hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
膀胱腫瘍に対するウォータージェットを用いた抗癌剤組織内注入の基礎的検討

(1)ヒト膀胱壁に対するウォータージェットの安全性の検討注入物質:微粒子活性炭混入生理食塩水、注入速度:1.0,2.0,3.0,4.0ml/sec、カテーテル先端と膀胱壁との距離:0,10,20mm、注入角度:90゚の条件下でウォータージェットを噴出させ病理組織学的に検討した。肉眼的には注入速度1.0ml/sec、カテーテル先端と膀胱壁との距離10mmの場合、カテーテル先端部に一致した径2-3mm大の炭分沈着を認めた。注入速度を大きくするにつれその範囲は拡大し、注入速度4.0ml/sec、カテーテル先端と膀胱壁との距離10mmの場合には4×10mmの範囲となった。カテーテル先端と膀胱壁との距離が大きくなるとその範囲もやや拡大する傾向がみられ、注入速度4.0ml/sec、カテーテル先端と膀胱壁との距離20mmの場合には8×6mmの範囲となった。組織学的には、いずれの条件でも膀胱壁表面に炭分沈着を認めるのみで粘膜内への炭分の浸入はほとんど認めなかった。また、筋層への浸入は全く認めなかった。(2)膀胱腫瘍に対するウォータージェットによる薬液注入効果の検討注入物質:微粒子活性炭混入生理食塩水、注入速度:1.0,2.9ml/sec、カテーテル先端との距離:0,10,20mm、注入角度:90゚の条件下でウォータージェットを噴出させ病理組織学的に検討した。肉眼的には、いずれの条件でもカテーテル先端部に一致して径3-5mm大の炭分沈着を認めた。組織学的には膀胱腫瘍表面に炭分沈着を認めるのみで、腫瘍内への炭分の浸入は認めなかった。今後は、さらに強力なウォータージェットにより薬液を組織内に注入すべく、装置及び手技の改良が必要であると考えられる。
細胞膜プロトンポンプの多様な生理機能と活性制御機構の解明

本研究では、維管束植物における根での無機養分取り込み、篩部でのスクロース取り込み、気孔開口など多くの生理現象において重要な役割を果たしている細胞膜プロトンポンプの解析を進め、その活性調節機構や生理的役割の解明を目的として研究を進めてきた。その結果、陸生植物において光合成に依存した活性化機構が進化的に保存されていること、イネの根の細胞膜プロトンポンプが無機養分であるケイ素により活性化されること、植物ホルモンであるオーキシンやブラシノステロイドによる細胞膜プロトンポンプの活性機構などが明らかとなり、これまで知られていなかった細胞膜プロトンポンプの多様な活性調節機構や生理的役割の一端を解明した。細胞膜プロトンポンプは、維管束植物の根での無機養分取り込み、篩部でのスクロース取り込み、気孔開口など多くの生理現象において重要な役割を果たしている。近年申請者らは、苔類ゼニゴケの細胞膜プロトンポンプが光合成に依存して活性化されること見出した(Okumura et al. Plant Physiol 2012)。さらにこの現象は、気生藻類である車軸藻植物門クレブソルミディウムや維管束植物シロイヌナズナの葉肉細胞においても観察されることを見出し、陸生植物に共通した普遍的な生理現象であることが明らかとなってきた。しかし、そのシグナル伝達や生理的意義は不明である。本研究では、進化的に保存された光合成に依存した活性化機構とその生理的意義を明らかにし、陸生植物における細胞膜プロトンポンプの多様な機能と活性制御機構を解明する。1)「光合成に依存した細胞膜プロトンポンプの活性化機構の解明」これまでに変異原処理したシロイヌナズナを用いた光合成に依存した細胞膜プロトンポンプの活性化に以上の見られる変異体のスクリーニングを進め、光照射によるリン酸化が抑制されている変異体12系統と、暗所下ですでにリン酸化レベルの高まっている変異体8系統を単離した。そのうち一つの変異体の解析を重点的に進め、葉にスクロースが蓄積することでこの現象が引き起こされていることを明らかにした。また実際に、光照射によるプロトンポンプの活性化と良く一致して、植物の葉のスクロース含量が増加することを明らかにし、これらの結果を国際誌Plant Physiologyに発表した。2)「細胞膜プロトンポンプの複合体の解析」光合成に依存したプロトンポンプのリン酸化に伴う、プロトンポンプ複合体や周辺タンパク質のリン酸化レベルの変動解析を進めた。その結果、シロイヌナズナ細胞膜において100を超えるタンパク質が光合成に依存してリン酸化レベルが変動することが明らかとなった。今後は、これら候補タンパク質の機能解析を進めていきたい。3)「苔類ゼニゴケの細胞膜プロトンポンプの機能解析」これまで機能解析が全く行われていないゼニゴケの細胞膜プロトンポンプの機能解析を進めるため、植物体全体に普遍的に発現しているMpHA3、雄器托に特異的な発現の見られるMpHA7のCRISPR/Cas9システムによる遺伝子破壊株を作成し、解析を進め、MpHA7雄器床(雄器托の頭部)の形成に関与していることを見出した。そこで、本研究では、「光合成に依存した細胞膜プロトンポンプの活性化機構の解明」、「細胞膜プロトンポンプの活性化前後におけるホスホプロテオミクス解析」、「細胞膜プロトンポンプの複合体を構成するタンパク質の同定と機能解析」、「植物ホルモン・ブラシノステロイドによる細胞膜プロトンポンプの活性調節機構の解析」、「苔類ゼニゴケの細胞膜プロトンポンプの機能解析」、「車軸藻植物門クレビソルミディウムの細胞膜プロトンポンプの機能解析」について解析を進め、進化的に保存された光合成に依存した活性化機構とその生理的意義を明らかにし、陸生植物における細胞膜プロトンポンプの多様な機能と活性制御機構を解明する。1)「植物における光合成に依存した細胞膜プロトンポンプの活性化機構の解明」これまでの生理・生化学・遺伝学的な解析の結果、光合成によって葉肉細胞にスクロースが蓄積することでこの現象が引き起こされていることを証明し、国際誌Plant Physiology(Okumura et al. 2016)に発表した。また、細胞膜プロトンポンプの活性測定方法を取りまとめ、Okumura and Kinoshita (2016) Bio-Protocolを発表した。さらに、葉で光合成を誘導する光照射を行うと、根の細胞膜プロトンポンプが活性化されることを見出し、長距離シグナル伝達を介した活性調節機構が存在することを見出した。現在、長距離シグナル伝達に関わるシグナル因子の解析を進めている。2)「植物ホルモン・ブラシノステロイドによる細胞膜プロトンポンプの活性調節機構の解析」

これまでの研究により、ブラシノステロイドが受容体BRI1を介して黄化胚軸の細胞膜プロトンポンプの活性化をC末端からの2番目のスレオニン残基のリン酸化を引き起こし、活性化することを見出し、胚軸伸長において重要な役割を果たしていることが明らかとなった。現在、これらの結果を取りまとめ、国際誌に投稿し、審査中である。3)「苔類ゼニゴケの細胞膜プロトンポンプの機能解析」これまで機能解析が全く行われていないゼニゴケの細胞膜プロトンポンプの機能解析を進めるため、植物体全体に普遍的に発現しているMpHA3、無性芽杯の基部に発現するMpHA9や雄器托に特異的な発現の見られるMpHA7のCRISPR/Cas9システムによる遺伝子破壊株を作成し、解析を進めた。細胞膜プロトンポンプは、維管束植物の根での無機養分取り込み、篩部でのスクロース取り込み、気孔開口など多くの生理現象において重要な役割を果たしている。近年申請者らは、苔類ゼニゴケの細胞膜プロトンポンプが光合成に依存して活性化されること見出した(Okumura et al. Plant Physiol 2012)。さらにこの現象は、気生藻類である車軸藻植物門クレブソルミディウムや維管束植物シロイヌナズナの葉肉細胞においても観察されることを見出し、陸生植物に共通した普遍的な生理現象であることが明らかとなってきた。しかし、そのシグナル伝達や生理的意義は不明である。また、細胞膜プロトンポンプは、様々な環境要因、ホルモンによって制御されることが示唆されており、それらに活性調節機構についても不明の部分が多い。そこで、本研究では、細胞膜プロトンポンプの機能解析について解析を進め、進化的に保存された光合成に依存した活性化機構とその生理的意義を明らかにし、陸生植物における細胞膜プロトンポンプの多様な機能と活性制御機構を解明する。これまでに、「植物における光合成に依存した細胞膜プロトンポンプの活性化機構」について、Okumura et al.(2016)Plant Physiology、Okumura and Kinoshita (2016) Bio-Protocolを、「細胞膜プロトンポンプの活性制御機構」について、Toh et al. (2018) Plant and Cell Physiologyを発表した。本研究では、維管束植物における根での無機養分取り込み、篩部でのスクロース取り込み、気孔開口など多くの生理現象において重要な役割を果たしている細胞膜プロトンポンプの解析を進め、その活性調節機構や生理的役割の解明を目的として研究を進めてきた。その結果、陸生植物において光合成に依存した活性化機構が進化的に保存されていること、イネの根の細胞膜プロトンポンプが無機養分であるケイ素により活性化されること、植物ホルモンであるオーキシンやブラシノステロイドによる細胞膜プロトンポンプの活性機構などが明らかとなり、これまで知られていなかった細胞膜プロトンポンプの多様な活性調節機構や生理的役割の一端を解明した。平成27年度の研究により、光合成による細胞膜プロトンポンプの活性化の分子機構が明らかとなってきた。今後は、さらにその生理的意義の解析を進めるとともに、植物の陸上化における細胞膜プロトンポンプの生理機能について進化的な側面からも解析を行うために、車軸藻植物門クレビソルミディウムを材料にした解析も進めていきたい。平成28年度の研究により、光合成による細胞膜プロトンポンプの活性化やホルモンによる活性制御など様々な興味深いシグナル伝達機構が明らかとなってきた。
チャネルとトランスポータの構造・機能協関

多くの膜輸送蛋白の一次構造が決定されてきたが、それらの輸送メカニズムの詳細は依然として不明である。しかし、イオンチャネルや水チャネルなどの「チャネル」と、キャリアやポンプなどの「トランスポータ」は、無関係に独立したものではなく、多くはクロストークしながら機能的に密接な協力関係を結んでいることが判ってきている。CFTRのようにトランスポータ型構造をしたイオンチャネルの存在や、P糖蛋白のように薬剤ポンプでありながらイオンチャネル機能にも深く関与する事実は、チャネルとトランスポータが構造的にも密に連関することを示している。そこで、チャネルとトランスポータを構造と機能において協関的に捉え、膜輸送体概念を再編成しなければならないものと認識し、平成7年度より三年間、重点領域研究「チャネルとトランスポータの構造・機能協関」を推進することになり、その準備のために本研究課題が遂行された。具体的には、以下のような活動を行い、この重点領域研究の課題遂行方法の調査・検討、およびこの重点領域研究発足の目的の周知・徹底を行った。A)次の三班に分かれて調査活動を行った。1.チャネルとトランスポータの構造・機能相関、2.ATP駆動型トランスポータとチャネルの構造・機能協関、3.イオン駆動型トランスポータとチャネルの構造・機能協関。B)それらを持ち寄って二回の班会議、一回の班長会議で重点領域研究としての課題の企画をした。C)100名以上の一般参加者をえて公開シンポジウムを行い、2名の外国人と6名の日本人の第一線研究者による講演と、それに基ずく討論を行った。D)重点領域研究への公募研究についての審査会を行った。これらの成果によって、次年度からの重点領域研究の推進の基盤が得られた。
メソ多孔質体に導入した金属酸化物ナノ超微粒子を触媒とする不飽和アルコール合成反応

1)テンプレートイオン交換法によるSnおよびZr/MCM-41の調製Sn/MCM-41触媒についてはテンプレートイオン交換法により,Zr/MCM-41触媒についてはテンプレートイオン交換法に加え,グラフト法により高分散担持触媒の調製を試みた。2)SnおよびZr担持触媒のキャラクタリゼーションMCM-41に担持したSnおよびZrの状態を調べるために,表面積および細孔径分布の測定を行った。Zr担持触媒では,Zrの担持によってMCM-41のメソ細孔が数nm縮小することがわかった。これは,ZrがMCM-41メソ細孔内に完全に均一に分散するのではなく,細孔入口近傍に比較的集中して担持されていることを示唆する。SnおよびZr触媒に関し,吸着ベンズアルデヒドのアンモニア滴定法を用いて,SnおよびZr酸化物の分散性を評価した。テンプレートイオン交換法で導入し,さらにHClなどであらかじめ過剰のテンプレートを除去した触媒,graft法で固定化した触媒のSnやZr酸化物の分散性が高くよりMCM-41表面に広がっていると思われる。同じ担持量でも活性点数の大きな触媒が調製されていると思われる。3)SnおよびZr担持触媒上でのアセトフェノンの還元反応アセトフェノンの2級アルコールを還元剤としたMPV還元反応を行った。生成物は唯一1-フェニルエタノールであり,選択的にカルボニル基の還元が進行した。上記アンモニア滴定法で高い分散性が得られた,SnおよびZr触媒で高い活性が得られた。工夫したテンプレートイオン交換法やgraft法が金属酸化物を高分散担持できる優れた調製法であることがわかった。さらに,graft法で調製したZr触媒で表面Zr1個当たりの活性,TOF,を測定したところ,他の調製法の触媒のTOFよりも高い値を示した。これは,高分散Zr触媒が単に活性成分の露出率が高いだけではなく,活性点1個当たりの真の活性も高いことを示しており,大変興味深い。他の反応への応用が期待される。1)テンプレートイオン交換法によるSn/MCM-41の調製メソ多孔質体の1つである,MCM-41を所定の方法に従い合成した。MCM-41の細孔を形成させるために用いた鋳型材である界面活性剤(トリメチルヘキサデシルアンモニウムプロミド)をメソ細孔内に保持したままの試料を用いて,活性サイトを形成するSnイオン種をアンモニウムイオンとのイオン交換で導入した。その後,残存している界面活性剤を空気流中で焼成処理することにより,Sn/MCM-41を得た。Sn導入量は,仕込みのSn溶液のSn濃度を変化させ調節する方法と逐次的にテンプレートイオン交換を繰り返す方法を用いて制御した。2)Sn/MCM-41のキャラクタリゼーションテンプレートイオン交換法の目的が高分散Sn酸化物担持MCM-41触媒の調製であるので,調製後,得られた触媒の表面積およびSn酸化物分散性を評価した。テンプレートイオン交換して調製したSn/MCM-41に残存するテンプレートを焼成処理により除去した際,燃焼熱による温度上昇が観測された。局所的には観測された温度よりも著しく高温になったと考えられる。

Sn担持量の多いSn/MCM-41においてBET表面積の減少やSn酸化物の凝集が一部観測され,また,MCM-41のメソ細孔構造の破壊も見られた。これは,テンプレートの燃焼除去の際の大きな発熱による。なるべくテンプレートの残存量を減少させる目的で,複数回のテンプレートイオン交換を逐次的に行い高濃度のSnの導入を試みた。複数回交換してもある程度のテンプレートは残存し,焼成処理によるテンプレート除去の際に発熱し表面積の減少およびSn酸化物の凝集を抑制することは困難であった。3)Sn/MCM-41触媒上でのアセトフェノンの還元反応アセトフェノンの2級アルコールを還元剤としたMPV還元反応を行った。生成物は唯一1-フェニルエタノールであり,選択的にカルボニル基の還元が進行した。テンプレートイオン交換反応で調製したSn/MCM-41は同じ担持率で比較すると通常の含浸法で調製した触媒よりも高い活性を示した。テンプレートイオン交換により高分散でSnをMCM-41メソ細孔内に導入できたためと考えられる。1)テンプレートイオン交換法によるZr/MCM-41の調製メソ多孔質体の1つである,MCM-41を所定の方法に従い合成した。活性サイトを形成するZrイオン種をテンプレートイオン交換法で導入した。その後,残存している界面活性剤を空気流中で焼成処理することにより,Zr/MCM-41を得た。その他,Zr(n-C_3H_7)_4のn-propanol溶液を用いて,graft法にて固定化式Zr-MCM-41を調製した。2)SnおよびZr担持触媒のキャラクタリゼーション昨年と同様にMCM-41に担持したSnおよびZrの状態を調べるために,表面積および細孔径分布の測定を行った。Zr担持触媒では,Zrの担持によってMCM-41のメソ細孔が数nm縮小することがわかった。これは,ZrがMCM-41メソ細孔内に完全に均一に分散するのではなく,細孔入口近傍に比較的集中して担持されていることを示唆する。SnおよびZr触媒に関して,吸着ベンズアルデヒドのアンモニア滴定法を用いて,SnおよびZr酸化物の分散性を評価した。テンプレートイオン交換法て導入し,さらにHClなどであらかじめ過剰のテンプレートを除去した触媒,graft法で固定化した触媒のSnやZr酸化物の分散性が高くよりMCM-41表面に広がっていると思われる。同じ担持量であっても活性点数の大きな触媒が調製されていると思われる。3)SnおよびZr担持触媒上でのアセトフェノンの還元反応アセトフェノンの2級アルコールを還元剤としたMPV還元反応を行った。上記アンモニア滴定法で高い分散性が得られた,SnおよびZr触媒で高い活性が得られた。工夫したテンプレートイオン交換法やgraft法が金属酸化物を高分散担持できる優れた調製法であることがわかった。さらに,graft法で調製したZr触媒で表面Zr1個当たりの活性,TOF,を測定したところ,他の調製法の触媒のTOFよりも高い値を示した。これは,高分散Zr触媒が単に活性成分の露出率が高いだけではなく,活性点1個当たりの真の活性も高いことを示しており,大変興味深い。他の反応への応用が期待される。
ネオアンチゲンから展開する膵臓癌に対する複合的免疫療法の開発

膵臓癌は有効な治療法が乏しい極めて予後不良な疾患である。今後、膵臓癌に対して免疫療法が画期的な治療法となることが大変期待されているが、まだその手法は確立していない。本研究においては、患者個々のがん細胞に発生している遺伝子変異に基づいた腫瘍特異的変異抗原(ネオアンチゲン)を標的とした細胞傷害性T細胞の樹立を行う。さらに難治性膵臓癌に対して複数の免疫療法を組み合わせた複合的治療法の基礎について検証する。
胎生～成体期海馬ニューロン新生を微小環境シグナル動態を中心に解析する

海馬歯状回の顆粒細胞層内側には、顆粒細胞前駆細胞(granule cell progenitors, GCP)があり、顆粒細胞が一生の間新生され続けている。この生後の海馬で起こる例外的なニューロン新生は、海馬の学習・記憶や神経疾患に関係することが報告されている。一生続く海馬のニューロン新生のメカニズムを理解するためには、ニューロン新生機構を胎生期成体期まで包括的に解析することが必要である。今までの研究から、胎生期の海馬顆粒細胞のニューロン新生には、CXCL12/CXCR4シグナル系が関与していることが示唆されている。そこで、CXCL12を分泌する細胞(微小環境に相当)と、その分子の受容体CXCR4を発現するGPCという視点を導入して、GPCにおけるCXCR4分子の発現動態を解析した。その結果、移動中及び到着部位である歯状回では、脱リン酸化型のCXCR4が、GCP細胞内の核周囲部や突起基部に顆粒状に凝集していることを見出した。一方、細胞膜上にはリン酸型と脱リン酸化型のCXCR4が局在していた。CXCR4アンタゴニストのAMD3100によりCXCL12 /CXCR4シグナルを阻害したところ、CXCR4発現は細胞膜上に限られ、細胞内には見られなかった。またAMD3100処置により、GCPに早熟な分化や移動の遅延が起こり、歯状回の周囲部には、異所性のGCPが観察された。これらの結果は、1)歯状回周辺部から分泌されるCXCL12が、移動中のGCP細胞膜上のCXCR4に作用すると、CXCR4がリン酸化され、エンドサイトーシスされる、2)その後、CXCR4は、細胞内の中心体、ゴルジ体、リソソーム近傍に細胞内移動し、脱リン酸化されることを示唆している。またCXCR4の機能に関しては、CXCR4がGCPの分化、移動、最終的な到着位置を調節することが考えられる。当初、胎生成体期海馬ニューロン新生を微小環境の視点から包括的に解析する目的で、つぎの3つの実験を行うことを計画した。1)胎生期生後初期では、GFAP-GFP+神経前駆細胞におけるCXCR4の細胞膜から細胞内への移行を詳細に解析する。また、阻害剤や遺伝子改変マウスを用いてCXCR4分子の機能を解析する。さらにCXCR4のエンドサイトーシスに着目し、CXCR4の作用機序を解析する、2)培養系の解析では、CXCR4のエンドサイトーシスを、タイムラプス観察を用いて観察する、3)成体期の観察では、CXCR4-GFP遺伝子を胎仔期に導入し、その動態を観察する。また、てんかんマウスモデルにおけるCXCR4分子の動態を同様の方法で解析する。1)についてはおおむね研究が終わり、論文としてまとめ、発表することができた。2)については、PC12細胞を用いて実験を行い、培養液中に、CXCL12分子を添加すると、in vivoと同様に細胞内にCXCR4の凝集体が形成されること、またNGFを作用させ、突起伸長を促すと、同様の凝集体を形成することを明らかにした。しかし、この現象の解析が未だ不十分であり、タイムラプス観察は行っていない。3)の遺伝子導入実験については、予備実験は行ったが、まだ十分にデータが集まっていない。てんかんモデル実験では、神経幹細胞・前駆細胞の極性について、新たな研究課題が見つかり、CXCR4/CXCL12の解析以前に解決する問題が浮上した。てんかんモデル実験において、神経前駆細胞の移動方向(極性)が分子層側になり、異所性の移動が起こることを見出した。神経幹細胞の極性については現在検討中である。胎生期の神経前駆細胞の移動におけるCXCR4/CXCL12の作用機序についてのin vivoの実験は終了したが、in vitroの実験はまだ終了していない。しかし、この実験に従事していた修士課程の学生が卒業し、継続が困難な状況になったので、この研究は一時中断し、環境が整ったらまた再開したい。てんかんモデル実験に関しては、神経幹細胞・神経前駆細胞の極性に関する新たな研究課題が見つかったので、実験を継続する。神経前駆細胞の移動方向(極性)に対するてんかん発作の影響は既に解析を終わったが、神経幹細胞の突起の伸長方向(極性)に対する影響の解析は未だ終わっていない。CXCR4/CXCL12の解析の前に、このような神経幹細胞の細胞極性の基本的な問題をまず解析し、その後に、CXCR4/CXCL12との関連について解析する予定である。海馬では、成体になってもニューロン(顆粒細胞)の新生が例外的に続いている。現在、成体海馬のニューロン新生は、再生医療、記憶・学習機構、精神疾患など様々な分野で注目され、精力的に研究されている。本研究では、胎生期成体期まで起こる海馬のニューロン新生を包括的に解析する。胎生期の海馬顆粒細胞のニューロン新生には、CXCL12/CXCR4シグナル系が関与していることが示唆されている。そこで、CXCL12産生ニッチ細胞とCXCR4発現神経幹細胞/前駆細胞という視点を導入して、CXCR4分子の神経前駆細胞における発現動態を解析し、海馬ニューロン新生におけるCXCL12/CXCR4シグナルの作用機序を解析する。CXCL12を発現する(推定)ニッチ細胞は髄膜の細胞や海馬溝の細胞に存在する。この細胞とCXCR

4発現神経前駆細胞の動態を共焦点レーザー顕微鏡や電子顕微鏡を用いて詳細に観察した。神経前駆細胞が脳室側から髄膜/海馬溝側に移動する時、移動の開始点では、CXCR4分子は細胞膜に発現しているが、CXCL12を分泌している髄膜/海馬溝に近い移動中や終着点の細胞では、CXCR4分子は細胞内に点状の凝集体として存在していた。CXCR4の細胞内局在をゴルジ体マーカーGM130、中心体マーカーγチューブリン、ライソゾームマーカーLAMP1を用いて調べたところ、CXCR4陽性凝集体はゴルジ体と40.5%、中心体と73.6%、ライソゾームと56.4%の割合で共存していることが明らかになった。中心体との共存は電子顕微鏡によっても確認された。また、CXCR4受容体アンタゴニストであるAMD3100を用いて、CXCL12/CXCR4シグナルの機能を解析したところ、このシグナルは神経前駆細胞の移動や到着地点の決定に関与していることが明らかになった。研究計画調書で予定していた28年度研究計画のうち、1.胎生期生後初期の解析:前駆細胞の移動・分化に対するCXCR4の役割を検討するの項目の、1.1. CXCR4の細胞内局在の解析については、大旨目的を達成し、細胞内局在をあきらかにできた。1.2.阻害剤AMD3100を用いたCXCL12/CXCR4シグナルの機能解析についても、神経前駆細胞の移動については解析結果を得られた。しかし、まだ解析していない機能があるので、引き続き解析を行う予定である。2.1培養細胞おけるエンドサイトーシスの動態解析については、実験を始めたが、安定した培養系と実験系の確立にもう少し時間がかかると思われる。2.2培養細胞におけるCXCR4変異体分子によるエンドサイトーシスの解析については、阻害実験のためのプローブを作製したが、発現が低くプローブの設計を再考している最中である。海馬歯状回の顆粒細胞層では、顆粒細胞前駆細胞(granule cell progenitors, GCP)によって、顆粒細胞が一生の間新生され続けている。この生後に起こるニューロン新生は海馬の学習・記憶や神経疾患に関係することが報告されている。この一生続くニューロン新生のメカニズムを理解するためには、ニューロン新生機構を胎生期成体期まで包括的に解析することが必要である。胎生期の海馬顆粒細胞のニューロン新生には、CXCL12/CXCR4シグナル系が関与していることが示唆されている。そこで、CXCL12産生ニッチ細胞とCXCR4発現神経幹細胞/前駆細胞という視点を導入して、CXCR4分子の神経前駆細胞における発現動態を解析した。その結果、移動中及び到着部位である歯状回では、CXCR4はGCP細胞内の核周囲部や突起基部に顆粒状に凝集していることを見出した。細胞膜上にはリン酸型と脱リン酸化型のCXCR4が局在し、細胞内の凝集体には主に脱リン酸化型のCXCR4が存在していた。CXCR4アンタゴニストのAMD3100によりCXCL12 /CXCR4シグナルを阻害したところ、CXCR4発現は細胞膜上に総てのCXCR4発現が見られた。またAMD3100処置により、GCPに早熟な分化や移動の遅延が起こり、歯状回の周囲部には、異所性のGCPが観察された。
人間との協調を目指したネットワークロボットトラクタに関する研究

本研究は複数のロボットをネットワークに組み込んだ管理システムの構築を目指している。ロボットと人間や複数のロボット間をオープンで柔軟なネットワークで接続することにより,作業計画から作業中のロボットモニタリングはもちろんのこと,インターネットを介して有用な情報を収集し,農家がタイムリーな意思決定できるプラットフォーム構築を目指している,研究期間を通して2台のロボットによる協調作業システムを構築して,以下の成果を得た。1.収穫作業における追従作業をモデルとして,一台のトラクタに対してロボットトラクタが自動的に追従できるシステムを構築した。複数のトラクタを比較的近い距離で追従させ,同時に作業を行う際には,ローカルな環境を認識できるデバイスを装備することが安全性を補償する上で重要となる。本研究では2車両間の距離が比較的小さい場合の追従機能に重点を置き,2Dレーザ測距器を用いることで追従対象となる車両の相対姿勢情報を認識することで2台のトラクタの協調作業を実現した。2.先行車両を人間に操縦させ,追従作業を完全自動化するほ場試験を行った。この際PI制御を用いて追従車両を制御した。縦方向距離によってエンジン回転数を制御し,横方向距離によってステアリング角を制御した。また,追従車両の走行開始と終了を縦方向距離の値をもとに自動的に行えるようにした。ほ場試験では横方向距離が0.5m,縦方向距離が0.16m以内の精度で追従車両を走行制御することができた。本研究は複数のロボットをネットワークに組み込んだ管理システムの構築を目指している.ロボットと人間や複数のロボット間をオープンで柔軟なネットワークで接続することにより,作業計画から作業中のロボットモニタリングはもちろんのこと,インターネットを介して有用な情報を収集し,農家がタイムリーな意思決定できるプラットフォーム構築を目指している.今年度は以下の研究を実施し,成果を得た.1)無線LANプラットフォームの構築無指向性アンテナを装備し,到達距離13km,通信速度11Mbpsのものを使用した.本研究は北海道大学北方生物圏フィールド科学センター生物生産研究農場を使用して,庁舎屋上にアンテナを設置し無線LANを張った.庁舎建物から半径500mの範囲で複数のロボットトラクタと基地局がLAN接続された.2)2台のロボットトラクタによる協調作業システムの構築無線LANシステムの有効性を検証するために,ロボットを群として制御・管理できるシステム開発を行った.今年度は2台の農用移動ロボットによる協調作業システムの基礎理論ならびにその制御アルゴリズムについて検討した.2台のロボットトラクタ間に上下関係を持たせ,任意点移動における運動制御のシミュレーションを行った.また,移動障害物検知のためにRisk-Indexという概念も取り入れ,速度およびステアリング制御による衝突回避を可能にした.開発したシステムの有効性はシミュレーションとほ場試験によって検証した.本研究は複数のロボットをネットワークに組み込んだ管理システムの構築を目指している。ロボットと人間や複数のロボット間をオープンで柔軟なネットワークで接続することにより,作業計画から作業中のロボットモニタリングはもちろんのこと,インターネットを介して有用な情報を収集し,農家がタイムリーな意思決定できるプラットフォーム構築を目指している。今年度は2台のロボットによる協調作業システムの研究を実施し,以下の成果を得た。1.開発した協調作業システムは追従作業を実現するもので,2台のロボットトラクタ間に意思決定者であるMasterと従事者であるSlaveといった上下関係を持たせたシステムを構成した。また,ロボットトラクタには航法センサであるRTK-GPSとFOGが搭載されており,無線LANを介して車両情報の通信を行わせた。2.追従走行制御アルゴリズムを構築した。追従制御には,ロバスト性に富むスライディングモード制御を採用した。コンピュータシミュレーションを行った結果,Slaveが十分な追従精度で走行できることを確認した。その後,実際にロボットトラクタを使用した制御実験を行った。ロボットトラクタ1台で追従走行させた場合は,横方向偏差10cm以内,縦方向偏差20cmと良好な精度で走行できた。また,Masterは人が操縦し,もう1台を自律走行させた実験では,1台による実験に比べ精度は落ちたが,原因がMasterの方位角変動にあり,方位角を安定させることができれば走行精度の向上が期待できることを明らかにした。

本研究は複数のロボットをネットワークに組み込んだ管理システムの構築を目指している。今年度は人間や他のロボットなど移動する障害物をロボットが認識できる方法論を2次元レーザー距離計を用いて構築した。さらに,2台のロボットによる協調作業システムを目指して,追従走行システムを開発し,ほ場試験を実施した。得られた成果をまとめると,以下のようになる。1.レーザー測距器を導入することで,ローカル空間内の物体までの距離情報を得て,ロボットに周辺環境の変化に対応した判断を行わせた。この障害物認識によりロボットは危険回避動作も生成できるようになり,安全性の向上につながる。本研究では,その手始めとしてレーザー測距器を用いて移動障害物の方位,速度および形状・大きさの推定方法について考察した.スキャンごとに障害物座標を絶対座標に変換し,その座標群の代表となる点を設定し,そのベクトルの向きや大きさから障害物の方位,速度を推定した。また,レーザー測距器のスキャン情報を集約することで,障害物形状を点群マップによって表現した。2.追従走行制御アルゴリズムを構築した。追従車両は速度と操舵角を逐次制御することで,任意の相対角・相対距離のもとで先行車両を追従することができる。ほ場試験では,先行車両は人間が操縦し,追従車両に自律走行させた。直線経路,蛇行経路,旋回経路など様々な経路の元で走行試験を行ったが,概ね相対距離は10cm程度,相対角が1°の誤差で,先行車両を正確に追従することができた。
自己学習型制御システムの不整地用ベースマシンへの適用に関する基礎的研究

本研究の目的は,林業用ベースマシンに自己学習型制御方式を導入して,傾斜不整地における自律的安定性の確保するために必要な,基礎的知見を得ることにある。このために以下の検討を行った。1.自己学習システムの検討自己学習型制御システムとして利用可能な,ファジィ,ニューラルネット,遺伝的アルゴリズム,カオスなどを比較検討した結果,実時間制御に必要な速度の面から,ニューラルネットが有利であることがわかった。また,現実の複雑な事象に対応するためには,学習のための教師信号としてファジー関数を利用することによって,学習回数を低減可能であることがわかった。2.制御システムの構築とシミュレーションによる検討コンピュータシミュレーションを行うために,不整地上の移動に有利な半脚式機械の力学モデルを構築した。このモデルを用いて,まず歩行動作によって力が加わる土壌の反応について検討した。土壌を個別要素法を用いてモデル化した結果,歩行動作時の反力,掘削量,滑りについて精緻にシミュレートすることが可能となった。3.不整地における車両の挙動の検討森林内における機械の移動が林地に与える影響と,その後の回復状況について検討した結果,歩行時の掘削は圧縮ではなく滑りであることが示唆された。また,森林内作業が残存木に与える影響について被害状況を調査した結果,残存木の傷は主に伐木造材作業において生じることが明らかになり,これを防ぐためには機械の大きさに合わせた十分な作業スペースを確保することが,オペレータの視界の確保にもつながり望ましいと考えられた。研究は順調に進んでいる。研究実施計画(様式3-3)に基づいて、本年度は下記の検討を行った.1.自己学習システムの検討これまでに提唱されてきた自己学習型制御システムとしては、ファジィ制御、ニューロ制御、遺伝的アルゴリズム、カオスなどがあり、さらにこれらのいくつかを組み合わせた制御システムがある。これらの制御システムには、適用可能な分野や演算量についての特徴に各々一長一短あり、最適な制御方法として結論づけられるものは未だない。したがって、さらに検討を続ける必要がある。2.制御システムの構築とシュミレーションによる検討前項の結論が出ていないことに関連して、最終的な制御システムの構築には未だ至っていないが、ニューロ制御を中心とした制御システムについて、テストを行いながら構築を始めている。また、不整地上の機械、特に脚が土壌に及ぼす影響と土壌の反応との関係については、ビジュアルなコンピュータシュミレーションを行っており、現在は小型試験機を用いた実験の準備を進めている。このシュミレーションについては、第109回日本林学会大会において口頭発表の予定である。3.不整地における車両の挙動の検討森林内における機械の移動が林地に与える影響と、その後の回復状況について調査し、検討した。また、森林内作業が残存木に与える影響について被害状況を調査し、原因などについて検討した。これらは各々雑誌論文として取りまとめた。
近赤外線CTによる脳機能解析法の確立と応用:ファンクショナル光CT法の確立

大阪大学蛋白質研究所に設置されていた近赤外線CT装置では、血漿をヘモグロビンを含まない代用血漿に置換したラットの虚血時の脳の画像化に成功した。しかし、その装置では代用血漿を用いないと鮮明な脳の画像が得られず、解像度も10mmと低いものであった。その後の技術の進歩により、1)波長690nmを含む3波長を用いると血漿を含む脳でもヘモグロビンとシトクロム酸化酵素a,a_3とを分離して測定することが可能であること、2)コリメーターを含む検出器ユニットを改良し、光の散乱を考慮した解析法を使用することによって、感度と空間分解の向上が期待出来ること、などが明らかとなった。そこで、本研究ではこれらの成果を取り入れ上記の近赤外線CT装置のレーザーコリメーションシステムを、830nmの波長のものを690nmの波長のものに代えた3波長のレーザー光を使用する新たな半導体レーザーコリメーションシステムと交換し、光散乱を考慮に入れた解析システムを装着して解像度を高めたところ、近赤外線波長範囲で吸収を持つ人工物質で作成したファントムによる測定では解像度が3mmに向上していた。更に、動物実験を行ったところ、血液を代用血漿に置き換えることなしに本改良CT装置により動物(ラット)の頭部に注入した近赤外線領域に吸収を持つ色素(ICG)の吸収を測定することが出来た。また、てんかん発作を引き起こすFeCl_3をラット脳内局所に注入したところ、てんかん発作の焦点での血流増加を示すヘモグロビンによる吸収の増加を観測することが出来た。今後本装置を用いて種々の脳内局所での血量と活動の変化の測定法を確立したい。これまで大阪大学蛋白質研究所に設置された近赤外線CT装置を使用し、血漿をヘモグロビンを含まない代用血漿に置換したラットの虚血時の脳の画像化に成功したが、代用血漿を用いないと鮮明な脳の画像が得られず、解像度も約10mmとかなり低いものであった。その後の技術の進歩により、波長690nmを含む3波長を用いると血漿を含む脳でもヘモグロビンとシトクロム酸化酵素a,a_3の分離測定が可能であることが明らかとなった。更に、コリメーターを含む検出器ユニットを改良することによって、感度と位置分解の向上が期待出来ることも明らかとなった。そこで、これらの成果を取り入れ現在大阪大学蛋白質研究所にある近赤外線CT装置にある3波長(780、805、830nm)の半導体レーザー光を使用するレーザーコリメーションシステムを、830nmの波長のものを690nmの波長のものに代えた3波長のレーザー光を使用する新たな半導体レーザーコリメーションシステムと交換してCT画像の改良とヘモグロビンとシトクロム酸化酵素の分離した画像化を行うと同時に、解像度も高める機械的改良を行い、新たなる3波長法に対応したCT画像を作成するためのCT装置のコンピューターソフトウェアーの改変した。この装置を用いて予めこの波長範囲で吸収を持つ人工物質で作成したファントムによる近赤外光吸収CT画像の測定を行ったところ解像度が以前の10mmから5mmの2倍に向上していた。現在、この装置を用いて実際の動物(ラット)の頭部で上記2つの蛋白質をそれぞれ分離したCT画像として捕捉することが出来るか否かを検討中である。大阪大学蛋白質研究所に設置された近赤外線CT装置を使用し、血漿をヘモグロビンを含まない代用血漿に置換したラットの虚血時の脳の画像化にこれまでに成功しているが、代用血漿を用いないと鮮明な脳の画像が得られず、解像度も約10mmとかなり低いものであった。

本研究では平成7年度に近赤外線CT装置のレーザーコリメーションシステムを波長を830nmから690nmの波長のものに代えた3波長のレーザー光を使用する新たな半導体レーザーコリメーションシステムと交換すると同時に、解像度を高める機械的改良を行った。今年度はこのCT装置のコンピューターソフトウェアーを改良し、解像度を更に改善した。即ち、これまで本装置は連続光による測定値を直線的にback projection(BP)する方法を用いたが、このような光の散乱を無視して直進すると考えた上での再構成法には分解能の点で問題があった。そこで、散乱光も計算に入れてCT画像を改良しその分解能を上げる努力を行った。この間、散乱体内部における光拡散の研究が進展し、コンピューターの発展と相まって光の拡がりをMonte Marlo法と呼ばれるコンピューター・シミュレーション法で推定することが出来るようになった。この方法を用いて直線の代りに、得られた拡がりでback projectionする方法が拡がりを考慮した再構成方法(重み関数法)でありこの方法を使用することによって、検出光量を減らすことなく再構成画像の分解能を向上させることが出来た。この再構成法の分解能について検討した結果、本方法で測定すると従来の直線BP法では分離することの出来なかった2つの吸収体が分離出来るようになった。これらの結果から現在の本近赤外線CT装置の分解能は5mm以下に改善したことが明かになった。現在、分解能の改善した本装置を用いて動物での検討を行い、活動を反映した頭部特に能の機能画像の作製に取りかかっている。これまで大阪大学蛋白質研究所に設置された近赤外線CT装置を使用し、血漿をヘモグロビンを含まない代用血漿に置換したラットの虚血時の脳の画像化に成功したが、代用血漿を用いないと鮮明な脳の画像が得られず、解像度も約10mmとかなり低いものであった。その後の技術の進歩により、波長690nmを含む3波長を用いると血漿を含む脳でもヘモグロビンとシトクロム酸化酵素a,a_3の分離測定が可能であることが明らかとなった。更に、コリメーターを含む検出器ユニットを改良することによって、感度と位置分解の向上が期待出来ることも明らかとなった。そこで、これらの成果を取り入れ現在大阪大学蛋白質研究所にある近赤外線CT装置にある3波長(780、805、830nm)の半導体レーザー光を使用するレーザーコリメーションシステムを、830nmの波長のものを690nmの波長のものに代えた3波長のレーザー光を使用する新たな半導体レーザーコリメーションシステムと交換してCT画像の改良とヘモグロビンとシトクロム酸化酵素の分離した画像化を行うと同時に、解像度も高める機械的改良を行い、新たなる3波長法に対応したCT画像を作成するためのCT装置のコンピューターソフトウェアーの改変した。この装置を用いて予めこの波長範囲で吸収を持つ人工物質で作成したファントムによる近赤外光吸収CT画像の測定を行ったところ解像度が以前の10mmから5mmの2倍に向上していた。現在、この装置を用いて実際の動物(ラット)の頭部で上記2つの蛋白質をそれぞれ分離したCT画像として捕捉することが出来るか否かを検討中である。
宇宙探査機の自律着陸誘導法の研究

月や惑星などへの探査機の自律的着陸誘導法について,安全・確実に着陸するために必要なセンサ情報処理,カメラ画像に基づく地形認識,それらの情報に基づいた探査機誘導制御則に関する検討を行った.また,計算機上に天体の表面地形モデル(太陽光の反射特性も含む)と探査機モデル(ダイナミクス・制御則,センサモデルなどを含む)を構築し,探査機の自律着陸を計算機上で模擬できるグラフィカル着陸シミュレータを開発した.以下に得られた知見をまとめる.1.グローバルマッピング移動ステレオ法と輪郭・影情報を用いる手法により,3次元構造を復元する手法を確立した.2.惑星モデルの構築惑星形状や表面のクレータなどのモデル化を行い,さまざま惑星モデルを生成可能にした.また,太陽光の反射特性を考慮し,任意の位置から撮像した画像を生成する機能を実現した.3.着陸誘導制御アルゴリズム複雑な表面地形に対しても特徴点抽出が可能な手法を構築した.また,距離センサおよび画像情報を用いて,探査機の相対位置姿勢検出などがロバストに行われるアルゴリズムを考案した.4.地形認識画像情報から定性的な地形認識を行う手法を確立し,障害物回避,目標地点への高精度誘導着陸手法を構築した.本研究により,ロバストで高精度な自律着陸航法誘導システムが構築可能となり,今後の惑星科学の発展に大きく貢献できることが期待される.月や惑星などへの探査機の自律的着陸誘導法について,安全・確実に着陸するために必要なセンサ情報処理,カメラ画像に基づく地形認識,それらの情報に基づいた探査機誘導制御則に関する検討を行った.また,計算機上に天体の表面地形モデル(太陽光の反射特性も含む)と探査機モデル(ダイナミクス・制御則,センサモデルなどを含む)を構築し,探査機の自律着陸を計算機上で模擬できるグラフィカル着陸シミュレータを開発した.以下に得られた知見をまとめる.1.グローバルマッピング移動ステレオ法と輪郭・影情報を用いる手法により,3次元構造を復元する手法を確立した.2.惑星モデルの構築惑星形状や表面のクレータなどのモデル化を行い,さまざま惑星モデルを生成可能にした.また,太陽光の反射特性を考慮し,任意の位置から撮像した画像を生成する機能を実現した.3.着陸誘導制御アルゴリズム複雑な表面地形に対しても特徴点抽出が可能な手法を構築した.また,距離センサおよび画像情報を用いて,探査機の相対位置姿勢検出などがロバストに行われるアルゴリズムを考案した.4.地形認識画像情報から定性的な地形認識を行う手法を確立し,障害物回避,目標地点への高精度誘導着陸手法を構築した.本研究により,ロバストで高精度な自律着陸航法誘導システムが構築可能となり,今後の惑星科学の発展に大きく貢献できることが期待される.1.相対速度推定惑星表面に着陸する際に、相対的な速度をキャンセルする必要がある。そこで表面に人工的なターゲットを落下させ、そのターゲットをもとに相対的な速度を推定する手法の検討を行った。また表面の自然地形から特徴点を抽出する手法について検討を行った。2.探査機の姿勢推定レーザレンジセンサ情報をもとに着陸地点の表面に対する探査機の姿勢を推定する手法を検討した。センサ誤差を考慮して最小二乗法により精度よく推定を行い、シミュレーションによりその有効性を検証した。3.地形認識探査天体表面の画像をもとに、陰影情報からその地形がクレータであるか山地あるいは平坦な場所であるかの認識を高速に行うアルゴリズムを構築した。4.惑星モデルの構築小惑星などの形状や表面のクレータなどのモデル化を行い、惑星モデルを構築した。また太陽光の反射特性を考慮し、任意の位置から撮像した画像を生成する機能を実現した。着陸に必要な高度計やレーザレンジセンサのモデル化を行い、仮想センサシステムを構築した。これらのモデルは着陸誘導制御手法を検証するためのグラフィカルシミュレータに実装した。1.着陸誘導制御アルゴリズムの詳細検討・複雑な表面地形に対しても特徴点抽出が可能な手法を検討した。・探査機の相対位置姿勢検出などがロバストに行われるアルゴリズムの検討を行った。・低高度における相対速度の検出およびキャンセルについて検討を進めた。2.障害物認識回避手法の検討・着陸地点付近の画像情報をもとに安全か否かの判断および回避方法について検討した。3.グラフィカルシミュレータの整備・グラフィカルシミュレータ内にさまざまな惑星表面の3次元モデルを計構築した。・画像センサや高度計などのセンサモデルを構築した。・グラフィカルシミュレータ内に探査機のダイナミクスモデルを構築した。1.着陸誘導制御アルゴリズムの詳細検討・クレータなどの特徴抽出手法について検討を行った。・太陽の照明条件を変化させ、特徴点抽出アルゴリズムのロバスト性を検討した。・画像に基づく誘導手法の誤差について検討を行った。2.探査機の高精度航法手法の検討・惑星表面の画像情報をもとに探査機の相対位置・相対速度の推定手法について検討した。3.グラフィカルシミュレータの構築・惑星表面の物理特性を考慮したモデルを構築した。・画像センサ、レーザレンジセンサ、高度計などの誤差モデルを検討した。・探査機のダイナミクスモデルに基づく運動を実現した。いままで開発してきた各サブシステムを結合して、グラフィカル機能を有する着陸シミュレータの統合化を行った。構築したグラフィカルシミュレータを用いて下記項目に関して評価を行った。1.グローバルマッピング機能・移動ステレオ手法に基づくマッピング手法の評価を行った。・惑星の輪郭情報と影情報をを用いて、3次元構造を復元する手法の評価を行った。2.障害物検知手法・惑星表面地形に対してハプケモデルを用いた画像生成を行った。・ハプケモデルに基づく障害物検知手法に関して、そのロバスト性に関して、評価を行った。3.自律着陸手法

・惑星の自転軸や自転周期などをパラメータとして接近フェーズの評価を行った。・探査機の推進システムをモデル化し、ダイナミクスを考慮した運動を実現し、誘導制御性能に関して定量的評価を行った。・地形モデルの影響による着陸手法の影響を評価した。
ヒト型ロボットと脳計算論によるCRPS知覚-運動協応モデルの開発と治療機序解明

難治性疼痛患者の上肢運動障害の要素分解による病態解明を目的とした。身体空間および脳内表象での空間と身体認知が偏位し、上肢到達運動課題で暗条件でのみ患肢運動が異常になった。この運動障害をモデル化するためヒト型ロボットを用い、視覚と体性感覚、運動発現の異常をプログラムし到達運動課題を実施させた結果、運動表象の異常によりヒト患者のモデルを再現できた。健常ヒト筋痛モデルでのfMRI結果で知覚-運動協応に関連する運動前野、補足運動野、後部頭頂葉、後(中)部帯状回、上側頭溝回のパス解析では明らかな関連性は認められなかった。難治性疼痛の病態として高次認知機能レベルでの運動表象の異常が示唆された。CRPStype 1や神経障害性疼痛の病態として知覚-運動協応の破綻を想定し、体性感覚系の異常(疼痛)の基盤として運動機能の障害があると仮定し、上肢運動機能と疼痛の関連を明らかにすることを目的としている。上肢運動機能の計測方法として、健常者を対象に、任意の標的に対する上肢ポインティング動作を磁場センサーを用いて計測するシステムを構築し、明暗両条件での上肢の合目的的な動作課題を設定、遂行させる設備を整えた。明条件では上肢の合目的的な運動制御を主として視覚と体性感覚を用いて行っているのに対して、暗条件では体性感覚のみで上肢運動を制御している。その結果、明暗条件で運動の正確さにほとんど差はないが、暗条件のほうが、若干運動が不正確であった。このことは上肢の合目的的な運動制御に対する視覚情報の影響が示唆される。このような各種感覚情報を統合して実行される運動の脳内表象のモデル化を目的に、視覚(デジタルカメラ)と体性感覚(モーター回転角度)による制御が可能なヒト型ロボットを用いた上肢の合目的的運動の制御プログラムを開発している。さらに、環境座標とヒト型ロボットの身体座標を比較・操作することによって、ヒト型ロボットの合目的的運動を視覚情報の認知、体性感覚情報の認知、運動表象の3段階で修飾することが可能とした。今後、ヒト神経障害性疼痛やCRPS患者の運動障害についてヒト型ロボットに模倣させることによって運動障害の脳内表象の解明に利用する。CRPStype 1や神経障害性疼痛の病態として知覚-運動協応の破綻を想定し、上肢の運動障害の要素分解による病態解明を目的としている。CRPSと神経障害性疼痛患者を対象に、任意の標的に対する上肢ポインティング動作を磁場センサーを用いて計測した。明条件では健肢の運動に比して患肢の運動は不正確であったのに対して、暗条件では患肢の運動は健肢とほぼ同等の正確さであった。明条件では視覚に依存して運動制御され、暗条件では体性感覚で運動制御しているため、末梢筋骨格系および脊髄レベルでの異常ではない。このような大脳表象レベルでの異常をモデル化するためにヒト型ロボットを用いた。視覚(デジタルカメラ)と体性感覚(各関節のモーター角度)を備え、さらに運動出力(モーター角度の変化)の3要素について、(i)健常明条件(標的認知=視覚、身体認知=視覚)と(ii)健常暗条件(標的認知=視覚、身体認知=体性感覚)を基本とし、(iii)視覚異常、(iv)視覚正常+運動異常、(v)体性感覚正常+運動異常、(vi)視覚異常+運動異常、(vii)視覚異常+体性感覚正常+運動正常、(viii)視覚異常+体性感覚正常+運動異常の8条件について上肢ポインティング動作を実施し、ヒト患者と同様に運動の正確さを計測した。その結果、(i)の運動の正確さを基準として、(iv)=患肢明条件と(v)=患肢暗条件がヒト患者のモデルとして最も適当であり、ヒト患者の運動は運動表象の異常であることが推察された。さらに、健常ヒト筋痛モデルでのfMRI計測結果とロボット知覚-運動協応破綻モデルの運動表象に関わると考えられる運動前野、補足運動野、後部頭頂葉、後(中)部帯状回、上側頭溝回についてパス解析を行ったが明らかな関連性は見出されず、侵害受容と難治性疼痛での脳内表象が異なることが示唆された。麻酔科学磁場センサーによる3次元位置トラッキングを用いて指先のマーカー位置を30Hzで計測することで、視標的に対する上肢ポインティング動作を正確に計測できる環境を整備した。光学センサーではなく磁場センサーを用いることによって明暗両条件でも同じ精度で上肢運動を計測できるため、我々がこれまで明らかにしてきたCRPS患者の視空間認知機構が明暗条件で異なることを運動戦略の相違点として正確に計測できるようになっていると期待している。

健常者を対象に上肢の合目的的運動が明暗条件によって若干異なることを明らかにし、予定通りの進捗である。ヒト型ロボットによるCRPS、神経障害性疼痛患者の運動模倣モデルの構築に向けて、ヒト型ロボットの合目的的運動制御についてのプログラム開発を行った。このプログラムでは、視覚を想定したデジタルカメラによる目標物の位置同定と指先の認知、体性感覚を想定した上肢関節モーター角度の認知、運動内的モデルを想定した運動企図を段階的かつ個別に設定でき、これらの障害パターンの組み合わせによってヒト知覚-運動協応破綻モデルとの関連性を今後比較検討する。初年度では予定していた進捗でヒト上肢の合目的的運動評価方法を開発した。健常者を対象に明暗条件での運動データを収集するとともに、CRPSや神経障害性疼痛患者の上肢合目的的運動を評価する。これまでに我々はCRPSや神経障害性疼痛などの疼痛疾患の豊富な診療経験があり、被験者のリクルートは問題無く行えると考えている。また、外来診療スペースに一部実験的な居室を持っており、通常診療時に研究への協力を求められる環境であるため、比較的容易に被験者のリクルートを進められると想定している。ヒト型ロボットの合目的的運動プログラムは、視覚を想定したデジタルカメラによる目標物の位置同定と指先の認知、体性感覚を想定した上肢関節モーター角度の認知、運動内的モデルを想定した運動企図を段階的かつ個別に設定しているが、初年度は全てを正常状態と仮定して動作させてきた。次年度では、これら3つの運動プロセスを個別あるいは組み合わせて障害させた際の運動軌跡を評価し、その結果をヒト神経障害性疼痛あるいはCRPS患者の運動障害と比較検討することによってヒト型ロボットによる知覚-運動協応破綻モデルとして構築する。さらに、既に我々が研究を行い取得している筋への疼痛刺激によるfMRIデータとヒト患者の合目的的運動障害、ヒト型ロボットの知覚-運動協応破綻プロセスを統合、解析することによって筋骨格系疼痛における脳内運動表象とその疼痛関連機序のモデル化に着手する。25年度において、予想より効率的に執行できたため。分担機関において、当該年度の消耗品として適正に執行する。