hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
遺伝子操作によるヘパラン硫酸鎖構造の変換による血管新生の制御とその機構の研究

血管新生に作用する細胞増殖因子、FGF-2,VEGF, HGFとヘパラン硫酸との相互作用の性質が、これらの因子の活性発現に、さらに各因子の特異な活性制御に重要であるとの仮説のもとに、1)ヘパラン硫酸上の結合構造を同定し、各々異なること、ウロン酸2位とグルコサミン6位のO硫酸化反応が特異構造を決定していることを示した。2)これらの反応を触媒する硫酸転移酵素を均一精製し、さらにcDNAをクローニングし、4種類の異なる遺伝子産物であり、さらにアルタナティブスプライシング機構によるイソフォームを入れて、合計で5種類あることを示した。3)これらのレコンビナント酵素の基質特異性を検討して、それぞれに異なること、何れもがFGF-2,VEGF, HGFのヘパラン硫酸結合構造の合成に関与する可能性を示した。4)これらの酵素の発現や活性を細胞レベルで制御してヘパラン硫酸構造を特異的に撹乱する方法の確立を目指し、トラスフェクションによる酵素の過剰発現は期待したヘパラン硫酸構造の変化をもたらした。アンチセンスRNA発現や非活性酵素強制発現によるヘパラン硫酸硫酸化抑制の可能性を検討し、他のゴルジ体構成分子との局在の相違や相互作用などを考慮する必要が分かった。5)ヘパラン硫酸構造を撹乱した時、FGF-2,VEGF, HGFのシグナル伝達に異常が起こる可能性を、細胞レベルでHGFによるERKのリン酸化について検討した。さらに血管新生への影響の可能性について、ショウジョウバエの6-0-硫酸転移酵素発現抑制によりFGF-2シグナルと気管形態形成の異常を観察して確認した。6)血管新生in vitroモデル細胞培養系におけるレコンビナント酵素により合成した細胞増殖因子特異結合構造をもつヘパラン硫酸オリゴ糖の添加による阻害効果を観察し、仮説の妥当性を確認した。ヘパラン硫酸6-O-硫酸転移酵素(HS6ST)について、cDNA解析により計3種類のイソフォームより成ることを明らかにした。最初に得た精製酵素に最も高い相同性を示すHS6ST-1の他に、全く異なる遺伝子に由来する2種類(HS6ST-2,-3)が存在し、各々、ウロン酸構造を異にする基質特異性をもち、組織により発現が異なる、従って組織特異的なヘパラン硫酸鎖構造の生合成に極めて重要であると思われた。既に単離に成功しているHS2STとこれら3種類のHS6STイソフォームのcDNA配列の相同性からの情報を合わせて、共通の硫酸基ドナーであるPAPSの結合部位に対応するアミノ酸配列モチーフを特定し、各々の酵素について、モチーフ中の一個のアミノ酸置換により発現酵素活性は何れも零になること、またこれらの変異酵素の発現により細胞がもともと持つO-硫酸化酵素の活性が30%にまで低下するいわゆるドミナントネガティブ効果を誘起することを明らかにした。一方の基質、糖鎖との結合活性部位については、米国、NIHのNegishi博士との共同研究でX線回折による3次元酵素構造をもとに予測し、遺伝子組み換えにより、基質特異性を置換した酵素を発現、ヘパラン硫酸構造の改変を目指した。現在、結晶化に必要な活性のある可溶性のレコンビナント酵素を多量に発現させる条件を4種類について検討中である。既に上記の変異O-硫酸化酵素遺伝子を血管形成能のある細胞系に導入・発現させて、ヘパラン硫酸鎖の構造変化を特異分解酵素-抗体-高速液体クロマトグラフィーによる分析システムで解析し、一部については予想した構造変換したヘパラン硫酸鎖をもつプロテオグリカンが合成されることを確認した。アンチセンス遺伝子の導入効果についても、同様な効果を確認中である。

遺伝子導入方法として計画したウイルスによる方法は既に技術的に確立し、また今後の展開を考え、発現ベクターとして誘導性ものを試作している。1)遺伝子操作によるO-硫酸転移酵素活性の制御方法の開発:クローニングに成功した4種類のヘパランO-硫酸化酵素、HS2STとHS6ST-1,-2,-3のcDNAをもとに、これらの酵素の活性を、異なる3種類の方法、i)強制発現により上昇、ii)硫酸基ドナー、PAPSの結合部位アミノ酸置換により非活性の変異酵素の発現によるドミナントネガティブ効果により抑制、iii)アンチセンス発現により抑制、により制御の可能性をみた。培養細胞ではリポゾームによる遺伝子導入法を、組織や動物レベルでは、レトロウイルスによる遺伝子導入法を適応した。いずれの系においても遺伝子導入後の各酵素活性の上昇、また低下を観察した。しかし、細胞や組織の種類により効率と程度は大きく変動した。このような酵素活性の変動に対応する細胞が合成するヘパラン硫酸鎖構造の変化を検討した。微量で解析可能とするポストラベリング法を確立して解析し、有意な変動を確認した。ただ、数十倍の酵素活性の変動があってもわずかなヘパラン硫酸鎖構造の変化しか観察できない例もあった。目標とするヘパラン硫酸鎖構造の自在な人工改変には、他の要素、例えば、酵素の局在、糖鎖合成酵素とのバランスなどを考慮する必要があることが分かった。上記の4種類の酵素の詳細な基質特異性も加えて検討の必要性が出てきた。VEGF,FGF-1,FGF-2,HGFなどの血管新生に関与する細胞増殖因子のヘパラン硫酸との結合には異なる構造が必要なことを明らかにし、遺伝子導入した細胞について細胞表面ヘパラン硫酸鎖への結合が糖鎖構造の変化にともなって変化することを確認し、FGF-2については、期待したように細胞の細胞増殖因子に対するレスポンスが影響を受けることを観察した。2)ヘパラン硫酸鎖構造の改変による血管新生の人工制御のモデル実験系の確立:1)で開発した方法を適応して目標を達成するため、以下のような血管新生の人工制御を目指す解析モデル実験系を採用した。ヒト臍帯血管内皮細胞(HUVEC)やウシ大動脈血管内皮細胞(BAE)の培養系では細胞増殖への効果を、ラット大動脈から遊走する細胞による系では、増殖遊走活性を、さらにヒト細胞株(hMEC-1)のマトリゲル上培養系では管腔形成能への影響を観察し、既に上記の系の一部について遺伝子導入によってヘパラン硫酸鎖構造が変化することを確認した。1)ヘパラン硫酸鎖構造改変による細胞増殖因子活性の調節ヘパラン0-硫酸化酵素(HS2STとHS6ST-1,-2,-3)活性の遺伝子操作による活性制御の研究中にHS6ST-2には、プライスド形(HS6ST-2Sと命名)が存在し、オリジナル型はむしろ脳などに特異であり、スプラシスド型の広い分布を見出した。従って、ヘパラン硫酸6-0-硫酸化には4種の酵素の関与があり、ターゲット組織におけるこれらの発現を考慮する必要があることが分かった。昨年度に明らかにした遺伝子導入細胞においてin vitroで観察された酵素活性の変動に見合うヘパラン硫酸構造の変化が観察されない原因を解析した。
高齢義歯装着者の義歯清掃指導プログラムの作成と指導効果の判定

口腔内の健康の維持・増進は心身の健康の維持・増進に密接な関係がある。高齢者では義歯使用者が多く、義歯の適切な清掃は口腔の健康維持、全身的な健康維持になくてはならないものである。これまでの研究の中で、歪ゲージを貼付し校正を行った義歯用ブラシを作製し臨床上使用できることを確認した。さらに実際に義歯用ブラシを測定に使用した。義歯用ブラシで負荷される力の測定は、義歯用ブラシの柄にひずみゲージを貼り、4アクティブゲージ法で行った。測定では、ひずみゲージからの出力を増幅した後、A/Dコンバターを経由しデジタル信号とし、パソコンに記録した。義歯用ブラシにより負荷された力の最大値、ストローク毎の最大値の平均、10秒間のストローク数などで評価を行った。磁気センサー型指タッピング装置による指の機能評価を行った。指の機能評価には、30秒間、なるべく大きく早く指を動かしてタッピング動作をする課題を与えた。今回は義歯用ブラシによって義歯に加えられる力と指のタッピング動作との関連を中心に検討を加えた。すなわち、高齢義歯装着者を対象に、磁気センサー型指タッピング装置による指の機能評価、義歯清掃時に義歯用ブラシで負荷される力、義歯清掃に関する意識調査を行った。解析は、距離波形から、速度波形、加速度波形を作成し評価を行なった。指のタッピング運動と口腔内や義歯の汚れとの関連が示唆された。適切な口腔清掃が行えるかいなかの指標として、指の機能評価を使用できると考えられる。この指標をもとに清掃指導を行っているが、さらなる検討が必要である。口腔内の健康の維持・増進が心身の健康の維持・増進に密接な関係がある。本研究では、義歯装着者が義歯装着者の義歯清掃状況を調査して、適切な義歯清掃を阻害する因子を明確化することを本研究の第一段階と位置づけ、研究を行っている。総義歯清掃測定システムの構築は、既存の歯みがき力測定システムを使用して構築を行った。義歯用ブラシは手用歯ブラシと構造および把持部を構成する材料の機械的特定が異なるために、校正を行うにあたり条件設定に種々の工夫を行った。測定に使用する義歯用ブラシは2箇所に植毛されており、別個に校正を行った。臨床的に問題のない測定精度で測定が行えることがわかった。義歯シミュレータの作製については、平面試料はレジン製平面試料を作製した。平面試料の表面は滑沢な平面と紙やすりで表面を粗造にした平面の2種類、すなわち3種類の平面試料を用いることにした。立体試料については試作を行っている。被検者が使用している義歯の特徴には大きなばらつきがあり、義歯の清掃に関する個々人の特徴が判定できる立体試料を試作中である。擬似プラークについては、数種の糊、着色料、接着剤を用いて試作を行った。試作した擬似プラークを被検者に用いて試験的に使用しているが、義歯清掃の難易度を2段階にするために2種類の擬似プラークを採用することになる。口腔内の歯を磨くという動作と比べて義歯を磨くという動作では、義歯用ブラシにより試料に加えられる力はかなり大きいことがわかった。歪ゲージを貼付し校正を行った義歯用ブラシを前年度に作製し臨床上使用できることを確認した。

本年度は義歯用ブラシによって義歯に加えられる力と指のタッピング動作との関連を中心に検討を加えた。すなわち、高齢義歯装着者を対象に、磁気センサー型指タッピング装置による指の機能評価、義歯清掃時に義歯用ブラシで負荷される力、義歯清掃に関する意識調査を行った。磁気センサー型指タッピング装置による指の機能評価では、30秒間、なるべく大きく早く指を動かしてタッピング動作をする課題を与えた。解析は、距離波形から、速度波形、加速度波形を作成し評価を行なった。義歯用ブラシで負荷される力の測定は、義歯用ブラシの柄にひずみゲージを貼り、4アクティブゲージ法で行った。測定では、ひずみゲージからの出力を増幅した後、A/Dコンバターを経由しデジタル信号とし、パソコンに記録した。義歯用ブラシにより負荷された力の最大値、ストローク毎の最大値の平均、10秒間のストローク数などで評価を行った。指のタッピング運動と義歯清掃時にブラシにより加えられる力との関連が示唆された。高齢者の口腔清掃状況の低下を考えるときには、汚れに認識、汚れを適切に除去する器用さなどが大きくかかわっていると思われる。適切な口腔清掃が行えるかいなかの指標として、指の機能評価を使用できると考えられる。それぞれの評価の関連を今後詳細に検討する必要がある。口腔内の健康の維持・増進は心身の健康の維持・増進に密接な関係がある。高齢者では義歯使用者が多く、義歯の適切な清掃は口腔の健康維持、全身的な健康維持になくてはならないものである。これまでの研究の中で、歪ゲージを貼付し校正を行った義歯用ブラシを作製し臨床上使用できることを確認し、実際に義歯用ブラシを測定に使用してきた。それとともに、義歯用ブラシによって義歯に加えられる力と指のタッピング動作との関連を中心に検討を加えてきた。そこで本年度はさらにこの関連について検討を推進した。得られた結果からは、高齢者の口腔清掃状況の低下を考えるときには、汚れを適切に除去する器用さなどが大きくかかわっていると思われる。
温度傾斜による表面自己組織構造の伝播プロセスの制御

われわれは、表面の不純物濃度や温度を傾斜させることで表面の非線型反応性を制御することを目的として、表面反応の動的な解析を行うのに必要なリアルタイムイメージングシステムを開発し、複雑な化学過程を直接捉える試みを行った。リアルタイムイメージングシステムについては、昨年度ほぼ完成し、本年更に、改良を加えた。主な改良点は、1.冷却CCDカメラを装着し、高感度で像観察できるようにした。2.蒸着源を改良し、より正確に蒸着できるようにした。3.電子線源を取り付けて、電子励起2次電子像を観測できるようにした。こうした改良により、Si(111)表面にAuを蒸着したもので、AuのX線励起PEEM像の画像化することに成功した。全電子を用いて、画像化しているが、現左X線源を改良し、調整を進めることで、エネルギー選別光電子スペクトル像測定を試みている。さらに電子線源を取り付け、サンプルバイアスを変化させることで、Auger電子放出顕微鏡(AEEM)を可能とした。Agの昇華過程とAgアイランド上の傾斜化過程の観察を行った。Agアイランドの昇華過程を電子線励起2次電子像(SEEM像)により観察し、それに伴う傾斜構造の形成過程を調べた様子を示した。周辺から昇華し、それに伴い、Agのアイランドの厚みに傾斜が生じている。傾斜や厚みについては、今後、さらに詳細に解析する必要がある。
機能性高分子材料を用いた象牙質再石灰化療法の確立

F以外にも種々のイオンを徐放するS-PRGフィラー溶出液およびS-PRGフィラー含有歯磨剤に着目し、これらをエナメル質と異なり、脱灰抑制および再石灰化が困難な象牙質に適用させた際の状態変化を、超音波パルス法を用いて検討した。その結果、歯質を透過する縦波音速は経時的に上昇する傾向を示すとともに、SEMおよびレーザ顕微鏡観察では象牙細管の閉鎖が認められたことから、S-PRGフィラーは象牙質の脱灰抑制および再石灰化促進に寄与する可能性が示された。隣接面に及んだ根面齲蝕の修復操作は困難なことから,広範囲な実質欠損となる前の初期段階で再石灰化療法を行い,根面齲蝕の進行を抑制することが重要となる。一方,根面齲蝕が多発する高齢者においては全身的な問題から治療に制限を受けることも多く,フッ化物配合歯磨剤などを応用することで齲蝕リスクのコントロールが行なわれている。しかし,これらのホームケア製品の効果は,患者個人の実行性やブラッシングの手技に影響を受けるとともに,歯磨剤に含まれるフッ化物濃度にも制限がある。そこでF以外にもSiあるいはSrなどのイオンを徐放するS-PRGフィラー含有歯磨剤に着目し,この歯磨剤を象牙質に適用させた際の状態変化を,超音波パルス法を用いて検討した。ウシ抜去歯歯根部象牙質をブロックとして切り出したものを超音波測定試片とし, 1EDTAで10分間脱灰した後,人工唾液に保管(Control群)2EDTAで10分間脱灰した後,SーPRG含有歯磨剤希釈液に10分浸漬後,人工唾液に保管(PRG群)3EDTAで10分間脱灰した後,フッ化物含有歯磨剤希釈液に10分間浸漬後,人工唾液に保管(F群)の3条件のpHサイクルを1日2回,28日間適用した。これらの試片の超音波の縦波音速を求めることで,象牙質の状態変化を経時的に測定した。その結果,Control群では,縦波音速は実験開始前と比較して低下する傾向を示した。一方,PRG群およびF群では,実験期間の延長に伴い縦波音速が上昇する傾向が認められるものの,その傾向はPRG群で大きいものであった。このように,PRG群で縦波音速の上昇が大きかった原因としては,歯磨剤中のSーPRGフィラーから放出される種々のイオンが,象牙質に効率的に作用することで,象牙質の脱灰抑制および再石灰化に影響を及ぼした可能性が示された。多種のイオンを徐放するPRGフイラー溶出液を歯質に作用させた場合の状態変化を,超音波透過法を用いて検討した。また,SEMならびにレーザー顕微鏡観察を併せて行い,考察資料とした。ウシ抜去歯の唇側エナメル質および象牙質をブロックとして切り出した後,耐水性SiCペーパーで研磨した。このブロックを37°Cの人工唾液へ浸漬するのに先立ち,0.1M乳酸緩衝液(pH4.75)を用いて10分間脱灰する条件(以後,De群)およびPRGフイラー溶出液(PRG-14,松風)を10分間作用させた後,乳酸緩衝液で脱灰する条件(以後,PRG群)を設定し,このサイクルを1日2回,28日間行った。また,コントロールとして実験期間を通じて人工唾液への浸漬のみを行った群(以後,Control群)を設定した。これらサイクルを施した試片に対して,超音波測定装置を用いて縦波音速を求めた。さらに,所定期間の浸漬が終了した試片について,通法に従ってSEM観察を行うとともに,レーザー顕微鏡を用いて表面性状の経時的変化を観察した。その結果,De群では,他の条件と比較して経時的にその音速が減少する傾向が認められた。一方,PRG群では,エナメル質および象牙質試片ともに音速が増加する傾向が認められた。この歯質を透過する音速の変化は,PRGフイラー溶出液が脱灰抑制あるいは再石灰化に影響を及ぼしたことを示すものと考えられた。また,SEMおよびレーザー顕微鏡観察像からは,エナメル質ではPRG群で脱灰を示す像は観察されず,PRGフイラー由来と考えられる付着物あるいは析出物が認められた。一方,象牙質においてはDe群で象牙細管の漏斗状拡大が観察されたが,PRG群では象牙細管の開口あるいは閉鎖している像などが混在して認められた。以上の結果から,PRGフイラー溶出液は,歯質の脱灰抑制効果および再石灰化促進に寄与する可能性が示唆された。本研究を発展,遂行するために必要な機能性高分子材料(PRGフィラー)に関しては,開発者からの知識あるいは技術的協力も得られており,また,超音波測定に対する手技も確立されていることから,おおむね順調に進展している。

H24年度の実験によって得られたPRGフィラー溶出液による歯質の状態変化の基礎的データ(脱灰抑制および再石灰化能)をもとに,PRGフィラーを応用したGIOMER修復システムが歯質に及ぼす影響について,ヒト抜去歯に作製した齲蝕モデルを用いて検討を進める。PRGフィラーを応用したGIOMER修復システムが,エナメル質および象牙質の脱灰および再石灰化に及ぼす影響を検討するため,歯質脱灰用試薬およびGIOMER修復システムを購入する。また,脱灰および再石灰化程度を観察するために必要な超音波測定関連消耗品およびSEMおよびレーザ顕微鏡観察用消耗品の購入に対して研究費を使用する。さらに,得られた研究成果を論文にて発表するのにかかる費用に使用する。
胎盤特異的転写因子GCMa/1は胎盤の発達、維持機構にどのように関与するか?

Glial cell-missing (GCM)遺伝子はキロショウジョウバエの神経系のグリア細胞分化決定の最初の調節因子の遺伝子である。哺乳類では2種類のホモログが同定されている。そのうちの1つ,GCMa/1は胎盤にのみ発現する転写因子である。この因子は胎盤のsyncytiotrophoblastへの分化に必要である。GCMa/1の欠損が胎盤の発育不全による胎生致死となる。基礎的なツールとしてマウスモノクローナル抗体の作成を試み,大腸菌や昆虫細胞に強制発現させたhGCMa/1を認識する2クローンを得た。この抗体はWestern blottingでヒトとマウスの胎盤内因性のGCMa/1を認識した。GCMのニワトリのオーソログ(chGCM)をクローニングした。chGCMはニワトリの胚発生の時期に一過性にのみ発現し,しかもその発現は胚外組織に限定されていた。他の種のGCMタンパク発現との比較のために,成鶏の種々の臓器でのchGCMの発現をRT-PCR法で調べた。出生後,マウスでは発現臓器として甲状腺が報告されているが,chGCMでは検出できなかった。面白いことに,chGCMは卵巣に検出された。これはNorthern blottingでも確かめた。この発現の意味するところは不明である。GCMがニワトリも哺乳動物も胚発生の時期に胚外組織に発現しているということは,GCMタンパクの胚外での機能がトリと哺乳類に保存されていることを示している。リアルタイムRT-PCR法によって,いくつかの妊娠時期における胎盤でのGCMa/1遺伝子の発現を調べた。GCMa/1RNAは調べた時期全体に一定量存在したが,妊娠後期は若干少ない傾向が見られた。大腸菌に強制発現させたhGCMa/1タンパク質を精製し,これを抗原にしてウサギポリクローナル抗体を作製した。この抗体はウエスタン法で大腸菌や昆虫Sf21細胞に強制発現させたhGCMa/1やヒト胎盤のhGCMa/1だけでなく,マウス胎盤の同タンパク質をも認織した。この抗体を使って組織検索を行ったところ,hGCMa/1は胎盤のcholionic villiにのみ存在していること,hGCMa/1とhGCやエストロゲン合成酵素の局在の一致していることが明らかになった。これはhGCMa/1が,発達した胎盤がつくるhGCやエストロゲン構成酵素などのタンパク質の発現を支配するというこれまでの研究成果を強く支持するものである。ポリクローナル抗体では今後の研究の継続的な使用に難があるため,hGCMa/1に対するマウスモノクローナル抗体の作製を試みた。その結果,大腸菌や昆虫Sf21細胞に強制発現させたhGCMa/1,並びにヒトとマウスの胎盤のGCMa/1を認識するモノクローナル抗体を2株得ることができた。これらモノクローナル抗体の性質については現在検討中である。この抗体がマウスのGCMa/1も強く認識することから,マウスで胎盤以外の組織での発現についても検討中である。ヒトCancer Arrayを用いて,ヒトの正常・腫瘍組織での本タンパク質mRNAの発現状況について検討した。その結果,hGCMa/1 mRNAの発現は極めて局在しており,正常組織では胃や卵巣の一部に検出されるのみであった。また,強く発現している直腸がんが1例あった。ニワトリのGCMオーソログをcDNAライブラリーからクローニングし,塩基配列を決定した。ニワトリの胚発生期における発現分布をRT-PCR法で調べたところ,GCMオーソログは初期胚外組織に局在することを見つけ,ヒトとニワトリでの機能の共通性が強く示唆された。

胎盤の分化発達に関与するGCMa/1を含む転写因子が明らかになりつつある現在,これらの転写因子の正常な発達過程での動態と病態における変化について知ることは,病態原因の解明,治療法の開発の点からも重要な課題である。今年度は正常妊婦と妊娠中毒症妊婦の胎盤を使って,GCMa/1のタンパク質とmRNAの動態を調べた。正常妊婦分娩直後の胎盤でのGCMa/1の発現をモノクローナル特異抗体で調べた。数ヶ所摘出してウエスタンブロットしたところ,どの部位でも弱いながら同等のGCMa/1が検出された。このことを確認するために,胎盤からRNAを調製し,RT-PCRを行なったところ,同様の結果が得られた。GCMa/1は胎盤のどこかの部分に偏って発現していないと考えられ,しかも胎盤機能終了期まで発現し続けていることが確認された。GCMa/1の発現動態を定量的に調べるために,胎盤から調製したRNAからcDNAをつくり,このcDNAについてreal-time PCRを行なった。定量条件を決めたあと,妊娠中毒症の胎盤から得られたmRNA量を測定した。予備的な段階であるが,妊娠中毒症胎盤のmRNA量は正常に比較して若干低い傾向が見られた。検体数を増やし,正常胎盤との週期の補正が必要であるが,この発現量の差が妊娠中毒症の原因になっているのかも知れない。GCMa/1のマイクロアレイでの解析を行なったところ,正常妊婦と妊娠中毒症妊婦の胎盤の2群間での比較検定では,有意差は認めなかった。しかしながら,検体数が少ないのが原因かも知れない。
スピン軌道結合磁性体における異常スピン電磁応答

2018年度は強いスピン軌道相互作用を有する磁性体における新規量子物性として磁気輸送現象や磁化ダイナミクスの理論研究を進めた。トポロジカルに非自明なバンド構造と磁気秩序の双方を有する物質である強磁性ワイル半金属においては、通常の磁性金属と対象的に巨大な磁気抵抗効果を有することを明らかにした。特に通常の強磁性金属では磁壁を貫く電流が一様な場合とほぼ同じであり、磁気抵抗効果が極めて小さいのに対し、強磁性ワイル半金属の場合は磁壁の幅によらず大きい磁気抵抗効果が得られることを数値シミュレーションを用いて示した。磁壁などの磁気テクスチャーの運動を電気的に制御することはスピントロニクスの重要な課題であるが、強磁性ワイル半金属に対しては、磁気テクスチャーの構造が創発磁場として表されることを明らかにして、これを用いて磁壁の運動に伴う電流の解析的な表式を導出した。強磁性ワイル半金属において電流誘起スピントルクを導出した。これはスピン軌道相互作用に起因する非断熱項でありその大きさは通常の金属に比べ一桁大きいことがわかった。電流によって駆動する磁壁の速度を見積もり今後の実験に対する指針を与えた。トポロジカルディラック半金属は非磁性物質であるが、固有のトポロジカルなバンド構造に伴う特殊な磁気応答を理論的に発見した。通常の伝導体ではゼーマン相互作用によりスピン磁化が発生し、一方、ローレンツ力によって軌道磁化が発生する。これに対して、トポロジカルディラック半金属においてはゼーマン相互作用によって軌道磁化が、ローレンツ力によってスピン磁化が発生することを明らかにした。特にその応答係数が波数空間におけるディラック点の相対位置だけで決まるという、トポロジカルな性質があることを示した。一部の理想化されたトポロジカル物質における磁気モーメントと電荷の結合現象を解析的に記述することに成功したため、理論解析が計画よりも早く進んだ。7本の論文を出版した。最終年度となる今年はトポロジカル物質の近接効果による量子輸送現象の研究を進める。一つの例として非磁性物質であるトポロジカルディラック半金属に強磁性体の電極を接合した系では、バルクは非磁性であるにも関わらず異常ホール効果の実現が期待される。同様にワイル半金属に超伝導状態である電極を接合した形では表面に現れるマヨラナモードが伝導に寄与することが期待される。これらの現象を非平衡グリーン関数の方法を用いた理論を構築し、数値シミュレーションを用いて定量的に評価する。初年度に当たる29年度は、磁性ワイル半金属の磁気抵抗効果の理論的研究に着手した。通常の強磁性金属は局在スピンが急峻な変化を持つとき大きい磁気抵抗効果を有することが知られているが、有限の幅のドメインウォールを通過する際には磁気抵抗効果は著しく低下する。今年度は磁性ワイル半金属の磁気抵抗効果を数値シミュレーションの方法を用いて解析した。当方的なスピン軌道相互作用からなるワイル半金属の場合にはドメインウォールの幅によらず強い磁気抵抗効果を有することを明らかにした。一方、異方的なスピン軌道相互作用の場合には磁気抵抗効果はドメインウォール幅が有限になると低下することがわかった。また、磁性ワイル半金属において、局在スピン磁化が時間変動した際の電荷ダイナミクスの問題を扱った。ドメインウォールや磁気渦、スカーミオンなどのテクスチャーは電荷と強く結合しており、テクスチャーが時間変動する際には、それに伴って電流が発生することを明らかにした。CrI3の原子層物質は単層の場合に強磁性秩序を有することで、最近注目を集めている。これが2層構造を有するときにはそれぞれの層が逆のスピン磁化を示し、反強磁性状態になることが知られている。今年度はこの2層反強磁性体において、電界効果によって有限のスピン磁化を生成することを検証した。第一原理計算から有効スピン模型の結合定数を印加電場の関数として求め、全スピン磁化を温度の関数として計算を行なった。この結果、転移温度近傍では全スピン磁化が電場によって強く生成されることを見出した。上で述べた研究は概ね順調に進んでいる。磁気ドメインウォールに働くスピントルクを解析的に導出し、電場誘起スピントルク効果を格子模型を用いて数値的に検証した。ここまでは予定通りである。乱れの効果を検証するための大規模シミュレーションは次年度に持ち越された。

トポロジカルディラック半金属は非磁性物質であるが、固有のトポロジカルなバンド構造に伴う特殊な磁気応答を理論的に発見した。通常の伝導体ではゼーマン相互作用によりスピン磁化が発生し、一方、ローレンツ力によって軌道磁化が発生する。これに対して、トポロジカルディラック半金属においてはゼーマン相互作用によって軌道磁化が、ローレンツ力によってスピン磁化が発生することを明らかにした。特にその応答係数が波数空間におけるディラック点の相対位置だけで決まるという、トポロジカルな性質があることを示した。一部の理想化されたトポロジカル物質における磁気モーメントと電荷の結合現象を解析的に記述することに成功したため、理論解析が計画よりも早く進んだ。7本の論文を出版した。今後はトポロジカルディラック半金属と呼ばれる物質を用いた、局在スピン磁化の電気的制御の問題に着手する。この物質はフェルミ準位がゼロの場合にはバルクの伝導率がゼロになることが知られており、低エネルギー損失のスピントロニクスデバイスへの応用が期待できる。量子系の実時間発展の理論形式を用いて、電場によってスピン流が発生しる様子と、それが近接する強磁性体のスピン磁化を反転する機構を研究する。最終年度となる今年はトポロジカル物質の近接効果による量子輸送現象の研究を進める。一つの例として非磁性物質であるトポロジカルディラック半金属に強磁性体の電極を接合した系では、バルクは非磁性であるにも関わらず異常ホール効果の実現が期待される。同様にワイル半金属に超伝導状態である電極を接合した形では表面に現れるマヨラナモードが伝導に寄与することが期待される。これらの現象を非平衡グリーン関数の方法を用いた理論を構築し、数値シミュレーションを用いて定量的に評価する。初年度、大規模数値シミュレーション用のワークステーションを購入予定であったが、初年度の計算は既存の計算機で行うことができた。2年度からは大規模な計算を行うため、最新のワークステーションを購入するほうが効率が良いことから、初年度のワークステーション購入を見送った。最終年度には論文投稿料が多くなることを予想して多めに残した。
事象関連脳電位を用いたプライミング効果の検討

本研究の目的は、プライミング事態で得られる事象関連脳電位(ERP)の特性を検討することであった.1.実験:SOAの効果プライムとターゲットの開始間間隔(SOA)がERPに及ぼす効果を検討した.8名の被験者にSOVの刺激文(例えば,すずめは/魚で/ない.)を呈示し,記述内容の真偽を判断させた.その際,2番目の単語が,最初の単語のカテゴリ名(SCN),異なるカテゴリ名(DCN),繰り返し(REP)の3タイプを設けた.REPを25%,SCN及びDCNをそれぞれ37.5%とし,S条件ではSとOとのSOAを200ms,M条件では800msとした.SとVとのSOAはいずれの条件も1600msとした.前年度の実験と同様,REPのOには陽性波,DCNにはN400が出現した.SOAが短い場合,陽性波は影響を受けなかったが,N400の潜時は約100ms延長した.意味レベルの処理が終了するには200msのSOAでは不十分であったためと考えられる.2.実験:プライミング促進及び抑制効果とERPプライミングの促進,抑制効果が強調される条件を設けて,各々に対応するERPの特性を調べた.10名の被験者にプライム及びターゲットを継時呈示し,ターゲットに対する語彙判断を行わせた.カテゴリ条件では,プライムにカテゴリ名,ターゲットにその事例(関連試行),その他の単語(非関連試行),または非単語(非単語試行)を呈示し,反意語条件の関連試行ではターゲットとして,プライムの反意語を呈示した.反応時間について,反意語条件ではカテゴリ条件に比べ促進,抑制効果ともに大きかった.N400には条件の効果はなかったのに対し,促進効果の増大は後期陽性成分の頂点潜時の短縮と関連していた.N400は行動指標で得られる抑制効果を直接反映しているのではないことが示された.本研究の目的は、プライミング事態で得られる事象関連脳電位(ERP)の特性を検討することであった.1.実験:SOAの効果プライムとターゲットの開始間間隔(SOA)がERPに及ぼす効果を検討した.8名の被験者にSOVの刺激文(例えば,すずめは/魚で/ない.)を呈示し,記述内容の真偽を判断させた.その際,2番目の単語が,最初の単語のカテゴリ名(SCN),異なるカテゴリ名(DCN),繰り返し(REP)の3タイプを設けた.REPを25%,SCN及びDCNをそれぞれ37.5%とし,S条件ではSとOとのSOAを200ms,M条件では800msとした.SとVとのSOAはいずれの条件も1600msとした.前年度の実験と同様,REPのOには陽性波,DCNにはN400が出現した.SOAが短い場合,陽性波は影響を受けなかったが,N400の潜時は約100ms延長した.意味レベルの処理が終了するには200msのSOAでは不十分であったためと考えられる.2.実験:プライミング促進及び抑制効果とERPプライミングの促進,抑制効果が強調される条件を設けて,各々に対応するERPの特性を調べた.10名の被験者にプライム及びターゲットを継時呈示し,ターゲットに対する語彙判断を行わせた.カテゴリ条件では,プライムにカテゴリ名,ターゲットにその事例(関連試行),その他の単語(非関連試行),または非単語(非単語試行)を呈示し,反意語条件の関連試行ではターゲットとして,プライムの反意語を呈示した.反応時間について,反意語条件ではカテゴリ条件に比べ促進,抑制効果ともに大きかった.N400には条件の効果はなかったのに対し,促進効果の増大は後期陽性成分の頂点潜時の短縮と関連していた.N400は行動指標で得られる抑制効果を直接反映しているのではないことが示された.本年度の研究目的は,ERP解析システムの作成及び単語の繰り返しの呈示確率がERPに及ぼす効果を実際的に検討することであった。1.ERP解析システムの作成TEAC製コンピュータを中心に,A/D変換器を用いて脳波データを数値化し,課題条件毎,刺激タイプ毎に加算平均処理を行ってERPを算出し,さらに,その波形をプロッタに出力する一連のプログラムを作成した。加えて,被験者間総平均波形の算出,実験操作の効果をより明瞭に示すための刺激タイプ間での差波形の算出,ERPの評価のために各成分波形の頂点を同定し振幅及び潜時を算出するプログラム,さらに,決められた潜時帯での平均電位を算出するプログラムをそれぞれ作成した。2.実験:呈示確率の効果10名の学生に刺激文(例えば,すずめは/魚で/ない。)を呈示し,記述内容の真偽を判断させた。その際,2番目の単語が,最初の単語のカテゴリ名(SCN),異なるカテゴリ名(DCN),繰り返し(REP)の3条件を設けた。Low条件ではREPを25%,SCN及びDCNをそれぞれ37.5%とし,Med条件ではREPを50%,他を25%づつとした。REPに対するERPに,潜時約400msの陽性電位が出現したが,Low,Med条件間で差がなく,呈示確率の効果は認められなかった。このことから,この陽性電位は低頻度事象に関連するものではなく,単語の繰り返しを反映していることが明らかとなった。また,DCNはSCNよりも陰性の電位を惹起したが,両タイプに対するERPも条件間で差はなく,これらの電位も呈示確率の影響を受けないことが示された。

本研究の目的は,プライミング事態で得られる事象関連脳電位(ERP)の特性を検討することであった.1.実験:SOAの効果プライムとターゲットの開始間間隔(SOA)がERPに及ぼす効果を検討した.8名の被験者にSOVの刺激文(例えば、すずめは/魚で/ない.)を呈示し,記述内容の真偽を判断させた.その際,2番目の単語が,最初のカテゴリ名(SCN),異なるカテゴリ名(DCN),繰り返し(REP)の3タイプを設けた.REPを25%,SCN及びDCNをそれぞれ37.5%とし,S条件ではSとOとのSOAを200ms,M条件では800msとした.SとVとのSOAはいずれの条件も1600msとした.前年度の実験と同様,REPのOには陽性波,DCNにはN400が出現した.SOAが短い場合,陽性波は影響を受けなかったが,N400の潜時は約100ms延長した.意味レベルの処理が終了するには200msのSOAでは不十分であったためと考えられる.2.実験:プライミング促進及び抑制効果とERPプライミングの促進,抑制効果が強調される条件を設けて,各々に対応するERPの特性を調べた.10名の被験者にプライム及びターゲットを継時呈示し,ターゲットに対する語彙判断を行わせた.カテゴリ条件では,プライムにカテゴリ名,ターゲットにその事例(関連試行),その他の単語(非関連試行),または非単語(非単語試行)を呈示し,反意語条件の関連試行ではターゲットとして,プライムの反意語を呈示した.反応時間について,反意語条件ではカテゴリ条件に比べ促進,抑制効果ともに大きかった.N400には条件の効果はなかったのに対し,促進効果の増大は後期陽性成分の頂点潜時の短縮と関連していた.N400は行動指標で得られる抑制効果を直接反映しているのではないことが示された.
脳波解析によるアロマ足浴の入眠効果に関する研究

健康な成人を対象にラベンダー精油を付加した足浴を実施し、さら湯との比較において入眠効果を明らかにするため実験を行った。性差による効果の差異も検討した。指標は、脳波解析により睡眠潜時、睡眠総時間、心電図から自律神経系活動、深部体温、睡眠状況、心地良さ、熟睡感であった。女性においてアロマ足浴実施後に交感神経活動の低下、急速な深部体温の低下がみられたことからラベンダー精油の香りによる入眠効果が示唆された。看護ケアである足浴に注目し、鎮静・リラクセーション効果があるといわれているラベンダー精油を滴下した40°Cの温湯で両足部の足浴(以下、アロマ浴と略)を行った場合の入眠効果について、生理・心理的指標を用いて、さら湯における足浴(以下、さら湯浴)との比較において明らかにする研究に取り組んでいる。測定指標は、生理学的指標として、脳波、心電図、深部体温、心理的指標として、OSA睡眠調査表、Visual AnalogScalによる熟睡感、心地よさを用いている。実験の手順は、ベッドを30度挙上した仰臥位姿勢で、両足部を外果まで浸漬する足浴を10分間実施、その後60分間の入眠許可とした。測定した脳波から入眠するまでにかかった睡眠潜時(脳波の視察にて)と睡眠総時間を算出、心電図から副交感神経活動のHigh Frequency(以下HF)、交感神経活動Low Frequency(以下LH)/HFを解析している。24年度の女性を対象にして行った実験で得られたデータの分析を進めた結果、睡眠潜時、睡眠総時間の平均は、それぞれアロマ浴530.7秒、2048.5分、さら湯浴283.3秒、1783分であったが、統計的な有意な差は認められなかった。24年度のデータ分析はほぼ終了し、さら湯浴、アロマ浴ともに生理・心理データに統計的な有意な差はみられなかった。しかし、分析可能データが6例となったため一般化は難しい。25年度は男性15名を対象にして、24年度と同様の実験を実施した。現在データ分析中であるが、睡眠潜時の平均は、アロマ浴6秒52、さら湯浴5秒04、で女性に比べて短い状況が明らかになった。しかし、両条件で有意差はなく、精油の有無には無関係であった。睡眠状況にも有意差はみられなかった。心地よさについては、アロマ浴の方が有意に高くなっていた。男性、女性ともにデータには個人的なバラツキが多かった。今回の研究の目的は、看護ケアである足浴に注目し、鎮静・リラクセーション効果があるといわれているラベンダー精油を滴下した温湯で両下腿の足浴(以下、アロマ足浴)を行った場合の入眠効果について、生理・心理的指標を用いてさら湯との比較により明らかにすることである。今回は、脳波、心電図、深部体温による生理学的指標とVisual analogue scaleを用いた熟睡感やOSA睡眠調査票による心理指標を用いて入眠効果を明らかにする実験に取り組んでいる。また性差による違いも明らかにすることを目的にしている。24年度は、まず愛媛大学大学院医学系研究科看護学専攻倫理審査委員会の倫理審査を受けるための研究計画書の作成、実験協力者の依頼および実験機器や必要物品の整備を行った。倫理審査の承認を得た後、まず20歳代の女性15名を被験者にして、さら湯の足浴(コントロール群)とアロマ足浴(アロマ群)の両方に参加してもらった。2種類の足浴を同日には実施できないため、順序効果を相殺したラテン方格法にて無作為化を図った。データの分析は脳波からは睡眠潜時、心電図からLF/HF(交感神経活動)HF(副交感神経活動)、深部体温、熟睡感はVASで数値を計算およびOSA睡眠調査票の集計を行った。25年度には同じく男性を対象者にした実験を予定しており、この結果も考慮しての詳細な分析が必要と考えるため、現時点では平均値を算出した状態であり統計的解析には至っていない。結果として、現時点では生理的データからは入眠潜時においては両群に差はなく、リラクセーション効果にも差がみられなかった。深部体温については、足浴後の入眠開始以降の深部体温の低下が両群ともに認められ、低下が緩やかであったさら湯に比べてアロマ群では深部体温が急速に低下していた。心理的データでは、アロマ足浴の方が熟睡感・心地よさともに上回っていた。看護ケアである足浴に注目し、鎮静・リラクセーション効果があるといわれているラベンダー精油を0.1ml入れた41°Cの温湯で足浴(以下、アロマ浴)を行った場合の入眠効果について、生理・心理的指標を用い温湯のみ(以下、さら湯浴)との比較において明らかにする実験研究を行った。さらに男性、女性による反応の違いについて検討した。

手順は、ベッド上で上半身を30度挙上した仰臥位姿勢で、41°Cの湯を入れた保温効果のある発泡スチロール製の箱に両足を外果まで浸漬した。評価指標は、脳波より睡眠潜時、総睡眠時間、心電図よりHF、LH/HF及び深部体温で連続測定とした。足浴後60分間の睡眠後にVisual Analog Scale(VAS)を用い熟睡感と心地良さ、OSA睡眠調査票(MA版)を用いて睡眠状況を評価した。26年度は、男性被験者を対象にした結果を分析した。被験者は15名であったが、全てのデータが得られた者は6名となった。平均年齢は22.2±0.7歳。睡眠潜時、総睡眠時間は、さら湯浴376.50秒、1836.86秒、アロマ浴397.17秒、1956.57秒で有意差はみられなかった。HF、LF/HFも有意差はみられなかった。深部体温も有意差はみられなかったが、アロマ浴がさら湯浴に比べ低く推移し足浴10分後に急速に低下、その後やや上昇し60分後に低下するという変化がみられた。睡眠状況及び熟睡感はアロマ浴が、心地良さはさら湯浴がやや良好であったが有意差はみられなかった。深部体温の変化からは、アロマ浴の方が睡眠潜時が短いと予測されたが実際には反映されていなかった。男性ではラベンダー精油を付加した足浴は、さら湯浴に比べ顕著に入眠を促す効果は認められなかったが、女性においては交感神経活動を有意に低下させること、深部体温の足浴後の低下が急激であったことから、ラベンダー精油による入眠効果が示唆された。基礎看護学実験により収集したデータの、特に脳波と自律神経系活動のHF、LF/HFの解析に時間を要している。足浴後のデータについては、10分毎の分析を追加したためそれに伴って深部温も再分析したため、時間を要した。また、対象者のデータが個人によってバラツキが大きいため、分析対象データの選択に苦慮を要した。今年度からスタートした実験であり、倫理審査、実験機器類の整備や実験手順の確立、女性被験者の確保に努めることができ、実験はほぼ予定通り実施することができ、女性被験者のデータを収集できた。また、分析に関しては統計学的解析には至らなかったが、平均値まで算出できた。しかし、途中深部体温計が故障するといったアクシデントにみまわれ、深部体温計を追加購入した。深部体温計については、被験者への負担を考慮した仕組みの製品を用いたことから特別注文となり、納品までに時間を要し15名の実験終了が予定より遅れた。そのために詳細な分析までに至らなかった。25年度の男性を対象にした実験データの分析と統計処理、また、24年度女性データ分析結果の再確認。足浴後データの10分毎の分析の追加。24年度の実験の成果は学会発表にエントリー中である。25年度の男性のデータについても成果をまとめ26年度中に学会発表へのエントリーを予定している。25年度は20歳代の男性15名を被験者として、24年度と同様の実験を計画している。男性被験者においても収集したデータの解析を予定している。25年度で男女のデータ収集を全て終える予定であり、今後両群における収集したデータの詳細な分析・比較を実施していく予定である。データ収集およびデータ解析がスムーズに進めば、研究成果の一部を学会で発表(日本看護研究学会)するための演題登録を予定している。25年度の実験が12月に終了したばかりで、今後も分析が必要であるため。また26年度は研究成果の学会発表を2つ予定している。さらにデータ分析を進めるための人件費やデータ保存のためのUSB、印刷用インクなどの消耗品の購入、学会発表のためのポスター作成や旅費に使用する予定である。
受容体を介して鉄を取込んだ破骨細胞の強磁場による動態制御:新規骨吸収制御法の開発

炎症性骨破壊や骨粗鬆症では破骨細胞の機能が亢進しており、その抑制が重要であるが、歯科矯正では逆に破骨細胞の機能を利用することにより歯槽自体の移動を実現している。また骨棘の形成により中枢神経が圧迫され麻痺を引き起こすことがあり、侵襲を伴わない部分的な骨の除去法の開発が望まれている。ところで磁場がキノコ等の増殖を促進することが知られており、メカニズムは不明であるものの生物が磁場により影響を受けることが分かっている。このような磁場による効果は生物が鉄を細胞内に取込んで利用している為に生じると考えられる。以前より、破骨細胞のマーカー酵素である酒石酸抵抗性酸フォスファターゼ(TRAP)が補酵素として鉄を使っていることと、血液中の鉄のキャリア蛋白質であるトランスフェリンの受容体(CD71)を高発現していることが知られていた。本研究では鉄を結合させた破骨細胞及びその前駆細胞を静磁場により操作することにより、骨の特定の部位に集積させ、方向性を持った効果的な骨吸収誘導を実現する方法論を確立することを目的とした。破骨細胞前駆細胞株を用いた試験内実験により、強磁場が破骨細胞分化に対して促進的に作用する傾向が認められた。また、トランスフェリンの添加により破骨細胞分化が有意に促進された。骨髄培養で形成された前破骨細胞にトランスフェリンを結合させたものを磁気細胞分離システム(MACS)を用いて分離することができた。更に、トランスフェリンを作用させたRAW-D細胞(RANKLで刺激)に磁場を作用させると、破骨細胞様多核細胞が強磁場の方向に集積して形成されることが分った。動物実験は現在進行中であり、結果が得られていないが、試験管内実験で破骨細胞を磁場の方向にひきつけることに成功しているので、有益な知見が得られるものと思われる。本研究により、骨の特定部位を標的とした骨吸収誘導が可能になるものと思われる。
個別の教育支援計画にもとづく「サポートブック」の作成・活用

1.研究目的申請者の勤務する筑波大学附属大塚特別支援学校では、「個別教育計画」(個別の指導計画よりも広い概念で、米国のIEPに近い)の作成と指導実践を通して、個々の生徒への教育的支援と当該生活の変化・成長の記録を蓄積し活用している。本研究では、学校と保護者・支援者・連携諸機関とで情報を交換し、学校教育を通して蓄積された実践情報が生徒の社会生活や卒業後の生活の支援に有効に活用されるための「情報の伝わりやすい記述法」について検討するとともに、生活支援・移行支援のための「サポートブック」を作成することを目的とした。2.研究方法保護者、生活支援・介助者、就職・職場実習受け入れ企業の担当者、福祉施設の担当者、知的障害福祉司等の関係者とともに、個別の教育支援計画の作成・活用の実践と討議を行いその記録をもとに、分析・考察した。以下の5事例を対象とし、全て保護者・本人の承諾を得て行った。(1)ガイドヘルプを利用した余暇・外出支援(2)一般就労に向けた移行支援(3)地域の作業所における現場(職場実習)に向けた移行支援(4)知的障害者入所更生施設への移行支援(5)通勤寮への入所と生活支援3.研究成果(1)「情報の伝わりやすい記述法」について各連携機関や支援者の立場により必要な情報の量・質に違いはあるが、本人がどこに行っても適切な支援を受けられるためには、本人の状態や支援内容をより具体的にわかりやすく記す必要があるとともに、可能な限り平易な言葉で記載する必要があることが明らかになった。(2)「サポートブック」について教育実践情報の中から精選し詳しく記述した情報はどれも必要性があり、生徒を受け入れる立場としては手探り状態で支援を始めることなく、手引き書として活用されたことが示された。本人を支援することはもちろん、今後は「支援者を支援する」視点も考慮に入れたサポートブックを作成していくことが課題であろう。
量子化制御理論に基づく暗号化通信制御

ディザリングとは,高解像な信号を低解像に変換する「量子化」を行なう際,ディザ信号と呼ばれる確率的な信号を用いて,量子化の影響を少なくする方法である.その方法の一つである,subtractive dither法をフィードバック制御系に用いたときの制御性能を,定量的に明らかにした.また,複数のサブシステムがネットワークを構成するマルチエージェントシステムにおいて,前述の結果を踏まえ,システムに異常が含まれている場合の検出方法について検討した.さらに,複数の車両ロボットを用いた実験を行ない,低スペックのセンサーを用いた空間認識と安価なモーターでの駆動によるフォーメーション制御を実現した.本研究では,ディザリング技術に基づく量子化制御理論の確立と,これを応用した暗号化通信制御の実現を目指している.ディザリングとは,オリジナルの信号に意図的にディザ信号と呼ばれるノイズのような信号を加える方法であり,これにより,量子化,すなわち制御信号の解像度を落とすことによる,制御性能の低下の抑制が期待できる.量子化に用いるディザ信号と,暗号化に用いる暗号鍵の類似性から,この方法を暗号化通信制御に応用することが目標である.そのための基礎研究として,平成27年度では,以下の成果を得た.(1)制御信号の量子化を行なう前でディザ信号を制御信号に加算し,さらに量子化を行なった後でディザ信号を減算する,Subtractive Ditherと呼ばれる方法をフィードバック制御系に適用した場合の制御性能について,定量的に明らかにした.その結果,通常のディザ法(Non-subtractive Dither)を用いる場合に比べて,制御信号の量子化がない理想的な制御系により近い入出力応答が得られることを示した.また,数値シミュレーションにより,システムの振る舞いから,量子化に用いたディザ信号の組み合わせを区別し得ることを示した.(2)多数の車両ロボットを平面に配置し,低スペックのセンサーを用いた空間認識と安価なモーターでの駆動によるフォーメーション制御の実験を行なった.これにより,本研究の実験検証を行なうための装置の性能を確認した.実験環境に関しては研究計画とはやや異なる点があるものの,ディザリングを用いた量子化制御技術については,国内学会で発表を行っており,目標とする暗号化通信制御の基礎ができつつあるため.本研究では,ディザリング技術を元にした量子化入力制御理論の確立と,これを応用した暗号化手法の実現を目標としている.2年目に当たる平成28年度では,1年目で得られたsubtractive ditherに関する知見をマルチエージェントシステムに適用した.マルチエージェントシステムとは,複数のエージェントと呼ばれるサブシステムがネットワークをなし,システム全体で共通のタスクを実現するシステムである.エージェントが互いに通信を行なうことで,システムが大きくなるほど通信量が飛躍的に増大する.このため,通信の量子化,すなわち本来高解像である信号を,低解像な信号に制限することによって,システムの大型化に伴う全体の通信量の増大を抑える方法を検討した.また,subtractive ditherの枠組みの中で,量子化の際に用いるディザ信号を「鍵」ととらえ,システムを構成するエージェントに対し共通のディザ信号を与え,互いのエージェントの正当性を識別できるかどうかの検証を行なった.ここで,不正なエージェント,すなわち他のエージェントとは異なる「鍵」を持ったエージェントがシステムに含まれている場合,そのエージェントの振る舞いが,元々システムとして想定していたものと異なる様子が見られると同時に,その不正なエージェントと強く結びついている近傍のエージェントについても,不正なエージェントに影響され,正常な振る舞いとは異なることを,数値シミュレーションによって確認した.当該年度ではディザリング技術の応用例として,見た目にわかりやすい例を挙げることを優先し,マルチエージェントシステムに対して適用した.しかし暗号化手法としての理論の確立が不十分であったため,明確な基準によってシステムの正当性を識別するには至っていない.本研究は,ディザリング技術に基づく量子化制御理論の確立と,これを応用した暗号化制御の実現をめざして実施した.最終年度では,特にマルチエージェントシステムの合意制御に着目し,subtractive dither法を利用した,異常検出のための評価方法の検討を行なった.エージェントと呼ばれる複数のサブシステムがネットワークを構成しているマルチエージェントシステムにおいて,エージェント間の情報交換を量子化,すなわち信号の解像度を落とすことでシステム内の通信容量を小さく抑える方法として,前年度より引き続きsubtractive ditherと呼ばれる,外部ノイズを意図的に付加する方法を用いた.この方法では,情報交換をする双方に同一のディザ信号と呼ばれる外部ノイズが用いられるときのみ,量子化による制御性能の影響を受けない.しかし,何らかの異常により,ディザ信号が一致しないとき,もしくはシステムで用いられるディザ信号を知らない第三者により,ダミーのエージェントが設置された場合,制御性能が大きく低下することが,前年度までの研究により,明らかとなった.本年度では,その制御性能を定量的に評価できる基準を明確化し,システムに異常があるかどうかを判定できるようにした.現状の結果では,異常判定が可能な概算値までは求められているものの,正確な値,すなわち,システムに異常がない場合に期待できる制御性能を示す評価値までは得られておらず,期間終了後も引き続き研究を継続する予定である.なお,本研究の成果は,システム制御情報学会研究発表講演会にて発表する予定である.ディザリングとは,高解像な信号を低解像に変換する「量子化」を行なう際,ディザ信号と呼ばれる確率的な信号を用いて,量子化の影響を少なくする方法である.その方法の一つである,subtractive dither法をフィードバック制御系に用いたときの制御性能を,定量的に明らかにした.また,複数のサブシステムがネットワークを構成するマルチエージェントシステムにおいて,前述の結果を踏まえ,システムに異常が含まれている場合の検出方法について検討した.