hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
Antelligent Systim-非線形動力学に基づいた群知能システムの開発

本年度得られた研究成果は大別して以下の3点になる。1)均質な群ロボットの分業における比率制御のための動的遷移確率モデルの詳細な検討簡単な相互作用を有するロボット群が分業を行なう上で重要な要素である比率の自律制御モデルについて、昨年度に引き続き、簡潔かつ効果的に達することができる動的確率モデルのより詳細な解析を行なった。このモデルは状態間の遷移確率をストック物質の濃度に応じて動的に変化させるもので、齢差分業のような現象も記述できることは昨年度の終盤で定性的に確認できていたが、本年度はそれらの有効性を定量的に評価するところまで行なうことができた。2)フェロモンを導入した交通流の基礎実験これも昨年度から引き続いている項目である。Nishinariらが報告した「移動体がフェロモンを散布しながら移動する系において、移動体の密度に応じて流量が急激に増すという非線形現象」に基づいて昨年度にロボット実験を行なった。この結果についてNishinariらと共同で解析を行い、理論的に得られているものと同等の実験結果であることを検証した。3)群ロボットの行動と構造に関する研究簡単な動力学特性を有する群れロボットの集団行動と構造を記述するための群れの力学モデルの拡張を行い、そこから得られた2列縦隊構造について詳細な検討を行なった。また、この力学モデルを用いて行動するロボットシステムを構築し、2列縦隊構造の制御を行うことで、拡張した群れモデルのダイナミクスの有効性を実験により示した.社会性昆虫の世界では、各個体は比較的単純な振る舞いを見せるが、コロニーをうまく機能させるために、集団として分業を行い、かつ各作業に従事する個体数比の比率制御を巧みに行っていることが知られている。本研究では自律的に分業を行うマルチロボットシステムの開発に向けて、環境に適応しながら動的に比率制御を行うことが可能なモデルについて考察してきた。<研究結果1:モデルの構築>ミツバチのコロニーを手本とし、齢差分業(主に携わる作業内容が年齢に依存する)も表現しうるモデルを考案した。このモデルは(1)各作業に応じたストック物質の導入、(2)内部状態を動的なポテンシャル場の形で表現、(3)ストック物質の濃度に依存したポテンシャル場の変形、という特性からなっている。ここでは作業数と目標とする個体比率は、それぞれポテンシャル場の谷の数と、谷の深さで表現される。本年度はシミュレーションを通して本モデルの有効性を検証した。<研究結果2:ロボット実験による検証>実際のシステム開発を視野に入れ、ロボット間の相互作用を様々な形で表現できる実験空間の開発をおこなった。ロボット実験用動的仮想空間V-DEAR(Virtual Dynamic Environment for Autonomous Robots)はCCDカメラと液晶プロジェクタから構成され、カメラでフィールド内のロボットをトラッキングしながら、その位置に合わせてCGのフェロモンを投影するシステムである。ロボットは自身が有する光センサーを用いて"場の濃度"を検出し、その行動を決定するシステムになっている。このシステムのベースは光による場を介したロボット間相互作用システムであるが、CGゆえに拡散速度や揮発性、風向きなどのシミュレートもできるという特徴を有する。本システムを用いて、上記モデルに基づいた分業の定性実験をおこなった。本年度得られた研究成果は大別して以下の2点になる。1)均質な群ロボットの分業における比率制御のための動的遷移確率モデルの提案および検証実験年度当初の計画では、齢差分業を重視してストック物質を導入した動的ポテンシャルモデルに関する実験を行うものとしたが、本年度、多くの議論と考察を通して、より簡潔なモデルの考案に至ることができたため、主にそのモデルの有効性をシミュレーションと実験を通して評価した。状態間の遷移確率をストック物質の濃度に応じて動的に変化させる「動的遷移確率モデル」は、目的の比率制御ができることに加え、遷移確率を非対称にすることで、齢差分業も記述でき、かつロボットシステムなどへの適用も容易であるといった特徴がある。その有効性について、シミュレーションならびに、当方が開発したロボット実験用仮想動的場(V-DEAR)を用いた定性的な検証実験を行った。ストック物質の種類、濃度をV-DEAR上で、光の波長と強度で表し、ロボットはその光情報に基づいて次の行動を決定するという実験を通して、本モデルの実用性ならびにロバスト性を示した。2)フェロモンを導入した交通流の基礎実験交通流に関する研究は、身近さ、実用性、物理現象としての興味深さから、多くの研究者によって様々な側面から研究を進められている。Nishinariらは移動体がフェロモンを散布しながら移動する系の振る舞いについて理論的側面から大変興味深い解析を行っている。特に、フェロモンの蒸発率によって、系における移動体の密度に応じて流量が急激に増すという非線形現象を見出している。本現象の実空間における再現性を探るべく、前述のV-DEARを用いて、仮想的にフェロモンを散布するマルチロボットシステムによる実験を行い、その急激な流量増加が実際のロボット交通流システムでもロバストに発現することを確認した。

このモデルは状態間の遷移確率をストック物質の濃度に応じて動的に変化させるもので、齢差分業のような現象も記述できることは昨年度の終盤で定性的に確認できていたが、本年度はそれらの有効性を定量的に評価するところまで行なうことができた。2)フェロモンを導入した交通流の基礎実験これも昨年度から引き続いている項目である。Nishinariらが報告した「移動体がフェロモンを散布しながら移動する系において、移動体の密度に応じて流量が急激に増すという非線形現象」に基づいて昨年度にロボット実験を行なった。この結果についてNishinariらと共同で解析を行い、理論的に得られているものと同等の実験結果であることを検証した。3)群ロボットの行動と構造に関する研究簡単な動力学特性を有する群れロボットの集団行動と構造を記述するための群れの力学モデルの拡張を行い、そこから得られた2列縦隊構造について詳細な検討を行なった。また、この力学モデルを用いて行動するロボットシステムを構築し、2列縦隊構造の制御を行うことで、拡張した群れモデルのダイナミクスの有効性を実験により示した.
ハドロンコライダー実験に於ける大規模データの先進的処理に関する研究開発

(1)高速データ収集系の設計開発大型実験装置からのデータの収集に当たっては、数百から千箇所にもなる多数のフロントエンドのバッファーメモリーモジュールから、事象ごとにデータを一つのプロセッサーに集めて、リアルタイムでの前処理をして、条件に合致した事象のデータのみを後段に転送し、磁気テープなどに記録する。このためには多数のバッファーモジュールから、ランダムに発生する多量のデータを効率よく一つのプロセッサーに集めるメカニズム(イベントビルダーと言う)が必要である。とくに、超高エネルギーハドロンコライダー実験ではデータ収集時の総データ転送容量が100MB/s以上が想定されるため、高い頻度で発生する事象データを各々別々のプロセッサーに並列に収集することが必要である。その方式として、"Global Traffic Control System"を用いた高速イベントビルダーの研究開発をKEKで行ってきている。一方、CERNでは、これとは相補的な"Self Routing System:ATMネットワークスイッチ"の方式を研究開発している。各々のシステムの評価を共同して行った。両方式とも、モデルシステムの製作が終了した段階にあり、今年度はそのシステム試験を行うとともに、システムの性能解析をシミュレーションの手法により行った。その成果はミシガン州立大学で行われた(Real Time 95)および、IEEEシンポジュームなどで報告した。"Global Traffic Control System"はイベントビルダーとして優れた性能を持つことを示した。また、ATMスイッチによる方式についても、解析と試験の結果、データ転送におけるシャイピング(データ転送の自己制御機構)を行うことで、求められる性能が実現できることを示した。ここで開発したSbus-Glink(1Gbpsシリアル転送系)インターフェースは非常にシンプルなプロトコルの高速データリンク(データ転送路)である。このようなデータリンクは応用範囲が広くCERNで検討している汎用的な検出器からのデータ転送プロトコル:S-linkへの応用が可能で、その設計作業を行った。これにより現在我々がKEK-B用に開発したSbus-Glinkインターフェースを今後SbusあるいはGlinkを新たな技術に置き換えることが容易になる。これは今後長期にわたってデータ収集システムを維持していく上で欠かすことのできないことである。(2)大規模データの高速記録/管理とデータベース化データの管理と高速アクセスの方法について、ソフトウエア面からの検討を行なった。特に、階層型のファイルシステムとそれを使ったデータベースとして、オブジェクト指向データベースを使うことを想定して、ネットワーク透過なオブジェクト・アクセスの方式として標準化がなされているCORBAの利用の試験を行った。基本的な機能は利用できるが、性能の点での問題があることが指摘できた。また、オブジェクト指向データベースについての検討と試用は引き続き行った。(3)オブジェクト指向による大規模プログラムの開発汎用測定器シミュレーション・プログラムとして、標準的なライブラリーであるGEANTは、全世界の高エネルギー物理関連の研究者によって使われているが、この大規模なプログラム(FORTRAN)をオブジェクト指向プログラム(C++)への転換の可能性を模索していたがCERNのグループも賛同し、昨年から共同で準備をし、今年度は具体的な作業を行った。第一段階であるGEANTプログラムの扱う内容の問題分析/仕様要件文書の作成は日本側が主として行った。この仕様書は、世界のGEANTユーザに回覧され、意見の徴収を行って改訂を繰り返して、完成させた。このように高エネルギー物理実験で使用されるプログラム作成が仕様書の段階から、広範囲の利用者から意見を聞くような例はなく、全く新しい手法となった。この完成された仕様書に基づき、測定器シミュレーション・プログラムのオブジェクト指向解析を行った。この解析に先立ち、ソフトウエア工学の分野での提唱されている各種のオブジェクト指向解析/設計手法を検討した。OMT法、Booch法、Fusion法、Coad-Yourdon法の中から、Booch法を採用した。この手法により、プログラム構築に必要な各種クラス/オブジェクト間の静的及び動的関係を決定し、オブジェクト・ダイヤグラム、イベント・ダイヤグラムで記述し、オブジェクト指向解析におる上位部の設計を完成させた。さらに、物質中での粒子の振る舞い(トラッキング)に関する部分については、C++によるプログラムを完成させ、C++プログラムの性能評価を行った結果、従来のFORTRANによる場合に比して、性能が良いことの結果を得た。今後は全プログラムの完成に向けて、CERN以外の世界の研究者とも共同して作業をして行くことになっている。

"Global Traffic Control System"はイベントビルダーとして優れた性能を持つことを示した。また、ATMスイッチによる方式についても、解析と試験の結果、データ転送におけるシャイピング(データ転送の自己制御機構)を行うことで、求められる性能が実現できることを示した。ここで開発したSbus-Glink(1Gbpsシリアル転送系)インターフェースは非常にシンプルなプロトコルの高速データリンク(データ転送路)である。このようなデータリンクは応用範囲が広くCERNで検討している汎用的な検出器からのデータ転送プロトコル:S-linkへの応用が可能で、その設計作業を行った。これにより現在我々がKEK-B用に開発したSbus-Glinkインターフェースを今後SbusあるいはGlinkを新たな技術に置き換えることが容易になる。これは今後長期にわたってデータ収集システムを維持していく上で欠かすことのできないことである。(2)大規模データの高速記録/管理とデータベース化データの管理と高速アクセスの方法について、ソフトウエア面からの検討を行なった。特に、階層型のファイルシステムとそれを使ったデータベースとして、オブジェクト指向データベースを使うことを想定して、ネットワーク透過なオブジェクト・アクセスの方式として標準化がなされているCORBAの利用の試験を行った。基本的な機能は利用できるが、性能の点での問題があることが指摘できた。また、オブジェクト指向データベースについての検討と試用は引き続き行った。(3)オブジェクト指向による大規模プログラムの開発汎用測定器シミュレーション・プログラムとして、標準的なライブラリーであるGEANTは、全世界の高エネルギー物理関連の研究者によって使われているが、この大規模なプログラム(FORTRAN)をオブジェクト指向プログラム(C++)への転換の可能性を模索していたがCERNのグループも賛同し、昨年から共同で準備をし、今年度は具体的な作業を行った。第一段階であるGEANTプログラムの扱う内容の問題分析/仕様要件文書の作成は日本側が主として行った。この仕様書は、世界のGEANTユーザに回覧され、意見の徴収を行って改訂を繰り返して、完成させた。このように高エネルギー物理実験で使用されるプログラム作成が仕様書の段階から、広範囲の利用者から意見を聞くような例はなく、全く新しい手法となった。
サケ科魚類の生活史二型に与える森林環境変動の影響

サケ科魚類サクラマスにおける雄生活史二型の個体群間変異,および年次間変動を生じる生態学的要因を明らかにするために,以下の調査と分析を行った。北海道北部の森林を流れる同一水系内の河川において,2001年に始まった経年調査を継続し,成長期(6月)における摂餌量および食性(陸生/水生無脊椎動物比),および繁殖期(9月)における早熟雄(河川残留型)の個体群密度について,3河川,3年間分の時空間データを得た。摂餌量と食性のデータ解析は一般化線型モデルを用いて行った。まず,2001年における摂餌量の月別データについて,河川,月,年級群(当歳魚・1歳魚以上),時間帯(午前・午後),および個体の体長を説明変数としてモデル選択を行ったところ,体長,時間帯,および月を含むモデルが選択され,6月に摂餌量が最も多くなることが示された。陸生/水生無脊椎動物比についても同様の解析を行ったところ,説明変数として体長,時間帯,年級群とともに,月が選ばれ,やはり6月に大きな値をとることが明らかとなった。一般にサケ科魚類の生活史分岐には初期成長が大きく影響することが知られているが,上記の結果はこの時期の餌量,とくに渓畔林から供給される陸生無脊椎動物量が生活史分岐に重要な役割を果たす可能性を強く示唆する。2001から2003年までの6月の摂餌量と食性についても一般化線型モデルを用いた同様の分析を行ったところ,河川と年次の間に交互作用が検出され,餌供給量の年次変動パタンは河川間で必ずしも同一ではないことが示唆された。これら餌供給量に関する結果は,潜在的には早熟雄の出現頻度を説明すると考えられるが,実際の早熟雄の個体群密度には河川間の変異こそ見られたものの,餌供給量との完全な対応関係は認められなかった。以上の結果は,サケ科魚類の生活史分岐と渓畔林環境との関係を示唆する初めての知見であり,現在国際誌への発表を準備中である。サケ科魚類の雄に生じる生活史二型の個体群間変異,およびそれに与える森林-河川環境変動の影響を明らかにするために,以下の調査と分析を行った。北海道大学北方生物圏フィールド科学センター雨竜地方研究林内の3つのサクラマス個体群(美深越沢川、泥川、およびモシリウンナイ川)で以下の野外調査を行った。すなわち,(1)成長期(6月)における個体群密度と個体の摂餌量(胃内容物)の評価,および(2)繁殖期(9月)における早熟な河川残留型雄の密度推定である。これらのデータ収集と平行して,昨年(2001年)の胃内容物サンプルの分析とデータ入力を行った。この胃内容物データと採集時期,個体群,および個体のサイズとの関係について,今後データ解析を進めていく。サケ科魚類の生活史二型は,森林-河川環境以外の影響も受けるかもしれない。この可能性を明らかにするため,サクラマスの近縁種であるギンザケにおいて以下の解析を行った。アメリカオレゴン州の12の孵化場において,1975年から1997年までに放流・再捕獲された個体のデータを入手した。海洋での成長率(瞬間成長率)が早熟雄の出現頻度に与える影響を,放流時の体サイズと放流時期の影響とともに評価した。孵化場ごとに予備的な回帰分析を行った結果,海洋での瞬間成長率を含むいずれの要因も早熟雄の出現率には強く影響しないことが示唆された。ただし,この予備的な結果は,上にあげた複数の要因および個体群の影響を同時に扱うより精密なモデルを用いて詳しく検討する必要がある。

これら餌供給量に関する結果は,潜在的には早熟雄の出現頻度を説明すると考えられるが,実際の早熟雄の個体群密度には河川間の変異こそ見られたものの,餌供給量との完全な対応関係は認められなかった。以上の結果は,サケ科魚類の生活史分岐と渓畔林環境との関係を示唆する初めての知見であり,現在国際誌への発表を準備中である。
蝸電図によるAPの起原に関する微小電極法による研究(細胞内活動電位記録にて)

音刺激により誘発されるCompound AP起原を明らかにする目的で、蝸牛の電気刺激により誘発されるCompound APs(以下CAPsと略す)の性質を明らかにした。結果┣I┫(1)正常モルモット蝸牛の電気刺激で誘発されるCAPsの最初の陰性波(N_1)の潜時は1msec以下、2つめのそれ(N_2)は2msec以下である。入出力曲線はN_1、N_2共、音刺激によるN_1、N_2と同じ様な傾向を示すが(i)H,Lpartがはっきりしない(2)N_1の閾値は刺激周波数によって決まる。即ち周波数が低い程閾値は低い。持続刺激を用いた時も蝸牛神経自発放電に対する影響は同じ効果が得られた。この時on効果が観察され、これがCAPsと関係すると思われた。┣II┫カナマイシンで難聴にしたモルモットではN_1の性質は難聴のないモルモットそれと同じだが、N_2は異なった性質を示した。まとめと考察蝸牛の電刺激により誘発されたN_1は、潜時が1msecであること、カナマイシン難聴モルモットでは正常なパターンで記録されることから蝸牛神経由来の電位と思われる。一方N_2は潜時が12msecであることからシナプスを介してきた電位であること、カナマイシンで有毛細胞を障害した時のN_2の規則性が乱れること(この時神経はintactと考えかられる)からN_2はElectrophonic Effectにより有毛細胞が刺激された結果生じた電位とおもれわる。音刺激による誘発されるCompound APは最初に有毛細胞が刺激され、これによって引き起こされた活動電位であることから有毛細胞の興奮状態によって影響を受ける可能性がある。それ故、純粋に蝸牛神経の興奮性をみたければ電気刺激によって誘発されたCAPsを指標とすることが望ましい。この事に関しては、応用例を既に報告している。私共はローゼンタール管内で記録したラセン神経節細胞の活動電位による電場電位と蝸牛骨壁で記録したAPとを比較してAPはinitial seqmentで発生した最初のスパイクを紀録したものであると報告した。ここで問題なのは、initial seqmentで発生したスパイクはラセン神経節細胞により変調を受けるかということである。この問題を明らかにするためローゼンタール管内で記録したラセン神経節細胞の活動電位と頭蓋内で記録された蝸牛神経活動電位とを比較した。方法:モルモット(300500g)をネンブタール腹腔内麻酔下にgallaminで筋弛緩し人工呼吸器に接続した。露出した蝸牛の基底回転骨壁を用手にてドリルで径1mmの穴を開ける。茶色に透けて見えるローゼンタール管の骨壁に径約100muの小孔を開け一部を実験後に細織学的に確認している。ローゼンタール管内ラセン神経節細胞と頭蓋内蝸牛神経の活動電位の記録はFast GreenFcFで飽和した3M KCIをいれたガラス管電極で行いoff-lineで解析した。自発放電頻度はPST Histogramより、Interspike IntervalHistogramから変動係数とHistogramの形を検討した。まとめと孝按:記録された45個のラセン神経節細胞の自発放電頻度は59.3spikes/秒(SD:23.5),変動係数は0.71(SD:0.19)であった。

また記録された27個の蝸牛神経の自発放電頻度は68.7spikes/秒(SD:19.8),変動係数は0.81(SD:0.21)で自発放電頻度と変動係数は両者間において有意の差はなく,Histogramの形においても差はない。このことから末肖のラセン神経節細胞を研究することはAPの起原について重要な情報を与えてくれる。今後音刺激に対する活動電位を調べると共に他の回転についても研究し細胞内染色による細胞同定を行い報告したい。本年度は主に蝸牛の電気刺激による聴神経複合電位,単一蝸牛神経活動電位の変化について基礎実験を行った.蝸牛の電流刺激により誘発された電位には三つの陰性波が記録され,その内潜時が1msec以下の最初の陰性波(N_1)は電気刺激が直接神経を刺激することにより誘発される電位である.N_1の電位の入-出力曲線は音刺激により誘発されたN_1と同じである(松島ら,未発表).一方電気刺激で誘発される第二波(N_2)は有毛細胞,蝸牛神経を介した電位である.電気刺激と音刺激で誘発される各々のN_1, N_2の比較を行っているが未だ結論を得るに至っていない.さらに検討したい.蝸牛の電気刺激により蝸牛神経自発放電頻度は抑制される(松島ら、1988a)。音刺激により誘発されるN_1は基底回転由来の電位であることは認められているが、N_2はより末梢の回転からの電位か、内耳道内の蝸牛神経由来の電位かは明らかでない。今回第3、4回転を電気的に抑制した状態で特にND2_2のみが特異的に抑制されるという結論は得られなかった(松島ら、未発表)。今後、各回転を刺激した時のN_1とN_2の変化について検討したい。アスピリンは蝸電図のN_1を抑制すると言われている.蝸牛の電気刺激により誘発されるN_1とN_2の潜時と振幅がアスピリン投与により障害された(松島ら, 1988b).しかし潜時と振幅の変化においてN_1とN_2は相関があったことから,有毛細胞の障害が起きるかどうかの結論は得られなかった.現在,アミノ配糖体の蝸牛潅流による電気刺激で誘発されたN_1とN_2の変化を検討しているが,音刺激で誘発されたN_1とN_2との比較することによりそれらの起源について今後検討したい.今年度はカナマイシン(KM)で難聴を起こしたモルモットを用いて、蝸牛の電気刺激により誘発されたCompound APについて検討した。方法KM300mg/kgを約2週間投与し、プライエル反射にて難聴のスクリーニングを行った。急性実験を行い、刺激電極(銀線)を正円窓膜に置き、対極は頸筋に置いた。電気刺激には10kHzの正弦波一周期を定電流回路を用いて行った。記録電極は2MKC1を入れたガラス管で、小脳を吸引した後の蝸牛神経束内Compound APで判定した。難聴の程度はtone burstによるCompound APで判定した。一部のモルモットでは電顕にて有毛細胞の障害を確かめた。結果1.難聴の程度に拘わらず、潜時1msec以下の最初の陰性波(N_1)は記録され、その人出力曲線は正常なモルモットと比較しても同じであった。2.潜時が2msec以下の陰性波N_2は難聴が高度である時、刺激強度をより強くしなければ誘発されない。3.しかし、難聴の程度が小さくとも誘発された(N_2)の入出力曲線は正常なモルモットで得られる、刺激が強くなると潜時は短くなり、振幅が大きくなるといった傾向がなくなった。4.電顕的に観察したモルモットでは、外有毛細胞の障害が確認された。
カルモジュリン結合蛋白質によるシンタキシン機能のCa^<2+>依存性制御の解析

シナプス小胞のリサイクリングは、種々のステップで異なる濃度のCa^<2+>を要求すると考えられている。報告者は、小胞のtranslocationに関わるsubcellular Ca^<2+>(0.1-1μM)を要求する、syntaxin-1Aの結合蛋白質としてmyosin-Vを見出し、その解析を行った。この分子が、syntaxin-1Aと結合する結合部位を明らかにするため、原子間力顕微鏡によって複合体形成を直接、可視化することに成功した。その結果、結合は明確にneck部分で生じていることを証明した。Neck部分に結合するCaMはsubmicromolar Ca^<2+>依存性に解離し、CaMが外れたIQ domainにsyntaxin-1Aが結合することが示された。この部位を認識する抗体を作成して、副腎髄質クロマフィン細胞へ導入して開口放出への影響を調べたところ、開口放出は阻害された。さらに、この過程は開口放出の早い相には影響せず、小胞が供給されて生ずる遅い相の放出を選択的に阻害することがわかった。以上の結果はこの結合により、小胞がmyosin-Vを介して、形質膜のsyntaxin-1Aに結合でき、SNARE複合体形成を進める前段階であるtetheringの分子的実体である可能性を示している。非神経細胞の形質膜型syntaxinアイソフォームであるsyntaxin-2,3,4についても同様の結合が起こるかどうかを解析し、結合親和性はやや低いものの同様の反応が起こることを証明した。報告者は、自己リン酸化型CaMKIIがsubmicromolar Ca^<2+>依存性にsyntaxin-1Aのlinker domainに結合する機構を報告した(J Neurosci 22:3342-51['02])が、これをさらに精査するためにsyntaxin-1A変異ノックインマウスを作成に成功した。2年計画の一年目の本年度は、以下の研究を行った。1)ミオシンVとシンタキシンのカルシウム依存性結合を詳細に解析し、原子間力顕微鏡による結合部位を確定した。また原子間力顕微鏡を用いたこの複合体の観察方法をほぼ確立した。この結合はミオシンVのneck domainで生ずるという、きわめてユニークな性質を持ち、結合のカルシウム依存性はカルシウム依存性にneck domainからのカルモジュリン遊離が起こるという既知の事象と、リンクしていることを証明した。この結合はミオシンVの運動性それ自体は変化させないことを確認した。また抗neck domain抗体の細胞内導入によって、この相互作用は小胞の供給過程に関与することを解明した。以上の結果は、シンタキシンとミオシンVの結合が、開口放出時の小胞サイクリングに深く関わっていることを示している。また開口放出の調節に関与する直接的な証拠と考えられる。2)CaMKII結合能が低い変異R151Gを入れたシンタキシン1A,1Bのノックインマウスを作成中であり、ターゲッティングベクターはシンタキシン1A,1Bとも完成した。1Aについては、導入ES細胞のスクリーニングにも成功してマウスを作成中である。1Bについては、現在、スクリーニングの継続を行っており、確認作業に入っている3)CaMKIIとシンタキシンとの結合がシンタキシンの立体構造の調節を介していることを証明するため、これをパルスESRで解析可能とするため、いくつかの変異体を作成した。4)シンタキシンに関する非神経型アイソフォームとミオシンVの相互作用を解析し、ある種の非神経型シンタキシンには神経型と同様、ミオシンV結合能を有すると思われる結果を得た。
ツノカメムシの繁殖戦略に関する研究:特に親による子の保護の進化

本年度は、種間比較法を用いたツノカメムシ科の繁殖戦略の進化的変遷の分析を中心とした研究を行った。日本産の19種(うち亜社会性8種)について以下の形質データが得られた:体サイズ、保護期間(野外で親の随伴が確認された子供の最も進んだ発育段階)、卵サイズ、クラッチサイズ、産卵当り繁殖投資(前2形質の積)、卵と1令幼虫の発育速度(20°C15L9D条件での期間)。分析結果は以下の通りであった。1)雌の体サイズと卵サイズ、クラッチサイズ、繁殖投資は正に相関していた、しかし、保護習性の有無でアロメトリー係数が異なり、卵サイズや繁殖投資が亜社会性種で大きいと単純には結論できなかった。2)相対(体サイズの影響を除いた)卵サイズと相対クラッチサイズとの間には負の相関が認められ、この両者がトレードオフの関係にあることが示唆された。3)保護期間と体サイズとの間に、有意な相関は認められなかった。保護期間と相対卵サイズは相関しておらず、保護期間と相対繁殖投資との間にも相関は認められなかった。4)卵サイズと卵・1令幼虫の発育速度の間に、相関は認められなかった。一方、卵と1令幼虫の発育速度は正に相関していた。これらの結果の中で、親の保護と卵サイズの関係は特に注目に値する。これまで、様々な動物群で保護行動の程度と卵サイズの間に正の相関が報告されてきたが、ツノカメムシ科にはこの関係が当てはまらなかった。親の保護に伴う卵の大型化を説明するSafe habor仮説(Shine,1978)を始めとした従来の理論に、再考をせまる結果と言えよう。今後、ツノカメムシ科の親の投資パターンに影響を与える制限要因の特定を進め、それらと繁殖形質との相互関係をさらに検討する必要がある。本年度は主に、ヤマグワ上で繁殖するヒメツノカメムシの雌雄に野外で働く性・自然選択の分析を行った。雌に働く自然選択:本種の繁殖に関わる形質(随伴期間、卵塊当り卵数、産卵開始時期、産卵場所に関する形質)に働く自然選択を、野外のヤマグワ上で雌親を個体毎に追跡調査して明かにした。調査した雌57頭の繁殖成功(2令の生存幼虫数)は、平均36.9+-14.6だった。方向性選択差を求めたところ、卵塊当り卵数と随伴期間に正の有意な値が検出された。選択勾配モデル全体の寄与率は0.643とかなり高く、選択差同様に卵塊当り卵数と随伴期間には正の、また産卵開始時期には負の有意な方向性選択勾配が検出された。しかし、有意な安定化あるいは分断選択は検出されなかった。すなわち、雌には、より大きな卵塊を早く産卵し、より長く卵・幼虫に随伴する方向に自然選択が働いている。雄に働く性選択:ヤマグワ上で発見された、交尾に成功した雄と未交尾の雄を全て回収して、形態(体長、前胸幅、交尾節幅、後脚腿節長、前翅長、前翅FA)に働く性選択を測定した。適用度要素には交尾成功を用い、交尾個体に1、未交尾個体に0の値を与えた。有意な方向性選択差は、いずれの形質にも検出されなかった。しかし、選択勾配を求めたところ、体長と前翅長には正の、前胸幅と後脚腿節長には逆に負の有意な方向性選択が検出された。安定化あるいは分断選択は、いずれの形質にも検出されなかった。雄のこれらの形態形質では、見かけ上、性選択による平均的表現型の変化は検出されないが、実際には形質毎に拮抗した選択が働いていることがこの分析によって明らかになったと言える。このことは、選択の測定において、複数の相関した形質を同時に考慮することの重要性を示している。

親の保護に伴う卵の大型化を説明するSafe habor仮説(Shine,1978)を始めとした従来の理論に、再考をせまる結果と言えよう。今後、ツノカメムシ科の親の投資パターンに影響を与える制限要因の特定を進め、それらと繁殖形質との相互関係をさらに検討する必要がある。
直線状多核金属錯体に関する研究

金属を高分子に組み入れた有機金属高分子錯体の研究が最近注目されているが,これは有機金属と高分子の両特性の相乗効果による新しい機能の発現が期待されるからである.我々は,遷移金属をα, ω-ジアセチレンでつなぎ,ポリマー主鎖中にそれらの金属を組み込んだ有機遷移金属高分子錯体(I)を合成し,その機能について研究を行ってきた. Iは直線状構造を有し,分子主鎖中に金属が全て等間隔で規則正しく配列した独特の構造をとっている.今回, I以外の直線状有機金属高分子錯体の合成を計画し,検討の結果,末端にハロゲン配位子を持つアセチレン架橋二核パラジウム錯体を当量の4.4′-ビピリジル存在下にヘキサフルオロリン酸カリで処理すると,カチオン性の直線状多核パラジウム錯体(II)が得られることを見い出した.この合成法により種々のアセチレン架橋二核錯体とビピリジル誘導体からも同様なイオン性高分子錯体を合成することができた.今回合成した高分子パラジウム錯体(II)は金属を主鎖に含む初めてのイオン型有機金属高分子錯体で,金属がアセチレンとビピリジル配位子で交互に規則的に架橋された特異な構造を有する. Iと同様, IIも固体状態では空気中安定で,溶解度は若干劣るもののそのイオン性を反映して塩化メチレン,アセトン,アセトニトリルなど誘電率の高い溶媒には易溶である.同定は各種スペクトルから行い,また,塩化メチレン濃厚溶液中でネマチック液晶を形成することから直線状構造をとっていることも確認した.次に,触媒作用の探索を目的に,この高分子金属錯体のイオン性を利用して粘土層間への固定化も試みた.予備実験として,カチオン性二核パラジウム錯体とモンモリロナイトをアセトンー水の混合溶媒中で撹はんすると淡黄色の固体が得られ, FT-IRやX線粉末法などによる解析からモンモリロナイト層間にパラジウム錯体がインターカレートした錯体であることを確認した.金属を高分子に組み入れた有機金属高分子錯体の研究が最近注目されているが,これは有機金属と高分子の両特性の相乗効果による新しい機能の発現が期待されるからである.我々は,遷移金属をα, ω-ジアセチレンでつなぎ,ポリマー主鎖中にそれらの金属を組み込んだ有機遷移金属高分子錯体(I)を合成し,その機能について研究を行ってきた. Iは直線状構造を有し,分子主鎖中に金属が全て等間隔で規則正しく配列した独特の構造をとっている.今回, I以外の直線状有機金属高分子錯体の合成を計画し,検討の結果,末端にハロゲン配位子を持つアセチレン架橋二核パラジウム錯体を当量の4.4′-ビピリジル存在下にヘキサフルオロリン酸カリで処理すると,カチオン性の直線状多核パラジウム錯体(II)が得られることを見い出した.この合成法により種々のアセチレン架橋二核錯体とビピリジル誘導体からも同様なイオン性高分子錯体を合成することができた.今回合成した高分子パラジウム錯体(II)は金属を主鎖に含む初めてのイオン型有機金属高分子錯体で,金属がアセチレンとビピリジル配位子で交互に規則的に架橋された特異な構造を有する. Iと同様, IIも固体状態では空気中安定で,溶解度は若干劣るもののそのイオン性を反映して塩化メチレン,アセトン,アセトニトリルなど誘電率の高い溶媒には易溶である.同定は各種スペクトルから行い,また,塩化メチレン濃厚溶液中でネマチック液晶を形成することから直線状構造をとっていることも確認した.次に,触媒作用の探索を目的に,この高分子金属錯体のイオン性を利用して粘土層間への固定化も試みた.予備実験として,カチオン性二核パラジウム錯体とモンモリロナイトをアセトンー水の混合溶媒中で撹はんすると淡黄色の固体が得られ, FT-IRやX線粉末法などによる解析からモンモリロナイト層間にパラジウム錯体がインターカレートした錯体であることを確認した.
ネットワーク知的CAIによる個別指導システムの開発

本研究の最終成果として、コンピュータシステムに関して、ハードウェアと作成したソフトウェアを組み合わせ、システムの構築が終了し、ネットワーク接続を完了させ、実験運用を開始した。本システムにより、CGIプログラミングを用いて構築されたサーバーから、問題をネットワークに配信することが可能となった。学習者は、ネットワークに接続した任意のコンピュータをクライアント機として、問題を受信し、その問題に解答し、ネットワークを介してサーバーに返信する。サーバーでは返信された解答について、解答者(学習者)を特定し、解答を採点して記録する。このシステムを活用し、大学初年度の学生を被験者として物理学の知識を試験した。さらに、サーバー上に格納する問題を、技術英単語に関するものとし、学習者の技術英単語に対する知識を推定するとともに、英単語を学習できるシステムを完成させた。学習者の知識の評価方法として、記述式の問題に関する評価アルゴリズムに関する検討を行った。1つの問題に関連する用語をキーワードとして、物理学のうち力学の基本的な問題と、パーソナルコンピュータの操作法に関してこの方法を適用した。また、物理学の問題については、評価アルゴリズムによって得られた評点と、実際に物理学を担当する大学教員による採点を比較し、両者の整合性について検討している。さらに、学習者の陥りやすい誤りについて、物理学公式の記憶の正確さとそれに対する確信度を評価した。研究初年度にあたる今年度は、コンピュータシステムに関し、ハードウェアと作成したソフトウェアを組み合わせ、システムの構築を行ってる。さらに、本システムをネットワークに接続し、現状では学内であれば、ユーザは、本システムをネットワークを介して使用することが可能になっている。現状の本システムの機能は、CGIプログラミングを用いて構築されたサーバーから、問題をネットワークに配信することである。現状では、多肢選択式の問題を用いている。これについては、97年秋に3件の学会発表を行っている。また、学習者の評価方法を検討する方法として、記述式の問題について、評価アルゴリズムの開発にも着手している。現状では、1つの問題に関連する用語をキーワードとして、このキーワードを用いて解答を記述する問題を出題し、それに対する解答を解析し、キーワード間の関連付けの方法から解答を評価する手続きを検討している。これについては、97年秋に1件の学会発表を行っている。さらに、学習者の陥りやすい誤りについて、出題方法や指導方法などに関しても検討している。これについては、論文発表を行っている。上記の学会発表の研究事項をもとに、投稿中の論文2件、投稿準備中の論文が4件ある。研究の最終年度にあたる今年度は、コンピュータシステムに関して、ハードウェアと作成したソフトウェアを組み合わせ、システムの構築が終了し、ネットワーク接続が完了した。本システムの機能は、CGIプログラミングを用いて構築されたサーバーから、問題をネットワークに配信することである。学習者の知識の評価方法として、記述式の問題に関する評価アルゴリズムについても検討を続けている。現状では、1つの問題に関連する用語をキーワードとして、物理学のうち力学の基本的な問題と、パーソナルコンピュータの操作法に関してこの方法を適用した。さらに、学習者の陥りやすい誤りについて、物理学公式の記憶の正確さとそれに対する確信度を評価している。
日本企業のストック・オプション制度導入に関する実証研究

本研究は、日本企業におけるストック・オプション制度の有効性を検証することを目的としている。具体的には、個別企業のミクロ・データを用いて、ストック・オプションに関する実証分析を行っている。さらに、これまで比較的大規模な上場企業を対象に行ってきた実証研究を踏まえ、その対象を新興市場上場企業・未公開企業にも拡張して同制度を総合的な視点から検証している。研究期間は3年間に設定した。本年度は研究の最終年度であり、これまでの研究成果を踏まえ、追加的な実証分析を行い、下記の論文をまとめた。本年度に実施した研究の詳細は下記の通りである。第一に、これまでに実施した実証研究の追加的な分析を行うために、サンプル企業のガバナンス関連のデータセットを作成した。具体的には、各企業の役員構成や株式所有構造、資本構成など財務データ及び株価といったデータベースを構築した。さらに、上記の研究課題に基づいて実証分析を行った。第二に、本年度も継続してストック・オプション制度を活用している未公開企業(通信産業)十数社について実態調査を実施した。さらに、同制度の導入に携わっている実務家にインタビューを行い、現在のストック・オプション制度の活用状況やその特徴、問題点などについての情報を収集した。具体的には、個別企業のミクロ・データを用いて、ストック・オプションに関する計量分析を試みる。さらに、これまで比較的大規模な上場企業を対象に行われてきた研究成果を踏まえ、その対象を新興市場上場企業・未公開企業にも拡張して同制度を総合的な視点から検証する。本年度は3年間の研究期間の初年度であるため、分析視角の精緻化と基礎的データの作成を中心とする作業を行った。また、実証的研究の側面からは、調査対象となる企業リストを作成するとともに、分析指標作成のためのデータ収集を行った。今後は、これらの成果を踏まえて、仮説の精緻化やより詳細なデータ収集行い、日本企業におけるストック・オプション制度の有効性について研究を深めていく予定である。本年度は、前年度より引き続きストック・オプションに関する既存の研究文献を対象に、その整理・検討をおこなった。また、同制度に関する基礎的な資料・データ・調査報告書の収集をおこなった。事例研究の視点からは、ストック・オプション制度を活用している未公開企業(通信産業)複数社について実態調査を実施した。また、上期にこれまでの成果を踏まえ、本格的な実証研究を開始した。まず実証分析のためのストック・オプション関連のデータを収集する作業をおこなった。実証分析では、ストック・オプション導入前後における株価及び経営パフォーマンスの推移を検証した。対象期間は1990年代後半から2005年までである。また着目すべき問題として、企業の成長段階におけるストック・オプション制度の有効性を検証した。具体的には、設立年数を基準に同制度を活用する企業を分割し、その効果の比較を行った。さらに、下期では最新のストック・オプションに関する文献・資料の追加的な収集と整理、実証分析のための課仏式・財務データの収集・整理、実証分析のための仮説の設定及びデータの解析をおこなった。これらについて研究者から有意義なコメント、種々のサジェスチョンをもらい、企業の各成長段階において最適なインセンティブ・メカニズムとはどのようなものであるべきかという点に留意しつつ、追加的なストック・オプション関連のデータの収集・整理・分析とその検討を実施した。
ホメオスタシス性睡眠調節モデルに基づく不眠改善に関する実験研究

本研究は,睡眠時間を制限する軽度断眠が睡眠のホメオスタシス調節機序を駆動し睡眠改善をもたらすかどうかを実験的に検討した。睡眠習慣の愁訴をもつ大学生を対象に睡眠制限法(Spielmanら,1987)に準拠して軽度断眠を操作する介入実験を行い,睡眠覚醒のサーカディアンリズムの改善を睡眠日誌とアクチグラフの分析により確認した。次に,就床時刻を通常より13時間遅らせた睡眠時間の制限条件下で脳波を記録し,早期の睡眠周期にて脳波δ帯域パワと徐波睡眠の増強を認めた。睡眠制限療法の開始期に導入される軽度断眠がホメオスタシス調節機序を強めるとする仮説を支持する結果と考えられる。I.実験環境の整備:(1)公募により8名の実験参加者(成人)を得た。本研究の目的,個人情報の保護,資料の目的外の使用禁止等についてのインフォームドコンセントを文書で得た後,年齢,性別,連絡先,参加時期,不眠愁訴,朝型夜型の睡眠習慣,性格特性等のデータベースを作成した。(2)ディジタル脳波計のバージョンアップと増幅器増設とそれに伴うMACコンピュータの更新,およびアクチグラフのバージョンアップを実施した。(3)終夜睡眠ポリグラフの補助協力者を得た。II.予備実験:睡眠時間制限と睡眠改善の関係の検証を3段階に分けて実施した。段階1:睡眠愁訴の実情を把握する目的で連続7日間の自宅睡眠の様子を睡眠日誌とアクチグラフで記録し,就床・起床時刻の乱れを7名に確認した。段階2:睡眠時間の制限を系統的に実施するために認知行動療法を援用して睡眠効率が85%を超えるように連続20日間の自宅睡眠の就床時間(最短5時間)を調整した。その経緯をメール,日誌,アクチグラフにより記録し,7名中4名は各自の希望時間帯に就寝する改善効果があった。段階3:睡眠時間制限を3条件用意し(通常の就床時刻から2時間遅延,1時間遅延,遅延なし),睡眠の改善効果を睡眠脳波により客観的に検討した。各制限条件のもとで6日間の自宅睡眠を過ごした後,7日目の実験室睡眠の経過を睡眠ポリグラフ記録した。睡眠脳波のスペクトル解析(MEM法)の結果,就床時刻が遅いほど睡眠経過の初期に高エネルギー,高密度の脳波デルタ活動が現れた。睡眠時間制限による睡眠改善がホメオスタシス性調節によることを示す成績と理解される。認知行動療法に準拠した睡眠時間制限が本研究に適した方法であると考えられる。睡眠感とアクチグラフのデータは現在分析中である。5月以降に開催される日本生理心理学会,日本心理学会,日本睡眠学会等で発表予定。前年度に実施した軽度断眠(就床時刻を遅延して床上時間を短縮)による睡眠制限実験で得られたデータを生理・心理・行動の3点から分析を行い,ホメオスタシス調節の関与による睡眠改善の可能性を示唆する成績を得て,日本生理心理学会,日本心理学会,日本睡眠学会等にて公表した。1.ホメオスタシス調節の生理的指標として有力視されている脳波δ帯域パワ(最大エントロピー法による周波数分析で得られた14Kz帯域のパワ積分値)を分析した結果,同パワは軽度断眠を負荷すると睡眠経過の最初の2時間に顕著に増加した後に時間経過とともに指数関数的に減弱する時間変動を示し,その変動は軽度断眠の負荷の大きさに比例してより鮮明となった。これは軽度断眠により増大した睡眠欲求を深い眠りによって短時間で取り戻すホメオスタシス調節の現れと理解され,不眠症の睡眠制限療法に生理的根拠を提供するものと考えられる。2.軽度断眠による睡眠改善の心理的現れをOSA睡眠調査票により調べた結果,睡眠維持(因子H)と入眠(因子V)は軽度断眠が1時間から2時間へと進むに従って改善した。しかし,眠気(因子1),熟眠感(因子IV)および気がかり(因子III)は軽度断眠が1時間から2時間に延長すると悪化した。心理的改善が睡眠維持と入眠改善にとどまったことについてはさらに検討を要する。3.行動面はアクチグラフデータの分析の結果,日中の仮眠の減少およびサーカディアン周期の約24時間への収敷(自己相関分析)を認め,睡眠覚醒リズムに一定の改善が現れた。転出による研究機関の変更に伴い,当初の研究目的と計画を継続し展開するに足る実験環境の整備を進め,パイロット実験を重ねた。その結果,新研究機関において終夜睡眠ポリグラフを安定して継続できることを確認した。軽度断眠下において睡眠のホメオスタシス調節の可能性は学術的にも臨床的にも重要である。不眠等の緩和をめざす睡眠制限法(認知行動療法)を拠り所に軽度断眠の実験計画を策定し,睡眠困難の軽減に関する心理行動学的検討およびホメオスタシス調節の脳波学的分析を重ねてきた。

今年度はデータを整理点検し統計学的な検討を加えて学会等で発表報告した。就床時刻を通常より2時間遅らせた軽度断眠後の入眠12時間に脳波δ帯域(14Hz)パワは有意に増強し,睡眠周期の経過に伴い単調な減少傾向を示すことが統計的に判明した。これまでの成績を考え合わせると,ホメオスタシス調節は就床時刻を13時間遅延する操作で十分に駆動されると言えそうである。なお,そうした有意な統計像のなかにノンレム睡眠時の脳波δ帯域パワが一貫して減少しない事例があり,ホメオスタシス調節の多様性(個人差)という新たな問題が生じている。入眠直後に顕著に生じる脳波δ帯域パワの増強について,その増強への寄与がもっとも大きい周波数は1Hzで,以下2Hz,3Hzの順に小さくなる階層性が見い出された。推論の域を出ないが,睡眠時に生じる1Hz前後の徐波活動は大脳皮質ニューロン回路の再編や最適化に関与するという知見と関連するかもしれない。睡眠制限の介入に伴って形成される睡眠困難の改善を行動学的に検討するために,睡眠覚醒のサーカディアンリズムの定量的な評価を行った。睡眠日誌と平行して,アクチグラフで連続計測した終日の活動量データの自己相関分析(分析長10080分,time lag=2400分)を行い,介入前と介入中で比較検討した。その結果,介入中に睡眠効率が上昇するとともに,睡眠覚醒のサーカディアン周期の約24時間への収束,リズム振幅の増加(リズムの安定化)が有意であることを統計的に認めた。アクチグラムの自己相関分析は睡眠改善の定量的評価の可能性を示唆した。睡眠制限による睡眠改善効果には生理学的なホメオスタシス調節の関与が推定されている。本研究は軽度断眠を負荷した睡眠制限下でのホメオスタシス調節の脳波学的検証および心理学的影響の解明を目的とした。実験参加者8名は本研究の目的・方法・個人情報保護等について書面で同意した。睡眠ポリグラフの順応記録後,軽度断眠を累積的に負荷する漸進的睡眠制限の手続きを開始した。参加者は7日間の基準夜,就床時刻を1日2030分ずつ連続7日間後退させる遅延夜(最大2時間の睡眠短縮),就床時刻を1日2030分ずつ連続7日間前進させる回復夜の3条件の順に,自宅6夜と実験室1夜の睡眠をとった。実験室睡眠は電気的遮蔽・防音暗室内にて標準的睡眠ポリグラフにより観測した。参加者は実験期間中の起床就床時刻,主観的睡眠時間,睡眠感,眠気などの心理変数を睡眠日誌に記録した。睡眠覚醒リズムの行動的計測にアクチグラフを用いた。睡眠脳波(C3導出,基準電極法)の周波数分析(最大エントロピー法)により求めたデルタ帯域(1-3Hz)パワは,基準夜および回復夜と比較して,遅延夜(睡眠制限)において時間経過に伴う単調減少が顕著に生起し,就眠後5時間の総パワ量が有意に多く,特に就眠後1時間で増加が顕著であた。この結果は前報とほぼ一致し,ホメオスタシス調節の睡眠制限下での増強を示している。さらに,ホメオスタシス調節を鋭敏に反映する周波数成分はデルタ帯域のなかで最も遅い1Hzであるという新しい結果を得た。デルタ帯域パワの時間変動は単調減少傾向のほかに,パワの一時的回復や非減少という事例が少なくなく,その多様性の検討が課題として残されている。睡眠覚醒リズムの行動的計測にアクチグラフが有効であるが,その自己相関分析により睡眠制限下で生起するサーカディアンリズムの修正を計量的かつ視覚的に把握することが可能であった。
ABCトランスポータにおけるNBDエンジンの動作メカニズムの解明

医学生理学的に非常に重要なABCトランスポータを駆動しているNBDエンジンの作動メカニズムについて研究して、その作動サイクル中の遷移状態のうちのひとつにおける4次構造変化を明らかにした。さらにNBDエンジンがATP分解エネルギー以外に、水の熱振動エネルギーを利用して作動している可能性を示した。また、単粒子解析によって水溶液中のCFTR分子の全体像を2nmの解像度で解くことに成功し、NBDエンジンの動作サイクルに伴う4次構造変化の観測の可能性を開いた。当該年度は、CFTRチャネルのATP結合/加水分解ゲーティングサイクルにおけるATPのNBDへの結合プロセスについての実験をおこなった。ATP結合の責任残基であるY1219GとW401への点変異を導入して、それらのCFTRチャネルのclosingrate(open time)に対する影響を調べた。その結果、ATPのNBD2への結合親和性が低くなるにつれ、極端にclosing rateが低くなる(locked open)チャネルが出現する確率が高くなることが明らかになった。このことからCFTRチャネルのゲーテイングサイクルにおけるATP加水分解にはATPがNBDに安定結合することが重要であることとCFTRチャネルは開口中に複数の異なる状態を遷移してからATP加水分解が起こることが示唆された。この成果は米国生物物理学会(兼国際生物物理会議)および日本生理学会年会に発表し、論文は国際専門誌に現在投稿中である。また、pyrophosphateを使用してCFTRチャネルの閉口過程において、NBD1にATPが結合かつNBD2が空の中間状態が存在することを明らかにし、米国生物物理学会で発表した。また、MDR1のバクテリアホモログSav1866の結晶構造をテンプレートとしたCFTRチャネルのホモロジーモデルを作成し、分子構造データとパッチクランプで得られた機能データとの統合的理解・解釈を進めるための準備を行なった。他にCFTRチャネルと機能的連関を持つ可能性のある膜機能蛋白のひとつとしてBK_<Ca>チャネルに注目して、ミズーリ大学医学部M.J.Davis教授のグループと共同研究を行ない、その研究成果を国際専門誌(J.Physiol.)に発表した。当該年度は、CFTR-NBDエンジンに関する構造情報およびNBDエンジンの作動原理におけるATPの結合と加水分解の役割についての重要な研究成果が得ることができた。CFTRは、細菌を用いた発現系が使えないために、大量のCFTRを得ることが出来ず、その高解像度の結晶構造は未だ得られてない。今回、我々は精製したCFTR分子の電子顕微鏡写真から単粒子解析を行なって、野性型CFTRの立体構造を2nmの解像度で解くことに成功し、リン酸化(活性化)されていないCFTRが、膜貫通部位直下に横穴を持つ卵型をした二量体構造をとっていることを、世界で最初に明らかにした[Mio et al,2008]。この論文はNBDエンジン部分を含めたCFTR分子の全体像を水溶液中で捉えることに成功した画期的な業績である。これによりNBDエンジンの動作サイクルに伴う4次構造変化の観測の可能性が開かれた。NBDエンジンの機能解析については、ATP Binding Pocket(ABP)1にATP、ABP2にpyrophosphateが結合した状態でCFTRチャネルが開口固定されることを明らかにした[Tsai et al,2008]、このことはNBD二量体化にはATPのリン酸基が持つnegative chargeが重要であることを示唆している。また、高濃度(15mM)のMg^<2+>とPPiによって、飽和濃度(2mM)ATPの1/3程度ではあるが、CFTRが活性化されることが確認できた[Tsai et al,2008]。このことにより、NBDエンジンがATP分解エネルギー以外に、水の熱振動エネルギーを利用している可能性が示された。これは従来のATP加水分解エネルギーを中心とした生体エネルギー観に一石を投じる重要な発見である。本年度は、まず、ゲーティング解析よりMgPPiによって駆動されているCFTRチャネルは、等濃度のMgATPによってATP加水分解を伴いながら作動している場合に比べて、開口過程おいては1/100、閉口過程においては1/3の遷移速度で作動していることが明らかになった。次に、このMgPPi駆動ゲーティングには、ふたつのNBD間の水素結合R555-T1246が重要な働きをしていることが予想されたので、R555K変異を導入した水素結合欠落変異体を作成して、その性質を調べた。R555K変異体は、MgATPによってでも非常に低い開口速度しか示さず、残念ながらゲーティング解析は不可能であった。しかしながらATP加水分解能欠落との二重変異体R555K/T1246では、ゲーティングを観察することができ、NBD間水素結合の欠落によって開口速度の減少および閉口速度の増加が認められた。このことはNBD間水素結合は、NBD二量体の形成および安定化の両方に重要な役割を果たしていることを示唆している。さらに、ATPは結合できるがNBDの二量体化ができないためにATP依存性開口ができないG551

D変異体に、ATP依存性ゲーティングを復活させる薬剤であるgenisteinおよびcurcuminの作用機序はNBDエンジンの動作機構についての重要な情報を含んでいると考えらたので、これらの薬剤についての実験を行った。その結果、驚くべきことに、ATP加水分解能欠落によって開口固定されているE1371S変異体は、genisteinおよびcurcuminの同時投与によって閉口された。このことは、ABCトランスポータ共通のNBDエンジンの活性制御薬開発に直結した非常に重要な知見である。