hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
対称性を制御した単分子磁石における磁化反転ダイナミクス

本課題では希土類錯体を対象としてミリ秒程度の遅い磁化緩和を示す単分子磁石(SMM)の合理的な設計指針の確立とその磁気特性の解明を目指した研究を遂行している。2018年度はN5配位子を導入し、面内に擬似的な5回対称性を持つような種々の単核希土類錯体の合成とその磁気特性の解明を行うとともに、従来から研究を行ってきたM-Ln-M三核錯体について単結晶による磁化率測定を行い、その磁気異方性の詳細解明を行った。N5配位子は芳香族窒素ドナー原子5個を含む配位子で、平面性が高いことから希土類イオンのエカトリアル面内を占めるように配位可能である。この配位子と様々な軸配位子との組み合わせにより9配位の単核錯体を合成し、その磁気特性について解明を行った。軸配位子として硝酸イオン、酢酸イオン、アセチルアセタトイオンを用いた錯体についてその磁化緩和の詳細を検討した。いずれもバイアス磁場印加の条件下で遅い磁化緩和を示すfield-induced SMMとして振る舞うものであったが、その磁化反転障壁の高さは軸配位子に対して強い依存性を示していた。軸配位子の配位構造と電子構造を基に、磁化反転に及ぼす構造的な因子を探り、原著論文として報告した。M-Ln-M三核錯体は昨年から継続して研究対象としている。Mとして反磁性のZn(II)やMg(II)を含む直線状三核錯体で、結晶学的な3回軸、2回軸を含む高対称性の錯体である。直径が4 mm程度の単結晶の育成に成功したので、単結晶に対して様々な方向から磁場を印加したときの磁化過程を検討することにより、磁気異方性を直接的に観測することに成功した。その成果については現在原著論文を投稿中である。希土類単分子磁石の特徴的な磁気特性は希土類イオンの磁気異方性に由来し、その磁気異方性の実験的な解明について方法論の確立が望まれている。現在のところ磁気異方性の定量化は分子軌道計算など計算化学的な手法に依存しており、計算結果と実験的に観測された結果の整合性についての検討が喫緊の課題である。著者は近年の研究において、結晶学的な3回軸、2回軸を含み点群D3の対称性を持つ種々の三核錯体の合成に成功してきた。これらの錯体は結晶の外形そのものが3回対称性を持ち、主軸(z軸)とxy平面の向きを結晶外形より明確に決めることが可能である。結晶溶媒を含まない結晶の育成が可能で、空気中での取扱性にも優れている。結晶化の条件検討により直径数mm、結晶一個の重量として1020mgの単結晶育成に成功しており、単結晶を用いた直流磁化率、交流磁化率の測定を遂行した。従来単結晶を用いた交流磁化率の測定は困難であったが、共同研究者のKoneizny博士(ポーランド)の協力の下、単結晶での交流磁化率の測定に成功し、その動的な磁気特性の解明と磁気異方性の定量化に成功している。その成果は当初の目標を超えるものである。単結晶を対象とする直流磁化率、交流磁化率の測定と磁気異方性の詳細解明を継続して行う。これに並行して、新たな物質探索も継続して行う。物質探索の方向性として3回対称性に焦点を定め、三核錯体(M-Ln-M錯体)だけではなく単核錯体の合成も展開する。現在合成している単核錯体は水溶性であり、結晶溶媒として水分子を含んでいる。錯体と結晶溶媒は水素結合により弱く結合しているが、この結合は磁気特性に影響しないことを確認済みである。数十mgの大きくて良好な単結晶の育成に成功しているので、それらの単結晶を対象に磁気異方性の詳細について解明を行う。希土類イオンと硬い塩基であるフッ化物イオンは最も強固な結合を形成することが知られており、フルオロ配位子は最も電気陰性度が高いことから、Lnに配位することにより強い磁気異方性を誘発するはずである。一方で、フルオロ配位子は希土類イオンに対して結合性が極めて高いために他の配位子との結合を阻害して錯体自身を破壊し、LnF3の無機沈殿を生じることが多い。8座の多座配位子との組み合わせによりフルオロ配位子の配位構造を制御し、Ln-F結合を持つ錯体の合成を行う。得られた錯体について動的な磁気特性の解明を行う。本研究は常磁性ランタノイド錯体に見られる遅い磁化緩和現象の解明と構造的な視点からの物性設計を目的としている。d金属イオンを中心とする金属錯体と異なり、ランタノイド(III)イオンのf電子は結晶場の効果を限定的にしか受けないため、f軌道の縮退は保持され、f電子は自由電子のように振る舞う。これにより軌道角運動量が保存され、ランタノイド錯体の磁気特性は全角運動量Jによって記述される。結晶場の効果は全角運動量Jを持つ基底項に対して摂動的に寄与し、適切な対称性を持つ結晶場中では主軸に沿って磁化成分を持つ基底副準位が安定化され、個々の分子がS極、N極をもつ磁石として振る舞うようになる。このような「単分子磁石」としての振る舞いを分子構造の観点から明らかにすることを目的に、構造のモチーフの異なる3種類の錯体について合成と磁気特性の評価を行った。

1.Zn-Ln-Zn三核骨格を持ち、Zn-Ln-Zn軸に沿って結晶学的な3回軸を持つ錯体において、ミリメートルサイズの単結晶の育成に成功した。この錯体は結晶中ですべての分子が結晶学的な3回軸に沿って整列し、分子の主軸が平行な配列となっている。この単結晶を用いて磁化の異方性を精密に測定するための研究を海外の研究者との共同研究として開始した。2.ピンサー型の3座配位子dpicを対称性良く配位させたLn単核錯体の合成と磁気特性の解明を行った。この配位子は二つのカルボキシル基を持ち、配位構造を保ったままプロトン化が可能である。つまり、配位原子の電荷密度を可逆的に調整することが可能なため、分子構造を保ったままで単分子磁石挙動をオン・オフが可能である。Dy錯体においてそのような挙動が発見された。3.これまでの3回対称に加え、5回対称性をもつ錯体の構築を目指し、平面5座配位子の開拓と新たなLn単核錯体の合成にも成功した。前述のように、本研究の目的は常磁性ランタノイド錯体に見られる遅い磁化緩和現象(つまり、単分子磁石としての振る舞い)を錯体の構造の視点から制御し、設計することを目的としている。目指す方向として単分子磁石の特性の向上とともに、新たな特性の寄与が挙げられる。特に単分子磁石の特性を外的な要因(光の照射、プロトン化、酸化還元など)によりオン・オフできれば、単分子磁石のデバイス化などの応用に向けて大きな進歩となろう。実際、本研究において、単分子磁石とはならないと報告されてきた錯体において、プロトン付加によって単分子磁石化することが見出されたのは大きな発見である。分子構造にほとんど変化がないのにもかかわらず単分子磁石特性が発現した機構について、今後精密な測定に基づく機構解明が必要である。単分子磁石特性の理論的な記述に関して、これまでは分子軌道法など実測に基づかない手法が選考してきた。しかし、分光学的な手法や磁気特性の測定など、実測に基づいて磁化課程の詳細を記述することが必要である。その一歩として単結晶を用いた詳細な磁気異方性の実測に着手できたことが現在までの研究の2つ目の成果である。本課題では希土類錯体を対象としてミリ秒程度の遅い磁化緩和を示す単分子磁石(SMM)の合理的な設計指針の確立とその磁気特性の解明を目指した研究を遂行している。2018年度はN5配位子を導入し、面内に擬似的な5回対称性を持つような種々の単核希土類錯体の合成とその磁気特性の解明を行うとともに、従来から研究を行ってきたM-Ln-M三核錯体について単結晶による磁化率測定を行い、その磁気異方性の詳細解明を行った。N5配位子は芳香族窒素ドナー原子5個を含む配位子で、平面性が高いことから希土類イオンのエカトリアル面内を占めるように配位可能である。この配位子と様々な軸配位子との組み合わせにより9配位の単核錯体を合成し、その磁気特性について解明を行った。軸配位子として硝酸イオン、酢酸イオン、アセチルアセタトイオンを用いた錯体についてその磁化緩和の詳細を検討した。いずれもバイアス磁場印加の条件下で遅い磁化緩和を示すfield-induced SMMとして振る舞うものであったが、その磁化反転障壁の高さは軸配位子に対して強い依存性を示していた。軸配位子の配位構造と電子構造を基に、磁化反転に及ぼす構造的な因子を探り、原著論文として報告した。M-Ln-M三核錯体は昨年から継続して研究対象としている。Mとして反磁性のZn(II)やMg(II)を含む直線状三核錯体で、結晶学的な3回軸、2回軸を含む高対称性の錯体である。直径が4 mm程度の単結晶の育成に成功したので、単結晶に対して様々な方向から磁場を印加したときの磁化過程を検討することにより、磁気異方性を直接的に観測することに成功した。
交通系ＩＣカードデータを活用した公共交通のＯＤ需要推計モデルの構築と精度検証

交通系ICカードは料金支払いのシステムとして,バス・鉄道事業者に広く導入され,利用者の利用時間や乗降実態,利用頻度や料金等,人々の行動把握なデータが収集されている.本研究課題では,こうした交通系ICカードを活用し,ベイジアンネットワーク,ニューラルネットワークを援用した公共交通のOD需要推計モデルの開発並びに精度検証を目的とするものである.両手法ともに,乗車人数規模別に行うことで一定の精度での予測が担保されることが示唆されたが,交通計画の策定時に本研究成果の利用する際には,影響要因の把握が可能なBNNを用いることが有益であることが,交通事業者へのヒアリングを通じて明らかになった.近年普及が進んでいる交通系ICカードにより、365日24時間利用者のデータ収集がされている。具体的には鉄道、バス利用者が改札、乗降の際にICカードを専用端末にタッチすることで、自動的にデータが収集される。本研究は交通系ICカードデータを利用し、特にOD需要の把握が困難なバス交通に着目し、OD需要推計の手法論を構築することが目的でである。本年度は,主に2点について研究進捗が見られた。1点目は,交通系ICカードデータ活用や需要推計を対象とした研究の整理である。交通系ICカードを活用した研究は近年,国内外で研究発表されている。そういった中で,既往の学会で発表・公知化されている論文ならびに,報告について,国内外の研究動向について整理を行った。その上で,2014年7月2・3日には,岐阜で開催された「1st International Workshop on Utilizing Transit Smart Card Data for Service Planning」に参画し,これまで,ICカードを用いた研究を取り組んでいる研究者によるその研究内容や意義,データの活用手法や視覚化方法に関する知識共有,議論を交わすことで,本研究が導入する手法や目的について洗練した議論を行うことができた。2点目は,静岡市で導入されているICカード「LuLuCa」データを利用し,ベイジアンネットワークを用いた推計手法により,正解データとの誤差を算出することで精度検証を行っている。既存の乗車を降車と見立てた場合と比較して,より良い精度で推計が出来ていることが確認できた.次年度は,より精度向上を目指した新たな推計手法の導入も予定している。研究実績としては,左記のworkshopにおいて,研究計画・成果を口頭発表を行った。次年度は,査読付き論文に投稿することで,成果の公知化を行い,鋭意研究を進める。交通系ICカードデータは料金支払いのシステムとして導入され,全国で普及が進んでいる.その一方で,システムから収集されるデータ(ICカードデータ)は,利用時間や乗降実態等,人々の行動把握が可能な貴重なデータである.一方で,交通事業者にとって,収集されたデータが十分に活用されているとは言い難い.具体的な事例の1つとして,バス交通において,乗車時もしくは降車時のみICカードを機器にタッチして料金を支払う場合には,乗車停留所,降車停留所のいずれかのデータしか取得できず,利用者がどの停留所で降車(乗車)したのか,さらには利用者の起終点情報については把握できない.本研究では,その問題点に対して,乗車時にしかデータが収集されていないとの仮定のもとに,停留所別降車人数の推計を試みるものである.推計には,近年大量かつ継続的なデータに対して適用されることが多い機械学習による手法を用いることとしており,平成26年度にベイジアンネットワークを用いたOD推計手法に続き,本年度(平成27年度)ではニューラルネットワークを用いたOD推計手法を適用し,より精度の高い推計手法の構築を目指した.乗車規模別に推定を行った結果,現状で乗降停留所が一致していると仮定した場合と比較して,誤差率に改善がみられ,今回推計した手法を適用することで,より精度面においては有意性が確認された.また,本年度は平成26年度において,適用したベイジアンネットワークによる手法を用いた推計手法に関する研究成果を国内口頭発表2件,海外口頭発表1件により,公知化を行うとともに,議論を通じて,平成28年度の研究包括に向けて継続的に取り組んでいく.利用データも拡大し,ベイジアンネットワークに引き続き,ニューラルネットワークにおける推計手法の構築行うことができた.平成28年度は,構築したモデルを新たなエリア,もしくは新たなデータに適用を行い,構築したモデルの実社会への適用度について実証する.平成27年度成果についても,公知化を行い,各種学会等で発表を通じて,モデル改善点を精査する手順を想定する.交通系ICカードは料金支払いのシステムとして,バス・鉄道事業者に広く導入され,普及されている.一方で,システムを介して収集されるデータからは,利用者の利用時間や乗降実態,利用頻度や料金等,人々の行動把握が可能な貴重なデータである.しかしながら,交通事業者では収集されたこのデータを,データ解析のためのノウハウや人材不足等の理由で十分に活用に至っていない.そうした中で,本研究課題では交通系ICカードを活用し,公共交通のOD需要推計モデルの精度検証を目的に展開している.この背景には,東京23区や京都市などのバスでは交通系ICカードにより利用者の利便性が向上し,データが収集されるようになったものの,乗降時のいずれか一方にしか機器にカードをタッチしないために,交通計画を進める上で重要なODが取得されないとの課題を抱えているためである.平成28年度は,過去2年間に実施してきたベイジアンネットワーク,ニューラルネットワークを活用した需要推計手法について,精度比較並びに手法の課題の抽出を行い,今後の需要予測に向けた整理を行った.両手法ともに,乗車人数規模別に行うことで一定の精度での予測が担保されることが示唆された.

また,ニューラルネットワークでは高精度の予測が可能である一方で,予測結果に関する解釈が手法の特性上,把握が困難であり,交通計画を策定するにあたっては,精度面で多少劣ることとなっても,影響要因の把握が可能なベイジアンネットワークを用いることが交通事業者へのヒアリングからも明らかになった.交通系ICカードは料金支払いのシステムとして,バス・鉄道事業者に広く導入され,利用者の利用時間や乗降実態,利用頻度や料金等,人々の行動把握なデータが収集されている.本研究課題では,こうした交通系ICカードを活用し,ベイジアンネットワーク,ニューラルネットワークを援用した公共交通のOD需要推計モデルの開発並びに精度検証を目的とするものである.両手法ともに,乗車人数規模別に行うことで一定の精度での予測が担保されることが示唆されたが,交通計画の策定時に本研究成果の利用する際には,影響要因の把握が可能なBNNを用いることが有益であることが,交通事業者へのヒアリングを通じて明らかになった.初年度の目的については概ね達成したものと考えられる。その理由としては,交通系ICカードデータ活用や需要推計を対象とした研究の整理として,ICカードデータを用いた国内外の研究論文,報告を収集・整理するとともに,需要推計手法についての体系的な整理を実施した。その上で,静岡県静岡市で収集されているICカードデータ"LuLuCa"を対象に,整理された需要推計手法のうち,ベイジアンネットワークによる需要推計を実施した。当初目的についても推計を想定していたが,ベイジアンネットワークで用いる変数内に,時間帯別の利用割合や往復利用割合,駅や病院等特定のバス停留所を組み込むことにより,トリップ目的を明確にした上で,推計を行うことを可能となった。平成28年度は新たなエリアへの適用,もしくは新たなデータに適用を想定しており,現在異なるエリアデータの可能性について模索している段階である.データの特性(個人情報保護やデータ蓄積等の問題)により,新たなデータの利用が困難な場合は同一地域における新規データを再度適用することで,これまで構築したモデルの有意性を再度検証する.移動目的の推計については,利用頻度の指標で置き換えを想定しており,そのための利用者の移動時間やパターンの分析を行うこととする.昨年度までの口頭発表内容について,より上位レベルのJournalへの投稿(Big Data ResearchやTravel behavior and sciences)を予定している.交通計画
重症心不全における心筋配向変化が心機能増悪をもたらす機序の解明

平成29年度に引き続きビーグル犬の摘出心(正常心、不全心)を用い、1ホルマリン固定、27.5%ヨードヨウ化カリウム染色、3エタノール処理による脱水、4パラフィン包埋、5MicroCT撮像、6構造テンソル解析による心筋配向角度および心筋シート傾きの評価を行った。心筋の配向は正常心において外側ー60°内側+60°中間部0°で3層に分かれているとの説明が教科書的であったが、MicroCTによる構造テンソル解析では、外層、中間層、外層の3層にはっきり分かれている訳ではなく、外層ー60°から内層+60°に徐々に心筋配向角度は移行していた。またこれまでの報告されてきたように不全心で心筋配向角度が内外層で水平化するわけではなく、中間層の水平化部分が増えている結果となった。また心不全で起こる心筋配向角度の垂直化は、不全心で起こる心臓形状の球状化(心尖部の拡大)を考慮すると正常心との差がなく、心筋繊維のミクロ的な変化というよりマクロ的な形状変化にともなうものと考えられた。研究成果をBiomedical Applications in Molecular, Structural, and Functional Imaging, SPIE、European Association of Cardio-Thoracic Surgery,日本胸部外科学会総会、日本医用画像工学会大会で発表した。構造テンソル解析による心筋配向解析手法としてJournal of Medical Imagingに投稿した。今後これらの心筋配向解析結果を3次元ベクトルデータとして、UT-Heart研究所の心臓シミュレーション技術に取り込み、心臓サポートネットの設計に反映させる。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。平成28年9月に研究代表者の所属の移動(金沢医科大学心臓血管外科から名古屋大学心臓外科)があり、名古屋大学での実験室整備に時間を要し、ビーグル犬を用いた動物実験、MicroCT撮像等に後れを生じている。平成28年度に引き続きビーグル犬を用いて、高頻度刺激8週間による心不全心臓モデルを作成した。4週目に心臓サポートネットを装着し、治療群とした。高頻度刺激を行わないものを正常心とした。心エコーによる心機能評価を高頻度刺激開始前と8週後に行った。評価後心臓を摘出し、ホルマリン固定パラフィン包埋を行い、マイクロCT撮影を行った。一部標本で十分なコントラストが得られず心筋配向解析が困難な例があったので、一旦ビーグル犬での検討を中断し、ウサギ摘出心を用いてヨード染色によるコントラスト増強、ホルマリン固定ではなくエタノール固定を検討した。diffusiontensor MRI法(DT-MRI)による心筋配向評価とは逆に、マイクロCTによる心筋配向評価には組織の脱水が重要であることを見出し、エタノール固定条件を確定した。ビーグル犬を用いて構造テンソル法にて詳細に検討した。十分な心筋配向評価が可能であったビーグル犬の正常心2匹と不全心1匹の平均の心筋配向角度(第一ベクトル方向)はともに外層-60度、内層+60度だったが、不全心で分散が大きかった。心筋シートの角度(第2ベクトル方向)は正常心50.6度、46.2度だったのに対し不全心では57.4度とより立った角度になった。Web上で公開されているJohn Hopkins Universityのビーグル犬の正常心、不全心DT-MRIデータを用いて、心筋配向を解析した。左室内側(56°±9°vs 42°±2°)、外側(ー40°±10°vsー35°±14°)と不全心の心筋配向がより急峻で、従来の報告と異なった結果だった。これらの心筋配向解析結果を3次元ベクトルデータとして、UT-Heart研究所に提供した。研究成果を北米放射線学会、SPIE、コンピュータ外科学会で発表した。当初考えていたマイクロCTによる心筋配向解析が、心筋コントラストが十分でなく解析が困難な例があり、十分な心筋コントラストを出す手法の開発に時間を要したためやや遅れを生じた。

平ウサギ摘出心を用いてマイクロCTによる心筋配向解析に適した摘出心固定方法(高濃度エタノール固定、ヨウ化ヨウドカリウム染色)を確立したので、順次同手法でビーグル犬摘出心を固定・染色し、マイクロCTによる心筋配向解析を行っていく。すでに統計処理に必要な正常心、不全心、心臓サポートネット治療心を確保しているので、心筋配向結果と心機能との相関関係評価を平成30年度に行う。また得られた心筋配向結果を東京大学(UT-Heart研究所)に提供し、不全心における心筋配向、心筋シート傾きの変化を組み込んだ心機能シミュレーションを構築する。ウサギ摘出心を用いてマイクロCTによる心筋配向解析に適した摘出心固定方法(高濃度エタノール固定、ヨウ化ヨウドカリウム染色)を確立したので、順次同手法でビーグル犬摘出心を固定・染色し、マイクロCTによる心筋配向解析を行っていく。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
ノード流れの流体・構造連成計算

本研究では体の左右を決定するノード流れについて,その流れを誘起するノード繊毛に注目し,ノード繊毛の計算力学モデルの構築を行った.これにより,ノード内に作られる流れ場や,その流れによる物質輸送,応力場の定量化を行った.特に本年度では,境界要素法と有限要素法をカップルしたノード繊毛軸糸の流体構造計算モデルを用いて,ノード繊毛の回転挙動や繊毛の作る流れ場について解析を行い,繊毛の回転にはモータタンパクであるダイニンのアクティベーションが伝播する周波数と流体粘度,軸糸を構成する微小管の弾性との比が重要であり,ある比率の下で回転軌道が最大となる事,繊毛の作る流れ場は繊毛からの距離の3乗に反比例して減衰することを明らかにした.ここまでの結果を取りまとめ雑誌投稿中である.また,実験結果から得られた画像からノード形状の3次元的な再構築を行い,実形状のノード流れの数値計算を行った.これにより,左右を決定する因子と注目されている2つの仮説,物質輸送仮説と機械刺激仮説の力学的視点からの検証を行った.特に,体の左右の決定には2本程度の繊毛があれば十分であるとの報告がある事から,1から6本程度の繊毛が作る流れの下で,物質輸送解析,応力場解析を行った.その結果,ノード内に存在する粒子の壁への輸送は左右で顕著な差が生まれないこと,ノード内に発生するせん断応力により不動繊毛の根本で特に高い張力が発生することが分かった.これまでの結果を「The 16th international Conference on Biomedical Engineering」などの国際学会や「第21回計算工学講演会」などで発表を行った.28年度が最終年度であるため、記入しない。28年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では,体の左右を決定するノード内の流れについて,その流れを誘起する繊毛の,計算力学的モデル化を行い,ノード内の流れや,繊毛膜に働く応力の定量化を目指す.当該年度では,研究基盤となる繊毛の計算力学モデルを構築した.繊毛周りの流れ場を境界要素法によって離散化し,繊毛の内部骨格である微小管の構造力学を有限要素法によって解を求めた.現在,開発した計算コードを用いてパラメトリックスタディを行っている.特に,繊毛打を生み出すダイニン活性の時空間分布と繊毛打パターンとの関係や,繊毛打が生み出す流れ場の可視化や定量化を行うべく解析を行っている.現在までに得られた結果を国際会議「The 8-th Asian-Pacific Conference on Biomechanics」にて発表を行った.また,本モデルを応用することで精子運動の計算力学モデルの構築にも成功した.精子は鞭毛を波打つ事で遊泳するが,鞭毛の内部構造と繊毛の内部構造はほぼ同じであり,本手法を適用することが可能である.近年,精子が流れに逆らって遊泳する「走流性」を示すことが実験的に示された.この走流性は輸卵管内を遊泳して受精する際に重要となるが,そのメカニズムは不明な点が多く残っている.本研究で開発した精子モデルを用いて,走流性を示すか否か数値実験を行った所,精子は流体力学的に遊泳方向を変化させ流れに逆らって泳ぐ事を確認した.この結果は,精子の走流性は流体力学による力学バランスによって達成されることを示唆している.以上の結果を,雑誌Physical Review Eにて発表し,国際会議「CFD in medicine and biology II」にて招待講演を行った.当初計画にはなかった精子運動についても,計算力学モデルの構築に成功し,精子の走流性が流体力学によって達成され得ることを示すことが出来たため.本研究では体の左右を決定するノード流れについて,その流れを誘起するノード繊毛に注目し,ノード繊毛の計算力学モデルの構築を行った.これにより,ノード内に作られる流れ場や,その流れによる物質輸送,応力場の定量化を行った.特に本年度では,境界要素法と有限要素法をカップルしたノード繊毛軸糸の流体構造計算モデルを用いて,ノード繊毛の回転挙動や繊毛の作る流れ場について解析を行い,繊毛の回転にはモータタンパクであるダイニンのアクティベーションが伝播する周波数と流体粘度,軸糸を構成する微小管の弾性との比が重要であり,ある比率の下で回転軌道が最大となる事,繊毛の作る流れ場は繊毛からの距離の3乗に反比例して減衰することを明らかにした.ここまでの結果を取りまとめ雑誌投稿中である.また,実験結果から得られた画像からノード形状の3次元的な再構築を行い,実形状のノード流れの数値計算を行った.これにより,左右を決定する因子と注目されている2つの仮説,物質輸送仮説と機械刺激仮説の力学的視点からの検証を行った.特に,体の左右の決定には2本程度の繊毛があれば十分であるとの報告がある事から,1から6本程度の繊毛が作る流れの下で,物質輸送解析,応力場解析を行った.その結果,ノード内に存在する粒子の壁への輸送は左右で顕著な差が生まれないこと,ノード内に発生するせん断応力により不動繊毛の根本で特に高い張力が発生することが分かった.これまでの結果を「The 16th international Conference on Biomedical Engineering」などの国際学会や「第21回計算工学講演会」などで発表を行った.現在行っている解析結果をまとめた後,ノードの実形状モデルを用いてセンサー繊毛に働く膜面応力の定量化やベシクル輸送の定量化を行う予定である.ノード内の流れを詳細に評価するためには境界条件であるノード形状が非常に重要であり,実際の形状に近いモデルを用いることが肝要である.

そこで,過去,実験的に得られたノード形状のデータを境界条件として本モデルに組み込むことでノード内の流れをより定量的に解析を行う予定である.28年度が最終年度であるため、記入しない。28年度が最終年度であるため、記入しない。
タンパク質の動的構造と機能発現ダイナミクスの分子論的解明

タンパク質は天然状態においても構造揺らぎを示す。近年、このようなタンパク質の動的な構造が、構造形成や機能発現に重要であることが実験から明らかになってきたが、一方でその分子論的起源は明らかでない。本研究では、分子動力学シミュレーションデータの遅い運動モードに着目した新たな解析法を開発することで、タンパク質のフォールディング過程でどのような構造揺らぎが起き、それが不均一な構造ダイナミクスを経てタンパク質構造が形成されるかを解明した。また、シアノバクテリアの概日リズムの制御に関わる時計タンパク質KaiCで起こる遅いATP加水分解反応の分子論的起源を秋山教授(分子研)らとともに明らかにした。本年度は、タンパク質の動的機構を調べるためのアプローチの開発と、それを用いたタンパク質のフォールディング機構の解析を行った。具体的には、トラジェクトリの持つ時間情報を利用することで、遅い構造変化ダイナミクスを表す座標を決定するアプローチ(DCA法)を開発した。さらに、D. Shawらによる分子シミュレーションの専用計算機Antonから得られたFiP35 WWドメインの超長時間トラジェクトリを用い、本手法を適用することで、FiP35タンパク質のフォールディング過程の動的機構の解析を行った。その結果、今回DCA法は、従来広く用いられてきた分散の大きさを指標とする主成分分析法と比べ、より遅いフォールディング過程、すなわちフォールド/アンフォールド転移を明確に記述できることが分かった。さらに、FiP35タンパク質のフォールディング機構は複数の遷移過程やミスフォールド状態を含み、複雑な遷移過程(不均一な過程)を経ることが明らかになった。また、シアノバクテリアの生物時計の概日周期の長さを決定する上で、時計タンパク質KaiCのN末端ドメインで起こる遅いATP加水分解反応の速度は重要な役割を果たすが、その遅さの構造的起源を実験グループとともに実験・理論の両面から調べた。その結果、ATP加水分解反応に必要となる水分子の分布が他の速いATPaseと比べ活性中心から離れたところに存在することや、ATP結合状態では特異的なcis型のペプチド結合が存在し、反応の前後で遅いcis-trans異性化が起こることなどが分かった。さらに、ATP加水分解反応とリン酸脱離に伴い、KaiCのN末端ドメインに構造変化が起こることも発見した。タンパク質の動的構造の解析に関しては、トラジェクトリから遅いダイナミクスを表す座標を決定する方法を提案でき、またそれを用いた解析によって、タンパク質のフォールディング/アンフォールディング過程に関する解析を行うことができた。さらに、HP35タンパク質について、野生型と変異体でどうフォールディング過程の動的構造が異なるかの解析を進めている。KaiCタンパク質でのATP加水分解反応に関しては、実験グループとの共同研究より、ATP結合状態およびADP結合状態の構造やその周りでの構造揺らぎに関する解析を進められたことに加え、ATP加水分解反応の化学結合が変化する反応過程に関する研究も開始している。本年度は、昨年度から開発を進めていた、分子シミュレーションのトラジェクトリの動的情報をもとに構造変化の過程を調べる手法を用いて、Villin headpiece (HP35)タンパク質のフォールディング機構とその状態遷移ダイナミクスの解析を行った。特に、D. Shawらによる複数の400マイクロ秒長の長時間分子シミュレーションのトラジェクトリを調べることで、HP35のフォールディング機構そのものに加え、変異や温度変化がその機構に及ぼす影響について調べた。その結果、フォールド状態とアンフォールド状態の間の遷移にかかる時間は、遷移のイベントごとに大きく異なり、フォールディングの過程を説明するのによく用いられる一つの遷移状態を持つ2状態遷移のモデルでは、その幅広い遷移時間の分布を説明できないことが分かった。このような複雑な遷移過程(不均一な過程)の分子論的起源を調べたところ、HP35のフォールディング経路は、N末端側とC末端側のどちらからフォールドするかによってまったく異なる経路を通ること、さらに遷移が遅くなる場合は一部分だけがフォールドし、同時に天然状態では見られない局所的構造を持つミスフォールド状態を経ていることなどが明らかになった。また、温度の違いによって構造変化の経路は変わらないものの、変異が導入されると、野生型では主であった経路が阻害されたり、新たな経路が現れることなども分かった。これらの知見は、近年実験的に観測されているタンパク質の天然状態での揺らぎや状態遷移が、フォールディングの経路選択にも重要な役割を果たしていることを示唆している。本研究で開発してきた手法は、幅広いタンパク質の遅いダイナミクスをシミュレーションから明らかにするのに有効な手法であり、今後ますます長時間の分子シミュレーションが可能となっていくときに重要なアプローチとなることが期待される。前年度開発した手法をもとに、複数の分子シミュレーションのトラジェクトリの解析を通して、単一の条件での反応経路だけでなく、変異や温度変化などの影響がフォールディング機構にどのような影響を与えるかを分子レベルで詳細に明らかにすることができた。また、その結果を論文として発表することもできた。また、これまで開発してきた手法はフォールディング過程のみでなく、天然状態における構造揺らぎやアロステリーを調べるのに有効な手法であり、そのような展開を今後進めていくための準備も整った。タンパク質は、天然状態において構造揺らぎや状態遷移などを伴ったダイナミックな振る舞いを示し、これらが機能を発現する上で重要な役割を果たす。このようなタンパク質の特徴が実験的に近年明らかになってきたことで、その分子機構を理解することが重要な課題となっている。本研究では、分子シミュレーションを用いて、タンパク質の動的構造の理解と機能発現の過程を分子レベルで明らかにすることを目指した。特に、フォールディング過程における構造変化ダイナミクスの解析を通して、タンパク質の構造不均一性がどのように構造形成や機能発現に役立っているかを調べた。

本年度は、これまで取り組んできたタンパク質に加え、Ubiquitinなどのタンパク質のアンフォールド状態やフォールディング過程のダイナミクスについて解析を行った。特に、一分子FRET計測から明らかになってきた不均一なアンフォールド状態に関する解析を行い、従来の実験で見られていたナノ秒のダイナミクスより遅い運動があることを明らかにした。また、機能発現の過程を理解するために、酵素反応におけるタンパク質ダイナミクスの役割に着目し、プロリン異性化酵素の一つであるPin1のシミュレーションを行った。特に、これまでの自由エネルギー計算では考慮されていなかった、反応物の状態におけるタンパク質の運動がどう反応に関与するかについて、解析を行った。この結果、化学反応の反応座標には含まれない遅いタンパク質の状態遷移が、酵素反応が起こるために重要な役割を果たしていることが明らかになった。タンパク質は天然状態においても構造揺らぎを示す。近年、このようなタンパク質の動的な構造が、構造形成や機能発現に重要であることが実験から明らかになってきたが、一方でその分子論的起源は明らかでない。本研究では、分子動力学シミュレーションデータの遅い運動モードに着目した新たな解析法を開発することで、タンパク質のフォールディング過程でどのような構造揺らぎが起き、それが不均一な構造ダイナミクスを経てタンパク質構造が形成されるかを解明した。また、シアノバクテリアの概日リズムの制御に関わる時計タンパク質KaiCで起こる遅いATP加水分解反応の分子論的起源を秋山教授(分子研)らとともに明らかにした。タンパク質の動的構造の解析について、HP35タンパク質の野生型および変異体のトラジェクトリから、フォールディング/アンフォールディングの遷移過程の経路が変異や温度によってどのように変わるかの解析を進める。また、このような動的構造の違いを実験的に検証できるような解析を行う。さらに、タンパク質の構造揺らぎや状態変化などのような動的構造が酵素反応でどのように働くか調べる。KaiCに関しては、ATP加水分解反応のATP→ADP+Pi(リン酸)の化学結合の変化が起こる過程をQM/MM法などを用いて引き続き調べる。また、リン酸の脱離がどんな経路を通るかをmetadynamics法などにより検討するとともに、結晶構造で見られたN末端ドメインのATP/ADP結合部位まわりの構造変化がどのように起こるかの解析を進める。タンパク質の不均一な構造は、フォールディング過程のみならず、天然状態においても実験的に観測されている。さらに、このような構造揺らぎはタンパク質の機能発現において重要な役割を果たすと考えられているが、その分子機構はあまり理解されていない。
ネットワーク環境に対応した高精細板書型講義動画の配信

本研究では、低速のネットワーク環境でも視聴可能できる板書型講義動画について、フレームレートを落とすことで画像を鮮明にし、高解像度の動画を受信して学習できる環境について提案した。まず低フレームレートの動画で、学習が可能かどうか配信実験を実施。2グループに分けた学生に対して、片方は高ビットレート、高フレームレートの動画、片方は低ビットレート、低フレームレートの動画を使って学習させて問題を解かせ、アンケートを実施した。次にブラウザで視聴可能なプレイヤーを開発。ローカルの計算機上で、複数の板書動画を切り替えて視聴できる環境を整えた。平成25年度には、フレームレートを落とした教材動画について、実際に学習可能かどうかの評価を中心に行った。まず本学で行われている、解析学(再履修)の講義を、3か所に固定したカメラで全て撮影。この動画の一部を、解像度HD720、ビットレート(32kbps500kbps)とフレームレート(30fps0.5fps)を変化させた動画を20本用意した。これを60人程度の学生に視聴してもらい、黒板の文字が読めたかどうか、この画質で学習可能かどうかについて、アンケートで回答を集めた。アンケートの結果では、極めて低いビットレートであってもフレームレートも低くすることで、黒板の文字を識別できる程度に、画質が維持できる結果が得られている。ただし、学生の学習意欲については、あまりに低フレームレートの動画では、学習できないとの回答もあった。これらのアンケートから、ネットワークが低い環境の学生でも低フレームにすることで、学習可能な環境を少し広く提供できることが確認できた。ここまでの実験結果を、国際会議ICEEE2013で発表した。次に実際に学習可能かどうかの実験を行った。20名程度の学生に1コマ分の講義動画を視聴してもらい、実際に学習を行ってもらった。そしてこの講義後に演習問題を解答させた。講義動画は片方のグループは低ビットレート、低フレームレートの動画で、もう片方は高ビットレート、高フレームレートの動画である。こちらも動画に関するアンケートと演習問題の点数について確認した。その結果、2つのグループは殆ど学習の結果に違いは無く、この結果から低速度のネットワークでも十分高解像度の動画を用いて学生が学習できることを確認できた。まず本研究で提案している、高解像度かつ低フレームの板書型講義動画が実際に教育として有用かどうかについて、配信の実験と学生による学習とアンケートの実施により評価を行った。これらの結果をまとめて、論文誌International Journal of Technology and Educational Marketingに発表した。続いて板書型講義動画を再生する為の、PC用のプレイヤーを開発を行った。動画再生に用いる、基本的なインターフェイスは、フリーのJavascriptのライブラリを用い、複数の動画を切り替えるためのインターフェイスを、JavascriptとHTML5を用いて記述している。本プレイヤーはブラウザ上で動作する。黒板を撮影した3か所の動画の内、最初は中央の動画を再生する。ユーザは状況に応じて、他の場所の動画に切り替える。この時、再生している時間を把握して、切り替えた動画をその時間から再生する。これにより、受講生が自由に切り替えたとしても、動画の再生するタイミングを修正することなく、動画を見続ける事が可能となる。このプレイヤーの実験については、まずローカルの計算機上で動画データの再生を行って、その動作について評価を行い、動画の切り換えを行った際に、その再生している時間が正常に切り替えた動画の再生開始時間になることを確認している。さらなる評価には、タブレット端末上での動作と、動画データをストリーミングサーバ上に置いたうえで、動作試験を行い、この評価について発表を行う。教育工学平成25年度は、申請書で自身が提案していた低フレームレートでの学習に関して、動画の評価を中心に行った。1度目の実験では、低フレームレートの動画では文字を認識できても、学習できるとする意見が少なかった。従って低速度のネットワーク環境下の学生に対しては、まだ20%程度の学生にのみ学習環境を提供できる結果となっていた。しかし、2度目の実験では高フレームレートで学習した学生と、低フレームレートで学習した学生の間で、問題の回答、学習内容の理解に大きな差は見られなかった。この事から、低フレームレートの動画であってもそこまで学習に影響は与えない事がわかる。平成25年度の結果から、低フレームレートの動画配信の環境を構築する事は、ネットワークの良環境にない学生にとって有効であると判断できる。平成26年度は、サーバ、クライアントを含めた動画配信環境の構築と、配信実験を中心に行う。まず専用のプレイヤーの開発する。開発言語にはHtml5を中心に用いて、デスクトップPC環境、及びモバイル環境でのプレイヤーを開発する。次にそれらプレイヤーのユーザビリティの確認として、配信の実験を行う。配信の実験はまず学内での実験を行い、次に学外への実験を行う。学内では、学内の計算機端末室を利用して、学生にこれらの動画を視聴してもらい、板書の文字の画質、及び学習教材としての有用性について、昨年度と同様にアンケートを取って評価する。

評価を元にプレイヤーと教材の改善を行い、最終評価として他キャンパスへの配信実験を行う。さらにタブレット端末での配信実験も行い、これもPCと同様に、視聴環境とユーザインターフェースについて評価を行う。最後に本学で撮影した解析学(再履修)の全ての動画について、一通りの編集を行い、学内での教材の公開を行う。
ミューオンｇ－２の超高精度測定を実現するミューオン線形加速器の開発

前年度の負ミューオニウムイオン(Mu-、正ミューオン1個と電子2個の束縛状態)生成実験に続き、高周波四重極線形加速器(RFQ)によるMu-の加速実証試験をJ-PARC MLF Muon Dラインにて実施した。Dラインから供給された運動エネルギー3 MeVの正ミューオンビームはMu-生成用アルミ薄膜標的によってMu-へ変換されることで2 keV以下にまで冷却される。生成したMu-は静電加速収束器によりRFQ入射エネルギー5.6 keVまで再加速されてRFQへと入射し、RFQにより90 keVまで加速される。加速されたMu-はRFQ直下流に設置した四重極電磁石2台と偏向電磁石1台から構成された診断ビームラインを経て、終端に設置されたマイクロチャンネルプレート(MCP)検出器まで輸送される。この診断ビームラインはMu-生成標的と静電加速収束器を収めたチェンバーと、RFQを加えたセットアップ全体がDラインの実験エリアに収まるよう設計した。Mu-を選別するための偏向電磁石は紫外光由来のH-イオンビームとビームプロファイルモニタを用いてコミッショニングした。Mu-生成標的からMCPまでイオンビームを輸送、検出することで診断ビームラインの動作確認を行った。加速Mu-は偏向電磁石による運動量選別とTime-Of-Flight(TOF)測定により同定した。TOF測定結果は828+-9 nsでシミュレーションによる予想値830 nsと合致した。また測定したビーム強度は(0.5+-0.1)×10^3- Mu-/secで、昨年度に実施したMu-生成実験結果及びビーム輸送シミュレーションからの予想値とファクター2の範囲で合致した。これらの結果は学術誌Physical review acceleratorsand beamsに論文投稿依頼中であり、2018年3月の日本物理学会年次大会にて報告した。29年度が最終年度であるため、記入しない。ミューオン線形加速器の初段部であるRFQ(Radio-Frequency Quadrupole)を用いた世界初のミューオンRF加速実証試験に向けて、RFQへ入射する低速ミューオンビームの性質評価を進めた。金属薄膜標的により4 MeVからsub keVまで減速された低速ミューオンを静電加速収束器により20 keVまで加速したのち、輸送用ビームラインにより検出器まで輸送して測定を行った。検出器として新たに低速ミューオン専用ビームプロファイルモニタ(BPM)を導入し、低速ミューオンのビームプロファイル観測に初めて成功した。測定した低速ミューオンのビーム強度とビームプロファイルのデータに基づきシミュレーションを改良することで、RFQ試験における入射ミューオンビームの評価精度向上に繋げることが可能となる。また加速試験でのビーム強度向上を目指して金属薄膜標的からの負ミューオニウム生成実験も並行して実施し、J-PARCにて初となる負ミューオニウムの観測にも成功した。また、RFQ試験に向けて開発した金属薄膜型低速ミューオン源とJ-PARCリニアックのプロトタイプRFQを用いた場合のミューオン加速試験の粒子軌跡分布シミュレーションを構築した。RFQで加速されたミューオンは偏向電磁石とBPMからなる診断用ビームラインを用いて品質評価する。診断用ビームラインのシミュレーション結果より、輸送効率を向上させるために診断用ビームラインに収束用四重極電磁石を導入することにした。またビームのエミッタンス測定では検出器駆動装置の代わりにQマグネットの収束強さを変えながら、ビームプロファイルを測定するQスキャン法を採用することにした。Qスキャン法を用いた場合のシミュレーションを実施した結果、用意したQマグネットの最大出力磁場強度の範囲内でQスキャンが実施可能なことを確認した。J-PARC物質生命科学実験施設(MLF)のミューオンHライン基幹部建設の遅延に伴い、基幹部後段に建設するミューオン線形加速器の工程も遅延している。そこで現在稼働中のミューオンDラインと本実験のRFQより小型なプロトタイプRFQを活用することで、ミューオン加速試験を遅滞なく実施する。RFQへ入射する低速ミューオン源開発、低速ミューオン用ビームモニタ開発及びRFQ試験のビーム光学系設計はいずれも順調に進んでいる。これまで独立に開発してきたビームモニタと低速ミューオン源評価のために構築したビームラインへ接続することで、低速ミューオンのビーム強度とプロファイルを同時に測定してビーム品質を評価できるようになった。BPMで減速により生成したkeV領域のミューオンビームプロファイルを実測できたことで、加速試験用低速ミューオン源開発とBPM開発は一定の成果を収めることができた。さらに低速ミューオン源開発においては、平均エネルギーがより低く、加速に適したミューオン源として着目してきた金属薄膜からの負ミューオニウムの生成に成功し、ミューオン加速試験に向けて多角的なアプローチが可能となった。RFQ試験に向けたシミュレーションでは本実験を行うHラインでのシミュレーションと、プロトタイプRFQのテストを行うDライン双方の場合に対して、粒子輸送シミュレーションを構築して、BPMでのビームプロファイル評価を行った。特にDラインでの実験では、実験エリアの空間的制約を加味した上で実現可能な光学系を構築し、なおかつエミッタンス測定に必要なQマグネット、偏向電磁石及びBPMを配置したシミュレーションを構築した。現在このシミュレーションに基づく実験セットアップを建設中であり、次年度中のRFQ試験に向けて準備を進めている。前年度の負ミューオニウムイオン(Mu-、正ミューオン1個と電子2個の束縛状態)

生成実験に続き、高周波四重極線形加速器(RFQ)によるMu-の加速実証試験をJ-PARC MLF Muon Dラインにて実施した。Dラインから供給された運動エネルギー3 MeVの正ミューオンビームはMu-生成用アルミ薄膜標的によってMu-へ変換されることで2 keV以下にまで冷却される。生成したMu-は静電加速収束器によりRFQ入射エネルギー5.6 keVまで再加速されてRFQへと入射し、RFQにより90 keVまで加速される。加速されたMu-はRFQ直下流に設置した四重極電磁石2台と偏向電磁石1台から構成された診断ビームラインを経て、終端に設置されたマイクロチャンネルプレート(MCP)検出器まで輸送される。この診断ビームラインはMu-生成標的と静電加速収束器を収めたチェンバーと、RFQを加えたセットアップ全体がDラインの実験エリアに収まるよう設計した。Mu-を選別するための偏向電磁石は紫外光由来のH-イオンビームとビームプロファイルモニタを用いてコミッショニングした。Mu-生成標的からMCPまでイオンビームを輸送、検出することで診断ビームラインの動作確認を行った。加速Mu-は偏向電磁石による運動量選別とTime-Of-Flight(TOF)測定により同定した。TOF測定結果は828+-9 nsでシミュレーションによる予想値830 nsと合致した。また測定したビーム強度は(0.5+-0.1)×10^3- Mu-/secで、昨年度に実施したMu-生成実験結果及びビーム輸送シミュレーションからの予想値とファクター2の範囲で合致した。これらの結果は学術誌Physical review acceleratorsand beamsに論文投稿依頼中であり、2018年3月の日本物理学会年次大会にて報告した。BPMで測定した低速ミューオンのビームプロファイル及びビーム強度のデータに基づきシミュレーションの改良を図り、RFQ試験でRFQへ入射する低速ミューオンビームの性質評価を行う。また低速ミューオンビームの評価においてもQスキャン法を導入し、実データによるエミッタンス測定を実施する。エミッタンスの実測データと改良したシミュレーションのクロスチェックにより、RFQ試験における入射ミューオンビームの評価精度向上に努める。Dラインで実施するプロトタイプRFQを用いたミューオン加速試験により世界初のミューオンRF加速実証試験を行う。RFQ後段に設置する診断用ビームラインとBPMにより、Qスキャン法によるビームエミッタンス測定を実施する。RFQで加速したミューオンビームのエミッタンス測定データと入射ミューオンビームの評価結果を組み合わせることで、ミューオンビームに対するRFQのエミッタンス増大の評価を行う。さらにBPMでのビーム強度測定結果から、RFQのミューオン加速効率も評価できる。
興奮性アミノ酸に拮抗する内因性アミノ酸の作用機序

1.目的。トリプトファン代謝産物であるキヌレン酸は、脊髄や海馬でグルタミン酸/アスパラギン酸による興奮を抑制することから興奮性アミノ酸伝達に対する内因性抑制物質と考えられている。最近、研究代表者らは、キヌレン酸をネコの大脳皮質視覚野細胞に投与したところ、その光反応が完全に抑制されることを見い出した。この抑制効果が皮質視覚野の主な求心路である外側膝状体線維と皮質細胞間シナプスの伝達遮断によるのかどうかを、本研究で明らかにしようとした。2.結果。ネコ大脳皮質17野より記録した神経細胞のうち76個が外側膝状体の電気刺激に短潜時のスパイク発射でもって反応した。そのうち3個は逆行性に反応し、残りは順行性に反応した。この順行性反応は62%の細胞でキヌレン酸投与によって完全に抑制された。この結果は、キヌレン酸が外側膝状体線維と皮質細胞間シナプスに作用し、光反応や電気刺激反応を抑制することを示している。ただし、この抑制は受容体を介さない非特異的な抑制効果によるのかも知れない。この可能性を調べるため、外側膝状体刺激に対する逆行性反応がキヌレン酸投与によって変るかどうかを調べた。その結果、キヌレン酸が光反応を完全に抑えた時でも、逆行性刺激が細胞体スパイクを引き起す確率や潜時は全く変化しなかった。このことは、キヌレン酸の光反応や単シナプス反応抑制作用が膜電位を過分極させたり、あるいは膜の興奮性を非特異的に抑えたりして生じたものではないことを示唆している。3.考慮。以上の結果は外側膝状体よりの求心線維と皮質細胞間シナプスでは興奮性アミノ酸が伝達物質として働いている可能性を示唆する。ただし、当研究の方法、すなわち薬物の多連管電気泳動投与法では、キヌレン酸が受容体に作用する濃度を正確に定めることができない。したがって、現在皮質視覚野の薄切切片を作成してこの問題を追求中である。1.目的。2.結果。3.考慮。