hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
実用環境下における摩擦材料の凝着力の測定とその応用

鈍角圧子による圧痕の主な相違は、前者では圧痕の側面部に激しい塑性流動が見られるのに対し、後者では圧痕の底面部に比較的激しい塑性流動が見られることである。またFEM解析より、荷重の除荷過程における弾性回復量は、鋭角圧子による圧痕では鈍角圧子によるそれに比べはるかに小さいことがわかった。以上の結果から、鋭角圧子による実用材料の凝着現象は、潤滑油の有無に関わらず圧子の押込みにより新生面が露出しそれが圧子に凝着すること、加えて除荷過程において凝着部を破断させるほどの弾性回復が生じないことにより発生することが明らかとなった。昨年度に開発した凝着力測定システムを用いて、各種金属材料に鋭角ダイヤモンド圧子を押込み、そのときに生じる凝着力を測定した。またそれと平行して同一条件下で摩擦試験を行って摩擦係数を測定した。これより凝着係数と摩擦係数の間に相関があるかどうかを調べた。しかしながら、ダイヤモンドと金属の摩擦における摩擦係数は、潤滑・無潤滑を問わず、0.10.15の範囲にあり大きな差異を示さないため、ダイヤモンド圧子を用いての実験では凝着係数と摩擦係数の間に明確な相関があるかどうかを見出すことはできなかった。そこで、圧子材料を超硬圧子とし、また試験片として無酸素銅またはS45C鋼を用いて同様な実験を行い、凝着係数と摩擦係数の間に強い相関があることを見出した。また、この実験で、試験片材料ごとに整理すれば、一定の押込み荷重で生じる圧痕の大きさは潤滑条件により異なることを見出した。一方、圧痕表面に作用する面圧は、潤滑条件を変えてもほとんど変化しないことを示した。この結果を応用すれば、押込み試験から摩擦係数が推定できることを示した。すなわち、この推定摩擦係数と摩擦試験により実測した摩擦係数の関係を求めると、ほぼ一致することを見出し、潤滑状態の良否が押込み試験で推定できる可能性を示した。平成18年度は、凝着と摩擦に及ぼす通電および高周波振動の影響を調べると共に、凝着と摩擦との間に相関関係があるか否かを検討した。まず、150mV以下の通電を圧子(WC)と試験片(無酸素銅)間に行った結果、摩擦にも凝着力にも有意差は見られなかった。一方、それらの圧子と試験片間に高周波振動を負荷したところ、摩擦係数の減少が確認され、また測定できる凝着力は生じなかった。これらに加え、WC圧子の炭素鋼(S45C)および無酸素銅への押込みにおける圧痕測定、また摩擦力測定を行い、摩擦係数と圧痕の大きさとの関係、凝着力と摩擦係数との関係を各種の潤滑油剤中で詳細に調べた。その結果、静摩擦係数と圧痕の投影面積の逆数の間に直線関係があることを見出し、加工硬化の小さい材料では圧痕の大きさを測定することにより静摩擦係数が推定できることを示した。また、凝着力と静摩擦係数の間にも直線関係があることを示し、凝着測定から静摩擦係数が評価できる可能性を示した。本年度は、本研究課題の最終年度であり、3年間に得られた研究成果を総合的に評価・検討し、その結果を研究成果報告書としてまとめている。
ラットグルタチオントランスフェラーゼP遺伝子の肝癌特異的発現機構

われわれは、GPEIに結合する因子の解析を行い、肝癌細胞AH66と正常肝で比較検討したところ複数の因子がDPEIに結合することを見いだした。フットプリント法の結果より、1)GPEIのTRE-like配列に結合する因子、2)GPEIのTRE-like配列の20-50bp上流に結合する複数の因子を同定した。1)の因子は肝癌と正常肝でフットプリント上では差が認められないが、2)の因子は両者の間でフットプリント上で明らかな差が認められる。1)の因子はさらにDEAE-Sepharoseに結合するもの(C1)とそうでないもの(C2)に分かれる。これらの結果、GPEIに結合する因子は少なくとも4種類はあることが明らかとなった。1)の因子(C1及びC2)をDEAE-Sepharoseによって分画後、さらに二つのカラムで部分精製し、それらのDNA結合能をゲルシフト法及びフットプリント法で検討した。また、それぞれの分画をc-jun及びmafの抗体を用いたimmunoblotにて検討した。フットプリント法を用いた結合実験で、C1、C2共にGST-Pの転写に重要なcore GPEIの領域に結合することが分かった。又、ゲルシフト法及びフットプリント法で競合実験を行った結果、両因子共にcore GPEIのG→Tの点突然変異によって結合が著しく低下し、GPEI変異体の転写活性とC1、C2に対する結合活性とは特異性が一致することが分かった。さらにimmunoblotの結果、C1にはc-jun、maf共に検出されなかったが、C2にはc-junが検出された。また、C2にはmafの抗体と反応する55kDaのタンパク質が検出され、分子量より、新しいmafファミリーのタンパク質と考えられる。部分分画した再構成in vitro転写系で両因子の転写活性の検出を試みたが、GTS-Pプロモーターの活性が低いため未だ明確な結果は得られていない。以上より、C1、C2共にGST-Pの転写活性化に関与している可能性が大きく、それぞれの因子をさらに精製し、それらのcDNAを単離する予定である。1.ラットの肝化学発癌過程で高度に発現するグルタチオントランスフェラーゼP遺伝子の制御機構を解明するために、その上流に存在するエンハンサーGPEIをCAT構造遺伝子に繋ぎトランスジェニックラットを作出し、発癌実験を行いこのエンハンサーがGST-P遺伝子の肝癌特異的発現に必須であることを証明した。2.GST-P遺伝子は肝や腎で鉛イオンによっても活性化されることが判っているが、上記トランスジェニックラットを用いる事により、この活性化にもGPEIが必要であることを証明した。3.免疫組織化学を用いて、早期の前癌病変でGST-Pが上昇しているにも関わらず、c-junが発現していない病巣(foci)が多数あることを見出し、GPEIのトランス活性化因子としてAP-1/c-jun以外のものがある事を強く示唆した。(3.は癌研究所・北川知行所長、北大医学部生化学・西信三教授、酒井正春助教授との共同研究である)われわれは、GPEIに結合する因子の解析を行い、肝癌細胞AH66と正常肝で比較検討したところ複数の因子がGPEIに結合することを見いだした。1)の因子はさらにDEAE-Sepharoseに結合するものとそうでないものに分かれる。これらの結果、GPEIに結合する因子は少なくとも4種類はあり、どの因子がGST-Pの転写活性化に関与しているのは今のところ不明である。これらの因子の精製を進めるために、GST-Pを高発現しているAH66細胞をラット腹腔内で培養し、ラット120匹より大量の(600ml)核抽出液を調製した。次に、それぞれの因子を分離するために、幾つかのカラムクロマトグラフィーでの結合活性の挙動を検討した。我々の同定した因子の多くは、陰イオン交換樹脂とヘパリンに結合し、これらを用いて部分精製できることが明らかになった。さらに、ゲル濾過その他幾つかのラカムで各因子の挙動を調べており、それぞれの因子を他の因子より分離する方法を見いだす予定である。最後に、このように分離した因子の転写活性を調べるために、ラット正常肝より再構成in vitro転写系を構築中である。

また、それぞれの分画をc-jun及びmafの抗体を用いたimmunoblotにて検討した。フットプリント法を用いた結合実験で、C1、C2共にGST-Pの転写に重要なcore GPEIの領域に結合することが分かった。又、ゲルシフト法及びフットプリント法で競合実験を行った結果、両因子共にcore GPEIのG→Tの点突然変異によって結合が著しく低下し、GPEI変異体の転写活性とC1、C2に対する結合活性とは特異性が一致することが分かった。さらにimmunoblotの結果、C1にはc-jun、maf共に検出されなかったが、C2にはc-junが検出された。また、C2にはmafの抗体と反応する55kDaのタンパク質が検出され、分子量より、新しいmafファミリーのタンパク質と考えられる。部分分画した再構成in vitro転写系で両因子の転写活性の検出を試みたが、GTS-Pプロモーターの活性が低いため未だ明確な結果は得られていない。以上より、C1、C2共にGST-Pの転写活性化に関与している可能性が大きく、それぞれの因子をさらに精製し、それらのcDNAを単離する予定である。
哺乳動物の生体時計機構の培養下システムの開発とその分子細胞学的研究

1.哺乳動物の生体時計機構について(1)視交叉上核神経細胞の培養系確立:生体時計機構の局在する視交叉上核を酸素処理で細胞に分離培養した。神経線維連絡が出来た後に細胞還流を行い放出されるバゾプレッシンを測定した結果、日内リズムを計測できた。このことから、哺乳動物の時計局在細胞での時計機構解析が可能となった。(2)光再同調速度の計測:ラットを明暗条件下から急に異なる光条件に移すと新たな光条件に時計のリズムが再同調するまでに約1週間を要する。これが時計自身の再同調速度の遅さに起因するのか、あるいは表現型としての行動などのリズムの同調の遅さに起因するのかを調べた。その結果、時計自身の再同調速度は極めて速く、そこから付随的に発生する行動リズムなどが遅い事が判明し、時差ボケの原因に新たな解釈を提起できた。(3)時計関連蛋白質の検索:恒常暗下で飼育されるラットを3時間間隔で屠殺し、脳を取りだした後、視交叉上核を採取した。これを細胞に分離し、^<35>S-メチオニンを含む培養液で3時間培養し、その間合成された蛋白質を電気泳動法で分離し、これをオートラジオグラフィー、さらに、イメージスキャナーで時刻依存性に合成された蛋白質を検索した結果、64-kDa蛋白質のみリズムを示すことを見いだした。二つのピークがあり、これらのピークはは光や蛋白質合成阻害剤で時計が位相転移する時刻と一致した。また最近、植物で見いだされた時計関連蛋白質と全く同一分子量であることから、視交叉上核で見いだされたこの64kDa蛋白質は時計の本質に関わる可能性が高い。2.鳥類の生体時計機構について(1)鳥類の生体時計である松果体から分泌されるメラトニンは時計のリズムを反映し、夜に高く昼に低いパターンをしめす。このメラトニンは鳥類の行動を抑制的に作用し、夜間の上昇は行動を抑制している。しかし、夜行性鳥類にこの仮説が当てはまれば、夜の行動が抑制される事になり、予盾する。そこで夜行性鳥類のふくろうについて検討した結果、ふくろうの松果林は形態的に退化しつつあり、メラトニン分泌も極めて低い事が判明した。すなわち、夜間の行動はメラトニンが抑制されているため可能であると推察された。1.ほ乳動物の生体時計機構を細胞レベルで解析するため、ラット胎児の視交叉上核(体内時計の局在部位)を酵素処理により遊離細胞とした後,単層培養を試みた。培養条件の検討において、細胞接着因子ラミニンや、ポリオルチンーラミニンが、神経線維の成長に有効である事が判明した。前者の場合,神経細胞は集合して細胞塊を形成し、これらの細胞塊は、お互いに連絡し合い、神経ネットワ-クを形成した。培養液の検討では、無血清培養液(DMEMを基礎に、Progesterone,NGF,などを添加した物)が神経細胞の長期培養に適していた。この様にして神経細胞の培養系を確立した後,視交叉上核細胞の還流実験を行なった。

還流は37°C85%湿度の部屋で行い、2時間おきにサンプルを集めた。サンプル中のバゾプレッシンをラジオイムノアッセイで測定した。その結果,42例中12例において、著明なサ-カディアンリズムを認めた。周期は約27時間で、振幅は山が谷より約8倍の値を示した。またこのリズムは、還流終了の4日間を通じて維持され、ダンピングは起こらなかった。以上より、培養細胞が時計機構を維持している事が判明し、この細胞培養が、今後、時計機構解析の有力な手段になる事が予想される。2.生体時計は急な光条件の変化にすぐに再同調出来ず、約12週間を要する事が知られている。これが言わゆる時差ボケの原因となっている。しかし時計自身の再同調速度を測定した報告はない。これを行うためには、明暗条件変化後、恒常暗下におき、どの位相から自由継続リズムが出現するかを調べれば良い。行動リズムを指標に検討した結果,予想に反して、時計自身のリズムは、急な明暗条件の変化に23日間で再同調出来る事が判明した。この事は、従来の時差ボケの原因とは反するものであり、時差ボケとは、時計のリズムが、末端リズムにすぐに伝達されないために起こると考える方が妥当の様に考えられる。生物は生体内時計を有し、生理機能の多くはおよそ24時間周期の日内リズムを示す。鳥類では.この生体時計は松果体に存在すると考えられている。しかし生体実験で.松果体除去の日内リズムに及ぼす効果を調べてみると.その効果は鳥の種類によって異なる。例へば.スズメではすべでのリズムが消失するが.ハトでは.明暗条件下でのリズムのみ消失し.恒常暗下でのリズムは継続する。ウズラやニワトリでは.殆んどのリズムが松果体を除去しても消失しない。既ち.鳥類の松果体が果して.時計の局在部位であるかについては疑わしい。そこで.これらの鳥類の松果体を細胞に分離し、この細胞中に時計が存在するか否かを検討した。12時間明,12時間暗の照明条件下で細胞を培養し.この細胞から放出されるメラニンを調べた結果,スズメ,ハト,ヒヨコ,ウズラのいずれの松果体細胞も暗期に高く明期に低い日内リズムを示した。すなわち.これら鳥類の松果体細胞は.いずれも光受容システムを有し.これがメラトニン分泌を制御していることが判明した。次にこの松果体細胞を恒常暗下に置くと.メラトニン分泌リズムは.光とは関係なく.時計の支配下に限られる。その結果,ヒヨコ,スズメハトの松果体細胞は.恒常暗下でも約24時間の周期をもって.リズムの継続を示した。一方.ウズラの松果体細胞は.恒常暗下で直ちにリズムの消失を来たし.時計の存在が否定された。以上の結果.鳥類の松果体には.光に対する同調効果を有するものの時計機構にはかなりの種差が存在することが判明した。推測ではあるが進化の過程でうずらなど一部の鳥類では元来松果体にあった時計機構がその機能を他の部位(例えばほ乳類での視交叉上核)に依存していったのかも知れない。ほ乳動物の生体時計機構に関する研究では、本年度は時計機構に関わる蛋白質の検索を行った。明暗条件下及び恒常暗下で飼育されるラットを3時間間隔で屠殺し、脳を取りだした後、視交叉上核をパンチアウト方で採取した。これを機械的に細胞に分離し、^<35>S-メチオニンを含む培養液で3時間培養し、その間合成された蛋白質を電気泳動法で分離し、これをオートラジオグラフィーにかけた。さらに、イメージスキャナーで時刻依存性に合成された蛋白質を検索した結果、64-kDa蛋白質のみリズムを示すことを見いだした。
アノマー反転型酵素のグライコシンターゼ化の新展開と精密オリゴ糖合成

糖質加水分解酵素は、その反応機構の違いから「アノマー保持型」と「アノマー反転型」の2種に大別されるが、オリゴ糖合成に使用できるのは「アノマー保持型酵素」に限られるとされてきた。もし「アノマー反転型酵素」をオリゴ糖合成のツールとして利用できるようになれば、その応用範囲は飛躍的に広がることとなる。本課題においては、1,2-α-L-フコシダーゼ、還元末端オリゴキシラナーゼ、β-キシロシダーゼなどの「アノマー反転型酵素」を材料にして、その機能改変に取り組み、新規なオリゴ糖合成酵素へと変換することに成功した。糖鎖やオリゴ糖は、細胞の分化や発生また病原微生物の宿主への感染など生理的に重要なステップに関わる。これら糖鎖の生理機能を詳細に解明するためには、その糖鎖構造(オリゴ糖)を精密に合成することが不可欠である。本課題では種々の糖質加水分解酵素をグライコシンターゼの手法を用いて改変し、合成酵素へと特化することを試みている。平成19年度においては、1,2-α-L-フコシダーゼを改変することによって、母乳の主成分であり乳幼児をカンピロバクターなどの感染症から防御する機能を持つ2'-フコシルラクトースを合成することに成功した。本例は、アノマー反転型α-グリコシダーゼとしては初めてとなる。また、グライコシンターゼ化のあらたな候補として、ラクト-N-ビオシダーゼおよび1,3/4-α-L-フコシダーゼの遺伝子クローニングおよび組み換え酵素の発現に成功した。これらの酵素をグライコシンターゼ化することで1型糖鎖やルイス式血液型抗原決定基などの合成が可能となる。また、アノマー反転型β-キシロシダーゼの遺伝子クローニングも行った。糖質加水分解酵素(GH:Glycoside Hydrolase)は、その反応機構の違いから「アノマー保持型」と「アノマー反転型」の2種に大別される。このうち、糖転移反応を触媒するのは「アノマー保持型酵素」に限られるため、オリゴ糖合成に利用できる酵素は限られていた。また、本質的に加水分解酵素であるために、糖転移産物そのものが良い基質となり、その反応効率は一般的に極めて低い。近年、「アノマー保持型酵素」の求核基にアミノ酸置換を導入し、基質としてフッ化糖を使用することで、糖合成酵素へと変換できることが見いだされた。変異型酵素では加水分解反応が起こりにくいために、合成されたオリゴ糖は反応液中に蓄積する。本手法は、グライコシンターゼ化と呼ばれ、オリゴ糖合成の新たなツールとなっている。最近、我々はグライコシンターゼ化が「アノマー反転型酵素」にも応用可能であることを、還元末端オリゴキシラナーゼを使用して初めて報告した。そこで、本課題においては「グライコシンターゼ化」が、(1)他のアノマー反転型酵素にも摘要可能かどうか、また、(2)効率的なグラインターゼ化を図る上で、どの触媒残基を改変するのが最も有効であるか、について検討した。対象とした酵素は、1,2-α-L-フコシダーゼ、還元末端オリゴキシラナーゼ、β-キシロシダーゼである。その結果、いずれの酵素も、触媒残基のうち、一般塩基触媒を改変することでグライコシンターゼ化が可能であることが明らかとなった。また、1,2-α-レフコシダーゼおよび還元末端オリゴキシラナーゼについては、一般塩基触媒そのものではなく、その残基と隣接して相互作用している残基を改変した場合に、合成能が上昇することが示唆された。
矮新星爆発機構と激変星の進化についての研究

本研究代表者は,矯新星の爆発に関して,円盤不安定性モデルというパラダイムに基づく統一モデルを提案した。このモデルは,降着円盤の「熱的不安定性」と「潮汐不安定性」という二つの不安定性を組み合わせることにより,バラエティに富む矮新星の光度曲線を統一的に説明するモデルである。特に、SU UMa型矮新星のスーパーアウトバースト現象に関して、本研究代表者が提案した「熱-潮汐不安定モデル」は、TTIモデルと略称され、現在その有効性について世界的に活発に議論されている。本研究課題に関連して,平成12-15年度に行った研究実績は以下のようである。(1)矮新星EG Cncの再増光現象のモデルの提案:矮新星EG Cncで観測された再増光現象に対する新しいモデルを提案した。(2)や座WZ星の早期ハンプ現象:や座WZ屋の「早期ハンプ」現象の解釈として、連星の質量比が極端に小さい場合、爆発に伴って降着円盤が膨張し、2:1レゾナンスによる潮汐二本腕アームが出来るためであるという解釈を提案した。(3)矮新星の質量輸送量増大モデルの有効性の再検討:おおぐま座SU型の大規模爆発について、「質量輸送量増大モデル」を支持するとされる観測事項を再検討した。その結果、いずれの証拠も不十分で、質量輸送量増大モデルをサポートする証拠とはならないことを明らかにした(4)スーパーハンプ光度曲線による降着円盤のヘリカル・トモグラフィー:矮新星矮新星WZ Sgeで観測された複雑なスーパーハンプ光度曲線の新しい解析方法を提案した。(5)矮新星WZ Sgeの2001年の爆発の解釈:矮新星WZ Sgeの2001年の爆発の解釈を行った。結局、WZ Sgeの今回の爆発の色々な現象は基本的にはTTIモデルでうまく説明できること、質量流入量の増加は必要ないことが結論された。本年度の研究では、矮新星爆発モデルとして広く受け入れられている「円盤不安定性モデル」において、未解決の問題である降着円盤の粘性について検討した。具体的な問題としては、「や座WZ型星」と呼ばれる星の爆発後の再増光現象について研究した。この型の星の場合、爆発後に、続けて小さい爆発が繰り返されるという珍しい現象が知られている。この現象をもっともきれいな形でしめしたのが、1997年に爆発した「かに座EG星」と呼ばれる星で、主爆発終了後、7日の間隔で6回にわたり小爆発を繰り返した。ところが、6回目の爆発終了後、突然静かになり、現在もそのままの暗い状態にある。この現象を説明するため、爆発終了後、降着円盤の粘性が時間とともに減少するというモデルを検討した。ここで、降着円盤の粘性の起源として、磁気回転不安定性(Balbus-Hawley不安定性)によるMHD乱流粘性を考える。この場合、円盤の温度が低く水素ガスが中性になると、磁場が有限の電気伝導度のため散逸して、粘性が下がってしまうという可能性が考えられる。そこで、かに座EG星では主爆発後、円盤内で粘性による物質の移動と粘性の減衰という現象が同時進行し、両者の競争が起こる。粘性による物質移動が勝る場合、円盤内部で熱不安定が起こり、これが6回にわたる再増光と理解できる。6回目の爆発後、突然爆発が止まるのは、ほんのわずかのパラメータの違いで、粘性の減衰が物質移動に勝った結果であると考える。すると、円盤は一方的に温度が下がり、粘性の減衰も加速され、長い静穏状態に入る。

この様子を単純なモデルにして数値シミュレーションした結果、かに座EG星の光度曲線をうまく再現できることが分かった。以上の研究は、ドイツのマックスプランク天体物理研究所のMeyer夫妻との共同研究としてなされた。本年度の研究では、矮新星「や座WZ星」で観測される早期ハンプ現象の新しい解釈を提案したことである。矮新星の光度曲線で、いくつか異なったタイプの「ハンプ」と呼ばれる周期的な明るさの変動現象が知られている。代表的なものとしては、矮新星の静穏時に観察される「軌道ハンプ」と、おおぐま座SU型星の「スーパーハンプ」がある。最近見つかったハンプ現象として、や座WZ型矮新星の爆発の初期(爆発開始から約10日ほど)に、軌道周期で繰り返す「早期ハンプ」と呼ばれる現象がある。2001年7月に爆発した「や座WZ星」では、爆発の立ちあがりから詳しい観測がなされ、振幅が0.5等にも達する「早期ハンプ」が極めて明瞭に観測された。この「早期ハンプ」現象の解釈として、矮新星の円盤不安定性モデルに基づき、連星の質量比が極端に小さい場合、爆発に伴って降着円盤が2:1のレゾナンス半径にまで膨張し、2:1レゾナンスによる潮汐二本腕アームが出来るためであるという解釈を提案した。実際、連星の質量比qが0.08以下になると、円盤不安定性をきっかけとした爆発により、降着円盤の外縁は2:1レゾナンス半径まで膨張することが示される。矮新星爆発の円盤不安定性に基づく統一モデルとして、私が提案したモデルがある。このモデルでは、連星系における質量輸送率と降着円盤からの角運動量の引き抜きがどのように行われるかが、矮新星を異なったグループに分ける鍵になる。や座WZ型は、質量比がもっとも小さいグループで、降着円盤からの角運動量の抜き取りが、2:1レゾナンスに伴う二本腕の潮汐摩擦によるものであり、観測的には「早期ハンプ」で代表されるグループということになる。以上の研究は、ドイツのマックスプランク天体物理研究所のMeyer氏との共同研究としてなされた。本年度の研究は、おおぐま座SU型倭新星の爆発機構についてである。おおぐま座SU型矮新星は、スーパーアウトバースト(超爆発)と呼ばれる大きな爆発が起こることで特徴のある矮新星である。超爆発の起源については、私自身が1989年に提案した熱潮汐不安定モデル(略称TTIモデル)と伴星からの質量流入量が増加した結果とするモデル(略称EMTモデル)の二つが提案されており、最終的な決着に到っていない。そこで、これら二つのモデルについて比較、再検討した。特に、EMTモデルの根拠とされる矮新星の爆発時に伴星からの質量流入量が増加するという観測結果について再検討した。しかし、いずれの観測的根拠も不十分であることが示しされた。また、EMTモデルで想定されている、爆発の際に中心星および境界層からの放射で伴星が照射され、質量流入量が増加するというモデルについて考察を行った結果、円盤による遮蔽効果などを考えると、理論的にも質量流入量が増加するとは考えにくいことが明らかになった。一方、TTIモデルに対する批判として、スーパーハンプ現象が爆発の初期に現れるはずであるが、実際には多くの場合、極大時より2、3日遅れて現れるという点が指摘されてきた。この批判に対して、TTIモデルに新たな改良を提案した。すなわち、超爆発の引きがねになる最後の通常の爆発で、降着円盤の外縁がまず潮汐半径まで膨張し円盤全体が高温状態になり、その後から3:1レゾナンスによる潮汐不安定性による離心楕円円盤が成長してくるという描像である。
ビスフォスフォネート製剤の骨芽細胞・骨細胞への直接作用－BRONJと糖尿病の関連

本研究では、BP製剤が骨細胞・骨芽細胞に与える組織的メカニズム、および、BP製剤の骨細胞・骨基質に与える影響を糖尿病が増悪させる可能性について糖尿病モデルラットであるSDTfatty ratを用いて組織化学的に解明することを目的とした。Stimulatedemission depletion顕微鏡により、骨細管中のアクチン線維の走行、骨細胞・骨細管系の3次元ネットワークの観察に成功した。また、糖尿病ラットでは低石灰化を示すこと、骨細管においてDMP-1、OCNの強陽性を示すこと、骨髄内の血管増生が活発であることを確認した。以上より、糖尿病は骨細胞や血管系に影響を及ぼすことが示唆された。結果1HE染色では両群間に大きな違いは認めなかったが、マイクロCT観察を行ったところ、SDT fattyラットでは、骨幹端骨梁の数や幅が減少する傾向を認めた。しかし、破骨細胞の局在をTRAP染色を行い観察したが、両群とも成長板直下に破骨細胞を認め、その数に明らかな違いはなかった。SDTfattyラットおよびコントロール群ともに骨基質面上にALP強陽性骨芽細胞が局在しており、また、準超薄切片観察においても細胞体のふくよかな活性型骨芽細胞を認めた。2骨細胞・骨細管系についての検討した。鍍銀染色で骨細胞・骨細管系の走行を観察したところ、SDT fattyラットの骨梁および皮質骨における骨細胞・骨細管系は規則的な走行を示していた。しかし、骨梁の骨細管ではchondroitin-4-sulfateやDMP-1の陽性反応が減弱していた。ところが、SDTfattyラットの骨小腔では、オステオカルシン強陽性反応を認めた。3終末糖化産物(AGE)染色では、SDTfattyラットの外骨膜および骨髄内の細胞間隙の線維状構造物において強いAGE陽性反応を観察した。さらに、SDT fattyラットの骨幹部骨髄において多数のα-SMA陽性細胞およびCD31陽性血管内皮細胞を認め、血管新生が活発に行われていることが示唆された。糖尿病モデルラットは、突然死をきたすため個体数を多く得ることができない。現在、新たにラットを購入し飼育しているが、30週以上まで生育するのに時間を要するため実験の進捗がやや遅れている。糖尿病は顎骨壊死のリスクファクターと言われているため、その原因を検索すべく糖尿病ラットの歯周組織の異常を組織化学的に解明した。使用動物は昨年度と同様にSDT fattyラットを用いた。本ラットの血液検査の結果より、高血糖を示すほか、本ラットは高脂血症も示すことがわかり、従来使用されている糖尿病ラットよりもより糖尿病の病態に近い状態であることが分かった。その上で、各種組織科学による検索を行った結果、μCT及びH-E染色で、SDT fattyラット下顎骨の歯槽骨、特に根間中隔は、その高さが著しく低下していることを確認した。TRAP染色では、骨吸収を受けたと思われる鋸歯状の歯槽骨表面に、多数のTRAP陽性破骨細胞を認めた。SDTfattyラットにおけるED-1染色を行うと、多数のED-1陽性破骨細胞が歯槽骨表面に加え、根尖部の線維組織内にも認められた。さらに、ALP染色を行うと、同部位において多数のALP陽性骨芽細胞が観察された。よって、SDT fattyラットの歯槽骨は著しい骨吸収を受けたが、骨芽細胞の活性は維持されていると推察された。一方、歯髄組織は壊死しており、髄腔内部およびセメント質まで侵入するヘマトキシリン濃染の細菌塊を認めた。さらに、上皮組織は、根尖部に至るまで下降・侵入していた。よって、SDT fattyラットは、歯周組織における細菌感染が歯周組織深部に及ぶ一方、上皮組織と線維性組織の増生を示した。以上より、SDTfattyラットは高度な細菌感染と著しい歯槽骨の吸収を示す糖尿病性歯周病を発症することが示唆された。高度な細菌感染が生じている歯槽骨に対して、BP製剤による骨吸収抑制作用が加わることで顎骨壊死が誘発される可能性が考えられた。糖尿病ラットを用いた実験系においては、ラットの個体数が少なく、十分な解析ができていないため、まずは個体数を増やすことを目指す。その上で、下記の項目を検討する。1糖尿病ラットの準超薄切片で認められた細胞を同定するため、電子顕微鏡観察を行う。2糖尿病は骨質劣化を招くと言われているため、糖尿病ラットにおける骨質を検討するため、三点曲げ試験等を行う。3糖尿病の合併症として、微小血管障害は以前から指摘されている。本ラットにおいても、血管系の異常が認められた。したがって、糖尿病血管の組織化学的特徴を明らかにするために、電子顕微鏡や共焦点レーザー顕微鏡を用いて観察する。4糖尿病は、顎骨壊死発症のリスクファクターとして考えられている。

したがって、糖尿病ラットにBP製剤を投与したモデルを作製し、BP製剤と糖尿病が合併することで、骨組織にどのような影響を与えるか検索する。BP製剤の骨細胞への直接作用についてのメカニズムについての解析もやや遅れている。28年度が最終年度であるため、記入しない。口腔外科28年度が最終年度であるため、記入しない。
免疫細胞間シグナル応答のSPR・蛍光デュアルイメージングシステム

本研究は単一細胞レベルでの免疫細胞の細胞間シグナル応答を細胞内部と細胞外部の動的物質挙動を同じ位置でほぼ同時に計測・解析できるSPRと蛍光のデュアルイメージング技術を創製するものである。具体的には高解像度2次元SPRイメージングセンサに、高機能画像解析機能を備えた蛍光実体顕微鏡を装着することで、SPRイメージングにより肥満細胞やリンパ球の免疫応答時の動的挙動を、蛍光プローブ色素を用いた蛍光イメージングによりカルシウムイオンなど細胞内の動的挙動をそれぞれ同じ位置でほぼ同時に計測できるシステムを構築する。昨年度は、2次元SPRイメージング装置に、搬送用レール付高強度アームスタンドを介してレーザ共焦点蛍光観察ユニットを装着し、SPRイメージングと蛍光イメージングが相互に与える影響を調べたところ、励起光強度が弱いことや共焦点システムであることから影響は認められなかった。またラット肥満細胞にFluo-4を取り込み、脱顆粒反応時の細胞応答の細胞のSPR変化と蛍光変化(カルシウムイオン濃度変化)を同侍に測定することに成功した。本年度はまずPDMSを用いて、細胞配置用の複数の微小コンパートメントや薬液注入用の微小流路を配した細胞ネットワーク解析用細胞チップを作製した。次に極微量プログラマブルシリンジポンプ(本年度導入設備)を用いて極微量薬液注入システムを作製し注入特性を評価した。そして細胞ネットワーク解析用細胞チップ上の微小コンパートメントへの細胞導入を行い、そこへ細胞刺激薬物を局所的に極微量注入した際の細胞応答を、SPRイメージングと蛍光イメージングで同時計測することに成功した。まず高解像度2次元SPRイメージングセンサに、高機能画像解析機能を備えた蛍光実体顕微鏡を装着することで、SPRイメージングにより肥満細胞やリンパ球の免疫応答時の動的挙動を、蛍光プローブ色素を用いた蛍光イメージングによりカルシウムイオンなど細胞内の動的挙動をそれぞれ同じ位置でほぼ同時に計測できるシステムを構築する。本年度は、まず2次元SPRイメージング装置に、上下方向、水平方向(粗動は1方向のみ、微動はxy方向)の移動が可能な、搬送用レール付高強度アームスタンドを作製し、レーザ共焦点蛍光観察ユニットを装着した。そしてSPRセンサチップ上での細胞の蛍光イメージングを行い、その影響を調べたところ、金属薄膜であるウェル底面が蛍光観察に与える影響は認められなかった。一方、落射蛍光観察時は励起光が金属薄膜を透過しSPRイメージングに影響を与えると考えられたので、蛍光イメージング測定がSPRイメージングに与える影響を検討した。しかし励起光強度が弱いことや共焦点システムであることから影響は認められなかった。最後にラット肥満細胞にFluo-4を取り込み、脱顆粒反応時の細胞応答の細胞のSPR変化と蛍光変化(カルシウムイオン濃度変化)を同時に測定することに成功した。
エバネッセント光の動的空間分布制御による次世代半導体表面ナノ欠陥の高速計測法

定在エバネッセント光照明分布の動的制御,複数画像の逐次的再構成による超解像顕微法を基礎的に検証するための装置を開発し,定在エバネッセント光生成,散乱光結像,離散的サンプルによる解像実験を行った.提案手法の基礎原理を実験的に確認することができた.更に,ピクセルサイズと解像力との関係を計算機シミュレーションにより検討したところ,変調照明の微小シフトによりピクセルサイズ以下の解像(サブピクセル標本化)が実現する可能性があることがわかった.本申請研究と関連した研究として,結像光路を動的にサブピクセルシフトさせ顕微観察画像を高解像度化する手法を新たに提案し,シミュレーションおよび実験により有効性を検討した.更に,マルチビームの3次元干渉に基づいた広領域3次元空間変調照明の生成・制御手法を提案し,シミュレーションおよび実験により有効性を検討した.基盤C定在エバネッセント光照明分布の動的制御,複数画像の逐次的再構成による超解像顕微法を基礎的に検証するための装置を開発し,定在エバネッセント光生成,散乱光結像,離散的サンプルによる解像実験を行った.提案手法の基礎原理を実験的に確認することができた.更に,ピクセルサイズと解像力との関係を計算機シミュレーションにより検討したところ,変調照明の微小シフトによりピクセルサイズ以下の解像(サブピクセル標本化)が実現する可能性があることがわかった.本申請研究と関連した研究として,結像光路を動的にサブピクセルシフトさせ顕微観察画像を高解像度化する手法を新たに提案し,シミュレーションおよび実験により有効性を検討した.更に,マルチビームの3次元干渉に基づいた広領域3次元空間変調照明の生成・制御手法を提案し,シミュレーションおよび実験により有効性を検討した.照明光の動的空間分布制御による次世代半導体表面ナノ欠陥計測手法の確立を目的として,本研究課題と関連した研究である「変調照明シフトによる光学式超解像欠陥計測法に関する研究」において,光源波長488nm, NA0.95,回折限界313nmの光学結像系を用いて, 150nmラインアンドペースの解像および250nmラインアンドスペースの欠陥検出実験を行った.提案手法によって従来の光学顕微観察手法では解像することができないパターンを解像できること,ナノ欠陥を検出することが可能であることがわかった.以上から,この結果は次世代半導体の欠陥検査において意義深く重要である.本研究課題に関して,定在エバネッセント光照明分布の動的制御,複数画像の逐次的再構成による超解像顕微法を基礎的に検証するための装置を開発し,定在エバネッセント光生成,散乱光結像,離散的サンプルによる解像実験を行った.提案手法の基礎原理を実験的に確認することができた.この結果は,本研究課題を推進し,ナノ欠陥を高速に計測する手法の開発をするに際して意義深く重要である.本研究課題と関連した研究である「定在波シフトによる半導体ウエハ表面の超解像光学式欠陥検査」に関して,ピクセルサイズと解像力との関係を計算機シミュレーションにより検討したところ,変調照明の微小シフトによりピクセルサイズ以下の解像(サブピクセル標本化)が実現する可能性があることがわかった.この結果は, CCDエリアセンサを含む顕微観察系のような空間サンプリングのサイズが有限な系においてもピクセルサイズ以下の解像が行えること,すなわち,視野を狭めずに高分解能計測が可能な点で意義深く重要である.照明光の動的空間分布制御による次世代半導体表面ナノ欠陥計測手法の確立を目的として,以下の2つの研究を本研究課題と関連した研究として行った.1.レーザ照明の動的空間分布制御による超解像光学式欠陥検出法を確立するにあたって,提案手法の実験的検討を行うための装置を構築した.この装置は,多光束レーザ光の干渉による定在波照明(周期的強度分布)の生成機能,位相シフトによる照明光の空間強度分布のナノオーダー制御機能,暗視野散乱光結像機能,落射照明による明視野顕微鏡観察機能,観察試料の高精度位置決め機能,レーザ照明のコリメートおよび偏光制御機能,を有する.超長作動距離および高い開口数を有する対物レンズを用いて,ラインアンドスペース構造(NTT-ATN製:0.1μm1μm回折限界より微細な構造)の観察を行い,機能確認をするとともに,変調照明による超解像(モアレ効果)を半導体パターンのピッチ計測に応用した.その結果回折限界0.5μmより微細な0.2μmのピッチを誤差1%以内で計測した.2.3次元変調照明を精密計測に応用することを提案したうえで上記構築装置による変調照明生成機能を3次元に拡張するための指針を立てた.装置改良に先だって3次元FDTD法による3次元変調照明制御シミュレーションを行った.その結果,3次元方向それぞれに高い空間周波数(0.3μm程度)を有する局在エネルギ分布が1mmの空間領域に生成可能で,位相シフトによるナノオーダーの空間位置制御が可能であることが分かった.これらの結果は,実験的に光学的な超解像が確認できている点や,3次元的なナノイメージング技術への展開可能性を示唆している点で意義深く重要である.アクティブな空間光制御による高解像力イメージング手法の確立と次世代半導体のインプロセス計測への応用を目的として,以下の基礎的な研究を本研究課題と関連した研究として行った.1.結像光路を動的にサブピクセルシフトさせ顕微観察画像を高解像度化する手法を新たに提案し,シミュレーションおよび実験により有効性を検討した.実験の結果,サブピクセル光軸(画像)変位によって,高解像度化、ノイズ抑制,エイリアシング誤差の低減を実現した.

更に,MTF解析の結果,現実的な観察条件において,提案手法により0.1ピクセルの空間周波数が解像可能であることがわかった.2. 3次元空間変調照明を精密計測に応用することを目的として,マルチビームの3次元干渉に基づいた広領域3次元空間変調照明の生成・制御手法の提案を行った.実験装置構築に先だって,3次元変調照明に関する理論的解析(マルチビーム配置の最適化),3次元FDTD法による3次元変調照明生成・制御シミュレーションを行った.その結果,複数のレーザ光源の空間的配置の最適化,入射角制御,偏光制御によって,3次元方向それぞれに等方的に高い空間周波数を有する局在エネルギ分布が広領域に生成可能であることが分かった.更に,4光束干渉実験装置を構築し,ポリスチレンラテックス標準粒子を計測対象として3次元空間変調照明を3次元的に空間シフトさせた.その結果,理論およびシミュレーションに即した周期的な輝度変調が観察され,広領域3次元空間変調照明の生成を確認した.これらの結果は,広い観察視野においても高解像力・高速イメージングを実現し,次世代半導体の欠陥形状計測への展開可能性を示唆している点で意義深く重要である.基盤C
超高分解能走査型顕微蛍光分析装置の試作によるミクロ局所分析法の研究

本研究は、固体表面や生体物質の微細構造の光学的観測を行うために、従来の光学測定法とは全く異なった新しい原理に基づく顕微測光法の確立を目的として、超高分解能操作型顕微蛍光分析法を開発しようとするものである。すなわち、光学探針を試料表面に極めて接近させて二次元走査しながら、その先端に開けたピンホ-ルからミクロレ-ザ-光を照射し、試料の蛍光や透過光をホトンカウンティングにより高感度検出して試料表面のイメ-ジングを行うものである。本年度は、まず昨年度試作した顕微蛍光測定システムについて、光学探針の製作やデ-タ処理のためのソフトウエア-の開発を中心に改良を加えた。本法の分解能は、入射光の波長には依存せずに、光学探針のピンホ-ルの有効径、つまりピンホ-ルの孔径と探針の先端部を被覆する金属薄膜の光遮蔽度によって決まるので、光学探針の製作が最重要課題である。石英光ファイバ-の研磨法と金属被覆法の改良を行った。前年度用いたアルミニウム蒸着膜は遮光性に優れているが、石英との接着性があまり良くなく、また耐久性が悪いなどの欠点があった。今回、銀(パラジウム)-アルミニウム-金(クロム)の三層構造蒸着膜を採用した結果、極小ピンホ-ルの開口が容易になり、また1ケ月以上安定な光学探針を製作することに成功した。次に、本法の分解能についての検討を、蛍光ラテックス小球(0.2-0.5μm径)を用いて行った。その結果、ラテックスように厚みのある試料でも、100nm以下の高分解能が得られることが明かとなった。このことは、生体試料の観測に有効であることを示唆しているものと考える。さらに、光学探針と試料表面の距離と分解能との関係について詳細な検討を行った結果、探針を150nm以下に接近させると高感度が得られることが分かった。導電性試料の場合には、トンネル電流により光学探針の高さを制御できるので測定が容易となる。本研究は、走査型トンネル顕微鏡(STM)の微小走査技術を応用して、光学探針の先端部のピンホールから試料表面の近接場に入射されるミクロ励起光を二次元走査しながら、試料の透過光や、蛍光などをホトンカウント法により高感度検出する方法である。本年度は基本的測定装置の設計、製作を中心に研究を進めるとともに、2、3のミクロ試料に応用し、さらに改良を加えた。1.光学探針の製作:石英ファイバー(400μm径)を機械研摩により先端を鋭利にして、表面にアルミニュームを真空蒸着後,その先端にピンホール(約100nm径)を開けた。2.走査ユニットの設計と製作:この光学探針をX-Y走査するためのスキャニングヘッドは、STM用積層型ピエゾ素子を十字型に4個配置してセラミックス製枠に固定して、これを到立顕微鏡のステージに固定した。生体試料の測定を目的にしている関係で、広域型ピエゾ素子を用いて視野を10μm×10μmにし、さらに拡大観測をを可能にした。検討の結果、光学探針をZ軸(光軸)方向にだけ移動可能とし、試料をX-Yに走査させる方法に改良し、また粗動機構としてマイクロメータによる位置設定を行った。3.励起光の集光:近接場照射法では、励起光が波長以下の径のピンホールを通して照射されるため、その強度は極めて弱くなる。

励起光の効率を良くするために、当初の設計を変更して、ライトガイドを用いずにレーザー光を直接非球面レンズを用いて、光学チップ先端で、5μm^2に集光するように改良した。これにより約1000倍の照射光を得ることができた。4.分解能の検定:サブミクロン領域での適当な標準物が入手できなかったが、まず光ディスクの孔(0.6μm)を測定しSTMやSEM写真と比較検討した結果の0.1μm程度の分解能が得られていることが判明した。5.蛍光測定:標準試料として蛍光ラテックス(0.51μm粒)の測定を行った。6.生物試料の測定:透過光測定によるドライイースト菌の測定を行い良い結果を得た。本研究は、固体表面や生体物室の微細構造の光学的観測を行うために、従来の光学測定法とは全く異なった新しい原理に基づく顕微測光法の確立を目的として、超高分解能操作型顕微蛍光分析法を開発しようとするものである。すなわち、光学探針を試料表面に極めて接近させて二次元走査しながら、その先端に開けたピンホ-ルからミクロレ-ザ-光を照射し、試料の蛍光や透過光をホトンカウンティングにより高感度検出して試料表面のイメ-ジングを行うものである。本年度は、まず昨年度試作した顕微蛍光測定システムについて、光学探針の製作やデ-タ処理のためのソフトウエア-の開発を中心に改良を加えた。本法の分解能は、入射光の波長には依存せずに、光学探針のピンホ-ルの有効径、つまりピンホ-ルの孔径と、探針の先端部を被覆する金属薄膜の光遮蔽度によって決まるので、光学探針の製作が最重要課題である。石英光ファイバ-の研磨法と金属被覆法の改良を行った。前年度用いたアルミニウム蒸着膜は遮光性に優れているが、石英との接着性があまり良くなく、また耐久性が悪いなどの欠点があった。今回、銀(パラジウム)-アルミニウム-金(クロム)の三層構造蒸着膜を採用した結果、極小ピンホ-ルの開口が容易になり、また1ケ月以上安定な光学探針を製作することに成功した。次に、本法の分解能につにての検討を、蛍光ラテックス小球(0.2-0.5μm径)を用いて行った。その結果、ラテックスように厚みのある試料でも、100nm以下の高分解能が得られることが明らかとなった。このことは、生体試料の観測に有効であることを示唆しているものと考える。さらに、光学探針と試料表面の距離と分解能との関係について詳細な検討を行った結果、探針を150nm以下に接近させると高感度が得られることが分かった。導電性試料の場合には、トンネル電流により光学探針の高さを制御できるので測定が容易となる。
フェロモン源探索行動のモデル化に基づく新しい探索アルゴリズムの開発

昆虫は時々やってくるフェロモンを頼りにフェロモン源に到達できる.特にカイコガのオスは,視力が弱いにもかかわらずフェロモンを頼りにしてメスの場所を効率的に探索する.本研究では,フェロモン源を探索する過程を模倣したアルゴリズムを開発した.フェロモンについての探索者の観測を確率過程(点過程)としてモデル化し,ベイズ統計を用いることによりフェロモン源の位置を推定するアルゴリズムを開発した.そして,フェロモン飛散のシミュレーションを行うことで探索アルゴリズムの性能を評価した.また,点過程モデリング技術を用いてWebコンテンツの将来のアクセス数を予測する手法を開発した.動物は、時々やってくる匂い情報を頼りに匂い源に到達できる。例えば、オスのカイコガはフェロモンを頼りにメス(フェロモン源)まで効率的に到達することが知られている。もし、このような高度な探索行動を実現するアルゴリズムを提案できれば、情報工学と生物学に同時に貢献できるだろう。本研究課題では、探索者(昆虫)が時々流れてくるフェロモンを頼りにフェロモン源を探索する問題を考える。この問題は簡単に見えるが、フェロモンの拡散領域から外れると目標に到達できなくなる。早く確実に目標にたどり着くためには高度なアルゴリズムを必要とする。平成25年度は本探索課題を考察するための理論およびシミュレーション基盤の整備を行った。具体的には、一番単純な系である2次元格子上でシミュレーション、ベイズ統計に基づく探索アルゴリズムの構築に着手した。また、実験グループとの共同研究により昆虫(カイコガ)の嗅覚神経回路において神経細胞が匂い情報をどのように表現しているか調べた(Kobayashi, Namiki, Kanzaki, Kitano, Nisihkawa and Lansky, Brain Research 2013)。本課題とは若干異なるが、多細胞同時計測データから神経回路の設計図(神経細胞間のシナプス結合)を推定する手法を提案し、提案手法は既存手法に比べて推定精度が向上することを示した(Kobayashi and Kitano, Journal of Computational Neuroscience 2013)。本成果は、神経回路がどのような仕組みによって情報処理を実現しているかを研究する上で必要となる技術である。動物は時々やってくる匂い情報を頼りに匂い源に到達できる.例えば,オスのカイコガはフェロモンを頼りにメス(フェロモン源)まで効率的に到達することが知られている.このような高度な探索行動を実現するアルゴリズムを提案できれば,情報工学と生物学に同時に貢献できるだろう.本研究課題では,探索者(昆虫)が時々流れてくるフェロモンを頼りにフェロモン源を探索する問題を考える.この問題は簡単に見えるが,フェロモンの拡散領域から外れると目標に到達できなくなる。早く確実に目標にたどり着くためには高度なアルゴリズムを必要とする.平成26年度は本探索課題を考察するための理論およびシミュレーション基盤の整備を進めた.フェロモン飛散のモデルとして,ランダムウォークモデルを仮定し,シミュレーションを行うことにより探索者の行動戦略の違いが探索にかかる時間の分布へ与える影響を調べた.受動的行動戦略では,フェロモン源から少しずれてしまうと探索に非常に多くの時間がかかることが明らかになった.この成果は人工知能学会全国大会において発表予定である(小林, Lansky 2015).また本課題で用いるベイズ時系列解析技術の神経データマイニングへの応用として,単一神経細胞膜電位データから生理実験で用いる刺激が興奮性,抑制性シナプス入力へ与える影響を調べるためのデータ解析手法を開発した.モルモットの聴覚野から計測された膜電位データに開発手法を適用して,トーン刺激がシナプス入力へ与える影響を調べ,学術論文として発表した(Kobayashi, He and Lansky, Frontiers in Computational Neuroscience 2015).本成果は、神経回路がどのような仕組みによって情報処理を実現しているかを研究する上で必要となる技術である.動物は時々やってくる匂い情報を頼りに匂い源に到達できる.例えば,オスのカイコガはフェロモンの匂いを頼りにメス(フェロモン源)まで効率的に到達できることが知られている.このような高度な探索行動を実現するアルゴリズムを提案できれば,情報学と生物学に同時に貢献できるだろう.本研究課題では,探索者(昆虫)が時々流れてくるフェロモンを頼りにフェロモン源を探索する問題を考える.この問題は簡単に見えるが,フェロモンの拡散領域から外れると目標に到達できなくなる。早く確実に目標にたどり着くためには高度なアルゴリズムを必要とする.平成27年度は本探索課題を考察するための理論およびシミュレーション基盤の整備を行った.

フェロモン飛散のモデルとして,ランダムウォークモデルを仮定し,シミュレーションを行うことにより,探索者の行動戦略の違いが探索にかかる時間へ与える影響を調べた.受動的行動戦略では,フェロモン源から少しでもずれてしまうと探索に非常に多くの時間がかかることが明らかになった(小林, Lansky,人工知能学会全国大会2015).さらに,進化的計算を利用して,効率的に探索を行うアルゴリズムを求めることができるか検討を行っている.本課題で用いるベイズ時系列解析を社会データマイニングへ応用する研究を進め, Webとソーシャルメディア分析を扱う国際会議であるAAAI Conference on Web and Social Mediaにおいて発表を行う(Kobayashi & Lambiotte ICWSM 2016).本技術は,社会における情報拡散のメカニズムを理解する上で重要であるだけでなく,ソーシャルネットワークの技術を向上させるためにも応用されることが期待される.フェロモン源探索のアルゴリズム開発や探索環境のモデリングについては当初計画に比べて若干の遅れが見られる.しかし,本課題で用いるベイズ時系列解析を脳,社会データマイニングへ応用した研究を学術誌(BioSystems, Mathematical Biosciences and Engineering, Nonlinear Theory and Its Applications IEICE),国際会議(ICWSM 2016)で発表できた.動物は時々やってくる匂い情報を頼りに匂い源に到達できる。例えば、オスのカイコガはフェロモンの匂いを頼りにメス(フェロモン源)まで効率的に到達できることが知られている。このような高度な探索行動を実現するアルゴリズムを提案できれば、情報学と生物学に同時に貢献できるだろう。本研究課題では、探索者(昆虫)が時々流れてくるフェロモンを頼りにフェロモン源を探索する問題を考える。この問題は簡単に見えるが、フェロモンの拡散領域から外れると目標に到達できなくなる。早く確実に目標にたどり着くためには高度なアルゴリズムを必要とする。平成28年度は本探索課題を考察するための理論およびシミュレーション基盤の整備を進めた。フェロモン飛散のモデルとして、ランダムウォークモデルを仮定し、シミュレーションを行うことにより,探索者の行動戦略の違いが探索にかかる時間へ与える影響を調べた。また、ベイズ統計学や強化学習を用いたモデルのシミュレーションを行うことにより、最適な行動戦略を導くアルゴリズムについての研究を進めた。本課題で用いるベイズ統計学を社会データマイニングへ応用する研究を進めた。この研究成果は、Web情報学におけるトップカンファレンスであるICWSM 2016, WWW 2017において発表を行った。開発した技術は、社会における情報拡散のメカニズムを理解する上で重要であるだけでなく、魅力的なWebコンテンツの開発や効率的なマーケティングに応用されることが期待される。昆虫は時々やってくるフェロモンを頼りにフェロモン源に到達できる.特にカイコガのオスは,視力が弱いにもかかわらずフェロモンを頼りにしてメスの場所を効率的に探索する.本研究では,フェロモン源を探索する過程を模倣したアルゴリズムを開発した.フェロモンについての探索者の観測を確率過程(点過程)としてモデル化し,ベイズ統計を用いることによりフェロモン源の位置を推定するアルゴリズムを開発した.そして,フェロモン飛散のシミュレーションを行うことで探索アルゴリズムの性能を評価した.また,点過程モデリング技術を用いてWebコンテンツの将来のアクセス数を予測する手法を開発した.フェロモン源探索問題の理論およびシミュレーション基盤の整備は当初計画に比べて若干の遅れがあるが、神経データマイニングアルゴリズムについての成果を国際学術誌で発表できた.