hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
心臓標本の膜活動電位・Ca動態高空間時間分解能同時光マッピング法の開発

本研究では,計測は1台の高速度カメラで行い,撮影フレームごとにVm用/Ca2+用2種の光学フィルタを高速で切り替えて2つの信号を同時に取得するシステムを開発した.標本からの計測光は複数枚のレンズを組み合わせた光学レンズ系によってフィルタ位置で絞られ,撮影素子に復元する.本システムによりウサギ摘出心を用いて同時計測を行い,ペーシング時の活動電位波形,Ca2+動態を観察に成功した.また当初の基礎的検討では1台カメラ・フィルタ回転同期システムの光学機構設計に難航したため,平行して2台カメラとダイクロイックミラーを組み合わせた従来手法を改良し,Mutual Informationを用いて膜電位変化とCa動態を精緻に画像位置補正する装置も開発した.本研究では,計測は1台の高速度カメラで行い,撮影フレームごとにVm用/Ca2+用2種の光学フィルタを高速で切り替えて2つの信号を同時に取得するシステムを開発した.標本からの計測光は複数枚のレンズを組み合わせた光学レンズ系によってフィルタ位置で絞られ,撮影素子に復元する.本システムによりウサギ摘出心を用いて同時計測を行い,ペーシング時の活動電位波形,Ca2+動態を観察に成功した.また当初の基礎的検討では1台カメラ・フィルタ回転同期システムの光学機構設計に難航したため,平行して2台カメラとダイクロイックミラーを組み合わせた従来手法を改良し,Mutual Informationを用いて膜電位変化とCa動態を精緻に画像位置補正する装置も開発した.本研究では、不整脈の成因の一つと考えられる激発活動(Triggered Activity)の研究に重要と考えられる、心筋標本での興奮伝播の際の細胞膜活動電位と膜活動電位・Ca動態高空間時間分解能の同時計測システムを試作した。先行研究で報告されている手法では、蛍光スペクトルが波長軸上で十分離れた蛍光指示薬を使わなければならない。3種以上の蛍光指示試薬の適応が困難であり計測対象の場合システム構築が難しい。といつた技術的課題が残る。本研究では学フィルタ、励起光源、カメラの撮影タイミングを同期制御することにより、心臓興奮伝播現象とCaイオン動態を同時計測することを試みた。計測システムは(1)膜電位用及びCaイオン動態用それぞれの光学フィルタを円盤中に配した光学フィルタ回転機構、(2)2種のLEDを196個ずつ交互に配置した励起光源、(3)高速度カメラ、(4)摘出心臓標本から成り、(1)と(2)の駆動に同期して(3)が1フレームごとに撮影する。膜電位感受性色素RH-237とCa用蛍光プローブRhod-2によって同時染色したウサギ摘出心を計測標本とした。RH237は励起波長520nm,蛍光波長782nmであり、脱分極時には蛍光波長が短波長側にシフトする。システムを用いてウサギ摘出心心尖部からのペーシング間隔を600msecから200msecまで100msec刻み(各3秒間)で短縮した場合と、200msecから600msecまで100msec刻み(各3秒間)で延長した場合の心筋活動電位及びCaイオン動態の同時・同期計測を行ったところ、活動電位とCaイオン動態のそれぞれについて、ペーシング間隔に同期した信号変化が得られた。画面解像度は256×256pixel、空間分解能は1.56mmである。時間分解能は20FPSでありシステムの改良が必要である。本研究では、不整脈の成因の一つと考えられる激発活動(Triggered Activity)の研究に重要と考えられる、心筋標本での興奮伝播の際の細胞膜活動電位と膜活動電位・Ca動態高空間時間分解能の同時計測システムを試作を行っている。フィルタ切り替え方式の試作を行ったが、検出感度の限界や、光学設計上の課題があること、ならびに実験条件の最適化が必要であることが予備的な実験で明らかになった。そこで、まず最終的な光学フィルタ切り替え式を用いる前に、実験条件の最適化や画像計測系に求められる性能を実験的に確認するために、従来法と同様に、心臓標本からの蛍光信号をカットオフ波長630nmのダイクロイックミラーで分割し、一方をカットオフ波長700nmのロングパスフィルタ、そして他方を中心波長585nmのバンドパスフィルタを透過させ、2台の高速度カメラで撮影するシステムを構築し、実験を行った。また、膜電位画像とCa画像を正確に重ね合わせるためのレジストレーションアルゴリズムの検討を行った。同システムを使用し、撮影速度を60fps,125fps,250fps,500fpsで行い信号状態を確認した。Ca信号についてはS/N比こに問題があるものの、膜電位信号とCa信号の同時計測が可能であった。このことから適切な条件のもとで125fbs-250fbsでの計測は可能であるとの予備的な結果を得た。昨年度検討したフィルタ切り替え機構を有する撮影システムの光路設計を行い、より面積の小さな光学フィルタの切り替えで複数色素の計測が可能となるシステムの再設計と試作を今後進める予定である。また本年度検討した電位画像とCa画像を正確に重ね合わせるためのレジストレーションアルゴリズムは、この場合でも光学フィルタのわずかな傾きなどで生じる画像のずれの補正に使用可能であると考えられる。本研究では、不整脈の成因の一つと考えられる激発活動(Triggered Activity)の研究に重要と考えられる、心筋標本での興奮伝播の際の細胞膜活動電位と膜活動電位・Ca動態高空間時間分解能の同時計測システムを試作を行った。

心臓標本からの蛍光信号をカットオフ波長630nmのダイクロイックミラーで分割し、一方をカットオフ波長700nmのロングパスフィルタ、そして他方を中心波長585nmのバンドパスフィルタを透過させ、2台の高速度カメラで撮影するシステムを構築し、実験を行った。また、膜電位画像とCa画像を正確に重ね合わせるためのレジストレーションアルゴリズムの検討を行った。心臓標本に投影したレーザスポットを対応点群として用いるPoint Based Registrationの後に,相互情報量の最小化によるレジストレーションを行うことで,二乗平均誤差で2画素の正確なレジストレーションを行うことが可能であった。これを用いてウサギランゲンドルフ灌流心標本の膜活動電位,細胞内カルシウム同時計測を行った。昨年度検討したフィルタ切り替え機構を有する撮影システムの光路設計を見直し,分光フィルタ位置で計測光を絞り、再びカメラの撮像素子に復元する光学系を設計した。その結果、中間像の大きさΦ9mmまで絞ることができ、なおかっ物体側NA0.1、像側NA0.173の明るさを確保した。解像度については物体上中心3LP/mmでMTF0.6以上を実現した。フィルタの切り替えと高速度カメラの露光を同期させるため、PLLを用いた位相同期制御系を構築し,125FPS、露光時間4msで同期を確認した。同時計測の検証は行うことはできなかったが,本システムにより,ウサギランゲンドルフ灌流心標本の膜活動電位,細胞内カルシウム濃度計測が可能であることを個別の計測により計測により確認した。
アメリカにおける幼児期社会科カリキュラムの研究

アメリカのNCSS(National Council for the Social Studies)は,幼児期や小学校低学年段階における社会科教育の重要性について言及している。一方で,日本は低学年の社会科を廃止して,生活科教育を設立して久しい。両者の共通点は,子供たちの主体的な探究活動を重要視している点である。本研究の目的は,アメリカの幼児期の社会科理論によって,生活科教育の在り方を問い直すことである。本研究の方法としては,『幼児期のカリキュラム』と『統合するー分化された教授+デザインによる理解』の文献研究をして得られた知見をベースに,よりよい生活科教育の在り方について考察する。
環境複合汚染の生体影響と関連要因

微量かつ長期にわたる環境汚染物質の健康影響を考えるとき、(1)同時に曝露される他の汚染物質、(2)共存する他の環境要因、(3)人体側の感受性、等の様々な要因がその影響の現われ方に重要な役割を果たすと考えられる。本研究においては、環境汚染物質の生体に対する影響のあらわれ方におよぼす複合要因を、上のような立場から解析している。本年度は以下のような事実が明らかになった。(1).無機ヒ素の毒性発現の機構を解析した結果、ヒ素が生体に取り込まれた後、活性酸素を発生し、ヒ素過酸化物を生成し、これがDNA構造を破壊している事が明らかになった。(2).鉄、亜鉛イオン、及びパラコ-トの毒性は、生体の必須イオンの1つであるセレンの欠乏下では増強される事が明らかになった。(3)、様々な生理的要因、たとえば、免疫系、ホルモン、腸内細菌、組織内の酵素、等が、環境汚染物質や、発癌物質の毒性発現に関与している事が具体的に示された。(4)、重金属イオンや、芳香族多環化合物の環境中への汚染状況について地域調査を行なった。具体的には、神通川流域におけるカドミウム汚染調査、パプアニュ-ギニアにおける毛髪中の重金属イオン調査,および,旭川(岡山県)、淀川(大阪府)での芳香族化合物の汚染調査を実施した。
代謝工学による高等植物の代謝デザインと有用物質生産

微生物発酵等で行われてきた代謝工学の理論を高等植物に導入し、合理的な代謝改変をおこなって有用物質を多く生産する作物等を開発することを最終目標として、代謝系全体を視野に入れたゲノムスケールの数理モデルの構築を行った。代謝マップのみに基づいて文字式で微分方程式のモデルを構築し、シロイヌナズナに代謝攪乱を与えて得た時系列メタボロームデータを使ってパラメーター推定を行うことで、代謝の数理モデリングが可能であることを示した。本研究は、微生物発酵等で行われてきた代謝工学の理論を高等植物に導入し、合理的な代謝改変を行って短期間に目的とする作物を開発することを最終目標とする。微生物などの単細胞生物で、代謝物数の少ない小さい代謝系を対象に用いられてきたフラックスバランス解析(FBA)やバイオケミカルシステム理論(BST)を、高等植物のゲノムスケールの代謝系に適用し、グルコシノレートなどの健康機能成分の生合成経路のボトルネックや不要な経路を予測して実験的に検証することを目的としている。平成25年度は、相対定量値として取得されるメタボロームデータを用いて代謝を数理モデル化するために必要な理論の構築を行い、モデル植物シロイヌナズナの代謝経路を対象としてBSTおよびFBAによって数理モデルを構築した。また、シロイヌナズナに代謝攪乱を与えたのち、代謝産物量の経時変化を示す時系列メタボロームデータを取得した。得られた時系列データを用いて、数理モデル中のパラメーターを決定し、さらにボトルネック予測などのシステム解析を行った。現状では、メタボロームデータの性質や植物代謝の特性に基づく検討課題がある。また、最終的にはゲノムスケールの解析を目指しているものの、現時点では対象とできる代謝の範囲が限られているなどの課題がある。そのため、現在も数理モデルの精度を上げるための検討を続けているところである。本研究は、微生物発酵などで行われてきた代謝工学の理論を高等植物に導入し、合理的な代謝改変を行って短期間に目的とする作物を開発することを最終目標とする。平成26年度は、前年度に引き続いて、相対定量値として取得されるメタボロームデータを用いて、大規模な代謝システムを数理モデル化するために必要な理論の構築を行なった。代謝マップを元にバイオケミカルシステム理論に基づいて構築した数理モデルには、多数のパラメーター(速度定数、反応次数)が含まれる。このパラメーターの値を時系列メタボロームデータから推定する際に、パラメーターの数を減らし、またシステムの大まかな特徴を捉えるための理論(U-systemおよびPENDISC)を構築して2報の論文として発表した。また、シロイヌナズナに代謝攪乱を与える系として、薬剤添加により誘導される遺伝子過剰発現株および遺伝子機能破壊株を、北大の尾之内均博士との共同研究で確立した。一過的薬剤処理による時系列メタボロームデータを相対定量値として取得するとともに、アミノ酸については絶対定量値を取得してモデル構築を行なった。この過程で予想外の代謝変動を認め、現在、詳細な確認を行なっている。平成27年度は、前年度に確立した薬剤添加により誘導される遺伝子過剰発現株および遺伝子機能破壊株を主に用いて解析を行なった。BSTにより構築したシロイヌナズナのアミノ酸代謝の数理モデルを用い、当該遺伝子の過剰発現および機能破壊による代謝変動のシミュレーションを行ったところ、実際に観察されたアミノ酸量の変動と部分的な不一致が認められた。この不一致を説明するための数理解析を行ない、これまでに知られていない遺伝子発現制御を予測し、実験的に検証することができた。また、特定の有用アミノ酸の蓄積量を増大させるためのボトルネックを予測した。以上の結果を論文にまとめ、近く投稿予定である。研究状況を鑑み、目的の達成によりふさわしいと判断される研究計画に変更したため。植物科学研究実績の概要に記載した研究については引き続きモデル構築およびシステム解析を行なって論文発表する。また、新たに確立しつつある環境ストレスによる代謝攪乱の実験系を用いてモデル構築を行なう計画である。平成25年度は、安定同位体標識化合物を用いた代謝フラックス解析をおこなうことも予定していたが、研究室のメンバーに変更があったことにより、実験系を一部セットアップした段階で進捗が止まっている。本課題の目的の達成により適していると思われる実験系を確立したため、実験計画を変更した。

そのために進捗が遅れ、未使用額が発生した。また、数理モデリング手法の改良を重ねたことで投稿予定の論文のひとつの執筆が遅れ、年度内の受理の見通しが立たなく立ったために、英文校閲代金および掲載料を年度内に支払う見込みがなくなった。平成26年度は、進捗の遅れていた代謝フラックス解析を行うことを計画している。また当初は、メタボローム分析のためのオルガネラ分画法を開発してオルガネラごとのデータ取得を計画していたが、研究を進めるうちに、代謝産物量の絶対定量値の取得が我々の手法による数理モデル化にとって重要であることが分かってきたため、絶対定量値に準ずるメタボロームデータを取得するための技術改良に注力する計画に変更する。進捗が遅れている実験に使う物品の購入、および投稿論文の英文校閲と掲載料の支払いに充てる計画である。物品費の端数の調整を特段行わなかったため、1,992円の次年度使用額が生じた。物品費として使用する計画である。
フッ化物添加による骨細胞様細胞MLOY4のGap結合蛋白connexineの変化

以上のことから、骨細胞に対するフッ化物の添加は、細胞の増殖を促すが、分化には関与せず、骨細胞が増殖する際にも細胞間ネットワークの維持が保たれていることが示唆された。
新しい蛋白質セラピー法の展開と脳保護薬創出

興奮性神経細胞死におけるカルシウム依存性蛋白分解酵素(カルパイン)の役割を検索した。カルパインは生理的カルパイン阻害剤であるカルパスタチン(CS)により強力に抑制される(IC50=20nM)。このペプチドを蛋白質セラピー法により細胞内に導入し、その導入効率や細胞死の抑制効果について検討した。海馬培養神経細胞および海馬スライスに1μM11R-CS peptideを添加すると、3時間以内にすべての神経細胞内に導入できた。また、同ペプチドの添加により、グルタミン酸で誘導される神経細胞死が有意に抑制された。以上より、11R-CS peptideが、膜通過性神経細胞死抑制ペプチドとして、今後の創薬の発展が期待できることが示唆された。さらに蛋白質セラピー法を利用してカルシニューリン(CaN)を介する神経細胞死のカスケードを解析した。免疫細胞系においてCaNはCa^<2+>イオン情報により活性化され、細胞内NF-ATを脱リン酸化してインターロイキン産生を引き起こす。この機構が興奮性神経細胞死にどの様に働くかを解析するためCaN-NFAT相互作用の特異的阻害ペプチドであるVIVITを蛋白質セラピー法で神経細胞内に導入した。その結果11R-VIVITは興奮性神経細胞死を促進した。この結果からCaN-NFATカスケードが神経細胞死抑制系として働くことが明らかとなった。
モルヒネより強力かつ経口有効な新規鎮痛インドールアルカロイドの薬理作用解析

タイ国伝承民間薬Mitragyna speciosaの葉には7-hydroxymitragynine (7-OHMG)等の強力なオピオイド活性を有するインドールアルカロイドが含有されている。昨年度の検討から7-OHMGの誘導体であるMGM-9は、in vitro実験においてモルヒネの約17倍強いオピオイド活性を示すことが明らかとなった。そこでMGM-9の薬効解析と副作用を評価し、7-OHMG、モルヒネと比較を行った。その研究成果の要点を以下の3点にまとめた。(1) MGM-9の鎮痛作用と作用機序解析新規化合物MGM-9の皮下、経口投与における鎮痛作用を検討した結果。MGM-9は7-OHMGの約2倍、モルヒネより約620倍強力な鎮痛作用を有し、経口投与においても強力な作用が維持されることが明らかとなった。MGM-9の鎮痛作用はオピオイドμ、κ受容体を介したものであることが示唆された。またin vitroの実験系においてもMGM-9のオピオイド活性はμ、κ受容体を介することが確認された。(2)MGM-9のモルヒネ様副作用の検討MGM-9の便秘作用の評価を行うため、MGM-9の消化管運動抑制作用について検討した結果、MGM-9はモルヒネと比して便秘の発現頻度の低い化合物であることが示唆された。精神依存性の評価を行うため7-OHMG、MGM-9の反復投与における精神依存性の形成能を条件づけ場所嗜好性試験により検討した、MGM-9はモルヒネ、7-OHMGと比して精神依存の発現が少ないことが示唆された。(3)7-OHMG関連化合物のオピオイド活性のスクリーニング7-OHMG関連新規化合物についてモルモット回腸、マウス輸精管摘出標本を用いた電気刺激方法と受容体結合実験によりスクリーニングを行った結果MGM-9より強力な化合物を発見した。タイ国伝承民間薬Mitragyna speciosaの葉にはオピオイド活性を有する様々なインドールアルカロイドが含有されている。当該研究ではその中でも強力な抗侵害作用を持つ7-hydroxymitragynine(7-OHMG)の作用機序、副作用の発現を解明しようと企画した。また7-OHMG関連化合物のオピオイド活性のスクリーニングを行い、さらに強力なオピオイド作用を持つ新規化合物の探索を行った。(1)抗侵害作用の特性:マウスにおいて、各種オピオイド受容体選択的拮抗薬を用い7-OHMGの抗侵害作用機序の解析を行った。その結果7-OHMGの抗侵害作用は主にμ_1受容体を介していることが明らかとなった。(2)単回投与における便秘作用の検討:7-OHMGの消化管運動抑制作用についてモルヒネと比較検討を行った結果、7-OHMGは抗侵害作用の発現用量と同用量において消化管運動を抑制した。一方、モルヒネはその抗侵害作用の約4分の1の用量で消化管運動を有意に抑制した。これらの結果から、7-OHMGはモルヒネにおける重要な副作用の1つである消化管運動抑制作用が弱いことが示唆された。(3)新規化合物の探索:7-OHMG関連化合物についてモルモット回腸、マウス輸精管電気刺激方法によるスクリーニングと脳膜標本を用いた受容体結合実験により新規化合物の活性評価を行った。その結果10位にF基を持つ新規化合物mitragynine ethyleneglycol誘導体MGM-9がin vitro実験においてモルヒネの約17倍強いオピオイド活性を示し、その作用はμおよびκオピオイド受容体を介することが示唆された。またマウスにおける抗侵害作用は皮下投与でモルヒネより約8倍強力であり、これまで検討した7-OHMG関連化合物の中で最強であった。(3)7-OHMG

関連化合物のオピオイド活性のスクリーニング7-OHMG関連新規化合物についてモルモット回腸、マウス輸精管摘出標本を用いた電気刺激方法と受容体結合実験によりスクリーニングを行った結果MGM-9より強力な化合物を発見した。
T細胞による表皮傷害過程におけるFas-Faoリガンド発現の意義と調節機構

1.自己反応性T細胞クローンの移入によるGVHD病変部及び、回復後の表皮ケラチノサイトにFas発現を認めた。GVHD病変部にはFasLを発現するケラチノサイトを一部認めたが、回復後GVDH抵抗性となった表皮には認めなかった。これらの発現は蛋白レベル、mRNAレベルで確認された。2.GVHD及び回復後のGVHD抵抗性が、Fas/FasLの異常を認めるlpr、gldマウスにおいて誘導されるかの検討を行った。B6lpr/lpr(Fas^-)マウスにおいてもGVDHは誘導されたが、その程度はcontrolマウスと比べ軽度であった。回復後のGVDH抵抗性に関してはB6lpr/lprマウスでは誘導出来なかった。一方、B6gld/gld(FasL^-)マウスではGVHD及びGVHD抵抗性の誘導に関して、controlマウスと差異は認めなかった。3.FasLに対するモノクローナル抗体がB6マウスのGVHD誘導能、GVHD抵抗性発現に影響を与えるか検討を行った。GVHD誘導に対しては軽度の抑制効果しか示さなかったが、GVHD抵抗性発現に対しては、著明な抑制効果を認めた。これらの結果はFas/FasLの相互作用が自己反応性T細胞クローンによるGVHDにおける表皮抵抗性発現に関与していることを示している。自己反応性T細胞クローンを同系マウス足蹠に局所移入することにより生ずるT細胞による表皮の傷害は皮膚GVHDの所見を呈する。このモデルにおいてDVHDから回復したマウスの表皮は以後の自己反応性T細胞クローンの侵入に対して抵抗性(GVHD抵抗性)となる。本年度の研究ではこれらの過程においてFas・Fasリガンドの発現がどのように関与しているかを明らかにしたいと考えた。1.自己反応性T細胞クローンの移入により表皮細胞にはFas発現が誘導された。一部の表皮細胞にはFasLの発現も認められた。移入した自己反応性T細胞クローンにはFas,Fas Lともに発現が認められた。4.Fas Lに対する抗体をGVHD誘導及び、GVHD抵抗性発現の際に投与し、その効果を検討した。GVHD誘導に関しては軽度の抑制と炎症の遷延化が認められた。また抵抗性発現の際に抗FasL抗体を投与することによりある程度の抑制効果が認められた。以上の結果からGVHDの誘導及びGVHD抵抗性発現にはFas・Fas Lの発現が重要であり、とくに抵抗性の発現にはFasの発現が重要であることが明らかになった。前年度の研究は、主に自己反応性T細胞クローンを用いたGVHD,におけるFas/FasLの関与を検討したが、今年度はハプテン連続塗布による慢性接触皮膚炎モデルにおける表皮の傷害過程でのFas/FasLの関与を解明することを目的とした。1.急性期と慢性期の局所皮膚及び所属リンパ節に存在するT細胞のサイトカイン産生パターンを明らかにするために、RT-PCR法及びELISA法を用いて経時的に検討を行った。局所皮膚及びリンパ節に存在するT細胞は慢性化するにって、T_<H1>からT_<H2>にシフトした.2.これらの個々のT細胞の産生するサイトカインをフローサイトメトリーを用いて細胞内サイトカイン産生を測定することにより検討した。全体としてT_<H2>型サイトカインにシフトした慢性期のリンパ節においてもT_<H1>型サイトカイン産生細胞は急性期と同様に存在していた。またこれらの細胞のFas/Fas L発現に関しても、急性期と慢性期で大きな差異は認められなかった。3.慢性期の表皮ケラチノサイトにおけるFas/FasL発現を急性期と比較したところ、むしろ急性期にFas発現が著明であり、慢性化につれ低下していった。4.抗FasL抗体により急性期、慢性期の局所皮膚の細胞浸潤に何らかの変化が認められるかを検討したが、著明な抑制及び増強効果は認められなかった。以上の結果は慢性接触皮膚炎モデルにおける表皮傷害過程にもFas/FasL相互作用の関与は認めるものの、GVHDモデルの表皮細胞傷害と異なり、主要な役割を果たしているとは言えない結果であった。
植物低温応答の細胞内ダイナミクス

本研究では、植物細胞の低温応答機構を明らかにするため、苔類ゼニゴケを用いて低温誘導性の細胞小器官運動の解析を行った。その結果、低温処理後のゼニゴケ細胞では、葉緑体および核、ペルオキシソームが同調的に細胞内配置を変化することが明らかになった。我々は、以前、低温誘導性の葉緑体定位運動(低温定位運動)に関して報告しており、現在、分子機構の解明を目指している(Kodama et al.2008 J Plant Res)。低温定位運動とは、低温処理によって細胞内の葉緑体配置が変化する現象のことであり、シダやコケなどの植物で発見されている。たとえば、ホウライシダの配偶体である前葉体を25°C・弱光下で処理した場合、葉緑体は効率良く光に当たるために細胞表面に集合することが知られているが、前葉体を4°C・弱光下で処理した場合、葉緑体は弱光にも関わらず細胞接着面に定位する。本研究では、低温下における葉緑体を含む様々な細胞小器官の細胞内変化を解明することを目的としており、特殊な顕微鏡装置の開発と蛍光タンパク質を用いたライブセルイメージングを行う。平成23年度の研究実績として、温度を±0.1°Cの誤差で制御することができる温度制御顕微鏡ステージを作製し、実験基盤の構築を行った。また各細胞小器官を可視化するために蛍光タンパク質遺伝子を組み込んだプラスミドの構築および植物への導入を行った。蛍光タンパク遺伝子が挿入された植物発現用ベクターを構築した後、これをアグロバクテリウムに形質転換した。同アグロバクテリウムを植物に感染することによって、蛍光タンパク質を発現する遺伝子組換え植物の作出を行った。現在、ミトコンドリア、ペルオキシソーム、核などが可視化された遺伝子組換え植物が作出されており、純化系統も得られている。我々は、以前、低温誘導性の葉緑体定位運動(低温定位運動)に関して報告しており、現在、分子機構の解明を目指している(Kodama et al. 2008 J Plant Res)。たとえば、ホウライシダの配偶体である前葉体を25°C・弱光下で処理した場合、葉緑体は効率良く光に当たるために細胞表面に集合するが、前葉体を4°C・弱光下で処理した場合、葉緑体は弱光にも関わらず細胞接着面に定位することが知られている。本研究では、低温下における葉緑体を含む様々な細胞小器官の細胞内変化を解明することを目的としており、特殊な顕微鏡装置の開発と蛍光を用いたライブセルイメージングを行った。平成24年度には、特殊な顕微鏡装置が完成し、顕微鏡下での温度制御が可能となった。また苔類ゼニゴケを用いて、葉緑体をクロロフィル蛍光で、核およびミトコンドリア、ペルオキシソームを蛍光タンパク質で可視化して解析する実験システムを構築した。これらの実験システムを用いて詳細な解析を行ったところ、葉緑体および核、ペルオキシソームは、低温処理に応答して、細胞表面から細胞接着面へと配置を変化する運動を持つことがわかった(Ogasawara et al. 2013 Plant Cell Environ)。特に、葉緑体とペルオキシソームは、相互作用しており、同調的に運動が誘導された。また、ミトコンドリアには低温応答運動が無いこともわかった。平成23年度には、温度制御顕微鏡ステージの作製とプラスミドの構築を計画していた。温度制御顕微鏡ステージの作製に関しては、計画通り、高性能な装置を作製することができた。またプラスミドの構築に関しては、研究開始初期に構築が完了し、さらにこれを導入した遺伝子組換え体の作出にも成功している。以上より、当初の計画以上に進展していると思われる。24年度が最終年度であるため、記入しない。今後は、温度制御顕微鏡ステージを用いて、遺伝子組換え体の解析を行う。温度制御顕微鏡ステージと蛍光解析システムを上手く組み合わせて研究を進めることが重要と考えられる。
地すべりの発生と滑動のメカニズムに関する実験的研究

あらかじめ雨量計、地下水位計、間隙水圧計、伸縮計、孔内傾斜計、歪計、光波測量用移動杭、自然電位用電極が設置された自然斜面に、注水による人工地すべりを発生させ、そのメカニズムを考察した。概要は以下の通りである。1.地すべりの発生には、間隙水圧とともに地盤強度の低下が寄与している。降伏応力の指数関数的な減少を想定すると、地盤の変形の初期をフォークト物体、それ以降をビンガム流動と仮定して、現象を説明することができる。2.歪速度γ^^・と間隙水圧μの間には、lnγ^^・=a・u-b(a、bは定数)のような関係が見られる。間隙水圧の変動速度μ^^・と地盤の歪速度γ^^・の関係を線型システムとみなすと、両者のスペクトル比はビンガム・モデルのシステム関数で近似的に表わすことができる。実際には、前項で述べたように地盤強度の低下も絡んでくるため、上記のγ^^・-μ関係式のような非線型を示す。3.地すべり地内外に24m間隙でほぼ格子状に配置した杭の移動を、光波セオドライトを用いて繰り返し測量した。そのデータに二次元有限均一歪理論を適用して、地表面の水平歪の分布と経時変化を求めた結果、この方法は地すべりの局所的な変動の検出や予測に非常に有効であることが明らかになった。4.地すべりの前兆現象の一つとして自然電位の観測を行った。地下水の流れあるいは地盤の変形と自然電位の経時的な変化の間には、明暸な関係が認められなかったため、より規模の大きいかつ現在活動的な島原市眉山一帯で測定を繰り返した。その結果、地下水の面的な分布と流動、ある特定地点における経時変化を観測したが、それらの確認と地盤内の他の現象との対応については、今後の課題として残った。
半導体薄膜レーザの超低消費電力動作実現

将来のLSI上にオンチップ光配線を実現する上で必要とされる、高速電気信号を光信号に変換できる超低電力動作半導体レーザを実現することを目的として行う研究であり、これまで申請代表者が提案・実現してきた薄膜(メンブレン)半導体レーザの極低電流動作および10Gbit/sを超える超高速変調の実現を目指した。この薄膜(メンブレン)半導体レーザだけでなく、信号を伝える低損失光導波路および高速光検出器も合わせて実現することを目的として申請した基盤研究(S)が採択されたため、本申請の基盤研究(A)は5月末で中断することとなった。27年度が最終年度であるため、記入しない。
頭頸部癌に対するelectrochemotherapyと遺伝子治療併用の試み

各群治療後のマウスのspleencellを回収,^<51>Crで標識したSCCVII cellと4時間co-cultureし,放出される^<51>Crをγ線シンチレーションカウンターにて測定することでCTLの細胞傷害活性を,また^<51>Crで標識したYAC-I cellと4時間co-cultureし,^<51>Crを測定することでNK細胞の細胞傷害活性に対するElectrochemotherapyおよびIL-21の作用を検討したが,細胞傷害活性に影響は見られなかった。C3H/HeNマウスから回収したspleen cellとマイトマイシンCで処理したSCCVIIをIL-2存在下に共培養し,増殖のよいcloneのcloningを試みたが,目的とするcloneは採取できなかった。以上の結果から,IL-21とCDDPは相乗的に作用して,マウスSCCVIIに対する抗腫瘍効果を発現するが,その作用機序については,本研究において立証することはできなかった。しかし,その抗腫瘍効果が原発腫瘍のみならず,転移巣にも効果が認められたことから,何らかの免疫反応が抗腫瘍効果に寄与していることが推察された。さらに,重篤な副作用が認められなかったことは,本治療法の臨床応用を考える上で大きな成果であると考えられる。2.Electrochemotherapyによる抗腫瘍効果CDDPをSCCVII担癌マウスに電気パルスをとともに腫瘍内に局所注入し、抗腫瘍効果を確認した。さらに、CDDPを用いたElectrochemotherapyとin vivo electroporation法によるpGEG.mIL-21の導入を併用することでSCCVIIに対する抗腫瘍効果を相乗的に増加することができることを確認した。また、重篤な副作用の発現は見られなかった。各群治療後のマウスのspleencellを回収、^<51>Crで標識したSCCVII cellと4時間co-cultureし、放出される^<51>Crをγ線シンチレーションカウンターにて測定することでCTLの細胞傷害活性を、また^<51>Crで標識したYAC-I cellと4時間co-cultureし、^<51>Crを測定することでNK細胞の細胞傷害活性に対するElectrochemotherapyおよびIL-21の作用を検討中である。
光変換を利用した高輝度放射光用転換電子メスバウアー分光(CEMS)検出器の開発

1)新しく整備しメスバウアー分光装置に、応答の早いYAPシンチレーション検出器を導入し、その動作特性を明らかにした。2)メスバウアーγ線を高選択的に検出できる、可動型の^<57>Fe核共鳴シンチレーション検出器システムを構築した。発光メスバウアースペクトル(EMS)の測定に応用した結果では、最大400%のS/N比が得られ、従来の10分の1以下の線源強度でも高いエネルギー分解能でメスバウアースペクトルが得られることが分かった。3)Spring8の放射光施設において核共鳴非弾性散乱の測定をおこなった結果、時間分解能1ns以下のAPD検出器8個の多素子を用いれば2%^<57>Feの鉄試料を約90分で測定することができることを確認した。また、核共鳴非弾性散乱スペクトルから局所的なフォノン状態密度を求めるプログラムを開発した。デバイモデルをもとに定量分析に欠かせないラムメスバウアー分率の温度変化を求めた。4)(Ba,Sr)(Fe,Co)O_<3-δ>および(Sr,Ca)(Fe,Co)O_<3-δ>などのペロブスカイト酸化物の核共鳴非弾性散乱スペクトルを測定し、酸素欠陥δの0.5のブラウンミレライトにおいてき約8meV付近に特徴的なフォノンピークが現れることを明らかにした。2meVから60meVの低い振動エネルギー状態密度を解析するのには核共鳴非弾性散乱法が非常に有効になる。5)開発した転換電子メスバウアー検出器を用いて電子エネルギー選択しながら酸化膜ステンレス鋼の表面および界面を解析した。内部磁場分布解析からフェライト鋼の酸化皮膜界面がCrの表面濃縮による影響されるようすがとらえられ、また、オーステナイト鋼のスパッタリング皮膜は、オーステナイトではなく、フェライトからなることが分かった。このフェライトは、熱処理によって内部磁場がさらに大きくなり、500°C以上に熱すると常磁性のオーステナイトになることがわかった。さまざまな温度で処理した10nmの酸化膜の状態が解析された。今年度は特にメスバウアー分光装置の整備と新しい検出器の設計・開発を中心におこなった。従来のNaI(Tl)シンチレーションカウンターや比例計数管に比較して約4倍速い応答示すYAPシンチレーションカウンターを構成して測定の改良をおこなった。一方、小型のガスシンチレーションによるCEMS検出器を試作した。メスバウアー共鳴成分を選択的に十分に取り出すための最適条件を見つけるにはまだ至っていない。検出器自体を稼働してメスバウアーγ線を高選択的に検出できるように核共鳴シンチレーション検出器を作製した。57Feをドープしたプラスチックシンチレータと57Co(Cr)のRI線源を用いて測定した結果バックグランドに対して420%の高いピーク比を示し、また線幅も0.26mm/sと狭いスペクトルが得られた。この検出器は放射光の単色ビームにおいて選択的に共鳴成分を検出することが期待される。他方、測定対象とする試料について準備し、従来の線源を用いる方法で検討をおこなった。ステンレス酸化薄膜の表面・界面の状態分析をするためにメスバウアー共鳴吸収後に放出される電子のエネルギーを弁別してCEMS測定を行い、特にフェライトステンレス表面酸化皮膜の構成成分の変化に伴って界面で変化する内部磁場分布を捕らえることできた。粉末試料では炭酸ガスを高速吸収するペロブスカイト型複合酸化物について測定と解析をおこなった。

さらに放射光によるペロブスカイト酸化物のメスバウアー共鳴核による緩和時間スペクトル測定の予備実験を行った。今年度はこの研究の初年度のため検出器の特性評価などまだ最終的な結果を得るまで至っていないが、問題点などが明確になり、今後の新しいCEMS:検出器の改良開発の手がかりを得ることができた。整備したメスバウアー分光装置と新しいYAPシンチレーション検出器を用いてペロブスカイト酸化物のメスバウアースペクトルを測定し、酸素欠陥の秩序構造を明らかにした。また、Spring8の放射光施設において核共鳴非弾性散乱の測定をおこなった結果、^<57>Feで濃縮していない試料についても時間分解能1ns以下のAPD検出器8個を用いれば、約90分で測定することができることが確認された。測定したペロブスカイト酸化物の核共鳴非弾性散乱スペクトルから0meV100meVの範囲でフォノン密度を求めた結果、(Ba, Sr)(Fe, Co)O_<3-δ>および(Sr, Ca)(Fe, Co)O_<3-δ>について酸素欠陥δが0.5のとき約8meV付近に特徴的なフォノン振動ピークが現れることがわかった。これら酸化物のラマンスペクトルでは667cm^<-1>(82meV)に振動ピークが見られるだけなので、これより低いエネルギーの1meVから60meVの振動モードを解析するのには核共鳴非弾性散乱法が非常に有効になる。さらに固体のデバイモデルに基づいてこれから直接メスバウアー無反跳分率の温度依存性を求める検討を行った。従来の方法で物質の無反跳分率を求めるには、試料温度を可変しながら測定するために一ヶ月近くかかる。それに対して核共鳴非弾性散乱法は、測定したフォノン振動モードから計算で直接求めることができ、メスバウアースペクトルの定量分析に欠かせない方法になることが示唆された。メスバウアー共鳴吸収後に放出される電子のエネルギーを弁別して転換電子メスバースペクトル(CEMS)を得る、深さ選択CEMS測定を行った。ステンレス鋼の高温酸化膜皮膜について解析した結果、高温酸化膜下の鋼の内部磁場分布が大きく変化していることが認められた。このようにステンレス表面酸化皮膜の構成成分の変化に伴って下地界面で変化する内部磁場分布を捕らえることでき、表面・界面の解析に深さ選択CEMSが有効であることが示された。^<57>Feをドープした核共鳴シンチレーション検出器またはCEMS用のガスシンチレーション検出器の放射光による特性評価は次年度におこなう予定である。1)試作した小型のガスシンチレーションCEMS検出器の測定条件、エネルギー分解能や時間分解能などの特性を検討してきた。従来のガス増幅CEMS検出器と比較すると不安定で検出効率が低くかった。根本的に設計から見直す必要がある。薄膜プラスチックシンチレータによる新しいCEMS検出器を試作し、その利用の可能性を探った。2)検出器自体を稼働してメスバウアーγ線を高選択的に検出できる、可動型の^<57>Fe核共鳴シンチレーション検出器システムを構築して、発光メスバウアースペクトル測定に応用した。線源では、最大400%のS/N比が得られた。100分の1以下の線源強度でもメスバウアー測定ができることが確認された。
高性能単分子熱電材料の創製

本研究では、高熱電性能単分子接合の創製を目的とした。まず、電子線描画法等の微細加工技術を用いて、ナノ加工機械的破断接合(MCBJ)に熱電対を組み込んだ、1分子熱電特性測定用ナノセンサデバイスを開発した。このデバイスの動作実証として、金ナノ接合におけるジュール発熱を調べ、当該ナノ構造の電子状態を反映した非対称なジュール加熱効果を発見した。また、単分子接合の熱電特性における分子ー電極界面構造の寄与を調べ、金ーチオール結合距離を拡張することで、単分子接合の熱電性能を大幅に向上できることを見出した。さらに、同デバイスを用いたアルカンジチオール単分子接合の1分子熱伝導度の実測にも成功した。本年度では、1分子熱電計測用ナノセンサデバイスとして、熱電対組込み型MCBJ(Mechanically-Controllable Break Junction)素子を創製した。作製プロセスでは、まずバフ研磨により鏡面磨きを施したりん青銅基板表面上にポリイミド薄膜をコートし、その上にフォトリソグラフィー及びマグネトロンスパッタ法を用いて引き出し電極を作製した。続いて当該電極パターンの一部を外部マーカーとして用い、電子線リソグラフィー等プロセスによりアルミナ薄膜を形成させた。そして同様のプロセスにより今度はアルミナ表面上に電熱ヒータとして機能する白金細線コイル、白金/金熱電対および金ナノ接合を段階的に作製した。そして最後に反応性エッチングによるポリイミドの等方性エッチングによりフリースタンディングな金ナノ接合を得た。この新規ナノ構造を用いて室温下における金単原子接点のジュール熱評価を実施した。実験では、デバイス基板を三点曲げの要領で湾曲させることで金ナノ接合を機械的に引っ張り変形させながら、接合のコンダクタンスと熱電対における熱起電力の同時計測を室温・真空下で実施した。金ナノ接合にバイアス電圧を印加すると、当該接合に生じるジュール加熱の影響により熱電対の熱起電力が変化した。接合を徐々に狭窄させていきながら熱電対における熱起電力計測を実施した結果、ナノ接合に生じるジュール熱は接合のサイズによらず概ね電力に正比例することを明らかにすることができた。さらにヒータを通電加熱させることで、金ナノ接合を介した熱流量を熱電対で検出することに成功した。現在、金ナノ接合の熱伝導度の導出を実施している。当初の計画通り、熱電対組込み型MCBJ素子の創製に成功した。また、当該デバイスを用いてナノ接合における熱輸送を観測することができた。さらに、同デバイスを応用して、金ナノ接合におけるジュール加熱現象の観測にも成功した。これは想定以上の成果である。本年度では、単分子接合の熱電特性にとって最適な分子設計及び電極-分子接点構造設計の指針を立てることを目的とした。そこで、まず分子アンカーの寄与を調べるために、Auナノ接合を用いて、ベンゼン環のパラ位が両方チオール、両方アミン及び片側チオール/反対側アミンの分子について、1分子熱電計測を実施した。その結果、チオール基を有する分子において、単分子接合の引っ張り過程でパワーファクターが顕著に向上する傾向が観察された。第一原理計算により接合の変形過程をシミュレートしたところ、これはアンカー原子とチオール間の距離が数Å以上離された時に起きる現象であることが明らかとなった。また、アミンと比べてチオールはAuに対してより強固に結合する。よって、1分子熱電素子にとってチオール基はアミノ基より優れたアンカーであることが示唆された。また、より高い1分子熱電特性の達成を目指して、長さが異なるオリゴチオフェン分子の熱電特性測定を実施した。その結果、ベンゼン等のHOMO-LUMOギャップが大きい分子と比べて高いゼーベック係数が得られた。さらに、次年度の目標として設定している1分子熱電特性における最適な電極材料の検討について、前倒しで予備実験を行った。愚痴的には、金属成膜時の条件や下地金属等を工夫し、Pt、Ag、Cu、NiについてMCBJ素子作製を試みた。その結果、PtとCuについては、接合作製に成功し、ブレークジャンクション法による熱電計測を実施することにも成功した。特に、Pt接合の結果においては、水素の1分子熱電特性について興味深い結果が得られており、これは当初の計画以上の成果である。次年度の目標としている、1分子熱電特性における電極材の寄与に関して、前倒しでAu以外の電極材をベースとしたMCBJ素子の作製を実施し、その動作確認にも成功した。本研究では、金以外の電極を用いて、単分子接合の熱電特性評価を実施することを目標とした。そこで、まず前年度までに開発した1分子熱電計測用マイクロヒータ・熱電対組込み型MCBJ素子のナノ接合部の材料として、金、銀、銅、アルミ及び白金を試した。その結果、銀及びアルミでは、ナノ加工時における金属蒸着やリフトオフは問題なく実施できるものの、デバイス作製工程の最終段階で行うポリイミドの掘削時における酸素プラズマを用いた反応性イオンエッチング過程で、著しい表面酸化が生じ、接合が絶縁化したため、1分子計測に供することができなかった。一方、金と白金は当該ドライエッチングに耐え、銅は歩留まりは極めて低いものの、素子作製は可能であった。作製したMCBJデバイスを用いて、金及び白金電極を用いた単原子・分子接合の熱電計測を室温・真空下で実施した。熱伝導度計測では、金属ナノ接合の狭窄部が小さくなるにつれて、熱伝導度が徐々に低下する傾向が観測された。

さらにデータを詳細に解析した結果、接合の大きさが数原子サイズになると接合熱伝導度は接合電気伝導度に対してほぼリニアに変化することが分かった。金属接合における熱伝導は、電子による熱輸送が支配的であると考えられることから、金属原子サイズ接合においてもWiedemann-Franz則が成立することが示唆された。また、同様の測定により単分子接合の熱伝導度をデータから見積もったところ、その値は数十pW/Kであった。以上のように、ナノ加工プロセス条件による制限のため、限定的であるものの、金以外の電極を用いた1分子熱電計測が実施可能であることを実証した。本研究では、高熱電性能単分子接合の創製を目的とした。まず、電子線描画法等の微細加工技術を用いて、ナノ加工機械的破断接合(MCBJ)に熱電対を組み込んだ、1分子熱電特性測定用ナノセンサデバイスを開発した。このデバイスの動作実証として、金ナノ接合におけるジュール発熱を調べ、当該ナノ構造の電子状態を反映した非対称なジュール加熱効果を発見した。また、単分子接合の熱電特性における分子ー電極界面構造の寄与を調べ、金ーチオール結合距離を拡張することで、単分子接合の熱電性能を大幅に向上できることを見出した。さらに、同デバイスを用いたアルカンジチオール単分子接合の1分子熱伝導度の実測にも成功した。今後は熱電対組込み型MCBJを用いて種々の有機分子の1分子熱電特性測定を実施し、高性能熱電デバイスに資する分子接合の設計指針を確立する。Au以外の金属材料をベースとしたMCBJ素子を用い、1分子熱電特性測定を実施することで、単分子接合の熱電性能にとって最適な電極材料を明らかにする。すでにPtとCuについては素子作製に成功していることから、当初の計画通り研究を進めることができる見通しは立てられている。29年度が最終年度であるため、記入しない。ナノ・マイクロ科学29年度が最終年度であるため、記入しない。
大腸菌プリンヌクレオチド生合成系制御蛋白質PurRの構造と機能

本研究は大腸菌プリンヌクレオチド生合成系の制御因子であるDNA結合蛋白質PurRの構造と機能の関係を明らかにすることを目的としている。本年度は、昨年度に引き続いてPurR蛋白質をコードするpurR遺伝子の発現制御機構の解析、さらにPruR蛋白質の効率の良い大量発現系を作成を行った。前者については、purR遺伝子中のPurboxがプリンヌクレオチド生合成系遺伝子の場合の比較して特異な位置に存在することから(プリンヌクレオチド生合成系遺伝子のPurboxがプロモーター近傍に存在するのに対して、purR遺伝子の場合は転写開始点の下流95bと183bに存在する)、purR遺伝子の自己制御が転写の開始の段階に働いているのか、それとも転写の伸長の段階に働いているのかを明らかにするために、ノザン・ハイブリダイゼーションにより転写産物の詳細な解析を行った。その結果、過剰のアデニンが存在する培地中で培養した菌より抽出したRNAは、アデニンが存在しない培地で培養した菌より抽出したRNAと比較してPurboxのところで転写がポーズしている転写産物をより多く含んでいることがわかった。このことは、制御が転写の伸長を阻害することによってなされていることを示唆する。後者については、2つのPurboxを部位化定変異導入法により破壊したpurR遺伝子を作製し、発現ベクターにクローニングすることに成功し、誘導によりpurR遺伝子産物が効率よく発現することを確認した。
女性アスリートの口腔環境がパフォーマンスに及ぼす影響の解析

口腔環境が不良であると、う蝕や歯周病による歯の欠損が増加し、その結果として咬合状態の不均衡を来たし、体幹バランスへ影響する。また免疫機能も低下傾向になる。さらに女性アスリートは月経周期に伴うホルモン変化により、身体的コンディションや口腔環境が影響を受ける。本研究では、女性アスリートの口腔環境と月経周期の関連性を解明し、口腔の健康維持管理が身体のコンディション向上に寄与するかを調査し、女性アスリートの体調管理の新たなアプローチ法の確立が模索する。
fMRIデコーディングによる感覚運動皮質の座標表現の解明

感覚系(外部)から運動系(内部)への座標変換の神経処理過程は未だに明らかになっていない.我々は手首運動中のfMRI活動を計測し各感覚運動野のボクセルパターンがどのように変化して伝達しているか調べた.はじめに各感覚運動野の座標系を推定した.一次運動野(M1)は筋座標系に近い座標系であった.背側運動前野(PMd)は外部座標系に近かった.後部頭頂葉(PPC)は外部と筋の中間の座標系であった.次にM1への座標変換を推定した.PMdとPPCからM1への結合行列が回転変換していることがわかった.故にPMdとPPCでコードされている座標系が変換されてM1で筋座標系を構成していると結論づけられる.本研究の目的は、fMRIデコーディング技術を用いて運動に関わる脳内の座標表現および座標変換を明らかにすることであるが、26年度はその基礎となる実験を行った。まず手首運動中の脳活動をfMRIで計測し、次に計測した感覚運動野の脳活動から運動についての情報を読み出せるかデコーディング解析を行った。fMRI実験では、被験者に二種類の前腕の姿勢(回外位と中間位)をとってもらい、それぞれの姿勢で8方向(0°,45°,90°,135°,180°,225°,270°,315°)にアイソメトリックな手首運動を行ってもらった。運動方向はスクリーンに提示した。4秒間を一つのブロックとしたfMRI計測デザインを用いて、一つのブロック内で同じ方向に4回手首運動を行ってもらった。1fMRI計測(run)あたり、8方向×4ブロック、計32ブロックの実験を行った。各姿勢につき8ー9runの実験を行った。次に手首運動中の脳活動に運動方向の情報があるかどうか、2つの姿勢でそれぞれ別々に運動方向のデコーディングを行った。デコーディング解析を行うにあたり、解剖学的な目印を元に、一次運動野、一次体性感覚野、背側運動前野、腹側運動前野、上頭頂小葉、下頭頂小葉に区分し、それぞれの領域でデコーディング解析を行った。その結果、下頭頂小葉以外の領域では統計的に有意に運動方向を予測できた。とくに一次運動野と一次体性感覚野の予測精度が高かった。さらに8方向の予測精度にばらつきがないか調べたところ、一次運動野のみが予測精度にばらつきがあった。手首を回外、回内するときよりも屈曲、伸展するときのほうが予測精度が高かった。これは一次運動野が実際の運動と最も密接に関連しているからだと考えられる。この結果は脳が運動をどのような座標系で表現しているかを調べる上で重要であり、今後より詳細な解析を行う上で基礎となる情報を得ることができた。本研究の目的は,視覚刺激として与えられた目標に対し運動を行う際に,脳内で視覚系を司る領域から運動を司る領域に情報が伝達されるときに,どのように座標変換がなされているか明らかにすることである.この脳内の計算過程を明らかにするために,手首運動中のfMRI活動を計測し,モデルを用いたマルチボクセルパターンの解析をすることで,感覚運動変換に関わっている頭頂連合野と感覚運動野の座標系とそれらの間の座標変換を調べた.27年度は,26年度に計測したfMRIデータを解析し,脳の各領野の座標系および座標変換を調べた.計測したfMRIデータは,二種類の手首の姿勢でそれぞれ8方向にアイソメトリックな手首運動を行っている時の脳活動であり,姿勢の違いによる脳活動パターンをモデルを用いて解析することにより座標系と座標変換を推定した.前処理として,頭部の動きによる活動の位置ずれを補正した後,脳の脳構造画像をもとに脳皮質を各領域に分割し,各領域のボクセルパターンを標準化した.座標系を推定するために,運動方向に関連のあるマルチボクセルパターンが手首姿勢によってどのように変化しているのかモデルを通して解析することにより,各領野の座標系を推定した.次に,推定した座標系をもとに領野間でどのように座標変換がなされているか調べた.座標変換は領野間での機能的結合の変化によって生じていると仮定し,ボクセルレベルでの機能的結合モデルを作成したのち,2つの姿勢で機能的結合がどのように変化しているか推定した.頭頂葉の後部と背側運動前野では外部(視覚)座標系で表現されていた運動方向の信号が,一次運動野に情報伝達される際に座標変換され,一次運動野で手首の筋と同じ筋座標系になることがわかった.感覚系(外部)から運動系(内部)への座標変換の神経処理過程は未だに明らかになっていない.我々は手首運動中のfMRI活動を計測し各感覚運動野のボクセルパターンがどのように変化して伝達しているか調べた.はじめに各感覚運動野の座標系を推定した.一次運動野(M1)は筋座標系に近い座標系であった.背側運動前野(PMd)は外部座標系に近かった.後部頭頂葉(PPC)は外部と筋の中間の座標系であった.次にM1への座標変換を推定した.PMdとPPCからM1への結合行列が回転変換していることがわかった.故にPMdとPPCでコードされている座標系が変換されてM1で筋座標系を構成していると結論づけられる.26年度に予定していたfMRI実験は全て行うことができた。計測したfMRIデータから運動方向のデコーディングを行った結果、概ね予想していた結果が得られた。

計算論的神経科学まず運動に関わる各領域の座標表現を明らかにする。運動に関わっている脳領域が用いていると思われる座標系には3種類が考えられ、それぞれ、姿勢によらず変化しない外部座標系、姿勢と同等に変化する関節座標系、そして外部座標系と関節座標計の中間的な変化をする筋座標系である。これらのうちどの座標系で脳が運動を表現しているか明らかにするためには2つの姿勢の脳活動を用いて解析を行う必要がある。そこで2つの姿勢の座標表現の違いを調べるための解析モデルを考案し、座標表現を推定する。各脳領域の座標表現を明らかにした後は、脳領域間でどのような座標変換(例えば、外部座標系から筋座標系への変換)が行われているか明らかにしていく。とくに感覚から運動という情報変換が行われている上頭頂小葉から運動前野、一次運動野間の座標変換に焦点を当てて解析を行う。座標変換を明らかにする方法としては、ポピュレーション・コーディングをもとにしたボクセル・レベルでの解析を行っていく予定である。旅費の使用予定額より実際に旅費にかかった額が少なかったため。学会発表などにかかる旅費、追加実験などに使用する予定である。