hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
MDL原理に基づくBayesian Networkの学習-事前知識の導入による探索の効率化-

不確実な知識を確率を用いて表現し、何らかの推論を進めていく際に、Bayesian networkが頻繁に適用され、最近では、経営診断、医療診断、故障診断といった、分析診断型の問題に多くの実績を残している。Bayesian networkは、各属性データをノードで、その因果関係をノード間を結ぶ有向アークで示す、いわゆるDAG(directed acyclic graph)として表現される。特に、各ノードAの属性データx_Aは、有向アーク(A←B_i)を介して親にあたるノードB_iの属性データの値xB_i,i=1,2,・・・,m,を前提にした条件付値率P(x_A|x_B_1,,x_B_2,・・・,x_B_m)に基づいて生成されるという仮定がおかれる。すなわち、ノードの集合が事前に与えられれば、有向アークをどのように結ぶか(構造の決定)と、条件付確率をいかに設定するか(パラメータの推定)を検討して、Bayesian networkが決定される。Bayesian networkの推論は、一部のノードに事実として具体的な属性データを与えておき、他のノードの属性データの値をBayes統計学でいう事後確率最大の基準で推定する(未知属性データのおこりうる各値の確率を付与する推論も可能である。)処理に相当する。本研究では、推論を行なう前にBayesian networkを最初にいかに獲得するか、特にその構造の決定について議論をすすめた。Bayesian networkは視覚的に表現されるので、エキスパートがその知識を直接Bayesian networkの形式で記述してもよい。しかし、大規模なnetworkでは、その作業量が膨大になることと、エキスパートの潜在意識にある知識が表現されないことなどから、トレーニングデータからの自動学習が検討されるに至っている。本研究では、この問題についてminimum description length(MDL)原理に基づいて解決する方法を示した。一般に、MDL原理は、トレーニングデータを、知識の記述と、その知識に基づいたトレーニングデータの記述の2段階で記述し、その合計の記述長(ビット数)を最小にする知識を採択する。MDL原理は、前者を知識の記述長(知識の簡潔さを表す)、後者をその知識では説明できない例外の記述長(データの知識への適合性を表す)とみなせば、データ圧縮の立場からその両者について最もバランスのとれた知識を真の知識とみなす学習原理であるということができる。特に、構造決定の探索に分岐限定法を用いて、効率良く最適解を求める方法を見い出した。この結果は、電子情報通信学会論文誌英文誌分冊D(1999年2月)に掲載された。)処理に相当する。問題は、トレーニング系列からノード集合のどこを有向アークで結ぶかということであり、トレーニングデータからBayersian networkの構造を自動獲得する問題と等価であることが示すことができる。まず、木構造を前提としたときに導かれる、美しいアルゴリズムを見い出した。

一般のネットワーク構造の場合の記述長を木構造の場合に適用すると、ある2点をアークで結ぶときに記述長が長くなるか短くなるかの判断が、2属性間の相互情報量がある一定値を越えるか否かであることと等価であることを導いたことになる。結局、Kruscalのアルゴリズムに適当なコストを与える問題になる。そして、従来のアルゴリズムは、すべてのアークが(無向グラフとして)連結される極大木を求めていたが、提案アルゴリズムでは一般に極大木ではない森が生成される。MDL原理は、この場合、ネットワーク構造の複雑さとトレーニング系列の適合性の妥協点を記述長という観点から見い出していることになる。一般のネットワークでは、候補となるネットワーク構造の数は、総ノード数Nに関して指数的であり、すべての構造に対して記述長を計算してそれを最小にする構造を選択するという方法は現実的ではない。近年は、各種のヒューリステイックを導入して、最適に近い構造を選択する方法が検討されている。本研究では、分岐限定法を用いて最適な構造を選択しながら計算量を大幅に低減する方法を示した。通常の全探索ではノード数N=15が限界であったが、その分岐限定法で提案した下界を用いると、N=37で記述長の比較回数が従来と比較して10^<-5>程度になる。不確実な知識を確率を用いて表現し、何らかの推論を進めていく際に、Bayesian networkが頻繁に適用され、最近では、経営診断、医療診断、故障診断といった、分析診断型の問題に多くの実績を残している。Bayesian networkは、各属性データをノードで、その因果関係をノード間を結ぶ有向アークで示す、いわゆるDAG(directed acyclic graph)として表現される。特に、各ノードAの属性データX_Aは、有向アーク(A←B_i)を介して親にあたるノードB_iの属性データの値X_<B_1>,i=1,2,・・・,m,を前提にした条件付確率P(X_A|X_<B_1>,X_<B_2>,・・・,X_<B_m>)に基づいて生成されるという仮定がおかれる。すなわち、ノードの集合が事前に与えられれば、有向アークをどのように結ぶか(構造の決定)と、条件付確率をいかに設定するか(パラメータの推定)を検討して、Bayesian networkが決定される。Bayesian networkの推論は、一部のノードに事実として具体的な属性データを与えておき、他のノードの属性データの値をBayes統計学でいう事後確率最大の基準で推定する(未知属性データのおこりうる各値の確率を付与する推論も可能である。)処理に相当する。本研究では、推論を行なう前にBayesian networkを最初にいかに獲得するか、特にその構造の決定について議論をすすめた。Bayesian networkは視覚的に表現されるので、エキスパートがその知識を直接Bayesian networkの形式で記述してもよい。
有機LEDアクティブマトリックス駆動フルカラーディスプレイに関する共同研究

本研究は液晶デイスプレイに代わると目される有機LEDディスプレイの大型化・高精細化・フルカラー化のために,その駆動方法としてアクティブマトリックス駆動法を用いた研究である.この研究を始めた当初は有機LEDディスプレイをアクティブマトリックス駆動させることなどコストの面で多くの研究者は懐疑的であった.しかしながら今日ではこの駆動方法が主流になりつつあり産業界に多くの影響を及ぼすことのできた研究といえよう.また,我々の提案した独自の駆動方法は今後さらに発展することが期待でき,さらなる有機LEDの発展に役立てられることを期待する.この研究を通して得られた結果は以下のようになる.1.a-Siおよびpoly-Si TFTを使った電流指定AM駆動画素回路を提案し,これらの回路はTFTおよび有機LEDの閾値電圧の変動を補償し精密な中間調表示を与えることがわかった.2.4inch以下の小型パネルではpoly-Si,それ以上の大型パネルではa-Si TFTを用いたAM回路がコスト面で優位であり,将来にのような棲み分けがなされるであろう.3.poly-Si TFTを使った電流指定AM駆動画素回路とリセット機能付きDAC回路を提案した.これらの回路はデータ線寄生容量の合計が数pF以下と小さくできるならば,TFTの特性のばらつきを十分に補償し4bit以上の中間調表示を与えることができることがわかった.本研究は液晶デイスプレイに代わると目される有機LEDディスプレイの大型化・高精細化・フルカラー化のために,その駆動方法としてアクティブマトリックス駆動法を用いた研究である.この研究を始めた当初は有機LEDディスプレイをアクティブマトリックス駆動させることなどコストの面で多くの研究者は懐疑的であった.しかしながら今日ではこの駆動方法が主流になりつつあり産業界に多くの影響を及ぼすことのできた研究といえよう.また,我々の提案した独自の駆動方法は今後さらに発展することが期待でき,さらなる有機LEDの発展に役立てられることを期待する.この研究を通して得られた結果は以下のようになる.1.a-Siおよびpoly-Si TFTを使った電流指定AM駆動画素回路を提案し,これらの回路はTFTおよび有機LEDの閾値電圧の変動を補償し精密な中間調表示を与えることがわかった.2.4inch以下の小型パネルではpoly-Si,それ以上の大型パネルではa-Si TFTを用いたAM回路がコスト面で優位であり,将来にのような棲み分けがなされるであろう.3.poly-Si TFTを使った電流指定AM駆動画素回路とリセット機能付きDAC回路を提案した.これらの回路はデータ線寄生容量の合計が数pF以下と小さくできるならば,TFTの特性のばらつきを十分に補償し4bit以上の中間調表示を与えることができることがわかった.今年度我々は、ガラス基板上に作製された電流アドレス方式有機LEDアクティブマトリックス駆動回路で使用されている薄膜トランジスターの電流-電圧特性やこの駆動回路全体の入出力電流特性などのデバイス特有の正確な評価を行い、電流アドレス方式有機LEDアクティブマトリックス駆動回路における最適構造、最適駆動電圧を探った。その結果、1)キャパシターの面積Sは、OFF時においても、メモリー用トランジシターT1の浮遊容量Cpに影響されずに電流駆動用トランジスターT3のゲート電圧を保持するために、開口率の許せる範囲で大きくとるべきである。2)メモリー用トランジスターT1のチャネル幅WT1は、浮遊容量Cpを小さくするために、小さくても良いと思われる。だが、小さすぎるとON/OFFの反応時間が遅くなってしまうため、ON/OFFのスイッチの役割を果たすためにはWT1=50μmが最適構造である。3)電流入力用トランジスターT2のチャネル幅WT2は、出力電流Ioutをより多く流すために、この回路においては小さくとるべきである。4)電流駆動用トランジスターT3のチャネル幅WT3は、制御できる出力電流Ioutの範囲を広くする、OFF時においてもゲート電圧を保持する、という目的のために、大きくとるべきである。ということがわかった。また、我々はa-Si:H TFTを用いてOLEDディスプレイ用アクティブマトリックスアレイを作製した。このピクセル回路は中間調表示を可能とするため電流指定方式という我々が考案した新しいアドレス方式を採用している。これによりOLEDディスプレイのさらなる大型化、高精細化が可能となることが示された。今年度我々は、電流指定方式有機LEDアクティブマトリックス駆動回路の回路シミュレーションを行い,回路の最適設計を行った.また,この回路のポリシリコンへの応用に取り組み,以下のような結果を得た.(1)72×24ドットを有するアクティブマトリックスアモルファスシリコンTFTアレイを作製し,実際にその上に有機LEDを作製するプロセスを確立した.(2)また上記のデバイスのキャプシュレーション技術を習得した.(3)個別ピクセル回路において1走査線方電流指定アクティブマトリックス駆動法は,TFTのしきい値電圧変化による出力電流のばらつきは解消されたが,出力電流に飽和現象が起こってしまうため,有機LEDの輝度に限界が生じた.(4)この問題を解決するため,2走査線方式電流指定型アクティブマトリックス駆動回路を提案し,シミュレーションにより回路評価を行った.(5)回路シミュレーションにより,出力電流の飽和現象を取り除くことができることを示した.(6)2走査線方式に伴う外部接続端子数の増加をピクセル外にインバータ回路を設けることにより制限した.(7)ポリシリコンTFTを用いたピクセル回路を提案し,その回路が十分に実用できる性能を持つことが回路シミュレーションにより示せた.(8)ポリシリコンTFTを用いた回路において内臓アナログ-デジタル変換回路を提案し,その回路が4ビット以上の中間調を表示できる能力があることを示した.今年度の研究結果として以下のような見地を得た.

1.a-Siおよびpoiy-Si TFTを使った電流指定AM駆動画素回路を提案し,これらの回路はTFTおよび有機LEDの閾値電圧の変動を補償し精密な中間調表示を与えることがわかった.2.4inch以下の小型パネルではpoly-Si,それ以上の大型パネルではa-Si TFTを用いたAM回路がコスト面で優位であり,将来このような棲み分けがなされるであろう.3.poly-Si TFTを使った電流指定AM駆動画素回路とリセット機能付きDAC回路を提案した.これらの回路はデータ線寄生容量の合計が数pF以下と小さくできるならば,TFTの特性のばらつきを十分に補償し4bit以上の中間調表示を与えることができることがわかった.4.定電流駆動集積回路の設計に取り組み,ローム0.6μmプロセスにて試作を行った.
高速不安定核ビームを用いたp核生成にかかわる天体核反応断面積の決定

本研究のねらいは、中性子欠損安定元素p核の起源を高速RIビームの反応実験を通じて探索することである。このためには、約90mmx90mmの大きな有感領域をもったストリップシリコン検出器と、その読み出しの回路の開発が必要になる。とりわけ読み出し回路には、約5000倍の大ダイナミックレンジと、数千チャンネルを同時処理する高密度集積性が要請され。新規に開発が必要となる。本研究では、シリコンストリップ検出器、読み出し回路の設計開発を行い、要請を満たす回路の開発に成功した。本研究は、中性子欠損安定核元素p核の起源を高速RIビームの反応実験を通じて探索することを目的としている。重元素の合成は天体での中性子捕獲、陽子捕獲などの原子核反応を通じて起こるとされているが、これまでの研究では元素組成を再現するに至っていない。本研究では、爆発的水素燃焼過程でp核生成に大きく寄与したと考えられる陽子捕獲反応の断面積を高速RIビームの反応実験を通じて決定し、p核生成メカニズムの全容解明への端緒を切り開く。実験では、高速RIビームの鉛標的上での分解反応を測定する。陽子を放出する分解反応は、陽子を捕獲する反応の逆反応に対応しており、この測定から天体での陽子捕獲反応の速度を高効率で決定することができる。平成22年度は、実験に必要となるシリコンストリップ検出器、およびその読み出し回路系の整備を進めた。シリコンストリップ検出器は、約900mmx900mmの大きな有感領域を持ち、200μmピッチのストリップの入ったものを用いる予定である。このシリコン検出器の信号を読みだす回路基板およびその基板へのボンディングための設計を完了した。また、後段の信号読み出し回路系として、5000倍程度の大ダイナミックレシジの回路を数千チャンネルで達成する高集積回路を新たに開発する必要がある。これを実現するために、高集積回路の開発設計、全体の回路システムの設計をアメリカのテキサス州立大学のグループと共同で進め、その回路に適合する大ダイナミックレンジの前置増幅回路の設計を行った。平成23年度および繰り越し予算を使用した平成24年度は、実験に必要となるシリコンストリップ検出器、およびその読み出し回路系のプロトタイプを製作した。シリコンストリップ検出器は、約90mmx90mmの大きな有感領域を持ち、約200μmピッチのストリップの入ったものを用いる予定である。このシリコン検出器の信号を読みだす回路基板およびその基板へのボンディングを完了した。また、後段の信号読み出し回路系として、5000倍程度の大ダイナミックレンジの回路を数千チャンネルで達成する高集積回路を新たに開発する必要がある。これを実現するために、高集積回路の設計製作、全体の回路システムの設計をアメリカのテキサス州立大学のグループと共同で行い、その回路に適合する大ダイナミックレンジの前置増幅回路のプロトタイプを製作した。平成24年度は、これまで実験のために製作、開発したシリコンストリップ検出器、およびその読み出し回路系の試験測定を行った。シリコンストリップ検出器は、約90mmx90mmの大きな有感領域を持ち、約200μmピッチのストリップの入ったものを製作した。この読み出しのためには、5000倍程度の大ダイナミックレンジの回路を数千チャンネルで達成する高集積回路が必要となる。

これらの検出器、回路系の動作確認、性能評価を、放射線医学総合研究所の重イオン加速器施設で供給される重イオンビーム、陽子ビームを用いて行った。高集積回路は多チャンネルの信号に対して設計通り動作し、また陽子と重イオンを同時に計測できる大ダイナミックレンジを達成していることも確認した。交付申請書では、平成23年度以降できるだけ早い時期に本実験を行うとしていたが、1、使用する大規模スペクトロメータSAMURAIの稼働開始時期を平成23年と予定していたが平成24年3月になった。対応して、重イオン-陽子の同時計測セットアップの設計製作を遅らせざるを得なくなった、2、米国の共同研究者が担当している集積回路の製作が遅れ、日本で製作している前置増幅回路と組み合わせた動作確認が平成24年秋になった、等の理由で本実験は遂行していない。24年度が最終年度であるため、記入しない。平成25年春に実験を行うことを目指し、動作確認を行った回路を必要数製作し、SAMURAIスペクトロメータに組み込むための実験真空槽を製作する。実験は理研のPACの承認を得たのち、マシンタイムの割り当てを受けて初めて実行することができる。平成25年春に最初の機会がありそうなので、それに向けて準備を進める。
超分子を用いた新しい動脈硬化治療・予防法の開発

虚血性心疾患は、動脈硬化プラークの破綻を契機に発症する。従って、プラークの安定化は心血管イベントのリスク軽減に最も重要である。プラークの形成に重要なマクロファージは、細胞内コレステロールが過剰になると活性化され、プラークの脆弱化や破綻を来たす。そこで申請者は、コレステロールと結合するシクロデキストリン(βCD)の特性を活かし、細胞内コレステロールに直接作用して細胞外へと排出する超分子ポリロタキサン(PRX)を開発した。ポリロタキサンは、細胞内にエンドサイトーシスによって取り込まれ、エンドソームに局在してコレステロールをキレートし、細胞内コレステロールを低下させる特徴的な作用を示す。一方、マクロファージは炎症の慢性化に重要なで、動脈硬化においては脂質を溜め込んで泡沫化し、病態形成において中心的な役割を担う。そこで本研究では、マクロファージにおけるポリロタキサンの役割を明らかにし、ポリロタキサンの投与が、動脈硬化の形成に与える影響を検証することを目的として実施した。検討には、初代培養マクロファージを用いた。初代培養マクロファージにポリロタキサンを投与すると、細胞内のコレステロール量が低下し、Toll-like receptor(TLR)4を介した炎症応答と、活性化が強く抑制された。この分子機構について詳しい検討を進め、TLR4の細胞内シグナル伝達に必須のアダプター分子Myd88の機能がポリロタキサンによって抑制されることが明確となった。さらに、動脈硬化モデルマウス(Ldlr欠損マウス)にPRXを投与すると、動脈硬化の進展が有意に抑制されることを見いだした。これらの結果は、マクロファージの細胞内コレステロールを低下させることによって、動脈硬化の進展を抑制できる可能性を示唆する。動脈硬化モデルマウスを用いた検討も順調に推移し、ポリロタキサンの投与によって動脈硬化の進展が有意に抑制されるとの結果を得ることができた。現在、論文にまとめて投稿する準備を行っている。細胞内コレステロールの低下が、マクロファージの細胞機能としての炎症応答と密接に連携することが明らかとなった。今後は、炎症応答の過程で、細胞内オルガネラのどの部位におけるコレステロールが変動するのか、細胞内の局在を明らかにしてゆきたい。初代培養マクロファージを用いた検討の結果、ポリロタキサンはToll-like4受容体を介したマクロファージの炎症応答と活性化を抑制することが明らかになった。さらに、動脈硬化モデルマウスにPRXを投与すると、動脈硬化の進展が有意に抑制されることを見いだした。これらの結果は、マクロファージの細胞内コレステロールを低下させることによって、細胞機能を調節できることを示唆する。初代培養マクロファージを用い、ポリロタキサンがマクロファージの炎症応答を抑制することを見いだした。現在、その分子機構を解明する実験を進めている。また、動脈硬化モデルマウスを用いた検討も順調に推移し、ポリロタキサンの投与によって動脈硬化の進展が有意に抑制されるとの結果を既に得ている。

これらの結果は、マクロファージの細胞内コレステロールを低下させることによって、動脈硬化の進展を抑制できる可能性を示唆する。動脈硬化モデルマウスを用いた検討も順調に推移し、ポリロタキサンの投与によって動脈硬化の進展が有意に抑制されるとの結果を得ることができた。現在、論文にまとめて投稿する準備を行っている。これまでに得た結果を踏まえ、ポリロタキサンによるマクロファージの炎症抑制メカニズムの同定を進める。特に、細胞内コレステロールの低下によって、炎症シグナルが阻止され、マクロファージの活性化が抑制されるメカニズムを解明する。本研究によって、細胞内コレステロール代謝を標的とした、新しい動脈硬化治療・予防法の開発につなげたい。細胞内コレステロールの低下が、マクロファージの細胞機能としての炎症応答と密接に連携することが明らかとなった。今後は、炎症応答の過程で、細胞内オルガネラのどの部位におけるコレステロールが変動するのか、細胞内の局在を明らかにしてゆきたい。平成30年度中に、細胞内各オルガネラにおけるコレステロール量の測定を予定していた。しかし、実験条件の検討と最適化に予想以上の時間を要したため、平成31年度に行うよう、計画の変更が必要となった。
多発性硬化症に併発する難治性視神経炎の発症メカニズム解明と神経保護療法の試み

多発性硬化症の疾患モデルである実験的自己免疫性脳脊髄炎(EAE)を作製して、視神経炎の治療研究を行った。Apoptosis signal-regulating kinase1 (ASK1)およびOlig1という2つの遺伝子がEAEの発症やミエリン再生に与える影響を明らかにするため、それぞれの遺伝子欠損(KO)マウスを用いた実験を行った。ASK1は網膜神経節細胞にアポトーシスを誘導することを報告済みであるが(Harada et al. Am J Pathol, 2006)、最近ではToll様受容体の下流で自然免疫に関与することが注目されている。Olig1はオリゴデンドロサイトの発生に必須のbHLH (basic helix-loop-helix)型の転写因子であることが知られている。両KOマウスに対してEAEを惹起したところ、いずれのマウスとも野生型マウスよりも症状が軽く、特にOlig1 KOマウスでは発症率そのものの低下や、病期の進行に遅延がみられることがわかった。また新たに合成したASK1阻害剤をEAEマウスに投与したところ、視神経炎の症状緩和に有効であることが確認された(EMBOMolecular Medicine, 2010)。一方、網膜Mullerグリア細胞および網膜神経節細胞から特異的に神経栄養因子受容体TrkBが欠損する2種類の領域特異的ノックアウトマウスの作製を完了した。そしてMuller細胞に発現する神経栄養因子受容体が神経細胞への分化や周囲の神経細胞保護に重要な役割を持つことを、初めて直接的に証明することに成功した(Harada et al. Nature Communications, 2011)。今後はこれらのマウスにおいてもEAEを作製するほか、前出のASK1阻害剤による治療研究などをさらに進めていく予定である。1.遺伝子変動に・るMOG-EAE惹起と病理学的解析本研究ではMSの動物モデルとしてMOG-EAEマウスを用いている。野生型マウスと同様にOlig1KO,ASK1KOなどの遺伝子改変動物に対してもEAEを惹起し、それぞれの発症率や重症度の分析を行った。視神経炎発症ならびに重症度との関連をHE染色、Luxol Fast Blue染色、各細胞種マーカーの免疫染色、TUNEL染色、電子顕微鏡による神経軸索の観察などによって組織学的に解析した。視神経病変の重症度についてはVERISによる多局所ERGの測定を行った。すでにASK1KOマウスでは野生型に比べEAEの重症度が低いことを見出している。今後はASK1シグナルの下流で動くp38やJNKの活性ならびに動態を免疫組織化学やウエスタンブロッティング法によって明らかにしていく。2.EAE病巣部におけるグリア細胞の機能解析EAEの病態メカニズム解明のため、本研究ではさらにグリア細胞の機能を解析する。ASK1KOマウスではEAE病巣部へのミクログリア浸潤が抑制されていることから、ASK1が病巣部でアストロサイトからのケモカイン分泌に関与している可能性が考えられた。そこでミクログリアの初代培養細胞から産生・分泌されるTNFαやIFN-γなどの炎症性サイトカイン、およびアストロサイトからのRANTES、MCP-1、IP-10などのケモカインレベルをELISA法などによって定量的に分析した。次にミクログリアの遊走能が変化している可能性も考えられることから、Transwellあるいはchemotaxis chamberを使用して遊走性を定量した。市販されている胃腸薬の成分でありながら、heat shock proteinの上昇などを促すgeranylgeranylacetone(GGA)を用いて、実験的自己免疫性脳脊髄炎(EAE)に対する神経保護効果を検討した。その結果GGA内服群では視神経脱髄の抑制、変性軸索の減少、および視機能の保護が確認された。多局所網膜電位の測定によるマウスの客観的な視機能評価は、我々が開発した手法である(J CIin Invest,2007)。今後も効果が期待される新たな薬剤について、視神経炎に対する効果を検証していきたい。さらにapoptosis signal-regulating kinase1 (ASK1)、Olig1という2つの遺伝子がEAEの発症やミエリン再生に与える影響を明らかにするため、それぞれの遺伝子欠損(KO)マウスを用いた実験を行った。ASK1は網膜神経節細胞にapoptosisを誘導するMAPKKKの1つであることを報告済みであるが(Harada et al.Am J Pathol,2006)、最近ではTLR4の下流で自然免疫に関与することが注目されている。一方Olig1はオリゴデンドロサイトの発生に必須のbHLH (basic helix-loop-helix)型の転写因子であることが知られている。しかしいずれもEAEにおける機能は全く知られていない。両KOマウスに対してEAEを惹起したところ、いずれのマウスとも野生型よりも症状が軽く、さらにOlig1 KOマウスでは発症率そのものの低下や、病期の進行に遅延がみられることがわかった。今後はこうした軽症化のメカニズムについて、さらに検討を進める予定である。

Olig1はオリゴデンドロサイトの発生に必須のbHLH (basic helix-loop-helix)型の転写因子であることが知られている。両KOマウスに対してEAEを惹起したところ、いずれのマウスとも野生型マウスよりも症状が軽く、特にOlig1 KOマウスでは発症率そのものの低下や、病期の進行に遅延がみられることがわかった。また新たに合成したASK1阻害剤をEAEマウスに投与したところ、視神経炎の症状緩和に有効であることが確認された(EMBOMolecular Medicine, 2010)。一方、網膜Mullerグリア細胞および網膜神経節細胞から特異的に神経栄養因子受容体TrkBが欠損する2種類の領域特異的ノックアウトマウスの作製を完了した。そしてMuller細胞に発現する神経栄養因子受容体が神経細胞への分化や周囲の神経細胞保護に重要な役割を持つことを、初めて直接的に証明することに成功した(Harada et al. Nature Communications, 2011)。今後はこれらのマウスにおいてもEAEを作製するほか、前出のASK1阻害剤による治療研究などをさらに進めていく予定である。
アルコール曝露による脳組織構築異常-ノッチシグナル伝達系遺伝子発現への影響-

ノッチシグナル系は神経保護作用や神経分化作用があり、アルコール曝露においても、この系は活性化される。また,PDGF,BDNF,NGFレセプターなどのノッチシグナル系関連受容体にも強い発現が認められるが、このような受容体の発現変化が神経回路網形成にどのような影響を与えているか全く不明であり、神経細胞膜、軸索輸送、シナプス輸送の変化に関する研究は最重要課題と考えられる。この点において、タンパクのシナプス輸送の研究はアルコールによる精神疾患の解明に寄与するものである。神経細胞の発生・分化という最も初期の時点に発現する遺伝子に対するアルコールの影響をNotch-signal伝達系遺伝子を中心として解析し、脳の組織構築異常と精神神経機能障害発症との関連性を明らかにするものである。本研究では、クロマチンレベル、遺伝子発現レベル、転写調節レベルの解析において、成体で得られる研究と平行できる単純な実験系、培養系における神経やグリア細胞の発生および分化の解析手法が必要であり、下記の実験系を通し検討した。ノッチシグナル伝達系には、培養系で用いられる多くの幹細胞のStemness(幹細胞性)保持との関連が指摘されている、Phosphoinositide-3 kinase(PI3K)/Aktシグナルが含まれる。Platelet-derived growthfactor(PDGF)受容体も同じシグナルを含むことから、プロモーター/エンハンサー機能解析を行った。ニューロブラストーマ細胞からクローニングされたPDGFRエンハンサー領域の解析結果では、GATA, Ets転写因子の相乗作用が神経伸長を促進する結果が得られた。神経活動の活性化は、星状膠細胞の代謝型グルタミン酸レセプターを介したカルシウムイオンの上昇を引き起こし,その突起が接する血管の拡張を誘導する。アルコール未処理細胞ではグルタミン酸刺激によりCa上昇を引き起こし、カルシウム不在下では反応が減弱した。アルコール処理は、このカルシウム変動を示す細胞が少なくなることから,アルコールが直接星状膠細胞に作用し、中枢神経内の局所的血流調節を阻害している可能性を見出せた。動物の成体における時系列的もしくは3次元的な生命現象の理解は、実験のスタートライン言えよう。遺伝子改変動物を作る際に使用されるES細胞(多分化能を持つ幹細胞)、成体脳由来のニューロスフェアーや神経幹細胞を用いた実験は、実験仮説の裏づけに必要な再構成実験系となりうるが、誰でも入手できる幹細胞性を有した細胞や、一般的なニューロブラストーマ細胞を用いた予備実験も有効であると考察できた。本研究では、アルコール曝露による脳組織構築異常の発生メカニズムを、クロマチンレベル、遺伝子発現レベル、転写調節レベルでの解析へ発展させるために、培養系における神経やグリア細胞の発生および分化に着眼した解析を行っている。昨年度までの研究課題では、アルコール曝露動物の脳組織内における影響を時系列的もしくは3次元的に発達障害の確立過程を解析した結果、ノッチシグナル伝達系の作動に関わる受容体発現の増加を明確に示すことができた、さらに、神経幹細胞性を有する神経型ニューロブラストーマ細胞へのアルコール曝露の結果では、Brain-derived neurotrophic factor(BDNF)、Nerve Growthfactor(NGF)とその受容体発現において、リガンドと受容体の双方の発現パターンの違いで非常に興味深い現象をリアルタイムRT-PCR法を用いた解析とタンパク定量法において明確に示すことができた。ノッチシグナルならびに脳由来成長因子の細胞内シグナル伝達のパスウェイは、神経細胞保護ならびに細胞増殖、分化に関わることから、アルコール曝露と両者のパスウェイの各々の重要性を詳細に解析する。昨年度の詳細な研究成果は、それぞれ、Italian Society of Neuroscience 2007 Congress、2007年日本解剖学会第62回地方会、ならびに、2008年日本解剖学会第113回全国大会において報告を行った。本年度は、これらのアルコール曝露の影響をさらに詳細に評価するため、ノッチシグナル伝達系および各種成長因子の制御機構を、胎仔脳や成体脳由来の神経幹細胞性を有する細胞を用いた解析へと発展させ、遺伝子やタンパク発現の制御機構におけるクリティカルピリオドの同定に貢献したい。本研究の目的はアルコール曝露による脳組織構築異常の発生メカニズムを、クロマチンレベル、遺伝子発現レベル、転写調節レベルでの解析へ発展させるために、培養系における神経やグリア細胞の発生および分化に着眼した解析を行っている。今年度は、精神神経機能障害発症とアルコール曝露の関連性について、神経細胞の膜タンパク(ノッチ関連遺伝子)の機能性変化に着眼して解析した。すでに、神経組織へのアルコール曝露の影響は、神経細胞の細胞膜表面に局在するノッチ関連の受容体発現が誘導されることにより、細胞死保護或いは、正常な神経ネットワークの機能保持に関わる可能性を示してきた。本年度は、神経伸長や神経幹細胞性の保持に関わるPDGF受容体やT1x等の発現パターンを増減させた際において、神経ネットワーク形成における神経細胞膜が、機能的な形態変化を示す点について報告してきた。しかしながら、発生過程や神経ネットワーク形成過程に着眼した解析が必要であり、特に、神経幹細胞、神経細胞やグリア細胞の膜の形状やシナプス膜を機能的な観点から解析の必要性が明らかになった。

来年度は、神経ネットワーク構築に関わるノッチシグナル伝達系の機能的役割およびシナプス膜形成への影響を同定することにより、精神神経機能障害発症メカニズムの解明に着眼した解析を通して4年間の集大成としてまとめたい。昨年度の詳細な研究成果は、2008年国際誌上及び、2009年日本解剖学会第114回全国大会において報告を行った。本研究の目的は、アルコール曝露による脳組織構築異常とノッチシグナルとの相関を明確にするために、クロマチンレベル、遺伝子発現レベル、転写調節レベルでの解析へ発展させ、培養系における神経やグリア細胞の発生および分化に着眼した解析を行っている。これまでに、神経回路網形成への影響を明確にするためには、神経細胞膜、軸索輸送、シナプス輸送の変化を最重要課題であると定義できた。そこで今年度は、神経ネットワーク構築に関わるノッチシグナル伝達系の機能的役割およびシナプス膜形成への影響を同定することにより、精神神経機能障害発症メカニズムの解明に着眼した解析を行った。神経細胞膜(シナプス膜)領域における機能性を明確にする予備実験の結果では、順行性軸索輸送により細胞体から神経終末へ移動する神経トレーサーの形態に着眼した。この終末部では、神経細胞の環境により、シナプス小胞よりはるかに巨大なタンパクが一塊となりシナプス輸送されている像を同定でき、このタンパク輸送には異なるタイプの形態変化として分類できた。神経細胞の機能的解析結果からは、神経伝達物質が放出されていない非興奮期に一致してタンパク輸送が行われること可能性を示唆できた。このことは、シナプス輸送の抑制環境下において高頻度で出現したことから支持される現象と考えている。アルコール曝露では、このタンパク輸送は抑制傾向にあり、今後、軸索輸送やシナプス膜の形状、さらに細胞骨格との関連性を究明をすることが必要であるとの結論に至った。最後に、神経回路網の形成過程に与える影響は、神経細胞膜、軸索輸送、シナプス輸送における変化に関する研究も重要であり、この点において、タンパクのシナプス輸送の研究はアルコールによる精神疾患発症メカニズムの解明に寄与するものである。これらの成果は、2009年国際誌上及び、2010年日本解剖学会第115回全国大会において報告を行った。
核磁気共鳴によるナノスケール磁性体の量子トンネル効果の研究

本研究は、核磁気共鳴(NMR)を用い、代表的な2つのナノスケール分子磁性体、S=10のMn_<12>ACとS=1/2のV_<12>について、量子トンネル効果とこれに関わるスピンダイナミクスを微視的視点から究明するものである。平成11年、12年度購入の高帯域パルス電力増幅器とヘリウム3温度用NMRクライオスタットを用い、キャビティーの作成とあわせて、800MHz帯のNMR装置をセットアップし超低温域の磁性核NMRを可能とした。Mn_<12>ACについては、クラスターを構成するMnイオンの核のNMRの観測にはじめて成功するとともに、以下の成果をえた。(1)^<55>Mnの内部磁場の解析から各イオンのhypefine相互作用テンソルを決定した。(2)核磁気緩和については、基底状態と第一励起状態状態の熱的励起を考え、スピン-スピン緩和時間T_2が熱励起の頻度で決まる強衝突モデルで、スピン-格子緩和時間T_1は摂動論に基づく緩和理論で解釈できることを明らかにした。さらに、磁化反転後の信号強度の観測から、(3)初期の磁化の回復が時間の平方根(-√t))で回復すること、磁場依存性における0.45Tごとのdipの存在が量子トンネル現象を反映したものであること、および、(4)超低温で磁化反転が一気に起るアバランシェ効果の存在をみいだした。V_<15>分子磁性体については、液体He温度域、0.43Tの磁場域で、^1HのT_1の温度依存性の磁場をパラメータとした測定から、磁場中ゼーマン準位が、S=1/2と励起状態3/2の最も単純な準位から構成されることを示すとともに、実験結果が、これらの準位による熱活性化型の緩和機構で解釈できることを明らかにした。本研究は、ナノスケール磁性体における準安定性にかかわる量子トンネル効果を微視的視点から究明することを目的として、主として、Mn12-アセテートの中のプロトン核とMn-核について、核磁気共鳴(NMR)を行い、NMRスペクトルならびに核スピンー格子緩和時間T_1、スピンースピン緩和時間T_2の実験を行うものである。本年度は、まずプロトン核についての予備的実験を行い、引き続き、高周波帯NMR(220MHz800MHz帯)でMn核のNMR信号の検出に努めた結果、始めてゼロ磁場でMn核の信号の検出に成功し、液体ヘリウム温度域でT_2とT_1が著しい温度依存性を示すことを見い出した。(ヘルシンキで開かれた第22回低温国際会議、日本物理学会1999年秋の分科会で発表。)さらに、磁場中冷却を行った後磁場反転を行い、磁化の回復について次ぎのような、新しい重要な知見を得た。(1)磁化の回復は、反転後、磁化が約80%程度になるまでは、時間の平方根(-√<t>)で回復するが、それ以降は、指数関数的(exp(-t))に回復をする。(2)回復の時定数が、NMR高周波のパワーに依存する。(3)反転後の磁場中での2つの磁化の向きに対応する緩和時間T_1が異なった磁場依存性を示し、トンネル効果が期待される0.45Tごとの共鳴磁場に対して、緩和率1/T_1が増大する傾向がある。(日本物理学会、2000年春の分科会(関西大学)で発表。)Mn核のNMR観測に成功したことにより、他の手法では得られないクラスターそのもの

ダイナミクスの直接的検証の可能性が判明したので、今後、プロトンとMnの2種の異なる核を対象とし、さらに強磁場、超低温下での実験を行うことにより、磁化反転過程ならびにトンネル効果のダイナミクスをクラスターの外と内から究明する見通しを得ることができた。本研究は、核磁気共鳴(NMR)を用い、ナノスケール磁性体の量子トンネル効果を微視的視点から究明するものである。巨大スピンS=10のMn12-アセテートの中のH核とMn-核、S=1/2と3/2をもつV15のH核について、NMRスペクトと核スピン-格子緩和時間T1、スピン-スピン緩和時間T2の実験を行った。昨年度の実績(高周波帯でのMn核のNMR信号の検出)を踏まえた本年度の実験内容と考察は以下の通りである。(1)MnのT1とT2の液体ヘリウム温度域での温度、磁場依存性の測定。T2とT1が、約2桁の絶対値の相違(T2<T1)、を保ちながら同じ著しい温度依存性を示す。このことは、緩和が、通常の摂動論に基づく緩和理論ではなく、分子磁性体に対しては、強衝突モデルに基づく緩和理論を適用することが必要であることを示しており、その視点からの考察を行っている。(2)超低温域への拡張。ヘリウム3クライオスタット(本年度備品)と希釈冷凍機を用いた超低温度域では、T1は著しい温度依存性が低温まで持続するのに対して、T2は一定値となること、また横磁場をかけることによりT2が短くなることが判明した。(1)の結果とあわせて、トンネル効果の視点から検討をおこなっている。(3)MnのNMRの信号強度の時間的回復の測定。磁場中冷却を行った後磁場反転を行い、初期の磁化の回復は、時間の平方根(-√t))で回復するが、それ以降は、指数関数的(exp(-t))に回復をする。この結果は、量子エネルギー準位の幅に起因するものである。(ポルトガルの強磁場国際会議で報告。)(4)V15分子磁性体について、液体ヘリウム温度域、0.43Tの磁場域でのH-核のT1が、強衝突理論による緩和機構で解釈できることを明らかにした。この系の準位は、巨大分子でありながら、S=1/2と3/2で、最も単純な準位から構成されることが特徴であり、Mn12との比較という意味からも重要である。本研究は、核磁気共鳴(NMR)を用い、ナノスケールクラスター分子磁性体の量子トンネル効果を微視的視点から究明するものである。対象は、巨大スピンS=10のMn12AcとS=1/2と3/2をもつV15であり、55Mn核および1H核のNMRスペクト、ならびに、核スピン-格子緩和時間T1とスピン-スピン緩和時間T2の測定を行った。また、クラスターとしての磁化の大きさを反映するNMR信号の強度の測定から、磁化の回復とこれに現れるトンネル効果、また、特異な現象としてのアバランシェ効果を観測した。前年度の実績を踏まえた本年度の実験内容は以下の通りである。1.Mn12Acにおける55Mn核のNMRスペクトル(前年度成果)の解析に基づき、hyperfineテンソルの同定を行うとともに、クラスター巨大スピンの見る微細磁場についての実験的な知見をえた。2.55Mn核のT1とT2について、200400高周波域NMR(11年度備品)でHe3クライオスタット(12年度備品)と希釈冷凍機を用いた超低温度域、及び、液体He4温度域での温度、磁場依存性の詳細な測定を行った。データの解析を通して、T2は、熱励起の頻度で決まるという強衝突モデルで、また、T1の方は、摂動論に基づく緩和理論で解釈できることを明らかにした。
隕石母天体に存在した太陽系最古の塩水化石の地球化学的研究

Zag隕石やその他隕石中のハロゲン元素の宇宙化学的振る舞いを、これから作られる^<80>Kr,^<82>Kr and ^<128>Xe同位体や、消滅核種^<129>Iからの^<129>Xeを調べることにより研究した。角礫岩組織を持つZag隕石中の暗黒色部分で0.5mm程度のサイズの岩塩結晶が見つかり、さらに岩塩はこの暗黒色部分に濃集している。これら異なる岩相を砕いて熱水で岩塩溶出実験を行った結果は、これら結晶が0.1mm以下の微小なもので、シリケイトに包含されているらしいことがわかった。暗色部分は太陽風起源希ガスを多量に含むことから、母天体表面で天体の爆撃と太陽風の照射を同時に受けていたことを示す。従って、このようなハロゲン濃集は、隕石母天体形成初期に炭素質隕石や彗星物質のような含水天体の衝突によりもたらされた可能性がある。このような、ハロゲンと水が関与したプロセスを年代学的に研究するために、東京大学アイソトープセンターでAr-Ar年代測定に使われていた質量分析計を改良した。さらに希ガス抽出・精製ラインを製作して、この質量分析計と組み合わせることによって、日本で初めてI-Xe年代測定が可能になった。この装置によって、ハロゲンを多量に含有することがわかってるYamato-74191が、AllendeやBjurboleより約25Maも後にI-Xe系が閉鎖系になったことを示している。大部分の隕石が形成された後の25Maも後に、隕石母天体に液体の水とハロゲン元素をもたらし、水質変成が起こるような出来事が存在したことが明らかになってきた。本研究の初年度における主要な課題は、1)中性子放射化した微小試料の希ガス同位体分析を可能にするためのVG3600質量分析計の改造と、2)岩塩結晶を含む陽石を探して、希ガス分析を行う前に鉱物学的に十分な観察・研究を行うことである。1)については、すでにレーザーを用いた段階加熱Ar-Ar年代測定の実績を持つ、放射線管理区域に設置された質量分析計の改造のための準備を進めた。主要なものは、イオン検出器のノイズレベルを下げるとともに高感度の検出を行うため、Dalyコレクターを低ノイズ・高安定度の検出器とする改良をおこなった。さらに、高感度のイオン検出としてイオンカウンティングシステムを装着するために、イオンカウンティング用二次電子増倍管増設用フランジ・ハウジングを設計製作するとともに、高圧直流電源とイオン計数装置を購入した。2)については、岩塩などハロゲン濃集組織を検出して、その微小領域から希ガスを抽出・測定する技術開発を行った。この中で、Allende隕石中のCAIの一部にハロゲン濃集領域の存在を確認し、レーザー局所希ガス分析により、このハロゲン濃集が原始太陽系の極初期に起こったことを明らかにした。現在、岩塩結晶の存在が報告された隕石"Zag"から、岩塩結晶を抽出することを試みている。これには、水を使わないドライな条件下で砕き、研磨面の光学顕微鏡、電子顕微鏡、EPMA等による観察を行っている。岩塩に含まれる微小な流体相のラマンスペクトルを測定するために、近赤外領域のダイオードレーザー(785nm)を励起光源とする顕微ラマン分光システムを、研究室に既存の装置を改良することによって整備した。この装置により、空間分解能1ミクロンで標準試料について良好なスペクトルを得ることができ、現状でも蛍光回避のラマンスペクトル測定が可能な段階に達した。本研究の2年目に重要な課題は、1)VG3600質量分析計の改造、2)中性子照射試料の希ガス分析、3)ハロゲン濃集鉱物を含む隕石の鉱物学的観察研究をおこなうことである。

1)および2)については、一年目におこなったイオン検出器の改造後、我々が開発した質量分析制御と同位体比計算プログラム(HP-BASIC)を用いて、性能試験を繰り返しおこない、安定した良好なイオンビームが得られるようになった。新たに導入したイオンカウンティングシステムは、予定通りの性能を発揮した。一方、Daly検出器のノイズレベルと安定度の改善には時間を費やしたが、最終的には目的の性能を達成し、地球試料のAr-Ar年代測定への実用化を開始した。本年度のもう一つの改造である、既存のアルゴン・レーザー加熱を用いた微小試料の能率的かつ低バックグラウンドガス抽出ラインは、設計・製作を経て組立と性能試験の段階に達した。1から100ミリグラム程度の微小試料を対象とした加熱炉は、設計を終わり製作中である。3)については、一年目の研究に引き続き、岩塩結晶の存在が報告された隕石"Zag"と、ハロゲン濃度が異常に高い隕石Yamato-74191、さらに偏在したハロゲン濃集が確認されたAllende隕石のCAIを主たる対象として研究を進めた。この中で、Zag隕石中に明瞭なハライト結晶を見つけた。また、この角礫岩組織の希ガス組成は岩相ごとに大きく異なり、ハライト微結晶の存在を示唆するハロゲンを多量に含む部分と皆無な部分とがあることが分かった。本研究の最終年にあたる3年目には、最重要課題である国内初のI-Xe年代測定を開始することができ、岩塩を持つ隕石のI-Xeデータが得られた。この分析を達成するために、1)改造した希ガス質量分析計(Modified VG3600)による安定した高感度・高精度分析を可能にし、2)隕石・地球試料の中性子照射を、大洗にある東北大学金属材料研究所附属材料試験炉利用施設の共同利用としておこない、3)中性子照射試料の希ガス同位体測定を行うためのガス抽出精製装置を完成させた。1)の希ガス質量分析装置については、既に我々がVG5400希ガス質量分析計で確立した改造を施して、三種類のイオン検出器を用いて広いダイナミックレンジと高感度・高精度分析を実現させた。また、我々が開発したコンピュターによる制御プログラムをこの装置用に変更して能率的な分析を可能にした。2)では、これまで行っていた照射試料の石英管封入を、新たに設計したアルミ管を用いた微小試料封入方式にした。3)希ガスを抽出用加熱炉として、既存のアルゴンレーザーを光ファイバーで導き、真空外から試料の任意の箇所を照射加熱する装置と、1から100ミリグラム程度の微小試料を対象とした新しい抵抗加熱炉を設計製作した。新たに設計製作した希ガス精製ラインに、これらの抽出炉を組み込むことにより、中性子照射試料のAr-Ar年代とI-Xe年代の両方の測定及びHeからXeまでの全希ガス同位体分析が可能となった。全岩試料(2-10mg)を用いた希ガス分析を隕石Allende, Y-74191,Zag, Bjurbole, Satsumaについて行い、高温段階加熱成分でI-Xe年代を算出する^<128>Xeと^<129>Xeのきれいな直線関係が得られた。現在、得られたデータを解析中である。
超高温高圧その場物性精密測定から導き出す最下部マントルの地震波異常の原因

ダイヤモンドアンビルセルを用いた高温高圧実験における高温発生方法は、主にレーザー加熱式と外熱式加熱に分けられる。外熱式の加熱方法を用いることで試料中の温度勾配が少なくすることができるが、技術的な困難さにより、現在まで下部マントル上部の温度圧力条件での測定にとどまっていた。本研究では真空チャンバーおよびグラファイトをヒーターに用いるなど、セル構成を工夫することにより、実際の地球マントル全領域を網羅するような条件まで発生温度圧力を拡張し、X線回折法や分光法と組み合わせ、マントル物質の物性を明らかにすることを目的としている。初年度である今年度は、真空チャンバーおよびグラファイトヒーターを導入した外熱式ダイヤモンドアンビル超高温高圧発生装置の開発に着手し、実際に放射光X線回折法やラマン分光法と組み合わせて高温高圧実験を行うことができた。放射光X線回折は兵庫県にあるSPring-8にて、ラマン分光測定は東京大学にて実験を行った。外熱式加熱には比較的低温下(1000K以下)の実験ではプラチナ・タングステン・モリブデン等の金属ワイヤーを使用した円柱状ヒーターを用い、高温下(1000K以上)の実験ではグラファイトヒーターと真空チャンバーを用い、H2O・Mg(OH)2・ブリッジマナイトの高温高圧その場X線回折データおよびラマンスペクトルの取得を試みた。H2Oにおいては、地球の下部マントル温度圧力条件である1500K, 65万気圧までX線回折データの取得に成功した。初年度の研究達成度に関して、採択通知時期や予算の使用が可能な期間がおおよそ半年という条件を考慮すれば、おおむね順調に進展したと考えられる。今年度は外熱式加熱で用いる真空チャンバーの構想を練り、実際に購入して実験を行った。特に、開発している外熱式ダイヤモンドアンビルセルと真空チャンバーを用いて、放射光施設などで当初の目標である下部マントル温度圧力を発生させ、X線回折データやスペクトルデータを取得できたことは大きい。今後は発生圧力を調整しながら実験を行うために、ガス圧駆動式メンブレンセルを真空チャンバーに組み込む予定である。また、より高温高圧を発生させるためには、アンビルに用いているダイヤモンドのグラファイト化を防ぐ必要がある。ダイヤモンドのグラファイト化を防ぐには水素ガスがチャンバー内に存在する必要がある。現在は真空を引く前に、不活性ガスであるアルゴン99%水素1%のガスをチャンバー内に充満させているが、このアルゴン:水素比を調整して実験を行っていく必要がある。現在アルゴン95%水素5%ガスでの実験準備を行っている最中である。加えて、真空チャンバーの窓材としてSiO2ガラスを用いているが、この窓がX線回折データやスペクトルデータのバックグラウンドを上げており、試料由来のピークが一部埋もれてしまっている。今後は他の窓材の使用や窓の厚みの検討を行っていく予定である。