hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
螢光ラベルによる血液多相流の顕微鏡可視化分析

流れの可視化法は、流れ現象の全貌の把握に威力を発揮し、定量的解析にも利用できる有力な手段であるが、可視化する方法は、具体的問題に応じて適切な手段を工夫する必要がある。本研究課題は血液の多相流現象を定量的に解析できる可視化法を確立し、これを色々な生体臓器の血流計測問題に応用することを目的とした。我々は血液の流れの可視化手段として、螢光ラベルトレ-サ法を用いる可視化法を開発し、新しい螢光ビデオ顕微鏡システムを開発完成した。このシステムでは、少量混入した螢光ラベルしたラテックス微粒子や赤血球は極めてよく識別でき、その運動ががビデオ画面上に鮮明な動的映像として捉えられる。ビデオ画面にある二つの窓を設定し、各々の窓の平均輝度をビデオデンシトメ-タ-で測定し、両者の輝度変化より、微粒子や赤血球の速度を計測する事ができる上、空間(管断面など)の輝度変化から血球の密度分布が評価できる。螢光ラベルしたトレ-サ(微粒子や赤血球)の良好な識別性により、通常の場合に比べて、より大きな範囲で粒子速度が計測できる点は特筆に値する。この螢光顕微鏡ビデオ可視化解析法に基いて、In Vitroの流れ実験として、傾斜管内の血液二層流、摘出血管内の流れを研究し、ビデオモニタ-上でトレ-サ-粒子を追跡する事により、流線や速度分布などを詳細に調べた。さらに、ラットの脳動脈分岐近傍や猫の脳皮質の微小血管ネットワ-クを流れる血液の流れを、生体内で可視化を行ない、赤血球や血漿の分離した流れ、血流低下時の赤血球凝集流などの多相流的現象を計測解析した。本研究の目的は、「流れの可視化」を生体まで拡張。発展させ、血液の赤血球と血漿成分の多相的流れを、定量的に解析できる可視化法を確立することである。今年(初年)度は、血流の可視化観察の為の螢光生体顕微鏡一高感度ビデオ(SIT)システムを試作し,このシステムに於いて、赤血球は螢光色素(FITC)でラベルし、血漿成分は螢光ラベルしたラテックス微粒子を少量混入することにより、流れを可視化する新しい方法を研究した。特に、1)ガラス微細管内の血液サスペンションの流れ、2)ラット脳底動脈内の血流、を中心に螢光顕微鏡可視化法を検討した。高感度ビデオカメラを用いることにより,ビデオモニタ-上に、赤血球(螢光色素ラベル)とラテックス微粒子(螢光ラベル)の運動が鮮明な映像として動的に捉えることができた。これらの像をビデオカセットに記録し,これを基に赤血球および血漿成分の流れ挙動を分析し、(赤血球を含まない)血漿の流れ,脳底動脈内の(2次流を含む)興味ある流れパタンなどが見出された。上のデ-タを基に、可視化法の高品度化、および流れの三次元構造の再構築をさらに進める予定である。

このシステムでは、少量混入した螢光ラベルしたラテックス微粒子や赤血球は極めてよく識別でき、その運動ががビデオ画面上に鮮明な動的映像として捉えられる。ビデオ画面にある二つの窓を設定し、各々の窓の平均輝度をビデオデンシ-トメ-タ-で測定し、両者の輝度変化より、微粒子や赤血球の速度を計測する事ができる上、空間(管断面など)の輝度変化から血球の密度分布が評価できる。螢光ラベルしたトレ-サ(微粒子や赤血球)の良好な識別性により、通常の場合に比べて、より大きな範囲で粒子速度が計測できる点は特筆に値する。この螢光顕微鏡ビデオ可視化解析法に基いて、In Vitroの流れ実験として、傾斜管内の血液二層流、摘出血管内の流れを研究し、ビデオモニタ-上でトレ-サ粒子を追跡する事により、流線や速度分布などを詳細に調べた。さらに、ラットの脳動脈分岐近傍や猫の脳皮質の微小血管ネットワ-クを流れる血液の流れを、生体内で可視化を行ない、赤血球や血漿の分離した流れ、血流低下時の赤血球凝集流などの多相流的現象を計測解析した。
心臓虚血再潅流時の一酸化窒素およびフリーラジカルの変動と心機能におよぼす影響

Workingheartpreparationによる虚血再潅流モデルとしては、前負荷30分間停止の完全虚血モデルを作成した。循環動態は、心拍数、左室圧、左室dp/dt、心拍出量、冠動脈流量は、再潅流30分までにそれぞれ虚血前値の80%、72%、73%、68%、73%に回復し、以後60分まで漸減した。潅流液中酸素遊離基は、PBNをスピントラップ剤とすると再潅流5分に若干の増加を示した後、徐々に増加し、60分以降にピークを迎えた。MNPをスピントラップ剤とすると再潅流5分後に若干の増加を示すが、有意差を認めず、潅流液中のNO発生の主体は白血球によるものてであると考えられた。各トラップ剤によるラジカルの同定が今後の課題である。ポーラログラフィー法による心筋内NO測定では、虚血中にNOが低下し、再潅流直後に一過性の著明な増加を示したが、以後は虚血前値に復し一定していた。再潅流直後の著明な増加は有意ながら、微量発生のNO測定に比し、心臓自体による拍動等のアーチファクトが大きく、本法による測定にはさらに検討を要すると考えられた。結論として心臓虚血再潅流により潅流液中酸素遊離基は2相性に再潅流直後および60分以降にピークを迎えるが、NOは潅流液中では、再潅流直後に一過性に増加する傾向を示し、また心筋内NOは同様に再潅流直後に一過性に増加を示した。本結果においては、NOが再潅流時に影響するとすれば、量的には白血球由来の関与が大きいと考えられる。さらに、NO関連の薬剤による影響および全血を用いた潅流モデルを使用した検討を必要とする。
細菌細胞膜の物質透過における長鎖多価不飽和脂肪酸の役割

細菌がもつエイコサペンタエノエン酸(EPA)の物質の膜透過に与える影響について、EPA合成酵素遺伝子を導入した大腸菌の異物排出タンパク質TolC,AcrA,AcrB遺伝子欠損株の抗生物質感受性の違いによって調べた。これらのタンパク質遺伝子のいずれかを欠く細胞ではEPAをもつことで抗生物質耐性が上昇し、二次元電気泳動の結果からEPAの存在はAcrAタンパク質の含量を増大させることが示された。EPAは異物排出系の機能促進に関わると考えられる。筆者らにより、EPAやDNAなどの長鎖多価不飽和脂肪酸を膜リン脂質成分としてもつ細菌細胞膜が、過酸化水素などの膜拡散性物質に対して、その透過を妨げる効果(膜遮蔽効果)を持つことは既に明らかにされている。膜遮蔽効果はリン脂質を構成するEPAと対になる脂肪酸による構造的(物理的)効果であると予想されるが、本研究ではEPAめ存在が、細胞膜の異物排出系の機能に直接かかわっているか否かを、大腸菌の主要な外膜ポアタンパク質である0mpCと0mpF及び、異物排出系タンパク質複合体(TolC-AcrAB)の機能に焦点を当てて検討した。大腸菌K-12株(親株)と、Yale大学から分譲されたompC,ompF,tolC,acrA,acrB欠損株にEPA合成酵素遺伝子(pfa遺伝子)を導入したEPA合成変異株と、同じ株にpfa遺伝子の一部を欠くコンストラクトを導入したEPA非合成株を作成し、増殖阻害物質として膜拡散性のtert-butylhydropxideに加えて、アンピシリン、カナマイシン、ストレプトマイシンなどの抗生物質に対する最小阻害濃度を、マイクロタイタープレートを用いて測定した。その結果、親株、ompC,ompF導入株はEPA合成株がEPA非合成株に比べて高い最小阻害濃度を示した。この結果は、上記の物質の外膜透過の際、EPAは0mpC,0mpFタンパク質の機能に関与していないことを示唆している。一方、TolC-AcrABを構成するタンパク質のいずれか一つを欠く変異株においては、tert-butylhydropxideの場合はEPAを持つ株の方が高い最小阻害濃度を示したが、全ての抗生物質については、EPAの有無にかかわらず、最小阻害濃度は同じ値を示した。この結果は、これらの形質転換株において、膜拡散性物質の場合は、EPAの膜遮蔽効果が機能している(膜排出系タンパク質はかかわらない)が、抗生物質の排出に関してはTolC-AcrABが関与しており、これらのタンパク質機能の一部または全部にEPAが関わっていることを示している。TolC-AcrABは一体として機能するので、現時点ではEPAが影響を与えるタンパク質は特定できていない。今後二次元電気泳動法などによりタンパク質の特定が必要である。申請者らにより、EPAやDHAなどの長鎖多価不飽和脂肪酸を膜リン脂質成分としてもつ細菌細胞膜が、過酸化水素などの膜拡散性物質に対して、その透過を妨げる効果(膜遮蔽効果)を持つことは既に明らかにされており、その効果はプロトノフォアなどの疎水性物質に対しては逆の効果、即ち膜は疎水物資を可溶化(許溶化)する。これは膜リン脂質を構成するEPAの膜脂質全体(バルク脂質)に及ぼす効果、構造的(物理的)効果、とみなすことができるが、一方でEPAの個別の膜タンパク質に効果も明らかになりつつある。本研究では、EPAの存在が、細胞膜の異物排出系の機能に直接かかわっているか否かを、大腸菌の主要な外膜ポアタンパク質であるOmpCとOmpF及び、異物排出系タンパク質複合体(TolC-AcrAB)の機能に焦点を当てて検討している。大腸菌K-12株(親株)と、Yale大学から分譲されたompC, ompF, tolC, acrA, acrBなどの欠損株にEPA合成酵素遺伝子(pfa遺伝子)を導入したEPA合成変異株(EPA+株という)と、同じ株にpfa遺伝子の一部を欠くコンストラクトを導入したEPA非合成株(EPA-株という)を作成し、増殖阻害物質として膜拡散性の過酸化水素、tert-butylhydropxideに加えて、アンピシリン、カナマイシン、ストレプトマイシン、ナリジリク酸などの抗生物質に対する最小阻害濃度を、マイクロタイタープレートを用いて測定したところ、親株、ompC, ompF導入株はEPA+株がEPA-に比べて高い最小阻害濃度を示した。一方、AcrA-AcrB-TolC複合体タンパク質のどれか1つの遺伝子を欠く大腸菌変異体を用い、抗生物質耐性に対するEPAの効果を検証すると、いずれの変異株においてもEPAの効果は認められなかった。加えて、様々な遺伝子に対して転写因子として作用するMarAタンパク質を欠損するEPA+株の転写阻害剤であるナリジリク酸に対する最小阻害濃度はEPA-株よりも高く、その濃度は形質転換体のEPA含量が増大するほど高いことが分かった。以上の結果は、上記の物質の外膜透過の際、EPAはOmpC, OmpFタンパク質の機能に関与していないこと、AcrA-AcrB-TolC排出系と遺伝子の発現に.EPAが関与していることが考えられる。

DH5αEPA+とDH5αEPA-のタンパク質を電気泳動により解析し、EPAの存在が特定のタンパク質量(蓄積量)に影響を与えるかどうか検討したが、2次元電気泳動によって、タンパク質泳動プロファイルに違いがあることが確認された。特にDH5αEPA+とDH5αEPA-間で発現が異なったのは、等電点約7.5、分子量約40000の疎水性タンパク質であった。このタンパク質は、等電点と分子量からAcrAであると推定している。AcrAはAcrBとTolCを繋ぐ役割を果たすと考えられていたが、近年では細胞内膜と細胞外膜を引き付け、複合体形成の補強をしていると考えられる。そのため、DH5αEPA+がDH5αEPA-よりも高い抗生物質耐性を示したのは、AcrAタンパク質が、EPAが存在することで強く発現し、細胞内膜と細胞外膜を引き付け、排出タンパク質であるAcrBとTolCの複合体形成をより強く補強し、活性を増大させた結果である可能性が示唆される。当該年度では、細菌のEPA合成におけるチオエステラーゼ(TE)活性の関与について検討した。EPA合成遺伝子pfaA-EのみからなるベクターpEPAΔ1,3,4,9を導入した大腸菌はEPAを合成する。この結果は、EPA合成ではに1)ホストである大腸菌のTEがEPA合成に関与している2) Pfa上に未同定のTE活性ドメインが存在する、ことを示唆する。しかし、TE欠損大腸菌をホストにし、pfaA-pfaEからなるEPA合成遺伝子群クローン化されているベクターを導入してもEPAが合成されることから、ホストのTEはEPA合成に関与していないと考えられる。また、EPA合成細菌由来のTE遺伝子ホモログをpEPAΔ1,3,4,9とともに大腸菌に導入したところ、EPAの含量は減少したが、形質転換細胞あたりの脂肪酸含有量は増加した。これは、TEホモログが大腸菌のEPA以外の脂肪酸合成系と反応したためであり、pfa遺伝子外部に存在するTEはEPA合成に関与しないと考えられる。EPA合成菌であるP. profundum SS9のPfaCタンパク質上にはデヒドラターゼドメインが存在する。このDHドメインをコードするDNA断片を、pEPAΔ1,3,4,9とともに大腸菌に導入したところ、EPA合成が停止した。これの結果は、DHドメインをPfaから独立させたため、合成途上のEPAが切り出され、EPA合成が進まなかったためと考えられる。即ち、Pfa上のDHドメインがEPA合成におけるTE活性を担っていると予想される。ほぼ予定通りである。24年度が最終年度であるため、記入しない。AcrAタンパク質と思われるターゲットタンパク質のN-末アミノ酸がブロックされているために現時点ではシーケンスができていないが、今後はペプチドマッピングとシーケンスの組み合わせて確定、同定する。さらに、acrA遺伝子の高発現株を作成し、この株にEPA合成酵素遺伝子を導入し、EPAの選択的効果を検証する。
腹部大動脈瘤の形成におけるマスト細胞の関与

ヒト腹部大動脈瘤の病態解明と内科的治療法の開発基盤を目的とした。本研究は腹部大動脈壁外膜側に分布する「マスト細胞」が瘤径に相応して増加することに着目した。マスト細胞欠損ラットを用いて動脈瘤モデルの作成を試みたところ、ワイルドタイプに比べて瘤形成が生じにくいことを見出した。一方、ワイルドタイプのラットに動脈瘤モデル作成しマスト細胞の膜安定化剤を投与したところ瘤形成が生じにくかった。マスト細胞とマクロファージを共培養するとマクロファージ由来のMMP-9が著増し、マスト細胞膜安定化剤の前処置によりMMP-9産生が抑制された。以上から、マスト細胞がマクロファージと協調しながら腹部大動脈瘤形成に関与し、同細胞の活性化を抑制することで腹部大動脈瘤の進展を抑制できる可能性が示唆された。ヒト腹部大動脈瘤の外膜側に即時型アレルギーに関与するとされる「マスト細胞」が瘤径に相応して増加した。また腹部大動脈瘤壁には対照の腹部大動脈壁に比し、「脱顆粒したマスト細胞」が数多く観察され、マスト細胞の分化や成熟に関わるstemcell factorやそのリガンドであるc-kitのリン酸化が亢進していた。一方、外膜に分布するCD68陽性マクロファージ数に著変は見られなかった。マスト細胞の腹部大動脈瘤形成に関わる役割を明らかにするために、マスト細胞が欠損したラットを用いて血管外膜を塩化カルシウムで傷害したところ、14日間の観察中、ワイルドタイプのラットに比べて瘤形成が生じにくいことを見出した。これらの瘤形成は動脈外膜側へのマスト細胞の集簇や活性化、Tリンパ球の外膜への浸潤、マトリックスメタロプロテアーゼ(MMP)-9活性や新生血管数の減少と関連していた。また、マスト細胞の膜安定化剤をワイルドタイプのラットに投与して血管外膜を塩化カルシウムで傷害しても瘤形成の生じにくいことが判明した。一方、動物モデルでもマクロファージ数は有意に変化しなかった。MMP-9の主産生源はマクロファージであったため、マスト細胞はマクロファージからのMMP-9産生を促している可能性が示唆された。そこで、マスト細胞とマクロファージを共培養すると、マクロファージ由来のMMP-9が著増することが明らかとなった。さらにマスト細胞膜安定化剤の前処置によりマクロファージからのMMP-9産生が抑制された。これらの研究より、血管外膜に分布するマスト細胞がマクロファージと協調しながら腹部大動脈瘤形成に関与しており、同細胞の外膜への集簇や活性化を抑制することで腹部大動脈瘤の進展を抑制できる可能性が示唆された。アドレノメデュリン(AM)は生体内で広範囲に分布しており、血管壁(内皮細胞、平滑筋細胞、外膜線維芽細胞)はおもな産生源である。大動脈瘤壁におけるAM免疫活性は残存した中膜の平滑筋細胞や外膜側の小血管や線維芽細胞に弱く認めた。一方、AAA切片の詳細な観察中、AM-免疫活性がマスト細胞にもあることが判明した。さらに腹部大動脈瘤壁では瘤径に相応してマスト細胞数が増加することを見出した。マスト細胞は「即時型アレルギー」に関与するとされるが、近年、他の免疫担当細胞などと協調して腫瘍の増生、血管新生、組織リモデリング等、生体内で幅広く活躍している可能性が示唆される。そこでマスト細胞株human mast cell leukemialine-1(HMC-1)を用いて腹部大動脈瘤形成におけるマスト細胞由来AMの機能を解析した。HMC-1細胞にはpreproAM mRNAが発現しており、同細胞からは時間依存性にAMが培養液中に分泌され、細胞内にはほぼ一定してAMが含有されていた。さらにHMC-1細胞とヒト腹部大動脈瘤から単離した線維芽細胞を共培養するとコラーゲン産生が著増した。これらに合成AMを投与するとコラーゲン産生は減少したが、培養液中へ抗AMモノクローナル抗体を加えて内因性AMの作用を阻害したところコラーゲン産生はさらに亢進した。すなわち、動脈瘤外膜においてマスト細胞から産生された側が、線維化を抑制する方向で病態の形成に関与している可能性が示唆された。今後、AM遺伝子が欠失したマウスを用いて動脈瘤モデルの作成を試みて、内因性AMの動脈瘤進展への関与を明らかにする予定である。腹部大動脈瘤は動脈硬化を基盤として60歳以上の高齢者に発症する。これまでの研究より大動脈の外膜の炎症機転が動脈瘤の形成機転に関与する可能性が示唆される。本年度の研究では、動脈硬化モデルマウスを使用し、経時的に大動脈を病理組織学的に評価することにより、動脈硬化発症・進展機転における外膜の役割について検討した。

アポリポプロテインE遺伝子を欠損されたマウス(Apo E KO)雄マウスを通常食で飼い、16、32、52週齢で大動脈を摘出し、大動脈弓部、下行大動脈、腹部大動脈に分割し病理組織学的に評価した。加齢とともに大動脈弓部と腹部大動脈では血管内膜側にプラーク形成を認めた。一方、下行大動脈ではプラーク形成は乏しかった。また、加齢ととも血管壁内のエラスチン含量は低下する傾向がみられ、特に52週齢Apo E KOマウスの腹部大動脈壁で著しかった。さらに血管外膜側における炎症細胞数を特異的抗体で染色後に評価した。いずれの部位も加齢とともにマクロファージ、T-リンパ球、マスト細胞ともに増加する傾向が観察されたが、腹部大動脈外膜におけるマクロファージ、T-リンパ球の浸潤が著しかった。これらの浸潤の程度はプラーク面積と正の相関関係にあり、一方、エラスチン含量とは負の相関だった。各部位血管壁における炎症性サイトカイン・ケモカインをエライザ法で測定したところ、インターロイキン-6は加齢ともに増加したが、インターロイキン-10は減少、特に腹部大動脈で減少が顕著だった。一方、白血球やリンパ球の動員に関与するとされるケモカインの一種であるRANTESは腹部大動脈で増加し、その多くは外膜の炎症細胞由来だった。以上から、Apo E KOマウス大動脈の動脈硬化の発症・進展は年齢依存的に、さらに場所によって異なった様相を呈しており、特に腹部大動脈外膜の炎症は血管リモデリングに関与している可能性が示唆された。
近視眼及び巨視的消散特性の調和に基づく大規模非線形ダイナミクス設計基礎論

現代社会が直面する動的システムデザインにおける諸課題は、人工画一的アプローチが適用・転用可能なスケールを超えており、複雑な相互作用に相対することが必要である。そこで、システム全体を集中一括して捉えるのではなく、近視眼的な振る舞いと巨視的な振る舞いを非線形に調和させることで、各技術の効果的な融合により、大規模ダイナミクスの効率的な解析設計を可能にする新しい理論枠組みを構築した現代社会が直面する動的システムデザインにおける諸課題は、人工画一的アプローチが適用・転用可能なスケールを超えており、複雑な相互作用に相対することが必要である。そこで、システム全体を集中一括して捉えるのではなく、近視眼的な振る舞いと巨視的な振る舞いを非線形に調和させることで、各技術の効果的な融合により、大規模ダイナミクスの効率的な解析設計を可能にする新しい理論枠組みを構築した近視眼及び巨視的消散性を(1)合成する安定基礎論、(2)融和する設計基礎論、の構築を目標に置いて、研究推進のために三つの取り組みを予定通り行った。初年度である平成22年度は、(1)と(2)を区別せずに共通の土台のとなる部品を一つずつ考案した。その結果、非線形ダイナミクスの解析をミクロからマクロへ組み立てていく方向と、マクロからミクロへ追究する二方向について理論的な第一段階の十分な成果を得た。時間遅れの組み立て・分解への影響、非対称性についても研究をすすめ、来年度以降につながる方向性を予定以上に得ることに成功した。(1)と(2)の効率的発展のために実モデルから学ぶ工夫として計画した八生命システムダイナミクスを考察した結果、通信ネットワーク、グリッドコンピューティング、スマートグリッド関連技術にも共通に現れる仕組みを見出し、そこに近視眼及び巨視的消散性の合成を持ち込む一つの形式にたどりついた。もう一つの工夫であるC.海外研究者による協力として、非線形ダイナミクスの制御設計法と生命モデル安定論において世界的活躍中のDr.F.Mazenc(仏)とDr.B.Ruefferを招聘した。前者とはダイナミクスを左右する中立型むだ時間ついて集中討論を行い、中立型むだ時間の消散性への組み込み方法と、ミクロからマクロへの合成の基本枠組みを見出した。後者とはダイナミクスのネットワーク構造と計算法について集中討論し新着想を得た。その成果速報として国際学会で発表する3論文を執筆中である。三つ目の工夫B.小型車輪型移動体実験については、予算不足から大幅縮小した計画に従って、研究テーマの基本アイディアの簡単な実演を目指し、学生の協力を得て超低価格の小型車輪型ロボットを2台制御する環境を整えた。初期段階の成果を国内と国際会議で発表し、国際学術誌へ投稿した。近視眼及び巨視的消散性を(1)合成する安定基礎論、(2)融和する設計基礎論、の構築のための研究を、年度初めの計画通り進めた。(1)と(2)の共通の土台として昨年度に得た基礎成果を発展させ、(1)と(2)に区別化した。(1)では、大規模ダイナミカルネットワークの位相構造を限定せず、位相構造(空間相互の質)および非線形構造(各空間上の質)とそれらの強度(量)を融合し、ネットワークの安定性(ロバスト性を含む広義な意味)の的確な評価を可能にする数理的枠組を整備することに世界で初めて成功した。誰も解決を予想していなかった成果であり、世界の第一人者達に注目された。本課題において確信を持って本研究代表者が独自に提案した着想をブレークスルーへ導いた鍵は、非線形変換を通した和型リアプノフ構成法の確立である。開発した新数理手法は、大規模非線形ダイナミクス安定論の今後の発展に広く貢献していくであろう。ネットワーク位相構造に時間的広がりを埋め込むことにも成功したことは、本課題計画を超える成果である。(2)についても、(1)の基盤の上に新しい設計論を展開すれば、複数の大きな未解決設計問題を統一的に解決できることが具体的に見えてきた。手始めとして、伝達や内部に時間遅れのある結合システムを、アクチュエータの特性変化や制限に対して強くするロバスト化コントローラの設計法を整備した。このロバスト化は世界で初めてであり、さらには、人工と自然システムの両方でよく活用される不連続性をもつダイナミクスをも包含させる枠組みを明らかにしたことは、(2)の計画を超える進展となった。これらはすべて、(A)生命等の大規模複雑なバランスダイナミクスを参考にした基礎論の的確な方向付け、(C)海外研究者による協力、という二つの工夫を本年度も十分に活かして活動した結果である。以上の成果の主要な国際・国内会議・研究会での発表、および昨年度の成果の雑誌発表活動も行った。本課題研究の主プロダクトである(1)近視眼及び巨視的消散性を合成する安定基礎論、(2)近視眼及び巨視的消散性を融和する設計基礎論、を「大規模さから生まれる複雑さに相対する数理枠組み」としてまとめ上げ、本課題申請時の予定を上回る成果を得た。(1)では特に「近視眼的消散性と巨視的消散性の融和可能条件のベクトル表現とスカラ表現の解析」に取り組み、各表現への帰着可能性は表面的には近視眼的な消散性の集約形式に依存するが、ベクトル表現に異なる代数演算を持ちこむことで、近視眼的消散性の集約形式に依らずベクトル表現とスカラ表現の両方に成功した。これにより実用性の高い数値計算法への新しい道筋を与えた。

開発した数理枠組みは非線形ダイナミクスを対象とした汎用理論であるが、上記の観察は歴史の長い線形大規模システムにおける未解決課題にも解答を与えた。(2)に関しては、昨年度までのネットワーク構造制約を取り去ることに成功し、スケーラビリティを確保したネットワークダイナミクス設計を本格的に可能にした。さらに、無駄時間と不連続性を許容するロバスト設計法の開発にも成功した。(A)実ダイナミクスとの連携も予定通り進め、グリッドコンピューティングおよび大規模(電力)グリッドにおける巨大数の電気自動車の充電アルゴリズムの提案に成功し、その知見を新たな無駄時間ネットワーク基礎論の開発につなげることが出来た。予算不足により本課題による国外研究者の日本への短期招聘は不可能となったが、メール等の機器による情報交換、国外学会出張を活用した集中的な打ち合わせ・討論、別資金による訪問機会の活用によって(C)国外研究者による協力を効率的に得ること成功し、複数の研究発表などの具体的な成果につながった。以上の研究成果を国内外の学会・集会で発表し、主要な成果を論文誌へ投稿した。昨年度までに投稿した論文の改訂も行った。(1)(1)近視眼及び巨視的消散性を合成する安定基礎論と(2)融和する設計基礎論の両方において、年度始めの計画を超える成果を得た(9,13参照)。これは、遂行上の工夫の(C)海外研究者による協力によって得た新着想を具体的に活用することに成功した結果である。実際のダイナミクスを参考にして的確に基礎論研究を方向付けていく工夫(A)については、当初は生命システムを主に想定していたが、スマートグリッドにも同等のバランスダイナミクスを見出すことができたことは大きな成果であり、本課題の主プロダクトである基礎論(1)(2)開発の成功に大いに役立った。24年度が最終年度であるため、記入しない。本課題の主プロダクトである基礎論(1)(2)の開発を効率的に進めるために、課題申請時には(A)(B)(C)の三つの工夫をあげた。その内、(B)小型車輪型移動体を用いた実験については、課題採択時にそれに必要な予算額以上が削られたたため、初年度および今年度の当初計画の通り、(A)と(C)の二つを動力軸として、主プロダクトである(1)(2)の達成を目指し、現在までに予想を超える成果を得ている。最終年度も(A)と(C)の二つを効果的に連係させて基礎論(1)(2)を最終段階まで仕上げる。並行して他のわずかな予算を使い簡易な小型車両ロボットの無線化まで進めており、今後も他予算で可能な範囲で、本科研費成果の基本アイディアを紹介する簡易な実験環境を整備したいと考える(本科研費課題の直接的な成果でない)。
バウハウスにおけるカンディンスキーの芸術および芸術思想の認知論的分析

鑑賞者における「認知」の問題から、対話相手の反応を想定しながら進んでいく話者間のコミュニケーションという視点からの作品解釈の可能性の模索へと、本年はさらに歩みを進めた。抽象化の途上、鑑賞者の反応が作品生成の一プロセスとして想定されていたことは、カンディンスキーの残したテキストからもうかがい知れる。研究は、抽象化が進んでいく過程での主題の重心の変化を、コミュニケーションにおける言語モデルになぞらえて分析していくという方向に進んだ。本年は「カンディンスキーの色彩理論とその実践」という論文を執筆した。モチーフなり図形なりが構成されて作品が編まれる場合、モチーフや図形は単語レヴェルのもので、構成がそれらをつかさどる文法ということになるが、このモデルでは色彩が抜け落ちてしまう。色彩もまた、それぞれに意味を帯びた作品構成要素だという発想は、彼の最初期の芸術理論にも表れており、バウハウスでは教授の実際に即して洗練されていく。本論文は色彩理論の変化・発展と、教授や実作における応用をミュンヘン時代とバウハウス時代を対比させつつ追ったものである。課題を究明するための方法において、その芸術をまずは狭義での記号論的視野から分析するところからはじめたが、最終的には色彩までもを含んだ広義の言語モデルへと進むことができた。このようにして得られた「抽象」の意味の変遷と深化のプロセスの分析が、もう少し適用範囲を広げて同時代の他の芸術家にも適用しうるのかどうかという点は今後の課題であろう。私自身はパウル・クレーやヨハネス・イッテンの作品・芸術思想・教育論との比較対比を行い、より広範な「抽象絵画」の概念を提起したいと考えている。今年度はスイス美術史研究所などを調査した。この調査は、今回の論文や研究課題全般に寄与するとともに、次の研究へつないでいく萌芽的な発想と見通しを与えてくれた。当該テーマの予備的考察として、今後の分析の方向性とアプローチの基本的枠組みをとりまとめた。バウハウス・アルヒーフに残されたカンディンスキー・クラスの生徒の作品を見ると、色彩の用法から角度に至るまで、相当程度限定された意味作用を徹底して身につけさせようと意図していたことがわかる。この点についてはすでにPoling, ClarkV.が一次資料をまとめているが、アルヒーフの資料を再調査し、バウハウスでの講義の内容なども考慮しつつ、その真意についての更なる考察を続けたい。今年度の研究から明らかになった分析の枠組みの概略は、以下のようなものである。意味作用の担い手として、構成と色彩の二点から考察する。二次元平面上の構成は眼に対して一気に与えられるが、抽象作品における空間性は統一的な消失点を持たないため、鑑賞者が作品の構造を空間性のうちに再構成する認知作用までをも視野に入れると、作品は時間の概念を含むことがわかる。それは言語の線状性とは同一ではないが、共通性もある。一方、カンディンスキーは色彩を角度と結びつけ、心理学的な効果に基づきその意味合いを規定している。これも言語の意味伝達作用と同一ではないが、共通性を持つ。カンディンスキーの芸術思想の核心にはこうした言語との親縁性があり、バウハウスでの教程はそれを実践したものであると思われる。この時代の彼の作品は相当程度整理されたシンタックスに基づいて描かれているように見えるが、その源泉を明らかにするためには、ミュンヘン時代に見られる試行錯誤をもまた、丁寧に跡付ける必要があろう。来年度以降は、こうした芸術思想を作品や具体例に即して分析してゆきたい。昨年までの研究の延長上で、二点の論文を執筆した。「統辞と範列-カンディンスキーの初期コンポジションをめぐって」は、その作品に流れる構造についての意識を、言語学・記号論の概念を使って分析したもの。扱った作品はバウハウス時代以前を中心とするが、抽出された概念や構成は後期の作品にも応用が可能である。もう一つの特徴は、筆者のこれまでの研究が構図やフォルム・形態の分析を中心としてきたのに対し、色彩を扱ってそれを対象から自立した差異システムとして捕らえた点で、これはバウハウスでの教授法に至る思考の原形を成すものと考えている。「ロシア・アヴァンギャルドとカンディンスキーの精神的水脈」は、ミュンヘンとバウハウス時代の中間に位置するソヴィエト時代(19141921)に焦点を当てた。当時の同僚画家からも従来の美術史記述上からも、カンディンスキーが出自からも作風からも世紀末シンボリズムに近いとみなされてきたのに対し、記号論的な分析から明らかになる手法を考慮すると、世紀末芸術よりもむしろロシア・アヴァンギャルドの方向性と共鳴するところの多い進歩的な芸術・芸術観を持っていたことを明らかにした。それとは別に本年度はドイツ・デッサウのバウハウス財団を訪問、同財団のアルヒーフで必要な資料を調査するとともに、現在はユネスコ世界遺産にも登録されている同校舎やマイスターハウス、テルテン集合住宅などを視察し、カンディンスキーのバウハウス時代の生活を追体験し、彼の働いていた環境も具体的に知ることができた。人々の生活様式そのものを近代化するバウハウスの考え方は、建築物のみならず壁の塗装法などに表れており、それがアーティストたちの暮らしにも及んでいることを知ったのは、今後の研究を進めていく上で大きな収穫であった。

抽象化の途上、鑑賞者の反応が作品生成の一プロセスとして想定されていたことは、カンディンスキーの残したテキストからもうかがい知れる。研究は、抽象化が進んでいく過程での主題の重心の変化を、コミュニケーションにおける言語モデルになぞらえて分析していくという方向に進んだ。本年は「カンディンスキーの色彩理論とその実践」という論文を執筆した。モチーフなり図形なりが構成されて作品が編まれる場合、モチーフや図形は単語レヴェルのもので、構成がそれらをつかさどる文法ということになるが、このモデルでは色彩が抜け落ちてしまう。色彩もまた、それぞれに意味を帯びた作品構成要素だという発想は、彼の最初期の芸術理論にも表れており、バウハウスでは教授の実際に即して洗練されていく。本論文は色彩理論の変化・発展と、教授や実作における応用をミュンヘン時代とバウハウス時代を対比させつつ追ったものである。課題を究明するための方法において、その芸術をまずは狭義での記号論的視野から分析するところからはじめたが、最終的には色彩までもを含んだ広義の言語モデルへと進むことができた。このようにして得られた「抽象」の意味の変遷と深化のプロセスの分析が、もう少し適用範囲を広げて同時代の他の芸術家にも適用しうるのかどうかという点は今後の課題であろう。私自身はパウル・クレーやヨハネス・イッテンの作品・芸術思想・教育論との比較対比を行い、より広範な「抽象絵画」の概念を提起したいと考えている。今年度はスイス美術史研究所などを調査した。この調査は、今回の論文や研究課題全般に寄与するとともに、次の研究へつないでいく萌芽的な発想と見通しを与えてくれた。
マルチメディア情報ベースにおけるオーサリング支援環境と参照一貫性管理に関する研究

本研究では,今後,インターネット上で急速に普及すると考えられるXML文書に基づく情報システムの基盤として,XMLが提供するハイパーテキストの柔軟性と操作性を生かすと同時に,従来のデータベースシステムが提供してきた一貫性管理機構やマルチメディア情報に対する十分な操作機能を有したシステムアーキテクチャを開発することを目標に研究し,以下の成果を得た.・マルチメディア情報インターフェイスのための3次元表示品質の改善各種情報の直観的把握に有用な3次元表示において,その表示品質を左右するシェーディング技法の改善を行った.・Webベース情報システムの設計試作マルチメディアコンテンツのシームレスな利用を可能にするための問題点を明らかにするために,災害情報をWeb上で集積発信するための情報管理システムONIGIRIを設計・試作を行った.・クラスタサーバによるビデオ動画像サーバ動画像コンテンツを利用する場合,ネットワーク・トラフィックやディスクI/Oの負荷集中を避けるために,分散並列サーバ構成を取り,各クライアントからのアクセスを適切に分散させることが必要となる.そこで,動画像データをネットワーク上に送出するビデオサーバの基本アーキテクチャとして,Linuxクラスター型分散並列サーバ構成が利用可能かどうか検証するために,Linuxクラスタ計算機による動画像サーバの構築のための調査と予備実験を行った.・ハイパーメディアコンテンツの開発支援環境と利用者環境ビデオデータなどの時間情報を含むハイパーメディア文書をXML文書(SMIL形式)として記述するにあたり,その編集作業を複数人数で分散協調的に行えるための編集ツールを設計し,そのプロトタイプを開発した.また,ビデオコンテンツアクセスのための,アクセス制御機構の基本設計と試作システムの開発を行い,極く初期段階のプロトタイプシステムを稼働させた.本研究では,今後,インターネット上で急速に普及すると考えられるXML文書に基づく情報システムの基盤として,XMLが提供するハイパーテキストの柔軟性と操作性を生かすと同時に,従来のデータベースシステムが提供してきた一貫性管理機構やマルチメディア情報に対する十分な操作機能を有したシステムアーキテクチャを開発することを目標に研究し,以下の成果を得た.・マルチメディア情報インターフェイスのための3次元表示品質の改善各種情報の直観的把握に有用な3次元表示において,その表示品質を左右するシェーディング技法の改善を行った.・Webベース情報システムの設計試作マルチメディアコンテンツのシームレスな利用を可能にするための問題点を明らかにするために,災害情報をWeb上で集積発信するための情報管理システムONIGIRIを設計・試作を行った.・クラスタサーバによるビデオ動画像サーバ動画像コンテンツを利用する場合,ネットワーク・トラフィックやディスクI/Oの負荷集中を避けるために,分散並列サーバ構成を取り,各クライアントからのアクセスを適切に分散させることが必要となる.そこで,動画像データをネットワーク上に送出するビデオサーバの基本アーキテクチャとして,Linuxクラスター型分散並列サーバ構成が利用可能かどうか検証するために,Linuxクラスタ計算機による動画像サーバの構築のための調査と予備実験を行った.・ハイパーメディアコンテンツの開発支援環境と利用者環境ビデオデータなどの時間情報を含むハイパーメディア文書をXML文書(SMIL形式)として記述するにあたり,その編集作業を複数人数で分散協調的に行えるための編集ツールを設計し,そのプロトタイプを開発した.また,ビデオコンテンツアクセスのための,アクセス制御機構の基本設計と試作システムの開発を行い,極く初期段階のプロトタイプシステムを稼働させた.分散環境でマルチメディアデータベースを処理するためには、分散環境の構築、Webサーバ、データベースサーバの立ち上げ、それらの利用のための支援環境の整備がある。まず、本年度は4月に設備されたKSU Linuxクラスタのさまざまな環境整備を行った。本クラスタは最大508台のパソコン(CPU:P400、メモリ:100MB、ディスク2GB)とクラスタソフトウェア(Turbo Linux3.0+PVM3.3)で構成する。これらにクラスタマシンとしてのインストールを行なった。また、支援環境の整備のため、PVMへの負荷分散と効率評価のために、いくつかのベンチマークを設定し、それらを検討した。分散処理で高い性能が望める例として、素数の計算、メモリ上の全文検索、ネットワークによるデータの分配と収集機能の詳しい性能評価を行った。その結果、CPUの能力とメモリのアクセスタイムの比が分散処理に大きく影響することが判明した。さらに、マルチメディアコンテンツをネットワーク上で統合して提供するSMIL言語に関して、このコンテンツをネットワーク上で分散編集できるシステムを設計した。そして、Linuxで稼動するDB/2関係データベースを用いて初期プロトタイプを試作した。これらの処理の一部はWebで公開し、さまざまな環境で動作するように、実験を続けるとともに、一般利用者からデモできるようになっている。本年度は,動画像ハイパーメディアコンテンツの開発支援環境の開発に関する研究を主として行った.その内容は以下の通りである.・ハイパーメディアコンテンツを既存文書を流用して編集するために,既存文書の一部をコンテンツ部品として記述する基本フレームワークについて検討を行った.・動画像データをネットワーク上に送出するビデオサーバの基本アーキテクチャとして,Linuxクラスター型分散並列サーバ環境が利用可能かどうか検証するために,クラスタ・サーバ環境による動画像サーバの構築のための,予備実験と基本アーキテクチャの設計を行った.・ビデオデータなどの時間情報を含むハイパーメディア文書をXML文書として記述するにあたり,その編集作業を複数人数で分散協調的に行えるための編集ツールを設計し,そのプロトタイプを開発した.・ビデオコンテンツアクセスのための,アクセス制御機構の基本設計と試作システムの開発を行い,極く初期段階のプロトタイプシステムを稼働させた.これにより,ハイパーメディアデータベースにおける時系列型メディアへの柔軟なアクセス制御が可能となった.・Linuxクラスター型分散並列サーバ環境における動画像サーバの構築のための,予備実験と基本アーキテクチャの設計を行った.・ビデオコンテンツアクセスのための,アクセス制御機構の基本設計と試作システムの開発を行い,極く初期段階のプロトタイプシステムを稼働させた.
ワークスティーリングを用いた分散並列環境における遺伝子制御ネットワーク推定手法

本研究では,大規模な遺伝子制御ネットワークを解析するアプリケーションのための,並列計算機上でのワークスティーリング手法のジョブを可能にするジョブスケジューラの研究,開発を行った.大規模な遺伝子制御ネットワークとは人間の全遺伝子,約20000遺伝子の相関を解析すること相互作用や影響などを知ることができる.本研究を通じ,ネットワーク推定として余計なジョブについては枝刈りをするための判断機構,アルゴリズムを動かすためのジョブスケジューラフレームワークを開発した.また大規模な遺伝子解析結果を表示するための可視化アプリケーションについても研究を進めることができた.本研究では大規模な遺伝子発現プロファイルによる遺伝子制御ネットワークの推定のための分散並列手法の開発を行っている.大規模なネットワーク推定にベイジアンネットワークを用いて全件探索を行う場合,計算量が指数的に増加することから,推定する遺伝子数を絞込むことで計算量の軽減を図る必要がある.複数コア計算機の分散並列環境で効率的な計算を行うため,分散並列アーキテクチャによるワークスティーリング方式に適用することでジョブを管理するマスタが有休計算機に対し再割り当てを行い,またワーカでは局所解に陥った推定計算の打ち切りなどを行うことで効率化,推定の向上を目指す.平成25年度ではスケジューラのフレームワークの研究開発について実施し,成果報告を研究会等で行った.具体的な成果としては1.計算資源とネットワーク資源を考慮した割当ポリシを配備可能とするジョブ管理フレームワークの2点が挙げられる.1および2の成果報告では,計算機資源やネットワーク資源をスケジューラに組み込むためのフレームワークの成果報告を行った.2ではプロトタイプとして作成したスケジューラの評価を行い,1ではアプリケーションから得られる情報を元に動的に計算機資源を割り当てるスケジューラの報告を行った.本研究では大規模な遺伝子発現プロファイルによる遺伝子制御ネットワークの推定アプリケーションのための分散並列スケジューリング手法の開発を行う.大規模なネットワーク推定にベイジアンネットワークを用いて探索を行う場合,計算量が指数的に増加することから,遺伝子をランダムサンプリングし部分集合での全件探索を行うことによって遺伝子制御ネットワークの推定を行う.その後,評価関数を用いスコアの高いネットワーク同士を結合し全体を推定する.この手法では遺伝子数nに対しオーダーはO(n^3)であり,結合のオーダーはO(n!)となり大規模な遺伝子制御ネットワークの推定には更なる工夫が必要となる.そこで分散並列アーキテクチャによるワークスティーリング方式に適用することで,ジョブを管理するマスタが有休計算機に対し再割り当てを行い,またスコアの低い部分ネットワークについては計算の打ち切りを行うなどフィードバックスケジューリングの開発を行う.フィードバックスケジューリングではアプリケーションドリブンな制御が入るため,アプリケーションとスケジューリングが一体となる分散並列のアプリケーションとなる.フィードバックする評価関数やスコア,ジョブの序列についてはアプリケーションに依存した形式になることが考えられるが,本研究で重要な点はこれらアプリケーションに特化した部分と汎化できる部分を切り分け,汎化できる部分についてフレームワーク化を行うことにある.フレームワーク化によって遺伝子制御ネットワークの推定アプリケーションだけでなく,並列化によって高速化,効率化が望める科学的アプリケーションに適用することが期待できる.本研究は,大規模な遺伝子発現プロファイルによる遺伝子制御ネットワーク推定のための分散並列手法の研究開発を行っている.平成26年度では前年度までに開発したスケジューラフレームワークについて国際会議にて報告を行い,遺伝子制御ネットワーク推定のアプリケーションの適用を目指した.スケジューラフレームワークでは,アプリケーションからのフィードバックのためのインターフェースを設計した.アプリケーションからのフィードバックについては汎用性を重視するとともに,可搬性や軽量であるRESTインターフェースAPIを採用した,スケジューリングアルゴリズムについては空いている計算ノードを逐次割り当てるラウンドロビン方式を採用した.遺伝子制御ネットワーク推定アプリケーションではネットワーク推定を行うが,大規模な遺伝子ネットワークサイズを想定しているため,事前確率を用いたベイズ推定によるネットワーク推定アルゴリズムの並列計算機用にチューニングされたアプリケーションを用いる.これらの研究成果の一部について国際会議,研究会にて報告した.2. "生命化学シミュレーションと大規模可視化",日本化学会情報化学部会第二回若手の会,東京, Nov. 2014.本研究は,遺伝子発現プロファイルによる大規模な遺伝子制御ネットワーク推定のための分散並列手法ならびにその周辺技術の研究開発を行ってきた.平成27年度では前年度までに開発したスケジューラフレームワークならびにプロトタイプスケジューラの改良および,大規模な遺伝子制御ネットワーク推定の結果を出力するため,可視化アプリケーションの開発を行い,国際会議にて報告を行い,本研究の一部の成果について論文にまとめた.またネットワーク解析には遺伝子のアノテーション情報も必要とされ,課題から派生した遺伝子制御ネットワーク解析に関連するメタデータ/オントロジー構築についても一部成果として報告を行った.本研究では,大規模な遺伝子制御ネットワークを解析するアプリケーションのための,並列計算機上でのワークスティーリング手法のジョブを可能にするジョブスケジューラの研究,開発を行った.大規模な遺伝子制御ネットワークとは人間の全遺伝子,約20000遺伝子の相関を解析すること相互作用や影響などを知ることができる.本研究を通じ,ネットワーク推定として余計なジョブについては枝刈りをするための判断機構,アルゴリズムを動かすためのジョブスケジューラフレームワークを開発した.また大規模な遺伝子解析結果を表示するための可視化アプリケーションについても研究を進めることができた.本年度5月に研究者の異動に伴い,研究拠点間の移動や本務との兼ね合いによって,本研究の開発作業について遅れが生じた.現在の段階でフレームワーク部分におけるアプリケーションインターフェース部分が完了しており,アプリケーション側のフィードバック機構に着手している.来年度で完了する予定である.分散コンピューティング本研究はアプリケーションからフィードバックを考慮したスケジューラを開発し,その上で遺伝子制御ネットワークアプリケーションの挙動を確認する.

開発スケジュールが遅れているが,フレームワークおよびその上で動作するスケジューラは汎用性のあるアルゴリズムを利用し,フィードバックは,枝刈りする計算を止める機構のみを利用し,テスト工数を短縮を計る.フレームワークの開発に遅れが生じ,そのため成果をまとめる論文作成に遅れが生じた.また大きな要因としては研究者の異動に伴う,作業の遅れが挙げられる.研究者は一年ごとに異動(阪大->理研->現在、阪大)しており,そのための研究環境の移設や,本務との兼ね合いから本研究の遅れが生じている.本研究では以下の3つの課題を設定し進めていくとしていた.1.マスタワーカによるネットワーク分割推定手法の分散並列化2.マスタワーカ間でのフィードバックスケジューラの適用3.ワークスティーリング手法による高効率化本年度では「マスタワーカによるネットワーク分割推定手法の分散並列化」について課題に取り組み,遺伝子制御ネットワークのネットワーク分割による推定手法が先行研究として実施されており,この実装の分散並列化およびデータ通信部分のフレームワーク化に取り組んだ.しかし分散環境の計算機システムの構築に遅れが生じ,また研究者自身の異動もあり設備も異動したことから,開発スケジュールに遅れが生じた.研究開発が遅れたことにより,当初のスケジュールが後ろ倒しになっているが,開発および研究発表,論文投稿になどで使用額が生じた.本研究はアプリケーションからのフィードバックをスケジューラに考慮できるようフレームワークを開発し,その上で遺伝子発現ネットワークの解析を行う.フレームワーク開発の遅れから全体のスケジュールが遅れているが,今後は遺伝子発現ネットワークの解析アプリケーションとフレームワークベースのスケジューラとの連携部分の開発が必要となる.
次世代光ネットワークの実現に向けたニューラルネットワーク適応的信号処理技術の展開

本研究で,我々は,次世代フォトニックネットワークに向けた光領域での偏波モード分散(Polarization Mode Dispersion:PMD)の適応補償の高度化に取り組んでいる.昨年度までに,可変のPMD補償器の制御方式に着目し,大きなPMD変動を正確に補償可能な制御アルゴリズムを確立した.本年度は,補償対象となるPMDの変動を,振動等に起因するmsオーダの高速な変化とし,これを追従補償するための補償器制御方式の提案と検討を行った.我々は,高速なPMD変動を追従補償するために,ニューラルネットワークにおけるニューロンの学習に用いられる最急降下法を制御方式に適用することを考案した.この際,実システムでは,モニタリングパラメータの補償変数に対する偏微分成分をどのようにして求めるかが大きな課題となる.そこで,我々は,偏波状態を補償器前段で測定し,この情報からファイバ伝搬の物理考えることで,偏微分値を近似する手法を提案した.本手法を用いることで,補償変数の更新方向と幅を補償状態に応じて適応的に変化させることが可能となり,単純な探索手法と比較して,高速での追従補償が期待できる.提案方式の検討のために,160Gb/sの伝送速度で伝送シミュレーションを行った.シミュレーションでは,まず,偏微分成分が十分な精度で近似されていることを確認した.次に,偏光度と呼ばれるPMDの補償度合いを表すパラメータが,従来の方式では補償が困難である数msのPMD変動に対して安定化することを示した.また,この偏光度の安定化が,伝送品質(Bit Error Ratio)にどのように影響するのかをPMDの変動速度を変えて検討し,1-3ms毎の変動に対しておよそ2dB程度の改善を得ることを確認した.我々は,これらの成果を国内外の学会で発表しアピールするとともに,IEEEをはじめとする学術論文誌に投稿し,採択された.次世代超高速光通信の実現に向けて、偏波モード分散(Poladzation Mode Dispersion:PMD)の適応補償が必要とされている。適応的PMD補償は、可変PMD補償器をフィードバック制御する方式で実現される。補償器とモニタリング手法については、多くの検討がなされている一方、制御の方式(アルゴリズム)については、これまで詳細な検討がなされていない。我々は、ニューラルネットワークに基づく適応的なアルゴリズムを導入し、補償精度を向上させる提案・検討を行った。フィードバック信号としてDOPを採用し、ステップ幅一定の単純な山登り法を改善したランダムにステップ幅の変化する山登り法をPMD適応補償に適用する。この方式では、通常一定ステップで行う探索のステップ幅がランダムに変化する。これにより、精度を低下させる原因の一つであるローカルマキシマの影響を低減することが期待される。ランダム性としては、様々な検討を行った結果、ガウス分布の確率密度関数に基づくものを採用した。提案方式の検討のために、160Gb/sの伝送速度で伝送シミュレーションを行った。シミュレーションでは、まず、探索制御空間の図示を行った。これにより、適応的なPMD補償では、その探索制御空間が滑らかではあるものの、ローカルマキシマが存在し、これにトラップされる可能性があることを確認した。次に、提案するステップ幅にランダム性をとりいれた制御アルゴリズムの検証を行った。通常の山登り法との比較実験を行った結果、既存手法ではローカルマキシマにトラップされるものの、提案手法ではローカルマキシマを抜け出し最適な補償を実現できる現象を確認することに成功した。また、統計的な解析を行い、提案手法が最適な補償を実現する確率を向上させることを示した。また、これらの成果を国内・国外の学会で発表するとともに、学術論文誌に投稿を行った。本研究で,我々は,次世代フォトニックネットワークに向けた光領域での偏波モード分散(Polarization Mode Dispersion:PMD)の適応補償の高度化に取り組んでいる.昨年度までに,可変のPMD補償器の制御方式に着目し,大きなPMD変動を正確に補償可能な制御アルゴリズムを確立した.本年度は,補償対象となるPMDの変動を,振動等に起因するmsオーダの高速な変化とし,これを追従補償するための補償器制御方式の提案と検討を行った.我々は,高速なPMD変動を追従補償するために,ニューラルネットワークにおけるニューロンの学習に用いられる最急降下法を制御方式に適用することを考案した.この際,実システムでは,モニタリングパラメータの補償変数に対する偏微分成分をどのようにして求めるかが大きな課題となる.そこで,我々は,偏波状態を補償器前段で測定し,この情報からファイバ伝搬の物理考えることで,偏微分値を近似する手法を提案した.本手法を用いることで,補償変数の更新方向と幅を補償状態に応じて適応的に変化させることが可能となり,単純な探索手法と比較して,高速での追従補償が期待できる.提案方式の検討のために,160Gb/sの伝送速度で伝送シミュレーションを行った.シミュレーションでは,まず,偏微分成分が十分な精度で近似されていることを確認した.次に,偏光度と呼ばれるPMDの補償度合いを表すパラメータが,従来の方式では補償が困難である数msのPMD変動に対して安定化することを示した.また,この偏光度の安定化が,伝送品質(Bit Error Ratio)にどのように影響するのかをPMDの変動速度を変えて検討し,1-3ms毎の変動に対しておよそ2dB程度の改善を得ることを確認した.我々は,これらの成果を国内外の学会で発表しアピールするとともに,IEEEをはじめとする学術論文誌に投稿し,採択された.