果たすウニ類、造礁サンゴ類、魚類に焦点を当て、産業革命前の280 ppmから将来大気濃度の2000 ppmまでの範囲で複数の二酸化炭素濃度を段階的に設定した海水中で、数年レベルの長期的な飼育実験を実施し、各発育段階や世代交代などにおける生理・生態特性の変化を比較する。得られたか結果から酸性化への順化・適応過程の可能性を明らかにする共に、応答が起こるメカニズムを解明する。
新規二本鎖アンチセンス核酸を用いた画期的遺伝子治療法の開発

新規二本鎖アンチセンス核酸(ASO)を用いた画期的遺伝子治療法の開発を行った。まず、二本鎖ASO(dsASO)の各種化学修飾の最適化を行った。また肝臓において発現している複数の標的遺伝子に対して、dsASOが有効に発現抑制することを確認した。また蛍光標識したdsASOをマウスに投与し、生体イメージングシステムを用いて観察することで、ビタミンE結合dsASOが肝臓にほぼ限局したデリバリーを示すことを確認した。2本鎖ASOの鎖長及び各種化学修飾の最適化cRNAについては、両末端にPS及び2'-O-メチル修飾(2'-OMe)を加えているが、核内でRNaseHに認識され、切断されるために中央部のDNAと相補となる部分に化学修飾を加えていない。そのため標的細胞である肝細胞に辿りつくまでに分解されている危険性がある。cRNAの中央部についても各種化学修飾を試み、ホスホロチオエート結合修飾を行なっても有効性に問題ないことが判明した。複数の標的遺伝子に対するdsASOの有効性の確認肝臓において発現している各種内在性遺伝子のうち、これまでに確認できたマウスアポリポ蛋白Bに対する有効性のみならず、ヒトトランスサイレチン遺伝子を導入した遺伝子改変マウスにおいて、ヒトトランスサイレチンに対する有効なビタミンE結合dsASOの開発に成功した。アポリポ蛋白Bと同様、0.75mg/kgという低用量で90%以上の標的遺伝子発現抑制効果を確認した。dsASOの生体内分布の確認5'末端に蛍光物質を導入したASOと、3'末端にトコフェロールを結合したcRNAをアニーリングして蛍光物質導入Toc-dsASOを合成した。マウスに静脈投与し、生体イメージングシステムIVISimagingsystem (Xenogen Corp., Hopkinton, MA)を用いて生体内でのToc-dsASOの分布を観察した。その結果、一本鎖では投与7日後に全身に拡散して存在するのに対して、Toc-dsASOでは投与6時間後に既にほぼ肝に限局したデリバリーを確認した。このことから、Toc-dsASOの肝特異的なデリバリーを確認できた。
酵母の新規イオン輸送体の解析とオルガネラ膜のイオン輸送体測定技術の基盤構築

本研究では、独自に開発した酵母と大腸菌の巨大化法と細胞内小器官パッチクンプ法の併用により、酵母液胞膜に局在する動物TRPチャネルホモログのYVC1チャネル(Ca^<2+>チャネル)の機能解明を行う。TRPチャネルは、哺乳類に存在する痛みや熱などの刺激に応答する陽イオンチャネルとしての機能を担っている。YVC1チャネルはTRPチャネルの原型と考えられており、TRPチャネルの分子メカニズムを解明するための重要な研究対象である。この成果は、生物の種類に関係なく普遍的なイオンチャネルの機能解析法を示すこととなり、疾病や生存維持に関わる動植物輸送体の解明に貢献することを目的としている。(1)TRPチャネルホモログYVC1の機能解析YVC1の1mMCa2+による活性化を確認している。一方、低濃度の10μMCa2+においては弱い活性化を示す。しかし、還元剤の存在下では大きな活性化を示した。さらなる解析のため、S-S結合を形成するシステイン残基への変異導入による機能解析を行った。その結果、C末端領域に存在するシステイン残基をセリン残基に置換したところ、カルシウムによる活性化は確認されたが、還元剤による活性化能は消失した。以上より、C末端領域のシステイン残基が還元剤による活性化に関与していることを明らかにした。(2)巨大化酵母の膜タンパク質の発現システムの構築パッチクランプ実験に用いる巨大化酵母に輸送体タンパク質を効率的に発現させるために、酵母の巨大化操作によって導入した輸送体タンパク質遺伝子の発現が誘導される発現系の構築をめざしている。DNAマイクロアレイ解析による一倍体酵母と巨大化酵母の発現パターンを比較した。その結果、複数の遺伝子において巨大化処理を行った際に特異的に5から6倍の発現量の上昇が確認された。これらの遺伝子を候補遺伝子としてより詳細な発現解析を行う。
ソリトンパルスによるパルス捕捉を用いた超高速全光スイッチングに関する研究

本年度は,研究計画に基づき,以下のような研究を実施し,それぞれ下記の成果を得た.1.psパルス列に対する直交偏光パルス捕捉を用いた超高速全光スイッチングの研究パルス幅1ps,繰り返し10GHzの高繰り返しファイバレーザーを用いて,パルス捕捉による光通信の伝送レートにおける全光スイッチングの検討を行った.10GHzのファイバレーザーの出力を5mWから40mWまで増幅し,また,パルス幅を100fsまで圧縮し,分散シフト型の偏波保持高非線形ファイバに入射した.その結果,約200nmのソリトンの長波長側へのシフトと,パルス捕捉によるアンチストークスパルスの短波長側への波長シフトを確認することができた.2.パルス対による極短パルスの生成パルス捕捉を用いて生成された2色の超短パルス対を用いて,コヒーレントな重ね合わせによる極短パルスの生成と観測を試みた.ここでは,ファイバレーザーの出力を二つに分け,一方では超短パルス対を生成し,他方はパルス圧縮により時間幅の短いパルスを生成し,2次の非線形結晶を用いた相互相関波形の観測を行った.その結果,2色パルスの重ね合わせによる複数の極短パルスの生成が確認された.しかし,パルス対間の位相の同期は見られず,また,信号光と参照光間の時間差にもジッターがあり,観測された相互相関波形は時間的に変化するものであった.3.本研究の総括パルス捕捉に関する研究の考察・検討を行い,本研究の総括を行った.本研究において,直交偏光パルス間の捕捉現象を用いて,異常分散領域における約1THzの高繰り返しパルス列に対する超高速全光スイッチングを実現することができた.このスイッチングでは,捕捉光の波長シフトだけでなく,整形や増幅を行うこともできる.また,時間的に完全に重なった2色の超短パルス対を生成できるため,2つのパルスのコヒーレントな重ね合わせによって,36fsの極短パルスの生成を観測することができた.本年度は,研究計画に基づき,以下のような研究を実施し,それぞれ下記の成果を得た.1.波長可変超短パルス光源と高非線形ファイバを用いたパルス捕捉の基礎特性の実験解析まず,筆者らが開発した波長可変超短パルス光源を用いて異なる波長の超短パルス光を生成した.そして,複屈折性のある高非線形ファイバに結合し,パルス捕捉を誘起した.この実験において、各種パラメータを変化させたときの出力光の変化を、光スペクトルアナライザと,新たに高感度CCDカメラを用いて構築した高速な周波数分解光ゲート法測定装置を用いて観測し、初期時間差依存性や波長依存性,光強度依存性などを評価した.その結果,150fsの超短パルス光を用いたときには,群速度整合の取れる条件下では,ほぼ100%に近い捕捉効率が得られ,またそのときの捕捉曲線の半値全幅は,約350fsであることが分かった.2.パルス捕捉現象を用いた超高速全光スイッチングの基礎実験次に,上記の結果を考慮して,高繰り返しなパルス列に対する全光スイッチングを試みた.超短パルス光源の出力を2つに分岐し,それぞれ波長可変ソリトンパルスを生成し,それぞれの波長と時間差を調整して高繰り返しなパルス列を生成した.そして,それらを高非線形ファイバに結合し,パルス列の中の任意のパルスに対し,パルス捕捉を誘起した.実験では,繰り返し0.83THzのパルス列に対し,消光比20dB以上の全光スイッチングに成功した.今後,パラメータの最適化を図ることで,より高速な光スイッチングの実現が期待される.1.直交偏光パルス捕捉を用いた超高速全光スイッチングまず,研究者が見いだした光ファイバにおける超短パルス光による直交偏光パルス光の捕捉・増幅現象を用いて,高繰り返しのパルス列に対する超高速全光スイッチングを試みた.まず,超短パルスファイバレーザーと偏波保持光ファイバを用いて約1THzの高繰り返し周波数の3連のパルス列を生成した.そして,生成したパルス列を信号パルス列に用い,制御パルスを用いてその中の任意のパルス1ヶを捕捉し,波長をシフトさせた.その結果,150fsの時間幅の超短パルスを用いた実験において,0.84THzの高繰り返しパルス列に対し,25dBという優れた消光比で,超高速な全光スイッチングを行うことができた.又,繰り返し周波数を1THzに上げた時には,消光比10dBで全光スイッチングを行うことができた.パルス捕捉の応答速度は,時間幅150fsの超短パルス光を用いた時で,250fsと見積もられた.実験の結果は,計算結果と良く一致した.又,このスイッチングでは,捕捉した信号パルスを制御パルスのラマン利得で増幅し,更に整形もできることが分かった.2.パルス捕捉により生成された位相同期パルス対による超短パルス光の生成パルス捕捉により生成されるパルス対は,相互位相変調によって時間的に安定に重なっており,位相同期が得られることが期待される.位相が同期した複数の多色パルスを用いると,極短パルス光や任意波形のパルス光を生成することができる.今回,パルス捕捉によって生成されたパルス対の自己相関波形を観測し,2波長の121fsの時間幅のパルス対のコヒーレントな重ね合わせによって,時間幅36fsの超短パルス光の生成を安定に観測することができた.今後,数値計算等で,更に特性を調べて行く予定である.

本年度は,研究計画に基づき,以下のような研究を実施し,それぞれ下記の成果を得た.1.psパルス列に対する直交偏光パルス捕捉を用いた超高速全光スイッチングの研究パルス幅1ps,繰り返し10GHzの高繰り返しファイバレーザーを用いて,パルス捕捉による光通信の伝送レートにおける全光スイッチングの検討を行った.10GHzのファイバレーザーの出力を5mWから40mWまで増幅し,また,パルス幅を100fsまで圧縮し,分散シフト型の偏波保持高非線形ファイバに入射した.その結果,約200nmのソリトンの長波長側へのシフトと,パルス捕捉によるアンチストークスパルスの短波長側への波長シフトを確認することができた.2.パルス対による極短パルスの生成パルス捕捉を用いて生成された2色の超短パルス対を用いて,コヒーレントな重ね合わせによる極短パルスの生成と観測を試みた.ここでは,ファイバレーザーの出力を二つに分け,一方では超短パルス対を生成し,他方はパルス圧縮により時間幅の短いパルスを生成し,2次の非線形結晶を用いた相互相関波形の観測を行った.その結果,2色パルスの重ね合わせによる複数の極短パルスの生成が確認された.しかし,パルス対間の位相の同期は見られず,また,信号光と参照光間の時間差にもジッターがあり,観測された相互相関波形は時間的に変化するものであった.3.本研究の総括パルス捕捉に関する研究の考察・検討を行い,本研究の総括を行った.本研究において,直交偏光パルス間の捕捉現象を用いて,異常分散領域における約1THzの高繰り返しパルス列に対する超高速全光スイッチングを実現することができた.このスイッチングでは,捕捉光の波長シフトだけでなく,整形や増幅を行うこともできる.また,時間的に完全に重なった2色の超短パルス対を生成できるため,2つのパルスのコヒーレントな重ね合わせによって,36fsの極短パルスの生成を観測することができた.
古典場理論に現れる非線型偏微分方程式に対する散乱理論

非線型のシュレディンガー方程式やクライン・ゴルドン方程式に代表される古典場の偏微分方程式は場の量子論の正当性を根底で支える理論的な拠り所であるばかりでなく非線型偏微分方程式論全般からみても重要な数学的対象である。本研究に於てはこれらの代表的な方程式に対する散乱問題を扱った。不思議なことに物理に登場する重要な方程式の多くは解の漸近解析に関し既存の数学的一般論では丁度扱うことの出来ない境界に位置する。具体的に云えば1+1次元の三次非線型性や1+2次元の二次非線型性に従う場は時間無限大に於て漸近自由場にはならない。本研究では線型理論との類推から位相の歪みを記述するドラ-ド型の修正漸近自由場とは如何に定義されるべきものであるかという問題の考察から始まりその修正漸近自由場に収束する解を構成せよという問題を最終的に解くという定式化に基づいて非線型遠距離散乱の理論の基礎を確立した。位相函数はフーリエ変換を媒介とし擬微分作用素として導入されるべきものである一方元の方程式に戻って考察すればある種のハミルトン・ヤコビ方程式を満足することが必要となる。この厳密解として位相函数を定めるのも一方法であるが本研究では漸近状態によって具体的に表し得る近似解を導入し時間無限大での近似度を非常に取扱い易い条件に置き換えた。修正波動作用素はこの修正漸近自由場に対する摂動方程式と見做される特異積分方程式を縮小写像の方法で解くことによって定義される。非線型散乱問題に於てこのようなプログラムを提出し実際に解いてみせたのは始めての試みであった。更にこの方法は応用が広いことも確認されその他の方程式にも適用できることが解明されつつある。
遊離皮弁生着率向上のための虚血再灌流障害抑制法の確立

遊離組織移植において皮弁の虚血を回避することはできない。本研究では組織移植における皮弁の虚血状態が皮弁生着に及ぼす影響を観察し、生着率向上のための対策を検討し以下の結果を得た。皮弁の虚血の状態は、一次虚血(PI:血管吻合までの虚血)と二次虚血(SI:血管吻合後に生じる血行障害による虚血)について検討した。PIでは2時間を越えると皮弁生着率が低下し、PIの時間が長くなるとSI後の生着率が低下した。皮弁採取後のヘパリン加生食皮弁内灌流洗浄により皮弁生着率は向上し、SIを生じても救済率が高くなった。虚血再灌流障害を抑制するためにはPIを極力短くし、皮弁採取後のヘパリン加生食処理が有効である平成24年度の結果でPrimary ischemia(PI)は4時間を超えると皮弁の血流障害を生じる危険性が高いことがわかった。またPIが6時間を超えると、閉鎖された皮弁内に血栓形成が生じていた。PIとSecondary ischemia(SI)ではSIのほうが短時間でも皮弁の血流に与える影響が大きかった。本年度は虚血状態の皮弁に対する処理の違いによる血流障害発生の違いを検討した。虚血状態の皮弁に対する処理として皮弁を生理食塩水で満たしたNS群とヘパリン生食で満たしたHS群および無処理のNT群で血管吻合後の皮弁血流障害発生の違いを比較検討した。【結果および考察】Primary ischemia (PI)が2時間の皮弁血流障害の発生はNT群、NS群、HS群とも0%であった。PIが4時間ではNT群25%、NS群25%、HS群0%であった。PIが6時間ではNT群75%、NS群50%、HS群25%であった。このことから、虚血状態の皮弁内を生食で満たしておく事は、血管吻合後の皮弁血流障害の発生を抑制することがわかった。さらに、ヘパリンを加える方がより効果的と考えられる。しかし、これはヘパリンの抗血栓作用によるものか、虚血再灌流障害の発生が抑制された事によるものかは明らかではない。今後は各群における血管内の変化を検討し、虚血皮弁を生食やヘパリン加生食で満たす事は、皮弁から血液成分を除く事で単に血栓形成が抑制されているのか、ヘパリンの抗血栓作用によるものか、虚血再灌流障害の発生抑制につながっているのかを検討する予定である。虚血再灌流障害を抑制するためにはPIを極力短くし、皮弁採取後のヘパリン加生食処理が有効であるWister ratの32皮弁を用い、初回血管吻合時のPrimary ischemia(PI)と血管吻合後の血行障害によるSecondary ischemia(SI)の虚血時間の違いによる皮弁生着状態を検討した。PIの時間を2、4、6時間に設定し、血管吻合後24時間後に2、4時間の虚血状態を作りSIのモデルとした。対照群は皮弁を挙上したまま2時間と4時間放置し、定位に戻して縫合した。【結果】1. PIの時間と皮弁生着率:各虚血時間に対し4皮弁ずつ用いた。生着率は虚血時間2時間群100%(4/4)、4時間群75%(3/4)、6時間群25%(1/4)、対照群は全て生着していた。生着しなかった皮弁は全壊死であった。壊死皮弁の色調変化は24時間以内に生じていた。そこでSIは吻合後24時間の時点で色調の変化を認めなかった皮弁で、2時間と4時間の虚血状態を作った。2. SIの時間と皮弁生着率:各群に3皮弁ずつ用いたがPI 6時間群では24時間の時点で生着していた皮弁は1皮弁であった。PI 2時間群ではSI 2時間群、4時間群とも生着率は100%(3/3)であった。PI 4時間群ではSI 2時間群67%(2/3)、SI 4時間群33%(1/3)であった。PI 6時間群ではSI 2時間群50%(1/1)、SI 4時間群は0%(0/1)であった。3.組織学的検索:組織学的にはPIで皮弁が生着しなかった群は皮弁全体の細動静脈の血栓を認めた。虚血時間の長さや虚血再還流障害の影響と組織学的所見との関連性までは確認できなかった。以上より、PIでは4時間を超えると皮弁の生着に影響を与える可能性が示唆された。

さらに6時間を超えるとPIのみで皮弁内での血栓形成が生じることがわかった。PIよりもSIの方が同じ虚血時間でも皮弁生着に与える影響が大きい可能性が示唆された。平成25年度までの結果でPrimary ischemia(PI)は4時間を越えると皮弁の生着に影響を及ぼすことがわかった。また、血管吻合後に生じるSecondary ischemia (SI)ではPIに時間が長くなるとSIの時間が同じでも、血行障害のレスキューにおいて生着率が低下する事がわかった。平成26年度は皮弁処理がPI,SI後の皮弁生着率に及ぼす影響を検討した。初回血管吻合時に皮弁処理として皮弁採取直後(A)また吻合直前(B)にヘパリン加生食、または生食で皮弁内を還流させる処理を行い1ヘパリンA群、2ヘパリンB群、3生食A群、4生食B群、5無処理群の5群に分けた。【結果】PIへの影響としては無処理群ではPI2時間、4時間、6時間で生着率が100%,75%,25%であったのに対し、ヘパリンA群はPI2時間、4時間、6時間で生着率が100%,100%,75%、ヘパリンB群でも生着率が向上した。生食A群でも100%,100%,25%であり、皮弁挙上直後にヘパリン加生食または生食で皮弁内を還流させる事は生着率の向上につながるが、ヘパリン加生食の方がより効果的である事がわかった。次に皮弁処理群と未処理群でのSIに対する生着率を比較した。未処理群ではPI2時間群でSI2時間、4時間、6時間で生着率は75%,50%,0%であったが、処理群では生着率が向上し、特にヘパリンA群での生着率が向上していた。同様にPI4時間群においてもSI2時間、4時間、6時間でヘパリンA群において未処理群より生着率が向上していたが、どの群もSIが6時間になると生着率はかなり低下した。以上より皮弁挙上直後のヘパリン加生食による皮弁内洗浄は、初回吻合の生着率を向上させるのみでなく、血管吻合後に生じた血行障害からのレスキューにおいても生着率の向上に寄与すると考えられた。口腔外科勤務先の異動に伴う研究場所の移動や実験環境の変化により、異動前に予想していたほど効率的に実験を進められなかったことによりやや遅れ気味となったが、本年度は予定の実験が進められる。Primary ischemiaだけでも時間が長くなれば、血流を再開させてもその後の血流障害を生じる可能性が高くなることがわかった。また、Secondary ischemiaにおいてはPrimary ischemiaよりも虚血よる血流障害への影響を生じやすいという結果が得られ、次年度に向けての研究を予定通り進めていく予定である。ただし、今回は免疫組織学的検討や病理組織学的検討が十分に行えていないので、次年度は同様の実験で症例数を増やし、傾向をつかみたい。ratを用いた血管吻合実験は概ね良好に行えるようになってきたが、実験手技が煩雑で時間を要すため数をこなしてスピードアップするとともに虚血時間の設定の組み合わせを効率よく行うことが必要である。皮弁前処理により血管吻合後の皮弁血流障害発生の頻度が低下する事がわかった。その効果は単に抗血栓作用によるものか、虚血再灌流障害発生の抑制によるものかを明らかにするため、毛管内の変化をICAM-1, E-Selectinの発現や好中球エステラーゼ活性を測定し検討する。Secondaryischemia (SI)を生じさせた皮弁においても同様の検討を行い、SIにより虚血再灌流障害が生じるの否かを検討する。最終的に初回吻合時の血流障害発生抑制のための皮弁の処理および吻合後血流障害が発生した場合の再吻合に際して効果的な皮弁処理方法を臨床に応用できる形で確立する。実験にあたっては、動物実験施設を有効に活用する。平成24年度の結果で虚血時間の違いにより、皮弁生着率が影響を受けることがわかってきた。次年度はさらに症例数を増やし傾向をつかみ、免疫組織学的および病理組織学的検索を行う。
TRPV1阻害による心筋障害リバースリモデリングと心室性不整脈耐性の検討

自律神経修飾による心機能コントロールは、難治性とされてきた心疾患の新たな治療法となる可能性を有している。本研究では自律神経の心臓交感神経に注目し、致死性不整脈を有するモデル動物と、この心臓遠心性神経ノックアウトモデルの交配が、致死性不整脈耐性を有するモデルとなりうるか否かに注目する。組織学的な背景因子の検索も進め、最終的には研究成果を通じて将来的な創薬ターゲットを解明することを目標としている。
急性期脳梗塞のＭＲＩ画像における表示階調自動統一化システムの開発

脳梗塞の早期の画像診断にはMRI検査が実施される.MRI検査で撮像される拡散強調画像および見かけの拡散係数画像(以下,MR画像)は,虚血範囲の判定や発症からの時期判定に利用されている.しかし,虚血領域における信号の明暗や範囲は,画像の色合い調節によって大きく変化するため,診断の精度低下につながる可能性がある.本研究では,早期の脳梗塞に対する画像診断と治療適応の決定に携わる医師を支援するため,MR画像を自動的に適正表示するコンピュータシステムを開発した.その結果,装置および被検者間で変化するMR画像の色合いを正確且つ迅速に統一化できる自動調節システムの構築を実現できた.脳梗塞の急性期におけるMRI装置を用いた画像診断では,主に拡散強調画像(DWI)および見かけの拡散係数画像(ADC map)が有効に活用されている.しかし,DWIおよびADC map上の脳虚血領域の程度および範囲は,表示画像のウィンドウ調節によって大きく変化するため,存在診断や範囲判定の精度低下につながる.ASIST-Japanと呼ばれる研究グループは,DWIと同時撮像される画像(b0画像)を利用して,DWIの表示条件を標準化する方法を考案した.われわれは,先行研究として,ASIST-Japanによって考案された方法を自動化したシステム,および新たな表示階調の自動調節システムを開発した.研究調査において,DWIとb0画像を画像サーバ等に転送する際,b0画像のみを圧縮して転送するシステムがあることがわかった.ASIST-Japanの考案方法やわれわれの先行研究方法は,b0画像を利用してDWIの表示階調を調節しており,両画像が同一な階調数でない場合には利用できない.さらに,DWIとともに急性期脳梗塞の画像診断に利用されているADC mapに関する画像表示法の推奨や基準については,これまで全く提唱されていない.そこで,昨年度,急性期脳梗塞のDWIおよびb0画像からなる60症例の画像データベースを構築し,ASIST-Japanにより考案された方法を実際に試み,さらに,b0画像を利用せずにDWIの表示階調を自動調節できる方法を考案した.本年度は,ASIST-Japan法と本システムにより調節されたDWIに対し画像評価を実施して,本システムの精度を検証した.さらに,構築した画像データベースからADC mapを作成し,昨年度考案したDWIの自動調節法の応用により得られたADC mapと,2名の医師の観察の下で表示階調が調節されたADC mapの画像評価を実施して,比較検討した.これまでの研究では,ASIST-Japanと呼ばれる研究グループによって考案された,拡散強調画像(DWI)の表示条件を調節する方法を改善するため,DWIと同時撮像される画像(b0画像)を使用することなくDWIを適正表示するための自動調節システムを開発した.その結果,本システムを用いて調節されたDWIの症例間における視覚的な主観的類似性は,ASIST-Japan法と比較して有意に向上した.また,DWIとともに急性期脳梗塞の画像診断や治療適応の決定に利用されている,見かけの拡散係数画像(ADC map)の表示条件の標準化に関する研究が,今まで報告されていないことから,先行研究で考案したDWIの自動調節法を応用した,ADC mapにおける表示条件の自動調節システムも開発した.その結果,自動調節されたADC mapの症例間における主観的類似性は,医師によって手動で調節されたADC mapと比較して,極めて向上した.そこで,本研究では,先行研究で開発した手法とは異なる新たなADC mapの表示階調自動統一化法を考案した.医師および本自動システムによって調節されたADC mapの濃度ヒストグラムから症例間の相互相関値を定量的に求めた結果,医師による手動方法ではそれぞれ平均0.572,0.751であったのに対し,本自動システムでは0.900,0.936であった.この結果は,本自動システムを用いることにより,症例間で統一化された画像表示が可能であることを示している.したがって,研究期間全体を通じて開発した自動調節システムは,DWIおよびADC mapの最適な画像表示を正確且つ迅速に行えることから有望な技術であり,アーチファクトによる不正確な判断の防止や虚血領域の判定誤差の減少,治療法の適切な判断の達成が可能となることから,放射線科医や脳神経外科医にとって有用であると考える.脳梗塞の早期の画像診断にはMRI検査が実施される.MRI検査で撮像される拡散強調画像および見かけの拡散係数画像(以下,MR画像)は,虚血範囲の判定や発症からの時期判定に利用されている.しかし,虚血領域における信号の明暗や範囲は,画像の色合い調節によって大きく変化するため,診断の精度低下につながる可能性がある.本研究では,早期の脳梗塞に対する画像診断と治療適応の決定に携わる医師を支援するため,MR画像を自動的に適正表示するコンピュータシステムを開発した.その結果,装置および被検者間で変化するMR画像の色合いを正確且つ迅速に統一化できる自動調節システムの構築を実現できた.MRI装置で撮像される拡散強調画像(DWI)および見かけの拡散係数画像(ADC map)は,急性期脳梗塞の画像診断において中心的な役割を占めるが,表示画像のウィンドウ調節によって脳虚血領域の程度および範囲が大きく変化するため,急性期脳梗塞の存在診断や範囲判定の精度低下をもたらすものと推測される.そこで,ASIST-Japanと呼ばれる研究グループは,DWIと同時撮像される画像(b0画像)の視床部位における信号強度を手動計測することで,DWIの表示条件を標準化できる手法を考案した.われわれは,平成21・22年度に科学研究費補助金(若手研究(B))を交付していただき,ASIST-

Japanによって考案された標準化法のすべてが自動化されたシステム,および新たな表示階調の自動調節システムを開発した.しかし,研究調査において,DWIとb0画像を画像サーバ等に転送する際,b0画像のみを圧縮する施設が存在していることが明らかとなった.このような場合,b0画像を利用してDWIの表示階調を調節するASIST-Japanの考案方法やわれわれの開発方法を利用することができない.さらに,調査では,ADC mapに関する画像表示法の推奨や基準について,これまで全く提唱されていないこともわかった.そこで,本研究では,b0画像を利用せずにDWIの表示階調を自動調節する新たなシステムの開発に加え,ADC mapの表示条件が担当者間でどの程度異なるのかの実態調査,およびADC mapの表示階調自動調節システムの開発を目的とした.本研究において,DWIおよびADC mapの表示階調を統一化することで,淡い画像所見の見逃しや虚血範囲判定のばらつきがなくなるものと推測される.また,病巣に対する信号強度などの物理量を利用した発症時間の推定や血栓溶解療法の客観的判断も可能になるものと推測される.下記した,平成24年度における研究計画および実施内容から,本研究の達成度を「当初の計画以上に進展している.」と評価した.1,ASIST-Japan法と本システムにより調節されたそれぞれのDWIに対して,画像評価を行って比較検討し,本システムの精度を検証する.→各方法により調節されたDWIの症例間における信号強度および画像コントラストの主観的類似性を2肢強制選択法を実施して評価した結果,本システムを用いて調節されたDWIの選択率は75.1%であり,ASIST-Japan法と比べて高い値を示した.2,平成23年度に構築した画像データベースを用いてADC mapを作成する.→急性期脳梗塞の画像所見が含まれるDWIおよびb0画像からなる44例の画像データベースを用いて,まず,両画像ともに全スライス像を合成して3次元画像を作成し,しきい値処理を適用して3次元DWIを2値化した.その後,明らかに雑音と思われる候補を除去して脳実質部を抽出した.そして,DWIとb0画像の脳実質部の各ボクセル値に基づいて3次元ADC mapを作成した.3,MRI検査に従事する医師2名にADC mapを観察していただいて表示条件(WW・WL)を設定していただく.→2名の脳神経外科医のコンセンサスの下,44症例のADC mapを用いて手動により表示条件を調節していただいた.その後,決定された表示条件を利用して,3次元ADC mapの階調を変換した.4,医師により調節されたADC mapと考案した方法により調節されたADC mapに対し画像評価を実施して比較検討する.→昨年度考案したDWIの自動調節法をADC mapにも応用して調節し,医師によって手動で調節されたADC mapと2肢強制選択法を用いて比較評価した結果,自動調節されたADC mapの症例間における主観的類似性は極めて向上した.
非線形系・大規模系の制御のための組合せ的構造の設計：凸最適化と感度解析の利用

2乗和多項式や制御系の構造設計を通して,非線形系や大規模系の制御における新しい方法を開拓した.すなわち,区分多項式を使ってモデル予測制御器を設計する方法を開発し,問題に内在する区分構造を求めなくてもよいようにしたり,安定度や行列不等式を使った非線形系のパラメータ調節法を開発して,望ましくない分岐やカオスが生じないようにした.また,制御入力が離散値に限定されるような制御や制御入力が離散時間に加わるような制御を非線形な制御対象に対して行うために,2乗和多項式や擬似線形表現,Picard反復や縮小写像の定理などを使った新しい方法を提案した.研究の2年目である本年度は,前年度の成果を受けて次の2つの研究を行った:1.多項式的モデル予測制御器設計法の計算量低減;2.オンラインパラメータ調節によるカオス回避.「1.多項式的モデル予測制御器設計法の計算量低減」では,前年度得た多項式的モデル予測制御器設計法を改良し,計算量が小さい新しい設計法を提案した.前年度得た多項式的モデル予測制御器設計法は,幾何学的計算をせずに最適なモデル予測制御器の多項式近似を得る方法であったが,計算量が大きいという欠点があった.これを解決するため,近似誤差の状態空間における最大値ではなく積分値を目的関数にすることを考え,サイズが特に大きい2乗和多項式を扱う必要がなくなり,計算量が小さくなることを示した.「2.オンラインパラメータ調節によるカオス回避」では,前年度得た非線形系のパラメータ調節法を改良し,オンラインでのパラメータ調節ができるようにした.前年度得たパラメータ調節法は,不動点における安定度を最適化するようパラメータ調節を行っていたので,非線形系を時間発展させながら実行することができなかった.そこで本年度は,有限時間Lyapunov指数(または局所拡大率)に着目し,これを最適化するようにパラメータ調節を行うことを考えた.このパラメータ調節法はオンラインでの実行ができ,しかも前年度と同様の最適化法が適用可能である.得られたパラメータ調節法は,Henon写像に基づく非線形系に適用し,カオスの自動回避ができることを確認した.2乗和多項式や制御系の構造設計を通して,非線形系や大規模系の制御における新しい方法を開拓した.すなわち,区分多項式を使ってモデル予測制御器を設計する方法を開発し,問題に内在する区分構造を求めなくてもよいようにしたり,安定度や行列不等式を使った非線形系のパラメータ調節法を開発して,望ましくない分岐やカオスが生じないようにした.また,制御入力が離散値に限定されるような制御や制御入力が離散時間に加わるような制御を非線形な制御対象に対して行うために,2乗和多項式や擬似線形表現,Picard反復や縮小写像の定理などを使った新しい方法を提案した.本年度は,本研究課題の最初の年度として,次年度以降の研究の基盤を作るべく次の2つの研究を行なった:1.多項式的モデル予測制御器の設計法;2.分岐回避のための安定度最適化.「1.多項式的モデル予測制御器の設計法」では,現在の状態の多項式で表されるモデル予測制御器を設計するため,2乗和多項式を使う方法を考え,その性質を理論的および実験的に解析した.従来使われてきた最適なモデル予測制御器は現在の状態の区分線形関数であり,特に状態の次元が高いときや,退化に近い状況のとき,区分構造を求める計算が難しかった.提案する設計法は,多項式を使うため区分構造を求める必要がない.得られるのは最適なモデル予測制御器ではなくその近似であるが,最適化問題の双対性を使うことで近似誤差の評価ができる.また,このことを生かして閉ループ系の安定性の保証ができる.「2.分岐回避のための安定度最適化」では,非線形系のパラメータを自動調節し,望ましくない分岐を避ける方法を得るべく,不動点の安定度を最適化する問題を考えた.安定度は不動点における線形化行列のスペクトル半径であり,パラメータに対して微分不可能であるため直接の最適化は難しい.しかし,補助変数を導入し,行列不等式に定式化することで,微分可能な半正定値計画問題に帰着させることができる.この問題は設計変数に対して一般に非線形であるが,ペナルティ法の適用によって解くことができ,さらに所望のパラメータの自動調節法を得ることができる.研究の1,2年目は,「多項式的モデル予測制御器の設計法」および「安定度最適化による分岐現象の回避法」を開発し,これらを発展させた.いずれも最適化の方法論を駆使して制御系の構造設計を行うという本研究課題の目的に照らして意義深い成果である.以上をふまえて研究の最終年度は,非線形制御の新しい方法論の開拓を行った.研究成果は以下の2つである:1.非線形システムの量子化制御;2.非線形システムのサンプル値制御.「1.非線形システムの量子化制御」では,非線形制御において入力が離散的な値に限定される場合を考え,連続値制御との差異が小さくなるよう補償を行う方法を研究した.具体的には線形システムに対する澤田・新の量子化制御法を非線形システムに拡張することを考え,制御対象は擬似線形表現し,設計計算は2乗和多項式を使って行うことにした.また,設計計算を不変集合の設計という視点で見直し,入力の大きさの制限なども行えるようにした.「2.非線形システムのサンプル値制御」では,連続時間で動作する非線形な制御対象を,離散時間で制御する方法について考えた.特にここではサンプル値制御を行う準備として,非線形システムの離散化と誤差評価について研究した.非線形システムを離散化するには,非線形微分方程式の初期値問題の解を陽に求める必要があるため厳密に行うことは難しい.

ここでは,Picard反復を使って近似的な離散化を行うことを考え,さらに縮小写像の定理を使って厳密な離散化との誤差を陽に評価することを考えた.以上の研究成果は非線形制御の新しい方法論を与えると考えられ,さらなる発展が期待できる.これについては後継の研究課題である科研費基盤研究(C)「非線形制御の誤差評価と性能保証:精度保証つき数値計算と2乗和多項式の適用」で研究を続ける予定である.工学前年度の2つの成果の問題点の解決は,本年度の課題として年度初めに設定していたものであり,それを首尾よく達成して研究は順調に進んでいる.今年度得られた2つの結果は次年度以降の研究の基盤になるものである.早い時期に基盤整備ができ,研究は順調に進んでいる.「分岐回避のための安定度最適化」の結果は,当初計画では平成25年度に実施予定であったが前倒しで成果が得られた.このため次年度以降の研究がやりやすくなった.一方で,計算量削減の研究は遅れており,次年度以降はこれに注力する予定である.これまでの研究で基本算法は完成し,研究の基盤が整った.今後はこの基盤のもとで非線形系・大規模系の制御を考えるべく,算法の拡張や実システムへの適用を行う予定である.今年度得た「多項式的モデル予測制御器の設計法」は,計算量が大きく,小規模の問題にしか適用できないという欠点がある.大規模系への適用を考えると,問題の構造を使うことで計算量の削減をすることが必要であり,今後はこの方向で研究を進める.「分岐回避のための安定度最適化」については,現状では不動点とその安定度が所与であるとしてこれを最適化するという,言わばオフラインの計算法になっている.今後は,非線形系を時間発展させながら安定度を推定して最適化するという,オンラインの計算法にするべく研究を進める.前年度の未使用分に基づいて,本年度は学会発表を当初計画よりも活発に行ったが,予想したよりも費用がかからず,若干の剰余が生じた.未使用分は次年度における追加の学会発表に充当する予定である.順調な研究の進展を受けて発表内容は十分であり,有意義な使用ができると思われる.その他は書籍費,計算機関連消耗品,学会参加費などに充てる予定であり,大きな変更はない.今年度は,日程の都合で国際会議での発表を1回見送ったため,研究費に余りが生じた.次年度はこの分の発表を行なうため,旅費を多めに使う予定である.それ以外は特に変更はなく,基本的に当初計画の通りである.