hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
視床下部Sirt1とドパミンシグナルによる脂質嗜好性制御機構の解明

中枢性SIRT1による食餌嗜好性制御機構を検討した。食餌選択試験では、神経特異的SIRT1過剰発現マウスは、高脂肪食摂食量の増加、高ショ糖食摂食量の減少を示した。他方、神経特異的SIRT1ノックアウトマウスは、高脂肪食摂食量の減少、高ショ糖食摂食量の増加を示した。遺伝子発現解析では、神経特異的SIRT1過剰発現マウスの視床下部で、Tyrosine hydroxylaseの発現が抑制され、オキシトシンの発現が増加した。他方、神経特異的SIRT1ノックアウトマウスでは逆の効果が得られた。これらのことから、中枢性SIRT1はドパミンとオキシトシンシグナルを介して食餌嗜好性を調節することが示唆された。近年、我が国では食生活の欧米化から脂質を摂取する割合が増加している。その結果、生活習慣病や心疾患、脳血管疾患の罹患者が増加の一途をたどっている。この要因の一つに、高脂肪食に対する嗜好性が深く関与することが考えられる。すなわち、脂質に対する嗜好性の制御機構を解明することが、これら問題の解決策になりうる可能性がある。長寿遺伝子Sirt1は、NAD+依存性の脱アセチル化酵素で、細胞内のエネルギーセンサーとして機能する。視床下部Sirt1は、摂食抑制とエネルギー消費亢進を誘導し、生体内のエネルギーバランスを維持する。他方、エネルギーセンサー分子と嗜好性のかかわりについての報告はほとんどない。そこで本研究では、脂質嗜好性の基礎的なメカニズムの解明の一端として、Sirt1による脂質嗜好性制御メカニズムの解明を行う。本年度は、神経特異的Sirt1ノックアウトマウスの脂質に対する摂食行動解析と、食嗜好性に関わる因子の遺伝子発現量を測定した。神経特異的Sirt1ノックアウトマウスは、コントロールマウスに比べて高脂肪食摂取量が増加傾向を示した。また、神経特異的Sirt1ノックアウトマウスの視床下部では、tyrosine hydroxylase (Th)の遺伝子発現量がコントロールマウスに比べて有意な増加を示した。さらに、視床下部不死化細胞を用いてSirt1によるTh遺伝子発現調節機構を検討したところ、Sirt1はThの転写を抑制することが明らかとなった。これらの結果から、中枢性のSirt1は、視床下部ドパミンシステムを介して脂質嗜好性を制御する可能性が考えられた。予定通りに実験が進み、データが得られているため。肥満治療において食事療法は有効だが、患者のコンプライアンスの低さが問題となる。その解決には、恒常的摂食代謝調節研究に加え、過食の背景にある食嗜好性の解明が重要である。SIRT1は、カロリー制限という食事療法の一種による健康寿命の延長効果を担う分子の一つである。視床下部SIRT1は、レプチンなどのホルモン感受性を促進し、恒常的摂食代謝調節により体重を負に制御することがわかっている。他方、食嗜好性へのSIRT1の関与は未解明である。そこで私は、神経系特異的SIRT1過剰発現(NS-OE)・ノックアウト(NS-KO)マウスを作成し食嗜好性に対する解析を行った。その結果、SIRT1はショ糖嗜好性を抑制、脂質嗜好性を促進することを見出した。また、オキシトシン(Oxt)はショ糖嗜好性を抑制するが、NS-OEマウスで低下したショ糖摂取量は、中枢移行性Oxt受容体阻害剤の投与で回復した。次に、NS-OE/KOマウスの視床下部のOxt発現解析と、視床下部細胞株でのOxt発現とプロモーター解析より、SIRT1はOxt発現を正に制御することを確認した。さらに、Oxtニューロン特異的SIRT1過剰発現・ノックアウトマウスを作成・解析し、ショ糖嗜好性の抑制にはOxtニューロンのSIRT1で十分であり、かつOxt受容体を介したシグナルが必要であることも確認した。ショ糖摂取は肝臓からのFGF21分泌を促進し、視床下部室傍核のFGF21受容体(β-Klotho/FGFR1ヘテロダイマー)に作用してショ糖摂取を抑制する。我々は、FGF21が視床下部細胞株でOxt発現を促進し、SIRT1はβ-Klotho発現を正に制御することを見出した。以上より、SIRT1はFGF21-Oxt系を介してショ糖嗜好性を制御することが明らかとなった。他方、SIRT1による脂質嗜好性制御機構の解明は今後の課題である。Sirt1によるTh遺伝子発現制御機構の解明と、視床下部ドパミンシステムと脂質嗜好性の関係を明らかにする。分子栄養学
静水圧ストレスによる顎関節滑膜細胞の応答

本研究より、咬合圧と顎関節腔内圧は正の相関をもち、内圧の亢進は滑膜細胞の誘導型一酸化窒素合成酵素を誘導することが示された。これは、噛みしめによる静水圧ストレスが、顎関節腔内の酸化ストレスを高める可能性を示唆し、噛みしめなどの習癖が顎関節症の誘因になり得ることを示すものである。顎関節症の誘因のひとつとして、ブラキシズムやクレンチングなどの習癖による顎関節構成体への過度の機械的ストレスが挙げられているが、その病態生理学的機序については依然不明な点が多い。われわれは、顎関節構成体における機械的ストレスを受容する組織として滑膜を想定し、伸展ストレスが培養滑膜細胞にCOX-2(cyclooxygenase-2)を誘導し、その主要な転写因子であるNF-κB活性を高めることを報告した。しかし、本実験系ではクレンチングのような静的なメカニカルストレスは表現できない。閉鎖された関節腔に存在する滑膜細胞が受容する慢性的な機械ストレスは、伸展ストレスではなく、静水圧ストレスである可能性が高いと考えられる。そこで、静水圧による滑膜細胞の応答を解析する実験系の確立を目的とした一連の実験を企図した。今年度は、顎関節症患者の関節内圧を測定し、病態による顎関節内圧の変化、咬合力と内圧との相関について調べた。奈良県立医大口腔外科外来にて、顎関節洗浄療法施行時に動脈圧モニタリング用トランスデュサーを応用して関節内圧を測定し、同時にその際の咬合圧をデンタルプレスケールを用いて測定した。その結果、性別や年齢による個体差が大きいものの、概ね咬合力と顎関節内圧は正の相関を示した。この結果は強い噛みしめが関節内圧力を高め、滑膜細胞への静水圧負荷が生じることを示唆している。今後は、得られたデータを解析し、より生体に近い静水圧負荷を滑膜細胞に付与する実験系を確立し、その応答を解析する予定である。顎関節症の誘因のひとつとして、ブラキシズムやクレンチングなどの習癖による顎関節構成体への過度の機械的ストレスが挙げられているが、その病理学的機序については依然不明な点が多い。平成19年度は、顎関節症患者の関節内圧を測定し、病態による顎関節内圧の変化、咬合力と内圧との相関について調べた。奈良県立医大口腔外科外来にて、顎関節洗浄療法施行時に動脈圧モニタリング用トランスデュサーを応用して関節内圧を測定し、同時にその際の咬合圧を測定した。平成20年度はこれらの結果を受けて、静水圧負荷を培養滑膜細胞に付与する実験装置を試作し、その応答を解析した。その結果、静水圧は伸展ストレスで誘導が顕著であったCOX-2をほとんど誘導せず、iNOS(inducible nitric oxide synthase)を誘導することが示された。iNOSは刺激に応答してNOを産生する酵素であることから、噛みしめによる静水圧ストレスは、顎関節腔内の酸化ストレスを高める可能性を示唆している。
変異マウスを用いた脳発達のリン酸化プロテオーム解析

本課題は、脳の発生発達に重要な役割を荷なうと考えられる、タンパク質のリン酸化に着目し、脳の発生発達の機序を解明するものである。脳形成の障害された変異マウスと野生型の脳のタンパク質リン酸化を比較することで、変異マウスにみられる脳の形成異常とタンパク質リン酸化の異常の関連を調べる事で、新たな切り口で、脳の発生発達の機構の解明を目指した。H18度は、脳発達障害の変異マウスである、Cdk5欠損マウスの胎生18.5日の大脳皮質を野生型と比較した。まず、リン酸化タンパク質を濃縮し、2D-DIGE法で比較し、差のあるタンパク質スポットを25解析し、23個について質量分析にてタンパク質を同定した。うち15スポットがCRMP2、3スポットがCRMP1、2スポットがCRMP4と同定された。我々は以前、CRMP2 Ser522がCdk5のリン酸化部位である事を報告している。さらに、pCRMP1 Thr509抗体を作成し、この部位がCdk5のin vivoのリン酸化部位である事が確認された。また、pCRMP4 Ser522抗体を作成し検討したが、Cdk5KO脳においてリン酸化レベルに差がなく、他のキナーぜの関与が示唆された。既知のタンパク質のリン酸化についても、リン酸化抗体を用いて検討し、Cdk5欠損マウスの大脳皮質で、stathmin Ser38のリン酸化が低下している事を見出した(Hayashiら2006)。H19年度は、リーリンシグナルの細胞内アダプタータンパク質のDisabled-1(Dab1)自然発症変異マウスであるヨタリマウスと、Cdk5の小脳特異的コンディショナル欠損マウスを、生後の小脳の発達期で解析し、差異のあるスポットを複数同定した。また、リーリンシグナルに対してDab1のCdk5によるリン酸化が抑制的に機能している可能性を見出し報告した(Ohshimaら2007)本課題は、脳の発生発達に重要な役割を荷なうと考えられる、タンパク質のリン酸化に着目し、脳の発生発達の機序を解明するものである。また、リーリンシグナルに対してDab1のCdk5によるリン酸化が抑制的に機能している可能性を見出し報告した(Ohshimaら2007)本課題は、脳の発生発達に重要な役割を荷なうと考えられる、タンパク質のリン酸化に着目し、脳の発生発達の機序を解明しようとするものである。脳形成の障害された変異マウスと野生型の脳のタンパク質リン酸化を比較することで、変異マウスにみられる脳の形成異常とタンパク質リン酸化の異常の関連を調べる事で、新たな切り口で、脳の発生発達の機構を解明しようというものである。そのためには、包括的な方法と個々のタンパク質に関して調べる方法とがあり、前者はプロテオーム解析となる。今年度は、脳発達障害の変異マウスである、Cdk5欠損マウスの胎生18.5日の大脳皮質を野生型と比較した。このうち、CRMP2のSer522はCdk5のリン酸化部位である事を我々は報告している(Uchidaら2005)。以上の結果は、こうしたアプローチが、タンパク質のリン酸化の差を検出するのに有用である事を裏付けていると考えた。

現在、E14.5-E18.5のCdk5欠損マウスやリーラーマウスの大脳皮質を野生型と比較しているところである。また、すでに知られているタンパク質のリン酸化についても、リン酸化抗体を用いて検討しており、E14のCdk5欠損マウスの大脳皮質で、stathmin Ser38のリン酸化が低下している事を見い出し、Cdk5がstathmin Ser38をin vivoでリン酸化している事を報告した(Hayashiら2006)。本課題は、脳の発生発達に重要な役割を荷なうと考えられる、タンパク質のリン酸化に着目し、脳の発生発達の機序を解明しようとするものである。脳形成の障害された変異マウスと野生型の脳のタンパク質リン酸化を比較することで、変異マウスにみられる脳の形成異常とタンパク質リン酸化の異常の関連を調べる事で、新たな切りロで、脳の発生発達の機構を解明しようというものである。そのためには、包括的な方法としてプロテオーム解析がある。本年度は、変異マウスとして、リーリンシグナルの細胞内アダプタータンパク質のDisabled-1(Dab1)の自然発症変異マウス、ヨタリマウスを用いて、その生後の小脳の発達期で解析した。方法としては、生後7日、14日のヨタリマウスと同胞の野生型の小脳の可溶性タンパク質を2D-DIGE法により比較し、1.5倍以上の差異のあるスポットを質量分析し、生後7日目で40個、生後14日目で70個を同定した。現在これらのタンパク質のリン酸化状態についての検討を行なっている。また、Cdk5の小脳特異的コンディショナル欠損マウスを作成し、同様に2D-DIGE法による解析を行ない、現在質量分析により、野生型と差異のあるタンパク質の同定を、質量分析により行なっている。なお、このマウスの小脳における、リン酸化タンパク質の変化に関しては、Cdk5のリン酸化部位特異的抗体を用いて、FAK,Pak1,DCX,CRMP2などの既知の脳内基質において、そのリン酸化レベルの低下を確認している。ヨタリマウスとCdk5の小脳特異的コンディショナル欠損マウスの解析結果を比較する事で、リーリンシグナルに特異的変化、Cdk5欠損に特異的変化、共通した変化の3つの群に分けて議論する事が可能となるものと考えられた。
機械的負荷および自律神経活動が心不全心の不整脈易発生基盤に及ぼす影響の解明

自律神経刺激および機械的負荷の変化が心筋梗塞後不全心の電気生理学的特性におよぼす時空間的影響を光学的心筋活動電位マッピング法を用いて検討した。1)心筋梗塞後心不全心臓では、交感神経刺激は非梗塞部位では活動電位持続時間を短縮させたが、梗塞部位では活動電位持続時間の短縮は小さかった。その結果、交感神経刺激によって活動電位持続時間の空間的不均一性は大きくなった。迷走神経刺激は、交感神経刺激を同時に行なっている場合に活動電位持続時間を延長させ、空間的不均一性を小さくした。2)心電図上のT波付近の時相に拡張パルスを加えると拡張パルスにより大きく伸展される梗塞部周辺から期外収縮が発生した。特定の時相に加えた拡張パルスでは期外収縮から心室細動が誘発された。3)慢性的な迷走神経刺激治療によって不全心の電気的リモデリングは抑制された。本研究では、自律神経活動および機械的負荷の変化が不全心の電気生理学的特性におよぼす時空間的影響を光学的心筋活動電位マッピング法を用いて詳細に検討し、コンピュータ・シミュレーションによる理論的解析を加えることによって、慢性心不全患者における致死性不整脈の易発生基盤を解明することを目的としている。本年度は、正常心蔵を対象として自律神経刺激および機械的負荷が心臓の電気生理学的特性におよぼす急性効果について検討を行なった。正常心の自律神経つきランゲンドルフ潅流心標本を作成し、交感神経および迷走神経を刺激しながら心表面電位の光学的活動電位マッピングを行った。交感神経刺激は活動電位持続時間は短縮させ、その空間的不均一性も小さくした。迷走神経刺激は交感神経刺激を同時に行なっている場合に活動電位持続時間を延長させた。正常心臓においては自律神経刺激による電気的不安定化は小さいと考えられた。正常心の動脈潅流右室組織標本において、リニアモータを用いて伸展刺激を加えた。また、ランゲンドルフ潅流心標本において、心室に挿入したバルーンを拡張させて機械的負荷を与えた。小さな伸展(5%)を加えた際には僅かに脱分極したが活動電位は発生しなかった。中等度の伸展(>10%)では局所からの興奮が誘発され、さらに大きな伸展(20%<)では組織の広域からの興奮誘発が観察された。心筋壁厚と伸展時の局所歪を計測し、興奮発生部位との関連を検討した。心筋壁厚と伸展時の局所歪の間には相関を認め、伸展刺激時の興奮発生は局所歪の大きな部位から起こっていった。機械的伸展負荷によって壁厚の薄い部位において大きな歪が生じ興奮が発生することが明らかになった。これは心臓震盪(胸部打撲による突然死)が中等強度の胸部打撲時に発生することと関連しており、心臓震盪の発生機序解明につながる結果と考えられた。本年度は、心筋梗塞後の心不全心蔵を対象として自律神経刺激および機械的負荷が心臓の電気生理学的特性におよぼす急性効果について検討を行なった。ラットを用いて左冠動脈前下行枝の結紮により心筋梗塞を作成した。4週後に自律神経つきランゲンドルフ潅流心標本を作成し、交感神経および迷走神経を刺激しながら心表面電位の光学的活動電位マッピングを行った。交感神経刺激は非梗塞部位では活動電位持続時間を短縮させたが、梗塞部位では活動電位持続時間の短縮は小さかった。心筋梗塞後の心不全心臓においては交感神経刺激により電気的に不安定化し、迷走神経刺激は交感神経刺激により電気的に不安定化した心臓を安定化させると考えられた。また、ランゲンドルフ潅流心標本の左心室にバルーンを挿入し、パルス状に拡張させて機械的負荷を与えた。心電図上のT波付近の時相に拡張パルスを加えると期外収縮が発生した。期外収縮は拡張パルスにより大きく伸展される梗塞部周辺から発生していた。これは心筋梗塞後心臓における突然死の機序の一部である可能性がある。

本研究では、自律神経活動および機械的負荷の変化が不全心の電気生理学的特性におよぼす時空間的影響を光学的心筋活動電位マッピング法により検討し、シミュレーションによる理論的解析を加えることによって、慢性心不全患者における致死性不整脈の易発生基盤を解明することを目的としている。本年度は、(1)迷走神経刺激治療が不全心の電気生理学特性の空間分布に及ぼす影響の検討および(2)自律神経活動および機械的負荷が不全心における不整脈発生にはたす役割についての数理的検討を行なった。(1)ラットを用いて左冠動脈前下行枝の結紮により心筋梗塞による心不全モデルを作成した。迷走神経刺激治療群(VS群)と対照群(C群)に割り振り6週間の治療を行った後、血行動態検査と非梗塞部表面電位の光学的活動電位マッピングを行った。迷走神経刺激治療によって、心室重量の減少、心拍出量の増加、左室拡張末期圧の減少を認めた。迷走神経刺激治療によって、活動電位持続時間(APD)は短縮して拡張期(DI)に対するrestitution曲線は平坦となった。また、興奮伝導速度の低下も小さくなり、伝導速度restitution曲線も平坦となった。APDの空間的不均一性には、明らかな変化を認めなかった。迷走神経刺激治療は、心不全心において、心筋の再分極特性および興奮伝播特性の改善によって不整脈の発生を抑制すると考えられた。迷走神経刺激治療が非梗塞部位の電位的特性の不均一性に及ぼす影響は少なかった。(2)健常心筋の心不全心筋の電気生理学的モデルにstretch activatedchannelsを組み込んだ独自のモデルを作成し、GPUを用いたシミュレータで動作するようにした。拡大した心不全心では健常心臓と比べてより心筋は伸展されやすく、機械的刺激によって期外収縮が誘発されやすく、心室細動波の分裂が起きやすいと予想された。自律神経活動による心筋の電気生理学的特性の修飾についいては定量的にモデルに組み込むことが困難であった。
インスリン遺伝子特異的なエピジェネティック制御に基づく膵β細胞障害の定量法の確立

一つの生命体を構成する細胞の遺伝子は全て同じ配列である。唯一インスリンを分泌することができる膵β細胞ではインスリン遺伝子のCpG配列というものが他の組織と異なり、脱メチル化状態である。循環血液中のDNAの膵β細胞特異的CpG配列を増幅するPCR法を開発し、膵β細胞死を検出する方法を確立した。1型糖尿病患者60例18例で陽性を認め、2型糖尿病では10例中2例で健常者では21例中8例で陽性であった。1型糖尿病の発症前の早期診断や膵臓・膵島移植後の臓器傷害を検出することができる可能性がある。1.膵β細胞のDNAメチル化特性一つの個体を構成する細胞はすべて同じ配列のgenomic DNAを持つ。遺伝子発現を規定しているのがDNA配列である。Genomic DNAのC:シトシン、G:グアニンというCpG配列と呼ばれるCG配列がDNAのメチル化によって転写を調節している。生体内で膵臓のβ細胞のみが、血糖値を低下させるインスリンを分泌する。1型糖尿病では、膵β細胞が選択的に破壊され、その結果インスリン分泌不足となり血糖値が上昇する。(1)ヒトインスリン遺伝子の遺伝情報転写開始より上流に特異的なCpGが存在し、(2)この配列がメチル化されていない(脱メチル化)場合にその転写は開始して、逆にメチル化されていると転写が消失する(PLoS One. 2009;4:e6953)。2.メチル化特異的制限酵素McrBC McrBCはメチル化特異的DNAを切断する制限酵素であり、遺伝子の塩基配列のA(アデニン)あるいはGに続くmC(メチル化C)から40-4000塩基離れた同配列の間でDNAを切断する。特にヒトインスリン遺伝子転写開始地点から-19、-69塩基の地点でのCpGサイトの脱メチル化状態は他の組織には存在せず膵β細胞特異的である(PLoS One. 2014;9:e94591)。同部位はMcrBCの認識配列であり、膵β細胞では切断されないが、全身の他の組織においては切断される。3. 1型糖尿病発症予測因子の現状と膵臓、膵島移植の拒絶反応1型糖尿病の膵β細胞傷害を表す指標はない。1型糖尿病の根治療法として、膵臓あるいは膵島移植が実施されており、慢性拒絶反応が長期成績を規定する。しかしこの反応を直接証明する方法はない。細胞死により放出される血中遊離DNAを用いて膵β細胞特異的なインスリン遺伝子の脱メチル化状態から、膵β細胞傷害の定量化できるかどうかを明らかにすることを目的とする。インスリン遺伝子転写開始部位より-206,-135,-69,-19塩基に位置するCpGサイトは膵臓β細胞で特異的に脱メチル化状態であり、他の組織においてはすべてメチル化状態である。McrBCでDNAを処理すると、膵β細胞由来のgenomic DNAは切断されないが、他の細胞由来のgenomic DNAであれば切断される。つまりMcrBCで切断されるインスリン遺伝子の転写開始地点から-19,-69塩基の上流および下流にそれぞれPCRのプライマーを設計した。膵β細胞以外の細胞はMcrBCで切断されるのでPCRでは検出できない。一方、膵β細胞は切断されないため検出できる。McrBCが十分に作用して、かつ作用が過剰にならない量を検討した。膵β細胞特異的なエピジェネティック修飾を利用して循環血中の膵β細胞をより精度高く検出するために、TaqMan PCRを利用した。ヒトインスリンプロモーター領域を含むプラスミドを1e61コピーまで希釈系列を作成してTaqMan PCRで1コピーまでのDNAを定量できるかを検討した。膵β細胞を含まない血液由来のgenomic DNAをネガティブコントロールとして用いてMcrBCの濃度に応じた切断反応を検討した。大過剰量を投与して長時間の反応でも本来では切断されるべき血液由来DNAがMcrBC処理によっても1/1000程度にしか減少しなかった。McrBCは様々な遺伝子を認識して切断する部位があるため十分その作用を発揮するために他の制限酵素で認識部位を十分に切断する必要があると考えた。目的配列には存在しないがその他の配列を切断するAccII、AfaI、を加えて切断を試みたが、さらに切断効率が低下して1/10程度しか切断できなかった。以上のようにMcrBCでは切断効率が悪いため別の方法が必要と考えられた。1.膵β細胞のDNAメチル化特性Genomic DNAのC:シトシン、G:グアニンというCpG配列と呼ばれるCG配列がDNAのメチル化により転写を調節する。生体内で膵β細胞のみが、血糖値を低下させるインスリンを分泌する。インスリン遺伝子では特異的なCpGが存在し、この配列がメチル化されていない(脱メチル化)場合にその転写は開始して、逆にメチル化されていると転写が消失する。2.制限酵素処理後のPCRでの膵β細胞由来DNAの検出DNAはBisulfite(B)処理によって1本鎖DNAとなり、β細胞を表す脱メチル化CpGはT(チミジン)Gへ、非β細胞を表すメチル化CpGはCGに留まる。B処理した1本鎖DNAのインスリン遺伝子周辺をPCRで増幅したDNAは2本鎖となる。

それぞれ特異的な3か所のCG配列を認識するHpy188I、HinfI、AciIはこの2本鎖DNAを切断する。これら制限酵素を同時に用いてインスリン遺伝子のB処理後と同じ配列のプラスミドを濃度に応じた検出を検討した。非膵β細胞と同じ配列の中に膵β細胞と同じ配列を1%含有するサンプルまでは濃度依存性増幅が認められたが0.1%と0%の濃度差は検出できなかった。前年度のメチル化特異的制限酵素McrBCはメチル化特異的DNAを切断する制限酵素であるが、これを用いた検討では酵素活性が不十分であった。このため新たな実験系の樹立を行った。進捗状況に述べたように、より強い活性をもつHigh Fidelity型の制限酵素であるHpy188I、HinfI、AciIを用いた方法ではMiSeqを用いた方法とも完全に一致した結果を示したが、低い濃度での定量性が確立できなかった。このほかPCRを用いたCpG配列の脱メチル化を検出する方法として、RNaseH PCRの原理を活かしたrhPCRプライマーを用いて外側のCpGの脱メチル化を検出してCycleaveプローブを用いて中心となるCpGの脱メチル化を特異的に検出する方法を検討したがPCR酵素が合わなかったためか作動しなかった。PCR効率のより高度であること、系が作動することを念頭に制限酵素による検討から視点を移して、ARMS法を行ったところ上述のように脱メチル化CpGをきわめて特異的にPCRで増幅させることが可能となった。現在これを用いたPCRの系の樹立を精力的に行っているところである。1型糖尿病は膵β細胞が破壊されることにより血糖降下作用を有するホルモンであるインスリンを分泌できなくなり高血糖を呈する疾患である。1型糖尿病予知因子が陽性な症例や膵臓移植、膵島移植症例で採血を行い、循環血漿中のDNAを単離する。膵β細胞の傷害を受けていない場合には膵β細胞以外の細胞は制限酵素であるMcrBCで切断されるのでその両側にプライマー設定したPCRでは検出することが不可能である。一方で1型糖尿病発症時や、膵移植あるいは膵島移植で拒絶反応が起こり膵β細胞が傷害を受ける場合には膵β細胞を検出できることが想定された。研究を続けた結果、McrBCではβ細胞以外のすべての細胞由来のDNAを切断することができず、以後3種類の制限酵素を同時に用いた検討も行ったが同様な理由により方法を変更した。以前に試みたDNAにbisulfite処理を行って膵β細胞特異的な配列を認識して増幅する方法に変更した。端的にはプライマーの配列に工夫を凝らしたPCRを2回行うことで106コピーの膵β細胞以外の細胞由来のDNAの中から1コピーの膵β細胞を定量的に検出するPCRの実験系を樹立した。臨床的には本法を用いて循環血液中から膵β細胞由来のDNAが1型糖尿病患者で23/53例、2型糖尿病患者6/8例、健常人8/13例で検出され、実際にDNA配列は膵臓β細胞由来のものと一致することを確認した。臨床的検査結果とその定量的な検出に関連は見いだせなかったが、発症直後の1型糖尿病患者で1例異常高値を呈する検体を認め、膵β細胞への強い傷害を示唆する所見を得た。この結果は本年5月の日本糖尿病学会、および6月の米国糖尿病学会で発表予定であるとともに、知財化のため特許申請済みであり、論文化を行っている途上である。一つの生命体を構成する細胞の遺伝子は全て同じ配列である。
新規な糖分析用高分離能充填剤の開発-ジカチオン型充填剤の検討

本研究では、HPLCによる糖類のより高性能な分離・分析法を確立するため、充填剤として、クロロメチルスチレン-ジビニルベンゼン共重合体担体(粒径5μm)と様々な三級アミン類との反応により四級アンモニウム塩型充填剤を開発し、分離と三級アミンの構造との相関、さらに糖の構造と充填剤との相互作用を検討することを目的としている。これまでの研究において比較的良好な分離能を示したN,N,N',N'-テトラメチルジアミノアルカンから調製したメチレン鎖(n)の異なる三種の四級アンモニウム塩型カラム充填剤D_n (n=6,8,10)を用い、移動相である水酸化ナトリウム水溶液の濃度を0.02M0.1Mまで変化させ分離・分析を試みた。その結果、固定相:四級アンモニウム塩型カラム充填剤D_<10>、移動相:0.02M NaOH、流速:0.5mL/minにおいて、アルドペントース4種・アルドヘキソース8種共に分離可能となった。アルドペントースの溶出順位は、arabinose →lyxose →xylose →riboseであった。一方、アルドヘキソースでは、移動相濃度が0.1Mと0.02Mで、溶出順位が異なる結果が得られた。0.1Mでは、mannose →glucose →galactose →gulose, allose →altrose, tarose →idoseであったが、0.02Mでは、galactose →glucose →mannose →gulose →allose →altrose →tarose →idoseであった。これらの中で、mannose, altrose, tarose, idoseは、移動相濃度が低くなるに伴い、溶出時間は徐々に遅くなるのに対し、galactose, glucose, gulose, alloseの溶出時間の変化は小さい傾向を示した。また、移動相濃度0.045M付近で、glucose, mannose, galactoseの溶出順位の逆転が観察された。本研究では,HPLCによる糖類のより高性能な分析法を確立するため,糖分析用充填剤として,クロロメチルスチレン-ジビニルベンゼン共重合体担体(粒径5Fm)と様々な三級アミン類との反応により四級アンモニウム塩型充填剤を開発し,分離と三級アミンの構造との相関,さらに糖の構造と充填剤との相互作用を検討することを目的としている.平成16年度の研究では,N-グリコシド結合糖鎖を構成する単糖として広く知られているN-acetylglucosamineと類似した構造をもつ単糖(アミノ糖:glucosamine, galactosamine, N-acetylgalactosamine,アルドヘキソース:glucose, galactose)の分離を可能にする分析条件を検討した.これまでの研究において比較的良好な分離能を示したN,N,N',N'-テトラメチルジアミノアルカンから調製したメチレン鎖(n)の異なる三種のジアミン型カラム充填剤D_n(n=6,8,10)を用い,分離・分析を行った.アミノ糖,アルドヘキソースの混合試料溶液を調製し,移動相である水酸化ナトリウム水溶液の濃度を0.03Mから0.1Mまで変化させ,分離可能となる条件を比較・検討した.その結果,ジアミン型充填剤D_<10>の分離能・保持能は,D_6,D_8と比べ高く,移動相:0.03MNaOH,流速:0.5mL/minにおいて比較的良好な分離が可能となった.溶出順位は,galactosamine→glucosamine→galactose→glucose→N-:acetylglucosamine→N-:acetylgalactosamineであった.また,移動相である水酸化ナトリウム水溶液の濃度増加に伴い,アミノ糖の溶出時間は速くなる一方,アルドヘキソースのglucose, galactoseの溶出時間の変化はアミノ糖に比べ小さくなる傾向を示し,溶出順位の変化も観察された.以上の溶出挙動の要因を追求するため,今後の研究において,他のアルドヘキソース(allose, altrose, mannose, gulose, idose, tarose),アルドペントース(ribose, arabinose, xylose, lyxose)を加えた単糖類に関して,移動相濃度を変化させ各糖の溶出挙動を詳細に検討する必要がある.本研究では、HPLCによる糖類のより高性能な分離・分析法を確立するため、充填剤として、クロロメチルスチレン-ジビニルベンゼン共重合体担体(粒径5μm)と様々な三級アミン類との反応により四級アンモニウム塩型充填剤を開発し、分離と三級アミンの構造との相関、さらに糖の構造と充填剤との相互作用を検討することを目的としている。

一方、アルドヘキソースでは、移動相濃度が0.1Mと0.02Mで、溶出順位が異なる結果が得られた。0.1Mでは、mannose →glucose →galactose →gulose, allose →altrose, tarose →idoseであったが、0.02Mでは、galactose →glucose →mannose →gulose →allose →altrose →tarose →idoseであった。これらの中で、mannose, altrose, tarose, idoseは、移動相濃度が低くなるに伴い、溶出時間は徐々に遅くなるのに対し、galactose, glucose, gulose, alloseの溶出時間の変化は小さい傾向を示した。また、移動相濃度0.045M付近で、glucose, mannose, galactoseの溶出順位の逆転が観察された。
脱法ハーブ中毒の作用機序の解明とその治療法の開発

脱法ハーブは、カチノン系薬剤や合成THCが含有され様々な精神症状や高体温・痙攣等の身体症状を引き起こすが、その治療法は確立していない。そこでこれらの作用機序の解明を行い治療薬の開発を目指した。カチノン系薬剤であるMDPHPをマウスに投与すると速やかに体温は上昇するが、リスペリドンを前投与とすると有意にMDPHPによる高体温を抑制した。この結果からリスペリドンはカチノン系薬剤中毒の治療薬になることが示唆された。また合成THCであるAM2201をマウスに投与すると有意に脳波での異常spike波や脳内細胞間隙グルタミン酸濃度が上昇することが判明し、合成THCのけいれん誘発の機序の一端が解明された。脱法ドラッグの主成分である合成Tetrahydrocannabinol(THC)やカチノン系薬物は現在ほとんどの物質が法規制の対象となっている。そのため企業からの購入は非常に困難で、また購入できたとしてもかなり高価である。そのため本研究では薬物合成のスペシャリストである共同研究者の岩村が合成・精製に挑戦した。しかしこれらの薬物の合成・精製法は確立されておらず、現在は合成は可能であるが不純物の排除が不十分であり、実験に使用できる純度までは至っていない。そのため現在も薬物薬物合成及び精製の実施を継続している。また脱法ドラッグの主成分は主に国外に合成され日本に輸入されている。そのため脱法ドラッグ成分の世界的趨勢を確認するため第16回世界精神医学会議に参加し情報収集を行った。しかしながら脱法ドラッグの成分については同定することが困難であり、そのため学会での発表はほとんどなかった。こららの学会の知見から本研究は世界に先駆けて脱法ドラッグの作用機序を解明する研究であることが確認された。脱法ドラッグの流行により、様々な事件が引き起こされ社会問題となった。そのため法規制を求める声が増大し、それまでの脱法ドラッグの主成分であった合成Tetrahydrocannabinol(THC)やカチノン系薬物の法規制が強化され、本邦では実験用の合成THCの入手が困難である。そのため薬物合成のスペシャリストである共同研究者の岩村が昨年に引き続き、合成・精製を行った。しかし本年の合成においても純度の高い試薬は得られていない。合成の専門家である岩村が専門施設で純度の高い合成THCの合成が長期間できていないということは、非合法に合成され流通している合成THCは我々の合成物質より不純物が多いことが推測される。これは流通している脱法ドラッグに複数の合成THCが含まれている理由かもしれない。つまり意図的に複数の合成THCを配合しているのではなく、主成分の合成THC合成時の不純物に薬効のある他の合成THCが含まれているため、複数の合成THCが脱法ドラッグに含有されている可能性である。これらの知見から脱法ドラッグは販売者すら認識していない成分が含有されていると推測され、脱法ドラッグの危険性が改めて認識された。入手可能なcannabinoid( CB)1受容体作動薬であるArachidonylcyclopropylamide (ACPA)を購入し,ACPAによる予備的な実験も行っているが、あきらかに実験動物の高体温を引き起こすことは現在のところなく、脱法ドラッグの高体温は少なくともCB1受容体活性によるものでないと考えられた。た最近は合成THCやカチノン系成分以外を主成分とした、脱法ドラッグの流行の兆しがあり、新たな主成分を有する脱法ドラッグの流行についての情報収集と分析を行っている。当初の予定より、合成THCの純化が困難である。しかしこの所見は逆に市販されている脱法ドラッグの複数の合成THCが含まれることが多いことの傍証になっていると思われる。脱法ハーブの主成分は大麻の主成分であるTetrahydrocannabinolに類似した合成THCや覚せい剤に類似したカチノン系薬剤と報告されている。現在これらの成分は規制薬物に指定され、入手が困難である。そのため分担研究者の松山大学教授である岩村は本年度も合成THCの合成を行った。しかしながら本年度の合成でも実験に供するに十分な純度で合成THCの合成は困難であった。そのため去年も報告したように、販売されている脱法ハーブに複数の合成THC成分が含有されていることがあるが、これは恣意的に行われているわけではなく、合成段階の不純物にとして合成された成分が含まれている可能性が示唆された。そのため脱法ハーブの成分には合成者が意図しない成分が含まれており、その効果や安全性は合成者にも推測が困難と思われる。また脱法ハーブによる興奮や高体温を呈することが知られている。そのため合成THCやカチノン系薬剤によりラットの行動量や体温がどのように影響されるか実験を行うため、新たに体内埋め込み式運動量計測装置nano tagを導入し、本装置の使用法について研鑽を行った。また共同研究者である舩田は脱法ハーブを含む危険ドラッグについての危険性を各種学会や医学雑誌に精力的に発表を行い、脱法ハーブを含む危険ドラッグについての危険性についての社会に周知した。残念ながら現在までの実験では十分な結果がられず、本研究は来年度まで延長し研究の深化を図ることとした。合成THCやカチノン系薬剤の規制が強化され、入手が困難になった。実験に必要な分の試薬を購入しようとすると、これだけで数千万になる。

そのため自ら合成を行っているが十分な純度で合成することが非常に困難である為。脱法ハーブは大部分を占める乾燥植物片には薬理効果が無く、混在されている合成THC(Tetrahydrocannabinol)やカチノン系薬物等の乱用性成分が効果を発揮している。これらの成分により精神症状や身体症状が出現するが、治療は確立させておらず臨床現場では対症療法がなされるのみである。そのため合成THCやカチノン系薬剤の作用機序の解明を行い、脱法ハーブ中毒の治療法の確立を目指す。カチノン系薬剤である3',4'-Methylenedioxy-α-pyrrolidinohexiophenone(MDPHP)が、マウスの体温にどのような影響を与えるか検討した。またMDPHPによる体温変化が抗精神病薬であるrisperidoneが抑制するかも検討した。ICR雄性マウスにrisperidone0.5mg/kgまたは対照群として生理食塩水を腹腔内投与し、15分後にMDPHP10mg /kgを腹腔内投与した。室温は24度で行い、MDPHP投与時を0分とし、240分後まで直腸温を測定した。生食群ではMDPHP投与により、37.1°Cより投与後60分の38.5°Cまで上昇した。Risperidone前投与群ではMDPHPを投与しても体温上昇を認めず、0分から120分まで有意に体温上昇を抑制した。この結果からrisperidoneはカチノン系薬剤の高体温を抑制し、カチノン系薬剤を含有する脱法ドラッグの治療薬になる可能性が示唆された。また共同研究者の舩田らは、合成THCであるAM2201をICRマウスに投与し、前頭頭頂葉皮質脳波で異常spike波が出現すること、また海馬でグルタミン酸濃度が上昇することを明らかにした。これらから合成THCが臨床上けいれん発作を引き起こす機序の一端を明らかにした。脱法ハーブは、カチノン系薬剤や合成THCが含有され様々な精神症状や高体温・痙攣等の身体症状を引き起こすが、その治療法は確立していない。そこでこれらの作用機序の解明を行い治療薬の開発を目指した。カチノン系薬剤であるMDPHPをマウスに投与すると速やかに体温は上昇するが、リスペリドンを前投与とすると有意にMDPHPによる高体温を抑制した。この結果からリスペリドンはカチノン系薬剤中毒の治療薬になることが示唆された。また合成THCであるAM2201をマウスに投与すると有意に脳波での異常spike波や脳内細胞間隙グルタミン酸濃度が上昇することが判明し、合成THCのけいれん誘発の機序の一端が解明された。合成THCおよびカチノン系薬剤の合成及び精製に難渋しているため研究の遂行が遅れている。現在まで主に合成THCをターゲットにして実験を行っていたが、合成しても純度を高めること困難であり、他の流行しつつある脱法ドラッグの主成分である亜硝酸エステルやトリプタミン系薬剤を用いて脱法ドラッグの薬理作用の解明を行うことを検討している。実験計画を来年度まで延長し、合成THCやカチノン系薬剤の合成を試みる。また合成が困難であった場合、試薬を企業から購入することや他の乱用性薬物の成分での実験を検討する。精神薬理学今後も合成THC、カチノン系薬剤合成を継続する。合成がうまく行かない場合に備え、本邦で購入できる合成THC及びカチノン系薬剤を購入し実験を推進する。
イネゲノムの構造解析による分子育種学的研究

分子育種を進めるためにはゲノムの分子構造の解明が重要な問題の一つである。しかし細胞核のゲノムは葉緑体ゲノムの1000倍以上のサイスを持ち、解析が困難である。そこでイネの核ゲノムの構造を明らかにする目的で核DNAの構造をパルスフィールド電気泳動法で解析した。イネ(日本晴)の乾燥種子の胚芽から細胞核を単離し、巨大DNAを扱うためゲル中に包埋し、高EDTA濃度下、ProteinaseKとSarkosylで処理して細胞核DNAを調製し、各種制限酵素で切断した。パルスフィールド電気泳動による分画の結果、MbサイズのDNAが単離可能であった。また各種制限酵素処理によるDNAのサイズ分布は、6-250kbであり、8塩基認識のNotIでも250kb程度であった。これは哺乳動物やトマトなどの他の植物と異なり、平均サイズが小さい。メチル化の度合いが少ないことが原因と見られる。また吸水胚芽と緑葉から同様に巨大DNAを調製した。これを用い3者を比較したところ吸水させた種子の胚芽から単離した核のDNAはよりメチル化の度合いが少ないことを示しており、メチル化が遺伝子発現の制御に関係していることを示唆した。またJaponicaとIndicaの緑葉から単離した巨大DNAを認識部位が少ない制限酵素で処理し電気泳動すると、染色パターンに違いがみられた。これは近縁種でもゲノムの構造が数100kbの単位で異なることを示している興味深い結果である。リボソームRNA遺伝子をプローブとしてサザンハイブリダイゼーションを行なった。実験の結果、遺伝子を切断しない制限酵素では1.1Mb以上の領域にバンドが現われた。これはリボソームRNA遺伝子が130以上物理的に並んでいることを示している。さらにこの方法で、コピー数が少ない遺伝子を検出できるかを調べたところ、αアミラーゼ遺伝子の検出にも成功した。従来の枠を破った新しい育種法が提案されている。その一つは有用遺伝子を直接植物に導入するトランスジェニック植物作製法である。しかしこれの実用化には、構造遺伝子だけでなくそれの制御システムを知る必要があり、導入遺伝子だけでなく、導入される植物の遺伝情報発現のシステムの理解が重要である。そこでイネの核ゲノムの構造を明らかにする目的で核DNAをパルスフィ-ルド電気泳動法により解析した。巨大DNAを扱うには、DNaseによる切断を抑えると共に、物理的な切断を防ぐ必要があり、ゲル中にサンプルを包埋し、すべての処理をその中で行った。すなわち胚芽から細胞核を単離し、ゲル中に包埋した。このゲルブロックを高EDTA濃度下、Proteinase KとSarkosylで処理してDNAを調製し、各種制限酵素で切断した。各試料をパルスフィ-ルド電気泳動装置により分画し、検出の容易なリボソ-ムRNA遺伝子をプロ-ブとしてサザンハイブリダイゼ-ションを行なった。パルスフィ-ルド電気泳動による分画の結果、MbサイズのDNAが単離可能であった。また各種制限酵素処理によって現われた、DNAのサイズ分布は、SmaIで10ー250kb、SalIで10ー150kb、PstI・PvuIIで6ー75kbであった。SmaI・SalIはメチル化により切断されないので、イネでもメチル化されているらしい。リボソ-ムRNA遺伝子は、200以上のタンデムリピ-ト構造を形成している。実験の結果、遺伝子を切断しない制限酵素では1Mb以上の領域にバンドが現われた。また切断する制限酵素でも、ラダ-状のバンドになるものがあり、メチル化の影響と考えられる。

今後、他の遺伝子やRFLPマ-カ-をプロ-ブに解析を進め、当技術の確立を目指す予定である。当技術とYACベクタ-クロ-ニング系が確立されれば、将来のイネの分子育種に向けて大きく前進することになろう。分子育種を進めるためにはゲノムの分子構造の解明が重要な問題の一つである。しかし細胞核のゲノムは葉緑体ゲノムの1000倍以上のサイスを持ち、解析が困難である。そこでイネの核ゲノムの構造を明らかにする目的で核DNAの構造をパルスフィ-ルド電気泳動法で解析した。イネ(日本晴)の胚芽から細胞核を単離し、巨大DNAを扱うため、DNaseと物理的切断を抑えるために、ゲル中に包埋した。このゲルブロックを高EDTA濃度下、ProteinaseKとSarkosylで処理してDNAを調製し、各種制限酵素で切断した。パルスフィ-ルド電気泳動による分画の結果、MbサイズのDNAが単離可能であった。また各種制限酵素処理によって現われた、DNAのサイズ分布は、SmaIで10ー250kb、Sallで10ー150kb、PstI・PvuIIで6ー75kbであり、8塩基認識のNotIでも250kb程度であった。これは哺乳動物やトマトなどの他の植物と異なり、平均サイズが小さい。メチル化の度合いが少ないことが原因と見られるが、長いDNAをYACベクタ-などにクロ-ニングするのには不便になるであろう。リボソ-ムRNA遺伝子をプロ-ブとしてサザンハイブリダイゼ-ションを行なった。実験の結果、遺伝子を切断しない制限酵素では1.1Mb以上の領域にバンドが現われた。これはリボソ-ムRNA遺伝子が130以上物理的に並んでいることを示している。さらにこの方法で、コピ-数が少ない遺伝子を検出できるかを調べたところ、αアミラ-ゼ遺伝子の検出にも成功した。分子育種を進める基礎としてイネの核ゲノムの構造を明らかにする目的で核DNAの構造をパルスフィールド電気泳動法で解析した。イネ(日本晴)の乾燥種子の胚芽から細胞核を単離し、巨大DNAを扱うためゲル中に包埋し、高EDTA濃度下、Proteinase KとSarkosylで処理して細胞核DNAを調製し、各種制限酵素で切断した。パルスフィールド電気泳動による分画の結果、MbサイズのDNAが単離可能であったが、おそらくメチル化の度合いが少ないため、各種制限酵素処理によって現われたDNAの平均サイズは他の植物に比べ小さかった。そのため条件が異なる組織である吸水胚芽と緑葉から同様に巨大DNAを調製した。これを用い3者を比較したところ吸水させた種子の胚芽から単離した核のDNAはよりメチルかの度合いが少ないことを示しており、メチル化が遺伝子発現の制御に関係していることを示唆する結果になった。またJaponicaである「日本晴」とIndicaである「ハバタキ」の緑葉から単離した巨大DNAを認識部位が少ない制限酵素で処理し、パルスフィールド電気泳動すると、染色パターンに違いがみられた。これは近緑種でもゲノムの構造が数100kbの単位で異なることを示している興味深い結果である。ある種のイネではミトコンドリア内にプラスミド様DNAがあるが、それと相同的な塩基配列が核ゲノムに多数ある。
階層モデルの幾何学に基づく深層学習の理論構築と制御

本研究課題の目的は,幾何学の視点に基づいたアルゴリズムの提案と理論解析をとおして,制御が容易な深層学習法を確立することである.この目的を達成するため,昨年度にひきつづき,深層ネットワークの平均場解析,幾何学的な立場からみたWasserstein距離を使ったコスト関数設計,パラメータ空間の特異領域における学習の停滞,の3点をそれぞれ進展させた.まず,平均場解析では, Fisher計量行列の固有値を解析し,最大固有値が極めて大きくなることを明らかにした.これにより学習の収束に必要な学習率を具体的に求めることができ,典型的な実データセットで実験との一致を確認した.学習率には多くのヒューリスティクスがあるが,これに対し理論的な予測を与えたことは,制御が容易な深層学習を達成するため非常に意義深い.また,この平均場理論の知見を応用し,計算コストが低く扱いやすい自然勾配法の提案を行った.これは,深層学習のより高速な収束,学習時間の短縮につながると期待できる.次に, Wasserstein距離においては,昨年度に構成した情報幾何学の知見に基づき,エントロピー正則付きWasserstein距離が正しい距離を構成するための補正法を提案した.この補正法により,今後,数理的に自然であつかいやすいアルゴリズムの開発が期待できるとともに,画像生成の応用において,よりシャープで現実に近い画像を生成することが可能になることも期待させる.さらに,特異領域の解析においては,統計力学的なアプローチで学習のダイナミクスを少数の方程式に縮約することに成功した.これにより,モデルの出力素子数が増えることで学習の停滞を避けるダイナミクスの定量化が可能になった.今後,学習の挙動を数理的に説明するうえで基礎になる知見と考えられ意義深い.平成30年度が最終年度であるため、記入しない。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本研究課題では,幾何学の視点に基づいたアルゴリズムの提案と理論解析をとおして,制御が容易な深層学習法の確立を目的としている.まず,本年度は研究実施計画にある効率的な勾配構築の一環として,階層型ニューラルネットのパラメータ空間の幾何学的な性質を明らかにした.パラメータ空間には特異領域と呼ばれる勾配法が停滞しやすい領域がある.学習の力学的解析をこの領域で実施したところ,モデルの出力素子数を増やす条件下で棟杭領域を減らせることが明らかとなった.これは今後の勾配法の開発において有用な知見である.本成果は論文誌1件採択につながった.また,本年度は深層学習の基本的な設計部位であるコスト関数に関して研究を行った.パラメータ空間の幾何学はコストの設計に依存するため,勾配法の開発の前に,コスト関数の幾何学を調べることが有用である.通常使われるKL情報量に基づくコスト関数は,自然画像のような高次元データでは十分な学習が実現しない例が報告されている.この問題に対し有望と考えられるWasserstein距離を本年度は研究した.その結果,エントロピー罰則付きWasserstein距離の背後に双対微分幾何に基づく情報幾何の構造があることが明らかになった.この幾何学の視点は,数理的に自然な学習アルゴリズムの開発につながると期待される.本研究により,論文誌1件採択,国際会議1件採択という成果が得られた.さらに,本年度は統計物理における平均場理論を深層ネットワークに適用することで,パラメータ空間の幾何学を定めるFisher計量の解析を行った.その結果,計量行列の固有値に関する知見が得られ,勾配法の収束に必要な学習率を理論的に定量化できた.本成果は,国内学会1件における発表を行った.当初の計画どおり,階層型ニューラルネットワークにおける学習の力学的解析を本年度は進めることができた.この研究はモデルの出力素子を多くすればプラトー現象を抑えられると主張しており,学習ダイナミクスの理解,アルゴリズムの開発を進めるうえで重要な知見だろう.また本年度は,平均場理論を利用することで,従来困難であったコスト関数のランドスケープ解析を大きく進めることができた.これにより,本年度は最急勾配法が収束するのに必要な学習率を,コスト関数の曲がり方から定量的に推定できるようになった.研究実施計画で次年度に予定していた確率的最適化における幾何学的に自然な勾配の開発のための足場となる数理の枠組みが構築できたといえる.学習率は今もなお深層学習において恣意性が大きいハイパーパラメータであることから,その設定に理論の知見を与えられたことは実用上も意義深い.また,本年度は勾配を定めるコスト関数自体においても解析が進んだ.特に,深層学習において利用が増えつつあるWasserstein距離において,自然な幾何学として情報幾何を導入できたことは重要である.これにより,情報幾何の視点から数理的に効率的な学習アルゴリズムの設計が通常のコストだけでなく,このWasserstein距離でも可能になるだろう.以上から,おおむね研究計画に沿って,研究は順調に進展しているといえる.本研究課題の目的は,幾何学の視点に基づいたアルゴリズムの提案と理論解析をとおして,制御が容易な深層学習法を確立することである.この目的を達成するため,昨年度にひきつづき,深層ネットワークの平均場解析,幾何学的な立場からみたWasserstein距離を使ったコスト関数設計,パラメータ空間の特異領域における学習の停滞,の3点をそれぞれ進展させた.まず,平均場解析では, Fisher計量行列の固有値を解析し,最大固有値が極めて大きくなることを明らかにした.

これにより学習の収束に必要な学習率を具体的に求めることができ,典型的な実データセットで実験との一致を確認した.学習率には多くのヒューリスティクスがあるが,これに対し理論的な予測を与えたことは,制御が容易な深層学習を達成するため非常に意義深い.また,この平均場理論の知見を応用し,計算コストが低く扱いやすい自然勾配法の提案を行った.これは,深層学習のより高速な収束,学習時間の短縮につながると期待できる.次に, Wasserstein距離においては,昨年度に構成した情報幾何学の知見に基づき,エントロピー正則付きWasserstein距離が正しい距離を構成するための補正法を提案した.この補正法により,今後,数理的に自然であつかいやすいアルゴリズムの開発が期待できるとともに,画像生成の応用において,よりシャープで現実に近い画像を生成することが可能になることも期待させる.さらに,特異領域の解析においては,統計力学的なアプローチで学習のダイナミクスを少数の方程式に縮約することに成功した.これにより,モデルの出力素子数が増えることで学習の停滞を避けるダイナミクスの定量化が可能になった.今後,学習の挙動を数理的に説明するうえで基礎になる知見と考えられ意義深い.本年度は,自然勾配を定めるFisher情報行列の統計性を一般の深層ネットワークで平均場理論に基づき解析した.これにより,学習の発散を防ぐ学習率の調整法に目処を付けることができた.次年度は,この知見をさらに発展させ,より実用に適した理論を提供することを目指す.まず,当初の研究計画のどおり,確率的最適化の影響を評価したい.深層学習で用いられる最適化は確率的である場合が多く,この場合に勾配を効率的に収束させるために必要な学習率の推定を進める.次に,平均場理論を拡張することで,コスト関数の鞍点や極小解と勾配の関係を明らかにする.確率的最適化は鞍点や極小解を脱出やすいことが知られているが,過剰なノイズは誤差関数の減少を妨げるため,適切な大きさのノイズが重要である.ノイズの大きさは学習率で調整できると考えられ,鞍点や極小解を効率的に避ける学習率の設計を探る.さらに,近年おもに画像認識において高い性能を発揮しているResNetでも同様の解析を行い,適切な学習率の理論評価を行う.同時に,本年度明らかにしたWasserstein距離の幾何構造に基づき,学習を効率的に実現するアルゴリズムの開発も同時に進める.また引き続き,特異領域の力学系解析も引き続き進める.特に, 3層パーセプトロンにおいて統計力学的解析を行うことで,学習初期値から収束までのダイナミクスを解き,特異領域の回避をより詳細に解明する予定である.平成30年度が最終年度であるため、記入しない。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。