hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
子宮内感染源としての歯周病原細菌の可能性とメカニズムの解明

ハイリスク妊婦は正常出産妊婦と比べて歯周組織の状態が悪化しており、約29%のハイリスク妊婦の卵膜組織でFnが検出された。Fn LPSはIL-6及びCRHの産生を誘導し、その経路はTLR-2及びTLR-4を介していることが示された。これらのことから、子宮内組織に定着したFnの構成成分であるLPSが、TLR-2及びTLR-4を介して分娩の開始に関わるサイトカインやホルモンの発現上昇を促すことにより、妊娠維持機構に影響を及ぼし、出産に影響を及ぼしている可能性が示唆された。動物実験により、Pgの尾静脈の投与により、Pgが胎盤に定着し、TLR-2,4の遺伝子発現を上昇させることを明らかにした。本研究は、子宮内に存在する歯周病原細菌と子宮内感染や産科的臨床状態との関連、歯周病原細菌の混合感染が子宮内組織や出産に与える影響を、臨床研究とin vivo研究により分析することで、歯周病原細菌が子宮内感染症に与える影響を、そのメカニズムを含めて解明することを目的としたものである。前年度は子宮内に存在する歯周病原細菌と子宮内感染や産科的臨床状態との関連ついての臨床研究を行った。今年度は、産前産後休暇と育児休業を取得しており、研究を中断したため進展なし。本研究は、子宮内に存在する歯周病原細菌と子宮内感染や臨床的産科状態の関連性を、メカニズムとともに解明することを目的としたものであり、子宮内に存在する歯周病原細菌と子宮内感染や産科的臨床状態との関連、歯周病原細菌の混合感染が子宮内組織や出産に与える影響を臨床研究とin vivo研究により解明することを目指している。本年度までの臨床研究では、子宮内に存在する歯周病原細菌と子宮内感染や産科的臨床状態との関連ついての分析を行い、ハイリスク妊娠妊婦は正常出産妊婦と比較し、有意に歯周組織検査の結果が悪く、採取したハイリスク妊婦の卵膜にのみに、歯周病原細菌であるPorphyromonas gingivalisとFusobacterium nucleatumが検出された。これらのことから、歯周病や歯周病原細菌が出産に影響している可能性を明らかにした。本年度からは、臨床研究に加えて、歯周病原細菌が出産に与える影響について、in vivoによる検討を行っている。妊娠させたBALB/c miceに妊娠14日目に、Porphyromonas gingivalisを静脈に投与して、出産に与える影響を検討した結果、歯周病原細菌を投与したmiceの胎盤は、コントロールと比較して小さかった。今年度は、育児休業取得(2013年7月17日まで)のため、進行が遅れてたため、今後は組織学的な検討を含めたin vivo実験を進め、歯周病原細菌と子宮内感染の関連性を明らかにする予定である。本年度は子宮内に存在する歯周病原細菌と子宮内感染や産科的臨床状態との関連ついての臨床研究を行った。子宮内に存在する歯周病原細菌と子宮内感染や産科的臨床状態との解明のため、鹿児島市立病院産科、もしくは鹿児島大学病院産婦人科に入院中のハイリスク妊婦24名と鹿児島市愛育病院に入院中の正常出産妊婦15名に、妊娠中期に歯周組織検査と行うと同時に、唾液、歯肉縁下プラーク、末梢血液の採取を実施した。さらに、出産時に、卵膜の採取を行い、出産後に妊娠・出産状況の調査を行った。その後、歯周組織検査結果と出産状況の分析を行ったところ、ハイリスク妊娠妊婦は正常出産妊婦と比較し、有意に検査結果が悪かったため、歯周病とハイリスク妊娠とが関連することが明らかになった。さらに、採取したサンプルについて、歯周病原細菌の分析を、Real-Time PCRとRT-PCRを用いて行った。その結果、歯周病原細菌のうちPorphyromonas gingivalisとFusobacterium nucleatumがハイリスク妊婦の卵膜にのみ検出され、細菌学的にも歯周病原細菌が早産に影響している可能性が示唆された。そこで、卵膜における歯周病原細菌の局在を分析するために、免疫組織学的解析を行っている。本研究は、子宮内に存在する歯周病原細菌と子宮内膜感染や臨床的産科状態の関連性を、メカニズムと共に解明することを目的としたものであり、子宮内に存在する歯周病原細菌と子宮内感染や産科的臨床状態との関連、歯周病原細菌の混合感染が子宮内組織や出産に与える影響を臨床研究と、in vitro, in vivo研究により解明することを目的としている。

本年度の臨床研究により、歯周病や歯周病原細菌であるPorphyromonas gingivalisとFusobacterium nucleatumが出産に影響している可能性を明らかにした。今年度の、in vivo研究では、BALB/cマウスを妊娠させ、妊娠前期である妊娠8ー10日目の3回、あるいは妊娠後期である妊娠13ー15日目に1回から3回、Porphyromonas gingivalisを107CFU 0.1mL日静脈から投与し、出産に与える影響を検討した。その結果、妊娠前期、妊娠後期いずれも3日間連続投与によって、胎盤、卵膜からPorphyromonas gingivalisがPCR法にて検出され、胎児の体重もコントロール(PBS投与)と比べ小さい傾向にあった。さらに、妊娠初期のPorphyromonas gingivalis感染は、コントロール、と比較して、胎盤ではTLR-2,卵膜ではTLR-2,4の遺伝子発現が有意に高かった。また、これらのことにより、Porphyromonas gingivalisが、胎盤や卵膜に感染を引き起こし出産に影響することが示唆され、その影響は妊娠初期の方が大きい可能性が示唆された。歯周病学前年度までに、臨床研究に関しては目標人数の約8割に達しており順調に進んでいたが、動物実験を行うまでには至っていなかった。今年度は、産前産後休暇と育児休業を取得しており、研究を中断したため研究は進展しなかった。そのため、到達度としてはやや遅れていると考えられる。平成25年度は、育児休業を2013年7月17日まで取得しており、動物実験の研究再開が7月末であったことや感染動物実験の手続きが長くかかったことにより、実験の再開が遅れたため、進行状況は、計画より遅れている。臨床研究に関しては、目標人数の約8割に達しており順調に進んでいるが、動物実験を行うまでには至っておらず、到達度としてはやや遅れていると考えられる。H23年度までに行っていた臨床データと臨床サンプルの採取を今後も継続し(目標50名のため、11名追加予定)、H23年度に引き続き、歯周組織検査結果の分析、歯周病原細菌の検出と局在の分析を行い、子宮内感染症の原因としての歯周病原細菌の可能性とその影響を解明する。歯周病原細菌を単独、あるいは混合経口感染させた歯周炎動物モデルを妊娠させ、歯周病原細菌が出産に与える影響とそのメカニズムを細菌学的、生理学的、組織学的手法を用いて解析する。さらには、TLR-2,TLR-4欠損動物モデルに歯周病原細菌の単独、あるいは混合経口感染させ、出産に与える影響を比較することで、TLR-2/4関与の解析を行う。子宮内感染症の原因としての歯周病原細菌の可能性とその影響を臨床的、実験的に解明し、得られた結果を国内外の学会と論文にて成果の発表を行う。歯周病原細菌の混合感染による動物モデルを用いた解析を進め、組織学的な検討も加える。その結果と、現在までに終了している臨床研究や動物実験の結果を総合的に解析し、研究成果の発表を行う。現在行っている臨床データと臨床サンプルの採取を今後も継続し(目標50名のため、11名追加予定)、H23年度に引き続き、歯周組織検査結果の分析、歯周病原細菌の検出と局在の分析を行い、子宮内感染症の原因としての歯周病原細菌の可能性とその影響を解明する。
サケ科魚類の個体数変動：資源の変動幅を規定する要因の抽出

本年度は、第9回国際イワナ属魚類シンポジウムに参加して研究成果を発表するために、補助事業期間を1年延長した。本シンポジウムにおいて、補助事業課題として実施した研究成果「Ongoing localized extinctions of stream-dwelling white-spotted charr populations in small dammed-off habitats」について口頭発表を行った。この研究成果は、2014年度に実施した調査結果をまとめたもので、1999年にイワナの生息調査を実施した北海道南部の30河川に設置された砂防堰堤上流において2014年に再調査を行った結果を分析したものである。その結果、河川規模が小さな3河川でイワナの絶滅が確認され、15年間で約1割の河川で絶滅が生じたことが確認され、環境収容力の大きさが個体数変動を左右する要因であることが明らかとなった。また、イワナの生息密度が最も低い河川では、外来種のニジマスが高密度で生息しており、種間競争が個体数変動に影響を及ぼすことも示唆された。一方、田沢川(江差町)の砂防堰堤上流域では、1999年の調査ではサケ科魚類は皆無であったが、その後に魚道が設置され、2014年の時点ではイワナおよびヤマメが高い密度で確認され、個体群の連結性が個体数変動を左右することも確認された。本研究成果を論文としてとりまとめ、Hydrobiologia誌において発表した。サケ科魚類の個体群動態を規定する要因を明らかにするため,4河川に生息するサケ科魚類のモニタリンデータの収集および解析を行った.北海道北斗市を流れる戸切地川は,在来種のアメマスと外来種のニジマスおよびブラウントラウトについて,2002年から継続して個体数モニタリングを行っており,2013年の調査結果を合わせて12年分のデータが蓄積された.時系列で種ごとの個体群動態を見ると,アメマスは減少,ニジマスは増加,ブラウントラウトは小型魚は増加し大型魚は減少する傾向にあった.これまでに得られたデータを用いて,環境要因と個体群動態の相関分析を行った結果,ニジマスの再生産効率は7月の降水量と負の相関が認められ,稚魚が浮上する時期の出水が少なかった年ほど,初期減耗が低くなることが示唆された.北海道羅臼町を流れる居麻府川および山梨県富士川支流のモニタリング調査も予定どおり実施し,それぞれ12年間及び9年間の個体群動態のデータが蓄積された.居麻府川は,調査を開始した2002年はサクラマスが生息しなかったが,徐々に個体数が増加し,遡上が不可能であった2基の治山ダムに魚道が設置されて以降は,サクラマス幼魚の生息個体数が10倍以上に増加した.札幌市内を流れる豊平川は,サケのふ化放流が実施されるとともに,豊平川さけ科学館によって1990年から産卵床数のモニタリングが実施されている.既存のデータを参考にして,放流魚と野生魚(自然卵卵由来の魚)の双方を組み入れた個体群動態モデルを構築するとともに,管理目標に応じて放流数をコントルールする管理方式の開発をおこなった.サケ科魚類の個体群動態を規定する要因を明らかにするため,長期モニタリングの対象とした4河川に生息するサケ科魚類の個体群統計データの収集および解析を行った.戸切地川(北斗市)では,在来種のイワナ(アメマス)と外来種のニジマスおよびブラウントラウトについて,2002年から継続して個体数モニタリングを行っており,2014年の調査結果を合わせて13年分のデータが蓄積された.時系列で種ごとの個体群動態を見ると,アメマスは減少,ニジマスは増加,ブラウントラウトは増加した後減少に転じる傾向が継続して確認された.居麻府川(羅臼町)および富士川支流(甲府市)のモニタリング調査も予定どおり実施し,それぞれ14年間及び11年間の個体群動態のデータが蓄積された.居麻府川においては,1980年代に絶滅したサクラマスが,種苗放流は一切行われていないにもかかわらず,2005年頃に迷入により自然に再生し,2011年に遡上を妨げていた砂防堰堤に魚道が設置されて以降は,高い密度でサクラマスが生息するようになるという興味深いデータが得られている.さらに,2014年度は,1999年にイワナの生息調査を行った北海道南部の30河川に設置された砂防堰堤上流において再調査を行った.その結果,河川規模が小さな3河川でイワナの絶滅が確認され,15年間で約1割の河川で絶滅が生じたことが確認された.一方,田沢川(江差町)の砂防堰堤上流域では,1999年の調査ではサケ科魚類は皆無であったが,その後に魚道が設置され,2015年の時点ではイワナおよびサクラマスが高い密度で確認され,自然再生が生じていることも確認された.また,千歳サケのふるさと館の観察窓で目視されたサケ稚魚のデータを分析することにより,千歳川のサケの回帰率の年変動をもたらす要因として降下時期の河川水温が重要であることを明らかにし,論文発表を行った.サケ科魚類の個体群動態を規定する要因を明らかにするため、長期モニタリングの対象としている4河川においてサケ科魚類の個体群統計データの収集および解析を継続しておこなった。

戸切地川(北海道北斗市)では、在来種のイワナ(アメマス)と外来種のニジマスおよびブラウントラウトについて2002年から継続して個体数モニタリングをおこなっており、2015年の調査結果と合わせて14年分のデータが蓄積された。時系列で種ごとの個体群動態をみると、イワナは減少後は低位安定、ニジマスは増加し高位安定、ブラウントラウトは一旦増加後に減少したが、2015年は若干増加した。戸切地川における3魚種の個体群動態については2015年ノルウェートロムソ市で開催されたチャーシンポジウムにおいて発表した。居麻府川(北海道羅臼町)および富士川支流(甲府市)のモニタリング調査も予定どおり実施し、それぞれ15年間および12年間のデータが蓄積された。居麻府川においては、2002年は絶滅状態にあったサクラマス個体群が迷入魚を起源として自然に再生し、同河川に設置されていた砂防堰堤に魚道が付設された以降は高い密度で生息が確認されていたが、2015年の調査において同河川でスモルト標識放流されたサクラマスが回帰親魚として6尾再捕され、迷込を起源として母川回帰する自然個体群が再生していることが新たに確認された。また、伊茶仁川および徳志別川において耳石温度標識されたサケ放流魚の河川回帰率と降海時期の水温の関係について分析し、単に降海時期の水温が高い(あるいは低い)ほど河川回帰率が高くなるのではなく、最適水温期間が長い年ほどサケの回帰率が高いことを明らかにするとともに、サケ稚魚の降海時期の最適温度範囲の推定もおこない、論文発表をおこなった。計画していたモニタリング調査を全て実施することができた。また、サケ回帰率の年変動要因に関する成果を論文発表するとともに、学会発表も2件おこなった。サケ科魚類の個体群動態を規定する要因を明らかにするため、長期モニタリングの対象としている4河川においてサケ科魚類の個体群統計データの収集および解析を継続しておこなった。戸切地川(北海道北斗市)では、在来種のイワナ(アメマス)と外来種のニジマスおよびブラウントラウトについて2002年から継続して個体数モニタリングを実施しており、2016年の調査結果と合わせて15年分のデータが蓄積された。今年度は、因果関係を推定する統計方法として考案されたConvergent cross mapping(CCM)の発展的手法であるmultispatial CCMを用いて、戸切地川で見られたサケ科魚類3種の魚種交替現象の因果関係を解析した。その結果、いずれの種間においても非対称の因果が検出され、在来種の個体群動態は外来種の個体数に影響を受けるが、在来種の個体数は外来種の個体群動態には影響しないことが示唆された。得られた分析結果は第32回個体群生態学会において発表した。また、居麻布川(北海道羅臼町)および富士川支流(甲府市)のモニタリング調査も予定どおり実施し、それぞれ2002年以降および2005年以降の長期個体群動態のデータが蓄積された。豊平川におけるサケ個体群動態に関する研究については、放流魚と野生魚(自然卵卵由来の魚)の双方を組み入れたオペレーティングモデルを構築し、個体数水準に応じて放流数をコントルールするフィードバック管理方式の妥当性を検証し、論文として取りまとめた(印刷中)。新たな統計分析を実施できたとともに、論文化も順調に進んだ。
グラム陰性桿菌の鞭毛蛋白フラジェリンを用いた宿主免疫からの逃避機序の解析

T細胞は、主としてT細胞受容体(TCR)を介して活性化され、従来獲得免疫において重要な役割を果たすと考えられてきた。一方、抗原提示を受けず病原微生物構成成分を認識するToll like receptor(TLR)は自然免疫の要であるが、最近T細胞においても一部のTLRの発現が報告され、自然免疫と獲得免疫のより緊密な制御機構が着目されるようになった。T細胞において、細菌鞭毛蛋白フラジェリンをリガンドとするTLR5とTCRを介する細胞内情報伝達機構の制御機構についての研究を行い、フラジェリンによるTLR5を介する先行刺激を受けるとTCRを介したT細胞活性化が抑制されることを発見した。まずJurkatT細胞株を用い、フラジェリン刺激によるMAPK、NF-κBの活性化およびTLR5自身のチロシンリン酸化を示した。次に末梢血T細胞およびJurkat細胞において、フラジェリンによる前刺激を行った後、CD3抗体を用いたクロスリンクによりTCRを介した刺激を行うと、T細胞活性化に重要な転写因子NF-ATの活性化が一過性に抑制され、NF-AT活性化に重要なチロシンキナーゼであるZap-70のチロシンリン酸化が抑制されることも示した。さらに、フラジェリン刺激により抑制因子SOCS-1の発現が誘導され、Zap-70と複合体を形成することを示した。Jurkat細胞にSOCS-1あるいはSOCS-1特異的siRNAを遺伝子導入し、SOCS-1の発現を増強あるいは抑制することにより、フラジェリン刺激により発現誘導されたSOCS-1が、TCRを介したT細胞の活性化を抑制することを示した。これらの結果は、細菌が巧妙に宿主の免疫機構から逃避する可能性を示唆しており、特にフラジェリンを保有する細菌が多く存在する腸管における免疫応答の分子機序の理解を深めるのに重要であると考える。グラム陰性桿菌の一部に発現する鞭毛蛋白flagellin(フラジェリン)は、近年Toll-like receptor 5(TLR5)を介してマクロファージ、樹状細胞、リンパ球などの血球細胞を活性化することが報告されたが、宿主に及ぼす生理的意義は不明のままである。2年間に亘る本研究では、グラム陰性桿菌がフラジェリンを介して宿主の免疫系からエスケープする分子機構を解析する事を主眼としている。フラジェリンで先行刺激すると、T細胞においてT細胞受容体を介した活性化(転写因子NF-AT)の抑制が認められる。さらにその分子機序として、TLR5受容体の発現量は全く変化を認めないが、T細胞受容体直下のZap70チロシンキナーゼの活性化が抑制されることを見出した。TLR5受容体からの情報伝達で活性化され、TCRを介した情報伝達を抑制する可能性のある分子の候補をいくつか同定したが、SOCS-1がその制御に重要であることを見出した。フラジェリン刺激により、SOCS-1のタンパク発現が誘導されるが、siRNAを用いてSOCS-1のタンパク発現を抑制すると、フラジェリン先行刺激後のT細胞受容体を介した活性化抑制が認められなくなった。さらにSOCS-1とZap70との複合体は、T細胞受容体を介する刺激後に増強することも合わせて見出した。上記に述べた現象は、T細胞のcell lineであるJurkat細胞のみならず、基本的にヒト末梢血から分離したT細胞においても認められた。このようにグラム陰性桿菌の一部は、鞭毛蛋白フラジェリンにより、T細胞の活性化を制御していることを明らかにした。
マウス・ヒト胎盤由来間質細胞を用いた心血管再生医療に関する研究

(背景)我々は、難治性の心不全や先天性心疾患に対する心血管再生医療を臨床応用可能なレベルまで発展展開することを最終目標に、これまで細胞治療や遺伝子治療に関する基礎的研究をすすめてきた。特に再生治療に用いられる幹細胞・前駆細胞の供給源として倫理上の問題が極めて小さいと考えられる胎盤に着目し、従来最終分化を完了し高度に専門化した細胞であると考えられていた胎盤に、様々な臓器を構成する細胞に分化する能力を有する幹細胞・前駆細胞が含まれることを発見証明し特許を得た(2003-235549)。(目的)その成果をもとに本萌芽研究では以下の2点について研究した。1.マウス・ヒト胎盤に多能性体性幹細胞・前駆細胞が存在することを明らかにし、得られた細胞の特性を明らかにするとともに心筋や血管に分化することを心筋障害モデルで証明すること。2.細胞移植の効率を高めるためマイクロバブルと超音波照射を組み合わせたソノポレーション法が細胞治療に有用であるか否かを検討すること。(結果及び実績)1.GFP発現胎盤の心筋梗塞作成マウスやSCIDマウスへの移植実験で、血管系細胞へ分化する単核球細胞集団を分離精製したが、心筋細胞への分化については確認されていない(未発表)。現在さらにFACSで間質系細胞の表面マーカー検索や培養条件を検討中である。2.胎盤由来間質細胞の静脈血管内投与(ハイドロダイナミクス法も併用)では、心筋にドナー細胞を同定することは困難であったが心室内投与でわずかに血管系細胞の発現を認めた。現在ソノポレーション法の併用による細胞導入効率や生着率を検討中である。3.マイクロバブルを用いたソノポレーション法でマウス心筋や冠状動脈血管にプラスミドやSi-RNAを効率よく発現させることに成功した(研究成果の一部はBBRC2005に発表)。4.心血管再生医療を臨床応用可能なレベルまで発展展開する目的で、ビーグル犬を用いて、経カテーテル的に冠状動脈や冠静脈洞から胎盤由来間質細胞やプラスミドを心筋に発現導入する実験をおこなった。経胸壁電気ショック法を併用することにより、特に病的な心筋障害や合併症を生じることなく有意に効率よくプラスミドを心筋に導入することが可能であった(研究の一部はGene Therapy 2006に発表)。
脳障害による神経回路の再編メカニズムの解明

本研究では、自発的、巧緻的な運動に重要とされる皮質脊髄路が、健常時と障害時において、どのように機能しはたらくのか、動作原理の全貌を明らかにすることを目指している。前年度の成果から、マウスの健常脳において、皮質脊髄路は単一の回路ではなく、多様な投射経路をもった内在回路から成り立っていることがわかった。本年度は、この皮質脊髄路の内在回路が、巧緻運動のなかでどのような機能要素に貢献するのか、解明することを目指した。まず、腕を伸ばして餌を取るという巧緻的な動作に対して、3次元的にキネマティック解析するシステムを構築した。大脳皮質の内側から頸髄の腹側へと投射する内在回路の脳領域や神経細胞種の活動を遮断あるいは除去すると、腕を伸ばすリーチ運動の距離や加速度が低下することがわかった。したがってこの回路は運動の出力に寄与すると考えられた。一方、大脳皮質の外側から頸髄の背側へ投射する内在回路を遮断あるいは除去すると、つかんだ餌をはなす運動に障害がみられた。この回路は、感覚に関わる脊髄ニューロンと接続していることと合わせ、運動中の感覚情報をトップダウンに制御すると考えられた。これらの成果から、皮質脊髄路の内在回路には、運動の出力や、感覚の制御など、異なる機能が備わっていることが示唆された。これらの成果をまとめ、Cell Rep誌に論文発表した。次の研究段階として、脳障害モデルの実験系の確立を行った。まず本モデルにおいて、巧緻運動が実際に障害され、その後一定程度回復することがわかった。また、障害後に残存した皮質脊髄路があらたに軸索を伸長することがわかった。これらの結果から、脳障害後に皮質脊髄路の回路が再編していることが示唆される。本年度は、健常脳において見出した皮質脊髄路の内在回路の機能を明らかにすることを目指したが、各内在回路を遮断する方法や運動機能の評価系を作りあげ、各内在回路を阻害した場合に起こる運動障害の性質を明らかにすることに成功した。次に、障害時の神経回路を調べる第一段階として、脳障害モデルを構築し、障害から逃れた皮質脊髄路が再編を起こすことを明らかにすることができた。以上のことから、研究はおおむね順調に進展しているといえる。前年度までに明らかにしたマウス健常脳における皮質脊髄路の内在回路が、脳障害後に、どのようなパターンで再編するかを、遺伝子改変マウスや神経トレーサーを用いて探索し、再編様式をさらに詳細に明らかにしていく。また脳障害を受けたマウスで、どのような運動機能の障害や回復の過程が起こるかを、巧緻運動の評価系をさらに洗練させ明らかにする。また、回路の再編をおこすメカニズムを探索するための実験系を構築する。本研究では、自発・巧緻運動に重要な皮質脊髄路を対象に、障害脳と健常脳、双方において神経回路が働く動作原理の全貌を明らかにすることを目指す。本年度はまずマウスをモデルとして、健常脳において機能を発揮している回路がどのような接続を持っているのかを明らかにすることを目指した。皮質脊髄路がどのような神経細胞種同士の接続により成り立っているのか、その接続様式を詳細に調べたところ、大脳皮質にある皮質脊髄路ニューロンにはいくつかのサブタイプがあることを発見した。解剖学的に複雑な回路を描写するために、各種の神経トレーサーを用いて神経回路を標識したところ、筋へ接続する細胞としない細胞の2種類の皮質脊髄路ニューロンが大脳皮質に存在することを見出した。これらのサブタイプが脊髄へどのように軸索を投射しているかを明らかにするため、順行性トレーサーを投与して標識したところ、各々、脊髄の別々の領域に軸索を投射することがわかった。次に、各皮質脊髄路と脊髄介在ニューロンがどのような接続様式を持つのかを調べるため、Creレポーターマウスを使って脊髄介在ニューロンをラベルし、皮質脊髄路との接続を解剖学的に解析したところ、各々が違った脊髄介在ニューロンと接続していることがわかった。これらの接続は、ウィルストレーサーや電気生理学的な解析からも確かめられた。これらの結果から、健常脳において、巧緻運動を制御すると考えられている皮質脊髄路が、多様な内在回路から成り立っていることがわかった。本年度はまず、健常脳において機能を発揮している神経回路がどのような接続を持っているかを詳細に明らかにすることを目指したが、大脳皮質から脊髄へといたる皮質脊髄路の詳細な接続様式を解剖学的・電気生理学的に明らかにすることができたため、研究はおおむね順調に進展していると言える。

一方、大脳皮質の外側から頸髄の背側へ投射する内在回路を遮断あるいは除去すると、つかんだ餌をはなす運動に障害がみられた。この回路は、感覚に関わる脊髄ニューロンと接続していることと合わせ、運動中の感覚情報をトップダウンに制御すると考えられた。これらの成果から、皮質脊髄路の内在回路には、運動の出力や、感覚の制御など、異なる機能が備わっていることが示唆された。これらの成果をまとめ、Cell Rep誌に論文発表した。次の研究段階として、脳障害モデルの実験系の確立を行った。まず本モデルにおいて、巧緻運動が実際に障害され、その後一定程度回復することがわかった。また、障害後に残存した皮質脊髄路があらたに軸索を伸長することがわかった。これらの結果から、脳障害後に皮質脊髄路の回路が再編していることが示唆される。本年度は、健常脳において見出した皮質脊髄路の内在回路の機能を明らかにすることを目指したが、各内在回路を遮断する方法や運動機能の評価系を作りあげ、各内在回路を阻害した場合に起こる運動障害の性質を明らかにすることに成功した。次に、障害時の神経回路を調べる第一段階として、脳障害モデルを構築し、障害から逃れた皮質脊髄路が再編を起こすことを明らかにすることができた。以上のことから、研究はおおむね順調に進展しているといえる。平成29年度に明らかにしたマウス健常脳における皮質脊髄路の内在回路が、巧緻運動のなかでどの機能要素に貢献するかを、運動テストにより明らかにし、各内在回路が運動中に働く動作原理を解明する。次に脳障害モデルとして、脳梗塞モデルの確立を目指す。確立された各脳梗塞部位モデルにおいて、どのような運動機能の障害や回復過程を経るかを、各種の運動テストにより明らかにする。さらに、梗塞後に皮質脊髄路がどのような再編様式を経るか、神経トレーサーを用いて探索し、再編様式を明らかにしていく。前年度までに明らかにしたマウス健常脳における皮質脊髄路の内在回路が、脳障害後に、どのようなパターンで再編するかを、遺伝子改変マウスや神経トレーサーを用いて探索し、再編様式をさらに詳細に明らかにしていく。また脳障害を受けたマウスで、どのような運動機能の障害や回復の過程が起こるかを、巧緻運動の評価系をさらに洗練させ明らかにする。また、回路の再編をおこすメカニズムを探索するための実験系を構築する。
新しいp型ワイドギャップ半導体CuxZnyS

p型ワイドギャップ半導体CuxZnySのデバイス応用を試み、同時にそのための基礎物性評価を行った。組成と伝導型の関係を調べたところ、Cu組成比が0.50.7%を境界としそれ以上ではp型、以下ではn型の伝導型をしめすことが分かった。また、硫黄雰囲気中で熱処理をしたところ、200°C程度まではp型を示すが、それ以上の温度では真性に近くなることがわかった。また、デバイス応用のため、n型ワイドギャップ半導体薄膜とのヘテロ接合作製を試みた。n型層としてはZnO、ZnSを用いた。いずれのヘテロ接合でも整流性と光応答が確認された。これより、CuxZnySは透明p型半導体として光電子素子応用に有望である。本研究では、この新しいp型ワイドギャップ半導体CuxZnySのデバイス応用を試み、同時にそのための基礎物性評価を行う。25年度は光化学堆積法を用いてCuxZnyS薄膜を作製し、基礎物性評価とpn接合作製それぞれについて、以下の成果を得た。[基礎物性評価]オージェ電子分光法による化学組成分析、光電気化学測定による電気的特性評価、および透過率測定による光学的特性の評価を重点的に行った。特に、組成とバンドギャップおよび伝導型との相関を調べた。これまで報告したCuxZnySはp型の伝導性を示すが、ZnSはn型であるから、あるCu組成において伝導型が変化するはずである。そこで、Cu組成の小さなCuxZnySを作製し、伝導型を調べた。その結果、Cu組成比が0.50.7%を境界とし伝導型が変化することが分かった。銅の混入によってCu空孔が支配的な欠陥となり、p型伝導を示すと考えられる。[pn接合作製]n型ワイドギャップ半導体薄膜とのヘテロ接合作製を試みた。n型層としては、ZnO、TiO2、ZnSを用いた。ZnOは電気化学堆積法にて作製した。ヘテロ接合は整流性を示し、弱い光起電力特性も観測されたが、CuxZnyS上に堆積したZnOはやや白濁し、透明なpn接合を得ることはできなかった。ZnOの白濁は表面形状の粗さによるものと考えられる。TiO2薄膜はTiO2のコロイド溶液より電気泳動法にて作製した。しかしTiO2上のCuxZnySは金属リッチな膜となり、透明な薄膜は得られなかった。ZnSは光化学堆積法にて堆積した。熱処理なしのZnS上にCuxZnySを堆積した構造では整流性が観測されなかったが、硫黄雰囲気で熱処理したZnS上のヘテロ構造では整流性が観測された。また可視光に対してほぼ透明であった。以上より、CuxZnyS/ZnS構造が透明なpn接合となることを見出した。本研究では、p型ワイドギャップ半導体CuxZnySのデバイス応用を試み、同時にそのための基礎物性評価を行う。26年度は電気化学堆積CuxZnyS薄膜について相安定性を調べた。また、光化学堆積CuxZnyS薄膜を用いてヘテロpn接合作製を行った。[相安定]CuxZnyS薄膜を硫黄雰囲気中で400°Cまでの温度にて熱処理をし、オージェ電子分光法による化学組成分析、光電気化学測定による電気的特性評価、透過率測定による光学的特性評価、X線回折による構造評価を行った。CuxZnyS薄膜は熱処理前にはアモルファスであり、また明確なp型の伝導性を示した。熱処理温度が上がるにつれ、伝導型は真性に近づき、X線回折ではZnSのピークが観測された。これより、CuxZnySは安定な相ではなく、熱処理によってZnSとCuxSに分離することがわかった。ただ、200°C程度までは安定であり、実用上は問題のない安定性を持つことも明らかになった。[pn接合作製]前年度に引き続き、光化学堆積CuxZnyS薄膜とZnSとのヘテロ接合作製を行った。ZnSも光化学堆積にて堆積した。ZnS薄膜は堆積直後においては透過率が低いが、300°C以上の温度で硫黄雰囲気にて熱処理するとほぼ透明になる。熱処理温度や堆積時の光強度を変えてヘテロ接合を作製し、良好な整流性が得られる条件を探した。熱処理温度を300から400°Cにあげることで整流性は改善したが、依然として漏れ電流は大きく、さらなる改善が必要である。本研究では、p型ワイドギャップ半導体CuxZnySのデバイス応用を試み、そのための基礎物性評価を行った。前年度は電気化学堆積CuxZnyS薄膜について相安定性を調べたが、27年度は主として光化学堆積CuxZnyS薄膜について相安定性を調べた。室温で堆積されるCuxZnyS薄膜は、電気化学堆積によるもの、光化学堆積によるものいずれもアモルファスであり、光電気化学測定においてp型の伝導性を示す。硫黄雰囲気中で400°Cまでの温度にて熱処理をしたところ、200°Cまではアモルファスであり、またp型伝導性も熱処理前と同様に観測された。300°CからX線回折でZnS(111)回折ピークが現れ始め、熱処理によってZnS相の形成が確認された。

Cu組成は熱処理温度の上昇とともに減少し、最初に5%程度であったが400°C熱処理後は検出限界以下になった。一方、光電気化学測定では、300°C処理によりp型の応答が弱まり、400°C熱処理後はp、n型の反応が同程度観測され真性状態であることがわかった。比較のため、Cuを含まないZnSを光化学堆積法にて堆積させ400°C熱処理を行ったところ、応答は明確なn型であった。したがって、CuxZnySの熱処理によりZnSが形成されるものの、Cuがアクセプタとして働き、伝導型に影響を与えていることがわかった。光化学堆積により作製したCuxZnySについて相の安定性を調べ、また同じ方法で作製したZnSと比較することで、添加不純物としてのCuの働きを調べた。前年度の成果と合わせ、作製方法が異なっても相安定性など基礎的な性質に変わりがないことも確認できた。このように、基礎物性評価については新たな知見が得られた。一方、pn接合作製およびデバイス作製については、ZnO、ZnSとの接合作製を試みたが、特性を向上させることが出来なかった。本来ならデバイス応用をもっと進展させるべきであったので、「やや遅れている」と評価した。27年度には前年度の成果に基づき3編の論文を出版し、さらに1編が採択されている。また国際会議での発表も1件あった。研究成果の発信は積極的に進めることができた。また、本研究の開始時点ではCuxZnySを透明p型半導体として利用しようとする試みは皆無だったが、その後いくつかの研究グループが研究をするようになった。特に、メキシコ、インド、台湾、中国のグループは、その論文の中で本研究の論文を引用し、透明p型として研究する意義を主張している。このようにCuxZnySが注目を集めるようになってきたことは、本研究の成果といえる。p型の伝導性を示すワイドギャップ半導体は極めてまれであり、可視紫外の薄膜光電子デバイス実現のためには新たな材料の探索が必要とされている。本研究では、新しいp型ワイドギャップ半導体CuxZnySの薄膜を作製する。CuxZnySはCuxSとZnSの混晶と考えられ、広い組成範囲で透明かつp型伝導性を示す。n型ワイドギャップ半導体と組み合わせることでCuxZnySのpn接合デバイス応用を試み、同時にそのための基礎物性評価を行った。まず組成と伝導型の関係を調べたところ、Cu組成比が0.50.7%を境界としそれ以上ではp型、以下ではn型の伝導型をしめすことが分かった。また、電気化学堆積によって得られた薄膜に対し、硫黄雰囲気中で熱処理をしたところ、200°C程度まではp型を示すが、それ以上の温度では真性に近くなることがわかった。また、デバイス応用のため、n型ワイドギャップ半導体薄膜とのヘテロ接合作製を試みた。n型層としてはZnO、ZnSを用いてヘテロ接合を作製したところ、いずれの接合でも整流性と光応答が確認された。28年度は、前年度に引き続き光化学堆積CuxZnyS薄膜について熱的安定性を調べ、前年度までの結果と合わせ論文を一編発表した。電気化学堆積の薄膜と同様の結果が得られたが、伝導型が真性に変化する温度は、電気化学堆積膜が300°Cであったのに対し、光化学堆積の膜では400°Cであるなど、違いも見られた。さらに、最終年度であることから、研究成果の発信に努め、国際会議にてこれまでの成果をレビューした招待講演を行った。p型ワイドギャップ半導体CuxZnySのデバイス応用を試み、同時にそのための基礎物性評価を行った。
形状記憶合金を用いた宇宙用伸展ブームの展開力制御

記憶した形状に戻る性質のある形状記憶合金を応用することで、簡便かつ省スペースで搭載可能な新たな宇宙用伸展ブームを提案した。また、大型衛星のような姿勢制御系を持たない超小型衛星への搭載を視野に入れ、ケーブルとロータリーダンパで構成される同期展開機構を開発し、新たな伸展ブームが同期的に安定して展開することを示した。また、形状記憶合金は温度変化に対して剛性が変化するため、そのデメリットを補うために形状記憶合金とは性質が反対の形状記憶ポリマーの併用を検討した。両者を組み合わせることにより、互いの特性を活かした新たなSMA-SMPブームが設計された。巻尺のように部分円弧断面を有する形状記憶合金(SMA)を用いた宇宙用の新たな伸展ブームの開発を目標に研究を実施した。本研究は構造に関する研究と展開挙動制御に関する研究の2つの要素で構成されおり、それぞれの進捗については以下である。まず構造については、小型衛星のデオービット機構のための膜や薄膜太陽電池セルを展開した後に支持構造として展開状態を維持できる必要がある。そのためミッションに対応した十分な構造剛性(とくに曲げ剛性とねじぎ剛性)が必要となる。SMAの短所としては、温度変化に対してヤング率が変化することで、変態点以下では約1/2倍まで低下する。周囲の温度状況が激しい宇宙空間での利用を考慮した場合、この温度依存性は構造剛性に大きく影響することから、低温時に高いヤング率を有する形状記憶ポリマー(SMP)との併用を検討した。実際にSMA&SMPを組み合せた伸展ブームの要素を設計・試作し、温度変化に対して一定の曲げ剛性を有する事を振動実験により明らかにした。また展開挙動制御については、当初加熱中のSMAの温度を計測しながら加熱量を制御する手法を考えていたが、温度変化の展開挙動変化の変化速度が異なることから、より直接的かつパッシブな制御方法として、ケーブルとロータリーダンパを用いた制御システムを開発した。ケーブルはブームの先端とつながった状態でドラムなどに巻き付けておき、ドラムはシャフトなどを介してロータリーダンパと接続しておく。このシステムを搭載しておくことで、急激な温度変化で急展開しようとするSMAブームは、ケーブルを介してロータリーダンパの減衰力が作用するため急展開できなくなり、一番遅いスピードで展開するブームに展開速度を合わせることができるようになった。また展開の同期性が確保されたことにより、展開挙動の安定性が向上したことも、展開実験を通じて検証済みである。SMAのヤング率の温度依存性による構造剛性の低下を検討することの方が、断面形状や2枚の部分円弧断面梁を組み合わせた際の周囲の拘束方法などを検討することより重要な課題であると判明したことから、SMAの温度変化に対するヤング率変化を補うための方法として、温度変化に対するヤング率の変化の仕方がSMAとは逆の特性であるSMPと組みわせた伸展部アクチュエータの設計・評価を実施した。また金属のSMAとプラスチックのSMPではベースとなるヤング率が約10倍異なることから、板厚を調整することで曲げ剛性が等しくなるような設計を行った。上記のように設計したSMAとSMPを組み合わせ、温度が変化する場合の曲げ剛性を片持ち梁の自由振動試験により計測した。SMAのヤング率が低下するマルテンサイト相状態においても、SMPが構造要素として機能することで曲げ剛性の低下を抑制し、温度が変化しても一定の曲げ剛性を示す伸展部の設計手法が確立した。ねじり剛性に関しては、次年度に検討する予定である。また加熱方法や展開挙動制御においては、発熱塗料を用いた非常に薄いシートタイプのヒーターを作成することで、安定した加熱が行えるようになった。また展開挙動制御については、研究実績の概要で示したように、ケーブルとロータリーダンパを用いたパッシブな展開力抑制機構を開発した。研究室規模の展開力制御機構とSMA伸展ブームの概念モデルを製作し、制御機構がある場合とない場合の展開実験を比較することで、展開挙動制御の評価を行った。制御機構の効果は良好であり、概ね安定した展開挙動を得られるようになった。ロータリーダンパの減衰力の選定や実際の衛星に搭載するための機構の小型化などが来年度の課題として挙げられる。形状記憶合金(SMA)の温度変化による剛性変化(変態温度以上:高剛性,変態温度以下:低剛性)を補うため,温度変化に対してSMAとは逆の性質(Tg温度以上:低剛性,Tg温度以下:高剛性)を有する形状記憶ポリマー(SMP)と組合わせ,温度変化によらず一定の剛性を有する宇宙用伸展ブームの研究を行った.SMAとヤング率は,SMPのヤング率に比べて約10100倍程度高いため,断面形状を変化させることで低温時と高温時の曲げ剛性が均一となるブームの設計を行った.実際にSMAをSMPでコーティングした展開ブームを製作し,実験により温度変化に対する曲げ剛性の変化を測定した.温度によらず一定の曲げ剛性を有するブームを作成することに成功した.H27年度に,展開制御方法について検討を行い,展開力制御機構の研究・開発を行った.SMAのみを用いた伸展ブームによる展開実験により,展開制御機構による安定した展開挙動が確認されている.H28年度は,激しい温度変化が繰り返される宇宙空間での利用を想定し,伸展ブームの温度変化に対する剛性均一化について研究・開発を行った.SMAと反対の性質をもつSMPを組合わせることで,温度変化に対して一定の曲げ剛性を有する伸展ブームが設計された.形状記憶合金(SMA)を用いた宇宙用伸展ブームの展開力制御に着目した研究を行った。

当初は、ヒーターなどの過熱によって温められたSMAの温度をセンシングし、急激な展開を行わないよう展開力を制御することを検討していたが、SMA全体を一様に温めることが困難な事、また温度変化の応答と展開力の応答に対する時間遅れの問題から、温度制御を用いた展開力制御の手法は実用的でないと判断した。そこで、ケーブルとロータリーダンパを用いた同期展開機構を新たに考案した。それぞれの伸展ブームの先端をケーブルでつなぎ、ケーブルは一つのリールに巻き取って収納されている。リールはロータリーダンパに接続されているため、伸展ブームが急激に伸展した場合には、ロータリーダンパの制動力によりブームの急激な伸展が抑制される機構である。この同期展開機構を搭載することにより、SMAが一様に加熱されない条件下でも、搭載した伸展ブーム(デモンストレーションでは4本使用)が同期的かつ安定して展開することが実証された。以上の展開実験を通じ、SMAを用いた宇宙用伸展ブームの展開力制御が達成された。また、SMAは形状回復温度(Af点)以下になると剛性は半減する。温度変化が激しい宇宙環境での著しい剛性変化は、伸展ブームにとって扱いずらい性質であるため、その欠点を補うために性質が反対の形状記憶ポリマー(SMP)との組み合わせについても検討した。Af点前後の曲げ剛性が等しくなるようにSMAとSMPを組み合わせることで、温度変化に対して剛性が変化しない、新たなスマートアクチュエータの検討も行った。温度を変化させた曲げ剛性の計測実験からは、設計通りの温度変化に依存しない曲げ剛性が計測された。また、SMAとSMPを併用したSMA&SMP伸展ブームに同期展開機構を組み合わせた展開デモンストレーションにも成功した。記憶した形状に戻る性質のある形状記憶合金を応用することで、簡便かつ省スペースで搭載可能な新たな宇宙用伸展ブームを提案した。また、大型衛星のような姿勢制御系を持たない超小型衛星への搭載を視野に入れ、ケーブルとロータリーダンパで構成される同期展開機構を開発し、新たな伸展ブームが同期的に安定して展開することを示した。また、形状記憶合金は温度変化に対して剛性が変化するため、そのデメリットを補うために形状記憶合金とは性質が反対の形状記憶ポリマーの併用を検討した。両者を組み合わせることにより、互いの特性を活かした新たなSMA-SMPブームが設計された。温度変化に対する剛性低下を防ぐための概念検討は行えたが、3倍以上の板厚のSMPをSMAに張り合わせていることから、質量も増加している。またSMAとSMPを簡易的に面で接着して実験を行ったが、収納時のことを考慮するとSMAとSMPの組み合わせ方についても更に検討が必要である。また断面形状が曲げ剛性・ねじり剛性に与える影響についても定量的な評価が必要である。そこで、SMAとSMPの組み合わせ方法については、構造全体の軽量化、曲げ剛性とねじり剛性の維持、かつ収納効率を維持が達成できるようなSMPの形状・SMAとSMPの組み合わせ方を検討したい。また断面形状についての評価に関しては、各種パラメータを用いた有限要素解析を実施することで、定量的な評価や設計した曲げ・ねじり
水田におけるメタンバブル賦存量の計測技術の開発と貯留・放出に及ぼす変動要因の解明

水田におけるメタンバブル賦存量の計測技術の開発と貯留・放出に及ぼす変動要因の解明を進め、以下の知見よび成果(14)を得た。1.土壌中メタンのターンオーバーの推定:土壌中のメタン賦存量と大気への放出速度のデータを解析し、1.湛水した土壌中であってもメタンは主として気泡状態で存在すること、2.土壌中のメタンの平均滞留時間は数時間から長くて数日程度であり、これまでに考えられていたより生成から放出までのプロセスが速いスピードで生じていることを明らかにした。2.気泡の噴出を引き起こす物理的要因に関するレビュー:メタンバブルが土壌から大気へ噴出する際の物理的メカニズムに関しての考察を進め、大気圧変動、温度、水位の変動が噴出を引き起こすメカニズムを定量的に解析した総説論文を発表した。3.大気CO_2濃度増加および温暖化が水田からのメタン発生量に及ぼす影響の解明:岩手県雫石町の温暖化・free-air CO_2 enrichment(FACE)水田において、大気CO_2濃度の上昇(+200ppm)と温暖化(実験では水および土壌を+2°C加温)が水田からのメタン放出量に与える影響を調査した。その結果、+2°Cの加温と高CO_2の効果により約80%もメタン放出量が増加することを明らかにした。4.イネの光合成による炭素固定からメタンの生成・放出までの炭素フローの解明:土壌中の賦存量の結果から、水田のメタン生成は、従来重視されてきた「蓄積された土壌有機物の分解→メタンの生成・土壌中での貯留→大気への放出」という経路だけではなく、「栽培中のイネの光合成産物の根圏への転流→根近傍でのメタン生成→イネの通気組織を介した速やかな放出」という速いフローが重要な生成・放出経路になっている可能性が示唆された。そこで炭素安定同位体比(^<13>C/^<12>C)を用いて光合成からメタンの生成・放出までの炭素フローを追跡し、放出されるメタンのうちのおよそ半分は、その年に栽培されるイネの光合成産物由来であることを圃場条件で実証した。水田は地球全体からのメタン(CH4)放出量の8-20%を占める主要な発生源であり、気候変化の緩和に向けて効率的なCH4放出量削減技術を開発することが重要な課題となっている。ところが水田からのCH4放出に関わるプロセスには未解明な点が多い。特に土壌中で生成されるCH4が大気へ放出されるプロセスに関する知見は乏しい。本年度は、岩手県雫石町にある温暖化・free-air CO2 enrichment(FACE)水田を実験サイトとして研究を行い、以下の知見を得た。1.土壌中のCH4の存在形態と大気への放出メカニズムの関係ポット試験を行い、土壌中のCH4存在形態を破壊測定により調べた結果、CH4の放出量が多くなる幼穂形成期以降では、気泡バブル状態で存在する量が、溶存態として存在する量を上回ることを明らかにした。既存のモデルは、溶存CH4濃度とイネ体のガスコンダクタンスから放出量を計算している。しかしCH4放出量は溶存態よりもむしろガス態CH4との間に高い相関を示した。この結果から、正確なCH4放出量の推定には、ガス態として存在するCH4賦存量を把握する必要があることが裏付けられた。2.メタンバブル賦存量の計測技術の開発誘電率センサを用いた水田土壌中の気泡量の測定を試み、土壌中の誘電率と三層分布と誘電率の関係を表すCRIMモデルを用いることで、気泡貯蔵量を推定できることを示した。3.将来想定される温暖化環境が、土壌中のCH4賦存量および放出に与える影響の解明大気へのメタン放出量を定期的に測定した結果、+2°Cの加温区では対照温度区と比べ40-50%もメタンの放出量が増えることを明らかにした。またポット試験結果から加温区では気泡CH4賦存量が増加したことから、加温区ではCH4バブルの増加を通して放出量が増加した可能性が示唆された。1.メタンバブル賦存量の計測技術の開発一般的には水分センサとして使われているTime domain reflectometryセンサを用いて湛水した水田土壌中の気泡賦存量を測定する方法の開発を進め、土壌の還元化にともなって気泡が蓄積し、誘電率が低下する様子を捉えることに成功した。2.土壌中ガス濃度計測手法の開発ガス透過性チューブを用いて空間代表性の高い土壌ガス濃度データ得る方法の開発を進めた。チューブ内外のガス濃度が平衡するのに必要な時間の推定等を膜厚や透過係数から解析し、その結果を解説記事として発表した。3.気泡の噴出を引き起こす物理的要因に関するレビューメタンバブルが土壌から大気へ噴出する際の物理的メカニズムに関しての考察を進め、大気圧変動、温度、水位の変動が噴出を引き起こすメカニズムを定量的に解析した。さらに既存のフラックス観測方法の問題点と今後取り組むべき課題を整理し、総説としてまとめた。4.大気CO2濃度増加および温暖化が水田からのメタン発生量に及ぼす影響の解明岩手県雫石町の温暖化・free-air CO2 enrichment(FACE)水田において、大気CO_2濃度の上昇(+200ppm)と温暖化(実験では水および土壌を+2°C加温)が水田からのメタン放出量に与える影響を調査した。

その結果、+2°Cの加温により40-50%もメタンの放出量が増えること、高CO_2も10-30%程度メタン放出量を増加させ、両者を併せた増加効果は80%にも達することを明らかにした。水田におけるメタンバブル賦存量の計測技術の開発と貯留・放出に及ぼす変動要因の解明を進め、以下の知見よび成果(14)を得た。1.土壌中メタンのターンオーバーの推定:土壌中のメタン賦存量と大気への放出速度のデータを解析し、1.湛水した土壌中であってもメタンは主として気泡状態で存在すること、2.土壌中のメタンの平均滞留時間は数時間から長くて数日程度であり、これまでに考えられていたより生成から放出までのプロセスが速いスピードで生じていることを明らかにした。2.気泡の噴出を引き起こす物理的要因に関するレビュー:メタンバブルが土壌から大気へ噴出する際の物理的メカニズムに関しての考察を進め、大気圧変動、温度、水位の変動が噴出を引き起こすメカニズムを定量的に解析した総説論文を発表した。3.大気CO_2濃度増加および温暖化が水田からのメタン発生量に及ぼす影響の解明:岩手県雫石町の温暖化・free-air CO_2 enrichment(FACE)水田において、大気CO_2濃度の上昇(+200ppm)と温暖化(実験では水および土壌を+2°C加温)が水田からのメタン放出量に与える影響を調査した。その結果、+2°Cの加温と高CO_2の効果により約80%もメタン放出量が増加することを明らかにした。4.イネの光合成による炭素固定からメタンの生成・放出までの炭素フローの解明:土壌中の賦存量の結果から、水田のメタン生成は、従来重視されてきた「蓄積された土壌有機物の分解→メタンの生成・土壌中での貯留→大気への放出」という経路だけではなく、「栽培中のイネの光合成産物の根圏への転流→根近傍でのメタン生成→イネの通気組織を介した速やかな放出」という速いフローが重要な生成・放出経路になっている可能性が示唆された。そこで炭素安定同位体比(^<13>C/^<12>C)を用いて光合成からメタンの生成・放出までの炭素フローを追跡し、放出されるメタンのうちのおよそ半分は、その年に栽培されるイネの光合成産物由来であることを圃場条件で実証した。
波長多重システムの多チャンネル化に関する研究

数千チャンネル規模の波長多重方式の実現に向けて、周波数間隔がGHz程度のWDM信号から任意のチャンネルを選択可能な受光系構成法と受光特性評価法の研究を行った。受光系の構成は以下の通りである。光パケット形式の波長多重信号を前提として、光ファイバループの入力部と出力部にスイッチを設け、ループ内に波長選択素子と損失補償のための光増幅器を設置した構成である。ループ入力部の光スイッチによる時間窓と、ループ内の光フィルタによる周波数窓、ならびにループ出力部のスイッチによる時間窓設定により、希望する光パケットを選択する。このような構成となっているので、WDM信号光がループ内の波長選択素子を複数回通過することとなり、高選択性が実現される。試験用光パケット高密度波長多重信号発生回路の構成法を検討し、受光回路の特性評価を行った。試験方法は、選択信号のアイ波形から受光特性を評価するものである。光パケットには擬似ランダム信号を載せられ、オシロスコープ上でアイ波形を観測する。この時、選択信号に重畳して0.5GHz間隔で7chのWDM信号を密に配置し、さらに選択信号とは異なる伝送速度で変調している。この結果、他のWDM信号からの干渉をアイ波形劣化として評価できる。受光回路については、高選択性とともに、高安定性と低雑音性を実現するための検討を行った。ファイバループ系に関して、ディスク型チューナブルフィルタ、利得安定化EDFA、偏波依存性の小さいアイソレータ、磁気光学効果光スイッチなどを適用した。この結果、選択パケットを30回程周回させると、1GHzの波長間隔でも隣接チャンネルの影響を受けることなく、長期間良好なアイ波形で受信できることを確認した。以上の結果、数千チャンネル規模の波長多重方式に必要とされる高選択受光回路と、試験技術に関して基本技術の確立を図ることができた。数千チャンネル規模の波長多重方式の実現に向けて、0.01nm(GHzオーダ)程度の波長間隔で配置されたWDM信号から任意信号を選択可能な受光系構成法を提案するとともに、波長選択特性を実験的に評価した。検討した受光系の構成は以下の通りである。ループ入力部の光スイッチによる時間窓と、ループ内の光フィルタによる周波数窓、ならびにループ出力部のスイッチによる時間窓設定により、希望する光パケットのみを選択できるようにしている。このような構成となっているので、WDM信号光がループ内の波長選択素子を複数回通過することで、等価的に波長選択素子の狭スペクトル化を図ることができる。本受光回路の波長選択特性を実験により評価した。ループ内に3dB通過帯域幅0.9nmと0.06nmのフィルタを設置し、損失補償用にエルビウムドープ光ファイバ増幅器(EDFA)を用いた。EDFAの励起光源をタイミング制御回路で駆動することで、ループリセット用の光スイッチを兼用した。光パケット高密度WDM信号の模擬信号として、パルス幅5μsで、パルス毎に500MHzづつ光周波数が低下する7個のパルスから構成されるパルス列を合成した。このパルス列を用いて、受光回路の波長選択特性を評価した。光パケットがループを10周回すると選択チャンネルから2GHz離れたWDM信号は11dB抑圧され、20周回では1.5GHz離れた信号は12dB、40周回では1GHz離れた信号は12dB抑圧され、選択チャンネルのみを取り出せることを実証した。光パケット高密度波長多重伝送用の受光系構成法と受光特性評価用試験信号発生回路に関して研究を進めた。