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よりよい理科の学習者を育むための生活科と理科を接続する科学教育カリキュラムの開発

本研究の目的は,よりよい理科の学習者を育むことを目指して,「生活科」から「理科」への接続に着目し,その在り方についての理論的・体系的な検討を行うとともに,それを支援する科学教育カリキュラムの開発を行うことである。研究期間の第3年次にあたる30年度は,次の3点を実施した。1点目は,28-29年度に開発・実践を行った小学校第4学年粒子分野に関わる一連の単元(空気や水の性質,ものの温まり方,温度変化と体積変化,水の状態変化)から構成した年間カリキュラムに関わる分析及び成果発表である。収集した知識理解,概念理解等に関する調査データの分析を行い,その成果の一部を日本理科教育学会全国大会,及び日本理科教育学会関東支部大会で公表した。2点目は,小学校第4学年及び第6学年を対象とした電気概念の理解支援に関するカリキュラム開発とその実践,及び成果発表である。電圧に関する初歩的概念を表現したモデル教材を開発し,それを実施の授業に導入した。この成果についても日本理科教育学会関東支部大会で公表した。3点目は,小学校低学年を対象とした教材に関わる先行研究の調査である。これまでに取り組んできた小学校理科に関わる概念理解支援をより強化するために,小学校低学年段階の生活科等で扱い得る教材について,先行研究に基づいて検討を行った。当初計画していたカリキュラムの開発及びその評価実践の実施が,予定通り完了しているため。研究期間の最終年度となる平成31年(令和元年)度では,これまでの研究成果を踏まえた小学校低学年を対象とした教材及びカリキュラムの検討を計画している。これまでに小学校理科における粒子概念,電気概念について長期的なカリキュラム開発を行ってきており,各種データ分析から一定の有効性を見出してきている。これを踏まえ,特に化学・物理分野を対象に,低学年段階で理解し得る教材や学習活動について検討を行う。またこれらを通して,生活科と理科を接続する科学教育カリキュラムの在り方について,総括を行う。なお,各種教材や授業デザイン,またその評価結果については,日本理科教育学会や日本科学教育学会の全国大会・支部大会・研究会等において,成果公表を行う予定である。本研究の目的は,よりよい理科の学習者を育むことを目的に,「生活科」から「理科」への接続に着目して,その在り方についての理論的・体系的な検討を行うとともに,それを支援する科学教育カリキュラムの開発を行うことである。研究初年度の28年度は,以下の3点を実施した。1点目は,現行の「生活科」及び中学年「理科」の学習指導要領,教科書に記載の教材内容や配列を精査したことである。また,生活科と理科の接続や小学校低学年期の理科・科学教育カリキュラムに関する国内外の先行研究の調査も合わせて実施した。2点目は,1点目の調査結果をもとに,特に「エネルギー」概念に着目し,「理科」が始まる小学校第3学年における計4つのエネルギー単元(風とゴム,光,電気回路,ものづくり)の年間のカリキュラムデザインを,現職小学校教員と協同で開発した。いずれの単元においても,生活科からの円滑な接続を目指して,科学絵本の導入や,実験ワークシートへの記述支援などに着目したデザインを行った。3点目として,開発カリキュラムデザインを実際の授業に導入し,実践的な評価を行った。その結果,第2学年終了時においては,エネルギー概念に関して例えば風やゴムの断片的な特徴には気付いていた児童らが,一連のカリキュラムを経験することで,「エネルギー」にはいくつかの種類があることや,それらエネルギーは変換されるといった特徴があることを理解できていたことが明らかになった。なお,一連のカリキュラムデザインやその評価の一部については,学会等での成果公表を行っている。当初計画していた教育課程の検討,先行研究の調査が概ね完了し,小学校第3学年における「エネルギー概念」の形成に着目した年間カリキュラムのデザインとその実践までを実施することができたため。研究期間の第2年次にあたる29年度は,次の3点を実施した。1点目は,28年度にカリキュラムの開発・実践を行った小学校第3学年のエネルギー分野に関わる一連の単元の評価である。計4つのエネルギー単元(風とゴム,光,電気回路,ものづくり)において収集した知識理解,概念理解等に関する調査データの分析を行い,その成果の一部を日本科学教育学会研究会で公表した。2点目は,小学校第4学年の児童(28年度に実践を行った小学校における同一の児童ら)を対象に,粒子分野に関わる一連の単元(空気や水の性質,ものの温まり方,温度変化と体積変化,水の状態変化)から構成した年間カリキュラムを開発し,実践したことである。実践の中で多角的に収集した各種調査データの分析にも着手し,成果の一部を日本理科教育学会関東支部大会で公表した。3点目は,上記の研究成果を踏まえた,生活科のカリキュラムの検討である。第3学年以降の理科で目指される概念獲得に向けて,低学年段階で必要な学習内容の検討に着手した。

1点目は,28-29年度に開発・実践を行った小学校第4学年粒子分野に関わる一連の単元(空気や水の性質,ものの温まり方,温度変化と体積変化,水の状態変化)から構成した年間カリキュラムに関わる分析及び成果発表である。収集した知識理解,概念理解等に関する調査データの分析を行い,その成果の一部を日本理科教育学会全国大会,及び日本理科教育学会関東支部大会で公表した。2点目は,小学校第4学年及び第6学年を対象とした電気概念の理解支援に関するカリキュラム開発とその実践,及び成果発表である。電圧に関する初歩的概念を表現したモデル教材を開発し,それを実施の授業に導入した。この成果についても日本理科教育学会関東支部大会で公表した。3点目は,小学校低学年を対象とした教材に関わる先行研究の調査である。これまでに取り組んできた小学校理科に関わる概念理解支援をより強化するために,小学校低学年段階の生活科等で扱い得る教材について,先行研究に基づいて検討を行った。当初計画していたカリキュラムの開発及びその評価実践の実施が,予定通り完了しているため。28年度のカリキュラムデザインの開発にあたっては,現職の小学校教員との強力な連携のもと,実施対象となった小学校第3学年の児童らの概念発達の実情に即して,当初計画していた科学絵本の導入等を柔軟に実施することができた。29年度は,引き続き同小学校との緊密な連携のもと,新たに生活科のカリキュラムデザインを行うことを計画している。さらに第4学年になった児童らを対象として,昨年度からのエネルギー概念の発達・形成を引き続き支援するとともに,粒子の分野を対象としたカリキュラムデザインにも着手する。これらのデザインにあたっては,科学絵本のほかに,国語教育研究の専門家との連携のもと,実験ワークシートの記述支援を行うことも計画している。なお,各種カリキュラムデザインやその評価結果については,日本理科教育学会や日本科学教育学会の全国大会・研究会において,成果公表を行う予定である。研究期間の最終年度となる30年度では,まず29年度に実施した粒子分野の年間カリキュラムの評価実践で収集したデータの分析を行う。対象児童が28年度の実践と同一であることから,2年間の概念獲得のプロセスについても詳細に検討を行うことを検討している。さらに,それらの成果を踏まえた,生活科のカリキュラムの開発と評価を計画している。なお,各種カリキュラムのデザインや評価結果については,日本理科教育学会や日本科学教育学会の全国大会・支部大会・研究会等において,成果公表を行う予定である。研究期間の最終年度となる平成31年(令和元年)度では,これまでの研究成果を踏まえた小学校低学年を対象とした教材及びカリキュラムの検討を計画している。これまでに小学校理科における粒子概念,電気概念について長期的なカリキュラム開発を行ってきており,各種データ分析から一定の有効性を見出してきている。これを踏まえ,特に化学・物理分野を対象に,低学年段階で理解し得る教材や学習活動について検討を行う。またこれらを通して,生活科と理科を接続する科学教育カリキュラムの在り方について,総括を行う。
知覚・認知パフォーマンスにおけるイメージの機能的特性に関する研究

本研究は2つの主題に大別することができる.1つは,視覚イメージの基本的特性を扱った研究(報告1, 2及び3)であり,他は,記憶・理解における視覚イメージの機能に関する研究(報告4及び5)である.報告1では,多角閉図形のイメージを面上に投影し開眼状態でそれを走査する条件,当該イメージを頭の中に生成し閉眼状態で走査する条件,眼前の当該図形を知覚走査する条件の3つを用い,図形線分の総長及び角数を変数として各走査時間を分析した.推定された走査速度及び直角あたり停留時間に基づき,報告2では, 3条件の速度で移動する小点を視覚追随させ,その軌跡が形づくる図形のイメージを描画させて,描画の形態性等を検討した.これらの結果から,視覚過程と視覚イメージ過程の類同性,更には視覚イメージの特性にかかわる本質的議論への接近を試みたが,なお多くが課題として残された.報告3では,仮想立体地理模型及び平面地図を用いて認知地図を形成させ,地点の再認反応時間,地点間距離判断,地点間イメージ走査,距離判断と地点間ルートの関係等を介して,空間対象的イメージ特性の検討を試みた.実験結果に当初の予測は十分反映されなかったが,次の研究展開への幾つかの示唆は得られた.報告4は,文章記憶における文章の意味的関連性と記銘方略を取り扱う中で,視覚イメージの機能を論じたものである.大学生及び小学生を被験者とし,対象の位置関係を記述した4単文からなる意味的関連及び無関連パッセージを4通りの記銘方略で記銘させ,直後及び遅延再生を求めた結果に基づき,記憶情報格納の性質及びイメージ想起リハーサルの有効性等について論じた.報告5では,日常的な状況記述文として野球実況を用い,その記憶・理解と知識水準及び先行情報との関係を取り扱ったが,イメージの機能との関わりでの議論は今後に残された.本研究は2つの主題に大別することができる.1つは,視覚イメージの基本的特性を扱った研究(報告1, 2及び3)であり,他は,記憶・理解における視覚イメージの機能に関する研究(報告4及び5)である.報告1では,多角閉図形のイメージを面上に投影し開眼状態でそれを走査する条件,当該イメージを頭の中に生成し閉眼状態で走査する条件,眼前の当該図形を知覚走査する条件の3つを用い,図形線分の総長及び角数を変数として各走査時間を分析した.推定された走査速度及び直角あたり停留時間に基づき,報告2では, 3条件の速度で移動する小点を視覚追随させ,その軌跡が形づくる図形のイメージを描画させて,描画の形態性等を検討した.これらの結果から,視覚過程と視覚イメージ過程の類同性,更には視覚イメージの特性にかかわる本質的議論への接近を試みたが,なお多くが課題として残された.報告3では,仮想立体地理模型及び平面地図を用いて認知地図を形成させ,地点の再認反応時間,地点間距離判断,地点間イメージ走査,距離判断と地点間ルートの関係等を介して,空間対象的イメージ特性の検討を試みた.実験結果に当初の予測は十分反映されなかったが,次の研究展開への幾つかの示唆は得られた.報告4は,文章記憶における文章の意味的関連性と記銘方略を取り扱う中で,視覚イメージの機能を論じたものである.大学生及び小学生を被験者とし,対象の位置関係を記述した4単文からなる意味的関連及び無関連パッセージを4通りの記銘方略で記銘させ,直後及び遅延再生を求めた結果に基づき,記憶情報格納の性質及びイメージ想起リハーサルの有効性等について論じた.報告5では,日常的な状況記述文として野球実況を用い,その記憶・理解と知識水準及び先行情報との関係を取り扱ったが,イメージの機能との関わりでの議論は今後に残された.1.イメージと記憶・理解との機能的関係については、前年度成果の続報として「文章記憶における文章相互の意味的関連性と記銘方略(【II】)」を公刊し、その中で、小学生の文章記憶は逐語的機械的格納に強く性向した段階にあり、未だ意味的論理的記憶への機能上の転換が十分でないことの反映として、たとえイメージリハーサル方略のように意味的理解への方向づけを促す記銘条件にあっても、生成されたイメージが、その方略の遂行に必然的に随伴する逐語的内言的リハーサルを一層補強する方向に機能することを述べた。このことは同時に、大学生を対象とした先の報告において、記銘パッセージの意味性及び記銘・リハーサル方略の特徴と関連づけて推論された事柄の幾つかが、矛盾するわけけではないがそのままの形で小学生に直ちに適用できないという、関係理解発達上の制約を示すものでもある。2.多角閉図形のイメージを面上に投影し開眼状態でそれを走査する条件、当該イメージを頭の中に生成し閉眼状態で走査する条件、及び、眼前の当該図形を知覚走査する条件の3つを用い、図形線分の総長及び角数を変数として、各走査時間を分析した。それに基づき、各条件での走査速度及び直角あたり停留時間を推定し、条件間の相違を手掛りに、視知覚過程と視覚イメージ過程の類同性にかかわる議論への接近を試み、学部紀要に公刊した。3.仮想直角多角閉図形の上を特定の速度及び停留時間で移動する小点を、視覚追随させて、当該図形のイメージを形成させ、そのイメージを描画させる実験を、上記2の実験的知見に依拠して予備的に試み、学部紀要に公刊した。

この試み及び上記2は、いずれも視覚イメージの基本的特性を検討することから出発したが、この目論見,論拠,解釈等に多くの課題が残った。4.視覚イメージの生成と利用に深くかかわる量子化文字パターンの識別過程について、学会でその一部を報告した。
空気中で電場駆動する高分子アクチュエータ材料に関する研究

モノマーとしてピロール,ドーパントとしてテトラフルオロホウ酸を用い,電解重合によりフィルムを作製した・フィルムの延伸は,ゾーンヒーターをクロスヘッドに取り付けた引張試験機を用いて行った。100-250°Cのヒーター温度でゾーン延伸を行ったところ,フィルムの延伸において印加張力(σ)にしきい値が存在し,それ以上で延伸倍率は張力に比例して増加した。これはポリピロール鎖の剛直性と高いガラス転移温度によるものと考えられる。延伸温度(Td)の上昇とともにしきい値は低下し,Td=150°Cおよび200°Cで約1.4倍まで延伸可能であった。延伸方向における電導度は延伸倍率とともにほぼ直線的に増加し,Td=150°C,σ=40MPaでゾーン延伸したフィルム(延伸倍率1.4)で最高327S/cmに達し,未延伸フィルム(145S/cm)に比べ2倍以上であった。また,ヤング率および切断強度も3.7GPa,149MPaに増加した。これらの結果は,ゾーン延伸によるポリピロール鎖の分子配向に起因すると考えられる。フィルム(長さ35mm,幅1mm)の変形挙動はレーザー変位計および画像センサを用いて測定した。相対湿度の上昇とともに未延伸フィルムは等方的に膨張した。次に,相対湿度50%の条件下でポテンショスタットより3Vの直流電圧を印加したところ,フィルムは電場方向に1.3%収縮しこれが可逆的に起こることがわかった。電流値は27mAであり,フィルム表面温度は8°C上昇した。フィルム近傍の相対湿度は電圧印加により急激に増加し,また電圧を切ると低下することから,フィルムがあたかも呼吸をするかのように電圧のオン・オフに応答して水蒸気を吸脱着しながら伸縮することがわかった。ここで,電場に垂直方向におけるフィルムの収縮率が3.1%(水平方向の2倍以上)に達することから,ポリピロール未延伸フィルムは等方的な構造であるにもかかわらず異方的な電気収縮挙動を示すことが明らかになった。これは,フィルムの電気収縮が単なるジュール加熱による等方的な脱水では説明できないことを意味している。一方,ゾーン延伸フィルム(Td=150°C,σ=40MPa,延伸倍率1.4)の延伸方向に3Vの直流電圧を印加したところ,未延伸フィルムに比べ高い電流値を示したが電場方向にはほとんど収縮せず,垂直方向に約1.5%収縮した。これは,ポリピロール鎖の配向によるフィルムの構造異方性を反映していると考えられる。湿度変化に対する高分子材料の変形を直接,力学的エネルギーや仕事に変換することができれば,クリーンで高効率な空中作動型アクチュエータや人工筋肉素子などへの応用が期待できる。以前我々は,導電性高分子であるポリピロールの固体フィルムが空気中で高速変形する現象を見出し,系統的な研究を行ってきた。平成13年度は,より詳細なメカニズムを明らかにするために,ピロールとメチルピロールの共重合フィルムを作製し,電導度,力学特性および湿度応答特性について検討した。実験に使用したフィルムはピロールと1-および3-メチルピロールをモノマーとし,テトラアンモニウムテトラフルオロホウ酸の存在下,電解重合により作製した。電導度は四端子法により測定し,ヤング率,切断強度,切断伸度は応力歪曲線より算出した。フィルムの伸縮挙動は,てこの原理を応用した装置を用い,レーザー変位計で測定した。151S/cmであったポリピロールフィルムの電導度は,1-メチルピロールの割合(α)の増加と共に低下し,α=0.5で4S/cmであった。これは,1-メチルピロールの導入により高分子鎖の平面性が低下したためと考えられる。一方,フィルムの引張試験において切断強度および伸度がαの増加と共に低下し,また3-メチルピロールとの共重合フィルムにおいても同様の傾向が見られることがわかった。線膨張係数(β)はポリピロールフィルムで最も大きく,メチルピロールの導入と共に低下した。これは,フィルムの疎水性が増大したためと考えられる。ここで,βがメチル基の置換位置に依存しないことから,水分子はピロール環のNH基に水素結合しているというよりは,むしろ高分子鎖全体にわたって相互作用していると考えられる。一方,フィルムの湿度応答はドープ率によっても変化し,脱ドープによりβが低下することがわかった。これは,高分子鎖の還元による疎水性の増大およびドーパントイオン濃度の減少による含水量の低下に起因すると考えられる。実験結果より,ポリピロール鎖の化学修飾および酸化状態を変化させることにより,フィルムの湿度応答性を制御できることが明らかになった。

また,ヤング率および切断強度も3.7GPa,149MPaに増加した。これらの結果は,ゾーン延伸によるポリピロール鎖の分子配向に起因すると考えられる。フィルム(長さ35mm,幅1mm)の変形挙動はレーザー変位計および画像センサを用いて測定した。相対湿度の上昇とともに未延伸フィルムは等方的に膨張した。次に,相対湿度50%の条件下でポテンショスタットより3Vの直流電圧を印加したところ,フィルムは電場方向に1.3%収縮しこれが可逆的に起こることがわかった。電流値は27mAであり,フィルム表面温度は8°C上昇した。フィルム近傍の相対湿度は電圧印加により急激に増加し,また電圧を切ると低下することから,フィルムがあたかも呼吸をするかのように電圧のオン・オフに応答して水蒸気を吸脱着しながら伸縮することがわかった。ここで,電場に垂直方向におけるフィルムの収縮率が3.1%(水平方向の2倍以上)に達することから,ポリピロール未延伸フィルムは等方的な構造であるにもかかわらず異方的な電気収縮挙動を示すことが明らかになった。これは,フィルムの電気収縮が単なるジュール加熱による等方的な脱水では説明できないことを意味している。一方,ゾーン延伸フィルム(Td=150°C,σ=40MPa,延伸倍率1.4)の延伸方向に3Vの直流電圧を印加したところ,未延伸フィルムに比べ高い電流値を示したが電場方向にはほとんど収縮せず,垂直方向に約1.5%収縮した。これは,ポリピロール鎖の配向によるフィルムの構造異方性を反映していると考えられる。
イネのシリカから発見したタンパク質はバイオミネラリゼーションに関与するか

イネはバイオミネラリゼーションによって地上部(葉身、籾殻)重量の10%にも及ぶシリカを沈積する。本研究では、イネ葉身および籾殻に形成されるシリカ(ケイ酸体)にタンパク質が含まれることを世界に先駆けて発見した。今回発見したタンパク質が他のシリカ形成生物(珪藻、海綿、ある種の細菌)と同様にシリカ形成を制御しているのか検証することが最終目標である。2017年度に引き続き、2018年度は以下に示す成果を得た。1)あきたこまち、秋田酒こまちの各葉身由来シリカから得たフッ化水素溶液可溶性画分(以降HF可溶性区)中に存在する11 kDaタンパク質をLC-MS/MSにて再解析した結果、両タンパク質の配列はアミノ酸レベルで完全に一致するという結果が得られた。2)籾殻のプロテーム解析を行った結果、前年度までに得られた籾殻クチクラタンパク質の他に、新たに籾殻シリカ由来HF可溶性区に単一の高分子タンパク質(120 kDa)が存在することが分かった。このタンパク質を効率よく可溶化する手法を確立し、120 kDaタンパク質の分子質量測定およびLC-MS/MS解析を行った。得られた配列情報を基にデータベースとの比較を行った結果、本タンパク質は既知の糖分解酵素様ドメインを有し、その分子質量から推察すると新奇のタンパク質である可能性が示された。3)上記で得られたイネ葉身シリカタンパク質および籾殻シリカタンパク質のケイ酸重合活性試験を行った。既にケイ酸重合活性を示すことが報告されている海綿シリカ由来のタンパク質Glassinとの比較を行った結果、籾殻シリカタンパク質に一定の活性が検出された。4)シリカ形成時期に高発現する遺伝子の特定を目的として、7月9月にかけて経時的に各試料(葉身、籾)を採集・調製した。当初の予定よりもイネ葉身のシリカに含まれるタンパク質のキャラクタリゼーション(特に遺伝子の発現解析等)がやや遅れ気味であることは否めないが、籾殻および籾殻シリカに関するプロテオー解析が当初の計画よりも大幅に進展した。両者を総合した結果、おおむね順調と判断した。2019年度前半において、英国・エディンバラ大学化学部Fabio Nudelman博士のもとでサバティカル研修(留学)を行うため、現地で実施する研究内容としてクライオ電子顕微鏡を用いたイネ・シリカの微細構造解析へと一部、方向転換する。現地ではクライオ透過型電子顕微鏡およびクライオ走査型電子顕微鏡を利用可能であることから、これらの機器を使用して、シリカ内におけるタンパク質の局在解析および三次元画像の構築を試みる。帰国後の2019年度後半に関しては、前年度までに得られたタンパク質および遺伝子の情報を基に、イネのバイオミネラリゼーションにおいて、特定のタンパク質が関与するかどうかを総合的に検証する。本研究では、イネ葉身および籾殻に存在するシリカ(ケイ酸体)に含まれるタンパク質のキャラクタリゼーションとその局在を調べることで、シリカ内のタンパク質がシリカ形成に関与するか明らかにすることを目的としている。初年度である2017年度は以下に示す研究成果を得た。1.イネ(あきたこまち)葉身に含まれるファン型シリカを精製・単離し、フッ化水素酸(HF)可溶性分画の二次元電気泳動分析を行った。その結果、CBBで染色されるタンパク質が見かけ上1種類しか検出されなかったため、N末端配列解析を行った。得られた配列情報を元にデータベース検索を行ったところ、前年度に秋田酒こまちから得た11kDaタンパク質(便宜上、以後ASK11と呼称)と相同性を示した。2.前年度に精製したASK11の部分配列をもとにポリクローナル抗体を作製し、ウエスタンブロット解析を行った。続いて同抗体を用いて免疫電子顕微鏡法による局在解析を行った結果、ファン型シリカ内にASK11を認識する金コロイド粒子が多数観察された。以上の結果から、同タンパク質はシリカ内部に局在することが示された。3.籾殻タンパク質のLC-MS/MS解析を行い、これまで籾殻において報告のなかった数種類の防御タンパク質群が含まれることを明らかにした。4.籾殻および葉身シリカ形成量を簡易的に調べることができる定量法を確立した。シリカに含まれるタンパク質のキャラクタリゼーション、免疫組織化学による局在解析については当初の計画以上に進展したが、cDNAライブラリーの構築等がやや遅れている。全体を平均するとおおむね順調といえる。1)あきたこまち、秋田酒こまちの各葉身由来シリカから得たフッ化水素溶液

可溶性画分(以降HF可溶性区)中に存在する11 kDaタンパク質をLC-MS/MSにて再解析した結果、両タンパク質の配列はアミノ酸レベルで完全に一致するという結果が得られた。2)籾殻のプロテーム解析を行った結果、前年度までに得られた籾殻クチクラタンパク質の他に、新たに籾殻シリカ由来HF可溶性区に単一の高分子タンパク質(120 kDa)が存在することが分かった。このタンパク質を効率よく可溶化する手法を確立し、120 kDaタンパク質の分子質量測定およびLC-MS/MS解析を行った。得られた配列情報を基にデータベースとの比較を行った結果、本タンパク質は既知の糖分解酵素様ドメインを有し、その分子質量から推察すると新奇のタンパク質である可能性が示された。3)上記で得られたイネ葉身シリカタンパク質および籾殻シリカタンパク質のケイ酸重合活性試験を行った。既にケイ酸重合活性を示すことが報告されている海綿シリカ由来のタンパク質Glassinとの比較を行った結果、籾殻シリカタンパク質に一定の活性が検出された。4)シリカ形成時期に高発現する遺伝子の特定を目的として、7月9月にかけて経時的に各試料(葉身、籾)を採集・調製した。当初の予定よりもイネ葉身のシリカに含まれるタンパク質のキャラクタリゼーション(特に遺伝子の発現解析等)がやや遅れ気味であることは否めないが、籾殻および籾殻シリカに関するプロテオー解析が当初の計画よりも大幅に進展した。両者を総合した結果、おおむね順調と判断した。前年度に達成できなかったcDNAプールの作製を中心に作業を進め、組換えタンパク質(ASK11)の大量発現をめざすとともに、タンパク質のシリカ形成活性を調べるアッセイ法を確立する実験も同時に行っていく予定である。2019年度前半において、英国・エディンバラ大学化学部Fabio Nudelman博士のもとでサバティカル研修(留学)を行うため、現地で実施する研究内容としてクライオ電子顕微鏡を用いたイネ・シリカの微細構造解析へと一部、方向転換する。現地ではクライオ透過型電子顕微鏡およびクライオ走査型電子顕微鏡を利用可能であることから、これらの機器を使用して、シリカ内におけるタンパク質の局在解析および三次元画像の構築を試みる。帰国後の2019年度後半に関しては、前年度までに得られたタンパク質および遺伝子の情報を基に、イネのバイオミネラリゼーションにおいて、特定のタンパク質が関与するかどうかを総合的に検証する。2018年3月の学会発表出張時の駐車場料金および交通費が当初の想定額よりも下回ったため。2018年度内の物品費購入等に使用する予定である。
免疫抑制薬FK506の発毛促進作用に関する研究

FK506は放線菌が産生するマクロライドでT細胞に選択的且つ強力な免疫抑制薬として知られており、臓器移植における有用性が臨床レベルで確認されている。我々は最近マウス皮膚2段階発がん実験においてホルボールエステルによる発がんプロモーション、即ち腫瘍の形成を、FK506が強く抑制する事実を見い出した。この研究の過程で我々はFK506の局所塗布によりマウス皮膚に於ける発毛が著しく促進される事実を見い出した。本研究はFK506の局所塗布による発毛促進作用をin vitro毛嚢レベルで生化学的に確認し、さらに、その発毛促進作用と免疫抑制作用との関係を明らかにする目的で行った。まずマウスに認められた発毛促進作用がマウス以外の種でも見られるか否かを検討したところ、この発毛促進作用はマウスのみでなくラットやハムスターでも認められた。FK506の発毛促進作用は経口投与では認められず、これは、臨床の場で副作用としてhypertrichosisが報告されていない事実と一致している。FK506による発毛促進作用がFK506による免疫抑制作用の結果生じたものであるか否かを細胞性及び液性の両免疫能の欠損したscidマウスを用い検討したところ、scidマウスにおいても発毛促進作用が認められ、FK506による発毛促進作用は免疫抑制の結果生じたものではないことが示された。次にFK506による発毛促進作用が毛嚢に対する直接作用であるか否かを〔^3H〕thymidine及び〔^3H〕glycineの毛嚢への取り込み実験で検討したところ、これらの取り込みがFK506により、濃度依存的に促進され、FK506の発毛促進作用が少なくともその一部は毛嚢への直接作用によるものであることが示された。さらに毛嚢を組織培養し、FK506に増殖促進作用があるか否かを検討したところ、有意な増殖促進作用が認められた。また正常ヒト皮膚片を移植したscidマウスの移植皮膚における発毛(ヒト由来の毛)がFK506で促進されるか否か、更にヒトmale-pattem alopeciaにおける発毛促進作用についても現在検討中である。
ＥＳ細胞に含まれる全能性細胞の可視化とその制御

2018年度は、KSRの類似品であるSSR(StemSure Serum Replacement)を用いた場合にも、MuERV-L陽性細胞が効率よく誘導されることを明らかにした。また、SSRの構成成分である無機塩、微量元素、アミノ酸、ビタミン、および数種の生理活性物質からチアミン、アスコルビン酸、またはインシュリンを含まないSSRを作成し、MuERV-Lの発現に及ぼす影響を検討した。その結果、アスコルビン酸を含まないSSRにおいてMuERV-L陽性細胞の割合が顕著に減少することが示された。また、インシュリンを含まないSSRにおいて、MuERV-L陽性細胞の割合が増加することが示された。さらに、SSRからインスリンを除くとMuERV-L陽性細胞が顕著に増加し、通常のSSRの半分の量加えた場合にはさらに増加し、1.5倍量加えた場合では顕著に減少することが示された。これらのことから、アスコルビン酸はMuERV-L陽性細胞の誘導を促進し、インシュリンは抑制的に働くことが明らかとなった。MuERV-L陽性細胞の遺伝子発現を網羅的に解析するために、MuERV-L陽性細胞をソーティングし、RNA-seqを行った。その結果、MuERV-L陰性細胞とKSRまたはSSRで誘導したMuERV-L陽性細胞の遺伝子発現を比較すると、MuERV-L陽性細胞において解糖系に関連する遺伝子発現が顕著に低下しているのに対して、TCA回路や酸化的リン酸化に関与する遺伝子の発現にはほとんど変化が認められないことが示された。これらのことから、MuERV-L陰性細胞と陽性細胞では、エネルギー代謝経路の変換が生じる可能性が考えられた。今後、この点について阻害剤を用いた実験を行うことにより明らかにしていく予定である。2018年度は、KSRに含まれるアスコルビン酸とインシュリンがMuERV-L陽性細胞の誘導に深く関与することを明らかにできた。また、RNA-seqにより、多能性細胞から全能性細胞の変換にはエネルギー代謝経路の変換を伴うことを示唆できた。これらのことから、本研究課題は「おおむね順調に進展している」と考えられる。前年度までに、多能性細胞から全能性細胞に変化する際にエネルギー代謝の変化を伴うことを明らかにした。2019年度は、エネルギー代謝経路を人為的に変換させることにより、多能性細胞から全能性細胞を誘導できるかどうかについて検討を行う。また、複数のマーカーを用いた「真の全能性細胞」の同定についても並行して行う予定である。
ホイスラー合金膜を用いた実用スピントロニクス素子の開発

磁気センサの感度特性を改善することのできる、高スピン分極ホイスラー合金を開発した。工業プロセスに適合した多結晶薄膜において、高い化学規則度を示す合金組成を選択し、下地材料やスペーサー材料の改善を組み合わせて、従来では20%程度であった巨大磁気抵抗比(磁気センサの出力に対応)を50%まで改善し、ハードディスクの高容量化や高感度磁気センサへの応用が期待される成果を得た。様々な組成のホイスラー合金の単結晶薄膜および多結晶薄膜を用いて、面直電流巨大磁気抵抗(CPP-GMR)素子を作製し、合金組成、薄膜の微細構造と磁気抵抗(MR)出力の関連を調査した。その結果、300Cのアニール温度において、Co2(Mn,Fe)Ge合金が多結晶薄膜において最大のMR出力を示すことが確認された。X線回折や放射光を用いた異常分散X線回折により多結晶Co2(Mn,Fe)Geの規則構造を評価した。結晶下地層の上のCo2(Mn,Fe)Ge膜はB2規則であり、その規則度はせいぜい50%であることがわかった。次に、他グループによって報告されている、極薄CoFeBTa下地層挿入によるCPP-GMRの増大メカニズムについて調査した。アモルファスCoFeBTa下地上にCo2(Mn,Fe)Ge膜を作製することにより、MR変化量が30%増大するが、その際にB2規則度がCoFeBTaを挿入しない場合の規則度50%に対し、CoFeBTa挿入によって規則度が75%まで改善されることによる効果であることがわかった。これはアモルファス上に作製されたホイスラー合金膜がナノ結晶状態からアニールにより配向多結晶に再結晶する際に、規則化が進展する効果によるものだと考えられる。以上の結果は300Cアニールにおけるものであるが、アニール温度を400Cに上げるとむしろMR変化量が低下する、この時B2規則度も低下する。この理由は現在不明であるが、さらなる高MRの実現のために解決すべき課題である。当初の研究計画であるホイスラー合金の組成・プロセス条件(アニール温度等)とMRの関連、アモルファス下地層による高MR化のメカニズムについて調査し、理解が進んでいるため、進捗は順調であると評価する。H29年度の前半は、磁気センサなど実用スピントロニクス素子を実現する上で必須である多結晶薄膜素子において、ホイスラー合金組成の最適化をおこなった。合金系はCo-Mn-Fe-Ge系であり、同時スパッタ法を用いて、(Mn, Fe)およびGeの組成のGMR比に対する影響を調査した。その結果、(Mn, Fe)の組成比はGMR比に大きな影響がないものの、Ge組成が重要であり、Co:Ge = 2:1が最適であることがわかった。次に、GMR比のCo2(Mn0.6Fe0.4)Ge膜厚依存性からスピン分極を調査した。280 Cという比較的低温での熱処理にもかかわらず、電流のスピン分極率は80%であり、Co2(Mn0.6Fe0.4)Geは実用的に優れたホイスラー合金組成であると言える。H29年度の後半は、非磁性スペーサー層の材料開発に注力した。従来、AgやCuなどの貴金属が用いられてきた非磁性スペーサー層に、AgSn/InZnOを用いることにより、GMR比30-40%を得た。従来のAg合金(AgSn)を用いたスピンバルブセンサに比べ、6倍大きな電圧出力(13 mV)を達成し、これによりハードディスクドライブの再生ヘッドなど微細磁気センサへの応用が期待される。また、AgInZnOを非磁性スペーサー層に用いることで、GMR比50%を得た。透過走査電子顕微鏡を用いた微細構造解析により、熱処理後のCPP-GMR素子薄膜においてAgIn合金導電層がMnZnO(MnはCo2(Mn0.6Fe0.4)Geホイスラー層に由来)マトリックスに不均一分散する組織を形成しており、これによりCo2(Mn0.6Fe0.4)Geホイスラー層の高スピン分極率との相乗効果で、実用的デバイス構造において50%という高い室温GMR比が得られると考えられる。ホイスラー合金の組成、アニールプロセス、下地層、非磁性スペーサー材料の改善を継続して、MR比の増大を着実に実現する。電子顕微鏡による微細構造解析(グループ内共同研究による)により材料開発研究の高効率化を図る。スピンバルブ素子における、出力とノイズ特性を評価することにより、ハードディスク磁気ヘッド応用へのポテンシャルを検討する。29年度が最終年度であるため、記入しない。スピントロニクス29年度が最終年度であるため、記入しない。
小児の口唇閉鎖力を改善すると咀嚼運動は改善できる

厚生労働省は平成23年に法律第95号「歯科口腔保健の推進関する法律」を施行した.その中で「口腔機能の獲得,成長発育をはかるための歯科医療による介入が必要」と明記されており,平成34年までに不正咬合の減少を10%にまで減少させることが目標の1つである.これを受け,口唇閉鎖不全が不正咬合に関わる割合が高いことから,口唇閉鎖力測定器を業者と共同開発し厚生労働省の認可を受けた.この口唇閉鎖力測定器が市販されるに至り,実態調査を行ない健常児における口唇閉鎖力とその正常値を明らかにした.形態計測については顔面に関して三次元形態計測機器3dMDを用いて定量化するシステムを構築し,その成長や治療前後の変化を明らかにする手法を開発した.咀嚼運動については1.VICON,2.ナソヘキサグラフ,3.家庭用ビデオ,を必要に応じて計測し,それぞれの特徴について検討を加えた.その結果,口唇閉鎖不全を伴う過蓋咬合,反対咬合,叢生,開咬,上顎前突について,口唇閉鎖を改善するトレーニングを行うことにより,口腔機能の改善がいずれの不正咬合においても認められた.しかし,この不正咬合の中でも反対咬合,開咬は口腔習癖の除去や咬合の改善を優先し,口唇閉鎖力のトレーニングを行うことが有効であり,一方,過蓋咬合,上顎前突では先行してトレーニングを実施した場合にも効果が得られることが示唆された.本研究の成果は口腔健康を推進する基盤的な情報提供を行えたと考えられる.厚生労働省は平成23年に法律第95号「歯科口腔保健の推進関する法律」を施行した。その中で「口腔機能の獲得、成長発育をはかるための歯科医療による介入が必要」と明記されており、平成34年までに不正咬合の減少を10%にまで減少させることが目標の1つである。これを受け、口唇閉鎖不全が不正咬合に関わる割合が高いことから、本研究では口唇閉鎖力測定器を業者と共同開発し厚生労働省の認可を受けた。しかし、口唇力閉鎖不全を有する小児における口唇閉鎖力の改善が顎口腔機能を改善する学術的エビデンスは存在しない。そこで本研究は「小児の口唇閉鎖力を改善すると咀嚼運動機能は改善できる」という仮説を検証することを目的とした。口唇閉鎖力訓練前後の咀嚼運動機能を三次元形態と三次元運動の両面から検証を行うこととした。1)口唇閉鎖に関する小児の経年的,性別データの集積,2)口腔閉鎖不全を有する小児の地域格差調査,3)アレルギー疾患との関係,4)口唇閉鎖に関わる口腔周囲および全身的な特徴に関する所見についての調査,5)これらの因子分析を行った.これらの結果について,学会等で報告する予定である.口唇閉鎖に関する計測方法およびその訓練に関する方法についての確立をほぼ終えることができた.また,口唇閉鎖不全の小児の日常生活,および,口唇閉鎖不全のある小児の顔貌の特徴を明らかにするための方法論の確立をおこなうことができ,その一部を商業雑誌に掲載した.厚生労働省は平成23年に法律第95号「歯科口腔保健の推進関する法律」を施行した。この口唇閉鎖力測定器が市販されるに至り、全国の小児歯科専門医の先生方とともに、実態調査を行うこととした。これらの成果はすでに論文として下記の通り報告済である。一方、咀嚼運動については本年の保険改定において「口腔機能発達不全症」が病名といて登録された。これはそのマニュアルにもある通り、口唇閉鎖不全の状態が生涯に渡る口腔機能の低下を招くことを認識した上で、その改善を低年齢から目指すものである。そのような意味で、低年齢の小児における咀嚼運動計測を強化するため、これまでのVICONに加え、2台の家庭用ビデオカメラでの計測を試みるとともに、北海道医療大学齋藤正人教授を共同研究者に加わっていただき咀嚼運動の計測を強化し、本研究の目的を達すべき体制を強化した。口唇閉鎖に関する計測方法およびその訓練に関する方法については、その成果等について複数の学術論文に報告をおこなった。また、上記の通り、咀嚼運動の計測には新しい手法(論文として報告済)を加えるとともに、北海道医療大学においても継続的に行うこととした。厚生労働省は平成23年に法律第95号「歯科口腔保健の推進関する法律」を施行した.その中で「口腔機能の獲得,成長発育をはかるための歯科医療による介入が必要」と明記されており,平成34年までに不正咬合の減少を10%にまで減少させることが目標の1つである.これを受け,口唇閉鎖不全が不正咬合に関わる割合が高いことから,口唇閉鎖力測定器を業者と共同開発し厚生労働省の認可を受けた.この口唇閉鎖力測定器が市販されるに至り,実態調査を行ない健常児における口唇閉鎖力とその正常値を明らかにした.形態計測については顔面に関して三次元形態計測機器3dMDを用いて定量化するシステムを構築し,その成長や治療前後の変化を明らかにする手法を開発した.

咀嚼運動については1.VICON,2.ナソヘキサグラフ,3.家庭用ビデオ,を必要に応じて計測し,それぞれの特徴について検討を加えた.その結果,口唇閉鎖不全を伴う過蓋咬合,反対咬合,叢生,開咬,上顎前突について,口唇閉鎖を改善するトレーニングを行うことにより,口腔機能の改善がいずれの不正咬合においても認められた.しかし,この不正咬合の中でも反対咬合,開咬は口腔習癖の除去や咬合の改善を優先し,口唇閉鎖力のトレーニングを行うことが有効であり,一方,過蓋咬合,上顎前突では先行してトレーニングを実施した場合にも効果が得られることが示唆された.本研究の成果は口腔健康を推進する基盤的な情報提供を行えたと考えられる.咀嚼機能の評価については,計測方法を2つ想定している.1つはVICON(マーカーを用いた三次元運動測定装置)であり,2つ目はナソヘキサグラフ(光学的に顎運動を計測する装置)である.両者を使用することについて,予備的実験を行うことができた.今後は,口唇閉鎖不全の小児,象として健常な小児,さらに成人のそれぞれ咀嚼機能の検査を三次元顎運動の計測を行なう.また,咀嚼機能として,保険収載されている咀嚼能力検査装置(グルコセンサーGS-II)などの導入も視野に着実に研究を推進する所存である.咀嚼機能の評価については,計測方法を3つ想定している.1つはVICON(マーカーを用いた三次元運動測定装置)であり,2つ目はナソヘキサグラフ(光学的に顎運動を計測する装置)、3つ目は家庭用ビデオカメラを用いた方法である.両者を使用することについて,予備的実験を行うことができた.今後は,口唇閉鎖不全の小児,象として健常な小児,さらに成人のそれぞれ咀嚼機能の検査を三次元顎運動の計測を行なう.また,咀嚼機能として,保険収載されている咀嚼能力検査装置(グルコセンサーGS-II)などの導入も視野に着実に研究を推進する所存である.また、新潟大学で開発されつつある簡易型咀嚼回数カウンターの導入も検討している。口唇閉鎖およびその不全症に関する研究を前倒し的に行ったため,咀嚼機能に関する研究の部分に必要として考えていた費用について,次年度に使用することとなった.北海道医療大学の参画を機に,予算全体の見直しを行った結果,計画していたPC購入等の時期を次年度に繰り越したため.上記の通り,咀嚼運動の研究を遂行する際に前年度繰り越しした経費を使用する所存である.
高純度象牙芽細胞を用いた歯髄再生におけるMMP-3とEmmprinの新規機能解析

これまでに我々は,マウスES細胞由来象牙芽細胞様細胞におけるMMP-3が細胞増殖及び抗アポトーシスを制御することを報告してきた.本研究では,マウスES細胞における象牙芽細胞様細胞への分化に関わるシグナルカスケードの検索を行った.その結果,マウスES細胞の象牙芽細胞様細胞への分化過程において, α2 integrin, Emmprin, MMP-3の遺伝子及びタンパク質発現が観察された.さらに,マウスES細胞の象牙芽細胞様細胞への分化過程において, α2 integrin→Emmprin→MMP-3シグナルカスケードの存在が明らかとなった.本研究の目的は、新規に確立したマウスES細胞由来高純度象牙芽細胞と細胞増殖・抗アポトーシス制御作用を有したMMP-3とその誘導因子であるEmmprinを用いて、象牙質・歯髄複合体の再生メカニズムを生化学的手法を用いて解析し、既存の直接覆髄剤に代わる新規な象牙質・歯髄複合体再生治療法のモデルを確立することである。平成26年度の具体的到達目標は、マウスES細胞から象牙芽細胞への分化誘導におけるMMP-3の関連性、さらには、象牙芽細胞への分化誘導におけるMMP-3とEmmprinの関連性を生化学的手法を用いて解析し、以下の結果を得た。1.マウスES細胞の象牙芽細胞への分化誘導におけるMMP-3の発現解析:新規に確立したマウスES細胞由来高純度象牙芽細胞誘導法を用いて、分化誘導におけるMMP-3の発現動態をReal-time PCR法と免疫沈降酵素活性法を用いて検討した結果、統計学的有意なMMP-3の遺伝子発現およびMMP-3活性の上昇が認められた。2.マウスES細胞の象牙芽細胞への分化誘導におけるMMP-3の機能解析:MMP-3 siRNAによるノックダウンにより、マウスES細胞由来高純度象牙芽細胞のバイオマーカーである石灰化能(calcification)をALP染色およびアリザリンレッド染色で評価した結果、統計学的有意な石灰化能とALP染色の抑制が認められ、マウスES細胞の象牙芽細胞への分化誘導にMMP-3が関与することが明らかとなった。3.マウスES細胞の象牙芽細胞への分化誘導におけるEmmprinの発現解析:マウスES細胞由来高純度象牙芽細胞誘導法を用いて、分化誘導におけるEmmprinの発現動態をReal-time PCR法とFACSを用いて検討した結果、統計学的有意なEmmprinの遺伝子発現およびMMP-3活性の上昇が認められた。本研究の目的は,新規に確立したマウスES細胞由来高純度象牙芽細胞と細胞増殖・抗アポトーシス制御作用を有したMMP-3とその誘導因子であるEmmprinを用いて,象牙質・歯髄複合体の再生メカニズムを生化学的手法を用いて解析し,既存の直接覆髄剤に代わる新規な象牙質・歯髄複合体再生治療法のモデルを確立することである.平成27年度の具体的到達目標は,マウスES細胞から象牙芽細胞への分化誘導における象牙芽細胞への分化誘導におけるMMP-3とEmmprinのシグナルカスケードの解析,および雄性Wister系ラットを用いたin vivoにおいて,象牙質に特異的なマーカーである象牙質シアロタンパク質の発現と象牙細管構造を免疫染色法を用いて観察することであり,以下の結果を得た.1.マウスES細胞の象牙芽細胞への分化誘導におけるMMP-3とEmmprinのシグナルカスケードの解析マウスiPS細胞由来高純度象牙芽細胞を用いて,象牙芽細胞分化誘導におけるMMP-3の発現動態, MMP-3活性,およびEmmprinの発現動態をMMP-3 siRNAによるノックダウンにより検討した結果, Emmprinを上流域に持つことシグナルカスケードの存在が明かとなった.2. In vivoにおける象牙質・歯髄複合体再生の検討雄性Wister系ラットを用いたin vivoにおいて,象牙質に特異的なマーカーである象牙質シアロタンパク質の発現と象牙細管構造を免疫染色法を用いて観察した結果,象牙質シアロタンパク質陽性細胞の増加が観察された.これまでに我々は,マウスES細胞由来象牙芽細胞様細胞におけるMMP-3が細胞増殖及び抗アポトーシスを制御することを報告してきた.本研究では,マウスES細胞における象牙芽細胞様細胞への分化に関わるシグナルカスケードの検索を行った.その結果,マウスES細胞の象牙芽細胞様細胞への分化過程において, α2 integrin, Emmprin, MMP-3の遺伝子及びタンパク質発現が観察された.さらに,マウスES細胞の象牙芽細胞様細胞への分化過程において, α2 integrin→Emmprin→MMP-3シグナルカスケードの存在が明らかとなった.平成26年度は、ほぼ計画どおり研究が遂行している。歯内治療学平成27年度以降は、マウスES細胞の象牙芽細胞への分化誘導におけるMMP-3とEmmprinのシグナルカスケードの解析およびWister系ラットを用いたin vivoの実験系において、象牙質に特異的なマーカーDSP(象牙質シアロタンパク質)の発現と象牙細管構造を免疫染色法を用いて観察する。当初,予定していた国内および国際学会での研究成果発表が行えなかったこと,さらに研究試薬が予定より少ない量で実験が順調に進んだため.in vivo実験で使用するラットの購入費と研究成果の論文校正代にあてる.
高次元多峰性問題における山谷構造と分布タイプ推定を利用した効率的な集団的最適化

本研究の目的は,進化的計算などの集団的最適化アルゴリズムにおいて,探索点の隣接関係から山谷構造を求め,探索点の分布タイプを推定し,探索点をグループ化してグループ毎に探索点の生成・置換戦略やアルゴリズムパラメータを動的に制御することにより,高次元多峰性問題を効率的に解くことである.本年度の主な研究成果は以下の通りである.1高次元問題では完全グラフになりやすいという課題があるGabrielグラフ(GG)に対して,相対近傍グラフ(RNG)を併用する方法について検討を継続した.GGによる谷点とRNGによる谷点を併用する方法に加えて,探索点毎にGGの条件とRNGの条件を確率的に使い分けて隣接関係を決定する方法について検討し,高次元関数に対応しやすくなることを確認した.2変数間依存性の高い最適化問題は,探索点の分布が偏った形状を持ち,特定の方向へ探索を進める必要がある,すなわち,依存性の強い変数を同時に改善する必要がある問題である.これに対処するために,相関係数を利用する方法を提案した.各変数毎に相関係数が最大になる変数を求め,一方の変数が子個体に継承されていればもう一方の変数も継承するという交叉方法を提案した.通常の交叉と提案した交叉を併用することで,変数間依存性の強い問題を解き,通常の交叉と比較して,優れた結果が得られることを示した.3現実世界の最適化問題の多くは制約付き最適化問題である.制約付き最適化問題を解くために,新しい適応的ペナルティ法を提案した.本手法では,親個体と子個体の拡張関数値が等しくなる等価ペナルティ係数値(EPC)を定義し,全個体のEPCの中で指定されたパーセント順位のEPCをペナルティ係数として使用することにより,適応的にペナルティ係数を制御する.本手法を差分進化に導入し,幾つかの制約付き工業設計問題を最適化することにより,その有効性を示した.本研究では,下記の14の項目について研究を進めている.なお,2では変数間依存性の強い最適化問題に対処するために,探索点の分布タイプを推定する予定であった.しかし,これまでの研究により,変数間依存性は予想以上に複雑であり,タイプに分類するのは困難であることが分かったため,変数間依存性を推定するという,より広い内容に変更した.各項目の進捗状況は以下の通りであり,おおむね順調に進展していると言える.1探索点の隣接関係および山谷構造の推定:Gabrielグラフ(GG)を利用した場合,探索の初期段階や高次元問題では完全グラフに近い状態になり山谷構造の推定が困難になるという問題がある.これに対して,GGとRNGを併用する方法の検討を進めており,今年度は探索点毎にGGの条件とRNGの条件を確率的に使い分けて隣接関係を決定する方法を提案した.2探索点の分布タイプの推定:テーマを「変数間依存性の推定」に広げた.変数間の相関係数を求め,最も相関の強い変数の組によって変数をグループ化する方法を提案した.3探索点のグループ化:昨年度に提案した目的関数値によるグループ化について,適切なグループ数について調査を行った.4生成・置換戦略とアルゴリズムパラメータの制御:2で行ったグループ化に基づき,グループ毎にまとめて交叉するという交叉方法を提案した.また,目的関数によるグループ化を行い,グループ毎に独立に適応的パラメータ調整を行う方法やグループによってある程度固定的なパラメータ設定を行う方法などについて調査を行った.さらに,実用的な最適化問題において重要な制約付き最適化に対して,新しい適応的ペナルティ法である等価ペナルティ係数法を提案した.今後は,以下のような手順で研究を進める予定である.1探索点の隣接関係および山谷構造の推定:引き続きGabrielグラフと相対近傍グラフの併用に関する研究を行う.最適化が困難である稜構造や平坦構造を検出するための研究を継続する.2変数間依存性の推定:相関係数を用いた変数のグループ化について研究を継続する.3探索点のグループ化:目的関数の良さによるグループ化および,山点,谷点,その他の点へのグループ化,各探索点において隣接点よりも関数値が小さい比率(谷率)に基づくグループ化などについて研究を継続する.4生成・置換戦略とアルゴリズムパラメータの制御:変数のグループに基づく交叉について研究を継続する.アルゴリズムパラメータを調整するために,グループ化および観測による調整と成功による調整を組み合わせる方法について研究を継続する.本研究の目的は,進化的計算などの集団的最適化アルゴリズムにおいて,探索点の隣接関係から山谷構造を求め,探索点の分布タイプを推定し,探索点をグループ化してグループ毎に探索点の生成・置換戦略やアルゴリズムパラメータを動的に制御することにより,高次元多峰性問題を効率的に解くことである.本年度の主な研究成果は以下の通りである.1探索点集団に対して,目的関数値の良さに従った順位付け行い,上位・中位・下位のような幾つかのグループに分割するというグループ化の方法と,各グループで独立にアルゴリズムパラメータを適応的に調整する方法を提案した.差分進化(Differential Evolution)を用いた提案手法により,グループ化せずにパラメータを適応的に調整する方法と比較して優れた結果が得られることを示した.2自然界において災害を生き残るために極端な個体(extreme individual)の重要性が知られている.極端な個体を考慮したグループ化として,極端な個体である最良探索点群と最悪探索点群については特定のアルゴリズムパラメータを使用し,その他の個体群はアルゴリズムパラメータを適応的に調整する方法を提案した.差分進化を用いた提案手法により,集団全体でパラメータを適応的に調整する方法と比較して優れた結果が得られることを示した.