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腸管の恒常性の破綻機構の解明と食品成分によるその制御

腸管の恒常性の破綻に関与する過程として、腸管上皮細胞の腸内共生菌に対する過剰応答、マスト細胞の活性化の2つに着目した。前者に関しては、微生物菌体の認識に関わる分子の腸管上皮細胞特異的な転写制御機構の一端を明らかにし、後者についてはマスト細胞のアレルギー応答が菌体成分を認識する受容体の1つであるToll like receptor 2を介した刺激により抑制されることを示した。これらは、腸管の恒常性の破綻を食品成分により抑制するための標的として有用である。腸管の恒常性の破綻から罹患に至る様々な過程のうち、腸内共生細菌に対する腸管上皮細胞の過剰応答、及びマスト細胞の活性化により誘導される腸管上皮の透過性亢進の2つの過程に注目し、分子機構の解明と食品成分による制御を目指し以下の解析を行った。1.ヒト腸管上皮細胞(IEC)株とヒト単球株を用い、菌体認識に関わるTLR2、TLR4の転写プロモーター活性、mRNA・タンパク質の発現、リガンド応答性(IL-8産生)を測定した。リガンド応答性は細胞表面上の各TLRの発現量に依存し、TLR2では主に翻訳後レベルで、TLR4では主に転写レベルで決定されることが示された。TLR4遺伝子の転写レベルでの発現制御に関わるIEC特異的な転写抑制エレメント及びこのエレメントに結合する核因子の存在が示唆された。一方、TLRからのシグナルを負に制御するTollipをコードする遺伝子の5'領域の転写活性化能は単球株よりIEC株で強く、単球とIECにおける転写制御には異なる核因子が関与していた。2.IEC株とマスト細胞の共培養系を用い、マスト細胞のIgE/抗原刺激による活性化がIECの透過性亢進を誘導することを確認した。脱顆粒の程度と透過性亢進の度合いは相関しており、マスト細胞の脱顆粒により放出される成分が透過性の亢進を誘導すると考えられた。また、マスト細胞の活性化に必須のFcεRIγ鎖の発現を協調的に活性化する転写因子を同定した。腸管の恒常性の破綻から罹患に至る様々な過程のうち、(1)腸内共生細菌に対する腸管上皮細胞の過剰応答、(2)マスト細胞の活性化の2つの過程に着目し、分子機構の解明と食品成分による制御を目的として以下の解析を行った。1.ヒト腸管上皮細胞(IEC)株を用いた解析の結果、IEC株においては5'領域のDNAメチル化とヒストン脱アセチル化により、ToU-like reccptor 4(TLR4)遺伝子の転写が抑制され、LPSに対する応答性が低く保たれることが明らかとなった。一方、TLRからのシグナルを負に制御するTollip遺伝子の5'領域中の転写制御に重要な配列に結合する転写因子の1つとしてEIHを同定した。Elf-1はヒト単球株ではTollip遺伝子の転写を抑制したが、IEC株では抑制作用を示さなかった。これらの機構が腸内細菌との共生の維持、そしてアレルギーの制御等に関与する可能性が考えられる。2. Bifidobacterium pseudocatenulatum JCM 7041(Bp)菌体あるいはTLR2の合成リガンドPam3CSK4の前処理により野生型マウス骨髄由来培養マスト細胞のlgE/抗原刺激時の脱顆粒が抑制された。一方、My D88^<-/->マウス骨髄由来培養マスト細胞では、Bpによる抑制効果は部分的にのみ認められ、Pam3CSK4による抑制効果は認められなかった。したがって、Bpによる抑制効果の一部がTLR2依存的であることが明らかとなった。さらに、Pam3CSK4はマスト細胞が誘導するin vivoにおける血管透過性の亢進をMyD88依存的に抑制した。また、Pam3CSK4処理により、IgE-抗原刺激時の細胞内Ca^<2+>濃度の上昇、Erkの活性化の抑制が観察された。以上の結果から、特定の腸内細菌あるいはプロバイオティクスがTLR2を介してマスト細胞のアレルギー応答を調節する可能性が示された。
神経回路の形成異常における細胞内ミトコンドリア動態の関与の解明

本研究では、乳幼児発作の培養切片モデルおよび個体動物モデル(マウスおよびラット)を利用して、過剰神経活動によるミトコンドリアの軸索内集積と、ATP過剰産生による突起形成誘導の可能性を検証した。我々は、てんかん脳における神経軸索内ミトコンドリアの役割について、主に以下の点を明らかにした。〓発作後、ミトコンドリアは軸索内に集積する。〓ミトコンドリアの集積は神経活動依存的である。〓軸索終末より放出された脳由来神経栄養因子が、近接する軸索領域にミトコンドリアを集積させる。〓集積したミトコンドリアは、軸索局所においてATPを産生し、軸索分枝を形成する。歯状回顆粒細胞の軸索である苔状線維は通常CA3野へ投射する。しかし、側頭葉てんかん患者の歯状回では、苔状線維が多数の側枝を形成し、その後分子層へと投射する異常発芽が頻繁に観察される。異常発芽の形成には細胞内ミトコンドリアの分布異常による軸索形態制御の不全が関与すると仮説し、この検証をおこなった。まず、苔状線維内でのミトコンドリアの局在を可視化するために、細胞膜移行性AcGFP及びミトコンドリア移行性DsRed発現プラスミドそれぞれを電気穿孔法により、培養切片中の顆粒細胞に同時に導入した。これにより、異常発芽の形成過程とミトコンドリア動態を経時的に同時に共焦点顕微鏡で観察することが可能になった。本系において、側枝形成とミトコンドリアの局在の関連を検証したところ、ミトコンドリアの局在部位から新たな側枝が出現する様子が観察された。次に、GABA_A受容体の阻害薬を処置することにより、培養切片にてんかん様状態を誘導したところ、苔状線維内のミトコンドリアの密度が上昇し、最終的な異常発芽の形成が確認された。てんかん様状態においてミトコンドリアの局在を制御する因子として脳由来神経栄養因子(BDNF)の関与を検証した。まず、BDNFを被覆した微小ビーズを苔状線維に接触させると、その接触部位にミトコンドリアが局在し、その後、同部位より新たな側枝が形成される様子が観察された。これらの現象は、Trk受容体の阻害薬であるK252a及びBDNFの機能阻害抗体の存在下では確認されなかった。最後に、異常発芽の形成へのATPの関与を検証した。まず、ピクロトキシンによる苔状線維の側枝の形成は、ATP産生阻害薬であるCCCP又はFCCPの共処置によって抑制された。さらに、電気穿孔法を用いてATPを顆粒細胞内に直接注入したところ、苔状線維の側枝数が増加した。我々は前年度中に、てんかん様状態を誘導した海馬切片培養系において、苔状線維の異常発芽には、BDNFによって局在化されたミトコンドリアによるATPの供給が必要であることを示した。今年度は、培養切片内の近接する顆粒細胞のBDNF発現レベルを調整することで、BDNFの由来を検証した。具体的には、一方の顆粒細胞のBDNF発現量をRNA干渉法で抑制したところ、同顆粒細胞由来の軸索終末と、もう一方の顆粒細胞の苔状線維の接触部位からの異常発芽形成が抑制されることを示した。逆に、一方の細胞のBDNFの発現を上昇させた場合には、他方の細胞における異常発芽の形成が促進された。これらのことから、てんかん様状態において、BDNFは顆粒細胞の軸索(苔状線維)終末より放出され、これが近隣の細胞の苔状線維に作用し、異常発芽が誘導されることが示唆された。現在、以上のデータを纏めて国際論文に投稿し、審査の後、改訂実験を遂行中である。
仮想計算環境のためのプログラミングシステム・フレームワークに関する研究

本研究では,系統的で拡張性に富んだクラウドコンピューティングシステム構築のためのプログラミングシステム・フレームワークの研究開発を実施した.粒度の小さな機能コンポーネントを提供し,それらをスクリプティングで組み合わせることでシステムを構成した.また,仮想マシンにコンポーネントの集合体を封じ込め,迅速かつ大規模で高堅牢性を有するシステム管理を可能とした.さらに,システム監視を含めた自律分散的な管理を可能とした.本研究では,系統的で拡張性に富んだクラウドコンピューティングシステム構築のためのプログラミングシステム・フレームワークの研究開発を実施した.粒度の小さな機能コンポーネントを提供し,それらをスクリプティングで組み合わせることでシステムを構成した.また,仮想マシンにコンポーネントの集合体を封じ込め,迅速かつ大規模で高堅牢性を有するシステム管理を可能とした.さらに,システム監視を含めた自律分散的な管理を可能とした.本課題で目標とする仮想計算環境のためのプログラミングシステム・フレームワークの実現に向けて,本年度は,システムの基本設計およびその詳細化を進めた.本システムの基本要素である仮想マシン内のサービスコンポーネント,各計算機を監視するノードモニタの設計を行い,実際にプロトタイプを作成した.設計の正しさを確認する目的から,まずは既存のアプリケーションを組み合わせてクラウドコンピューティングシステムを構築できることを目指し,ApacheウェブサーバやHadoopなどに対応した.本年度の成果により,複数仮想計算機内にインストールされているApache,Hadoopなどを組み合わせてクラウドシステムを構築することが可能となった.本研究成果は,従来個別にミドルウェアによる支援が行われていた,仮想計算機をブラックボックスとして提供するクラウドシステムと,アプリケーション用コンポーネントを組み合わせて実現するクラウドシステムの両者を統合して扱えるようにしている点に特徴がある.両者の利点を組み合わせることで,クラウドシステムにおける従来よりも高いスケーラビリティと堅牢性の実現を目指している.次年度以降は,本年度が初年度であったことからすでに得られている成果の対外論文化を進め,研究が目標とする本格的なコンポーネントの開発に着手する予定である.平成23年度は,前年度の設計に基づき,プログラミングシステム・フレームワークの本格的な実装を進めた.本システムの基本構成要素である仮想マシン内のサービスコンポーネント,コンポーネントを統括するコンポーネントモニタ,および各コンピュータノードを監視するノードモニタの実装の品質を高め,これらのコンポーネントをさまざまなスクリプト記述で組み合わせ,サービスの提供における各タスクの目標を達成できることを確認した.本システムでは,ApacheやHadoopなどの既存のアプリケーションからサービスコンポーネントを自動生成する機能を有しており,レガシーなアプリケーションを容易に本システムに対応させることができる.また,一旦サービスコンポーネントが作成されれば,コンポーネントモニタやノードモニタが提供する仮想マシンや物理マシンの管理機能を利用し,信頼性や可用性,スケーラビリティを高めていくことができる.その際,本システムでは,これらの機能をスクリプト記述によって短期間で実現することが可能であり,さらに特定のサービスに特化した高機能なコンポーネントを追加すれば,サービスの品質をより高めることができる.本研究課題の意義や特徴は,クラウドコンピューティングに求められる信頼性や可用性を維持しつつ,柔軟性や俊敏性を高めている点にある.利用者の需要の変化や環境の変化に対応する柔軟性や俊敏性は,特にクラウドコンピューティングの普及とともに急速に必要とされており,クラウドコンピューティングの分野における重要な課題の一つである.一方で,オンプレミスで構築されていた重要なサービスのクラウドへの移行が進んでいることから,特定のサービスごとの信頼性や可用性の維持も重要な課題である.本研究はこれら2つの課題解決の両立を目指しており,最終目標が達成されれば,実社会においても大きな影響や効果があることを期待できる.平成24年度は本研究課題の最終年度にあたり,当初から目標としていた仮想計算環境のためのプログラミングシステム・フレームワークを完成させた.前年度までに,フレームワークの基礎となるアプリケーションに対応するサービスコンポーネント,これらを統括するコンポーネントモニタ,物理計算機を管理するノードモニタの機能を実現した.また,試験的な応用として,これらの機能をサーバのチューニング処理記述に利用した.本年度は,本フレームワークを実際に仮想計算機の中に組み込み,仮想計算機とその中で動作するアプリケーションを一体的に管理できることを確認した.また,Xen仮想計算機の中で動作するHadoopのスレーブノードを3台から9台まで伸縮させるスクリプトを記述し,実際に動作することを確認した.また,フレームワークの完成度が高まったことから,サービスの運用上必要不可欠な機能である障害対策を実施した.使用する計算機資源の一部に障害が発生したとき,障害が発生した計算機資源の利用を回避しながら処理の遂行を行うFailure-Oblivious Computingと,代替となる資源に置き換えて処理を遂行するLineageの,2つのアプローチによる障害対策を実現した.障害対策と同時に認証・認可・課金などを行うセキュリティ機能も実現し,その導入による性能上の影響を抑えるためにキャッシュ機構の導入も進めた.さらには,仮想計算機とアプリケーションの結合の柔軟性を高めるため,OpenFlowを基礎とした仮想ネットワークへの対応を行った.本研究課題でのOpenFlow対応では,OpenFlowコントローラもオブジェクトとして,従来の設計の自然な拡張として実現されている.以上の結果として,仮想計算機,アプリケーション,ネットワークを全て一つの環境で連続して操作することができる.研究は当初の研究実施計画書および交付申請書等に記載した計画の通り,順調に進展している.フレームワークの設計や実装については,中核部分の作業が完了し,2年目の終了段階において最終的な研究計画の実現の目処が立った段階にある。また現在,これらの実装を利用して,本格的な評価や対外成果論文化を進めている最中であり,今後の成果の充実を期待できる.24年度が最終年度であるため、記入しない。

本研究の最終年度となる平成24年度は,これまでに作成したコンポーネントを組み合わせ,障害や性能の低下に対する監視機構や自律分散制御機構の作り込みを進めていく.特に,それぞれのコンポーネントは各計算資源に対する詳細な情報の取得やフィードバックを行うための機構を有していることから,これらをスクリプト記述によって組み合わせ,自動的な監視や自律分散制御機構を実現できることを期待できる.また,ApacheやHadoopなどの既存のアプリケーションを包み込んだ粗粒度のコンポーネントだけではなく,より粒度の小さい単機能のサービスコンポーネントの組み合わせによってクラウドコンピューティング・システムを実現していくことも目指していく.24年度が最終年度であるため、記入しない。
匂い情報（揮発性成分）の３次元可視化システム

本課題の目的は、空間中の匂い成分を3次元での動画像とする可視化システムを開発することである。実験では酵素ミスト発生装置を用い、高感度CCDを利用することで、過酸化水素の気相系での発光を確認し、さらにエタノールガスについても時間的・空間的な濃度変化を可視化動画として捉えることに成功した。酵素固定化した磁性化ビーズでの可視化では、固定化法およびビーズサイズの適正化が必要であることが見出された。本研究の目的は、空間での滞留性に優れたミストの発生が可能な「酵素ミスト発生装置」を導入し、高感度CCDカメラと組み合わせることで、空間中の匂い成分を3次元での動画像とする可視化システムを開発する。さらに酵素を磁性化ビーズに固定化しミスト化することで、高額な酵素を再利用できる可視化方法を開発することである。申請者らは昨年までに、簡易型の酵素ミスト発生装置を導入し、まず予備実験としてガス状の過酸化水素の気相系での発光を確認し、その後に空間中に存在するエタノールガスの発光現象を高感度CCDカメラで捉えることに成功しており、本年度は更に高感度なEM-CCDカメラを用いて、局所廃棄ベンチ内に外部光を遮断する暗室ブースを設け、先の酵素ミスト発生装置を組み込むことで、高感度な3次元可視化システムの構築を進めた。本装置に、酵素ミスト発生装置より酵素ミストをミスト容器に流入・滞留させ、標準ガス発生装置(Permeater PD-1B、ガステック社)よりエタノールガスを負荷したところ、EM-CCDカメラを用いて、エタノールガスの時間的・空間的な濃度変化を3次元で可視化動画として画像することが可能であった。しかし、そのエタノールガス濃度分布の変化を大まかに捉えることは可能であるものの、その濃度分布の変動割合が大きく、且つ高速に変動することから、その濃度変化を十分に捉えることができず、濃度を定量するには至らなかった。24年度では匂い成分の空間中での発光現象の観察を目標に、簡易型の酵素ミスト発生装置を導入し、まず予備実験としてガス状の過酸化水素の気相系での発光を確認し、その後に空間中に存在するエタノールガスの発光現象を高感度CCDカメラで捉えることに成功した。詳細を以下に記す。エタノールガスの気相系での3次元での発光現象を確認するため、まず過酸化水素ガスに対するルミノール発光を、既存設備である高感度CCDカメラにて観察した。実験では簡易型の酵素ミスト発生装置を導入し、「ルミノール試薬とペルオキシダーゼの酵素溶液」を発生装置内のタンクに充填し、酵素ミストを発生させ、暗室ブース内のミスト容器に均一に滞留させた。次に別途、外部ノズルより過酸化水素水をガス状に噴霧し、この時に発生する青色発光を暗室ブース内に設置した高感度CCDカメラにて検出した。実験では濃度の異なる過酸化水素溶液を噴霧し、発光出力の変化を調べたところ、過酸化水素ガス濃度に応じた3次元可視化の動画像が観察され、発光出力と濃度に相関性が観察された。次に同様なシステムを使って、空間中のエタノールガスのルミノール発光を検出する実験を行った。エタノールガスの発光では、「ルミノールとHRPに加えて、アルコール酸化酵素を含む酵素溶液」を用いて酵素ミストを発生し、ミスト容器内に滞留させた。高濃度のエタノールガスをミスト容器内に負荷し、その際の青色発光を高感度CCDカメラにて検出し、エタノールガスによる発光現象を確認することができた。申請者らは簡易型の酵素ミスト発生装置を導入し、まず予備実験としてガス状の過酸化水素の気相系での発光を確認し、その後に空間中に存在するエタノールガスの発光現象を高感度CCDカメラで捉えることに成功しており、本年度は更に高感度なEM-CCDカメラを用いて、局所廃棄ベンチ内に外部光を遮断する暗室ブースを設け、先の酵素ミスト発生装置を組み込むことで、高感度な3次元可視化システムの構築を進めた。本装置に、酵素ミスト発生装置より酵素ミストをミスト容器に流入・滞留させ、標準ガス発生装置よりエタノールガスを負荷したところ、EM-CCDカメラを用いて、エタノールガスの時間的・空間的な濃度変化を3次元で発光画像として可視化動画として画像化することに成功した。次に酵素を磁性化ビーズに固定化しミスト化を実施した。まず外径が2.8umの磁性ビーズを用いて行った結果、タンパク質を磁性ビーズに固定化することに成功した。しかしながら、3次元での発光の強度は微弱で、磁性ビーズの早い沈降速度において、その濃度変化を画像として捉えることはできなかった。

以上、本課題では酵素ミスト発生装置を用い、高感度なEM-CCDカメラを利用することで、過酸化水素の気相系での発光を確認し、さらにエタノールガスについても時間的・空間的な濃度変化を3次元で可視化動画として捉えることは可能であった。酵素固定化した磁性化ビーズでの3D可視化では、固定化法の最適化およびビーズサイズの適正化が必要であることが示された。総合領域申請課題の目的は、空間での滞留性に優れたミストの発生が可能な酵素ミスト発生装置を導入し、高感度CCDカメラと組み合わせ、空間中の匂い成分を3次元での動画像とする可視化システムを開発することで、さらに酵素を磁性化ビーズに固定化しミスト化することで、高額な酵素を再利用できる可視化方法を開発することである。これにより、「住環境汚染物質の可視化」や「食品臭の香り画像化」、将来の「生体臭診断」へと展開できると共に、匂い情報を融合した「新たな情報化社会」を創生する。そして25年度の研究目標は、特に社会的にニーズが高く、他の匂い成分へと展開が可能なエタノールガスについて、高感度な3次元可視化を行い、さらにそのガス濃度の定量を行うことであった。これに対して、申請者らは局所廃棄ベンチ内に外部光を遮断する2重構造の暗室ブースに高感度なEM-CCDカメラと酵素ミスト発生装置を組み込むことで、高感度な3次元可視化システムの構築を行った。本システムに実験を行った結果、エタノールガスの時間的・空間的な濃度変化を3次元で可視化画像することが可能であったものの、エタノールガスの濃度分布が高速に変動することから、濃度を定量するまでには至らなかった。申請課題の目的は、空間での滞留性に優れたミストの発生が可能な酵素ミスト発生装置を導入し、高感度CCDカメラと組み合わせ、空間中の匂い成分を3次元での動画像とする可視化システムを開発することで、さらに酵素を磁性化ビーズに固定化しミスト化することで、高額な酵素を再利用できる可視化方法を開発することである。そして24年度の研究目標は、特に社会的にニーズが高く、他の匂い成分へと展開が可能なエタノールガスについて、その発光前駆体である過酸化水素の可視化を実現し、続いてエタノールガスの可視化を行うことであった。これに対して、申請者らは簡易な酵素ミスト発生装置を導入し、酵素をミストとして空間中に滞留させ、既存設備である高感度CCDカメラを利用して、まず発光前駆体である過酸化水素の3次元可視化に成功した。さらにエタノールガスの気相系での発光現象を確認し、24年度の目標を概ね達成した。これまでの結果を踏まえ26年度では、3次元での可視化および濃度定量について更に進めるとともに、高額な酵素を回収可能とするために、酵素ミストの磁性化を行い、再利用が可能な可視化システムへと発展も検討を行う。本研究で用いている酵素ミスト発生装置では、酵素をミストとして空間中に滞留できるものの、時間の経過に伴い沈降した酵素は回収できないことから、高額の試薬を多量に使用・廃棄することになり不経済で、システムの利用において大きな課題となる。そこで、ミスト化した酵素を回収するために、磁性化酵素ミストを作製する。実験では、磁化特性に優れた磁性ビーズを合成し、その磁性ビーズと酵素、光架橋樹脂を含む溶液をミスト化し、滞留中の酵素ミストに紫外線照射を行うことで、10um程度の磁性化酵素とする。
魚類精子形成関連遺伝子群の発現機構の解析とその作用の検索

cDNAサブトラクション法およびディファレンシャルディスプレー法により得られたウナギの精子形成関連遺伝子群(eel spermatogenesis related substance:eSRS)22クローンのうち、特に分泌性のタンパクであるeSRS1(アクチビンB)の精子形成制御への作用機序を調べた。昨年度に報告したように、eSRS1は、ヒト絨毛性生殖腺刺激ホルモン(HCG)投与により精子形成開始の引き金が引かれた後24時間以内に生殖細胞を取り巻く体細胞:セルトリ細胞に強いmRNAの発現が認めらるようになる因子である。eSRS1のmRNAおよびタンパクの発現は、HCGのみならず精子形成誘起ステロイドである11-ケトテストステロン(11-KT)によっても誘導されることが、生体外精巣器官培養により明らかとなった。このことは、eSRS1が精子形成の制御に深く関わっていることを示している。そこで、この因子の稍子形成への作用機序を直接調べるために、CHO細胞の発現系を利用してeSRS1cDNAから組換体タンパクを作製し、これをウナギの精巣器官培養系に添加し、生殖細胞の発達の有無を形態的に調べた。その結果、eSRS1は精原細胞の増殖分裂を誘導する精子形成開始因子であることが明らかとなった。しかしながら、eSRS1の添加のみの培養精巣片には、後期B型精原細胞よりも発達した生殖細胞は全く認められなかったことより、減数分裂以降の精子形成過程の制御には、eSRS1以外の11-KTによって精巣での発現がコントロールされる何らかの因子が関わるものと推察された。cDNAサブトラクション法並びにディファレンシャルディスプレー法により得られたウナギの精子形成関連遺伝子群(eel spermatogenesis related substance:eSRS)の作用機構を解明する第一段階として、各因子のmRNAの発現時期及び発現部位をノーザン解析並びにin situハイブリダイゼーションにより調べた。精子形成開始時に精巣での発現が消失するeSRS3(ZP2様物質),4(ZP3様物質),5(カテプシンL様物質)は、それぞれ精子形成開始前の精原細胞にのみ発現が認められた。このことより、これら3つの因子は、養殖ウナギ精子形成の特徴である精原細胞増殖前の休止状態の維持に何らかの関係があるものと予想された。精子形成開始時に発現が誘導されるeSRS1(ウナギアクチビンB)は、ヒト絨毛性生殖腺刺激ホルモン(HCG)投与により精子形成開始の引き金が引かれた後24時間以内に生殖細胞を取り巻く体細胞:セルトリ細胞に強い発現が認められるようになった。この発現は、HCG投与後9日目からその発現は減少に転じ、精巣に精母細胞が出現する12日目からはその発現はほとんど認められなくなった。この発現パターンよりeSRS1は、精原細胞の増殖に何らかの関係があるものと予想された。HCG投与後3日目以降精巣での発現が認められるeSRS9(PCNA様物質)の発現は、分裂回数6回以下の増殖中の精原細胞のみに認められた。HCG投与後9日目以降に精巣での発現が認められるeSRS11(ヒストンH1様物質)は、比較的分裂回数の多い精原細胞と、精母細胞にのみ発現しており、精細胞および精子には発現が認められなかった。この結果よりeSRS9およびeSRS11は、減数分裂の制御に関与する可能性が示唆された。
主観的感性語彙を用いた自然語文による画像データベースの対話的検索に関する研究

我々は、感性語を含む日本語文によって、画像データベースを検索するシステムについて研究を進めた。データベースに関する専門知識やデータベースに格納されているデータ自体に関する専門知識をもたないナイーブなユーザが、画像データベースを自由に利用できるような枠組みについて考察を進めた。特に、(1)できるだけ制限を加えない自然言語(日本語)で、(2)直感的印象を表すための表現を十分に考慮し、(3)暫定的検索結果を随時見ながら対話的に要求を出しつつ検索を進める、という方針でシステム開発を進めた。事務用椅子の画像データベース検索システムを平成4年度に試作した。平成5年度では、感性語の収集、辞書の整備などを行った。同時に、試作したシステムを用いて検索処理を試行する過程で明らかになった問題点とそれにたいする対処について考察した。その成果として、直感的印象を表明する感性表現の利用を含め、できるだけ制限をなくした日本語で対話的に検索要求を明確化してゆくことで、専門的知識を持たないユーザでも無理なく希望する画像を検索できる枠組みを実現できた。感性情報を取り扱う場合、個人個人の個性に対応することが重要なポイントの一つとなる。本システムで実現した方法も、将来的に感性表現解釈用のデータベースを個人ごとに用意することで、個性への対応が可能である。今後、個人ごとに感性解釈用データベースを構築するための機構を用意する必要がある。
環境モニター天然有機化合物の金属捕捉能の錯体化学的研究

菌体と藻類の共生体である地衣類は、雨水や土壌中の金属イオンなどの汚染物質を取り込む性質をもち、このため環境汚染の生物学的モニターとして近年注目を集めている。本研究は地衣成分であるウスニン酸のβ-トリケトン構造に着目してウスニン酸およびその誘導体と種々の重金属イオンとの錯形成能を錯体の合成、スペクトル的挙動および構造解析より明らかにした。ウスニン酸が多くの金属イオンと錯形成能力を有しているということは、ウスニン酸などのポリフェノールを含む地衣類が、多くの金属イオンを捕捉し、大気や水の汚染に対する生物モニターとなるうることを十分に示している。更に、天然有機化合物の錯形成能の研究の一環として、植物ホルモンであるインドール-3-酢酸(IA)の錯形成能について検討し、Pb(II)錯体を合成した。その三元系錯体[Pb(py)-(IA)]はユニークなcyclopalladationした構造であることがX線結晶構造解析よりを明らかになった。本研究は地衣成分であるウスニン酸のβ-トリケトン構造に着目し、ウスニン酸およびその誘導体について種々の重金属イオンとの錯形成能を錯体の合成と構造解析により明らかにした。ウスニン酸の銅(II)錯体およびパラジウム(II)錯体、ウスニン酸のエナミン誘導体[=C_<(11)>-(CH_3)NHR][R=H、メチル(MAUA)、エチル、フェニル(PAUA)、ベンジル]およびそのパラジウム(II)錯体の合成を行なった。銅(II)錯体およびパラジウム(II)錯体の各種スペクトルより金属結合部位に関する知見が得られた。また、ウスニン酸の銅(II)錯体生成についてそのpH依存性を明らかにした。MAUAおよびPAUAのパラジウム(II)錯体のX線による結晶構造解析を行なった結果、パラジウム(II)はC_<(11)>-NとC_<(3)>-Oで結合し、パラジウム平面でトランス結合していることが判明した(図)。これはスペクトルから得られた結論と一致した。これに関連してヘテロ環を有する天然物(インドール-3-酢酸)についてパラジウム(II)との反応性を調べ、錯体の合成およびX線結晶構造解析を行なった。その結果、3位にユニークなスピロ構造を持つ2量体であることが判明した。地衣類は環境汚染の生物学的モニターとして近年注目を集めている。地衣類の主要有機成分としてウスニン酸などのポリフェノール化合物が知られているが、地衣類による金属イオン捕捉能が何に由来するのかは不明である。そこで、β-トリケトン構造を有するウスニン酸とその誘導体についてPd(II)錯体を合成し、構造をX線構造解析にて明らかにしてきた。Cu(II)については二元系および三元系錯体を合成し、今回、三元系Cu(II)錯体[Cu(bpy)(UA)(NO_3)(1)およびCu_2(bpy)_2(UA)-(NO_3)_2(2)]のX線結晶解析を行った。β-トリケトン基に配位した1と2の[Cu(bpy)]^<2+>はC2-C3置換基に配位しており、2のもう一つの[Cu(bpy)]^<2+>はC6-C7の置換基に配位していることが判明した。β-トリケトン基に配位している1と2のCu(II)は硝酸イオンが配位した特徴的な四角錐型の5配位であるが、2のもう一つのCu(II)は平面4配位型であり、硝酸イオンが配位していないことが明らかになった。更に、他の重金属イオンなどとの錯形成能および構造を検討した。ウスニン酸(UA)に金属イオン(Fe^<1III>、Zn^<II>、Pb^<II>、Cd^<II>、Ni^<II>、Mn^<II>、Mg^<II>、Ca^<II>)を3:1または2:1に反応して、二元系錯体[Fe(UA)_3、Zn(UA)_2、Pb(UA)_2、Cd(UA)_2、Ni(UA)_2、Mn(UA)_2、Mg(UA)_2、Ca(UA)_2]が得られた。これらの錯体のスペクトル的挙動より、金属イオンはβ-トリケトン部分で配位していると結論した。
行動空間の感性情報処理

1平成6年10月27日から29日まで2泊3日の日程で浜名湖の国民宿舎「かんざんじ荘」においてC班とE班との合同研究集会を「空間とデザイン」というタイトルで開催した。C班としては岡崎の生理学研究所助教授南部篤氏に依頼し脳磁図を巡る最近の研究について特別講演していただいた。研究分担者や研究協力者から運動視や空間的注意などについての実験的研究の報告があり討論がおこなわれた。また重点領域のメンバー以外からも多数の研究者の参加があり、SD法などを用いた研究報告などがあった。2 11月25日の慶応大学における公開シンポジュームではC班研究代表者の中谷が「心の概念の進化」について講演を行った。感性の概念が多義的であるのは心の概念が多義的であることの一環であって、その進化論的多様性の共存に意義があることを論じた。3平成7年1月26日から27日の千里ライフサイエンス・センターにおける全体会議では今年度のC班の研究成果のまとめとして仮想現実感の研究と空間的注意の研究に中心をおいて報告が行われた。研究分担者の伊福部は感性情報工学の立場から行ってきた視覚障害者の空間知覚の研究について、舘はテレイクジステンスのシステム開発の研究成果について、宮谷は空間的注意研究の最近の研究の動向を展望しながら事象関連電位を指標とした研究の成果について報告を行った。感性情報処理は問題解決の過程であるという点では従来の知的情報処理と軌を一にしている。行動空間はその問題解決の場である。しかし感性はその多義性のためにこそ今日の共同研究の意義を持っており一概に定義することは難しい。感性はしばしば理性と対立的に理解されているが、感性は生物の最も基本的な営みとして発展してきたものであり、理性はむしろそれを評価する基準軸として理念的にのみ存在すると我々は考えている。共同研究者たちが提出した多様な見解の共通項は、感性が感覚情動を基礎としながら特定の感覚モダリティの中に一義的対応を持たないこと、多種類の感覚モジュールと運動機能の相互作用の上に成立するということであり、主体的運動・注意・情報を通しての統合過程の検討とその個体間変動の解析が行われた。【伊福部】視覚障害者が歩行時に障害物認知を行う過程は感性情報を手がかりにしている典型的事例だと言える。視覚障害者と晴眼者のエコー閾を測定・比較し、視力を失うと反射音と直接音との微妙な時間差を検出する能力が獲得されることを示した。また、遮音による障害物認知の心理物理実験を行い、障害物へ接近したとき音圧の降下が知覚されるのと並行して、両耳間相関の減少が音像の拡がり感として知覚されることを明らかにした。【松永】仮想環境で人に高いパフォーマンスを可能にする情報は如何にあるべきかを問い、視覚運動協応の作業に対する頭部運動の効果について実験的研究を行った。頭部が自由に運動できる条件では頭部を固定した条件より高いパフォーマンスが得られた。ディスプレイの画角および分解能と作業時間の関係を測定し、仮想空間の構築装置を試作した。【館】仮想空間で経験すべき感性情報を創製するためには環境のモデルだけでなく仮想環境の中に入り込んだ分身となる仮想人間のモデルが必要である。自然な臨場感、現実感を感じつつ作業する際の感覚刺激に対する人間のインタラクティブな行動の定量的解析を行すために、視覚的特性の他に音響的・動力学的特性の記述法の研究を進めている。【辻】感覚と情動が未分化の事態における心理現象として等質視野の体験についての自由口述内容を分析し、感覚刺激が空間性を喪失し面の知覚が希薄化すると外界と自己との境界も喪失し「視る」という行為の主体性そのものが揺らぐことを明らかにした。また、「視覚的陥穴」の事態でヒヨコの行動を観察し、空間知覚の成立と同時に落差への恐怖という空間的情動が喚起されて回避行動が出現することを分析した。【丸山】視覚刺激と聴覚刺激が同時に与えられる場面で視覚が優位になる現象を反応時間と脳波のP300成分を測定して分析している。聴覚刺激が意味的に関連のない刺激として与えられたときも視覚刺激に対する反応時間が短くなるのは、聴覚エネルギーが視覚エネルギーに加重されると伴に、視覚反応の準備状態が促進されるからであることを示した。【中谷】視覚情報を統合して3次元視空間を形成するキャンバス・モデルを提唱し、運動視による立体感成立の例として水玉錯視について局所的処理と全体的処理の関係の検討を行った。人間という巨大なシステムは環境の予期しない変化にも安定して適応できるために色々な局面で二重構造を採っている。本研究に直接係わるものとして時空知覚の二重構造論がある。我々は「人間にとって時間・空間とは何か」と云う問題を持っており、心身二元論を崩壊させた時間・空間の基本概念に対して心理学と情報学の共同研究によって新しい理解の方向を見いだしつつあると考えている。[館]実空間における距離の感覚と大きさの感覚を仮想空間で再現できる仮想空間構築方式を提案し、大学の実験室を仮想空間で表現し構成した。仮想空間内でブロック積み等の作業を課し、この方式の有効性を実験的に検証した。[松永]バーチャル・リアリティを形成する映像提示装置の分解能と画角が作業能率に与える影響を作業時間を指標にして測定し明らかにした。情報入力系と運動出力系とをひとつのシステムとして評価するために身体の動作に同期して映像を提示する装置を作成した。

[伊福部]盲人は障害物の存在を気配として捉えているが、気配のもとは障害物による音場の微妙な変化によることを明らかにした。この音場の変化を強調するような盲人用補助装置および音場制御による人工現実感の基礎的知見を得た。[中谷]垂直水平錯視に見られる視空間の異方性が奥行き方向にも存在することが運動残効のパラダイムで明らかにされた。接近運動と後退運動で速度知覚の尺度が異なることはエコロジカルな視点から解釈できるが、興奮と抑制の二重構造をもつ速度検出機構の時間特性を中心に情報処理モデルを検討している。[丸山]視覚と聴覚の相互作用について選択反応時間と誘発脳波を分析して視覚優位現象を捉え、同時提示の音刺激が光刺激への反応準備を高めることを明らかにした。試行経験を重ねることによって視覚優位がどのように変化するかを検討している。1平成6年10月27日から29日まで2泊3日の日程で浜名湖の国民宿舎「かんざんじ荘」においてC班とE班との合同研究集会を「空間とデザイン」というタイトルで開催した。C班としては岡崎の生理学研究所助教授南部篤氏に依頼し脳磁図を巡る最近の研究について特別講演していただいた。研究分担者や研究協力者から運動視や空間的注意などについての実験的研究の報告があり討論がおこなわれた。また重点領域のメンバー以外からも多数の研究者の参加があり、SD法などを用いた研究報告などがあった。2 11月25日の慶応大学における公開シンポジュームではC班研究代表者の中谷が「心の概念の進化」について講演を行った。感性の概念が多義的であるのは心の概念が多義的であることの一環であって、その進化論的多様性の共存に意義があることを論じた。3平成7年1月26日から27日の千里ライフサイエンス・センターにおける全体会議では今年度のC班の研究成果のまとめとして仮想現実感の研究と空間的注意の研究に中心をおいて報告が行われた。研究分担者の伊福部は感性情報工学の立場から行ってきた視覚障害者の空間知覚の研究について、舘はテレイクジステンスのシステム開発の研究成果について、宮谷は空間的注意研究の最近の研究の動向を展望しながら事象関連電位を指標とした研究の成果について報告を行った。
標的遺伝子組換えによる微小管関連蛋白欠失マウスの作製とその神経細胞の極性の解析

神経伝達物質の放出機構においてシナプス前部の蛋白の機能が最近明らかになってきている。例えば、シナプシン1はシナプス小胞の近傍に存在する蛋白であり、シナプス小胞からの神経伝達物質の放出を調節していると考えられている。又、培養細胞等を用いた実験によってシナプス形成自体にも重要であることが示されている。そこで我々はシナプシンのin vivoにおける機能を明らかにするために、標的遺伝子組換え法によってシナプシン1欠失マウス系統の作製、解析を行ったところ、以下のような結果を得た。(1)海馬CA3部及び小脳分子層のシナプスにおいてシナプス小胞の数及び密度が減少していた。またシナプス小胞に分布する蛋白であるシナプトフィジンがシナプシン1欠失マウスにおいて減少していた。(2)シナプス小胞の減少はシナプスのactive zoneから遠くなるほど顕著にみられた。(3)海馬CA3部シナプスにおいてはシナプス前部の面積が減少しており,その結果はDiIをもちいても確認された。(4)急速凍結ディープエッチ法によりシナプス前部においてシナプス小胞間の架橋の減少が観察された。(5)しかし,海馬CA3部シナプスにおけるLTPには特に影響が認められなかった。以上のように、今回我々の実験によってシナプスにおけるシナプシン1の役割がgene targetingという手法を用いて、in vivoのレベルで解明された。さらに、シナプスの形成及び構造の維持におけるシナプシン1の役割は初めて明らかになった。現在我々は、シナプシン1欠失マウスを用いて,以下の実験を予定している。(1)初代培養細胞等を用いたシナプス伝達の電気生理学的解析。(2)変異マウスの行動学的解析。(3)複数のシナプス局在蛋白遺伝子欠失マウスが得られた場合、これらを交配することで、double mutationが入った個体を作製し、同様の方法で解析する。これらの実験によってシナプシン1の機能が更に解明されるものと思われる。
α位高位置選択的溝呂木・ヘック反応の開発

アクリル酸エステルを基質に用いる溝呂木・ヘック反応では、β位選択的に進行することが知ら瓦ているが、それらをα位選択的に進行させる新たな試みを行った。それらの反応実現のため軸下斉をもつ種々の嵩高い配位子を新規に合成することに成功し、アクリル酸エステルとアリールヘライドとの溝呂木・ヘック反応に適用した。しかし、配位子の嵩高さによるα位生成物比の向上が困難であったため、アクリル酸誘導体に各種配向基を導入することにより、反応の位置選択生をコントロールする手法を試みた。すなわち、カルボパラデーション後のパラジウム中間体において、パラジウムーα炭素結合生成よりもパラジウムーβ炭素結合生成が、より立体的に安定こなるアクリル酸誘導体のデザインを行い、α選択的溝呂木・ヘック反応の検討を行った。今世紀に入り10年が経過する。環境エネルギーおよび高齢化問題はいっそう深刻になり、早急に解決への糸口を見いださなければならない。特に有機合成化学分野においては、機能性化合物を与える新規反応が求められる。本課題は、日本人が開発した数々の遷移金属を用いる炭素-炭素結合形成反応の中でも特に有用な溝呂木・ヘック反応に注目し、その位置選択性の制御を目的としている。我々は、BINAPのジヨード体から溝呂木・ヘック反応を用いて合成したBINAPポリマーがリサイクル可能な実用的な不斉配位子となることを最近見出し報告している。このように溝呂木・ヘック反応は、極めて有力な有機合成反応であるが、β位選択的に進行し対応する種々の機能性オレフィンを与える。この反応がα位選択的に進行すれば、種々の機能性化合物合成に大きく寄与する。特に抗炎症剤として広く用いられているナプロキセンなどのプロピオン酸系製剤の不斉水素化反応前駆体としてもよく知られている。本年度、このα位選択的溝呂木・ヘック反応を立体的に制御できることが期待できる配位子の合成を行った。まず、(R)-MeO-MOPオキシドを合成しビナフチル基の3位選択的リチオ化を行い、N,N'-ジヨード-5,5'-ジメチルヒダントイン(DIH)をヨウ素源として、3位のヨウ素化を高収率で達成した。続くウルマンカップリングにより、(R)-MeO-MOPオキシドが3位で結合した2量体に誘導しさらに、還元により2個のジフェニルホスフィニル基をホスフィンに還元した。また、ヨウ化メチルを添加し、一方のジフェニルホスフィノ基をメチルホスホニウム基に変換した後、水酸化ナトリウム水溶液中、ビナフチル炭素原子とホスホニウムリン原子の選択的開裂に成功した。パラジウム触媒を用いるクロスカップリング反応は、22年度のノーベル化学賞に輝いた。そのうち、鈴木-宮浦反応はsp^2炭素-ハロゲン結合を持つアリールハライド、アルケニルハライドとsp^2炭素-ホウ素化合物との間で起こるクロスカップリング反応である。また、根岸カップリング反応は、sp^2炭素-ホウ素化合物に代えてsp^2炭素-亜鉛化合物を用いる優れたクロスカップリング反応である。一方、本課題の溝呂木・ヘック反応は、オレフィンすなわちsp^2炭素-水素化合物に直接、炭素-炭素結合形成を実現する注目する反応であり、反応機構からもβ水素脱離を伴い、炭素-炭素二重結合を再生する上記2反応とは異なる。このことから、鈴木、根岸クロスカップリングとは異なった化合物合成に適用でき、医薬品合成をはじめ電子材料などの機能性有機化合物合成にとって大変有用である。しかし、基質により異なるが、一般に溝呂木・ヘック反応は、β位選択的に進行する。特にアクリル酸エステルやメタクリル酸エステルでは、β位選択的反応のみが起こる。この反応をα位選択的に進行させることは、種々の機能性化合物合成に大きく寄与できる。本年度、立体的に制御された空間をもち、α位に溝呂木・ヘック反応が起こることが期待できる配位子として、(R)-MeO-MOPのビナフチル基の3位にトリル基を導入した新規3-トリル--MeO-MOPの合成を達成した。得られた、3-トリル--MeO-MOP配位子を用いて、アクリル酸エチルとブロモトルエンとの溝呂木・ヘック反応を行ったところ、まだ、少量ではあるが、アクリル酸エチルのオレフィン末端にトリル基が導入されたα位トリル生成物を得た。

アクリル酸エステルやメタクリル酸エステルを基質に用いる溝呂木・ヘック反応では、β位選択的に進行することが知られているが、それらをα位選択的に進行させる新たな試みを行ってきた。特に、この反応をα位選択的に進行させることにより得られる生成物は、抗炎症剤であるプロピオン酸系製剤の不斉水素化反応前駆体としての価値が高く有用であることより配位子として、(R)-MeO-MOPのビナフチル基の3位にトリル基を導入した新規3-トリル-MeO-MOPの合成および(R)-MeO-MOPの二量体であるBisMOPを新規合成し、配位子の嵩高さを利用したα位選択性溝呂木・ヘック反応を試みα位生成物を得たが、β位生成物に対するα位生成物比の向上が困難であるため、以下のような考え方に基づき反応を実施した。各種金属触媒反応の反応性、位置選択性を分子内配向基により制御する方法が知られている。そこでアクリル酸誘導体に各種配向基を導入することにより、反応の位置選択性をコントロールできないかと考えた。すなわち、カルボパラデーション後のパラジウム中間体において、パラジウム-α炭素結合生成よりもパラジウム-β炭素結合生成が、より立体的に安定になるアクリル酸誘導体のデザインを行った。アクリルアミドは、アミド窒素がパラジウムに配位すると仮定すると、βアリール化の場合その中間体は4員環を形成する一方、αアリール化では5員環を形成するため、αアリール化が進行するのではないかと考えられる。しかしアクリルアミドの窒素はパラジウムへの配位力が弱い。そこで直接的にパラジウムと結合を形成する1級アミドに基質を限定し、α選択的溝呂木・ヘック反応の検討を行った。
肉用鶏の形質マーカーの確立を目指した骨格筋芽細胞の網羅的な遺伝子発現解析

骨格筋の形態は肉用鶏と卵用鶏で大きく異なるが、これらの系統間で筋芽細胞の遺伝子発現を比較した研究は極めて少ない。本研究では、RNA-seqで得た、卵用鶏と肉用鶏の筋芽細胞における網羅的な遺伝子発現データをもとに、肉用鶏の形質マーカーの探索を行う。まず、RNA-seqデータを解析し、筋芽細胞の性質に寄与する因子を探索する。次に、同定した遺伝子群が、実際に筋芽細胞の増殖・分化に寄与しているかを実証する。さらに国産鶏の筋芽細胞を採取・解析し、同定した遺伝子群が、肉用鶏の形質マーカーとして有用であるかを検証する。本研究は、鶏肉に関する遺伝的形質を科学的に評価する定量的な指標の確立を目指す研究である。
極低運動量移行の電子弾性散乱による陽子電荷半径精密決定

2017年度は、本基盤研究Sの大変低い充足率、65%(7000万円減額)、という状況で計画全体の見直し後に2016年度内に決定した研究推進方針に従い、以下の研究を実施した。なお、研究費の一部を2018年度に繰り越し2017年度分の研究を実施した。1)新しい電子ビーム輸送系の設計と建設、設置2)散乱電子スペクトロメータの設計3)焦点面検出器の検討1)は、東北大学電子光理学研究センターの低エネルギー(60 MeV)電子直線加速器からのビームを利用し、第一実験室と呼ぶ地下実験室で電子・陽子弾性散乱実験を遂行可能にするための新しい電子ビーム輸送系である。当該研究遂行に必要なビームエネルギー、20-60 MeV、を散乱実験標的まで真空環境中を輸送することが目的である。必要な精度の測定を可能にするため、ビームの運動量広がりは10**-3以下、標的上でのビームスポットサイズは1mm以下となるよう設計した。2)は散乱電子の運動量と散乱角度を正確に測定し、必要な精度で電子・陽子弾性散乱の断面積絶対値を決定するための測定器である。そのために運動量分解能、10**-3以下、角度分解能、5 mrad以下、且つ低エネルギー散乱電子検出のため検出器までの経路上を全て真空に保った状態で様々な散乱角度での測定を可能にするための角度変更機構の発明を含む真空チェンバーの検討を進めた。そして、これらの性能を満たす電磁石スペクトロメータの設計を終了し、また新しいビームラインは実験室に設置した。低充足率が原因の予算不足のため、採択通知後ほぼ1年間研究計画そのものの再検討や電磁石や電源、真空ポンプ等々の中古品活用の可能性の検討、また予算不足の解消に向けた度重なる大学当局への交渉等に費やした。したがって、予定の研究計画と比較するとほぼ1年遅れで進行している。「研究実績の概要」でも述べたが、予算不足を補う様々な努力や決断を行い研究の遅れを取り戻すべく、新しいビームラインの設計や建設、設置、電磁石スペクトロメータの設計を進めてきた。ビームラインで使用される偏向電磁石には必要な運動量分解能を確保するため良質の鉄材である純鉄を使用するが、調達に長期間、6ヶ月、かかることが判明し年度内には建設が完了しないことになってしまった。年度をまたいだ予算執行ができない補助金という理由により年度内発注が不可能となり、さらに半年以上建設を止めて新年度発注とせざるを得なかった。低充足率と年度単位予算という全くの外的な理由で、研究競争が激しい中で1年半以上研究が止まった。しかしながら、研究分担者を始め多くの研究協力者の努力により、当初の計画からはやく10ヶ月程度の遅れまで挽回してきている。2019年中には設置した新ビーム輸送系ならびにスペクトロメータの性能評価試験を開始し、可能な限り早く電子・陽子弾性散乱研究を開始したいと考えている。基盤研究Sの低充足率のために、新ビームラインの一部は仕様の違う電磁石や電源、また断面積絶対値測定に必須である2台目スペクトロメータは断念するなど、本来の研究目的を実現することが不可能な状況で研究を進めている。しかしながら、史上最低エネルギーでの電子散乱測定自体にも陽子半径決定研究には大きな意義があるために、世界を相手にした競争での優位性を維持した状態で研究を進めてゆく。すでにビーム輸送系は完成し、2018年度末(本実績報告書は繰越分による研究結果も含め2019年度初頭に準備している)にはスペクトロメータも実験室に設置され、今後立ち上げ調整並びに性能評価テストなどを経て、陽子半径決定に向けた測定を開始する予定である。しかしながら、散乱断面積の絶対値測定は、信頼性の高い陽子半径の決定には必須であり、この状態のままでは後から我々を追いかけてくる海外の研究施設、具体的にはドイツマインツ大のMESAなど、に対する優位性を維持することは絶望的なので、今後もあらゆる機会を通じて、予算の不足を補う努力をし2台目のスペクトロメータの建設や仕様にあう電磁石や電源の調達ができるよう努力してゆく予定である。本研究は、宇宙を構成する物質の基本要素である陽子の大きさに関する「陽子半径問題」として知られている現代物理学のパズルの解決が目標である。陽子荷電半径の決定法には電子散乱と水素原子の分光の2種類がある。電子散乱法では、陽子との弾性散乱断面積から荷電形状因子を分離・決定し、電子散乱過程の運動量移行の関数から荷電半径情報をひきだす。一方、水素原子分光では、陽子を周回する電子(あるいはμ粒子)のエネルギー準位に僅かに現れる陽子の有限の広がりの影響を電磁量子力学を駆使して決定する。μ粒子と陽子からなるμ水素原子から求めた荷電半径が、電子散乱や通常の水素原子から求めた荷電半径と大きく食い違うことが確認され、これが「陽子半径問題」である。実験データあるいはその解釈が正しいとすると、電子とμ粒子では陽子との相互作用が違うことを意味し、素粒子物理学の標準理論の破れと関連する可能性もあるため、世界各地で盛んに研究が行われているのである。最も標準的と考えられてきた電子散乱実験による陽子半径決定に潜むモデル依存性が指摘され、その解決には低エネルギー電子ビームによる可能な限り小さな運動量移行領域での電子散乱測定の重要性に我々は気がついた。

そこで、東北大学電子光研究センターの低エネルギー電子加速器を利用し、前例のない極低運動量領域での電子・陽子弾性散乱実験により信頼度・精度ともに最も高い陽子の荷電半径値の決定が本研究の目標である。この研究の推進のために、電子光研究センター実験室に高分解能電子ビーム輸送系と高運動量分解能散乱電子検出器系を新設し、極低運動量移行領域を覆った運動学での電子・陽子弾性散乱断面積を測定する。現時点で、この運動学での電子散乱実験を遂行できる電子加速器施設は世界で東北大のみであり、低エネルギー電子加速器で現代物理学が抱える大問題解決に向けた世界先端の研究を推進する。本研究遂行に必須な実験装置を建設するために基盤研究Sを申請したが、必要額である2億円に対し採択時の予定内示額は申請額の63%であり7000万円減額されてしまった。本年度は、どこまで実験装置の性能を落とし目標を諦めれば、内示された予算内で研究装置が建設できるかの検討でほとんどの時間を費やしてしまった。7000万円の不足分を補うために、ビームライン用あるいはスペクトロメータ用の電磁石の一部を他の研究所で利用されていない電磁石借用の可能性、またこの実験で使用する多数の高精度直流電源も国内の他の研究所からの調達の可能性、そして真空ポンプや検出器、信号処理回路に至るまで、本研究遂行に必要だが科研費の不足分をおぎなう物品を求めて日本各地の研究所を尋ね再利用可能品を捜し回った。本年度のほぼすべての時間は、研究計画の抜本的な見直しとこの作業で費やされ、物理研究を進めることはほとんどできておらず、申請書に記した今年度の研究はほとんどできなかった。何点か再利用可能な電磁石などのめどが付きつつあり、それらを有効利用できるよう実験装置の再検討を進めている。上記作業と平行して、研究代表者や分担者とともに中心的に進めていただく若手研究者1名の公募ならびに選考をおこない、次年度から同研究者とともに、遅れを取り戻すべく検討を進める。2017年度は、本基盤研究Sの大変低い充足率、65%(7000万円減額)、という状況で計画全体の見直し後に2016年度内に決定した研究推進方針に従い、以下の研究を実施した。なお、研究費の一部を2018年度に繰り越し2017年度分の研究を実施した。1)新しい電子ビーム輸送系の設計と建設、設置2)散乱電子スペクトロメータの設計3)焦点面検出器の検討1)は、東北大学電子光理学研究センターの低エネルギー(60 MeV)電子直線加速器からのビームを利用し、第一実験室と呼ぶ地下実験室で電子・陽子弾性散乱実験を遂行可能にするための新しい電子ビーム輸送系である。当該研究遂行に必要なビームエネルギー、20-60 MeV、を散乱実験標的まで真空環境中を輸送することが目的である。必要な精度の測定を可能にするため、ビームの運動量広がりは10**-3以下、標的上でのビームスポットサイズは1mm以下となるよう設計した。2)は散乱電子の運動量と散乱角度を正確に測定し、必要な精度で電子・陽子弾性散乱の断面積絶対値を決定するための測定器である。そのために運動量分解能、10**-3以下、角度分解能、5 mrad以下、且つ低エネルギー散乱電子検出のため検出器までの経路上を全て真空に保った状態で様々な散乱角度での測定を可能にするための角度変更機構の発明を含む真空チェンバーの検討を進めた。そして、これらの性能を満たす電磁石スペクトロメータの設計を終了し、また新しいビームラインは実験室に設置した。