hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
アンサンブルカルマンフィルタ等データ同化手法の基礎的及び応用的研究

本研究は、大気の流れを考慮した高度なデータ同化手法であるアンサンブルカルマンフィルタを将来の高解像度モデルに適用することを目的に、マルチスケールを考慮したデータ同化手法を考案・開発し、従来手法と比較することでその有用性を検証した。従来手法では、数十メンバー程度の限られたアンサンブルメンバー数に起因するサンプリングエラーを抑えるために、観測の影響範囲を限定する局所化と呼ばれる技術を適用している。しかしながら、モデルが高解像度になるにつれ局所化のスケールは小さくせざるを得ず、遠方の重要な観測を同化できないため局所化スケールより大きなスケールの誤差を修正することができない。そこで本研究では、観測による修正量を低波数成分と高波数成分に分けて、それぞれ異なる局所化スケールを用いて解析を行う。低波数成分では、アンサンブル予報摂動を平滑化することでサンプリング誤差を低減し、より大きな局所化を施すことでより遠くの観測が同化可能となる。高波数成分では、高解像度の摂動をそのまま用いる。これにより、遠方の観測を効果的に同化するとともに、観測近傍の詳細な現象を把握することが可能となる。その結果、Dual-Localization法は従来手法と比較して、すべてのモデル変数・ほぼすべての領域において解析誤差が大幅に改善し、領域によっては20%以上も改善することが確認された。さらに、2つの局所化スケールの組合せによる改善度合いの感度はそれほど大きくなく、それぞれ400km程度の幅を持って解析誤差を良好に改善した。これはほかのモデルを使用しても、局所化スケールには敏感ではないことを示している。さらに3200メンバーにもおよぶ大アンサンブルデータ同化実験を行い、Dual-Localization法は少ないアンサンブルメンバー数にもかかわらず、従来手法よりも3200メンバーによるデータ同化の結果に近いことを確認し、Dual-Locaiization法の有用性を裏付けることができた。(抄録なし)本研究は、大気の流れを考慮したアンサンブルデータ同化手法を高解像度大気モデルに適用することにより、誤差の小さく精度のよい初期値を作成し、さらなる予測精度向上を目的とするものである。初期値の改善及び予測精度向上により、大気のメカニズムの理解の深化や、事前に災害の規模や影響範囲を推定等が可能になるものと考えられる。当該年度においては、雲解像も可能である大気モデルNICAMにアンサンブルデータ同化手法の一つであるLETKFを適用したNICAM-LETKFを用いて、共分散膨張係数及び観測誤差の動的推定を実装し、モデル誤差の推定を考案した。その結果、共分散膨張係数及び観測誤差の推定はよく機能し、NICAM-LETKFは安定して動作することを確認した。観測誤差の動的推定は、よく知られていない観測誤差を推定する手法として大変有用であり、今後のさらなる研究が望まれる。一方、モデル誤差の推定については、現在のデータ同化では陽に考慮していない場合も多い。特にアンサンブルデータ同化手法では、モデル誤差の影響を強く受けやすいため、モデル誤差の推定は大変重要であり、今後のさらなる研究が望まれる。アンサンブルカルマンフィルタによるデータ同化手法では、各アンサンブル予報をサンプルとして予報誤差共分散を見積もる。この際、アンサンブルメンバー数が少ないことによりサンプリング誤差が生じるが、特にシグナルが小さい遠方の格子点で問題となる。このため、見積もられた誤差共分散に局所化関数を適用し、観測データの影響範囲を限定することにより、サンプリング誤差の問題に対処する。この際の局所化のスケールは、モデルの解像度を上げると小さくしなければならないことが知られており、雲解像モデルでは、観測の影響範囲がごく近傍に限られ、総観スケールの誤差を十分に修正できない恐れがある。そこで本研究では、マルチスケール構造を考慮したデータ同化手法を考案した。具体的には、観測による修正量である解析インクリメントを、低波数成分と高波数成分に分ける点にある。低波数成分については、アンサンブル予報摂動を平滑化することで遠方のサンプリング誤差を低減し、遠方のサンプリング誤差を抑えたまま大きな局所化スケールを適用し、観測の影響範囲を広げることが可能となる。また、高波数成分については高解像度の摂動をそのまま用い、小さな局所化スケールを適用して小スケールの現象を捕捉する。スケールに応じた解析をすることにより、遠方の観測を効果的に同化し、解析誤差が全波数成分において大幅に改善することを確認した。

さらに、2つの局所化スケールの組合せによる改善度合いの感度はそれほど大きくなく、それぞれ400km程度の幅を持って解析誤差を良好に改善した。これはほかのモデルを使用しても、局所化スケールには敏感ではないことを示している。さらに3200メンバーにもおよぶ大アンサンブルデータ同化実験を行い、Dual-Localization法は少ないアンサンブルメンバー数にもかかわらず、従来手法よりも3200メンバーによるデータ同化の結果に近いことを確認し、Dual-Locaiization法の有用性を裏付けることができた。高解像度モデルにアンサンブルデータ同化手法を適用する場合、少ないアンサンブルによるサンプリングエラーのため、遠方の観測を同化することができない。NICAMのような高解像度モデルに最適な同化手法を開発するためには、マルチスケールを考慮した手法の確立が必要である。本研究では将来の高解像度モデルに適したアンサンブルデータ同化手法の開発についての研究のもと、マルチスケールを考慮したアンサンブルデータ同化手法の研究が当初の計画通り順調に進展している。本研究では、今後も高解像度モデルを念頭に置いたアンサンブルデータ同化手法の研究をすべく、所属機関である筑波大学及び理化学研究所計算科学研究機構において、T2K筑波システム及び京コンピュータ等を用い、マルチスケールを考慮した基礎的及び応用的なデータ同化手法の研究を進める予定である。(抄録なし)
大気中に浮遊する微細粒子の気道上皮透過性の測定(PETによる研究)

本研究は呼吸器疾患患者において気道上及の透過性を明らかにし、大気に浮遊する微細粒子に対する気道上及のバリア-としての役目を評価することを最終目標とし,PETによる肺機能診断の臨床試験を行う前段階として水溶性エアロゾルについて検討した。ウサギに放射性ネブライザ-(Azー741)でFDGを吸入させ,気管及び肺からのFDGの消失をPETで測定すると共に、血中放射能をモニタ-し肺からの吸収を調べ,気道のクリアランス並びに呼吸器系からの吸収が測定できるか検討した。実験は正常ウサギをウレタン麻酔下気管カニュ-レを挿入し,このカニュ-レを介して自然呼吸で5分間FDGを吸入させた。気管流出物が詰らないように頭部を下に25°の角度で固定し,多断層撮影装置(PTー931)で経時的に気管および肺を含む部分の断層撮影と全身のスキャンを行った。測定は30分ごとに120分まで行い,同時に血液のサンプリングを行った。解析は全身スキャンの結果から呼吸器系よりの消失、すなわち血中への吸収を含めた消失を求めた。粘液輪送系の評価は気管と肺を2コンパ-トメントモデルにあてはめ,さらに吸収の速度定数を差し引いて気管と肺のクリアランスの消失速度定数を求めた。その結果吸収による半減期は約6時間,肺からのクリアランスによる消失の半減期は約50時間であり,気管では約15分であった。肺からのクリアランスが遅いのはネブライザ-によって発性したミストの粒子が微細であり,肺のかなりの割合を占める線毛の無い肺胞部分への沈着が多く,消失の中のクリアランスの割合が小さいためと考えられる。また血中の放射能は吸入後20分まで上昇し,その後120分までほぼ一定であった。以上の結果よりネブライザ-を使用してFDGを吸入させる事により,吸収やクリアランスといった肺機能の診断がPETで可能と考えられ,臨床倫理委員会の許可のもとに臨床への応用を進めたい。
不活動が脳由来神経栄養因子 BDNFに及ぼす影響と運動介入効果の基礎的検討

体を動かさないことにより骨格筋では廃用性に筋萎縮が起こり、さまざまな日常生活動作ADLの低下を引き起こす。これに対して、運動療法がリハビリテーションで実践されている。運動は、筋力を保ちADLを維持するために重要であるばかりでなく、脳機能も改善させることが分かってきた。最近、脳機能の生理的活性因子である脳由来神経栄養因子(BDNF)が運動により増加することが報告されている。一方で、廃用による筋萎縮状態でのBDNFについては解明されていない。この研究課題では、不活動が脳機能に及ぼす影響と、廃用性筋萎縮を改善するために行う運動介入の効果を、BDNFを指標にモデル動物を用いて検討する。
地域包括ケアシステム導入と新たな地域社会の関係形成に関する実証的研究

2018年度は、長久手市の地域包括ケアシステムを中心に、静岡県掛川市、愛知県岡崎市、尾張旭市、西尾市、刈谷市との比較研究を実施した。地域包括ケアシステムと農の活動、ボランティア活動との関係、多文化共生、高齢者など、多様な領域との連動性を重視して調査研究を進めた。特に、農の活動は、高齢者の健康増進力、生きがい創出などの「農の福祉力」として注目されている。これまでの研究では、農の活動は、その他の活動と比較して、高齢者の身体能力、通院頻度などの身体的健康、主観的健康観、生活満足感などの精神的健康、外出頻度などの社会的健康の数値が維持・改善される効果があるとされている。このように高齢者による農の活動には、農業生産でイメージされる生産的効果、経済的効果だけでなく、身体的・精神的・社会的効用など、多様な効用が認められているのだ。こうした点から、農の活動生活に取り入れられることで、心理的な好影響や、身体を動かすことによる介護予防などの身体面への好影響、農の活動を通じた社会参加や社会関係の形成といった社会的効果などの期待につながっている。こうした高齢者による農の活動への期待は、実際に社会福祉領域においても取り入れられつつある。厚生労働省は今後の地域福祉の柱として、「地域住民や地域の多様な主体が『我が事』として参画し、人と人、人と資源が世代や分野を超えて『丸ごと』つながることで、住民一人ひとりの暮らしと生きがい、地域をともに創っていく社会」である「地域共生社会」を提起している。「地域共生社会」実現のための実践例として、人口減少に伴って拡大している耕作放棄地の活用や、遊休耕作地を活用した認知症高齢者の社会参加と認知症予防、高齢者の生きがい活動として農業の活用等を推進することが謳われており、高齢者の農の活動への期待が認められる。調査研究の成果として、学会報告1本、論文4本にまとめることができた。調査研究については、研究計画通り実現しているため。調査研究についてはほぼ予定通りの達成状況で、最終年度はこれまでの補足調査と、研究成果のとりまとめを行う。学会報告2回、論文投稿2本の予定である。研究協力者の移動のため、調査対象予定地の山形県鶴岡市をとりやめ、同じ東北地方の宮城県加美町に変更している。愛知県長久手市における地域包括ケアシステムに関する研究について、理論レヴュー、調査についての課題を検討した。この課題に対して、長久手市高齢者調査とともに、大学連携の調査をベースに、その潜在的な可能性について分析を行った。ここで重視したのは次の点である。地域包括ケアシステム構築の中心的な推進主体が地域包括支援センターとされている(地域包括ケア研究会編,2013:10)状況に対して、1高齢者への限定の問題、2地域包括ケアシステムの政策課題の2点から、地域包括支援センターでは不十分であることを指摘した。その上で、「サービスの提供側だけではなくサービスを受ける側、つまり高齢者を含めた住民のマネジメントを同時に考える必要があ」ることなどから、「高齢者、障がい者、子ども分野などの『制度のマネジメント』機関ではない社会福祉協議会のCSW」(加藤・有間・松宮,2015: 20-21)が推進主体となって地域包括ケアシステムを構築していく必要があることを示し、「CSWを人口5000人から1万人程度、多くても2万人未満の圏域に配置し、CSWを地域福祉計画・地域福祉活動計画に明確に位置付けること」が地域包括ケアシステムの構築にとって重要であることを確認した(同上:18-24)。特に地域包括ケアシステム構築に関して、CSW、社会福祉協議会、地域内分権のあり方に関して整理をしてきた。サーベイ調査も実施し、実証的なデータは十分にあるが、その解釈については精度を上げる必要がある。調査に関しては、長久手市福祉部の委託調査を受けたため、状況が大幅に変わった。量的調査については実施できたので、質的調査への重点をおくことに変更した。2017年度は、以下の研究を実施した。1地域包括ケアをめぐる理論、調査方法論について、主として社会学領域を中心にレヴューしつつ、整理した。その成果については、(松宮朝「地域コミュニティと排除をめぐる調査方法論」『人間発達学研究』第9号、2018年、103-110頁)にまとめている。2長久手市内、西尾市内を中心に、都市の耕作放棄地を利用した農の活動によるネットワーク形成についての調査研究を実施した。3長久手市、京都府における地域包括ケアシステム構築プロセスに関する調査研究を実施した。この研究成果の一部は、(松宮朝「集落支援員とIターン移住者の集落活動」『社会福祉研究』19号、2017年、51-57頁)および、(松宮朝「Iターン移住者、集落支援員による『協働』型集落活動」『年報村落社会研究』53集、2017年、143-173頁)にまとめた。4長久手市の大学連携によるまちづくり、地域福祉の取り組みについて調査研究を実施した。この研究成果の一部は、(松宮朝・石井晴雄・川原千香子・小島祥美・中根多惠・笹山実希「大学連携におけるボランティア活動推進をめぐる課題」『共生の文化研究』第12号、2018年、26-47頁)にまとめた。5長久手市における地域福祉活動について、研究協力者の加藤昭宏氏による調査研究が行われた。

その成果は、(加藤昭宏「コミュニティソーシャルワーカーによる子どもの支援の展開可能性について」『人間発達学研究』第9号、2018年、43-56頁)にまとめた。調査研究については概ね順調に進んでいる。ただし、研究協力者の異動の関係で、東北地方を対象とした地域調査から、静岡県、京都府を対象地域に変更している。2018年度は、長久手市の地域包括ケアシステムを中心に、静岡県掛川市、愛知県岡崎市、尾張旭市、西尾市、刈谷市との比較研究を実施した。地域包括ケアシステムと農の活動、ボランティア活動との関係、多文化共生、高齢者など、多様な領域との連動性を重視して調査研究を進めた。特に、農の活動は、高齢者の健康増進力、生きがい創出などの「農の福祉力」として注目されている。これまでの研究では、農の活動は、その他の活動と比較して、高齢者の身体能力、通院頻度などの身体的健康、主観的健康観、生活満足感などの精神的健康、外出頻度などの社会的健康の数値が維持・改善される効果があるとされている。このように高齢者による農の活動には、農業生産でイメージされる生産的効果、経済的効果だけでなく、身体的・精神的・社会的効用など、多様な効用が認められているのだ。こうした点から、農の活動生活に取り入れられることで、心理的な好影響や、身体を動かすことによる介護予防などの身体面への好影響、農の活動を通じた社会参加や社会関係の形成といった社会的効果などの期待につながっている。こうした高齢者による農の活動への期待は、実際に社会福祉領域においても取り入れられつつある。厚生労働省は今後の地域福祉の柱として、「地域住民や地域の多様な主体が『我が事』として参画し、人と人、人と資源が世代や分野を超えて『丸ごと』つながることで、住民一人ひとりの暮らしと生きがい、地域をともに創っていく社会」である「地域共生社会」を提起している。「地域共生社会」実現のための実践例として、人口減少に伴って拡大している耕作放棄地の活用や、遊休耕作地を活用した認知症高齢者の社会参加と認知症予防、高齢者の生きがい活動として農業の活用等を推進することが謳われており、高齢者の農の活動への期待が認められる。調査研究の成果として、学会報告1本、論文4本にまとめることができた。調査研究については、研究計画通り実現しているため。これまでの調査データをもとにしつつ、質的調査を進め、他地域との比較を実施したい。今後の課題としては、質問紙調査のデータ分析を進めること、地域包括ケア、サロン調査に関する参与観察の成果をまとめ、場合によっては追加調査を行いながら、研究目標の達成を目指したい。調査研究についてはほぼ予定通りの達成状況で、最終年度はこれまでの補足調査と、研究成果のとりまとめを行う。学会報告2回、論文投稿2本の予定である。研究協力者の移動のため、調査対象予定地の山形県鶴岡市をとりやめ、同じ東北地方の宮城県加美町に変更している。調査費用が減少したため。調査地域変更により、京都府、静岡県の調査に活用する。2019年度の調査事業に一部変更を行ったため。今年度の調査旅費として使用。
臨床診断及び治療支援のための4次元画像処理基盤ソフトウェアの開発とその応用

臨床における診断や治療の支援を目的とした効率的かつ効果的な4次元画像処理/表示手法の開発と基礎的検討,それらの整備(基盤ソフトウェア),それらを利用した応用システムの開発を目標として研究を進めた.ここでは,画像処理/表示といっても,狭い意味でのいわゆる診断支援システム(CAD)のような,病変等の注目領域マーキングなどは対象とせず,特に計測と表示や重ね合せに関わる部分を中心に検討を進めることで特徴を持たせた.その結果,次に示すように,基礎的検討と応用システムの開発については一定の成果を得た.当然,基盤ソフトウェアについても一定の成果を得ているが,外部に公開して一般的に利用可能であるかたち(例えばライブラリとしての公開)にまでは至らなかった.この点については,今後,機会を見て進めていきたい.以下,具体的課題に則して成果概要を述べる.1.4次元画像取得に関してTrueFISPに基づく多時相3次元(4次元)タギング法とデータ処理手法の開発.2.4次元表示に関連して狭窄や動脈瘤に影響されることの無い血管芯線抽出方の開発(血管芯線を利用した新しい4次元表示の基礎).3.基礎技術と応用システム(1)4次元CT・MRIデータからの左室(並びに右室)の自動抽出とそのための4次元フィルタ.(2)術中X線透視動画像に同期した3次元CT像の動画像処理と表示.(3)心電図同期SPECT像と冠動脈造影像の動画像処理による重ねあわせ表示システムなお,ここで得た成果の一部は平成15年度発足の特定領域研究「多次元医用画像の知的診断支援」の計画班「時系列病理形態の理解に基づく知的CAD」に引き継がれ,更なる充実を目指すこととなっている.臨床における診断や治療の支援を目的とした効率的かつ効果的な4次元画像処理/表示手法の開発と基礎的検討,それらの整備(基盤ソフトウェア),それらを利用した応用システムの開発を目標として研究を進めた.ここでは,画像処理/表示といっても,狭い意味でのいわゆる診断支援システム(CAD)のような,病変等の注目領域マーキングなどは対象とせず,特に計測と表示や重ね合せに関わる部分を中心に検討を進めることで特徴を持たせた.その結果,次に示すように,基礎的検討と応用システムの開発については一定の成果を得た.当然,基盤ソフトウェアについても一定の成果を得ているが,外部に公開して一般的に利用可能であるかたち(例えばライブラリとしての公開)にまでは至らなかった.この点については,今後,機会を見て進めていきたい.以下,具体的課題に則して成果概要を述べる.1.4次元画像取得に関してTrueFISPに基づく多時相3次元(4次元)タギング法とデータ処理手法の開発.2.4次元表示に関連して狭窄や動脈瘤に影響されることの無い血管芯線抽出方の開発(血管芯線を利用した新しい4次元表示の基礎).3.基礎技術と応用システム(1)4次元CT・MRIデータからの左室(並びに右室)の自動抽出とそのための4次元フィルタ.(2)術中X線透視動画像に同期した3次元CT像の動画像処理と表示.(3)心電図同期SPECT像と冠動脈造影像の動画像処理による重ねあわせ表示システムなお,ここで得た成果の一部は平成15年度発足の特定領域研究「多次元医用画像の知的診断支援」の計画班「時系列病理形態の理解に基づく知的CAD」に引き継がれ,更なる充実を目指すこととなっている.本年度は,導入したハードウェア環境の整備と以前から進めて来ていた応用ソフトウェアの開発に関連した部分を中心として下記の通り研究開発を行った.1.標準的仕様のパーソナルコンピュータを購入し,この上にフリーソフトウェアを用いて3次元画像処理と表示が可能な環境を構築した.具体的には,OSとしてGNU/Linux,表示のためにはX-Window SystemとOpenGLを用いて環境を整備した.これにより,安価なグラフィックカードを用いたハードウェアレンダリングが可能であった.また,WindowsやMacなど他のプラットホームとの互換性をとることも容易であった.2.上記環境において,ソフトウェアによる高速ボリュームレンダリングを行った.また,従来型の4次元表示が可能であることを確認した.また,ボリュームレンダリングが可能なハードウェアにより従来型の4次元表示が高速に行えることを確認した.3.MRIを用いた心臓の4次元イメージングシーケンスを開発し,その試験を行った.数秒の息止めの間に2時相の3次元タギングデータの取得が可能であることを確認した.4.4次元CTデータから,左心室(並びに右心室)を自動的に抽出する手法を開発した.このなかで,4次元スムージング法,4次元領域拡張法,4次元モルフォロジーフィルタについて検討した.左心室の自動抽出については,一定の目処が立ったと考えている.5.心電図同期心筋SPECTと冠動脈造影像を重ね合わせるためのシステムを構築した.同システムにおいて動画像を重ね合わせる(4次元再構成)ための検討に着手した.6.術前3次元CT像と術中のX線透視像重画を重ね合わせるための基礎的検討を行った.本年度は応用システムの開発を中心に課題に取り組み,以下の成果を得た.1.4次元画像取得に関連して心機能解析のためのMRIでの4次元データ取得に関して,TrueFISPに基づく4次元イメージングシーケンスを開発し,数秒の息止めの間に2時相の3次元タギングデータを取得した.また,同データから,タグを表わす曲面の抽出を行なった(項目2.にも利用可能).2.4次元表示に関連して新しい4次元表示のために,狭窄や動脈瘤に影響されることの無い血管芯線の抽出について検討した.

その結果,3次元空間内において良好な抽出結果を得た.今後,これを発展させて4次元空間内での曲断面の生成とそれを利用した表示手法の開発に進む.3.応用システム(1)術中X線透視動画像に同期した3次元CT画像表示3次元CT像とX線透視動画像の位置合わせを実現するための評価関数と一連の手続きについて検討した.この結果,造影検出の必要性と最適な評価関数(M推定に基づくもの)を明らかにした.また,術前に撮影した3次元CT像を,術中動画像に同期して観察方向を変化させながら動画像表示するシステムを試作した.作成したシステムでは,術中取得画像と人工的に作成した画像が干渉することが無いという特徴を持つ.(2)心電図同期SPECT像と冠動脈造影像の重ねあわせこれまでに開発してきたシステムをより実用的なものとするために,インタフェースの整備と画質向上のための擬像除去手法の開発を行った.シミュレーションと臨床画像への適用により開発した自動擬像除去手法の有効性を確認した.また,動画像への対応(4次元化)のために,冠動脈造影像の時空間パノラマの作成手法について検討し,その可能性を示した.本年度についても下記に示すように引き続き応用システムの開発を中心に課題に取り組んだ.基盤ソフトウェアについては,ライブラリとして公開するまでには至らなかったが,具体的システムについて多くの成果を得た.また,本研究の一部は本年度発足の特定領域研究「多次元医用画像の知的診断支援」における計画研究に引き継がれることとなる.1.4次元画像取得に関連して心機能解析のためのMRI4次元データ取得に際し擬像を削減できる新しい撮像法により,正常被験者の心臓動画像を取得してその処理を試みた.2.4次元表示に関連して新しい4次元表示のために,狭窄や動脈瘤に影響されることの無い血管芯線の抽出について検討してきたが,それを発展させコントラストの低い細い血管までを抽出する手法を開発した.3.4次元画像処理に関連して複数の正常被験者の心臓MRI4次元データをそれぞれ複数回取得し,位置合わせを行なうことにより,時空間解像度の向上を試み,良好な結果を得た.4.応用システムの例(1)4次元心臓MRI像からの定量情報抽出システム4次元心臓MRI像から心臓領域を抽出し,左室容積の変化などの有用な情報の抽出を行なった.心臓領域抽出では,心基部や心尖部での特徴に応じて抽出手法を使い分けることが有用であった.また,乳頭筋や右室の抽出も試み,一定の成果を得た.(2)術中X線透視動画像に同期した3次元CT画像表示3次元CT像とX線透視動画像の位置合わせを実現するための評価用オフラインシステムを試作した.また,同システムの位置合わせ精度について,臨床データを用いた評価を行ないその有効性を示した.
講義用ビデオの時系列コメントに対する学習効果と学習高度化システムの開発

講義ビデオのWeb公開が増えているが、単に講義ビデオを流すだけでは、知的欲求や学習意欲の低下等が懸念される。本研究では、学習者が講義ビデオを視聴しながら送信したテキストコメント(TC)をそのタイミングと同期させて講義ビデオの画面上に流して共有できる機能が、この懸念を解消できると考え、同機能の学習効果を検証した。同機能を有したシステムを開発し、学習実験を行った結果、学習者が送信したTCは量・質ともに乏しく、講義ビデオの一部のショットで注目度は上昇するものの、課題遂行上、十分な知的刺激を与えることができなかった。そこで、TCの量・質の向上を目指し、思考を発散・深化・収束させる新しい機能を提案した。平成26年度では,1.講義ビデオに時系列コメントを表示するシステムの開発,2.講義ビデオ内容の再検討,3.テキストコメントがビデオ視聴者の印象/感性に与える影響に関する調査,4.時系列コメントの分類分析の4点について,研究成果をあげた.1に関しては,Webブラウザ上で動作するシステム(HTML5 + CSS3 + JavaScript)の開発に取り組んだ.まだ,開発途中段階だが,入力されたコメントを再生中のビデオ画面の右から左に流す仕組みを開発した.2に関しては,計画段階では撮影済みの講義ビデオを用いて研究を進める予定であったが,研究分担者との打ち合わせにより,時系列コメントでの学習者同士の議論が促進される教授事象を含めた講義ビデオを新たに撮影することになった.これは,本研究の目的である講義ビデオ視聴者の参加度の向上や学習効果の強化に繋がることであり,その教授事象を対象とした研究を進める意義は大きい.3に関しては,ビデオ視聴者は,テキストコメントのネガティブな概念を汲み取りやすく,その概念に意味的に関連のある概念までもが活性化し,それがビデオの印象/感性に影響を与えていることを実験により明らかにした.本研究の目的のひとつは,学習者がどのような時系列コメントを見たときに,どのような心理的変化を起こすかを明らかにすることであり,その知見のひとつを得たことに意義がある.4に関しては,ビデオ視聴者は,意見や感想だけでなく,ビデオを補完(足りない内容の補足や内容の強化等)する目的で時系列コメントを送信することもあることを明らかにした.本研究では,講義ビデオに送信される時系列コメントが学習効果に与える影響や,学習効果を高めるためのコメント促進・制御・フィルター機能の実装を目指しており,時系列コメントの傾向を分析できた意義は大きい.平成27年度では,1.ビデオ画面上に流れる時系列テキストコメント(以下,コメントと略す)の量と種類の違いによる視聴者の印象の差の検証,2.コメント挿入機能の開発,3.講義用ビデオの撮影・編集,4.講義用ビデオを用いたコメントに対する学習効果実験の実施の4点について,研究成果をあげた.1では,研究代表者らが独自に開発したERICAを用いて視聴者の印象を時系列データとして記録,分析したところ,視聴者によって入力されてビデオ画面上に流されたコメントの量は少なく,ビデオにはない情報を付加して内容を強化・補完するようなコメントが流されたシーンが,面白いという印象を強くするという結果を得た.この成果は,学習高度化講義ビデオシステムのコメント制御機能を開発する際に役立つ.2では,ビデオを視聴している視聴者たちが入力したコメントを,その入力のタイミングと同期させてビデオ画面上に併せて流す機能(コメント挿入機能)をもったWebベースシステムを開発し,完成させた.3では,メリット・デメリット計算を題材にした講義用ビデオを,解説・例示・演習の3つに分けて撮影・編集した.講義用ビデオを3つに分けて撮影した狙いは,教授事象の分類化を明確にすることであり,その違いによって学習者が入力するコメントの傾向や学習効果などに差が出るかを検証するためである.4では,上述の2のシステム(限定的な公開)と3の講義用ビデオを用いた実験を実施した.実験の目的は,講義用ビデオの画面上に流れるコメントが,そのビデオを視聴している学習者の学習効果や心理にどのような影響を与えるかについて検証することである.具体的には,どのような講義場面でどのようなコメントが入力されるか,コメントが課題にどのような影響を与えるか,コメントの有無によって課題の取り組みに差異が生まれるかなどを検証することが狙いである.当初の計画では,上述の研究実績4の実験を実施した後,テキストが流れる講義用ビデオに対する時系列に沿った学習者の印象/感性を,ERICAを使って調査する予定であった.現状では,研究実績4の実験は実施できたものの,ERICAを使った調査は実施できていない.原因は,これまでAdobe Flashで開発してきたERICAをタブレット型端末にも対応するために,HTML5 + CSS3 + JavaScript + PHPで再開発してきたが,幾つかの不具合が見つかったため,それに対応する必要があったからである.ERICAの再開発の遅れに影響するかたちで,コメント制御機能の開発と,タブレット対応システムの要件定義にも遅れが生じている.しかし,コメント制御機能の開発では,上述の研究実績1で得た知見をはじめ,研究分担者との打ち合わせや先行研究等の調査により,システム開発の要件は明らかになりつつある.また,タブレット対応システムの要件定義も,研究分担者との打ち合わせを進めているところである.コメントの分類化に関しても遅れ気味ではあるが,現在では,研究実績4の実験で得られたコメントを分類化・分析しているところである.コメントの分類化・分析は,本研究にとって重要な位置づけにあるため,研究分担者のもと慎重に議論を重ねつつ分類化・分析のための手法の開発を進めているところである.講義用ビデオは,当初の計画では,撮影済みの講義用ビデオを利用する予定であったが,教授事象を明確にした解説・例示・演習用の3つの講義用ビデオを別々に撮影し直した.

これは,当初の予定以上の達成度と捉えることができ,本研究の精度が上がることが期待できる.平成28年度では,1.学習者が講義ビデオを視聴しながら入力したテキストコメント(以下,コメントと略す)を,そのタイミングと同期してビデオ画面上に流したときの学習効果の検証,2.コメントによる活発な議論を導くシステムの要件定義,3.講義ビデオに対する学習者の注目度の比較実験の実施の3点について,研究成果をあげた.1では,平成27年度に実施した実験で得られたデータを分析した.この実験の目的は,コメントが流れる講義ビデオで学習した実験群と,コメントが流れない講義ビデオで学習した統制群とで,課題のでき具合について比較検証することである.課題は,問題解決のフレームワークのひとつであるメリット・デメリット計算を題材にしたオープンエンドなものである.分析の結果,送信されたコメント数は少なく,活発な議論も起きていないことが分かった.また,実験群よりも統制群の方が,より多面的に問題解決に取り組んでいたことが分かった.2では,上述の1の実験結果を受けて,研究代表者らは,コメントによる活発な議論を導くことができるような新しいシステムを構築する必要があると考えた.単に,学習者が入力したコメントを講義ビデオ画面上に流すだけの仕組みでは,学習者はコメントをあまり送信せず,活発な議論も起きない傾向にある.そこで,新しいシステムの要件定義を行い,コメントによる議論を3つのモード(思考を発散するモード,思考を深化するモード,思考を収束するモード)に区分し,ステップを追いながらコメントを送信させる仕組みを考案した.3では,コメントが流れる講義ビデオで学習した実験群とコメントが流れない講義ビデオで学習した統制群とで,講義ビデオに対する注目度に差異が出るかについて検証する比較実験を実施した.実験には,研究代表者らが独自に開発したERICAシステムを用い,講義ビデオの時系列に沿った注目度の変化を記録した.当初の計画では,コメントを制御する機能の開発,及び,学習高度化講義ビデオシステムの公開を行う予定であった.現状では,学習者たちが入力したコメントを講義ビデオ画面上に流すシステムまでは完成しているが,そのコメントを制御する機能の開発までは至っていない.そのため,学習高度化講義ビデオシステムも未公開のままである.その原因は,システムの再検討が必要になったことにある.研究を進めていく過程で,単に学習者が入力したコメントを講義ビデオ画面上に流すだけの仕組みでは,学習者はコメントをあまり送信せず,活発な議論も起きない傾向にあることが明らかになってきた.そのため,期待した学習効果も得られなかった.
黒鉛電極へのアニオン挿入脱離反応に関する基礎研究

黒鉛電極におけるアニオン挿入脱離反応について調べた。アニオン挿入過程の活性化エネルギーは小さな値を示したことより、溶媒との相互作用が極めて小さく、脱溶媒和過程が律速でないことを明らかとした。さらに活性化障壁は黒鉛電極側にあることを見出した。また、黒鉛電極の加圧状態が挿入脱離反応に及ぼす影響を調べたところ、加圧によってアニオン挿入脱離反応は抑制されたことより、黒鉛構造の再配向が活性化障壁であることが示唆された。また、拡散係数はLi+イオンよりも1桁程度大きく、固体内拡散においても高速充放電に有利であることが明らかとなった。これらの知見はアニオンを反応主とする新たな蓄電デバイス開発の基礎となる。本研究はアニオン種の黒鉛電極への電気化学的挿入脱離機構の解明を目的とする。本年度はリチウムイオン電池に用いられる種々のアニオン種を黒鉛電極に挿入し、その反応の活性化エネルギーを調べることでアニオン種の大きさが速度論に及ぼす影響を検討した。モデル電極として高配向性熱分解黒鉛を用いた電気化学セルを構築し、サイクリックボルタンメトリーよりアニオン種の挿入脱離に起因する酸化還元電流を確認した。アニオンの挿入電位はアニオン種によって異なるものの、アニオンのサイズとの因果関係は認められなかった。続いて交流インピーダンス測定よりアニオン種の電荷移動過程に起因する円弧成分を確認した。電荷移動抵抗の温度依存性から得られる活性化エネルギーは2028 kJ/molとなり、リチウムイオンが示す活性化エネルギーよりも著しく小さな値となった。これはアニオン種が溶媒和状態に無いため脱溶媒和過程を必要としないことが原因と考えられる。一方、反応の活性化エネルギーは用いるアニオン種のイオン半径とともにわずかに増大する傾向を示した。以上の結果より、黒鉛電極へのアニオン種挿入反応の活性化エネルギーは、アニオンの挿入に伴う黒鉛層間の膨張収縮によるものであることが示唆された。本研究はアニオン挿入反応を正極に用いた新規蓄電デバイス開発を見据えた基礎研究である。アニオン種の挿入反応に対する活性化エネルギーが小さいことは、反応が本質的に速いことを示しており、高速充放電特性に優れたデバイスの開発が期待できる。本年度の研究成果においてアニオン種によって活性化エネルギーに変化が認められたものの、いずれの系においても30 kJ/mol以下の値であり、脱溶媒和を伴わない相間移動をエネルギーデバイスに用いることの優位性を示すことができた。本年度は異なるアニオン種が黒鉛電極へ挿入する際の活性化エネルギーを比較した。電池材料に用いられるアニオン種としてアミドアニオン、トリフレーとアニオン、BF4アニオンがプロピレンカーボネート中で黒鉛電極に挿入過程を調べた結果、それぞれの挿入電位にわずかな相違が認められた。また、活性化エネルギーはアニオンのサイズによって異なり、大きなアニオンほど活性化エネルギーも大きくなる傾向を示した。一方、いずれも30 kJ/molと低く、本質的に速い過程であることが明らかとなった。大きなアニオンほど黒鉛電極に挿入する際に黒鉛層間を大きく広げる必要があることより、活性化エネルギーは電極側にあることが示唆された。これはリチウムイオンの挿入過程と異なっており、反応メカニズムが大きく異なることを意味する。電解液の溶媒種が活性化エネルギーに及ぼす影響についてもしらべた。比較的優れたタイ酸化性を示すスルホランにおいても活性化エネルギーはプロピレンカーボネートと同程度となり、電解液中のイオンー双極子相互作用の影響は用いた溶媒種ではいずれも小さいことが明らかとなった。また、黒鉛電極中のアニオンの拡散挙動を調べるために必要な合材電極の作製方法について検討を行った。作製した電極を用いて充放電試験を行った結果、過去の報告に近い容量を示し、作製した電極が機能することを確認した。一方、電池系の静置時間とともに合材電極が終電体から剥離することを確認した。拡散係数の導出には数週間の長い測定が必要となるため、安定な合材電極の作製方法を確立する必要がある。前年度の結果を受けて予定した研究内容をほぼ計画通りに進行した。アニオンインター化レーションの速度論がアニオン種、溶媒種の影響を受けにくことは、黒鉛電極側に活性化障壁があることを示唆しており、アニオンインターカレーションの化学の解明に寄与するものと考えられる。概要に述べた通り、合材電極の作製にはまだ検討の余地がある。しかしながら本研究は当初からH28年度に実施予定のものであり、想定内の事象である。より強固な合材を作成するための混錬機を導入しており、改善できるものと考えている。28年度はアニオン挿入反応に伴う活性化障壁の要因を探るべく、水溶液中におけるアニオン挿入脱離反応に着目し、その速度論を非水溶液と比較した。過塩素酸水溶液中で黒鉛電極の電気化学挙動を調べたところ、可逆的な過塩素酸アニオンの挿入脱離反応に起因する電流が認められた。また、交流インピーダンス法により、過塩素酸アニオンの挿入脱離に伴う電荷移動抵抗を見積もることに成功した。この温度依存性から界面イオン移動の活性化エネルギーとして19 kJ mol-1を得た。この値は炭酸プロピレン中において過塩素酸アニオンが挿入脱離する際の活性化エネルギーと比べて若干小さな値である。溶液中でイオンは周囲の溶媒との相互作用を持つ。一般的に非水溶媒はカチオンとの相互作用は強い一方、アニオンとの相互作用は小さい。

本研究においてもラマン分光測定によりアニオンー溶媒間の相互作用が小さいことを確認している。これに対しH2Oはカチオン・アニオン共に強く相互作用できる。従ってこれまでリチウムイオンを始めとするカチオンの相間移動で報告されている通り、脱溶媒和過程が活性化障壁の要因であるとすれば、水溶液中での活性化エネルギーは非水系と比べ大きくなるはずである。従って水溶液中でのアニオン移動は、脱溶媒和を活性化障壁としない反応であることが示唆された。これを詳しく検証するために、水溶液中で過塩素酸アニオンを挿入させた後の黒鉛電極をエックス線回折測定により調べた。その結果、黒鉛の相間距離は非水溶液で得られた黒鉛電極よりも大きな値を示した。これは水溶液中で過塩素酸アニオンは単独で黒鉛電極に入らず、相互作用しているH2O分子を伴った共挿入反応となることを示唆している。以上の結果より、アニオン挿入反応のにおいては、カチオンとは異なる理由で溶媒の選択が電気化学挙動に大きな影響をもたらすことを明らかとした。本研究計画に掲げた内容は(1)界面イオン移動の速度論的考察、(2)電極内拡散挙動の把握、(3)外部環境の変化によるアニオン移動への影響である。これまでに(1)に関してはアニオンのサイズ、溶媒の影響に着目して当初の計画を上回る成果を得ている。(2)に関しては28年度に着手し、これまで合剤電極を用いた測定法に取り組んできた。集電体の種類や合剤電極の組成・塗布方法など、測定のノウハウを手に入れた段階であるが、電気化学測定装置の故障により研究の遅れが生じている。(3)に関しても同様であり、研究期間を延長することで残課題の解決に取り組む。なお、故障中の装置は現在修理中であり、29年度中に計画したすべての課題の遂行は可能である。電池材料に用いられるアニオン種は比較的サイズが大きく、アニオン種では100%以上の膨張が報告されている。このように大きなアニオン種の挿入脱離では、活性化障壁はもはや電解液側になく、黒鉛側に存在することも考えられる。そこで本研究では同一電極を異なる加圧条件に設定可能とする電気化学セルを考案し、加圧環境の違いが電気化学挙動に及ぼす影響について詳細に調べた。一般的に電流値は電極活物質の面積に比例するため、その比較は困難であるが、本研究では全く同一セルで加圧環境を変化させることにより、電流値の比較を可能とした。高配向性熱分解黒鉛を用い、加圧環境下におけるN(CF3SO3)-アニオンの挿入脱離挙動をサイクリックボルタンメトリーにより調べたところ、高圧プレスした電極における電流値は加圧が小さな場合に比べ著しく減少した。インターカレーション反応は電極/電解液界面における電荷移動過程および電極内のイオン拡散に分けることができる。交流インピーダンス測定より得られた電荷移動抵抗は印加圧力と共に増大した。速度定数の前指数項が固定された本系での電荷移動抵抗の変化は活性化エネルギーに起因する。従って、加圧環境下におけるアニオン挿入脱離反応の活性化障壁は黒鉛電極にあり、アニオン挿入に伴う黒鉛層間の膨張がその要因であることが明らかとなった。
GLUT4およびHIF-1αを介した鼻呼吸障害に伴う不正咬合の新たな発現機序解明

口呼吸に伴う持続的低酸素状態が、『咀嚼筋収縮に関与するGlucose Transporter-4(GLUT4)の発現を低下し咀嚼筋の筋組成変化をもたらす』、ならびに『顎関節内の低酸素誘導因子(Hypoxia-Inducible Factor-1α: HIF-1α)の増加を誘発し、軟骨内骨化による下顎骨の成長を抑制する』、という2つの仮説を検証することを目的とし、実験を行ってきた。本年度は、9週齢ラット顎関節矢状断連続切片を作製し、トルイジンブルー染色による軟骨細胞層の厚径の計測後、TRAP染色による軟骨細胞層直下における破骨細胞数の計測に加え、軟骨細胞層における抗HIF-1α抗体・抗Osteoprotegerin(OPG)抗体・抗VEGF抗体・抗RANKL抗体を用いた免疫組織化学染色を行い、関心領域当たりの免疫陽性細胞数を計測した。実験群において破骨細胞数は増加し、各免疫陽性細胞数は、抗HIF-1α抗体は有意に増加、抗OPG抗体は有意に減少、抗VEGF抗体は有意に増加し、抗RANKL抗体は有意に増加した。その結果、RANKL/OPG比の値は有意に増加し、軟骨層直下における骨代謝は吸収亢進傾向となっていることが示唆された。また、各種咀嚼筋においては、腫瘍壊死因子-α(TNF-α)およびGLUT4の免疫組織化学染色とRT-qPCRを行って筋収縮能を解析した。5週齢および9週齢咬筋浅層、深層および側頭筋において、実験群のTNF-αmRNAとそのタンパク発現量は有意に増加し、GLUT4 mRNAとそのタンパク発現量は有意に減少した。すなわち、片側鼻閉に伴う鼻呼吸障害は、閉口筋の筋収縮能を低下させることが示唆された。当初の研究計画に沿って実験を行い、海外誌および国内英文誌にそれぞれ1編ずつ投稿した。査読者より、顎関節矢状断切片に対して、抗OPG抗体ならびに抗RANKL抗体を用いた免疫組織化学染色の必要性を指摘されたため、追加実験を行った。予期せぬデータの追加を行ったものの、概ね順調に当初の計画を実行してきている。ラット実験期間の途中週齢の咀嚼筋および下顎骨の組織学的、生化学的解析を進め、当初の実験計画を全て終了させる。また、撮影した下顎骨micro-CT画像を用いて、顎関節頭および下顎骨の3次元的計測についても検討していきたい。さらには、今後の本研究の発展のために、成長期の鼻閉からのリカバリーモデルの作製とその解析についても現在検討中である。口呼吸に伴う持続的低酸素状態が「咀嚼筋収縮に関与するGLUT4の発現を低下し、咀嚼筋の筋組成変化をもたらす」ならびに「顎関節内の低酸素誘導因子の増加を誘発し、軟骨内骨化による下顎骨の成長を抑制する」という2つの仮説を検証することを目的とし、実験モデルとして成長期ラット鼻閉モデルを作製し、H28年度は当初の計画に則り下顎骨の骨形態学的評価を主として実験を行った。離乳前の8日齢Wistar系雄性ラット(n=36)を用いて実験を行った。実験群(n=18)は10分間の低温冷凍麻酔の後、左側外鼻孔をはんだごてを用いて焼灼した。焼灼後、感染予防のために3%テトラサイクリンを同部に塗布した。対照群(n=18)に偽手術として同器具を同部に当てた。その後30分間、37°Cに保ち体温の回復後、母ラットの元に戻した。その後9週齢まで飼育し、両群屠殺した。実験期間中、1週間毎に実験小動物用パルスオキシメーターを用いて4%イソフルラン吸入麻酔下にて血中酸素飽和度を測定した。実験群では対照群と比較し、有意な血中酸素飽和度の低下が認められた。屠殺直後に、Soft-X線撮影し、顎顔面形態分析を、また、Micro-CT撮影により下顎頭軟骨下骨の3次元形態計測および骨量・骨密度等の骨微細構造の解析を行った。実験群では対照群と比較して、下顎枝高の有意な減少、下顎頭海綿骨骨密度の有意な減少が認められた。また、全身成長の指標として脛骨サイズの測定を行ったが、実験群と対照群に有意差は認められず、鼻呼吸障害の全身への影響は無視できるものと判断した。当初、H28年度に予定していた計画は概ね終了している。X線撮影後に即座に固定、脱灰された顎関節周囲組織は、パラフィン包埋し、現在切片作製、染色中である。口呼吸に伴う持続的低酸素状態が、『咀嚼筋収縮に関与するGlucose Transporter-4(GLUT4)の発現を低下し咀嚼筋の筋組成変化をもたらす』、ならびに『顎関節内の低酸素誘導因子(Hypoxia Induced Factor: HIF)の増加を誘発し、軟骨内骨化による下顎骨の成長を抑制する』、という2つの仮説を検証することを目的とし、実験を行ってきた。前年度に確立した実験モデルである成長期ラット鼻閉モデルを用い、当初の計画に則り頭部micro CTを撮影し、下顎頭の3次元的骨形態変化を観察した。また、側面頭部軟X線撮影により顎顔面骨格の骨形態計測を行い、比較検討した。これらを明らかにすることにより、成長期における鼻呼吸障害が顎顔面骨格にもたらす変化を確認し、下顎頭における骨密度等の変化を明らかにすることが出来た。

さらに咬筋浅層・深層および側頭筋を起始停止部にて剥離、摘出し、両群において筋湿重量を測定した。その後直ちに各筋の凍結切片を作成し、HE染色ならびにGLUT4、TNFα免疫組織化学染色、さらにはATPase染色を行った。各咀嚼筋の筋線維サイズのみならず筋組成変化、即ち速筋・遅筋の割合変化と筋収縮力の変化を明らかにすることにより、鼻呼吸障害がもたらす筋組織変化についても明らかにすることが出来た。以上の硬軟組織変化の関連性について考察することにより、成長期におけるBuccinator mechanismの崩壊がもたらす不正咬合の発現メカニズムの一端を明らかにすることが出来よう。H29年度当初に予定していた内容は、骨・軟骨および筋肉について、共に概ね終了している。口呼吸に伴う持続的低酸素状態が、『咀嚼筋収縮に関与するGlucose Transporter-4(GLUT4)の発現を低下し咀嚼筋の筋組成変化をもたらす』、ならびに『顎関節内の低酸素誘導因子(Hypoxia-Inducible Factor-1α: HIF-1α)の増加を誘発し、軟骨内骨化による下顎骨の成長を抑制する』、という2つの仮説を検証することを目的とし、実験を行ってきた。本年度は、9週齢ラット顎関節矢状断連続切片を作製し、トルイジンブルー染色による軟骨細胞層の厚径の計測後、TRAP染色による軟骨細胞層直下における破骨細胞数の計測に加え、軟骨細胞層における抗HIF-1α抗体・抗Osteoprotegerin(OPG)抗体・抗VEGF抗体・抗RANKL抗体を用いた免疫組織化学染色を行い、関心領域当たりの免疫陽性細胞数を計測した。実験群において破骨細胞数は増加し、各免疫陽性細胞数は、抗HIF-1α抗体は有意に増加、抗OPG抗体は有意に減少、抗VEGF抗体は有意に増加し、抗RANKL抗体は有意に増加した。その結果、RANKL/OPG比の値は有意に増加し、軟骨層直下における骨代謝は吸収亢進傾向となっていることが示唆された。また、各種咀嚼筋においては、腫瘍壊死因子-α(TNF-α)およびGLUT4の免疫組織化学染色とRT-qPCRを行って筋収縮能を解析した。5週齢および9週齢咬筋浅層、深層および側頭筋において、実験群のTNF-αmRNAとそのタンパク発現量は有意に増加し、GLUT4 mRNAとそのタンパク発現量は有意に減少した。すなわち、片側鼻閉に伴う鼻呼吸障害は、閉口筋の筋収縮能を低下させることが示唆された。当初の研究計画に沿って実験を行い、海外誌および国内英文誌にそれぞれ1編ずつ投稿した。査読者より、顎関節矢状断切片に対して、抗OPG抗体ならびに抗RANKL抗体を用いた免疫組織化学染色の必要性を指摘されたため、追加実験を行った。予期せぬデータの追加を行ったものの、概ね順調に当初の計画を実行してきている。今日まで、下顎骨形態計測や、Micro-CTを用いた骨微細構造の解析を行ってきたが、今後は、toluidine blue染色や各種免疫組織化学染色を行うことで、その詳細を明らかにしていく予定である。また、硬組織の解析が終了次第、咀嚼筋の筋組成変化について明らかにすべく、研究を進めていく予定である。今日までに実験モデルを確立し、骨・軟骨のみならず咀嚼筋についても実験を行い、概ね予定通りに結果を導いてきた。次年度は5,7週齢のラットにおいても同様の実験を追加する必要がある。また、下顎頭軟骨における組織染色の追加や咀嚼筋における生化学的実験の追加についても検討している。ラット実験期間の途中週齢の咀嚼筋および下顎骨の組織学的、生化学的解析を進め、当初の実験計画を全て終了させる。
神経活動の活性化とカルモデュリン依存性プロテインキナーゼのシナプス後肥厚への移行

本研究では神経伝達の中心的な部位であるシナプス後肥厚(PSD)の主要構成タンパク質であるCa^<2+>/カルモデュリン依存性プロテインキナーゼII(キナーゼII)が、シナプスの活性化にともなって、細胞質からPSDに移行するとともに、Ca^<2+>シグナルが持続すること、リン酸化され機能調節されるタンパク質のcDNAクローニングと構造決定することにより、神経活動による受容体刺激以降の細胞内情報伝達の仕組と調節の分子メカニズムを解明することを目的とし、以下の結果を得た。(1)PSD CaM kinase IIはプロテアーゼ処理することにより、自己リン酸化型の酵素から特異的に活性型のCaM kinase IIが遊離することを見い出した。(2)活性型のCaM kinaseIIを均一に精製し、細胞質の酵素と同じ触媒活性をもつことなどを示し、PSD CaM kinase IIの活性部位がPSD構造の中でマスクされているために活性が抑制されていることを明らかとなった。(3)細胞質のCaM kinase IIとPSDの相互作用を調べ、細胞質のCaM kinase IIが自己リン酸化された場合にPSDに移行し、PSDと複合体を形成することを明らかとなった。(4)1mgのPSDタンパクに最大約60μg CaM kinase IIが結合した。(5)PSDに移行したCaM kinase IIはCa^<2+>非依存性活性を有し、Ca^<2+>の存在しない条件でもPSDの多くのタンパクをリン酸化した。(6)PSDに移行したCaM kinase IIは脱リン酸化により細胞質へ戻ることから、細胞質のCaM kinase IIはリン酸化に依存して可逆的にPSDへ移行することが明らかとなった。