hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
電位の異なる導体接触時の体内通電電流に関する基礎研究

充電部に接触した際,体内に流れる電流(接触電流)がどのような経路を辿るのかについて,人体数値モデルを用いた数値解析を行い,モデル内の電流密度分布を詳細に検討した。数値解析手法には従来から用いているSPFD法の一部を改良してコード化し,その妥当性の検証を確認している。数値解析の結果,体内の電流は電流経路を最短に通過するように流れ,かつ導電率の大きい組織を通ることが分かった。各組織における電流密度・電界の最大値や平均値を算出した結果,電流経路ではない脳においてそれらは非常に小さく,電流経路上にある心臓においては0.5mA(60Hz)の接触電流に対して電界の平均値が6585mV/mであった。また,電流経路が手足間や両手間では,接触電流の3340%が心臓を通過することが分かった。生体媒質の少なくとも2箇所に電極を設置し,電位差を与えた場合の媒質内における電界と電流密度を解析するコードを開発した。将来的には,人体数値モデルを使用し,800万個を超える要素数での解析を行うため,大容量の計算機と,連立方程式の高速解析が可能なマルチグリッド法による演算処理方法を用いた。同時に,この解析コードの妥当性を検証するために,直方体の水槽に単媒質または2媒質の生理食塩水を浸し,それぞれ(1)平板電極,(2)棒電極,(3)点電極を配置した場合についてモデル内の電界分布を測定した。電界測定にはプローブ電極を用いて,2点間の電位差をロックインアンプで測定し,プローブ間隔(Δl=10mm)で除した。その結果,同じ条件における電界分布の解析結果と測定結果の傾向は概ね一致しており,数値的にも一部を除いてよく一致していることが分かった。一部で誤差のあった原因として,測定に用いたプローブ間隔(Δl)による空間分解能の低下が考えられる。今後は,プローブ間隔を小さくし,分解能を高くした上で,複雑なモデル形状に対して測定結果と解析結果を比較することで,更なる妥当性の検証を行う。また,この解析コードを人体数値モデルに適用し,実際的な解析条件における体内電界や電流密度を解析する。この数値解析手法を人体数値モデルに適用することで,人体の様々な2箇所間に接触電流が流れた場合について体内の電流密度や電界強度が詳細に把握できるようになる。例えば,ICNIRPでは接触電流の参考レベルが0.5mAとされているが,これによる神経系組織での電流密度が基本制限に対してどの程度であるのかが分かるようになる。また,最近公共機関で普及されるようになったAEDに関して,電極配置と除細動効果との関係をシミュレーションで検討することが可能になると考えられる。数値化された人体詳細モデルの異なる2箇所に平板電極を付けて電位差を与えた場合における体内電流密度分布を数値解析するために,平成20年度では数値解析コードの検証と典型的な電極配置による解析結果の検討を行った。先ず,数値解析コードの妥当性を検証するため,直方体状及びL字型の水槽に媒質(生理食塩水)を満たし,アルミニウム板を用いた電極を配置して60Hzの電位差を与えた場合について,媒質内の電界分布を微小2点間プローブを用いて測定し,結果を同条件における数値解析結果と比較した。両者の結果から,特にL字型の媒質の場合における電流は電極間の最も短い経路を流れる分布になるなど,基本的な電流分布特性を確認した。さらに,両者の結果は分布的・数値的によく一致しており,数値解析コードの妥当性を確認することができた。次に,シミュレーションの典型的な例として,人体詳細モデルの(1)左手-両足間,(2)右手-両足間,(3)左手-右手間に接触電流を流した計3パターンの場合における体内電流密度分布を数値解析した。手の場合には手のひらに約1000cm^2の電極を,足の場合には足裏に約2500cm^2の電極を貼り付けており,それぞれのパターンにおいて電極間にIV(60Hz)の電位差を与えた。解析後に,どのパターンでも体内の通電電流が0.5mAとなるように電流密度の値を比例的に修正した。解析結果から,各パターンにおいて神経系組織における電流密度の最大値と平均値を算出した。頭部における小脳や大脳では電流経路から離れているため,電流密度は非常に小さかった。しかし,心臓では電流密度の最大値が10mA/m^2程度になる場合があるなど比較的大きくなっていることが分かった。すなわち,接触電流の参考レベルと基本制限の関係が一致している。また,(1)左手-両足間のパターンにおいて,接触電流の約40%が心臓を通過する結果が得られた。

前年度までの成果では,人体数値モデルを用いた接触電流による体内電流密度分布の数値解析結果から,各組織や臓器における電流密度の定量化することを可能とする数値解析システムを構築し,その解析結果について具体的なデータの検討を行った。しかし,感電のように人体が充電部へ接触するような場合,接触間の電圧は分かるが,どの程度の電流が体内へ流れたかが分からない場合が多い。そこで,上の結果を用いて,人体モデルへの接触電流と接触間電圧から接触間における人体インピーダンスの算出を行った。その結果,片手(手掌)と片足(足裏)の間における人体内部抵抗は約1400Ωで,両手間におけるそれは約1500Ωと見積もられた。このように,人体の様々な2点間における接触電流の数値解析結果から,人体インピーダンス(内部抵抗)データを蓄積することで,電気的な安全要求を評価するためのリスクモデルを構築するような新たな課題を得ることができた。
ラオス伝統的民謡を活用したヘルスプロモーションモデルのタイ肝吸虫症対策への応用

本研究の目的は、1タイ肝吸虫感染予防のために、伝統的民謡「ラム」を活用した教育教材を開発し、2開発した教材で住民教育を行い、3その介入で住民の知識、関心、行動がどのように変化していくかを検証することである。2016年度から開始し、1年目は「ラム」を活用したタイ肝吸虫感染予防に関する教育教材を開発し、フィールドテストを繰り返した。フィールドテストでは、少人数の対象者に視聴してもらい、グループディスカッションを行い、その意見をもとに改良を重ねた。完成した教材は、ラオス政府保健省および情報文化省の検閲を経て使用許可を得た。2年目は、ラオス南部サラワン県で、実際に介入研究を行う対象村の選定を行った。対象地域の村長や村の幹部らと協議をもち、良好な関係を構築し、研究協力を得ることができた。3年目には、対象村でベースラインサーベイを行い、介入を開始する計画であったが、洪水の影響により、調査の継続が困難となってしまった。そのため、サラワン県よりも雨季にアクセスが良く、洪水などの影響を受けにくいヴィエンチャン郊外の地域を対象とすることにした。そして、新しい対象地域でベースライサーベイをやり直し、介入を行うことにした。ヴィエンチャンでは、研究代表が10年前から支援活動を行っていた地域を対象としたため、研究協力を短期間で得ることができた。ベースライサーベイを行い、介入プログラムを実施している。介入後の評価は、4年目に実施する予定である。2018年7月から8月にかけて大雨が続き、ラオス南部では水力発電ダムが決壊し、甚大な被害をもたらした。ラオス中南部地域では広範囲にわたって浸水被害が発生し、一時、陸路の移動が困難な状況となった。本研究の対象地域は南部のサラワン県であり、調査のために対象村へアクセスすることが困難な状況となった。そのため、調査地域をサラワン県からヴィエンチャン市へ変更し、再度、調査をやり直すことになった。今後は、開発した教材を活用した地域での健康教育を一定期間行い、その後、介入プログラムの効果を直後と6か月後に評価をする。よい結果が得られた場合は、介入プログラムを実施しなかった対照村に教材を配布し、同様の効果が見られるか検証する。介入研究の結果は、ラオス国内で実施される学会および国際学会などで報告し、論文にまとめて、年度内に学会誌に投稿する予定である。また、ラオス国内で広く普及してもらうため、教材はラオス熱帯公衆衛生研究所の研究者に譲渡し、普及してもらう計画である。本研究の目的は、タイ肝吸虫症対策のために、伝統的民謡「ラム」を活用した健康教育教材を開発し、その教材がどのように地域住民のタイ肝吸虫感染予防に関する知識、関心、信念を変化させ予防行動起こさせるのか検証することである。初年度である平成28年度に計画していた活動内容は、1教材開発、2フィールドテスト、3対象地域の選定と調整、4ベースライン調査であった。教材開発に関しては、研究協力者であるラオス国立芸術大学校講師Ms. Viengphu Nunimと彼女が所有する伝統芸能団の協力を得て、2種類の教材が完成した。一つは、タイ肝吸虫感染予防に関する知識を伝統的民謡「ラム」で謡った音曲のみの教材、もう一つは、タイ肝吸虫感染が原因で死亡した男性の物語を謡い、それに動画をつけた視聴覚教材である。これらの教材は、平成28年5月から8月までに2度にわたりフィールドテストを行ない、改良を重ねた。また介入方法を検討するために、実験的に2つの村に教材を配布し、活用してもらった。その結果、村のリーダーの意識が高ければ定期的に、しかも6ヵ月間継続的に教育活動が行えることが実証された。また、そういった教育活動の恩恵を受けた住民たちの変化としてタイ肝吸虫感染の予防に対して関心が高まり、定期的な治療の必要性が認識されたことが確認された。このことから、開発した教材の有効性は確認できたが、教育活動を継続的に維持するためのモニタリング方法を検討する必要性があることが示唆された。教材の開発、フィールドテスト、対象地域の選定と調整は当初の計画通り行えているが、ベースライン調査が年度内にできず、平成29年度に実施することになった。また、現地は雨期になると対象村へのアクセスが悪いため、雨量の少ない時期に介入を始める必要性が出てきた。そのため、全体の計画を約6か月程度ずらすことにした。本研究の目的は、1)ラオスに蔓延する感染症の1つであるタイ肝吸虫症対策のために、伝統的民謡「ラム」を活用した健康教育教材を開発し、2)開発した教材を情報伝達媒体とし、住民教育を行い、地域住民のタイ肝吸虫感染予防に関する知識、関心、生魚の摂取回数、魚料理の安全な調理方法の実践、トイレでの排泄習慣がどのように変化していくかを検証する。本研究は、平成28年度から開始し、1年目は、情報文化省モーラム課に所属する伝統芸能団の協力を得て教材開発を行った。そして、教材のフィールドテストを繰り返し、改良を重ねた。また教材の教育効果を確認するために、少人数を対象に、教材を視聴してもらい、その前後でのタイ肝吸虫症に対する知識、関心の変化をグループディスカッションを行い、その内容を質的に分析し、教材の有効性を確認した。また、開発した教材は、ラオス政府保健省および情報文化省の検閲を受け、教育教材としての使用許可を得た。

2年目である平成29年度は、介入研究を実施するために、ラオス政府保健省倫理審査委員会および安田女子大学倫理審査委員会に研究計画書を提出し、両者から承認を得た。また、ラオス南部のサラワン県にて関係機関からの研究協力を得るために、サラワン県保健局長と群保健局長と面談し、良好な関係を構築した。さらに対象村の選定を行い、研究への協力を求めるために、対象地域の村長や村の幹部らとの協議をもち、同意の手続きを行った。当初の計画では、平成29年度中にベースラインサーベイを実施し、介入を開始する予定であったが、実際には年度内に実施はできなかった。平成30年度に実施する予定である。介入研究に対するラオス政府保健省倫理委員会での倫理審査の手続きに非常に長い時間を要した。また、雨季の間は、対象地域へのアクセスが悪いため、その期間の調査の実施は避けていたが、それ以外の時期は、本プロジェクトのラオス側責任者および研究代表の長期海外出張が重なってしまい、調査を計画通りに実施することが不可能であった。本研究の目的は、1タイ肝吸虫感染予防のために、伝統的民謡「ラム」を活用した教育教材を開発し、2開発した教材で住民教育を行い、3その介入で住民の知識、関心、行動がどのように変化していくかを検証することである。2016年度から開始し、1年目は「ラム」を活用したタイ肝吸虫感染予防に関する教育教材を開発し、フィールドテストを繰り返した。フィールドテストでは、少人数の対象者に視聴してもらい、グループディスカッションを行い、その意見をもとに改良を重ねた。完成した教材は、ラオス政府保健省および情報文化省の検閲を経て使用許可を得た。2年目は、ラオス南部サラワン県で、実際に介入研究を行う対象村の選定を行った。対象地域の村長や村の幹部らと協議をもち、良好な関係を構築し、研究協力を得ることができた。3年目には、対象村でベースラインサーベイを行い、介入を開始する計画であったが、洪水の影響により、調査の継続が困難となってしまった。そのため、サラワン県よりも雨季にアクセスが良く、洪水などの影響を受けにくいヴィエンチャン郊外の地域を対象とすることにした。そして、新しい対象地域でベースライサーベイをやり直し、介入を行うことにした。ヴィエンチャンでは、研究代表が10年前から支援活動を行っていた地域を対象としたため、研究協力を短期間で得ることができた。ベースライサーベイを行い、介入プログラムを実施している。介入後の評価は、4年目に実施する予定である。2018年7月から8月にかけて大雨が続き、ラオス南部では水力発電ダムが決壊し、甚大な被害をもたらした。ラオス中南部地域では広範囲にわたって浸水被害が発生し、一時、陸路の移動が困難な状況となった。本研究の対象地域は南部のサラワン県であり、調査のために対象村へアクセスすることが困難な状況となった。そのため、調査地域をサラワン県からヴィエンチャン市へ変更し、再度、調査をやり直すことになった。今後は、対象地域にてベースライン調査として住民のタイ肝吸虫感染に関する知識・関心・魚料理の調理法・生魚の摂取頻度・トイレの使用状況・保健医療機関への受信行動などに関する質問し調査を行い、その後、介入群にて開発した教材を活用した介入を開始する。当初の計画では介入期間を6か月間としていたが、この期間を3か月に短縮し、計画の遅れを取り戻す。そして、介入後の評価を今年度中に終了させる。
確率力学系理論によるリスク分析研究の展開

本研究では、投資に伴う不確実性を持つキャッシュフローの現在価値(RNPV)を確率系とみなしたうえで、リスクを伴う事業投資の価値評価問題に確率力学的観点からアプローチすることを目的としている。その結果、(1)期待値不変性の一種である効用無差別価格概念より導かれる「リスク鋭感的価値尺度」が「規模のリスク」の評価と「カタストロフィー債券」の評価に有効な評価法であること、(2)発電事業投資問題への応用を通して、その尺度ならびにそれを近似したRNPVプロビットモデルが実務的にも有用であることを示した。また(2)に関連して日本電力卸市場価格の定量的評価の分析も行った。本研究は、研究代表者が展開してきた確率力学系と不変量理論の観点から不確実性リスクを考慮した投資価値評価問題にアプローチすることを目的としている。すなわち、不確実性リスクを伴うプロジェクト事業評価のキーとなる"ランダムキャッシュフロー現在価値(RNPV)"を確率系とし、それに対する一種の不変量概念である"効用無差別価格概念(Utility indifference pricing)"を用いて上記問題を解決する、いわゆる"UNPV法"について、その理論深化と発電設備投資問題等への応用による有用性の検証を目的としている。平成25年度は平成24年度の成果に基づき、以下の成果を得た。代表者・三澤哲也は、UNPV法の一種の変形法である"効用無差別価格に基づく内部利益率(UIRR)法"について、投資家のリスク回避度にかかわる感度分析を開始した。また自身が定式化したUNPV法の一種の近似であり、投資家の行動データより投資判断を行う統計モデルである「多値型RNPV選択モデル」について、分担者・宮内肇らとともにその有用性を火力発電設備投資シミュレーションを通じて確認した。さらに分担者・宮原孝夫によってUNPVを発展させる形で定式化された"リスク鋭敏価値尺度"について、宮原および三澤の指導院生とともに香港REITの実データを題材にその有用性を確認した。分担者・宮内肇は、上記共同研究とともに、電力システムにかかるリスクを解析するために、我が国の電力卸市場価格の決定構造を明らかにしその要因を分析するための回帰分析を主導した。分担者・宮原孝夫は、上記共同研究に関連して、リスク鋭感的価値尺度が投資規模のリスク評価に有効であることを解明し、特に、巨大なリスクに対応する1手段としてのCAT bondの有用性を説明するのに有効である可能性を見出した。本研究は、研究代表者がこれまで展開してきた確率力学系理論の観点から不確実性リスクを含む投資対象の価値評価や投資決定問題にアプローチすることを主題に、関連する実務的話題として不確実性を含む電力システムにおける設備投資事業問題、数理的話題としてリスクの価値評価問題を取り上げ、それらとの有機的な結びつきを模索することを目的としている。平成24年度は課題初年度であり、そのパイロット研究を代表者と分担者の共同ないしは個別研究の形で実施し、以下の成果を得た。代表者・三澤哲也は、上記主題に沿って不確実性リスクを伴うプロジェクト事業のランダムなキャッシュフローの現在価値(RNPV)から当該事業の投資判断を行う統計モデルである「多値型RNPV選択モデル」を定式化した。つづいて分担者・宮内肇とともに、事業者の新事業の「採・否・保留」に対応する三値型RNPV選択モデルを取り上げ、それにより事業価値を正しく評価しうるかどうか、火力発電事業のモンテカルロシミュレーション・データをもとに検証し、望ましい結果を得た。分担者・宮内肇は、上記シミュレーションモデルの精密化のために、我が国の電力卸市場であるJEPXのシステムプライスや電力需要量の時系列分析を行い、その結果、2005ー2011年度の年度レベルでは半数でしか無作為性が認められないこと、2008ー2011年度の夏季では曜日による価格差が拡大傾向にあること、需要量の地域属性による統計的有意差が判明した。分担者・宮原孝夫は、宮原自身が定式化した「リスク鋭感的価値尺度」について、その重要例が期待効用無差別価格概念を通じて与えられること、また事業投資における「規模のリスク」の評価に当該尺度が有効なことを示した。以上の成果はすでに論文ないしは学会・研究会等の口頭発表にて全体あるいは一部を公表している。本研究は、代表者が展開してきた確率力学系と不変量理論の観点から、不確実性を考慮したプロジェクト事業投資の価値評価のキーとなる“ランダムキッシュフロー現在価値"を確率系とみなし、その上の不変量である“効用無差別価格"概念を用いることで、新たな投資価値評価法(UNPV法)ならびにその特別な場合のリスク鋭感的価値尺度(RSVM)法を構築し、その理論展開と発電設備投資への適用を通じた有用性の検証を主目的としている。平成26年度はこれまでの成果を深化と共に、それらの融合にも力を注いだ。

分担者・宮原孝夫はRSVM法が有効であるような適用対象を検討し、プロジェクトにおける規模のリスク評価や動学的な価値評価においてその有効性を確認した。なお後者については、確率制御理論におけるリスク鋭感的最適コントロールやリアルオプション・アプローチの考え方が有用であることが解明されつつある。分担者・宮内肇は、代表者・三澤哲也と共に、上記の宮原孝夫の成果の応用として、太陽光や火力による発電施設の投資における規模を考慮したRSVM事業価値評価法の有用性を検討し、事業価値評価の試行中にRNPVが負となるケースがある場合、最適な投資規模の存在が確認された。確率論今年度は昨年度の代表者、分担者それぞれが担当した昨年度までのパイロットスタディ的成果の展開に力を注いだ。中でも共同研究にかかわる事柄については重点を置いて取り組むことを心がけた。その結果、以下の成果が公表された。1)昨年度から三澤・宮内の間で推進してきた「多値型RNPV選択モデル」の有用性に関する検証シミュレーションについては、著名な米国電気情報通信学会(IEEE)が後援する国際会議(IREP2013)で発表され、出版物としても査読付国際学会論文として公表された。2)電力市場リスク分析の一環として宮内が主導する日本の電力卸市場価格分析についても三澤との共同論文の形で国際会議にて公表が予定されており、あわせて電力系査読雑誌にも掲載が決定している。3)宮原の「リスク鋭敏的価値尺度」研究については、その有用性が「投資規模のリスク」評価で認められルことが判明したが、それについては京都大学数理解析研究所での講演で公表され、出版物としては同研究所講究録として出版予定となっている。4)3)の実務への応用を意識した宮原、三澤の共同研究の成果の一部が三澤の指導院生の修士論文(Ban Lan氏、"Valuation of Hong Kong REIT based on Risk Sensitive Value Measure Method"、2013年度名古屋市立大学経済学研究科修士論文)に盛り込まれた。5)三澤が前年度から着手しだした「効用無差別価格理論に基づく内部利益率(UIRR)」については、そのリスク感度分析に関するシミュレーション分析を本格的に開始し、その成果を分担者らとの研究打ち合わせセミナー等で討論し、その一部は上記修士論文の中でも触れられている。以上の成果とその公表状況から計画はおおむね順調に進んでいると考えている。代表者・三澤哲也の今年度の成果の中心である、ランダムキャッシュフロー(RNPV)事業投資選択モデルは、RNPVの期待効用無差別価格を実データに合うように近似することで導出される統計モデルであり、RNPVを確率系、無差別価格概念を不変量概念と捉えれば、まさしく研究の主目的に沿って導出された1つの成果である。これについては分担者・宮内肇との共同研究による火力発電設備投資シミュレーションを通じてその有用性が確認されつつあり、すでに数回の関連口頭発表を実施し、現在さらに発展させた成果を査読付き国際会議発表論文として準備中である。これは初年度としては順調な経過と考える。
大脳皮質と基底核の機能連関による時間計測機構

脳における時間情報の処理機構を解明するために、視覚刺激呈示時間の三分類課題を遂行中の動物から、大脳皮質前頭連合野と内側運動前野のニューロン活動を記録した。両領野で、刺激呈示期に刺激開始から一定時間後にピークを示す一過性活動と、刺激呈示終了後に刺激時間が長い、中間、短いかの分類に選択的な活動が見られた。これらの結果は、両領野がフィルタリング機構を活用して、協調して時間計測に関わり、時間情報の判断結果を表象していることを示唆する。本研究は、外界の認知や行動制御に不可欠な、時間情報処理に関わる神経基盤を、大脳皮質と大脳基底核との機能連関であると仮定し、神経細胞活動レベルで解明することを目的としている。特に、未だ解明の進んでいない、時間の計測過程に関わる神経機構の解明を目指している。この目的のため、視覚刺激の呈示時間を三分類する課題を開発して、同課題を遂行中のサルの前頭連合野と線条体から神経細胞活動を同時記録し、課題関連活動を解析する予定である。本年度は、まず視覚刺激の呈示時間を三分類する課題の制御システムを整備した。課題遂行のため、サルの眼前に、視覚刺激呈示用のモニターと、左・中・右と中央下に押しボタンを計4個配置したパネルを配備した。課題では、モニター中央に視覚刺激(C1)を様々な持続時間で呈示し、呈示後に、C1の呈示時間を短・中・長に三分類させ、それぞれ左・中・右のボタンを押すと正答とした。また、呈示時間の短・中・長と押しボタンの空間配置との連合を統制するため、C1の呈示位置を左・中・右のいずれかとし、その位置に合わせた左・中・右のボタン押しを正答とする、空間性遅延反応課題を準備した。課題制御システムを整備した後に、課題を遂行できるように、順に2頭のサルの訓練を開始した。そのうち1頭は、本課題と統制課題の双方とも、90%以上の正答率で安定して課題を遂行できるようになった。一方で、多点電極を用いて複数の神経細胞活動を同時に記録するためのシステムのセットアップを進めた。多点電極は、新たに開発されたVector Array電極(NeuroNexus社製)を用いることとした。それに合わせて、32ch可変ゲインアンプPGA32(MCS社製)を導入した。電極の保持や脳内刺入のための装置は独自に製作し、記録システムはほぼ完成した。上記の通り、実際の記録実験を遂行するための準備がほぼ整った。この目的のために、視覚刺激の呈示時間を三分類する課題を開発して、同課題を遂行中のサルの前頭連合野や運動前野、頭頂連合野、線条体などから神経細胞活動を記録し、課題関連活動を解析する予定である。本年度は、まず、訓練により呈示時間の三分類課題と対照の空間性遅延反応課題を安定して遂行できるようになった1頭のサルから、単一神経細胞活動を記録する実験を開始した。大脳皮質の背外側前頭連合野や内側運動前野、頭頂連合野と線条体などから神経細胞活動を記録することができた。オフラインの解析で、前頭連合野や線条体からは、視覚刺激の呈示開始から一定時間後にピークを示す活動や、視覚刺激の呈示後に呈示時間の分類結果を表象する活動などが見出された。これらは、これまでに呈示時間の弁別課題でも見出された活動と類似していた。内側運動前野からは、それらに加えて、新たに視覚刺激呈示の後半にビルドアップしていく活動も見出された。時間の計測あるいは分類に関わる活動と推測された。また、Vector Array電極を用いて、多点記録の予備実験を行い、サル大脳皮質からの記録ができるようになった。しかし、製造元が同電極の形状を変更したため、電極の保持システムを新たに作成する必要が生じ、必要に応じた記録システムの再構築を進めている。研究は、おおむね順調に進展している。呈示時間の三分類課題と対照の空間性遅延反応課題を遂行中のサルから、神経細胞活動を記録する実験を開始した。大脳皮質の背外側前頭連合野や内側運動前野、頭頂連合野と線条体などから記録し、時間情報処理に関わると考えられる興味深い神経細胞活動を見出した。たとえば、背外側前頭連合野や線条体からは、視覚刺激の呈示開始から一定時間後にピークを示す活動や、視覚刺激の呈示後に呈示時間の分類結果を表象する活動などである。多点電極記録に関しては、Vector Array電極の形状変更に合わせて、新たな電極の保持システムの作成を進めている。本研究は、外界の認知や行動制御に不可欠な、時間情報処理に関わる神経基盤を、大脳皮質と大脳基底核との機能連関であると仮定し、神経細胞活動レベルで解明することを目的とした。特に、未だ解明の進んでいない、時間の計測過程に関わる神経機構の解明を目指した。

この目的のために、視覚刺激の呈示時間を三分類する課題を開発して、同課題を遂行中のサルの前頭連合野や運動前野、頭頂連合野、線条体などから神経細胞活動を記録し、課題関連活動を解析することを計画した。本年度は、訓練により呈示時間の三分類課題と対照の空間性遅延反応課題を安定して遂行できるようになった、2頭目のサルからの記録実験を遂行した。大脳皮質の背外側前頭連合野や内側運動前野などから単一神経細胞活動を記録することができた。オフラインの解析では、1頭目のサルと同様に、前頭連合野から、視覚刺激の呈示開始から一定時間後にピークを示す活動や、視覚刺激の呈示後に呈示時間の分類結果を表象する活動などが見出された。これらは、呈示時間の弁別課題を用いた他の研究で見出された活動と類似していた。さらに、内側運動前野では、視覚刺激呈示の後半にビルドアップしていく活動も見出された。これらの結果は、前頭連合野が、視覚刺激の呈示開始から一定時間後にピークを示す活動により、視覚刺激の呈示時間を弁別、あるいは分類していること、そして、その結果を保持していることを示唆する。また、内側運動前野は、ビルドアップ活動により、視覚刺激の呈示時間の計測あるいは分類に関わる可能性が示された。脳における時間情報の処理機構を解明するために、視覚刺激呈示時間の三分類課題を遂行中の動物から、大脳皮質前頭連合野と内側運動前野のニューロン活動を記録した。両領野で、刺激呈示期に刺激開始から一定時間後にピークを示す一過性活動と、刺激呈示終了後に刺激時間が長い、中間、短いかの分類に選択的な活動が見られた。これらの結果は、両領野がフィルタリング機構を活用して、協調して時間計測に関わり、時間情報の判断結果を表象していることを示唆する。研究は、おおむね順調に進展している。課題システムを整備して、2頭の動物の訓練を開始し、うち1頭は安定して課題を遂行できるようになった。多点電極を用いて記録するためのシステムの整備もほぼ完了し、実際の記録実験を遂行する準備が整った。当初の計画とは異なり、動物が課題を遂行する困難さを考慮して、統制課題として空間性遅延反応課題を用いることとした。また、多点電極は、新たに開発されたVector Array電極(NeuroNexus社製)を用いることとした。このような計画変更は、研究内容に影響を与えないと考えられる。現在遂行している、1頭目の動物からの単一神経細胞活動の記録実験を継続する。続いて、訓練を続けているもう1頭の動物からの、記録実験を開始する。記録する領域は、大脳皮質の背外側前頭連合野や内側運動前野、頭頂連合野、線条体などとする。一方で、多点電極の形状変更に伴う記録システムの再構築を完成させ、多点電極による記録を遂行する。得られた神経細胞活動と課題との関連を解析し、刺激呈示時間の計測に関わる神経機構の解明を進める。脳科学大脳皮質前頭連合野や大脳基底核からの記録実験を開始する。記録にあたっては、まず単一電極での記録を行い、これらの脳部位のマッピングを行って、課題に関連する領域を同定する。その後に、多点電極を用いての記録実験を実施する予定である。電極からの信号は、増幅して、ハードディスクに保存し、単一神経細胞からのスパイクの検出、およびそれ以降の解析は、オフラインで行う。記録実験と平行して、神経細胞活動の解析を進める。解析では、保存したデータから単一神経細胞活動を検出した後に、単一神経細胞における課題関連活動の解析、特に課題中の刺激呈示時間との関連を解析する。さらに、神経細胞活動の同時記録データを活用して、大脳皮質ー基底核回路における時間情報処理機構を検討する。
高性能海底地震計の革新的機能高度化へ向けた開発研究

広帯域海底地震観測研究での観測技術的ブレークスルーとして、本研究での最終目標としている、自律動作による埋設センサー方式広帯域海底地震計(NX-2G)の実現について、2016年に動作確認のための実海域試験を実施した。その際の問題点を確認・改修を進め、2017年4月の他の研究観測航海時に、長期試験観測を開始する機会を得た。通常型の広帯域海底地震計(BBOBS)も同一地点で観測しており、両者を比較するためのデータが得られている。航海計画時には、無人潜水艇(ROV)を利用してNX-2Gの起動時の様子を直接観測する予定であったが、航海中に天候悪化のためROV作業が出来なくなり、NX-2Gのみを海面から投入し、研究船からの音響通信で起動させ、その動作が正常に終了したことを確認した。なお、NX-2G本体には独自開発した小型深海ビデオカメラを固定し、投入・着底・起動の様子を記録させている。本NX-2Gの機器回収は2018年10月に実施され、その際にはROVにより自己浮上式による回収状態への移行を映像確認した。設置時に取り付けたビデオカメラのデータも無事に回収され、起動時も想定通りに移行動作したことが映像面でも確認された。しかしながら、広帯域地震センサー1成分の内部で断線が発生して完全なデータでは無かったこと、また埋設センサー部とその直上に錘から繋留された記録部を接続する水中ケーブルの取り回しが適切では無かったことによると思われる不十分な雑音低減効果、のため、まだ充分に機能確認が出来たとは言えない状況にある。2019年度に行われる観測研究航海で再度試験観測を実施する機会が得られたので、2019年8月から1年間ほどの長期試験観測を、通常型のBBOBSおよび海底設置流速計を併設し、予定している。これらの研究成果を、国内外の関連学会(JpGU、日本地震学会、AGUなど)において公表した。本研究での機器開発に必須な潜水艇利用が困難になっている中で、関連観測研究での機会を確保し、どうにか実用的な観測機器へと発展させることが出来ている。研究開始時には未解決であった問題点も容易な手段で対処できることが思考実験、そして観測現場でも実証でき、本観測機器の実現への見通しがたったためである。2017年度には観測能力の実証試験へ向けた長期試験観測も開始できた。さらに、その結果での問題点を解決し、再度試験観測する機会を2019年度に得られた。2017年度に開始した長期試験観測では、2016年度の試験に続き、基本的な機構的動作の機能検証の点では充分な成果を得られたと考えるが、本来の埋設センサーで期待される、通常型BBOBSとの比較による雑音低減効果、10分の1以下のレベルを得ることが出来なかった。その原因が水中ケーブルにあることは充分に予想されるので、2019年8月に開始する再度の長期比較試験観測までには、底層流で揺らされる記録部と埋設センサー部の間にある水中ケーブルが充分に両者間での機械的カップリングが減るような対策を行う。自律動作型の高性能広帯域海底地震計(以後NX-2G)を実現させるには、既に実用化した新型広帯域海底地震計(BBOBS-NX)の複数回での運用と事前準備試験で把握した課題を解決する必要がある。その一つは、海中を自由落下して着底した際に、搭載した広帯域センサーが許容できる上限を超えた傾斜が、半数程度の設置回数で発生している点である。その発生要因を確認するため、小型の深海用ビデオカメラ及び傾斜変動計測用の加速度ロガーを作成し、BBOBS-NXの長期設置時にこれらを仮取付し、観察を実施した。H27年度当初は3回の観察機会が予定されていたが、装置のトラブルと悪天候などにより、9月航海時の1回でのみ実現できた。その観察結果からは、BBOBS-NXは降下中に定常かつ周期的な大きい傾斜変動(±15度)を起こしており、その着底直前での傾斜を保存して海底面へ突入している様子であった。NX-2Gシステムでは、設置状態・観測状態・回収状態の3つの状態を2段階の遷移過程で制御する必要がある。これを確実かつシンプルに実現させるため、2段階の動作を行う機械式音響トランスポンダーを開発した。これ自体は、最初は突き出ているピンが1回目の動作で半分、2回目に完全に引き込まれるだけのものである。H28年度にはこのピンの動作から、2段階の遷移過程を実現させる制御機構を考案・製作し、NX-2G試作機を作り上げる。また、今のところNX-2Gシステムでは、従来のBBOBS-NXと同じ広帯域地震センサー部をそのまま利用する予定であるが、自己浮上回収を確実に行えるように、センサー部をより小さく、単一の耐圧容器に収めることも検討している。その候補となるセンサーとして、低消費電力な水晶発振式加速度センサーが挙げられ、その性能評価試験を高性能広帯域地震センサーとの陸上比較観測として開始した。当初計画ではH27年度中にNX-2G試作機を完成させる予定であったが、構成要素の一部完成までに留まった。一方で、その開発の基礎となる傾斜発生要因の観察装置およびそれらによる観察を実行できた点では、当初計画を前倒しで実施出来ている。H28年度での実地試験の実現を狙った、海洋研究開発機構の研究船利用公募には採択されなかったが、3000m級無人潜水艇(ROV)を民間傭船で利用出来る可能性がある。

後者であれば時期的制約は少なく、NX-2G試作機の製作を拙速に進める必要はなくなった。高性能な観測能力を持つが潜水艇での作業が必要な次世代型広帯域海底地震計(BBOBS-NX)を自律展開設置・自己浮上回収方式へと機能高度化させた新型機(以後、NX-2G)の具体的機構設計を行い、2016年10月には最初の実海域試験を実施した。この結果を基に、2017年4月に実施予定の長期試験観測開始に向け、実用的試験機としての改修を進めた。昨年度は、BBOBST-NX(地震・傾斜観測用)の水面投入から着底時まで、加速度および画像記録で状況確認を行い、降下中に±12度を超えるような傾斜変動が数秒周期で継続し、その最後の姿勢が着底時の傾斜を決定している事が判明した。NX-2Gの方式では、海底に貫入させたセンサー部を回収時に引き抜くため約75kgf以上の浮力を必要とするので、不足分を補うために浮力体を追加した。その際、記録部であるチタン球が降下中に起こす傾斜変動を抑制することを狙い、チタン球赤道部3箇所から浮力体への結束を行った。実海域試験は、無人潜水艇(ROV)傭船により実施し、NX-2G試験機には、昨年と同様にビデオカメラおよび加速度ロガーを装着し、投入から着底までの状態を記録した。ROVによりNX-2G試験機を捜索、ほぼ傾斜せずに適切な状態で着底したこと、ならびに観測状態・回収状態への2回の遷移動作がほぼ正常に行われることを確認した。加速度ロガーの記録を調べると、昨年のBBOBST-NX単体での降下中に見られた大きな傾斜変動が、大幅に減少していることが分かった。海面からの投入直後の傾斜変動記録を見ると、追加した浮力体が海中に引き込まれるまでの間はNX-2G試験機も大きな傾斜変動をしているが、浮力体による張力が効くと傾斜変動が抑制される様子が明確に見られた。この方法により、BBOBS-NXの設置においても、着底時の大きな傾斜の発生を避けられることが期待できる。本開発研究での最大な課題は、BBOBS-NXの着底時に約半数の確立で発生していた、使用する高性能地震センサーの正常動作の許容範囲を越える大きな傾斜の発生への対策であった。これを、予想以上に簡易な方法で抑制させられることが、今年度の実海域試験で確認できたため、現在のNX-2G試験機の構成で、実用的観測システムとして使える可能性が高まった。海洋研究開発機構の研究船利用公募には引き続き不採択となっていたが、今年度の本研究費の多くを無人潜水艇傭船へ投資したことによる、上記の有益な成果を挙げることができた。来年度の同公募も不採択であったが、2017年4月に実施する関連した観測研究での研究船利用の航海中に、1年程度以上の長期比較試験観測の開始を実施できることになった。以上のように、ほぼ当初計画に沿ったNX-2Gシステム開発研究の進捗状況となっている。広帯域海底地震観測研究での観測技術的ブレークスルーとして、本研究での最終目標としている、自律動作による埋設センサー方式広帯域海底地震計(NX-2G)の実現について、2016年に動作確認のための実海域試験を実施した。その際の問題点を確認・改修を進め、2017年4月の他の研究観測航海時に、長期試験観測を開始する機会を得た。通常型の広帯域海底地震計(BBOBS)も同一地点で観測しており、両者を比較するためのデータが得られている。
ノズル内気泡流に関する理論の構築と実験的検証

近年のマイクロバブルへの関心の高まりとともに,ノズルによる効率的なマイクロバブル生成法が注目されている.本研究の目的は,マイクロバブル生成に用いられるノズル内の気泡流特性に及ぼすノズル出口での背圧の影響を理論及び実験により解明することである.この目的を達成するために二流体モデルに基づいてノズル内気泡流に関する数学的に適切な支配方程式を導出し,気泡流中での気泡の振る舞い,ボイド率分布,圧力分布,マッハ数分布,ノズル出口での衝撃波を解明し,それらを実験により検証して,ノズル内気泡流の制御技術を確立する.近年のマイクロバブルへの関心の高まりとともに,ノズルによる効率的なマイクロバブル生成法が注目されている.本研究の目的は,マイクロバブル生成に用いられるノズル内の気泡流特性に及ぼすノズル出口での背圧の影響を理論及び実験により解明することである.この目的を達成するために二流体モデルに基づいてノズル内気泡流に関する数学的に適切な支配方程式を導出し,気泡流中での気泡の振る舞い,ボイド率分布,圧力分布,マッハ数分布,ノズル出口での衝撃波を解明し,それらを実験により検証して,ノズル内気泡流の制御技術を確立する.
氷点下非凍結状態でのマウス初期胚の保存

(1)液状保存のための保存液組成、保存温度、保存容器の検討細胞非透過性高分子物質の30%Ficollと、低分子細胞外保護物質である0.5M-Sucroseを添加したPBSで、細胞透過性保護物質のGlycerolあるいはEthylene glycolを種々の濃度に希釈した。これらの溶液をガラス試験管、ポリ試験管、あるいはプラスチックストロ-に入れ、-25°Cに保持した結果、透過性保護物質の濃度が10%の場合は氷晶が生じたが14%以上では液状ゲル状に保たれた。12%では、長期保存した場合に氷晶が生じた。透過性保護物質、および容器による差異はなかった。(2)マウス胚の非凍結保存1216%の透過性保護物質を含む20あるいは4°Cの溶液にマウス桑実胚を浮遊させて5分間平衡後、-25°Cの冷凍庫内に27日間保存したのち胚を回収した。対照区では、0°Cの0.75M-Sucrose添加PBSに胚を保存した。修正KRB液で胚を培養し、拡大胚盤胞への発育率で生存性を判定した結果、Ethylene glycolを含む溶液で保存した胚は、全く生存しなかった。14-16%Glycerolを含む溶液で保存した胚の生存率は、2日後は高かったが、5日後には対照区以下に低下した。(3)ムチン層付着マウス胚の非凍結保存hCG処理した雌家兎の卵管内にマウス8細胞期胚を移植し、8時間後に卵管を潅流してムチン層の付着したマウス桑実胚を回収した。上記(2)の実験と同様の条件下で胚を保存したのち培養して生存性をしらべた結果、ムチン層の付着による効果は認められなかった。以上の結果より、-25°C保存にはGlycerolが適していることが明らかとなった。しかし、0°C保存を上回る効果を得るには、透過性保護物質濃度を10%以下に低下させた低毒性溶液が好ましいが、一方液状維持のためには高濃度を要するため、このジレンマの解決が不可欠である。
超音速飛行粒子の近赤外放射測温に基づいた固体粒子積層プロセスの高度化

酸化のない金属皮膜やナノ構造サーメット皮膜製膜に有効な固体粒子積層プロセスの積層メカニズム解明に必須な技術として,低温溶射粒子の測定技術要素開発を行った.近赤外素子を用いることによりウォームスプレープロセス下において1000K以下と考えられる温度領域の粒子を検出することが可能となった.本結果はウォームスプレープロセスのみならず,近年研究が盛んになっているコールドスプレープロセスの粒子計測にも応用可能と考えられる.酸化のない金属皮膜やナノ構造サーメット皮膜製膜に有効な固体粒子積層プロセスの積層メカニズム解明に必須な技術として,低温溶射粒子の測定技術要素開発を行った.近赤外素子を用いることによりウォームスプレープロセス下において1000K以下と考えられる温度領域の粒子を検出することが可能となった.本結果はウォームスプレープロセスのみならず,近年研究が盛んになっているコールドスプレープロセスの粒子計測にも応用可能と考えられる.初年度は既存のSi素子を用いた溶射飛行粒子計測装置を用いて溶射粒子測定技術の高度化を図ると共に,1000K程度の低温溶射粒子を検出可能とする光学素子の選定を行った.具体的には二次ガスの導入により粒子温度を大きく変化させることができるウォームスプレープロセス下において,SUS溶射粒子及びWC-Co溶射粒子を各種光学素子を用いて検出できるか系統的に調査した.まず,Si素子と同様な光学系を組めることから,高度な飛行粒子計測が可能でかつSiよりも近赤外領域に感度を有するため低温の粒子を検出することが可能と考えられるInGaAs素子を用いて溶射飛行粒子の検出をおこなった.当初は個々の溶射粒子からの放射光を検出する光学系を検討していたが,粒子の放射光強度が高温粒子プロセスであるプラズマ溶射プロセスや高速フレーム溶射プロセスに比べて非常に微弱であったため,飛行粒子を群としてとらえ,検出強度を増大させる手法に変更した.しかしながら,この集団粒子検出法を用いても,本研究の目的である1000K程度と考えられる低温粒子条件下での粒子検出は困難であった.そこで,低温溶射粒子を計測するためにより長波長側である8-14μmに感度をもつマイクロボロメーターを用いたところ,この低温粒子条件下においても溶射粒子を検出することが可能となった.そこで,本素子を用いて,予備計測として,ウォームスプレープロセスにおいて,二次ガス流量及び粉末供給量を変化させ,SUS飛行溶射粒子群からの放射光強度を系統的に計測した.得られたデータを数値計算結果と比較したところ,相対的な傾向はよく一致していた.本年度はまず低温溶射粒子プロセスであるウォームプロセス下において,昨年度選択した8-14μm波長域における粒子放射光強度の計測追実験をおこなった.画像解析タイプに加え,より実用的な単視野タイプの計測装置を製作し比較したところ,同一の対象を計測しているにもかかわらず,条件によっては正反対の結果を生み出すことが判明した,本装置を用いて当初の目的である応用計測に進むことも可能であったが,不確定要素を減らし将来性を高めるため,基礎データの収集を続けることにした.具体的には光学バンドパスフィルターやInSb素子の導入により,1.55μm/3.9μm/3-5μm/8-11μm/11-14μmの幅広い感度域について粉末供給量,二次ガス流量を変化させたときの計測器の応答を調べた.その結果,二次ガス流量を増加させたときは各感度域とも放射光検出強度に低下が見られ,粒子温度の低下を示す数値計算結果と矛盾しなかった.一方で,粉末供給量を変化させたときには感度域によって正反対の結果を生み出すこともあり,計測視野や燃料中の不完全燃焼カーボンなどが計測に影響を与えている可能性が考えられた.一方で,InSb素子を用いた計測では数値計算結果から1000K以下と考えられる温度領域の粒子を検出することができた。このことはウォームスプレープロセスのみならず,近年研究が盛んになっているコールドスプレープロセスの粒子計測に本装置を応用できる可能性を示唆しており,プラズマ溶射用に開発された従来のSi素子を用いた高温粒子計測装置に続く,低温粒子計測装置の開発に貢献する基礎データを得ることができたと考える.
腸管出血性大腸菌感染マウスを用いた溶血性尿毒症症候群の発症機序の解明

【HUS発症機序に関する研究】以上の結果からEHEC感染後の腎病変は細菌数には依存しないこと、またNOが腎病変の病原因子であることを示した。【その他の研究成果】本研究遂行の目的で維持、管理したiNOS遺伝子欠損マウスを用いて以下の研究を行った。(1)CMV感染に関する研究:NOはCMV感染の初期防御の主役である一方CMV肺炎成立における肺の傷害因子でもある事を示し、NOの2面性を明らかにした。(2)動脈硬化に関する研究:NOは動脈硬化部位のコラーゲン量を減少させることを明らかにした。腸管出血性大腸菌(entero-hemorrhagic Escherichia coli,EHEC)抗原型O157:H7(以下O157)の感染症において、最も重篤な合併症とされるのは溶血性尿毒症症候群(hemolytic-uremic syndrome,HUS)である。我々は腸内細菌を欠く無菌マウスにO157を経口接種することによってEHEC感染動物モデルを作成し、さらに、大腸菌由来LPSを腹腔内投与したところ、HUSの腎組織所見(毛細血管壁の肥厚、尿細管細胞の変性、メサンギウムの増殖による糸球体の腫大等)に相当する腎病変を認めた。そこで、このHUS動物モデルを解析することによって、HUS発症の機序を追究している。O157に伴うHUSがO157感染のみでは出現せず、O157感染後に強力なサイトカイン誘導物質であるLPSを投与することにより発症することから、HUS発症には宿主側のサイトカインの関与が示唆され、先ずはこれについて検討した。O157感染マウスにLPSを投与し、3,8時間後に腎臓よりRNAを抽出し、RT-PCR法にて炎症性サイトカインのmRNAの発現を調べた。O157感染マウスのLPS投与8時間後に、IL-1b,TNF-a,特にIFN-gの発現が顕著であり、さらに、抗IFN-g中和抗体の投与によって糸球体の組織変化が改善された。これらのサイトカインにより産生が誘導される酸化窒素合成酵素(iNOS)mRNAの発現もRT-PCR法にて調べた結果、O157感染LPS投与マウスにおいて顕著な発現が認められた。これらの結果より、O157+LPS投与により、高値となったIFN-gがNOの産生を促し、好中球(血液像で高値を示した結果を得ている)由来の活性酸素と反応してペルオキシニトライトによって腎組織傷害の一因をなしたものと推察した。そこで、現在iNOS遺伝子欠損マウスにO157+LPS投与を行い、腎病変の有無を検討中である。また、抗ニトロチロシン抗体を用いた組織化学によりNOにより傷害を受けた腎部位を検出する実験も進めている。【HUS発症機序に関する研究】(1)LPS投与3日目(EHEC感染10日目)での大腸内でのEHECの菌数(Log)及びベロ毒素(VT1,VT2)量:iNOS+/+,iNOS-/-マウスでの菌数はそれぞれ5.0±0.3、7.4±0.5であり(n=5-6)、iNOS-/-マウスで有意に高値を示した。また大腸内でのVT1、VT2量はiNOS+/+に比べiNOS-/-マウスで有意に高値を示し、iNOS-/-マウスマウスは易感染宿主であることを示した。(3)LPS投与3日目での腎病変の程度:組織標本(HE染色)のおいて、ボウマン嚢1個当たりのメサンギウム細胞数を腎病変の指標とした。その結果、iNOS+/+では,メサンギウム細胞数の増加が認められ、腎変化が認められた。しかしiNOS-/-マウスではメサンギウム細胞数の増加はなく、腎病変は認められなかった。以上の結果からEHEC感染後の腎病変は細菌数には依存しないこと、またNOが腎病変の病原因子であることを示した。
六方晶金属における塑性異方性改善のための合金設計手法の開発

これまでの研究では、転位運動に関する合金元素影響を評価する方法の検討を行い、希土類元素や3d遷移金属が延性を向上させる効果を生じることを明らかにした。しかし、Mg合金は一般的に破壊靱性が低く割れやすいことが知られており、合金化による靱性向上が期待されている。Mg合金では、粒界や双晶境界などの結晶の界面から割れが発生することがわかっており、界面の特性にもたらす合金元素の影響が割れの特性を決めていると考えられる。このような問題に対して破壊力学を基本とした理論体系が古くから知られており、破壊力学を応用して合金元素が破壊挙動に及ぼす影響について評価する枠組みを検討した。実験による2元系合金の破壊靭性試験と連携して、合金元素の界面への偏析と破壊に関する特性を第一原理計算によって評価した。ここで、界面構造に起因した特定の評価にならないために、実験で観察される様々な界面の原子構造を用いて応用した。その結果、Li、Ca、Sn、Pb元素の添加によって割れが促進されることが予測された。それら以外の元素は割れを抑制する効果があり、特に、Zrは割れの抑制に強く寄与することがわかった。電子状態の詳細な解析から、このような特徴はMgのp電子と合金元素のd電子の結合によって生じることを見出し、IIIBやIVB族元素が破壊抵抗を向上する効果を有することを明らかにした。実験結果と計算には良好な相関が見られ、計算によって予測されたZrが顕著に靭性を向上させることが確認された。これまでの成果と合わせて、計算科学による枠組みから構造材料の強度、延性、靭性を評価することを可能にした。マグネシウム(Mg)などの六方晶合金は,塑性変形の異方性のため低温室温で延性・加工性に乏しく,構造材料として本質的な欠点を有している.近年,少量の添加で延性を劇的に改善する元素が確認され,合金開発による実用化が期待されている.しかし,合金化と機械特性の関係は古くから固溶強化が知られるのみで,降伏後の塑性変形や延性を関連づける理論や機構は知られていない.そこで本研究では,周期転位の場を考慮した電子構造解析に基づく塑性変形の評価法を構築し,塑性異方性を改善する機構を解明することを目的とする.第一原理計算では数百原子程度で周期境界上の転位を表現するため,転位の弾性場は重なりが全エネルギーの大きな割合を占め,わずかな位置の変化で系のエネルギーは大きく変化する.そのため,溶質原子と転位運動の相互作用を考えた場合,エネルギーの電子結合の寄与を正当に評価することは困難である.そこで,六方晶の各すべり面に対して,周期系の転位が生成する弾性場を逆格子空間から数値的に求める手法を構築し,弾性エネルギーの寄与を正確に評価した.さらに,弾性論を用いた転位の変位場を原子モデルに適用することで,周期系の転位の弾性場を満たした原子モデルを構築し,第一原理計算の初期構造モデルとして用いた.この周期系の転位を有する原子モデルを用いて,合金元素が転位構造に及ぼす影響を第一原理計算により評価した結果,イットリウムなどの一部の元素の添加によって柱面転位のPeierls応力の低下,底面の拡張転位の収縮による非底面転位の活性化が生じ,塑性異方性が低減されることが示された.これらの元素は体積ひずみによる弾性応力場や転位の張出しなどのこれまでによく知られた力学的相互作用だけでなく,電子間の相互作用に大きな影響を及ぼし,転位芯構造を変化させうることが明らかになった.第一原理計算による転位芯構造解析において,弾性論を利用したモデルの作成と転位が移動した際に生じる弾性エネルギーの変化を定量的に評価する手法を当初の予定通り構築することに成功した.第一原理計算についても申請者が所属する原子力機構のスーパーコンピューターシステムを有効に活用し,Mg合金に添加される元素を全て検討に加え合金元素が転位構造に及ぼす影響を評価している.さらに,連携研究者と協力して合金元素の影響として転位芯構造解析に加えて界面強度や破壊への影響を評価する手法の検討に着手した.2元系合金を用いた実験観察から合金元素の影響を明確に同定するとともに,計算科学によって合金元素の界面への偏析と破壊に対する凝集エネルギー変化の定量的な評価を行っている.また,転位芯構造解析に加え,連携研究者とともにインデンテーション下の転位組織について検討を行い,押込み面によって異なるすべり系が作動し,それによって異なるpop-in挙動が生じることを明らかにした.以上の様に,実験と計算の連携による成果が得られている.マグネシウム(Mg)などの六方晶合金は,塑性変形の異方性のため低温室温で延性・加工性に乏しく,構造材料として本質的な欠点を有している.近年,少量の添加で延性を劇的に改善する元素が確認され,合金開発による実用化が期待されている.しかし,合金化と機械特性の関係は古くから固溶強化が知られるのみで,降伏後の塑性変形や延性を関連づける理論や機構は知られていない.