hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ダイナミクスにゆらぎをもつ確率システムの理論的性能解析と人の運動制御系への応用

従来の多くの制御系設計において,ゆらぎやノイズといった不確定要素は,制御性能を低下させる要因として制御系からできるだけ排除される存在であった.この事実とは対照的に,本研究課題では,ゆらぎの発生源を制御器に積極的に取り入れることでより良い制御性能が達成可能になることを,理論的な安定解析・時系列解析,数値実験,さらに,台車とシーソーからなる制御装置による実験を通じて明らかにした.従来の多くの制御系設計において,ゆらぎやノイズといった不確定要素は,制御性能を低下させる要因として制御系からできるだけ排除される存在であった.この事実とは対照的に,本研究課題では,ゆらぎの発生源を制御器に積極的に取り入れることでより良い制御性能が達成可能になることを,理論的な安定解析・時系列解析,数値実験,さらに,台車とシーソーからなる制御装置による実験を通じて明らかにした.従来の多くの制御系設計において,ゆらぎやノイズといった不確定要素は,制御性能を低下させる要因として制御系からできるだけ排除される存在であった.この事実とは対照的に,本研究では,ゆらぎの発生源を制御器に積極的に取り入れることでより良い制御性能が達成可能になることを,理論的な安定解析・時系列解析,数値実験,さらに,人の視覚運動制御系を模擬したロボットによる実験を通じて明らかにする.本年度は,カメラーロボットアーム-倒立振子系をプラットホームとして利用し,制御系のダイナミクスにゆらぎを含む場合の制御性能評価を行った.具体的には,数値シミュレーション実験と実機による実験の両側面から,ゆらぎが振子の安定化と時間応答性能に与える影響を明らかにした.倒立振子系のシミュレータは,将来の2リンク2自由度のマニピュレータの実装を見込んで汎用性を重視して設計した.実機実験では,むだ時間がない状態で単純なPID制御にゆらぎの要素を加えた制御器を構成し,安定解析を行った.さらに,人の運動制御の振舞いは非常に振動的なため安定限界付近に動作点があると考えられているという事実に基づいて,シミュレータおよび実機のゲインや振子の設計パラメータを理論的な安定境界付近に設定することで,定量的に安定領域内の動作点を見つけることができた.これは,ゆらぎが制御性能(主に,安定性や時間応答)に与える影響を定量的に詳しく調べる次年度以降の研究につながる結果である.従来の多くの制御系設計において,ゆらぎやノイズといった不確定要素は,制御性能を低下させる要因として制御系からできるだけ排除される存在であった.この事実とは対照的に,本研究では,ゆらぎの発生源を制御器に積極的に取り入れることでより良い制御性能が達成可能になることを,理論的な安定解析・時系列解析,数値実験,さらに,人の視覚運動制御系を模擬したロボットによる実験を通じて明らかにする.本年度は,より人のStickBalancingに近い確率システムモデルを構築し,ゆらぎを利用した制御系として二足歩行ロボットの視覚運動制御へ応用した.二足歩行ロボットの視覚運動制御は,ゆらぎの影響を調べるプラットホームとして適している.なぜならば,人型ロボットの運動制御には,首振り機構を用いた注視制御や,外界の情報に基づいた歩行制御等,様々なタスクを選択できるからである(先の科学研究費補助金の研究課題で実証済み).特に,二足歩行のべ一スとなる技術である,視覚による歩行時のロボット自身の姿勢制御に対して,ゆらぎを含む制御器の適用を試みた.倒立振子系での結果では,ゆらぎの存在により安定化可能な設計パラメータの幅が拡がり,より大きなゲインや制御しにくい短い振子に対して安定性が保証された.二足歩行ロボットでは,より素早い歩行運動(制御ゲインの増加)や,カメラ等の搭載によって重心が高くなった場合でも安定な歩行を実現することを目指し,その実現可能性を探っているところである.従来の多くの制御系設計において,ゆらぎやノイズといった不確定要素は,制御性能を低下させる要因として制御系からできるだけ排除される存在であった.この事実とは対照的に,本研究では,ゆらぎの発生源を制御器に積極的に取り入れることでより良い制御性能が達成可能になることを,理論的な安定解析・時系列解析,数値実験,さらに,人の視覚運動制御系を模擬したロボットによる実験を通じて明らかにした.本年度は,より人が棒のバランスをとる制御系に近い確率システムモデルを構築し,ゆらぎを利用した制御系として台車とシーソーからなる制御装置へ応用した.シミュレーション結果だけでなく,現実の実験装置においてもゆらぎが制御性能を向上させ得ることを実証することができた.これにより,二足歩行ロボットの姿勢制御や,外界の情報に基づいた歩行制御等,様々な対象やタスクへ本研究課題で得られた結果を適用する可能性が拓けたといえる.特に,二足歩行のベースとなる技術である,視覚による歩行時のロボット自身の姿勢制御に対して,ゆらぎを含む制御器が適用されることが期待される.倒立振子系での結果では,ゆらぎの存在により,安定化可能な設計パラメータの幅が拡がり,より大きなゲインや制御しにくい短い振子に対して安定性が保証された.二足歩行ロボットでは,より素早い歩行運動(制御ゲインの増加)や,カメラ等の搭載によって重心が高くなった場合でも安定な歩行を実現することができるであろう.
水-底質を一体化した湖沼物質収支勘定:底質の長期変化,物質収支,モデル化

過去に底質堆積速度,底質中栄養塩濃度分布が測定された霞ケ浦,諏訪湖,宍道湖,木崎湖を研究対象湖沼として,そうした湖沼での底質堆積速度,底質中栄養塩濃度分布に関するデータを収集し,データべース化した.次に,上記湖沼の数地点において,ダイバーが潜水して深さ1m程度のコアサンカレを数本採取し,その後,2cm間隔でスライスした.湿サンプレに対して,含水率,比重,粒径分布,強熱減量,見かけ密度を測定し,凍結乾燥したサンプルに対してリン,窒素,有機炭素,PAHs濃度を測定した.さらに,熱乾燥したサンプルに対して,^<137>Cs,^<210>Pbを測定した.過去の堆積速度,濃度鉛直分布の結果と上記の結果を比較した.堆積速度に関しては,過去の報告値と大差ないことがわかった.一方,リンの鉛直分布について,時間軸を合わせて比較すると,いくつかの地点ではピーク値が減少していることがわかった.こうしたリンは水中に移動し,湖外へ流出したことがわかった.また,こうしたデータをもとに,底質を含めてリン,窒素の物質収支が可能かどうかを,検討した.リンの場合,2年間程度の短期間では,底質変化の数値の変動が極めて大きく,物質収支を計算するのは難しいことがわかったが,20年程度の長期になると,湖内での堆積域をうまく推定できると物質収支を合わせることが可能であることを示した.以上の他,PAHs濃度の鉛直分布の解析を行うとともに,霞ヶ浦で問題となっている濁度上昇現象に関しては,底質変化との関係を解析し,濁度,粒度分布を予測可能なモデルを作成した.また,貯水池における水質-底質間の物質移動をモデル化し,水質実測値を再現することを示すことから,貯水池の水質に及ぼす底質の影響を定量的に評価した.さらに,こうした底質のもととなる降雨時の栄養塩流出負荷に関して,特に都市不浸透域からの流出特性を明らかにするとともに,モデル化を行った.過去に底質堆積速度,底質中栄養塩濃度分布が測定された霞ケ浦,諏訪湖,宍道湖,木崎湖を研究対象湖沼として,そうした湖沼での底質堆積速度,底質中栄養塩濃度分布に関するデータを収集し,データべース化した.次に,上記湖沼の数地点において,ダイバーが潜水して深さ1m程度のコアサンカレを数本採取し,その後,2cm間隔でスライスした.湿サンプレに対して,含水率,比重,粒径分布,強熱減量,見かけ密度を測定し,凍結乾燥したサンプルに対してリン,窒素,有機炭素,PAHs濃度を測定した.さらに,熱乾燥したサンプルに対して,^<137>Cs,^<210>Pbを測定した.過去の堆積速度,濃度鉛直分布の結果と上記の結果を比較した.堆積速度に関しては,過去の報告値と大差ないことがわかった.一方,リンの鉛直分布について,時間軸を合わせて比較すると,いくつかの地点ではピーク値が減少していることがわかった.こうしたリンは水中に移動し,湖外へ流出したことがわかった.また,こうしたデータをもとに,底質を含めてリン,窒素の物質収支が可能かどうかを,検討した.リンの場合,2年間程度の短期間では,底質変化の数値の変動が極めて大きく,物質収支を計算するのは難しいことがわかったが,20年程度の長期になると,湖内での堆積域をうまく推定できると物質収支を合わせることが可能であることを示した.以上の他,PAHs濃度の鉛直分布の解析を行うとともに,霞ヶ浦で問題となっている濁度上昇現象に関しては,底質変化との関係を解析し,濁度,粒度分布を予測可能なモデルを作成した.また,貯水池における水質-底質間の物質移動をモデル化し,水質実測値を再現することを示すことから,貯水池の水質に及ぼす底質の影響を定量的に評価した.さらに,こうした底質のもととなる降雨時の栄養塩流出負荷に関して,特に都市不浸透域からの流出特性を明らかにするとともに,モデル化を行った.過去に底質堆積速度,底質中栄養塩濃度分布が測定された霞ヶ浦,諏訪湖,宍道湖,木崎湖を研究対象湖沼として,まず,そうした湖沼での底質堆積速度,底質中栄養塩濃度分布に関するデータを収集し,データベース化した.次に,霞ヶ浦4地点,諏訪湖1地点,木崎湖1地点,宍道湖2地点を選定し,ダイバーが潜水して深さ1m程度のコアサンプルをそれぞれ2-10本採取した.地点は過去の調査地点を参考にして選んだ.採取したサンプルは2cm間隔でスライスし,各種容器に分けた.まず,湿サンプルに対して,含水率,比重,粒径分布,強熱減量,見かけ密度を測定した.また,凍結乾燥したサンプルに対してリン,窒素,有機炭素濃度を測定した.さらに,熱乾燥したサンプルに対して,ガンマ線スペクトルメータを用いて^<137>Cs,^<210>Pbを測定し,その鉛直分布から堆積速度に関する情報を得た.最後に,PAHs濃度測定用に凍結乾燥したサンプルを用意した.それぞれの湖沼において,見かけ密度の鉛直分布から洪水による土砂の流入の跡を発見することができた.この位置は,放射性物質の鉛直分から予測された堆積速度と過去の大雨の記録をもとに推測される深度に対応するものであったので,今後,簡易な堆積速度マーカーとして見かけ密度を使うことができることを確認した.次に,霞ヶ浦,諏訪湖の過去の堆積速度,濃度鉛直分布の結果と上記の結果を比較した.2年前の結果と比較すると,栄養塩の鉛直分布には大きな差が見られなかった.

このため,こうした湖沼で底質を含めた栄養塩収支をとるためには,もう少し長い時間スケールが必要と考えられた.また,湖内数点で底質を採取した湖沼では,堆積速度,栄養塩の堆積量の地点差を説明する要因を検討した.最後に,4湖沼での堆積速度,放射性物質のインベントリーを比較し,流域,湖沼特性との関係で解析を行った.また,以上に加えて,霞ヶ浦で問題となっている濁度上昇現象に関しては,底質変化との関係を解析し,また濁度,粒度分布を予測可能なモデルを作成した.採泥地点により,底泥コアの底質鉛直分布がどの程度,異なるかを明らかにすることを目的に,霞ヶ浦湖心域8地点(100m以内4地点,それらから東西南北2km離れた4地点)において,ダイバーが潜水して深さ1m程度のコアサンプルをそれぞれ1本採取した.採取したサンプルは2cm間隔でスライスし,各種容器に分けた.湿サンプルに対して,含水率,比重,強熱減量,見かけ密度を測定した.100m以内の4本のコアに関しては,過去の大雨時の見かけ密度ピークは数cm程度,ばらつくものの,物性の鉛直分布はほぼ同一となった.しかし,底質変化を解析可能な時間分解能は数年となり,霞ヶ浦におけるこの見かけ密度ピークをもとにした底質物質収支は10年程度の時間スケールで考えるべきことが明らかとなった.今後,ガンマ線スペクトルメータを用いて^<137>Cs,^<210>Pbを測定し,その鉛直分布からも底質物質収支を計算する予定である.また,近年,洪水が生じ,見かけ密度のピークが表層に存在する諏訪湖,宍道湖に対して,どの程度の時間分解能で物質収支計算が可能かどうか,検討している.また,昨年度採取した底泥サンプルに対して,リン,窒素,有機炭素濃度を測定した.また,PAHs濃度測定を開始し,過去に測定結果のある諏訪湖サンプルについて測定値を比較検討した結果,かなりよい一致を見たことから,他のサンプルの分析を開始した.以上に加えて,貯水池における水質-底質間の物質移動をモデル化し,水質実測値を再現することを示すことから,貯水池の水質に及ぼす底質の影響を定量的に評価した.また,こうした底質のもととなる降雨時の栄養塩流出負荷に関して.特に都市不浸透域からの流出特性を明らかにするとともに,そのモデル化を行った.霞ヶ浦4地点,諏訪湖1地点,木崎湖1地点でダイバーが潜水して,深さ1m程度のコアサンプルを数本づつ採取した.採取したサンプルは2cm間隔でスライスし,各種容器に分けた.湿サンプルに対して,含水率,比重,粒径分布,強熱減量,見かけ密度を測定した.また,凍結乾燥したサンプルに対してリン,窒素,有機炭素,PAHs濃度を測定した.さらに,熱乾燥したサンプルに対して,137Cs,210Pbを測定し,その鉛直分布から堆積速度に関する情報を得た.霞ヶ浦,諏訪湖の過去の堆積速度,濃度鉛直分布の結果と上記の結果を比較した.堆積速度に関しては,過去の報告値と大差ないことがわかった.一方,リンの鉛直分布について,時間軸を合わせて比較すると,霞ヶ浦の高浜入りの地点,諏訪湖ではピーク値が減少していることがわかった.こうしたリンは水中に移動し,湖外へ流出したことがわかった.特に諏訪湖では,ピーク濃度が大幅に減少していることがわかったが,その湖水濃度への影響は滞留時聞が短いため,大きくは出ていないと推測された.
直鎖アルキルアンモニウムと四面体アニオンを持つイオン性結晶の構造相転移

(C_nH_<2n+1>NH_3)_2ZnX_4 (n=1-5 ; X=C1,Br)と(C_nH_<2n+1>NH_3)_2CoCl_4 (n=1-5)の15種類の結晶を取り挙げ、これら結晶が示す構造相転移を調べるために、示差走査熱量測定(DSC)を行った。この測定により得られた結果を以下に列挙する。1.塩素化合物の構造相転移については、既に熱測定、X線構造解析等により詳しい研究が行われているが、今回の測定によりそれらについて確認を得ると共に、(n-C_5H_<11>NH_3)_2ZnCl_4において、今まで報告されていない相転移を143Kと149Kに見い出した。2.臭素化合物については、n=1-4の結晶の構造相転移について、核四極共鳴(NQR)による研究が以前報告者によって行われているが、今回の測定により一部を除きNQRの結果とよく一致するDSCピークを観測した。NQRでは観測されたがDSCでは検出できなかった相転移は構造変化が非常に小さい二次転移であると考えられる。3.NQRでは観測できなかった相転移を(n-C_3H_7NH_3)_2ZnBr_4については347Kに、(n-C_5H_<11>NH_3)_2ZnBr_4については、244Kに検出できた。4.今回DSCピークが観測できた臭化物の相転移は全て秩序無秩序型である事が、測定された転移エントロピーから結論された。5.Co錯塩の結晶構造および分子構造は全く不明であるが、結晶の色(青色)から判断して、陰イオンは独立して存在しており、その構造は四面体であると推測される。6.Co錯塩のDSCは(CH_3NH_3)_2CoCl_4についてのみ行った。その結果、(CH_3NH_3)_2ZnCl_4、(CH_3NH_3)_2-ZnBr_4、(CH_3NH_3)_2CdBr_4と同じような大きな転移エントロピーを伴う構造相転移を、融点近くの温度で起こすことが分かった。転移温度、転移エンタルピー、転移エントロピーはそれぞれ457K、9.9kJ mol^<-1>、21JK^<-1>mol^<-1>であった。本年度は課題名に記されているイオン性結晶として、(C_nH_<2n+1>NH_3)_2ZNX_4(n=1-5;X=C1,Br)の10種類の結晶を取り挙げ、これら結晶が示す構造相転移を調べるために、示差走査熱量測定(DSC)を行った。1.塩素化合物の構造相転移については、既に熱測定、X線構造解析等により詳しい研究が行われているが、今回の測定によりそれらについて確認を得ると共に、(n-C_5H_<11>NH_3)_2ZnC1_4において、今まで報告されていない相転移を143Kと149Kに見い出した。

4.今回DSCピークが観測できた臭化物の相転移は全て秩序無秩序型である事が、測定された転移エントロピーから結論された。5.Co錯塩の結晶構造および分子構造は全く不明であるが、結晶の色(青色)から判断して、陰イオンは独立して存在しており、その構造は四面体であると推測される。6.Co錯塩のDSCは(CH_3NH_3)_2CoCl_4についてのみ行った。その結果、(CH_3NH_3)_2ZnCl_4、(CH_3NH_3)_2-ZnBr_4、(CH_3NH_3)_2CdBr_4と同じような大きな転移エントロピーを伴う構造相転移を、融点近くの温度で起こすことが分かった。転移温度、転移エンタルピー、転移エントロピーはそれぞれ457K、9.9kJ mol^<-1>、21JK^<-1>mol^<-1>であった。本年度は前年度の(C_nH_<2n+1>NH_3)_2ZnX_4(n=1-5,X=Cl,Br)に引き続き、(C_nH_<2n+1>-NH_3)_2CoCl_4(n=1-5)の5種類の結晶の合成を行った。これら錯塩の結晶構造および分子構造は全く不明であるが、結晶の色(青色)から判断して、陰イオンは独立して存在しており、その構造は四面体であると推測される。したがって、(C_nH_<2n+1>NH_3)_2CoCl_4は亜鉛錯塩と水銀錯塩のグループに属することになると推測される。n=2については、ピンク色の結晶ができたが、これは6水塩の塩化コバルトであると考えられる。示差走査熱量測定(DSC)は時間の関係上n=1の試料についてのみ行ったが、今後も引き続きその他の試料のDSCを行う予定である。(CH_3NH_3)_2CoCl_4のDSCにおいて、室温以上の温度領域でいくつかのピークが観測された。しかし、その熱量は測定する度に変化したり、同一の試料をいくつかの試料容器に分けて詰めて測定すると、熱量がばらつくといった異常が観測された。そこで、試料を再結晶してから測定した結果、これらのピークの多くは恐らく不純物によるものであるという結論を得た。結局この結晶は、(CH_3NH_3)_2ZnCl_4、(CH_3NH_3)_2ZnBr_4、(CH_3NH_3)_2CdBr_4と同じような大きな転移エントロピーを伴う構造相転移を、融点近くの温度で起こすことが分かった。転移温度、転移エンタルピー、転移エントロピーはそれぞれ457K、9.9kJmol^<-1>、2lJK^<-1>mol^<-1>であった。今後はX線構造解析を行い、その結晶構造の解明をおこう予定である。
形態の変化が適応放散に至るまでの経時的進化機構の解明

昨年度にMIG-seq法を用いた遺伝解析によって得られたデータを元に系統解析・祖先形質復元などを行い、琵琶湖産のカドヒラマキをはじめとした湖沼型のヒラマキミズマイマイ類は複数回独立に生じている可能性が高いことが確かめられた。加えて、上記の遺伝的背景を明らかにするために本年度も引き続き交配実験を行った。しかしながら想定以上に環境変動の影響を形態が受けることが判明したことと、解析にあたりドラフトゲノムの必要性が明らかになり今後の課題となった。さらに、本年度は共同研究者との協力によりバイカル湖での調査も行った。その結果、バイカル湖では多種多様な形態を持つヒラマキガイ科の一群がほぼ同所的に生息していることが判明した。また、これらのサンプルの系統解析から、バイカル湖の種群は比較的近縁な単系統群を形成することが示唆され、放散と見なしうる形態進化パターンを呈することも明らかになった。他方、昨年度から調査・研究を行っている小笠原諸島父島のヒラマキガイ科貝類についてもMIG-seq法を用いた遺伝解析などを行った。結果として、非常に狭い範囲においても系統的に大きく分化しており、遺伝的な多様化が発生していることが示唆された。このパターンを駆動する要因としては、低頻度な受動的分散の影響が有望視されるがさらなる検討が必要である。一方、島内での顕著な系統的多様化が確認された半面、形態的な多様性は乏しく、これは古代湖で著しい形態多様化を遂げているバイカル湖のパターンとは対照的であった。日本各地、特に同じく古代湖である琵琶湖でも本種群の形態的多様化がバイカル湖ほどは著しくないことを考慮すると、形態的な多様化が生じるメカニズムは隔離度や侵入後の経過時間よりも利用できるハビタットの多様性が重要である可能性が考えられたが、さらなる研究、特に定量的なハビタットの調査及び遺伝的な背景を明らかにすることが必要である。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。日本各地の湖沼におけるサンプリングを終了したほか、日本各地、欧州、極東ロシア、台湾、フィリピンなどの広範な地域のヒラマキガイ科貝類を収集することができた。これらのサンプルをmtCO1領域などを用いて分子系統解析したところ、ヒラマキガイ科Gyraulus属とされてきた日本産の貝類の一部は欧州を中心に生息する別属の貝類により近縁であることが判明した。一方、ヒラマキミズマイマイ類についても従来記載されてきた形態種は分子系統をまったく反映していないことがわかった。さらに、東アジアのヒラマキミズマイマイ類は系統的に極めて多様で、日本列島のヒラマキミズマイマイ類は非常に複雑な形成史を持っていると推測された。また、上記の系統解析の中で、小笠原諸島のヒラマキミズマイマイ近似種は東アジアのどの系統とも異なる遺伝的特徴を持った固有種である可能性が高いことも判明した。また、湖沼に生息するヒラマキミズマイマイ類の形態の類似性を検証するため、殻形態を測定後、主成分分析を用いて要約した形態データと生息環境のデータ、系統データを用いてマンテル検定、一般化線形モデルによる解析を行った。すると、湖沼のヒラマキミズマイマイ類は付着基質の種類に影響されて殻高が高い傾向にあると推定された。これは水流への適応であると考えられる。さらにこの変化は霞ヶ浦や児島湖など形成後間もない湖でも観測されたため、数百年の時間的スケールでヒラマキガイ類における進化的応答が発生している可能性が示唆された。各湖沼でのサンプリングについては順調であった。また、系統解析も問題なく実施できたが、一部系統で交雑や祖先多型によるものと思われる系統パターンが観察された。これらを解消するため、次世代シーケンサーを用いた簡便な網羅的遺伝解析であるMIG-seq法を用いた解析を進行中である。一般化線形モデルを用いた解析なども順調に行うことができ、付着基質が殻形態の変化をもたらす要因として有力視された。これは付着基質に安定的に付着できる殻形態をとることで水流に適応していると予想された。一方で、琵琶湖をモデルケースとした要因の研究は順調に進展しなかった。これは野外における水流の定量的な測定が困難を極めたためで、室内実験やシュミレーションなどを用いて解決を試みている。また、期待以上の進展として予備的に行った交配実験が順調に成功し、交雑個体が多数得られたことが挙げられる。これにより、ヒラマキミズマイマイ類は系統的差異を超えてかなりの範囲で交雑可能なことが判明したため、今後形態差の著しい別集団を親種として交配実験を行い、量的遺伝学の手法を用いることで研究の展望が大きく開けると予想される。その他、想定外の進展として、小笠原諸島における固有ヒラマキガイの発見が挙げられる。こちらについても固有種であるより確度の高い証拠を示すため、現在MIG-seq法で解析中である。本年度は湖沼型ヒラマキの飼育システムの確立を行い、琵琶湖産カドヒラマキを含め、湖沼型、湿地型にかかわらず低コストで継続的な飼育ができることが判明した。また、予定よりも早く次世代シーケンサーを用いたMIG-seq法が利用可能であったため、ゲノムワイドなSNPsを用いてより精密なヒラマキミズマイマイ類の遺伝的な関係を把握することができた。これによりmtDNAのマーカーには一部、交雑や祖先多型などによるものと思われる系統の不一致が存在することが明らかとなった。

この遺伝的な背景情報と確立した飼育システムを用いて本年度から交配実験を開始しており、湖沼型と湿地型では一定の生殖隔離こそ存在するものの、問題なく交配可能であることが判明した。また、本年度は研究対象を湖沼のヒラマキミズマイマイ類に加えて海洋島である小笠原のヒラマキミズマイマイ類、さらにカドヒラマキと同様に湖沼へ適応していると考えられるビワコミズシタダミなど琵琶湖産の腹足類数種にも拡大することで、より多角的に湖沼への適応とそのスピードを比較検証することを目指した。加えて、形態測定の方法として従来より用いられる伝統的な計測法に加え、楕円フーリエ変換に基づく輪郭のシェイプを定量化する方法を導入した。この手法により、多個体の定量化をより自動化して行うことができるため、形態測定の精度や定量性を向上させることできた。この結果をもとに、GLMによって解析を行ったところ、生息環境の底質が殻形態に大きな影響を与えていることが改めて確認された。本年度はヒラマキミズマイマイ類の飼育システムの確立や予定よりも早い次世代シーケンサーの利用といった点で予定以上に順調な進展が認められた。さらに形態測定も新たな手法を導入したことにより、スムーズに行うことができるようになった。飼育実験は時間がかかるため、結果が本格的に判明するのは来年度になると考えられるが、次世代シーケンサーを利用することで、交雑や祖先多型などの影響を受けにくい高解像度、高精度な遺伝情報が得られたことは最も大きな進展であった。反面、湖沼における適応実験や湖沼環境の定量化は波の定量化や再現が非常に難しく、定量化については地形の解放度から推測するなどの方法で対応する予定である。また、飼育実験は継続的な淘汰実験よりも、流されるかどうかに着眼した、短期的なものに置き換えて解決を図る予定である。昨年度にMIG-seq法を用いた遺伝解析によって得られたデータを元に系統解析・祖先形質復元などを行い、琵琶湖産のカドヒラマキをはじめとした湖沼型のヒラマキミズマイマイ類は複数回独立に生じている可能性が高いことが確かめられた。加えて、上記の遺伝的背景を明らかにするために本年度も引き続き交配実験を行った。しかしながら想定以上に環境変動の影響を形態が受けることが判明したことと、解析にあたりドラフトゲノムの必要性が明らかになり今後の課題となった。さらに、本年度は共同研究者との協力によりバイカル湖での調査も行った。その結果、バイカル湖では多種多様な形態を持つヒラマキガイ科の一群がほぼ同所的に生息していることが判明した。また、これらのサンプルの系統解析から、バイカル湖の種群は比較的近縁な単系統群を形成することが示唆され、放散と見なしうる形態進化パターンを呈することも明らかになった。他方、昨年度から調査・研究を行っている小笠原諸島父島のヒラマキガイ科貝類についてもMIG-seq法を用いた遺伝解析などを行った。結果として、非常に狭い範囲においても系統的に大きく分化しており、遺伝的な多様化が発生していることが示唆された。このパターンを駆動する要因としては、低頻度な受動的分散の影響が有望視されるがさらなる検討が必要である。一方、島内での顕著な系統的多様化が確認された半面、形態的な多様性は乏しく、これは古代湖で著しい形態多様化を遂げているバイカル湖のパターンとは対照的であった。
早期パーキンソン病の精神症状に対する抗コリンエステラーゼ阻害剤の有用性

パーキンソン病において幻視の出現する症例において特異的に萎縮する領域として皮質では、前頭葉(背外側前頭前野、左前頭前野の吻側部、左帯状回腹側部)、後頭葉と頭頂葉(両側一次視覚野と二次視覚野、左下後頭回、右舌状回、右縁上回、左梨状葉)、白質では両側海馬傍回、両側帯状回後方、左舌状回、右中後頭回を見出した。これにより、幻覚は薬剤性よりも、解剖学的な異常により生ずることを見出して報告した。また、重度嗅覚障害のある群では、安静時脳機能MRIにおいて扁桃体ネットワーク、黒質、島のネットワークの異常があることを示した。パーキンソン病において幻視や認知症は、予後不良因子であり、QOLの低下や、家族への負担増などの点から対応すべき最も重要な症状である。幻視は薬剤の影響が大きいと考えられていたが、最近の報告では、薬剤よりもPDの進行そのものが影響していると考えられている。まず我々はこの事実を示すため、頭部MRI脳容積画像を用い、認知症の基準を満たさない幻視を呈するPDと、認知症も幻視も呈さず、主要な非運動症状の重症度が一致したPDを比較し、幻視のあるPDでは、後頭葉一次・二次視覚野、背外側前頭前野、前部帯状回、紡錘状回、前頭前野など、近年の幻視出現仮説を支持する部位に萎縮の出現することを示した。本研究はMovement Disorders Societyの年次集会で報告するとともに、雑誌Movement Disordersに報告した。今回の検討で萎縮を認めた部位は視覚認知機能障害や遂行機能障害と密接に関連しているため、同機能の低下は、将来的な幻視や認知症の発現にも影響することが想定される。現在は、視覚認知機能障害や遂行機能障害のある症例について、嗅覚低下症例および、幻視の出ている症例を比較しつつ、安静時脳機能MRI、拡散MRIなどを用い、脳内神経回路画像を行うことで、それぞれの病態を解析するとともに、コリンエステラーゼ阻害剤が神経回路に及ぼす影響を確認している。さらに早期に抗コリンエステラーゼ阻害剤を投与することが、アセチルコリン系神経細胞脱落に伴う神経回路網のダイナミックな変化を予防し、その予防効果が継続するか否かも前方向的に評価している。パーキンソン病の長期例において高率に認知症を示すことは良く知られているが、近年の研究の進歩に伴い、臨床的に認知症を呈する前から視覚認知機能障害、遂行機能障害、日中の過度の眠気、幻視、高度嗅覚低下などを認めることが明らかとなった。特に視覚認知機能障害や遂行機能障害は早期から認められるものの治療介入は行われていない。今回、早期パーキンソン病で認める精神症状に対する抗コリンエステラーゼ阻害剤の改善効果について、特異的臨床指標、resting functional MRI (rfMRI)とmagnetoencephalography (MEG)を用いて評価するとともに、改善機序を明らかにする。さらに、経時的にrfMRIとMEGを実施することにより、早期に抗コリンエステラーゼ阻害剤を投与することが、アセチルコリン系神経細胞脱落に伴う神経回路網のダイナミックな変化を予防し、その予防効果が継続するか否かも評価する。平成24年度は予備的研究として、幻視のあるパーキンソン病と幻視の無いパーキンソン病における大脳萎縮の違いについて、voxel based morphometryの手法を用いて検討した。認知症を呈していない症例でも幻視を呈するパーキンソン病では大脳の広範な萎縮を後頭葉、後頭頭頂葉、側頭葉下面、前頭前野などに認め、従来推定されている幻覚発症機序に合致するものであり、同仮説を支持するものであった。現在投稿中である。また、日中の眠気のあるパーキンソン病では、覚醒系に病変が進展していることが示され、パーキンソン病の日中の過度の眠気は、薬剤性よりも内因性の要因が高いと考えられた。さらに、より早期の高次脳機能障害症例に対する治療介入と、その効果判定をresting functional MRIなどで行う研究について、名古屋大学倫理委員会の承認を得た。平成25年度は登録を推進している。今回、我々は、認知症はなく幻視を呈するPD13例と、認知症も幻視を呈しないPD13例との脳容積画像を比較検討した。両群は出来る限り非運動症状も一致させることで、出来る限り幻視と関連の強い萎縮領域を見出すことを目的とした。パーキンソン病において幻視の出現する症例において特異的に萎縮する領域を見出した。本領域は、従来の脳容積画像の報告に比べ、これまで脳機能MRIやPETで異常を報告されていた複数の結果と良く一致した。これは、症例選択の過程で、他の非運動機能異常の影響を極力一致させたことが原因と考えられる。

PDの幻視は、機能的異常や薬剤性の要因が考えられていたが、特定の脳領域の解剖学的な萎縮が発現に関連していると考えられた。PDにおいて重度嗅覚低下が認知機能低下と関連することは知られているが、その特徴や機序は明らかにされていない。このため、認知機能低下を認めないPD患者のうち、重度嗅覚低下(OSIT-Jで3点以下)を認める(PD-OD(+)群)15例と重度嗅覚低下を認めない(PD-OD(-)群、(OSIT-Jで6点以上))15例を、安静時脳機能MRIを用い、健常者(Cont群)15例を対象として、3.0T MRIを用い、脳容積画像にて灰白質と白質の萎縮、Tract based spatialstatistics (TBSS)にて白質線維走行を評価した。PD-OD(+)群では脳容積画像における軽微な萎縮を認め、独立成分分析では、デフォルトモードネットワークなどの安静時脳機能ネットワークで軽微な異常をCont群に比して認めた。TBSSでは明らかな異常を認めなかった。一方、Seed based analysisでは、PD-OD(-)群よりPD-OD(+)群の方が、扁桃体の中心内側、基底外側、表層部の全てにおいて、大脳皮質とのネットワークが広範かつ高度に障害されていることを見出した。神経内科学症例登録とMRIの撮影は名古屋大学脳とこころの研究センターにおいて順調に進んでおり、幻視の病態についてもMRI脳容積画像の解析により検討出来たため。パーキンソン病では認知症を呈する前に、視覚認知機能障害、遂行機能障害、日中の過度の眠気、幻視、高度嗅覚低下などを認めることが明らかとなってきているが、この中で、日中の過度の眠気、幻視の病態について、VBM画像を用いて、その病態を推定出来た。さらに、resting functional MRI手法を確立し、予備的研究も24年度に行い、倫理委員会の承認も得て症例登録を開始している。まだ、介入段階まで進んでいないが、当初の予定通りの速度で研究は進んでおり、本年度中には、視覚認知機能障害、遂行機能障害、高度嗅覚低下の病態をVBMやrfMRIで検討した結果を示すことが出来、来年度は、コリンエステラーゼ阻害剤による介入結果を示すことが出来る予定である。引き続き、患者の登録、MRIの撮影を進めて行く。コネクトーム解析は、拡散テンソル画像を用いて解剖学的結合を評価するとともに、安静時脳機能MRIを用いて機能的結合を評価していく。パーキンソン病の遂行機能、視覚認知機能、幻視などにかかわる神経回路の同定を目指すとともに、コリンエステラーゼ阻害薬の有用性も併せて検証していく。平成25年度は、幻覚も眠気も呈さず、視覚認知機能障害と遂行機能障害を認めるパーキンソン病に対する抗コリンエステラーゼ阻害剤の有用性の検討を行う。投与量はアルツハイマー病に準拠し、外来にて副作用の出現の有無を慎重に評価する。その後、臨床評価、高次脳機能評価、画像評価を3ヶ月後、6ヶ月後、12ヶ月後に実施し、抗コリンエステラーゼ阻害剤の効果を判定するとともに、画像を用い、神経回路網の変化、効果の持続の有無を評価する。統計解析ソフトなど
フラーレン化合物における強磁性出現機構の核磁気共鳴による研究

代表的フラーレンである固体C_<60>と強い電子供与体であるテトラキス(ジメチルアミノ)エチレン(TDAE)との1:1錯体TDAE・C_<60>において約16K以下で強磁性を示すことが発見されている。本研究の目的はTDAE・C_<60>強磁性の出現機構を解明するために、π電子の状態をより反映すると考えられるC_<60>上の炭素核の^<13>CNMRを測定することにより、その電子状態の知見を得ることである。しかしながら試料の作成が非常に困難であり、本質的な結果が得られなかった。そこで超伝導を示すπ電子系の観点からA_3C_<60>のうち、超伝導転移温度(T_c)と格子定数の関係から重要であると思われる物質Na_2AC_<60>(A=K,Rb,Cs)の^<13>C,^<23>Na,^<87>Rb,^<33>CsNMRを行い、以下の事項を明らかにした。1.Na_2AC_<60>の^<23>Na信号は核と電場勾配の2次の四重極相互作用により線幅が広がっているが、Cs,Rb,Kの順番に線幅が広くなっていく。この広がりは構造の歪みあるいは常磁性中心の存在によるものである。2.さらに^<13>CNMRのスピン格子緩和時間(T_1)の測定から状態密度N(E^F)を得た。T_cと状態密度の関係は、BCS理論で期待される傾きより急であることが明らかにされた。したがって、Na_2AC_<60>においては上述の結晶の不完全性が電子状態、そして超伝導性に重要な役割を担っていることが示唆された。3.^<13>CNMRは低温領域(100K以下)では金属の緩和が主であるが、高温領域(140K以上)ではそれにC_<60>分子の回転による寄与が加わる。この回転運動は、140K以上で1.6×10^<-5>sec以下であり、300K付近では2.4×10^<-9>sec以下であることが明らかにされた。さらに高温相であるfcc構造ではC_<60>分子は金属的性質を持った柔粘性結晶状態であることが示された。
「造血幹細胞制御と臨床応用に向けての基礎研究」の成果取りまとめ

特定領域研究「造血幹細胞制御と臨床応用に向けての基礎研究」は平成6年度から平成9年度にかけ、4年間にわたって行われ、多くの成果をあげて終了した。本研究は、この特定領域研究であげられた成果を総括するとともに、記録して残すことを目的として行われた。研究成果発表論文リストなどを印刷するフォーマットを定め、特定領域研究「造血幹細胞制御と臨床応用に向けての基礎研究」の計画班員と公募班員の全員に配布し、研究成果と研究期間中の論文リストも班員から回収し、集まったところで印刷し、冊子をつくった。すべての班員と、本研究に興味を持つと思われる班員以外の個人と団体に冊子を配布する。本特定領域の最終ヒアリングが行われ北村、金倉と新井の代理として横田(東大医科研教授)が出席した。本特定領域では4年の研究期間の間に、impact factor20以上の広い範囲で読まれている雑誌に述べ55人の班員が著者になり、impact factor20-10のある程度広い範囲で読まれている雑誌に述べ129人の班員が著者になり、血液専門誌でもっともimpact factorの高いBlood(impact factor、9.745)には述べ183人の班員が著者になり、その他impact factor5以上の雑誌には205人の班員が著者になったことを述べると、評価委員の諸先生からもよくやっているとの御意見をいただいた。本特定領域研究の終了後、平成10年度より須田年生教授が代表者として特定領域研究「造血システムにおける自己複製と分化機構の解析」が発足しており、造血幹細胞研究が持続的に発展していることはよろこばしい。重点領域研究「造血幹細胞制御と臨床応用に向けての基礎研究」の研究の遂行を円滑に行うための総括を行った。本年度は3個の計画班に属する班員23名と公募の班員23名が参加して研究を行った。参加者の名簿を作製して、全員に配布し共同研究を円滑によるよう務めた。本重点領域は研究対象が造血幹細胞に絞られてはいるが、研究方法では異なった方面に秀いでた研究者を含むため、共同研究が行われやすく、実際多くの成果をおさめた。その際3個の計画班が存在するものの共同研究は各計画班内で行うのみならず、別の班に属する研究者の間でも活発に行われた。平成6年10月27、28日の両日、本総括班が主催して国立がんセンター内の国際研究交流会館において、合同班会議を公開で行ったが、本研究班に参加している46名を含め、延べ200名近く参加者を得た。2日間にわたる発表と討論を通じて、本研究領域の我国における研究水準が極めて高いことが確認された。平成6年度中には我国においても造血幹細胞制御に関するシンポジウムが多数行われたが、いずれにおいても本重点領域研究参加者に主要な役割を果たした。6月16-18日に広島で、国際シンポジウム“Biological and Molecular Aspects of Mast Cell and Basophil Differentiation and Function"が開かれ、12月16日には神戸で開かれた第17回分子生物学会年会において、本総括班の後援のもとに“造血幹細胞制御の分子機構"と題するシンポジウムが行われた。さらに12月18-20日には谷口財団の主催するシンポジウム“Regulation of Hematopoietic Stem Cells"が行われたが、日本人11人外国人10人の演者の参加を得、興味深い会になった。日本人演者11人中7人が本重点領域の班員であり、他に多くの班員が討論者として参加した。発表と討論を通して本重点領域で行われている研究が国際的水準に達していることが確認された。本研究組織が発足してから2年間が経過し、本年度はその間の研究経過についてのヒアリングを受けた。このための資料は代表者の北村が中心となって集め、須田と新井の助力を得て取りまとめ、総括班員には別個に承認を得た。

本研究の実施にあたっては、1)造血幹細胞の単離と増幅、2)造血幹細胞の定着・増殖・分化・死のシグナル、3)造血調節因子、という3つの計画班と各々の計画班に相応する公募研究から研究組織を構成した。幸いにして本研究領域は質の高い公募研究を採用することができ、計画研究も順調に進展したので、当初予想したよりも速く研究が進んだと考えられる。現在までの2年間に、(1)1個の造血幹細胞により致死量の放射線照射を受けたマウスを救命できるほどに造血幹細胞の精製の技術が進歩した。(2)造血幹細胞に発現しているいくつかの受容体型チロシンキナーゼが見つかった。(3)c-kit受容体型チロシンキナーゼの活性化突然変異が見つかり、このうちの1つの突然変異はヒトの造血器腫瘍でも発見された。(4)赤血球、顆粒球、マスト細胞の分化に重要な役割をはたす転写因子の研究が進んだ。(5)エリスロポエチン、G-CSF、GM-CSF、IL-3、IL-5などの造血調節因子の受容体からのシグナル伝達の経路がかなり明らかになった。本研究組織から論文も順調に出版されており、impact factorが5以上の雑誌に掲載された論文のみでも200を超えている。班会議は3班合同で11月10日に開いたが、前日に造血幹細胞シンポジウムを行い、このシンポジウムでの発表は班会議での発表とみなした。班員以外の聴衆も多く、活発な討論が行なわれ、本領域への関心が高いことが示された。また班会議の際に造血幹細胞への遺伝子導入に関する新しい技術を開発した企業の方にもセミナーを行なっていただき好評であった。本研究も開始後3年を経過し、あと1年を残すのみになった。計画研究はもとより公募研究にも優秀な研究者が集まり研究は順調に進行した。第1班の「造血幹細胞単離と増殖」においては中内により、致死量の放射線照射を受けたマウスを長期にわたり救命できる多分化能幹細胞が単離され、その性格づけが行なわれた。また、仲野により胚性幹細胞から造血幹細胞への分化を導く実験系が改良された。第2班の「造血幹細胞の定着・増殖・分化・死のシグナル」では北村がマスト細胞の分化に、マウスmi遺伝子座によってコードされている転写因子が重要な役割を果していることを示した。辻本はbcl-2蛋白のアポトーシス抑制機構について、ミトコンドリアへの影響を中心に解析を進めた。第3班の「造血調節因子とそのレセプターによるシグナル伝達機構」では、多くの造血調節因子レセプターのシグナル伝達にJakキナーゼとStat転写因子が関係していることが分かった。レセプターの種類により実際に使用されるJakキナーゼとStst転写因子の種類は異なるが、同じファミリーに属する蛋白質が種々の造血細胞の分化・増殖に関与していることは興味深い。東大医科研の横田教授を組織者とした国際シンポジウム「Stem Cell Regulation」が本班の共催のもとに9月26・27日に東大医科研で行なわれ、一般参加者も多く非常に盛会であった。本シンポジウムにより本研究班で行なわれている研究が国際的にみて、かなりのレベルに達していることがうかがわれた。
認知機能障害の発症機序におけるケトン体代謝異常の関与

ケトン体をコレステロールや脂肪酸合成に供給するアセトアセチルCoA合成酵素(AACS)が、アルツハイマー病患者の脳において活性化しているレグマイン(システインプロテアーゼ)によって切断され、その活性が調節されていることを示した。またAACSが、神経伝達物質の代謝や神経細胞の形態形成において重要な役割を果たしていることを明らかにした。以上の結果より、アルツハイマー病におけるAACSの活性変化がその発症機序に関わる可能性が示唆された。ケトン体代謝酵素であるアセトアセチルCoA合成酵素(AACS)の機能解析及び神経細胞における役割を検討した。神経細胞におけるAACSの役割を明らかにするために、初代培養神経細胞及びマウス神経芽細胞腫Neuro-2a細胞を用いてRNA干渉法を行った。初代培養神経細胞においてAACSの発現を抑制すると、低分子量Gタンパク質であるcdc42やRhoCのタンパク質発現が抑制することを明らかにした。また、神経芽細胞腫Neuro-2a細胞にレチノイン酸を処理した状態で、AACSの発現を抑制すると、ドパミンからノルエピネフリンの反応を触媒するドパミン-β-ヒドロキシラーゼの遺伝子発現が減少することを明らかにした。続いて、AACSとリソソームに存在するレグマインとの相互作用を検討した。レグマインはアルツハイマー病患者の脳で活性が増加すること、また、レグマインによるタウ切断は神経原繊維の病的変化を引き起こすことが明らかになっている。そこで、レグマインによるAACSの切断部位の同定を試みた。AACSに点変異導入をしてアミノ酸を置換した結果、545番目のアスパラギンをグルタミンに置換すると(N545Q)、AACSの活性が著しく低下した。また、in vitroにおいてAACSとレグマインを相互作用させると、N503Q及びN547Q変異体がレグマインによる切断を抑制すること、また、in vivoにおいてN547Qがレグマインによる切断を抑制することが明らかになった。この時、N547Q変異体はレグマインの活性を抑制した。本年度の結果より、神経細胞の形態や神経伝達物質の合成においてAACSが重要な役割を果たす可能性が示唆された。本年度の研究では、神経細胞の形態や神経伝達物質の合成においてAACSが重要な役割を果たす可能性が示唆された。本結果より神経の機能におけるAACSの重要性や、神経伝達物質とケトン体代謝の関連が示唆されている。また、AACSのレグマインによる切断部位を同定しただけでなく、AACSのドミナントネガティブや、レグマインの活性を阻害するAACSの変異体も作製できた。これらの変異体をウイルスベクターに組込む作業も完了しており、本研究計画的にはおおむね順調であると判断できる。アルツハイマー病を含む認知機能障害の原因は不明な点が多く、その治療は対症療法が中心である。最近の研究から、糖・脂質代謝異常が、認知機能障害の危険因子であることが明らかになった。本研究では、我々が神経細胞の発達や脂質代謝に重要な役割を果たすことを見出したケトン体代謝酵素(アセトアセチルCoA合成酵素, AACS)の神経機能における生理的意義や、ケトン体代謝異常と認知機能障害との関係を明らかにすることを目的とした。アルツハイマー病患者の脳においては、システインプロテアーゼであるレグマインが活性化し、それに伴うタウ切断の増加が神経原線維の病的変化を引き起こすことが明らかになっている。我々は、AACSの547番目のアスパラギンがレグマインによって切断され、ケトン体代謝活性が著しく低下することを明らかにした。そこで、CRISPR-Cas9システムを用いて、AACSのノックアウトマウスの作製を試みた。AACSの開始コドン付近を欠失したマウスを作製した結果、ヘテロ型マウスにおいてAACSのmRNAレベルは増加したが、タンパク質量は減少していた。そこで、脂質代謝に関わる遺伝子発現を検討した結果、コレステロール合成の律速酵素であるHMG-CoA還元酵素や、脂肪酸合成酵素の発現は変化しなかった。また、神経機能に関わる遺伝子では、アセチルコリンを分解するアセチルコリンエステラーゼの発現は変動しなかったが、ドパミンからノルエピネフリンを合成するドパミン-β-ヒドロキシラーゼの発現が、AACSの減少に伴い有意に減少した。本研究の結果から、AACSを介したケトン体代謝が、神経伝達物質の代謝において重要な役割を果たす可能性が示唆された。また、AACSの低下によるケトン体代謝異常が、認知機能などの脳機能に何らかの影響を及ぼす可能性が考えられる。H28年度は、神経細胞の形態形成に対するAACSの役割をより詳細に検討する。また、神経伝達物質の生合成に対するAACSの影響を検討する。計画に従って、認知機能障害モデルマウスにおけるAACS並びに脂質代謝酵素の発現を検討する。認知機能は新奇物質認識試験やモーリス水迷路試験で評価する。また、培養細胞や神経障害モデルにおけるAACSの発現をウイルスベクター法により調節し、治療標的としての有用性を検討する。

衛生化学・分子生物学本年度実施予定であった、認知機能障害モデル動物におけるAACS並びに脂質代謝酵素の発現検討は、初代培養神経細胞においてAACSの発現をウイルスベクター法により改変し、神経障害に対する影響を検討してから実施するほうが良いため、H28年度に移行し次年度使用額として予算を計上する。次年度は、認知機能障害モデル動物の購入に30万円を使用する。また、アルツハイマー病モデル動物や細胞を作製するために、Aβの購入に10万円を充てる。培養に使用するでディスポーザブルのディッシュやメスピペット、そして神経細胞やウイルス産生用の細胞に使用する培地の購入に60万円を使用する。また、分子生物学的手法に使用するReal-time PCRの蛍光標識試薬、DNA合成試薬、Western blottingに使用する抗体および試薬、そしてLipofection試薬や各研究に使用する器具および試薬などの購入に50万円を使用する。また、これらの研究により得られた研究成果を発表するために、旅費および学会費として10万円を計上する。
プラズマとナノ界面の相互作用に関する学術統合研究

本取り纏め研究では、プラズマとナノ界面の相互作用ゆらぎに関する学術的成果を統合・発展させて、より汎用性のある学術大系に結びつけることを目的としている。計画研究代表者を研究分担者として、各計画研究における研究成果を取り纏めるとともに、領域内連携により表れた3つの研究項目に共通する基本原理を統合して体系化する。基本原理の体系化に際しては、すべての研究に関する議論を一度に行うと議論が発散する可能性があるため、ゆらぎ・多相界面・バイオというテーマを設定した個別の研究会を開催し研究分担者が成果を統合した後、シンポジウム等で領域全体での成果統合を行った。平成26年度に取りまとめた、平成21-25年度に新学術領域で得られた成果の概要は以下の様に要約される。これらの成果を成果報告書およびホームページで公開した。ゆらぎに関しては、超高精度トップダウンプロセスの確立(ゆらぎの制御)について、エッチングプラズマに関する実験とシミュレーションの研究グループが連携して、エッチング表面形状揺らぎの機構を解明した。ここでは、揺らぎ抑制法について、従来の物理量を一定にする方法から、物理量に制御した揺らぎを与えて抑制する方法へのパラダイムシフトを起こす事に成功した。また、高精度ボトムアッププロセスの確立(ゆらぎの利用)では、超臨界プラズマに関する実験とモデリングの研究グループの連携により、超臨界プラズマにおける密度ゆらぎ機構を解明し、従来法では得る事ができない高次ダイアモンドイドの合成に成功した。予想以上の顕著な成果として、気液プラズマに関する実験とモデリングの研究グループの連携により気液界面プラズマにおいてナノ界面が存在することを発見した(多相界面プラズマ)。また、高いインパクトを持つ成果として、バイオ応用プラズマ関連の研究グループの連携により、大気圧プラズマ反応系の世界標準を確立することに成功した。26年度が最終年度であるため、記入しない。本研究領域の課題である、1プラズマとナノ界面の相互作用ゆらぎの機構解明、揺らぎを制御した2トップダウンプロセスと3ボトムアッププロセスの実現について以下の成果を得た。1反応性プラズマ揺動とナノ粒子成長ゆらぎの非線形結合モデルからプラズマとナノ界面の相互作用ゆらぎの理論を構築した。2領域内連携によりドライエッチングプロセスにおける相互作用ゆらぎを解明し、従来に無い高精度なエッチングプロセスを実現した。3ボトムアッププロセスにおいては,超臨界プラズマ中の密度ゆらぎに起因する新規物質合成機構を解明した。また、公開シンポジウムを開催して市民へ情報発信した。領域全体の研究活動を効果的に推進することを目的とし,各班の研究活動や運営の調整・研究成果の相互評価を行い、平成21年度は以下の活動を行った.1)第1回総括班会議平成21年9月13日(日)13時から18時九州大学伊都キャンパス領域の全体的な研究目的・方針および年間スケジュール等の確認を行った.2)第1回全体会議兼第2回総括班会議平成22年1月11日(月)9時から18時長崎大学文教キャンパス各計画研究に関する研究構想・研究成果の報告と,これらについての質疑・討論を行った.外部評価委員として長崎大学の藤山寛先生に出席いただき,全ての計画研究に対して,研究目的・これまでの研究成果・今後の研究計画等に関するコメントを頂いた.3)若手研究者の企画による国際研究会平成22年1月10日(日)9時から18時長崎大学文教キャンパス若手研究者自身が自主的に企画運営する国際ワークショップを開催した.招待講演5件,口頭講演3件,ポスター講演6件参加国:日本,韓国,オーストラリア,台湾4)協賛した国際会議,研究会等(i)第25回九州・山口プラズマ研究会平成21年11月19,20日崇城大学5)招聘した海外研究者Plasma medicineに関する講演と議論,および新学術領域の研究内容についての議論を行った.6)ホームページの立ち上げを行った.今年度の研究で、領域の目的のうち、1)揺らぎ決定機構の解明、2)揺らぎを抑制する方法の開発、3)揺らぎを増幅する方法の開発の達成に関して見通しが得られた。また、いくつかの世界初の成果と新しい研究展開のシーズとなる新着想が得られた。A01班(ナノ界面プラズマを作る)では、集積化マイクロソリューションプラズマ、超臨界クラスタ流体中のプラズマ、固・液・気・超臨界相が混在するプラズマ等を創成してきた。これら研究成果は、プラズマとナノ界面の相互作用の理解とその制御方法の開発につながる成果である。また、超臨界クラスタ流体中のプラズマの特長を生かして、5-12次のダイヤモンドイド合成に初めて成功した。A02班(ナノ界面プラズマを見る)では、プラズマ・固体界面に関係する諸量、プラズマ・液体界面に関係する諸量、プラズマ・生体界面に関係する諸量等に関する計測を中心に研究を推進してきた。特に、反応性プラズマ中のナノ粒子の成長に関して、ナノ粒子の数密度をパラメータとして、正帰還、帰還無し、および負帰還の3つの成長領域が存在することを明らかにした。これにより、反応性プラズマ中のナノ粒子生成という限られた系ではあるが、領域の目的のうち、1)揺らぎ(ナノ粒子サイズ分布)決定機構の解明、2)揺らぎを抑制(負帰還)する方法の開発、3)揺らぎを増幅(正帰還)する方法の開発、の達成に見通しが得られた。