hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
マグマ性珪酸塩融体の物性,構造,破壊とマグマ過程

そのため,本年度は具体的研究目標として,(1)1気圧下におけるマグマ物性測定の充実,(2)高温高圧下における物性測定の開始,(3)1気圧下で作成したガラス試料の構造解析,(4)マグマ破壊のレオロジー測定,そして,(5)配置エントロピー理論など液体諸理論にもとづく解析の5課題を掲げた。これらの目標に対して、到達状況は以下のとおりである。昨年段階で購入し設置をおえた熱分析,各種電気炉,熱画像撮影装置などのキャリブレーションを全て完了し,今年度からは実際に測定を開始した.これまでに測定を行った融体システムは灰長石-曹長石系であり,その粘性率と密度を一気圧下,1550750°Cの温度範囲で測定した.また,高圧下では100kbまでの圧力条件下で火星マグマを想定した融体の粘性率測定も行った.これらのデータは液体諸理論にもとづき解析され,主として構造とのかかわりに関して考察が行われている.また,冷却にともなう融体破壊現象について,主として熱画像と粘性率を用いた考察が進められている.近年、アメリカやドイツなどの諸海外諸国では、マグマ性珪酸塩融体研究の進展が著しく、そればかりでなく実際のマグマ過程理解への応用、さらには爆発的噴火のダイナミックス理解への応用にも使われ始めている。それに対し国内では、一部で先端的な研究が進められているものの、概して低調である。そこで本研究では、多様な条件下でマグマ物性をシステマティックに測定し、融体構造を理解し、同時に地球上におけるマグマ発生、上昇、噴火などのマグマ過程を理解することを目的とした。そのため、初年度には物性測定用電気炉などの実験機器を整備し、次年度には測定開始、そして最終年度には測定データの生産と考察とを計画した。代表者の実験設備などが整備され、実際に測定が行われ始まるまでの期間、本研究の最終的な目標の一つであるマグマのレオロジー理解と火山噴火のダイナミックスを、理論、観測や調査などを通して明らかにすることも計画した。一方、分担者のもとでは、すでに整備されている実験機器を用いて、初期地球のマグマオーシャンの問題、マントル遷移帯における結晶化学の問題など、珪酸塩融体問題に関係の深いそれぞれの目標に向かって研究が進められた。代表者における実験機器の整備は移転など種々の理由によって遅れ気味になったが、最終的には珪酸塩融体の粘性率や密度の測定が開始され、そのデータの一部についてはレオロジカルな立場からの考察が行われるようになった。一方、噴火のダイナミックスに関しては、2000年3月末に北海道の有珠山で噴火活動が開始したため、観測や調査などを行うと同時に、レオロジカルなデータも併せそのダイナミックス解明に取り組んだ。それにより火山爆発エネルギー、爆発深度と火山噴火の地表現象とを結ぶスケーリング則の確立が行われ、個々の噴火のエネルギー量や深度が、世界で始めて求められるようになった。
「亡命知識人」の見た戦後ドイツとその視点に関する史的研究（１９４３年～５０年）

今年度はその10カ月間をドイツでの在外研究と同地での史料調査に充てた。その結果、以下の成果を得た。1)戦後ドイツ復興の系譜を、1933年以降のドイツ系亡命者という存在を媒介として、史学的に解明し得た。その際主たる手掛かりとしたのは、彼らの、ヴァイマールから亡命期に至る新聞メディアとの、及び戦後占領ドイツにおけるラジオ放送への関わりであった。2)戦後西側占領国のドイツ「再教育」政策の内実と多様性とを、政策レベルにおいて整理しなおすとともに、実践段階における当初計画との齟齬及び占領国間での相違について、史料面からアプローチすることに成功した。その際、其々の亡命者がたどった思想的遍歴や、亡命経験、連合国の占領政策への参加といった個人史的要素が前景へと出ることとなった。今後新聞史料や占領国側の関係文書を補うことで、より総合的な分析が可能となるに違いないと考えている。3)在外期間中のドイツ人研究者との知的交流を経て、サウンド・ヒストリーという新たな鉱脈を発見するとともに、日独比較史へと至る道筋を認めるに至った。両者は博士論文研究終了後、次の研究テーマへと取り掛かる上で、重要な土台となるとともに、同研究が萌芽し花開く上での豊かな土壌となろう。4)ドイツ及びヨーロッパの関連研究者たちと確たる信頼、協力関係を結ぶことに成功し、次の在独研究への足がかりを固めるに至った。この間複数の翻訳業務や学会コーディネート業務にも関わっている。5)在独日本人留学生の定着、学習補助という経験を通じ、国際交流という観点から研究、教育活動を捉え直すとともに、今後その経験とそこで得た見地とを活かす素地をつくった。これら成果は業績数の限定性という点で、短期的には着目されづらいものである。しかしながら、中長期的には、今後の研究における重要な土台を作り、今後の国際的な研究、教育活動の道筋をもたらす重要な成果であった。26年度が最終年度であるため、記入しない。私の今年度の研究の骨子は以下の2点にまとめられる。(1)フランツ・ノイマンを代表とするアメリカに亡命したドイツ系社会科学者、人文学者たちが戦時中に所属していたアメリカ情報機関OSS(Office of Strategic Services)の調査・分析部門(ResearchandAnalysisBrance、以下R&A)においておこなったドイツ分析は如何なるものであったのかを明らかにし、その意義を評価した。(2)戦後ドイツにおいて「再移民」(Remigranten、ないしは「帰還者」(Ruckkehrer)と称される、かつてドイツから亡命者し、戦後自発意思のもとドイツに帰国した人々が、戦後ドイツ復興にどのような関与をおこなったのか、またその関与にはどのような形態があったのかを明らかにし、それが戦後ドイツ社会における「他者」の包摂・排除過程と如何様な関係にあったのかを考察した上記2点に対して私は、以下の方法でアプローチをおこなった。(1)に関して:国立国会図書館にてOSS及びR&A関連史料の再蒐集をおこない、その分析をおこなった。また合わせて、戦中のアメリカにおけるドイツ分析の研究、ドイツ占領史、ファシズム・全体主義論の歴史、この3点を中心に先行研究を再度読み込みなおした。(2)に関して:まずドイツ語圏で出版された先行研究の読み込みに時間を割いた。具体的にはドイツ系亡命者に関するハンドブック及び、『亡命雑誌』(Exilforschung)に収められた数多くの学術論文、そしてドイツ人亡命史家であるマリタ・クラウス氏による著作物などである。合わせて、ドイツに戻ったかつての亡命者であるフリッツ・エーベルハルト(Fritz Eberhard 1896-1982)に焦点を絞り、彼が亡命時に構想していた戦後ドイツ像と、戦後ドイツにおける実際の営為との解明をすべくその下準備を行った。残念ながら、この2点の研究に関してその成果を平成24年度中に論文として発表することは出来なかった。しかしながら、ともに次年度の活字化に向けて重要な成果が上がった。活字化の目処は立っており、目下その作業に取り組んでいるところである。今年度は昨年度の後半に引き続いて、ドイツからの亡命政治家であり、戦後アメリカ軍占領下ドイツ・シュトゥットガルトへと「帰還」したブリッツ・エーバーハルトに焦点をあて、ドイツ系亡命者がみたナチス体制下ドイッと彼らの戦後ドイツ構想、そして戦後ドイツ復興への実際的関与の一端をそれぞれ明らかにした。具体的な研究内容は以下の2点にまとめられる。1)エーバーハルトの戦後ドイツ、ラジオ放送復興への関与に関しての研究1933年から1937年に至るまで社会主義者団体であった国際社会主義闘争同盟(ISK)の国内抵抗運動の指導者として活動し、その後イギリスへと亡命したエーバーハルトは、イギリス滞在中BBCの対独プロパガンダ放送に関与する。彼の亡命経験が、戦後ドイツへの帰還後如何に影響を与えたのか、その概要を明らかにすることで、戦後ドイツ復興においてかつての亡命者たちが果たした役割について考察した。亡命者たちの戦後ドイツ再建に対する貢献という側面は従来見過ごされてきた視点であり、ドイツ史における1945年を挟んだ連続性・非連続性の議論に、本研究は新たな視角を提示するものであった。2)30年代から40年代にかけての、エーバーハルトの思想に関する研究の準備作業彼が所属した国際社会主義闘争同盟に関する研究において従来強調されてきたのは、代表ヴィリー・アイヒラーの思想がもった重要性であり、戦後ゴーデスベルク綱領制定においてアイヒラーが果たした理念面での貢献であった。

本研究では、エーバーハルトに着目することで、戦後SPDが国民政党化してゆく理念的基盤がイギリス亡命中社会主義者らの間で広く共有されていった過程を明らかにしようとする。その準備作業として、国際社会主義闘争同盟が1920年代から1945年にかけて発行した定期刊行物を調査、蒐集した。一部デジタル化されて公開されているものもあるものの、多くは日本国内に現存せず、今後の日本ドイツ史及びドイツ系亡命者史研究の貴重な一次史料となるものである。今年度はその10カ月間をドイツでの在外研究と同地での史料調査に充てた。その結果、以下の成果を得た。1)戦後ドイツ復興の系譜を、1933年以降のドイツ系亡命者という存在を媒介として、史学的に解明し得た。その際主たる手掛かりとしたのは、彼らの、ヴァイマールから亡命期に至る新聞メディアとの、及び戦後占領ドイツにおけるラジオ放送への関わりであった。2)戦後西側占領国のドイツ「再教育」政策の内実と多様性とを、政策レベルにおいて整理しなおすとともに、実践段階における当初計画との齟齬及び占領国間での相違について、史料面からアプローチすることに成功した。その際、其々の亡命者がたどった思想的遍歴や、亡命経験、連合国の占領政策への参加といった個人史的要素が前景へと出ることとなった。今後新聞史料や占領国側の関係文書を補うことで、より総合的な分析が可能となるに違いないと考えている。3)在外期間中のドイツ人研究者との知的交流を経て、サウンド・ヒストリーという新たな鉱脈を発見するとともに、日独比較史へと至る道筋を認めるに至った。両者は博士論文研究終了後、次の研究テーマへと取り掛かる上で、重要な土台となるとともに、同研究が萌芽し花開く上での豊かな土壌となろう。4)ドイツ及びヨーロッパの関連研究者たちと確たる信頼、協力関係を結ぶことに成功し、次の在独研究への足がかりを固めるに至った。この間複数の翻訳業務や学会コーディネート業務にも関わっている。5)在独日本人留学生の定着、学習補助という経験を通じ、国際交流という観点から研究、教育活動を捉え直すとともに、今後その経験とそこで得た見地とを活かす素地をつくった。これら成果は業績数の限定性という点で、短期的には着目されづらいものである。しかしながら、中長期的には、今後の研究における重要な土台を作り、今後の国際的な研究、教育活動の道筋をもたらす重要な成果であった。26年度が最終年度であるため、記入しない。今年度行った研究がもつ意味として、研究全体を構成する個別研究対象を精査し、個々の研究の基礎資料を集めるというものがあった。この点に関して私は十分な成果を上げたといってよい。基礎資料の収集のみならず、個々の研究の学術的考察においても次年度以降に繋がる大きな成果があった。ただ、他方で、昨年度行った研究発表が学会報告1本のみということを勘案したとき、自己評価は穏当なものとならざるを得ない。今年度の成果は次年度中に発表される予定である。
数理手法を用いた分裂期染色体ダイナミクスの解明

分裂期染色体の形成はコンデンシン、トポイソメラーゼが重要な関連因子である。コンデンシンは、染色体にスーパーコイル・ループを形成する機能がある。また、コンデンシンどうしが引力相互作用することが示唆されている。トポイソメラーゼは染色体どうしのすり抜けを可能にする。申請者は、これらコンデンシンとトポイソメラーゼの機能を考慮した数理モデルを構築し、分裂期における染色体の形成と分離のダイナミクスを数理モデルとシミュレーションを用いて解析した。昨年度において、申請者はコンデンシンのループ形成と引力相互作用の2つの機能はともに分裂期染色体の形成や分離に重要であり、これらの機能が欠損すると染色体の形成や分離は失敗することを示した。これらの結果は、実験におけるコンデンシン部分欠損の表現型を定性的に再現する。染色体分離のダイナミクスを考える上で、コンデンシンと共にトポイソメラーゼの活性も考慮する必要がある。さらに、クロマチンの初期配置(絡まり度)は分離のダイナミクスに影響を与え得る。今年度は、コンデンシンの活性に加え、トポイソメラーゼの活性、クロマチン初期配置が染色体分離のダイナミクスに与える影響についてシミュレションを用いて解析した。トポイソメラーゼが全くない場合は染色体分離は起こらない。トポイソメラーゼの効果は、排除体積ビーズ間距離としてモデル化しシミュレーションした。シミュレーションの結果は実験結果と定性的に一致した。また、共同研究者の実験において、コンデンシン同士が凝集体を形成して染色体分離が起こらない表現型が示された。モデルにおいてコンデンシン間引力を強くすることで、これらの実験結果を説明することができた。実験で示唆されているコンデンシンの3機能(ループ形成、引力相互作用、モーター活性)を考慮した数理モデルを構築することが本年度の目標であった。ループ形成、引力相互作用についてはモデルを構築し、シミュレーションを行なっているが、モーター活性を取り入れたモデル構築に至っていない。その点で当初の研究計画よりも遅れている。しかし、来年度の研究計画に含まれていたクロマチンの初期配置(絡まり度)が染色体分離のダイアミクスに与える影響については、すでに解析しており当初の計画よりも進んでいる。以上により、当初の研究計画に対して、おおむね順調に進展していると言える。今年度同様、コンデンシンとトポイソメラーゼの活性の強さによる染色体分離ダイナミクスの影響についてシミュレーションによる解析を進めていく。また、当初の研究計画としてあった2種類のコンデンシンの活性の違いについて、実験グループと協力してシミュレーションを用いて研究していく。コンデンシンはループを作ることによってクロマチンを束ね染色体を凝縮させていると考えられるが、このコンデンシンによるトポロジカルな拘束はクロマチン自体の局所的な動態に影響を与えると考えられる。コンデンシンがクロマチンを束ねることによる局所的なクロマチン動態に与える影響についてもシミュレーションを用いて解析していく。本研究を進めていくうちに、染色体凝縮におけるKi-67の役割についての研究を新たにスタートさせた。Ki-67は染色体凝縮とともに染色体表面を覆うように染色体表層に局在する。このKi-67の染色体分離に与える影響についてモデリングとシミュレーションを用いて解析していく。

今年度同様、コンデンシンとトポイソメラーゼの活性の強さによる染色体分離ダイナミクスの影響についてシミュレーションによる解析を進めていく。また、当初の研究計画としてあった2種類のコンデンシンの活性の違いについて、実験グループと協力してシミュレーションを用いて研究していく。コンデンシンはループを作ることによってクロマチンを束ね染色体を凝縮させていると考えられるが、このコンデンシンによるトポロジカルな拘束はクロマチン自体の局所的な動態に影響を与えると考えられる。コンデンシンがクロマチンを束ねることによる局所的なクロマチン動態に与える影響についてもシミュレーションを用いて解析していく。本研究を進めていくうちに、染色体凝縮におけるKi-67の役割についての研究を新たにスタートさせた。Ki-67は染色体凝縮とともに染色体表面を覆うように染色体表層に局在する。このKi-67の染色体分離に与える影響についてモデリングとシミュレーションを用いて解析していく。
血中乳酸除去能の改善が持久力の向上に果たす役割に関する研究

本研究は、持久性トレーニングが無酸素性作業閾値を基準にした回復運動時の血中乳酸消失率を亢進するか,さらにperformanceの向上とどのような関係があるかを検討した.長距離選手に8週間の持久性トレーニングを実施した結果,最大酸素摂取量,乳酸性閾値,血中乳酸消失率の各生理的パラメーターにおいて無酸素的指標である乳酸の動態を表わす血中乳酸消失率の増加分が長距離走の競技成績を示す12分間走の距離の増加分と密接な関連があることが明らかになった.このことは,他の生理的パラメーターと比較し,乳酸を除去する能力が向上することがperformanceの改善に大きく貢献することが明らかになった.これを受けて,乳酸除去能が優れていることが,競技場面において良い成績を収めることができるかを明らかにするため,長距離走のレースペースをシュミレーションすることにより、長距離選手の乳酸除去能がperformanceに如何に貢献するかを検討した.長距離走の記録に差があるが,有酸素的な生理的パラメーターの能力に差のない長距離選手を対象に絶対速度によるレースペースをシュミレートしたトレッドミルを走行させた.走行時のペース低下に対応して乳酸をすばやく低下させることのできる選手ほど,ペースアップ後に乳酸の増加分を大きくすることができ,そのことが,高い速度で長く走行することを可能にする要因として考えられる.以上の実験結果から,スピード化が進む長距離走において,有酸素的能力だけではなく,無酸素的能力を代表する乳酸代謝の処理能力である血中乳酸除去能が持久性performanceを制限する重要な要因となることが明らかとなった.本研究は、持久性トレーニングが無酸素性作業閾値を基準にした回復運動時の血中乳酸消失率を亢進するか,さらにperformanceの向上とどのような関係があるかを検討した.長距離選手に8週間の持久性トレーニングを実施した結果,最大酸素摂取量,乳酸性閾値,血中乳酸消失率の各生理的パラメーターにおいて無酸素的指標である乳酸の動態を表わす血中乳酸消失率の増加分が長距離走の競技成績を示す12分間走の距離の増加分と密接な関連があることが明らかになった.このことは,他の生理的パラメーターと比較し,乳酸を除去する能力が向上することがperformanceの改善に大きく貢献することが明らかになった.これを受けて,乳酸除去能が優れていることが,競技場面において良い成績を収めることができるかを明らかにするため,長距離走のレースペースをシュミレーションすることにより、長距離選手の乳酸除去能がperformanceに如何に貢献するかを検討した.長距離走の記録に差があるが,有酸素的な生理的パラメーターの能力に差のない長距離選手を対象に絶対速度によるレースペースをシュミレートしたトレッドミルを走行させた.走行時のペース低下に対応して乳酸をすばやく低下させることのできる選手ほど,ペースアップ後に乳酸の増加分を大きくすることができ,そのことが,高い速度で長く走行することを可能にする要因として考えられる.以上の実験結果から,スピード化が進む長距離走において,有酸素的能力だけではなく,無酸素的能力を代表する乳酸代謝の処理能力である血中乳酸除去能が持久性performanceを制限する重要な要因となることが明らかとなった.持久性鍛練者は運動時の血中および筋中の乳酸除去に対して優れた能力を有すると考えられている。しかしながら、持久性トレーニングが持久性鍛練者の乳酸除去能をどのように高めるかは明かではない。本研究の目的は、持久性トレーニングが回復運動による血中乳酸消失に影響するか、そして乳酸消失がパフォーマンスと関連するかを検討することである。11人の長距離走者が自転車エルゴメーターを用いて最大酸素摂取量および乳酸性閾値を得るために最大漸増運動を実施した。さらに、トレーニングの前後に代謝水準にもとづいて固定された150%乳酸性閾値強度の主運動を3分間行ない、その後100%乳酸性閾値強度での回復運動を15分間行なった。血液サンプルは回復運動中1,2,3,4,5,7,10,15分目に採血された。血中乳酸消失率は回復運動時のピーク乳酸値以後の時間と乳酸値の対数回帰によって算出された。最大酸素摂取量および乳酸性閾値はトレーニング前後で有意に増加した。血中乳酸消失率はトレーニング前で-9.266mmol・1^<-1>・log(min)^<-1>からトレーニング後で-12.444mmol・1^<-1>・log(min)^<-1>へと有意に減少した(P<0.001).12分間走の距離はトレーニング前で3612mからトレーニング後で3744mへと有意に上昇した(P<0.001).トレーニング前後において血中乳酸消失率の変化分は12分間走の距離の変化分と有意に相関した(r=-0.895,P<0.001).我々は、持久性鍛練者においてパフォーマンスの改善は乳酸性閾値の変化より血中乳酸消失の変化と密接な関係にあることがわかった。さらに、我々は持久性鍛練者において乳酸消失の向上は持久性能力の重要な要因であると推察している。平成4年度のトレーニング実験において,持久性鍛練者のパフォーマンスの改善は乳酸閾値の変化より血中乳酸消失の変化とより密接な関係にあることがわかった。

これを実践の場に応用するために,長距離レースをシュミレーションし,血中乳酸除去能が長距離走の持久力に如何に貢献するかをperformanceの違う長距離選手を対象に比較検討した。最大走行テストにおいて,記録の高い長距離選手群および長距離選手群との間に、Vo_2max,Vo_2VT,%VTおよびVT速度は有意な差を生じなかった。12分間走の距離は両群の間に有意な差を生じた(P<0.05)絶対速度でのペース変化走行テストにおける血中乳酸は両群でペースダウンした7分目の最小値で5%水準で有意な差を生じた。ペース変化に伴う乳酸の変化は270mで走行時の乳酸の最高値から最小値を引いた低下分(DELTAdisappearance;DELTAD)および330mの再ペースアップから走行停止直後の乳酸値から最小値を引いた増加分(DELTAapperarance;DELTAA)において両群に有な差を生じた(P<0.01,P<0.05).また,330mの再ペースアップして走行できた時間(Exhaustive time;ET)はHGで有意に長かった(P<0.05).さらに,DELTADとDELTAAとの間およびDELTAAとETとの間に共に有意な相関関係が認められた(共にP<0.05).相対速度でのペース変化走行テストにおける乳酸変化はペースダウンした7分目において差は認められなかったが,DELTAAとETとの間に有意ではないが高い相関関係が認められた。これらのことより、高い走行スピードで一旦蓄積した血中乳酸濃度を走スピードの変化に伴って速やかに除去でき,低い乳酸値にすることができる能力が長距離走などの持久性運動の成績を向上するのに可能となると示唆された。
ストレスにより認知過程が変容するメカニズムの探求ー分界条床核の役割

前年度までに、サルにおいて、異なるストレス強度下における認知行動課題のパフォーマンスと自律神経反応の生体信号の変化の計測と解析を行なった。プロジェクトの3年目では、2頭のサルにおいて課題遂行中の大脳基底核回路の入力部である線条体細胞の発火を計測し、行動や自律神経反応との関連を解析した。現在、論文執筆中である。分界条床核BNSTについては2頭目の動物から引き続き記録中である。さらに、ドパミン拮抗薬による線条体の活動の操作により、線条体の活動と、異なる情動下での意思決定行動との因果関係を明らかにした。詳細:視覚刺激A,B.Cは恒久的に報酬(A)、罰(B,エアパフ)、音(C)にそれぞれ関連付けられ、3つのうち2つのペアつまりAB,BC,ACのうち一つ(理想的には、ABではA,BCではC,ACではA)を選択する。罰が選択肢に含まれていると(AB,BC)、不適切な選択行動(エアパフ選択)が起きやすいことはすでに示されているが、その際の反応時間が適切な選択試行(エアパフ回避)に比べて極端に短いことを明らかにした。この現象は罰が選択肢に含まれている(AB,BC)場合のみに起きる(つまり、ACでCを選ぶ際は反応時間は長くなる)。すなわち、ストレス下での衝動性の亢進のモデルであることが示された。さらに、線条体細胞の発火率が低下した場合にこの衝動的かつ不適切な行動が起きやすいという関連性、ドパミン拮抗剤(D1,D2)により反応時間が短く、不適切な選択をする衝動的な試行が著明に増加することから、線条体による、ストレス下での衝動性コントロールという因果関係も明らかにできた。最終年度はさらにヒトにおいても眼球運動課題の実験装置を確立し、研究分担者と協力して、同様の行動が認められるかを確認していく。本研究の目的は、情動特にストレスによる認知行動の変化、そしてその神経基盤を明らかにすることである。本年は神経生理学実験を2頭のサルにおいて行うことができた。課題遂行中の大脳基底核回路の入力部である線条体細胞の発火を計測し、行動や自律神経反応との関連を解析した。さらに、ドパミン拮抗薬による線条体の活動の操作により、線条体による、ストレス下での衝動性コントロールという因果関係も明らかにできた。現在、論文執筆中であり、順調に進展している。ただし、分界条床核の神経活動の記録についてはもう一頭の記録が必要である。また、ヒトの行動実験でもストレスによる行動変容が明らかになっており、さらなるデータの蓄積を続ける予定である。これまで、2頭のサルについて行動課題の開発、大脳基底核線条体の神経活動と行動との関連を明らかにしてきた。論文作成のためにさらに以下の二つのデータの補充が必要である。まず、情動による自律神経反応や神経活動の変化が視覚刺激そのものによるのではなくそれに誘導された情動によるものであることを明らかにするために、異なる視覚刺激を用いた記録を追加する。さらに、瞳孔径と顔皮膚温度で個体差がわずかにあるため、解析を詳細に進め、情動の客観的指標として確立する。さらに、分界条床核の神経活動の記録と、線条体および分界条床核の薬理的操作による行動変化の解析は一頭の動物のみ行っており、もう一頭の実験の追加を行う。ドパミンD1,D2拮抗薬の効果がわずかに異なるため、実験数と動物数を増加させる必要がある。以上の実験をもとに、異なる情動下での意思決定行動の変容のメカニズムについて論文作成を進めていきたい。我々の認知機能はストレスによって影響を受けるが、同じ刺激に対して感じるストレスの強度や認知機能への影響は個体差・状況による差も大きく、「ストレスの感度の調節」のメカニズムが存在するはずである。本研究はストレスにより認知行動がどのように変化するか、そしてその神経基盤を明らかにするのが目的であり、特にBNST(分界条床核)の機能を明らかにすることを目標とする。この仮説を検証するため、本プロジェクトの1年目は、サルにおいて、異なるストレス強度下における高次認知行動課題の成績と自律神経反応等の生体信号の変化を計測するシステムを立ち上げた。行動課題では、中心点を注視すると、左右に異なる視覚刺激が呈示され、そのうち一つを眼球運動によって選択する。「行動結果により罰の可能性がある課題」では、視覚刺激A,B.Cは恒久的に報酬(A)、罰(B,エアパフ)、音(C)にそれぞれ関連付けられ、3つのうち2つのペアつまりAB,BC,ACのうち一つ(理想は、ABではA,BCではC,ACではA)を選択する。「罰の条件刺激呈示の課題」では、別のセッションで視覚刺激A,B.Cは恒久的に報酬(A)、罰(B,高濃度食塩水)、音(C)にそれぞれ関連付ける。一方、選択課題ではD、E二つの視覚刺激のうち一つ(例えばD)を選ぶと報酬が与えられるが、Eでは与えられない。しばらくすると正解は変化し、Eで報酬が与えられDでは与えられない。従って、現在の正解の視覚刺激を記憶し続けるとともに、正解が変化したらフレキシブルに選択をスイッチする必要がある。この際、試行間に、あらかじめ情動的な意味を持ったA、B、Cを呈示した。サルにおける行動課題パフフォーマンスと自律神経反応を記録し、これらの行動課題でストレスによる認知行動課題の変化が観察された。

また、この動物モデルにおいて、BNSTからの単一神経細胞記録も開始した。1.H27年度の目標は、認知課題のパーフォーマンスと自律神経反応が、異なるストレスレベルによって変化する動物モデルを確立することであった。「行動結果により罰の可能性がある課題」では、2匹のサルで、罰が選択肢に含まれていると(AB,BC)、選択行動にエラーが起きやすいことが示された。瞳孔径・心拍数も、罰が含まれているペアで増大した。これらのことから、「罰の可能性」つまりストレスがあると、認知行動の障害や交感神経優位の変化が引き起こされることが明らかになった。「罰の条件刺激呈示の課題」では、行動結果により罰の可能性がある課題」とは異なり、罰そのものは行動の結果により引き起こされないが、情動を引き起こす視覚刺激が呈示される。一匹のサルで調べたところ、罰の条件刺激を呈示すると、エラーが増大したが、報酬の条件刺激呈示でも同様の結果が得られた。したがって、罰と報酬は程度の差はあるものの、どちらもストレスとなり、短期記憶・並列処理・柔軟性に影響があることが示された。また、罰関連視覚刺激呈示により、注視のエラーの増加すなわち反応抑制の障害が示唆された。以上のようにストレスによる行動や自律神経反応の変化を明らかにでき、目標はおおむね達成された。しかし、行動課題を構築する上で困難な点も明らかになった。特に、条件刺激によるストレス負荷の影響は、実験のセッションによって効果が一定でなかった。これは、被験者の行動が結果に直接結びつかないからであるのと、罰刺激として用いている高濃度食塩水が嫌悪刺激としては弱いからという可能性がある。2.BNSTからの神経活動の記録は、1頭のサルから20ニューロンほどの記録を行い、課題関連細胞の分布場所が明らかになってきた。以上、行動実験、神経生理実験両者が順調に進展している。概要:本研究の目的は、情動特にストレスによる認知行動の変化、そしてその神経基盤を明らかにすることである。プロジェクトの2年目では、サルにおいて、異なるストレス強度下における高次認知行動課題のパーフォーマンスと自律神経反応等の生体信号の変化の計測と解析を行ない、ほぼ完了した。神経生理実験では、大脳基底核線条体細胞の発火を解析し、行動や自律神経反応との関連を解析し、現在、論文執筆中である。分界条床核BNSTについては2頭目の動物から記録中である。詳細:行動課題においては、中心点を注視すると、左右に異なる視覚刺激が呈示されるので、正しい方を眼球運動によって選択する。視覚刺激A,B.Cは恒久的に報酬(A)、罰(B,エアパフ)、音(C)にそれぞれ関連付けられ、3つのうち2つのペアつまりAB,BC,ACのうち一つ(理想的には、ABではA,BCではC,ACではA)を選択する。この課題をサルが行っている際、心拍数、顔面温度、瞳孔径、瞬目を測定した。解析結果:2匹において、罰が選択肢に含まれていると(AB,BC)、選択行動にエラーが起きやすいことはすでに示されているが、詳細な解析により、この傾向は課題開始時に強く、次第にエラーが減少することが分かった。また、瞳孔径・心拍数も、罰が含まれているペアで増大したが、これも課題を継続すると次第に変化する。このように、「罰の可能性」
全身性エリテマトーデスにおけるマイクロパーティクルの生理学的意義の解明

本研究では、全身性エリテマトーデスの発症・進行に細胞外小胞であるマイクロパーティクルが寄与するのかを明らかにする。マイクロパーティクルは死細胞から放出される微粒子であるが、これが生体内に異常に蓄積することによって病態が引き起こされるのではないかと仮説を立て、特にマイクロパーティクルと免疫系との相互作用について評価する。具体的には、病態時にみられるマイクロパーティクルがどのような性質を持ち、どのような免疫細胞に取り込まれ、最終的に免疫系を活性化を引き起こすのか、そのメカニズムを明らかにする。
植物の無機栄養とフェノ-ル代謝

1.トウモロコシの品種の中からアントシアニンを集積しやすいイエロ-デント(YD)と、集積しにくいゴ-ルデンクロスバンダム(GC)を選び、窒素、リン、マンガンを欠徐させて水耕した。全フェノ-ルおよびフラバノ-ル含有率は、YD、GCともにリン欠乏もしくは窒素欠乏によって増加し、窒素欠乏による増加はリン欠乏による増加よりも著しかった。アントシアニンについては、特にYDのリン欠乏で著しく増加したが、GCでは変化はわずかであった。ロイコアントシアニンは、YD、GCともにリン欠乏で増加した。フェノ-ル酸は対照区に比べて、YD、GCともに窒素欠乏またはリン欠乏によって増加し、とくにYDのカフェ-酸が著しく増加した。YDをリン、マンガン同時欠除処理すると、アントシアニンがほとんど集積しなかった。2.マンガン欠乏の赤レタスと赤キャベツは着色せず、PAL活性、全フェノ-ルおよびアントシアニン含有率が低下し、特にアントシアニン生成は著しく抑制された。3.インゲン葉のPAL活性はマンガン過剰処理によって増加した。カフェ-酸とp-クマル酸の変化が著しく、培養液中マンガン濃度の増加にともなって初期段階ではこれらの増加傾向がみられたが、マンガンが著しく過剰になると,特にカフェ-酸が著しく減少した。植物体内でフェノ-ル代謝が正常に行なわれるためにはマンガンが必要であるが過剰になるとカフェ-酸などが酸化重合されて褐色物質を生成するものと推測された。4.イネの細胞壁のリグニンカ-ボハイドレ-ト画分を抽出、ゲルろ過クロマトグラフィ-によって精製し、カルシウムとケイ酸の存在形態について検討した。カルシウム同様にケイ酸もイネの細胞壁中でリグニンカ-ボハイドレ-トと結合して存在している可能性が推測された。1.トウモロコシの品種の中からアントシアニンを集積しやすいイエローデント(YD)とアントシアニンを集積しにくいゴールデンクロスバンタム(GC)を選び、窒素、リンおよびマンガンを欠除させ、フェノール性化合物の含有率に及ぼす影響について検討した。全フェノールおよびフラバノール含有率は、YD、GCともにリン欠除もしくは窒素欠除によって増加し、窒素欠除による増加はリン欠除による増加よりも著しかった。アントシアニンは、特にYDのリン欠除区において著しく増加したが、GCでは処理による変化はわずかであった。ロイコアントシアニンについては、YD、GCともにリン欠除区で含有率が高かった。マンガン欠除処理したYDでは、アントシアニン生成が抑えられ、リンを欠除させてもアントシアニンがほとんど集積しなかった。2.アントシアニンを集積しやすい植物として赤レタスと赤キャベツを用いてマンガン欠除水耕栽培を行い、フェノール代謝に及ぼすマンガンの影響について検討した。マンガン欠乏の赤レタスと赤キャベツは着色せず、葉身のPAL活性、全フェノールおよびアントシアニン含有率が低下し、特にアントシアニン生成は、マンガン欠除によって著しく抑制された。マンガン欠除区の赤キャベツ上位葉のクロロフィル含有率は対照区とほとんど変わらなかったにもかかわらず、アントシアニン含有率は著しく低下した。3.落花生の結実圏へのカルシウム供給量を変化させて培養し、莢のカルシウムとフェノール性化合物の結合様式について、欠乏植物と対照の健全な植物との比較を行った。正常な莢ではフェノール炭水化物複合体のカルシウムとカフェー酸のモル比は1であったが、カルシウム欠乏の莢では0.7に減少した。これは主に複合体中のカフェー酸の増加によるものであった。

1.トウモロコシの品種の中からアントシアニンを集積しやすいイエロ-デント(YD)とアントシアニンを集積しにくいゴ-ルデンクロスバンタム(GC)を選び、窒素およびリンを欠除させ、葉のpークマル酸、カフェ-酸、フェルラ酸およびシナピン酸の4種のフェノ-ル酸の含有率に及ぼす影響について検討した。トウモロコシ葉にはシナピン酸は僅かにしか存在せず、メタノ-ル可溶部ではpークマル酸、カフェ-酸、フェルラ酸の3種のフェノ-ル酸の含有率は対照区に比べて、YD、GCともに窒素欠除もしくはリン欠除によって増加し、とくにYDのカフェ-酸の増加が著しかった。2.培養液のマンガン濃度を変えてインゲンを培養し、葉について、フェノ-ル代謝の律速酵素であるフェニルアラニンアンモニアリア-ゼ(PAL)活性およびフェノ-ル酸の分析を行なった。PAL活性はマンガン過剰処理によって増加した。メタノ-ル可溶部ではカフェ-酸とpークマル酸の変化が著しく、培養液のマンガン増加にともなって初期段階ではこれらのが増加傾向がみられたが、マンガンが著しく過剰になると、とくにカフェ-酸が著しく減少した。植物体内でフェノ-ル代謝が正常に行なわれるためにはマンガンが必要であるが過剰になるとカフェ-酸などが酸化重合され褐色物質を生成するものと推測された。3.カルシウムおよびケイ酸と細胞壁のフェノ-ル性化合物であるリグニンとの関係を明らかにするために、イネの細胞壁のリグニンカ-ボハイドレ-ト画分を抽出、ゲルろ過クロマトグラフィ-によって精製し、カルシウムとケイ酸の存在形態について検討した。カルシウム同様にケイ酸もイネの細胞壁中でリグニンカ-ボハイドレ-トと結合して存在している可能性が推測された。
血管新生抑制物質を用いた転移性悪性腫瘍の治療に関する研究

1)血管新生抑制物質を間欠反復注入療法の新たな薬剤として注目し、VX2腫瘍による家兎転移性肝腫瘍モデルを用いて、他の投与経路および他の抗癌剤との比較をまじえ、主に抗腫瘍効果について実験的検討をおこない、その有用性および役割について検討した。2)各群に発生した腫瘍数は統計学的に有意差はみられなかったが、平均腫瘍径はA群、B群、C群、D群、E群の順に小さくなり、D群・E群間を除いて有意差を認めた。病理学的にもTNP-470投与群でB/V比が低い傾向にあり、TNP-470とAdriamycin併用群で最も低かった。したがって、TNP-470投与により血管新生が抑制されこの結果腫瘍増殖が抑制されることが考えられた。また全身投与より間欠反復門脈内投与の方が抗腫瘍効果において優れており、抗癌剤との併用によりさらに効果的な治療の可能性が考えられた。3)今回の実験系ではTNP-470投与による明らかな副作用の発現はみられなかった。4)転移性肝腫瘍に対するリザーバー治療において、TNP-470は有用な薬剤と考えられ、さらなる検討により臨床応用への期待がもたれる。悪性腫瘍の治療における血管新生抑制物質の有用性の検討および至適投与法の検討を目的として、方法は家兎VX2腫瘍の肝転移モデルを用いて実験的研究を行なった。平成7年度の検討内容は各種血管新生抑制物質(フマギリン誘導物質、angiostatic steroidなど)及び各種投与法(皮下注入、門脈内間欠反復注入注入、静注群)の治療効果を比較検討である。1)転移性肝腫瘍モデルに対するフマギリン誘導物質(武田製薬から供与)の各種投与法による治療効果の比較検討結果家兎VX2腫瘍を用いた肝転移モデル8羽を用いた実験的検討ではAGI門注群が皮下注群、静注群に比し、有意に肝転移巣の数が少なく、さらに転移巣の径が小さいことが明らかとなった。また、抗癌剤(ADM)併用を門注、静脈注入群に加えると転移巣の数、径ともにAGI単独群に比し少なく、抗癌剤併用の効果を認めた。このことは、従来の細胞毒性を主体とする抗癌作用とは作用機序の異なる物質として、併用できる点でも注目されると考えられる。2)評価平成7年度は当初予定し実験計画より多くの実験を施行することができた。特に抗癌剤の併用結果を認めたことは大きな収穫であった。さらに平成8年度に向かって、計画を充実させたい。平成8年度の検討内容は各種血管新生抑制物質(フマギリン誘導物質、angiostatic steroidなど)を各種投与法(皮下注入、門脈内間欠反復注入注入、静注群)にて治療し、血管新生の程度を病理学的に判定し、その血管新生抑制効果を検討する。また、副作用についても検討した。1)転移性肝腫瘍モデルに対するフマギリン誘導物質の血管新生抑制効果の病理学的検討結果:実際の腫瘍内血管の量、すなわち血管新生の程度を表すと考えられるB/V比は、3mmの腫瘍については、A群(コントロール)は1.51%、B群(AGI皮下注群)は0.64%、C群(AGI門注群)は0.82%、D群(ADM門注群)は1.76%、E群(AGI+ADM門注群)は0.57%で、6mmの腫瘍については、A群は1.25%、B群は1.07%、C群は0.87%、D群は1.55%、E群は0.66%であった。N/T比については明らかな傾向は指摘し得なかったが、血管腔はB/T比、B/V比ともにTNP-470使用群で減少する傾向にあった。特にB/V比はE群ではA群の1/2以下であった。またB群とC群との間には明らかな差は認められなかった。2)副作用の検討腫瘍移植2日後の初回薬剤投与日と、2週間後の血液学的変化および体重の変化を平均値でFig7に示す。

赤血球、白血球ともにTNP-470投与群で明らかな減少はみられなかった。白血球はE群でやや低下しているがD群でも同様の傾向があることよりAdriamycinによる変化の可能性がある。ただいずれも正常範囲上限近くであり問題となるものではないと考えられる。またs-GOT、s-GPTについても、肝内の腫瘍増殖による変化が加わっている条件下でもあり、TNP投与による明らかな上昇は指摘し得ないものと考えられる。体重についても同様で、いずれの群でも増加し、その変化に明らかな差はみられなかった。3)評価平成8年度は当初予定した実験計画より詳細な病理的検討、血液学的検討を施工することができた。特に病理学的に新生血管面積の縮小認めたことは大きな収穫である。
空間時系列のスペクトル構造の統計的推測に関する研究

スペクトル密度に関する検定問題の典型は1.(正規)定常過程のスペクトルが与えられたスペクトルに等しいか?、すなわちH1:f:f02.2つ以上の互いに独立な(正規)定常過程のスペクトルがすべて与えられたスペクトルに等しいか?、すなわちHa:f1=...=fa=f03.2つ以上の互いに独立な(正規)定常過程のスペクトルがすべて等しいか?、すなわちHa':f1=...=faの3つである。昨年度は検定1と検定2におけるBahadur漸近有効性を念頭に、カーネルスペクトル推定量に対してsup-norm型統計量の大偏差確率評価を与えた。しかしカーネル推定の宿命としてカーネル推定量を規定するバンド幅を標本数に依存させて決めねばならないから、結果として標本サイズより緩いオーダーでの収束になっていたのである。本年度はそれを回避することをまず試み、そして検定3のいわゆる同等性検定も追加した。そのため統計量はピリオドグラムを積分した経験スペクトルから構成することにした。a標本問題は1標本問題の拡張として議論できる場合が多かった。特にsup-norm型統計量の大偏差確率を扱う際、昨年度カーネル法で議論したアプローチを改良して、任意の半区間[x,∞[,あるいは]x,∞[で大偏差確率の上限評価を行った。また検定3では共通のスペクトルが未知であるため検定問題は複合帰無仮説であって、ある種のコンパクト性を仮定した下で関数空間上のsupとして大偏差確率のrateを計算する問題へ帰着され、それらをテクニカルレポートとしてまとめた。Kuiper型統計量がKS型統計量よりもBahadur漸近効率の意味で劣ることはないという結果はiidでの古典的な先行研究から予想される。しかし本研究のスペクトル検定において統計量の分布が帰無仮説のスペクトルに依存する点は特徴的である。このような事実はiidの多くの先行研究には見られず、したがって今回追加した検定3への取り組みはさらに改良する余地があろう。また今年度の研究から、昨年度の成果であるカーネルスペクトル推定量の大偏差確率評価も制限された半区間だけでなく任意の半区間へも拡張される見込みがあることから再検討をはじめた。スペクトル密度に関する検定問題は複数存在する。例えば、下記のような問題に対してL1-norm、L2-norm、sup-normを使いノンパラメトリックカーネルスペクトル推定量を基礎とした検定統計量が提案された。i.(正規)定常過程のスペクトルが与えられたスペクトルに等しいか?H:f=f0 ii.2つの(正規)定常過程のスペクトルの同等性検定H:f1=f2 iii.a個の(正規)定常過程のスペクトルの同等性検定H:f1=f2...=fa古典的には漸近分布を求め、あるものは漸近正規性から計算される局所対立仮説の下での検出力を比較可能であった。このような問題は空間時系列設定へも拡張可能であると期待されることから、今年度は主として通常の時系列解析では研究例の少ない大偏差定理に基づく漸近理論を上記3つの検定問題へ応用することに取り組んだ。ノンパラメトリックカーネルスペクトル推定量がToeplitz行列型の2次形式になることから、本研究者の「2次形式統計量に関する大偏差定理」に関する研究成果へ帰着でき、2001年の夏、(I)(ii)の問題でsup-norm型検定統計量に関してテクニカルレポートへまとめた。2002年1月2月の再検討の際に、ここで扱うToeplitz行列は標本サイズに依存する関数から構成されているため従来の枠には入らない、との認識から昨年夏の結果を見直すとともに、(iii)の検定問題への拡張にも成功した。大偏差確率評価の数学基礎ができたことに伴い、いわゆるBahadur型漸近効率の話題がスペクトル検定問題に対し着手できるのだが、今年度考察したカーネル推定に基づく検定統計量では収束比が標本サイズの逆数ではなく、カーネル推定の宿命としてバンド幅にも依存する。なお、標本サイズの逆数を収束比とする(i)(ii)(iii)の検定統計量があれば望ましいとの知見からある別の検定統計量でも大偏差確率評価を試みた。

Kuiper型統計量がKS型統計量よりもBahadur漸近効率の意味で劣ることはないという結果はiidでの古典的な先行研究から予想される。しかし本研究のスペクトル検定において統計量の分布が帰無仮説のスペクトルに依存する点は特徴的である。このような事実はiidの多くの先行研究には見られず、したがって今回追加した検定3への取り組みはさらに改良する余地があろう。また今年度の研究から、昨年度の成果であるカーネルスペクトル推定量の大偏差確率評価も制限された半区間だけでなく任意の半区間へも拡張される見込みがあることから再検討をはじめた。
ファネル気体モデルによる細胞内混み合い環境下でのタンパク質複合体形成

タンパク質のファネル描像では、エネルギー構造が折れたたみに適するように進化的に設計されていると考える。それを踏まえ、本課題ではタンパク質をファネル的なエネルギー構造を持つ粒子として扱う「ファネル気体モデル」の構築を目的に掲げた。まず、細胞内混雑条件下での天然変性タンパク質を調べるため、粒子に構造エントロピーと大きさを持たせた格子気体モデルを構築した。この際、混雑分子の排除体積効果のみを考えると、それが構造エントロピーに繰り込めることを明らかにした。このモデルをαシヌクレインの繊維形成に適用し、以下の結果を得た。(1)繊維形成はαシヌクレインと混み合い分子いずれの濃度を上げても促進される(2)αシヌクレイン4量体の形成度合いは混雑の程度に依存する。(2)は4量体が存在するかどうかが実験的に決着していない理由を分子混雑によって説明するものである。次に、一般の折れたたむタンパク質を扱うために、ファネル気体モデルの理論的整備を行った。結果として、タンパク質の体積を変数とする自由エネルギーが与えられれば、分子混雑の効果は自由エネルギーへの補正として厳密に求められることがわかった。そこで、この有効自由エネルギーの考えをふたつのモデルタンパク質に適用し、混雑分子の濃度が上がるにつれて変性状態のうちで体積が大きな構造の自由エネルギーが上がり、実効的に天然構造が安定化されることを明らかにした。これは分子混雑がタンパク質折れたたみに与える影響の最も簡単な表現である。さらに、ファネル構造の進化的な安定性を考えるために、ランダムネットワーク上でのランダムエネルギーモデルを構築した。最終年度は特にこの計算を進め、アミノ酸の変異に対して安定なファネル構造はごく少数であることを示唆する結果を得た。これはタンパク質の天然構造の種類がタンパク質そのものの種類に対して圧倒的に少ない理由を説明している。天然変性タンパク質であるαシヌクレインはパーキンソン病の関連タンパク質として知られており、αシヌクレインで作られたアミロイド繊維はパーキンソン病の病態のひとつであるレビー小体の構成要素となっている。いっぽう、αシヌクレインが生理条件下で安定な4量体を作る可能性が実験的に指摘され、アミロイド繊維形成を阻害する可能性があるとして注目されているが、現時点では4量体の存在自体が決着していない問題となっている。我々はこのαシヌクレインの繊維形成メカニズムを明らかにするために、ファネル気体モデルを構築した。このモデルではαシヌクレイン粒子は複数の内部状態を持つ。単体では天然変性を反映した大きな粒子であり、特定の構造を取らないことを反映して余分の内部エントロピーを持つ。それがアミロイドを形成しうるβヘアピン状態と4量体を形成しうるαヘリックス状態に状態変化できる。我々は二次元格子上にαシヌクレイン粒子と「分子混み合い」を表現するための詰め物粒子を多数置いて、その熱平衡状態を調べた。明らかになったのは以下のことである。(1)詰め物粒子の効果はαシヌクレイン粒子の内部エントロピーに繰り込むことができ、詰め物分子を露に考慮したモデルと詰め物分子を消去してその分だけ有効内部エントロピーを低くしたモデルとは数学的に等価である(2)αシヌクレインの繊維形成はαシヌクレインと混み合い分子いずれの濃度を上げても促進される(3)4量体が観測されるかどうかは混み合いの程度によって変わる。この研究結果は既に論文としてまとめ、Journal of Chemical Physicsに掲載された。αシヌクレインのファネル気体モデル構築が予定よりも速く進み、適当なモデル化のもとでは混み合い分子の効果がαシヌクレインの有効エントロピーに完全に繰り込めることが示されたのは予想外の成果であった。また、実験でまだ決着していない4量体の存在について、4量体が観察される実験と観察されない実験では分子混み合いの効果が違っている可能性を示唆できたのも大きな成果である。特に後者は、抽象的に思えるファネル気体モデルで現実の実験結果を議論できることを示した重要なものと言える。さらに、結果を論文としてまとめ、掲載決定に至ったのは当初計画以上の進展である。白井・菊池のファネル気体モデルでは、内部状態が変性状態のときのみエントロピーの寄与があるという仮定を置いてモデルを簡単化したが、今年度はそれを拡張し、さまざまな内部状態がエネルギーとエントロピーの両方の寄与をもつ一般的な自由エネルギーランドスケープを格子気体の枠組みで扱えるよう、ファネル気体モデルの新たな定式化を行った。以前と同様にタンパク質分子を正準集合で、また「混み合い分子」を大正準集合で扱うことにより、混み合い分子の効果として排除体積効果のみを考える限り、混み合い分子とタンパク質とを含む系の大分配関数は混み合い分子を含まない系の分配関数と厳密に等価であることが示された。この時、混み合い分子の効果は各内部状態の自由エネルギーを「有効自由エネルギー」と置き換えることで完全に取り込める。この有効自由エネルギーは元の自由エネルギーに内部状態の体積と混み合い分子の濃度とで決まる自由エネルギーを加えた簡単なものである。ファネル気体モデルに対して導出された有効自由エネルギーの公式が一般のタンパク質のモデルでも近似的に成り立つものとみなすと、タンパク質の折れたたみ問題に適用できる。つまり、混み合い分子がないときのタンパク質の自由エネルギーランドスケープが求められていれば、分子混雑効果を取り入れた時の自由エネルギーランドスケープは上の公式から求められる。一般に分子混雑はタンパク質の折れたたみを促進すると考えられているが、それを自由エネルギーランドスケーブの変化として理解できるわけである。

今年度は簡単のために格子・郷モデルを用いて四つのタンパク質の自由エネルギーランドスケープを計算し、有効自由エネルギーの公式を適用した。その結果、分子混雑の影響で変性状態の中でも体積が大きな構造が不安定かすることによって、天然構造が安定化することが示された。今年度はファネル気体モデルの一般的な定式化に成功した。これにより、今後、タンパク質と混み合い分子が多数共存する系でのタンパク質折れたたみや構造形成などを計算機シミュレーションで研究する際、混み合い分子をあらわに取り入れなくても有効自由エネルギーとして分子混雑効果を考慮できることになり、計算の見通しが非常によくなる。タンパク質集合体を格子気体として扱うモデルは過去にもたくさんあるが、タンパク質の内部状態にファネル的な自由エネルギーランドスケープを与えたモデルも分子混雑効果を厳密に取り入れたモデルも過去になく、新しい成果である。また、その結果を応用して、タンパク質折れたたみに対する分子混雑効果を具体的に求めることができた。もちろん近似の適用限界はあるが、これまでにない見通しのよい結果である。これらはいずれも当初の研究計画では予想していなかった成果であり、その点では充分な成果が挙げられたと考えているが、成果発表が学会発表に留まり論文発表にまで至らなかったことから、進捗状況の評価は(2)とした。今年度の研究成果は以下の3点である。(1)ファネル気体モデルの理論的整備を進めた。タンパク質の体積を変数とする自由エネルギーランドスケープが与えられれば、分配関数に含まれる分子混雑の効果は解析的に計算できてしまい、自由エネルギーランドスケープへの補正の形に厳密にまとめられる。補正項は各状態の体積に比例しており、比例係数は混雑分子の化学ポテンシャルで決まる。これにより、混雑分子を含む系は混雑分子を含まない系に形式的に書き直すことができることがわかり、見通しよく計算機シミュレーションを行うことができる。(2)上記の「有効自由エネルギーランドスケーブ」の考え方をモデルタンパク質に応用した。具体的にはアップダウン・ベータバレルと4ヘリックス・バンドル構造を取るふたつの格子タンパク質モデルを対象とし、MSOE法によって混雑分子がない場合の自由エネルギーランドスケーブを求めた。これに上記の体積依存補正を加えることにより、混雑分子存在下での「有効自由エネルギーランドスケーブ」を求めた。結果として、混雑分子の濃度が上がるにつれて変性状態のうちで体積が大きな構造の自由エネルギーが上がり、実効的に天然構造が安定化されることがわかった。我々はこの結果を分子混雑がタンパク質折れたたみに与える影響の最も簡単な表現であると考えている。(3)ファネル気体モデルの基礎となるタンパク質のファネル理論に関して、ランダムネットワーク上でのランダムエネルギーモデルを構築し、多様なファネル構造を実現する天然構造の特徴を議論した。自由エネルギーランドスケープに対する混雑分子の効果を解析的に表現し、ファネル気体モデルの理論を整備できたことは当初予定を超えた成果である。