hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
多元的触情報の時間相関性に着目した超触覚センシングデバイス

本研究では,半導体表面に高密度なセンサ回路構造を高密度に集積した後,MEMS技術で半導体シリコンを柔軟に変形可能な構造として,指先の皮膚に近い機能と柔軟性を両立させる高度な検知能を備えた人工皮膚型触覚センサの実現を目指して研究を行った。触感の定量化にむけて,人間の皮膚感覚による対象物表面の評価を模倣し,様々な物理量から各因子を抽出して総合的に評価することを目指して研究を実施した。半導体集積回路技術とMEMS技術の融合により,人間の指先が有する様々な触覚・触感に関する検知能を備えた人工皮膚型触覚センサを実現し,その応用展開に向けたデバイス技術開発と触感の定量化にむけたシステム化研究を行った。1.「原触」のクロストークを抑えるセンシング要素の開発本年度は最初に,触覚センサを構成する基本的な情報の要素となる「原触」となりうる物理情報のセンシング機構を実現し,人間の指先が感じ取れる感度限界を超える高性能の触覚センサ要素の開発を行った。各情報の時間相関性を高い精度で取得するために,それぞれを広帯域で検出可能なセンシング要素の実現を目指して設計を行った。信号間の精度を保証する上でも,センシング要素で信号のクロストークが生じない構造での実現が必要であり,誤差の程度を有限要素解析によって見積もりながら素子の寸法と形状を決定した。製作実験の結果,柔軟に変形するシリコンダイヤフラム上に,クロストークの小さい多次元力覚センシング回路を集積することに成功した。また,センシング回路上部に入力用プローブとなる微細構造体を一体化し,垂直抗力に加えて横剪断力と動的な滑りが生じた際の滑り振動を時間軸波形で取得した。超触覚センシングの実現に向けて,本段階では感度と周波数特性を改善した各種センシング要素を新規に開発することができた。2.新構造画素によるセンサ画素の小型化と高感度化の両立高い密度で各要素を集積化して空間解像度を向上するため,本研究では,全ての原触センシング要素を指先における触覚受容細胞の半分程度の間隔,すなわち500ミクロン程度の集積化画素構造に一体化することを目指して研究を進めてきた。センサ画素の小型化と高感度化を両立する新しい触覚要素の開発を進めた結果,入力プローブの周囲に形成された検出用画素回路を取り囲むように「土手」のような微細構造を設けることで,わずかな入力を高感度に検知できる高感度センサの開発を行うことができた。この新しい画素構造で,画素回路の小型化と高感度化の両立が可能となった。今後はこの構造をアレイ回路内に組み込む予定である。本研究では,半導体集積回路技術とマイクロマシニング技術を融合し,多様な触覚情報を多元的に検知可能な指先皮膚型の高性能触覚センシングデバイスを実現する。特に,これまで注目されることがなかった「動的な触圧を受けた状態における各種の触覚情報の時間変化と相関性」に初めて着目し,同位置における異なる物理信号の変化を同じ時間軸上の波形としてセンシング可能な機能集積型触覚センサデバイスを開発する。実際の触覚動作と同じ状況を再現することで,いまだ曖昧とされる「触感」を多角定量的に評価可能な計測システムを実現し,指先の感覚を必要とする新しい応用分野で,その機能と有効性を実証することが本研究の最終目的である。本年度は二次元超触覚センシングデバイスの実現と改良,ならびに,多元触覚の時間相関性に基づく触感評価のモデル化と触感評価モデル装置の製作を中心に研究を進めた。1.二次元超触覚センシングデバイスの実現と改良:多元的触覚検知要素を1画素内にアレイとして集積し,1画素の大きさを最小限に抑えて実現した。微細加工技術の開発とデバイス設計の工夫により,画素(ダイヤフラムサイズ)を500ミクロン以下で実現できる構造とし,硬さの検出能力は従来以上の性能(最小感度1HS)を実現できた。その結果,硬さ検出様のデバイスとして,機械表面に埋め込めるだけの小さな寸法でセンサを実現することができた。2.多元触覚の時間相関性に基づく触感評価のモデル化と触感評価モデル装置の製作:実現した触覚センサを用い,多元的な触覚情報間の時間相関性を中心に評価を進めた。半径50ミクロン程度の微小な接触子を有する2軸触覚センサを作製し,表面凹凸の波形と摩擦力波形を同時に取得することに成功した。これらのデータに基づき,人間の触感覚生成のアルゴリズムを推定しながら,測定対象物表面の状態判別と,手触り感の数量化を行う足がかりを築くことができた。本研究では,半導体表面に高密度なセンサ回路構造,すなわち,神経回路網となる機能を高密度に集積した後,MEMS技術で半導体シリコンを柔軟に変形可能な構造として,指先の皮膚に近い機能と柔軟性を両立させる我々独自のアプローチ方法に基づきながら,指先が持つ高度な検知能を備えた人工皮膚型触覚センサの実現を目指して研究を行ってきた。半導体集積回路技術とMEMS技術の融合により,人間の指先が有する様々な触覚・触感に関する検知能を備えた人工皮膚型触覚センサを実現し,その応用展開に向けたデバイス技術開発と触感の定量化にむけたアルゴリズム探索とシステム化,ならびに,新しい触覚技術を核とした新しい応用の展開にむけた開拓的研究を行った。

本デバイスの優位性を十分活かせると期待される応用分野と連携しつつ,各応用に必要な要求をそれぞれに満たした触覚・触感イメージセンサを開発し,要求される触感定量化の性能を実証するシステムを形成した。具体的成果として,先進医療分野の内視鏡手術で用いられる臓器硬さセンサの開発に成功している。これは人間の肌や血管などの硬さを調べる上でも,日常生活に近い様々な応用分野を開拓できる可能性を秘めている。また,手触り感を定量化して計測することが可能な横型触覚デバイスは,三段階に及ぶデバイスの開発と改良を繰り返すことによって,固い対象物から紙,布地など幅広い物性を持つものの表面特性を数値として取得することができた。これらのデバイスは日用品から日常の健康管理まで様々な応用が期待される新しい分野を開拓可能である。以上より,本研究では多元的触情報の時間相関性を取得する触覚デバイスを実現することで,各種素材を明確に判別できる手法を実証した。本研究では,半導体表面に高密度なセンサ回路構造を高密度に集積した後,MEMS技術で半導体シリコンを柔軟に変形可能な構造として,指先の皮膚に近い機能と柔軟性を両立させる高度な検知能を備えた人工皮膚型触覚センサの実現を目指して研究を行った。触感の定量化にむけて,人間の皮膚感覚による対象物表面の評価を模倣し,様々な物理量から各因子を抽出して総合的に評価することを目指して研究を実施した。半導体集積回路技術とMEMS技術の融合により,人間の指先が有する様々な触覚・触感に関する検知能を備えた人工皮膚型触覚センサを実現し,その応用展開に向けたデバイス技術開発と触感の定量化にむけたシステム化研究を行った。概ね計画通りに進捗している。例えば,手触り感を数量化するデバイスについては既に実現しており,評価結果も順調に得られている。また,硬さ判別が可能な機能についても実験を通じて実証された。最終年度に向けて,多元的触情報の時間相関性に着目した超触覚センシングデバイス実現が計画通りに達成されると期待できる。27年度が最終年度であるため、記入しない。マイクロセンサ工学実現した触覚センサを用いて,多元的な触情報間の時間相関性を中心に評価を進め,人間の触感覚生成アルゴリズムの推定とモデル化を進めてゆく。触感に関する数値化と分類のマッピングについては,様々な手法が存在する。ここでは従来の一般的な触感評価手法(KES)との比較対比を行いながら,その評価ノウハウを有する企業の研究員と協力して触感の定量化手法を模索してゆく。熟練者の生理試験に基づく感性評価の結果とも比較しながら,人間が心地よさを感じる触感を見分けられる評価システムの構築を第一に実現する。その後,様々な物質のさわり心地を判別できるように評価アルゴリズムを拡張する。最終的には,本研究の「超触覚センシングデバイス」で取得した情報を数種類の触感指標で数値化して示すソフトウェアの開発を行い,人間以上の感性で再現性よく触感を判別する「触感覚」評価用のプロトタイプ装置を実現する。また,指先に代わる鋭い触覚デバイスが必要な応用として,衣類,日用品の開発から,肌年齢の評価,先端医療・治療器具に至るまで様々な応用分野が想定されており,実際のニーズも高いものがある。本研究では,それぞれの分野で第一線のノウハウを持つ企業との連携協力体制のもと,開発する超触覚デバイスとその評価モデル装置についての実証実験を行い,触感評価に関する重要な知見を見いだしてゆく。
神経疾患と運動機能回復に関わる筋シナジーの構成機序の解明

ヒトや動物が運動を行うとき、複数の関節や筋を協調して動かす協調関係(シナジー)が見られる。このような運動中に観察される運動要素の協調関係は、動作生成において冗長な身体を動かすための低次元表現となっており、脳内身体表現を反映していると考えられる。シナジーは脳卒中及び小脳疾患によってそれぞれ特徴的に変化すると知られており、シナジーを指標とすることで効果的なリハビリテーション(リハビリ)の構築が期待できる。本研究では、神経障害に伴う運動機能低下とシナジー変化の関係を明らかにし、リハビリに応用することを目指して研究を行ってきた。本年度は(1)小脳梗塞ラットの歩行動作解析による運動機能低下のメカニズムの解明、(2)脳卒中患者の筋シナジー解析によるシナジー解析のリハビリへの応用を目指して研究を行い、以下の研究結果を得た。(1)小脳中間部に小脳梗塞を生じたラットに後肢2足で歩行させ、歩行中のシナジーを解析した。小脳梗塞前と梗塞4日後、7日後、11日後のシナジーを解析し、比較をした結果、小脳梗塞によってシナジーの時間タイミングが変わり、時間が経つに従って(回復に従って)徐々にタイミングが戻っていくことが分かった。また、この変化は足の回転運動に特異的に影響を与えた。これにより、小脳中間部の梗塞が運動機能を低下させ、その後回復に至る過程を定量的に明らかにした。(2)脳卒中患者の回復の評価に使われるFMA中の筋シナジーを解析することで、FMAに使われる筋シナジーがそれぞれ異なる身体部位の筋活動によって構成され、FMAではこれらの筋シナジーを順に評価していることを明らかにした。また、健常者のシナジーと患者のシナジーを比較することで、シナジーの融合度に患者の重症度が反映されていることを示した。シナジーを重症度の評価に使うことで、(患者へ負担が少ない)単純なタスクで回復を評価できることを示した。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。ヒトや動物が歩行や直立などの全身運動を行うとき、複数の関節や筋を協調して動かす協調関係(シナジー)が見られる。シナジーは脳卒中及び小脳疾患によってそれぞれ特徴的に変化すると知られており、シナジーを指標とすることで効果的なリハビリテーションの構築が期待できる。本研究では(1)神経障害に伴う(シナジーなどの)運動機能と制御機能の低下の関係(メカニズム)を解明し、(2)神経疾患患者の筋シナジーの評価による効果的なリハビリテーション手法を構築することを目指して研究を行っている。本年度は(1)直立動作の解析による無痛無汗症患者の姿勢制御系の解明、(2)脳卒中患者の筋シナジー解析によるシナジー解析のリハビリへの応用、を目指して研究を行い、以下の研究結果を得た。(1)無痛無汗症患者の直立動作を計測し、直立中の重心動揺の特徴を調べた。前後方向の重心同様におけるパワースペクトラムを推定した結果、健常者で報告されている0.4Hz付近の周波数成分が無痛無汗症患者ではほとんど見られないという結果が得られた。0.4Hz付近の周波数成分は姿勢制御においてフィードフォワード的な制御によって構成されていると指摘されており、患者においては、フィードフォワード制御が低下している可能性が考えられる。(2)脳卒中患者のFMAタスク中の筋シナジーを解析し、健常者のシナジーとの比較を行った。その結果、患者の筋シナジーでは健常者の複数の筋シナジーが融合するように変化が起きていた。また、このような融合は重症な患者ほど顕著に生じていた。このことから、筋シナジーの融合度を基に、患者の重症度を評価できる可能性が示された。平成29年度の研究として、(A)歩行の筋シナジーに特徴的な変化が見られる無痛無汗症患者の(A1)動作解析及び(A2)力学解析から、機能低下のメカニズム明らかにすること、(B)動物の運動解析によってその神経メカニズムにアプローチし、それを元にリハビリテーションの手法構築への道筋を作ることを目標としていた。これらの研究はそれぞれ以下のように進捗している。(A)無痛無汗症患者の機能低下のメカニズムを調べるために、直立中の姿勢制御を計測し、その動作の特徴として、周波数成分の中に健常者と異なる特徴的な変化:0.4Hz付近の周波数成分の低下が見られた。この結果と、力学解析によって得られた0.4Hz付近の動作に現れる制御の役割:フィードフォワード制御の成分との関係から、無痛無汗症患者の機能低下、及び筋シナジーの変化にフィードフォワード制御の低下が関わっている可能性を示すことができた。このように、動作解析と力学解析をあわせることによってメカニズムにアプローチをすることができていることから、おおむね順調に伸展していると言える。(B)動物の運動解析については、現在小脳梗塞ラットの動作の筋電を計測し、筋シナジーを解析することによって、小脳における神経回路と筋シナジーの関係を明らかにしようとしている。筋シナジーの解析に必要な多数の筋電を同時に計測するのが難しく、研究は順調ではあるが、予定よりは遅れがでている。以上のように進捗としては、ヒトの研究は順調であり、ラットの実験において多少遅れがでている。

一方で、最終目標であるリハビリテーション手法の構築について、以下の新たな結果が得られた(C)脳卒中患者の筋シナジーの解析を新たに行い、筋シナジー解析をリハビリテーションに結びつけることができる可能性が得られた。このように目標を推進する新たな結果が得られているため、全体として順調に伸展していると言える。ヒトや動物が運動を行うとき、複数の関節や筋を協調して動かす協調関係(シナジー)が見られる。このような運動中に観察される運動要素の協調関係は、動作生成において冗長な身体を動かすための低次元表現となっており、脳内身体表現を反映していると考えられる。シナジーは脳卒中及び小脳疾患によってそれぞれ特徴的に変化すると知られており、シナジーを指標とすることで効果的なリハビリテーション(リハビリ)の構築が期待できる。本研究では、神経障害に伴う運動機能低下とシナジー変化の関係を明らかにし、リハビリに応用することを目指して研究を行ってきた。本年度は(1)小脳梗塞ラットの歩行動作解析による運動機能低下のメカニズムの解明、(2)脳卒中患者の筋シナジー解析によるシナジー解析のリハビリへの応用を目指して研究を行い、以下の研究結果を得た。(1)小脳中間部に小脳梗塞を生じたラットに後肢2足で歩行させ、歩行中のシナジーを解析した。小脳梗塞前と梗塞4日後、7日後、11日後のシナジーを解析し、比較をした結果、小脳梗塞によってシナジーの時間タイミングが変わり、時間が経つに従って(回復に従って)徐々にタイミングが戻っていくことが分かった。また、この変化は足の回転運動に特異的に影響を与えた。これにより、小脳中間部の梗塞が運動機能を低下させ、その後回復に至る過程を定量的に明らかにした。(2)脳卒中患者の回復の評価に使われるFMA中の筋シナジーを解析することで、FMAに使われる筋シナジーがそれぞれ異なる身体部位の筋活動によって構成され、FMAではこれらの筋シナジーを順に評価していることを明らかにした。また、健常者のシナジーと患者のシナジーを比較することで、シナジーの融合度に患者の重症度が反映されていることを示した。シナジーを重症度の評価に使うことで、(患者へ負担が少ない)単純なタスクで回復を評価できることを示した。本年度までに無痛無汗症患者の筋シナジーにおける特徴と、動作における機能低下にフィードフォワード制御の低下が関わる可能性が明らかになり、また、脳卒中患者の筋シナジーの解析から、筋シナジーを元にしたリハビリテーション構築への道筋をたてられるようになった。今後の研究としては、引き続き無痛無汗症患者の解析をすすめる他、(A)ラットの筋シナジーの解析と歩行の力学モデル解析、(B)脳卒中患者の筋シナジー解析によって、機能低下が起こる要因とリハビリテーション応用を目指した研究を行う。具体的には以下の研究を行う。(A)感覚フィードバックを元にフィードフォワード制御入力を作る学習制御によって力学モデルを構築し、感覚入力の変化がどのような過程で制御系に影響を与えるかを調べる。力学モデルの挙動と感覚処理系に障害をもつ無痛無汗症患者及び小脳梗塞ラットの挙動を比較することで、制御系におけるどのような変化が運動機能、及び筋シナジー機能の変化をもたらしたかを明らかにする。
Wntによるβカテニン/アルマジロ遺伝子群の発現調節の分子機構の解析

最近、βカテニン/Armはカドヘリン系の接着因子としての機能とは別に、Wnt/winglessによるシグナル伝達におけるエフェクター因子としての機能があるのではないかと考えられるようになった。またWg→Frizzled(受容体)→Dishevelled(Dsh)┫Zeste white 3 kinase(zw3)┫Arm→Pangolin(HMG box transcription factor)なる経路も明らかにされた。さらに、Wnt/winglessによるシグナル伝達によりArmの核への移行が促進されるとの報告もなされた。上記の伝達系が示すように、Arm(特にその細胞質内)発現量はWg、及びDshにより正に、そしてZw3(Ser/Thrキナーゼ)により負に調節されていることが明らかとなっている。本研究課題では、Wing disc由来細胞(clone8)を用いた簡便なWg Assay系(この細胞をWgで30分処理すると細胞質内のArmレベルが約20倍に増加する)を使用した解析によって、このWgによるArmの発現調節は転写後レベル、特にWg刺激によりArmが安定化されるためであることを明らかにした。さらに、Arm蛋白のN-末端より120番目までのアミノ酸残基を除くとWgシグナルなしでもArm蛋白が安定化されることも明らかになった。この部分には、Zeste white 3 kinaseの良い基質となるアミノ酸配列があり、実際にリン酸化が生ずる事から、このリン酸化によりArm蛋白の安定性が制御されている事が推測された。従って、リン酸化型Arm蛋白は非リン酸化型Armに比べ蛋白分解系のよい標的となっている可能性が強く示唆された。
超音速燃焼の現象解明とエンジン解析ツール作成～physicsからdesignへ～

超音速燃焼に関する実験的研究を,以下の3点に着目・実施した1.燃焼器流入気流組成変化が超音速燃焼に及ぼす影響の定量的評価Clean(大気組成)とVitiated (12%水蒸気含)の, 2種の異なる組成の気流に対して超音速燃焼試験を実施した.先行する他グループの実験では,流入気流エネルギーに関して,これら2種気流間で全温もしくは全エンタルピーを合わせた2条件分の結果がある.一方,他のエネルギー条件に関しては,実験結果の不足が挙げられる.ゆえに本研究では先ず,気流全温を変化させることで他エネルギー条件での燃焼試験結果を得た.エンジン性能を示す値として推力に着目し,主に燃焼器壁面の圧力測定を実施した.2.エンジン解析ツールの作成次項3.に示す外挿手法の考案のために準1次元解析を実施した.主流と燃料の混合割合を考えるため3本の流管を考慮した.任意断面の各流管で等しい静圧を仮定した.本研究では燃焼流管でのマッハ数を1以上の最小数とする保炎モデルを考えた.解析結果は,燃料の混合効率が推力に対して大きな感度をもつと示した.一般的に高温Vitiated気流生成はClean気流のそれと比較して容易である.故, Vitiated気流における燃焼試験を先ず実施し,混合高率分布を推算するのが良いといえる.3.地上試験結果から実フライト試験での性能予測推算をする外挿手法の考案Vitiated気流における実験結果と, Clean/Vitiated気流条件における準1次元解析結果を掛け合わせることで, Clean気流における実験結果の推算をおこなった.以上の解析手法を他実験での論文を引用し検証したところ,解析におけるClean/Vitiated気流での推力比は,実験のそれに対して6%未満の相対誤差であった.本手法をもちいた燃焼器内最大圧力の推算値は,該当論文(1流管準1次元解析)のそれよりも実験値に対して正確であった.本解析手法を過去のvitiated気流における超音速燃焼試験結果に適応させることで,より実飛行状熊に近いclean気流下での結果を推算し得ることが示された.(抄録なし)超音速燃焼に関する実験的研究を,以下の3点に着目・実施した1.燃焼器流入気流組成変化が超音速燃焼に及ぼす影響の定量的評価Clean(大気組成)とVitiated (12%水蒸気含)の, 2種の異なる組成の気流に対して超音速燃焼試験を実施した.先行する他グループの実験では,流入気流エネルギーに関して,これら2種気流間で全温もしくは全エンタルピーを合わせた2条件分の結果がある.一方,他のエネルギー条件に関しては,実験結果の不足が挙げられる.ゆえに本研究では先ず,気流全温を変化させることで他エネルギー条件での燃焼試験結果を得た.エンジン性能を示す値として推力に着目し,主に燃焼器壁面の圧力測定を実施した.2.エンジン解析ツールの作成次項3.に示す外挿手法の考案のために準1次元解析を実施した.主流と燃料の混合割合を考えるため3本の流管を考慮した.任意断面の各流管で等しい静圧を仮定した.本研究では燃焼流管でのマッハ数を1以上の最小数とする保炎モデルを考えた.解析結果は,燃料の混合効率が推力に対して大きな感度をもつと示した.一般的に高温Vitiated気流生成はClean気流のそれと比較して容易である.故, Vitiated気流における燃焼試験を先ず実施し,混合高率分布を推算するのが良いといえる.3.地上試験結果から実フライト試験での性能予測推算をする外挿手法の考案Vitiated気流における実験結果と, Clean/Vitiated気流条件における準1次元解析結果を掛け合わせることで, Clean気流における実験結果の推算をおこなった.以上の解析手法を他実験での論文を引用し検証したところ,解析におけるClean/Vitiated気流での推力比は,実験のそれに対して6%未満の相対誤差であった.本手法をもちいた燃焼器内最大圧力の推算値は,該当論文(1流管準1次元解析)のそれよりも実験値に対して正確であった.本解析手法を過去のvitiated気流における超音速燃焼試験結果に適応させることで,より実飛行状熊に近いclean気流下での結果を推算し得ることが示された.(抄録なし)
斜め入射波による越波量と反射率

研究実施計画に従い、鉛直壁に波が斜めに入射する場合のモデルを作成し、実験によりその妥当性を検証した。斜め波モデル作成のポイントは、鉛直壁に直な方向の限ってのエネルギーフラックスの釣り合いを考慮するということと越波量を鉛直壁にそって走る波による横越流と考えた点である。モデルの計算結果の特徴は、越波量、反射率共に直角入射から30度までの間は直角入射と変わらなこと、それを越えると両者ともに急速に小さくなることである。実験は、多方向造波装置に端部制御法を用い、鉛直壁端部に消波材を設置して鉛直壁にそって一様な波の場を作り出すことに注意して行った。その結果、角度が約30度まではモデルと実験の一致は非常に良くモデルおよび実験の妥当性が検証された。しかしその角度を越えるとマッハステムという現象が発生し、反射率は極端に低下してモデルとあわなくなることがわかった。
石器組成の検討による縄文文化確立期の生業活動の復元的研究

西日本の広い地域を研究対象として、縄文文化の確立期とされる縄文時代早期の各地の遺跡から出土する石器資料のデータを収集する作業を終了した。生産に直接関わる道具であり、かつ遺跡から普遍的に得られる生業復元のための材料として、石器を選定して研究対象とした。収集データは東は三重県、南は鹿児島県までにおよび遺跡総数269件に達した。このようにして遺跡から出土した資料をもとにして、とくに石器の組成に研究の焦点を絞った。地域的あるいは時期的な石器の内容を把握した結果、明らかとなった石器組成の違いが意味する原因を考察した。収集データから得られた西日本の早期の石器群の特徴は、全体の石器組成に占める石鏃を代表とした狩猟具の卓越と、磨石や石皿など植物質食料加工道具の漸増である。これは縄文文化の開始期である草創期に始まる縄文時代的な石器揃えが、西日本においても次第に定着していった姿を示しているものであろう。しかし、各地における早期の遺跡から出土する個別の石器群の内容は、土器型式が同一ないしは並行する土器型式であっても、石器組成にかなりの差が確認できる。また一方で、土器型式の枠を越える遺跡間で共通する組成の見られる場合もある。それぞれの遺跡の立地と環境と石器組成の関係を詳細に見た場合、かなりの相関性を読みとることができる。このことは各地域あるいは遺跡の地理的立地の違いによって、集団を支える生業の内容が異なっていることの現れであり、それぞれの集団の局地的な環境への適応を進めていった縄文時代確立期の実態を示しているのではないかと考えられる。なお、それぞれの遺跡の性格が石器組成として現れる可能性があるが、西日本において遺跡の性格が明らかにし難い例が多く今後の課題としておきたい。平成7年度は研究の初年度であり、中国地方・近畿地方の縄文時代草創期および早期の石器資料の収集を重点的に進めた。この地域で発掘調査報告書などに資料の内容が公表されている遺跡については、その報告によって遺跡の石器組成などのデータの収集を行い、遺跡毎の石器群の特徴の把握に努めた。内容の未公表の資料や、報告の不十分な遺跡については石器の実物の調査を実施した。資料収集した各地の概要は以下のとおりである。中国地方では草創期には石器組成を検討できるような内容を備えた遺跡はほとんどない。しかし山陰地方で島根県堀田上遺跡・今佐屋山遺跡・鳥取県上福万遺跡など早期の資料は最近増加しており、この地域の石器群の様相を明らかにする重要な成果が得られている。また山陽地方では広島県帝釈峡遺跡群や岡山県黄島貝塚において得られている資料はいずれも量的に安定しているとはいい難く、標識的な資料とすることができないが、当該時期の石器の様相をある程度明らかにすることができる。近畿地方およびその周辺では、和歌山県野田藤並遺跡・福井県鳥浜貝塚・奈良県桐山和田遺跡などの草創期の内容のある資料が蓄積されている。早期の遺跡の集中度が高い近畿地方では特に押型文土器期のものが充実しており、大阪府神並遺跡・三重県西出遺跡などでは量的に安定し、しかも時期的なまとまりが保証できる石器データが得られている。以上、組成比較が可能な良好な資料を中心として収集した現段階では、近畿地方においては草創期の石器組成は多地域とはやや特異な構成となっていることが明かとなってきた。早期では同時期の遺跡間でも石器器種の構成違いや、石器組成の器種別多寡など内容に差がある事例が多くみられることが判明してきた。今後、未調査地域の資料集成を進めるなかで時期・地域による石器群の違いの起因を探ってゆくことになる。平成8年度では西日本各地域の草創期から早期の遺跡の中から時期的な限定が可能な資料を中心にしてデータ収集に努めた。九州地方では上の原遺跡や瀬田裏遺跡などをはじめとした熊本県で、石器組成の内容が明確でしかも数量的にも十分なものが多く、同時期の遺跡との比較が可能な資料が多く存在した。また宮崎県丸野弟2遺跡や佐賀県牟田辻遺跡では磨石など食物粉砕具の占める割合が多く、特徴的な石器組成の様相をもった遺跡が抽出できた。鹿児島県では近年になって加治屋園遺跡、塚ノ越し遺跡、掃除山遺跡など薩摩火山灰層下から相次いで縄文時代草創期の遺跡が発見され、また早期の加栗山遺跡、榎崎B遺跡をはじめとして該当期の資料はほかの地域に比べて大きく増加した。しかも遺跡間における石器内容に違いを見いだすことができ、得られたデータを立地や環境との関連で捉え直すことが可能になりそうである。一方近畿北部から北陸西部地域では鳥浜貝塚や岩の鼻遺跡など石器内容が把握できる遺跡もあるが、全体として遺跡数も少なく内容に乏しいのが現状である。なお四国では高知県で新たに細石器を伴う草創期の遺跡の存在が明らかになり、この地域の石器様相の変遷を再考する必要が生じてきている。今年度は昨年度で収集した資料をも含めて、遺跡毎あるいは遺跡内の時期毎に石器器種別数量を集計してデータベースを作成した。未調査地域の資料収集は来年度も継続し、各地区における時期毎の石器組成の特徴を見い出し、遺跡を取りまく環境と生業との関係を探る基礎資料を作り上げる予定でいる。

収集データは東は三重県、南は鹿児島県までにおよび遺跡総数269件に達した。このようにして遺跡から出土した資料をもとにして、とくに石器の組成に研究の焦点を絞った。地域的あるいは時期的な石器の内容を把握した結果、明らかとなった石器組成の違いが意味する原因を考察した。収集データから得られた西日本の早期の石器群の特徴は、全体の石器組成に占める石鏃を代表とした狩猟具の卓越と、磨石や石皿など植物質食料加工道具の漸増である。これは縄文文化の開始期である草創期に始まる縄文時代的な石器揃えが、西日本においても次第に定着していった姿を示しているものであろう。しかし、各地における早期の遺跡から出土する個別の石器群の内容は、土器型式が同一ないしは並行する土器型式であっても、石器組成にかなりの差が確認できる。また一方で、土器型式の枠を越える遺跡間で共通する組成の見られる場合もある。それぞれの遺跡の立地と環境と石器組成の関係を詳細に見た場合、かなりの相関性を読みとることができる。このことは各地域あるいは遺跡の地理的立地の違いによって、集団を支える生業の内容が異なっていることの現れであり、それぞれの集団の局地的な環境への適応を進めていった縄文時代確立期の実態を示しているのではないかと考えられる。なお、それぞれの遺跡の性格が石器組成として現れる可能性があるが、西日本において遺跡の性格が明らかにし難い例が多く今後の課題としておきたい。
非線型空間電荷力による大電流イオンビームの発散に関する研究

平成11年度にはレーザーイオン源から低エミッタンスビームを発生するためのKrFエキシマレーザー照射系の開発とイオン源の特性試験を中心に研究開発を行い,結果的に当初使用していたNd:YAGレーザーの場合を上回るビーム強度を得ることができた.またMCPとCCDカメラを用いてエミッタンスの時間分解測定に成功し,実際にレーザーイオン源からのビームのエミッタンスが1パルスの間で時間的に大きく変化することを見出した.しかし,より短波長のエキシマレーザーを用いても予想された低いエミッタンスは得られなかった.この結果から,レーザープラズマの流体的挙動やプラズマへのレーザーの進入深さ等,多数の因子間の複雑な相互作用によってビームのエミッタンスが決まっていることが明らかになった.一方,平成12年度には非線型空間電荷力によるエミッタンス増大測定実験のために静電四重極チャンネルを接続してビーム輸送試験を開始した.しかしビームの発散が極めて強く,チャンネルにほとんど入射できないことが分かった.そこで電極を同心球面状構造に変更して再度チャンネルへの入射を試みたが,過集束のためビームは再び大きく発散した.したがって当初予定していたビームエミッタンス増大測定実験は実施できなかった.実験に並行してビーム粒子に働く非線型空間電荷力とその運動を記述する3次元粒子コードを開発し,ビーム挙動の数値解析を行った.断面の粒子密度分布が一様及び非一様の楕円断面ビームに対してチャンネル内でのエミッタンスの推移を調べたところ,非一様ビームの場合に大幅なエミッタンスの増大が見られ,同時に断面密度分布は一様に近づくことが数値的に再現できた.これによりビームに蓄えられた非線型空間電荷エネルギーが解放されてエミッタンスの増加をもたらすというメカニズムを数値的に確認することができた.平成11年度にはレーザーイオン源から低エミッタンスビームを発生するためのKrFエキシマレーザー照射系の開発とイオン源の特性試験を中心に研究開発を行い,結果的に当初使用していたNd:YAGレーザーの場合を上回るビーム強度を得ることができた.またMCPとCCDカメラを用いてエミッタンスの時間分解測定に成功し,実際にレーザーイオン源からのビームのエミッタンスが1パルスの間で時間的に大きく変化することを見出した.しかし,より短波長のエキシマレーザーを用いても予想された低いエミッタンスは得られなかった.この結果から,レーザープラズマの流体的挙動やプラズマへのレーザーの進入深さ等,多数の因子間の複雑な相互作用によってビームのエミッタンスが決まっていることが明らかになった.一方,平成12年度には非線型空間電荷力によるエミッタンス増大測定実験のために静電四重極チャンネルを接続してビーム輸送試験を開始した.しかしビームの発散が極めて強く,チャンネルにほとんど入射できないことが分かった.そこで電極を同心球面状構造に変更して再度チャンネルへの入射を試みたが,過集束のためビームは再び大きく発散した.したがって当初予定していたビームエミッタンス増大測定実験は実施できなかった.実験に並行してビーム粒子に働く非線型空間電荷力とその運動を記述する3次元粒子コードを開発し,ビーム挙動の数値解析を行った.断面の粒子密度分布が一様及び非一様の楕円断面ビームに対してチャンネル内でのエミッタンスの推移を調べたところ,非一様ビームの場合に大幅なエミッタンスの増大が見られ,同時に断面密度分布は一様に近づくことが数値的に再現できた.これによりビームに蓄えられた非線型空間電荷エネルギーが解放されてエミッタンスの増加をもたらすというメカニズムを数値的に確認することができた.平成11年度はまず大電流レーザーイオン源駆動用エキシマレーザー系の調整試験,プラズマ発生試験,及びイオン引き出し実験を行い,空間電荷効果を明瞭に観測できるアンペア級の強度で^<63>Cu^+イオンビームを発生することに成功した.これを誘導加速器に接続し,強度0.1A,エネルギー150keVまでのパルスビームが得られることを確認した.一方,ビーム輸送実験用の静電四重極チャンネルについても電極の位置合わせ,高電圧印可,及び真空試験を経て誘導加速器に接続され,ビーム入射実験が行われた.当初,四重極電磁石を用いて誘導加速器からチャンネルへのビーム光学的マッチングを取る予定であったが,空間電荷効果によるビームの発散が激しく,所定のエミッタンスでビームをチャンネルに入射することが不可能であった.そこで,誘導加速器からのビーム強度が十分大きいことを利用して,四重極チャンネルを誘導加速器から離して設置し,大きく発散したビームからエミッタンスの良い部分のみスリットで切り出して入射させる方法を試みた.スリットはマルチホールアパーチャーとし,孔径を動径方向の位置毎に変化させることにより,入射ビームの強度プロファイルを制御できるようにした.今回は一様な孔系分布及びガウス型の分布を試みた.これによりそれぞれ近似的に線型な空間電荷力および非線型項を含む空間電荷力を設定できる.これらの実験配置にビームを入射し,まずファラデーカップによりチャンネル通過後のビーム電流を測定したところ,ビーム透過率が極めて低いことが判明した.原因としては四重極チャンネルと誘導加速器との軸合わせの精度が低いことが考えられ,再度調整を行っている.したがって本年度に予定していたエミッタンス測定系の試験は来年度に持ち越される見通しとなった.レーザーイオン源から大電流低エミッタンスビームを発生するための紫外レーザー照射系の開発は順調に進み,結果的に当初使用していた可視レーザーの場合を上回るビーム強度を得ることができた.

またMCPとCCDカメラを用いてビームエミッタンスの時間分解測定に成功し,実際にレーザーイオン源からのビームのエミッタンスが1パルスの間で時間的に大きく変化することを見出した.しかし紫外レーザーを用いても予想された低いエミッタンスは得られなかった.この結果から,プラズマの電子温度だけでなく多数の因子間の複雑な相互作用によってビームのエミッタンスが決まっていることが明らかになった.一方,静電四重極チャンネルをレーザーイオン源+誘導線型加速器系に接続してビーム輸送試験を開始したが,ビームの発散が極めて強く四重極チャンネルにほとんど入射できないことが分かった.そこで平行平板状の引き出し電極を同心球面状構造に変更して再度チャンネルへの入射を試みたが,過集束のためビームは再び大きく発散した.したがって当初予定していた四重極チャンネル内でのエミッタンス増大測定実験は実施できなかった.実験に並行してチャンネル内のビーム粒子に働く非線形空間電荷力を記述する3次元粒子コードを開発し,ビーム挙動の数値シミュレーションを行った.粒子密度分布が一様及び非一様のビームに対してチャンネル内でのエミッタンスの推移を調べたところ,非一様ビームの場合に大幅なエミッタンスの増大が見られ,同時に密度分布は一様に近づくことが数値的に再現できた.これによりビームに蓄えられた非線形空間電荷エネルギーが解放されてエミッタンスの増加をもたらすというメカニズムを数値的に確認することができた.
糖やカルボン酸のキラリティーに応答するポリアセチレンの設計と合成

ポリアセチレンは導電性高分子として、また、太陽電池、3次の非線形光学材料としての応用が期待されている興味深いπ電子系共役高分子である。本研究では、ポリアセチレンのらせん誘起に基くキラリティー識別材料の創製を目的として、キラリティー認識部位として、ボロン酸残基、アミノ基などの官能基を側鎖に導入したポリアセチレン誘導体を合成し、糖、アルコール、カルボン酸などの光学活性化合物との相互作用を円偏光2色性(CD)スペクトルを測定することにより詳細に調べた。その結果、ボロン酸残基やアミノ基等を側鎖に導入したポリフェニルアセチレン誘導体が、様々の光学活性体のキラリティーに特異的に応答し、その絶対配置を反映した一方向巻きのらせん構造を形成することを見い出した。例えば、ボロン酸残基を有するポリマーは、水溶液中、ジアミン、ヒドロキシ酸、ジオールなどの光学活性体をはじめ、炭水化物やステロイド存在下、誘起CDを長波長領域に示し、このポリマーが天然物を含む広範囲の光学活性体のキラリティー識別の新規なプローブとして有用であることを明らかにした。さらに、アミノ基を側鎖に有する脂肪族ポリアセチレン誘導体もまた、光学活性なカルボン酸のキラリティーに応答し、誘起らせん構造を形成することを見い出した。この手法は、今後さらに多くの種類の官能基を有するポリアセチレン誘導体にも適用でき、様々の光学活性体のキラリティーに特異的に応答するポリアセチレン誘導体の開発を可能にするものと考えられる。また、ロジウム触媒を用いて重合して得た、側鎖に光学活性なアミノアルコール残基を有する立体規則性ポリ(フェニルアセチレン)誘導体が、光学活性な酸存在下、酸のキラリティーに応答してヘリックス-ヘリックス転移が起こり、そのCDスペクトルのパターンが大きく変化することも見いだした。1.フェニル基上のパラ位にボロン酸残基(1)、ジイソプロビルアミノメチル基(2)などを有するフェニルアセチレンモノマーを合成し、ロジウム触媒を用いた重合を行い、シス-トランソイド構造を有するポリフェニルアセチレン誘導体を高収率で得た。2.1.で得られた種々の官能基を有するポリマーをアルカリ水溶液あるいはTHFなどの有機溶媒に溶かし、Poly-1については光学活性な糖、アルコール存在下、poly-2については光学活性なカルボン酸、ヒドロキシカルボン酸存在下、CDスペクトルを測定した。ボロン酸残基をパラ位に有するポリフェニルアセチレン誘導体(poly-1)は、水溶液中、アミノアルコール、ジアミン、ジカルボン酸、ヒドロキシカルボン酸、ジオールなどの光学活性体およびグルコースやガラクトース、マンノース、アラビノースなどの単糖、マルトースやセロビオース、ラクトース、スクロースなどの二糖、コール酸やデオキシトール酸等のステロイド存在下、誘起CDを長波長領域に示すことがわかった。様々の天然化合物を含む光学活性化合物のキラリティー識別の新規なプローブとして有用であると思われる。一方、側鎖にジイソプロピルアミノメチル基を有するpoly-2は、光学活性なカルボン酸やマンデル酸等のヒドロキシカルボン酸存在下、長波長領域に誘起CDを示した。

その結果、ボロン酸残基やアミノ基等を側鎖に導入したポリフェニルアセチレン誘導体が、様々の光学活性体のキラリティーに特異的に応答し、その絶対配置を反映した一方向巻きのらせん構造を形成することを見い出した。例えば、ボロン酸残基を有するポリマーは、水溶液中、ジアミン、ヒドロキシ酸、ジオールなどの光学活性体をはじめ、炭水化物やステロイド存在下、誘起CDを長波長領域に示し、このポリマーが天然物を含む広範囲の光学活性体のキラリティー識別の新規なプローブとして有用であることを明らかにした。さらに、アミノ基を側鎖に有する脂肪族ポリアセチレン誘導体もまた、光学活性なカルボン酸のキラリティーに応答し、誘起らせん構造を形成することを見い出した。この手法は、今後さらに多くの種類の官能基を有するポリアセチレン誘導体にも適用でき、様々の光学活性体のキラリティーに特異的に応答するポリアセチレン誘導体の開発を可能にするものと考えられる。また、ロジウム触媒を用いて重合して得た、側鎖に光学活性なアミノアルコール残基を有する立体規則性ポリ(フェニルアセチレン)誘導体が、光学活性な酸存在下、酸のキラリティーに応答してヘリックス-ヘリックス転移が起こり、そのCDスペクトルのパターンが大きく変化することも見いだした。
新世界ザルの生態と社会構造の比較研究(調査研究総括)

熱帯降雨林の樹上生活者である新世界ザルは最近の森林破壊に伴って生息地は急速にせばまり,その研究はきわぬて困難になりつつある.したがって本研究でも,適当な調査地を見つけることが的大の課題の一つであった.二週間近くの候補地探しを試みた末,マカレナ国立公園の隣接地に,比輔的良好な調査地を見つけることができた.そこには少なくとも六種のサルが生息し,人間に対しても良好な接触が期待されたのでRio Dudaの中流付近にキャンプを設定して研究を開始した.対象を大型の四属,ウーリーモンキー,ホエザル,オマキザル,クモザルの四種に限定し,各研究者が分担する対象のサルを決め,毎日の観察を開始した.今回の調査は予備的なものであったが,きわめて豊富なデーターが得られた.1.フサオマキザル(Cebus apella)一群の餌づけに成功した.そのことによって個体識別が可能となり,群れ内の社会関係,社会構造を明らかにすることができた.今後の長期観察によって社会変動も明らかとなる.群れの分布状況,群れの大きさを決定することができた.二,三の群れについては社会構造も明らかになりつつある.特に食性に関する豊富なデーターが得られたが,食用植物の同定はきわめてむずかしく,今後の課題である.3.ホエザル(Alouatta seniculus)五,六群の存在が確認されたが,そのうち二群について社会構成と群れ内の個体の異動が明らかになり,従来知られていなかった社会変動と群間関係を見ることができた.また子殺しの現象も推定され,困難とされていたホエザルの社会の全貌を明らかにすることも可能である.4.クモザル(Ateles geffroyi)いくつかの小個体数の群れがいたが,群れを同定するにいたっていない.現地のロス・アンデス大学の学生を指導し,研究が続行中である.5.現地研究者との共同研究コロンビアのロス・アンデス大学から動物生態学の教授,学生が参加するプロジェクトを組んた.帰国に際しては同大学でセミナーを開催し,調査の報告をおこなった.今後ともこの関係を維持し,研究を推進したいと考える.7.マカレナ国立公園の保護今回の調査地はコロンビアの国立公園マカレナにかわめて近く,この地域の霊長類の研究を通じてマカレナー帯の地域環境保全に寄与することができる.マカレナの地形的特異性,動植物の豊富さ,原生林の保存に注目し,同国立公園の保護をさらに強く推進する計画の一翼を担う所存である.熱帯降雨林の樹上生活者である新世界ザルは最近の森林破壊に伴って生息地は急速にせばまり,その研究はきわぬて困難になりつつある.したがって本研究でも,適当な調査地を見つけることが的大の課題の一つであった.二週間近くの候補地探しを試みた末,マカレナ国立公園の隣接地に,比輔的良好な調査地を見つけることができた.そこには少なくとも六種のサルが生息し,人間に対しても良好な接触が期待されたのでRio Dudaの中流付近にキャンプを設定して研究を開始した.対象を大型の四属,ウーリーモンキー,ホエザル,オマキザル,クモザルの四種に限定し,各研究者が分担する対象のサルを決め,毎日の観察を開始した.今回の調査は予備的なものであったが,きわめて豊富なデーターが得られた.1.フサオマキザル(Cebus apella)一群の餌づけに成功した.そのことによって個体識別が可能となり,群れ内の社会関係,社会構造を明らかにすることができた.今後の長期観察によって社会変動も明らかとなる.群れの分布状況,群れの大きさを決定することができた.二,三の群れについては社会構造も明らかになりつつある.特に食性に関する豊富なデーターが得られたが,食用植物の同定はきわめてむずかしく,今後の課題である.3.ホエザル(Alouatta seniculus)五,六群の存在が確認されたが,そのうち二群について社会構成と群れ内の個体の異動が明らかになり,従来知られていなかった社会変動と群間関係を見ることができた.また子殺しの現象も推定され,困難とされていたホエザルの社会の全貌を明らかにすることも可能である.4.クモザル(Ateles geffroyi)いくつかの小個体数の群れがいたが,群れを同定するにいたっていない.現地のロス・アンデス大学の学生を指導し,研究が続行中である.5.現地研究者との共同研究コロンビアのロス・アンデス大学から動物生態学の教授,学生が参加するプロジェクトを組んた.帰国に際しては同大学でセミナーを開催し,調査の報告をおこなった.今後ともこの関係を維持し,研究を推進したいと考える.7.マカレナ国立公園の保護今回の調査地はコロンビアの国立公園マカレナにかわめて近く,この地域の霊長類の研究を通じてマカレナー帯の地域環境保全に寄与することができる.マカレナの地形的特異性,動植物の豊富さ,原生林の保存に注目し,同国立公園の保護をさらに強く推進する計画の一翼を担う所存である.
非粘性流体方程式の散逸的弱解を通した乱流渦構造の数理解析

本研究では乱流現象の物理的メカニズムを数理解析的に理解することを目的とする.特に流体運動を記述する微分方程式の解を解析することで,どのような渦運動が乱流渦構造の本質にあるのかを明らかにする.具体的には,乱流を特徴付ける性質の一つである散逸性と,渦輪やVortex Dipoleと呼ばれる渦度を持つ解に注目し,これらの渦の衝突が散逸性を生む一つの要因であることを示す.特に少数体の渦の問題は数学解析による理論の構築,多体問題については数値計算を用いた複雑な渦運動の理解に取り組む.本研究では乱流現象の物理的メカニズムを数理解析的に理解することを目的とする.特に流体運動を記述する微分方程式の解を解析することで,どのような渦運動が乱流渦構造の本質にあるのかを明らかにする.具体的には,乱流を特徴付ける性質の一つである散逸性と,渦輪やVortex Dipoleと呼ばれる渦度を持つ解に注目し,これらの渦の衝突が散逸性を生む一つの要因であることを示す.特に少数体の渦の問題は数学解析による理論の構築,多体問題については数値計算を用いた複雑な渦運動の理解に取り組む.
教養教育カリキュラムの改革に関する日米比較研究

1.研究目的ハーバード・カレッジが30年間運用してきたコア・プログラムを廃止するにあたり、ハーバードの長所と弱点を明らかにし、詳細にわたる自己評価報告書を作成したことについて紹介し、詳細に分析を加える。また新しい一般教育プログラムを策定するにあたり、議論の混迷状況が続いたにも関わらず、教員ばかりでなく在学生や卒業生にも公開して論議を進めてきたプロセスについても検証する。ハーバードの改革を紹介、検証することによって、日本における大学教育改革の課題を明確にすることを目的とした。2.研究方法2009年秋より全面的に導入される新カリキュラムについて、ハーバードの教員、関係者から情報収集を続けるとともに、2008年9月には現地調査-インタビュー、資料収集を行なった。海外調査で得られた調査結果、収集資料の分析を行い、学会、研究会等において、現在の大学改革のあり方への考察をも合わせて報告する。引き続き大学改革に関する文献調査を進める。3.研究の成果(1)『大学教育学会誌』に査読付投稿論文が掲載された(2008年6月)。この論文をもとに、学会、研究会において、研究成果報告を行い、研究者、大学教職員と意見交換を行った(2008年5・6月)。(2)海外調査中のインタビュー、資料収集により、文書やWEB上の情報ではわからなかった教員の意識、学生の反応を知ることができた。(2008年9月)(3)カレッジコース案に盛り込まれていた改革案について文献調査を進め、アメリカの他の大学の改革について整理、比較を行ない、先進改革事例を把握することができた。
光架橋反応を用いた１９ＦーＮＭＲによる核酸類検出法の開発

19F NMRのケミカルシフトを用いた核酸類検出法は、生体バックグラウンドが皆無であり、高い生体透過性を有することから、生体内などの夾雑試料中での核酸検出法として注目されている。本研究では、夾雑試料中でもB/F分離可能な大きなケミカルシフトの変化(8.0 ppm)を誘起可能な新規核酸類検出法(19F NMRを用いた核酸類検出法)を開発した。さらに、実際の生体内に存在する核酸濃度は低い為、増幅系を組み込んだ配列選択的な核酸類検出法を開発し、最終的にnmスケールの核酸類の検出にも成功した。19F NMRのケミカルシフト変化による核酸検出法は、生体バックグラウンドが皆無で、信号の生体組織透過性が高いことから、in vivoなど夾雑試料中での核酸検出法として注目されている。しかし既存の核酸研修プローブではケミカルシフトの変化幅が小さく(0.5 ppm程度)、B/F分離が困難であった。そこで、既存のプローブよりも大きなケミカルシフト変化を誘起する核酸検出プローブの開発を目的としている。平成26年度は超高速DNA光クロスリンク反応による2重鎖形成依存的な化学構造の変化に着目し、配列依存的な光反応に伴う反応部位の炭素の電子軌道の変化(Sp2→Sp3)により、既存のプローブよりも大きなケミカルシフト変化が誘起できるかどうか検討を行った。実験に用いた反応は2重鎖DNA中の決まった位置のピリミジン塩基と光反応性ヌクレオシドとの[2+2]光環化によるシクロブタン環形成により引き起こされるものであり、これによりピリミジン塩基の5位の炭素が、Sp2炭素からSp3炭素に変換されることになる。この原理を応用すれば、ケミカルシフトの変化幅が格段に大きい核酸検出プローブの開発が可能であると考えた。そこで5トリフルオロチミジンを標的架橋ピリミジンとして用い実際に366 nmの光照射を行ったところ、光架橋により8 ppmのケミカルシフト変化が見られ、既存の核酸検出プローブの約16倍のケミカルシフト変化を示した。またDNA結合小分子にフッ素を埋め込んだ人工小分子を設計・合成しそれを用いることで配列選択的なイメージングが可能であることも実証した。信号が尖鋭な19F NMRのケミカルシフト変化による核酸検出法は、生体バックグラウンドが皆無で、信号の生体組織透過性が高いことから、in vivoなど夾雑試料中での核酸検出法として注目されている。そこで、超高速DNA光クロスリンク反応による2重鎖形成依存的な化学構造の変化に着目した。配列依存的な光反応に伴う反応部位の炭素の電子軌道の変化(Sp2→Sp3)により、既存のプローブよりも大きなケミカルシフト変化が期待できる。そこで、本基盤研究ではこの原理による核酸検出プローブの開発を目的としている。既に平成26年度において5トリフルオロチミジンを標的架橋ピリミジンとして用い実際に366 nmの光照射を行ったところ、光架橋により8 ppmのケミカルシフト変化が見られ、既存の核酸検出プローブの約16倍のケミカルシフト変化を示すことを見出している。平成27年度はこの8 ppmのケミカルシフト変化を誘起できる光クロスリンクを用いて実際にnMオーダーの低濃度マイクロRNAを夾雑物の中から検出できるか検討を行った。DNA光架橋反応を組み込んだハイブリダイゼーション連鎖反応(pHCR)による標的遺伝子検出を行い、モデルRNAに対する増幅効果を検証した結果、光照射により1,000倍程度の信号増幅が達成され、nMオーダーのマイクロRNAの選択的検出が可能であることを実証した。平成26年度の本基盤研究に関わる実績報告書内の今後の研究推進方策において「8 ppmのケミカルシフト誘起可能なシステムを実際にnMオーダーの少量マイクロRNA解析検出可能か検証する」としていた。本年度はこの研究推進方策に忠実に従い実際にnMオーダーの低濃度マイクロRNAを夾雑物の中から検出できるか検討を行った結果、DNA光架橋反応を組み込んだハイブリダイゼーション連鎖反応(pHCR)による標的遺伝子検出を行いることで、モデルRNAに対する増幅効果光照射により1,000倍程度の信号増幅が達成され、nMオーダーのマイクロRNAの選択的検出が可能であることを実証した。以上のことから計画通りに進展していると考えている。19F NMRのケミカルシフトの変化による核酸検出法は既存の蛍光法と比較して、シグナルが尖鋭であり、生体バックグラウンドも皆無であり、in vivoなどの夾雑資料中での核酸検出法として注目されている。しかし、既存の19F NMRプローブではケミカルシフトの変化幅が0.5 ppm程度と小さく、B/F分離が困難であった。我々は既に平成26年度には光架橋素子である3-シアノビニルカルバゾールとトリフルオロメチルチミジンとの光架橋反応により8 ppmという大きなケミカルシフトの変化を実現し、平成27年度にはハイブリダイゼーションチェインリアクション(HCR)を組み込むことによりnMオーダの微量の核酸類を検出することに成功していた。平成28年度には、多数の核酸類を夾雑物の中から同時に検出できるか検証を行った。置換基の異なる複数の新規光架橋素子を設計・合成し、光架橋反応を行うことにより光架橋前後で8 ppm近い大きなケミカルシフトの変化が確認された。また、光架橋後はそれぞれのケミカルシフトに違いが生じるため、各ピークを分離、定量することにより現在、3種類の標的核酸を同時検出可能である。