hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
トマト半身萎凋病菌の病原性を決定するゲノム領域の解明

半身萎凋病菌はトマト等に病害を引き起こすが、その機構は未解明である。本研究では、本菌の病原性を決定する遺伝子を明らかにする目的で、病原性の異なる菌株の交雑を行い、トマトに病原性を示す組換え株に共通する染色体を探索した。その結果、DNAマーカーT12が座乗する染色体の長腕側に存在する約113kbpのゲノム領域がトマトに対する病原性の有無によく一致し、ここに何らかの病原性遺伝子が存在すると考えられた。半身萎凋病菌(Verticillium dahliae)は、植物の根に感染して道管に蔓延し、萎凋性病害を引き起こす植物病原糸状菌である。本菌は、トマトをはじめとする様々な双子葉植物に病原性を示すが、その病原性メカニズムは明らかにされていない。本研究では、本菌のトマトに対する病原性を決定する遺伝因子の解明を試みた。本菌のトマトに病原性を示す菌株と示さない菌株を擬有性生殖により交雑し、雑種株を得た。そして、雑種株の病原性の有無に一致するDNAマーカー(T12)を見出した。そこで、トマトに病原性を示す菌株TV103の全ゲノムのドラフト解析を行い、また、フォスミドベクターにより同菌株のゲノムライブラリーを構築し、T12を起点としてゲノムマッピングを行った。その結果、T12が座乗する約4Mbの染色体(T12染色体)の大まかな構造が明らかになった。そして、この染色体上にいくつかのDNAマーカーを見出すことができた。一方、トマトに病原性を示す別の菌株Vdp4においても、擬有性生殖による交雑とDNAマーカーによる分析を進めた。その結果、TV103菌株のT12染色体上に座乗するいくつかのDNAマーカーが、Vdp4の場合においても、雑種株の病原性の有無に一致することが明らかとなった。これは、TV103とVdp4の病原性決定染色体上に共通した配列が存在することを示している。今後、この共通領域を明らかにすることで、V. dahliaeのトマトに対する病原性を決定しているゲノム領域を特定することができると考えられる。研究の当初計画では、平成27年度は「1.T12染色体のフィジカルマッピング」と「2.トマトに病原性を示す複数の菌株における病原性染色体の特定」を行う予定であった。1.については、菌株TV103のドラフトゲノム解析およびゲノムDNAライブラリーの構築、それらを用いたT12染色体のマッピングはほぼ完了しており、順調に進んでいると言える。また、2.についても、菌株Vdp4を用いた擬有性生殖による交雑試験およびDNAマーカーによる病原性決定染色体の推定はほぼ完了している。そして、平成28年度に予定していたVdp4の病原性決定染色体のマッピングにすでに着手することができている。擬有性生殖による遺伝的組換えを利用した前年までの研究で、DNAマーカーT12が座乗する染色体が半身萎凋病菌(Verticillium dahliae)のトマトに対する病原性に関与することが示唆された。また、菌株TV103およびVdp4においてT12が座乗する染色体をマッピングしたところ、全ゲノムが公開されている菌株JR2の第3染色体に相当することが明らかとなった。そこで、本染色体上に座乗するDNAマーカーをより多く使用して、擬有性生殖による組換え株の分析を行った。組換え株の中には、本染色体の中で転座や欠失などの染色体突然変異を起こしたと思われるものが複数存在し、そのような菌株は、本染色体の一部の配列のみを保有していた。このような菌株を利用し、いずれの領域を保有した場合にトマトに対して病原性を示すかを調査することで、病原性を決定するゲノム領域の推定を行った。その結果、この染色体の短腕側の領域を保有する組換え株はトマトに対して病原性を示さなかったことから、短腕側は病原性に関与しないと考えられた。一方で、病原性を示す組換え株は長腕側の中央部の領域を共通して保有しており、この周辺の領域が病原性に関与することが示唆された。また、全ての組換え株はナスに対して強い病原性を示したことから、このゲノム領域はトマトに対する特異的な病原性に関与すると考えられた。さらに、トマト半身萎凋病菌のレース13の圃場分離株について遺伝的調査を行い、擬有性生殖により非病原力因子の座乗位置を推定するために供試する菌株を選定した。27年度までに、「1.T12染色体のフィジカルマッピング」と「2.トマトに病原性を示す複数の菌株における病原性染色体の特定」はほぼ完了しており、28年度は予定通りに「3.病原性を決定するゲノム領域の特定」を進めた。そして、多数のゲノムDNAマーカーを用いた解析を行うことにより、組換え株の病原性の有無に例外なく一致するマーカーを見出し、病原性の決定に関与すると推定されるゲノム領域を特定することができた。本研究課題では、トマトに対する病原性の異なる半身萎凋病菌(Verticillium dahliae)の菌株を擬有性生殖により交雑して遺伝的組換え株を作出し、病原性を示す組換え株に共通するゲノム領域を探索することで、病原性を決定する遺伝因子の探索を行った。前年度までに、DNAマーカーT12が座乗する染色体(T12染色体)の長腕側のゲノム領域が、半身萎凋病菌のトマトに対する病原性に関与する可能性が示された。

今年度は、擬有性生殖による遺伝的交雑に使用した親株のひとつであるCns(トマトに病原性を示さない)の全ゲノム配列のドラフト解析を行い、すでに解析されていたもう一方の親株TV103(トマトに病原性を示す)のゲノム配列と比較することで、T12染色体上に多数のDNAマーカーをデザインして解析を行った。その結果、トマトに病原性を示す組換え株に共通するゲノム領域を約1Mbpにまで絞り込むことができたが、この領域内で組換えを生じている菌株がなかったことから、それ以上の絞り込みが困難であった。そこで、改めて擬有性生殖による菌株の遺伝的交雑を行い、新たに約370株の組換え株を得た。これら組換え株のトマトに対する病原性を接種試験により調査するとともに、前述のDNAマーカーを用いて解析を行った。その結果、トマトに病原性を示す組換え株に共通するゲノム領域を約113kbpに絞り込むことができた。従って、この領域に半身萎凋病菌のトマトに対する病原性(宿主特異性)を決定する何らかの遺伝子が存在すると考えられた。半身萎凋病菌はトマト等に病害を引き起こすが、その機構は未解明である。本研究では、本菌の病原性を決定する遺伝子を明らかにする目的で、病原性の異なる菌株の交雑を行い、トマトに病原性を示す組換え株に共通する染色体を探索した。その結果、DNAマーカーT12が座乗する染色体の長腕側に存在する約113kbpのゲノム領域がトマトに対する病原性の有無によく一致し、ここに何らかの病原性遺伝子が存在すると考えられた。今後は、当初の研究計画の通り、菌株T V103およびVdp4の病原性決定染色体の解析をさらに進め、病原性の決定に関わると推定されるゲノム領域の特定を行う。両菌株において、擬有性生殖により得られた雑種株の数をさらに増やして分析を行ったところ、(転座や欠失などにより)病原性決定染色体の一部を欠く雑種株が認められた。このような領域の欠失と雑種株の病原性の有無を照らし合わせることにより、病原性に必須なゲノム領域を絞り込むことができる。今後は、より多くのDNAマーカーを用いてより緻密な分析を行い、病原性の有無に完全に一致するゲノム領域を見出す。その後、当該領域を非病原性菌株に導入して病原性決定への関与を調査するとともに、シーケンス解析等を行って、病原性を決定する遺伝因子を明らかにする。現在はさらに多くの組換え株を作出して解析を行っており、これにより病原性の決定に関与するゲノム領域をさらに絞り込む。そして、当該領域を含むBACクローンの塩基配列を決定して、そこに存在する遺伝子を明らかにするとともに、このクローン(あるいはそれをサブクローニングした断片)をトマトに病原性を持たない菌株に導入することで、病原性への関与を調査する。また、29年度が研究計画の最終年度であるので、得られた成果を国際的学術誌に投稿するなど、成果の発表も行う。植物病理学
各種遺伝子導入ヒト細胞を用いた癌に対する複合遺伝子治療に関する基礎的研究

癌に対する遺伝子治療として、各種の細胞にサイトカインや接着分子などの遺伝子を導入し、これを担癌生体に投与することによって治療を行う免疫遺伝子治療の試みが行われてきている。私共このような治療を癌床応用すべくその基礎的検討として、ヒト細胞特に癌培養株化細胞に、Tリンパ球の分化誘導に重要な役割を果たすサイトカイン(IL-2,IL-6)遺伝子の導入を行い、一方免疫原性を高めるために接着分子(CD80,CD86)、腫瘍拒絶抗原(MAGE)遺伝子をも導入して各々についての免疫遺伝子治療の可能性について基礎的検討を試みた。IL-2遺伝子についてはレトロウイルスベクターに組み換え、胃癌及び大腸癌株化細胞に導入して、IL-2をstableに産生するクローンを得た。これら細胞のcharacterizationを行ったが、非導入細胞と特に差異を認めなかった。しかし同種及び自家リンパ球との混合培養を行ったところ、特に自家リンパ球との培養により特異的な細胞障害性T細胞(CTL)を誘導し得た。IL-6遺伝子についてはアデノウイルスベクターに組み換え、ヒトリンパ球を移入したSCIDマウス(SCID-PBL/hu)に同種あるいは自家腫瘍細胞を投与した系にこれを投与し、in vivoにおけるIL-6遺伝子導入の効果を検討した。その結果、特異的CTLが誘導され、さらに抗腫瘍効果が認められ生存期間の延長、転移の抑制が認められた。CD80及びCD86についてはレトロウイルスベクターに組み換えを行い導入を試みたが十分な成績が得られなかった。MAGE遺伝子についてはMAGE-3陰性胃癌株化細胞に導入したか、蛋白レベルで発現するクローンを得、この細胞はMAGE 3特異的CTLにより障害された。このように各遺伝子の導入により、これら細胞を用いた免疫遺伝子治療の臨床応用への可能性が示唆された。今後さらにこれらを複合した免疫治療の可能性をも検討したい。ヒト細胞にT細胞の分化誘導に重要な役割を果たすサイトカイン(IL2、IL4、IL6)遺伝子を導入し、免疫原性をたかめる接着分子B7、腫瘍拒絶抗原(MAGE)遺伝子をも導入して、各々について癌免疫遺伝子治療についての基礎的検討を行うとともに、これら導入細胞を組み合わせることによる複合癌免疫遺伝子治療の可能性について検討すべく検索をすすめている。本年度はまずレトロウイスルベクターへの組換えを完了したIL6遺伝子をヒト胃癌培養株化細胞に導入した。さらに、同様に組み換えを行ったIL2遺伝子をやはり、胃癌培養株化細胞にファイブロネクチンフラグメントを用いて導入し、高濃度のIL2を産生する株化細胞を得た。そこで、これら導入細胞についてcharactarizationを行うとともに、各々の細胞について同種および自己のリンパ球に対する反応をin vitroで検討し、さらにIL2およびIL6遺伝子導入細胞を組み合わせることによる反応性の増強について検討を行っている。また、SCIDマウスの実験系を用いて、同様に同種および自己リンパ球に対する反応性をin vivoで検討している。次に、IL4、B7-2遺伝子についてはすでにレトロウイルスベクターへの組み換えを完了した。またB7-1、MAGE-1、-3遺伝子については、cDNAの作製を行っている。これら遺伝子についてもファイブロネクチンフラグメントを用いて、同様の癌細胞への導入を試みる予定である。今後、これらの細胞を用いて複合癌免疫遺伝子治療への基礎的検討をすすめて行きたい。ヒト細胞に各種サイトカイン(IL-2,IL-4,IL-6)遺伝子、接着分子(B7)、腫瘍拒絶抗原(MAGE)遺伝子を導入し、これの癌免疫遺伝子医療への応用の可能性について検討をすすめてきた。

まず、IL-2についてはこれをレトロウイルスベクターに組み換え、これを胃癌および大腸癌培養株化細胞にフィブロネクチンフラグメントを用いて導入し、IL-2をかなり高い濃度に産生するstableなクローンを得た。そこでこのクローン細胞のcharacterizationを行うとともに、この細胞と同種、自家リンパ球との混合培養を行いキラーT細胞(CTL)の誘導を行った。その結果、比較的特異的CTLが誘導された。IL-6についてはアデノウイルスベクターに組み換え、リンパ球を移入したSCIDマウスに同種あるいは自家腫瘍細胞とともにこれを投与することによりin vivoにおけるIL-6遺伝子導入の効果を検討した。その結果、CTLの誘導を認め、さらに抗腫瘍効果が認められた。IL-4、B7については遺伝子ベクターへの組み換えを行い導入を試みたが、なお十分な成績は得られていない。またMAGE-3遺伝子をプラスミドベクターに組み換え、MAGE-3陰性培養細胞に導入したがmRNA、蛋白レベルで発現するクローンを得た。この細胞のcharacterizationを行うとともにCTLの誘導を検討中である。今後これらを複合的に併用することによる複合免疫遺伝子治療の検索への試みを進めていきたい。
小児交互性片麻痺の分子病態の解明

小児交互性片麻痺(AHC)は生後早期の異常な眼球運動で発症することが多く、1歳半までに発作性の片麻痺を呈す。また、てんかんや多彩な不随意運動を随伴症状とする。特異的検査所見はなく、治療法も確立されたものはない。我々はAHC責任遺伝子を同定することを目的に、次世代シークエンサーでの全エクソーム解析をAHC患者8名に対して施行した。その結果、8名全員でATP1A3遺伝子にミスセンス変異をヘテロ接合で認めた。両親に変異は存在せず、ATP1A3遺伝子のヘテロ接合での新生ミスセンス変異がAHCを引き起こすことが解明できた。また、遺伝子型と表現型解析によりE815K変異患者では有意な相関を認めた。小児交互性片麻痺(AHC)は生後2か月頃に異常眼球運動で発症し、6か月以内に麻痺発作、けいれんは6歳頃出現し、認知機能も低下する進行性の神経疾患である。発症頻度は100万人出生に1人とされており、ほとんどが孤発性である。遺伝子の関与が示唆されていたが不明だった。チャネル病と作業仮説をたて、8名の患者にNaチャネルのSCN1A、CaチャネルのCACNA1A、CACNA1B、ATPポンプのATP1A2遺伝子の変異をサンガー法で探索したが有意な変異は同定できなかった。そこで次世代シークエンサーで全エクソーム解析をAHC典型症例8名に対して行った。Denovo仮説を建て、責任遺伝子の選別を行った。一塩基置換での合計712,558個の全バリアント、13,517個の遺伝子より発端者4人以上に共通したCNTN4, SYEN1, ATP1A3の3個の遺伝子まで絞り込みを行った。これら変異に対してin sillico解析を行い、何れの変異もタンパク構造に大きく変化を与える変異であった。サンガー法での発端者に対する変異確認と両親と健常者96名に対して同変異を探索した。CNTN4は次世代シークエンサーのエラー、SYEN1の変異は健常者にみられるものがありpolymorphismと判断した。一方、ATP1A3は発端者8人全員にヘテロ接合でのミスセンス変異を認め、同変異は両親に存在しなかった。また、追加症例として孤発患者2名をサンガーシークエンスで解析しde novoでのミスセンス変異をヘテロ接合で同定した。以上より、AHCの責任遺伝子としてATP1A3遺伝子を発見し報告した。責任遺伝子同定により機能解析が可能となり分子病態解明の戦略が構築できた。これ迄日本人患者32名を検索し約80%に変異を見出し正確な診断が可能となった。また、培養細胞で酵素活性、電気活性を測定し変異の機能解析を進めている。小児交互性片麻痺(AHC)は生後2か月頃に発症し、麻痺発作、けいれん発作、認知機能低下を伴う進行性の神経疾患である。平成24年度に次世代シークエンサーで全エクソーム解析をAHC典型症例8名に対して行った。新生変異仮説をたて、責任遺伝子の選別を行った。その結果、ATPase依存性ATPポンプのαサブユニットを構成するATP1A3遺伝子に対して全員がヘテロ接合での新生変異をもつことを同定し、平成25年に報告した。この責任遺伝子同定により機能解析が可能となり分子病態解明の戦略が構築できた。継続し、AHC患者に対して変異を検索し、これ迄に52名で約88%に変異を見出した。高感度の遺伝子診断が可能であり、正確な診断が可能となった。また、ATP1A3遺伝子の変異型と臨床症状を解析し、平成25年に報告した。E815K変異をもつ患者では塩酸フルナリジンを内服している群と内服していない群で有意に知的退行の有無が異なった。また、本変異をもつ群では6歳までに、てんかん重積発作を契機に精神運動発達の退行が始まるが、塩酸フルナリジンを使用している群では、この発作が抑制されていることが分かり、臨床現場に有益な情報を与えることができた。また、変異型ATPポンプを培養細胞に発現させた機能解析では、蛋白発現とmRNA発現は保たれておりATPase酵素活性とポンプ機能の異常が示唆された。そこで、ATPase活性を調べたところ、活性低下を認めた。しかし、変異により表現型が異なることから、ポンプ機能の障害も併せ持つと考え、パッチクランプ法にて現在検証中である。

小児交互性片麻痺は生後2か月頃に異常な眼球運動で発症、6か月頃片麻痺が出現し、6歳頃けいれんが出現する神経疾患である。認知機能は低下し、最終的には重度の知的障害や寝たきり状態に至る疾患である。現在まで責任遺伝子の同定はされていないため、その分子生物学的本態はほとんど分かっていない。今回、責任遺伝子を同定し、遺伝子改変動物を作成し発症機序を解明することを目的とした。研究協力者および小児交互性片麻痺親の会の協力のもと収集した小児交互性片麻痺患者9名の末梢血リンパ球から採取したGenomic DNAに対してチャネル遺伝子変異の探索を行った。本年度実施したチャネル遺伝子はDrave症候群の責任遺伝子であるSCN1A遺伝子(電位依存性Naチャネルα1サブユニット)、AHC類似疾患である片麻痺性片頭痛1型で変異が報告されているCACNA1A遺伝子(P/Q型電位依存性カルシウムチャネルα1Aサブユニット)、家族性AHCや家族性片麻痺性片頭痛2型で変異が報告されているATP1A2遺伝子(ATPase依存性Na/Kイオン交換輸送ポンプα2サブユニット)、また以前小児交互性片麻痺で転座が報告された9q34に存在するCACNA1B遺伝子(N型電位依存性カルシウムチャネルα1Bサブユニット)である。これらに対して直接シークエンス法で遺伝子変異を探索した。結果、SCN1A遺伝子に3種類、CACNA1A遺伝子に10種類、CACNA1B遺伝子に9種類、ATP1A2遺伝子に3種類の遺伝子変異を同定した。その内、アミノ酸置換を伴うものはSCN1Aに1種類、CACNA1Aに6種類、CACNA1Bに3種類だった。現在これらの変異を健常者で検証中である。また、同時に文部科学省科学研究費新学術領域研究の「ゲノム支援」の支援を受け、全エクソンシークエンスによる疾患感受性遺伝子を探索中である。研究目的である小児交互性片麻痺の責任遺伝子の同定において、ATP1A3遺伝子を発見した。その変異はヘテロ接合性でのミスセンス変異であった。また、現在まで日本人患者の約80%に変異が診られており、臨床的診断が困難な小児交互性片麻痺に対して遺伝子により確実に正確な診断できる可能性がでてきた。また、本責任遺伝子であるATP1A3遺伝子は成人疾患であるRapid onset dystonia parkinsonismの責任遺伝子として報告されており、本疾患は常染色体優性遺伝を呈する神経疾患であり小児交互性片麻痺と同じスペクトルであり小児交互性片麻痺は重症型であると考えられ新たな疾患概念が組み立てられるようになった。また、現在さらに多くの患者での変異探索を行い、表現型と遺伝子型の相関を求める作業に取り組んでいる。同時に、小児交互性片麻痺とRapid onset dystonia parkinsonismで同定したATP1A3遺伝子変異を培養細胞に導入し、蛋白レベルでの解析を開始している。以上より、当初の目的を一部到達し、他の目的に取りかかれている点で順調に進展していると評価した。当初の計画に従い、小児交互性片麻痺患者の検体を収集し、計画したチャネル遺伝子において直接シークエンス法によって遺伝子変異の探索が実施できた。
不静定問題を抱える円筒昇降ロボットの姿勢制御

円筒昇降ロボットは、街路灯や電柱等の点検ロボット、森林での枝打ちロボット等幅広い応用がある。自重を利用した昇降ロボットが細りのある円筒を昇ると、細りの影響でロボットの姿勢が変化し、点検や作業が困難となる。この解決のため、上下の車輪間の水平距離を調整する1自由度アームによる姿勢調整機構を設け、下部は姿勢のPID制御、上部は下部位置のPID制御による姿勢調整法が考案した。しかし、自重を利用した昇降ロボットは、車輪と円筒との接触点での抗力や摩擦力が一意に定まらない不静定問題を抱えているため、昇降中の姿勢調整時に過大な抗力が不規則的に発生し、姿勢調整が困難となる状況が生じていた。本研究は、この不規則的に生じる過大な抗力の発生の原因を解明し、その解明に基づいて原理的に過大な抗力が生じない姿勢制御を研究することを目的としている。本年度は、その現象を実験室内の細りのある円筒を対象に、静止状態から姿勢調整を行った。その結果、静止時においても制御入力が大きくなるが姿勢が変化しない現象が生じることを確認した。また、制御法をPD制御とすると、過大な抗力の発生は抑制できた。しかし、姿勢角度の誤差が大きくなった。このため、PID制御法が過大な抗力の発生の要因といえる。自重を利用した昇降ロボットの関連研究として、チェンソーを搭載し螺旋昇降しながら枝打ちする枝打ちロボットへの応用を検討している。通常、チェンソーは直動により枝打ちするが、周回運動中の枝打ちでは切口をチェンソーバーで切り開く力が必要となる。この切り開く力を低減するため、枝に対するチェンソーの最適な設置角度を解析し実験検証した。その結果、従来法と比較し1/4程に低減できた。この結果は、国際会議CEMD2018で講演発表した。平成30年度は、静止時での姿勢制御を考察するとしていた。室内実験で、静止時に姿勢に初期角度を与え、目標角度0度とすると、はじめは機体が回転することで姿勢調整したるが、途中から目標姿勢に至る前に回転が停止した。実験観察と力学的釣り合い式から、2次元モデルでは、(鉛直方向の車輪間距離/円筒外径)が摩擦係数より小さいときは、常に抗力が増大し、姿勢調整ができなくなることが判明している。その逆のときは、実験では抗力が増加するときと増加しないときがあり、この関係はPID制御法が関係していることが明らかになった。これまでのPID制御は、下部のアームを姿勢角度のPID制御、上部アームを下部アーム角度のPID制御としていた。このため、姿勢制御により下部アームが円筒軸に近づきすぎると、上部アームは円筒表面で車輪が接触して動きが制限され、その結果として大きな入力となっても、姿勢は変化せず大きな抗力が生じていると考える。このため、制御法の改良が必要である。平成31年度は、二つの制御法を検討する。第一の制御法は,上部アームは下部アームとの角度差のPID制御とし、下部アームは姿勢誤差のみならず上部アームとの角度差を含めたPID制御とする改良PID制御法である。姿勢誤差と角度差のそれぞれの積分ゲインの大小関係により挙動が変化すると予測している。第二の制御法では、上部アームは下部アームとの角度差のPID制御とし、下部アームは上部アームとの角度差のPD制御とする混合PID制御法である。円筒軸とロボット機体中心軸の位置ずれが生じる可能性があるが、過大な抗力は生じない手法である。二つの制御法について、2次元モデルでの解析で有効性の確認後に実験検証する。平成32年度は、昇降中における姿勢制御を考察する。接触点では昇降に必要な接線力が加わり、円筒と車輪との間に滑りが生じやすくなるが、抗力が増加すると増加しないときがあり。こうした関係を解析的にあきらかにする。姿勢制御の高精度化と円筒軸と中心軸の位置づれがないことも求められる。姿勢誤差を漸近的に零に収束させながらも抗力が増加しない姿勢制御法を明らかにする。なお,アームによる姿勢制御のみでは困難なときは、上下の車輪の速度制御との協調による昇降ロボットの姿勢制御を研究する。上下の車輪に速度差を与えると、昇降ロボットが直動上昇と回転の運動の合成により抗力の増加を抑えられる。さらに、昇降ロボットでは、円筒の突起物との衝突が生じることがあり、この回避が求められる。ロボットの全周に画像センサを設置して突起物を検知する方法は、高価であり直射日光の影響で検出できないときがある。そこで、センサレスのロボット外乱オブザーバによる突起物との接触力と接触位置の推定法を研究する。これまで、外乱オブザーバを用いて接触位置を推定する研究はなく、本課題は昇降ロボットにおけるインテリジェント制御の重要な関連研究である。

しかし、自重を利用した昇降ロボットは、車輪と円筒との接触点での抗力や摩擦力が一意に定まらない不静定問題を抱えているため、昇降中の姿勢調整時に過大な抗力が不規則的に発生し、姿勢調整が困難となる状況が生じていた。本研究は、この不規則的に生じる過大な抗力の発生の原因を解明し、その解明に基づいて原理的に過大な抗力が生じない姿勢制御を研究することを目的としている。本年度は、その現象を実験室内の細りのある円筒を対象に、静止状態から姿勢調整を行った。その結果、静止時においても制御入力が大きくなるが姿勢が変化しない現象が生じることを確認した。また、制御法をPD制御とすると、過大な抗力の発生は抑制できた。しかし、姿勢角度の誤差が大きくなった。このため、PID制御法が過大な抗力の発生の要因といえる。自重を利用した昇降ロボットの関連研究として、チェンソーを搭載し螺旋昇降しながら枝打ちする枝打ちロボットへの応用を検討している。通常、チェンソーは直動により枝打ちするが、周回運動中の枝打ちでは切口をチェンソーバーで切り開く力が必要となる。この切り開く力を低減するため、枝に対するチェンソーの最適な設置角度を解析し実験検証した。その結果、従来法と比較し1/4程に低減できた。この結果は、国際会議CEMD2018で講演発表した。平成30年度は、静止時での姿勢制御を考察するとしていた。室内実験で、静止時に姿勢に初期角度を与え、目標角度0度とすると、はじめは機体が回転することで姿勢調整したるが、途中から目標姿勢に至る前に回転が停止した。実験観察と力学的釣り合い式から、2次元モデルでは、(鉛直方向の車輪間距離/円筒外径)が摩擦係数より小さいときは、常に抗力が増大し、姿勢調整ができなくなることが判明している。その逆のときは、実験では抗力が増加するときと増加しないときがあり、この関係はPID制御法が関係していることが明らかになった。これまでのPID制御は、下部のアームを姿勢角度のPID制御、上部アームを下部アーム角度のPID制御としていた。このため、姿勢制御により下部アームが円筒軸に近づきすぎると、上部アームは円筒表面で車輪が接触して動きが制限され、その結果として大きな入力となっても、姿勢は変化せず大きな抗力が生じていると考える。このため、制御法の改良が必要である。平成31年度は、二つの制御法を検討する。第一の制御法は,上部アームは下部アームとの角度差のPID制御とし、下部アームは姿勢誤差のみならず上部アームとの角度差を含めたPID制御とする改良PID制御法である。姿勢誤差と角度差のそれぞれの積分ゲインの大小関係により挙動が変化すると予測している。第二の制御法では、上部アームは下部アームとの角度差のPID制御とし、下部アームは上部アームとの角度差のPD制御とする混合PID制御法である。円筒軸とロボット機体中心軸の位置ずれが生じる可能性があるが、過大な抗力は生じない手法である。二つの制御法について、2次元モデルでの解析で有効性の確認後に実験検証する。平成32年度は、昇降中における姿勢制御を考察する。接触点では昇降に必要な接線力が加わり、円筒と車輪との間に滑りが生じやすくなるが、抗力が増加すると増加しないときがあり。こうした関係を解析的にあきらかにする。姿勢制御の高精度化と円筒軸と中心軸の位置づれがないことも求められる。姿勢誤差を漸近的に零に収束させながらも抗力が増加しない姿勢制御法を明らかにする。
自動抽出装置と質量分析計を用いた「生体試料中薬毒物の自動定量分析システム」の構築

自動前処理装置「ATLAS-USIS」による液-液抽出法及び除タンパク法による血液・肝臓中の薬物抽出法を構築し、法医中毒学的に重要であるベンゾジアゼピン系睡眠薬、三・四環系向精神薬、および覚せい剤・麻薬等を対象として、抽出効率の評価を行った。マニュアル操作抽出法による回収率と比較し、遜色が無い抽出効率が得られることが確認できた。構築した自動前処理法は高速液体クロマトグラフィータンデム質量分析(LC/MS/MS)、ガスクロマトグラフィー質量分析(GC/MS)、さらにLC/四重極飛行時間型質量分析(LC/Q-TOFMS)と組み合わせて、生体試料中薬物の一斉定量分析法やスクリーニング法を構築した。研究初年度では、自動前処理装置「ATLAS-USIS」による液-液抽出法による生体試料中の薬物抽出法を構築し、評価を行った。法医中毒学的に重要であるベンゾジアゼピン系睡眠薬、三・四環系向精神薬、および覚せい剤などの麻薬などの薬物を対象成分とした。また、マニュアル操作抽出法との比較を行い、自動前処理装置の抽出効率の評価を行い、マニュアル操作抽出法による回収率と比較し遜色がない抽出効率が得られることが確認された。構築した自動前処理法を高速液体クロマトグラフィータンデム質量分析(LC/MS/MS)と組み合わせ、ATLAS-USISおよびLC/MS/MSによる血中薬物の一斉定量分析法を構築し、分析バリデーション(検出下限、定量下限、日内・日間変動等の評価)を行った。さらに、法医中毒学においての薬毒物分析では対象成分によって多種の前処理法を用いるため、液-液抽出法以外の前処理法として、自動前処理装置による除タンパク法も検討した。前述の液-液抽出法で用いたものと同じ薬物を対象成分とし、抽出溶媒の選択や使用量、蒸発乾固の温度や時間等の抽出条件の最適化を行った。構築されたATLAS-USISによる除タンパク法をLC/MS/MSと組み合わせ血中薬毒物の一斉定量分析法を構築・評価し、用途に準じて薬物抽出法が選択可能な自動抽出定量分析システムの構築を行っている。一方、自動前処理装置を法医中毒学分野において汎用性の高いガスクロマトグラフ質量分析(GC/MS)とも組み合わせることにより、迅速・簡便な血中薬毒物のスクリーニング法の構築も行っている。その際、GC/MSでは脂質等の夾雑ピークによって薬物同定が困難な場合もあるため、薬物同定能の向上と装置への負担軽減を目的とした、ステロール系脂質除去法についても検討を行っている。なお、初年度で得られた成果の一部は、日本法医学会にて発表した。初年度の主たる目的はおおむね達成できた。自動前処理装置による液-液抽出法の抽出条件や血液および抽出溶媒の使用量、さらに定量分析のために必要な内部標準物質の選択や添加量も最適化した。対象成分としたベンゾジアゼピン系睡眠薬、三・四環系向精神薬、覚せい剤等(30種類)を添加した全血試料からの薬物回収率は、3つの薬物を除き概ね70%程度であり、LC/MS/MS測定による定量下限は0.222.8 ng/mLと低濃度での定量分析が可能であることが確認できた。分析バリデーションの結果においても、確度(20%以内)・精度(10%以内)と良好な値を示した。また、ATLAS-USISの1検体あたりの前処理時間は約15分であり、連続処理の場合にはオーバーラップシーケンスによる時間短縮が可能であることから、多検体処理に極めて有効であり、分析者の多大な時間的負担の解消に貢献できる。これまでに得られた結果から、構築した定量分析システムは実務レベルでの有用性が極めて高いことが示唆された。また、次年度の目標の一つである「自動前処理装置による除タンパク抽出法の検討」についても、すでに実験を開始している。抽出溶媒の検討を行ったところ、メタノールでは夾雑物の除去率が不十分であったため、分析装置への負担を考慮し、アセトニトリルを用いることに決定した。抽出条件などを最適化しLC-MS/MSによる定量分析法を構築した。マニュアル操作による除タンパク法を併せて行い、自動前処理装置の抽出効果を評価している。これらの成果の一部については、国内学会で発表を行っている。研究最終年度では、初年度で構築した自動前処理装置「ATLAS-USIS」による液-液抽出法および除タンパク法の評価を引き続き行った。法医中毒学的に重要であるベンゾジアゼピン系睡眠薬、三・四環系向精神薬、および覚せい剤や危険ドラッグなどを含む麻薬類などの薬物を対象成分とした。研究初年度では自動前処理法を高速液体クロマトグラフィータンデム質量分析(LC/MS/MS)と組み合わせた一斉定量分析法を構築したが、法医中毒学分野において幅広い活用を目的とするため、最終年度では上記に加えて法医中毒学分野において汎用性の高いガスクロマトグラフィー質量分析(GC/MS)と組み合わせた迅速・簡便な血中薬毒物のスクリーニング法の構築を行った。その際、GC/MSでは生体試料中に存在する脂質等の夾雑ピークによって薬物同定が困難な場合があるため、ステロール系脂質除去ステップを自動前処理プロトコルに組み込み、薬物同定能の向上と分析装置への負担軽減を可能とした。一方で、法医学分野では血液や尿試料の採取が困難な場合、臓器を分析する必要が生じるため、最終年度では臓器試料を対象とした薬物スクリーニング法を構築した。

しかし一般に臓器試料の前処理は血液や尿試料よりも煩雑であるため、臓器試料からの簡便かつ汎用性の高い前処理法および薬物スクリーニング法がまだ確立されていないため、本研究では肝臓試料を対象とした「ATLAS-USIS」による前処理および高速液体クロマトグラフィー四重極飛行時間型質量分析(LC/Q-TOFMS)を組み合わせた薬物スクリーニング法を構築した。さらに、ディスポーザブルチップでの分注・高速遠心・窒素乾固機能を備えた新型の自動前処理装置「ATLAS-X」を用いて上記の肝臓試料の前処理法を構築し、評価を行った。なお、最終年度で得られた成果の一部は、日本法医学会にて発表した。自動前処理装置「ATLAS-USIS」による液-液抽出法及び除タンパク法による血液・肝臓中の薬物抽出法を構築し、法医中毒学的に重要であるベンゾジアゼピン系睡眠薬、三・四環系向精神薬、および覚せい剤・麻薬等を対象として、抽出効率の評価を行った。マニュアル操作抽出法による回収率と比較し、遜色が無い抽出効率が得られることが確認できた。構築した自動前処理法は高速液体クロマトグラフィータンデム質量分析(LC/MS/MS)、ガスクロマトグラフィー質量分析(GC/MS)、さらにLC/四重極飛行時間型質量分析(LC/Q-TOFMS)と組み合わせて、生体試料中薬物の一斉定量分析法やスクリーニング法を構築した。上記で構築した自動前処理装置による除タンパク処理とLC/MS/MSによる一斉定量分析法について、初年度同様、分析バリデーションを実施し実務レベルにおいての有用性を評価する。また、ATLAS-USISを法医学教室や法中毒学の研究機関などで汎用性の高いGC/MSと組み合わせることによって、迅速・簡便な血中薬毒物のスクリーニング法の構築も行う。この際、既存のGC/MSの分析メソッドも分析時間短縮などの改良を行う。GC/MSでは血液などの生体試料中に存在する脂質等の夾雑物が対象薬物ピークの同定の妨げになる他、脂質等の夾雑物が装置への負担の原因となる場合もある。そのため、薬物同定能の向上と装置への負担軽減を目的とした、ステロール系脂質除去法についても検討を行う。具体的には、脂質除去に用いる活性炭の形状、分量、処理時間等の最適化を行い、ステロール系脂質除去法の評価を行う予定であり、一部の実験はすでに実施を開始している。最終的には脂質除去処理をATLAS-USISの自動前処理シーケンスへ組み込み、GC/MSと組み合わせた血中薬毒物のスクリーニングシステムの構築および評価を行う。さらに、スクリーニングだけではなく定量分析法への拡張についても検討する予定である。最終的に、自動抽出GC-MS及びLC-MS/MSによるスクリーニングおよび定量分析システム全体の評価を行う。さらに、これまでは血液を対象生体試料として研究を進めてきたが、本年度の目的の一つである対象生体試料の拡張についても検討する。具体的には、肝臓などの臓器試料を用いてブランク臓器の破砕処理を行い、破砕したホモジネートに上記と同じ対象薬物を添加後、ATLAS-USISにおける液-液抽出または除タンパクを行い、GC/MSによるスクリーニング分析およびLC/MS/MSによる一斉定量分析を行う。分析化学当初購入を予定していた実験用の消耗品が国内在庫が無く海外取り寄せ品であったため、年度内の納品が困難となり、28年度の研究費に未使用額が生じたが、次年度に納入されるため、29年度に購入し、次年度に行う予定の研究計画と併せて実施する。
波形分離による漁船機関に最適な次世代型状態監視システムの高精度化

近年,漁業者は厳しい経営環境で新船建造の余力がなく,ほとんどの漁船が船齢15年を超え,漁船の高船齢化が進み,その安全性が問題となっている.本研究では漁船内の機械設備を対象とした高精度かつ実用的な状態監視手法を提案している.提案手法の特長として特定の方向のみに感度が優れたパラボラマイクロホンを遠方に1個設置するのみで複数機械設備の状態監視が可能.さらに得られた信号に対し提案する振動および音響に対する波形分離を適用することで複数存在する機械設備の中から特定の対象設備のみの時系列波形を分離でき高精度な状態監視が可能となっている.提案手法に関わる特許出願2件をおこなっている.本研究の特長の1つ目は漁船機関損傷の要因として最多である潤滑油性状劣化を機関の摺動部から発生する微少な超音波振動を非接触にて監視することで簡便かつ高精度な状態監視が可能となる手法を提案している.具体的には測定された超音波振動を定量化することで潤滑油の性状と油膜厚さを推定することが可能となる状態監視システムの開発である.特長の2つ目として船舶の機関室内のように狭空間かつ比較的低剛性な環境において複数の機械設備が設置され,振動に関して合成場が形成されるため,少数のセンサによる状態監視では精度が保てない環境下での高精度化を目的としている.特定の方向のみに感度の優れたパラボラマイクロホンをセンサとして用い,遠方に1個設置し,合成波形に対し提案する「波形分離法」を適用することで複数存在する機械設備の中から特定の状態監視対象設備のみから生じた時系列波形を分離することが可能となり高精度な状態監視が可能となる.さらに本年度はピストン-シリンダ型の往復摩擦摺動試験機に供試油として無添加タービンオイルと鉱物油を用い油温30°C約130°Cで試験機壁面に設置したAcoustic Emissionセンサにより超音波振動を測定,定量化を行っている.超音波振動量との検証値として計数汚染度,SOAP法,フェログラフィー法を用いている.研究の結果,発生する超音波振動の発生量は潤滑油の性状劣化と油膜厚さに強い相関がある事が判明している.特に超音波発生量-潤滑油性状-油膜厚さ間の3次元グラフの作成を行っている.波形分離に関しては回転ローター装置3台およびガソリンエンジン3台を使用し波形分離の有性な条件を検証している.具体的には有効なパラボラマイクと機関間の距離およびパラボラマイクと「機関-機関」間角度の検証を行い有効な条件を確定している.回転ローター装置に関しても同様に有効な条件を確定している.漁船用レシプロ機関,発電機,レシプロコンプレッサなど機関室内の複数機械設備を対象とした状態監視システムの高精度化が目的である.平成22年度まで基盤研究(C)採択課題「超音波振動による漁船機関に最適な次世代型状態監視システムの開発」にて実施した駆動中の漁船用レシプロ機関から発する超音波振動および低周波振動を非接触方式のパラボラマイクロホンにより簡便に計測し,潤滑油性状の劣化,機関に作用する危険なトルクリッチ状態を推定する手法に今回提案する「パラボラマイクロホン」と「波形分離」の手法を取入れることで機関室にて複数台稼動する機械設備の状態監視を同時かつ高精度化に行えるシステムの実用化を行っている.本提案手法は単一のパラボラマイクを用いることで上記課題を解決することが可能となった.複数の機械設備から生じる合成波形からパラボラマイクとフーリエ逆変換を用いた波形分離を行なうことで状態監視対象の機械設備のみの周波数成分を抽出することが可能となり,ノイズ源の多い機関室内での実用的な状態監視が可能となった.本提案課題に関連する技術について2件の特許出願を行っている.既存漁船に高精度化された本状態監視システムを導入することにより潤滑油性状,危険なトルクリッチ状態および機械要素の監視が容易かつ確実となることで適切なメンテナンス時期の決定により機関負荷低減による燃料消費量の改善,船体抵抗の予測,機関燃焼状態の改善によりCO2削減にも期待でき環境に優しく,かつ無駄を省いた省エネルギー,省人,省力型漁船に転換することが可能となっている.平成25年度は水産大学校の練習船を使用し機関の潤滑油性状,危険なトルクリッチ状態および発電機,コンプレッサなどの機械設備に対して波形分離を適用し船舶に対する状態監視の高精度化を検証し,実用化を図るための乗船実験を行い,その有効性を確認している.近年,漁業者は厳しい経営環境で新船建造の余力がなく,ほとんどの漁船が船齢15年を超え,漁船の高船齢化が進み,その安全性が問題となっている.本研究では漁船内の機械設備を対象とした高精度かつ実用的な状態監視手法を提案している.提案手法の特長として特定の方向のみに感度が優れたパラボラマイクロホンを遠方に1個設置するのみで複数機械設備の状態監視が可能.さらに得られた信号に対し提案する振動および音響に対する波形分離を適用することで複数存在する機械設備の中から特定の対象設備のみの時系列波形を分離でき高精度な状態監視が可能となっている.提案手法に関わる特許出願2件をおこなっている.本研究は機関損傷の要因として最多である潤滑油性状劣化を機関の摺動部から発生する超音波振動を非接触にて監視することで評価することが可能となる,いわゆる故障原因除去型保全(プロアクティブメンテナンス)に立脚する次世代型状態監視システムの開発と高精度化である.

さらに本研究では船舶の機関室内のように狭空間かつ比較的低剛性下の環境において主機関,発電機,レシプロコンプレッサなど複数の機械設備が設置された場合でも高精度な状態監視を行うシステムの開発が目的である.狭空間かつ低剛性の環境下で振動診断による状態監視を行う場合,機械設備ごとにセンサーを設置する必要があるためコスト面,配線などの取り回しの面で難がある.本研究では「単一の指向性マイクロホン」と提案する「波形分離」の手法を取入れることで機関室にて複数台稼動する機械設備の状態監視を同時かつ高精度化に行えるシステムの開発を目指す.本研究の特長は以下2点である.(1)潤滑油性状の劣化や潤滑状態を機関の摺動部から発生する超音波振動を非接触にて監視することで簡便かつ高精度に評価することが可能.(2)特定の方向のみに感度が優れた指向性マイクロホンを遠方に1個設置し,測定された合成波形に対し提案する「波形分離」を適用することで複数存在する機械設備の中から特定の状態監視対象設備のみから生じた時系列波形を分離することが可能となり高精度な状態監視が可能.本年度は「波形分離」に関する手法の有効性検証を行っている.提案手法の考え方は使用する指向性マイクロホンの指向特性を利用した周波数成分の判別と判別後の逆フーリエ変換による周波数領域から時間領域への波形再構成にある.本年度は軸受,歯車など機械要素の異常が再現可能な回転ローター装置計3台を使用して波形分離の基礎実験を実施し手法の有効性を確認している.本年度は実機エンジンのピストン,シリンダライナ,ピストンリングを使用し作製したピストン-シリンダ型の往復摺動摩擦試験機に供試油として無添加タービンオイルおよび鉱物油を用い油温を30°C約130°Cで試験機壁面に設置したAcoustic Emissionセンサにより超音波振動を測定,定量化を行っている.検証値として計数汚染度,SOAP法,フェログラフィー法を用いている.研究の結果,発生する超音波振動の発生量は潤滑油の性状劣化と油膜厚さに強い相関が現れている.すなわち潤滑油の性状が劣化し,油膜厚さが薄くなる程,ピストン-シリンダライナ間で発生する直接接触が増加し,超音波振動の発生量は顕著に増加している.実験で得られたデータを基に超音波振動の発生量-潤滑油性状-油膜厚さの3次元グラフの作成を行い,超音波振動の発生量を基に潤滑油性状および油膜厚さの推定が可能になっている.本研究成果を基に「レシプロ式機械装置の状態監視システムとその方法とそのプログラム」という名称で特許出願を行っている.波形分離に関しては回転ローター装置3台,4サイクルガソリンエンジン3台を使用し波形分離に有性な条件を検証している.具体的にはパラボラマイクと機関間距離およびパラボラマイクと「機関-機関」間角度の検証を実験により行い有効な条件を確定している.回転ローター装置に関しても同様に行っている.本研究成果を基に「動的設備の状態監視システムとその方法とそのプログラム」という名称で特許出願を行っている.さらに,回転機械に生じる複数の異常を単一の振動センサのみで高効率に検出する手法として単一入力多重要素ARモデルとその状態監視手法の提案を行っている.その有効性について全歯車摩耗,ロータアンバランス,転がり軸受外輪傷の検出を行ったところ有効性が確認されている.よって本年度は研究成果が計画通りに得られ順調に進展している.本研究は指向性マイクロホン(以下,指向性マイクと略)を遠方場に1個設置し,測定された合成波形に対し提案する「波形分離」を適用することで複数存在する機械設備の中から特定の状態監視対象設備のみの時系列波形を分離することで高精度な状態監視を行うものである.
神経経済モデルとＤｅｃＮｅｆ法を用いた衝動性の神経基盤解明

本研究では、不安の衝動的な解消が症状の基礎となる精神疾患と脳活動との関係を明らかにし、最終的には疾患の有効な評価及び治療へと繋がる手法を開発することを目的としている。対象とする精神疾患については、衝動性との関連がこれまで明示的に示されてこなかったものの、様々な生物学的・行動モデル的な知見からその関与が疑われる強迫性障害を対象としている。平成29年度は、研究計画遂行の上で重要な脳情報デコーディング技術およびその基礎となる統計的機械学習技術の開発・習得に主に取り組んだ。特に、採用初年度および採用第二年度の研究成果を論文誌に投稿・掲載されることを目指し、執筆・投稿およびレビューへの対応に注力した。まず、脳情報デコーディング技術およびその基礎となる統計的機械学習技術を適用することにより、高い精度で強迫性障害患者と健常者を見分けることが可能な脳活動を同定することに成功し、Scientific Reports誌へと投稿・受理・掲載された。また、健常者および精神疾患傾向のあるサブクリニカル群を対象とした行動実験およびfMRI実験の結果に対して解析を行い、脳全体のネットワークから構成される不安の神経基盤を明らかにした。この成果は、NeuroImage誌へと投稿・受理・掲載された。さらに、これらの研究をとおして獲得した技術をより大規模なデータセットへと適用した研究を実施し、biorxivにプレプリントとして公開、現在国際誌の査読中である。29年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では、衝動性及びそれに関連する精神疾患と脳活動との関係を明らかにし、最終的には疾患の治療へと繋がる手法を開発することを目的としている。対象とする精神疾患については、衝動性との関連がこれまで明示的に示されてこなかったものの、様々な生物学的・行動モデル的な知見からその関与が疑われる「強迫性障害」を対象としている。年度前半は、脳情報デコーディング技術の開発と、治療結果の評価にあたり重要となる脳情報バイオマーカー技術の開発に取り組んだ。前者に関しては、スパース推定の手法を取り入れた機械学習技術を適用することにより、同日に取得されたデータであれば一定水準のデコーディング精度が達成出来る可能性があることを確認した。後者に関しては、安静時の脳活動を用いることによって、複数施設にわたって判別が可能なバイオマーカーの開発に成功した。また、後者に関しては衝動性との関連についても示し、人工知能学会にて発表済みである(本発表により、学生奨励賞を受賞)。年度後半は、年度前半に開発したデコーディング技術の様々な条件での性能を検証するために、サブクリニカル群を対象とした多数のfMRI実験を行った。実験の結果、日をまたいで一定数のデータを取得することにより、より信頼性の高いデコーディングが出来ることを確認した。これらの知見をもとに、年度終わりには実際に強迫性患者数名に対して、予備的なDecoded Neurofeedback実験を実施した。また、上に並行して100名程度の健常者を対象に、衝動性の検査も含む多数の行動課題を実施した。これらのデータについて解析を行った結果、衝動性と強迫症状との関連性を行動レベルで示すことに成功した。本研究では、衝動性との関与が疑われる精神疾患患者に対する画期的な治療法の開発を目的として、デコーディング技術の開発及びDecoded Neurofeedback法(DecNef)の応用に取り組んでいる。当該年度においては、最終的なDecNef実施の前提条件となるデコーディング技術の習得・開発に取り組み、その検証のために多数の実験を行った。年度末にはそれらの知見を踏まえた予備的なDecNef実験を実施しており、次年度に向けて実験パラダイムの評価・再検討をしている。この過程で得られた基礎的な結果については、次年度中に解析結果をまとめた上での国際誌への投稿を予定している。加えて、実験・解析の過程で得られた結果について、年度途中で人工知能学会に発表し、学生奨励賞を受賞するなど外部からも高い評価を得た。また、研究計画遂行にあたって重要となる機械学習等の取得のために積極的に外部の学会に参加をするなどといった活動も継続的に行っている。以上より、研究計画は順調に遂行されていると判断される。本研究では、不安を衝動的に解消しようとする行動が症状の基礎となる精神疾患と脳活動との関係を明らかにし、最終的には疾患の有効な評価及び治療へと繋がる手法を開発することを目的としている。平成28年度は、研究計画遂行の上で重要な脳情報デコーディング技術およびその基礎となる統計的機械学習技術の開発・習得に主に取り組んだ。また、それら技術を適用することにより、高い精度で強迫性障害患者と健常者を見分けることが可能な脳活動を同定することに成功し、プレプリントとして発表、国際誌へと投稿した。この成果については年度途中で学会発表を行い、さらに次年度中には結果をまとめた上での国際誌への投稿を予定している。年度前半は、治療結果の評価にあたり重要となる脳情報バイオマーカー技術の開発と、脳情報デコーディング技術の開発に取り組んだ。

前者に関しては、安静時の脳活動を用いることによって、複数施設にわたって高い精度で判別が可能なバイオマーカーの開発に成功し、判別に寄与するネットワークがどのような脳部位に分布しているのかを検討した。これらの結果をまとめた論文はプレプリントとして発表、国際誌へと投稿した(業績1)。後者に関しては、脳全体のネットワークから効果的に特徴量を抽出することにより、被験者内に限らず被験者間にも共通する脳ネットワークが存在することを示した。また、それらのネットワークが米国Human Connectome Projectの大規模データにおける不安関連指標にも汎化することを示した。更に、国内のデータと米国のデータの両方に寄与するネットワークを用いることにより、強迫性障害患者と健常者の違いを同定することにも成功した。これらの結果をまとめた内容をIEEE日本支部NC研究会にて発表済みである(本発表により、IEEE Computational Intelligence Society Japan Chapter Young Researcher Awardを受賞)。これらの知見をもとに、年度途中に強迫性患者数名に対して、予備的なDecoded Neurofeedback実験を実施した。実験前後の脳ネットワークを評価した結果、不安に関わるネットワークが変化していることを確認した。本研究では、不安の衝動的な解消が症状の基礎となる精神疾患と脳活動との関係を明らかにし、最終的には疾患の有効な評価及び治療へと繋がる手法を開発することを目的としている。対象とする精神疾患については、衝動性との関連がこれまで明示的に示されてこなかったものの、様々な生物学的・行動モデル的な知見からその関与が疑われる強迫性障害を対象としている。平成29年度は、研究計画遂行の上で重要な脳情報デコーディング技術およびその基礎となる統計的機械学習技術の開発・習得に主に取り組んだ。特に、採用初年度および採用第二年度の研究成果を論文誌に投稿・掲載されることを目指し、執筆・投稿およびレビューへの対応に注力した。まず、脳情報デコーディング技術およびその基礎となる統計的機械学習技術を適用することにより、高い精度で強迫性障害患者と健常者を見分けることが可能な脳活動を同定することに成功し、Scientific Reports誌へと投稿・受理・掲載された。また、健常者および精神疾患傾向のあるサブクリニカル群を対象とした行動実験およびfMRI実験の結果に対して解析を行い、脳全体のネットワークから構成される不安の神経基盤を明らかにした。この成果は、NeuroImage誌へと投稿・受理・掲載された。さらに、これらの研究をとおして獲得した技術をより大規模なデータセットへと適用した研究を実施し、biorxivにプレプリントとして公開、現在国際誌の査読中である。当該年度に強迫性患者数名及びサブクリニカル群に対して行った予備的なDecodedNeurofeedback実験について解析を行う。その上で、実験の実施方法・結果を見なおし、更に被験者数を増やして実験を行う。これらについて、年度終わりに結果をまとめて国際誌への投稿を目指す。