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分子複合体としての生体膜の構造と機能

生体膜は生命機能に重要な役割を果たすにもかかわらず、捉えどころない液体のようなものと考えられてきた。本研究はその構成分子である脂質に構造があり、それによって生体膜の機能が発現しているとの考えのもとに研究を進めた。すなわち、化学的に標識を導入した分子を用いて、固体NMRなどを測定することによって、生体膜における抗生物質や脂質などの形と動きを調べることによって、それらの構造と分子間相互作用を解明することができた。生命科学のフロンティアとして生体膜が注目されるようになって久しいが、その機能と構造の解明は、他の研究対象に比べて遅れている。生体膜中でのみ現れる膜結合分子の三次元構造、および分子間相互作用は生命現象を理解するうえで極めて重要であるが、構造生物学の発展を支えた方法論が生体膜に対しては有効ではない。この問題点を解決するためには、生体膜を二次元流体としてではなく、脂質分子を含む分子複合体として捉える必要がある。本研究では、以下の目的を設定した。(1)脂質二重膜中に形成される生理活性物質の分子複合体の構造(2)生体膜に形成される脂質マイクロドメイン構造における分子認識(3)スフィンゴ脂質を特異的に認識するタンパク質と脂質の相互作用解明生体膜は生命機能に重要な役割を果たすにもかかわらず、捉えどころない液体のようなものと考えられてきた。1.脂質二重膜中に形成される生理活性物質の分子複合体の構造(生理活性物質と脂質の相互作用)脂質膜中で自己会合しイオンチャネル複合体を形成する低分子有機化合物、アンフォテリシンB,(AmB)について脂質膜中での複合体構造を固体NMRによって行い、構造に関する新たな知見を得た。すなわち、AmBは脂質二重膜中で比較的大きな会合体を形成しており、そのサイズはエルゴステロールの有無によって大きく変化すること、また、エルゴステロールは主にAmBのヘプタエン側鎖と相互作用することが今回明らかとなった。さらに、AmBのアミノ基とカルボキシル基を架橋した二量体を種々調製し、イオン透過化活性を測定した。その結果、比較的長いリンカーで連結した場合顕著な活性を示すことを分かった。この二量体が、今後の複合体構造解析に有効なプローブとなることが期待される。2.生体膜に形成される脂質マイクロドメイン構造における分子認識標識スフィンゴミエリンとコレステロールの固体NMRによる原子間距離測定を行うために、本年度は、マイクロドメインを構成する主要成分であるスフィンゴ脂質とコレステロールに着目し,それらが膜中で形成する複合体の分子・原子レベルでの構造解析を行った。このため,特定の位置に^<13>C,^<15>Nあるいは,測定上有用な^<19>F,^2Hを導入したスフィンゴミエリンを調製した。予備的な固体NMRの測定の結果、これらの分子間には磁気双極子相互作用は認められなかった。そこで、分子の相互作用を安定化する目的で、スフィンゴミエリンとコレステロールを共有結合で連結したプローブを作製した。これら脂質誘導体によるラフト様マイクロドメインの形成を評価するために・蛍光消光法と沈殿法を適用した。その結果、標識体、連結プローブともにラフトを形成することを明らかになり、次年度以降、ラフト中の脂質分子相互作用の解明に役立つものと期待される。1)脂質二重膜中に形成される生理活性物質の分子複合体の構造:抗生物質・アンフォテリシンBは脂質二重膜中で自己組織化してイオン透過性チャネルを形成する。本年度は、これらチャネルの構成分子として、抗生物質とステロールに焦点を当て、それらの分子間相互作用の解明を試みた。抗生物質としの選択毒性は、膜中のエルゴステロールに対する高い親和性に起因しているが、これに関与する相互作用について固体NMRによる解析を進めた結果、エルゴステロールはアンフォテリシンBチャネルが密集することを防ぎ、機能可能な状態に保つことによって促進効果を発現していることが明らかとなった。また、この2分子間の相互作用の分子基盤の解明にも成功した。それによると、エルゴステロールがチャネルを囲むように存在しているモデルが示唆され、従来説に代わる新しいチャネル構造の提案に結びついた。2)生体膜に形成される脂質マイクロドメイン構造における分子認識:本年度は、昨年度に引き続き、マイクロドメイン・脂質ラフトを構成する主要成分であるスフィンゴ脂質とコレステロールのについて検討を行った。すなわち,特定の位置に13Cあるいは測定上有用な19F,2Hを導入したスフィンゴミエリンを化学合成によって調製した。これら標識体について固体NMR測定を行った結果、スフィンゴミエリン同士には顕著な磁気双極子相互作用が認められた。一方で、コレステロールとの間には相互作用は認められなかった。また、脂質の脂肪酸部分との特異的相互作用も認められ、脂質ラフトを形成する分子基盤について、新しい知見が得られつつある。現在、この相互作用の詳細を精査している。1)脂質二重膜中に形成される生理活性物質の分子複合体の構造:抗生物質・アンフォテリシンB(AmB)は脂質二重膜中で自己組織化してイオン透過性チャネルを形成する。本年度はAmB分子で同士の相互作用に焦点を当て、それらの分子間相互作用の解明を試みた。

その結果、AmBのメチルエステル体についてイオンチャネル機能を有する分子会合体の構造の推定に成功した。2)生体膜に形成される脂質マイクロドメイン構造における分子認識:本年度は、脂質ラフトを構成する主要成分であるスフィンゴ脂質の立体配座と膜に対する配向について固体NMRによる詳細な検討を行った。特定の位置に測定上有用な^<13>C,^2H,^<15>Nおよび^<19>Fを導入したスフィンゴミエリンを化学合成によって調製した。これら標識体について固体NMR測定を行った結果、スフィンゴシン主鎖と脂肪酸鎖の立体配座について新たな知見を得ることができた。現在、スフィンゴミエリンの脂質ラフトにおける配向を、標識脂質を用いて精査している。3)リン脂質を特異的に認識するタンパク質と脂質の相互作用解明:タンパク質との相互作用を解析するために必要な脂質の標識体を調製した。特に、長距離の相互作用解析に優れている^<19>F-標識脂肪酸とコレステロールを調整した。また、膜貫通部分のモデルとしてグリコフォリンに着目し、そのTM部位のペプチドの調製を行った。膜結合分子として梯子状ポリエーテル分子を用いて、膜貫通ペプチドとの相互作用解析の予備実験を行い。飽和移動を介した分子間相互作用の検出に成功した。1)脂質二重膜中に形成される生理活性物質の分子複合体の構造:抗生物質・アンフォテリシンB(AmB)は脂質二重膜中で自己組織化してイオン透過性チャネルを形成する。本年度は、これらチャネルの構成分子として、抗生物質同士の相互作用に焦点を当て、チャネル構造の解明を試みた。炭素13およびフッ素で標識したAmBのメチルエステルを調製し、チャネル会合体における固体NMRによる解析を進めた結果、この2分子間の相互作用の分子基盤の解明に成功した。それによると、隣合う分子間で標識核間距離が約7.5Aであった。これら標識体を連結した二量体を合成し、分子内標識原子間でREDOR減衰が観測され、その距離は非連結体で求めた分子間距離を支持する値となった。これはAmBの樽板モデルで想定されている距離と近い値である。2)生体膜に形成される脂質マイクロドメイン構造における分子認識:本年度は、マイクロドメイン・脂質ラフトを構成する主要成分であるスフィンゴ脂質の配座と相互作用について検討を行った。特にラフト構成分子であるスフィンゴミエリン(SM)は、通常のグリセロリン脂質とは構造が大きく異なるため、その構造的特徴がラフト形成に重要であると考えられる。そこで、重水素固体NMR(^2H-NMR)および^13C化学シフト異方性(CSA)を測定し、ラフト相および非ラフト相におけるSMのスフィンゴシン骨格の分子配向および運動性を調べた。^2H-NMRおよび^13C-CSAを測定するためには、位置特異的に^2Hまたは^13C標識化したSMが必要となるが、^2H-NMRについては3位、5位および6位を重水素標識したSMを、^13C-CSAについては5位を^13C標識したSMを合成して固体NMR測定に供した。その結果、ラフト形成時におけるSM分子配座および分子配向解析について新知見を得ることができた。
高等学校における統計教育に関する研究‐ニュージーランドの事例研究をもとに‐

本研究の目的は、高等学校で、身の回りの統計情報を適切に解釈する能力や、調査計画を立てたりデータを適切に分析したりして統計情報を創出する能力を育成するための学習プログラムを提案することである。本研究では、先進的な統計教育を実施しているニュージーランドの事例に着目し、そこでの授業研究を通して、上記能力の育成に向けた指導方法や評価方法等を検討する。そして、事例研究で得られた成果をもとに教材や指導案等を検討して、実際に日本の高等学校で授業を実践する。またこれまでの先行研究において、上記能力と批判的思考が関係していることが明らかになっている。そこで本研究では、批判的思考育成の観点から統計教育を検討する。
老人脳および痴呆脳における蛋白質架橋の同定

老人脳、特にアルツハイマ-病などの痴呆脳では老人班・アルツハイマ-原線維変化などの沈着物質が畜積する。これらの物質の不溶化の原因としてトランスグルタミナ-ゼによる蛋白視の架橋を想定し、架橋物に特異的な抗体を用いて検討することを試した。まず、モルモット肝臓から組織型トランスグルタミナ-ゼを精製し、これをウシ血清アルブミンに作用させて架橋アルブミンを作成した。2%SDSで洗浄後これを抗原としてモルモットを免疫し、架橋アルブミンに対する抗体を含む血清を得た。この血清から架橋アルブミンに特異的な抗体を単離するため、非架橋アルブミンと架橋アルブミンをそれぞれ固定化したカラムを作成し、前者とは結合せず後者とのみ結合する抗体を得た。この抗体まELISAで非架橋アルブミンは反応せず、架橋アルブミンを抗原とした場合のみ陽性であった。また、ヒト皮膚組織切片の免疫組織染色では角質化の高い表皮部分が陽性となり、抗体が角質化に伴い形成される架橋蛋白質を認識している可能性を示唆した。しかしその反応性は弱く、他の組織への応用のためには改善が必要と思われる。例えば、抗原部位を露出させる処理などにより、微量の架橋蛋白質を検出することも可能となり得る。これを裏付けるように、ラット組織のウエスタンブロットでは種々の陽性バンドが認められた。
自動車運転時の感情コントロールのための教育プログラム開発

感情コントロール技能の向上を目指した運転者教育プログラムが試作され、78名のドライバーがこのプログラムの評価研究に参加した。参加者の意識と運転行動の変化を分析することにより、教育プログラムの効果が検証された。プログラムに参加した後、時間的な焦りや他者の不安全行動に対する怒りなど、参加者の感情的なストレス反応は低下することが示された。また、ストレス状況下におかれたときの自己効力感が向上するという意識変化が見出された。行動変化に関しては、自己の運転行動を振り返る教育を追加したグループにおいて、運転エラーが減少することが観察された。これらの意識変化と行動変化は、3週間後に実施された事後調査においても確認され、教育効果が持続していることが示された。本研究の目的は、自動車運転時の感情コントロール技能を向上させるための教育プログラムを開発することである。教育プログラム開発にあたり、平成21年度は以下の研究課題に取り組んだ。(1)理論的検討試作する教育プログラムの理論的背景を検討した。ネガティブ感情の経験をストレス反応として位置づけ、「ストレス相互作用モデル」を適用することとした。ストレスフルな運転状況に対するコントロール可能性の認知が、ネガティブ感情の低減につながると仮定し、自己理解と対処法の学習を中心とした教育シナリオを考案した。(2)運転行動評価の検討教育効果測定または個人の運転行動評価の指標として、ドライブレコーダを用いた運転パフォーマンスの測定を試みた。職業ドライバーを対象に調査を実施。業務運転中の運転挙動を記録するとともに、日々の感情状態との対応関係や、教育による行動変化などを分析した。しかし、明確な対応関係を実証するに至っておらず、より感度の良い行動指標の選定と測定方法の工夫に課題が残った。(3)自己診断テストの開発感情と運転に関して、個人の特性を自己理解するための手法として、新たな自己診断テストを開発している。できるだけ日常の感情傾向がテスト結果に反映されるよう、運転場面の提示にイラスト動画を用いた刺激提示を採用することにした。イラスト画を連続提示し、運転中のストレス状況を動画(アニメーション)で提示するとともに、ドライバーの微妙な感情変化を表現している。動画提示のシナリオの検討、および具体的なイラスト画のデザイン制作を行い、ストレスフルな運転状況の動画を30場面作成した。本研究の目的は、自動車運転時の感情コントロールスキルを向上させるための教育プログラムを開発し、その教育効果を検討することである。教育プログラム開発にあたり、平成22年度は以下の研究課題に取り組んだ。(1)理論的検討感情コントロール教育プログラムを開発する一方で、その理論的背景を検討した。この教育は一過性の教育効果に留まる可能性があり、効果を持続させるための手法開発と教育原理を構築する必要性があった。持続性をもたらすために、自己観察法を応用する方法を考案。具体的には、日記法を導入し、自己の感情経験の変化や実行した対処法を毎日記録する学習法の原理を検討した。(2)バス運転手の感情コントロール様々な職業運転者を対象に教育プログラムを展開することとし、その一環として、バス運転手を対象とした教育開発に取り組むこととした。バスの運転は、定時運行、乗客サービス、事故防止など、様々な心理的圧力を経験する業務である。教材作成のための基礎資料収集を目的として、路線バス運転手31名を対象にインタビュー調査を実施。イライラや焦りなどのストレス感情を経験する場面、運転業務への影響、感情コントロールの工夫の3点に話題を絞り、意見を収集した。その結果、ストレス状況として、車外での事象(他車の割り込みなど)と、車内での事象(乗客サービスなど)に分類されることが見出された。とくに乗客からの不満やクレームは、大きなストレス要因となっており、事故防止の責務を課せられた運転手を板挟みにする葛藤状況を生み出していることが分かった。ストレス状況およびストレス要因に関するこれら情報を、感情コントロール教育で使用する具体的教材の中に盛り込むこととした。「感情と安全運転」をテーマに、自動車運転時の感情コントロール技能を向上させるための教育プログラムを開発することが本研究の目的である。ドライバーが自らの感情状態に対して自己管理できる姿を目指し、自己理解のための教材作成と教育効果測定を実施し、より効果的な教育プログラムを開発することを目指す。平成23年度の研究成果は以下の通りである。(1)行動変容を導くための感情コントロール教育プログラムの開発これまで開発してきた教育プログラムでは、自己効力感が向上するなど意識の変化は見出されているが、行動変容に関する教育効果は明確に確認されていない。そこで、プログラムを改良し、自己の運転行動を振り返る機会をの連のプログラムの中に取り入れ、この振り返りが行動変容を促進するかどうかを検証した。

実験参加者78名を統制群(感情コントロール教育のみを体験)と教育群(感情コントロール教育と自己の運転行動の振り返りを体験)の2群に分け、葛藤走行条件(焦ってはいるが安全運転に努める運転課題)での運転エラー数を比較した。その結果、意識の変化に関しては、両群ともにストレス反応が低下し、自己効力感が向上するなど、同程度の教育効果が見出された。運転エラー数に関しては、統制群よりも教育群においての時不停止や安全不確認等の運転エラーが大幅に減少することが観察された。その効果は3週間後の再調査においても持続していることが確認された。教育プログラムをより効果的に運用するためには、既存の教育手法を組み合わせるなど、より高度な技法が求められる。(2)感情コントロール教育のための教材開発感情コントロール教育実施時に必要となる教材をより充実させるため、新たに動画方式による自己診断教材を開発した。運転中の感情経験をアニメーションによって表現するものであり、渋滞でイライラするなどの動画場面を30場面制作した。
複雑硫化鉱浮選における亜硫酸の作用機構について

複雑硫化鉱の亜硫酸浮選において亜硫酸の果す役割には不明な点が多い。特にザンセートと亜硫酸の反応機構,反応生成物と鉱物の浮遊性との関連性など明らかにすべき点は多々ある。本年は以下の点を明らかにした。(1)ザンセートと亜硫酸の反応機構ザンセート(R-【OCSS^-】)は亜硫酸が共存する場合には溶液中の酸素によってパーザンセート(R-O-CSS-【O^-】)に酸化される。これがさらに酸化されるとアルコールおよび炭酸ガスに分解される。そして亜硫酸はチオ硫酸となる。この酸化反応は(1)および(2)式によって示される。亜硫酸がザンセートに比べて多量に存在する場合には、(1)式と(2)式の反応が同時に進行し、パーザンセートの残存量は減少する。ザンセートは酸性側では酸分解反応が起るため黄鉄鉱に対する吸着量は減少する。一方、パーザンセートはジチオリン酸塩と同様分解しないため、pH4附近まで吸着量は増大する。しかしpH<4になるとフリー酸生成のため、吸着量は再び減少する。この場合酸素の存在が吸着量に著しい影響を与える。窒素を吹き込んだ場合には、吸着量は全般的に低下し、酸素を吹き込んだ場合の1/3程度になる。浮遊性についてはザンセートに比べて浮遊領域がアルカリ側に若干増加している。しかし酸素の影響は余り認められない。pH<6で最大の浮遊率を示し、吸着量が著しく減少するpH<2でも浮遊率の減少は認められない。パーザンセートを添加しない場合には黄鉄鉱の浮遊性がほとんど認められないことから、酸性側では少量のパーザンセートの吸着によって黄鉄が浮遊される。
ソーラープローブの熱防御システムに関する熱気体力学的研究

太陽コロナに突入し、太陽風加速機構を明らかにする新しい探査機「ソーラープローブ」を実現するため、厳しい輻射加熱から機体を守る熱シールドに関する熱気体力学的現象の解明を目的として研究を行い、以下のことが明らかになった。1)モンテカルロ直接法による希薄気体流れ解析により、加熱を受けて高温となったシールドから発生する昇華ガスは太陽風粒子と衝突し、太陽風の速度分布関数を変えてしまうことが分かった。その影響は、全昇華ガス発生率および太陽風密度が高いほど顕著である。太陽風観測に支障を出さないため、全昇華ガス発生率は2mg/s以下に押さえる必要がある。2)太陽方向に対し約40度傾けたグラファイト製円盤による熱シールドは形状の簡単さ、昇華ガス発生の抑制の点から優れている。数値解析の結果、太陽風の観測に際し、昇華ガス雲と太陽風の干渉だけでなく、機体表面における太陽風粒子の反射の影響も無視できないことがわかった。太陽風観測用のセンサーは、これら気体分子による干渉を避けるため、本体底面から伸ばしたブーム先端に置くのが良い。3)炭素薄板をレーザーで加熱し、発光スペクトル観測から温度測定を行った。薄板状の炭素が、ソーラープローブ熱シールド材料として耐熱性と低昇華率の点で優れていることを明らかにした。ディスク状の炭素板背後に衛星本体を置く手法は、衛星本体への熱流入の低減に有効であることを実験的に示した。4)小型ソーラープローブミッションについて検討した。推進システムとして燃料不要のソーラーセイルを取り上げて軌道設計を行い、5年以内に地球から太陽コロナに至ることが可能であることを示した。さらに、支柱の不要な構造として、内圧をかけて膨張するグラファイトフィルムを用いたバルーン型熱シールドを提案し、熱防御性能、昇華ガス発生量、軽量性の全てにおいて従来型の熱シールド形状と比較して有望であることを示した。ソーラープローブミッションは、コロナのその場観測により太陽風の加速メカニズム解明を目指すものである。コロナに突入する衛星の熱防御システムには、太陽近傍の厳しい加熱環境に耐えられること、その際に観測に支障が出ないよう、コンタミネーションを出さないこと、が求められる。本年度はまず、衛星の熱シールドの概念設計に関する研究を行った。熱シールド材としてグラファイトを考え、その温度と表面からの昇華ガス発生を予測する簡易解析モデルを作成し、次の事が明らかになった。・衛星への熱伝達とシールドからの昇華ガス発生量を押さえるには、太陽光の入射方向に円盤状シールドを重ねる多重シールド方式が有効である。・前後のシールドを離し、最前面のシールドを傾けて、前方シールド裏面からの輻射冷却を側方に逃がすのがよい。・自由分子流を仮定して熱シールドからの昇華ガスの空間分布を見積る簡易手法を構築し、解析を行った。衛星周辺の昇華ガスの数密度は、太陽風の数密度と同程度であり、観測上、無視できない。従って、真空チャンバーと炭酸ガスレーザーを用いた強輻射加熱環境実験では、加熱されるサンプル周りの昇体密度に関する計測に重点を置く必要がある。昇華ガスの流れは希薄気体であるため、放電発光および電子ビームによる手法が有望と考え、実験装置の開発を行った。前者について予備実験を行い、衝撃波などの可視化に有効であることを確認した。後者についても装置の準備を進めている。また、発光の分光計測を行うため、分光器システムの導入を行った。昇華ガスと太陽風の干渉を模擬するためには希薄高速プラズマ流発生源が必要である。本年度は誘導プラズマの流れ

解析コードを開発し、高周波電源からの加熱により高温プラズマができることを計算で確認した.次年度は、この計算コードを用いて誘導プラズマトーチの設計製作を行う。ソーラープローブとは、太陽コロナ内部における太陽風の加速および加熱メカニズムを"その場観測"によって明らかにするための人工衛星である。コロナ内部に突入するため、衛星には太陽からの強い輻射加熱に対する熱防御システムが必要である。前年度行われた研究により、熱防御システムとしては、複数枚のグラファイト製円盤状シールドを衛星本体前方に設置する多重シールド方式が耐熱性、低損耗性の点で優れていることが明らかになっている。今年度は、1)高温のグラファイトから発生する昇華ガスの振る舞いを希薄気体力学のモンテカルロ法により解析する、2)希薄プラズマである太陽風中での強輻射環境を実験的に模擬する準備として、レーザー加熱の基礎実験と誘導結合型のプラズマトーチ開発を行う、ことを目的とし、以下の結果を得た。・シールドから発生する昇華ガスは、太陽風観測の障害となる。解析は、衛星の大きさと、衛星周りに広がる昇華ガス雲の大きさの2種類のスケールについて行った。前者では、衛星近傍の昇華ガス密度を明らかにし、観測機器は高密度域を避けて配置されなければならないことを示した。後者では、太陽風粒子が昇華ガス粒子との衝突により運動エネルギーを失うため、衛星で観測される太陽風の性質は、衛星がない自由流のそれと異なることが見い出された。その影響は、シールドからの全昇華ガス発生率が高いほど、また、太陽風密度が高いほど顕著である。このことはミッションの成立性に係る重要な知見である。・炭酸ガスレーザーによりコロナ内部相当である平方メートル当りメガワット級の輻射加熱実験を行った。グラファイト薄板の加熱実験で、気泡状の凹凸の発生など損耗に関する現象が見い出された。・高周波電源を用いた誘導結合型プラズマトーチを製作し、分光計測でその基礎特性を明らかにした。また、トーチ内流れを解析する計算コードを開発し、実験結果と妥当な一致をみた。太陽コロナに突入し、太陽風加速機構を"その場観測"によって明らかにする新しい探査機"ソーラープローブ"を実現するため、厳しい輻射加熱環境から機体を守る熱シールドに関する熱気体力学的現象の解明を目的として研究を行った。本年度の研究により、以下のことが明らかになった。1)熱シールドから昇華ガスを発している探査機まわりの太陽風流れに関し、モンテカルロ直接法(DSMC法)による希薄気体力学解析を行った。太陽方向に対し約45度傾けたグラファイト製の主ディスクと、その後方に設置した小型副ディスク、および衛星本体で構成される探査機全機形状を考慮した。その結果、太陽風の観測に際して、昇華ガス雲と太陽風の干渉だけでなく、機体表面における太陽風粒子の反射の影響も無視できないことがわかった。精度の高い太陽風観測のためには、熱シールドからの昇華ガス発生量を小さくするだけでなく、センサーを両者からの干渉が少ない本体底面からブームを伸ばした先端に置くことが重要である。2)炭素薄板をレーザーで加熱し、発光スペクトル観測から温度測定を行った。
顎骨内インプラントの術前および術後評価におけるX線診査法の確立に関する研究

本研究の第一の目的はX線CTの多断面再構築法について顎骨内インプラントの術前検査を目的としたプログラムを作製しそれを評価することであった。屍体からの摘出下顎骨を用いて検討した結果、CT画像の取得条件は咬合平面に平行とし、スライス厚さ(mm)/間隔(mm)を下顎管を含む部分については1/1、上顎とその他の下顎については2/2を採用し、管電流は100mAを標準とした。再構築画像は歯列に垂直な平面と平行な平面の二通りとした。歯列に垂直な再構築画像を摘出下顎骨の切片の軟X線画像と比較した結果、皮質骨の厚さおよび下顎管の位置を正確に再現していた。しかし海綿骨の骨梁構造は不明瞭で、その骨密度の相対的な評価には利用可能ではあるが、構造そのものは再現しえないといえた。臨床応用では、インプラントを目的とした患者にて再構築画像を用いて下顎管や上顎洞の位置、残存骨質を評価した。予備実験の結果では19例中、一例において下顎管を把握しえなかった。次に症例を追加し下顎骨を対象として下顎第一大臼歯部における下顎管の位置および埋入可能はfixtureの長さを検討した。86側の検計の結果、歯漕項からの距離は平均14mm、舌側ないし中央に位置するものは各々41%、57%であった。fixtureの長さは平均10mm、下顎管の頬側まで埋入可能なものは全体の38%みられ、その時の長さは平均14mmであった。一方、60歳未満とそれ以上の患者を比較した結果、皮質骨の厚さは60歳以上の群において有意に低下した。これらの結果は本プログラムが術前検査に有用であることを証明している。第二の目的はインプラント植立後に口内法規格撮影が続行中で、画像解析の結果が得られていない。ただし規格撮影の再現性については一定の評価が得られた。
記憶・学習の時空間情報処理とそのダイナミクス

ニューロの情報処理において、デンドライトでのシナプス入力の時間と場所に依存した可塑性誘起が報告されている。これは、単一ニューロンにおいて新しい情報統合の可能性を示唆するものである。本研究は、海馬ニューロンの情報処理における抑制性細胞によるシャンティング効果と、ProximalデンドライトでのEPSPによる逆伝播活動電位のエンハンスにもとづくDistal部位へのゲーティング作用の可能性に着目し、ニューロンにおける時空間情報の処理とそのダイナミクスの計測を行った。そして、新たな統合的な記憶情報処理様式の基礎を示した。具体的には、DistalデンドライトとProximalデンドライトへの2チャンネルのシナプス入力刺激を行い、STDP誘起プロトコルを適用し2入力による相互作用を光計測により調べた。結果として、逆伝播活動電位はProximalデンドライトのシナプス入力のタイミングに依存して増幅/抑圧され、Distalデンドライトへの伝播電位は増大/減少された。さらに細胞遠位部へも大きな減衰なく伝播されることが分かった。このことは、シナプス入力が逆伝播電位の増幅あるいはゲーティングの機構を行うことを示し、DistalデンドライトでのSTDP誘起による学習・記憶の情報処理に重要な役割を果たすことを示唆する。また、その結果は2入力の空間・位相(時間相関)によるコーディング様式の因果性を示すものであり、新たな学習側の基盤となると考えられる。今後は、これらの結果を踏まえ、マルチチャネルの時空間コーディング(記憶の書き込み)へと発展させていく。ネットワークレベルの相互作用による連携した高次機能における記憶の情報処理の解明、そして理論解析およびモデル構築とその基盤となる学習側の同定にまで研究を進め、記憶に関する統合的な回路網レベル情報処理の解明を行いたい。
新生児・小児における画像誘導下精密手術支援システムの開発

術前に取得した3次元モデルを用い、光学式3次元位置センサを用いて術野を撮影するカメラのモニターの実画像にリアルタイム重畳表示するナビゲーション手術を小児の臨床例に試みた。症例は1才の女児で肝右葉の前後区域にまたがる肝芽腫であり、化学療法を2クール施行後、肝右葉切除を行った。手術前に撮影したMD-CTを用いた3次元画像により腫瘍の位置、脈管の走行、肝切除後の残肝容量が確認可能であったため血管造影は行わなかった。術中実画像にリアルタイム重畳表示するシステムは、光学式3次元位置計測装置、コンピュータ、光学式マーカ付きCCDカメラを使用した。全身麻酔導入後に術前のCT画像との位置あわせを体表から剣状突起と両側の肋骨弓下で行い、動脈と腫瘍の重畳表示を行った。次に開腹し肝表面が露出した後に腫瘍の重畳表示を行い肝後区域S6・S7を主座とする腫瘍の位置を確認した。肝門部の動脈処理を行う際にも3次元の動脈走行の重畳表示を行い、右肝動脈の処理の参考にした。最後に右肝動脈・右肝管・門脈右枝を完全に処理したのちに腫瘍の重畳表示を行い切除範囲に腫瘍が含まれることを確認した。今回のナビゲーションシステムは精度検証が必要であり、Registrationの際に生じる誤差のほかに、肝臓の呼吸性移動や変形が少なからず影響する可能性がある。しかしながら厳密な精度が求められる場合でなくても、腫瘍および脈管構造の可視化を手術操作前後の確認に用いることで小児領域、特に幼児でも十分有用であると考えられた。新生児症例にたいしても3次元モデルを作成し、術前に手術シミュレーションを行うことは可能であったが、気腹などによる変形が強く、リアルタイムナビゲーションは技術的に困難であり今後、呼吸性移動・臓器変形・気腹による変形を含めたシミュレーションが必要と考えられた。しかしながら厳密な精度が求められる場合でなくても、腫瘍および脈管構造の可視化を手術操作前後の確認に用いることで小児領域でも十分有用であると考えられた術前に取得した3次元モデルを用い、光学式3次元位置センサを用いて術野を撮影するカメラのモニターの実画像にリアルタイム重畳表示するナビゲーション手術を小児の臨床例に試みた。
亨保改革期における江戸の四上水廃止に関する研究

1.四上水の実像について「玉川上水大絵図」(東京都公文書館)、「正徳末頃ノ上水圖」等の絵図史料と江戸の都市図、『東京市史稿上水篇』第一、第二、『復刻千川上水』、『江戸の上水と三田用水』、『本所区史』等の資料を用い、四上水の実像(配水区域、上水配管、分水断面)を具体的に明らかにした。2.四上水廃止と江戸の災害・防火政策との関係について江戸の災害(火災と水害)について『東京市史稿変災篇』、吉原健一郎「江戸の災害年表」を基礎資料に用い、また、防火政策については池上彰彦「江戸火消制度の成立と展開」を基礎資料とし、四上水配水区域の災害を分析した。千川上水は江戸城の防火対策、本所上水は水害が廃止の理由として指摘できる。3.四上水廃止と武蔵野台地での新田開発の関係について「正徳末頃ノ上水圖」と『上水記』を比較して、亨保・元文期の武蔵野台地での新規の新田開発が、(1)千川・三田・青山三上水の上流側で行われている、(2)新規の取水量が廃止された三上水のそれより少ないことを明らかにした。この過程で重要な役割を担ったのが大岡越前守忠相であった。4.室鳩巣『献可録』の建言について室鳩巣『献可録』の建言の内容を詳細に検討し、(1)従来いわれてきた水道火災原因説は建言の一部である、(2)火災の原因について的確に把握している、(3)江戸城の火災対策として城の北方の水道、および南方の水道を撤去したいと主張したものであることを明らかにした。また、既往の研究が建言の水道火災原因説のみを取り上げ、その拡大解釈を行ったこと、通説は『中嶋工学博士記念日本水道史』を嚆矢とし、『東京都水道史』で確立し『日本の上水』で広まったことを明らかにした。研究実績の概要は次の1.4.である。1.四上水の実像(配水区域、上水配管、分水断面)『東京市史稿上水篇』、「玉川上水大絵図」(東京都公文書館)、『復刻千川上水』、『江戸の上水と三田用水』、『本所区史』などと明治期の地形図をもとに、関連史料を収集して四上水の実像(配水区域、上水配管、分水断面)を具体的に明らかにすることを試みた。また、現地踏査を行った。2.四上水廃止前後の江戸の防火政策と武蔵野台地での新田開発を上水の技術との関連江戸の防火政策は池上彰彦「江戸火消し制度の成立と展開」、火災史は吉原健一郎「江戸の災害年表」を基礎資料に上水との関連年表を作成し分析した。武蔵野台地での新田開発の展開についての若干の史料を収集した。3.亨保改革前後の武蔵野新田の水利技術の変化2)とも関連するが、亨保初年の絵図記載の分水断面と『上水記』記載のそれでは、一部で断面積が減少していることを明らかにした。水利技術書にみる亨保改革前後の水利技術の変化『大畑才蔵』(橋本市刊)により才蔵記の内容について検討した。

1.四上水の実像(配水区域、上水配管、分水断面)について「玉川上水大絵図」、「神田上水大絵図」(東京都公文書館)、「貞享上水図」、「正徳末頃ノ上水圜」等と江戸の都市絵図を比較し、四上水廃止前後の土地利用の変化を明らかにした。四上水廃止と武蔵野台地での新田開発の関係について「正徳末頃ノ上水圜」と『上水記』を比較し、享保・元文期の武蔵野台地での新規の新田開発が、(1)千川・三田・青山三上水の上流側で行われている、(2)新規の取水量が廃止された三上水のそれより少ないことを明らかにした。3.室鳩巣『献可録』の建言について室鳩巣『献可録』の建言の内容を詳細に検討し、(1)従来いわれてきた水道火災原因説は建言の一部である、(2)火災の原因について的確に把握している、(3)江戸城の火災対策として城の北方の水道、および南方の水道を撤去したいと主張したものであることを明らかにした。また、既往の研究が建言の水道火災原因説のみを取り上げ、その拡大解釈を行ったこと、通説は『中嶋工学博士記念日本水道史』を嚆矢とし、『東京都水道史』で確立し『日本の上水』で広まったことを明らかにした。4.四上水の廃止と災害の関係について千川上水は江戸城の防災対策、本所上水は水害が廃止の理由として考えられる。
リチウムの神経因性疼痛抑制作用について-実験的動物モデムと神経痛患者での検討-

リチウムがneuronal plasticityに強く関与するとされる脊髄神経細胞内のイノシトールリン脂質系セカンドメッセンジャーを減少させ,神経因性疼痛を抑制するという仮説をたてた。神経痛モデルラット及びヒト(難治性神経因性疼痛患者)にリチウムを投与しその効果について検証した。【神経痛モデル動物におけるリチウムの効果】神経痛モデルラットの髄腔に留置したカテーテルよりリチウム溶液を注入し,その疼痛行動に与える影響を調査した。リチウムは,ラットの疼痛行動を有意に抑制し,神経損傷後の疼痛に対する有効性が示唆された。このリチウムの疼痛行動抑制作用はイノシトールの同時投与により拮抗された。このことからリチウムのリン脂質系への作用が重要であると考えられた。【難治性神経因性疼痛患者に対するリチウムの効果】種々の治療にて痛みの軽減が得られない神経因性疼痛患者(帯状庖疹後神経痛、カウザルギー、腕神経叢引き抜き損傷後疼痛)に対し、研究参加への承諾を取った後、炭酸リチウム(商品名リーマス、大正製薬)を経口投与した。リチウムの投与量は血中濃度をモニターしながら有効濃度になるように調節した。外傷後左下肢カウザルギー患者(40才男性、罹病期間約7年間、三環系抗うつ薬、抗てんかん薬などを内服中、各種神経ブロック療法が無効で、硬膜外脊髄刺激電極埋め込み術施行後)の下肢の灼熱痛はリチウム投与により減弱し、中止により増強した。腕神経叢引き抜き損傷後疼痛患者(18才、男性)に、リチウムを投与したところ、有効血中濃度に到達するまでに、頭痛や眠気などの副作用が出たため投与を中止した。帯状疱疹後神経痛患者(65才男性)ではリチウムが有効血中濃度に達したものの、疼痛の緩和作用は認められなかった。症例数が少なく、最終的な結論を出すには至っていない。今後、さらなる調査を予定している。【はじめに】リチウムが脊髄神経細胞内のinositolを枯渇させ、neuronal plasticityに強く関与しているとされるイノシトールリン脂質系セカンドメッセンジャーの産生を減少させることにより、神経因性疼痛を抑制するという仮説をたて神経痛モデルラットにて検証した。実験1(リチウム疼痛行動に与える影響)髄腔内に生食,リチウム溶液を投与し,薬液注入前,注入後で両側後肢の熱および機械刺激による疼痛反応を評価した。リチウムはHeat hyperalgesia,Mechanical,allodynia,Cold allodyniaの疼通行動を有意に抑制した。実験2(リチウムの効果に対するイノシトールの拮抗作用)髄腔内に投与する薬液により4群にわけ,生理食塩水群,イノシトール単独群,リチウム単独群,イノシトールとリチウム同時投与群での疼痛行動を比較した。リチウムの単独投与により疼通行動は減弱したものの,イノシトールとの同時投与により効果は有意に拮抗された。【まとめ】神経痛モデルラットにおいて,リチウムの髄腔内投与は,ラットの疼痛行動を抑制し,神経損傷後の疼通に対する有効性が示唆された。このリチウムの疼通行動抑制作用はイノシトールリン脂質系への作用が重要であると考えられた。
建築物の新しい構造デザインツールの開発

本研究では,位相最適化手法を利用した建築物の新しい構造デザインツールの開発を行った。位相最適化の手法としては,2次元または3次元連続体の位相最適化手法としての均質化設計法,密度法等があり,トラスや骨組などの1次元部材の位相最適化手法としてのグランドストラクチャー法がある。本研究では,これらの方法をさらに発展させ,建築物の構造デザインに利用できるツールとして一般に普及させることを目的とした。本研究の研究成果としでは,グランドストラクチャー法を用いた接合部の剛性を自由に変化させることができる骨組の位相最適化ツール,均質化設計法を用いた2次元およびシェル構造の位相最適化ツール,密度法を用いた3次元構造の位相最適化ツールを開発し,教育用ツールとして一般に普及させるため,GUIを付加した使いやすいソフトとして完成させた。また,骨組構造の位相最適化ツールでは,剛性の高い構造を求められるだけでなく,リンク機構のように,変形を生じさせるメカニズムも創生できる手法を開発した,さらに,2次元および3次元構造の位相最適化では,より明解な位相が求められるよう,チェッカーボード状の分布が中間的な密度がなるべく残らないような手法を開発し,プログラムに実装した。そして,最適化問題の解法としても,より計算効率の良い最適性規準法,CONLIN法などを開発し,プログラムに実装した。以上の成果は,建築学会,機械学会,海外のジャーナル等に発表し,広く公開した。また,最終的に,教育用として一般に普及させるためプログラム付きの著書として出版される。本研究では,位相最適化手法を利用した建築物の新しい構造デザインツールの開発を行っている。本研究では,これらの方法をさらに発展させ,建築物の構造デザインに利用できるツールとして一般に普及させることを目的としている。本年度の研究成果としては,位相最適化手法を一般に普及するため,骨組構造物を対象とした位相最適化ツールを開発し,大学・高専等の学部講義・演習用ソフトとして利用できるように,開発したソフトにGUIを付加し,Webから自由にダウンロードできるようにした。また,建築物の魅力的な造形を創成するための,ボクセル有限要素法を用いた計算効率の良い3次元連続体の位相最適化手法を開発した。3次元連続体の位相最適化では,膨大なメッシュ分割が必要となるため,計算効率を改善しなければ,一般に利用できるツールとはならない。そこで,本研究では,位相最適化手法として密度法を採用し,数10万から数100万要素の位相最適化が通常のパソコンで解ける手法を開発した。また,シェル構造の位相の最適化手法も開発し,より明解な位相が得られるように,有効なフィルタリング手法を提案した。後者の2種の連続体の位相最適化ソフトについても,GUIを付加し,Webからダウンロードできるようにした。今後は,以上で開発したソフトをさらに使いやすいようにバージョンアップしていく予定である。位相最適化の手法としては,2次元または3次元連続体の位相最適化手法としての均質化設計法,密度法等があり,トラスや骨組などの1次元部材の位相最適化手法としてのゲランドストラクチャー法がある。本年度の研究成果としては,まず,最適化問題の解法として,新たに逐次凸関数近似法(CONLIN法)の開発を行い,これまで開発した位相最適化のツールに適用した。その結果、従来の逐次線形計画法および最適性規準法に比較して,収束が速く,より最適な解に収束することがわかった。

また,これまで開発した2次元、3次元連続体および骨組の位相最適化ソフトの概要、特徴等をまとめ,日本建築学会の技術報告集に発表した。さらに,より剛性の高い最適形態だけでなく,変形を生じさせるメカニズム形態を創生できるツールを開発し,機械学会論文集およびジャーナルに投稿し、採用された。このような形態解析は,建築物のダンパー機構の設計に応用できる可能性があり,今後の発展が期待される。本研究は,今年度で終了であるが,一応,線形の範囲においては,構造デザインに有効なソフトが開発できた。本成果は、今年中にソフト付の著書として出版し,一般に普及させる予定である。
シェーグレン症候群の口腔病変に関する免疫生物学的研究

シェーグレン症侯群の疾患モデルと考えられるNFS/sldモデルマウスにおいで120kDのα-fodrinが自己抗原と推定されていることから、今回本研究では精製したα-fodrin、およびヒトの遺伝子組み替えα-fodrinのウエスタンブロット法でSS患者の血清との反応を計画したが、資料の関係で十分な結果は得られなかった。シェーグレン症候群(以下SSと略記する)の疑いで検査や診断を行った120症例を対象として、1999年の改訂基準を用いて診断した1次性SSと2次性SSとの間で診断のための各種検査結果を比較検討したが有意差は認められなかった。このことから1次性SSと2次性SSとは同じSS診断基準で診断できることが示唆された。シェーグレン症候群の改訂診断基準の診断精度に関する研究では国内54施設からSS症例と対照としての非SS症例を含む計900症例で検討した結果は感度96.0%、特異度90.5%であり、その両面を考慮した診断の精度は94.5%とかなり高いものであった。浸潤リンパ球の定量測定の研究では25名のシェーグレン症候群患者の口唇腺組織125標本を検索した。顕微鏡とパソコンを連動させたIPAP-Winにて定量的計測を行った。その結果は口唇腺の平均面積は2.77mm^2であり、1個の小葉の平均面積は0.55mm^2、focusの平均面積は0.0638mm^2、focus中の平均リンパ球数は345個であった。唾液腺造影の侵襲性の欠点をなくし、カテーテル挿入や造影剤使用を必要としない画像診断であるMR-sialographyの有用性について検討した。同一患者から得られたMR-sialograpyと従来法の画像所見において、Stage分類を比較したところ、50例中42例で病期分類が一致(84.0%)し、両者の相関を求めるとSpearmanの順位相関でrcc=0.885(p<0.0001)と非常に有意な相関を認め、従来の唾液腺造影撮影と同様なあるいはこれに代わりうる検査法であることが示唆された。唾液分泌量の測定はガム試験とSaxonテストの2方法がシェーグレン症候群の改訂診断基準に採用されている。そこで本研究ではガムテストの再現性、使用されるガムの種類による影響、特にcut off値、ガムテストとSaxonテストの相関について検討した。本研究初年度の本年はシェーグレン症候群の口腔病変に対する研究の基盤となるような諸種の研究を行った。シェーグレン症候群の口腔病変の主たる病態は大唾液腺ならびに口腔内にも無数に存在する小唾液腺におけるリンパ球の浸潤と腺房の萎縮に伴う唾液の分泌減少ならびにそれによって生じる口腔乾燥である。口腔病変や口腔症状のみみると口腔乾燥症とシェーグレン症候群と診断される場合との鑑別が重要である。シェーグレン症候群の診断はその診断基準によりなされるので、1999年に改訂された改訂診断基準についてとくに口腔病変や唾液腺病変の診断上の役割を中心に検討を行った。1999年改訂された改訂診断基準の診断

精度はシェーグレン症候群研究会小委員会及び研究会で公募した症例を加えた823例での検討では、感度82.8%、特異度94.6%、精度87.9%であった。またシェーグレン症候群には1次性のものと他の自己免疫疾患を合併する2次性のものとがあるが、我が国のシェーグレン症候群診断基準においては旧厚生省基準でも新改訂基準でも1次性と2次性で基準の上で区別をしていないが、その必要性について2群にわけて診断項目上の各陽性率について検討したが、結果からはその必要性はない考られた。口腔検査としてのMRの利用を考えMR-sialographyについてその撮影方法を検討し、症例において今までの耳下腺造影撮影と比較して検討した。まだ十分な症例数には達していないがMR-sialographyが有用であることが判明した。唾液分泌量は診断基準の上からも重要な項目であるが、唾液分泌量の測定法について基礎的な事項から検討を加えている。シェーグレン症候群の診断基準は1999年改訂され新しくなった。この際に診断のために必要となる各種検査所見について1次性シェーグレン症候群(SS)症例と2次性シェーグレン症候群(SS)症例との間で比較検討した。検索対象は1996年12月から2000年9月までに診察し、1999年の改訂診断基準でSSと診断された91例で、1次性SSが43例、2次性SSが48例であった。口腔乾燥自覚症状スコア、他覚症状スコア、ガム試験、唾液腺シンチグラフィー、唾液腺造影撮影、口唇腺生検、Schirmer試験など各種検査所見について検討した結果、1次性SS症例と2次性SS症例との間には統計学的な有意差は見られなかった。このことから1次性SSと2次性SSとは同一の基準でSSとしての診断は可能であることが示唆された。またMR-sialographyと従来の耳下腺造影撮影法との相関関係について検討した。対象はMR-sialographyを行った50例と従来の耳下腺造影撮影で検査を行った92症例でMRI装置はMagnetom Vision 1.5T、受信用コイルはCP-Head Coilで撮影条件TR/TE=9500・259msパルス系列は脂肪抑制併用の2D-FSE法で撮像し、原画像をMIP処理し、側面の再構成像をMR-sialography像とした。両画像の比較を行ったところ相関係数0.824で有意な正の相関を認めた。またSS診断に対する感度、特異度を比較したところ両検査でほぼ同様の結果を得た。このことからシェーグレン症候群の診断をMR-sialograhyで行っても従来の造影剤を使用する造影撮影とほぼ同等な診断精度が得られるものと考えられた。唾液分泌量の測定法についてもガム試験の方法を中心に検討した。味なしガム、ミント味のガム、梅味のガムの3種のガムについて、それぞれの基準値の下限をどこに設定するのがよいかを検索した。シェーグレン症候群の診断華準は1999年改訂され新しくなった。その第2項目は口腔検査であり、唾液腺造影撮影かまたは唾液分泌量の測定と唾液腺シンチグラフィーの組み合わせとなっている。そこで唾液分泌量の測定法として定められたガム試験について検討した。ガム試験の再現性、ガムの種類による違い、およびSaxonテストとの相関を調べた。再現性の検討は20名の健常人を対象に行い、ガム試験を3回反復して行なった結果、3回の測定値に有意な変動は認められなかった。
新世代光ネットワークのための長波長帯レーザトランジスタの実現

AlGaInAs量子井戸埋め込み構造を有する長波長帯トランジスタレーザ(TL)の実現に向け、その理論解析・素子作製を行った。作製方法として埋め込みヘテロ(BH)構造形成法に関する検討を行い、世界最高水準の性能を有するAlGaInAs/InP-BH-LD作製に成功した。この作製技術を利用し、世界で初めてとなる室温連続発振を実現した。さらにベース-コレクタ間電圧を変化させ、光出力を制御可能であることも明らかにした。平成22年度は、3電気端子を有する長波長帯トランジスタレーザ(TL)の実現に向け、その理論解析・素子作製を行った。理論解析においては数値計算法によりその動作機構を解明するとともにレーザダイオード(LD)では実現困難な40Gbpsでの高速変調の可能性を示し、TLの優位性を示した。一方、素子作製に向けては、導入予定の埋め込みヘテロ(BH)構造形成法に関する検討を行った。本研究で用いるAlGaInAs/InP材料系は、空気中で酸化されやすく実現が難しく、その成長界面評価は行われていない。本研究においては、表面再結合速度Sを用いた成長界面評価を行い、その指数であるSτ値で100nm以下と良好なBH構造形成を実現した。この値は、酸化影響の少ないGaInAsP/InP系BH-LDと同等以下であり、酸化影響の無い構造形成に成功した。その特性もストライプ幅1.6μm、共振器長500μmにおいて注入効率76%、一層当りのしきい値電流密度J_<th>=203kA/cm^2/wellと、世界最高水準の性能を有するAlGaInAs/InP-BH-LD作製に成功した。次に、実際にTL作製を行い、ストライプ幅1.8μm、共振器長500μmのp/n/p型のTLにおいてしきい値エミッタ電流密度J_<Eth>=1.9kA/cm^2、注入効率47%などを実現し、今年度の目標であった室温連続発振動作及びコレクタ電圧による光出力制御を得た。2年目となる平成23年度は、高速変調動作が期待できるnpn構造を有するレーザトランジスタの室温連続発振を実現することを大きな目標として掲げた。具体的に、比較的室温連続発振が容易と考えられるpnp構造を有するレーザトランジスタを作製し、作製上の問題点を分析、改良した。その結果、特に問題となる部分としてベース層を通したキャリアの広がりによって、量子井戸での効率的な発光が阻害されていることを指摘し、ベース層の外側にバンドギャップの異なるサブベース層を導入することによって、効率的な発光を実現した。その結果、世界で初めてとなる1.3μm AlGaInAsレーザトランジスタを実現することができた。この結果を受けて、npn構造を作製した結果、ベース層100nmの素子において、ベース接地エミッタしきい値電流150mA,エミッタ接地ベースしきい値電流電流18mAおよび電流増幅率が約7となる室温パルス発振を実現した。また、電流増幅率を減少させる目的でベース層厚を150nmとした素子において、ベース接地エミッタしきい値電流38mAおよび電流増幅率0.02を持つ素子を作製し、世界で初めてとなる室温連続発振を実現した。ベース-コレクタ間電圧を変化させ、光出力を制御可能であることも明らかにした。今後は、ベース層厚を適切に調整することによって、高速変調動作に必要となる電流増幅率約2を保ちながら室温連続発振を実現する設計に取り組んでいく。最終年度となる平成24年度は、前年度までに達成したnpn構造を有するレーザトランジスタの室温連続発振を受けて、更なる性能向上を実現する構造の探求に取り組んだ。まず、これまでの研究より、電流増幅率を向上させるとパルス発振のみしか達成できず、電流増幅率を低減すると室温連続発振となることが分かっている。これを解決し電流増幅率が大きい状態でも室温連続発振が可能とするために、内部のキャリアが効率的に量子井戸に捕獲されるようにする(内部量子効率の向上)構造を数値計算により検討した。その結果、量子井戸の上部に位置する層のバンドギャップを増加させることにより、より効率的に内部量子効率が向上可能であることが分かった。同じ電流増幅率を達成するためには層厚を厚くするという方法もあるが、前述した方法の方が内部量子効率の向上効果が高いことを明らかにした。次にこれまでに達成した連続発振する素子を利用して、発振スペクトル特性の詳細な検討を行った。レーザトランジスタは、発振光出力をコレクタ電圧の調整によっても制御可能であるため、通常のレーザダイオードと比べ自由度が高い。通常のレーザダイオードと同様にレーザトランジスタのエミッタ電流を変化させ光出力を可変した場合、発振スペクトルはジュール熱の影響により長波長へ動いていく。一方で、コレクタ電圧を変化させ光出力を可変するとジュール熱は発生せず、逆に短波長側へ動いていくことが分かった。これは、コレクタ電圧の変化により量子井戸付近のバンド構造が変化し、遷移波長が変化することに起因し、構造によりその量を調整することが可能である。

つまり、将来的には光出力が変化してもスペクトルが安定な光源を実現できる可能性を示した。室温連続発振の実現が当初の予定よりも遅れた。しかしながら、最終的には実現でき、本研究の一番の大きな山は達成したと考えられるため、今後遅れを取り戻すことは可能であると考えている。24年度が最終年度であるため、記入しない。前述したように、多少当初の予定よりも計画の進捗が遅れている。これを取り戻すため、デバイス作製の並列化を進め、同時期により多くの情報を獲得できるように、取組方法を変更することにした。