hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
グルタチオン代謝とポリアミン代謝の古い関係を新しく科学する～基盤から応用へ

大腸菌のグルタチオン代謝とポリアミン代謝は、グルタチオニルスペルミジンを介して重なり合う代謝経路であるという視点に立って見直しを行った。特にプトレッシンの異化経路であるPuu代謝系の制御機構を詳細に検討した。リプレッサーであるPuuRと菌体内に取り込んだプトレッシンと最初に反応するPuuAのプトレッシンに対するアフィニティーが小さいことは、一定量のプトレッシン濃度を菌体内に保障し、その濃度が極めて高くなってからだけ働くように設計されたシステムであることが明らかとなった。大腸菌のγ-グルタミルトランスペプチダーゼ(GGT)とは異なり、枯草菌のGGTはホ乳類のGGTと同様、基質であるグルタチオンのCys-Gly部分を認識していると考えられ、結晶構造解析を行った。アミノ酸配列からの予想されたように、枯草菌のGGTには他のGGTに見られる活性中心に結合した基質のγ-グルタミル基部分を覆うように存在するlid-loopが見られなかった。また、アミノ酸残基から計算した静電ポテンシャルによれば、高塩濃度下においても酵素表面の電荷分布は負に保たれることを示し、これが水和状態を保ち、耐塩性に結びついていると考えられた。大腸菌のグルタチオン代謝に関する知見を組み合わせて菌株を育種することにより、グルタチオンを大腸菌の菌体外に蓄積させる全く新しいグルタチオンの直接発酵法を開発した。Puu代謝系遺伝子の発現を抑えている転写調節因子であるPuuRタンパク質のDNA上の結合領域をゲルシフトアッセイにより特定した。ただ、ゲルシフトにPuu代謝系の基質であるプトレッシンや生成物であるコハク酸は影響しないことが分かった。アシラーゼ活性の触媒残基をAlaに置き換え、合成活性だけを持つようにしたグルタチオニルスペルミジン合成酵素を用いてグルタチオニルスペルミジンを合成し、機器分析により同定した。菌体内外のグルタチオニルスペルミジン量の分析の際の標準品が準備できた。Proteus mirabilisにおいては菌体外に排出されたプトレッシンがスオーミングを引き起こすシグナル因子として機能しているという報告があった。大腸菌においては、プトレッシンを全く生合成できなくなった株でもLBSw寒天培地上でスオーミングが起きることが分かった。これは、培地中にわずかに含まれているスペルミジンをPotABCDが取り込むことによって引き起こされることを明らかにした。大腸菌では、GSH代謝経路とポリアミンの代謝経路がグルタチオニルスペルミジンを介して重なり合う代謝経路であるという視点に立って研究を行った。具体的な成果として、(1)Puu代謝系を構成する遺伝子群の発現を抑制している転写調節因子PuuRが結合しているDNA上の領域を特定し、結合モチーフを決定することを目指し、様々なプローブを用いてゲルシフトアッセイを行うとともにFootprintを行った。その結果、puuA-puuD遺伝子間に4箇所の結合領域が存在し、PuuR結合モチーフを決定することができた。また、プライマーエクステンション法により、puuA, puuD遺伝子の転写開始点を決定した。(2)これまでに育種できていた菌株を用いてグルタチオンを大腸菌の菌体外に直接発酵させる際の最適条件を検討し、S源としてはチオ硫酸が優れていることを明らかにした。一方、システイン生合成系のcysEやcysBの変異遺伝子の導入は効果がないことが明らかとなった。(3)スウオーミングにポリアミンであるプトレッシン、スペルミジンのいずれかが必要でありことを明らかにすると共に、ポリアミン生合成欠損株では、YeeFという新規トランスポーターを介して菌体外からプトレッシンを取り込むことを明らかにした。(4)グルタチオニルスペルミジンの基質特異性を調べ、プロピル基側のアミノ基とグルタチオンを結合させる特異性のあることを明らかにした。(5)グルタミンアナログであるγ-グルタミルグルタミンが水溶液中で熱に安定であることを明らかにし、γ-グルタミルトランスペプチダーゼを用いて効率的に酵素合成する方法を開発した。昨年度までに、ポリアミン代謝系のうち、Puu代謝系を構成する遺伝子群の発現を抑えている転写調節因子であるPuuRタンパク質が結合するDNA上の領域のうち、puuA-puuD間をゲルシフトアッセイ、フットプリントアッセイにより解析し、結合サイト4箇所を特定し、コンセンサス配列を予想していた。本年度は予想コンセンサス配列に変異を導入するとPuuRとの結合が変化低減し、シフトするバンドの量が少なくなることを確認し、15塩基からなるコンセンサス配列を決定した。マイクロアレーやRT-PCRの結果から、puuP,puuE遺伝子の発現はPuuRタンパク質によって制御されていることを示唆するデータを得ていたが、puuP,puuE遺伝子の前には予想コンセンサス配列はない。

今回、puuP遺伝子の転写がpuuA遺伝子のプロモーターからのリードスルーによって起こること、puuE遺伝子の転写がpuuC遺伝子のプロモーターからのリードスルーによって起こることを、puuAP,RpuuCBE mRNAが存在することを確認することにより示した。また、プトレッシン存在下では、ゲルシフト量が減るが、スペルミジン存在下では減らないことから、細胞質内のプトレッシン量に応じてPuu遺伝子群の転写が制御されていることを示した。さらに、大腸菌が菌体外に著量のプトレッシンを蓄積している時に、ポリアミン代謝系のどの遺伝子の発現が上昇しているかをRT-PCRによって調べた。YdcSTUVがコードするトランスポーターがC源が不足するときに発現するプトレッシントランスポーターであることを明らかにした。コク味成分と知られるグルタチオンを大腸菌で発酵生産する方法を開発した。また、γ-グルタミルシステイン合成酵素に変異を導入して基質特異性を改変できることを示した。
実験的自己免疫性ぶどう膜炎に対するFK506およびラパマイシンの点眼治療効果

目的:実験的自己免疫性ぶどう膜炎(EAU)に対するFK506やラパマイシンの全身投与の薬物効果は従来までに数々報告があり、FK506では臨床的にぶどう膜炎患者に対する効果も確認されてきている。しかし、これらの薬剤は強力な免疫抑制作用を有するため、全身投与に伴う副作用も少なくない。従って、副作用の軽減をはかるためには、これらの薬剤の局所投与で、同等のぶどう膜炎発生抑制効果が得られることが望ましい。そこで、EAUに対してこれらの薬剤の点眼治療効果について検討することにした。方法:ルイスラットの足掌に網膜可溶性抗原(S抗原)20μgで免疫し、0.1%、0.3%FK506点眼を行った。しかし、EAUの程度が強く、どの群でもEAU発症は全く抑制されなかった。そこで、前眼部炎症のモデルである実験的メラニン起因性ぶどう膜炎(EMIU)を用いて、FK506点眼の抗炎症作用について検討した。ウシメラニン蛋白抗原(BMP)をルイスラットの足掌と腹腔内に25μgづつ免疫し、免疫後0-14日間、0.1%、0.3%FK506点眼およびコントロールの基剤点眼を4時間毎に行った。治療後14日目に臨床所見の評価と病理組織学的評価を行った。結果:臨床的には0.1%、0.3%FK506点眼群のいずれもEMIU発症を完全に抑制した。病理組織学的には0.1%FK506点眼群では60%、0.3%FK506点眼群では50%でEMIUの発症を抑制した。炎症のグレード(中間値)は、それぞれ0、0.5と非常に軽微な炎症であった。今回、EMIUでのFK506点眼のぶどう膜炎発症抑制効果が確認された。今後は免疫に用いるS抗原量の調節を行い、比較的軽度の炎症が起こるS抗原量を決定し、再度EAUでの同様の点眼実験を行う予定である。
前癌病変および扁平上皮癌における腫瘍関連マクロファージの分化誘導機構と機能解析

IFN誘導性ケモカインCXCL9, CXCL10, CXCL11は活性化T細胞、NK細胞の走化性作用、血管新生抑制作用を有するケモカインである。我々はヒト口腔扁平上皮癌ならびに白板症におけるCXCL9の発現、浸潤リンパ球について免疫組織化学的検討を行ない、腫瘍組織にCXCL9陽性所見を認め、またケモカイン受容体であるCXCR3陽性細胞の浸潤も認めたことを報告した。しかし発現しているCXCL9や浸潤リンパ球が抗腫瘍的に働いているのかについては未だ解明されていない。本研究は口腔前癌病変から早期浸潤癌に至る過程におけるIFN誘導性ケモカインの役割を検討する一環としてマウス扁平上皮癌細胞株(SCCVII)に上記ケモカインを過剰発現させた安定発現細胞株を構築し、ヌードマウスへ移植し腫瘍形成に及ぼすこれらケモカインの役割について検討し以下の結果を得た。1. IFN誘導性ケモカイン安定発現細胞株をヌードマウスの背部皮下に接種し、経日的に腫瘍の増殖を観察した。その結果、Empty Vector導入株と比較してケモカイン安定発現細胞株、特にCXCL9及びCXCL11安定発現細胞株で顕著な腫瘍形成の抑制が認められた。2.この腫瘍形成の抑制機構を検討する目的で腫瘍組織からTotal RNAを調整し、血管内皮細胞マーカーであるCD31ならびにNK細胞のマーカーでPerforinの遺伝子発現をリアルタイムPCRを用いて検討した結果、CXCL11発現細胞株ではCD31の発現の抑制傾向が認められ、またPerforinの発現は有意に上昇していた。3.免疫組織化学的にも同様の結果を得た。この結果から、ヌードマウスはT細胞が欠損していることからCXCL11の発現により浸潤したNK細胞による細胞傷害作用、および血管内皮細胞の増殖抑制作用を介して腫瘍の増殖が抑制されたものと考えられた。マウス異形成症モデル部位でTh1またはTh2有意な環境の設定についての検討が遅れている。マウス異形成部位でIFNγ誘導性遺伝子またはIL-4誘導性遺伝子の発現が誘導されているのか否かを検討を行う予定である。具体的にはマウス舌組織よりRNAを抽出し、IFNγにより誘導されるSTAT1およびIL-4により誘導されるArginase-1、STAT6遺伝子の発現をReal-time PCR法にて検討する。またSTAT1、Arginase-1およびSTAT6のタンパク質レベルでの発現を免疫染色およびWestern Blot法により検討する。1.白板症モデルからマクロファージの分離:異形成組織を切除し、コラゲナーゼ、トリプシンおよびヒアルロニダーゼ溶液に浸漬し組織を消化し、単一細胞懸濁液を調製する。この溶液をマクロファージマーカーのCD68、CD80およびCD163抗体で標識し、MACS細胞分離試薬を用い磁気による細胞分離を行う。2.分離マクロファージの遺伝子発現の検討実験:1で得られ分離されたマクロファージについてM1マーカーであるSTAT1、iNOS、TNFα、CXCL9、CXCL10、またM2マーカーであるArginase-1、IL1ra、CCL17、CCL22の発現が認められるか、RNAを抽出しReal-time PCR法にて検討する。さらに分離培養したM&#61510;にIFN、IL-4の添加によりこれら遺伝子の発現が増強するのか否か、同様の方法を用いて検討する。インターフェロン(IFN)誘導性ケモカインCXCL9, CXCL10, CXCL11は活性化T細胞、NK細胞の走化性作用、血管新生抑制作用を有するケモカインである。本研究は口腔前癌病変から早期浸潤癌に至る過程におけるIFN誘導性ケモカインの役割を検討する一環としてマウス扁平上皮癌細胞株(SCCVII)に上記ケモカインを過剰発現させた安定発現細胞株を構築し、ヌードマウスへ移植し腫瘍形成に及ぼすこれらケモカインの役割について検討以下の結果を得た。この結果から、ヌードマウスはT細胞が欠損していることから、CXCL11は浸潤したNK細胞による細胞傷害作用、および血管内皮細胞の増殖抑制作用により腫瘍の増殖を抑制したものと考えられる。マウス異形成部位でIFNγ依存的遺伝子またはIL-4依存的遺伝子の発現が誘導されているのか否かを検討を行う予定である。

具体的には舌組織よりRNAを抽出し、IFNγにより誘導されるSTAT-1およびIL-4により誘導されるArginase-1、STAT6遺伝子の発現をReal-time PCR法にて検討する。またSTAT1、Arginase-1およびSTAT6のタンパク質レベルでの発現を免疫染色およびWestern Blot法により検討する。IFN誘導性ケモカインCXCL9, CXCL10, CXCL11は活性化T細胞、NK細胞の走化性作用、血管新生抑制作用を有するケモカインである。我々はヒト口腔扁平上皮癌ならびに白板症におけるCXCL9の発現、浸潤リンパ球について免疫組織化学的検討を行ない、腫瘍組織にCXCL9陽性所見を認め、またケモカイン受容体であるCXCR3陽性細胞の浸潤も認めたことを報告した。しかし発現しているCXCL9や浸潤リンパ球が抗腫瘍的に働いているのかについては未だ解明されていない。本研究は口腔前癌病変から早期浸潤癌に至る過程におけるIFN誘導性ケモカインの役割を検討する一環としてマウス扁平上皮癌細胞株(SCCVII)に上記ケモカインを過剰発現させた安定発現細胞株を構築し、ヌードマウスへ移植し腫瘍形成に及ぼすこれらケモカインの役割について検討し以下の結果を得た。1. IFN誘導性ケモカイン安定発現細胞株をヌードマウスの背部皮下に接種し、経日的に腫瘍の増殖を観察した。その結果、Empty Vector導入株と比較してケモカイン安定発現細胞株、特にCXCL9及びCXCL11安定発現細胞株で顕著な腫瘍形成の抑制が認められた。2.この腫瘍形成の抑制機構を検討する目的で腫瘍組織からTotal RNAを調整し、血管内皮細胞マーカーであるCD31ならびにNK細胞のマーカーでPerforinの遺伝子発現をリアルタイムPCRを用いて検討した結果、CXCL11発現細胞株ではCD31の発現の抑制傾向が認められ、またPerforinの発現は有意に上昇していた。3.免疫組織化学的にも同様の結果を得た。この結果から、ヌードマウスはT細胞が欠損していることからCXCL11の発現により浸潤したNK細胞による細胞傷害作用、および血管内皮細胞の増殖抑制作用を介して腫瘍の増殖が抑制されたものと考えられた。マウス異形成症モデル部位でTh1またはTh2有意な環境の設定についての検討が遅れている。マウス異形成部位でIFNγ誘導性遺伝子またはIL-4誘導性遺伝子の発現が誘導されているのか否かを検討を行う予定である。具体的にはマウス舌組織よりRNAを抽出し、IFNγにより誘導されるSTAT1およびIL-4により誘導されるArginase-1、STAT6遺伝子の発現をReal-time PCR法にて検討する。1.白板症モデルからマクロファージの分離異形成組織を切除し、コラゲナーゼ、トリプシンおよびヒアルロニダーゼ溶液に浸漬し組織を消化し、単一細胞懸濁液を調製する。
出血部位でも硬化する新規骨補填再建材料としてのβ-TCP顆粒セメントの開発

本研究は、人工骨補填材であるβ-TCP顆粒を酸性リン酸カルシウム水溶液と練和し、β-TCP顆粒同士をリン酸水素カルシウムによって橋架け、硬化させる自己硬化型β-TCP顆粒セメントに出血部位での硬化特性を付与し、その有用性を評価することを目的とした。本年度は前年度に検討した酸性リン酸カルシウム水溶液へ添加する増粘剤量の最適化を行い、実際に動物実験を行うことでその有用性を検証した。練和液である酸性リン酸カルシウム水溶液は、前年度の研究成果より、β-TCP顆粒硬化体が十分な強度および気孔率を示すリン酸濃度20 mmol/Lに調整したものを用いた。増粘剤としてはカルボキシメチルセルロースを採用した。水溶液に対する増粘剤添加量が10wt%を超えたところから、粘性のある溶液から完全なゲルへの変化を認めたため、これを最大添加量とした。この10wt%の増粘剤を添加した溶液とβ-TCP顆粒を練和した増粘剤添加β-TCP顆粒セメントは練和後に水中に浸漬しても硬化性を示すことを確認し、動物実験を行った。比較対象である増粘剤を添加しないβ-TCP顆粒セメントに関しては、前年度に先行して動物実験を行っていたため、本年度は増粘剤添加β-TCP顆粒セメントの生体内での挙動を検討した。増粘剤添加β-TCP顆粒セメントは出血部位に使用した場合でも硬化性を示すことが確認できたが、術後に血腫を形成しやすく、さらに創感染や炎症反応がより出現しやすいということが判明した。これは、出血している環境においても硬化性を維持できるように混合した増粘剤の影響で試料が粘稠なスラリー状になった結果、硬化体の気孔が溶液で封鎖されてしまい、閉鎖された環境の中に血液が滞留した結果である可能性が高いと推察された。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。人工骨補填材であるβ型リン酸三カルシウム(β-TCP)顆粒の母床骨との連続性の確保および、充填後の顆粒の流出に対応するため、β-TCP顆粒を酸性リン酸カルシウム水溶液と練和し、β-TCP顆粒同士をリン酸水素カルシウムによって橋架け、硬化させる自己硬化型β-TCP顆粒セメントを既に開発している。本研究では、この自己硬化型β-TCP顆粒セメントに出血部位での硬化特性を付与し、その有用性を評価することを目的としている。本年度は増粘剤添加の基礎となる酸性リン酸カルシウム水溶液の濃度の最適化を検討した。実際には、リン酸濃度を0 mmol/L、10 mmol/L、20 mmol/L、30 mmol/L、50 mmol/L、100 mmol/L、150 mmol/L、200 mmol/L、600 mmol/Lに調整した酸性リン酸カルシウム水溶液を練和液とした。β-TCP顆粒と練和液を練和し、それぞれの硬化反応解析、硬化時間、硬化体の強度および気孔率について検討を行った。硬化反応の解析は粉末X線回折および走査型電子顕微鏡観察により行ったが、いずれの試料も新たに析出したリン酸水素カルシウムで顆粒同士が橋かけされることにより硬化を示した。また、β-TCP顆粒セメントの硬化時間は酸性リン酸カルシウム水溶液の濃度依存的に短縮する傾向を示したが、概ね1分程度であった。硬化に関与するリン酸水素カルシウムの形成量および硬化体の強度はリン酸濃度が20mmol/Lまでは、濃度依存的に増大するが、それ以降はほとんど増大しないことが判明した。また、硬化体内部の気孔率はリン酸の濃度依存的に低下する傾向を示したが55%以上を維持していた。本年度は添加する増粘剤の種類および添加量を最適化する予定であったが、増粘剤添加の基礎となる酸性リン酸カルシウム水溶液の濃度を最適化する必要があったために、まずはその実験を行った。結果的に酸性リン酸カルシウム水溶液を構成するリン酸の濃度に依存し、硬化体の強度および気孔率が増大したが、リン酸濃度を20 mmol/Lとした時に既に十分な強度および気孔率を示しており、それ以降はほとんど変動がないことを明らかにした。この結果をもとに、増粘剤添加β-TCP顆粒セメントを調製し、物性評価および生体内での挙動を検討することになるが、比較対象である増粘剤を添加しないβ-TCP顆粒セメントに関しては、当初平成30年度に予定していた動物実験を既に先行して行なっているため、申請時の実験計画と同程度の進捗状況と考えている。

この10wt%の増粘剤を添加した溶液とβ-TCP顆粒を練和した増粘剤添加β-TCP顆粒セメントは練和後に水中に浸漬しても硬化性を示すことを確認し、動物実験を行った。比較対象である増粘剤を添加しないβ-TCP顆粒セメントに関しては、前年度に先行して動物実験を行っていたため、本年度は増粘剤添加β-TCP顆粒セメントの生体内での挙動を検討した。増粘剤添加β-TCP顆粒セメントは出血部位に使用した場合でも硬化性を示すことが確認できたが、術後に血腫を形成しやすく、さらに創感染や炎症反応がより出現しやすいということが判明した。これは、出血している環境においても硬化性を維持できるように混合した増粘剤の影響で試料が粘稠なスラリー状になった結果、硬化体の気孔が溶液で封鎖されてしまい、閉鎖された環境の中に血液が滞留した結果である可能性が高いと推察された。平成30年度は本年度の結果をもとに増粘剤添加型β-TCP顆粒セメントを調製し、本年度と同様の物性評価を行うと共に、実験動物を用いた評価を行う。添加する増粘剤として、当初よりカルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロースを検討しているが、これらを練和液である酸性リン酸カルシウムに添加し、まずはその溶解性を評価する。得られた増粘性に関してはオストワルド粘度計を用いて評価し、さらに出血部位を想定した生理食塩水中での増粘剤添加型β-TCP顆粒セメントの硬化を確認し、最適な増粘剤添加量を決定する。動物実験に関してはラットの頭蓋骨欠損モデルを止血せずに出血がある状況で、各試料を埋入し再建することで評価を行う。経時的な病理組織学的検索を行い、各種β-TCP顆粒セメントの組織親和性、骨伝導性、骨への置換を評価し、増粘剤添加型β-TCP顆粒セメントの有用性を評価する。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
複雑機械系のためのマルチプルモデル制御の提案と生物飛行への適用

前年度までに,ファジィモデルに基づく制御手法において,スイッチングリアプノフ関数(マルチプルリアプノフ関数の1つ)に基づく制御手法が従来の方法に比べ,安定条件の保守性が緩くなることを示し,スイッチングファジィモデルに基づく制御器設計条件を導出した.しかし,導出した制御器設計条件は,線形行列不等式(LMI)ではなく,双線形行列不等式(BMI)で記述されており,解を求めることに工夫を要した.本年度はこの問題に対して,スイッチングファジィモデルとともに,安定な線形システムを考え,これらを融合させた拡大システムを提案し,スイッチングリアプノフ関数に基づくLMIで記述された制御器設計条件を導出した.これにより,効率的な制御器設計が可能となった.例題により本手法の有効性を確認した.昨年度,動的可変構造システム(自由度の異なるモデル,モデルの切り替え条件,切り替え時の保存条件)を定義し,簡単なシステムに対する安定化制御器を設計した.しかし,制御器設計は試行錯誤的に行っており,効率の良いものではなかった.本年度は,動的可変構造システムのモデル表現に,これまでに開発したスイッチングファジィモデルを用い,また,モデルの切り替え条件,切り替え時の保存条件を含んだ制御器設計条件を導出した.シミュレーションにより本手法の有効性を確認した.羽ばたき動作を伴う生物飛行ロボットは,翼の振り上げ時と振り降ろし時でシステムの自由度が異なる.そのため動的可変構造システムは生物飛行ロボットに有効である.現在,生物飛行ロボットの設計および試作を行っている.ファジィモデルに基づく制御手法では,複数あるファジィ規則に対し,共通のリアプノフ関数を構成する問題に帰着させて制御器設計が行われているため,設計条件が保守的になるという問題が指摘されている.本年度はこの問題に対して,マルチプルリアプノフ関数の1つであるスイッチングリアプノフ関数を新たに提案し,その安定条件を導出した.安定条件には領域がスイッチする境界上でリアプノフ関数が連続となる条件が含まれている.これが本手法の特徴である.スイッチングリアプノフ関数を用いた安定性解析と従来の解析方法を比較し,安定条件の保守性が緩くなることを確認した.またスイッチングリアプノフ関数に基づくスイッチングファジィ制御器の設計方法と設計条件を導出した.ファジィモデルに限らず,一般にスイッチングモデルに碁づく制御では制御器がスイッチするときの入力の不連続性が問題になる.本手法で設計した制御器では,入力の連続性を保ち,システムの安定性を保証することができる.例題により,スイッチングファジィ制御器の有効性を確認した.羽ばたき動作を伴う生物飛行ロボットでは翼構造や自由度が羽ばたき動作中に変化する.これを実現するための複雑機械系として,動的にシステムの構造や自由度が変化するシステムを考え,これを動的可変構造システムとして定義した.動的可変構造システムでは,構造変化の前後で状態量が保存される場合(上述のスイッチングファジィモデルも領域がスイッチする境界上で状態量が保存される)と物理的エネルギ(力学的エネルギなど)が保存される場合があることを指摘し,それぞれの場合について簡単なシステムに対する安定化制御器設計条件を導出し,その有効性を確認した.前年度までに,ファジィモデルに基づく制御手法において,スイッチングリアプノフ関数(マルチプルリアプノフ関数の1つ)に基づく制御手法が従来の方法に比べ,安定条件の保守性が緩くなることを示し,スイッチングファジィモデルに基づく制御器設計条件を導出した.しかし,導出した制御器設計条件は,線形行列不等式(LMI)ではなく,双線形行列不等式(BMI)で記述されており,解を求めることに工夫を要した.本年度はこの問題に対して,スイッチングファジィモデルとともに,安定な線形システムを考え,これらを融合させた拡大システムを提案し,スイッチングリアプノフ関数に基づくLMIで記述された制御器設計条件を導出した.これにより,効率的な制御器設計が可能となった.例題により本手法の有効性を確認した.昨年度,動的可変構造システム(自由度の異なるモデル,モデルの切り替え条件,切り替え時の保存条件)を定義し,簡単なシステムに対する安定化制御器を設計した.しかし,制御器設計は試行錯誤的に行っており,効率の良いものではなかった.本年度は,動的可変構造システムのモデル表現に,これまでに開発したスイッチングファジィモデルを用い,また,モデルの切り替え条件,切り替え時の保存条件を含んだ制御器設計条件を導出した.シミュレーションにより本手法の有効性を確認した.羽ばたき動作を伴う生物飛行ロボットは,翼の振り上げ時と振り降ろし時でシステムの自由度が異なる.そのため動的可変構造システムは生物飛行ロボットに有効である.現在,生物飛行ロボットの設計および試作を行っている.
生体イメージングによる骨代謝制御のダイナミクス解析法の開発

実際の骨組織における骨芽細胞と破骨細胞の細胞動態については、これまでほとんど分かっていない。本研究では、生きたマウス骨組織で破骨細胞・骨芽細胞により執り行われる骨リモデリングを動的に可視化することにより、骨の恒常性維持および骨疾患発症メカニズムを時空間的な細胞動態解析から解明することを目的とし、二光子励起顕微鏡を用いて、生理的条件下および病的条件下における破骨細胞と骨芽細胞の時空間的動態変化について解析を行った。本研究では、生きた骨組織で破骨細胞・骨芽細胞により執り行われる骨リモデリングを動的に可視化し、骨の恒常性維持および骨疾患発症メカニズムを時空間的な細胞動態解析から解明することを目的として、二光子励起顕微鏡を用いて骨芽細胞と破骨細胞の骨髄内イメージング解析を行った。本年度は、前年度に作出した骨リモデリング可視化用マウス(Col1a1*2.3-ECFP/+;TRAP-tdTomato/+)を用いて、生理的環境下での骨芽細胞と破骨細胞の動態解析を行った。マウス頭蓋骨髄内では、Col1a1*2.3-ECFPで標識される骨芽細胞の集団は、TRAP-tdTomatoで標識される破骨細胞の集団と離れた場所に分布し、通常状態では、限られた数の骨芽細胞と破骨細胞が近接して分布している様子が観察された。両細胞について経時的に観察を行った結果、観察開始時に破骨細胞の集団が観察された領域において、骨芽細胞数が経時的に増加する一方で破骨細胞数の減少が認められた。また、この過程において、近接する骨芽細胞と破骨細胞の数が増加したことから、骨リモデリングの骨吸収相から骨形成相への移行期には、骨芽細胞が破骨細胞の近傍に遊走され、直接的または間接的な相互作用を介してその領域における骨吸収型破骨細胞の減少を促し、骨形成を促進する可能性が示唆された。また、骨リモデリング可視化用マウスに、破骨細胞誘導能を有するGST-RANKLを腹腔内投与することにより骨粗鬆症を誘導したところ、GST-RANKL投与後に近接する骨芽細胞と破骨細胞の数の減少が認められた。これらのことから、骨リモデリングの種々の場面における骨芽細胞と破骨細胞の相互作用は、その後引き続いて起こる各細胞の機能発現に重要な役割を果たすと考えられ、それぞれの相互作用に関連する分子を特定することにより、新たな骨関連疾患治療薬の開発につながると期待される。正常な骨量は、破骨細胞による骨吸収と骨芽細胞による骨形成のバランスが保たれることにより保持されているが、これら細胞の生きた骨組織における時空間的な相互作用については明らかにされていない。本研究では、二光子励起顕微鏡を用いた骨髄内イメージング法により、生きた骨組織で破骨細胞・骨芽細胞により執り行われる骨リモデリングを動的に可視化し、細胞間相互作用を時空間的な動態解析により分析するとともに、骨疾患発症時における細胞動態の変化を明らかにすることにより、骨疾患発症メカニズムのさらなる解明を目指して研究を進めている。本研究の初年度である平成23年度には、破骨細胞と骨芽細胞の同時イメージングに必要な各レポーターマウスを作出するとともに、骨髄内イメージング法による破骨細胞および骨芽細胞の動態解析に着手した。1.骨芽細胞蛍光標識マウスの作出:骨芽細胞の標識には、分化後期の骨芽細胞を標識することが可能な2.3 kbのI型コラーゲンプロモーターを使用した。2.3 kbのI型コラーゲンプロモーター制御下に青色の蛍光色素(CFP)を発現するトランスジェニックマウス(Col1a1*2.3-ECFP)を作出し、緑色の蛍光色素(GFP)や赤色の蛍光色素(tdTomato)で標識した細胞との同時イメージングを可能にした。2.破骨細胞および骨芽細胞両標識マウスの作出:1で作出した骨芽細胞標識マウスと、単球系細胞を緑色の蛍光色素(GFP)で標識したマウス(CX3CR1-EGFPなど)、または破骨細胞を赤色の蛍光色素(tdTomato)で標識したマウス(TRAP-tdTomato)を掛け合わせることにより、破骨細胞と骨芽細胞の同時イメージングが可能な各レポーターマウスを作出した。現在、作出した各レポーターマウスについて、二光子励起顕微鏡を用いて骨髄内の破骨細胞および骨芽細胞の動態解析を行っている。本研究では、二光子励起顕微鏡を用いた骨髄内イメージング法により、生きた骨組織で破骨細胞・骨芽細胞により執り行われる骨リモデリングを動的に可視化し、細胞間相互作用を時空間的な動態解析により分析するとともに、骨疾患発症時における細胞動態の変化を明らかにすることにより、骨疾患発症メカニズムのさらなる解明を目指し、申請時の研究計画に従ってこれまで研究を進めてきた。

本研究の初年度である平成23年度は、本研究に使用する破骨細胞および骨芽細胞の同時イメージングに必要なマウスの入手および作出はほぼ終了し、現在は破骨細胞および骨芽細胞の動態解析の結果を基に、骨リモデリングの数理モデル化を進めているところであり、当初の研究計画に沿っておおむね順調に進展している。次年度のH24年度は、以下に示すように、申請時の研究計画に従って、破骨細胞および骨芽細胞の細胞間相互作用の評価に利用可能な骨リモデリングパラメーターを設定するとともに、破骨細胞と骨芽細胞の同時イメージング法を、骨粗鬆症モデルマウスを用いた解析に応用することで、骨関連疾患の発症機序の解明や薬物評価の予測に役立てる。1.破骨細胞および骨芽細胞両標識マウスを用いた骨髄内細胞動態の解析:作出した破骨細胞および骨芽細胞両標識マウスを用いて、二光子顕微鏡による骨髄内イメージングを行い、各レポーターマウスについて、破骨細胞および骨芽細胞の細胞内分布や細胞動態を解析する。また、その結果を基に、細胞間相互作用の評価に利用可能なパラメーターの選出を行い、骨リモデリングの数理モデル化を試みる。2.病態モデルマウスを用いた骨髄内細胞動態の解析:作出したレポーターマウスを用いて、卵巣摘出やRANKL投与などにより実験的骨粗鬆症モデルマウスを作製し、骨髄内イメージングにより、骨減少症発症時における骨芽細胞および破骨細胞の動態変化を経時的に観察する。その際、組織レベルでの骨形態変化と、細胞動態データを照らし合わせて分析することにより、骨組織の変化に先立って細胞動態の変化を捉える事が可能かどうかについて、1で選出した骨リモデリング候補パラメーターを中心に解析する。3.破骨細胞と骨芽細胞の同時イメージング法を用いた新たな技術開発の提案:破骨細胞と骨芽細胞の同時イメージングによる骨代謝制御のダイナミクス解析の結果から、骨病変のどの時期にどの細胞に変化が認められるか、また、骨リモデリングに影響を与える薬物が、どの時期にどの細胞に効果を示すかを明確にし、これらの結果を骨関連疾患の発症機序の解明や薬物評価の予測に役立てる。H24年度の研究費の使用計画に関しては、申請時に記載した内容に変更はなく、本研究費の約80%は消耗品費として使用される。具体的には、破骨細胞および骨芽細胞の同時イメージングの際に必要な、イメージング実験関連の消耗品や、in vitroでの破骨細胞や骨芽細胞の培養に必要なサイトカイン類(RANKL, M-CSF)などの細胞培養関連の消耗品を購入する。また、組織や培養細胞から抽出したRNAおよび蛋白質を用いた解析に使用する酵素や抗体など、生化学・分子生物学的実験に必要な消耗品を購入する。実験的骨粗鬆症モデルマウスを作製した際には、骨病変の進行の評価に必要な組織学的解析を行うため、骨関連マーカーの抗体(RANK抗体、Osterix抗体など)等を購入する。また、本研究費の約20%は、本研究の国内外での研究成果の発表や情報収集にかかわる旅費として使用される。基本的な研究機器については、当該研究拠点に共同機器として設置されているものを使用するので、本研究費では現在のところ新たな設備備品購入の予定はない。
難治性潰瘍手術ナビゲーションのための下肢末端血流動態画像解析・投影システムの開発

本研究で開発する血流動態画像計測ソフトウエアのアルゴリズムは,被験者の下肢駆血と駆血解除に伴う皮膚色調の変化をビデオカメラで計測し,その後得られた動画から赤色変化分のみを抽出して輝度値変化を強調処理して処理画像を取得する.当該年度はこれまでに開発したソフトウエアについて,共同研究者である医師の意見のフィードバック,血流動態画像のプロジェクションマッピングシステムの開発を行った.ソフトウエアについては,健常者を被験者とした実験ではおおむね良好な血流情報が得られたことを確認した.プロジェクションマッピングシステムは,駆血と駆血解除に伴う血流計測,足肢の三次元形状計測,PCでの画像処理による血流動画導出,プロジェクションマッピング投影用三次元データ変換,プロジェクタより投影,のプロセスから成る.前年度までに開発,評価した試作システムでは操作や投影について熟練度の違う人間が担当することで,投影誤差や投影準備時間にばらつきが生じることが明らかとなった.そこで足肢,三次元センサ,血流計測用カメラ,投影用プロジェクタを全て固定位置にセットできるOpmap Stageを開発し,本システムを用いた血流動態動画の被験者皮膚表在へのプロジェクションマッピングにおいて,投影画像中心部では08mm,画像周縁部では最大25mmの誤差での投影が可能であることを確認した.本システムを用いた臨床研究の準備段階として,手術室へOpmap Stageを持ち込み,健常者を被験者とした計測から投影までの一連の操作を実施し,20分程度で投影まで完了することを確認した.医師からは一番処理時間がかかるのは画像処理での血流動画導出のプロセスであり,この処理の簡便化,短時間化が手術現場での利便性に繋がるため,改良案として強く要望があり次年度で着手する予定である.研究実施計画において当該年度に予定していた『処理画像から血流不全を示す定量的指標の導出』については,末梢性動脈疾患(PAD)患者に協力いただいて実施できた計測が未だ3例しかなく,統計的有意差を示すほどの指標を得るには至らなかった.現在,共同研究機関での倫理委員会申請を改めて行う必要があり,審査が通れば早急に患者のスカウトと計測に入る予定である.一方,プロジェクションマッピングシステムの構築については当該年度中にプロジェクションマッピング時に必要な三次元データのレジストレーションソフトウエアの開発および評価実験による妥当性検証を行った.また医師に開発したソフトウエアを使用してもらい,処理スピードやインターフェイスについて改善希望を収集したので最終年度に向けて完成度を高めていく具体的案をまとめた.研究の成果は国内学会で1件の発表であった.前者の定量的指標導出については,平成29年度に患者データの計測を増強する予定であり,研究計画全体としては大きな齟齬が無いと判断し,(2)おおむね順調に進展とした.血流動態解析ソフトウエアについてはアルゴリズムを確立し,ソフトウエアが完成した.さらに医療従事者も簡便に使えるよう平成29年度内に医療従事者と共に改良すべき箇所の洗い出しが終わったため,平成30年度はさらに使用感を向上させ,使いやすいソフトウエアとしてのインターフェイス部分や処理速度の向上を行い,総合的な完成度を高める予定である.さらに血流情報のプロジェクションマッピングシステムに関しては,最終年度までに完成予定であった三次元データ作成と三次元データ投影のシステムを前倒しで開発でき,ほぼ完成形となったため,平成30年度では実際に足肢血流の計測を集中的に行う予定である.難治性潰瘍患者での計測は未だ3例しか計測ができていないが,引き続き関連機関への働きかけを行い,臨床研究に繋がるよう努力を続けて行く.健常者については完成したシステムを用い,10例の計測を予定している.本研究で開発する血流動態画像計測ソフトウエアのアルゴリズムは,被験者の下肢駆血と駆血解除に伴う皮膚色調の変化をビデオカメラで計測し,その後得られた動画から赤色変化分のみを抽出して輝度値変化を強調処理して処理画像を取得する.当該年度はまず画像処理ソフトウエアの妥当性検証と改良について取り組んだ.健常者10名について血流動態の計測と可視化を行い,解析結果画像を医師による臨床的な所見と照らし合わせ,血流強調画像を作成する上で用いる最適なパラメータ(正規化範囲幅値)をBAmp_darkを25,BAmp_lightを10とした.また本ソフトウエアにより導出された血流動態画像を下肢皮膚表在へ直接投影することにより,医師が直感的に下肢の血流状態を確認できるようにするためのプロジェクションマッピングシステムの構築についても着手した.プロジェクションマッピングにおいては血流動態画像と,下肢の三次元的形状の位置情報の統合(レジストレーション)が重要である.当該年度は,レジストレーション用のソフトウエアを開発した.本ソフトウエアは,あらかじめ下肢周囲に球状のマーカを3点設置し,三次元計測カメラ(Microsoft社,KinectV2センサー)を用いて下肢とマーカを同時に計測し,さらにプロジェクションマッピング用のプロジェクタ上部に取り付けた小型のカラーカメラによって下肢とマーカを同時計測する.開発したソフトウエアによってカラーカメラで取得した映像中のマーカの座標(二次元),および三次元データ上でのマーカ座標(三次元)を指定すると,カラー映像を三次元データ上に貼り合せたような画像の座標変換,移動,回転を行う.本レジストレーションソフトウエアを用いた評価実験を行い,平均誤差6.6mmでのプロジェクションマッピングが可能であることを確認した.研究実施計画において当該年度に予定していた画像処理

ソフトウエアの妥当性検証と改良については,画像処理に用いるパラメータを絞り込めたことで予定通りの成果を達成した.ただし,同じ当該年度に予定していた,『処理画像から血流不全を示す定量的指標の導出』については,末梢性動脈疾患(PAD)患者に協力していただいて実施できた計測が3例しかなく,統計的有意差を示すほどの指標を得るには至らなかった.一方,次年度に予定していたプロジェクションマッピングシステムの構築については早期に着手し,当該年度中にプロジェクションマッピング時に必要な三次元データのレジストレーションソフトウエアの開発および評価実験による妥当性検証を行った.前者の定量的指標導出については,平成29年度に患者データの計測を増強する予定であり,研究計画全体としては大きな齟齬が無いと判断し,(2)おおむね順調に進展とした.本研究で開発する血流動態画像計測ソフトウエアのアルゴリズムは,被験者の下肢駆血と駆血解除に伴う皮膚色調の変化をビデオカメラで計測し,その後得られた動画から赤色変化分のみを抽出して輝度値変化を強調処理して処理画像を取得する.当該年度はこれまでに開発したソフトウエアについて,共同研究者である医師の意見のフィードバック,血流動態画像のプロジェクションマッピングシステムの開発を行った.ソフトウエアについては,健常者を被験者とした実験ではおおむね良好な血流情報が得られたことを確認した.プロジェクションマッピングシステムは,駆血と駆血解除に伴う血流計測,足肢の三次元形状計測,PCでの画像処理による血流動画導出,プロジェクションマッピング投影用三次元データ変換,プロジェクタより投影,のプロセスから成る.前年度までに開発,評価した試作システムでは操作や投影について熟練度の違う人間が担当することで,投影誤差や投影準備時間にばらつきが生じることが明らかとなった.そこで足肢,三次元センサ,血流計測用カメラ,投影用プロジェクタを全て固定位置にセットできるOpmap Stageを開発し,本システムを用いた血流動態動画の被験者皮膚表在へのプロジェクションマッピングにおいて,投影画像中心部では08mm,画像周縁部では最大25mmの誤差での投影が可能であることを確認した.本システムを用いた臨床研究の準備段階として,手術室へOpmap Stageを持ち込み,健常者を被験者とした計測から投影までの一連の操作を実施し,20分程度で投影まで完了することを確認した.医師からは一番処理時間がかかるのは画像処理での血流動画導出のプロセスであり,この処理の簡便化,短時間化が手術現場での利便性に繋がるため,改良案として強く要望があり次年度で着手する予定である.研究実施計画において当該年度に予定していた『処理画像から血流不全を示す定量的指標の導出』については,末梢性動脈疾患(PAD)患者に協力いただいて実施できた計測が未だ3例しかなく,統計的有意差を示すほどの指標を得るには至らなかった.現在,共同研究機関での倫理委員会申請を改めて行う必要があり,審査が通れば早急に患者のスカウトと計測に入る予定である.
神経ペプチドPACAPによる精神行動制御の分子薬理学的機能解析

本研究は、研究代表者らが確立した、ES細胞からセロトニン神経細胞への分化誘導系や遺伝子改変技術などを用いて、発生期および成熟後でのPACAPの各神経系における役割の解明を目指してスタートし、初年度の検討では、PACAPシグナルとセロトニン神経分化との関連を、昨年度の検討ではNogginシグナルとセロトニン神経分化との関連を報告してきた。平成21年度は平成20年度に引き続きNogginの作用メカニズムを検討するとともに、ソーティングした細胞について機能研究に取り組んだ。1)BMP4の添加によりNogginの神経分化誘導作用、セロトニン神経分化誘導作用は抑制されること、また、Nogginと同じくBMPアンタゴニストとして知られるChordin処置ではセロトニン神経分化誘導作用は見られなかったことなど、BMPシグナルの阻害はセロトニン神経分化に必要ではあるが十分ではないことを示唆する結果を得た。2)ソーティングにより得られた細胞は、ラット海馬スライス上で神経としての機能を維持したまま生着することを明らかにし、機能研究に応用可能であることを示した。また、精神行動制御における各神経系の役割を明らかにする目的で、部位特異的に神経活動を調節可能な遺伝子改変マウスの作製を進めている。昨年までに作成していた相同組換えES細胞は導入遺伝子の発現が確認されなかったため、新たなターゲティングベクターを用いて相同組換えES細胞を作製し、既に導入遺伝子が発現することを確認している。これまでに、研究代表者の所属する研究室で作製されたPACAP遺伝子の欠損マウス(PACAP-KO)を用いた検討から、PACAPが精神行動機能調節に関与していることが明らかとなっている。本研究は、研究代表者らが確立した、ES細胞からセロトニン神経細胞への分化誘導系や遺伝子改変技術などを用いて、発生期および成熟後でのPACAPの各神経系における役割の解明を目指すものである。平成19年度は以下の結果を得た。1)上述のセロトニン神経細胞分化誘導系において、培地中にPACAPを添加すると、PACAPの容量依存的にセロトニン放出量が減少することを明らかにした。また、RT-PCR法によりドパミン合成酵素の発現量には変化がないのに対し、セロトニン合成酵素の発現が低下することを見出した。神経細胞マーカーであるMAP2の発現量には変化が見られなかったことから、PACAPはセロトニン神経細胞への分化を抑制し、他の神経細胞種への誘導を促す作用を持つ可能性が示唆された。2)アンフェタミンの鎮静化作用に重要であると考えられる大脳皮質前頭前野の神経を光で活性化可能な遺伝子改変マウスの作製を目指し、相同的組み換えに用いるベクターを完成させた。また、発現させる分子により神経活動を制御可能であることを、遺伝子導入したPC12細胞を用いたパッチクランプ法により確認した。次に遺伝子改変マウスの作製を進める予定である。3)特定神経の不活性化を制御する目的で開口分泌に関わる分子のドミナントネガティブ体を発現するベクターの作製を完了した。In vitroでの機能確認後、遺伝子改変マウスの作製へと進める予定である。本研究は、研究代表者らが確立した、ES細胞からセロトニン神経細胞への分化誘導系や遺伝子改変技術などを用いて、発生期および成熟後でのPACAPの各神経系における役割の解明を目指してスタートし、前年度の検討では、PACAPがセロトニン神経への分化を抑制することなど、PACAPシグナルの神経分化への関与を明らかにしてきた。その一方でBMPアンタゴニストであるnogginが強力なセロトニン神経分化誘導作用を示したため、平成20年度はセロトニン神経分化におけるnogginの重要性に着目して、そのメカニズムの詳細を検討し、以下のことを明らかにした。1)Nogginのセロトニン神経誘導作用が、これまで用いていたES細胞株であるE14tg2aのみならず、他のES細胞株であるD3、さらには近年樹立されたiPS細胞でも認められることを確認した。2)Nogginは神経分化の初期に作用することでセロトニン神経を誘導する可能性が示され、これまでにセロトニン神経誘導因子として報告されているsonic hedgehog(Shh)やFGF4、8とは異なり、特に神経幹細胞以前の段階で作用を発揮することが示唆された。3)ES細胞より分化誘導させたセロトニン神経の機能評価を行う目的で、同セロトニン神経を特異的に標識し、回収できる系を構築した(ePet-EGFP導入ES細胞の作製)。現在までにマウスの作製に用いる相同組換えES細胞の作製を完了しており、今後マウスの作製へと進む予定である。

2)ソーティングにより得られた細胞は、ラット海馬スライス上で神経としての機能を維持したまま生着することを明らかにし、機能研究に応用可能であることを示した。また、精神行動制御における各神経系の役割を明らかにする目的で、部位特異的に神経活動を調節可能な遺伝子改変マウスの作製を進めている。昨年までに作成していた相同組換えES細胞は導入遺伝子の発現が確認されなかったため、新たなターゲティングベクターを用いて相同組換えES細胞を作製し、既に導入遺伝子が発現することを確認している。
脳情報動態に学んだ非同期並列情報処理アーキテクチャの提案と実証

本研究では、脳の領野間結合様式と時空間的に階層的な情報動態にヒントを得た、新たな非同期並列型の情報処理アーキテクチャを提案、実装、実証することを目的としている。具体的には、次の各項目について研究を進めている; a)脳の高次機能の計算モデルを実装し評価するための、神経科学知見の調査とその整理、特に新皮質マスターアルゴリズムフレームワーク(Cortical Master Algorithm Framework, MAF)の検討、b) MAFに基づいた計算モデルの実装と評価、c)脳型AI基盤ソフトウエアBriCAをMAFに対応させるためのアーキテクチャ記述方法および実行方法の開発、d)脳型AIが学習するための仮想の3次元空間空間内のロボットの動作のシミュレータの開発。このうち、(a)と(d)は山川(東大)が、(c)は高橋(理研)が担当し、(b)に関しては高橋と山川が合同で取り組んでいる。(b)においては、具体的には(1)階層化Variational Recurrent Neural Network (HVRNN)モデル、および(2)Fristonの自由エネルギー原理に基づいたモデルの開発あるいは検討を行った。これまでに、(a)新皮質マスターアルゴリズムフレームワークのたたき台の整備および既存アルゴリズムの対応状況の調査を完了し、(b)HVRNNの実装を行い、実験と評価を行ったほか、自由エネルギー原理に対応した新規モデルの検討を行った。(c)BriCAおよび脳型アーキテクチャ記述言語処理系の開発を行ったほか、(d)環境シミュレータとそのサンプル環境およびサンプルエージェントの作成を行った。2018年度は、a)に関しては1)脳の大局的ネットワークと「意識的」意思決定の関連調査、2)評価方法についての調査、3)大脳諸領域の機能調査を行い全体像を把握した。b)に関しては2017年度に試作した階層化HVRNNに対し実験と評価を行った。簡単な動画像の認識課題において、潜在変数においてスパース性の高いDisentangleされた表現が得られ、潜在変数の予測により、表現の各階層間での表現するファクターの分離が可能であることを示した。また眼球運動課題において視覚時系列情報から運動パラメータのデコードができることを示した。VRNNにより新皮質の局所回路を外部からみた挙動としては、MAFにおける単純状態保持およびプッシュダウンオートマトン機能を除いて再現できたが、新皮質としては内部構造が複雑すぎるため、生物学的妥当性を向上には限界が見えてきた。自由エネルギー原理ベースモデルに関しては、まず変分オートエンコーダを応用したモデルを高次元の入出力に対応させようとしたが、この方法では状態の観測と、生成モデルが分離されてしまい、自由エネルギー原理のコンセプトから離れることが判明した。そこで、非負値行列因子分解など既存の確率モデルをベースにモデルを作成し直し、モデルの改善を行っている。c)BriCA基盤ソフトウエアの開発では(a)(b)の進捗に対応するためのコードベースのアップデートを行った。d)に関しては仮想3次元空間上でロボットモデルを読み込み、頭部カメラ位置からのカラー画像および深度画像の取得・車輪による移動・他のオブジェクトとの衝突判定を容易に可能にするためのソフトウェアライブラリを開発し、これを使って、深層強化学習を行うサンプル環境とサンプルエージェントを作成した。今後の研究の推進方策として、2019年度においては以下を中心に進める予定である。a)神経科学知見の調査とその整理としては、高次の意思決定に関わる、前頭葉、基底核などを中心にフォーカスし、開発者が実装するための仕様書や、評価指標としてより具体化を進める。b)MAFに基づいた計算モデル開発に関しては、課題となっている新皮質の局所回路内部の神経科学的妥当性を高めるために、樹状突起において誤差表現を行う既存研究であるDendritic Backpropagationをベースとし、MAFの中の重要な機能要件である時系列予測機能を追加したモデルの構築を開始しており既存の神経科学実験で得られた結果との照らし合わせを進めていく予定である。また、自由エネルギー原理モデルに関してもMAFとの照合に基づいた機能検討を進める。c) (b)で開発するDendric BPモデルをBriCA上で非同期並列実装するための調整および必要な機能拡張を行う。d)シミュレータ開発ではリーチングタスクなどを想定し、エージェントロボットの手を動かすようにするための追加開発を行う。(c)BriCAおよび脳型アーキテクチャ記述

言語処理系の開発を行ったほか、(d)環境シミュレータとそのサンプル環境およびサンプルエージェントの作成を行った。2018年度は、a)に関しては1)脳の大局的ネットワークと「意識的」意思決定の関連調査、2)評価方法についての調査、3)大脳諸領域の機能調査を行い全体像を把握した。b)に関しては2017年度に試作した階層化HVRNNに対し実験と評価を行った。簡単な動画像の認識課題において、潜在変数においてスパース性の高いDisentangleされた表現が得られ、潜在変数の予測により、表現の各階層間での表現するファクターの分離が可能であることを示した。また眼球運動課題において視覚時系列情報から運動パラメータのデコードができることを示した。VRNNにより新皮質の局所回路を外部からみた挙動としては、MAFにおける単純状態保持およびプッシュダウンオートマトン機能を除いて再現できたが、新皮質としては内部構造が複雑すぎるため、生物学的妥当性を向上には限界が見えてきた。自由エネルギー原理ベースモデルに関しては、まず変分オートエンコーダを応用したモデルを高次元の入出力に対応させようとしたが、この方法では状態の観測と、生成モデルが分離されてしまい、自由エネルギー原理のコンセプトから離れることが判明した。そこで、非負値行列因子分解など既存の確率モデルをベースにモデルを作成し直し、モデルの改善を行っている。c)BriCA基盤ソフトウエアの開発では(a)(b)の進捗に対応するためのコードベースのアップデートを行った。d)に関しては仮想3次元空間上でロボットモデルを読み込み、頭部カメラ位置からのカラー画像および深度画像の取得・車輪による移動・他のオブジェクトとの衝突判定を容易に可能にするためのソフトウェアライブラリを開発し、これを使って、深層強化学習を行うサンプル環境とサンプルエージェントを作成した。本研究では、脳の時空間的に階層的な情報動態にヒントを得た非同期並列の情報処理アーキテクチャを提案、実装、実証する。具体的には、大脳新皮質の標準回路仮説に対し、(1)入出力回路セマンティクスとアーキテクチャ定義を付与してマスターアルゴリズムフレームワーク(MAF)として整備する。次に、(2)提案者らの研究グループが開発する基盤ソフトウエアBriCAを拡張し、多階層非同期並列計算モデルに対応させる。これを用い(3)予測符号化仮説や自由エネルギー原理に基づいた能動推論ネットワークなどいくつかの既存および新規の計算手法とそのMAFに準拠した拡張を実装し、推論性能や並列化性能などをベンチマークとして性能評価を行う。