hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
オンライン手書きデータからの学習つまずき発見

本研究は、教育での電子化が推進される中、学習つまずきを時系列で得られる手書きデータから自動発見する手法を研究し、以って近い将来実現するであろう効果的な個別学習の実現に供することを目指した。具体的には、学習つまずきを1)記憶に依存するつまずきと2)解答過程におけるつまずきに分類し自動抽出を試みた。記憶に依存するつまずきでは、暗記学習における記憶定着をモデル化し、漢字書き取りを題材に、未記憶、主観定着、主観未定着に分類し、主観定着の中で未記憶状態にあるものを自動抽出し、F値で0.69を達成した。解答過程におけるつまずきでは、数学を題材に解法を戦略別に自動分類し、F値0.50.7を達成した。本研究は、電子ペンや教育における電子化が推進される中、「学習つまずき」をオンライン手書きデータ(時系列で得られる手書きデータ)から自動的に発見する手法を研究し、以って近い将来実現するであろう効果的な個別学習の実現に供することを目指している。平成26年度は、デジタルペンを用いたオンライン手書きデータの収集(10名100名程度)、データの手動による分類(つまずきの有無)、つまずきの発見手法の検討を当初の計画とした。データ収集においては、より実践的なデータを収集すべく本学の講義を対象として、講義中の課題に対する回答として20名からオンライン手書きデータを取得することができた。次につまずきの発見に関しては、つまずきを「記憶に依存するつまずき」と「それ以外のつまずき」に分類した上で、まず「記憶に依存するつまずき」の解析を進めた。具体的には、暗記学習において忘却せずに再生可能となるように記憶を定着させることを実現するための仕組みの考案とモデル化を行った。モデル化においては、未記憶、主観定着(自分では記憶していると判断している記憶)、主観未定着(自分では記憶できていないと判断している記憶)に分類し、主観定着の中で記憶できていないものを自動的に抽出する手法を検討した。その結果、オンライン手書きデータから得られる特徴量の内、「筆圧」「ストロークスピードの分散」「筆記時間」「筆記開始までの時間」といったパラメータが重要な判断材料になることを発見した。この知見に基づいたシステムを構築すると共に、新しい評価手法を提案した。さらに、手書きデータとその美しさがどのようにつまずきに影響するかについて調査を行うために、手書きデータの美しさに関するモデル化を実施した。本研究は、電子ペンや教育での電子化が推進される中、学習つまずきをオンライン手書きデータ(時系列で得られる手書きデータ)から自動発見する手法を研究し、以って近い将来実現するであろう効果的な個別学習の実現に供することを目指した。今年度は、前年度の成果(学習つまずきを発見するための特徴量抽出)を基に、33名の大学生(男性27、女性6)による実証実験を通した「数学を対象とした個別学習への応用」を実施した。具体的には、「数学では、解答へと至るまでの過程が複数存在する問題がある」「数学では、解答過程の記述が学習者に求められる」「学習者の解答戦略から、学習者個々の苦手とする点を分析できる」という前提のもと、多項式展開問題と幾何問題を題材に、解答を戦略別に自動分類し、もって学習つまずきを持つ学習者の自動抽出を試みた。多項式展開問題では、手書きで記述された答案の「戦略距離(解答戦略が近いほど小さくなる距離)」を算出し、答案を戦略ごとに分類する手法を提案した。当該手法では、答案のオンライン手書きデータを解答ステップごとにグループ化する。次に、各解答ステップ同士の距離を算出し、答案同士の戦略距離を算出し、戦略ごとに分類(階層クラスタリング)する。評価では、人間の手動分類結果と比較した。4問題による評価では、F値0.50.7を達成し、提案手法の有効性を確認した。幾何問題においては、角度を求める図形問題を題材とし、手書き解答データを「図への描き込み」により分類する手法を提案した。図への描き込みを、補助線、角度記入、辺上マーク、線長・比の4つに分類し、これらの特徴量をもとにk-means法により分類を行い、F値0.7を達成した。以上、数学を対象とした自動的な解答戦略分類を行うことにより、解答戦略につまずきの原因があるかどうかを判定でき、効果的な個別学習へ応用可能であることを示すことができた。当初計画通り手書きデータを取得(20名)し、つまずき検出の検討を行うことができているため。オンライン手書きデータ解析のためのソースコードを公開ビッグデータ解析平成26年度までの成果をベースとし、平成26年に取得した手書きデータから、つまずきを発見するためのシステムを構築することを目指す。

特に、記憶に基づくつまずきについての検討だけでなく、記憶以外を理由とするつまずきについて検討を進める。データ収集に用いるデジタルペンの購入がメーカ側の都合により遅れたため。また、本研究申請時に比較し大幅に予算削減がさなれており、2年を通じて均等に研究費を配分し研究を進めることを考えたため。本研究成果を踏まえ、デジタルペンでのデータ収集解析を行っている国際的な拠点を訪問し意見交換を行い、以て、本研究成果を世界に発信するために利用する。さらに当初予定通り、解析のための計算機購入に充てる。
感圧ウェアによる感情認識手法の開発と高齢者見守りシステムへの応用

本研究では,短時間の強い感情であり行動や生理の変化などに表出される情動について認識を試みた.一般的な服と変わらず扱うことができる感圧導電性衣服を着用することで,非言語的行動である身体の動きを計測した.感情を快適性と覚醒性の2つの軸で表すラッセルの円環モデルにより感情を記録した.計測した身体の動きと記録した感情から,機械学習による感情の認識を行った.本研究では,短時間の強い感情であり行動や生理の変化などに表出される情動について認識を試みた.一般的な服と変わらず扱うことができる感圧導電性衣服を着用することで,非言語的行動である身体の動きを計測した.感情を快適性と覚醒性の2つの軸で表すラッセルの円環モデルにより感情を記録した.計測した身体の動きと記録した感情から,機械学習による感情の認識を行った.本研究では高齢者が洋服を着るだけで見守りができる安否確認システムを目指している.本年度は活動的か非活動的かの2つの状況を考え,機械学習による着用者の状態認識を試みた.ここで着てもらう洋服は感圧導電性繊維で作られた「感圧導電性衣服」であり,計測する箇所は服の伸縮が大きいと考えられる関節付近として,左肩前,右肩前,左肩後ろ,右肩後ろ,左ひじ,右ひじ,左腹部,右腹部の計8箇所を選んだ.10分毎に行動と感情を記録し,10分間は同じ行動を続けた.記録したデータから行動認識するためにHuman Activity Sensing Consortium (HASC)が公開している行動情報処理ツールであるHASCToolを用いた.HASCToolを用いることでデータ編集,特徴量抽出,ラベル編集,機械学習,大規模データ処理を行うことができる.計測結果から特徴量として平均,分散,最大値,最小値,周波数成分を抽出した.ノルムからサンプル数256個とした平均と分散を抽出した.最大値,最小値はノルムからサンプル数を64個として抽出した.ノルムのサンプル数を256個としてハミング窓をかけ,高速フーリエ変換により周波数分析を行った.周波数分析の結果から,2の階乗ごとの周波数で4つの範囲に分け周波数成分を抽出した.以上のようにして,感圧ウェアからの計測値から平均,分散,最大値,最小値,4つの周波数成分の合計8つの特徴量を抽出した.機械学習の手法としては,SVMやニューラルネットワークなど様々な方法を用いたが,最も精度が高く認識できた手法は決定木であり,適合率0.99,再現率0.96,F値0.97となり,高い精度で認識することができた.本研究では,感情の状態により表出される言葉以外の姿勢や行動を計測することで情動の認識を試みた.認識する対象である感情は明確にモデル化することが難しく,様々な感情モデルが考えられている.感情を表すために快適性と覚醒性の2つの軸がよく用いられており,本研究では「快適-不快」「覚醒-眠気」の2次元で表される平面上に感情が円環状に配置しているラッセルの円環モデルを用いた.本研究ではこの2次元空間を4つに分割することで,4種類の感情を認識することを目的とした.センサを内蔵した椅子のように設置型のデバイスでは身につける必要はないが,計測できる範囲が限定される.加速度センサなどのデバイスではどこでも計測できるが,身につけるのが非常に面倒であり,日常生活で身につけることを考えると実用的には難しい.そこで,本研究では,一般的な衣服と変わらない感圧導電性繊維で作られた衣服(感圧導電性衣服と呼ぶ)を着用することで身体の動きを計測し,感情を認識する研究を行った.感圧導電性衣服の6箇所の計測値から,行動認識の研究で一般的に用いられている,平均,分散,周波数成分(4種類),零点交差率,積分という計8つの特徴量を計算した.周波数成分はハミング窓をかけ高速フーリエ変換による周波数分析を行った.周波数分析の結果から5Hz8Hz,9Hz16Hz,17Hz32Hz,33Hz64Hzという4つの範囲に分け周波数成分を計算した.スマートフォンインテリジェンスハードウェアとソフトウェアや認識する手法などシステム一式は完成しており,あとは実験を行うのみであるため認識結果から,活動的か非活動的かという2つの状態を決定木を用いた機械学習を行うことで,かなり高い精度で認識することができた.認識する状態の種類を2つだけに設定したこと,活動的と非活動的という活動の種類の違いが大きな2つの状態を選択したことにより高い精度を得たと考えられる.計測対象を1人としたが複数人の状態を認識する場合は,人により活動的か非活動的かの認識が変動すると考えられるので精度は著しく下がると考えられる.本研究では認識できるかどうかを明らかにすることに重きを置き進めた.そのために認識する状態を少なくし,特徴量抽出や機械学習を容易に行うためにHASC Toolを用いた.今後は認識する状態数を拡張し,決定木以外の認識や,学生の集中度計測や老人の見守りなどのアプリケーションへの活用を試みる.年度末に行く予定だった学会に出席する予定であったが,年度末に業務等でいろいろ予定が入り,出席することができなかったため。学会等で研究成果を発表する。
心不全合併例には禁忌とされている認知症治療薬ドネペジルの真実：抗心不全作用

高齢化に伴い患者数の増加が続いている慢性心不全に対する画期的治療薬の開発は、先進諸国にとって急務の課題である。本研究では、「心不全合併症例への投与が禁忌となっているアルツハイマー病治療薬ドネペジル(以下、DNP)が抗心不全作用を有しているのではないか」、との作業仮説を立て、動物実験により仮説を検証するとともにその作用機序をあきらかにした。ラット単離心筋細胞のストレス応答に関連する情報伝達系(Akt, HIF-1α, bcl-2)の転写活性を上昇させることにより,心筋虚血耐性を増強させ,抗心不全作用を発揮することがあきらかになった。本研究では、「心不全合併症例への投与が禁忌となっているアルツハイマー病治療薬ドネペジル(以下、DNP)が抗心不全作用を有しているのではないか」、との作業仮説を立て、動物実験により仮説を検証するとともにその作用機序をあきらかにする。従来の研究では、DNPは、中枢性アセチルコリンエステラーゼ阻害作用を持つ薬剤として位置づけられてきた。しかし、ごく最近、申請者によって、DNPが心筋細胞および内皮細胞に直接作用して、HIF-1α、VEGFなどの細胞生存シグナルの誘導をおこなうことがあきらかにされた。このような心筋細胞および内皮細胞に対する直接作用を有するDNPの抗心不全効果を検証することは、挑戦に値する課題である。しかし、ごく最近、申請者によって、DNPが心筋細胞および内皮細胞に直接作用して、HIF-1α,VEGFなどの細胞生存シグナルの誘導をおこなうことがあきらかにされた。1) DNPの単離心筋細胞におけるシグマ受容体を介したACh合成に与える影響の評価:DNPがシグマ受容体を介してACh合成系をどのように変化させるかを細胞学的・分子生物学的に検討した。その結果,DNPによるシグマ受容体転写活性が上昇することが確認された。2) DNPの単離心筋細胞における細胞保護作用に関する研究:DNPが「シグマ受容体ー細胞内ACh合成系」を介して心筋細胞内のストレス応答に関連する情報伝達系(Akt, HIF-1α, bad, bcl-2)の発現にどのような影響を与えるかを検討した。その結果,Akt, HIF-1α等の心筋虚血耐性を増強させる因子の転写活性が上昇することが確認された。認知症の治療薬として開発され、心不全には禁忌とされているドネペジルに抗心不全効果が期待できるか否かを動物実験であきらかにする。研究期間の初期にin vivo実験系を用いて個体・器官レベルの研究を行い、後期にin vitro実験系を用いて細胞・分子レベルでの研究を行い、ドネペジル(以下、DNP)の抗心不全効果およびその作用機序をあきらかにした。1) DNPの心筋梗塞心不全ラットの生命予後に与える影響の評価:慢性心不全に対する治療法の開発研究の第一歩として実施される動物実験においては、心不全モデルの選定が重要である。本研究では、心筋梗塞心不全モデルを冠動脈結紮Wistarラットで作成し、生命予後を調査した。2) DNPの心不全ラットの心機能に与える影響の評価:DNPが不全心の拡張能・収縮能に与える影響をランゲンドルフ潅流標本を用いて評価した。循環制御学、医工学1) DNPの単離心筋細胞におけるシグマ受容体を介したACh合成に与える影響の評価:DNPがシグマ受容体を介してACh合成系をどのように変化させるかを細胞学的・分子生物学的に検討する。2) DNPの単離心筋細胞における細胞保護作用に関する研究:DNPが「シグマ受容体ー細胞内ACh合成系」を介して心筋細胞内のストレス応答に関連する情報伝達系(Akt, HIF-1&#61537;, bad, bcl-2)の発現にどのような影響を与えるかを検討する。購入予定のラット摘出心臓灌流装置が廃番となっていたため,次年度使用額を生じた。ラット摘出灌流装置の代替品を購入するために使用する計画である。
超音波照射による胎児期遺伝子導入メカニズムの解明

遺伝子に異常を持つ胎児が誕生直後に死亡することは少なくはなく,胎児期に正常な遺伝子を目標の臓器(細胞)に導入し治療する方法が検討されている.遺伝子を目標細胞に導入する手法のひとつに,細胞の近傍で微小気泡を超音波により破裂させ,細胞膜に一時的な孔を開けるソノポレーションがある.本研究では,より高効率で安全なソノポレーションの実現のために,超音波照射条件の検討,及び超高分解能高速高感度共焦点顕微鏡を用いたソノポレーション中の細胞膜の動態観察を試みた.本年度は,微小気泡存在下のソノポレーションの実験条件検討に実験計画法の適用が可能かを実験的に検討し,実験計画法を用いることにより少ない実験回数で好適な実験条件を求めることが可能であるとの見通しを得た.実験では,HepG2細胞を96穴マイクロプレートで培養し,微小気泡としての超音波造影剤(ソナゾイド),及びプラスミドDNAを加えて超音波を照射し,ソノポレーションにより細胞内にプラスミドDNAが導入されたことを,遺伝子発現により産生されたGreen Fluorescent Proteinを蛍光画像として評価した.実験条件は,超音波照射装置で設定可能な条件(照射強度,照射時間,duty比),及び超音波照射距離(超音波トランスジューサのマイクロプレート底面からの距離)をそれぞれ3水準で設定し,その組み合わせの中よりソノポレーションが効率良く行われる水準の組み合わせを求めることを目的とした.全ての水準の組み合わせを網羅的に実験すると,3×3×3×3=81通りの測定が必要となるが,実験計画法を用いることにより9通りの測定で評価可能となる.また超音波照射距離は,超音波トランスジューサの駆動周波数,口径より決まる近距離音場限界を意識し,水準を定めた.分散分析を行い以下の結果が得られた.(1)超音波照射距離と照射強度の影響が大きく,照射時間,dutyの影響は小さい.(2)超音波照射距離は近距離音場限界以遠であることが望ましい.(3)照射強度に応じて蛍光強度が単調増加しており,極大を確認出来ておらず,水準の再検討が必要である.超高感度高速共焦点顕微鏡を用いて,生きた細胞の遺伝子取り込みで観察を開始出来る程度の知見を得た.申請時には国立成育医療研究センターに3名の研究者が所属しており,頻繁に議論し,協力し実験を行える体制であったが,2名がそれぞれ異なる研究機関に移動なり研究体制の再構築に時間を要しために遅れが生じた.先天性代謝異常は遺伝子の異常により特定の酵素が正常に機能しない,あるいは酵素自体が欠損している病態であり,我々は胎児期に目的遺伝子を標的臓器に導入することにより,治療することを目指している.遺伝子導入のリスクを下げるために,非ウイルス性ベクターを遺伝子キャリアとして用いようとしているが,遺伝子導入率はウイルスベクターに比べ低く,それを補うためにマイクロバブル存在下で超音波照射するソノポレーションを用いる.本研究では,より効率的なソノポレーションを実現するために,超音波照射条件の探索,ソノポレーションのメカニズム解明のための細胞膜動態観察を行った.【超音波照射条件】実験計画法を用いて最適な超音波照射条件を探索した.遺伝子の導入効率は1超音波照射強度及び2細胞培養プレートとトランスジューサの距離に影響されることが示された.【細胞膜動態の観察】細胞培養プレート底面に生着した培養細胞(HepG2)に関して,ソノポレーションにより生じる現象を超高感度高速共焦点顕微鏡にて観察した.◆低分子量のPI(Propidium Iodide)の場合PIは死細胞染色色素であり,生細胞の細胞膜を透過しないが,マイクロバブルを含む培養液中で超音波を照射した直後に,培養液中にPIを付加し蛍光画像観察を実施したところ,PIの細胞内への流入が確認された.◆分子量が大きいプラスミドDNA(pEGFP-N3)の場合プラスミド及びマイクロバブルの存在下で超音波照射した場合には,細胞内に導入されGFP遺伝子発現が生じた.一方,マイクロバブルのみの存在下で超音波照射した後にプラスミドを付加した場合には,GFP遺伝子の発現はなく,プラスミドは細胞内に導入されなかった.現在,超音波照射中の動態の撮影と画像解析中である.遺伝子に異常を持つ胎児が誕生直後に死亡することは少なくはなく,胎児期に正常な遺伝子を目標の臓器(細胞)に導入し治療する方法が検討されている.遺伝子を目標細胞に導入する手法のひとつに,細胞の近傍で微小気泡を超音波により破裂させ,細胞膜に一時的な孔を開けるソノポレーションがある.本研究では,より高効率で安全なソノポレーションの実現のために,超音波照射条件の検討,及び超高分解能高速高感度共焦点顕微鏡を用いたソノポレーション中の細胞膜の動態観察を試みた.これまでの知見に基づき,超高感度高速共焦点顕微鏡を用いた遺伝子取り込みのリアルタム画像化を開始する.この際に実験計画法に基づく実験を平行し行うことにより,見通し良く研究を進める.超音波工学
触媒的カルボン酸α位ラジカル生成法の開発

これまでに研究を進めてきたホウ素触媒によるカルボン酸エノラートの生成法を基盤として、光酸化還元触媒と組み合わせたカルボン酸α位ラジカルを活性種とした新たな反応開発を検討した。ホウ素活性化剤を1当量用いる条件にて、Irを金属中心とする光触媒を検討したところカルボン酸α位におけるアリル化反応が進行することを見出した。アリルスルホンをアリル化剤として用いることで、分子間で反応が進行する。さらに、ホウ素活性化剤を触媒量に減じても、同等の効率で生成物を与えることが分かった。なお、光源として青色のLEDを用いているが、その光源の強さも収率に影響を与えている。さらに、ホウ素触媒上に種々の配位子を導入して検討を行ったところ、配位子の構造が反応性に大きく影響することを確認した。現段階ではBINOL型の配位子が有効である。最適化の途上ではあるが、初期的な基質の適用範囲を検討したところ、3級炭素構築型のカルボン酸のみならず、4級炭素構築型のカルボン酸も基質として適用できることを確かめている。また、エステル、ケトン存在下にもカルボン酸α位のみで反応が進行するという、これまでのホウ素触媒系と同様の利点も備えている。反応メカニズムに関する知見を得るべく、光源のON/OFF実験をNMRチューブ内で追跡したところ、本反応は、暗条件では進行せず、光照射の間のみ反応が進行していることが確認された。すなわち、継続的な光照射によるラジカル生成が重要であり、ラジカル連鎖反応ではないことが強く示唆されている。分子内反応の検討を経て、2年目に分子間反応へと挑戦する計画であったが、すでに分子間反応へ適用できることを確かめている。また、配位子が反応性の向上に効果があるため、不斉配位子の導入によって不斉反応へと展開する足場が固まったと評価できる。ホウ素上の配位子を不斉配位子として、立体選択的反応への検討を進める。また、反応性も十分ではないため、配位子の構造、アリルスルホンの構造を中心に検討を進め、収率の向上を評価する。多種類の光触媒の購入・検討を計画していたが、初期的な検討で反応が進行する触媒を見出すことができた。今年度は、これを用いた検討を中心に行っていたため、ほかの光触媒を購入する必要がなかった。31年度は、改めて光触媒の広範な検討を行うため、その購入に充てる。また、不斉反応の検討を行うため、キラルHPLCカラムを購入する。
脊髄－腕傍核－扁桃体－下行性疼痛制御系ループの痛み依存的シナプス可塑性

以下の3項目の研究を進めた。1.脊髄後角(DH)-腕傍核(LPB)シナプス伝達の記録:脊髄浅層に局在する興奮性ニューロンからのシナプス入力を選択的に腕傍核で光刺激し、シナプス伝達を誘発することを目指した。すでに確立している脊髄後角への遺伝子導入技術を導入したが、浅層のみへの選択的導入の再現性が低いこと、脊髄後角周囲組織への侵襲性が高いこと、さらに脳までの分子輸送にかなりの時間がかかることを見いだした。そこで、近年、三叉神経侵害受容性一次求心線維が直接腕傍核に投射する事実が報告されたことに着目し、三叉神経節への経皮的直接的ウィルス導入を試み、良好な導入成績を得た。再現性と安定性を向上させつつある。2.Fos-TRAP (Targeted Recombination in Active Populations)マウスを用いた慢性痛特異的ニューロンからのシナプス入力の解析:同マウスで足底部ホルマリン炎症性疼痛モデルを作製し、ホルマリン注射から4-ヒドロキシタモキシフェン投与までの時間を120分から300分まで変化させることによるcreリコンビナーゼ依存的EYFP発現を観察した。300分以上の間隔を置くことによって侵害受容特異的EYFP発現が認められた。扁桃体中心核および腕傍核におけるこれらのニューロンの興奮特性の解析をパッチクランプ法で進めている。また、活性化依存的にチャネルロドプシンを発現させる実験に着手した。3.AAV-WGA-Creベクターを使ったDH内LPB投射ニューロンからのシナプス入力解析:脊髄後角からLPBに投射を持つニューロンだけにCreリコンビナーゼを発現させ、これにChR2を発現させて特定の入力のみを活性化させる系の確立を試みた。発現効率を向上させるべく、現在逆行性取込み輸送型AAV(rg)を導入し、比較検討中である。脊髄後角浅層への特異的遺伝子導入が予想外に困難を極めた。困難であるのみではなく、(1)脊髄後根後角への損傷による傷害、(2)深層への非特異的導入の可能性、(3)神経細胞に導入されたとしても、その上行性軸索終末まで機能タンパクが輸送されるのに要する時間、など、腕傍核における疼痛依存的シナプス可塑性を検討する上での効率が低い可能性が見出された。本研究の目的には向かないと結論した。そこで、近年、三叉神経侵害受容性一次求心線維が直接腕傍核に投射する事実が見出されたことに着目し、三叉神経節への経皮的直接的ウィルス導入を試み、良好な導入成績を得た。またFos-TRAP法を用いた活動依存的遺伝子発現の系を立ち上げ検討を進めている。特に扁桃体においては、疼痛モデル処理を施していない通常時においても比較的Fos活性が高いことが見出されたため、活動依存的にcreリコンビナーゼを発現させるにあたり、タモキシフェン投与までの時間、ハンドリング手技、吸入麻酔薬そのものによる扁桃体活性化など、「シグナル/ノイズ比」を向上させる工夫を進めている。(1)三叉神経侵害受容性一次求心線維から腕傍核への直接投射ニューロンにChR2を導入し、一次求心線維→腕傍核ニューロン間シナプス伝達を記録する。三叉神経領域疼痛モデルにおけるその可塑的変化を脳スライスで評価する。(2)FosTRAPマウスで、炎症性疼痛モデルを作製し、活性化する腕傍核ならびに扁桃体中心核ニューロンに選択的にEYFPおよびChR2を発現させる。疼痛関連ニューロンの1興奮性の特徴、2脳内投射パターン、および、3シナプス伝達の特徴を中心に解析する。(3)FosTRAPマウスで、炎症性疼痛で活性化する腕傍核ならびに扁桃体中心核ニューロンにDREADDを発現させ、その人工的活性化が侵害受容逃避行動に及ぼす影響を観察する。(4)扁桃体中心核に逆行性取込み輸送型AAV(rg)ウィルスベクターを導入してcreリコンビナーゼを扁桃体中心核投射ニューロンに発現させる。そのうち、外側腕傍核ニューロンに興奮性DREADDもしくはEYFPを発現させる。上記(1)の系と組み合わせ、扁桃体投射ニューロンへの三叉神経シナプス伝達の解析を進めるとともに、CNO投与によるDREADD活性化が侵害受容応答に及ぼす影響を検討する。以上の実験を進め、三叉神経・腕傍核・扁桃体中心核による痛み情動と侵害受容感度調節の分子・細胞機構を明らかにする。2.Fos-TRAP (Targeted Recombination in Active Populations)マウスを用いた慢性痛

特異的ニューロンからのシナプス入力の解析:同マウスで足底部ホルマリン炎症性疼痛モデルを作製し、ホルマリン注射から4-ヒドロキシタモキシフェン投与までの時間を120分から300分まで変化させることによるcreリコンビナーゼ依存的EYFP発現を観察した。300分以上の間隔を置くことによって侵害受容特異的EYFP発現が認められた。扁桃体中心核および腕傍核におけるこれらのニューロンの興奮特性の解析をパッチクランプ法で進めている。また、活性化依存的にチャネルロドプシンを発現させる実験に着手した。3.AAV-WGA-Creベクターを使ったDH内LPB投射ニューロンからのシナプス入力解析:脊髄後角からLPBに投射を持つニューロンだけにCreリコンビナーゼを発現させ、これにChR2を発現させて特定の入力のみを活性化させる系の確立を試みた。発現効率を向上させるべく、現在逆行性取込み輸送型AAV(rg)を導入し、比較検討中である。脊髄後角浅層への特異的遺伝子導入が予想外に困難を極めた。困難であるのみではなく、(1)脊髄後根後角への損傷による傷害、(2)深層への非特異的導入の可能性、(3)神経細胞に導入されたとしても、その上行性軸索終末まで機能タンパクが輸送されるのに要する時間、など、腕傍核における疼痛依存的シナプス可塑性を検討する上での効率が低い可能性が見出された。本研究の目的には向かないと結論した。そこで、近年、三叉神経侵害受容性一次求心線維が直接腕傍核に投射する事実が見出されたことに着目し、三叉神経節への経皮的直接的ウィルス導入を試み、良好な導入成績を得た。再現性と安定性を向上させつつある。またFos-TRAP法を用いた活動依存的遺伝子発現の系を立ち上げ検討を進めている。特に扁桃体においては、疼痛モデル処理を施していない通常時においても比較的Fos活性が高いことが見出されたため、活動依存的にcreリコンビナーゼを発現させるにあたり、タモキシフェン投与までの時間、ハンドリング手技、吸入麻酔薬そのものによる扁桃体活性化など、「シグナル/ノイズ比」を向上させる工夫を進めている。(1)三叉神経侵害受容性一次求心線維から腕傍核への直接投射ニューロンにChR2を導入し、一次求心線維→腕傍核ニューロン間シナプス伝達を記録する。三叉神経領域疼痛モデルにおけるその可塑的変化を脳スライスで評価する。(2)FosTRAPマウスで、炎症性疼痛モデルを作製し、活性化する腕傍核ならびに扁桃体中心核ニューロンに選択的にEYFPおよびChR2を発現させる。疼痛関連ニューロンの1興奮性の特徴、2脳内投射パターン、および、3シナプス伝達の特徴を中心に解析する。(3)FosTRAPマウスで、炎症性疼痛で活性化する腕傍核ならびに扁桃体中心核ニューロンにDREADDを発現させ、その人工的活性化が侵害受容逃避行動に及ぼす影響を観察する。(4)扁桃体中心核に逆行性取込み輸送型AAV(rg)ウィルスベクターを導入してcreリコンビナーゼを扁桃体中心核投射ニューロンに発現させる。そのうち、外側腕傍核ニューロンに興奮性DREADDもしくはEYFPを発現させる。上記(1)の系と組み合わせ、扁桃体投射ニューロンへの三叉神経シナプス伝達の解析を進めるとともに、CNO投与によるDREADD活性化が侵害受容応答に及ぼす影響を検討する。
肝疾患における肝細胞膜結合細胞骨格関連タン白に対する自己抗体の病態生理的意義

本研究では肝細胞膜結合細胞骨格関連蛋白のうちカルモデュリンに注目し,その抗体系の臨床的並びに病態生理的意義について検討した.ヒト血清中のカルモデュリン抗体についての報告はなく,まず測定法の開発にとりかかったが,分離精製カルモデュリンを固着させたインムノプレートを用いるELISA法によってカルモデュリン抗体の測定が可能であることがわかった.カルモデュリンも結合した抗体はHRP標識抗ヒトIgG, IgM, IgA抗体を用いて定量した.抗体陽性血清を牛脳あるいはヒト赤血球カルモデュリンで吸収すると抗体価の低下が起きるが,アクチン,トロポニンCあるいはDNA吸収では抗体価の低下はみられない.抗体の存在はImmuinoblotting法によっても確認された.IgG型抗体は肝疾患で高頻度であるものの,肝疾患以外にも, SLEをはじめとする種々の自己免疫疾患でもみられる.一方, IgM型抗体は肝疾患で特異的であった.我々は,さらに抗体陽性血清のなかには抗体価がCa^<++>存在,非存在で大きく異なる血清があることを見出した.このことはCa^<++>結合型, ,非結合型カルモデュリンを認識し,区別する抗体が存在する可能性を示している.我々は抗体陽性血清よりカルモデュリン結合アガロースカラムを用いて, Ca^<++>結合型カルモデュリンのみを認識する抗体, Ca^<++>結合,非結合にかかわらずカルモデュリンを認識する抗体, Ca^<++>非結合型のみを認識する抗体の3種類の抗体が存在することを示した.また,急性肝炎においてはカルモデュリン抗体がトランスアミナーゼのピークに遅れて一過性に出現する.従って,本抗体はphosphodiesterase活性を阻害するものの,肝障害あるいは肝機能障害の発現に関与しているかどうかについては今後の課題である.本研究では肝細胞膜結合細胞骨格関連蛋白のうちカルモデュリンに注目し,その抗体系の臨床的並びに病態生理的意義について検討した.ヒト血清中のカルモデュリン抗体についての報告はなく,まず測定法の開発にとりかかったが,分離精製カルモデュリンを固着させたインムノプレートを用いるELISA法によってカルモデュリン抗体の測定が可能であることがわかった.カルモデュリンも結合した抗体はHRP標識抗ヒトIgG, IgM, IgA抗体を用いて定量した.抗体陽性血清を牛脳あるいはヒト赤血球カルモデュリンで吸収すると抗体価の低下が起きるが,アクチン,トロポニンCあるいはDNA吸収では抗体価の低下はみられない.抗体の存在はImmuinoblotting法によっても確認された.IgG型抗体は肝疾患で高頻度であるものの,肝疾患以外にも, SLEをはじめとする種々の自己免疫疾患でもみられる.一方, IgM型抗体は肝疾患で特異的であった.我々は,さらに抗体陽性血清のなかには抗体価がCa^<++>存在,非存在で大きく異なる血清があることを見出した.このことはCa^<++>結合型, ,非結合型カルモデュリンを認識し,区別する抗体が存在する可能性を示している.我々は抗体陽性血清よりカルモデュリン結合アガロースカラムを用いて, Ca^<++>結合型カルモデュリンのみを認識する抗体, Ca^<++>結合,非結合にかかわらずカルモデュリンを認識する抗体, Ca^<++>非結合型のみを認識する抗体の3種類の抗体が存在することを示した.また,急性肝炎においてはカルモデュリン抗体がトランスアミナーゼのピークに遅れて一過性に出現する.従って,本抗体はphosphodiesterase活性を阻害するものの,肝障害あるいは肝機能障害の発現に関与しているかどうかについては今後の課題である.肝疾患では、しばしば細胞骨格系と反応する自己抗体が出現することが知られている。一方、カルモデュリン(以下CaM)は細胞内【Ca^π】結合タン白の一つであり、細胞骨格系と密接に関連して存在することが示されている。そこで、肝疾患でみられる細胞骨格抗体の一部はCaM抗体である可能性を考え、肝疾患々者血清についてCaM抗体の検索を行い、その出現を明らかにした。抗体の検索はウシ脳より精製されたCaMを固養させたプレートを用いるELISA(Enzyme-linked immunosorbent assay)法により行った。IgG、IgM、IgAの3クラスの抗体のいずれかが陽性である頻度は急性肝炎55.2%、慢性肝疾患63.1%、正常人6.9%であった。IgGクラス抗体は急性肝炎37、9%、慢性肝炎非活動性38.1%、活動性30.0%、肝硬変47.8%、原発性胞汁性肝硬変50.0%、自己免疫性肝炎58.1%、正常人0%であり、肝疾患で高頻度であったが、SLE患者でも30.0%の出現頻度であった。IgMクラス抗体は急性肝炎13.8%、慢性肝炎非活動性9.5%、活動性20.0%、肝硬変52.2%、原発性胆汁性肝硬変50.0%、自己免疫性肝炎38.7%、正常人5.0%であったが、SLE患者では0%であり、IgGクラス抗体と比較してIgMクラス抗体の出現は肝疾患に特異的であった。抗体の出現はインムノブロッティング法、CaM結合カラムを用いたアフィニティークロマトグラフィーによっても、その出現が確認された。

また、抗体の特異性については、吸収実験によって検討したが、ELISA法による陽性血清をトロポニン、ミオシン軽鎖、アクチン、子牛胸腺DNAによる吸収を行っても、抗体価は低下せず、一方、CaMで吸収すると著明な抗体価の減少がみられ、本抗体のCaM特異性が明らかにされた。なお、予備実験に於て、【Ca^π】の存在が抗体価に影響を及ぼすという結果が得られており、今後、【Ca^π】との関連に於て本抗体の検索をすすめる予定である。
IVIM MRイメージングを用いた顎骨腫瘍性病変コンパートメント仮説の検証

病態科学系歯学・歯科放射線学平成25年度の予定であったMR撮像シークエンスの決定を行い、口底疾患のf値の算出に取りかかることができたため。平成25年度に設定した条件にて、IVIM MRイメージングを行い、術後の病理組織学的所見と比較することによって、腫瘍内血管構築を解析し、顎骨腫瘍性病変の特徴づけおよび鑑別診断のためのデータ構築を行う。申請書に記載した使用計画に加え、平成26年度は口腔内手術の確認に必要な双眼ルーペを使用したい。
がん研究のための国際情報の収集と配布

60年度の活動は、がん研究のデータベースとして、全米がん研究所が作成したCANCER LITERATURE(CANCERLT)とオランダのエルゼビア社が作成したEXCERPTA MEDICA(EM)とを購入し、これらを筑波大学学術情報処理センターのオンライン文献検索システUTOPIAに蓄積し、全国の研究者の利用に供するように条件整備に努めた。それとともに、昨年度より試験的に運用を開始した「がん特別研究班」の班長に対するSDIサービスの規模を拡大するとともに、SDIサービスを有効に、かつ省力化するためのシステムの開発を行った。また、サービス対象者に対するアンケート調査を行い、そのフィードバックを基にシステムの改良を行った。〔SDIの受付期と申込者数〕SDIサービスは、各研究班班長が自分の必要とするデータの検索する内容を予め登録しておき、検索対象とするデータベースが更新されUTOPIAに登録された度に、本研究班の協力者が検索を行い、検索された結果を印刷して登録者に配布するシステムである。59年度において試験的運用を開始したが、60年度において以下のように受付を行い、サービスを実施した。検索を行った回数は、CANCERLTが18回、EMが33回である。【I】期(59年67月) 18名【II】期(60年23月)22名【III】期(60年1012月)14名【IV】期(61年2 )受付中〔検索結果の出力件数〕59年度13,229 6,079回あたりの平均を求めると60年度37,828 22,813 EM,CANCERLTと計51,057 28,892も約30件となる。一人平均約1,000約535(件)60年度の活動は、がん研究のデータベースとして、全米がん研究所が作成したCANCER LITERATURE(CANCERLT)とオランダのエルゼビア社が作成したEXCERPTA MEDICA(EM)とを購入し、これらを筑波大学学術情報処理センターのオンライン文献検索システUTOPIAに蓄積し、全国の研究者の利用に供するように条件整備に努めた。一人平均約1,000約535(件)
細菌が持つ生育抑制システムを生物学的封じ込め技術に応用する試み

細菌は自身の生育を抑制し細胞死をも引き起こす毒性タンパク質を作るシステム(TAシステム)を持つ。本研究では複数のTAシステムのON/OFFを一律に制御し、細菌の細胞死を任意に引き起こす仕組みの開発を目指した。データベースから選抜した9種類のTAシステムをアグロバクテリアに導入、その生育抑制効果を精査し、4種のTAシステムを選抜した。これらを加工し組み合わせ、アグロバクテリアの染色体DNAに組み込んだ。この細菌を細胞死誘導条件に移すことで、野生株に比べ著しく生菌数を低下させることができた。TAシステムが遺伝子組換え細菌の外環境への流出などを防ぐ封じ込め技術へ利用できる可能性が示唆された。本研究はトキシンアンチトキシンシステム(以下TAシステム)を細菌の生育制御に応用することを目的としており、本年度はまず、アグロバクテリア内で有効に機能し得るTAシステムの選抜とTA遺伝子誘導条件の検討を行った。本計画はアグロバクテリアによる植物形質転換操作への適用を念頭に置いているため、アグロバクテリアの生育抑制システムとして機能し得るTAシステムの活用を第一の目的としている。Toxin-antitoxindatabase(http://202.102.12.135/TADB2/index.php)上のTA finderというツールを用いて、Rhizobium属4種10株のゲノム及びプラスミド上に228組のTAシステム候補遺伝子を推定した。これらトキシン候補遺伝子について、それぞれがコードしているタンパク質のconserved domainを検出しそれに基づいて分類した。その結果、多くの推定トキシンタンパクは作用機序が既知の7グループと機能未知の5グループに分類された。これら12のグループについてそれぞれ各グループ内で最も保存性の高いものを選抜した。このうちから3種(parDE, ietAS, tiorf24-25)を選び、ラクトースプロモーターの下流にクローニングしたプラスミドを作成した。作成したプラスミドを大腸菌及びアグロバクテリアに導入し、生育抑制を効果的に引き起こすIPTG濃度など諸条件を検討した。適切に設定した誘導条件で上述3種のTAシステムについて生育抑制効果を調べたところ、それぞれ異なる生育抑制効果を示した。また、同じSD配列を付した同じ作用機序のTAシステムでも由来する生物種が異なるとその生育抑制効果は大きく異なることが示された。従って、有効な生育抑制効果を得るためには、由来する生物種についても検討の余地があることが明らかになった。進捗は概ね予定通りであるが、予想以上に多くの種類のTAシステムがRhizobium属ゲノム上に検出されたため、その有効性を測るためのTA遺伝子発現誘導の条件検討について一部前倒しで行っている。従って、TAシステム発現誘導に用いるプロモーターの検討については一種類しか行っていないが、研究計画全体としては予定通り進んでいる。本研究はトキシンアンチトキシンシステム(以下TAシステム)を細菌の生育制御に応用することを目的とし、そのテストケースとして遺伝子組換え操作に汎用され、外界への流出機会の多いアグロバクテリアを材料として用いている。平成27年度は、同細菌内で生育抑制活性を持つTAシステムを単離同定するために、近縁リゾビウム属細菌を含むゲノム配列情報から候補遺伝子を検出、作用機序による分類、応用可能性を考慮した選抜を行い、その中から三種類についてアグロバクテリア内での生育抑制活性を試験した。その結果、同一のTAシステムでさえ由来生物の違いで大きな生育抑制活性の違いが出ることが明らかになった。平成28年度は、平成27年度に試験した候補遺伝子に加え、更に6種類の作用機序の異なるTAシステムについて、アグロバクテリア内で複製可能な中コピー数および低コピー数プラスミドにクローニングし、生育抑制活性およびその自在な制御が可能であるかどうかを精査した。その結果、ラクトースプロモーター下流にクローニングした場合、IPTG存在下では生育に影響は見られないが、その後IPTG非存在環境に移すことで強力に生育が抑制されるTAシステムを一つ(IetSトキシンタイプ)、同条件で中程度に生育抑制されるものが一つ(Docタイプ)、わずかに抑制されるものが二つ(ParE, RelEタイプ)見出された。生育抑制の作用機序が異なるこれらを同時に発現させることで、相加的な生育抑制効果と耐性菌株出現率の低下が期待できる。平成28年度ではこれらの他、生育制御の条件検討に加え、TA遺伝子を同一プロモーター下でクローニングするためのプラスミドや形質転換操作に用いるバイナリーベクターの作製などの形質転換実験のための下準備を行った。平成27年度のTA候補遺伝子の生育抑制活性試験の結果、培養条件や細胞内でのコピー数など、生育抑制活性を観察するにあたり複数の条件で試験する必要が生じたため、サンプル数が予定の倍以上となったのが計画遅延の主たる原因と考えている。しかしその結果、理想的な生育制御が可能な候補遺伝子を見いだすことができ、また、本年度予定していた形質転換実験については平成29年度の酵母への遺伝子・タンパク質輸送実験と並行して行うことが可能であるため、"やや遅れている"とした。本研究では細菌の持つ生育制御システムであるトキシンアンチトキシンシステム(以下、TAシステム)を新たな生物学的封じ込め技術として活用でき得るかその可能性を検討した。モデルケースとして遺伝子組換え操作に汎用されるアグロバクテリアを材料とした。平成27年度は、塩基配列データベースからTAシステムを検出・分類し、その中から3種を選抜、生育抑制を誘導するための条件を検討した。

平成28年度は、更に6種類のTAシステムを追加し、計9種類のTAシステムについて、生育抑制効果およびその制御が可能かどうかを精査し、結果4種のTAシステム(IetS, Doc, ParE, RelEタイプ)を選抜した。本年度はまず、選抜したこれらのTAシステムを組み合わせ、lacプロモーター下流に導入した人工TAオペロンを6種類作製した。これらをアグロバクテリアの染色体DNAに組み込み、液体培養および植物形質転換操作時の生育抑制効果を評価した。一度TA遺伝子の発現を誘導した後、非誘導条件下に移し細胞死の程度を評価した。液体培地中ではTAシステムを組み込んだアグロバクテリアは6種全てで生育抑制効果が見られたもののその程度はTAシステムの種類と組み合わせ、並び順によって大きく異なった。次に、植物形質転換操作後の植物切片上の残存生菌数を測定したところ、TAシステム組み込み菌株では野生株に比べ大きく生菌数が低下し、共存培養直後の生菌数では10,000倍近い差があるものも見られた。また、共存培養後の選択培地に抗生物質を加えることで生菌数は極めて低いままで維持された。アグロバクテリアから酵母へのタンパク輸送操作においても同様の結果が見られた。適切なTAシステムの選択やオペロンの構築など、更に検討すべき課題はあるものの、本研究によって生物学的封じ込め技術におけるTAシステムの応用可能性が示唆された。細菌は自身の生育を抑制し細胞死をも引き起こす毒性タンパク質を作るシステム(TAシステム)を持つ。本研究では複数のTAシステムのON/OFFを一律に制御し、細菌の細胞死を任意に引き起こす仕組みの開発を目指した。データベースから選抜した9種類のTAシステムをアグロバクテリアに導入、その生育抑制効果を精査し、4種のTAシステムを選抜した。これらを加工し組み合わせ、アグロバクテリアの染色体DNAに組み込んだ。この細菌を細胞死誘導条件に移すことで、野生株に比べ著しく生菌数を低下させることができた。TAシステムが遺伝子組換え細菌の外環境への流出などを防ぐ封じ込め技術へ利用できる可能性が示唆された。研究実施計画に基づき、「TAシステムの発現と生育抑制の評価」「植物の形質転換に用いるアグロバクテリアにTAシステムを組み込む」「形質転換後の植物組織に残存する生細胞の確認」を順次行う。具体的にはまず平成27年度中に至適化された誘導条件をもとに、各種プロモーターのアグロバクテリア内での誘導能力と各種TAシステムの生育抑制効果を確認する。由来生物種によって同種のTAシステムでも生育抑制効果が大きく異なる場合があることがわかったため、予定よりも多くのTAシステムを試す必要がある。一通り確認が終わった後、厳密な生育抑制・細胞死の計測、トキシン耐性獲得変異体出現率を調べる。次に、効果的な生育抑制効果を示したTAシステムを組み合わせた「生育制御TA遺伝子クラスタ」を構築する。これらをアグロバクテリアに導入し、植物形質転換操作後の残存生菌数への影響を評価する。
動的計画法による制御積分方程式と数理ファイナンスの研究

本研究では、新たに導入した「非決定性」動的計画法の機能を探るために、積分方程式に制御項を付加した制御積分方程式と数理ファイナンスにおけるオプション評価への適用可能性を調べた。また、既存の「確定的」動的計画法および「確率的」動的計画法との比較を性能面・応用面において検討した。結果として、非決定性動的計画法は既存の2つの動的計画法よりもより広範な動的最適化問題を解決し得る第3の動的計画法であることがわかった。また、制御積分方程式は非決定性動的最適化システムにおけるベルマン方程式に他ならないことが判明した。全4年間の初年度に当たる今平成17年度は本研究の目標を設定するとともに、研究全体の進行計画を策定した。従来までの動的計画法では(a)確定的動的計画(deterministic dynamic programming)と(b)確率的動的計画(stochastic dynamic programming)が研究・応用されて来たが、本研究では新たに(c)非決定性動的計画(non-deterministic dynamic programming)を導入して、その最適方程式であるベルマン方程式を制御積分方程式(controlled integral equation)として新しい形の積分方程式を並行して研究する。さらに、いわゆる古典的解析学における積分方程式との関連を研究し、新たな応用として数理ファイナンスへの分野を構想している。しかし、本研究は従来の動的計画法の概念を打破するところに研究の基本視点を置いている。まず、(a)の確定的,(b)の確率性が逐次・再帰的最適化・評価の立場では極めて限定的であることを具体例などを通して明確にした。それは具体的には最適停止問題の非確率化、強いては非決定性化である。この分野における応用分野は人工知能などコンピュータサイエンス部門がある。ここでは非決定性化を意図しないで、個々の対象・問題毎に動的計画法を適用しているが、動的計画法として、有限段・非決定性システム・非線形評価の枠で全体を統括できることを示した。今17年度は、非決定性動的計画法と制御積分方程式に関するこれらの成果は国内では日本数学会・統計数学分科会および研究集会「経済の数理解析」で、1次元連続状態空間上の非決定性システム上で2次評価の最小型積分方程式に黄金最適解が存在することを報告した。国際会議としては2005年IFORS17で発表し、制御積分方程式は日本発のオリジナルな研究であることが認知されるようになった。この体系的な研究には動的計画法・埋め込み法が適用できることが判明し、次年度以降の研究に繋がった。全4年計画の第3年度である今年度は、本研究の基盤となる制御積分方程式(controlled integral equation)として2倍半加重対3倍1/3と加重競合過程を非決定性動的計画法(non-deterministic dynamic programming)によって解き、関連する成果も含めて広く公表した。この基本モデルの具体的解明によって、本研究の指針が確定し、今後に解くべき問題群の全貌が描けるようになった。全4年計画の最終年度である今年度は、本研究の中心である非決定性動的計画法(non-deterministic dynamic programming)の視点から制御積分方程式(controlled integral equation)と数理ファイナンス(mathematical finance)における成果を集大成した。その中で特に、数理統計学における基本的な分布を推移法則として取り込んでべルマン方程式(Bellman equation)を網羅的に導入して、その解を解析的に求めた。ここでは1次および2次の解のclosed formが得られた。他方、フィボナッチ相補双対最適解、黄金相補双対最適解を具体的に求めることができた。これらの成果は以下のように研究集会、国際会議で報告してきた。
ポストペロブスカイトの物性科学

物質合成と物性測定を相乗させることで、ポストペロブスカイト構造における新奇量子物性を開拓した。ポストペロブスカイト型イリジウム酸化物CaIrO3に対する非弾性共鳴X線散乱により、スピン波と軌道励起の波数依存性を解明し、量子コンパス型相互作用に関する基礎的な知見を得た。さらに、アンチポストペロブスカイト型クロム化合物の構造物性に関する研究を通して、ポストペロブスカイト構造相転移はイオン半径のミスマッチにより駆動されていること、ポストペロブスカイト相転移の境界近傍に空間反転対称性の破れた正方晶ペロブスカイト相が存在することを見出した。ポストペロブスカイト型イリジウム酸化物に対して、共鳴X線散乱実験研究を推進した。エネルギー領域は、2p軌道から5d軌道への遷移に対応するL吸収端であり、この吸収は双極子遷移であることに起因して大きな共鳴効果が存在する。その恩恵を受ける形で、軌道励起・磁気励起を観測することに成功した。軌道励起に関して配位子場理論により解析することで、イリジウムの5d軌道状態は、局所的な正方晶結晶場の影響により、スピン軌道相互作用が強い極限のJeff=1/2状態から修正を受けていることが判明した。磁気励起は、層状構造を反映して擬2次元的であるが、特にイリジウム八面体が稜共有で繋がるa軸方向には分散が小さく、頂点共有で繋がるc軸方向には大きな分散を示すことが分かった。こうした特徴は、稜共有方向に異方的な量子コンパス型相互作用が働き、頂点共有方向に等方的なハイゼンベルグ型相互作用が働くという、Jeff=1/2状態の超交換相互作用に関する理論の予言と合致する。一方で、稜共有方向への僅かな分散の存在は、稜共有方向にもハイゼンベルグ型相互作用の成分が有限であることを物語っている。これは、Jeff=1/2状態からの軌道状態の逸脱により発生したものであると考えられる。さらに、軌道励起・磁気励起に加えて、鋭いエキシトン的な励起を発見した。この起源は現段階では不明であるが、その解釈を第一原理計算の専門家と協働することで進めている。アンチポストペロブスカイト型クロム化合物の構造物性に関する研究を推進した。Cr3GaN-Cr3GeN固溶体およびCr3GeN-Cr3GeC固溶体を合成し、アンチ構造においてポストペロブスカイト相転移が起こることを実証した。元素置換により構造相転移を誘起することができるのは、本系においてアンチペロブスカイト構造とアンチポストペロブスカイト構造のエネルギー差が拮抗していることに起因している。粉末X線回折、DTA測定、DSC測定を通して、温度ー組成平面における詳細な相図を作成した。その結果、1ポストペロブスカイト相転移が負の化学圧力で誘起されること、2立方晶ペロブスカイトーポストペロブスカイトの中間領域に正方晶ペロブスカイトが存在すること、3正方晶ペロブスカイトの安定領域は高温で狭くなること、4その結果として高温では立方晶ペロブスカイトからポストペロブスカイトに直接転移が可能であること、などを明らかにした。トレランス因子に関する解析により、アンチ構造におけるポストペロブスカイト相転移は、イオン半径のミスマッチにより駆動されている可能性が高いことが判明した。これらに加えて、ペロブスカイトーポストペロブスカイトの中間領域の低温側に、高温側の反転対称性の保たれた正方晶ペロブスカイトとは異なる、反転対称性の失われた正方晶ペロブスカイトが存在することも明らかにした。この構造は、立方晶ペロブスカイトからNCr6八面体を回転させることでは得られないため、その構造相転移の微視的機構に興味が持たれる。本研究課題は、おおむね当初の計画通りに順調に進行している。ポストペロブスカイト型イリジウム酸化物の研究に関しては、海外のグループとの共同研究が進みつつある。また、アンチポストペロブスカイト型バナジウム化合物に関して複数の論文が出版されている。前年度に引き続き、アンチポストペロブスカイト型クロム化合物の構造物性に関する研究を推進した。固相反応法により合成したCr3GaN-Cr3GeN固溶体およびCr3GeN-Cr3GeC固溶体に対して、粉末X線回折、DTA測定、DSC測定を通して、温度ー組成平面における詳細な相図を作成した。その結果、アンチ構造においてポストペロブスカイト相転移が起こることを実証した。トレランス因子に基づいた議論により、ポストペロブスカイト構造相転移は、イオン半径のミスマッチにより駆動されていることを明らかにした。こうした機構はMgSiO3で議論されてきたものであり、正構造とアンチ構造のいずれにおいても同一の機構が働いていることが判明した。さらに、ポストペロブスカイト相転移の境界近傍に、空間反転対称性の破れた正方晶ペロブスカイト相が存在することを見出した。これは、MgSiO3におけるポストペロブスカイト相転移の境界近傍では、空間反転対称性の保たれた斜方晶ペロブスカイト相が存在するのと対照的である。空間反転対称性の破れた正方晶ペロブスカイト相は、立方晶ペロブスカイトから八面体ユニットを回転させることでは得られないため、イオン半径のミスマッチにより駆動されているとは考えにくい。むしろ、化学結合の共有結合性により駆動されている可能性が高いことが判明した。こうした構造相転移の機構は強誘電体で議論されてきたものである。アンチポストペロブスカイト型クロム化合物は導電体であるため、本物質群は空間反転対称性の破れた金属という観点からも興味深いことが判明した。