hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
サイレントシナプスの画像化法を用いた神経可塑性に関する研究

本研究課題は、シナプス形成部位である神経終末(前シナプス)及びspine(後シナプス)の機能を同時に画像化することにより、"シナプス伝達・可塑的変化"機序の解明、及びシナプスの可塑性を"見る"新しい評価法を確立することを目的としている。本年は、ラット海馬初代培養神経細胞を用いて、神経終末のシナプス小胞をFM1-43で標識し、単一シナプスの開口放出過程をリアルタイムで観察する手法及び、後シナプスの応答を共焦点レーザー顕微鏡でCa^<2+>シグナルとして解析する方法を確立し、シナプス伝達をリアルタイムで"見る"手法を確立した。本実験手技を用いて、神経及び周辺アストログリア細胞由来のATPが、海馬の興奮性シナプス伝達を抑制すること、この抑制機序は前シナプスからの伝達物質放出抑制に起因していること、内在性ATPによるこれらシナプス伝達変化が長期的な可塑的変化と関連している可能性を明らかとした。今回取得したイメージング技術は、種々の細胞及び組織に応用することが可能で、実際、後根神経節細胞、各種グリア細胞、PC12細胞を用いた実験系で、神経伝達物質・サイトカインの分泌応答、神経伝達の可塑的変化を観察する事が可能となった。シナプス可塑性に関する新しい知見として、神経特異的蛋白質、neuronal calcium sensor-1 (NCS-1)が、細胞内のphosphatidylinositide(PI)の代謝回転を制御している重要な酵素phosphatidylinositol 4-kinase(P14K)を活性化すること、これによりP14K移行のPI代謝回転が亢進し、Ca^<2+>放出能が増大することにより、Ca^<2+>依存性の神経伝達物質放出を増強させることを見出した。これは、PI代謝制御による神経伝達物質放出調節機構という全く新しいシナプス伝達制御システムである、NCS-1の発現量増加が長期増強現象と相関していることから、NCS-1を介するシナプス可塑性調節機構の存在が新しく示唆された。神経伝達物質放出及びその応答を、高い空間・時間分解能で"見る"の開発により、シナプス伝達及びシナプス可塑性の新しい制御様式が明らかとなった。本研究は、シナプス形成部位である神経終末(前シナプス)及びspine(後シナプス)の機能を同時に画像化することにより、"シナプスの可塑的変化"機序の解明、及びシナプスの可塑性を"見る"新しい評価法を確立することを目的としている。長期増強などシナプス可塑性獲得過程では、サイレントシナプスと呼ばれる、通常機能していないシナプスが機能的になることが重要であると考えられている。このシナプスの脱サイレント仮説には二つの有力な説、つまり(1)後シナプスの脱サイレント化、及び(2)前シナプスの脱サイレント化、があるが、前及び後シナプスを同時に記録する実験系が無いことから、未だにこれら仮説の是非は不明のままである。本年度は、共焦点レーザー顕微鏡を用いて、特に"単一神経終末"の機能を画像化する基礎検討を行った。神経終末の機能を画像化する方法として、FM1-43色素を機能的シナプスに取り込ませること、またFM1-43の非特異的結合を除去するために特殊なスカベンジャーとしてADVASEP-7を応用することに成功した。まず後根神経節細胞での検討により、ATPにより惹起される単一後根神経説細胞からの神経伝達物質放出過程を画像化することが可能となった。さらに、より複雑な系、脳の海馬のスライス標本を用いて、ATPによって惹起される興奮性神経伝達物質グルタミン酸放出の抑制過程を画像化することに成功した。神経終末特異的なマーカーであるシナプスファイジンとFM1-43の二重染色による解析により、画像化した部位のほとんどが神経終末であることが明らかとなった。今後は、後シナプス部位spineの画像化技術を完成させること、さらにFM1-43との同時画像化法を完成させ、シナプス可塑性獲得過程における、サイレントシナプスの脱サイレント機序を解明を目指してゆく。シナプス可塑性に関する新しい知見として、神経特異的蛋白質、neuronal calcium sensor-1 (NCS-1)が、細胞内のphosphatidylinositide(PI)の代謝回転を制御している重要な酵素phosphatidylinositol 4-kinase(P14K)を活性化すること、これによりP14K移行のPI代謝回転が亢進し、Ca^<2+>

放出能が増大することにより、Ca^<2+>依存性の神経伝達物質放出を増強させることを見出した。これは、PI代謝制御による神経伝達物質放出調節機構という全く新しいシナプス伝達制御システムである、NCS-1の発現量増加が長期増強現象と相関していることから、NCS-1を介するシナプス可塑性調節機構の存在が新しく示唆された。神経伝達物質放出及びその応答を、高い空間・時間分解能で"見る"の開発により、シナプス伝達及びシナプス可塑性の新しい制御様式が明らかとなった。
随意運動をもたらす神経細胞の活動動態

本研究の目的に従い、当初の実施計画通りhead-mounted laser camra(HLC)を試作し、新たに考案した行動計測装置、及び光プローブを試作し、実際にこれらを動物脳内において運用した。マウス全運動野の絨毯イメージングを行い、得られたイメージングデータを網羅解析した。結果、随意運動の発露に先行する“運動準備活動"を計測でき、解析した詳細な神経活動様式は論文として成果を発表した(T. Kobayashi et al., 2018, 2019)。本研究は埼玉大学、京都大学と連携しながら進められた。カメラ部の技術提供をD社とI社より受けた。別途イメージセンサ部の改良検討をS社と行った。また、行動計測装置と光プローブを併用した自由行動下動物の光遺伝学的行動解析により、新たに視覚ー運動連合における大脳皮質の内部モデル形成の実装概念を提唱し、実際にその実装課程における大脳皮質の責任領域を明示した。脳内埋植用光プローブは自由行動下ゼブラフィッシュおよびマウスの手綱核においても適用が進められた。義体制御システムの開発は芝浦工大と共同研究が進められた。さらに本研究の遂行課程で、新たに既存の顕微鏡技術に工夫を凝らしたいくつかの技術開発をO社、東京大学、理研所内の別チームとともに行った。以上の研究成果は国内外の学会において発表し、特許出願によっても広く一般に公知された。なお、当該研究課題は研究代表者の国外への異動により中断された。体を思い通りに動かすこと、すなわち発話や道具使用などを可能にする随意運動の発露は文化・文明の礎となる大切な脳機能である。我々動物は、このような運動をすることでのみ他者や外界と関与する。随意運動の発露には大脳皮質運動野が重要な役割を果たしていることが知られ、運動野では運動を開始する直前に実際の運動より早く運動準備電位が生じる。この運動開始前の神経活動は適切な行動の企画と選択に関与すると考えられ、特定の運動は運動野の特定の神経細胞集団によってもたらされると考えられるが、そのような集団の特定と、その動的な活動様式には未だ明らかになっていないことが多い。そこで本研究では、大脳皮質運動野において随意運動をもたらす神経活動をデコードすることを目的とし、自由行動下の動物の左右大脳半球の運動野領域“全体"の“個々"の神経細胞の活動をリアルタイムでイメージングすることが可能なwearableデバイスを新規に開発する。そしてこれを実際に自由行動下の動物の生体脳で運用する。これにより、動物が自らの意思(“自由意志")で特定の随意運動を想起、選択して、発露する際に要する神経細胞集団(cell assembly)を特定し、その実体と実態を明らかにすることを目指す。具体的には各年度において下記を実施する。(ii)行動計測装置を試作し、(i)を用いてマウス全運動野の絨毯イメージングを行う。(iii)得られたイメージングデータを網羅解析する。本年は当該研究の初年度である。まず、自由行動下マウスの、両側運動野の全ての神経細胞活動を解析することを目的とし、広域・高深度でリアルタイム蛍光イメージングができるwearableデバイスとして、HLCのプロトタイプを試作した。マウスは運動野が大脳皮質の脳溝に隠れておらず、ほぼ全領域が露出していて平坦である。また遺伝子改変系統を使用する事ができる。このような利点から本研究ではマウスを使用している。神経活動はCa2+指示蛍光タンパクで可視化できる。このタンパク質を興奮性/抑制性の神経細胞種特異的に発現するよう遺伝子改変されたマウス系統を用いた。動物を飼育しながらデバイスを頭部に設置して長期観察するには配線が邪魔になる。コネクタなど繊細な電装パーツで脱着しようとすると故障やノイズの原因となる。このような問題を解決するため、HLCのカメラ部はスペーサ部と機械的に脱着できるよう設計した。スペーサ部は観察窓を備えるため、開頭手術後に頭部に慢性留置すると顕微鏡下でも脳表観察できる。そして計測時のみカメラ部を装着する。これでマウスはストレス無く飼育・繁殖でき、長期的な断続観察が容易となった。行動に伴いHLCは一緒に動くため振動による映像の乱れはほぼ発生しないが、生じても解析時に修正できる。HLCのカメラ部は励起光源系と蛍光撮像系を備える。励起光の照射はレーザ発振装置と光ファイバで実施できるが、広範囲照射のために大口径ファイバ、あるいは複数本のファイバを使用するとマウス自由行動が妨げられる。また将来の無線化を考慮すると好ましくない。このため、励起光源系は小型レーザ発振素子を用いて独立駆動系とした。また、調光機能を備え状況に応じ励起光加減を可能とした。蛍光撮像系には低電力・小型で発熱が少ないCMOSイメージセンサを用い、特定波長蛍光のみ透過するフィルタを備え蛍光撮像できるよう設計した。また大脳皮質の浅部から深部まで全焦点とするdeep-focusレンズを備え、レンズバレル調節で視野変更を可能とした。以上の結果、当初の予定通り自由行動下マウスの神経活動を蛍光強度変化として可視化する新しいデバイスの試作機が完成した。

結果、随意運動の発露に先行する“運動準備活動"を計測でき、解析した詳細な神経活動様式は論文として成果を発表した(T. Kobayashi et al., 2018, 2019)。本研究は埼玉大学、京都大学と連携しながら進められた。カメラ部の技術提供をD社とI社より受けた。別途イメージセンサ部の改良検討をS社と行った。また、行動計測装置と光プローブを併用した自由行動下動物の光遺伝学的行動解析により、新たに視覚ー運動連合における大脳皮質の内部モデル形成の実装概念を提唱し、実際にその実装課程における大脳皮質の責任領域を明示した。脳内埋植用光プローブは自由行動下ゼブラフィッシュおよびマウスの手綱核においても適用が進められた。義体制御システムの開発は芝浦工大と共同研究が進められた。さらに本研究の遂行課程で、新たに既存の顕微鏡技術に工夫を凝らしたいくつかの技術開発をO社、東京大学、理研所内の別チームとともに行った。以上の研究成果は国内外の学会において発表し、特許出願によっても広く一般に公知された。なお、当該研究課題は研究代表者の国外への異動により中断された。マウスに特定の随意運動のみを生じさせ、それを高効率で再現性良く計測するために適した行動計測システムを構築する。そして構築したシステムを用いてHLCを運用し、自由行動下マウスの特定の随意運動時にのみ生じる両側運動野の全ての神経細胞活動を蛍光イメージングによって計測する。動物は実験者の思惑通りには行動しない。よって適切な随意運動の企画・選択・発露過程を解析するには、完全に自由気ままに行動させるのではなく知覚情報を制御すると同時に動きを制限する装置を用いる。具体的には、必要な視覚、聴覚情報を人為的に与えることが可能なコクピットにマウスを乗せ体躯を包み、一部の肢の特定運動のみ出来る状態にして、HLCを使って神経活動をイメージングできる計測システムを新たに構築して使用する。計測時にマウスの運動はコクピットの両側方よりそれぞれ別カメラで撮像し、与える合図と動きと神経活動を比較できるようにする。以上の方法により、マウス両側運動野で蛍光イメージングができ、肢の特定の随意運動に相対する特定のcell assemblyの活動を抽出することを試みる。様々な外科術式を検討した結果、マウス脳へのスペーサの長期安定設置と最低でも3ヵ月以上の長期断続イメージングが可能であることを確認した。現状のHLCの視野は1機ですでにマウス両側運動野のほぼ全域を撮像できるが、さらに広域の領野間で神経活動の伝播を観測したいという要求のためにはHLCを並列使用して対応する。小さく軽量のため理論上4機程度までC57B6マウス頭部で並列使用しても自由行動を妨げない。これまでマウス自由行動中に配線からノイズは混入していないが、計測環境に応じて高周波イメージングデータ伝送に耐えるシールド配線、かつ動物行動を妨げない太さ、軽量で柔軟な配線の使用を随時検討して対応したい。
サル類を用いた0-157大腸菌による溶血性尿毒症症候群(HUS)モデル開発

オナガザル属に分類されるアフリカ産のアフリカミドリザルとアジア産のカニクイザルについて、ベロ毒素のレセプター分子である糖脂質(セラミドトリヘキソース;CTH)の発現様式を生化学的に検索したところ、カニクイザルのほうがアフリカミドリザルよりも強く発現していること、腎、脾、骨髄、肺で強く発現していることが明らかになった。モノクローナル抗体を用いた免疫組織染色では、カニクイザルにおいてCTHは小腸の粘膜上皮細胞、腎の糸球体、尿細管の上皮細胞、脾髄および全身の血管内皮細胞に比較的強く発現していることが明らかにされた。ベロ毒素を接種したカニクイザルではVT1,VT2接種例ともに2448時間で瀕死状態となった。剖検所見では腸管の出血、腹水あるいは胸水の貯留が認められた。明瞭な血小板の減少あるいは凝血機能の低下、血清生化学値の変動が明らかになった。病理組織学的には激しい出血性腸炎、肺の水腫性変化、腎糸球体及び尿細管の変性、及び血管内皮細胞の変性など、ヒトの病態に類似した病変が惹起された。今回のベロ毒素投与量はマウスに換算したものであり、げっ歯類に比べて霊長類がベロ毒に対し非常に感受性が高いことが明らかになった。従って霊長類では、より低濃度のベロ毒素を用いた比較的長期の病態変化の追跡実験が必要であると思われる。健康な感染症フリーの成熟カニクイザル(12才)およびアフリカミドリザル(8才)の雌ザルについて、Vero毒素1,Vero毒素2(VT1,VT2)のレセプターとなる糖脂質の発現状況を検索した。検索対象となる動物を麻酔後、安楽殺して、肝、脾、腎、副腎、膀胱、卵巣、子宮、大動脈、大静脈、心、食道、胃、十二指腸、空腸、回腸、盲腸、直腸、気管、肺、大脳皮質、基底核、脳幹部、脊髄、胸腺、鼠径リンパ節、腋窩、腸間膜リンパ節、扁桃および皮膚、筋、骨髄について中性糖脂生を抽出し、薄層クロマトグラフィー法により検索した。その結果VTのレセプターとなるセラミド・トリヘキソース(CTH)は、アフリカミドリザルよりもカニクイザルで強く発現している傾向がみられた。また臓器別では、腎、脾、骨髄、肺でもっとも強く発現されており、ついで十二指腸、回腸、盲腸、心、大動脈、後大動脈などに強く発現していた。発現が弱い組織は胸腺、鼠径リンパ節、腸間膜リンパ節、気管、扁桃、食道、胃、結腸、直腸、肝、卵巣、子宮、網膜、副腎であった。脳その他の臓器からは検出されなかった。現在精製VT1,VT2を投与してその病態解析を進めている。昨年度、O-157べ口毒素(VT1,VT2)のレセプターである、トリヘキソース・セラミド(THC)の発現をカニクイザル、及びアフリカミドリザルについて、脂質抽出と薄層クロマトグラフィにより解析した。本年度は1)O-157ベロ毒素(VT1,VT2)に対するレセプターの発現を、各組織、臓器についてin situで検索するため、凍結切片を作成しCTHに対するモノクローナル抗体を用いカニクイザルで検索した。また、2)精製VT1とVT2を静脈内投与し、各臓器に対する毒性を臨床学的、病理学的に解析し以下の結果を得た。1)ベロ毒素に対するレセプターは、小腸上皮細胞、血管内皮細胞、腎糸球体、副腎皮質細胞等で強く発現していた。この他にも肺、リンパ系組織でも弱い発現が見られた。2) VT1,VT2(各10ug/kg BW)投与したカニクイザルでは、投与後24時間で粘血便、血液凝固能の顕著な低下、腎機能不全が認められた。3)病理解剖所見としては、小腸の出血、胸水の貯留、副腎皮質の微小出血が見られた。4)病理組織学的検索では、小腸上皮細胞の壊死、剥離が顕著であった。腎では糸球体ボーマン嚢壁の肥厚、メサンギウム領域の拡大、尿円柱が見られた。

肺では血管周囲性水腫が顕著で小血管の透過性が亢進していることが示唆された。他に大動脈内、中膜の空胞化、副腎皮質の出血が認められた。カニクイザルはべ口毒素に対し、げっ歯類の数千倍の感受性を示すこと、ベロ毒素により引き起こされる病態と組織病変がヒトに類似していることが明らかにされた。オナガザル属に分類されるアフリカ産のアフリカミドリザルとアジア産のカニクイザルについて、ベロ毒素のレセプター分子である糖脂質(セラミドトリヘキソース;CTH)の発現様式を生化学的に検索したところ、カニクイザルのほうがアフリカミドリザルよりも強く発現していること、腎、脾、骨髄、肺で強く発現していることが明らかになった。モノクローナル抗体を用いた免疫組織染色では、カニクイザルにおいてCTHは小腸の粘膜上皮細胞、腎の糸球体、尿細管の上皮細胞、脾髄および全身の血管内皮細胞に比較的強く発現していることが明らかにされた。ベロ毒素を接種したカニクイザルではVT1,VT2接種例ともに2448時間で瀕死状態となった。剖検所見では腸管の出血、腹水あるいは胸水の貯留が認められた。明瞭な血小板の減少あるいが凝血機能の低下、血清生化学値の変動が明らかになった。病理組織学的には激しい出血性腸炎、肺の水腫性変化、腎糸球体及び尿細管の変成、及び血管内皮細胞の変性など、ヒトの病態に類似した病変が惹起された。今回のベロ毒素投与量マウスに換算したものであり、げっ歯類に比べて霊長類がベロ毒に対し非常に感受性が高いことが明らかになった。従って霊長類では、より低濃度のベロ毒素を用いた比較的長期の病態変化の追跡実験が必要であると思われる。
脳外科手術の術中画像診断における光音響画像化技術の有用性の検証

脳外科手術では病変部と周囲脳血管との位置関係を迅速、的確、かつ再現性良くリアルタイムに術中確認することが重要である。光音響画像化技術の術中応用に着眼した。造影剤の使用なく微細な血管網の画像化が可能な手法であるが脳外科手術への応用は皆無であった。我々は、皮下血管や脳表血管、あるいは微少な脳腫瘍血管の非侵襲的な描出に成功し、脳異常病変と周囲脳血管の描出についても確認できたうえ、その際の機材特性(空間分解能、感度)、操作性、再現性について評価した。さらに、頸動脈プラーク性状評価するために励起光の波長を変更し、光音響信号を解析することで性状確認しえた。脳外科手術において本法に有用性が明らかになった。従来から我々は、血中ヘモグロビンを初めとする光吸収体を高コントラストに画像化する光音響画像化技術を推進している。本研究では新たに改良した光音響画像化装置を用いて病変部と周囲脳血管の描出における特性(空間分解能、感度)、操作・再現性について評価することを目的とする。当該年度は基礎的研究を主体にすすめることで、頭蓋内血腫モデルを作成し、光音響画像装置に関する性能や特性を検証するとともに、操作性、再現性を向上するべく機器の性能開発に努めた。具体的には全身麻酔下に開頭し、予め確保しておいた動脈ルートから40μlの血液を採取し、シリンジポンプを用いて脳表から深さ4mmの部位に注入し、頭蓋内血腫モデルを作成した。本モデルを対象に光音響画像を取得し,その後に摘出した組織の断面と比較した。血腫の存在領域において光音響画像が高輝度となっており,光音響画像化技術により血腫を高コントラストに描出できている一方で,提示した画像において画像の空間分解能は不十分であった。今後はセンサーの周波数や焦点距離の最適化により得られた画像解像度の改善をめざす。さらに脳表からどの程度の深さにある血腫を描出できるのかを定量的に評価する。加えて,周囲を走行する脳血管の描出能に関しても評価する予定である。動物モデルを確立し、さらに光音響システムも当初の予定通り稼働することが可能になった。すでに動物を用いた基礎実験系では光音響画像を取得することが出来た一方で、画像解像度における問題点も浮き彫りになっている。今後は、臨床における開頭手術への応用に関しても倫理委員会を通じて可能となっており機器の消毒法の確立や計測の算段も立っているためおおむね当初の予定通りの進展であると判断している。脳外科手術において病変部と周囲脳血管との位置関係を迅速、的確、かつ再現性良くリアルタイムに術中確認することが重要である。昨年までに動物血腫モデルにおいて病変部と周囲血管の画像を取得してヘモグロビン描出に優れた波長の励起光を見出した。予備実験で光音響画像化技術では高いコントラストで血腫の描出が出来ることが確認されたが、空間分解能が課題であった。本年度はより高空間分解能である装置を用いてコントラスト及び空間分解能を評価することで脳表血管や脳表病変の近傍に存在する血管の描出能力の向上に努めた。その結果、血腫除去術、脳血管奇形摘出術、脳腫瘍摘出術等の脳外科手術への臨床応用をすすめた。なた、血行再建術におけるドナー血管の確認について安全に非侵襲的に行うことが可能であると思われる。今回、光音響装置はICGと励起光の波長が合致することが判明したため今後は、ICG造影することでより鮮明で正確な走行位置情報が得られるものと期待している。さらに頸動脈プラークの性状分析に関して脂質、およびコレステロールとで異なる特性を有する光波長を同定した。今後は、これらの励起光を用いて正常血管と不安定プラークとの相違、あるいはプラークの性状分析、すなわちプラークにおける脂質含有量分析への応用を予定している。1)血行再建術における光音響技術の有効性の検証ウサギ鼠径部、およびひと前腕における血管分布状況の視認した。ウサギ鼠径部とひと前腕における血管分布像を取得した。右側のヒト上腕における光音響計測では橈骨動脈、ならびに上腕静脈の走行は確認できるものの深部に低エコー領域が視認されその意義について今後の検討課題である。2)脳腫瘍への応用脳腫瘍病変に対して光音響画像を取得した。低エコー領域の辺縁に沿って高信号な部分と,低エコー領域の内部が更新号な部分の両方を確認した。低エコー領域以深(表面から約10 mm)を走行する血管像を確認することに成功した。さらに低エコー領域以深に強信号を確認したが、アーティファクトであるか実信号であるかの鑑別が必要であった。3)頚動脈プラークの不安定性評価における光音響技術の有効性の検証光音響画像化技術をプラークの不安定性評価に応用するための基礎検討として,不安定プラークの光吸収特性の計測を行った。光吸収特性を計測する手段として,近赤外分光法を用いた。本法では,光音響画像化技術と同様に,計測サンプルの光吸収特性を非破壊に評価できる。本法は空間分解能が低く,計測深さが浅い欠点を有するが,広い波長域での光吸収特性を一度に計測できる利点を有する。

本法を用いて,頸動脈内膜剥離術(CEA)により摘出した検体の光吸収特性を解析することにより,正常血管と不安定プラークとで異なる特性を有する光波長を同定した。脳外科手術では病変部と周囲脳血管との位置関係を迅速、的確、かつ再現性良くリアルタイムに術中確認することが重要である。今回我々は、血液内のヘモグロビンをはじめとする光吸収体を高コントラストに画像化する光音響画像化技術を新たに開発した。新たな画像診断ツールとして着目されており、造影剤の使用なく微細な血管網の画像化が可能な手法であるが脳外科手術への応用は皆無であった。すでに我々は、皮下血管や脳表血管、あるいは微少な脳腫瘍血管の非侵襲的な描出に成功したが、画像精度や画像作成にかかる時間短縮が問題であった。本研究では新たに改良開発された新型プローブと約1.5cmの深部で約100μ径の血管の画像化が可能となるべく新たに開発された光音響画像化装置を用いて病変部と周囲脳血管の描出における特性(空間分解能、感度)、操作性、再現性について評価するとともに、励起光の波長を変更し、光音響信号を解析することで生理学的・形態学的情報の同時測定と定量的酸素飽和度計測における精度を検証した。励起光の波長を変更し、脂質を感知描出できるため、脂質成分やプラーク内血腫の存在を感知しうる光波長を探索同定しながら頸動脈プラークの性状を解析することができた。術中・術前に不安定プラークの性状をより鋭敏かつ的確な診断精度が向上する解析法を確立すべく、術中に採取した頸動脈プラーク病変に対して光音響により様々な波長の光を照射して反響する超音波波長と病理学的評価から、脂質成分や微少出血成分のプラーク内分布を把握できた。さらにヒト脳腫瘍病変、あるいは脳血管奇形、脳出血などの脳表在病変において病巣周囲脳血管の画像を取得し、経皮的に皮下の動・静脈血管の走行を描出することに成功した。今後もさらに機器の精度をあげより簡便、かつ確実に術中診断機器としての応用を探索する必要があるものと思われる。光音響画像化技術の術中応用に着眼した。造影剤の使用なく微細な血管網の画像化が可能な手法であるが脳外科手術への応用は皆無であった。我々は、皮下血管や脳表血管、あるいは微少な脳腫瘍血管の非侵襲的な描出に成功し、脳異常病変と周囲脳血管の描出についても確認できたうえ、その際の機材特性(空間分解能、感度)、操作性、再現性について評価した。さらに、頸動脈プラーク性状評価するために励起光の波長を変更し、光音響信号を解析することで性状確認しえた。脳外科手術において本法に有用性が明らかになった。すでに得られた動物モデルにおける光音響画像データから、今後はセンサーの周波数や焦点距離の最適化により得られた画像解像度の改善をめざす。さらに臨床の開頭手術時において使用して脳表からどの程度の深さにある血腫を描出できるのかを定量的に評価する。加えて,周囲を走行する脳血管の描出能に関しても評価する予定である。今後はかように臨床実験を進めていく予定にしている。1)血行再建術における光音響技術の有効性の検証通常,血行再建術に使用するドナー血管は、経皮的に確認する際には術中ドップラー血流計,ならびに動脈拍動を触知しながらマーキングしている。しかし,非常に細い血管では走行を把握することは困難であり,さらに全身麻酔下では触知困難となりさらに走行を把握することは困難を極める。
多型マイクロサテライトを用いた東アジア人の遺伝的特性に関する研究

現在、ヒトゲノム上に多くの多型マーカーが同定され、これを利用した連鎖不平衡マッピングにより、多遺伝子性疾患関連遺伝子の同定が試みられようとしている。一方で、そのような解析に必須となる人類集団の遺伝的特性に関する知見は少なく、特に日本人など東アジア人集団における情報は非常に少ない。疾患によっては、民族集団をうまく用いたエスニックマッピングを行うことが必須と考えられ始めている。申請者はこれまで、多型マイクロサテライトをゲノム全体にわたり約100kbに1個という高密度で配置するという研究を行ってきた。そこで、本研究は、これら約30,000個にもおよぶ多型マイクロサテライトを利用して、東アジア人の遺伝的特性やその進化的類縁関係を研究することを目的とした。平成16年度は、350人の日本人DNAを用い、上記領域に存在する多型マイクロサテライトマーカー計50個に関してPCR増幅を行い、遺伝子型判定を行った。マイクロサテライトマーカーの近傍に散在する計193個のSNPsについて公的DBから選択し、TaqMan法を用いたタイピングを行った。最尤推定法による遺伝子頻度の計算を行い、ハーディ・ワインベルグ平衡検定を行った。また、隣り合う2遺伝子座間のハプロタイプ頻度と連鎖不平衡強度を推定した。その結果、マイクロサテライトで連鎖不平衡が観察された領域では、同じくSNPsでも連鎖不平衡が観察され、SNPsマーカーによるLDブッロク上のハプロタイプと特定のマイクロサテライト対立遺伝子が対応関係にあることが観察された。もっとも強い連鎖不平衡は6p21.3に見出された。以上の得られた情報(多型情報、ハプロタイプ情報、統計指標ほか)をデータベース化するための設計を行った。また、グラフィカルな結果表示機能を持たせるためのツール開発を行った。
歯科インプラントにおける造成骨再生状態モニタリングの光音響計測装置の開発

本研究では,光音響法を用いた造成骨再生状態のリアルタイムモニタリングを行う計測システムを,「非接触・無侵襲・in vivo」で確立することを目的とする.一般的な光音響計測では,光波で試料内に音響波を励起し,その音響波信号を試料表面に貼付した圧電素子で検出する.しかし本システムでは,サンプルを伝播した音響波信号をマイケルソン光波干渉計で検出することにより,「高感度・非接触」型を実現している.前年度の研究実績報告書に示したように,GBR法を模擬した造成骨ファントムを使用するに伴い,ブタ顎骨の構造および物性値(弾性率など),さらにはブタ歯周組織(歯牙・歯根膜・歯槽骨)の変位・変形挙動を測定する必要が生じた.そこで数日前に屠殺された比較的新鮮なブタの頭蓋骨を準備し,その頭蓋骨の下顎骨から歯周組織の薄片を取り出した.そして,咬合時におけるブタの歯周組織の変位・変形挙動をデジタル画像相関法により可視化することに成功した.その結果,咬合時においては,歯根膜→歯槽骨→歯牙の順で変形すること,また回復時の挙動から,歯牙・歯槽骨は巨視的な観点においては線形弾性体として考えられ,歯根膜は粘弾性特性が非常に大きいことを実験力学的な見地から明らかにした。その結果を踏まえ,前年度に確立した光音響計測システムにて,ブタ顎骨によりGBR法を模擬した造成骨ファントムを計測し,本課題が提案した手法が,非接触・無侵襲・in vtvoでGBR法による骨の再生状態を評価できることを示した.本研究では,光音響法を用いた造成骨再生状態のリアルタイムモニタリングを行う計測システムを,「非破壊・無侵襲・in vivo」で確立することを目的とする.本年度は,システムのプロトタイプの設計・開発・組立てを行った.一般的な光音響計測では,光波で試料内に音響波を励起し,その音響波信号を試料表面に貼付した圧電素子で検出する.しかし本システムでは,サンプルを伝播した音響波信号をマイケルソン光波干渉計で検出することにより,「高感度・非接触」型を実現している.パルスNd:YAGレーザーのフラッシュランプ信号を音響波信号検出のトリガーとして用いることにより,提案時のプロトタイプより軽装化を実現した.完成したプロトタイプを使用し,試験的にガラス内部に誘起した音響波を捉えることに成功している.次に,ブタ顎骨を使用し,GBR法を模擬した造成骨ファントム(擬似試料)を作製した.すなわち,ブタ顎骨を粉砕機により砕片化し,粉砕骨のサイズの異なる数種類の試験片を作製することにより,GBR法による経時的治癒状況を模擬している.そして上述の光音響計測システムのプロトタイプに設置し,計測を行っている段階である.GBR法を模擬した造成骨ファントムを使用するに伴い,ブタ顎骨の構造および物性値(ヤング率など),さらにはブタ歯周組織(歯牙・歯根膜・歯槽骨・顎骨)の構造・物性値・変形挙動を明らかにするための予備実験を行った.顎骨・歯槽骨において緻密骨・海綿骨構造や骨梁構造など非常に複雑な構造を示しているが,変形挙動に関しては線形弾性材料として考えることが可能であるという結果を実験的に得ている.本研究では,光音響法を用いた造成骨再生状態のリアルタイムモニタリングを行う計測システムを,「非接触・無侵襲・in vivo」で確立することを目的とする.一般的な光音響計測では,光波で試料内に音響波を励起し,その音響波信号を試料表面に貼付した圧電素子で検出する.しかし本システムでは,サンプルを伝播した音響波信号をマイケルソン光波干渉計で検出することにより,「高感度・非接触」型を実現している.前年度の研究実績報告書に示したように,GBR法を模擬した造成骨ファントムを使用するに伴い,ブタ顎骨の構造および物性値(弾性率など),さらにはブタ歯周組織(歯牙・歯根膜・歯槽骨)の変位・変形挙動を測定する必要が生じた.そこで数日前に屠殺された比較的新鮮なブタの頭蓋骨を準備し,その頭蓋骨の下顎骨から歯周組織の薄片を取り出した.そして,咬合時におけるブタの歯周組織の変位・変形挙動をデジタル画像相関法により可視化することに成功した.その結果,咬合時においては,歯根膜→歯槽骨→歯牙の順で変形すること,また回復時の挙動から,歯牙・歯槽骨は巨視的な観点においては線形弾性体として考えられ,歯根膜は粘弾性特性が非常に大きいことを実験力学的な見地から明らかにした。その結果を踏まえ,前年度に確立した光音響計測システムにて,ブタ顎骨によりGBR法を模擬した造成骨ファントムを計測し,本課題が提案した手法が,非接触・無侵襲・in vtvoでGBR法による骨の再生状態を評価できることを示した.
日本企業のコストマネジメント行動に関する総合的研究

コストマネジメント行動について、価値提案、価値連鎖、活動水準を対象とする3タイプの行動に分類する概念モデルを構築し、その経験的妥当性を確認した。ついで当該概念モデルに基づき、物流コスト調査データを活用し、異なるコストマネジメント行動が多様なコストに相互依存的に影響を及ぼすこと、売上高の増加時と減少時で企業が異なるコストマネジメント行動を選択すること、コストマネジメント行動が売上高の増加時と減少時で、コスト構造に対して異なる影響を及ぼすことを明らかにした。また公表財務データを使用し、財務リスクが、資本コストや財務的制約を介して、コストビヘイビアの非対称性に影響を及ぼすことを示した。本年度の研究実績は以下の通りである。第1に、コストビヘイビア研究およびコストマネジメント領域の先行研究について文献レビューを実施した。文献レビューの結果、従来のコストマネジメント研究が特定の技法をめぐって展開されてきたこと、一方、欧米では、公表財務諸表データに基づくコストビヘイビア研究が積極的に展開されていること、さらに、コストマネジメントとして経営者の具体的な意思決定やアクションに注目する必要があること、などが明らかになった。第2に、日本ロジスティクスシステム協会から提供された物流コストデータについて、データセットの構築と試行的な分析を実施した。データセットの構築は完了し、また試行的分析の結果は、当協会が毎年発行している物流コスト調査報告書2013年度版に収録されている。第3に、物流コストマネジメントをめぐる企業行動を明らかにするために、日本ロジスティクスシステム協会等を対象とするヒヤリング調査を実施した。第4に、米国カリフォルニア大学デイビス校のShannon Anderson教授より、企業の倹約文化(corporate frugality)を測定するための質問紙の提供を受けた上で、先行研究およびヒヤリングで収集した日本企業の実務情報をふまえて、日本企業の倹約文化を測定するための質問紙の設計を行った。当該質問紙に基づき、H26年度に、日本企業の倹約文化に関するサーベイ調査を実施する。第5に、米国ワシントンリー大学のGe Bai教授らと工場における生産活動の途絶(disruption)の原価を測定するための原価計算手法について論文を作成した(海外雑誌投稿中)。当該論文が主張する原価計算手法は、途絶の原価の測定を可能とすることによって、限られた経営資源の優先的な配分先を検討するための有用な原価情報を提供するものとして注目される。本年度の研究実績は次の通りである。第1に、物流コスト調査のデータを使用し、物流コストマネジメント行動の分類と規定要因に関する分析を実施し、論文1編を公表した。本研究では、コストマネジメント行動に注目し、コストマネジメント行動をいくつかのタイプに分類した上で、様々な状況要因との関連を明らかにしている点で独創性がある。また、本研究の成果は、今後実施予定としているコストマネジメント行動とコスト水準やコストビヘイビアの関係を分析するためのベースを提供するものである。第2に、コストマネジメントに関するサーベイ調査を実施するための質問紙を作成し、プリテストを実施した。多くの先行研究が、公表財務諸表データによるコストビヘイビア分析を行うことを通じて、経営者のコストマネジメント行動を間接的に推察するという研究アプローチを採用してきたのに対して、本研究では、サーベイ調査を採用し、コストマネジメントの当事者の生の声を聞くという点で、ユニークな貢献がある。当該質問紙に基づくサーベイ調査を、平成27年度に実施する予定である。第3に、多段階生産システムで発生する様々な障害に起因する原価を測定するための原価計算技法の開発を行った。多段階生産システムにおいて、特定の工程で発生する障害は、生産システム全体の出力に影響を及ぼす。そこで、本研究が提案する技法は、特定の障害が、生産システム全体の出力にどのような影響を及ぼしたかという観点から、原価の測定を行うものである。本研究では、自動車産業においてシミュレーションを実施することで、遂行的コストマネジメントを実施するための有用な原価情報が得られることを確認した。今後、幅広い産業における適用が期待される。この点の研究成果として、論文2編の公表を行った。本年度は、日本企業のコストマネジメント行動を明らかにすることを目的として、次の点を明らかにした。第1に、コストマネジメント行動に関する概念モデルを構築した。当該概念モデルにおいて、コストマネジメント行動は、(1)価値提案を対象とするコストマネジメント行動、(2)価値連鎖を対象とするコストマネジメント行動、(3)活動水準を対象とするコストマネジメント行動という3つのタイプに分類できることを示した。第2に、物流コストに関するコストマネジメント行動とコストの関連を分析することによって、異なるコストマネジメント行動が、コストに対して、相互依存的に影響を及ぼすことを明らかにした。また、コストマネジメント行動とコストビヘイビアの関係について分析を行った結果、売上高の増加時と減少時で、企業が異なるコストマネジメント行動を選択することや同様のコストマネジメント行動であっても、売上高の増加時と減少時でコスト構造の弾力性に対して異なる影響を及ぼすことが明らかになった。第3に、コストマネジメント行動に関するサーベイ調査を実施し、日本企業のコストマネジメント行動の実態を明らかにすることを試みた。本研究では、リスクマネジメントがコストマネジメントと相互依存的な関係にあるとの認識から、サプライチェーンマネジメントのリスクマネジメントとコストマネジメント行動の関係に注目した。調査の結果、多くの日本企業がコストマネジメントに対して積極的な行動を行う一方で、リスクマネジメントへの取り組みに遅れがみられることが明らかになった。第4に、財務リスクとコストビヘイビアの関係について、理論的・実証的に検証を行った。本研究では、財務リスクが資本コストの上昇や財務的制約を課すことによって、コストビヘイビアに影響を及ぼすことを明らかにした。

コストマネジメント行動について、価値提案、価値連鎖、活動水準を対象とする3タイプの行動に分類する概念モデルを構築し、その経験的妥当性を確認した。ついで当該概念モデルに基づき、物流コスト調査データを活用し、異なるコストマネジメント行動が多様なコストに相互依存的に影響を及ぼすこと、売上高の増加時と減少時で企業が異なるコストマネジメント行動を選択すること、コストマネジメント行動が売上高の増加時と減少時で、コスト構造に対して異なる影響を及ぼすことを明らかにした。また公表財務データを使用し、財務リスクが、資本コストや財務的制約を介して、コストビヘイビアの非対称性に影響を及ぼすことを示した。物流コスト調査データに基づく分析が、順調に進んでおり、平成27年度には成果を公表することができる。企業の倹約文化(corporate frugality)とコストマネジメントを明らかにするための質問紙が完成しており、平成27年度に実施できる体制となっている。多段階生産システムで発生する様々な障害に起因する原価を測定するための原価計算技法の開発を行い、2編の論文を公表することができた。会計物流コスト調査データを用いて、物流コストマネジメント行動が、コスト水準やコストビヘイビアに及ぼす影響についてさらに分析を進める。分析を行う上で、ミシガン州立大学Ranjani Krishnan教授、Sriram Narayanan准教授等と連携を行う。成果は、国内外の学会で報告し、論文を投稿する。昨年度までに作成した質問紙に基づき、倹約文化(corporate frugality)とコストマネジメントを明らかにするためのサーベイを実施する。成果は、国内外の学会で報告し、論文を作成する。「(2)概ね順調に進展している」と評価した理由は、H25年度に計画した活動を概ね達成することができたからである。サーベイ調査を平成26年度に実施予定にしていたが、質問紙の作成およびサンプルの特定のために時間を要したため、平成27年度に実施することとした。前年度の活動をベースに、次のことを実施する。第1に、前年度作成した物流コストのデータセットを用いて、コストビヘイビア分析を実施する。本分析では、コストビヘイビアの変動と企業が採用した具体的なコストマネジメント活動の関係に注目しながら分析を行う。第2に、H25に設計を行った質問紙に基づき、企業の倹約文化に関するサーベイ調査を実施する。分析においては、倹約文化と企業業績および倹約文化とコストマネジメント活動の関係について分析を行う。第3に、企業のコストマネジメント活動を明らかにするために、現場担当者を対象とした構造化インタビューを実施する。
マンガン酸化物系における非熱平衡状態の探索

強相関電子物質では、電場、磁場、圧力、光、化学組成の制御を通じて、巨大な物性応答が発現する。近年、新たな電子相制御のパラメータとして、温度掃引速度が注目されている。電気や光レーザーパルスを用れば、通常の冷凍機の冷却速度をはるかに凌ぐ冷却速度が実現される。超急冷下では、熱平衡相図には存在しない、準安定状態が出現することが明らかになってきた。これまで電荷やスピン自由度を有する系で急冷下での準安定状態が発見されてきた。自然に拡張すれば、第三の電子内部自由度である軌道自由度においても急冷下で準安定状態が発現することが期待される。本研究では、軌道縮退系において、急冷により新奇な準安定状態を開拓する。
英国サッチャー政権の国際通貨戦略：ヨーロッパ統合とグローバル化の間

本研究は、1980年代に国際通貨体制が大きく変化する中、イギリスのサッチャー政権がアメリカ主導の金融グローバル化を後押しする一方、ヨーロッパの通貨統合から距離をとるようになった経緯と理由、ならびにその帰結を明らかにすることを目的としている。それを通じて、しばしば「特別な関係」と形容される英米両国の関係の実態や、金融グローバル化にイギリスが果たした役割が明らかになった。本年度は、その研究時間の大半をイギリスのナショナル・アーカイブ、アメリカのレーガン大統領図書館における政府資料の収集とその読解のために費やした。2013年8月19日から31日までロンドンに滞在し、ナショナル・アーカイブにおいて1980年代イギリスに関する首相個人文書・内閣文書・大蔵省文書の収集・写真撮影にあたった。収集の対象としたのは、研究テーマに直接関わる国際資本移動自由化に関する文書と欧州為替レートメカニズム参加に関わる文書が中心であるが、イギリス政府の政策形成の背景を理解するため、国内経済政策やアメリカとの外交関係に関する文書もあわせて収集した。約二週間の滞在で10,000頁程度の文書を収集することが出来た。続いて2014年2月18日から3月1日まで、ロスアンジェルス近郊にあるレーガン大統領図書館でアメリカ側の資料収集を行った。収集の対象としたのは英米関係に関する文書の他、アメリカの国際通貨制度に対する政策や国内金融政策に触れた文書である。とりわけ、1985年プラザ合意に至るアメリカの政策転換の過程を裏付ける文書が発見できたことは大変有意義であった。本年度は、研究時間の大半をイギリスのナショナル・アーカイブにおける政府資料の収集とその読解、関連分野の文献読解に費やした。具体的には、2014年8月にロンドンに滞在し、ナショナル・アーカイブにおいて1980年代イギリスに関する首相個人文書・内閣文書・大蔵省文書の収集(写真撮影)にあたった。約10日間の滞在で12000ページ程度の文書を収集することができた。同時に、2008年のリーマンショックとその後の深刻な経済危機にも関わらず、金融グローバル化をせき止めるような政治的変化が起きないのはなぜか、という問題関心から、リーマンショック関連の文献調査を開始した。その結果、製造業が衰退し、実質賃金が伸び悩む中、不動産や株式のような資産価格の上昇によって政治的支持を調達する、という金融グローバル化の政治的プロジェクトとしての側面の重要性が浮かび上がってきた。この知見を、1980年代に関する資料調査にも生かしていく予定である。本年度は引き続きイギリス・ナショナルアーカイブにおいてサッチャー政権期の経済政策策定に関連する政府資料を収集する一方、イングランド銀行アーカイブにおいて、同政権が1979年に断行した為替管理の全廃に関する大蔵省・イングランド銀行文書の収集にあたった。それらの資料を詳しく分析した結果、従来の研究とはかなり異なる第一次サッチャー政権の政策決定の実像が明るみになってきた。周知のように、サッチャー政権の下でイギリスの製造業が決定的に衰退した結果、同国は金融セクター主導の経済に移行し、経常収支赤字の穴埋めのために外国からの投資に依存するようになったとされる。このようなイギリスの金融資本主義化とサッチャー首相個人が自らの政治的理念としたハードワークや経済的自立の重要性との間にはギャップがあるため、従来の研究はその齟齬をいかに説明するかを課題としてきた。これまで最も有力であったのは、サッチャーが自らの政治的信念として語ったものは、たたき上げの政治家としてのイメージを確立するため、保守党党首選挙に出馬する直前に用い始めたレトリックにすぎない、というキャンベルの説明であった。しかし新たに収集した資料の分析の結果、サッチャーは政府内部での議論において、製造業と金融業の利害が対立する局面では一貫して製造業の側の立場を代弁していたが、そのような立場は政府部内では少数派であり、政策決定に際してそれほど影響力を持たなかったことが判明した。つまり、従来の学説の想定と比較して、サッチャーは自らの信念により忠実であったが、政府内部での影響力はより限定的であったのである。2016年3月に行われた英国政治学会年次大会において同趣旨の発表を行った結果、貴重な研究成果として歓迎され、英語圏の学術誌への投稿を強く薦められた。研究実績の概要に記したように、第一次サッチャー政権の経済政策策定に関する新事実の発見に成功したため。最終年度の2016年度は、引き続きイギリス・ナショナルアーカイブにおいてサッチャー政権期の経済政策策定に関連する首相文書・大蔵省文書の収集にあたった。第一次政権期の1979年に行われた為替管理の撤廃(国際資本移動の自由化)についての前年度までの研究をフォローアップする一方で、第二次政権期以降の国際経済政策定に関わる資料の収集・解析にとりかかった。ここでの問題は大きく分けて二つある。

第一に、大陸欧州諸国が欧州通貨制度を設立し、通貨統合への道を歩み始める一方で、なぜサッチャー政権が政権末期の1990年に至るまで同制度の中核である欧州為替レートメカニズムに参加しなかったのか。第二に、同政権が1987年に金融規制緩和(金融ビッグバン)を断行したのはなぜか。第一の決定がイギリスのEU内部での孤立をもたらす一方、第二の決定はロンドンの国際金融センター・シティがドルの国際的役割を下支えすることをつうじて、米英両国間での国際金融に関する密接な関係を再建することにつながった。ナショナル・アーカイブでの資料公開は30年ルール(作成後30年を経過した資料が公開される)から20年ルールに移行することが決定されているが、移行が当初の予定より遅れているため、現時点ではこの二つの問題に確たる答えを与えるのに十分な資料は入手できていない。とはいえ、今年度に二週間近く当地でアーカイブリサーチを行い、2万ページ近い資料を収集することが出来たことは重要な成果である。来年以降に公開される資料の分析とあわせて、上記二つの問題に関する研究成果を可能な限り早く雑誌論文や著書といった形で公表したい。本研究は、1980年代に国際通貨体制が大きく変化する中、イギリスのサッチャー政権がアメリカ主導の金融グローバル化を後押しする一方、ヨーロッパの通貨統合から距離をとるようになった経緯と理由、ならびにその帰結を明らかにすることを目的としている。それを通じて、しばしば「特別な関係」と形容される英米両国の関係の実態や、金融グローバル化にイギリスが果たした役割が明らかになった。イギリスでのアーカイブリサーチを行い、資料収集面で所定の成果を上げることができた。不満としては、2014年の資料公開では本来2年分の資料が公開されるはずが1年分しか公開されず、資料収集の進捗に遅れをきたしている点がある。これまでの研究成果を論文にまとめ英語圏の政治学学術誌に投稿する一方、第二次政権期の資料の収集・分析に努める予定である。国際関係論2015年の資料公開では2年分の資料が公開されたため、来年度は新規公開資料を中心に資料収集を加速させたい。またナショナル・アーカイブだけでなく、イングランド銀行のアーカイブでもリサーチを行う予定である。計画通りイギリスとアメリカで各1回のアーカイブ・リサーチを行った。アメリカ側は初めて訪問する公文書館であったが、事前に当地のアルキビストとコンタクトをとるなどして、当初想定していた以上の資料を収集することができた。当初の予定と異なり、イギリスでの研究成果の発表に際して、イギリス政治学会からの支援を得ることが可能であったため。本年度は公開される資料の分量が少なかったため、来年度に繰り越すことにした。次年度のイギリスにおける資料収集期間を計画より長期にすることで使用する。イギリスでは現在年末に2年分の政府文書が公開されるので、次年度もロンドンのナショナル・アーカイブにおいて、2013年の年末に公開された資料の収集にあたりたい。
生体分子系を模倣した動的秩序をもつ人工分子の開発

生命分子科学により解き明かされてきた自然のしくみを人工系に翻訳し,従来の静的な多成分構造体の構築法に動的な要素を取り入れた.従来法の限界を克服し,世界最多成分の新しい分子群をうみだし,その独特な構造に由来する機能・物性発現を実現した.時間展開に伴い構造が大きく切り替わる秩序の相転移を使い,タンパク質輸送小胞の秩序化を模倣した人工分子システムの創出を実現した.また,錯体骨格上に導入した生体由来分子の揺らいだ構造要素も分子設計に取り入れ,人工系分子と生体分子とをハイブリッド化したサイボーグ超分子を開発し,特異な生体関連機能を見いだした.本研究では,多数の構成成分が弱い相互作用を通じて自己組織化して得られる多成分錯体を基盤として,その秩序化の過程における動的な側面に焦点をあてることをめざす.これまでの研究において,構成成分の構造を少しだけ変えることで,最終的に得られる生成物の構造が大きく切り替わる「秩序の相転位」とも呼ぶべき現象を発見してきている.この基礎的な知見をもとに,秩序化する機構を自由自在に,かつ動的な要素を取り入れて操ることができれば,生体系にも匹敵する複雑な現象を人工的に模倣した新しい化合物合成の方法開発につながるものと考えている.今回,この秩序化の途中段階で,どのような構造の化合物が生成しているのか,各種分光法や質量分析,また理論化学的なアプローチも含めて最新鋭の手法を適用して明らかにした.一般に,自己組織化した集合体は,同種の構成成分が何個も組みこまれた構造をしているために,中間体や生成物の物性が似通っており,これらを分離したり,また混合物のまま区別して検出したりすることが難しく,構造決定できないことが多い.そこで,出発物質の構造を精査して,中間体の質量分析を良好に行えるモデルとなる反応系を確立し,中間体の分子量を決定した.さらに,核磁気共鳴分光を用いて分子の拡散係数を見積り,分光学的にも中間体の構造を確認した.この情報をもとに,経時変化によって動的に中間体構造が変遷していく様相を捉えることができた.このようにして決定した秩序化の機構は,分子動力学法を応用した理論計算による予測とよく一致することもわかった.まだ予備的な知見ではあるが,中間体の構造は,無限といえるほど候補となる構造が考えられるが,実際には,ごく限られた数の対称性が高いものだけが生成することがわかってきた.本研究では,弱い相互作用を通じて形成される秩序化分子の動的側面に焦点をあてている.複雑かつ精緻に定められた構造を有する秩序化分子は,ウイルスの球殻をはじめとして自然界に見いだされ,その構築原理を模倣することで人工合成が達成されてきている.分子構造という静的な側面からみれば,多様な構造・構成の秩序化分子が合成されてきており,その独自の3次元構造に由来する独特の物性が種々報告されているが,動的側面に焦点をあてた研究は限られており,段階的な分子の集合と離散を伴う秩序化を駆使して分子を構築し,また,その動的な挙動を活用した物性発現をねらうという構想は,国内外の研究に照らして新しい着眼点である.本年度,数十を超える相互作用がつくり出す多成分錯体を基軸に,その構築過程に動的な秩序形成を組み込むことを目的とし,新たな分子設計を行った.これまでに,折れ曲がった二座の配位子(L)と遷移金属イオン(M)とからMnL2n (n = 6, 12, 24, 30, 60)組成の球状錯体が自己組織化し,そのnの値は配位子の折れ曲がり角度に依存することがわかってきている.今回,C-C,C-N原子間の結合長に着目して配位子を精密設計し,M12L24錯体の構築過程において,M8L16, M9L18錯体(放射光X線回折で構造決定)を経ることを見いだした.本成果は,多成分からなる錯体分子の動的秩序化の過程を実験的に明らかにできた点で重要であり,また,同じ出発物質を用いながらも秩序化条件の違いによって生成物の構造が大きく切り替わる「秩序の相転移」とも呼ぶべき現象を見いだせたことは,自然界にみられる「タンパク質輸送小胞」の特徴の一つを人工系で実現できたと評価でき,極めて重要である.また,高速な回転を示すピーポッド分子に対して,構造化学の手法と理論化学の手法を用いて調べ,その動的挙動の基礎的知見を明らかにできた.直径数ナノメートルに及ぶ巨大かつ構造が定まった秩序化分子,M12L24球状錯体は,有機合成の手法によって自由自在な化学修飾が可能である.今回,A03班の加藤晃一グループと共同で,神経細胞膜上でクラスター化して生体機能を司る糖脂質,GM1ガングリオシド,を錯体上に移植できた.GM1糖のクラスターが認識する,アミロイドβなどの凝集性タンパク質は,疎水性の部位があると捕捉され,糖鎖クラスター部分の認識機構が観測できない.そこで,本研究では,GM1ガングリオシドから疎水性部分を切り離し,糖鎖部位のみを配位子に連結して球状錯体を構築する工夫を行った.この錯体合成では,糖鎖部位が遷移帰属イオンを認識しないように,Ca2+イオンを添加し,錯体形成後に除く,という,多段階による動的秩序化を巧みに活用した.