hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
自動車用パワートレーンの電子油圧制御に関する研究

自動車のエミッション低減に有効である圧縮比可変制御を目的とした電子油圧可変動弁アクチュエータは,フィードバックスロットによる流体位置制御機構を有しており,通常の機械式動弁とは異なり,エンジンとは完全に独立に,動弁特性(リフト量・タイミング・開期間)がセンサレスで制御可能である.今年度は,商用車用4バルブエンジン用のアクチュエータに関して研究を行った.2バルブから4バルブ化することで,可動部質量が大幅に増加したが,昨年度その有効性が実証されたマルチパルス法を採用することで,実用に十分な性能が実現できた.この成果は,平成20年4月に行われる第8回機素潤滑設計講演会で発表する予定である.固定減速比を持つ双方向ウェッジローラ形トラクションドライブ減速機を,自動車用として応用分野を広げるために,減速比00.15,入カトルク容量10Nmのリングコーン型IVT(無限減速比無段変速機)の研究を始めた.無負荷にて同期安定性を確認し,最大増速付近では伝達効率80%を得ることができた.更に変速比幅を拡大するために,大型FR乗用車向けにハーフトロイダル形可変変速部と遊星歯車を組み合わせたパワースプリット型CVTの研究を行った.直結とパワースプリットの2モードを切換えることで,通常の変速比幅4.333から6.33まで変速比幅拡大する構造になっている.今年度は,設計入カトルク370NmのCVT Boxを作製し,性能試験を行った.理想的なモード切換点から敢えてずれた状態でモード切換えすると,そのずれ量に応じて,ほぼ比例的に出力軸サージトルクが上昇している様子が確認できた.また,理想状態でモード切換した時には,サージトルク発生なしで,0.3s以内にモード切換を実現でき,クラッチの切換パターンの最適化により良好なキックダウン特性が得られた.本研究から,本装置の過渡特性(モード切換やキックダウン)は実用化レベルに達する見通しが立った.低エミッション,低燃費という点で注目されている天然ガスエンジンにおける高負荷高速運転時のノッキング回避のために,通常運転時には極力高い圧縮比で高効率に運転し,ノッキング発生域では吸気弁の遅閉じにより,正味の圧縮比を低下する圧縮比可変制御は有効な手段である,電子油圧可変動弁アクチュエータは,フィードバックスロットによる流体位置制御機構を有しており,センサレスで動弁のリフト量が制御でき,通常の機械式カムエンジンとは異なり,エンジンとは全く独立しているので,動弁のリフト・タイミング・開期間のすべての特性が自在に制御できる.今年度は,アクチュエータの高速化を目的として,ハードとソフト面で電子油圧制御システムの改良を行なった.前者では,パイロット弁を現行の2ポート形高速電磁弁から3ポート形に置き喚え,ソレノイドOFF時にコントロール室へ強制給油することで,閉じ速度の向上を図った.後者では,減衰力不足によるオーバーシュート防止のために用いていた機械式の摺動装置の代わりに,パイロット弁の開閉をマルチパルス法により細やかに制御することで,油圧による制動力が発生し,機械損失が少なく,より高速に運転するシステムを構築できた.従来のシステムでは開き速度と閉じ速度はトレードオフの関係であったが,3ポート形電磁弁でそれぞれを最高速度にすることで,最短開弁時間が24msから19msに短縮し,最高対応可能エンジン回転数が1670rpmから2100rpmに向上することができた.耐久性の観点からも,マルチパルス法により着座直前に動弁に逆向きの力をかけることで,着座速度を低下することができ,従来品と同程度の着座特性を確認した.性能試験の前に,2ポート形高速電磁弁を用いた一号機のアクチュエータで整合性が既に確認されているボンドグラフモデルにより,3ポート形電磁弁とマルチパルス法の効果の有用性を確かめられたので,効率的に作業を進めることができた.自動車のエミッション低減に有効である圧縮比可変制御を目的とした電子油圧可変動弁アクチュエータは,フィードバックスロットによる流体位置制御機構を有しており,通常の機械式動弁とは異なり,エンジンとは完全に独立に,動弁特性(リフト量・タイミング・開期間)がセンサレスで制御可能である.今年度は,商用車用4バルブエンジン用のアクチュエータに関して研究を行った.2バルブから4バルブ化することで,可動部質量が大幅に増加したが,昨年度その有効性が実証されたマルチパルス法を採用することで,実用に十分な性能が実現できた.この成果は,平成20年4月に行われる第8回機素潤滑設計講演会で発表する予定である.固定減速比を持つ双方向ウェッジローラ形トラクションドライブ減速機を,自動車用として応用分野を広げるために,減速比00.15,入カトルク容量10Nmのリングコーン型IVT(無限減速比無段変速機)の研究を始めた.無負荷にて同期安定性を確認し,最大増速付近では伝達効率80%を得ることができた.更に変速比幅を拡大するために,大型FR乗用車向けにハーフトロイダル形可変変速部と遊星歯車を組み合わせたパワースプリット型CVTの研究を行った.直結とパワースプリットの2モードを切換えることで,通常の変速比幅4.333から6.33まで変速比幅拡大する構造になっている.今年度は,設計入カトルク370NmのCVT Boxを作製し,性能試験を行った.理想的なモード切換点から敢えてずれた状態でモード切換えすると,そのずれ量に応じて,ほぼ比例的に出力軸サージトルクが上昇している様子が確認できた.

また,理想状態でモード切換した時には,サージトルク発生なしで,0.3s以内にモード切換を実現でき,クラッチの切換パターンの最適化により良好なキックダウン特性が得られた.本研究から,本装置の過渡特性(モード切換やキックダウン)は実用化レベルに達する見通しが立った.
精神疾患モデル動物発見を企図したニホンザルを対象とする精神疾患発症関連変異の探索

精神疾患の発症に強い影響を及ぼすゲノムコピー数変異(CNV)が同定されている。本研究では精神疾患の霊長類モデルを発見する為ニホンザルのCNV解析を実施し精神疾患関連CNVを探索した。335頭の全ゲノムCNVデータから神経発達関連遺伝子(GRM5、NGF、BDNF、ADORA2A)に機能的影響を与えるCNVを同定した。ADORA2A領域の重複は精神疾患・神経発達症との関連が報告されているが、本個体の行動観察では明らかな異常を認めず今後詳細な表現型解析が必要だ。結果、ニホンザルのCNV解析から精神疾患の霊長類モデルの候補を同定しニホンザルのゲノム解析が精神疾患モデルの樹立に寄与する可能性を示した。京都大学霊長類研究所の今井啓雄准教授から提供を受けたニホンザルの末梢血由来ゲノムを用いてcomparative genomic hybridization法(CGH法)で全ゲノムCNV解析を実施した。解析対象のニホンザルは数十年間系統維持され、系統ごとに家系図が保存されている。H25年度は100頭以上のニホンザルのCNV解析を終了し、頻度もサイズも異なる多様な欠失・重複を同定した。一部のCNVは出身地あるいは家系に特異的な変異であった。同定したCNVの例として、4Mbを超える大規模重複(数多くの遺伝子が含まれる)、10番染色体の600kbの重複、BDNF遺伝子を含む領域の重複、NGF遺伝子を含む領域の欠失が含まれる。10番染色体の重複は、相同領域のヒト22番染色体の重複が統合失調症患者で複数同定されている。これらの例のように、中枢神経系の発達に重要な役割を果たす遺伝子や精神疾患との関連が報告された遺伝子に機能的影響を及ぼすCNVを見出した。同定したCNVの一部は、さらに解像度の高いCGH法で再現性の確認を行った。今後は解析サンプルの数を増やし、さらに精神疾患に関連したCNVをもつニホンザルを見つける。同時に、精神疾患に関連したCNVを有する個体には、オープンフィールドテストや社会相互作用の評価、認知機能テスト、MRI等を用いた脳構造の評価を実施し、その個体が精神疾患モデルとしての妥当性を有するかを検証する。京都大学霊長類研究所の今井啓雄准教授から提供を受けたニホンザルの末梢血由来ゲノムを用いてCNV解析を実施し、ヒト精神疾患と関連したCNVをもつニホンザル個体の探索を行った。comparative genomic hybridization法(CGH法)を用いて、平成26年度までに379頭の解析を終えた。ゲノムデータのquality control後に残った335頭について、詳細なデータ解析を実施した。その結果、全ゲノムで5904個のCNVを同定した。神経発達関連遺伝子に影響するCNVに着目し、14番染色体のGRM5遺伝子(glutamate receptor, metabotropic 5)を含む領域の重複(4.3Mb)、1番染色体のNGF遺伝子(nerve growth factor)を含む領域の欠失(812kb)、14番染色体のBDNF遺伝子を含む領域の重複(1.0Mb)、そして10番染色体のADORA2A遺伝子(adenosine A2a receptor)を含む領域の重複(590kb)を同定した。10番染色体の重複は、ヒトの22q11.23領域に相当し、その重複は統合失調症や神経発達障害との関連が報告されている。精神疾患との関連をさらに調べるため重複をもつ個体の観察を実施したが、これまでのところ明らかな行動学的異常は見出していない。今後もオープンフィールドテストや社会相互作用の評価、認知機能テスト、脳画像検査を実施し、精神疾患モデルとしての妥当性を検証する必要があると考えられた。精神医学、ゲノム医学H25年度は100頭以上のニホンザルを対象に全ゲノムCNV解析を実施した。10番染色体の重複、BDNF重複、NGF欠失など精神疾患との関連が報告された遺伝子にCNVを見出している。これらCNVをもつニホンザルは精神疾患モデルになる可能性があり、次年度に表現型解析を実施する予定である。なお、同定したCNVの一部は再現性の確認も行っており、データの質も高いと考えられる。以上から、当初の計画以上に進展しているといえる。サンプル数を増やし、ニホンザルの全ゲノムCNV解析を継続し、精神疾患に関連した遺伝子や神経発達において重要な働きをする遺伝子のCNVを同定する。同定したCNVは高解像度CGH法で再現性を確認する。上述のCNVをもつ個体を対象に表現型を詳細に調べ、CNVが行動・認知機能に与える影響を明確化し、精神疾患モデルとしての妥当性を検証する。
ナノ3次元構造と構成元素の検出のための分光偏光ナノトポメトリ

本研究は,スーパーコンティニュアム白色光源をニ酸化テルル製の音響光学チューナブルフィルタ(AOTF)で分光し,光弾性変調器(PEM)による高速でかつ高精度な分光ストークス偏光計と分光ミュラー行列偏光計を確立したこと,部分ミュラー行列の解析および高速回転の位相子と同期をとることで高精度な完全ミュラー行列計測を可能としたこと,光学シミュレーション解析法である境界要素法(BEM)偏光情報の構造性複屈折情報と複吸収(二色性)から3次元ナノ構造を決定するシミュレーションを行い数nmの計測感度を持つことが確認できたこと,さらに,分光特性から3次元ナノ構造および材料(構成元素)解析の可能性を示した。今年度は,2つアプローチから分光偏光ナノトポメトリの構築を試みた。第1にスーパーコンティニュアム白色光源からの入射光の偏光状態を高速に変調するためにリタ-ダとして2つの光弾性変調器(PEM)を導入し,測定サンプルからの偏光変化を検出するアルゴリズムの構築を行った。第2にデジタル・マイクロミラー,集光レンズと光ファイバによって導かれた分光器によってなるシングルピクセルによる分光計の構築である。これは,DMDによって白黒のランダム・パターンをつくりこれを集光して光強度として取り込むが,これを組み合わせてアマダール変換によるゴーストイメージング法を導入することによって分光の面分布を捉えることができた。これは,ポイント式の分光器を用いているが分光イメージング(波長に対する2次元イメージング)が可能となった。一方,得られた分光ストークス・パラメータ(波長に対する偏光情報)からナノ3次元形状情報と構成元素情を得るためには,電磁場解析である厳密結合波解析(RCWA),時間領域差分法(FTDT)および境界要素法(BEM)があるが,今年度はBEMに絞って偏光情報の構造性複屈折情報と複吸収(二色性)から3次元ナノ構造を決定するのシミュレーションを検討した。実際にナノ3次元構造と元素情報を得るためには,事前にシミュレーションにて求めたいパラメータを変数としたテンプレートを作っておき,これとマッチングをとる方法をとるが,このマッチング方法に関しても検討を開始した。今年度は,2つの異なったアプローチから分光偏光ナノトポメトリの構築を試みていること。第1のスーパーコンティニュアムと2つの光弾性変調器(PEM)からなる偏光計と第2のシングルピクセルによる分光計の構築の提案が順調にできている。また,シミュレーション部分においては境界要素法(BEM)が動き始めている点。本研究の目的は,3次元ナノ構造からの散乱光を分光偏光イメージングによって波長に対するストークス・パラメータとして計測することでその材料の光学特性および3次元形状を同時に捉えることである。今年度は,分光偏光ナノトポメトリの有用性を実証するための研究を進めてきた。まず,ナノ三次元形状を得るためにストークス・パラメータからナノトポグラフィを検討する。特に,散乱光は全方位角に広がるので,これに対応するような光学系と装置の改造を施した。ここでは,前年度に試作したスーパーコンティニュアム白色光源からの入射光の偏光状態を高速に変調するために2つの光弾性変調器(PEM)を導入し,部分ミュラー行列の解析との高精度化をはかった。特に、検定のための基準光源やナノメートルオーダの構造を持つワイヤーグリット偏光子の透過および反射の偏光特性の計測を試みた。精密定盤上に仮設置された机上実験から筐体することで防震,台環境を向上させ分光ストークス・イメージングの高精度化をはかった。さらに,得られた波長に対する偏光情報,つまり,分光ミュラー行列や分光ストークス・パラメータからナノ3次元形状情報と構成元素情報を得るシミュレーション法を検討した。電磁場解析である厳密結合波解析(RCWA),時間領域差分法(FTDT)および境界要素法(BEM)があるが,前年度に引き続きBEMに絞って偏光情報の構造性複屈折情報と複吸収(二色性)から3次元ナノ構造を決定するシミュレーションを検討した。今年度は,2つの異なったアプローチから分光偏光ナノトポメトリの装置化に力を注いだ。一方,ナノ3次元形状情報と構成元素情報を得るシミュレーション部分においては,昨年同様に境界要素法(BEM)であり,若干遅れ気味である点。今年度は,分光偏光ナノトポメトリの実用化のために偏光計測システムの高速化と有用性を実証するための研究を推進した。まず,前年度に試作したスーパーコンティニュアム白色光源からの入射光の偏光状態を高速に変調するために2つの光弾性変調器(PEM)にさらに高速回転位相子を導入し,部分ミュラー行列から実時間完全ミュラー行列偏光計へ高精度化をはかった。同時に精度検定を四分の波長板を中心とした位相子や複吸収素子として,ナノメートルオーダの構造を持つワイヤーグリット偏光子によって行った。ナノ三次元形状とその材料特性を得るためにストークス・パラメータからナノトポグラフィとして逆問題を解くことで可能とした。特に,散乱光は全方位角に広がるので,これに検出するような光学系と装置と得られた波長に対する偏光情報,つまり,分光ミュラー行列や分光ストークス・パラメータからナノ3次元形状情報と構成元素情報を得ることができることを実験およびシミュレーションにより示した。

ここでは,電磁場解析である厳密結合波解析(RCWA),時間領域差分法(FTDT)および境界要素法(BEM)があるが,前年度に引き続きBEMに絞って偏光情報として構造性複屈折情報と複吸収(二色性)に注目して3次元ナノ構造を決定することとを検討した。本研究は,スーパーコンティニュアム白色光源をニ酸化テルル製の音響光学チューナブルフィルタ(AOTF)で分光し,光弾性変調器(PEM)による高速でかつ高精度な分光ストークス偏光計と分光ミュラー行列偏光計を確立したこと,部分ミュラー行列の解析および高速回転の位相子と同期をとることで高精度な完全ミュラー行列計測を可能としたこと,光学シミュレーション解析法である境界要素法(BEM)偏光情報の構造性複屈折情報と複吸収(二色性)から3次元ナノ構造を決定するシミュレーションを行い数nmの計測感度を持つことが確認できたこと,さらに,分光特性から3次元ナノ構造および材料(構成元素)解析の可能性を示した。今後は,分光偏光ナノトポメトリを全方位角型3次元ナノ構造計測法に確立する。同時に,厳密結合波解析(RCWA)と時間領域差分法(FTDT)によって数値解析から得られたストークス・パラメータからナノ構造の決定法を試みる。特に,解析の高速化のため,実験値とシミュレーションの新たなマッチング法の最適化と材料の構成材料(元素)の決定法ための有効媒質近似(EMA)の最適化を図ることによって,複素屈折率と多層膜の材料厚みおよび屈折率の分光特性を決定する。ここでは,様々なナノ三次元形状を大学所有の電子線描画装置によって主に,ガラス基板上に製作し,電子線顕微鏡とAFMにて比較評価する。さらに、三次元形状が多層構造になった状態での解析アルゴリズムもソフトウエアとして提供する。今後の研究推進は,光弾性変調素子を用いた分光偏光ナノトポメトリを実際に全方位角型3次元ナノ構造計測法に拡張する。厳密結合波解析(RCWA),時間領域差分法(FTDT)および境界要素法(BEM)というシミュレーションのなかでナノ構造とその物質の構成元素の決定法を可能とする。また,解析の高速化のため,有効媒質近似(EMA)の最適化を図ることによって,複素屈折率と多層膜の材料厚みおよび屈折率の分光特性を決定する。最後に,ナノ三次元形状を大学所有の電子線描画装置によって主に,ガラス基板上に製作し,本手法を評価する。また,電子線顕微鏡およびAFMにて比較も試みる。29年度が最終年度であるため、記入しない。光工学29年度が最終年度であるため、記入しない。
琵琶湖における珪藻の大型化とその背景となった湖水深変動の解明

研究代表者の齋藤は、琵琶湖湖底堆積物中の珪藻分析を継続した。国立科学博物館に保管されていた琵琶湖ボーリングコアBIW08より層厚1cmごとに採取された堆積物を十分に乾燥させて秤量、過酸化水素水で分解、スクリュー管瓶に懸濁液として保管した。これらの懸濁液の一部を希釈して、珪藻化石観察のためのプレパラートと電顕観察用の濾過試料を作製した。2018年度中に、総試料7400試料のうち約5000試料について、懸濁液およびプレパラート作製が完了した。これらのプレパラートから一部を選択し、スズキケイソウおよびその祖先種の殻直径を測定した。これによって、珪藻の大型化、すなわち、殻直径の最大値の増大が掘削深度31mから32mに認められることを明らかにした。さらに、琵琶湖湖底ボーリングより古い時代におけるスズキケイソウ類似種の殻直径を検討するために、琵琶湖西岸に分布する古琵琶湖層に含まれる珪藻化石を採取することを試みたが、保存の良い珪藻化石は得られなかった。また、今後の研究において現在琵琶湖に生育するスズキケイソウを検討するために、海洋研究開発機構において現生プランクトン試料を退縮なく固定する方法を習得した。研究協力者の豊田は、200mコアおよび1400mコアを用いた地球化学的な分析結果を再検した。琵琶湖における過去の水深の指標となると考えられてきた水酸化物相におけるヒ素含有量には、珪藻の大型化と同時期の水深の増大は認められず、より古い時代に水深の増大があったことが示唆された。齋藤と豊田は、これらの成果を踏まえて、2018年6月の日本古生物学会2018年年会において、珪藻の大型化と地球化学分析から推定される湖水深に必ずしも同調的な変化が認められないことを報告した。珪藻分析においては、昨年度の遅れを解消し計画通りの進捗状況にある。これまでに、作製した珪藻プレパラートの一部を検鏡し、BIW08コアにおける珪藻大型化が起こった層準を特定した。翌年度中には、珪藻化石に認められる変化を時間分解能を上げて明らかにし、その結果を化学分析の結果と比較検討することが確実に行える。研究代表者の齋藤においては検鏡作業を続け、論文における議論に十分な分解能を有した結果を得る。火山灰や砂質分の多く含まれる試料を避けて、観察に適した層準を選び、スズキケイソウとその祖先種について、その相対的な出現頻度、堆積物単位質量あたりの含有量、殻の直径を測定する。現在までに珪藻の大型化が起こった層準が特定されたので、その層準の上下においては、検鏡間隔を詰めて層厚1cmごとに作製したプレパラート全て(約30年間隔)を検鏡する。これらの観察にもとづいた新知見を公表するために、琵琶湖の環境変化と珪藻の形態進化に関してこれまで行われた研究を整理することも、引き続き行なう。研究協力者の豊田においては、ヒ素含有量の結果を適切に解釈するために追加実験を行なう。また、文献探索を行なって、過去の水深を推定する他の指標を調査するほか、水深以外の環境要素の変化を明らかにすることを試みる。研究代表者の齋藤は、琵琶湖湖底堆積物中の珪藻分析に着手した。まず、国立科学博物館に保管されていた琵琶湖湖底より採取されたボーリングコアBIW08より層厚1cmごとに採取された堆積物7400試料を整理した。次に、効率的な永久プレパラートの作製方法を検討して、プレパラートの作製を開始した。堆積物試料は、十分に乾燥させて秤量したのち、過酸化水素水で分解し、スクリュー管瓶に懸濁液として保管した。珪藻化石の包埋作業においては、パラフィン伸展器を1台導入して作業の効率化をはかった。2017年度中に、総試料のうち約3000試料について、珪藻化石包埋作業の前段階である懸濁液が完成し、約1000試料についてプレパラート作製が完了した。検鏡作業のために、接眼マイクロメータを準備した。これらの作業と並行して、琵琶湖における珪藻の形態進化の速度と様式に関して、学術雑誌に総説を発表した。そこにおいて、珪藻の形態進化の速度が時代によって変化する要因について論じ、湖環境の変化(水深の変化を含む)が珪藻の形態進化を引き起こした可能性について既存研究の成果を用いて検討した。研究協力者の豊田は、200mコアを用いた地球化学的な分析を行った。国立科学博物館に保管されていた琵琶湖湖底より採取されたボーリングコア200mコアから分取された208層準について水酸化物相におけるヒ素を抽出しICP-AESを用いて測定した。その結果によれば、琵琶湖における過去の水深の指標となると考えられてきた水酸化物相におけるヒ素含有量には、珪藻の大型化と同時期の水深の増大は認められず、より古い時代に水深の増大があったことが示唆された。珪藻分析の進捗は、予定よりもやや遅れている状況であるが、プレパラート等の作製に効率的な手法を確立し、珪藻化石を観察するための試料を着実に準備している。一方で、化学分析はすでに予定していた測定を終え、その解釈を検討する段階へと進んでいる。

国立科学博物館に保管されていた琵琶湖ボーリングコアBIW08より層厚1cmごとに採取された堆積物を十分に乾燥させて秤量、過酸化水素水で分解、スクリュー管瓶に懸濁液として保管した。これらの懸濁液の一部を希釈して、珪藻化石観察のためのプレパラートと電顕観察用の濾過試料を作製した。2018年度中に、総試料7400試料のうち約5000試料について、懸濁液およびプレパラート作製が完了した。これらのプレパラートから一部を選択し、スズキケイソウおよびその祖先種の殻直径を測定した。これによって、珪藻の大型化、すなわち、殻直径の最大値の増大が掘削深度31mから32mに認められることを明らかにした。さらに、琵琶湖湖底ボーリングより古い時代におけるスズキケイソウ類似種の殻直径を検討するために、琵琶湖西岸に分布する古琵琶湖層に含まれる珪藻化石を採取することを試みたが、保存の良い珪藻化石は得られなかった。また、今後の研究において現在琵琶湖に生育するスズキケイソウを検討するために、海洋研究開発機構において現生プランクトン試料を退縮なく固定する方法を習得した。研究協力者の豊田は、200mコアおよび1400mコアを用いた地球化学的な分析結果を再検した。琵琶湖における過去の水深の指標となると考えられてきた水酸化物相におけるヒ素含有量には、珪藻の大型化と同時期の水深の増大は認められず、より古い時代に水深の増大があったことが示唆された。齋藤と豊田は、これらの成果を踏まえて、2018年6月の日本古生物学会2018年年会において、珪藻の大型化と地球化学分析から推定される湖水深に必ずしも同調的な変化が認められないことを報告した。珪藻分析においては、昨年度の遅れを解消し計画通りの進捗状況にある。これまでに、作製した珪藻プレパラートの一部を検鏡し、BIW08コアにおける珪藻大型化が起こった層準を特定した。翌年度中には、珪藻化石に認められる変化を時間分解能を上げて明らかにし、その結果を化学分析の結果と比較検討することが確実に行える。研究代表者の齋藤においては遅れている検鏡作業を進める。火山灰や砂質分の多く含まれる試料を避けて、観察に適した層準を選び、スズキケイソウとその祖先種について、その相対的な出現頻度、堆積物単位質量あたりの含有量、殻の直径を測定する。珪藻の大型化が起こった層準を特定するまでは、数百年ほどの試料間隔で検鏡して、層序学的な変化の概要を把握する。珪藻の形態学的な進化や大型化が起こった層準の前後においては、検鏡間隔を詰めて層厚1cmごとに作製したプレパラート全て(約30年間隔)を検鏡する。これらの観察にもとづいた新知見をまとめるには時期尚早であるので、琵琶湖の環境変化と珪藻の形態進化に関してこれまで行われた研究を整理して国内学会等で報告する。本研究に課せられた課題を議論し、今後の研究の展開に反映させる。研究協力者の豊田においては、ヒ素含有量の結果を適切に解釈するために追加実験を行なう。また、文献探索を行なって、過去の水深を推定する他の指標を調査するほか、水深以外の環境要素の変化を明らかにすることを試みる。研究代表者の齋藤においては検鏡作業を続け、論文における議論に十分な分解能を有した結果を得る。現在までに珪藻の大型化が起こった層準が特定されたので、その層準の上下においては、検鏡間隔を詰めて層厚1cmごとに作製したプレパラート全て(約30年間隔)を検鏡する。
新しい視点からの麻酔薬の作用および副作用の機序の解明と新規麻酔薬評価への応用

ウサギ脳Na^+,K^+-AIPaseを用いて、種々の全身麻酔薬およびその関連薬がNa^+,K^+-AIPaseに及ぼす影響と作用機構について調べた。その結果、フェンタニルを除くすべての麻酔薬および関連薬は、濃度依存性にNa^+,K^+-ATPase全活性と部分反応であるNa^+-ATPase活性(Na^+活性)およびK^+-pNPPase(K^+活性)を阻害した。揮発性麻酔薬においては50%阻害濃度(IC_<50>値)と一般に麻酔作用の強さの指標とされるMAC値の間に強い相関関係(r=0.938)がみられた。各麻酔薬の全活性、Na^+活性およびK^+活性に対するIC_<50>値の順序を比較したところ、バルビタール類、ペンゾジアゼピン類、揮発性麻酔薬およびその他の麻酔薬で順序のパターンに差異がみられ、麻酔薬のグループごとに阻害機構が異なることが示唆された。そこで各麻酔薬のリン酸化反応中間体(EP)形成に対する作用を調べたところ、全活性が阻害される濃度でベンゾジアゼピン類はEP形成を抑制し、揮発麻酔薬とケタミンは抑制しなかった。ミダゾラム、イソフルラン、ケタミンの濃度を変えてEP形成に対する作用を調べたところペンゾジアゼピン類であるミダゾラムのみが濃度依存性にEP形成を抑制した。また、揮発性麻酔薬であるイソフルランにおいてEPのK^+に対する反応性は低下し、ケタミンでは増加していた。以上の結果からペンゾジアゼピン類はEP形成を抑制し、揮発性麻酔薬はEPのK^+感受性を低下させ、ケタミンはK結台酸素からのK^+遊離の過程を阻害することによってNa^+,K^+-ATPase活性を阻害することが示唆された。1.ウサギの脳と腎臓の膜分画から、麻酔薬の作用を解析するのに必要な純度とNa,K-ATPaseを単離、精製した。2.精製酵素を用いてNa,K-ATPase活性、部分反応であるNa-ATPase活性とK-pNPPase活性に対する麻酔薬の作用を調べたところ、いずれの麻酔薬も上記3活性を抑制した。麻酔薬および麻酔関連薬としてバルビタール(ペントバルビタール、チオペンタール)、ベンゾジアゼピン(ミダゾラム、ジアゼパム、フルニトラゼパム)、揮発性麻酔薬(ジエチルエーテル、ハロタン、セボフフラン、イソフフラン)、その他(ケタミン、ドロペリドール)を用い、薬物の濃度を広く変えて測定を行うことによって50%阻害濃度(Ki_<50>)を求めた。3.脳Na^+,K^+-ATPase活性測定において、揮発性麻酔薬によるKi_<50>値と報告されている最小肺胞濃度(MAX)の間には強い相関(r=0.987)がみられた。4.各麻酔薬のNa^+,K^+-ATPase活性、Na^+-ATPase活性とK^+-pNPPase活性に対するKi_<50>値の順序を比較したときバルビタール、ベンゾジアゼピン、揮発性麻酔薬の各グループごとに共通の傾向を示した。このことは、各グループによってNa^+,K^+-ATPaseの阻害機構に違いがあることを示唆する。5.脳と腎臓のNa^+,K^+-ATPaseでは、基本的に同様の結果が得られたが一部で異なっていた。
倒置・超短時間レーザフラッシュ法による放射性物質固化用ガラス融体の熱伝導率の研究

研究代表者らの開発した薄い底面をもつ白金セルの底面にレーザパルスを照射し、その後の底面の温度変化を10ms程度のごく短時間領域で赤外線による温度計測を行うことにより融体の熱伝導率を測定する倒置・超短時間レーザフラッシュ法により放射性物質固化用ガラス融体の測定を行い熱伝導率と構造に関する理論の構築を行った。まずランダムネットモデルによる検討を行い全体の傾向を表せる事を示した。ついて大きな錯イオンを考えたモデルでより精度が上げられることを明らかにし、次いで陽イオンの効果についても検討した。減容化、安定化の効果が大きいガラス固化により放射性廃棄物を固定化して廃棄することが検討されている。ガラス固化体製造用の溶融炉の安定制御のためにはその物性値が不可欠である。本研究は高放射性廃棄物ガラス固化体に用いられる融体(以下廃棄物固化用ガラス)の熱伝導率を測定しこのデータをもとに組成と熱伝導率の関係を明らかにすることを目的とする。本研究では、研究代表者らの開発した高温の酸化物系融体の熱伝導率計測として熱放射の影響や試料の電気的性質に関わらず正確な測定が可能な倒置・超短時間レーザフラッシュ法により廃棄物固化用ガラスの熱浸透率(熱伝導率の平方根に密度と比熱を掛けた値)を測定した。この手法はごく薄い底面をもつ白金セル底面にレーザパルスを照射しその後の底面の温度変化をパルス照射後10ms程度のごく短時間領域で赤外線による温度計測を行うことにより融体の熱浸透率を測定するという簡単な方法により、1800K程度の温度まで正確に測定を行うことが可能である。平成25年度は、構造と熱伝導率の関係の理論的な検討を行う事を目的として、基本系である、B2O3-CaO-SiO2融体の熱伝導率の測定を実施した。本研究では、高温の酸化物系融体の熱伝導率計測として熱放射の影響や試料の電気的性質に関わらず正確な測定が可能である、研究代表者らの開発した倒置・超短時間レーザフラッシュ法により廃棄物固化用ガラスの熱浸透率(熱伝導率の平方根に密度と比熱を掛けた値)を測定した。この手法はごく薄い底面をもつ白金セルの底面にレーザパルスを照射しその後の底面の温度変化をパルス照射後10ms程度のごく短時間領域で赤外線による温度計測を行うことにより融体の熱浸透率を測定するという簡単な方法により、1800K程度の温度まで正確に測定を行うことが可能である。震災により破損した原子炉から放射性セシウムを吸着したゼオライトが大量に発生している。減容化、安定化の効果が大きいガラス固化により廃棄を行うことが検討されている。廃棄物ガラス固化体製造用の溶融炉の安定制御のため融体の熱伝導率を測定し、このデータをもとに組成から熱伝導率を推算する方法の確立が求められている。このため研究代表者らの開発した薄い底面をもつ白金セルの底面にレーザパルスを照射し、その後の底面の温度変化を10ms程度のごく短時間領域で赤外線による温度計測を行うことにより融体の熱伝導率を測定する倒置・超短時間レーザフラッシュ法により硼珪酸塩融体の測定を行い熱伝導率と構造に関する理論の構築を行う事を目的とした。1)計算機内にランダムネットワークモデルを作成しこのモデルによって得られる値と実測値の比較を行った。ネットワーク分断による熱伝導率の低下は再現できたが、僅かなモディファイヤーの添加によって熱伝導率が大きく低下する傾向は説明出来なかった。2)非架橋酸素で珪酸塩錯イオンが取り囲まれているモデルの検討を行った。ネットワークモディファイヤーイオンについても線形近似でその影響を取り込んだ。実測値と計算値はCaO-K2O-SiO2-Al3O3系では良く一致した。CaO-Na2O-SiO2-Al3O3系ではネットワークモディファイヤーの多い領域で一致しなかった。3)同一モル比のCaO-SiO-M2O系(M=Li,K,Na)の測定を行った。その結果次の点があきらかとなった。i)CaOは熱伝導率を高くする効果がある。ii)Li,Na,Kの熱伝導率を低下させる効果は、イオン半径の大きいほど大きい。またこのほかに、硼酸塩系としてB2O3-CaO-SiO2や、実際の廃棄物固化のために実用されている硼酸塩系を模擬した試料について測定を行った。これらについても今後さらに検討を実施する。

高温融体の熱物性予定からやや遅れているが、実験をほぼ問題なく実施し、平成24年度は実装業で使用されている組成の近似組成の試料の測定を行った。平成25年度は、ホウケイ酸塩ガラスの理論の基礎としてケイ酸塩ガラスの熱伝導率の測定を行い、組成に基づき計算されるネットワーク構造と熱伝導率の関係の理論を構築しつつある。実験を問題なく実施し、実装業で使用されている組成の近似組成の試料の測定を行った。また、ホウケイ酸塩ガラスの理論の基礎としてケイ酸塩ガラスの熱伝導率の測定を行い、組成に基づき計算されるネットワーク構造と熱伝導率の関係の理論を構築しつつある。平成25年度は理論的な検討を行えるように単純な組成の系の測定を実施し、構造との関係に着目した実験を開始したが、スタッフなどの人的資源の関係から十分な測定が実施できなかった。平成26年度は、十分な回数の実験を実施し、解析する組成範囲を拡げる。本年度は実装業の組成に近い複雑な組成の系を選び測定を行ったが、今後は理論的な検討を行えるように単純な組成の系の測定を実施し、構造との関係に着目した実験を行う予定である。やや計画が後れたため一部の実験を次年に行う事として白金セルなどの消耗品代として三万円程度を次年度に使用することとした。平成26年度においては、この金額を含めて計画的に実験を行う。白金セルなど消耗品などを購入し、実験を続行する。温度計測のための赤外線検出器に使用する液体窒素、試料調整のための薬品、試料調整や試料セルのために高温で用いる白金の部品、国際学会における発表のための旅費、測定結果を数値計算により処理するためのソフトウエアのライセンス費用などを計画している。
グレリンによる食嗜好の調節とその脳内機構の解明

摂食亢進性ホルモンであるグレリンの、報酬に関連深い中脳辺縁系ドーパミン神経に対する作用機序に、食物の報酬効果とオピオイド受容体経路の相互作用が関与しているかどうかを調べた。その結果、グレリンは食物の報酬効果によって異なるオピオイド受容体経路を活性化することで中脳辺縁系ドーパミン神経を調節することがわかった。グレリン投与による摂食行動の中脳辺縁系ドーパミン神経に対する作用には、生理的な空腹による摂食行動にはみられないκ受容体経路の活性化の関与が特徴的であった。(1)グレリンを投与したときの食嗜好の変化を行動学的に検討した。その結果、グレリン投与直後に摂食したフレーバーの食べ物をその後数日まで優先的に摂食することを観察した。(2)グレリンによる食嗜好の変化において、報酬系に関連の深い中脳辺縁系ドーパミン神経回路の関連を調べた。申請者らが日常的に行っている脳内マイクロダイアリシスにより、側坐核の微量のドーパミン放出量の変動を解析した。その結果、グレリン投与直後に報酬効果の高い食べ物の摂食を組み合わせた場合は、日常的に摂食している餌の摂食を組み合わせた場合にみられる持続的なドーパミン放出量増加とは対照的に、ドーパミン放出量の増加は消失することを観察した。(3)グレリンによる食嗜好の分子メカニズムとして、中脳辺縁系ドーパミン神経細胞へのオピオイド容体の関与を調べた。その結果、グレリン投与と報酬効果の高い食べ物の摂食を組み合わせた場合、中脳辺縁系ドーパミン神経細胞付近に存在するκオピオイド受容体が活性化しており、これがドーパミン放出量増加を消失させていることがわかった。この実験系の対照群として、生理食塩水の投与と報酬効果の高い食べ物の摂食を組み合わせた場合は、中脳辺縁系ドーパミン神経細胞付近に存在するμオピオイド受容体が活性化し、ドーパミン放出量を増加させていることがわかった。以上より、グレリンを投与したときの食嗜好の変化には、中脳辺縁系ドーパミン神経細胞付近に存在するκオピオイド受容体の活性化が関与し,食嗜好の変化に脳内報酬系が深く関与していることが示唆された.摂食亢進性ホルモンであるグレリンの、摂食亢進作用に、中脳辺縁系ドーパミン神経を介する食物報酬の調節作用が含まれるかどうかを、マイクロダイアリシスを用いて検討した。これまでに、グレリンが中脳辺縁系ドーパミン神経の活性を、食物報酬の有り無しによって両極性に変動させることを観察した。このグレリンのドーパミン神経作用のメカニズムには、ドーパミン神経細胞体側(腹側被蓋野)に存在するGABAinter neuronと、腹側被蓋野に投射するGlutamate神経が介在することがわかった。そこで、食物報酬の有り無しや、食物の報酬レベルの違いにより、グレリンの中脳辺縁系ドーパミン神経に対する作用への、オピオイド受容体の関与を調べた。オピオイド受容体自体の、ドーパミン神経調節作用の有無を調べるため、最初に、グレリンを投与していない安静状態でオピオイド受容体の活性を調べた。この結果、グレリンを投与していない安静状態では、これらのオピオイド受容体の活性は検出されず、オピオイド受容体はドーパミン神経を調節していないことがわかった。次に、グレリン投与後に食物が摂食された場合の、これらのオピオイド受容体の活性化を調べたところ、日常的に摂食している食物の摂食ではμオピオイド受容体が優位に活性化してドーパミン神経を興奮させていること、報酬効果の高い嗜好性の高い食べ物の摂食では、κオピオイド受容体が活性化し、ドーパミン神経の興奮を抑制していることがわかった。また、生理的な空腹による摂食行動では、日常的に摂取している食べ物と嗜好性の高い食べ物の両方で、μオピオイド受容体が活性化し、ドーパミン神経を興奮させることがわかった。摂食亢進性ホルモンであるグレリンの、中脳辺縁系ドーパミン神経に対する作用における食物報酬とオピオイド受容体経路の相互作用の関与を、マイクロダイアリシスを用いて検討した。グレリン投与後、食物を取り除き摂食行動がない場合、中脳辺縁系ドーパミン神経の細胞体群である腹側被蓋野のκオピオイド受容体が活性化し、ドーパミン神経活性が抑制され、その結果、神経終末の側坐核のドーパミン遊離量は有意に減少した。グレリン投与後、日常的に摂取している餌(報酬効果が低い餌)が摂食された場合は、腹側被蓋野のμオピオイド受容体が活性化し、ドーパミン神経活性が増強し、その結果、側坐核のドーパミン遊離量が有意に増加した。グレリン投与後に、報酬効果の高い餌が摂食された場合は、κオピオイド受容体とμオピオイド受容体の両方が活性化し、その結果、側坐核のドーパミン遊離量は変化しなかった。

生理的な空腹による摂食行動では、餌の報酬効果に関わらずμオピオイド受容体が活性化し、側坐核のドーパミン遊離量は増加した。したがって、グレリンは食物の報酬効果によって異なるオピオイド受容体経路を活性化することで中脳辺縁系ドーパミン神経を調節することがわかった。生理的な空腹による摂食行動には、報酬効果に関わらずκ受容体経路の活性化は見られないことから、グレリン投与による摂食行動にはκ受容体経路の活性化の関与が特徴的である。これは、摂食行動異常や薬物依存のように生体側のオピオイド伝達経路が変化している可能性が高い状態では、中脳辺縁系ドーパミン神経のグレリンに対する感受性も変化している可能性が示唆される。今後は、報酬効果が高い食物だけでなく、報酬効果が高い依存性薬物のドーパミン神経作用におけるグレリンの影響も調べていく予定である。最終的には、グレリンの摂食行動異常や薬物依存に対する薬物治療薬としての可能性を見出したいと考えている。グレリンの食物報酬調節作用は、腹側被蓋野に存在するGABA interneuronとグルタミン酸神経の興奮、および生体内オピオイドによるオピオイド受容体の活性が関与する中脳辺縁系ドーパミン神経の調節によるものであることわかった。今年度、このグレリンの作用が、ドーパミン神経に対する直接的作用か間接的作用かを調べ、最終的に行動学的解析まで実施する予定であるが、今年度に終了することが可能であると予測するため。24年度が最終年度であるため、記入しない。グレリンの報酬調節作用の、中脳辺縁系ドーパミン神経に対する神経分子メカニズムがわかったうえで、グレリンによる食物報酬に対する行動変化を調べる予定である。現在、食物報酬の行動学的解析方法は、明確に確立していないことから、手法の信頼性やプロトコールの確立を推進する必要がある。
レーザーアシステッド電子散乱を用いた超高速電子回折法の開発

平成26年度は、「1.レーザーアシステッド電子散乱過程における小角散乱信号のシミュレーション」、および、「2.電子エネルギー分析器の製作」を実施した。1.レーザーアシステッド電子散乱過程における小角散乱信号のシミュレーション平成25年度に、1 keV電子パルス、高強度レーザーパルス、およびキセノン原子を用いて、レーザーアシステッド電子散乱過程の散乱角度分布を測定したところ、散乱角度0.5度以下の小角領域にピーク構造が観測された。平成26年度は、数値シミュレーションを実施し、実験結果との比較を行うことによって、観測されたピーク構造の原因を考察した。まず、レーザー場と原子の相互作用を無視したシミュレーションを行ったところ、小角領域にピーク構造は現れなかった。次に、レーザー場と原子の相互作用によって、キセノン原子内の電子密度分布が超高速で振動する効果を考慮したシミュレーションを行ったところ、実験結果を再現するピーク構造が現れた。この結果により、実験で観測されたピーク構造が、高強度レーザー場中でのキセノン原子内電子密度分布の超高速振動に由来していることが明らかになると共に、レーザーアシステッド電子散乱過程の小角散乱信号を測定することによって、原子内電子密度分布の超高速変化を観測可能であることが示された。2.電子エネルギー分析器の製作上記のシミュレーションと並行して、角度分解飛行時間型電子エネルギー分析器を2台製作した。一方は、散乱電子をこれまでの10倍程度の効率で観測することを可能とするもので、本分析器の使用により実験時間の大幅な短縮が期待される。他方は、10 eV程度の低速電子の観測を目的として設計したもので、高強度レーザーパルスの照射や電子衝突イオン化過程によって試料から放出された電子を、散乱電子の信号と同時に観測することを可能にする。26年度が最終年度であるため、記入しない。強レーザー場存在下でのみ起こりうる電子散乱現象である、レーザーアシステッド電子散乱過程を利用することで、フェムト秒の時間分解能を有する気体電子回折法を開発することが本研究の目標である。本年度はまず、フェムト秒レーザーパルスのパルス幅を測定するために、スキャン型自己相関計を作成した。また、電子パルスのパルス幅を決定するために、電子パルス発生に用いているピコ秒紫外光パルスのパルス幅測定器を作成した。パルス幅測定の指標には、ピコ秒紫外光パルスとフェムト秒近赤外光パルスの和周波により発生する真空紫外光の強度を用いた。次に、チタン・サファイアレーザーからのパルス幅500フェムト秒、波長800nmのレーザーパルスを用いて、運動エネルギー1keV、パルス幅15ピコ秒の電子パルスと四塩化炭素分子によるレーザーアシステッド電子散乱過程の観測実験を行った。散乱電子の運動エネルギースペクトル上に、1光子および2光子分だけ運動エネルギーが変化したレーザーアシステッド電子散乱信号を観測した。そして、1光子分だけ運動エネルギーが増減した散乱電子の角度分布に、明瞭な回折パターンを観測した。数値シミュレーションで得られた散乱角度分布との比較を行うことで、観測した回折パターンがフェムト秒レーザー場存在下での四塩化炭素の分子構造に由来することを示した。最後に、レーザー場中にある原子・分子の電子状態をレーザーアシステッド電子散乱によって探索するために必要となる、小角散乱観測に特化した電子エネルギー分析器の設計に着手し、荷電粒子シミュレーションソフトを用いて、最適な電極の構成を決定した。本研究課題では、レーザー場内でのみ起こりうる電子散乱過程である、レーザーアシステッド電子散乱過程を利用した超高速気体電子回折法を開発することが目標である。平成25年度は、CCI_4のレーザーアシステッド電子回折像のシミュレーションを行い、平成24年度に得た実験結果と比較をした。シミュレーションでは、当該研究分野で一般的に用いられているK(roll-Watson近似と独立原子モデルに加え、入射電子による分極の効果と化学結合による分子内電子密度分布の変化の効果を取り入れたモデルを考案し、使用した。既報の室温におけるCCI_4の幾何学的構造を用いると、実験で得られた回折像を定量的に再現することが明らかとなり、レーザーが照射された瞬間の分子の幾何学的な構造をレーザーアシステッド電子回折像から決定できることを示す結果を得た。レーザー場と原子・分子が強く相互作用した状態である光ドレスト状態を、レーザーアシステッド電子散乱により観測することも本研究の目標である。理論的な研究により、原子がドレスト状態にある場合、レーザーアシステッド電子散乱の小角散乱成分にピーク構造が現れることが予想されていたため、既存の装置を改良し、観測可能な散乱角度の下限を2.5°から0.1°にした。試料にキセノンを用いて、波長800nm、集光強度1.5TW/cm^2のレーザー場中でのレーザーアシステッド電子散乱過程の観測を行った。その結果、1光子分だけエネルギーが増加した散乱電子の散乱角度分布において散乱角度0.5°以下にピーク構造を観測した。また、実験と並行して、散乱電子を既存のトロイダル型分析器より高効率で観測可能な、角度分解飛行時間型分析器の設計も行った。更に、散乱電子のエネルギー分析器に加えて、レーザー照射や電子衝撃で生成する低速電子を散乱電子と同時に観測するための分析器も設計した。1.レーザーアシステッド電子散乱過程における小角散乱信号のシミュレーション

平成25年度に、1 keV電子パルス、高強度レーザーパルス、およびキセノン原子を用いて、レーザーアシステッド電子散乱過程の散乱角度分布を測定したところ、散乱角度0.5度以下の小角領域にピーク構造が観測された。平成26年度は、数値シミュレーションを実施し、実験結果との比較を行うことによって、観測されたピーク構造の原因を考察した。まず、レーザー場と原子の相互作用を無視したシミュレーションを行ったところ、小角領域にピーク構造は現れなかった。次に、レーザー場と原子の相互作用によって、キセノン原子内の電子密度分布が超高速で振動する効果を考慮したシミュレーションを行ったところ、実験結果を再現するピーク構造が現れた。この結果により、実験で観測されたピーク構造が、高強度レーザー場中でのキセノン原子内電子密度分布の超高速振動に由来していることが明らかになると共に、レーザーアシステッド電子散乱過程の小角散乱信号を測定することによって、原子内電子密度分布の超高速変化を観測可能であることが示された。2.電子エネルギー分析器の製作上記のシミュレーションと並行して、角度分解飛行時間型電子エネルギー分析器を2台製作した。一方は、散乱電子をこれまでの10倍程度の効率で観測することを可能とするもので、本分析器の使用により実験時間の大幅な短縮が期待される。他方は、10 eV程度の低速電子の観測を目的として設計したもので、高強度レーザーパルスの照射や電子衝突イオン化過程によって試料から放出された電子を、散乱電子の信号と同時に観測することを可能にする。26年度が最終年度であるため、記入しない。当初の予定通り、レーザーアシステッド電子回折法の原理証明実験に成功したため。また、小角散乱観測装置の設計も予定通りに進展している上に、レーザーパルス幅および電子パルス幅測定装置の開発に成功したことは当初の予定を超える進展であったため。本課題の大きな目標であった、レーザーアシステッド電子回折の初観測を報告する論文を発表することができたため。また、既存の装置を改良することで、レーザーアシステッド電子散乱の散乱角度分布に、光ドレスト状態に由来すると思われるピーク構造を観測したことは、予想を上回る進展であった。本研究の最終目標は、レーザー光によって誘起された分子の構造変化をレーザーアシステッド電子回折を用いてプローブすることである。このポンプ・プローブ法を実施するためには、分子構造の変化を観測できるほど高い信号強度が必要とされる。平成25年度は、その目的を達成するために必要となる装置性能を定量的に考察し、信号強度の増強に向けて、電子散乱装置やレーザー光源の改良案を具体的に挙げる。また、設計を行った小角散乱装置を製作し、レーザーアシステッド電子散乱過程が、レーザー場中にある分子の構造だけではなく、電子状態の探索にも応用可能であることを実証する実験を行う。平成25年度に観測した、レーザーアシステッド電子散乱の小角散乱成分に現れたピーク構造が、光ドレスト状態に由来するものであるかどうか、理論計算との比較によって明らかにする。
細胞運命を決めるエピゲノム機構の解明

本研究の目的は、iPS細胞にがん特異的ゲノム変異を導入することで、脳腫瘍の発生をインビトロで再現し、遺伝子発現ダイナミクスを中心にした分子機序を明らかにすることである。本研究では、シングルセルエピゲノム解析によって、細胞の分化過程における遺伝子発現制御のダイナミクスを明らかにする。特に細胞分化過程における遺伝子発現のヘテロ性を考慮した解析を行うことによって、シングルセルレベルでの分化の度合いの定義を行い、その分化の度合いに従った遺伝子発現制御を明らかにする。これらのシングルセル技術を脳腫瘍発生モデルに応用することで、脳腫瘍の発生モデルを構築すると共に創薬スクリーニングの基盤を提供する。具体的には、二次性神経膠腫で特異的に見られるIDH1変異体をiPS細胞に導入し、この変異体をアストロサイトなどの神経細胞へ分化させる際に一過的に癌発現させる。その変異体がひきおこす正常分化の異常を捉えることを試みる。さらには複数の変異遺伝子を同時、または連続的に発現させることで多段階発がんモデルを作製する。これらのモデルを用いて、正常な神経分化から逸脱する細胞集団をシングルセル遺伝子発現解析で同定する。さらにはこの分化系を用いて癌様細胞が発生する培養条件で、それらの細胞集団を標的とする化合物の同定を試みる。28年度が最終年度であるため、記入しない。本研究の目的は、単一細胞レベルでのエピゲノム解析を行うことで、細胞運命を理解し、異常な細胞分化に起因する癌をはじめとする疾患の理解を行うことである。前年度はIDH1の変異体をレトロウィルスシステムで導入した脳腫瘍モデルiPS細胞からアストロサイトの分化を行った。まず、ドキシサイクリンで発現誘導可能なIDH1の変異体をヒトiPS細胞に導入した細胞を入手した。この細胞を用いて、市販で入手可能な神経細胞誘導培地の比較を実施した。神経幹細胞のマーカーであるNestin及びPax6の染色によって、StemDiff Neural System(Stem Cell Technology社)を用いることで効率のよい神経幹細胞の作製が可能であった。こうして作製した神経幹細胞に対し、さらにアストロサイトへの分化誘導効率をSTEMdiff Astrocyte Differentiation Kit (Stem Cell Technology)とGibco Astrocyte Differentiation Medium (Life Technologies)を用いて検討した。アストロサイト特異的マーカーであるGFAPの染色の結果、STEMdiff Astrocyte Differentiation Kitの方が高い分化誘導を示した。こうして、決定した分化誘導条件下で、IDH1変異体を一過的に発現させ、細胞増殖や細胞形態を観察したが、目立った変化は観察されなかった。同時に、CRISPR/Cas9システムを用いてヒトiPS細胞にIDH1の変異を導入した細胞株の作製に着手した。現在までにコンストラクトが完成している。本年度はこの分化誘導系を用いて、IDH1変異体が発現する細胞の表現系を観察する。特に通常の神経細胞への分化誘導条件ではなく、より生体内に近い、また発がん過程で起きていると考えられるストレス条件下で、IDH1変異体の発現の影響を観察する。また、CRISPR/Cas9システムを用いて他のドライバー変異を導入し、多段階発がんのモデルを作製する。

さらに、これらの変異が正常な細胞分化に与える影響をオープンクロチンアッセイやシングルセル遺伝子発現解析などの種々のエピゲノム解析にて明らかにする。具体的には、各種変異体を発現させてから時系列を追ってRNAやDNAを回収し、次世代シークエンサーを用いて、各時系列における遺伝子発現及びDNAメチル化を観察する。遺伝子発現についてはバルクの発現解析と共にシングルセルでも実施し、分化度に並び替えることで、疑似的な時系列を描写する。そして、癌変異体の発現によって、この分化軸から逸脱する集団が特異的にもつ転写ネットワークを捉える。これらの一連の実験によって、正常分化と癌発生の分岐点を同定し、この分岐点に作用する化合物スクリーニング系に展開する。28年度が最終年度であるため、記入しない。