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相互作用をもつ粒子系の研究

相関関数が行列式で表現される確率過程は、行列式過程と呼ばれている。本研究期間内で実施した研究により、非衝突ブラウン運動、非衝突2乗ベッセル過程が任意の初期値の下で行列式過程であることを多重直交多項式の理論を用いて証明した。そして、粒子数を無限大にしたときの収束について論じ、その結果として非平衡無限粒子系を構成することができた。さらに、得られた無限粒子系の道の連続性、非衝突性を確かめ、緩衝現象などの性質を示した。多粒子系または無限粒子系を配置空間に値をとる確率過程で表し、その性質を調べる研究は、確率論における中心的な分野の一つである。本研究で中心に扱われているのは、ダイソン模型(非衝突ブラウン運動)に代表される長距離相互作用をもつ系である。従来、得られている長距離相互作用無限粒子系は、初期値が平衡分布の場合など特別な場合に限られる。相互作用の長距離性から、極限無限粒子系は初期値によって振る舞いが大きく異なることが予想されが、その初期値依存性を調べるために、(1)平衡状態に収束する初期分布の特徴付け、エルゴード性などを調べる。(2)平衡状態の場合に1つの粒子に着目して、その漸近挙動を調べる。(3)非平衡的である場合の時間発展はどのようなものかを調べる。等を研究をすることが主目的である。彷径過程は,二つの母数(υ,κ)をもつ拡散過程であり,とくにυ=1/2,κ=1のときはズラウンミアンダーと呼ばれている。非衝突条件のもとでのN本の独立な彷径過程を考えると,特別な場合としてカイラル,ランダム行列やAltland-ZirnbauerのBogoliubov-de Gennes型ランダム行列の固有値分布を粒子分布として実現する。これらの非衝突彷径過程k相関関数はパフィアンで表すことができ,粒子数を無限大にした熱力字的極限での相関関数を厳密に求め,それらが一般に分数微積分を使って表せることを発見した。極限として得られた確率過程は相互作用を無限粒子系であるが,こめ無限粒子系の性質についても調べた。(Probability Theory and Related Fields Vol.133)多時刻相関関数が行列式で表わされる確率過程を行列値過程と呼ぶことにする。非衝突ブラクン運動,非衝突ベッセル過程などは典型的な例である。これらの確率過程は,Sturm-Liouville作用素に対応している。今年度の研究では,Sturm-Liouville作用素が対応する行列値過程のクラスの性質について調べ,道の連続性,粒子数を無限大に多くしたときの緊密性に対する十分条件などを与えた。マルコフ性については,まだ未解決であるが,行列値過程に対応する双線形形式を導き,ディリクレ形式との関係についても部分的な結果を得た。(Journal of Statistical Physics V0l.129)未来永劫衝突しないという条件のもとで考えると、複数個の1次元ブラウン粒子系は、対数ポテンシャルを相互作用とするブラウン粒子系となる。この長距離相互作用粒子系は、ダイソン模型と呼ばれており、ブラウン運動を成分とするユニタリー行列値過程の固有値とも等価であることも知られている。ダイソン模型は有限個の粒子系であるが、粒子数を無限大にしていくと、尺度の選び方により、ダイソン型無限系とエアリー型無限系の2つの種類の無限粒子系に収束することが分かる。収束の証明は、(多時刻)相関関数を用いて行われ、極限無限粒子系の性質も相関関数から導かれる。これらの無限粒子系は、長距離相互作用をもつために、初期値および配置空間に関する制限とても強い。実際、これまでに得られている無限粒子系は、初期値が平衡分布、つまり平衡過程である場合のなどの特別な場合に限られていた。20年度の香取眞理氏との共同研究により、一般の初期値に対してダイソン型無限系を構成し、その性質を調べることに成功した。これは、従来、有限系の相関関数の具体的な行列式表現が、平衡状態またはそれに類する場合でしかできなかったのに対して、重複直交多項式の理論を発展させることにより、一般の初期配置であっても行列値表現ができることを示したことが最も大きな要因の一つである。この表現は、解析的な関数を熱核により積分して得られる関数を行列要素とする行列式表現であることから、さまざまな方向から解析することが可能となる。この性質は、粒子を無限にしても遺伝するため、無限粒子系の発展に大きく寄与する結果であると思われる。得られた結果は、国内外の研究会で発表しており、この分野での専門家からの評価も高い。(論文は、投稿中である。)確率過程でその時空間相関関数が行列式で表すことができるものを行列値過程という。ダイソン模型と呼ばれる長距離相互作用粒子系はその典型的な例である。従来は、平衡分布などの特別な初期条件のもとでの行列値過程の存在と解析が行われてきたが、香取眞理との共同研究により、ダイソン型などは、一般の初期値の下でも行列値過程であることを示すことができた。

この結果により模型の解析に新しい手法を与えることができ、粒子数を無限にしたときに非平衡な無限粒子系に収束、緩衝現象の導出など物理的にも重要な結果を導くことができた。(Commun.Math.Phys.293, 2010に掲載済)粒子数を無限にしていくに従って増大するドリフトを加えることにより、また別の非平衡無限粒子系を構成することができ、その緩衝現象などを示すことにも成功した。(J.Stat.Phys.136, 2009に掲載済)これら2つの無限粒子系は、平衡である場合のバルク尺度極限、ソフトエッジ尺度極限で平衡ダイソン模型から得られる平衡無限粒子系にそれぞれ対応している。つまり、非平衡系の初期値を平衡分布で平均をとると平衡系が得られるのである。このことにより、いままで未解決であった平衡系のマルコフ性などの性質を示すことができた。一般化として、非衝突ベッセル過程に対しても同様な結果が得ている。この場合、平衡系でハードエッジ尺度極限で得られる無限粒子系に対応している。以上で得られた結果は、国内外の研究会で発表されており、この分野での専門家からの評価も高い。相関関数が行列式で表現される確率過程は、行列式過程と呼ばれている。非衝突条件を課した独立なN本のブラウン運動が、任意の初期値の下で行列式過程であることを前年度の研究で示したが、本年度はその一般化として非衝突条件を課した独立なN本の2乗ベッセル過程が、任意の初期値の下で行列式過程であることを示した。さらに、Nを無限大にしたときに無限次元行列式過程に収束することを証明し、緩衝現象を導いた。非衝突ブラウン運動に対して複素ブラウン運動表示という新しい表現を与えた。この表示を用いることより、これまでは直交多項式を用いて導出していたEynard-Mehta型の行列式相関関数を直接的に導くことができ、さらに、緊密性、無限系の非衝突性など道に関する性質を示すことができた。(論文は投稿中)無限次元行列式過程に対するマルコフ性について研究を行い、サイン核、ベッセル核そしてエアリー核に対応する3種類の無限次元行列式過程に対してマルコフ性を証明した。特にエアリー核に対する結果は、この分野の未解決問題の一つであり重要である。(論文は投稿準備中)
高等学校の入試問題改善のための分析研究

本研究は、高等学校の入試問題の改善と中学校における教科教育の改善に役立つことを目標に行われた。分析は「関心・意欲・態度」「思考・判断」「技能・表現」「知識・理解」の4観点から行った。また、分析の対象は効率学校の入試問題(国語・社会・数学・理科・外国語〔英語〕)とした。そのわけは、昨今の公立高等学校の入試問題には学習指導要領の趣旨を活かした問題が多数見られるからである。したがって、望ましい問題(良問)のみを抽出し分析した。分析方法は教化特有の事情もあるため各教科に一任した。報告書は具体的な事例と解説から構成されており、望ましい入試問題を作成する上で役立つものと思われる。この研究は、高等学校の入試問題の改善のための資料を作成し各方面に提供することにより、中学校における教科指導の改善に役立つことを目的としている。そのために、この研究では、公立高等学校入試問題を分析し、高等学校入試問題の在り方について提言をおこなう。それらにより、高等学校の入試問題の改善、そして中学校における教科教育の改善に役立つことをめざしている。この研究においては、分析対象を平成11年度の公立高等学校入試問題の国語・社会・数学・理科・外国語の5教科に絞った。その上で、これまでの研究と平成11年度の研究により得られた分析の視点から、それらの入試問題を分析中である。その際、「知識・理解」、「関心・意欲・態度」、「思考・判断」、「技能・表現」の4つを分析の視点として、各教科ごとに分析を行うことにした。現在までの研究で、公立高等学校入試問題には、学習指導要領の考え方に沿ったいわゆる「良問」が多く見られることが明らかになっている。一方で、単に細かな知識を問うだけであると考えられるなどいわゆる「改善すべき問題」も見られることも明らかになった。平成12年度も研究を続け、その結果を平成12年夏までにこれからの高等学校入試問題の在り方について提言を報告書にまとめる。その報告書を各方面に配布することにより、本研究は平成13年度以降の国立・公立・私立の高等学校入試問題作成の改善に役立つことができると考えられる。昨年度中に、平成11年度の公立高等学校入試問題(国語・社会・数学・理科・外国語の5教科)の中から、単に知識・理解を問うだけではなく、関心・意欲・態度、思考・判断、技能・表現などをも問う問題など工夫されたいわゆる「良問」と、単に細かな知識を問うだけであると考えられるなどいわゆる「改善すべき問題」をピックアップした。本年度は昨年度の研究を継続して、学習指導要領の趣旨を生かしたいわゆる「良問]について検討を加え、今後の高等学校入試問題の改善の方向を探った。その検討の結果をとりまとめ、高等学校入試問題改善の在り方についての報告書「高等学校の入試問題改善のための分析研究」を作成した。教科ごとの概要は、以下の通りである。国語では、表やグラフを読みとりながら自分の意見を述べさせることにより情報処理能力を問う問題などの良問が見られる一方、表現の問題で採点基準が明確に捉えられないものなど改善が望まれる問題も見られた。社会では、関心・意欲・態度、思考・判断、技能・表現などを積極的に問おうとする良問が数多く見られる一方、知識・理解を問う問題が中心となっている傾向が指摘された。数学では、良問には文脈、数学的考え、態度の育成の要素が含まれることが考察されたが、授業で扱う場合には良問と考えられる問題が出題されている例も見られた。理科では、良問は、自然の事物・現象の仕組みや概念についての基礎・基本的な内容を問う問題、日常生活と関連させた問題、今日的な話題・課題を取り入れた問題、実験データ等を処理したり考察するような問題、横断的・複合的な問題、構成上の工夫・配慮がみられる問題であることが分かった。外国語では、英語によるコミュニケーション能力、とりわけ「聞く力」と「話す力」を見る問題が工夫されている一方で、依然として読解力を試す問題が主流となっている点などが指摘された。
3次元モニタリング手法に基づく内湾流域栄養塩循環の動的制御手法の開発

新たな鉛直モニタリングシステムを開発し、それを多点に配置して、微細粒径土砂成分等の陸域からの輸送を定量評価することで、沿岸域における水質モニタリングを高精度化すると同時に、沿岸域における物質循環を、微細粒径土砂成分も含んで明らかにすることを目的とした。これらのシステムを用いた観測により、河口部の形態が土砂輸送に与える影響や、河床に堆積した微細粒径土砂成分が、先行晴天日数によってその量が大きく異なることや、同規模の降雨であっても先行晴天日数によって、物質フラックスは大きく変化する様子を捉えることができた。本研究では,新たな鉛直モニタリングシステムを開発し,それを用いて,微細粒径土砂成分等の陸域からの輸送を定量評価することで,沿岸域における水質モニタリングを高精度化すると同時に,沿岸域における物質循環を,微細粒径土砂成分も含んで明らかにすることを目的にしている。モニタリングシステムの特徴は,既往の機器を効率よく連携させること,また,鉛直プロファイルの測定を可能にするところにある。今年度は開発中のモニタリングシステムにより,土砂フラックスを定量化するための試みとして,フラックスの定量化と比較が容易な石垣島を候補地として選定して,予備的な現地計測を実施した。観測においては,降雨時のイベント的な土砂輸送を捉えるために,10分間隔で,長期のモニタリングを実施した。また,それらを補足するために2週間程度の観測を年間数回行った。この際,河口部の形態や河川流域の土地利用の違い時に観測を行った。これにより,河口部の形態が土砂輸送に与える影響や,河床に堆積した微細粒径土砂成分が,先行晴天日数によってその量が大きく異なることや,同規模の降雨であっても先行晴天日数によって,物質フラックスは大きく変化する様子を捉えることができた。このような結果は,年に数回のイベント的な出水を集中的に計測しただけでは,把握できないものである。さらに,対象域を沿岸域や湖にも広げるために,2007年冬より,上記の観測システムを東京湾,手が沼にも設置して,現在も沿岸域の微細粒径土砂成分の定量化を継続中である。本研究では、新たな鉛直モニタリングシステムを開発し、それを用いて、微細粒径土砂成分等の陸域からの輸送を定量評価することで、沿岸域における水質モニタリングを高精度化すると同時に、沿岸域における物質循環を、微細粒径土砂成分も含んで明らかにすることを目的にしている。モニタリングシステムの特徴は、既往の機器を効率よく連携させ、鉛直プロファイルの測定を可能にする、またテレメーターによって外部にリアルタイムで測定結果をモニターすると同時に、計測プロトコルを状況に応じて変更可能にしてある点である。今年度は開発中のモニタリングシステムにより、土砂フラックスを定量化するための試みとして、フラックスの定量化と比較が容易な石垣島を候補地として選定して、予備的な現地計測を実施した。観測においては、降雨時のイベント的な土砂輸送を捉えるために、10分間隔で、長期のモニタリングを実施した。また、それらを補足するために2週間程度の観測を年間数回行った。この際、河口部の形態や河川流域の土地利用の違いにより生じる土砂フラックスの違いを明らかにするために、3つの河川を選択して、同時に観測を行った。これにより、河口部の形態が土砂輸送に与える影響や、河床に堆積した微細粒径土砂成分が、先行晴天日数によってその量が大きく異なることや、同規模の降雨であっても先行晴天日数によって、物質フラックスは大きく変化する様子を捉えることができた。このような結果は、年に数回のイベント的な出水を集中的に計測しただけでは、把握できないものである。さらに、対象域を沿岸域や湖にも広げるために、2007年冬より、上記の観測システムを東京湾、手が沼にも設置して、現在も沿岸域の微細粒径土砂成分の定量化を継続中である。本研究では、新たな鉛直モニタリングシステムを開発し、それを用いて、微細粒径土砂成分等の陸域からの輪送を定量評価することで、沿岸域における水質モニタリングを高精度化する同時に、沿岸域における物質循環を、微細粒径土砂成分も含んで明らかにすることを目的にしている。モニタリングシステムの特徴は、既往の機器を効率よく連携させること、また、鉛直プロファイルの測定を可能にするところにある。モニタリングシステムを実現するに辺り、土砂フラックスを定量化するための試みとして、フラックスの定量化と比較が容易な石垣島を候補地として選定して、現地計測を実施した。この際、河口部の形態や河川流域の土地利用の違いにより生じる土砂フラックスの違いを明らかにするために、3つの皆川を選択して、同時に観測をなった。

これにより、河口部の形態が土砂輸送に与える影響や、河床に堆積した微細粒径土砂成分が、先行晴天日数によってその量が大きく異なることや、同規模の降雨であっても先行晴天日数によって、物質フラックスは大きく変化する様子を捉えることができた。このような結果は、年に数回のイベント的な出水を集中的に計測しただけでは、把握できないものである。さらに、対象域を沿岸域や湖にも広げるために、2007年冬より、水質観測システムを東京湾の台場保安部桟橋に設置して、現在も沿岸域のモニタリングを継続中である。
脱分化脂肪細胞をもちいた反回神経の再生治療の開発

本研究は、反回神経切断ラットにおいて脱分化脂肪細胞(DFAT)を充填したチューブを移植することで、その神経再生治療効果を検討するものである。ラットの反回神経は非常に細いため、それを架橋するチューブも内径0.5mm程度のものとなる。そのため、内部に含有できる細胞数をより多くするためには、チューブの長さは反回神経が再生可能な範囲内で最長のものが良いと考えた。そこで、予備実験として次の実験を行った。ラットの左反回神経を切断し、神経断端をI型コラーゲンゲルで充填した径0.5mmシリコンチューブを用いて架橋し、断端間の距離は、1、3、5mmとなる3群を作成した(各群n=11)。評価項目として、内視鏡による喉頭運動の観察(術直後、5週、10週、15週)、組織学的評価(トルイジンブルー染色による光学顕微鏡、電子顕微鏡)等を行った。その結果、喉頭運動の観察では1mm群では9/11(81.8%)、3mm群では6/11(54.5%)、5mm群では3/11(27.3%)で、観察期間中に喉頭運動が認められた。ただし、15週の観察期間終了時において喉頭運動の回復が確認できたものは各群とも1/11(9.1%)のみであり、その大部分が観察期間中に運動が消失した。組織学的評価では、各群とも有髄神経の再生が認められたが、その数や太さは1mm群>3mm群>5mm群の傾向があった。以上の結果より、ラットの反回神経において5mmまでの欠損距離の再生が可能であることが確認された。現在、DFATを用いることで神経再生がより促進されるか検討中である。昨年度までに反回神経切断モデル動物の作出及び、1型コラーゲン充填シリコンチューブを用いた反回神経の再生を行なっている。また、評価項目として、喉頭運動の確認、誘発筋電図検査、組織学的評価を行う予定であるが、これらの評価法についても技術は習得できている。すでにDFAT細胞を用いた実験も行なっており、現時点での研究計画は概ね順調に進展している。ただし、DFAT細胞を用いた実験は、至適な細胞濃度の確立が必要とされるため、今後も頭数を増やした実験が必要と考えられる。1型コラーゲン充填シリコンチューブを用いた実験において、ラットの反回神経は5mmまでの欠損距離の再生が可能であることが確認された。そこで、6mm長のシリコンチューブ内にDFAT含有コラーゲンを注入し、これを用いてラット反回神経の再生実験を行なったが、コラーゲン単独と比較して優位な改善は認められなかった。原因としてチューブ素材の限界や、細胞濃度の問題が考えられた。今後様々な細胞濃度やチューブ素材を変更した実験を行う予定である。ラットの左反回神経を切断し、神経断端をI型コラーゲンゲルで充填した径0.5mmシリコンチューブを用いて架橋し、断端間の距離は、1、3、5mmとなる3群を作成した(各群n=8)。その結果、喉頭運動の観察では1mm群では6/8(75%)、3mm群では3/8(37.5%)、5mm群では2/8(25%)で、観察期間中に喉頭運動の回復が認められた。ただし、15週の観察期間終了時まで喉頭運動の回復が確認できたものは各群とも1/8(12.5%)のみであり、その大部分が観察期間中に運動が消失した。一度回復した喉頭運動が再び消失することについては、やはり過誤再生や、チューブ内の絞扼、阻血などが原因として考えられるが、これも今後の研究の検討項目としたい。当該年度においてモデル動物の作出及び、評価項目に必要な技術を習得できており、現時点での研究計画は概ね順調に進展している。現在、5mmまでの反回神経の再生が可能であることが確認できたため、I型コラーゲンとともに脱分化脂肪細胞を充填したチューブを、反回神経切断ラットに移植し経過を確認している状況である。

そのため、内部に含有できる細胞数をより多くするためには、チューブの長さは反回神経が再生可能な範囲内で最長のものが良いと考えた。そこで、予備実験として次の実験を行った。ラットの左反回神経を切断し、神経断端をI型コラーゲンゲルで充填した径0.5mmシリコンチューブを用いて架橋し、断端間の距離は、1、3、5mmとなる3群を作成した(各群n=11)。評価項目として、内視鏡による喉頭運動の観察(術直後、5週、10週、15週)、組織学的評価(トルイジンブルー染色による光学顕微鏡、電子顕微鏡)等を行った。その結果、喉頭運動の観察では1mm群では9/11(81.8%)、3mm群では6/11(54.5%)、5mm群では3/11(27.3%)で、観察期間中に喉頭運動が認められた。ただし、15週の観察期間終了時において喉頭運動の回復が確認できたものは各群とも1/11(9.1%)のみであり、その大部分が観察期間中に運動が消失した。組織学的評価では、各群とも有髄神経の再生が認められたが、その数や太さは1mm群>3mm群>5mm群の傾向があった。以上の結果より、ラットの反回神経において5mmまでの欠損距離の再生が可能であることが確認された。現在、DFATを用いることで神経再生がより促進されるか検討中である。本研究は、反回神経切断ラットにおいて脱分化脂肪細胞(DFAT)を充填したチューブを移植することで、その神経再生治療効果を検討するものである。昨年度までに反回神経切断モデル動物の作出及び、1型コラーゲン充填シリコンチューブを用いた反回神経の再生を行なっている。また、評価項目として、喉頭運動の確認、誘発筋電図検査、組織学的評価を行う予定であるが、これらの評価法についても技術は習得できている。すでにDFAT細胞を用いた実験も行なっており、現時点での研究計画は概ね順調に進展している。ただし、DFAT細胞を用いた実験は、至適な細胞濃度の確立が必要とされるため、今後も頭数を増やした実験が必要と考えられる。I型コラーゲン充填シリコンチューブにおいて、欠損長5mmまでの反回神経再生が確認できていることから、このチューブ内にDFATの移植を行い、神経再生促進効果を確認、検討する予定である。そして、その結果を踏まえて、最適な細胞濃度なども確認していく予定である。また、1型コラーゲン単独実験において一度回復した喉頭運動が再び消失することについては、やはり過誤再生などが原因として考えられるが、その時期および、その局在についても検討したい。1型コラーゲン充填シリコンチューブを用いた実験において、ラットの反回神経は5mmまでの欠損距離の再生が可能であることが確認された。そこで、6mm長のシリコンチューブ内にDFAT含有コラーゲンを注入し、これを用いてラット反回神経の再生実験を行なったが、コラーゲン単独と比較して優位な改善は認められなかった。原因としてチューブ素材の限界や、細胞濃度の問題が考えられた。今後様々な細胞濃度やチューブ素材を変更した実験を行う予定である。当該年度は予備実験を行い、本実験への移行期間であり、試薬などの購入を次年度へ見送ったため。今後、本実験において、各種試薬や機材、消耗品、また電子顕微鏡の施設利用費などが必要となる。今年度は、昨年度までに購入した物品を使用して実験を行なっている。そのため、試薬などの消耗品の使用資金が少なくなった。次年度以降は頭数を増やし実験する予定となっており、実験動物、試薬などの消耗品や、学会発表、論文作成資金に充てる予定であり、大幅な繰越金はないと考える。
DNA認識切断機能を有するエンジインモデルの分子設計および合成研究

これまでの研究で我々は、DNA認識切断活性物質のモデルとして、硫黄を含む10員環エンジイン化合物などのモデル化合物を合成し、そのDNA切断活性を検討した。これらは塩基性条件でDNA切断活性を示すという重要な特性を持っているが、これ以外のトリガーを備えておらず、またDNA塩基配列の認識や親和性などの特性を示す置換基を持たないため、天然薬物に匹敵する活性は示さない。これらの研究を有用な人口エンジインモデルの開発へ発展させるため、分子力場計算を用いて上記の化合物の誘導体の設計を進め、本年度は、エンジインのエン部分に芳香環を持つ化合物を設計し、合成した。これらの化合物は、非環式のエンジインモデルであり、また架橋エンインアレン形成をトリガーとするDNA切断分子のモデルでもある。合成に関して重要な点は、エン部分の合成の際にシスエインジインを優先的に形成することにある。この目的のために現在最も一般的に用いられている方法は、シスジクロロエテンを原料とし、パラジウム触媒を用いる合成法であるが、この方法は、経済性および大量合成の点で不十分なものである。そこで、我々の目的とする化合物の合成のために、非環式シス-エンジインの構築法を新たに開発した。この方法によれば非環式エンジインの大量合成が可能であり、また、芳香環部分の置換基の異なる種々の誘導体の合成が可能である。さらに、基本的にこの方法を用いて、多種類の環状エンジインモデルの合成を実施中である。以上のようにして確立された合成方法は、今後機能性部位を備えたエンジインモデルを設計・合成しようとする我々の研究の展開にとって極めて有用なものとなった。
顕微光応答法による金属／ワイドギャップ半導体界面の不均一な劣化機構の2次元評価

本研究では我々が独自に開発した2次元評価法(界面顕微光応答法)が、ワイドバンドギャップ半導体上に形成した電極の劣化機構の解明、欠陥評価に適応できることを実証した。GaN,及びIGZO上の電極の高電圧印加劣化、GaN、SiC表面のイオン注入、エッチング損傷、更にGaN,SiC基板上の大きな構造欠陥(クラック、ヒロック、ドメイン粒界)の評価において、本手法が高感度に2次元評価できることを明らかにした。本研究では我々が独自に開発した2次元評価法(界面顕微光応答法)が、ワイドバンドギャップ半導体上に形成した電極の劣化機構の解明に適応できることを実証することが目的である。本研究ではGaN、及びSiCショットキー電極に高電圧印加、又は熱処理を行い、デバイスの実動作環境における劣化過程を評価する。さらに、未結合手をもたないグラフェン層を電極界面に保護膜として介在させた構造の信頼性に対する有効性も明らかにする。本年度は高電圧印加装置の立ち上げ、SiC、GaNショットキー接触を作製し、電極の熱劣化、高電圧劣化を評価することに注力した。電極の熱劣化に関しては、Ni/n-SiC,Ni/n-GaN電極を400-600°Cで熱処理を行い、界面反応の初期的な状態を2次元像として可視化することができた。この結果は電流-電圧特性の変化と対応しており、実デバイスに埋もれた金属/半導体界面を非破壊で評価出来るという、他の手法では実現出来ない有効性を示すものとなった。高電圧印加の実験はNi/n-GaN電極に対して行い、部分的な劣化を確認した。H27年秋の応用物理学会で研究成果を報告した。従来は他大学に高電圧印加を依頼していたが、装置の購入により、効率的に実験を進められた成果が早急な学会発表に結びついた。グラフェン膜の形成においては、研究分担者である橋本教授がn形SiC基板を真空中で通電することにより、良好なグラフェン膜を形成できる条件を確立した。3kVのソースユニットを購入し、10 fA台の低ノイズレベルで高電圧を印加できる測定系を構築した。SiC,及びGaNショットキー電極を作製し、熱劣化、高電圧印加による劣化を界面顕微光応答法により2次元評価した。また、当初は予期していなかった、n-GaNにNイオン注入、又はドライエッチングをした表面損傷や、酸化物半導体上に形成した電極、及びSi/SiCの半導体/半導体ヘテロ界面を高感度で評価できることも発見した。これらの成果はSSDM国際学会、JJAP論文誌に採択された。グラフェンの形成に於いても理論計算を含めて基礎検討が進捗した。このように本課題はH27年度中に21件の全国大会での発表(招待講演3件を含む)、4件の国際学会、2件の学術論文の業績を挙げており、当初の計画以上に進展していると考えられる。初年度は高電圧印加装置の立ち上げ、SiC、GaNショットキー接触を作製し、電極の熱劣化、高電圧劣化を2次元評価することに注力した。H28年度は上記検討に加え、半導体表面の損傷や結晶に粒界を多く持つ3C-SiC上のNi電極、及び酸化物半導体であるIGZO上に形成した電極の電圧印加劣化の2次元評価を新たに行った。損傷の評価においては、GaN表面を部分的に塩素系ガスでドライエッチングし、その上にNi電極を形成した試料では、エッチングの損傷を明瞭に像として表すことができた。さらに、SiC表面にNイオンを選択的に注入した試料でも、注入の損傷を可視化することができた。不均一な結晶の評価では、4H-SiC上に3C-SiCを成長した試料では、結晶粒界を光電流の像として示すことが出来、粒界では障壁高さが低いことが明らかとなった。通電劣化の評価では、液晶パネル用のトランジスタとして実用化されているIGZO上の電極に高電圧を加え、電極端から劣化することを可視化し、電流ー電圧特性との相関を示した。これらの結果は本手法が電極面内の電気的特性を非破壊で2次元的に評価出来る特徴が大いに役立っていることを示すものである。一方、グラフェンを介在したNi/SiC電極も作製に成功し、グラフェンがNi電極からはみ出している部分でも2次元像が得られ、電極端面の加工の評価にも本手法が有効であることを示した。評価対象の材料は当初のGaN,SiCだけでなく、IGZOといった酸化物半導体にまで範囲を広げている。Si/SiCの半導体/半導体ヘテロ界面を高感度で評価できることも発見した。検出できる物理現象としては、熱劣化、通電劣化だけでなく、イオン注入、又はドライエッチング時の表面損傷にも有効であることを示した。これらの成果はIWN,SSDM等の国際学会、JJAP、PPS(B)の論文誌に採択された。さらにグラフェンを介在した電極作製にも成功し、2次元評価だけでなく、理論計算を含めて基礎検討が進捗している。

このように本課題はH28年度中に18件の全国大会での発表(招待講演1件を含む)、7件の国際学会(招待講演1件を含む)、2件の学術論文、1件の特許出願の業績を挙げており、当初の計画通りに進展していると考えられる。本研究では我々が独自に開発した2次元評価法(界面顕微光応答法)が、ワイドバンドギャップ半導体上に形成した電極の劣化機構の解明に適応できることを実証することが目的である。本研究ではGaN、及びSiCショットキー電極に高電圧印加、又は熱処理を行い、デバイスの実動作環境における劣化過程、及び結晶欠陥等の不均一性の原因を評価する。初年度は高電圧印加装置の立ち上げ、H28年度は半導体表面の損傷や、結晶に粒界を多く持つ3C-SiC/4H-SiC上のNi電極、及び酸化物半導体であるIGZO上に形成した電極の電圧印加劣化の2次元評価を行った。H29年度はGaN,SiC,Ga2O3の材料で幅広い成果を得ることが出来た。GaNでは、ICPエッチングによる微量な損傷を高感度に検出することができた。また、表面モフォロジーの違いによる炭素の取り込み量の変化も、抵抗率の違いとして2次元評価に成功した。損傷の評価においては、Si基板上に成長したAlGaN/GaN構造でクラック、ヒロックの影響を可視化できた。更に、印刷法でGaN表面に形成したAg電極の評価にも有効であることを示した。SiCでは、6H-SiC基板上の3C-SiC層を評価し、粒界で障壁が低下することを明らかにした。また、Ni/SiN/SiCのMIS構造では、高電圧印加による劣化の初期過程の評価に成功した。Ga2O3の評価ではTi,Fe電極の熱劣化過程を可視化し、400度C以上で急激に劣化が進行することを明らかにした。このように、本手法を用いるとワイドバンドギャップ半導体の幅広い材料系の電極に対して、劣化、結晶性との相関をマクロな視野で2次元評価出来ることが実験的に実証された。本研究では我々が独自に開発した2次元評価法(界面顕微光応答法)が、ワイドバンドギャップ半導体上に形成した電極の劣化機構の解明、欠陥評価に適応できることを実証した。GaN,及びIGZO上の電極の高電圧印加劣化、GaN、SiC表面のイオン注入、エッチング損傷、更にGaN,SiC基板上の大きな構造欠陥(クラック、ヒロック、ドメイン粒界)の評価において、本手法が高感度に2次元評価できることを明らかにした。H28年度はGaNパワーデバイスの実用化において重要な課題である高電圧印加による電極の劣化をNi/n-GaNを中心として進め、国際学会(IWN2016)に投稿する予定である。また、当初予期していなかった研究成果である、GaN表面のドライエッチングによる損傷の評価、n-SiCにNイオンを注入した損傷の評価、酸化物半導体上に形成した電極の通電劣化の評価に関しても国際学会(ISCSI-VII、CSW)で報告する予定である(採択済み)。グラフェン膜の評価は、n-SiC基板上に形成したグラフェンにNi薄膜を蒸着し、グラフェン介在電極構造の2次元評価を進める。H29年度はGaNパワーデバイスの実用化において重要な課題である高電圧印加による電極の劣化において、ショットキーダイオード、および電界効果トランジスタにリアルタイムで電圧を印加しながら2次元像を撮影した結果を中心として進め、国際学会(SSDM)に投稿する予定である。また、粒界をもつ3C-SiC
境界要素法による構造/音場連成振動問題の高精度解析法の開発とその応用

境堺要素法がもっとも適している応用分野の一つは,本研究で取り上げた線形方程式系で支配される場の問場である.特に,無限の広がりを正確に考慮することが必要となる振動問題では,境界要素法はその特長を最大限に発揮できる.本研究では,構造/音場の連成振動問題に境界要素法を適用し,他の数値解法では計算不可能となる問題をも精度良く解析できる汎用解析システムを開発することを目的とした.具体的な目標としては,自動車の車内騒音および車外騒音などの解析とこれらを用いた新しい騒音低減法の開発を挙げることができる.構造物との連成振動により生ずる騒音の低減は,工学的に極めて重要な課題である.本研究では,弾性板の定常曲げ振動問題に対する境界要素法について考察を行なった.境界積分方程式には,弾性板の静的曲げ問題の基本解を近似基本解として得られる積分方程式を正則化して用いた.これにより,積分方程式中のすべての積分が通常のGaussの数値積分公式で評価でき,高次要素による離散化が容易になる.境界を通常の境界要素により離散化し,領域は領域要素により離散化する.定式化の過程では減衰項も考慮しており,曲げ振動問題への減衰の影響についても解析が可能である.このような定式化に基づき弾性板の定常振動問題を境界要素法により解析する高精度なプログラムを開発した.さらに,同じ正則化技法を非定常動弾性解析に応用した.この解法は板の面内振動の解析に適用できる.今後は,構造物と音場の振動問題に対してそれぞれ開発した解析プログラムを結合し,構造/音場の連成振動問題を解析する境堺要素法プログラムを開発する.また,感度解析が行えるようにプログラムを拡張し,最適設計に適用できるシステムを目指して研究を進める.境堺要素法がもっとも適している応用分野の一つは,本研究で取り上げた線形方程式系で支配される場の問場である.特に,無限の広がりを正確に考慮することが必要となる振動問題では,境界要素法はその特長を最大限に発揮できる.本研究では,構造/音場の連成振動問題に境界要素法を適用し,他の数値解法では計算不可能となる問題をも精度良く解析できる汎用解析システムを開発することを目的とした.具体的な目標としては,自動車の車内騒音および車外騒音などの解析とこれらを用いた新しい騒音低減法の開発を挙げることができる.構造物との連成振動により生ずる騒音の低減は,工学的に極めて重要な課題である.本研究では,弾性板の定常曲げ振動問題に対する境界要素法について考察を行なった.境界積分方程式には,弾性板の静的曲げ問題の基本解を近似基本解として得られる積分方程式を正則化して用いた.これにより,積分方程式中のすべての積分が通常のGaussの数値積分公式で評価でき,高次要素による離散化が容易になる.境界を通常の境界要素により離散化し,領域は領域要素により離散化する.定式化の過程では減衰項も考慮しており,曲げ振動問題への減衰の影響についても解析が可能である.このような定式化に基づき弾性板の定常振動問題を境界要素法により解析する高精度なプログラムを開発した.さらに,同じ正則化技法を非定常動弾性解析に応用した.この解法は板の面内振動の解析に適用できる.今後は,構造物と音場の振動問題に対してそれぞれ開発した解析プログラムを結合し,構造/音場の連成振動問題を解析する境堺要素法プログラムを開発する.また,感度解析が行えるようにプログラムを拡張し,最適設計に適用できるシステムを目指して研究を進める.
糖鎖分解酵素の遺伝子変異による基質認識の変化とその解明

β-ガラクトシダーゼは、非還元末端糖鎖のβ-1、4-ガラクトシドを切断する酵素で、その遺伝子欠損症に、GM1ガングリオシドーシス及び、モルキオB病がある。その多様な表現型は、同一遺伝子の変異によるものであり、酵素の基質認識の変化が体内の異常物質の蓄積の量、種類の違いを引き起こすと考えられる。この研究では、正常cDNA及びモルキオB病の点変異W273L、及びガングリオシドーシスの点変異I51T(成人型)、R201C(幼児型)、G123R(乳児型)の各々のcCNAをバキュロウィルス系に発現させ、その発現蛋白の基質特異性の変化を検討することにより、β-ガラクトシダーゼの変異による基質認識の違いと病態との関係を解明することを目的とした。正常及びモルキオB病W273Lの発現蛋白は得られたが、ガングリオシドーシスの点変異の発現蛋白は全て、分泌されずに細胞内に留まった。これらの点変異はバキュロウイルス発現系では、恐らく糖鎖の異常を引き起こしたと思われる。正常及びモルキオB病W273Lの発現蛋白を前駆体蛋白84kDa、成熟体蛋白64kDaに精製分画しその特性を検討した。1)正常の前駆体蛋白と成熟体蛋白では、様々な物理的特性(Km値、至適pH値、界面活性剤に対する影響等)に違いがあり、各々固有の値を持っていた。2)W273Lの前駆体蛋白のKm値は正常と同じだが、Vmaxは20分の1に低下していた。3)W273Lの成熟体蛋白は、活性を全く失っていた。4)さらに基質アナログの一つであるp-aminophenylβ-D-thiogalactopyranosideに対する結合能も低下していた。5)W273Lの前駆体蛋白は、天然基質であるGM1ガングリオシドを切断したがモルキオの蓄積物であるケラタン硫酸は殆ど切断しなかった。モルキオB病が、ガングリオシドーシスのように重篤な知能障害を引き起こさないのは、脳に蓄積するCM1ガンドリオシドの認識部位であるβ1-4ガラクトースを変異前駆体蛋白が認識出来ていることによるものと思われる。β-galactosidaseは、糖鎖のβ-1,4,galactoseを切断する酵素であり、この欠損症には、GM1ガングリオシドーシス及び、モルキオB病がある。これらの疾病は同一酵素でありながらその点変異により症状が全く異る。これはその点変異により基質の認識部位が変化し、基質の切れ残りである蓄積物が異るためと考えられている。しかしながらこの証明はなされておらず、これらの点変異をバキュロウィルスの系で蛋白を発現させ、合成基質(4MU galactopyranoside)及び天然基質(GM1ガングリオシド、ケタラン硫酸、アスパラギン糖鎖由来多糖)との特性を検討することを試みた。しかしながらGM1ガングリオシドーシスより同定された点変異(A、B、I)では、残念ながら分泌蛋白は得られず、モルキオB病から同定された点変異(F)のみ、発現蛋白の分泌がみられた。

この“F"変異蛋白を精製し、今年度は、4MU galactopyranosideに対するKm値を正常のβ-ガラクトシダーゼと比較検討し、次の知見が得られた。1)正常酵素は、前駆体蛋白(84kD)及び成熟体蛋白(64kD)の両方が発現されたが、“F"変異酵素は前駆体蛋白(84kD)のみが発現された。2)“F"変異蛋白は、基質アナログであるp-aminopheny1 β-D-thio galactopyranosidseに対して、正常の5倍の結合能の低下が認められた。3)正常酵素の前駆体蛋白(84kD)と成熟体蛋白(64kD)の合成基質に対するKm値は、それぞれ0.5mM、0.25mMであり、成熟体蛋白の方が親和性が高い。4)“F"変異蛋白のKm値は0.5mMで、これは正常酵素の前駆体蛋白と同じであった。5)正常酵素はまた、界面活性剤のchapsによって活性が上昇するが、前駆体蛋白のKm値を0.5mMから0.25mMへと変化させる。6)正常酵素の前駆体蛋白をトリプシン処理し、成熟体蛋白とし、そのKm値を測定すると同様に0.5mMから0.25mMへ変化した。7)“F"変異酵素の前駆体蛋白をトリプシン処理し成熟体蛋白にすると活性が失われた。β-ガラクトシダーゼは、糖鎖のβ-1、4ガラクトースを切断する酵素であり、この欠損症には、GM1ガングリオシドーシス及びモルキオB病が存在する。これらの表現型の違いはその遺伝子変異により、基質の認識部位が変化しその基質の切れ残りが各々異なった臓器に蓄積されると考えられている。GM1ガングリオシドーシスでは、脳にGM1ガングリオシドが蓄積され、重篤な知能障害を引き起こす。またモルキオB病では、脳にGM1ガングリオシドは蓄積せず、尿中にケラタン硫酸の排泄がみられ、骨の病気として現われる。本年度はこれら蓄積物である天然基質がこの変異酵素によって実際切断できるかを検討した。作年度、正常及びモルキオB病由来のW273L変異酵素を、前駆体蛋白及び成熟体蛋白に分画精製したバキュロウィルス発現蛋白を用い、GM1ガングリオシド及びケラタン硫酸サッカライドの基質親和性を測定した。天然基質のGM1ガングリオシド、ケラタン硫酸サッカライド及びアスパラギン結合型糖鎖のオリゴ糖は、NaB3H_4法によりトリチウムラベルした。蛋白とトリチウムラベルした基質をバッファー中で37°C、1時間または、16時間反応後TLCにより分離し、遊離のガラクトースをシリカゲルと共に掻き取り、シンチレーションカウンターにて測定した。その結果、1)GM1ガングリオシドの正常蛋白の前駆体及び成熟体蛋白に対するKm値は、同じく約0.3mMであったが、W273L変異の前駆体蛋白によるKm値は、約0.6mMであった。2)アスパラギン結合型糖鎖のオリゴ糖は、正常、W273L変異蛋白とも同様に切断した。3)ケラタン硫酸サッカライドに対するKm値は、正常蛋白も3mMと高く、W273L変異蛋白では、殆ど切断されなかった。これらの結果は、臨床的に脳に障害はなく尿中にケラタン硫酸が認められるという知見と発現蛋白の検討結果と一致した。
水生昆虫群集を用いた湿原生態系モニタリングの確立

本研究では、平成6年の上半期に羽化トラップを中心とした野外でのデータ収集を行い、下半期にこれまで湿原内のさまざまな環境で採集した水生昆虫類を整理し具体的な解析を加えた。平成6年6月28日7月10日、9月5日9日に釧路湿原国立公園環境庁担当者らと連絡をとりながら羽化トラップの設置実験を行った。湿原内の池糖環境を中心に羽化トラップの実際の設置を行い、データの集積を行った。羽化トラップは、(1)水面上に設置するブイ型(底面積0.25m^2、高さ35cm)と(2)湿原上に設置するネット型(底面積0.13m^2、高さ30cm)の2種の羽化トラップを使用した。羽化トラップは湿原内の水環境と関連した植生タイプごとに設置した。(A)ミズゴケを主体にした池糖地帯:(A-1)表面に水は溜まっていないが湿っている、(融雪期には水が溜まっている)、(A-2)浅い池糖(水深20cm程度)、(A-3)深い池糖(水深30cm以上)、(B)湿原内の湧水流(細流)、(C)スゲ帯:(C-1)よく湿った部分(植生の下に水がある)、(C-2)比較的乾燥した部分、(D)ヨシ帯:(D-1)よく湿った部分(植生の下に水がある)、(D-2)比較的乾燥した部分、(E)開放水面をともなう大きな水塊:(E-1)沈水植物などがある部分、(E-2)抽水植物がある部分それぞれに地点に適したタイプの羽化トラップを310個設置する。羽化トラップは一定時間ごとに回収した。また羽化トラップと並行してから最高最低温度計と自記温度計による生息環境の水温測定を行った。また記録が少ない晩秋の採集記録を補足するため10月3日7日にはライトトラップによる一般採集も行った。現在、種の同定を含んだ結果の解析中であるが、従来湿原生態系の環境単位としてとらえられた植生のみならず、水環境のつくりだす水温環境の多様性と生物相の多様性との間にきわめて密接な関係が存在することが明らかになりつつあり、水温環境を環境単位としての認識するための定量的なデータの蓄積と解析が今後必要であると考えられる。
ヒト神経疾患モデルマウスの作成

本研究の目的は、ヒト神経疾患の病因や発症機序を解明するためのモデル動物を開発し、解析することである。そのために2つの方向から研究を進めてきた。1つは遺伝子工学と発生工学の手法を用いたヒト神経疾患解析モデルマウスの開発であり、他の一つは、慢性的な過程をたどる神経細胞壊死を起こす実験モデルの開発である。前者の研究では、P1ファージのcre- l oxP組換え系を用いて、中枢神経系の特定の細胞で時期特異的に目的の遺伝子の組換えを起こすシステムの開発に成功した。プロゲステロン受容体とCreリコンビネースの融合タンパクであるCrePRがプロゲステロンアンタゴニストにより活性が誘導されることを確かめた。次に、部位特異的に組換え酵素Creを発現するマウスを作成するために、小脳顆粒細胞に選択的に発現するNMDA受容体チャネルε3サブユニットと小脳プルキンエ細胞に特異的に発現するグルタミン酸受容体チャネルδ2サブユニット遺伝子を選択し、これらの遺伝子の制御下にCrePRを発現するノックイン型のマウスを作成した。Cre組換え酵素活性によって、lacZ遺伝子が発現するトランスジェニックマウスとこれら変異マウスとを交配したレポーターマウスを用いて、アンチプロゲステロンRU486により遺伝子組換えが誘導されることを確認した。これらのマウスを用いることにより、成体における神経細胞特異的な遺伝子発現調節が可能になり、病態モデル作成への道が開けた。後者の研究では、慢性的な経過をたどり神経細胞が変成壊死する緑内障をモデルに選び、その再現モデル動物の作成を進めてきた。まず、慢性的高眼圧モデルを作成するためのマウス眼圧測定法を開発した。さらに長期にわたりマウスの眼圧を高められる方法を開発した。一方、一過性の虚血で引き起こされる神経細胞の壊死にNMDA受容体チャネルが関与していることをノックアウトマウスを用いて明らかにした。本研究の目的は、発生工学の手法を用いて、ヒト神経疾患解析モデルマウスを系統的に作成する方法を開発することである。このために、P1ファージのcre-loxP組換え系を用いて、中枢神経系の特定の細胞で時期特異的に目的の遺伝子の発現を抑制し、外来の変異遺伝子を発現させるシステムを開発する。このシステムは、コンディショナルなターゲッティングと誘導可能なトランスジェニックマウスの技術を組み合わせたものである。これまでに、組換え酵素creを発現するマウスを作成するために、小脳顆粒細胞に選択的に発現するNMDA受容体チャネルε3サブユニットと小脳プルキンエ細胞に特異的に発現するグルタミン酸受容体チャネルδ2サブユニット遺伝子を選択し、これらの遺伝子の制御下にcreを発現するノックイン型のベクターを作成した。これらのベクターをES細胞TT2に導入し、複数の標的組換えを起こしたES細胞を選択した。さらに、それぞれの細胞をマウス胚に移植し、キメラマウスを作成した。現在これらキメラマウスのうち生殖系列遺伝するものを検索している。一方、標的にする遺伝子として、家族性パーキンソン病の原因遺伝子として同定されたα-Synuclein、脊髄小脳変性症、歯状核赤核・淡蒼球ルイ体萎縮症の原因遺伝子であるSCAl、およびDRPLA遺伝子を選択した。それぞれの遺伝子のマウスカウンターパートを得るために、プローブ用のマウスcDNAクローンを検索している。

このために、P1ファージのcre-loxP組換え系を用いて、中枢神経系の特定の細胞で時期特異的に目的の遺伝子の発現を抑制し、外来の変異遺伝子を発現させるシステムを開発する。このシステムは、コンディショナルなターゲッティングと誘導可能なトランスジェニックマウスの技術を組み合わせたものである。これまでに、部位特異的に組換え酵素creを発現するマウスを作成するために、小脳顆粒細胞に選択的に発現するNMDA受容体チャネルε3サブユニットと小脳プルキンエ細胞に特異的に発現するグルタミン酸受容体チャネルδ2サブユニット遺伝子を選択し、これらの遺伝子の制御下にcreを発現するノックイン型のベクターを作成した。これらのベクターをES細胞導入し、標的組換えを起こしたES細胞を選択した。さらに、それぞれの細胞をマウス胚に移植し、キメラマウスを作成した。これらのマウスから生殖系列遺伝する系統を確立した。これらのマウスでは、小脳顆粒細胞、プルキンエ細胞各々で、あらかじめcreリコンビネースの認識配列を持つ標的遺伝子を欠損できることを明らかにした。一方、歯状核赤核・淡蒼球ルイ体萎縮症の原因遺伝子であるDRPLA遺伝子のマウスカウンターパートを得てその構造を解析した。現在ヒト変異DRPLAcDNAをノックインしたターゲティングベクターを作製している。本研究の目的は、ヒト神経疾患の病因や発症機序を解明するためのモデル動物を開発し、解析することである。そのために2つの方向から研究を進めてきた。1つは遺伝子工学と発生工学の手法を用いたヒト神経疾患解析モデルマウスの開発であり、他の一つは、慢性的な過程をたどる神経細胞壊死を起こす実験モデルの開発である。前者の研究では、P1ファージのcre-loxP組換え系を用いて、中枢神経系の特定の細胞で時期特異的に目的の遺伝子の組換えを起こすシステムの開発に成功した。プロゲステロン受容体とCreリコンビネースの融合タンパクであるCrePRがプロゲステロンアンタゴニストにより活性が誘導されることを確かめた。次に、部位特異的に組換え酵素Creを発現するマウスを作成するために、小脳顆粒細胞に選択的に発現するNMDA受容体チャネルε3サブユニットと小脳プルキンエ細胞に特異的に発現するグルタミン酸受容体チャネルδ2サブユニット遺伝子を選択し、これらの遺伝子の制御下にCrePRを発現するノックイン型のマウスを作成した。Cre組換え酵素活性によって、lacZ遺伝子が発現するトランスジェニックマウスとこれら変異マウスとを交配したレポーターマウスを用いて、アンチプロゲステロンRU486により遺伝子組換えが誘導されることを確認した。これらのマウスを用いることにより、成体における神経細胞特異的な遺伝子発現調節が可能になり、病態モデル作成への道が開けた。後者の研究では、慢性的な経過をたどり神経細胞が変成壊死する緑内障をモデルに選び、その再現モデル動物の作成を進めてきた。まず、慢性的高眼圧モデルを作成するためのマウス眼圧測定法を開発した。さらに長期にわたりマウスの眼圧を高められる方法を開発した。
炎症と腸内フローラに基づく自閉症モデルの病態生理解析

自閉スペクトラム症(ASD)は、社会性の異常を中心とする脳の発達障害である。我々は、ASDモデルマウスであるBTBRマウスが、抗生物質処理にかかわらず野生型B6系統よりも多くの発声を発し、異常なコミュニケーションパターンを示すことを明らかにした。ネオマイシン処理は雄B6およびBTBRマウスにおいてのみUSV数を増加させたが、ミノサイクリンはいずれの群においても総発声数に影響を及ぼさなかった。雌のUSV総数に有意な抗生物質効果は認められなかった。しかし、雌のUSVタイプの詳細な分析では、ミノサイクリンはB6マウスのNSタイプの割合を減少させ、MJタイプを増加させた。これらの結果は、周産期の抗生物質投与が、系統と性別に依存して、タイプと数に影響することを示している。細菌叢組成に対する抗生物質投与の効果に関しては、ネオマイシンはミノサイクリンより多くの細菌種/属を減少させることにより大きな影響を及ぼすと考えられた。両抗生物質はビフィズス菌を減少させる。ビフィズス菌は、腸粘膜バリアの改善および腸内リポ多糖類を含む一連の有益な健康効果を発揮する可能性がある哺乳類腸微生物叢の主要なプロバイオティクス成分の一つである。ネオマイシンは微生物相および仔のUSVに大きな影響を及ぼした。これらの結果は、脳腸相関の根底にあるシグナル伝達機構を考える上で興味ある。本研究では、周産期に投与された2種類の異なる抗生物質の母親の微生物相の組成に及ぼす影響と仔の発声に対するそれぞれの影響を評価した。我々の結果は、抗生物質投与が系統と性別に依存してUSVコールの種類と数に影響することを示した。この行動への影響は脳内の活性化ミクログリアの特異的変化を伴っており、両方の過程は、周産期の間の母親の腸内フローラ障害によって引き起こされる異常な神経炎症性プロフィールと相関している可能性がある。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。自閉症は社会性相互作用やコミュニケーションの異常、限定、反復する行動、興味、活動などを主な症状とする小児の精神疾患で、脳の発達障害である。自閉症は遺伝的寄与が他の精神疾患に比べて高いが、環境要因をはじめとする非遺伝学的な要因も考えられる。一方、ヒト遺伝学的解析から様々な遺伝子変異やゲノム異常がその原因として知られ、それらのモデルマウスの作製が行われている。BTBRマウスはマウスの一系統であるが、自閉症モデルマウスの中で、行動科学的にはもっとも典型的な自閉症様行動を示すことが知られている。このBTBRマウスにおける炎症、さらには腸内細菌がどのようになっているのか、また行動異常にどのように関わるのかを明らかにすることを目的とする。自閉症患者では主たる社会性の障害の他に胃腸障害が頻繁に見られるが、我々の研究室では、その視点から免疫系及び腸内フローラに関わる研究を行っている。その過程で理研バイオリソースセンター(BRC)が所有するBTBRマウスが自閉症様行動を示すだけでなく、炎症系の異常があることを明らかにしている。BTBRマウスでは、脳内、末梢のリンパ系および腸管において炎症反応が高まっている。腸管内の免疫系の異常が腸内フローラを変化させ、結果的に脳に影響を与えるといういわゆる脳腸連関の破綻が原因であるという仮説を立てている。本研究では、腸内フローラの解析も含めて、炎症の視点で病態メカニズムを明らかにしようとするものである。理研バイオリソースセンター(BRC)由来BTBRマウスと米国ジャクソン研究所(JAX)由来BTBRマウスでは、脳形態および行動表現型が異なることを見出した。各BTBRモデルマウスの超音波蹄鳴数の計測による社会性コミュニケーションの評価、脳形態、および腸内フローラの解析を行ったところ、BTBR (BRC)とBTBR (JAX)に違いが存在することがわかった。

我々の結果は、抗生物質投与が系統と性別に依存してUSVコールの種類と数に影響することを示した。この行動への影響は脳内の活性化ミクログリアの特異的変化を伴っており、両方の過程は、周産期の間の母親の腸内フローラ障害によって引き起こされる異常な神経炎症性プロフィールと相関している可能性がある。炎症によるミクログリアの活性化の観点から、胎生期にミノサイクリン投与し、超音波蹄鳴数の計測による出生後の行動の評価、メタゲノム解析による腸内フローラの評価、また免疫組織化学による新生児期の脳形態の評価を行う。この実験プロトコールを野生型、自閉症コピー数多型モデル(Dup15q)、BTBR (BRC)、BTBR (JAX)の各マウスに適応する。これらの体系的な実験により、脳内の炎症と自閉症様行動との関連を腸内フローラを介して理解することを目指す。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。