hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
平滑筋細胞レベルからみた消化管運動の研究

(1) selective receptor protectionの手法を用いてCCKおよびadrenomedullin以外の受容体を不活化した平滑筋細胞では,CCK-8の収縮作用はadrenomedullinにより抑制されるがCGRPは部分的に抑制した.一方CCKおよびCGRP以外の受容体を不活化した細胞では,CCK-8の収縮作用はCGRPにより抑制されるがadrenomedullinは部分的に抑制した.この結果はadrenomedullinとCGRP両方に対する共通の受容体と,各々に特異的な受容体の存在を示唆している.(2) BNPが平滑筋細胞を直接弛緩させ,NO合成酵素によるNO産生,それに引き続くsoluble guanylate cyclaseの活性化によるc-GMPの産生がBNPの弛緩作用に関与していることを明らかにした.またc-AMPの関与を示唆する成績も得ている.selective receptor protectionの手法を用いた検討では,BNPはANPと共有する受容体とBNP特異的な受容体を有することが明らかになった.(3) TRHの平滑筋弛緩作用はANP antagonistおよびVIP antagonistにより抑制され,TRH,ANP,およひVIPには共通のbinding siteが存在することが示唆された.selective receptor protectionの手法を用いた検討にて,TRHがVIP-specific receptorに結合し弛緩反応を引き起こすことを明らかにした.(1)AM拮抗剤、CGRP拮抗剤はAM、CGRP、calcitonin、amylinの平滑筋弛緩作用を全て用量依存性に抑制した。selective receptor protection法においてAM結合部位のみの活性を残した細胞ではAM>CGRP>>calcitonin=amylinの順、CGRP結合部位のみの活性を残した細胞ではCGRP>AM>>calcitonin=amylinの順、calcitonin結合部位のみの活性を残した細胞ではcalcitonin>AM=CGRPの順、amylin結合部位のみの活性を残した細胞ではamiylin>AM=CGRP>>calcitoninの順で弛緩作用を認めた。この結果はこれらのペプチドが平滑筋細胞において個々の受容体を有し、各ペプチドの個々の受容体以外の受容体に対する親和性はAMとCGRPが最も強く、calcitoninとamylinは比較的弱いことを示している。(2)BNPの平滑筋弛緩作用はsoluble guanylate cyclase阻害剤及びcAMP-dependent protein kinase阻害剤により有意に抑制された。また細胞内cAMPをEIAにて測定し、BNP刺激後にcAMP濃度が有意に上昇することを発見した。この結果はnatriuretic peptideにおける既知の細胞内情報伝達経路であるcGMP系以外に、BNPにおいてはcAMPを介する伝達機構が存在することを初めて明らかにした。(3)bradykinin(BK)が平滑筋細胞に直接作用し収縮を惹起させること、その収縮作用はBK2受容体拮抗剤により抑制される知見を得ている。今後平滑筋細胞におけるBK受容体の詳細を明らかにしていく方針である。一酸化窒素(NO)は平滑筋の弛緩作用を有し、消化管運動をコントロールする重要な物質であり、神経細胞のみならず消化管平滑筋細胞内でも合成されると考えられている。そこで、1.モルモットの消化管の各部位の平滑筋細胞におけるNO合成酵素の分布をrt-PCR法により検討した。また、2.モルモット大腸輪走平滑筋細胞ににおけるbradykininの直接作用およびその受容体、3.c-type natriuretic peptide(CNP)の直接作用および作用機序を検討した。(1)NO合成酵素の発現は胃、小腸、近位大腸の全ての平滑筋細胞に認められたが、特に小腸に豊富に発現を認めた。NOは作用時間がペプチドと比べ非常に短いことが知られており、今回の成績は、内容物を貯留する胃や近位大腸に比べ推進性の蠕動運動が重要な小腸においてNOがより重要な役割を果たすことを示唆するものと考えている。(2)bradykininは大腸輪走平滑筋細胞に直接作用し、用量依存性の収縮作用を惹起すること、この収縮作用を選択的bradykinin-2受容体拮抗剤は高濃度においてのみ部分的にしか抑制できないこと、選択的bradykinin-1受容体刺激剤は大腸輪走平滑筋細胞に対し何ら収縮作用を惹起し得ないことを明らかにした。この成績は既知のbradykinin-1,-2受容体以外の未知のbradykinin受容体サブタイプが大腸輪走平滑筋細胞上に存在する可能性を示唆している。(3)CNPは大腸輪走平滑筋細胞に対して弛緩作用を有すること、CNP刺激により細胞内cGMPが上昇する知見を得ている。今後bradykinin受容体、CNP受容体の詳細を明らかにしていく方針である。
インフレーション宇宙における物質の起源とその揺らぎの進化

WMAPの観測結果はインフレーションモデルに様々な示唆を与えた。特に大きなスケールにおいて揺らぎが極端に小さい可能性がある事が指摘された。我々は超対称性理論に基づいたインフレーションモデルによってこの様な特徴を持った宇宙背景輻射を生成することが可能である事を示したが、現実的なインフレーションモデルを用いて示したのは我々が最初である。加えて、WMAPの結果はCMBの角度スペクトラムに音波振動によるピークとは異なる振動パターンが存在する可能性を示唆している。我々はインフレーションがつくる初期密度揺らぎに鋭いピークあるいは凹みがあれば、この様な振動パターンが生成されることを示した。更に我々は、従来困難と思われていた、超対称性標準理論の枠組み内でのインフレーションモデルの構築に成功した。このモデルは未発見の超対称性粒子の質量行列にある種の予言をするため、宇宙背景輻射の観測だけではなく近い将来LHCなどのコライダー実験によって検証可能である。モヂュライと呼ばれる重力的にしか相互作用しないスカラー場の存在が超ひも理論等で予言されている。しかしながら、この様なスカラー場は様々な宇宙論的問題を引き起こす。この問題を解決する為、thermal inflationに代表される様に、大きなエントロピー生成によってモヂュライを薄めるアイデアがあった。しかしながら、thermal inflationはアフレックダインバリオン生成機構と両立しないという問題がある。そこで我々は位相欠陥を用いた新しいエントロピー生成を提案し、モヂュライ問題を解決しつつ、バリオン生成機構と両立しうる事を示した。超対称性標準理論に存在する平坦方向を用いたバリオン生成機構としてアフレックダイン機構がこれまでよく調べられてきた。しかしながら、低エネルギーの有効理論の範囲ではどの平坦方向が選ばれるか決めることができない。そしてアフレックダイン機構が働かない平坦方向が多く存在している。その様な平坦方向が選ばれた場合にも自発的バリオン生成機構が働き、物質と反物質の起源を説明できることを示した。カーバトンモデルと呼ばれる機構が密度揺らぎの起源として近年提唱された。その候補となる、モヂュライ場、D-、F-flat directions、アフレックダイン場、右巻きスカラーニュートリノ場のつくる密度揺らぎの性質について詳細に調べた。特に、WMAP衛星による宇宙背景輻射の結果と照らし合わせ、各候補について制限を与えた。また、アフレックダイン場がカーバトンである場合に、熱浴からの負のlogポテンシャルが存在するシナリオについて考察を与えた。WMAP衛星による宇宙背景輻射から、大きなスケールでの揺らぎが小さいことが示唆されている。この様な特徴を持つ密度揺らぎを与えるインフレーションモデルとして、ハイブリッドニューダブルインフレーションモデルを提唱した。超対称性標準理論に存在する平坦方向がインフレーションを引き起こす可能性について検証した。そして第一世代のみからなるD-flat directionを用いれば、観測結果に矛盾することなくケオティックインフレーションを引き起こす事を示した。近年のニュートリノ振動実験の結果から、ビッグバン元素合成前にはニュートリノの非対称性はフレーバー間で平衡化される事が示されていた。しかしながら大きなニュートリノの非対称性はビッグバン元素合成と宇宙背景輻射の結果を無矛盾にするためにしばしば必要となる。そこで、ニュートリノにマヨロンとの相互作用を導入することで、ビッグバン元素合成前のニュートリノ振動を止めることができることを解析的、数値的に示した。ビッグバン元素合成理論の予言する軽元素の存在量と実際の観測量の間には隔たりがある。また宇宙背景輻射から示唆されるバリオン数とビッグバン元素合成理論から決まるバリオン数との間にも開きがある。そこでQボールと呼ばれるノントポロジカルソリトンを用いることで、ビッグバン元素合成後にバリオンを放出するシナリオを提唱した。これによって全ての軽元素と宇宙背景輻射から示唆されるバリオン数が無矛盾となる事が示された。
DNA損傷による幹細胞化誘導機構の探索

申請者らは、ヒメツリガネゴケにおいて、DNA損傷が細胞リプログラミングを介した幹細胞化を誘導することを発見した。この結果を受けて、本課題では、DNA損傷が幹細胞化を誘導する分子機構の解明を主な目的として研究を行った。その結果、DNA損傷による幹細胞化に必須のDNA修復関連因子と傷害応答幹細胞化因子を同定した。さらに、別のDNA損傷関連因子が正常な精子形成過程におけるクロマチン構造制御に不可欠であることを解明した。以上の結果から、DNA損傷がDNA修復と傷害応答幹細胞化経路を介して幹細胞化を誘導すること、DNA損傷が精子形成という細胞リプログラミング現象に機能することを解明した。申請者らは、基部陸上植物ヒメツリガネゴケにおいて、DNA損傷が細胞リプログラミングを介した幹細胞化を誘導することを発見した。この結果を受けて、本研究では以下の2点を研究目的とした。(1) DNA損傷が幹細胞化を誘導する分子機構を、DNA損傷誘導後のトランスクリプトーム解析とDNA損傷応答因子の機能解析から解明する。(2)精子・卵細胞形成や受精後の初期胚発生、胞子形成や物理的傷害ストレスによる幹細胞化など、既知の細胞リプログラミング現象にもDNA損傷が機能しているという仮説を立て、DNA損傷応答因子の機能解析とDNA損傷マーカー株の確立・観察によってその仮説を検証する。(1)複数のDNA損傷応答遺伝子について欠失株を作出したところ、欠失株においてDNA損傷による幹細胞化が起きなくなる遺伝子を同定した。この遺伝子が幹細胞化をトリガーしていると考えられた。また、DNA損傷誘導後のトランスクリプトーム解析によって、DNA損傷応答遺伝子の発現上昇の後、一過的に発現が上昇する遺伝子群を抽出できた。この中には植物ホルモン合成遺伝子、クロマチン関連遺伝子などが含まれている。これらの中に、DNA損傷と幹細胞化をつなぐ遺伝子が含まれていると考えられた。(2) (1)で同定した遺伝子とは別のDNA損傷に関連する遺伝子を欠失させた結果、胞子体形成率が著しく低下した。胞子体形成率の低下は、精子形成、卵細胞形成、初期胚発生のいずれかに異常が生じたため引き起こされる。DNA損傷関連遺伝子欠失株と野生株の掛け合わせ実験を行い、遺伝子欠失株では精子形成に異常があることを解明した。このことは、正常な精子の形成にDNA損傷が機能していることを示している。DNA損傷がいつ、どのように精子形成に機能しているかを解明するために、遺伝子欠失株と野生株を用いて、精子形成の詳細な観察を進めている。(1)については、トランスクリプトーム解析が順調に進行した結果、DNA損傷と幹細胞化をつなぐ遺伝子の候補が複数得られている。また、DNA損傷応答遺伝子の中から、幹細胞化をトリガーすると思われる遺伝子も同定できた。(2)については、(1)とは別にDNA損傷関連遺伝子が精子形成に機能していることを解明したことから、「既知の細胞リプログラミングにDNA損傷が機能している」という仮説の検証に前進した。以上のように、(1)、(2)の両方について、実験は順調に進行し、期待通りの結果が得られている。そのため、「おおむね順調に進展している」とした。(1) DNA損傷誘導後のトランスクリプトーム解析とクロマチン修飾のChIP-seq解析の結果を合わせて解析した結果、DNA損傷に応答しない遺伝子群には抑制型クロマチン修飾がほとんど局在しないのに対し、DNA損傷に応答して発現が変化する遺伝子群には抑制型クロマチン修飾を有する遺伝子が多く含まれていることを明らかにした。このことから、DNA損傷応答に対するクロマチン修飾の寄与が示唆された。(2)物理的傷害ストレスによる幹細胞化に機能する複数の遺伝子の欠失株にDNA損傷を誘導したところ、幹細胞化が起きない欠失株を発見した。この欠失株の原因遺伝子が、DNA損傷応答と幹細胞化をつなぐ因子と考えられた。また、平成28年度に同定した、精子形成に機能するDNA損傷関連遺伝子の欠失株の表現型をさらに詳細に解析した結果、精子形成過程において正常なクロマチンの凝集が起きないことが明らかとなった。DNA損傷がクロマチンの凝集に機能することが示唆された。(1) DNA損傷応答遺伝子の発現上昇の後、一過的に発現が上昇する、DNA損傷と幹細胞化をつなぐ遺伝子の候補群について、それぞれ遺伝子欠失株を作出する。

欠失株において、DNA損傷応答は正常であるものの、DNA損傷による幹細胞化が起きなくなる遺伝子が、DNA損傷と幹細胞化をつなぐ遺伝子であると考えられる。(2)正常な精子形成に機能することが分かったDNA損傷関連遺伝子が、精子形成過程における細胞リプログラミングのどのプロセスに機能しているのかを、野生株と遺伝子欠失株との精子形成過程をさらに詳細に比較することで解明する。また、トランスクリプトーム解析によって同定した、DNA損傷応答後すぐに発現が上昇する遺伝子について蛍光タンパク質遺伝子を挿入し、DNA損傷のマーカー株を作出する。このマーカー株を用いて、精子形成過程にDNA損傷が起きているかどうかを観察する。また、(1)で作出した、DNA損傷による幹細胞化が起きない遺伝子の欠失株を用いて、既知の細胞リプログラミング現象である、精子形成、卵細胞形成、初期胚形成、胞子形成、傷害による幹細胞化に何らかの異常がないか観察する。もし異常があった場合は、細胞リプログラミング過程のどの過程に異常が生じているのかを詳細に解析し、明らかにする。以上の結果をまとめて、論文を執筆する。発生生物学、分子生物学、植物分子・生理科学、エピジェネティクス主に旅費に余剰が生じた。旅費は、主に研究協力者との研究打ち合わせのために計上していたが、インターネットテレビ電話サービスを利用して研究打ち合わせを行うなど共同研究を効率的に推進した結果、経費を節約することができた。「物品費」は、分子生物学実験用試薬、植物育成・採取用器具など本計画に必要な消耗品の購入に引き続き使用する。「旅費」については、研究協力者との共同研究のための旅費や、国内・国際学会に参加するための旅費に用いる。「人件費・謝金」は、分子生物学実験や植物実験に素養のある技術支援員を雇用するために用いる。「その他」は、主に論文の英文校閲費用、出版費用として用いる。アウトリーチ活動・基礎生物学研究所一般公開2016「生き物の不思議」、2016年10月8日、岡崎カンファレンスセンター(愛知県岡崎市)
参加型水管理における水田用水量構造の研究

参加型水管理という条件下における用水量問題は、水田の物理的な性質から決まる自然科学的な用水量とは異なる性質を持ち、用水をより多くまた確実に確保したいと考える農民の間の利害対立から考えなくてはならない。一方、農業用水開発に資金を提供する国家は、灌漑設備から最大の収益を得るとともに、農民間の平等の実現を行動の目標にしている。用水配分における搬送効率が100%だとした場合に、平等排水と最大収益の実現は一致する。そうでない場合はいずれかの目標を優先する必要がある。異なる行動目標を持つ農家を水管理に参加させながら、国家としてその目標を実現させるためには、国家目標を農民に対して明示しながら、対立する農民同士の直接交渉による決定のシステムを導入する必要がある。このような視点からベトナム、タイ、日本における灌漑用水管理が整理された。タイ国北部地域のムアンファイ(伝統的灌漑システム)で一切の公的支援なしに、統制のある維持管理活動が持続している背景には、その費用負担について合理性を持つ方式が採用されていることが解明された。ベトナムメコン河および紅河のデルタでは、低湿地域における輪中方式という環境条件での用水管理において、低い位置にある水を水田の位置までいかに揚水するかが重要な問題であり、その一方法として紅河デルタでは共同揚水式灌漑が合理性を持つが、共同施設の管理が課題になる。そこでは一般に、システムレベルは灌漑概管理会社IMC(公的機関)が管理し、末端部分は農業組合が管理する方式が一般的である。しかし、市場経済化を進めるベトナムでは、IMCが十分に機能せず、仕方なく末端の組合および村、集落が維持管理活動に関わるという形態を取っている。日本では、胆沢平野の導水路保護組合に見られるように、農民以外の市民の参加による用水路管理活動が産まれており、農業用水から地域用水への展開と捉えられる。日本においては、茨城県小貝川水系の福岡堰用水において、水位計を設置し、全体の受益面積のおおよそ半分に相当する上流部に於ける農業用水の取水量を連続観測するとともに、地区内用水配分状況も把握した。また、取水量に対する水田還元水量を大観測地区と小観測地区の両方において実測し、取水量に対する排水量の関係を観測した。土地改良区の管理体制を、総代選出の単位という視点で、集落との関係を調べ、用水管理における話し合い調整の単位について調べた。また、岩手県北上川水系胆沢川の胆沢平野土地改良区において、幹線用水路から支線用水路、末端水路に至るレベル別の管理体制を、土地改良区と農民の責任区分という観点から調査し、資料を整理した。また各団体に於ける活動内容、用水配分調整の現状を整理した。ベトナムにおいては、北部紅河流域で、下流デルタ地帯の輪中開発地域の用水及び配水のシステムとその管理状況を視察し、灌漑排水管理公社の管理体制、各村の意志決定機構を調査した。対象は、La Khe Irrigation and Drainage Company、Nam Duan IDMCである。また、紅河支流の傾斜地地域の灌概地区(貯水池あり)として、Tuyen Quang ProvinceのThuy Nong Ngoi La灌漑地区、Thai Nguyen ProvinceのHon Nui Coc Irrigation schemeを調査した。市場経済化後に合作社の役割が強く残った地区と、民営化・個人化が進んだ地区では、用水管理の体制に大きな違いがある。しかし全体としては、農地配分=自由化後の水管理には、個々の農民に、より多くの水を確保したいという願望がうまれ、農民参加型の水管理体制構築の必要性が生じていることを確認した。昨年に引き続き、茨城県小貝川水系の福岡堰用水において、水位計の設置による水収支観測を実施し、全体の受益面積のおおよそ半分に相当する上流部に於ける農業用水の取水量を連続観測するとともに、地区内用水配分状況も把握した。

また、取水量に対する水田還元水量を大観測地区と小観測地区の両方において実測し、取水量に対する排水量の関係を観測した。土地改良区の管理体制を、総代選出の単位という視点で、集落との関係を調べ、用水管理における話し合い調整の単位について調べた。また、岩手県北上川水系胆沢川の胆沢平野土地改良区において、幹線用水路から支線用水路、末端水路に至るレベル別の管理体制を、土地改良区と農民の責任区分という観点から調査し、資料を整理した。また各団体における活動内容、用水配分調整の現状を整理した。タイ国においては、チャオプラヤ川上流部における伝統的農民水管理組織の調査を行うとともに、近代技術導入の影響を検討した。比較的小規模なものに限られるが、農民自身による純粋な参加型水管理が、ルールに基づく代表者選挙、受益に基づく費用の賦課と徴収、水配分操作、違反者に対する罰則など、基本的に日本とかわらないシステムを導入していることを確認した。ベトナムにおいては、昨年度における紅河流域との比較を行うため、メコン河下流デルタ地帯の水利開発、利用のシステムを調査した。大河川の潮汐を利用した広大な面積の開発には、基幹施設としての幹線水路の開発と、それにつながる小規模水路の組み合わせが必要であり、小規模水路については関係農家による協同的水管理が見られる。しかし、北部と比較して相対的に水不足問題は重要ではないものの、施設の維持管理の面では農民参加が必要になっている。ベトナム、タイ両国における灌漑用水管理に、受益者である農民がどのように関わりを持ち、組織的に参加しているかについて、現地調査を中心に情報を集め、整理した。タイ国では、北部タイ地域のムアンファイと呼ばれる伝統的灌漑システム地域、およびそれらの地域に対して近代的な灌漑事業が実施されたメクワン灌漑事業地区を捉え、その管理への農民参加の現状から、どのように農民参加の制度的なシステムの構築が望ましいのかについて、検討を行った。ムアンファイでは、厳しい自然的地形的条件の下で、一切の公的支援なしに、統制のある施設の維持管理活動を実施している背景には、その費用負担について合理性を持つ方式が採用されていることが解明された。ベトナムにおいては、メコン河および紅河のデルタで調査を行い、低湿地域における輪中方式という環境条件での用水管理方式について検討を行った。その結果、デルタ地域ではそのように低い場所にある水を水田の位置まで揚水するかが重要な問題であり、その一つの方法として紅河デルタにおける機械揚水式灌漑を取り上げた。そこでは一般的に、システムレベルは灌漑管理会社IMC(公的機関)が管理し、末端部分は農業組合(農民参加が可能)が管理する方式が一般的である。しかし、市場経済化を進めるベトナムでは現在、IMCが十分に機能せず、仕方なくという形で、末端の組合および村、集落が維持管理活動に関わるという形態を取っている。そのため、上流と下流で農民の用水利用可能量に差が生じている。
等質空間上の球関数に対する母関数,およびその表現論における位置付け

V.Bargmannは次のことを示した。n次元ユークリッド空間R^n上のL^2空間と、ある内積を持ったC^n上の正則関数からなるヒルベルト空間との間に、ユニタリな積分作用素が定義でき、しかもその積分核はエルミート多項式の一種の母関数として捉えられる。それでは、かってに与えられた直交多項式系について、エルミートの場合と同じことが考えられるだろうか。すなわち、適当なL^2空間および正則関数からなるヒルベルト空間があって、それらの間にユニタリな積分作用素が定義でき、かつその積分核は、もとの直交多項式系の一種の母関数として捉えられるか。私は以前、等質空間SO(n)/SO(n-1)上の帯球関数系およびU(n)/U(n-1)上の帯球関数系に対し、この疑問が肯定的に解決できることを示した。また前者の結果から、通常のポアソン積分が得られることもわかった。そこで後者の表現論的意味づけを、当該年度のテーマとしたのであるが、これについて、通常のポアソン積分の一般化とも解釈できる、帯球関数に対する新たな特徴づけ定理を得た。さらにこれを発展させて、一般の等質空間上の帯球関数系において、先に述べた性質をもつ母関数を与えることと、帯球関数に対する特徴付け定理とはいかなる関係を有するのか。とりわけ、表現論的観点から、どのような解釈ができるか。という点について、いくつかの手がかりも得た。
Default mode network解析による脳内疼痛処理機構の解明

本研究では脳活動の3次元的な解析が可能な脳機能画像法(f-MRI)と近年注目されるdefault mode network (DMN)の解析を利用し、疼痛の脳内処理過程の検討を行った。他動的な関節内包運動である関節運動学的アプローチ(AKA)は、運動器系の痛みに著効を示す。慢性的な腰痛を自覚する被験者に対し、AKAを施術し、痛みの緩和に伴う脳活動の変化を解析した。被験者間でS1領域の刺激応答性やDMNに違いが見られた。慢性的な痛みがS1における賦活に何らかの修飾を行う可能性があること、また、痛みの改善がDMNやその他の脳内ネットワークに影響をおよぼす可能性があることが示唆される結果が得られた。本研究の目的は、脳機能画像法(fMRI)の一種であるdefault mode network(DMN)の解析を応用し、島皮質や頭頂連合野といった痛み関連領域の果たす役割に着目してヒトが感じている疼痛の脳内処理過程を解明する事である。今回着目した頭頂連合野は、生理的な痛みよりも自覚的痛みに関連すると言われている。AKA( arthrokinematic approach)-博田法は関節原性の痛みに効果がある徒手療法であり、関節包内運動課題でこの頭頂連合野が特異的に活動する結果が得られ報告している。本年度は、健常被験者を対象とした撮像シーケンスの調整および解析法の検証を行った後、痛みの性質と脳賦活パターンの解析するコントロールとして、resting state(rs)-fMRIの測定を実施した。また、頭頂連合野とAKA刺激との関係をしらべるために、健常人で3ヶ月以上続く腰痛を自覚する被験者11名に対して、仙腸関節AKA法治療前後にrs-fMRIを計測した。その結果、仙腸関節AKA前後で腰痛症状に関するVASに有意(p<0.01)な改善が認められた。慢性腰痛の治療前後のrs-fMRIの解析から、a)独立成分分析方(ICA)で37独立成分が検出され、内14のRSN(resting state network)を検討し、仙腸関節AKA前後において、dual regression解析で有意差がなし。b)seed based analysisによる116の脳内seedの検討では、治療前後のcorrelation matrixの分布にpain networkやDMNの関連領域で差がみられた。S1領域の賦活の有無に着目し、AKA-博多法による腰痛の治療効果と脳の賦活パターンについて検討した。3T MR装置(Trio: Siemens社)および32chヘッドコイルを使って実験を実施した。仙腸関節のAKA施行前後に、安静仰臥位で閉眼状態のrs-fMRIと刺激によるfMRIを測定した。一旦ガントリーから出し、MRI用ベッド上で仙腸関節手技(左右4方向)を行い、その後仰臥位でAKA後のrs-fMRIと刺激によるfMRIを測定した。検査前にODIスコアを、終了後に腰痛や眠気のVASを得た。慢性腰痛を有するボランティアに距舟関節滑り法を行うと、S1賦活(ー)群とS1賦活(+)群に分かれた。VASの評価では、どちらも仙腸関節AKAによる有意な腰痛治療効果が得られた。ブロックパラダイムの距舟関節滑り刺激で、S1賦活(+)群は治療前後で滑り刺激の賦活領域に著名な変化が見られなかった。S1賦活(ー)群は、治療前にS2と島(前半部)に賦活がみられたが、治療後には賦活が観察されなかった。また、安静時脳機能画像の結果から、S1賦活(+)群は仙腸関節治療後のDMNの一部において、脳梁膨大部から後部帯状回にかけて賦活の増強がみられ、運動関連ネットワークの一部の右運動関連野に賦活の増強が認められた。S1賦活(ー)群は、仙腸関節治療前の痛み関連ネットワークにおいて、S2領域に賦活の増強が認められた。慢性的な痛みがS1における賦活に何らかの修飾を行う可能性があること、痛みの改善がDMNやその他のネットワークに影響をおよぼす可能性があることが示唆される結果となった。脳神経外科学今年度はヒトを対象として、rs-fMRIの方法論に関する予備的実験を順調に終了し、実際に腰痛症状を持つ被験者に対しての検討を行い、AKA法による腰痛症状の改善とAKA法前後での安静時脳活動の変化を捉えた。これは当初の計画以上に進展している。しかし、AKA法前後の統計学的な有意差を検出できていないことから、来年度の課題もあるため、「おおむね順調に進展している」と評価する。今後も当初の計画に沿って研究を推進する。来年度は研究成果の論文化と共に、fMRIと並行して行う脳内代謝物計測(multi-voxel MRS)についても実施していく。

当初計画していた海外での成果発表を事情により取り消した。次年度にこの成果発表を海外で行うこととした。また、被験者が、腰痛を有し、かつ日常生活をおくれ、またこの6ヶ月以内に治療を受けていないとの条件を満たす必要があった。この条件に合致する被験者数が予定数を下回った。これも次年度に繰り延べて行う予定とした。1)昨年度予定していた海外での成果発表と、情報収集を行う。2)前項で述べた条件に合致する被験者を対象としてfMRI実験を行うための被験者謝金に必要な経費として、1)、2)共に平成26年度請求額と合わせて使用する予定である。
リン酸カルシウム系骨代替材料の微構造設計

リン酸カルシウム系セラミックスには生体親和性に優れたものがあり,中でもアパタイトは,骨充填材料等として既に一部実用化されている。骨形成に有利な多孔体あるいは顆粒が骨充填材料として一般に使用されているが,現行の材料には強度特性に問題が残り,臨床応用可能な部位や術式が限定されている。本研究代表者は,術語から新生骨が形成されはじめるまでの期間や一定の強度を有し,その後骨形成に有利な足場を多く供給する新しいタイプのアパタイト系セラミックスを作製することを目的としている。この目的を達成するには,材料の微細構造の設計と制御が重要であり,材料の生化学的な評価からの情報をもとに,設計を繰り返し修正しつつ材料を作製する必要がある。本研究では,アパタイトの表面にβ-TCPを被覆した多孔性複合体を作製し,生体内での挙動を医学生理学的かつ物理化学的に明らかにした。以下に、本研究の成果を示す。(1)水熱熱間加圧成形法によって作製したアパタイト多孔体をリン酸イオン溶液に漬浸し乾燥後焼成することによってアパタイト表面にβ-TCPを生成させた。表面に被覆するβ-TCP量は,溶液の濃度を調整することによって制御可能であった。(2)この表面被覆処理によって,多孔性複合体の圧縮強度は最大で約7倍増加した。(3)多孔性複合体を成熟家兎の大腿骨内に埋入し,術後424週間後に評価したところ,この材料は術後から新生骨が形成されはじめるまでの期間は一定の強度を有し,その後骨形成に有利な足場を多く供給する可能性が高いことがわかった。現在,結果を整理しており,まとまり次第論文等で発表する予定である.今後,さらに材料を作製する上での好適条件を求める必要がある。
半導体フォトニック結晶スラブ導波路における光パルス伝搬と非線形光学現象の基礎研究

近年注目のフォトニック結晶スラブ導波路(PC-WG)は、強い光局在化や低群速度利用による光非線形・超小型・超高速・超低エネルギー光デバイスに有望である。筆者らはこれまでGaAs系PC-WG中のInAs-QD(量子ドット)のキャリア実励起型光非線形効果を用いてSMZ(対称マッハ・ツェンダー)型全光スイッチ(PC-SMZ)を実現した(エネルギー:100fJ、スイッチ速度:数10ps)。今後、更なる高集積化・低エネルギー化には、1.55μmに対してAlGaAsを用いた仮想励起型(非実励起)多光子過程の利用が有望である。本研究では、この様にキャリアの実励起回避が可能な光カー効果に基づく自己および相互位相変調(SPMおよびCPM)、格子振動による誘導ラマン散乱(SRS)などの非線形光学現象を観測し、超低エネルギー動作が可能な光-光スイッチや光増幅素子実現のための基礎研究を行った。1年目(18年度)は、Al_<0.26>Ga_<0.74>As系PC-WG(格子定数:444nm、コア厚:260nm、全長:1mm)を作製し、1.55μm帯におけるSPMの観測に成功した。即ち、パルス幅1.6ps、繰り返し80MHzの入射光で、SPM特有の2つのピークに分裂したスペクトル広がりを有する透過光が得られた(位相シフト量:約1.3π/1mm長・2.1W)。本研究の2年目(19年度)は、光の発生・増幅・波長変換などの応用を目指したSRSの観測に成功した。即ち、自然放出ラマン散乱実験での散乱効率と量子論的計算から、本構造で10dBの増幅利得を予測した。更に、ポンプープローブ法(1,537nm、1,605mm)で、SRSプローブ光の増幅強度とポンプ光の強度・波長依存性を求め、SRSによる増幅現象を確認できた。本研究における非線形光学効果の研究成果は、次世代超高速フォトニック・ネットワークの超小型・低エネルギー・超高速光-光スイッチや光増幅器などに貢献する。近年注目のフォトニック結晶スラブ導波路(PC-WG)は、強い光閉じ込めや低群速度を利用した光非線形・群速度分散型超小型・超高速・超低エネルギー光デバイスに有望である。筆者らはこれまでGaAs系PC-WGに埋め込まれたInAs-QD(量子ドット)のキャリア実励起型光非線形効果を用いてSMZ(対称マッハ・ツェンダー)型全光スイッチで低エネルギー(100fJ級)・超高速(数10ps)動作をなす超小型光スイッチ(PC-SMZ)の実現に成功した。しかし、今後の高集積化を目指した一層の低エネルギー化を測るには、多光子過程による実励起を伴わない仮想励起の利用が有望である。この場合、光通信波長帯(1.55μm)では、AlGaAs化合物半導体が有望な材料となる。本研究では、この様なキャリアの実励起の回避が可能な光カー効果に基づく自己および相互位相変調(SPMおよびCPM)、格子振動による誘導ラマン散乱(SRS)などの非線形光学現象を観測し、これらの利用による超低エネルギー動作が可能な光-光スイッチや光増幅素子実現のための基礎研究を行う。1年目(18年度)は、Al_<0.26>Ga_<0.74>As系エアブリッジ型線欠陥

PC-WGを作製し、1.55μm帯における自己位相変調(SPM)の観測に成功した。即ち、格子定数:444nm、コア厚:260nm、全長:1mmのPC-WGに、パルス幅1.6ps、繰り返し周波数80MHzのレーザーを入射して透過光のスペクトル形状を観測し、入射パルス光の試料伝搬に伴うスペクトル幅の広がりにより2つのピークを持つスペクトル形状を確認した。このときの位相シフト量は、わずか1mmの試料で約1.3πであった(入力パワー:2.1W)。この結果はシミュレーションとも良く一致した。この結果は、今後の誘導ラマン散乱などの非線形光学効果の確認を経て、超高速光-光スイッチや光増幅器などの設計に資する。近年注目のフォトニック結晶スラブ導波路(PC-WG)は、強い光局在化や低群速度利用による光非線形・超小型・超高速・超低エネルギー光デバイスに有望である。筆者らはこれまでGaAs系PC-WG中のInAs-QD(量子ドット)のキャリア実励起型光非線形効果を用いてSMZ(対称マッハ・ツェンダー)型全光スイッチ(PC-SMZ)を実現した(エネルギー:100fJ、スイッチ速度:数10ps)。今後、更なる高集積化・低エネルギー化には、1.55μmに対してAIGaAsを用いた仮想励起型(非実励起)多光子過程の利用が有望である。本研究では、この様にキャリアの実励起回避が可能な光カー効果に基づく自己および相互位相変調(SPMおよびCPM)、格子振動による誘導ラマン散乱(SRS)などの非線形光学現象を観測し、超低エネルギー動作が可能な光-光スイッチや光増幅素子実現のための基礎研究を行う。1年目(18年度)は、Al_<0.26>Ga_<0.74>As系PC-WG(格子定数:444nm、コア厚:260nm、全長:1mm)を作製し、1.55μm帯におけるSPMの観測に成功した。即ち、パルス幅1.6ps、繰り返し80MHzの入射光で、SPM特有の2つのピークに分裂したスペクトル広がりを有する透過光が得られた(位相シフト量:約1.3π/1mm長・2.1W)。本研究の2年目(19年度)は、光の発生・増輻・波長変換などの応用を目指したSRSの観測に成功した。即ち、自然放出ラマン散乱実験での散乱効率と量子論的計算から、本構造で10dBの増幅利得を予測した。更に、ポンプープローブ法(1,537nm、1,605nm)で、SRSプローブ光の増幅強度とポンプ光の強度・波長依存性を求め、SRSによる増幅現象を確認できた。本研究における非線形光学効果の研究成果は、次世代超高速フォトニック・ネットワークの超小型・低エネルギー・超高速光-光スイッチや光増幅器などに貢献する。
バナツハ空間の幾何学の研究

バナッハ空間上の非線形作用素に関連する幾何学的性質の研究を揚げて出発した本研究は、短期的には最終目標を完遂できなかったものの、各分担者個々に、また共同討議の中で、部分的成果として、数編の論文と本課題の今後の継続的研究に対する多くの知見が得られた。それらを論文(準備中のものも含め)の内容を中心に列挙する。1.(a)一般化されたクラークソンの不等式の多角的観点からの考察と証明法の研究。特に、補間空間論の利用によるクラークソン型不等式の統一的証明法とその構造を通しての適用可能範囲の拡大が確立された。また、これら結果の応用として、種々の具体的バナッハ空間の一様凸性、バナッハ空間の分類、キンチン不等式周辺の再考、空間のタイプ、コタイプ理論、グロタンディク定数の研究等非常に広い応用面をもち、これらの論文を準備中である。(b)(a)の結果に基づき、空間や定義域の一様凸性を調べ、その上での非線形作用素の不動点定理、作用素方程式の研究を前進させることができた。2.非保存則条件下のラグランジュカ学系における保存則の導入可能条件の研究。力学系ベクトル値微分形式に関する拡張微分について数学的定式化を与えた。3.C^*-環論における、単位元をもたない水-半群から有界線形作用素代数上への正定値写像を、単位元付加して拡大正値写像にするとき、有界性が保持できる、という結果を得た(論文準備中)。4.非局所対流を伴う反応散乱方程式の定常解。化学移動現象における波移動の特異解。以上工学に関連した方程式の数値解析を得た。
吸入麻酔薬の心筋保護作用における細胞膜マイクロドメインとオートファジーの役割（国際共同研究強化）

本国際共同研究の目的は、心筋肥大に対し細胞膜マイクロドメイン及びオートファジーの誘導がどのように関与するかを明らかにし、心不全の病態解明に寄与することである。そのため、申請者は心筋肥大がカベオラ・カベオリンの活性化によって抑制され、それらがオートファジーの誘導によって起こると仮説を立て、以下の実験を行った。マウスin vivo心肥大モデルを作成した。作成の方法は、マウスを麻酔下に大動脈弓を結紮狭窄する(TAC: transverse aortic constriction)ことで術後、約2週間で心肥大が認められ、4週間後には重度の心肥大モデルを作成することができた。カベオリン-3過剰発現マウス・ノックアウトマウス、オートファジー誘導群・抑制群、各々の組み合わせ群においても同様の心肥大マウスを作成した。各群のマウスの摘出心において心肥大について考察した。カベオリン-3過剰発現マウスにおいては心エコー(Sonos 5500, Philips Medical Systems)・心カテーテル(SPR-671, Millar Instruments)による心機能評価(心壁厚, ejection fraction, %fractional shortening,左室圧, dP/dtmax, dP/dtmin等)を行い心肥大が縮小していることを確認した。また、オートファジー誘導群においても心機能評価において心肥大が縮小傾向にあることが分かった。内定年度:2015本年度は渡航する準備を行い、研究面においても渡航後研究グループにすぐに参加して研究をスタートできるように、渡航先が行っている研究について国内において準備を行っている。また、本年度に2017年度から渡航することが決定したため、現在渡航調整を行っている。渡航前の準備研究について以下に示す。渡航先の研究者と連絡を密に取り合い、渡航後すぐに研究グループに参加できるように、行う予定の研究について研鑽している。具体的には、マウスを麻酔下に大動脈弓を結紮狭窄しTransverse aortic constrictionを作成、重度の心肥大マウスを作成、心筋の線維化したマウス心臓モデルの作成、肺水腫マウスモデルの作成技術を研鑽することで、渡航後すぐに研究がスタートできるようしている。さらには、上記記載のマウスの生存率の調査をしたり、Transverse aortic constriction施行4週間後マウスの心エコーを用いた心臓壁の厚さを測定・心臓カテーテルによる心機能評価(ejection fraction, %fractional shortening,左室圧, dP/dtmax, dP/dtminなど)、心臓や肺の重量測定などを行っている。これらを行うことによって、渡航先の技術と同等の水準にまで達することができ、渡航後はすぐに研究グループに加わり、研究をスタートできるものと期待できる。当初より2017年度に渡航予定であり、渡航が決定し、研究面においても渡航準備を進めていることからおおむね順調に経過しているものと思われる。実験1.マウスin vivo心肥大モデルを作成した。作成の方法は、マウスを麻酔下に大動脈弓を結紮狭窄する(TAC: transverse aortic constriction)ことで術後、約2週間で心肥大が認められ、4週間後には重度の心肥大、線維化、肺水腫モデルを作成することができた。これらのマウスに対して、Kaplan-Meier曲線による生存率の調査、TAC施行4週間後マウスの心エコー(Sonos 5500, Philips Medical Systems)・心臓カテーテル(SPR-671, Millar Instruments)による心機能評価(心壁厚, ejection fraction, %fractional shortening,左室圧, dP/dtmax, dP/dtmin等)、心臓や肺の重量測定などを行った。カベオリン-3過剰発現マウス・ノックアウトマウス、オートファジー誘導群・抑制群、各々の組み合わせ群においても同様の実験を行った結果、心肥大に対するカベオリン・オートファジーが影響影響を及ぼすことが示唆された。また、実験2.として各群のマウスの摘出心を組織固定し、電子顕微鏡を使用してその細胞表面を観察、単位表面積あたりのカベオラの数をコントロール群との比較を行っている。研究実績の概要に記載しているとおり、研究計画書の実験1及び実験2を行い、両実験ともに順調に研究は進んでいる。残り実験2のいくつかの研究を行うことで、研究計画書の実験をすべて終了させることができるために、おおむね順調と思われる。

各群のマウスの摘出心において心肥大について考察した。カベオリン-3過剰発現マウスにおいては心エコー(Sonos 5500, Philips Medical Systems)・心カテーテル(SPR-671, Millar Instruments)による心機能評価(心壁厚, ejection fraction, %fractional shortening,左室圧, dP/dtmax, dP/dtmin等)を行い心肥大が縮小していることを確認した。また、オートファジー誘導群においても心機能評価において心肥大が縮小傾向にあることが分かった。上記測定項目をコントロール群、カベオリン-3過剰発現群、カベオリン-3ノックアウト群、ラパマイシンや3-メチルアデニンを使ったオートファジー誘導群・抑制群においてにおいて比較検討する。さらに、各々の組み合わせ群(過剰発現マウス+オートファジー抑制群など)においてもTACを行いその作用を明らかにする。また、各群のマウスの摘出心を組織固定し、電子顕微鏡を使用してその細胞表面を観察、単位表面積あたりのカベオラの数をコントロール群と比較評価する。さらに、カベオリン-3の活性をイムノブロッティング法にて確認する。同様にオートファジーの誘導を単位面積当たりのオートファゴソームを電子顕微鏡にて観察、アッセイキットにて検出し比較検討する。また、関連タンパクについてイムノブロッティング法にて比較する(LC3-I/LC3-II、Beclin1など)。現在進めている研究を継続するとともに、以下の研究を行う。各群のマウスの摘出心を組織固定し、電子顕微鏡を使用してその細胞表面を観察、単位表面積あたりのカベオラの数をコントロール群と比較評価する。
雪崩発生原因としての表面霜形成における過冷却霧の役割の実証的研究

表層雪崩のすべり層となる弱層の種類に表面霜がある。この表面霜は放射冷却で冷えた雪面に大気から過剰水蒸気が供給されて気相成長すると考えられてきた。本研究は、弱層になりうるような発達した表面霜は、過冷却霧(雲)に覆われることで新雪や気相成長した表面霜からなる雪面に過冷却水滴が付着して形成されることを明らかにした。また、発達した表面霜の弱層が形成された直後に大量の降雪があれば、表層雪崩の発生に直結するが、そのような気象条件の組み合わせは頻度的に稀であることも明らかにされた。本研究は、降雪がなく放射冷却などで氷点以下の低温状態にあって積雪表面が過冷却霧に覆われた場合、過冷却水摘の付着による液相状態の水からの表面霜の結晶成長が急速に進行し、表層雪崩のすべり層となりうる薄い弱層が雪面に形成される過程を、低温質での室内実験及び積雪寒冷山地での現場観測から実証することを目的としている。低温室実験での、超音波加湿器で過冷却微水滴を発生させ雪表面に供給し表面霜の発達を促す実験において、表面の雪の状態によってそこに形成される霜の結晶に違いが生ずることがわかった。雪面が降りたての新雪状態か、または大気中の過剰水蒸気が昇華凝結して小さいながらも既に表面霜が形成されている場合には、過冷却水滴の供給によって表面霜が成長・発達するが、堆積した後に等温変態過程などを受けた旧雪表面に過冷却水滴を供給した場合には、水滴の凍結で樹霜の結晶が形成され、顕著な表面霜の結晶にはならないことがわかった。この実験結果は、積雪寒冷山地において過冷却水滴の付着によって表面霜の結晶成長が急速に進行し、表層雪崩のすべり層となりうる薄い表面霜の弱層が雪面に形成されるためには、気象条件の組み合わせが必要であることを示している。すなわち、快晴夜間の放射冷却で大気中の水蒸気の昇華凝結により雪面に表面霜が形成された後、またはrimingの少ない結晶表面が滑らかな新雪が堆積した直後に、濃密な過冷却雲に覆われて過冷却水摘が積雪表面の雪や霜に付着・凍結して表面霜が急速に発達するというシナリオが考えられる。このような気象条件で形成された表面霜の上に、すぐに大量の新雪が堆積すれば、この表面霜を弱層とする表層雪崩は発生しうる。よって気象推移に3ステップが必要であることから表面霜を弱層とする表層雪崩の発生は、頻度的にそう多くないと言えよう。放射冷却などで氷点以下の低温状態にある積雪表面が過冷却霧に覆われた場合、過冷却水摘の付着によって表面霜の結晶成長が急速に進行し、表層雪崩のすべり層となりうる薄い弱層が雪面に形成されることが考えられる。本研究はこの過程を低温室内実験及び積雪寒冷山地での現場観測から実証することを目的とした。超音波加湿器で発生させた過冷却微水滴を雪表面に供給し表面霜の発達を促す低温室内実験から、雪の表面状態により形成される霜の結晶に違いが生じ、雪面が降りたての新雪状態か、大気中の過剰水蒸気が昇華凝結して小さいながらも既に表面霜が形成されている状態であれば、過冷却水滴の供給により表面霜が成長・発達することがわかった。この実験結果は、過冷却水滴の付着によって表面霜の結晶成長が急速に進行し表層雪崩のすべり層となりうる薄い表面霜の弱層が雪面に形成されるためには、特別な気象条件の組み合わせが必要なことを示している。すなわち、放射冷却で大気中の水蒸気の昇華凝結により雪面に表面霜が形成された後、またはrimingの少ない結晶表面が滑らかな新雪の堆積直後に濃密な過冷却雲に覆われて、過冷却水滴が積雪表面の雪や霜に付着・凍結すれば表面霜が急速に発達すると考えられる。こうした特別な気象条件の組み合わせで成長した表面霜上に大量の新雪が堆積した場合のみ、表面霜を弱層とする表層雪崩は発生しうる。従って気象推移には発達した表面霜の形成直後に多量降雪が必要であることから、表面霜を弱層とする表層雪崩の発生は、頻度的にかなり限定されると考えられる。そこで、本研究を始める契機となった2006年2月に発生した秋田県仙北市乳頭温泉での雪崩災害現場近傍にある気象観測所の過去の気象データを分析した結果、表面霜の急速成長後の大量降雪という気象条件の組み合わせは、この雪崩災害が発生した時にしかない極めて稀な気象推移であることがわかった。本研究は、降雪がなく放射冷却などで氷点以下の低温状態にあって積雪表面が過冷却霧に覆われた場合、過冷却微水滴の付着による液相状態の水からの表面霜の結晶成長が急速に進行し、表層雪崩の滑り層となりうる薄い弱層が雪面に形成される過程を、低温室での室内実験及び積雪寒冷山地での現場観測から実証することを目的としている。

低温室実験では、超音波加湿器により過冷却微水滴を発生させ雪表面に表面霜が形成される微気象条件や液相状態の水からの表面霜の結晶成長過程をある程度把握することができた。しかし積雪寒冷山地での実験観測は、市販のファン付き霧発生装置(特にノズル)がマイナスの低温環境下での実験に耐えられないことが判明しその解決策を試行錯誤していて、現在凍結対策に目途が付きつつある。そのため積雪寒冷山地において雪崩危険斜面付近に霧発生装置を設置し、過冷却微水滴の付着によって斜面積雪上に表面霜を形成させる実証実験はまだ実施できてない。申請書で述べたように本研究を着想するきっかけは、平成18年豪雪時に秋田県仙北市の乳頭温泉で発生した表層雪崩災害である。この乳頭温泉に近い仙北市の玉川温泉で2012年2月1日に表層雪崩により岩盤浴中の湯治客3名が死亡する災害が発生した。気象推移などがよく似た表層雪崩の発生であることから2月34日に現地調査を行った。周辺の気象状況と積雪断面の調査結果から、この雪崩のすべり層は、こしもざらめ雪の弱層であることが明らかにされ、積雪表面が日射で暖められた後に放射冷却で急冷されて形成されたものと推定された。よく似た気象推移であっても、乳頭温泉雪崩のように表面霜の弱層が形成されるためには、過冷却霧の供給量、移流風速、雪崩斜面との位置関係も十分に揃っていることが必要と考えられる。従って本研究中に積雪斜面に表面霜が形成される場合の地理的条件を詳細に調べることも追加する必要がある。本研究は、表層雪崩の発生原因となる表面霜の形成が、大気中の水蒸気の雪面への消化凝結による気相聖兆ばかりでなく、過冷却微水滴の凍結・結晶化による影響が大きいことを、低温室内実験及び積雪寒冷山地での現場観測から実証することを目的としている。低温室内実験では、超音波加湿器により過冷却微水滴をはっせいさせ雪表面に表面霜が形成される微気象条件やもとの雪表面の状態で形成される霜結晶にちがいがあることを把握することができた。しかし積雪寒冷山地での実験観測は、平成24年度に購入したファン付き霧発生装置が予備実験の段階で、給水パイプやノズルなどで凍結して一部破損してしまったことに加え、研究代表者の入院後の病状回復が思わしくなく積雪寒冷山地における長時間の実験観測が無理と診断されたため予定していた達成度には到達できなかった。本研究は、表層雪崩の発生原因となる表面霜の形成が、大気中の水蒸気の雪面への昇華凝結による気相成長ばかりでなく、過冷却微水滴の凍結・結晶化による影響が大きいことを、低温室内実験及び積雪寒冷山地での現場観測から実証することを目的としている。低温室内実験では、超音波加湿器により過冷却微水滴を発生させ雪表面に表面霜が形成される微気象条件をある程度把握することができた。しかし積雪寒冷山地での実験観測は、市販のファン付き霧発生装置(特にノズル)がマイナスの低温環境下での実験に耐えられないことが判明しその解決策を試行錯誤している段階である。それに加えて研究代表者が初年度途中で体調を崩し、秋から冬にかけて2回も病院に入院したこともあって、当初予定していた達成度には達していない。平成24年度に購入したファン付き霧発生装置を使って、氷点下の気温下で噴霧実験を継続的に行ったところ給水パイプやノズルなどで凍結して一部破損してしまったことから、それらの部分の断熱処理など改良を施した上、平成25年度冬期に積雪寒冷山地の雪崩危険斜面(のり面)に対し同装置により過冷却微水滴(霧粒)を噴霧し、液相状態の水からの発達した表面霜を形成し、その後の降雪による表層雪崩発生の可能性を見極める実験観測を行う。
ガラスの光化学反応性の解明 - 電子、振動構造からのアプローチ -

ガラス中の欠陥構造の光活性を電子構造振動構造からアプローチすることを目的として研究を行った。具体的には、シリカあるいはGe含有シリカガラス中のGe関連欠陥の光活性の解明および光誘起屈折率変化の高効率化、光活性な有機官能基を有する有機修飾シロキサン材料の光加工、希土類イオン・有機色素の非輻射緩和による熱を利用したガラスの光加工を行った。1.シリカあるいはGe含有シリカガラス中のGe関連欠陥の光活性の解明および光誘起屈折率変化の高効率化活性な構造欠陥はGe^<2+>種に由来すること、その光活性は欠陥近傍の構造変化の活性化エネルギーに大きく依存することを見いだした。Ge局所構造を積極的に制御したガラス薄膜資料を作製し、大きなフォトリフラクティブ効果を有するガラス薄膜を開発した。紫外光レーザによる光誘起屈折率変化は最大で10^<-3>以上であり、レーザ描画を用いた光導波回路の直接書き込みによるグレーティング素子を作製した。2.光活性な有機官能基を有する有機修飾シロキサン材料の光加工不飽和結合の光重合を用いることにより、シロキサン骨格を有するハイブリッド薄膜の光加工を行った。合成条件を適当に制御することにより、シロキサン主鎖の重合度と有機ポリマー部の重合度を独立に制御可能であり、光物性(熱光学効果、非線形光学効果)を広い範囲で調整可能であることを明らかにした。3.希土類イオン・有機色素の非輻射緩和による熱を利用したガラスの光加工低温溶融性のハイブリッド材料をホストとして用い、希土類イオンや有機色素などの吸収源を導入することにより低エネルギーのレーザ入射による光熱加工を行った。通常数百mW以上の入射パワーが必要であるが低温溶融性のホストを用いることにより数mWの光源を用いても加工が可能であった。以上の成果はガラス材料の光物性(屈折率、非線形光学特性)を光との相互作用を利用して積極的に制御しようという物である。光加工は空間選択性が高くサブミクロン領域での加工に適している。本研究では光情報処理の実現に向けて重要な材料群の構築を行ったと言える。光ファイバに用いられるGe : SiO_2ガラスは紫外光に対して活性であり,強力な紫外光レーザを用いることによりフォトリフラクティブ効果(光照射により屈折率の変化する現象)を誘起できる.しかし,通常の製法で作製したGe : SiO_2ガラスの活性は低く,グレーティング素子などを形成するために十分大きな屈折率変化を得ることは出来ない.フォトリフラクティブ効果の起源はガラス中で進行する光化学反応であるとされているが,その詳細は明らかにされていない.本研究では屈折率変化に寄与する光化学過程を同定し,より大きなフォトリフラクティブ効果を有するガラス材料の開発を目的とする.波長の異なる4種類のエキシマレーザ(XeF, XeCl, KrF, ArF)を用い,特定の構造を選択的に励起することにより,反応活性主がガラス中に存在する酸素欠乏型欠陥Ge^<2+>であることを明らかにした.この知見を基にプラズマ化学蒸着法により欠陥量および欠陥の構造を十分制御したガラス薄膜を作製した.この薄膜を用いることにより,従来の10100倍の屈折率変化(10^<-3>以上)を示す,超高活性Ge : SiO_2ガラスの実現に成功した.