hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
治療計画計算解剖モデルに基づく粒子線治療支援システムの開発

25年度が最終年度であるため、記入しない。粒子線治療では,ブラッグピークという物理的性質を利用して,通常のX線よりもシャープな3次元線量分布を形成可能であり,腫瘍に線量を集中させ周辺正常組織(特にリスク臓器:放射線感受性が高い臓器)への線量を低減できる.しかし,この特徴は,腫瘍とリスク臓器の形状と位置関係の変化,ならびに粒子線ビーム経路上の電子密度変化に鋭敏であり,わずかな変動により治療成績の低下が起こる.治療計画においては,これらを考慮してビーム方向を決定する必要があるが,これまでは医師の経験的・定性的な知見に基づいて手動で決定されている.本研究では,類似症例グループごとにビーム角度を含む治療計画計算解剖モデルを構築することによって,腫瘍とリスク臓器の幾何学的な形状と位置関係の解析に基づき,腫瘍位置のずれ(時間変化を含む)にロバストな治療ビームの最適角度を自動的に決定する治療支援システムの開発を試みる.平成24年度は,粒子線治療における電子密度ビーム方向像の空間周波数成分解析に基づく,患者セットアップエラーに頑強なビーム方向決定法の開発を試みた.提案手法では,電子密度ビーム方向像において高周波成分が少なく,振幅が小さくなるビーム方向をセットアップエラーに頑強であると仮定している.空間周波数成分を評価するために,我々は,電子密度ビーム方向像から得られる,積算1次元パワースペクトルの0次モーメントを用いた.提案手法の評価のため,鼻腔領域腫瘍患者5症例に本手法を適用した結果,放射線腫瘍医の選択したビーム方向の0次モーメントの平均値は,臨床では避けられるビーム方向の値より有意に小さい値となった(p 0.05).したがって本研究では,提案手法は,ビーム方向と,電子密度ビーム方向像のパワースペクトルの0次モーメントの関係から,定量的に,患者セットアップエラーに頑強なビーム方向を決定できる可能性を示した.平成24年度は,3回の国際会議発表(1回の口頭を含む)を行い,修士論文としてまとめた.さらに,英文の原著論文としてまとめ,米国の医学物理の雑誌(Medical Physics)に投稿中である.本研究で提案する粒子線治療支援システムは,以下の2つのステップ([1],[2])から構成される.[1]画像特徴量などを用いて,対象症例に対して最も類似している治療計画計算解剖モデルを選択する.[2]次の2つの手法(1,2)を用いて,対象症例に位置合わせした治療計画計算解剖モデルのビーム角度を最適化する.1対象症例に位置合わせした治療計画計算解剖モデルを用いて,腫瘍とリスク臓器の幾何学的な形状と位置関係を解析し,最適ビーム角度を決定する手法を開発する.2粒子線ビーム角度から見た腫瘍の形状解析方法を考案し,不適切なビーム角度を検索する手法を開発する.研究代表者は,放射線腫瘍医,医学物理士,博士課程学生を含めた6名の研究プロジェクトチームで進める.研究代表者のホームページ(http://www.shs.kyushu-u.ac.jp/arimura/)上での公開と学術論文出版により広く社会・国民にも発信する.すべての成果は特許取得を目指し,国内関連メーカーへの技術移管の推進を目指す.本年度は最終年度であるので,以下の学術的な面も平行して進める.(1)医療への寄与が大きい,治療効果の高い粒子線治療において,従来の計算解剖学から放射線治療のための治療計画計算解剖学の構築を進める.(2)粒子線治療計画データベースから類似症例を選択し,類似症例グループごとに治療計画計算解剖モデルを構築する手法を開発する.粒子線治療の分野において,本研究で提案する治療計画を支援する手法が開発されると,以下の点で非常に意義がある.(1)粒子線治療の計画者の負担が軽減され,客観的な治療計画が可能となる.(2)粒子線治療の計画が高精度になる.(3)放射線治療計算解剖学という新たな分野の開拓に繋がる.25年度が最終年度であるため、記入しない。
オートファジーにおける隔離膜伸長過程の多角的な微細構造解析

オートファジーは真核生物で広く保存された液胞/リソソームによる細胞内分解機構であり、なかでも、二重の隔離膜が伸長して分解対象物を分解する経路はマクロオートファジーと呼ばれる。マクロオートファジーに関わる分子の多くが同定され、その機能が解明されたものの、隔離膜伸長過程の分子メカニズムは不明な点が多い。今回、申請者は隔離膜伸長因子の発現制御細胞を用いることで隔離膜伸長を実験的に制御し、各分子の動きを経時的かつ微細構造レベルで解析することを計画した。さらに、マウスの組織を免疫電子顕微鏡法により解析することで個体も含めたより多角的なマクロオートファジー隔離膜伸長機序の理解を目指す。
多様な能力認証への数値的統一国家尺度の研究 イギリスの後期中等教育修了段階の検討

数値的統一国家尺度が能力認証への多様な取り組みにかかわる際の課題が、イギリス連合王国での後期中等教育修了水準において、政策推進と学術理論との関連性をも含め、さらに明確に特定できた。同じ教育機関に選別的選考で入学した同級生同士で統一国家尺度の水準にずれが生じている実態があるなど、理念通りに運用できていない状況も確認できた。現場に共通する組織的対策や暗黙知を学術的に整理することは、今後の課題となった。まず、文献資料および電子化された資料(義務教育後学校教育課程の連合王国共通データベース『コースディスカバー(Coursediscover)』等を含む)を、これまでの蓄積を踏まえつつ、検討した。そして、その検討作業を踏まえて、論文1本を学術誌にて公にし、学会発表は招待講演1件を含め4件行った。訪問調査は、2011年3月にスコットランドにて、現場の観察・陪席そして研究進展上で核となる実践家と研究者への聴き取りを、次の通り実施した。いずれの訪問地においても、学習材等実物資料(およびその書式)を収集でき、使用中のものも多くを撮影させていただいた。(1)スターリング大学にて、本研究分野において指導的立場にある同大学教員たちの企画調整により、同大学の成人向け高等教育機関入学準備課程の授業観察ならびにその担当教員とのフォローアップの聴き取り・討議、(2)成人の高等教育機関進学等を支援する公益法人であるSWAPウエストの尽力により、スコットランド補助金評議会によるWidening Access Conference(Learning for All)の陪席(会場パース・コンサート・ホール)、(3)SWAPウエストの専門指導員による企画調整・同行により、SWAPウエスト本部への訪問・聴き取り、成人学生向けStudy Skills Day陪席(会場グラスゴー大学)ならびにノース・グラスゴー・カレッジおよびセント・ロッホス中等学校の授業観察。(4)次の各大学にてそこに在勤する5人の現地学術研究者に、専門的見解聴取および意見交換(グラスゴー大学3人、エジンバラ大学1人、グラスゴー・カレドニアン大学1人)。以上の調査内容は、平成23年度に公にすることとなる。なお、現地訪問に協力いただいた方々のお名前は、個人情報保護の観点から、今回挙げることができなかった。まず、文献資料および電子化された情報を、これまでの蓄積を踏まえつつ、検討した。論文2本を学術誌にて公にし、学会発表を2件行うことができた。また『生涯学習e事典』にて、公式ウェブサイトでのインターネット発信もできた。以上を土台にしつつ、現地訪問調査は、2012年3月にウェールズを中心として、現場の観察そして核となる人物への聴き取りそして実践と現物資料の写真撮影を含む資料収集を、以下の通り実施した。(1)アトランティック・カレッジ(Atlantic College)にて、ウェールズ・バカロレアの原型となる先進的取り組みの授業観察ならびに教員・生徒との聴き取り・討議、(2)ニース・ポート・タルボット・カレッジ(Neath Port Talbot College)、ナショナル・ウォーターフロント博物館・スウォンジー館(National Waterfront Museum,Swansea)、ACTトレーニング社(ACT Training)およびカーディフ・アンド・ヴェイル・カレッジ(Cardiff and Vale College)において、ウェールズ・バカロレアの実際に関して、授業観察ならびに実践者との聴き取り・討議、(3)ウェールズ・バカロレアを一貫して推進し研究開発してきた機関であるWJEC(旧ウェールズ合同教育委員会が独立法人化して再編された組織)での開発担当者との聴き取り・討議、(4)ウェールズ・バカロレアの企画・立案と立ち上げ・推進で中核となり、現在ウェールズ議会議員となっているキー・パーソンへの聴き取り・討議、(4)キングズウッド・スクール(バース)(Kingswood School,Bath)における外部学力試験と全人的教育とがあいまった、ウェールズに隣接しつつもイングランドで実施されている対照的取り組みの授業観察と聴き取り・討議。すでに3月の現代イギリス教育研究会および九州現代イギリス教育研究会で紹介し検討を始めており、それらをも踏まえつつ、平成24年度に学会発表等で公にし、学術誌での掲載を目指して取りまとめていく。文献資料を電子化されたものも含めて検討のもと、平成24年度の現地調査をも組み込んで招待講演・学会発表等で公にした。現地訪問調査は、イングランドそしてスコットランド追加分であった。送り出し側としては義務教育後の課程を有する中等教育水準対応の機関とし、受け入れ側としては大学等高等教育機関とした。具体的には、ダンディー・アバティ大学、ラングサイド・カレッジ、ブルックハウス・シックス・フォーム・カレッジならびにグラスゴー大学(成人向け大学入学準備課程)を訪問し、実践状況を実物資料に基づき担当教員に聴き取りをし、授業参観さらには受講学生にも聴き取りを実施した。その際に現物資料の雛形も提供いただき、学習材など実物資料をデジタル・カメラで撮影させていただいた。また行政執行機関となるスコットランド資格機構(SQA)では、政策推進担当責任者と研究開発担当者とに事実確認を中心とする聴き取りをした。現地管理職教員組合幹部にも、その立場からの施策と実践に関しての見解を聴き取りした。またエディンバラ大学とスターリング大学では、現地の状況に詳しい研究者との聴き取りし、専門的見地から議論をした。

併せてグラスゴー大学では、本課題に即したセミナーが、私柳田が話題提供をする形(招待講演)で実施された。以上の作業を通じて、連合王国内で多様な能力認証が、数値的統一国家尺度において明確に位置付けられている実態が確認できた。その一方で、特にスコットランドにおいて大学入学時の同級生間でさえ、数値的統一国家尺度水準にずれが生じてしまっている実態も、平成24年度現地訪問調査で明らかとなった。なお、現場で共通するような組織的対策や暗黙知については、今後の課題となった。現地訪問調査にてそれらに該当すると想定できた事象を、その背後にある論理・信念体系等をも含めて検討し、明示できる形に整理していくことが必要となる。2度の海外現地調査が、ほぼ目的にかなう形で実施できている。また、論文2本を学術誌にて公にし、学会発表を2件行うことができた、さらに、『生涯学習e事典』にて、公式ウェブサイトでのインターネット発信もできた。24年度が最終年度であるため、記入しない。平成22年度・23年度での蓄積を踏まえつつ、平成24年度での現地調査も含めた内容を学会発表等で公にし、学術誌での掲載を目指して取りまとめていく。その際には、UCAS Tariffなどの数値的段階枠組みと実践現場での運用において論理的な一貫性をどのように確保しているのか(いないのか)を提示することとなる。
ナノ細孔内の相転移：カーボンナノチューブ内の水の固液臨界現象を中心に

H30年度は、タンパク質周りの水やタンパク質間に挟まれた水の構造変化・相挙動に注目した研究を行った。ある昆虫の不凍タンパク質(RiAFP)は非常に強い不凍能力を示す。RiAFPの広く平らな氷吸着面は四列のThrから構成され、親水基と疎水基からなる縞々模様をしている。また、結晶構造では氷吸着面を合わせた2量体を形成する。我々は、分子シミュレーションを用いて、2量体の距離に対する挟まれた水の相挙動を調べた。その結果、2量体が近づいた時にdrying transitionが起こらず、3つのice channelが形成される事がわかった。2量体を近づけた時と離した時で、含まれた水の量の変化がヒステリシスを示す事を見つけた。さらに、2量体の平均力ポテンシャルを計算し、氷状構造が形成される時に、自由エネルギーの傾きが不連続に変化することを示した。これらの結果は、タンパク質表面を無限に大きくした時に、挟まれた水が一時相転移が起こる可能性を示している。以上の成果をCrystals誌に発表した。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。気液/液液臨界点とは異なり、固液臨界点の存在は如何なる分子に対しても否定されてきた。その理由は対称性の破れの議論と実験的観測の欠如に由来する。一方、分子シミュレーションでカーボンナノチューブ(CNT)に内包された水の結晶化を再現すると、ポテンシャルエネルギーが連続的に変化する場合がある事が報告されていた。しかし、固液臨界点の証拠は明示されておらず、その存在は謎のままであった。我々は長さ数百Å、内径1nm程度の数種類のCNTを用いて、分子動力学計算を行い、臨界現象を示すあらゆるデータを正攻法で集めた。まず、体積・温度一定の計算を様々な条件で行い、体積を変化させても圧力が変化しない領域(2相分離)と圧力が変化する温度(1相)がある事を示し、臨界点の位置を特定した。局所密度の分布から2相分離を明白にし、等圧比熱/等温圧縮率が臨界点へ向けて発散傾向にある事を明らかにした。拡散係数/構造因子から低温での結晶形成を示した。圧力・温度一定条件で、有限サイズスケーリングを行い、臨界点の存在が系のサイズに依存しない事を示した。さらに、調査した全ての氷が固液臨界点を持つ事を示し、その存在がCNT内の氷に対しては"一般的"である事を見つけた。また、局所構造解析から、ミクロ相分離が連続的な融解を可能にしている事を明らかにした。さらに、カーボンナノチューブに内包されたアルゴンでも固液臨界点が存在することを確かめた。この結果は、固液臨界現象が水素結合ネットワークによらず、様々な流体に対し現れることを示唆する。これらの成果をまとめ、PNASとPCCPに論文を発表した。1.交付申請書に記述した1年目の実施計画(カーボンナノチューブ内の水の3次元相図の作成、固液臨界点の証明)を達成した。2.同2年目の実施計画(固液連続転移の動的・構造的特徴の解明、基地の臨界点との比較)の一部を達成した。3.これらをまとめ、論文を発表した。ラマン分光実験と分子シミュレーションを組み合わせ、高分子に特有だと考えられていた共貧溶媒効果が、単純な疎水性溶質分子(tert-ブチルアルコール、TBA)でも起こることを見つけた。共貧溶媒効果とは、高分子が水とアルコール、それぞれの溶媒には溶ける(溶液は透明)一方で、水とアルコールの混合溶媒には溶けない(白濁する)という不思議な現象である。この現象は広く知られていたが、その分子機構は不明のままだった。我々は、問題究明のためには、共貧溶媒効果を引き起こす最低限の要素を特定する事が重要だと考えた。具体的には、高分子以外の単純な分子(TBA)でも共貧溶媒効果が起こるのか?を調べた。TBA(C4H10O)は、高分子とは違い非常に単純な構造をしている。いかなる濃度のメタノール水溶液でも無限に溶け、白濁や相分離が起こらないため、目で見て凝集を調べることはできない。我々は、ラマン分光法と多変量スペクトル分解法を組み合わせた実験方法を用い、TBA分子の周りに配位する溶媒分子の量を評価する事で、メタノール水溶液中でTBA分子の凝集が起こっている事を明らかにした。さらに、分子シミュレーションと理論化学的手法(Wyman-Tanford理論)を用いて詳細を調べ、TBAがメタノール水溶液中で凝縮しやすいのは、メタノールが単体のTBAよりも、凝集したTBAを好む事が原因であり、またメタノール水溶液中でTBA分子の疎水基同士が強い引力相互作用を示す事を見つけた。これらの結果は、一見複雑に見える共貧溶媒効果の本質は、高分子の複雑な構造にあるのではなく、極端に小さな分子でも観察でき、メタノール濃度により変化する疎水基の引力相互作用にある事を見つけた。当初の疎水壁中の水の相転移に限定していたが、より広い視点から疎水性相互作用が水溶液の構造変化に与える影響を調べた。メタノール水溶液中の共貧溶媒効果を、分子シミュレーションとラマン分光から多角的に調査し、成果を論文としてまとめた。

ある昆虫の不凍タンパク質(RiAFP)は非常に強い不凍能力を示す。RiAFPの広く平らな氷吸着面は四列のThrから構成され、親水基と疎水基からなる縞々模様をしている。また、結晶構造では氷吸着面を合わせた2量体を形成する。我々は、分子シミュレーションを用いて、2量体の距離に対する挟まれた水の相挙動を調べた。その結果、2量体が近づいた時にdrying transitionが起こらず、3つのice channelが形成される事がわかった。2量体を近づけた時と離した時で、含まれた水の量の変化がヒステリシスを示す事を見つけた。さらに、2量体の平均力ポテンシャルを計算し、氷状構造が形成される時に、自由エネルギーの傾きが不連続に変化することを示した。これらの結果は、タンパク質表面を無限に大きくした時に、挟まれた水が一時相転移が起こる可能性を示している。以上の成果をCrystals誌に発表した。当初の計画では疎水壁中の水の相転移に限定したが、より広い視点から疎水性相互作用が水の相転移に与える影響を調べた。H29年度は、高分子が水の結晶化へ与える影響についての研究を行なった。水にポリビニルアルコールを少量溶かすと、氷の結晶化温度が純水の均一核生成温度に比べ数度上昇することが実験的に示されている。ポリビニルアルコールがテンプレートとなり、その表面から結晶が成長する(不均一核生成)ことで結晶化温度を上げると考えられていた。しかし、ポリビニルアルコールは柔らかく、かつ1次元のテンプレートにしか成り得ない為、結晶化を促進する分子機構は明らかではない。我々はポリビニルアルコール水溶液中の水の結晶化を分子シミュレーションで再現し、結晶化におけるポリビニルアルコールの役割を調べた。その結果、不均一核生成ではなく均一核生成が起こっており、ポリビニルアルコールはテンプレートにはならないが、水の構造を不安定化し水のアクティビティを上げることで、結晶化を促進していることを明らかにした。さらに、レナードジョーンズポテンシャルの係数を変え疎水性を強めると、結晶化温度が上がる事がわかった。研究成果をJACS誌に発表した。疎水性相互作用と水の相転移についての研究を推進し、論文発表を行った。交付申請書に記述した計画通り、以下の研究を順次実施する1..固液連続転移の動的・構造的特徴の解明、既知の臨界点との比較2.臨界揺らぎが疎水・親水性溶質に及ぼす効果の解明3.壁や内包分子の相互作用・バルク的性質が現れる直径に注目し、固液臨界点を導く要因を特定疎水性相互作用が水の結晶化に与える影響を調べる。具体的には、実験で見つかっているポリビニルアルコールが氷の均質核生成の温度を上げる理由を粗視化モデルの分子シミュレーションを用いて調べ、分子機構を明らかにする。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。タンパク質間に挟まれた水の相挙動に注目する平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
自然発症アポE欠損高脂血症マウスを用いた動脈硬化原因遺伝子群の解明

松島は1996年、日本産野生マウス由来の近交系マウス(Koriyama ; KOR)を作出中に、自然発症高脂血症(spontaneously hyperlipidemic mouse ; SHL)マウスを発見し、その原因がアポリポタンパクE(アポE)遺伝子の変異によるアポE欠損であることを明らかにした。SHLマウス(KOR-Apoe^<shl>)の主要な表現型は、血清総コレステロール(TC)の高値、粥状動脈硬化症および重症の皮膚黄色腫であり、極めて短命(1年未満)であった。このSHLマウスをアポEノックアウト(C57BL/6-Apoe^<-/->)マウスと比較すると、症状に著明な差異が認められた。この差異の主因としてC57BL/6マウスがヨーロッパ産野生マウス由来のラボラトリーマウスであるのに対し、SHLマウスのそれは日本産野生マウス由来であることが考えられた。そこで、遺伝的背景が種々の表現型に及ぼす影響を明らかにするためSHLマウスのアポE変異遺伝子を、動脈硬化に対する感受性が異なる3系統の近交系マウスに導入した3系統のコンジェニックマウスC57BL/6.KOR-Apoe^<shl>、BALB/c.KOR-Apoe^<shl>、およびC3H.KOR-Apoe^<shl>を完成した。3系統間のTC値はB6.KOR-Apoe^<shl>が最も低い値を示し、6週齢時でのTC平均値はKOR-Apoe^<shl>は1,300mg/dl、C3.KOR-Apoe^<shl>は1,100mg/dl、C.KOR-Apoe^<shl>は900mg/dl、B6.KOR-Apoe^<shl>は700mg/dlであった。硬化巣は、最もTC値の高いKOR-Apoe^<shl>の動脈硬化巣が最も軽度であり、逆に最もTC値の低いB6.KOR-Apoe^<shl>の動脈硬化巣が最も重度であり、TC値と動脈硬化の重症度は相関していなかった。皮膚黄色腫の進展度はKOR-Apoe^<shl>の黄色腫が最も重症で、ついでB6.KOR-Apoe^<shl>であり、C.KOR-Apoe^<shl>とC3.KOR-Apoe^<shl>は軽度であった。ヒトの高脂血症・動脈硬化症では環境要因である国と地域による差異、食生活の関与が明らかである一方、同様の食生活習慣を持つグループの中でも大きな個人差があることが知られている。今後の高脂血症・動脈硬化症の機序、予防および治療法など、個人の遺伝的背景を考慮した研究により、各個人にきめ細かい指導と治療が出来るようになることが望まれる。この意味でオリジナルSHLマウスとコンジェニックSHLマウスは、個人差、体質差、民族差等の遺伝的背景を考慮した高脂血症、動脈硬化症に対応するモデルセットとして有用性が期待される。

ヒトの高脂血症・動脈硬化症では環境要因である国と地域による差異、食生活の関与が明らかである一方、同様の食生活習慣を持つグループの中でも大きな個人差があることが知られている。今後の高脂血症・動脈硬化症の機序、予防および治療法など、個人の遺伝的背景を考慮した研究により、各個人にきめ細かい指導と治療が出来るようになることが望まれる。この意味でオリジナルSHLマウスとコンジェニックSHLマウスは、個人差、体質差、民族差等の遺伝的背景を考慮した高脂血症、動脈硬化症に対応するモデルセットとして有用性が期待される。(1)脂質代謝、動脈硬化に関与する未知の遺伝子群の同定自然発症アポE欠損高脂血症(SHL)マウスとアポEノックアウトマウスとの比較から明らかになった高脂血症とそれに伴う動脈硬化および皮膚黄色腫、短寿命など多彩な表現型の差異はアポE欠損のみでは説明がつかないことがわかったので、脂質代謝に関与する未知の遺伝子群の探索を行う。そのためのツールとして今年度までに動脈硬化感受性系統のC57BL/6、動脈硬化抵抗性系統のBALB/cおよびC3H/Heマウスを遺伝背景にしたコンジェニックマウスを完成させた(N14r-16世代)。次いで、SHLマウスと3系統のコンジェニックマウスとをそれぞれ交配し、得られたF1の血清総コレステロール値、動脈硬化・皮膚黄色腫などの表現型について優劣を判別した。N2に劣性ホモ固体が得られるような戻し交配を行ない、それぞれ5001,000匹のN2マウスを目標に作出中である。来年度以降は得られたN2マウスの表現型の判定は血清総コレステロール値、動脈硬化・皮膚黄色腫の程度について、マイクロサテライトマーカーを用いた連鎖解析をし、前述の表現型を規定しているそれぞれの責任遺伝子の染色マッピングを行い、最終的には責任遺伝子のクローニングを目指す。(2)疾患モデルマウスとしての実用化SHLマウスの経代はF25になり近交系化された、今年度はSHLマウスの系統保存と疾患モデルとしての実用化を促進するために、つくば理化学研究所バイオリソースセンターに寄託した。また3系統のSHLコンジェニックマウスについても広い分野での使用を可能にするために市販を計画中であり、所属機関である埼玉県と企業とで販売契約の交渉中である。なお平成8年10月25日に特許出願した「自然発症アポE欠損高脂血症マウス」の特許を平成13年3月30日に取得した(特許第3174280号)。我々は、日本産野生マウス由来の近交系マウス(KOR)の作出中に、自然発症高脂血症(spontaneously hyperlipidemic mouse ; SHL)マウスを発見し、その原因がアポリポタンパクE(アポE)遺伝子の変異によるアポE欠損であることを明らかにした。アポEを欠損するSHLマウスの主要な表現型(症状)は、血清総コレステロール(TC)の高値、大動脈起始部に限局した粥状動脈硬化症および重症の皮膚黄色腫であり、極めて短命(1年未満)であった。興味深いことに、このSHLマウスをアポEノックアウト(C57BL/6-Apoe^<-/->)マウスと比較すると、症状に著明な差異が認められた。この差異の主因としてC57BL/6-Apoe^<-/->マウスがヨーロッパ産野生マウス由来のラボラトリーマウスであるC57BL/6の遺伝的背景を持つのに対し、SHLマウスのそれは日本産野生マウス由来であることが考えられた。両者は約100万年前に分岐し、その遺伝的背景は極めて異なるからである。そこで、遺伝的背景が種々の表現型に及ぼす影響を明らかにするためSHLマウスのアポE変異遺伝子を、動脈硬化に対する感受性が異なる3系統の近交系マウスに導入したコンジェニックマウスを完成した。
量子群と幾何結晶の区分線形的表現論

幾何結晶の理論とは,代数多様体上に群から誘導される結晶基底の作用と類似の作用素を定義し結晶基底と類似の構造を多様体上に構成するもので,熱帯化/超離散化とよばれる操作によりある種の結晶基底と対応することが知られている。この幾何結晶を色々な多様体上に構成することを研究の目的とし,実際に申請者はKac-Moody群に付随したSchubert多様体上に幾何結晶を構成することに成功した。さらに,いわゆるアファイン型と呼ばれるKac-Moody群に付随するSchubert多様体上にWeyl群のtranslationからきまる特殊な幾何結晶の構造を導入した。この幾何結晶の著しい性質は,まず自然に正構造をもつことであり,さらにそこから超離散化によって完全結晶の極限と呼ばれるものを得られることがわかった。Mまた,この幾何結晶の積にtropical R mapとよばれるR-行列の類似物が得られることもわかった。この完全結晶はアファイン型の結晶基底の理論において極めて重要な研究対象であり,数理物理学における可解格子模型の理論や,Kirillov-Reshetikhin加群の理論においては中心的な役割を担っている。量子群の1の巾根の表現論についても,アファイン型の場合に2種類のevaluation表現がいつ同型になるかについての必要十分条件を得ることに成功した。マルコフトレースは重要な位相不変量の1つであり,その定義から位相幾何学的な意味においてもヘッケ環の表現論的な意味においても興味深い対象であり五味は,マルコフ性質というものを定義しマルコフトレースを一般の場合に構成する方法を提示した。また,筱田はゼータ関数と有限簡約群のGelfand-Graev表現の関係について具体的な計算を用いて興味深い結果を得た。Kac-Moody群に付随したSchubert多様体上にunipotent crystal, geometriccrystal(幾何結晶)の構造を入れることができた。その応用として、affine Kac-Moody群の場合にBorel部分群内にある幾何結晶を構成し、そこに新たなaffine幾何結晶の構造をDynkin diagram automorphismを利用し入れることに成功した。これは、結晶基底の言葉でいうところの、完全結晶のある種の極限に当たるものになっており、超離散化/熱帯化の操作により得られることがわかった。この完全結晶というものは、affine量子群の結晶基底の記述をするために必要となるばかりでなく統計物理学の重要な量を計算するためにも欠くことのできないものである。今回、幾何結晶のレベルでもその対応物が見つかったことは、大変意義深いことといえる。さらに、上で構成した幾何結晶はfoldingという手法によりある1つの型の幾何結晶を用いて実現できることがわかった。これにより、tropical Rという表現論的にも重要な作用素が具体的に記述できた。また、上の研究とは別に1の冪根におけるB, C, D型の量子群の既約表現を具体的に構成することにも成功した。五味はHecke環の表現論や位相幾何学的に重要なMarkov traceをいろいろな型のHecke環の場合に具体的に構成することに成功した。代数多様体上に作用する群から誘導される作用を定義し、結晶基底と類似の構造を多様体上に構成する幾何結晶の理論で、熱帯化/超離散化と呼ばれる操作により、ある種の結晶基底と対応することが知られているが、この幾何結晶を色々な多様体上に構成することを目的に研究を遂行した。有限型のSchubert多様体上の幾何結晶の構造にDynkin diagram automorphismを適用することによりaffine幾何結晶の構造を定義することについていくつかのaffine typeで成功した。これはunipoten crystalから自然に定義される幾何結晶から得られないものであるが、その自然な超離散極限においてはよく知られたperfect crystalのある極限と一致することが明らかになった。

また、半単純型の代数群の場合にunipotent群上に幾何結晶の構造が入ることも明らかになった。この幾何結晶の超離散化は一般化されたYoung tableauxとよばれるもので記述される。A型の場合の変形量子群について、その結晶基底のある既約成分についての研究を行ったが幾何結晶にその対応物が存在するかという問題が新たに提起された。この問題については現在考察中である。また、1のベキ根における量子群、特に古典型とよばれるものについてSchnizer加群とよばれる加群のパラメーターを特殊化することによってスモール量子群の既約表現をとりだせることがわかった。A型の場合にevaluation加群としてaffine型の加群にもちあげ、そのDrinfeld多項式を求めることにも成功した。また、五味は一般型のマルコフトレースを定義し、その性質について詳しく調べた。古典型に対応するアファイン型の幾何結晶を具体的に構成した。一般的な予想として、いわゆるKirillov-Reshetikhin加群の場合に構成できると考えられているが、今回成功したものはその中でももっとも簡単な基本表現に付随したものであった。その構成方法について簡単に説明する。まず、拡大アファインワイル群の基本ウェイトのtranslationあたる元をとる。そこからさらにDynkin diagram automorphismを除いた形のアファインワイル群の元に対応するSchubert cell上の幾何結晶の構造を考え、Dynkin diagram automorphismを利用してインデックス0にあたる作用やデータを決定する。この構成においてはかなりの計算を要するがおどろくべきは、こうしてできた幾何結晶がpositive structureをもつことである。そのため、超離散化の方法を適用することにより結晶基底が得られる。この結晶基底が完全結晶といわれる極めて性質のよいもののある種の極限になっていることがわかった。最近では、こうした幾何結晶たちに対してtropical RとよばれるR matrixの一種が存在しさらに一定の条件のもとで一意性をもつこともわかってきた。また、古典型の場合のみならず例外型の場合についてもG_2型について上で述べたような幾何結晶と完全結晶の対応が見出されている。1のベキ根におけるA型量子群の場合にevaluation加群としてaffine型の加群にもちあげ、そのDrinfeld多項式を求めることにも成功した。
半乾燥地の外来種林の在来種林転換方法確立に向けた外生菌根菌の窒素獲得機能評価

本申請課題では、中国の黄土高原の外来種ニセアカシア林を在来種リョウトウナラ林へと転換するために、植物とって重要な栄養塩である窒素の動態およびリョウトウナラが窒素の獲得を依存する外生菌根菌に着目して研究を行っている。具体的な研究課題は、(A)ニセアカシア林とリョウトウナラ林の窒素循環メカニズムの解明、(B)リョウトウナラによる外生菌根菌を介した窒素の獲得過程の解明、(C)ABの研究から得られる情報を基に提案されるリョウトウナラの植栽方法のフィールドでの実践による有効性の検証、である。当該年度は、夏と秋に野外調査を行い、これまでに採取した試料の分析および解析を進めた。課題Aに関連して、土壌窒素動態を決める要因を分離するために、乾燥傾度および土壌深度傾度を用いて、ニセアカシア林とリョウトウナラ林の窒素動態を比較した。その結果、土壌含水率やpH、養分量ではなく、外生菌根菌の有無が林分間の土壌窒素動態の違いを作り出すことが示唆された。同時に、菌根菌による窒素動態への影響は、乾燥傾度にも影響を受けることが明らかとなった。さらに、課題Bに関連して、植物の菌根菌への窒素獲得の依存度が、土壌の窒素動態を反映して変化することが明らかとなった。課題Cに関連して、リョウトウナラ実生に菌根菌を接種させて育成すると、葉の窒素濃度に変化があることが明らかとなった。これらの成果は現在、論文として取りまとめ中である。現地調査は、当初の計画より早く、本年度に全て完了させることができた。また、化学分析・DNA解析についても順調に進んでいる。成果についても順調に発表し、論文としての取りまとめも進んでいる。本年度はこれまで得られた結果を論文としてまとめることに集中する。特に、安定同位体比および環境傾度に対する菌根菌の応答について各専門家に助言をもらいつつ、研究の完成を目指す。中国の黄土高原には外来種であるニセアカシアの植林地が多数存在する。しかし、在来種であるリョウトウナラの天然林に比べて、ニセアカシア林のリター層は薄く、また土壌構造の発達も悪く、ニセアカシア林は水土を保持する能力が低いと考えられている。そのため、将来的にニセアカシア林がリョウトウナラ林へと転換されることが望まれるが、現在、ニセアカシア林でリョウトウナラの後継樹が生育する様子は見られていない。半乾燥地では窒素が植物の成長の制限要因となりやすく、ニセアカシア林においてリョウトウナラが生育しない要因の一つに窒素が関係している可能性が考えられる。これについて明らかにするために、本研究では、ニセアカシア林とリョウトウナラ林における窒素循環および植物の窒素獲得のメカニズムを解明することとした。リョウトウナラは窒素吸収の大部分を外生菌根菌に依存することが知られることから、特に外生菌根菌を介した窒素吸収に注目することとした。具体的には、1化学分析および分子生物学的手法を用いて、ニセアカシア林およびリョウトウナラ林の土壌における形態別窒素・微生物群集・物理化学性の関係および、それらの情報とそれぞれの林分に生育するリョウトウナラの根に共生する菌群集の関係から、ニセアカシア林とリョウトウナラ林の窒素循環メカニズムおよびリョウトウナラの共生する菌類の決定メカニズムについても解明する。加えて、2窒素の安定同位体測定法を用いて、リョウトウナラが外生菌根菌を介して、または介さずに吸収する窒素の形態や、外生菌根菌種ごとの窒素獲得特性について解明する。さらに、12を目的とした研究の結果から得られる情報(接種すべき菌根菌種・適切な土壌条件など)を基に提案されるリョウトウナラの植栽方法を3フィールドで実践し、有効性を確かめる。これらのことを目的とし、研究を遂行している。昨年度は、中国黄土高原のニセアカシア林およびリョウトウナラ林において計3回の調査を行い、12の研究のために土壌・植物サンプルを採取した。また、サンプル採取時の土壌の物理化学性の測定や、サンプルからの可溶態窒素やDNAの抽出なども中国国内で速やかに行った。それらのサンプルに対して、可給態窒素の定量など化学分析や、次世代シーケンサーを用いた土壌真菌・原核生物群集および根の菌根菌群集の解析も順調に行い、1の研究を大きく進めることができた。また、1の研究に関して、半乾燥地の森林では窒素の形態変化は降水に強く反応することから、より詳細に窒素循環メカニズムを明らかにするためには降水と土壌窒素動態の関係を理解することも重要だと考え、降水傾度と土壌窒素動態の関係や水散布と土壌窒素動態の関係を明らかにする研究についても同時に行い、分析についても無事に終えることができた。さらに、リョウトウナラの植物の葉・根の窒素安定同位体比および土壌中の形態別窒素の安定同位体比の分析を行い、2の研究についても大きく進めることができた。加えて、リョウトウナラと他の樹種の窒素獲得様式を比較するために、ニセアカシア林・リョウトウナラ林に生育する林冠木・下層木の葉・根についても採取し、窒素安定同位体比の分析、および根についてはDNAも抽出した。また、3の研究については、既にフィールドに菌根菌を接種するなどして植栽したリョウトウナラ実生の生育データを取ることができ、3の研究についてもある程度進めることができた。これらの成果の一部は、国際学会や国内の学会やシンポジウムで英語発表2回含む合計3回発表した。また、国際誌にも査読有の学術論文が1報採択された。

本申請課題では、中国の黄土高原の外来種ニセアカシア林を在来種リョウトウナラ林へと転換するために、植物とって重要な栄養塩である窒素の動態およびリョウトウナラが窒素の獲得を依存する外生菌根菌に着目して研究を行っている。具体的な研究課題は、(A)ニセアカシア林とリョウトウナラ林の窒素循環メカニズムの解明、(B)リョウトウナラによる外生菌根菌を介した窒素の獲得過程の解明、(C)ABの研究から得られる情報を基に提案されるリョウトウナラの植栽方法のフィールドでの実践による有効性の検証、である。当該年度は、夏と秋に野外調査を行い、これまでに採取した試料の分析および解析を進めた。課題Aに関連して、土壌窒素動態を決める要因を分離するために、乾燥傾度および土壌深度傾度を用いて、ニセアカシア林とリョウトウナラ林の窒素動態を比較した。その結果、土壌含水率やpH、養分量ではなく、外生菌根菌の有無が林分間の土壌窒素動態の違いを作り出すことが示唆された。同時に、菌根菌による窒素動態への影響は、乾燥傾度にも影響を受けることが明らかとなった。さらに、課題Bに関連して、植物の菌根菌への窒素獲得の依存度が、土壌の窒素動態を反映して変化することが明らかとなった。課題Cに関連して、リョウトウナラ実生に菌根菌を接種させて育成すると、葉の窒素濃度に変化があることが明らかとなった。これらの成果は現在、論文として取りまとめ中である。現地調査は、当初の計画より早く、本年度に全て完了させることができた。また、化学分析・DNA解析についても順調に進んでいる。成果についても順調に発表し、論文としての取りまとめも進んでいる。12の研究については、サンプルの採取および分析の大部分を終了することができたため、今年度はこれらのデータを解析し、まとめることに集中する予定である。結果をまとめるにあたって、解析手法、特にメタゲノムデータのコンピューター解析について学ぶ必要があり、ワークショップに参加するなどして解析手法についても深く学ぶ予定である。また、3の研究のために調査地にも渡航する。菌根菌を接種するなどして植栽しているリョウトウナラ実生の生育データの採取、およびいくつかの実生を回収して化学分析を行い、窒素の吸収についても解析する。同時に土壌も採取し、土壌の化学分析結果と合わせて、リョウトウナラの生育に適切な土壌条件についても考察する。これらに加えて、昨年度生じた問題点の解決にも努める。1の研究について、現在、ニセアカシア林とリョウトウナラ林の繰り返し数が少なく、一般化するにあたって問題がある。そのため、ニセアカシア林とリョウトウナラ林の繰り返しを増やして、より一般的な研究へと発展させたいと考えている。また、これまでの研究を基に新たに疑問が生じたため、それを検証するために、昨年度に中国の調査地に仕掛けたサンプルがある。それの回収および分析・解析、および今までのデータと合わせての解析についても行い、今あるデータをより強化していきたいと考えている。また、2の研究について、根から抽出したDNAの解析がうまくできず、止まったままであるため、解析手法を変えるなどして問題の解決を試みる予定である。本年度はこれまで得られた結果を論文としてまとめることに集中する。特に、安定同位体比および環境傾度に対する菌根菌の応答について各専門家に助言をもらいつつ、研究の完成を目指す。
アノソフ葉層の量子化と非可換幾何学

R.Nestとの共同研究において種数2以上の閉リーマン面の単位円束の厳密量子化として非可換3次元多様体を構成した。この非可換3次元多様体は、閉リーマン面とその単位円束の間に適当な群作用を通して成立する性質を保つ形で構成した。さらに葉層構造という多様体の上部構造をA.Connesの非可換幾何学の精神に則り点集合としての幾何学的対象ではなく、その双対であるC*環として構成した。このC*環は通常のアノソフ葉層のC*環の厳密量子化として得られる。これらの結果を論文「Noncommutative Anosov foliations」としてまとめ最終チェックをしているところである。可換な場合から予測されるように、非可換葉層の「葉」に相当するC*環は上記Nestとの論文で得た量子化された曲面の「被覆空間」であり、量子曲面上のDirac作用素を持ち上げ葉に沿った楕円型作用素を構成できる見通しがたった。本研究の最終目標そのものを得るまでには至らなかったが、見通しは立っており今後も研究を継続する予定である。R.Nestとの予備的研究において種数2以上の閉リーマン面の単位円束の厳密量子化(「Strict quantization of symplectic manifolds」参照)として非可換3次元多様体を構成した。この非可換3次元多様体は、閉リーマン面とその単位円束の間に適当な群作用を通して成立する性質を保つ形で構成された。さらに葉層構造という多様体上の構造を作用素環の世界でどう捉えればよいか凡その見通しが立った。今年度当初の目標は上記予備的研究で得られた結果に数学的に厳密な証明を与えることであり現在論文にまとめている途中である。
物理化学的な物質観を育成する実験教材の開発研究

本研究では、大学で学ぶ物理化学的な考え方の基礎を学習者に認識させるための、分光実験とSTEM教育的な活動からなる教材の完成を目指す。十分な検討を行って実験の題材・方法を選択するとともに、実験教材が実効的なものとなるように測定・解析用のソフトウェアの開発を行う。また、学習者の主体性を引き出すために、学習者が分光実験で用いるソフトウェアをプログラミングする活動や、単純な測定装置とその制御ソフトウェアの作成を行う活動を教材に取り入れることにも取り組む。
FGFシグナリングが制御する生殖器形成機構の解明:尿道下裂発症機序解明に向けて

尿道下裂等の先天性発生異常が高頻度で起こる外生殖器について、その形態形成機構の解明を目的とした。遺伝子改変マウスを用いて、外生殖器の伸長並びに尿道形成におけるFGFシグナリングの機能を解析した。この研究により次のことを明らかにした。(1)外生殖器の伸長には、間葉におけるFGFシグナリングが必要である。(2)外胚葉性上皮におけるFGFシグナリングは尿道の管構造形成を制御している。(3)内胚葉性上皮におけるFGFシグナリングは尿道上皮形成を制御している。本研究は、頻発先天性疾患である尿道下裂の発症機序解明に貢献すると考えられる。外生殖器は体幹部から隆起・伸長し、その内部では総排泄腔が尿生殖洞直腸中隔の伸長によって分離され直腸肛門と尿道という管構造が形成されるとされている。また、外生殖器は外胚葉性上皮、内胚葉性上皮、間葉という起源の異なる三胚葉性組織から形成される。本研究では外生殖器形成におけるFGFシグナリングの機能解析を主軸に、どのような細胞、分子メカニズムで外生殖器が形成されるのか明らかにすることを目的とし、遺伝子改変マウスを用いて外生殖器の伸長並びに尿道形成におけるFGFシグナリングの機能を解析した。生殖結節全体でFGFシグナリングを低下させたところ、生殖結節の伸長が著しく阻害された。生殖結節の内胚葉性上皮及び外胚葉性上皮特異的なFGFシグナリング低下マウスは、どちらも外生殖器の伸長に顕著な異常は認められなかった。よって、生殖結節の伸長には、主に間葉におけるFGFシグナリングが貢献していると考えられた。生殖結節伸長阻害の一因として、生殖結節における異所的細胞死が考えられた。外胚葉性上皮特異的なFGFシグナリング低下は、外生殖器上皮の重層化阻害のみならず、包皮形成不全と尿生殖洞直腸中隔形成不全を伴う尿道下裂を誘導した。内胚葉性上皮特異的なFGFシグナリング低下は、尿道上皮の重層化阻害を誘導した。また、尿道上皮細胞の細胞接着分子の発現が低下しており、尿道上皮の細胞接着異常が推察された。更には、尿道上皮周辺の間葉細胞の増殖が低下し、尿道腔狭窄が観察された。この研究により、次の3つを明らかにした。外生殖器の伸長には、間葉におけるFGFシグナリングが必要である。外生殖器の尿道形成過程において、外胚葉性上皮におけるFGFシグナリングは尿道の管構造形成を制御し、内胚葉性上皮におけるFGFシグナリングは尿道上皮形成を制御している。外生殖器形成には様々な分泌性細胞増殖因子シグナルが関与していると考えられているが、未解明な点が多い。本研究では外生殖器形成におけるFGFシグナリングの機能解析を主軸に、どのような細胞、分子メカニズムで外生殖器が形成されるのか明らかにすることを目的としている。まず、外生殖器形成過程におけるFGFシグナル伝達領域を同定した。外生殖器伸長時には間葉で強いFGFシグナルが観察され、その後の尿道形成過程では三胚葉全てでFGFシグナルが観察された。これらの結果から、FGFシグナリングは外生殖器の伸長及び尿道形成に関与している可能性が示唆された。次に、遺伝子改変マウスを用いて外生殖器の伸長並びに尿道形成におけるFGFシグナリングの機能を解析した。生殖結節全体でFGFシグナリングを低下させたマウス胚は生殖結節の伸長が著しく阻害された。生殖結節の内胚葉性上皮及び外胚葉性上皮特異的にFGFシグナリングを低下させたマウス胚は、どちらも外生殖器の伸長に顕著な異常は認められなかった。よって、生殖結節の伸長には主に間葉におけるFGFシグナリングが貢献していると考えられた。内胚葉性上皮特異的FGFシグナリング低下マウス胚は尿道上皮の分化が阻害されていた。一方、外胚葉性上皮特異的FGFシグナリング低下マウス胚は生殖結節外胚葉性上皮の分化阻害のみならず、間葉組織の形成不全、更には尿道上皮組織の分化阻害が認められた。

本年度の結果より、FGFシグナリングが生殖結節の伸長を制御し、尿道形成過程ではFGFシグナリングを介した上皮間葉相互作用が重要であることが示唆された。平成23年度に実施予定であった外生殖器形成過程におけるFGFシグナル伝達部位の同定を行った。その結果に基づき、外生殖器形成過程におけるFGFシグナルの機能解析を行うための、条件付き遺伝子改変マウス作成に成功したため。今後は、平成23年度に作成した条件付き遺伝子改変マウスについて、外生殖器の形態観察、細胞増殖・細胞死解析等の細胞レベルの解析を行うとともに、外生殖器形成過程におけるFGFシグナリング下流応答因子の探索を行う予定である。また、外生殖器形成過程における分泌性細胞増殖因子の機能制御機構の新規探索を行う計画である。特に、分泌性細胞増殖因子の機能発現に必須であるヘパラン硫酸プロテオグリカンについて、その発現パターンと機能を解析する予定である。研究費は、外生殖器形成過程におけるFGFシグナリング下流応答因子探索を行うためのマイクロアレイに使用する予定である。また、外生殖器形成過程におけるヘパラン硫酸プロテオグリカンの発現パターンを解析するための関連抗体購入に使用する予定である。その他、RNA in situ hybridization、抗体染色等に必要な消耗品を購入予定である。
界面活性剤分子の自己集合によるトムズ効果メカニズムの分子論的解明

本年度は昨年度に開発した境界条件に密度勾配を与える方法のプログラムを使用し,実際に円管流れ下における界面活性剤水溶液の挙動を再現,解析を行った.トムズ効果に影響を与えるパラメータとして様々なものが知られているが,まずは界面活性剤分子が持つ炭素鎖の長さと,円管壁面の化学的性質の2つに着目して,流れの速度の影響を調べた.その結果,比較的炭素鎖の長さが短い場合,流れが遅い場合球状ミセルが形成されるが,流れの速度が増加するにつれて球状ミセル同士が衝突によって長い棒状・紐状のミセルへ成長し,粘度の減少が観察された.一方,炭素鎖が比較的長い場合,速度が遅いときには巨大な球状ミセルが形成され,粘度が流れの速度によらないニュートニアンのような振る舞いを示すが,流れが早くなるにつれて棒状ミセルの出現,さらに棒状ミセルが引き伸ばされることによって,粘度の増加が観察された.さらに管内壁面の化学的相互作用を変化させた時,親水的な壁面の場合,界面活性剤の濃度にかかわらず流れの速度が速くなるにつれて粘度の減少が見られたが,疎水的な壁面の場合,濃度が低いときにはニュートン流体のような振る舞い,濃度が高いときには粘度増加が観察された.この原因はミセルの破壊と弾性乱流の発生に伴うものだと示唆された.また現実により近く,妥当性のある結果を得るためには巨大な系と長時間のシミュレーションを行い,十分な統計量を得ることが必要である.OpenMPやFDPSを使用した高速化コードの開発は引き続き取り組んでいる.当初予定していた研究計画通りに進めることができた.トムズ効果のメカニズムを調べるために,まずは2つのパラメータについて詳細に検討できた.さらに結果は投稿論文で発表することができたため,順調に進展している,とした.シミュレーションの高速化に関するプログラムコードの開発,特にFDPSフレームワークの導入は引き続き行う予定である.いくつかのパラメータについて,管内流れ下における界面活性剤水溶液の挙動を再現し,粘度挙動を詳細に検討することがが可能となったため,これを踏まえ,抵抗低減に関する検討を行い,トムズ効果発現の分子論的な原因を特定する.そのためには,高レイノルズ数における流れを再現する必要がある.現在,計算の効率化のため円管半径を小さく抑えたため,レイノルズ数が小さくなってしまっている.半径をより大きくした大規模なシミュレーションを行い,抵抗低減率を測定し,それとミセルのサイズや形状,棒状ミセルの配向性や伸び,界面活性剤分子の親水性・円管の半径や化学的な相互作用とどのような関係性が見られるかについて検討することを予定している.初年度は,プログラムの拡張とそれらの妥当性の確認,およびシステムの構築を行った.まずプログラムの開発として,これまでの研究において分子シミュレーションの基本的なプログラムは開発済みであったため,具体的には,システムに流れを発生させ,非平衡状態のシミュレーションを行うための方法を導入した.これまで管内(ポアズイユ)流れを発生させる方法は,分子に強制的に外力を与える方法が一般的に用いられており,広い速度範囲で安定した分子シミュレーションを行うことができなかった.近年提案された境界条件に密度勾配を与える方法を実装した.また現実により近く,妥当性のある結果を得るためには巨大な系と長時間のシミュレーションを行い,十分な統計量を得ることが必要である.本プログラム開発では,OpenMPによる並列化コードを作成しシミュレーションの高速化を行った.また,高速化手法のひとつであるFDPSを導入は引き続き取り組んでいる.開発されたプログラムコードを使用し,管内流れの分子シミュレーションを行った.速度分布,流量,圧力分布を計算することで,安定した管内流れが再現できていることを確認した.さらに過去に行われた実験条件を参考としたシミュレーションも行った.界面活性剤の添加の有無や濃度依存性を確認し,実験と同様の傾向が得られていることを確認した.さらに結果を拡張し、壁面の化学的な相互作用や管内の流速を変化させることで,管内の界面活性剤の集合構造が変化し,ある程度の粘度が制御できることを示した.この結果は投稿論文としてすでに発表されている.当初予定していたプログラム開発・拡張とシミュレーションモデルの作成は順調に進めることができた.さらにそれらの妥当性もおおよそ完了している.プログラムコードの高速化は一部現在も取り組んでいるが,それについては研究計画当初から,随時開発を行うことを予定していた.コード開発に加え,壁面の相互作用と界面活性剤水溶液の集合構造の変化,それによる粘度制御についての投稿論文を出版することができたため,計画以上に進展しているとした.本年度は昨年度に開発した境界条件に密度勾配を与える方法のプログラムを使用し,実際に円管流れ下における界面活性剤水溶液の挙動を再現,解析を行った.トムズ効果に影響を与えるパラメータとして様々なものが知られているが,まずは界面活性剤分子が持つ炭素鎖の長さと,円管壁面の化学的性質の2つに着目して,流れの速度の影響を調べた.その結果,比較的炭素鎖の長さが短い場合,流れが遅い場合球状ミセルが形成されるが,流れの速度が増加するにつれて球状ミセル同士が衝突によって長い棒状・紐状のミセルへ成長し,粘度の減少が観察された.一方,炭素鎖が比較的長い場合,速度が遅いときには巨大な球状ミセルが形成され,粘度が流れの速度によらないニュートニアンのような振る舞いを示すが,流れが早くなるにつれて棒状ミセルの出現,さらに棒状ミセルが引き伸ばされることによって,粘度の増加が観察された.