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乳幼児期のインクルーシブ教育における相談・支援制度及び体制に関する国際比較研究

日本とアジア3カ国(韓国、シンガポール、インド)及びデンマークの乳幼児期のインクルーシブ教育システムと、その背景にある各国の障害観・特別支援教育観の比較検討を行った。その結果、以下の4点が明らかとなった。(1)韓国、シンガポール、インドのアジア3カ国では、幼稚園や保育所などに発達・医療専門が専任スタッフとしており、保育者とそれら専門家が一体となって教育・保育と療育を実践できるシステムが構築されている。(2)デンマークでは、コミューン(日本の市町村にあたる)が主体となって、コミューンに常駐するペタゴー(保育者)・心理士・作業療法士・言語療法士・医者などの社会的資源を、そのコミューンの行政担当者が中心になって、そのコミューンで生活する気になる子どもや障害児のために有機的に機能させて特別支援を行っていくようなシステムが構築されている。(3)障害観に関しては、デンマークは障害者を障害者を自分とは異質な存在とは見なしていないが、自分と何ら壽わらぬ存在とも見なしていない傾向が見られることが明らかとなり。アジア4カ国とは異なる傾向が見られた。(4)日本においては、保育者と発達・医療専門家が一体となって教育・保育、療育を行っていくようなシステムを構築していくことが課題である。本研究では、日本とアジア3ヵ国(韓国、シンガポール、インド)及びデンマークの乳幼児期のインクルーシブ教育を取り上げ、それらの実態を明らかにした上で、その背景にある理念・思想、制度・政策とその歴史的変遷、障害観・教育観などを明らかにしていく。そして、それらの知見を基に日本における、乳幼児期のインクルーシブ教育における乳幼児・保護者の相談・支援制度及び体制のモデルを新たに提案し、その実施のために解決すべき諸要因を考察することを目的としている。平成22年度は、各国において研究協力者と共に予備現地調査を行った。8月29日9月5日:デンマーク、1月25日1月27日:韓国、2月5日2月18日:シンガポール・インドに行き、各国で特別支援保育・教育を実践している幼稚園、療育センター、特別支援教育に関する学部・学科のある大学などを訪問し、現地視察、資料の収集、意見交換などを行うと共に、次年度に実施する現地本調査及び質問紙調査を行うためのフィールドの確認を行った。また、フィールド予備調査・文献調査などを基に、障害観、発達観、障害観などを明らかにするための、質問紙の検討を行っている(継続中)。平成23年度に、現地本調査と共に、保護者・保育者などに質問紙調査を実施する。なお、デンマークにおける予備フィールド調査の結果は論文にまとめた(齋藤、Toth:2011)。デンマークにおける乳幼児期の特殊教育では、その歴史的な経緯から、健常児と障害のある乳幼児をただ形式的に一緒にするような統合教育には否定的である。健常児/障害児といった区別はなく、全ての乳幼児にとって最適な教育を提供するという観点から実践を行っており、その結果として、ある乳幼児が分離型特殊教育を受けることもありうるというものである。つまり、デンマークにおけるインクルーシブ教育とは、全ての子どもを健常児/障害児といった観点から区別せず、個々の子どもに対して、その子に最適な教育を提供するという点で、全ての子どもが同等であると考えられていることにある。今年度は、各国で実施されている乳幼児期のインクルーシブ教育の背景にある障害観、特別支援教育観を明らかにするための質問紙を、前年度の現地予備調査の結果、先行研究調査の結果より作成し、英語版、デンマーク語版、韓国語版を作成した上で、日本をはじめとする4カ国(デンマーク、韓国、シンガポール、インド)にて、普通幼稚園の保護者と保育者、インクルーシブ教育を行っている幼稚園の保護者と保育者に対して実施した。また、9月3日9月11日にデンマーク訪問し、障害児幼稚園、国民学校、特別支援学校、養護学校、保育士養成校などを訪問し、現地視察をおこなった上で質問紙に関する意見交換とその実施依頼をおこなった。11月3日11月7日に韓国訪問しサムスンの運営する障害児統合保育園を訪問し、韓国における先駆的なインクルーシブ教育・保育について現地視察を行った。また、国際児童発達教育研究院(ICDEI)第6回児童発達教育セミナーに講師として招聘され、日本及びハンガリーの保育・幼児教育についての講演を行った。2月22日3月3日には、シンガポール・インド訪問した。

シンガポールでは、特別支援保育を行っている施設、養成大学を訪問し、シンガポールにおける保育・幼児教育の実態と保育者などの養成のあり方について現地視察を行うと共に広く学んだ。インドでは、ニューデリー、ムンバイの保育者養成大学、保育施設を訪問し、インドにおける保育・幼児教育の実態や保育者養成の現状について現地視察も含めて広く学んだ。また、ニューデリーのUDAAN財団の療育センターの1Dayセミナーに講師として招聘され、日本の特別支援教育の現状についての講演を行った。これら現地調査の結果より、各国の乳幼児期のインクルーシブ教育の体制・制度が明らかとなり、現在の問題点についても明確化することができ、日本における乳幼児期のインクルーシブ教育のモデル構築のための有用な知見を得ることができた。デンマーク、韓国、シンガポール、インドにおける乳幼児期のインクルーシブ教育システムの現状と課題を明らかにするためのフィールド調査結果(平成22年度に予備調査、平成23年度に本調査)に基づき、日本も含めた各国のインクルーシブ教育システムの背景にある障害観、特別支援教育(インクルーシブ教育)観に関する質問紙を作成し、調査を実施した。研究協力者の協力によって、日本、デンマーク、韓国、シンガポール、インドの幼稚園、保育所等にて保護者及び保育者に対して質問紙調査を行った。日本は日本語、デンマークはデンマーク語、韓国はハングル語、シンガポール、インドは英語での実施とした。5カ国で約1200名のデータを収集した上で、それらを統計的に分析し、各国の結果を比較検討することによって、各国のインクルーシブ教育システムの背景にある障害観や教育観の特徴を明らかにした。また、フィールド調査と質問紙調査の結果より、各国のインクルーシブ教育が、どのように保護者や保育者の中に根付いていのかについて考察を行った。また、2013年3月1,2日には、日本、デンマーク、韓国、シンガポール、インドより研究協力者及びインクルーシブ教育の専門家を9名招き、「乳幼児期のインクルーシブ教育における相談・支援制度及び体制に関する国際シンポジウム」を相模女子大学にて開催した。シンポジウムでは、各国の乳幼児期のインクルーシブ教育の現状と課題に関する講演が各国の研究者と実践者より報告され、それに対して56名の参加からも多くの質疑応答がなされた。平成24年度に実施した質問紙調査の結果も含めた3年間の研究成果については、平成25年度の保育学会(2013年5月11,12日)、IASSIDのAsia-Pacific 3rd Regional Conference(2013年8月22、23日)にて発表予定である。本年度は、各国(韓国、シンガポール、インド、デンマーク)における、現地本調査と障害観、特別支援教育観に関する質問紙の作成と日本を含む5カ国での質問紙の実施を計画しており。すべて計画通り順調に行われている。従って当初の研究計画通りに平成24年度(研究最終年度)の研究実施が可能である。24年度が最終年度であるため、記入しない。
分散型市場の理論

経済学は、今世紀において経済物理学の方向へと進んできた。公理主義、還元主義、合理主義、機械論---モダニズムを形成するこれらの概念は、一般均衡論や合理的期待論に典型的に見られるものである。しかし、現在では、均衡や最適化といった概念が問い直され、成長や進化といったいわば生物学に由来する概念によってそれらがとって変わられようとしている。無論、社会科学もこうした大きな知の潮流から無関係ではなく、経済学でも80年代後半以降、制度学派、ネオ制度学派、ネオ・シュンペーター学派が制度や進化に対する新たなアプローチを開始している。ソ連・東欧の社会主義経済の崩壊と資本主義先進諸国における深刻な不況の再来に特徴づけられる90年代にはいり、経済学も市場経済が極めて複雑な制度であり、資本主義経済としてそのあり方も極めて多様でありうることを認識しようと模索を続けている。われわれの研究課題は、このようなモダニズムに基づく新古典派およびマルクス経済学における集中的市場像を批判しながら、分散的市場の理論を明確な形で提出することにある。そのためには、分散的市場の理論模型を構築する努力をする一方で、市場経済に関する科学である経済学の認識論的・存在論的・方法論的諸問題をも考察しなければならない。欧米経済学界では近年こうした問題がしばしば議論されている。経済学がレトリックであることを強調するマクロスキーや経済学における演繹主義や経験的リアリズムを批判して超越論的リアリズムを提唱するトニ-・ロ-ソンらは、従来の実証主義ないし反証主義に基づく方法論とは異なる科学観を提起している。この点については、論文「レトリックとリアリズム」にまとめられている。
ジストロフィン関連蛋白に結合する膜糖蛋白質複合体の構造解析

過去数年間にdystrophin-glycoprotein complexの構成成分であるsarcoglycan複合体の欠損によりSCARMDが,細胞外リガンドであるlaminin-2の欠損によりCMDが引き起こされることが明らかされた.これらの疾患における神経障害における神経障害の分子発病機序を解明するために,本研究において我々は神経系のdystrophin-glycoprotein complexの分子構築・生物学的機能に関する生化学的,分子生物学・遺伝学的研究を展開してきた.その結果,これまでに我々は,(1)末梢神経ではシュワン細胞膜・髄鞘外膜にdystroglycanが発現し,同部を取り巻く細胞外基底膜にはlaminin-2が発現していること,(2)シュワン細胞膜のα-dystroglycanはlaminin-2と結合すること,(3)シュワン細胞膜のα-dystroglycanとlamine-2の結合にはα-dystroglycanの特定の糖鎖が重要な役割を果たすこと,(4)シュワン細胞膜のα-dystroglycanはlaminin-2のみでなく神経筋シナプスの形成に関与するとされるagrinとも結合すること,などを発見し,報告した.我々はさらに最近,脳においてはdystroglycanが特定の神経細胞の特殊な部位に限局して発現しているとの予備的データを得ており,dystroglycanが脳においてシナプスの形成に関与しているのではないかと考え研究を開始している.過去数年間にdystrophin-glycoprotein complexの構成成分であるsarcoglycan複合体の欠損によりSCARMDが,細胞外リガンドであるlaminin-2の欠損によりCMDが引き起こされることが明らかされた.これらの疾患における神経障害における神経障害の分子発病機序を解明するために,本研究において我々は神経系のdystrophin-glycoprotein complexの分子構築・生物学的機能に関する生化学的,分子生物学・遺伝学的研究を展開してきた.その結果,これまでに我々は,(1)末梢神経ではシュワン細胞膜・髄鞘外膜にdystroglycanが発現し,同部を取り巻く細胞外基底膜にはlaminin-2が発現していること,(2)シュワン細胞膜のα-dystroglycanはlaminin-2と結合すること,(3)シュワン細胞膜のα-dystroglycanとlamine-2の結合にはα-dystroglycanの特定の糖鎖が重要な役割を果たすこと,(4)シュワン細胞膜のα-dystroglycanはlaminin-2のみでなく神経筋シナプスの形成に関与するとされるagrinとも結合すること,などを発見し,報告した.我々はさらに最近,脳においてはdystroglycanが特定の神経細胞の特殊な部位に限局して発現しているとの予備的データを得ており,dystroglycanが脳においてシナプスの形成に関与しているのではないかと考え研究を開始している.Dystrophinは骨格筋・心筋で細胞膜直下に細胞骨格を形成する.そのカルボキシル末端で細胞膜の糖蛋白群,特に(1)α/β-dystroglycan, (2)adhalin, 35DAG, A3b, 25DAP, (3)syntrophin, AO,と結合する.一方,低分子量のDMD遺伝子産物であるDp71, Dp116は脳,末梢神経で発現し,更に筋,神経組織を含めほとんどの組織細胞でdystrophin homologueのutrophinが発現する.本研究は機能的複合体としてのdystrophin群-細胞膜糖蛋白群(DAPs)-細胞外接着分子の構造分析を目的としているが,本年度は主に末梢神経系における上記複合体を解析した.結果1.末梢神経粗膜分画を出発材料にWGAならびにlamininアフィニティークロマトグラフィーでdystroglycan-laminin complexを抽出,その構成成分としてα/β-dystroglycanを同定した.またその裏打ち構造としてDp116とutrophinの可能性が高いことをつきとめた.結果2.共焦点顕微鏡を用いた末梢神経の免疫細胞化学的分析によりα/β-dystroglycanがシュワン細胞膜に,Dp116とutrophinがシュワン細胞体に局在することをつきとめた.結果3.神経内膜基底膜のlamininとの結合にはシュワン細胞α-dystroglycanの糖鎖構造が関与することをつきとめた.今後,末梢神経dystroglycan-laminin complexの生物学的機能の解析,特に信号伝達系としての関与,また本複合体の中枢神経における発現,を解明して行く予定である.ウシ末梢神経の膜画分よりアルカリ抽出・WGA-Sepharoseおよびlaminin-Sepharoseカラムクロマトグラフィーによりα-dystroglycanを精製した.アルカリ分解または弱ヒドラジン分解によりO結合型糖鎖を切り出し,陰イオン交換・ゲル濾過・レクチン・逆相の各種カラムクロマトグラフィーおよび酵素処理によりその構造を解析した.各種シアル化オリゴ糖のα-dystroglycanとlamininの結合に対する阻害効果も検討した.シアル酸はDMB法により定量した.α-Dystroglycan 1 mol当たり約15molのシアル酸が検出され.そのうち約80%がN-acetyl体,20%がN-glycoryl体であった.O-acetyl体は検出されなかった.Sialidaseの効果にSiaα2-3Gal結合を特異的に切断するNewcastle disease virus由来のものとすべての結合を切断するArthrobacter ureafaciens

由来のものとに差は見られず,シアル酸の結合様式はα2-3が主要なものと考えられた.Sialidaseにより中性化したオリゴ糖はゲル濾過で3.9グルコース単位(GU)の位置に主要な溶出ピークを与え,このオリゴ糖はGalβ1-4GlcNAc結合のみを特異的に切断する肺炎双球菌由来のβ-galactosidaseにより2.9GUに消化され,さらに肺炎双球菌由来のβ-hexosaminidaseにより0.8GUにまで消化され,還元末端糖はmannoseであることが判明した.肺炎双球菌由来のβ-galactosidase消化後の2.9GUのオリゴ糖は,還元末端のGlcNAc残基を特異的に認識するPVLレクチンカラムに結合し,また逆相カラムにてGlcNAcβ1-2Manの標準品と同一の位置に溶出した.よってα-dystroglycanの主要なO結合型シアル化オリゴ糖はSiaα2-3Galβ1-4GlcNAcβ1-2Man-Ser/Thrの構造を有するO-mannosyl型のものである.この糖鎖の非還元末端部分と同じ構造を持つ3'-sialyl N-acetyllactosamine(Siaα2-3Gal/β1-4GlcNAc)によりα-dystroglycanとlamininとの結合が阻害された.本構造はこれまで報告されていない新規糖鎖である.
ガラクトース転移酵素遺伝子ノックアウトマウスを用いた糖鎖機能の解析

交雑系(129XC57BL/6)のGalT-I KOマウスは正常に発生するが,C57BL/6に8世代戻し交配したKOマウスは胎生後期から成長の遅延が認められ,出生時に100%死亡することを明らかにした。そこでさらにBALB/cに戻し交配すると,今度は胎生中期に致死となることがわかった。胎生10.5日ですでに発生の異常が認められ,出生前には胎児は吸収されてしまって存在しない。現在,その死亡原因を解析しているところである。また,マウスの遺伝的背景によってこのように大きく死亡時期が異なる理由についても今後解析していく。GalT-Iは主としてN型糖鎖の合成に関わると言われていたが,GalT-I KOマウス(交雑系)の赤血球膜上の糖鎖構造を詳細に解析したところ,Core2のO型糖鎖の合成も著しく阻害されていることが明らかとなった。Core2 O型糖鎖のβ-1,4ガラクトース側鎖はセレクチンのリガンド糖鎖であるシアリルLe^xの形成に必須であるので,このマウスはセレクチンのリガンド糖鎖の発現が低下している可能性が考えられた。白血球膜上のCore2のO型糖鎖の合成も著しく阻害されており,実際,このマウスの好中球や単球へのP-セレクチンの結合が低下していた。遅延型接触過敏症反応はセレクチンが重要な働きをしていることが知られているが,TNCBに対するこの反応がGalT-I KOマウスでは有意に抑制されていることがわかった。さらにその際,ランゲルハンス細胞のリンパ節への遊走能が阻害されていることを示す結果も得ている。以上の結果から,いくつか見つかったGalT遺伝子の中でもGalT-Iはセレクチンのリガンド糖鎖の合成に大きく関与しており,GalT-I KOマウスはセレクチンシステムの欠損による免疫系の異常が見られた。
電力自由環境下における知的手法を用いた電力価格予測

前年度に開発された電力市場価格予測システムを利用して、電力市場価格と電力需要の関係を明らかにした。特に電力市場価格が短時間で異常に上昇する状況に関する解析を通して発生原因とその対策に関する議論を行った。このような研究により、異常な電力市場価格の上昇抑制と健全な電力市場の発展に寄与することが可能となった。本年度は特に電力価格の24時間先予測手法の開発を行った。24個のニューラルネットワークを時間ごとに学習させることで、時間毎の各種条件を考慮して電力市場価格を予測することが可能である。気象条件等を考慮した予測手法を検討することで、従来の手法より高精度な電力市場価格の予測が可能となった。また、電力市場価格の最大価格予測も重要な課題であるので、この課題に関しても提案を行った。国際会議に出席し、本研究を口頭発表した。また、この発表で関連する専門分野の専門家と質疑応答を行い、さらにセッション終了後に意見交換を行った。これらの研究成果をまとめて、国際的に著名な学術雑誌に論文を掲載した。本研究では知的手法を用いて電力市場価格を予測する手法を開発した。従来の予測手法は線形手法や統計的手法で単に電力市場価格を予測していたが、本研究ではニューラルネットワークを用いて非線形性を有している電力市場価格と電力需要の両者を予測可能な予測手法を開発している。目的とする研究手法の開発により、電力需要と電力市場価格の関連が明らかになる。また、この関係を事前情報として利用することにより、将来における電力市場における電力売買の効率的手法と電力市場の健全な発展に資することが可能となる。本年度は電力需要予測と電力市場価格予測が可能な手法を開発した。ニューラルネットワークに入力する取得可能な情報ならびにニューラルネットワーク構造の最適化のために、遺伝的アルゴリズムを利用した。この予測システム構築のために、計算機シミュレーションを実施した。計算機シミュレーションは、平成17年度に購入したコンピュータで行った。また、予測システム構築のためのソフトウェアとしてMATLABを利用した。電力需要予測ならびに電力市場価格を提案手法で予測した結果、良好な予測結果が得られた。提案手法の有効性を検証・比較するために、従来手法と提案手法を用いて数年間の予測性能を比較した。比較結果より、提案手法の有効性が確認された。また、10分から数時間先の電力市場価格も同様に予測できることをシミュレーションにより示した。次年度の研究は、より精度の高い予測手法を開発することであり、このために確率的に変動する需要家の動きや気象現象を考慮する。従来の予測手法は線形手法や統計的手法で単に電力市場価格を予測していたが、本研究ではニューラルネットワークを用いて非線形性を有している電力市揚価格と電力需要の両者を予測可能な予測手法を開発している。前年度に開発された電力市揚価格予測システムを利用して、電力市場価格と電力需要の関係を明らかにした。需要の急増による電力市場価格の高騰は気象条件に大きく依存している。特に夏季の温度上昇に伴うエアコンディショナーの使用による電力増加が挙げられる。本研究では、これらの相関を解析し、気温と電力市場価格の相関が強い場合に気温情報を考慮して電力市場価格を予測する手法を提案している。このような研究により、異常な電力市場価格の上昇抑制と健全な電力市場の発展に寄与することが可能である。また、この相関の情報に基づき類似日の電力市場価格を考慮してニューラルネットワークにより学習し、予測精度を向上することが可能となった。これらの研究成果をまとめて、国外で開催される国際会議で発表した。
低侵襲外科治療の体系化

本研究では、低侵襲外科治療の実現に必要な新しい医学と工学の学問体系の確立を目的とし、新しい外科学となるべき低侵襲治療について、外科治療全般における具体的なニーズ分析と、実用化のための要素技術を検討分析した。国内外の研究開発現状についての調査研究・課題の整理:国内においては、日本コンピュータ外科学会を通して、各外科分野・工学分野の研究者を集め、外科治療のニーズ・シーズについて検討した。特に、軟部組織の変形が重要な課題として挙げられ、変形解析手法、モデル化について多く研究されている。海外においてはCARS(Computer Assisted Radiology and Surgery)およびMICCAI(Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention)という2つの関連学会があるが、その中心となる研究施設における研究動向を調査した。また、中国における低侵襲外科治療の研究動向についても調査した。現在これらの施設で研究されている課題は医用画像処理、画像統合が主な課題であった。我が国では初期より認識されていた脳外科領域での術中脳組織変形問題がようやく注目され始めた段階であった。国内外を通じて腹部外科・脳外科・循環器系の外科分野においては術中の臓器内部の血管走行状態の把握や、臓器変形に対応した術前画像の補正が強く求められていた。外科治療ロボットの研究では実用化のための安全性の検討・工学側による医療現場ニーズのより詳細な把握が今後重要であると考えられた。工学技術の体系化・結論:各外科手術領域におけるニーズを検討し、重点的に研究開発すべき要素技術としては術中における体内臓器情報の変形・統合・可視化が挙げられる。これは各外科領域においても必ず必要となる要素技術であると考えられる。
縁取り空胞を伴う遠位型ミオパチーにおける筋線維内アミロイド蓄積機構の解明

縁取り空胞を伴う遠位型ミオパチー(DMRV)は、筋線維内にタンパク質蓄積と自己貪色空胞が観察される。このタンパク質蓄積が、二次的に骨格筋の機能低下を引き起こすと考えられるが、そのメカニズムは不明である。本研究では、(1) DMRVモデルマウス骨格筋でタンパク質蓄積は、細胞骨格に沿って分布していること、(2)モデルマウス脳では蓄積はないこと、(3)骨格筋特異的オートファジー不全マウスでは、筋萎縮が亢進し、タンパク質の蓄積が見られた、(4)II型糖原病の骨格筋細胞質小体には、筋原線維タンパク質、代謝酵素、ポリユビキチンが蓄積していること、を見いだした。本研究では、縁取り空胞を伴う遠位型ミオパチー(DMRV)での筋線維内タンパク質蓄積のメカニズムを探ることを目的としている。モデルマウスを材料にして、筋線維内に蓄積したタンパク質の解析を行った。免疫電子顕微鏡観察では、アミロイドは不定形の蓄積物とともに、自己貪食空胞内に存在することが示された。また、骨格筋単線維の解析から、光学顕微鏡レベルで観察される自家蛍光性の蓄積物は、電子顕微鏡レベルでは封入体とそれを取り巻く自己貪食空胞と一致した。興味深いことに、タンパク質蓄積物周囲の筋原線維は変性を伴わないことが示された。また、これらの自家蛍光性蓄積物は、微小管に沿って存在していることが明らかとなった。つまり、観察されたタンパク質蓄積物は、細胞内輸送装置によって、運ばれていると考えられた。また、蓄積物や自己貪食空胞は収縮装置への物理的な影響はあるものの、細胞毒性はあまりないと考えられた。また、筋組織内での筋萎縮やストレスに関連したシグナル解析をおこなったが、筋線維内で、筋萎縮に働く、Foxo3の脱リン酸化、核内移行とともに翻訳開始因子であるeIF2alphaのリン酸化が亢進していることがわかった。両者はDMRV筋の筋萎縮に働いていると考えられた。今後は、in vivoでのアミロイド過剰発現系での解析、生体からの筋線維培養系と合わせて、筋線維内タンパク質蓄積と筋萎縮、筋変性との関連を解析していきたいと考えている。本研究では、縁取り空胞を伴う遠位型ミオパチー(DMRV)での骨格筋線維内のタンパク質蓄積のメカニズムを探ることを目的としている。種々のモデルマウスを材料にして、筋線維内に蓄積したタンパク質を解析している。骨格筋線維内のタンパク質蓄積物は微小管に沿って存在し、電子顕微鏡レベルでは、不定形のタンパク質性封入体とそれを取り巻く自己貪食空胞と一致している。これらの封入体や自己貪食空胞内はアミロイド陽性であった。前年度まで、単離筋線維を用いて、Q-dot法による光学顕微鏡観察と電子顕微鏡観察での二重観察をおこなうことを試してきたが、一次抗体の反応性と特定の筋肉に症状が限定されるため、この筋肉を用いた単離骨格筋の培養には限界があった。今年度は、単離しやすい筋サンプルを用いてシステムの開発を行うことを目的として、ほぼすべての骨格筋で蓄積タンパク質が見られる、骨格筋特異的なオートファジー不全マウスを用いて解析を行った。骨格筋特異的なオートファジー不全マウスの骨格筋は、p62が多量に蓄積し、ポリユビキチン、シャペロンタンパク質も陽性であった。しかしながら、アミロイドの蓄積は見られなかった。現在、このマウスでの単離骨格筋の培養系の立ち上げを試みている。一方、前年度から引き続き、行っているPompe病の封入体の解析では、質量分析にて同定された、小胞体タンパク質やポリユビキチンが封入体に含まれることを、免疫組織染色で確認した。モデルマウスを材料にして、筋線維内に蓄積したタンパク質の解析を行っている。骨格筋単線維内で自家蛍光性の蓄積物は微小管に沿って存在し、電子顕微鏡レベルでは封入体とそれを取り巻く自己貪食空胞と一致するとともに、封入体アミロイドは陽性を示した。今年度は、光学顕微鏡と電子顕微鏡でのシームレスの観察を行うことを目的として、Q-dotを用いた免疫染色法の確立を目指した。まず、細胞膜および細胞内膜小器官抗原に対する抗体染色でQ-dotでの視覚化を試みたが、電子顕微鏡下でQ-dotが認められるものの、膜構造の破壊が観察された。現在は、蓄積タンパク質のQ-dotでの染色を試みている。また、レンチウイルスでのアミロイド発現系を確立した。初代培養細胞にも良好に発現していることを確認した。

現在、遠位型ミオパチーモデルマウスに由来の初代培養細胞または骨格筋単線維培養系と組み合わせて、筋線維内タンパク質蓄積と筋萎縮、筋変性との関連を解析している。一方、II型糖原病であるPompe病の筋線維内に蓄積した封入体のプロテオーム解析を行った。未固定染色サンプルでのレーザーマイクロダイセクションの系を確立し、LC-MS/MSでのショットガン解析にて行った。いくつかの筋原線維結合タンパク質のほか、小胞体タンパク質、ミトコンドリアタンパク質、代謝酵素、ポリユビキチンが封入体に含まれていることが示された。本研究では、縁取り空胞を伴う遠位型ミオパチー(DMRV)での骨格筋線維内のタンパク質蓄積のメカニズムを探ることを目的としている。DMRVマウスにおいては骨格筋線維内のタンパク質蓄積物は微小管に沿って存在し、電子顕微鏡レベルでは、不定形のタンパク質性封入体とそれを取り巻く自己貪食空胞と一致していた。これらの封入体や自己貪食空胞内はアミロイド陽性であった。今年度は、昨年度にひきつづき骨格筋特異的なオートファジー不全マウスを用いて、骨格筋の表現型解析を行った。骨格筋特異的なオートファジー不全マウスの骨格筋は、p62が多量に蓄積し、ポリユビキチン、シャペロンタンパク質も陽性であった。この蓄積はマウスの週齢とともに増加して言った。この蓄積と関連して、骨格筋の収縮力低下および骨格筋の萎縮の進行が見られ、この骨格筋内でのタンパク質蓄積は、骨格筋の機能低下を引き起こしていることが明らかとなった。また、DMRVマウスでの骨格筋内蓄積タンパク質の解析として、蓄積物に対応して、新たにリン酸化p62抗体にて、p62よりクリアな染色像を取得することに成功し、また、HSP90などのシャペロンタンパク質、さらにリン酸化した翻訳開始因子が、このタンパク質封入体に一致して存在していることを見いだした。このことは、DMRV骨格筋において蓄積タンパク質が、細胞内のストレス応答機構によって認識され、かつ翻訳系の停止と関連していることを表しており、異常タンパク質の骨格筋内蓄積においても、神経変性疾患などで提唱されているような応答経路の存在を明らかにすることが出来た。さらに、DMRVマウス中枢神経系で、このようなタンパク質の蓄積が存在するのかを解析したが、同マウスの脳内には、全くタンパク質の蓄積は認められず、組織学的な変化も見い出されなかった。この結果はDMRV患者において、知能が正常に保たれていることを支持するものであった。26年度が最終年度であるため、記入しない。医歯薬学26年度が最終年度であるため、記入しない。全体的にはおおむね順調に進展している。しかしながら、変異アミロイド過剰発現系をアデノウイルスベクターでの構築を試みたが、高タイターが得られなかった。また、生体からの骨格筋線維培養系では数時間の培養は可能であったが、タンパク質蓄積筋線維が少ないため、ドラッグスクリーニングの解析系の確立には至っていない。全体的に概ね順調に進展している。依然として骨格筋線維の培養系は確立してはいないが、今年度、別のモデルマウスに研究材料を変え、培養系の確立を最優先に解析を進めている。ほぼ、確率出来そうな段階にある。DMRVマウス骨格筋での蓄積タンパク質の解析のため、サンプルを集めるとともに、微量での解析系の予備実験を進めている。
視線移動と焦点調節の協働によるバイオミメティックビジョンの研究

物体の状態識別と操作に適した画像を視線制御と焦点調節の協働により取得する生物模倣型視覚システムを実現するため自動外観検査と目視検査の補完的連携を支援する視覚システムと高所作業用飛行ロボットの作業能力向上を図る組込み型視覚システムを開発した。外観検査支援システムでは検査領域の全焦点画像表示による目視検査の安定性向上と蓄積画像に基づく事後検証機能の実現を図った。飛行ロボット視覚系では複雑高精度の高所作業を実現するためマルチロータ型ヘリコプタに機体固定用と作業用のマニピュレータ2種とARMプロセッサ内蔵組込型視覚システムを搭載した飛行ロボットを開発した。視線移動と焦点調節の協働機構により高い認知能力を発揮するロボット視覚システムの実現を狙いとして、目視検査の自動化を想定した視線移動・焦点調節協働視覚系構成法および飛行ロボットの遠隔制御空中作業の容易化、安定化を想定した視覚系(カメラ)と操作系(ロボットハンド)の協調制御法について検討し、それぞれ下記の成果を得た。1.視線移動・焦点調節協働機構に基づく視覚システム構成法の研究人の柔軟な認知機能を学ぶため製造会社4社の協力を得て、それぞれ種々の表面性状と形状をもつボタン電池加工品、樹脂製品補強金属部品、光沢性立体部品およびNC加工品の目視検査作業を観察し、サッカード視線走査とハンドリング動作のリズミカルな連携による低疲労で効率的な、欠陥の見落としの極めて少ない高水準の検査状況を確認することができた。上記知見に基づき、眼球のサッカード運動を模擬する視線移動機構としてガルバノミラーを導入し、先行研究で達成した固定倍率高速焦点調節機構と協働させることにより、目視検査に代わる高速高機能自動検査を目標とした検査実験装置を製作し、次年度の本格的動作検証実験に備えた。2.飛行ロボット視覚系の研究飛行ロボットは4つの回転翼を持つクアッドロータである。搭載ハンドによる空中遠隔作業を安定かつ容易に行うために一つの1軸スライダ上にハンドとカメラを並べ、先行研究で獲得したカメラ映像中の注視点位置を固定化する視線安定化制御技術を適用し、操作対象部位を注視点に設定してハンドを操作対象部位に安定位置決めし、ハンドによる対象操作を容易に安定制御できるようにした。カメラとハンドを上向きに搭載した飛行ロボットは遠隔制御の下で作業場床面から上昇し、天井付近に位置する水平棒を把持、解放する動作を容易に安定的に実行することができた。ハンドは3Dプリンタで製作し、画像処理はFPGA回路で実行して機体の軽量化を図った。視線移動、焦点調節および物体操作の協働システムについて、外観検査と飛行ロボット空中作業を応用例として採り上げ、下記の成果を得た。1.視線移動・焦点調節協働機構構成法および外観検査応用の研究前年度に引き続き、国内の代表的な目視検査の現場を訪れ、匠級目視検査員の作業動作を調査した。また年度末には公益法人「ちゅうごく産業創造センター」による「検査の自動化促進可能性調査」からも広範囲の調査結果を得ることができた。これらの結果を踏まえ、高機能機械視覚による作業員の視覚作業からの解放、そして検査対象のセッティングと作業管理における作業員とロボットの分担・協調による生産性向上を研究の具体的な達成目標として捉え直し、継続中の実証試験用視覚システムの試作を一歩前に進め焦点調節ピエゾ機構と視線移動用ガルバノミラーを多方向全焦点撮像光学系として一体化すると共に、検査システム導入の容易化を狙いとして視線移動機構との協働動作により検査対象ハンドリング機構を一軸回転台として簡素化した。以上、実証用外観検査事例の具体化と試験データ収集用ソフト作成の準備がほぼ整った。2.飛行ロボット視覚系の研究昨年度に引き続き、空中マニピュレーションを実現するための飛行ロボット機体の開発と視覚システムの構築および実験を行った。飛行ロボットのベースとして、6つの回転翼を持つヘキサコプタを用いた。機体ヨー回転を利用した空中捩じり作業を行うために、機体上部に搭載するハンドモジュールを新規に製作した。ハンドモジュールには、撃力により瞬間的に大トルクを発生するインパクト機構を組み込んだ。またハンドの近くに搭載した単眼カメラにより取得した画像から、捩じり作業時の機体回転数を計測するアルゴリズムを構築した。開発した機体を用いた実験により、飛行しながら高所に設置された電球を捩じってソケットから取り外す作業が実現できることを確認した。当初計画の最終年度計画の遂行に支障のない成果を得ている。1.外観検査応用の研究(担当石井)柔軟性に優れる目視検査と高速、安定性に優れる自動化検査が並存し、検査分野の生産環境により使い分けられている。近年、両検査方式の特性を生かした連携による検査の生産性向上が求められている。前年度までに人の視覚機構を模倣した視線制御と焦点調節の協働機構を機械視覚実験装置として具現化し、連携の在り方を検討する場を整えてきた。匠級の目視検査では、周辺視とリズミカルな対象上の視線移動により高い欠陥検出率を低ストレスで達成している。三次元物体の対象に対しては、視線移動に併せて検査対象の三次元空間における位置・姿勢も協調して変動させている(位置・姿勢ハンドリング)。機械視覚実験装置では回転台に検査対象を載せ方位角のハンドリングのみを実施している。目視検査と機械視覚検査の連携体制を構築するためには、検査画像の共通仕様を指定する必要があり、検査姿勢毎の全焦点画像が共通画像に適当と判断した。本機械視覚実験装置には多焦点画像群から全焦点画像を生成する画像処理モジュールを実装し、目視検査実験にも全焦点画像を提供できるようにした。

検査実験対象として、検査表面の奥行き距離が変動する段差を含む三次元物体を取り上げ、表面傷、欠けなどの加工欠陥や印字欠陥を有する検査用サンプルと欠陥検出ソフトの準備を進めた。2.飛行ロボット視覚系の研究(担当下ノ村)空中マニピュレーションを実現するための飛行ロボット機体の開発と視覚システムの構築および実験を行った。マルチロータ機の機体上部に全方位車輪を搭載した飛行ロボットを開発した。プロペラ推力により天井面に車輪を押し付けながら車輪移動を行うことで、ホバリング状態に比べて高い精度で位置決めが可能であった。また、機体上部に搭載したハンドで高所の構造物を掴むことで機体を固定しながら、別のマニピュレータで作業を行う飛行ロボットを開発した。前記目視検査と自動化検査の連携体制に係る評価実験の成果を連携研究者の目視検査訓練法に係る研究成果の活用により補強する機会を得るため、本科学研究費助成事業の補助事業期間を29年度まで一年間延長する申請を行い承認を得ている。1.外観検査応用の研究生産性の向上と省力化を狙いとする自動検査と目視検査の協働方式では、データ共有と検査特性の補完が協働の主軸と見做し、視線移動と焦点調節の協働によるバイオミメティックビジョンの研究成果が協働方式の実現に役立つと考え、協働方式の基本設計と協働の中核となる実験システムの構築を行った。具体的には視力1の目視検査員を基準とし、明視距離に位置する高精細ディスプレイ上の眼球運動だけで情報受容が可能な有効視野(水平30°垂直20°)内に検査対象の全焦点画像を表示し、目視検査を実施する構成とした。視力を超える検査の高精細化には、画像の分割と拡大表示により対応する。検査対象の全焦点画像を自動検査と共用することで、自動検査と目視検査それぞれの生産性向上と省力化、更に品質データの一元管理が可能となる。本構成は連携研究者の下で進んでいる目視検査訓練システムと同様な作業形態となることも利点である。2.飛行ロボット視覚系の研究機体上部に搭載したハンドで高所の構造物を掴むことで機体を固定しながら、別のマニピュレータで作業を行う飛行ロボットの開発を進めた。また、機体に搭載したチルト機構付きカメラの映像を無線により伝送し、操作者が装着したヘッドマウントディスプレイに提示する遠隔操作用映像システムを構築した。また空中で2台のマルチロータ機(輸送機および作業機)をドッキングする方法を提案した。輸送機のダウンウォッシュの影響を避けるために機体からウィンチ機構により吊り下げた棒をビジュアルフィードバック制御により作業機が自動で把持する。実験により空中ドッキングが可能であることを確認した。今後は空中マニピュレーションを実現する飛行ロボットについて、マニピュレータの自由度を増やし、より複雑な高所作業に適用することを検討する。また空中ドッキング用輸送機についてはドッキングまでの位置決め時間短縮を目指す。物体の状態識別と操作に適した画像を視線制御と焦点調節の協働により取得する生物模倣型視覚システムを実現するため自動外観検査と目視検査の補完的連携を支援する視覚システムと高所作業用飛行ロボットの作業能力向上を図る組込み型視覚システムを開発した。
江戸時代から里山時代における農耕地雑草の多様性変化と人間活動との関係

江戸時代と里山時代(明治昭和初期)の農耕地雑草の多様性を植物考古学の手法により調査した。江戸時代については神奈川県池子遺跡と京都府北白川追分町遺跡の水田跡に含まれる雑草種子の調査を行い,特にイバラモ類などの水生植物が多く,農耕地雑草の多様性が高かったことが示された。里山時代については中池見湿原のボーリングコアから調査を行い,水田雑草の多様性は比較的低かったことが示された。初年度である本年度は、まず江戸時代における農耕地雑草の多様性を明らかにするため、神奈川県逗子市池子遺跡において調査を開始した。池子遺跡では、1707年に噴出した富士宝永テフラによって埋積された水田遺構が見つかっている。この火山灰層によってパックされた水田土壌を分析することで、当時の水田雑草群落を詳細に復元することを試みた。本調査の結果、池子遺跡の近世の水田の雑草群落の多様性は非常に高かったことが明らかになった。出土した植物遺体61種のうち、出土した農耕地雑草は43種にのぼる。水田内の雑草群落は、イバラモ類やシャジクモ類などの沈水生の水生植物が優占していた。水田要素を構成する植物では、シャジクモ属の卵胞子が1099点で最も多く出土した。続いて、イバラモ科4種の種子が多く、サガミトリゲモ149点、ホッスモ148点、イトトリゲモ140点、トリゲモ/オオトリゲモ100点がそれぞれほぼ同程度で出土した。抽水生の植物では、ホタルイ近似種が131点で多く、コナギが92点で続いた。これらの種は面的に広い範囲でまんべんなく出土しており、当時の水田の主要雑草だったと言える。これらの特徴から、池子遺跡近世水田の雑草群落の特徴は、イバラモ類などの沈水生植物の多様性が高かったといえる。特にイトトリゲモやミズオオバコなどは現在は希少な種類であり、除草剤を使った近代的水田ではほとんど見られなくなった。近世当時の水田雑草の多様性が高かったことを示す重要な資料である。本年度は、江戸時代の農耕地雑草の多様性についての分析結果をまとめ、現在の同規模の水田と植物種多様性を比較検討した。さらに、里山時代の農耕地雑草の多様性変化を復元するために、中池見湿原のボーリングコア試料のサンプリングを開始した。江戸時代の農耕地雑草の多様性は、神奈川県逗子市池子遺跡の近世の水田跡の大型植物遺体分析により明らかになった。当時は、イバラモ類、シャジクモ類などの沈水生植物の多様性が高かったことが判明し、特にイトトリゲモやミズオオバコなど、現在では地域的に絶滅した希少な植物も見つかった。江戸時代には、このような水生植物の多様性が高かったことが具体的なデータで示すことができた。さらにこの結果を、現在の葉山町の谷戸田において、表層土壌に含まれる植物遺体を利用して、種数および多様度指数により比較した。その結果、水田雑草や畦畔雑草の多様性は江戸時代の方が高かったが、水田を取り囲む谷斜面の木本植物の多様性は、江戸時代よりも現在の方が高かったことが示された。これは、江戸時代では水田雑草の多様性は高かったが、周囲の森林は乱伐によるマツ林化が進行しており、木本植物の多様性が低かったと考えられる。現在の谷戸田周辺は、マツ林から照葉樹林に変化しているため、現在の方が木本植物の多様性が高かった。このことは、植物の多様性を時代ごとに評価する際には、水田だけでなく、周囲の森林植生にも注意する必要があることを示している。最終年度である本年度は、江戸時代と里山時代(明治昭和初期)の農耕地雑草について、植物考古学の手法により分析を実施し、成果をまとめた。江戸時代における農耕地雑草の追加分析試料として、京都大学構内北白川追分町遺跡での発掘調査を実施した。ここでは、18世紀と見られる水田耕土から、イネとともにコナギ、サガミトリゲモ、イボクサ、ホタルイ属、スゲ属、イグサ属等の雑草が合計35種出土した。昨年度までに実施した神奈川県池子遺跡の分析結果と同様に、江戸時代の水田はトリゲモ類などの水生植物の多様性が高かったことを確認した。里山時代(明治昭和初期)における農耕地雑草の多様性についての分析は、福井県中池見湿原のボーリングコアを用いて実施した。堆積物中に含まれる種子を分析した結果、明治昭和初期頃と考えられる水田耕土から、イネの籾殻とともに、コナギ、ホタルイ属、ハリイ属、スゲ属、カヤツリグサ属、イグサ属等の水田雑草が合計20種類含まれていることが判明した。江戸時代と比較すると雑草種子の出土種数は低かったことが示された。

これまでの江戸時代、明治昭和初期、そして現代の農耕地雑草の多様性を比較すると、江戸時代の水田が、現代の水田や明治昭和初期の水田よりも、雑草の多様性を高く維持しながら営まれていたことが明らかになった。さらに、江戸時代は水田雑草の多様性は高かったが、その一方で水田周囲の森林植生の多様性は低かったという興味深い分析結果も得ることができた。
大脳皮質視覚野の抑制性細胞におけるシナプス可塑性

1.視覚野抑制性細胞の興奮性シナプスにNMDA受容体依存性の可塑性的変化が起きるか、発達期のラット視覚野スライス標本を用いてその解析した。2.顕微鏡下で2・3層非錐体細胞の細胞体からホールセル記録を行い、パッチ電極からニューロビオチンを記録細胞に導入し、記録実験後に形態学的検索を行い、記録細胞が抑制性細胞であるか判定した。抑制性シナプス伝達を薬理学的にブロックし、4層の電気刺激により誘発される単シナプス性興奮性シナプス後電流(EPSP)を記録した。3.シナプス前線維に高頻度刺激を加えても、錐体細胞で得られた結果と同様にEPSCに可塑的変化は生じなかった。4.錐体細胞に長期増強を誘発するには、記録電極から通電してシナプス後細胞を脱分極(0mV)した状態で、シナプス前線維に低頻度(1Hz)の刺激を与えるペアリング刺激を100秒間続けるだけで十分であるが、抑制性細胞では、もっと長い(15分間)ペアリング刺激が可塑的変化を誘発するのに必要であることが分かった。5.ペアリング刺激は錐体細胞には長期増強のみを誘発すのに対して、それを抑制細胞に15分間与えると、長期増強と長期抑圧がほぼ同頻度で発生した。6.抑制細胞の中で、fast spiking細胞には長期抑圧だけが起き、adapting細胞には長期抑圧より長期増強が高頻度で発生した。この結果は、抑制性細胞のサブタイプによりNMDA受容体依存性の長期増強と長期抑圧の起りやすさが著しく異なることを示している。1、視覚野抑制性細胞の興奮性シナプスにNMDA受容体依存性の可塑性があるか、発達期のラット視覚野スライス標本を用いて検討した。顕微鏡下で2・3層非錐体細胞の細胞体からホールセル記録を行い、パッチ電極からニューロビオチンを記録細胞に導入し、記録実験後に形態学的検索を行い、記録細胞が抑制性細胞であるか判定した。抑制性シナプス伝達を薬理学的にブロックし、4層の電気刺激により誘発される単シナプス性興奮性シナプス後電流(EPSC)を記録した。このEPSCは、錐体細胞から記録されたと同様にAMPA受容体性とNMDA受容体性の成分を含んでいたが、NMDA-EPSCは錐体細胞のものに比べて時間経過が少し短かった。2、記録電極から通電してシナプス後細胞を脱分極(0mV)した状態で、シナプス前線経に低頻度(1Hz)の刺激を与えるペアリング刺激は錐体細胞に長期増強を引き起こすことが知られている。このペアリング刺激が抑制性細胞に可塑的変化を誘発するか検討した。錐体細胞では長期増強だけが誘発されるのに対して、抑制性細胞では約半数の細胞に長期抑圧が生じ、長期増強は約1/4の細胞に生じただけであった。残りの約1/4の細胞には長期的変化は生じなかった。3、パッチ電極にCa^<2+>キレータのBAPTAを加えておくと、長期増強も、長期抑圧も生じなかったので、どちらもシナプス後細胞でのCa^<2+>濃度上昇が誘発に必要であるNMDA受容体をAPVでブロックすると長期増強は全く生じなかったが、長期抑圧は一部の細胞(10%程度)で生じた。したがって、長期増強と大部分の長期抑圧はNMDA受容体依存性で、一部の長期抑圧はNMDA受容体非依存性である。長期増強と長期抑圧が起る細胞では脱分極通電による活動電位の発生パターに相違が見られたので、抑制性細胞サブタイプと可塑性の関係の解析を進めている。1.昨年度の研究で視覚野抑制性細胞の興奮性シナプスにNMDA受容体依存性の可塑性的変化が起ることを見出したので、発達期のラット視覚野スライス標本を用いてその解析をさらに進めた。

抑制性シナプス伝達を薬理学的にブロックし、4層の電気刺激により誘発される単シナプス性興奮性シナプス後電流を記録した。3.錐体細胞における長期増強の誘発には、記録電極から通電してシナプス後細胞を脱分極(0mV)した状態で、シナプス前線維に低頻度(1Hz)の刺激を与えるペアリング刺激を100秒間続けるだけで十分であるが、抑制性細胞では、もっと長い(15分間)ペアリング刺激がより有効であることが分かったので、その刺激を用いて可塑的変化を誘発した。4.生後9-19日では長期抑圧が約半数の細胞で起り、約1/3の細胞で長期増強が起った。生後20-29日では長期抑圧は約半数の細胞で起きたが、長期増強の発生頻度は低下し、約1/6の細胞で起きるだけであった。したがって、長期増強の発生頻度は錐体細胞と同様に発達に伴い低下する。5.脱分極通電で発火させると、発火頻度にadaptationが生じないfast spiking細胞では、長期抑圧だけが起きた。発火閾値の低いadapting細胞では主に長期抑圧が生じ、一部の細胞に長期増強が見られた。高閾値のadapting細胞では長期抑圧は起らず長期増強のみが起った。この結果は、抑制性細胞のサブタイプによりNMDA受容体依存性の長期増強と長期抑圧の起りやすさが著しく異なることを示している。
圧電性を持つ酸化亜鉛における光還元反応の電界制御

本研究ではLi添加により高抵抗化された透明性,c軸配向性を有する酸化亜鉛結晶に関して,その光導現象を測定した。特に光電導を大きく支配する表面酸素の脱離,還元現象に関して,以下の点を明らかにした。1)酸化亜鉛には3.2Vと3.5eV以下との2つのエネルギー領域で光照射による電流励起が起こる。制御された雰囲気下における光電測定より,前者はバンド間の電子励起により,後者は表面酸素の脱離(光還元)により起こることを確認した。すなわち酸素を含む雰囲気では3.5eV光照射-遮断に対して,繰り返し抵抗の現象-増加が起こるのに対し酸素を含まない雰囲気(真空,窒素)では暗所における高抵抗化が起きなかった。また高湿度酸素(空気)雰囲気において光還元,再酸化は加速され,繰り返し特性も安定化した。3.2eV光では雰囲気の効果は小さかった。2)表面を機械的に研削することにより,光還元による抵抗減少が消失した。一方,試料を600°Cで空気中加熱することにより復帰した。表面の変化をXPSで測定したところ,研削した表面ではOHにより被覆されており,これが酸素の脱離を妨げているものと判断した。3)光電導ぼ励起率は結晶配向しているc軸方向で大きく,かつ印加電圧に依存した。すなわち,配向軸方向に電圧を印加したとき,電圧が大きいほど励起率が大きく観測された。一方,配向軸に垂直な方向に電圧を印加したときには励起率に電圧依存性は観測されなかった。酸化亜鉛においてc軸が圧電分極軸であることから,圧電効果による格子歪みに伴い,表面酸素が光還元されやすくなったものと判断された。以上より,表面における光還元反応を電界により制御することができることを確認した。本研究では独自に開発した透明性,c軸配向性を有する酸化亜鉛結晶を用いて,その光電導現象を測定した.特に注目した点は1)雰囲気の効果,2)表面状態の効果,3)電界印加方向の効果である.酸化亜鉛は絶縁化する事により大きな光電導を示す.本試料における絶縁化はLiを加熱拡散することにより達成された.酸化亜鉛が持つ光電導はバンドギャップに匹敵するエネルギーと紫外線領域において観測される.前者はバンド間遷移により,後者は表面の光還元によるとされており,本実験では初めに各種雰囲気における光電導特性を測定した.その結果,前者はバンド間遷移の効果もあるものの,いずれの電導励起においても光還元が作用しており,さらにこの現象が水分により約2倍拡大されることを確認した.すなわち,表面状態を考察するためには単に酸素の出入りだけでなく,水分子の出入りもまた考察されるべきである.特に注目されたことは光照射面を乾燥研磨(紙ヤスリおよび油性のダイヤモンドペーストで研磨)する事により,100倍以上の電流励起が10倍程度に減少した点である.研磨によっても初期抵抗値は変化がなかったことより,研磨により光還元が起こりにくい表面が形成されたことが示唆された.この様な状態は真空中での長時間の光照射,600°C程度での空気中加熱により解消された.XPSによる表面分析からは表面での顕著な変化は観測されておらず,次年度以降の大きな課題である.また酸化亜鉛はc軸方向に圧電性を示す.この方向に電圧を印加した場合,電流励起率は電圧に依存した.このことは光還元反応が圧電歪みに対応して変化している,すなわち反応が電界により制御されている可能性を示唆するものである.本研究ではLi添加により高抵抗化された透明性,c軸配向性を有する酸化亜鉛結晶に関して,その光電導現象を測定した.

特に光電導を大きく支配する表面酸素の脱離,還元現象に関して,以下の点を明らかにした.1)酸化亜鉛には3.2eVと3.5eV以下との2つのエネルギー領域で光照射による電流励起が起こる.制御された雰囲気下における光電導測定より,前者はバンド間の電子励起により,後者は表面酸素の脱離(光還元)により起こることを確認した.すなわち酸素を含む雰囲気では3.5eV光照射-遮断に対して,繰り返し抵抗の現象-増加が起こるのに対し,酸素を含まない雰囲気(真空,窒素)では暗所における高抵抗化が起きなかった.また高湿度酸素(空気)雰囲気において光還元,再酸化は加速され,繰り返し特性も安定化した.3.2eV光では雰囲気の効果は小さかった.2)表面を機械的に研削することにより,光還元による抵抗減少が消失した.一方,試料を600°Cで空気中加熱することにより復帰した.表面の変化をXPSで測定したところ,研削した表面では0Hにより被覆されており,これが酸素の脱離を妨げているものと判断した.3)光電導励起率は結晶配向しているc軸方向で大きく,かつ印加電圧に依存した.すなわち,配向軸方向に電圧を印加したとき,電圧が大きいほど励起率が大きく観測された.一方,配向軸に垂直な方向に電圧を印加したときには励起率に電圧依存性は観測されなかった.酸化亜鉛においてc軸が圧電分極軸であることから,圧電効果による格子歪みに伴い,表面酸素が光還元されやすくなったものと判断された.以上より,表面における光還元反応を電界により制御することができることを確認した.