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非凸型幾何学的最適化問題の効率的解法に関する研究

本研究では,大域的最適化と計算幾何学の両分野における研究成果を融合し,これまで有効な解法の知られていなかった非凸型幾何学的最適化問題の現実的な解決を試みた.応用上,特に重要な平面上の幾何学的最適化では,非凸型構造に着目して大域的最適化の手法を適用することで,いくつかの実用的な解法を構築できた.その主な成果は以下の通りである:1.ランク2逆凸計画問題の大域的最適化:2つの1次独立なn次元ベクトルによって値が決定される準凹関数を制約条件に含む最適化問題を考察し,これを大域的に解くためのアルゴリズムを開発した.計算機実験によって従来のアルゴリズムより遥かに効率よく大域的最適解が得られることを確認した.2.ランク2鞍型関数の大域的最小化:2つの1次独立なn次元ベクトルによって値の定まる鞍型関数を凸多面体上で最小化するアルゴリズムを開発した.計算機実験によって問題の大域的ε最適解が,かなり大規模な問題まで効率よく求められることを確認した.これらとは逆に,大域的最適化問題に対する解法の手続きとして計算幾何学を応用し,その計算効率を高める研究も行い,次のような成果を得ることができた:3.生産輸送問題の大域的最適化:特殊構造のある輸送問題に対し,規模の経済が働く生産費用を考慮した費用最小化問題を考察し,最悪の場合でも問題規模の準多項式時間の手間で大域的最適解を生成するアルゴリズムを開発した.ここに挙げた問題に対して提案するアルゴリズムに共通の特徴は,特殊構造を利用して問題を複数の凸型子問題達に分解し,それらの解を関数値とする低次元非凸型関数を最小化する点である.同様な方法で分解可能な非凸型最適化問題は,幾何学的最適化に留まらず様々な分野に見ることができる.これらの問題も,また効率的な処理を期待できる.本研究では,大域的最適化と計算幾何学の両分野における研究成果を融合し,これまで有効な解法の知られていなかった非凸型幾何学的最適化問題の現実的な解決を試みた.応用上,特に重要な平面上の幾何学的最適化では,非凸型構造に着目して大域的最適化の手法を適用することで,いくつかの実用的な解法を構築できた.その主な成果は以下の通りである:1.ランク2逆凸計画問題の大域的最適化:2つの1次独立なn次元ベクトルによって値が決定される準凹関数を制約条件に含む最適化問題を考察し,これを大域的に解くためのアルゴリズムを開発した.計算機実験によって従来のアルゴリズムより遥かに効率よく大域的最適解が得られることを確認した.2.ランク2鞍型関数の大域的最小化:2つの1次独立なn次元ベクトルによって値の定まる鞍型関数を凸多面体上で最小化するアルゴリズムを開発した.計算機実験によって問題の大域的ε最適解が,かなり大規模な問題まで効率よく求められることを確認した.これらとは逆に,大域的最適化問題に対する解法の手続きとして計算幾何学を応用し,その計算効率を高める研究も行い,次のような成果を得ることができた:3.生産輸送問題の大域的最適化:特殊構造のある輸送問題に対し,規模の経済が働く生産費用を考慮した費用最小化問題を考察し,最悪の場合でも問題規模の準多項式時間の手間で大域的最適解を生成するアルゴリズムを開発した.ここに挙げた問題に対して提案するアルゴリズムに共通の特徴は,特殊構造を利用して問題を複数の凸型子問題達に分解し,それらの解を関数値とする低次元非凸型関数を最小化する点である.同様な方法で分解可能な非凸型最適化問題は,幾何学的最適化に留まらず様々な分野に見ることができる.これらの問題も,また効率的な処理を期待できる.応用上重要な幾何学的最適化問題の次元は高々1桁であり,3を越えることは希である.そこで,今年度は最も応用頻度の高い2次元平面上の幾何学的最適化に関係する2つの問題の研究を中心に行い,以下のような成果を得ている.しかし,問題にはいずれも非凸型構造が含まれており,したがって従来これらを効率的に解決するアルゴリズムは知られていない.1.2つの1次独立なn次元ベクトルによってその値が決定される準凹関数を制約条件に含む問題を解くためのアルゴリズムを開発した.この関数のクラスには1次関数の積などが含まれ,矩形面積に制約を受ける幾何学的最適化,例えばVLSIチップの設計などに応用される.ε近似解を求める比較的効率のよいアルゴリズムが既に知られていたが,開発したアルゴリズムの効率はこれを遥かに上回り,しかも常に厳密な大域的最適解を生成することができる.実際,ワークステーション上で計算実験を行ったところでは,同規模の線形計画問題を解くのと大差のない計算時間しか必要としないことを確認している.アルゴリズムの手続きには計算幾何学の手法を利用しているが,これも効率化の1つの原因となっている.2.2つの1次独立なn次元ベクトルによって値が定まる鞍型関数を最小化するアルゴリズムを開発した.このクラスの問題も平面上での幾何学的最適化と切り放して考えることはできない.鞍型関数は一般に非凸型であり,複数の局所的最小点が存在する.しかし,準凹関数とは違って,制約領域の端点で大域的な最小点が達成されるとは限らず,これが問題の本質的な難しさとなっている.

アルゴリズムは,問題を1次元の子問題達に分解し,その各々のε最適解を分枝限定法で計算している.分枝操作にはピボットなどの手間の掛かる演算が含まれないため,アルゴリズム全体の効率は極めて高く,ワークステーション上での計算実験もこれを裏付けている.80年代半ばから急激に発達した計算幾何学は、次元が3までの問題をきわめて効率的に処理することができる。一方、これまで有効な解法の知られていない非凸型最適化問題でも、問題構造を利用することで次元が高々3程度の非凸型の親問題と一般次元の凸型子問題達に分解して処理できることが希でない。これまでの研究で、親問題の処理に計算幾何学手法を適用すれば大規模な非凸型最適化問題も現実的に解けることを示したが、今年度は子問題にも計算機学を応用し、主として非凸型のネットワーク計画問題を問題規模の多項式の手間で解決する研究を行った。輸送問題は線形計画問題として広く知られており、ネットワーク構造を利用することで大域的最適解を問題規模の多項式の手間で求めることができる。しかし供給点から需要点への輸送費用だけでなく、供給点での生産費用まで考慮する「生産輸送問題」では、規模の経済の働きによって目的関数は凹型の関数となり、その大域的な最小化はネットワーク上であっても困難である。そこで各供給点から輸送可能な需要点の集合を分割し、需要の不足を1つの親供給点が補う問題について考案した。これは企業における本社と支社との関係をモデル化した現実的なものであるが、従来これを効率的に解決するアルゴリズムは知られていない。提案したアルゴリズムは、問題を本社に対応する非凸型の親問題と支社に対応する凸型の子問題達に分解する。子問題には計算幾何学手法を用い、問題規模に対して線形の手間で処理する。親問題の次元は定数とならないものの、その構造から計算幾何学を応用して問題規模の準多項式の手間で処理できる。その結果、問題全体として、最悪でも問題規模の準多項式の手間で大域的最適解を求めることが可能となった。以上の結果は「最小凹型費用流問題」などの他の非凸型ネットワーク計画問題へ応用することも可能である。
SUMO-1化による標的蛋白の機能変換と運命

ユビキチン類似タンパクであるSUMO/Smt3はRanGAP1, p53, PMLなどに結合するタンパク質モデイファイアーである。ユビキチン化経路と同様に、SUMO/Smt3は活性化酵素、結合酵素とのチオエステル結合カスケードを経て、標的タンパクのコンセンサス配列(IVL)KX(ED)のリジン残基へとイソペプチド結合し、結合体を形成する。我々は増殖に必須な出芽酵母Smt3が機能的にもSUMO-1ホモログであり、また、標的としてセプチンを同定した。セプチンは細胞質分裂面となるネック領域に存在するリング状構造体の構成因子である。基質に最も近いSUMOリガーゼについてはその存在自体、最近まで不明であったが、我々はセプチンのSUMO/Smt3化に特異的に働く新規因子としてSiz1を発見した。Siz1とそのホモログであるSiz2はRINGフィンガー類似モチーフ(SP-RING)を持つPIASファミリーの一員である。このドメインのシステインをセリンに置換すると活性を失うことから、SP-RINGがその機能に重要であることが分った。in vitro系を開発し、Siz1はセプチンのSUMO/Smt3化経路におけるE3であると結論した。Siz1は細胞周期依存的に核から細胞質へと局在が変化するが、C末領域を欠失させると核に局在し、in vitroリガーゼ活性は保持していた。また、常時、核に局在しているSiz2はin vivoにおけるセプチンのSUMO/Smt3化には関与しないが、in vitro系ではセプチンをSUMO/Smt3化できた。さらに、Siz1、Siz2どちらのSP-RINGも結合酵素とセプチンに結合することより、これらのSUMOリガーゼのSP-RINGは両者の橋渡しをするアダプターであり、他の領域は局在制御などに必須であると考えられる。
磁気熱量効果を用いた新規エクセルギー再生装置の基礎研究

プロセス流体の熱エクセルギーを再生し、その熱をプロセス内で循環利用することで省エネルギーとなる自己熱再生技術を提案し、その自己熱再生技術を用いた自己熱再生型プロセスの設計を行ってきた。本研究ではこの自己熱再生技術の適用範囲を拡げるために、磁気熱量効果を利用した新規エクセルギー再生装置の開発を目的とし、その基礎研究を行った。具体的には、実験とシミュレーションから磁気熱量効果に伴うエネルギー/エクセルギーの解析と磁界における熱伝達方法について検討を行い、その後、自己熱再生のための磁気熱量効果を用いたエクセルギー再生装置を設計した。磁気熱量効果に伴うエネルギーの解析と磁界における熱伝達方法の解明磁気熱量効果に伴うエネルギーの流れを、解析し、仕事と熱に分けて、実験にて各エネルギー/エクセルギー量を導出した。磁石による磁界内における物質間での熱移動を系外と断熱的に行う方法を提案した。また、その時の熱伝達速度を解明し、磁場の強さの影響を実験とシミュレーションにて調べた。磁性体としてキュリー温度が常温に近いガドリニウムを用い、磁石の中をガドリニウムが行き来する装置を組み立て、周辺の温度、紐の張力とガドリニウム表面の温度及びガドリニウムが受ける磁場の強さを時間と移動距離に対して測定した。自己熱再生のための磁気熱量効果を用いたエクセルギー再生装置の開発磁界内における熱伝達方法の解明において設計した実験装置と温度熱量線図を用い、磁気熱量効果を用いたエクセルギー再生装置のエネルギーの流れと消費量を測定した。エクセルギー再生装置の自己熱再生への導入とエネルギー消費量の算出、エクセルギー再生装置導入の技術課題を抽出し、プロセスの運転システムを設計した。このとき、流体が流れる円管にガドリニウムを充填し、その円管を磁界に出入りさせる装置を設計した。この装置が磁界に出入りする際に必要なエネルギーを求めた。本装置では系外と断熱的に熱が移動すると、熱は全て流体に移動する。この結果をシミュレーターに反映し、プロセス全体のエネルギー消費量、エクセルギー損失を求めた。従来法である圧縮式エクセルギー再生装置を用いた自己熱再生プロセスのエネルギー消費量とエクセルギー損失について比較検討した。新規エクセルギー再生装置を用いた自己熱再生型プロセスの運転システムを設計し、その非定常時における磁気熱量効果を用いたエクセルギー再生装置及びそのエクセルギー再生装置を用いた自己熱再生型プロセスの動特性を解析した。その結果から運転システムの設計を行った。磁石による磁界内における物質間での熱移動を系外と断熱的に行う方法の提案を行った。磁気熱量効果に伴うエネルギーの解析...磁気熱量材料としてキュリー温度が常温に近いガドリニウムを用い、磁石の中をガドリニウムが行き来する装置にて、周辺の温度とガドリニウム表面の温度及びガドリニウムが受ける磁場の強さを時間と移動距離に対して測定した。実験で測定した温度変化より、ガドリニウムの温度・エントロピー線図を描き、理論必要仕事量を算定した。また、系外から与えるエネルギー量と比較・検討し、熱損失、ヒステリシスの影響や電磁誘導加熱によるエネルギー量を求めた。同時に、測定したエネルギー量よりエクセルギー量と装置のエクセルギー損失の算出を行った。さらに、簡易な一次元モデルを次に提案する装置を対象として構築し、シミュレーションによりその効果を明らかにした。磁界における熱伝達方法の解明...ガドリニウムとプロセス流体の間で、外部と断熱的に熱移動ができる方法を提案した。ガドリニウムを充填層として円管内につめ、その円管内を流体が流れるようにした。その流体の流れる円管を磁石による磁場領域内にて動かし、流体の熱を再生させた。このように設計することで熱を再生させる流体がガドリニウムと直接接触し、直接熱交換を行うことができる。この装置の試作を行った。磁気熱量効果に伴うエネルギーの解析と磁界における熱伝達方法の解明という二つの項目により検討を行っており、1つ目の磁気熱量効果に伴うエネルギーの解析に関しては実験とシミュレーションの両面から検討を行い、その結果を学会や論文にて発表している。また、二つ目の磁界における熱伝達方法の解明にて流体の熱を再生させる装置を提案し、その装置の試作を行った。これら二つの進捗を勘案すると順調に研究は進んでいる物と考えている。自己熱再生のための磁気熱量効果を用いたエクセルギー再生装置の開発H24年度の検討である磁気熱量効果に伴うエネルギーの解析と磁界における熱伝達方法の解明において設計した実験装置と温度熱量線図を用い、磁気熱量効果を用いたエクセルギー再生装置のエネルギーの流れと消費量を測定し、得られたデータをプロセスシミュレータに反映する。

エクセルギー再生装置の自己熱再生への導入とエネルギー消費量の算出、エクセルギー再生装置導入の技術課題を抽出し、プロセスの運転システムを設計する。自己熱再生型プロセスへの導入とそのエネルギー消費量の算出...設計した装置では円管の移動に伴うエネルギーが必要仕事となる。系外と断熱的に熱が移動すると、熱は全て流体に移動し、流体へ移動した熱量が確認できる。その結果をプロセスシミュレーターに反映し、自己熱再生プロセス全体のエネルギー消費量とエクセルギー損失を求める。同時に、従来から用いられている圧縮式エクセルギー再生装置を用いた自己熱再生プロセスのエネルギー消費量とエクセルギー損失を比較検討する。新規エクセルギー再生装置を用いた自己熱再生型プロセスの運転方法の構築...新規エクセルギー再生装置を用いた自己熱再生型プロセスの運転システムを設計する。非定常時における磁気熱量効果を用いたエクセルギー再生装置及びそのエクセルギー再生装置を用いた自己熱再生型プロセスの動特性を解析する。得られた動特性よりモデル化して、非定常時においても省エネルギーとなる運転システムの設計を行う。H24年度に設計した装置を運転するための消耗品及び実験の補助が必要と考えられるその分を計上している。同時に、シミュレーションを実験と平行して行うため、プロセスシミュレーターのライセンス費及び制御ソフトウェアーライセンス費を計上する。また、研究成果を学会にて報告する経費として旅費を、誌上発表するための経費として論文校正費と別刷り費を計上する。
シガトキシンの実践的全合成を基盤としたナトリウムチャネル活性化機構の解明

シガトキシン類の毒性発現機構解明のために、シガトキシン類の中で最も強力な毒性を持つ51-hydroxyCTX3CのB環部の水酸基に、biotinを導入したシガトキシンプローブを合成した。そして、それらプローブを用いた電気生理学的実験において、その活性の消失を確認した。このことから、B環部水酸基、もしくは分子左側構造がシガトキシン類の毒性発現に重要な役割を果たしているという知見と、biotinや光親和性プローブの導入はM環部水酸基に対して行う必要があることが分かった。一方、シガトキシン類の強力な毒性発現には、9員環であるF環部の遅いコンフォメーション変換が影響していると予想されていた。そこで、F環部の構造を改変したアナログを用い、その構造活性相関研究によってF環部と毒性の関係についての知見を得ることを計画した。そこで、F環部が縮環していないより柔軟なアナログと、F環部が8員環であるより剛直なアナログを合成した。そして、これらアナログを用いて生物活性試験を行った。始めに二つのアナログのNa^+チャネルに対する結合活性を調べた結果、天然物と比較して約1万倍以上の大幅な活性の低下が確認された。次に毒性試験を行ったが、いずれもマウス急性毒性は全く示さなかった。一方、Neuro-2A細胞毒性試験においては顕著な細胞毒性を示したが、その細胞毒性は天然物と比較すると数万倍以上弱いことがわかった。このことから、F環部が柔軟・剛直なアナログは、Na^+チャネルに作用を及ぼすが、その機能改変能は著しく低下するという興味深い知見を得た。すなわち、F環部の原子レベルでの構造がその生物活性発現に極めて重要であることを初めて明らかにした。
浸炭歯車の疲労亀裂抑制に対するCBN研削の表面改質効果

浸炭歯車の高い負荷能力は表面硬化層および圧縮残留応力の存在に起因する.その一方で,表面には浸炭異常層が形成されることが知られており,これが強度低下の原因となっている.CBN研削は浸岩異常層の除去と圧縮残留応力の増加に効果的であり,結果として疲労強度を向上させると期待される.本研究では,曲げ疲労強度を解析する上で重要な疲労亀裂の進展に注目して,CBN研削の表面改質効果を明らかにするための実験を行ない,以下の結果を得た.1.試験歯車として,SGM415浸炭歯車を作製してその硬さと残留応力を測定し,厚さ10-15μmの表面に硬さが約200Hv低下する異常層を確認した.疲労試験を途中で停止して試料を作製し,SEM観察を行なった結果,異常層内に多くの亀裂が発生し,その中の1本が異常層から歯の内側へ伝播していることを確かめた.2.著者らのこれまでの研究から,歯元を20-30μm研磨すると表面異常層が除去されて強度が向上すること,自動車用動力伝達歯車の表面は約100μm研削されることなどを参考にして,歯面と歯元を研削するための砥石形状を設計し,電着によってウォーム型のCBN研削砥石を試作した.3.CBN研削を施すと,表面下約25μmの範囲に高い圧縮残留応力を生じること,曲げ強度が約15%向上することなどが知られた.疲労亀裂の進展シミュレーションを実施して,亀裂長さの視点から表面改質効果を考察した.この結果,残留応力と疲労強度向上の影響を著者らが提案している強度解析の指標である限界亀裂長さを用いて定量化できた.浸炭歯車の高い負荷能力は表面硬化層および圧縮残留応力の存在に起因する.その一方で,表面には浸炭異常層が形成されることが知られており,これが強度低下の原因となっている.CBN研削は浸岩異常層の除去と圧縮残留応力の増加に効果的であり,結果として疲労強度を向上させると期待される.本研究では,曲げ疲労強度を解析する上で重要な疲労亀裂の進展に注目して,CBN研削の表面改質効果を明らかにするための実験を行ない,以下の結果を得た.1.試験歯車として,SGM415浸炭歯車を作製してその硬さと残留応力を測定し,厚さ10-15μmの表面に硬さが約200Hv低下する異常層を確認した.疲労試験を途中で停止して試料を作製し,SEM観察を行なった結果,異常層内に多くの亀裂が発生し,その中の1本が異常層から歯の内側へ伝播していることを確かめた.2.著者らのこれまでの研究から,歯元を20-30μm研磨すると表面異常層が除去されて強度が向上すること,自動車用動力伝達歯車の表面は約100μm研削されることなどを参考にして,歯面と歯元を研削するための砥石形状を設計し,電着によってウォーム型のCBN研削砥石を試作した.3.CBN研削を施すと,表面下約25μmの範囲に高い圧縮残留応力を生じること,曲げ強度が約15%向上することなどが知られた.疲労亀裂の進展シミュレーションを実施して,亀裂長さの視点から表面改質効果を考察した.この結果,残留応力と疲労強度向上の影響を著者らが提案している強度解析の指標である限界亀裂長さを用いて定量化できた.
内環境知覚神経回路における周波数依存的情報生成機構の解明

延髄孤束複合体(dorsal vagal complex, DVC;孤束核NTSおよび迷走神経背側核DMX)の局所神経回路による内臓感覚情報処理のシナプス機構を解明することを目的として1次求心線維から2次ニューロンへの周波数伝達特性を脳スライス標本におけるパッチクランプ法を用いて解析した。Paired-pulse ratio値および頻回刺激に対するシナプス後応答の周波数特性frequency-dependency indexから、各ニューロンのシナプス応答をDMX_<high>型、DMX_<low>型、およびNTS型の3タイプに分類した。シナプス後電流の振幅-分散関係から全放出部位数、1放出部位あたりのEPSC振幅、および、放出確率を推定した結果、上記3種のシナプス応答の周波数特性の差異がシナプス前終末からの放出確率の差に起因し、DMX_<high>型シナプスにおいては低い放出確率を放出部位数の多さで「補う」ことによってNTS型シナプスと同程度のシナプス強度を得ている事実を見出した。伝達効率を犠牲にせずに周波数応答特性を確保する機構として重要である。これら3種のニューロン群にadenosineを投与し、その影響を解析した結果、NTSニューロンでは、adenosineによってpaired-pulse ratioの有意な増加が生じ、それに伴いfrequency-dependency indexが有意に増加した。一方、DMX_<low>型ニューロンにおいてはadenosine存在下もpaired-pulse ratioに有意な変化は認められなかった。以上の結果は、内因性プリンが、DVCのシナプスの伝達効率と周波数特性をシナプス伝達の特性に応じて弁別的に最適化しうる可能性を示している。多種多様なモダリティの内臓情報を伝える1次求心線維は迷走神経を介して孤束複合体で脳内最初のシナプスを形成する。その局所神経回路による情報処理の分子機構を解明する第1段階として、1次・2次ニューロン間シナプス伝達の短期可塑性を脳スライス標本におけるパッチクランプ法を用いて解析した。ラットおよびマウス(一部GAD67-GFPマウス)の延髄冠状断スライスを作製し、孤束核(NTS)2次ニューロンおよび迷走神経背側運動核(DMX)ニューロンから1次求心線維刺激誘発単シナプス性興奮性シナプス後電流を記録した。Paired-pulse刺激によって短期可塑性を評価したところ、[Ca^<2+>]_o=2mMにおいて強い短期抑制を示すニューロン(NTSのすべておよびtype II DMX)と弱い短期抑制ないしは短期増強を示すニューロン(type I DMX)に大別された。NTSニューロンの強い短期抑制は[Ca^<2+>]_o低下もしくはadenosine投与によって短期増強に転じた。EPSC振幅-分散関係から高い放出確率(P>0.7)がその主因であることが示唆された。一方、type II DMXニューロンのpaired-pulse ratioは、[Ca^<2+>]_oの変化およびadenosineにほとんど影響を受けなかった。これらの結果は、同じ求心性入力のシナプスが、標的細胞に依存した異なる機構を介して短期可塑性を示す事実、そしてadenosineなどによるシナプス前抑制機構がこの短期可塑性をさらに修飾する事実(メタ可塑性)を示す。EPSC振幅および活動電位発生確率の周波数応答特性が、このpaired-pulse ratioと強い相関を示していた事実は、1次・2次ニューロン間伝達の周波数特性が標的細胞の種類に依存したシナプス前性短期可塑性機構によって規定されている可能性を明示する。
臨床実習連動型シミュレーション集中トレーニング法による面接教育プログラムの開発

本研究では、1)情報収集における面接に必要な知識・技術・学習環境を明らかにし、2)実践的なシミュレーション集中トレーニング法のプログラム化を行うことを目的とした。まず、臨床実習と学内演習のリンケージに基づく面接技術教育に必要な知識・技術・学習環境を明らかにするために、1)調査1(臨床実習連動型の教育プログラム実施期間中の縦断的な基礎調査,n=7174)のデータ分析、2)調査2(追加調査,n=61及びn=35)の実施とそのデータ分析を行った。臨床実習連動型の教育プログラム案は、(1)臨床見学実習、(2)面接技術の講義、(3)学内演習1(ペア学習)、(4)学内演習2(ロールプレイング演習)、(5)臨床看護技術実習の5段階とした。質問紙には、5段階順序尺度による25項目で面接技術の重要性や課題意識、面接技術実施の心理的状態、面接場面の実施状況などを問い、自由記述によって面接技術の理解内容や学習内容・方法に関する設問を設定した。看護実践における面接技術に関しては、重要性を認識した者の割合が臨床看護技術実習で有意に高く(p<0.01)、学習課題に対する意識も高かった。具体的な技術モデル場面の体験者の割合も、見学実習よりもロールプレイングや看護技術実習の方が有意に多かった(p<0.01)。異なる教育法による追加調査では差異も見られた。重要性の認識は、臨床実習と学内演習とに相関が認められたが、特にロールプレイング演習と看護技術実習での認識に有意な相関があり(r=0.470,P<0.01)、学内での効果的な演習が、臨床実習の認識に影響することが示唆された。しかし、学内演習での実践的な重要性の認識や臨場感には課題があり、実践的な学習環境へのニーズもあるため、面接技術育プログラムでは、学内シミュレーション設定の具体的な内容検討の必要性が明らかになった。また、3)シミュレーション集中トレーニング法を実施し、4)成果を評価することによって、新たな教材化に向けてのプログラム開発を最終的な目的としている。今年度は以下のような点を明らかにした。1.情報収集のための面接に必要な知識・技術・学習環境の明確化:学習準備状態の分析と現行プログラムの評価を行った。本プログラムの対象者に関する学習準備状態については、カリキュラム内容の調査により、面接教育に関する学習内容を抽出し、心理学、人間学といった対象理解に関する概論学習のみの認知領域が中心で、精神運動領域や情意領域の学習内容はないことが明らかになった。また、臨地実習との関連性により、実習目標との整合性を持たせ、教授目標や具体的な指導内容を再検討する必要性が示された。学習時間やプログラム開始時期に関しては、学生の疲労度、集中度についての参加観察から、現行プログラムを基本にプログラム実施が可能であることを確認した。さらに、関連文献検討の結果、面接の焦点となる情報収集のために必要な知識の枠組みには、1)社会的側面(年齢、性別、職業、家族など)、2)知的・情緒的側面、3)環境要因、4)感覚・運動機能、5)栄養・排泄、6)水分電解質・循環機能、7)呼吸・体温、8)皮膚統合機能、9)安楽と休息の状態、という基本項目を抽出した。また、一つの身体領域の情報収集をする場合でも、様々な角度から直接的・間接的データを集め、上記のような基本項目を関連させて情報収集していくための面接の進め方に関するモデル図を作成した。

2.集中トレーニング法のプログラム化:次年度に向けては、さらに、構造・過程・評価枠組みに基づく継続的教育評価を進めて、集中トレーニング法の教育プログラムの作成を進める。本研究では、1)情報収集における面接に必要な知講・技術・学習環境を明らかにし、2)実践的なシミュレーション集中トレーニング法のプログラム化を行うことを目的とした。1.学習準備状態の分析と現行プログラムの評価:本プログラムの対象者に関する学習準備状態に関する質問紙調査を実施し、(1)学習経験のレディネス:現在の知識基盤、学生が好む学習形態、学習内容、(2)動機付けのレディネス:過去の学習経験などに関する情報を収集した。調査時期は、(1)面接教育の開始前、(2)面接教育実施後、(3)臨床実習後の3期でデータ収集を行った。その結果、学習ニーズに関して次の点が明らかになった。1)面接学習前の病棟見学実習では、面接場面におけるコミュニケーションに戸惑いを感じた学生は、分析対象者(74名)のうちで「少し感じた」44.6%、「かなり全く感じた」41.9%で、8割以上は困難感を感じ、学習ニーズが明らかになった。2)面接場面におけるコミュニケーション技術に対する認識では、(1)観察、(2)人間関係構築、(3)情報収集、(4)情報提供、(5)精神的慰安という側面から理解していた。3)面接学習における学生が好む学習形態については、(1)ロールプレイ、(2)視聴覚教材、(3)グループ討議などが挙げられた。4)学習内容では、(1)具体的な質問の仕方、(2)具体的な注意点、(3)個々のケースに応じた対応の仕方、(4)臨床現場の事例の活用、(5)情報収集の具体的方法などが含まれていた。2.学習プログラムの検討:教育評価によって得られた現行のプログラムの課題や達成目標を明確にし、新たなプログラムの構築に向けて、学習プロセスを基盤にした構造化を行った。調査結果に基づき、学習段階を達成目標の細目標の段階ごとに構造化した。さらに面接教育に必要な諸要件(実施時期の設定、回数など)を加えた。今後は、シミュレーション集中トレーニング法を実施、成果評価をすることにより、教材化に向けてのプログラム開発を最終的な目的としている。本研究では、1)情報収集における面接に必要な知識・技術・学習環境を明らかにし、2)実践的なシミュレーション集中トレーニング法のプログラム化を行うことを目的とした。まず、臨床実習と学内演習のリンケージに基づく面接技術教育に必要な知識・技術・学習環境を明らかにするために、1)調査1(臨床実習連動型の教育プログラム実施期間中の縦断的な基礎調査,n=7174)のデータ分析、2)調査2(追加調査,n=61及びn=35)の実施とそのデータ分析を行った。臨床実習連動型の教育プログラム案では、(1)臨床見学実習、(2)面接技術の講義、(3)学内演習1(ペア学習)、(4)学内演習2(ロールプレイング演習)、(5)臨床看護技術実習の5段階とした。質問紙には、5段階順序尺度による25項目で(1)面接技術の重要性や課題意識、(2)面接技術実施の心理的状態、(3)面接場面の実施状況などを問い、自由記述により(4)面接技術の理解内容や(5)面接技術の学習内容と方法に関する設問を設定した。
ラット海馬スライスにおける全身麻酔薬の作用機序の検討

全身麻酔薬は、中枢神経の興奮性シナプス伝達を抑制する。そのメカニズムを解明する目的で、本研究ではラットの海馬を用いた電気生理学的実験を行なってきた。本年度の研究では、静脈麻酔薬としてプロポフォール、チオペンタール、ペントバルビタール、吸入麻酔薬として、セボフルレン、イソフルレン、エンフルレン、ハロセンを用いて比較を行なった。静脈麻酔薬の興奮性シナプス伝達抑制効果は、GAGA_Aレセプターアンタゴニストであるビククリンによってブロックされることがわかったが、GAGA_Bレセプターアンゴニストであるムシモールと静脈麻酔薬の作用は異なる。したがって、静脈麻酔薬の中枢神経における興奮性シナプス伝達抑制作用は、シナプス前における作用が大きく影響しているのではないかと考えられた。一方吸入麻酔薬の中枢神経の興奮性シナプス伝達抑制作用は、ビククリンで部分的にはブロックされるが完全にはブロックされない。しかしムシモールの作用とは共通点があり、GAGA_Aレセプターの関与はあると考えられる。今までの実験だけでは、GABA_Bレセプター、グルタメイトレセプター、その他のメカニズムの関与については、明らかにはできない。今後は、GABA_Aレセプター以外の作用機序についてもさらに追究していきたい。
極低温スイッチング熱放射・シールディングMEMSデバイスの開発

温度によってのみ自律的に放熱量をコントロールできる熱放射デバイスに関する研究を行った.相転移材料の熱放射特性の温度依存性を明らかにし,かつ,その表面に周期微細構造を形成した場合の選択的熱放射特性について数値シミュレーションを基に検討した.その結果,材料の熱光学特性の温度依存性に適した周期微細構造を形成することで,選択的熱放射特性の高機能化ならびに熱放射量のコントロールが可能であることが分かった.温度によってのみ自律的に放熱量をコントロールできる熱放射デバイスに関する研究を行った.相転移材料の熱放射特性の温度依存性を明らかにし,かつ,その表面に周期微細構造を形成した場合の選択的熱放射特性について数値シミュレーションを基に検討した.その結果,材料の熱光学特性の温度依存性に適した周期微細構造を形成することで,選択的熱放射特性の高機能化ならびに熱放射量のコントロールが可能であることが分かった.本研究は,転移温度近傍における高温超伝導材料の赤外分光特性の温度変化と表面周期微細構造によるスペクトル選択性ならびに指向性制御を複合させることで極低温域における新たな熱放射・シールド技術を実現させることを目的としている.本年度は初期段階として高温超伝導材料の基礎的熱光学特性を明らかにするため,試料ならびに装置の作製を行った.極低温域における赤外分光特性を取得するため,フーリエ変換型赤外分光光度計に設置するためのクライオスタット(到達温度20K)及び光学系の構築を行った.高温超伝導材料には転移温度の高いYBa_2Cu_3O_<7-x>の多結晶体を選定した.赤外分光反射率の測定結果から,典型的なペロブスカイト型結晶に見られる光学フォノンによる特徴的な3つのスペクトルのピークが観察された.しかしながら,絶縁性のセラミックスと異なり伝導電子の影響により赤外分光反射率が比較的大きく,特に波長50μm以上では約80%の反射率を示すことが確認された.得られた赤外分光反射率よりクラマース・クローニッヒ法および分散解析法から光学定数を算出し,長波長域に向かって金属的に大きく増加していることを確認した.また,赤外放射光のスペクトル選択性ならびに指向性を最大限発揮させるための多層周期微細構造について検討するため,時間領域差分(Finite Difference Time Domain : FDTD)法を用いた3次元光学シミュレーションを導入した.これにより,形状・周期・多層構造・高温超伝導材料の熱光学特性の温度依存性などをパラメータとした光学シミュレーションを可能とした.本年度の成果により,極低温域における種々の高温超伝導体の赤外分光反射率の取得ならびに3次元光学シミュレーションによる多層周期微細構造の決定が可能となった.内外惑星探査を行なう宇宙機は地球近傍を飛翔している時と大きく異なる温度環境に曝される。そのため,宇宙機の大きな温度変化に対応できる受動型熱制御材料として,高温超電導材料や電導性酸化物の赤外熱放射特性に着目している。本年度は,温度により熱放射特性が大きく変化する電導性酸化物と表面微細構造によるスペクトル選択性ならびに指向性を有するふく射熱制御の可能性について検討した。ここでは,マンガン酸化物La_<1-x>Sr_<x>MnO_3を試料に選定し,周期微細構造を有する表面の光学特性の計算には時間領域差分(Finite Difference Time Domain:FDTD)法に加え,Maxwell方程式の厳密解法であるRCWA(Rigorous Coupled-Wave Analysis)法を用いた。La^<3+>とSr^<2+>を一定の比率で混合したこの材料は,放射率が室温以上では絶縁体的挙動により大きく,室温以下では金属的挙動により小さくなることが知られている。そこで,まずは赤外分光反射率の温度依存性の測定結果から,クラマース・クローニッヒ法および分散解析法を用いて光学定数を算出した。得られた光学定数と解析プログラムにより計算を行った結果,周期Λ=10μm,開口a=8μm,深さd=2μmの矩形キャビティの場合,室温付近における熱放射の中心波長である10μm近傍の熱放射を選択的に促進しつつ,低温域においては金属一絶縁体転移に伴い放熱を自律的に抑えられる特徴を維持できることが分かった。この構造であれば,室温以上では放熱量が約30%向上し,173K373Kにおける放射率の変化量も約25%の向上が期待できることが分かった。内外惑星探査を行なう宇宙機は地球近傍を飛翔している時と大きく異なる温度環境に曝される.そのため,宇宙機の大きな温度変化に対応できる受動型熱制御材料として,高温超電導材料や伝導性酸化物の赤外熱放射特性に着目している.本研究では,温度により熱放射特性が室温付近にて最も大きく変化するマンガン酸化物La_1_-_xSr_xMnO_3を試料に選定した.さらに,表面微細構造によるスペクトル選択性ならびに指向性を有するふく射熱制御の可能性について検討した.周期微細構造を有する表面の光学特性の計算にはMaxwell方程式の厳密解法であるRCWA(Rigorous Coupled-Wave Analysis)法を用いた.La^3^+とSr^2^+を一定の比率で混合したこの材料は,放射率が室温以上では絶縁体的挙動により大きく,室温以下では金属的挙動により小さくなる.この相変化に伴う大きな熱放射スイッチング特性をより向上できる周期微細構造について検討を行った.

その結果,周期∧=10μm,開口a=8μm,深さd=2μmの矩形キャビティの場合,室温付近における熱放射の中心波長近傍(約8μm)の熱放射を選択的に促進しつつ,低温域においては金属-絶縁体転移に伴い放熱を自律的に抑えられる特徴を維持できることが分かった.この構造であれば,室温以上では放熱量が約30%向上し,173K373Kにおける放射率の変化量も約25%の向上が期待できることが分かった.さらに,角度依存性について検討した結果,高温・低温のどちらにおいても垂直放射の方向から45度付近の角度まではキャビティによる選択放射の効果があることが分かった.それよりも深い角度になるとほぼ平面と同等の放射特性となり,表面プラズモンと電磁場の結合によると考えられる放射のピークは得られないことが分かった.そのため,通常の平坦な面よりも垂直方向への指向性が強いふく射制御の可能性を有する構造であることが示されたものと考えられる.さらに,波長8μm近傍の放射率のピークは温度に依存せず,常にほぼ100%となることが分かった.つまり,相変化に伴う物性変化はほぼ完全に抑制され,微細構造にのみ依存したスペクトルを示した.以上より,本周期微細構造は,相変化を利用した大きな熱放射スイッチング特性を実現し,指向性ならびに強いスペクトル選択性を有するデバイスとなり得ることが分かった.
統合失調症者に対するレスパイトケアモデルの開発と検証

本研究の目的は、在宅で家族介護者に対して実践されているレスパイトケア(休息のための短期入院)を応用して、統合失調症者に対するレスパイトケアモデル開発し、その妥当性を検証することである。本研究は国が目指す「地域移行・地域定着」というこれからの精神医療の方向性と一致しており、次世代精神医療の多様性と看護の質向上に貢献できると考える。2018年度は、わが国のレスパイトケアに関する研究動向を概観するために論文タイトルを用いた計量テキスト分析(KHcoder)を実施した。また統合失調症者のレスパイトケアの概念についてWalker & Avant(2005)の概念分析を用いて検討した。その結果、統合失調症者のレスパイトケアの定義(試案)では、「地域生活をおくる統合失調症者の家族介護者の要因、あるいは生活上のストレスやセルフマネジメントの限界に直面したストレス脆弱性を抱える当事者の主体的な意思決定の下で成立し、一時的な介護者役割の代行により心身の休息とエンパワメントを当事者にもたらすものである。その結果、当事者に情緒のゆらぎが生じることもあるが、ストレス対処、症状マネジメント、ソーシャルサポートを獲得し、リカバリを促進するものである」という示唆が得られた(第38回日本看護科学学会学術集会・愛媛にて発表)。また精神科レスパイトケア研究会を12月に開催した。研究会では、今後の計画や方向性の確認と統合失調症者のレスパイトケアの定義についての意見交換を行なった。今年度は、文献検討に時間を要した。また精神科訪問看護師および精神科病棟勤務の看護師に対するインタビュー調査と質問紙調査を計画し、国際医療福祉大学研究倫理審査の承認を受けたが、精神科レスパイトケアを実施している精神科病院が少なく、調査協力を得ることが困難であった。そのため2019年度は、調査対象地域の拡大およびショートステイ、グループホームなどの精神科レスパイトケアを受け入れている施設を再検討し、早期に調査できるように倫理審査の見直しを含めて計画する。2018年度に得られた知見を参考にしながら、2019年度(2年目)は、インタビュー調査及び質問紙調査を行ないレスパイトケアモデル(案)を作成する。2020年度(3年目)は、協力施設での試行と評価によるレスパイトケアモデル(案)の妥当性を検討する。得られた成果は関連の学術学会等での学会発表や専門学会誌等での投稿論文により公表を行なっていく。研究協力者は、床島正志氏(西九州大学看護学部看護学科精神看護学、前グループホームもちの樹管理者)、大畑邦広氏(社会福祉法人愛敬会障がい福祉部精神保健福祉士)、原田美穂子氏(株式会社ルミナス訪問看護ステーションりんりん管理者)、木林和男氏(グループホームもちの樹看護師)、飯田仁志氏(福岡大学医学部精神医学教室精神科医)磯野真穂氏(国際医療福祉大学大学院保健医療学)、長弘千恵氏(徳島文理大学保健福祉学部看護学科公衆衛生看護学)、道面千恵子氏(九州大学医学研究院保健学部門看護学分野)の8名であり、研究会での現場実践や専門的立場からの情報提供、調査方法およびデータ分析の妥当性の検討等についての協力を得る。

得られた成果は関連の学術学会等での学会発表や専門学会誌等での投稿論文により公表を行なっていく。研究協力者は、床島正志氏(西九州大学看護学部看護学科精神看護学、前グループホームもちの樹管理者)、大畑邦広氏(社会福祉法人愛敬会障がい福祉部精神保健福祉士)、原田美穂子氏(株式会社ルミナス訪問看護ステーションりんりん管理者)、木林和男氏(グループホームもちの樹看護師)、飯田仁志氏(福岡大学医学部精神医学教室精神科医)磯野真穂氏(国際医療福祉大学大学院保健医療学)、長弘千恵氏(徳島文理大学保健福祉学部看護学科公衆衛生看護学)、道面千恵子氏(九州大学医学研究院保健学部門看護学分野)の8名であり、研究会での現場実践や専門的立場からの情報提供、調査方法およびデータ分析の妥当性の検討等についての協力を得る。2018年度は、精神科訪問看護師および精神科病棟看護師に対するインタビュー調査が出来なかったため、インタビュー調査に必要な経費が繰越となった。また2018年度は2回の研究会を計画したが、インタビュー調査結果の検討ができなかったため、1回の研究会は次年度に持ち越すこととなった。2019年度は、インタビュー調査及び研究会開催に加え、質問紙調査と成果発表を行なっていく計画である。
散乱放射線分布図を用いた被ばく防護教育教材の開発と看護職者への教育効果の検証

本研究の目的は,放射線や放射線被ばくについて専門的な知識をもたない看護師の被ばく防護学習の支援のために,放射線の可視化を目指すことである.臨床場面での看護師の被ばくで問題となるのは,散乱放射線による外部被ばくである.これまでに,病棟における移動型X線撮影時の散乱放射線の強度分布を計測し,プロジェクションマッピングによる可視化を行い,看護学生を対象とした研修会を開催した.プロジェクションマッピングによる放射線防護教育では,一定の教育効果を示したが,被検者の安全性と研修会の汎用性に課題を残した(日本放射線看護学会誌に投稿した).可視化の方法について再検討しつつ,さらに被ばく線量が多いことが予測されるCT検査における散乱放射線の可視化を目指す.昨年度は,人体等価ファントムを患者に見立てた頭部CT撮影における散乱放射線の強度分布の計測に成功した.散乱放射線の計測において,線量計の配置を放射状に変更することで,より強度分布を正確に捉えることができた.散乱放射線の分布は,ガントリーの両サイドで低く,寝台方向ではガントリー中心から離れるにつれ減弱していた.減弱の程度は,概ね距離の逆2乗則に従っていることが確認できた.可視化に向けては,CT室でのプロジェクションマッピングでは日常診療に影響を及ぼすこと,また先回のプロジェクションマッピングでの安全性と汎用性の課題から,本研究ではバーチャルリアリティ(Virtual Reality:VR)を用いた可視化に計画を変更していくことにした.本研究の構想については,第38回日本看護科学学会学術集会の交流集会で口頭発表した.今年度は,対象とする臨床場面の設定と設定した放射線診療場面での散乱放射線の計測を終えることを目標にしていた.先行文献より最も実施件数が多いとされ,また呼吸補助や体動抑制のために医療従事者が検査室内で被ばくする可能性が高い頭部CT撮影を選択した.人体等価ファントムを患者に見立て頭部CT撮影を行った際の検査室内での散乱放射線量を,nanoDot線量計を用いて計測した.計測箇所は,ガントリー中心から40cm間隔,角度30度ごとに水晶体および体幹部に相当する高さ150cm,100cmの点とし,各測定点における空間線量を測定した.各測定点における線量に後方散乱係数を乗じて等価線量の強度分布を導き出した.昨年度の測定結果から得られた等価線量の強度分布を元に,カラーマップを作成する.当初は,作成したカラーマップをCT検査室でプロジェクションマッピングすることで散乱放射線を可視化することを構想していたが,安全性と汎用性の観点からバーチャルリアリティ(VR)技術による仮想空間での可視化を試みる予定である.これにより,物品費の使用予定がVR機材の購入等に変更となった.また,これまでの成果を学会または論文として公表していく.本研究の目的は,放射線や放射線被ばくについて専門的な知識をもたない看護師の被ばく防護学習の支援のために,放射線の可視化を目指すことである.臨床場面での看護師の被ばくで問題となるのは,散乱放射線による外部被ばくである.これまでに,病棟における移動型X線撮影時の散乱放射線の強度分布を計測し,プロジェクションマッピングによる可視化を行い,看護学生を対象とした研修会を開催した.プロジェクションマッピングによる放射線防護教育では,一定の教育効果を示したが,被検者の安全性と研修会の汎用性に課題を残した(日本放射線看護学会誌に投稿した).可視化の方法について再検討しつつ,さらに被ばく線量が多いことが予測されるCT検査における散乱放射線の可視化を目指す.昨年度は,人体等価ファントムを患者に見立てた頭部CT撮影における散乱放射線の強度分布の計測に成功した.散乱放射線の計測において,線量計の配置を放射状に変更することで,より強度分布を正確に捉えることができた.散乱放射線の分布は,ガントリーの両サイドで低く,寝台方向ではガントリー中心から離れるにつれ減弱していた.減弱の程度は,概ね距離の逆2乗則に従っていることが確認できた.可視化に向けては,CT室でのプロジェクションマッピングでは日常診療に影響を及ぼすこと,また先回のプロジェクションマッピングでの安全性と汎用性の課題から,本研究ではバーチャルリアリティ(Virtual Reality:VR)を用いた可視化に計画を変更していくことにした.本研究の構想については,第38回日本看護科学学会学術集会の交流集会で口頭発表した.今年度は,対象とする臨床場面の設定と設定した放射線診療場面での散乱放射線の計測を終えることを目標にしていた.先行文献より最も実施件数が多いとされ,また呼吸補助や体動抑制のために医療従事者が検査室内で被ばくする可能性が高い頭部CT撮影を選択した.人体等価ファントムを患者に見立て頭部CT撮影を行った際の検査室内での散乱放射線量を,nanoDot線量計を用いて計測した.計測箇所は,ガントリー中心から40cm間隔,角度30度ごとに水晶体および体幹部に相当する高さ150cm,100cmの点とし,各測定点における空間線量を測定した.各測定点における線量に後方散乱係数を乗じて等価線量の強度分布を導き出した.昨年度の測定結果から得られた等価線量の強度分布を元に,カラーマップを作成する.当初は,作成したカラーマップをCT検査室でプロジェクションマッピングすることで散乱放射線を可視化することを構想していたが,安全性と汎用性の観点からバーチャルリアリティ(VR)技術による仮想空間での可視化を試みる予定である.

これにより,物品費の使用予定がVR機材の購入等に変更となった.また,これまでの成果を学会または論文として公表していく.2018年度の散乱放射線量の測定において放射線安全管理の専門家の立ち合いに日当として予算を計上していたが,受け取りを拒否されたため一日分の日当額として10,000円が残った.残りの3,313円は物価の変動や大量購入による割引等により残った.2019年度は,2018年度の計測結果を元にプロジェクションマッピングを用いたコンテンツを作成する予定であったが,汎用性,安全性の観点からバーチャルリアリティ(VR)コンテンツに変更することになった.それに伴い,機材の購入やコンテンツの制作に予算が必要となり,こちらに充当する予定である.
潜在競合学習法による多様多層ニューラルネットワークの構築

ニューラルネットワークの競合学習をより一般的な方法に移行させる研究をおこなってきた。一般化された競合学習は、未知の入力にうまく対応できるだけではなく、これまで不可能とされていた推論過程の解釈に応用できることがわかった。新しい学習法は、相互情報量最大化と最大化された情報量の圧縮から構成されている。まず、相互情報量の最大化は、学習の基本メカニズムであるWinner-take-allメカニズムによって実現できることを確認した。また、競合するニューロンの数を増加させることによっても情報量を大きくできることもわかった。さらに、情報量最大化を円滑におこなうために、構造の単純化と誤差の最小化を情報量最大化から完全に分離する学習法を提案した。情報量最大化と構造の単純化と誤差最小化は矛盾する場合があり、情報量最大化を十分に大きくすることができない場合があった。この欠陥を克服できる可能性を確認できた。次に、この情報量を圧縮する方法を提案した。圧縮は、ニューラルネットワークを構成するすべてのウェイトを平均することによって求められることがわかった。また、情報量の圧縮は、情報量最大化の後でおこなわれるので、情報の劣化を最小限にすることができることも確認できた。この方法を、実際のビジネスデータへ応用した。ビジネスデータ解析では、結果の解釈が最も重要視され、解釈できないニューラルネットワークの応用の最大の問題点であった。応用の結果より、従来の方法よりも、新しいパターンにうまく対応できることがわかった。さらに、従来の方法、たとえば、ロジスティック回帰分析と比較すると、より単純な解釈を可能にすることがわかった。研究成果は、ニューラルネットワークの応用範囲をさらに広げるものであると考える。ニューラルネットワークの代表的な競合学習をより一般的な方法に移行する研究をおこなっている。これまでの入力パターンとウェイトの類似性(距離)に基づいた(閉じた)競合学習から多様な競合形態を活用する潜在競合学習へと転換する研究を推進している。新しい潜在競合学習の研究は,基礎的な三つの研究,すなわち,多様なニューロンの能力、多様な競合の場,多様な競合形態の研究と、これらの研究にもとづいた多様多層ニューラルネットワークを構築しようとする研究から構成される。平成28年度は多層化への拡張、多様な能力の研究、そして解釈の研究が大きく進展した。まず多層型ニューラルネットワークへの展開である。これまで単層で潜在学習を展開してきた。単層の方法は、そのまま多層でも用いることができることがわかった。多層化することによって大きく汎化能力が向上することもわかった。次に多様な能力の研究である。これまでは潜在能力としてニューロンの分散を唯一の候補として研究をおこなってきた。しかし、分散だけではなく、多くの可能性が見えてきた。たとえば、ウェイトの絶対的な大きさも潜在性の指標として用いることができることがわかった。またウェイトあるいはニューロンの選択性も潜在能力として考えることができるようになった。さらに解釈の問題でも前進があった。解釈には二つの方法を考えている。第一に中間層をすべてひとくくりにして解釈する集合的解釈の方法である。つぎに、コネクションをなるべく正の値にする方法である。この二つの方法を用いると多層ニューラルネットワークにおいても単層と同じように解釈できるようになることがわかった。平成28年度は、これまでに単層ニューラルネットワークに限られていた潜在学習法を多層ニューラルネットワークに拡張することを目的として研究をおこなった。潜在学習は,これまでは単層ニューラルネットワークにのみ適用してきた。潜在学習は、自然な形で多層ニューラルネットワークに拡張できることを確かめた。しかし,多層ニューラルネットワークでは、情報消失の問題と解釈の問題が生じた。まず、情報消失問題である.多層型ニューラルネットワークは通常事前学習として自己符号化器などの教師なし学習が用いられる。教師なし学習は元のデータをできるだけコンパクトに圧縮する働きをもっている。しかし、多層型に応用した場合は、教師なし学習が繰り返し適用されるために元の情報を消失してしまうという欠陥があった。この問題を解決するために半自己符号化器を提案した。半符号化器では、常に元の入力パターンを再出力し、もとのパターンの情報を保持する役割を持っている。次に、結果の解釈の問題である。ニューラルネットワークでは解釈が困難であることが最大の問題となっている。この問題は多層型ニューラルネットワークでは、さらに深刻になっている。この問題に集合的解釈を提案した。これは、すべての隠れた層を一括して扱うことで解釈の問題を克服する方法である。さらに解釈を容易にするためにウェイトをなるべく正の値にする方法も考えた。ニューラルネットワークは正と負のウェイトを持ち、これらの組み合わせを用いることによって学習をおこなっている。しかし、正のウェイトと負のウェイトの組み合わせは、その解釈を困難なものにしている。たとえば、正のウェイトと負のウェイトがお互いに干渉しあうことがある。この時には、解釈はかなり困難なものになる。したがって、できるだけ正の値だけウェイトは解釈を容易にすることができることがわかった。ニューラルネットワークの競合学習をより一般的な方法に移行する研究をおこなっている。平成29年度は多層化への拡張と解釈の研究が大きく進展した。