hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
細径空気圧人工筋を集積したタコの筋構造模倣ソフトメカニズム

空気圧駆動のラバーアクチュエータであるMcKibben型アクチュエータは,高出力,軽量,柔軟などの特長から人工筋肉として高い可能性を有する。本研究では細径のMcKibben型アクチュエータを集積することで柔軟なロボットアームを開発した。本ロボットアームはタコの腕の筋肉配置を模倣した構造であり,また,アームは柔軟な高分子材料のみで構成されている。駆動実験を実施し,本ロボットアームが湾曲・収縮・ねじれの多自由度な動作,および剛性変化が実現可能であることを確認した。骨格を有しない生物や生物の器官を模倣した柔らかい機構(ソフトメカニズム)は,機械的な高い安全性,滑らかで連続的な動作性といった従来の剛体リンクやアクチュエータからなるメカニズムとは異なる特長を有する.これまでにソフトメカニズムを実現する機素として空気圧によって収縮変位を発生する細径のMcKibben型人工筋を開発してきた.本研究ではタコの腕の筋肉配置を参考にし,直径1.8mmの細径McKibben型人工筋を集積したタコ腕模倣メカニズムの開発を実施している.本年度はそのプロトタイプの開発を行った.開発したタコ腕模倣メカニズムでは軸方向・径方向・斜方向に32本の細径McKibben型人工筋が配置されている.各々の人工筋肉を個別に,あるいは複数の人工筋肉を同時に駆動することで湾曲・収縮・ねじり・剛性変化の各機能を実現できることを確認した.また,これと並行して人工筋肉の簡易なシミュレーション手法に関する検討を実施した.人工筋肉は空気圧を受圧するゴムチューブと特定の角度で編みこまれた繊維から構成される.また,高い非線形性を有し,さらに大変形が生じるため,一般にそのシミュレーションは容易ではなく簡易なシミュレーション手法の実現はソフトメカニズムの設計において高い有用性を持つ.本研究では,有限要素法解析において異方性弾性をもつ材料を定義することで繊維の導入が不要な人工筋モデルを構築した.解析の結果,McKibben型人工筋と同様に径方向への膨張と軸方向への収縮変位が確認された.本研究ではタコの筋肉構造を模倣した従来にない柔らかく多自由度な動作が可能なロボットメカニズムの開発を実施している。本メカニズムは細径の空気圧駆動の人工筋を用いて製作しており,昨年度までに細径人工筋単体の簡易シミュレーションモデルの構築,および基礎的な実機モデルの製作を実施し,実機によって湾曲,捻り,収縮といった動作が可能なことを確認した。本年度に実施した主な項目は以下である。1.構造の改良による駆動特性の向上:本メカニズムは多数の人工筋を集積して実現している。人工筋の集積本数や配置構造などを変更することで昨年度製作した実機モデルと比較し大きな湾曲,捻じれ運動が実現可能な新たなメカニズムを実現した。2.理論モデルの構築:シミュレーションによるメカニズムの最適構造の導出を試みたが,互いに接触・干渉する多数の人工筋の駆動状態を適切に解析できるまでには至らなかった。しかしながら,代わりにメカニズムの理論モデルの構築を行い誤差は生じているものの実験値と比較的高い一致度であることを確認した。今後,より精度の高い理論モデルの実現に向けて引き続き取り組んでいきメカニズムの最適設計に結びつけたい。3. 2段構造のメカニズムの実現: 1で製作したメカニズムを2つ直列に接続し,その駆動特性を確認した。新たな柔軟ロボットマニピュレータとしての可能性を示した。4.扁平型メカニズムの製作:本研究を実施していく中で当初計画にはなかった新たな細径人工筋複合メカニズムを発案した。本メカニズムは複数の人工筋を平行に配置した扁平構造であり多方向への湾曲運動が可能であることを確認した。これまでに,メカニズムの改良による特性の向上・理論モデルの構築・扁平型メカニズムの発案と製作などを実現しており研究全体として進捗状況は良好であるといえる。本研究では空気圧駆動の細径人工筋を集積した柔軟なロボットマニピュレータの開発を実施した。本マニピュレータはタコの腕の筋肉構造を模倣して人工筋を集積・配置することで湾曲・ねじれ・収縮などの多自由度な動作を実現する。本年度の成果は以下である。1.幾何学モデルの導出昨年度に引き続き本ロボットマニピュレータの理論モデルの構築を行った。人工筋の駆動量とマニピュレータの姿勢の関係を幾何学的に導出した。人工筋の軸方向への収縮量に加えて,その際に生じる径方向への膨張量を考慮することで,湾曲・収縮・ねじれの各動作に対して精度の高い理論モデルの構築を実現した。2.マスタースレーブシステムの構築本ロボットマニピュレータの制御方法としてマスタースレーブ方式の導入を行った。オペレータが操作するマスターは複数のワイヤーエンコーダを搭載した柔軟なラバー構造体で構成しており,マスターの動作に合わせてスレーブである柔軟ロボットマニピュレータが駆動できることを確認した。3.ジャミング機能の付加本ロボットマニピュレータは高い柔軟性を特徴とするため,その反面で外力に対しての姿勢保持が困難となり実タスクが難しくなる。これを解決するために,粒子を封入し,これに負圧を印加することで剛性を高めることが可能となるジャミング機能を付加した。ジャミングを行うことで必要に応じて機構の剛性を高めることが可能となった。また,昨年度製作した2段構造のロボットマニピュレータに対してもジャミング機構を導入し,その効果を実験的に確認した。4.スマート人工筋の検討当初研究計画に加えて,人工筋自体の研究を実施した。人工筋にセンサ材料を複合するものであり,製紐機を用いることで簡易な製造プロセスでセンサ機能が一体化されたスマート人工筋が実現可能であることを確認した。

空気圧駆動のラバーアクチュエータであるMcKibben型アクチュエータは,高出力,軽量,柔軟などの特長から人工筋肉として高い可能性を有する。本研究では細径のMcKibben型アクチュエータを集積することで柔軟なロボットアームを開発した。本ロボットアームはタコの腕の筋肉配置を模倣した構造であり,また,アームは柔軟な高分子材料のみで構成されている。駆動実験を実施し,本ロボットアームが湾曲・収縮・ねじれの多自由度な動作,および剛性変化が実現可能であることを確認した。当初の予定通りタコ腕の模倣メカニズムのプロトタイプを実現しており,さらにその基礎特性を実験的に明らかにすることができた.また,有限要素法解析おいて簡易モデルによる人工筋の解析が可能となった.以上より,おおむね当初計画どおりに進展したといえる.今後、当初計画どおりメカニズムの駆動方法に関する研究を実施する予定である。本メカニズムは多自由度で滑らかな動作であるため,その駆動形態に適したインターフェースを開発していく必要がある。アクチュエータ開発したプロトタイプをベースとし,人工筋の配置を改善することで新たな柔軟マニピュレータ用のユニットを開発を実施する.この駆動特性をこれまでに開発したプロトタイプと比較する.また,ユニットを複数個,連結することで実際のタスクが可能なマニピュレータに拡張し物体のハンドリング性能などの機能について実験的に検証を行う.メカニズムの改良が想定よりも順調に進み材料購入などの費用が抑えられたため次年度使用額が生じている。細径McKibben型人工筋の製作において複数回の製作を考慮していたが、初回に製作した人工筋がプロトタイプのメカニズムを製作するには十分な性能を有していたため次年度使用額が生じている。インターフェースの製作費や学会での発表・情報収集費に使用する。メカニズムの改良に際して人工筋の改良・追加製作の費用、および空気圧制御システムの改良の費用として使用する計画である。
三重特異性抗体を用いた進行肝細胞癌に対する治療法の確立

われわれは治療法の全く確立していない進行肝細胞癌に対して、理想的な治療薬としての抗体医薬の開発を目的として本研究を行ってきた。われわれは、これまでヒト肝癌細胞において、Interferon(IFN)α/β投与によりfibroblast growth factor receptor-1(以下FGFR-1)の過剰発現が生じることを明らかにしてきた。これをふまえ、FGFR-1に対するモノクローナル抗体(以下MoAb)をいくつか作成した。われわれはヒト肝がん細胞に対する抗FGFR-1抗体とIFNα/β併用療法のin vitroおよびin vivoにおける有用性を明らかにしてきた。本研究では、この抗体治療がより強力な抗癌効果を発揮するように、この抗体に分子改変を加え、三重特異性抗体を確立した。進行肝細胞癌に対して、理想的な治療薬としての抗体医薬の開発を目的に本研究を行っている。これまでヒト肝癌細胞において、Interferon(IFN)α/β投与によりfibroblast growth factor receptor-1(以下FGFR-1)の過剰発現が生じることを明らかにしてきた。これをふまえ、FGFR-1に対するモノクローナル抗体(以下MoAb)を独自に作成し、IFNα/βと併用し、in vitroおよびin vivoにおいて、著明な抗癌効果を明らかにしてきた。本研究では、さらにより強力な抗癌効果を発揮するように、このMoAbに分子改変を加え、抗FGFR-1および抗CD3の機能を有し、さらにFcを結合させた三重特異性抗体を確立し、臨床試験を行いたいと考えている。平成21年度は以下の研究を進めた。1)すでに作製したマウス抗FGFR-1抗体発現HybridomaからmRNAを抽出し、5'RACE法を用いて重鎖可変領域(V_H)と軽鎖可変領域(V_L)のDNA塩基配列を取得した。2)取得したV_HおよびV_LのCDRのDNA塩基配列を所定の制限酵素サイトを付加したプライマーにてPCR法により増幅させた後にすでに確立した三重特異性抗体動物細胞発現用ベクターに組み込んだ。一方のベクターにはヒト免疫グロブリンγ1定常領域cDNAと抗ヒトCD3モノクローナル抗体であるOKT3由来ヒト化V_L配列も組み込まれており、このベクターに抗FGFR-1抗体由来のヒト化V_Hを組み込んだ。もう一方にはヒト免疫グロブリンkappa定常領域cDNAとOKT3由来ヒト化V_Hが組み込まれており、このベクターに抗FGFR-1抗体由来のヒト化V_Lを組み込んだ。現在、構築した2つのベクターを動物細胞にて共発現させて安定的に抗体が得られるかの検討を行っている。これまでヒト肝癌細胞において、Interferon (IFN)α/β投与によりfibroblast growth factor receptor-1(以下FGFR-1)の過剰発現が生じることを明らかにしてきた。これをふまえ、FGFR-1に対するモノクローナル抗体(以下MoAb)を独自に作成し、IFNα/βと併用し、著明な抗癌効果を明らかにしてきた。平成22年度は以下の研究を進めた。これまで構築した2つのベクター(一方はヒト免疫グロブリンγ1定常領域cDNAと抗ヒトCD3モノクローナル抗体であるOKT3由来ヒト化V_L配列および抗FGFR-1抗体由来のヒト化V_H配列を組み込んだもの。もう一方はヒト免疫グロブリンkappa定常領域cDNAとOKT3由来ヒト化V_H配列および抗FGFR-1抗体由来のヒト化V_L配列を組み込んだもの)を動物細胞に共発現させて三重特異性抗体を確立した。得られた抗体を用い、まず結合活性を測定してきたが、安定した抗体の結合活性が得られず、現在、原因の究明を急いでいる。現在まで、治療法の全く確立していない進行肝細胞癌に対して、理想的な治療薬としての抗体医薬の開発を目的として本研究を行ってきた。本研究では、さらに、より強力な抗癌効果を発揮するように、このMoAbに分子改変を加え、三重特異性抗体を確立し、これを実際の臨床試験へ持ち込みたいと考え研究を行った。まず、構築した二つのベクター、すなわち、一方のベクターはヒト

免疫グロブリンγ1定常領域cDNAと抗ヒトCD3モノクローナル抗体であるOKT3由来ヒト化V_L配列を組み込み、これに作製した抗FGFR-1抗体由来のヒト化V_Hを組み込んだものと、もう一方のベクターはヒト免疫グロブリンkappa定常領域cDNAとOKT3由来ヒト化V_Hを組み込み、これに抗FGFR-1抗体由来のヒト化VLを組み込んだものを、動物細胞に共発現させて安定的に抗体が得られるかの検討を行い、安定的な発現の確認ができた。次に、精製した抗FGFR-1 X抗CD3 Fc結合三重特異性抗体の活性に関する検討を行った。ADCC活性についてはヒトPBMCを用い、FGFR-1発現腫瘍細胞の細胞増殖率をMTSアッセイとLDHアッセイにて測定した。結果としては残念ながら、十分な効果は得られなかった。現在のところ、この原因として、作製した抗体の安定性の問題と考え、さらに、抗体の構造改変を行っている。
突起付き鋼板の土木合成構造への活用に向けての系統的研究

1.84体のフルサンドイッチ供試体に対する側圧制御式直接せん断実験より:(1)主たる破壊形式は,突起前面でのコンクリートの局所的な圧壊による支圧破壊であった.なお,一部突起配置間隔の狭い供試体では突起頂部を結ぶようにひび割れが発生するせん断破壊も観察された.(2)最大せん断応力すなわち(平均)付着せん断強度に到達するまでは,コンクリートと突起付き鋼板の相対水平変位すなわちずれ変形は発生せず,その後ずれ変形が発生すると共に保有せん断応力が急激に低下する脆性的な変形挙動を呈した.また,最終的な保有せん断応力は,概ね鋼とコンクリートとの摩擦強度に相当した.(3)突起形状とその配置方式ならびに側圧強度を因子とした突起付き鋼板の付着せん断強度算定式を提案し,その妥当性を検証した.2.30体のオープンサンドイッチはり供試体に対する曲げ実験より:(1)実践的な応力状態の下で鉄筋コンクリート部材内の異形鉄筋の付着せん断強度を評価できるとされているRILEM/CEB/FIPのはり曲げ試験に準じた形式で突起付き鋼板の付着せん断強度を評価する試験方法を開発した.(2)突起形状とその配置方式,鋼板厚ならびに付着長さを実験変数として得られた付着強度は,1.(3)で提案した算定式にて側圧強度を零とした算定結果に良好に対応した.3.13体のスタッドを併用したオープン/フルサンドインチ供試体に対する各種実験より:(1)得られたせん断強度は,スタッドのせん断強度算定値と1.(3)で提案した突起付き鋼板の付着せん断強度の単純累加値を下回った.(2)その理由は両者のずれ変形挙動の相違,すなわち剛な挙動を呈する突起付き鋼板と柔な挙動を呈するスタッドでせん断強度に達するずれ変形量が異なることに起因すると考えられた.1.84体のフルサンドイッチ供試体に対する側圧制御式直接せん断実験より:(1)主たる破壊形式は,突起前面でのコンクリートの局所的な圧壊による支圧破壊であった.なお,一部突起配置間隔の狭い供試体では突起頂部を結ぶようにひび割れが発生するせん断破壊も観察された.(2)最大せん断応力すなわち(平均)付着せん断強度に到達するまでは,コンクリートと突起付き鋼板の相対水平変位すなわちずれ変形は発生せず,その後ずれ変形が発生すると共に保有せん断応力が急激に低下する脆性的な変形挙動を呈した.また,最終的な保有せん断応力は,概ね鋼とコンクリートとの摩擦強度に相当した.(3)突起形状とその配置方式ならびに側圧強度を因子とした突起付き鋼板の付着せん断強度算定式を提案し,その妥当性を検証した.2.30体のオープンサンドイッチはり供試体に対する曲げ実験より:(1)実践的な応力状態の下で鉄筋コンクリート部材内の異形鉄筋の付着せん断強度を評価できるとされているRILEM/CEB/FIPのはり曲げ試験に準じた形式で突起付き鋼板の付着せん断強度を評価する試験方法を開発した.(2)突起形状とその配置方式,鋼板厚ならびに付着長さを実験変数として得られた付着強度は,1.(3)で提案した算定式にて側圧強度を零とした算定結果に良好に対応した.3.13体のスタッドを併用したオープン/フルサンドインチ供試体に対する各種実験より:(1)得られたせん断強度は,スタッドのせん断強度算定値と1.(3)で提案した突起付き鋼板の付着せん断強度の単純累加値を下回った.(2)その理由は両者のずれ変形挙動の相違,すなわち剛な挙動を呈する突起付き鋼板と柔な挙動を呈するスタッドでせん断強度に達するずれ変形量が異なることに起因すると考えられた.(1)側圧を制御した引き抜きせん断試験計68体の供試体に対し一定側圧の下での引き抜きせん断試験を行い,その破壊形状,耐荷機構,せん断伝達強度ならびにずれ変形挙動を調べた.供試体は,平鋼板,縞鋼板,リブ鋼板の3種の鋼板を用い,特記の高さ,間隔,個数ならびに側圧強度を実験変数とし,得られた結果より各実験変数がせん断伝達強度に及ぼす影響を定量的に評価し,各鋼板のせん断伝達強度算定式を提案した.異形鉄筋の付着特性に関するRILEM-CEB-FIPのはり曲げ試験B型に準じた方式で,突起付き鋼板の曲げによる付着せん断試験を行った.供試体の総数は20体で,鋼板の突起形状とスタッドの有無を実験変数に選んだ.その結果突起付き鋼板の付着せん断強度は,上記(1)にて提案した算定値に対して,同等もしくはそれ以上となった.またスタッドを併用した場合の付着せん断強度は,スタッドのみの算定値(Fisherらの提案式)と突起に対する上記(1)の算定値の和いわゆる単純累加強度に対し低い値をとった.(3)突起付き鋼板を併用したスタッドコネクタの押し抜きせん断試験両フランジにスタッドコネクタを溶接したH型鋼と2枚のコンクリートスラブからなる計8体の供試体に対し押し抜きせん断試験を実施した.設定した実験変数はフランジ表面の突起の有無,スタッドコネクタの本数ならびにコンクリートスラブへのプレストレスの有無である.その結果突起とスタッドコネクタの両者を配置した供試体の押し抜きせん断強度は,突起に対する上記(1)の算定値とスタッドのみの算定値(Fisherらの提案式)の和いわゆる単純累加強度に対し同等の結果を与えた。1.84体のフルサンドイッチ供試体に対する側圧制御式直接せん断実験より:(1)主たる破壊形式は,突起前面でのコンクリートの局所的な圧壊による支圧破壊であった.

なお,一部突起配置間隔の狭い供試体では突起頂部を結ぶようにひび割れが発生するせん断破壊も観察された.(2)最大せん断応力すなわち(平均)付着せん断強度に到達するまでは,コンクリートと突起付き鋼板の相対水平変位すなわちずれ変形は発生せず、その後ずれ変形が発生すると共に保有せん断応力が急激に低下する脆性的な変形挙動を呈した.また,最終的な保有せん断応力は,概ね鋼とコンクリートとの摩擦強度に相当した.(3)突起形状とその配置方式ならびに側圧強度を因子とした突起付き鋼板の付着せん断強度算定式を提案し,その妥当性を検証した.2.30体のオープンサンドイッチはり供試体に対する曲げ実験より:(1)実践的な応力状態の下で鉄筋コンクリート部材内の異形鉄筋の付着せん断強度を評価できるとされているRILEM/CEB/FIPのはり曲げ試験に準じた形式で突起付き鋼板の付着せん断強度を評価する試験方法を開発した.(2)突起形状とその配置方式,鋼板厚ならびに付着長さを実験変数として得られた付着強度は,1.(3)で提案した算定式にて側圧強度を零とした算定結果に良好に対応した.3.13体のスタッドを併用したオープン/フルサンドイッチ供試体に対する各種実験より:(1)得られたせん断強度は,スタッドのせん断強度算定値と1.(3)で提案した突起付き鋼板の付着せん断強度の単純累加値を下回った.(2)その理由は両者のずれ変形挙動の相違,すなわち剛な挙動を呈する突起付き鋼板と柔らかな挙動を呈するスタッドでせん断強度に達するずれ変形量が異なることに起因すると考えられた.
樹木の木部細胞壁形成における遺伝子発現制御機構の解明

ポプラの二次木部で顕著に発現する新規転写因子の機能解析と、新規転写因子を活用した細胞壁改変を行った。新規転写因子は弱い転写抑制化因子であったが、転写活性化ドメインのVP16とのキメラ転写因子は、転写活性化因子となり、転写抑制化ドメインであるSRDXとのキメラ転写因子は、より強い転写抑制因子となった。交雑ポプラにおけるこれらのキメラ転写因子の過剰発現は、いずれも葉の形態を変化させた。VP16とのキメラ転写因子の過剰発現は、細胞壁成分生合成の顕著な変化を引き起こした。樹木の二次木部の細胞壁形成は、複雑かつ協調的に制御されているが、その遺伝子発現制御機構はほとんど未解明である。しかし、分子育種によって効果的かつ精緻な材質制御を行うには、この複雑な遺伝子発現制御機構を明らかにしなければならない。そこで、本研究では、樹木の二次木部の細胞壁形成過程における遺伝子発現制御機構の概略を明らかにするため、木質成分のうち、二次木部の主要細胞壁成分(セルロース、ヘミセルロース、リグニン)の生合成に焦点を絞り、これらの生合成を制御する転写因子を同定し、転写因子を介した遺伝子発現制御機構を明らかにすることを目的とした。この目的を達成するため、1)転写因子遺伝子の候補の選定、2)転写因子遺伝子発現量の定量、3)転写因子遺伝子の全長cDNAのクローニング、4)全長cDNAを過剰発現および発現抑制させた形質転換体の作出、5)形質転換体の細胞壁成分の解析、6)転写因子遺伝子の組織・細胞レベルでの発現局在、7)転写因子が制御する下流遺伝子の同定、下流遺伝子のプロモーターに存在するシスエレメントの特定、を行うことを計画し、本年度は、このうち1)4)を行った。すなわち、二次木部に顕著に発現する転写因子のクローニングを行い、MYB17と命名した。野生型と比べ、MYB17の過剰発現体では、葉が異常に縮れ、根および茎の伸長が阻害された。一方、MYB17の発現抑制個体では、茎の伸長速度が増大し、葉幅が狭くなるという表現型を示した。ゲルシフトアッセイにより、MYB17がグルコマンナン合成酵素遺伝子のプロモーター断片に結合することが示されたことから、MYB17は、グルコマンナン合成酵素遺伝子の転写活性化を促進する転写因子であると示唆された。本研究では、樹木の二次木部の細胞壁形成過程における遺伝子発現制御機構の概略を明らかにするため、木質成分のうち、二次木部の主要細胞壁成分(セルロース、ヘミセルロース、リグニン)の生合成に焦点を絞り、これらの生合成を制御する新規の転写因子を同定し、転写因子を介した遺伝子発現制御機構を明らかにすることを目的とする。この目的を達成するため、1)転写因子遺伝子の候補の選定、2)転写因子遺伝子発現量の定量、3)転写因子遺伝子の全長cDNAのクローニング、4)全長cDNAを過剰発現および発現抑制させた形質転換体の作出、5)表現型解析、6)形質転換体の細胞壁成分の解析、7)転写因子が制御する下流遺伝子の同定および定量、8)トランスアクティベーションアッセイによる転写因子の活性評価、を行うことを計画し、本年度は、このうち5)および6)を行った。昨年度までに作成した新規転写因子MYB17と転写活性化ドメインVP16との融合タンパク質(MYB17-VP16)の過剰発現体およびMYB17と転写抑制ドメインSRDXとの融合タンパク質(MYB17-SRDX)の過剰発現体の表現型は、野生型と異なる表現型を示すことが見出されていたが、本年度は表現型の変化を定量的に解析した。また、MYB17-VP16過剰発現体では、野生型と比較し、葉のリグニン、セルロースが大幅に増加していた。一方、ヘミセルロース量は変化がなかったが、化学分析および抗体染色により、キシランが増加している一方でキシログルカンが減少していることが示された。本研究では、樹木の二次木部の細胞壁形成過程における遺伝子発現制御機構の概略を明らかにするため、木質成分のうち、二次木部の主要細胞壁成分(セルロース、ヘミセルロース、リグニン)の生合成に焦点を絞り、これらの生合成を制御する新規転写因子を同定し、転写因子を介した遺伝子発現制御機構を明らかにすることを目的としている。この目的を達成するため、1)転写因子遺伝子の候補の選定、2)転写因子遺伝子発現量の定量、3)転写因子遺伝子の全長cDNAのクローニング、4)全長cDNAを過剰発現および発現抑制させた形質転換体の作出、5)表現型解析、6)形質転換体の細胞壁成分の解析、7)転写因子が制御する下流遺伝子の同定および定量、8)トランスアクティベーションアッセイによる転写因子の活性評価、を行うことを計画した。本年度は、このうち7)および8)を行った。新規転写因子MYB17に転写活性化ドメインVP16およびエストロゲン

レセプターhERを接続した融合タンパク質(MYB17-VP16-hER)をポプラで過剰発現させ、エストラジオールの添加によってMYB17-VP16-hERの機能発現が行われるような形質転換体を作成した。次に、エストラジオールの添加後の遺伝子発現解析を行った。その結果、木質形成関連の転写因子遺伝子や酵素遺伝子がエストラジオール添加によって多数誘導されることが明らかとなった。一方、トランスアクティベーションアッセイにより、MYB17は弱い転写抑制因子であることが見出されたが、VP17を接続すると転写活性化因子となり、転写抑制ドメインのSRDXを接続すると転写抑制の程度が増加することが明らかとなった。今回解析対象としたMYB17転写因子は、これまでに解析例のない新規転写因子であり、VP16との融合タンパク質をポプラで過剰発現させると、葉の細胞壁成分であるセルロース、リグニン、ヘミセルロースの量や構造が大きく変化することが初めて明らかとなった。このような知見は、これまでに報告がなく、極めて新規なものである。さらに、この知見を発展・応用させることにより、転写因子を介した木質形成機構の解明および転写因子を活用した木質形成制御への新たな展開が期待されることから、本研究課題は当初の計画以上に進展していると評価できる。24年度が最終年度であるため、記入しない。今年度のMYB17-VP16過剰発現体の解析結果より、MYB17-VP16の過剰発現によって、ポプラの葉におけるリグニン、セルロース、ヘミセルロースの量や構造が大きく変化することが明らかになったことから、今後はMYB17-VP16の下流でどの様な遺伝子が発現制御を受け、最終的にリグニン、セルロース、ヘミセルロースの量や構造の変化に至るのかを明らかにする。そのために、MYB17-VP16過剰発現体における網羅的な遺伝子発現解析や、下流遺伝子のプロモーター断片とMYB17とのゲルシフトアッセイを行うことにより、MYB17-VP16によって制御を受ける下流遺伝子を同定する。
複数のリズムを内在する神経ネットワークの推定手法の開発と機能的意味の検証

ニューロンが回路を形成し互いに相互作用することで現れる典型的な挙動としてリズムをもつ神経活動がある.しかし,そのような神経活動が示すリズムの生成機構や機能的役割はよくわかっていない.本研究では,そのような神経リズムを研究する上で,下記の二つのテーマに関して研究を行った.第一の研究の目的は,リズミックな活動を示す実験データからリズム間の機能的ネットワーク構造の統計的推定手法を開発し,複数の測定部位のリズム活動が如何なる関係にあるのか,力学系の観点から定量的に明らかにすることである.開発した手法では,リズム間の相互作用が一方向的か双方向的か(リズム間の因果性)も考察可能であり,Hodgkin-Huxleyタイプのモデルから生成した模擬データで手法の有用性を確認した.また,手始めに素子数が少ない実データとして,神経系とは少し異なるが広い意味での運動制御機構に関係する歩行運動のデータなどに関して適用を行った.第二の研究の目的は,一見不可解な解剖学的知見に関して,リズム活動の側面から機能的意味を探ることである.具体的には,Fast Spikingneuron間において,抑制性シナプス結合が有意に遠位の樹状突起に形成されている解剖学的知見がある.これは,近位に興奮性結合がある場合,一見意味のない結合に思えるかもしれない.しかしながら,樹状突起の遠位に抑制,近位に興奮性シナプス結合がある場合,たとえ弱い抑制性シナプス結合でもリズムを制御している可能性がある.これに関して,コンパートメントモデル等を用いて位相縮約により解析を行った.結果として,ギャップ結合が存在する場合に,細胞体より中程度の距離の樹状突起上にシナプス結合を有すると,同期が促進されることが判明した.なお,このテーマは計画班A01の金子武嗣教授(京大医)の研究グループとの共同研究の成果である.26年度が最終年度であるため、記入しない。26年度が最終年度であるため、記入しない。様々な神経活動の中でも,ニューロンが回路を形成し互いに相互作用することで現れる典型的な挙動としてリズム(周期的神経活動)がある.最近の実験技術の著しい進歩により,課題遂行中の脳活動を計測するイメージング技術や,神経細胞の光トポグラフィー等,脳全体のマクロなレベルから1ニューロンのミクロなレベルまで膨大な実験的知見が蓄積されつつある.それに伴い様々なリズムが機能との関わりも含め報告されている.しかし,そのような神経活動が示すリズムの生成機構や機能的役割はよくわかっておらず,依然として解明すべき点が多い.そのような神経リズムを研究する上で,メゾ神経回路は機能単位として最小かつ最適な系である.以上の観点で,下記の二つのテーマに関して研究を実施した.本研究の第一のテーマの目的は,リズミックな活動を示す局所回路等の実験データからリズム間の機能的ネットワーク構造の統計的推定手法を開発し,複数の測定部位のリズム活動が如何なる関係にあるのか,力学系の観点から定量的に明らかにすることである.具体的には,単一ニューロンや局所回路が生み出すリズム間の機能的結合と個々のリズムの周波数や揺らぎの大きさを,力学系モデルとして詳細モデルを経由せずに,推定する手法を開発した.第二のテーマの目的は,一見不可解な解剖学的知見に関して,リズム活動から見ることで新たな側面機能的意味をから検証することである.具体的には,抑制性のFast Spikingneuron間において,遠位の樹状突起に抑制性シナプス結合を互いにしている解剖学的知見がある.これは,近位に興奮性結合がある場合,一見意味のない結合に思えるかもしれない.しかしながら,樹状突起の遠位に抑制,近位に興奮性シナプス結合がある場合,たとえ弱い抑制性シナプス結合でもリズムを制御している可能性に関して,理論解析を行った.ニューロンが回路を形成し互いに相互作用することで現れる典型的な挙動としてリズムをもつ神経活動がある.しかし,そのような神経活動が示すリズムの生成機構や機能的役割はよくわかっていない.本研究では,そのような神経リズムを研究する上で,下記の二つのテーマに関して研究を行った.第一の研究の目的は,リズミックな活動を示す実験データからリズム間の機能的ネットワーク構造の統計的推定手法を開発し,複数の測定部位のリズム活動が如何なる関係にあるのか,力学系の観点から定量的に明らかにすることである.開発した手法では,リズム間の相互作用が一方向的か双方向的か(リズム間の因果性)も考察可能であり,Hodgkin-Huxleyタイプのモデルから生成した模擬データで手法の有用性を確認した.また,手始めに素子数が少ない実データとして,神経系とは少し異なるが広い意味での運動制御機構に関係する歩行運動のデータなどに関して適用を行った.第二の研究の目的は,一見不可解な解剖学的知見に関して,リズム活動の側面から機能的意味を探ることである.具体的には,Fast Spikingneuron間において,抑制性シナプス結合が有意に遠位の樹状突起に形成されている解剖学的知見がある.これは,近位に興奮性結合がある場合,一見意味のない結合に思えるかもしれない.しかしながら,樹状突起の遠位に抑制,近位に興奮性シナプス結合がある場合,たとえ弱い抑制性シナプス結合でもリズムを制御している可能性がある.

これに関して,コンパートメントモデル等を用いて位相縮約により解析を行った.結果として,ギャップ結合が存在する場合に,細胞体より中程度の距離の樹状突起上にシナプス結合を有すると,同期が促進されることが判明した.なお,このテーマは計画班A01の金子武嗣教授(京大医)の研究グループとの共同研究の成果である.26年度が最終年度であるため、記入しない。26年度が最終年度であるため、記入しない。本研究の第一の目的である,リズミックな活動を示す局所回路等の実験データからリズム間の機能的ネットワーク構造の統計的推定手法を開発することに関しては,詳細モデルを経由せずに,神経データから直接縮約した力学系を推定する手法を開発した.提案手法では,リズム間の相互作用が一方向的か双方向的か(リズム間の因果性)も考察可能である.Hodgkin-Huxleyタイプのモデルから生成した模擬データ(理論的に縮約した力学系を導出可能である)を用いて,数十から百程度の素子数に対して推定が可能になっている.第二のテーマの目的は,一見不可解な解剖学的知見に関して,リズム活動から見ることで新たな側面機能的意味をから検証することに関しては,樹状突起の遠位に抑制,近位に興奮性シナプス結合がある場合,たとえ弱い抑制性シナプス結合でもリズムを制御している可能性を理論的に検討した.コンパートメントモデルを用いて位相縮約により解析を行った結果,ギャップ結合が存在する場合に,細胞体より中程度の距離の樹状突起上にシナプス結合を有すると,多様なリズムのパターンを生成可能である点が示された.以上の結果から,おおむね順調に研究は進展していると考えている.本研究の第一の目的である,リズミックな活動を示す局所回路等の実験データからリズム間の機能的ネットワーク構造の統計的推定手法を開発することに関しては,LFPなどのマクロな集団リズムと個別のニューロンの機能的結合の定量化も検討し,実験データの解釈に新たな視点を提供することを目指す.手始めに素子数が少ない実データとして,EEGデータ,概日リズムやロコモーションのデータなどに関して具体的に適用を行い,解析手法の有用性を示したい..第二のテーマに関しては,シナプス結合強度を学習等により調整することで,様々な位相パターンを実現可能であることを,より具体的な生理学的知見と照らし合わせ,計画班A01との共同研究も開始する予定である.特に,ニューロンの形状や電気的特性と比較検証し,領野間のシナプス結合部位の差が,リズムという機能で見たときどのような異議があるか,理論的側面から解析を行いたい.
覚醒行動マウスにおける大脳皮質錐体細胞のホールセル記録と2光子イメージング

覚醒行動マウスにおける大脳皮質錐体細胞からのホールセル記録と2光子イメージングを行うことを目的として新しい方法の開発を行った。2光子イメージングを用いた独自のin vivo可視化パッチクランプ法を開発し、麻酔下および覚醒拘束下のマウス、ラットにおけるホールセル記録を行ってきた。脳内の細胞外領域に蛍光色素を導入することで、個々のニューロンの「影」を可視化して選択的に、非常に高い効率で長時間安定したホールセル記録を行うことが可能となっている(Kitamura et al., Nat. Methods, 2008)。これまでに、覚醒マウスにおける大脳皮質-時運動野の第2/3層錐体細胞のホールセル記録を行い、覚醒状態における自発活動および自発的な洞毛運動(Whisking)による膜電位変化を計測することに成功した。過去の体性感覚野における報告(Crochet & Petersen, Nat. Neurosci, 2006 ; Poulet and Petersen, Nature, 2008)と同様に、quiet periodにおける膜電位のup-down stateや、whiskingに対応したup状態が確認されている。また、同様の方法を用いることで、覚醒マウスの小脳プルキンエ細胞からのホールセル記録を行い、マウスの飲水運動とプルキンエ細胞の発火・シナプス活動を同時に解析できる系を完成した。次に、行動中のマウスにおいてホールセル記録や2光子イメージングを行うために、頭部固定状態でも運動が可能なトレッドミルの開発を行った。これによって、頭部を固定した状態でも、一週間程度の訓練を行うことで、マウスにトレッドミル運動を行わせることが可能になった。脳内の細胞外領域に蛍光色素を導入することで、個々のニューロンの「影」を可視化して選択的に、非常に高い効率で長時間安定したホールセル記録を行うことが可能となっている(Kitamura et.al., Nat. Methods, 2008)。これまでに、覚醒マウスにおける大脳皮質一次運動野の第2/3層錐体細胞のホールセル記録を行い、覚醒状態における自発活動および自発的な洞毛運動(Whisking)による膜電位変化を計測することに成功している。過去の体性感覚野における報告と同様に、quiet periodにおける膜電位のup-down Stateや、whiskingに対応したup状態が確認されている。今後、マウスの活動状態による膜電位変化やシナプス入力について詳細に解析を行うとともに、Iocal population activityと単一ニューロン活動の相関について、2光子カルシウムイメージングとホールセル記録を組合わせた計測を行う。今後、トレッドミル運動中のマウスにおいて、大脳皮質運動野の錐体細胞におけるホールセル記録を行い、運動量と活動電位やシナプス入力の定量的な関係を明らかにしていきたい。
潜水時の高圧ヘリウム混合気体環境におけるダイバーの聴覚能力の研究

1.マイクロホンとヘッドホンの高圧気体中での特性:オージオメータで聴力測定をするのに適したヘッドホンを選定するため6類の製品の特性を高圧環境下で測定した。気圧が変ると特性が大きく変化するものが多いが、YAMAHA HP-1は安定しており最適であることがわかった。2.ダイバーの聴力:潜水シミュレータ内の背景騒音(60dB)の影響を避けるため射撃用のイヤプロテクタ内にHP-1のユニットを装着し、気導音の最小可聴値と等音曲線を求めた。深度5mまでは最小可聴値を測定できたが、深度20m以深ではイアプロテクタの遮音力不足のため1.5kHz以下では信頼できる最小可聴値が得られなかった。等感曲線の値は深度によって大きく変化する。深度120m以深では低域で高く2kHzでいったん最下点になり3kHzまで上昇してピークとなる。外耳道の伝音特性のコンピュータシミュレーションにより、気導音の最小可聴値の上昇は外耳道の伝音特性の変化が原因の一部である事を確認した。3.骨導音の聴力:気体の音速や密度により外耳道の音響特性は変化するが、この影響が少ないと考えられる骨導聴力を実測した。骨導音の最小可聴閾値は2kHz以下で上昇する。上昇量は深度70m、250Hzで最大で20dBである。この変化は予想どおり気導聴力より少ない。4.高圧気体中の吸音率:代表的な3種類の収音材料の垂直吸音率を窒素気体中とヘリウム空気中で測定した。材料によって高圧下の吸音率は異なるが、いずれも共通して高圧での吸音特性は高周波数側に移動し、同じ吸音率を示す周波数はрс^3のべき乗に比例する事がわかった。5.ヘリウム音声データベース:1万個以上のデータが収集され、現在音素ラベル付きで登録されたデータの数は3000語ある。潜水時の高圧気体環境におけるダイバ-の聴覚能力を調べた。まずはじめに測定に使用するマイクロホン,ヘッドホン,およびイアホンを潜水環境と同じ高圧ヘリウム混合気体中で校正した。1991年10月に海洋科学技術センタ-で有人潜水模擬実験を行い4名のダイバ-の聴覚能力を測定した。背景騒音の影響を軽減するために聴力測定のヘッドホンはイアプロテクタ内にヘッドホンの振動部を取り付けた。潜水深度0m300mにおいて,JIS規格に準拠してオ-ジオメ-タを用い,気導受話器による最小可聴値,骨導受話器による最小可聴値,および気導受話器による等感曲線をそれぞれ125Hzから8kHzの周波数で求めた。背景騒音のレベルとスペクトルも測定した。これらの結果,気導音に対する最小可聴値は潜水深度(気圧)によってかなりの影響を受けるが骨導音に対しては大きな影響がなく,気圧の影響は感音系ではなく伝音系に限られる事がわかった。また,これを解明するため外耳道の伝達特性をコンピュ-タシミュレ-ションにより考察し,高圧ヘリウム空気では最小可聴値は3kHz付近に山のあるW型の特性であることがわかった。ただし,1kHz以下の最小可聴値はイアプロテクタを装着しても騒音を十分防ぐことはできないため厳密な測定はできなかった。これは今後の課題である。吸音材の吸音率を測定するシステムを試作し,1気圧で吸音率を測定した。今後,高圧環境で測定を行う予定である。ダイバ-の音声を潜水深度0mー300mにおいてディジタルオ-ディオテ-プに収録した。

現在,このデ-タと今まで収録してあるデ-タを統合し,ヘリウム音声デ-タベ-スを作成している。1.マイクロホンとヘッドホンの高圧気体中での特性:オージオメータで聴力測定をするのに適したヘッドホンを選定するため6種類の製品の特性を高圧環境下で測定した.気圧が変ると特性が大きく変化するものが多いが,YAMAHA HP-1は安定しており最適であることがわかった.2.ダイバーの聴力:潜水シミュレータ内の背景騒音(60dB)の影響を避けるため射撃用のイヤプロテクタ内にHP-1のユニットを装着し,気導音の最小可聴値と等音曲線を求めた.深度5mまでは最小可聴値を測定できたが,深度20m以深ではイアプロテクタの遮音力不足のため1.5kHz以下では信頼できる最小可聴値が得られなかった.等感曲線の値は深度によって大きく変化する.深度120m以深では低域で高く2kHzでいったん最下点になり3kHzまで上昇してピークとなる.外耳道の伝音特性のコンピュータシミュレーションにより,気導音の最小可聴値の上昇は外耳道の伝音特性の変化が原因の一部である事を確認した.3.骨導音の聴力:気体の音速や密度により外耳道の音響特性は変化するが,この影響が少ないと考えられる骨導聴力を実測した.骨導音の最小可聴閾値は2kHz以下で上昇する.上昇量は深度70m,250Hzで最大で20dBである.この変化は予想どおり気導聴力より少ない.4.高圧気体中の吸音率:代表的な3種類の吸音材料の垂直吸音率を窒素気体中とヘリウム空気中で測定した.材料によって高圧下の吸音率は異なるが,いずれも共通して高圧での吸音特性は高周波数側に移動し,同じ吸動率を示す周波数はρc^3のべき乗に比例する事がわかった.5.ヘリウム音声データベース: 1万個以上のデータが収集され,現在音素ラベル付きで登録されたデータの数は3000語ある.
日本人町ホイアンの町並み保存調査

1617世紀、日本人町があったとされるベトナム・ホイアンにおいて、現存する町並みの保存再生を目的に、現存する町並みを構成する家屋と居住者を対象に、主要な通りに面する約250軒の調査を行った。また、同時に家屋の解体修復に協力し文化財調査と修復技術指導を行うとともに、町並み形成史の解明のための考古学発掘調査、土地家屋台帳調査も行った。ホイアンの現存する町並みは、18世紀末から形成された中国人町と推定され、1617世紀に繁栄した日本人町とは異なること、一方、その家屋の原形は、中国福建省の家屋や他の東南アジアの華僑街と異なり、ベトナム中部を代表する王都フエで確立された平屋の家屋形式であることがわかった。また、町並み形成上は、チャンフ-通りは19世紀前半で家屋形式が多く、グエンタイホック通りは19世紀後半で町家としての技術発展による中2階、2階形式が多いこと、19世紀末になるとフランス植民地化による洋館が建設されたこともわかった。一方、第2次大戦後のフランスとの戦争で艦砲射撃による破壊、南ベトナム時代の近代化による建て替え・個室化・水廻り増築も行われ、伝統的町並みが危機的状況であることも明らかにした。この間、町並み保存の実践としても、チャンフ-80番の解体修復及び貿易陶磁館としての再生計画を実施、さらに、エポキシ樹脂による古材再生を駆使したチャンフ-121番解体修復、ファサード再生を行ったチャンフ-142番解体修復、生活近代化を含めたチャンフ-48番解体修復等を行い、構法上の特徴把握、修復技術の移転、再利用計画の技術移転等も実施している。一方、1617世紀のホイアン全盛期における町の全容、日本人町の位置等については、残念ながら未だ解明できなかった。しかし、ディン・カムフォー前庭からの古伊万里出土、チャンソイ遺跡からのイスラム磁器出土、周辺地域広域に渡る古伊万里採取などから、現存する町並みよりはるかに広域に渡る町並みが形成されていたことはおぼろげながら推定された。さらに、本日越共同研究はベトナムへの技術移転を大きな目的としてきた。家屋調査・居住者調査では、既にハノイ建築大学に主体を移管、家屋図面作成とアンケートの分析も行い、町並み調査を独自で実施する体制ができた。また、文化財修復に際しては、ハノイの文化情報省文化財設計修復センター、ダナンの建築設計院・ホイアン遺跡管理事務所から専門家を招請、日本側と一緒に常駐管理してもらい、何名かは十分日本側と同程度の修復工事を設計管理できる能力を得る見通しがたった。また、ホイアン市も看板条例・あふれだし規制条例・ホテル等の規制条例を出し、劇場・観光ルート整備につとめ無形文化財の保存と展示に努力するようになった。これらの成果として、ユネスコからもこれらの活動が高く評価され世界遺産登録を示唆されるまでになった(現在申請書を作成中)。また現在、ホイアンの家屋の特徴を明確にするための調査は、これを発展させ、ベトナム文化情報省文化財保護部とベトナム全土で建造物文化財調査を実施し、ベトナム居住史を明らかにし重要文化財の洗い出しを行うことが日本側の協力で実施されることになった。また、ホイアンのシンボルである日本人の墓・日本橋修復への協力が進行中であり、文化財保存技術の移転はさらに進展し新たな段階に入った。なお最後に、ホイアンの町並み保存は、本研究により作成された「ホイアン町並み保存計画書」に基づき今後計画が進行していくことが、昨年9月の専門家会議の席でベトナム(文化情報省・カンナム省文化局・ホイアン市等)から確約されたことを付け加えたい。

しかし、ディン・カムフォー前庭からの古伊万里出土、チャンソイ遺跡からのイスラム磁器出土、周辺地域広域に渡る古伊万里採取などから、現存する町並みよりはるかに広域に渡る町並みが形成されていたことはおぼろげながら推定された。さらに、本日越共同研究はベトナムへの技術移転を大きな目的としてきた。家屋調査・居住者調査では、既にハノイ建築大学に主体を移管、家屋図面作成とアンケートの分析も行い、町並み調査を独自で実施する体制ができた。また、文化財修復に際しては、ハノイの文化情報省文化財設計修復センター、ダナンの建築設計院・ホイアン遺跡管理事務所から専門家を招請、日本側と一緒に常駐管理してもらい、何名かは十分日本側と同程度の修復工事を設計管理できる能力を得る見通しがたった。また、ホイアン市も看板条例・あふれだし規制条例・ホテル等の規制条例を出し、劇場・観光ルート整備につとめ無形文化財の保存と展示に努力するようになった。これらの成果として、ユネスコからもこれらの活動が高く評価され世界遺産登録を示唆されるまでになった(現在申請書を作成中)。また現在、ホイアンの家屋の特徴を明確にするための調査は、これを発展させ、ベトナム文化情報省文化財保護部とベトナム全土で建造物文化財調査を実施し、ベトナム居住史を明らかにし重要文化財の洗い出しを行うことが日本側の協力で実施されることになった。また、ホイアンのシンボルである日本人の墓・日本橋修復への協力が進行中であり、文化財保存技術の移転はさらに進展し新たな段階に入った。なお最後に、ホイアンの町並み保存は、本研究により作成された「ホイアン町並み保存計画書」に基づき今後計画が進行していくことが、昨年9月の専門家会議の席でベトナム(文化情報省・カンナム省文化局・ホイアン市等)から確約されたことを付け加えたい。本年度の町並み保存調査は、6項目について報告する。(1)町並み調査(2)居住者調査は全体で約400軒を予定、9月調査37軒、3月調査41軒で、既調査分114軒とあわせて192軒と約半数の調査を完了。(3)文化財調査は、チャンフ-80番を完了し修復工事も完了、チャンフ-121番は9月解体調査を完了。これらの工事の技術指導も行なった。屋根替え工事も11軒完了した。(4)考古学発掘調査は町並み周辺地区を対象に2ヶ所行なった。4月は年代測定可能な層位を伴って肥前磁器が出土、7月はやはり層位を伴ってイスラム磁器が出土。既調査のチャンフ-通り5ヶ所の発掘と併せて7地点となった。(5)土地家屋台帳調査は10軒の家で複写でき解読した。一番古くはフエの元朝成立以前の1767年もあり、土地の周囲の状況の記述が町並み形成史の貴重な資料となっている。(6)既存計画のヒアリングの結果は、ベトナム政府から日本政府へのJICAのベトナム中部社会開発調査の要請となり、来年度実施される運びとなった。(7)また、予定外の調査としてフエの民家調査を行ないホイアンの町家の形成がベトナム中部を代表する住居形式をもつフエの大官の住宅と近似していることを明らかにした。これらの調査から、ホイアンの現存する町並みは日本人町時代ではなくその後の華僑街であること、ただし町並みを構成する住居の形式はベトナム中部に花開いた独特の文化を代表するものであること、日本人町は従来いわれていたチャンフ-通りでないことを明らかにするとともに、その北側または西側に存在したのではないかと推測される根拠を得たこと、そしてなによりも多数の住戸の修復工事を推進し技術指導をすることができたことが今年度の成果として特筆される。
解析的高次微分計算法の開発と大規模系への応用

本研究の目的は、大規模系の非共鳴ラマンスペクトルのシミュレーションを可能にすることである。このシミュレーションにはエネルギーの三次微分を計算する必要がある。従来の計算で用いてきた数値微分では、計算を容易に行うことができる代わりに数値的誤差を大きく含んでしまう問題がある。そこで、本研究ではエネルギーの三次微分を解析的に計算することで、数値的誤差の問題を解決する。また、大規模系の応用計算を行うことも目的としている。本研究の目的自体は、昨年度までの研究でおおむね達成できたと言える。そこで今年度は、さらに研究を進めるために長距離補正の密度汎関数強束縛法を用いた理論開発に着手した。最終的な目的は非共鳴ラマンスペクトルのシミュレーションであるが、その前段階として線形応答の時間依存密度汎関数強束縛法の計算を可能にした。また、解析的一次微分を計算することで、励起状態における構造最適化を可能にした。この研究に関しては既に原稿にまとめ、投稿したところである。また、基底状態限定ではあるが、長距離補正の密度汎関数強束縛法を用いた解析的二次微分計算を可能にした。本研究で主に用いている密度汎関数強束縛法は半経験的な手法であるため、その精度に関しては注意深く検討していかなければならない。そこで、ベンチマーク計算として有用と考えられる、多参照摂動理論の実装も部分的に行った。解析的一次微分を実装することにより、例えば正確な分子構造の計算が可能になったところである。当初の目的である、解析的三次微分を計算することによる非共鳴ラマンスペクトルのシミュレーションは既に達成されている。さらに長距離補正の密度汎関数強束縛法への応用も検討しているため、当初の計画以上に進展していると言って良い。今後の研究の推進方策としては、まず今年度に実装した長距離補正の密度汎関数強束縛法を基にして、解析的三次微分の計算を可能にすることを考えている。また、多参照摂動理論に関する研究も進めたい。初年度に当たる平成29年度は、主に理論開発を行った。通常の軌道占有数は整数となっているが、本研究では軌道占有数を小数としている。当初の研究計画では、Wignerが提案した2n+1則が小数軌道占有数を用いる場合にも成り立つか分からなかったため、二次の応答方程式を解くことによりエネルギーの三次微分を計算する計画であったが、小数軌道占有数を用いる場合にも成り立つという導出と実装(プログラミング)を行うことができたため、一次の応答方程式の解のみによりエネルギーの三次微分を計算することにした。また、プログラム面の改良として、多くの部分で原子軌道を用いた計算式を用いる、疎行列を用いることで少ないメモリで計算を高速化、さらに複数計算機を用いた並列計算を行うことができるようにした。最終的には、金属クラスターとグラフェンナノリボンを用いてベンチマーク計算を行った。期待通り数値誤差の問題は解決され、大規模系の非共鳴ラマンスペクトルのシミュレーションが可能になった。当初の目的である、解析的微分を用いて非共鳴ラマンスペクトルのシミュレーションを行うことは、今年度までの研究で既に達成されている。次年度以降に行う応用計算の例として挙げた、ジグザグ型グラフェンナノリボンや金属クラスターの計算も既に行っており、研究実施計画に挙げた内容の大部分は達成されたと言える。このため、本研究は当初の計画以上に進展していると言える。

さらに長距離補正の密度汎関数強束縛法への応用も検討しているため、当初の計画以上に進展していると言って良い。今後は二次の応答方程式を解くことによる計算や、より大きな系にも適用可能な手法の開発を行いたい。今後の研究の推進方策としては、まず今年度に実装した長距離補正の密度汎関数強束縛法を基にして、解析的三次微分の計算を可能にすることを考えている。また、多参照摂動理論に関する研究も進めたい。当初はメモリを大量に積んだ計算機を導入する予定であったが、これまでの研究で対象としてきた系では既存の計算機で問題が生じなかった。これは、プログラムを改良した結果、想定以上にメモリを削減できることが分かったためである。しかし、メモリ必要量は系のサイズの三乗に比例していくため、次年度以降さらに大規模系の計算を可能にするために、やはりメモリを大量に積んだ計算機を導入する予定である。