hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
メディア社会に対応した小学校社会科のカリキュラム開発研究

本研究では,日常に深く浸透するメディアを社会的構築物であると捉え,メディアが浸透する社会,いわゆるメディア社会において求められる思考力・判断力・表現力を育成する小学校社会科のカリキュラムを具体的に開発し,その意義について実証的に明らかにした。最初に,これまでの研究において開発した授業単元に関して,授業実践と児童の変容結果から再度検討し,情報学習単元と異文化理解単元における開発事例の課題を明らかにした。前者に関しては,現代のエネルギー問題の視点から情報学習を構成する必要性を指摘し,また,後者に関しては,ウルル登山の問題性を具体的に教材化する必要性を指摘した。次に,これらの課題を踏まえた上で,東北地方とオーストラリアにおいて現地調査を行い,教材構成と内容の改善を図り,5,6年生に児童を対象に実践し分析した。そして,これまでの授業開発内容と授業分析結果を踏まえた上で,メディア社会における小学校社会科カリキュラムの基本構造を明らかにした。このカリキュラムでは,メディア社会の4つの基本概念(デジタル化・ステレオタイプ化・イベント化・コントロール化)と具体的目標,そして,それに対応した構成内容と学習テーマが位置づいている。デジタル化に対応した構成内容は,人的面から「ライフスタイルの変化」,技術面から「情報活用の変化」とした。また,同様にステレオタイプ化に対応した構成内容は,「風評被害の影響」,「異文化理解」,イベント化に対応した構成内容は,「地球的諸課題」,「異文化対立」,コントロール化に対応した構成内容は,「メディア規制」,「メディア表現」とした。更に,各々の構成内容に対する学習テーマを具体的に示した。そして,これらの基本構造を基づき,メディア社会の段階的目標と社会構成に応じた学年ごとの段階性を明らかにし,目標に対応した学年をカリキュラム上に位置づけた。最後に,開発授業の分析結果と児童の発達段階を踏まえ,適切であると想定される学年をカリキュラムに位置づけることで,メディア社会における小学校社会科カリキュラムの可能性について論及した。
黄色ブドウ球菌のメチシリンおよびバンコマイシン耐性に関与する因子についての研究

メチシリンおよびバンコマイシン耐性に関与する因子の解明について平成13年度の研究計画に従い以下に示す2つの面から検討した。(1)細胞壁合成系に関与する因子の発現量についての検討平成12年度に分離したバンコマイシン耐性変異株について、細胞壁合成系に関与する5つのペニシリン結合タンパク(PBP)についてウェスタンブロッティング法によりそれぞれの発現量を親株と比較検討した。まず、5つのPBPのリコンビナントタンパクを作製、精製し、それぞれのタンパクをウサギに免疫し抗血清を得た。得られた抗血清を用いてウェスタンブロッティングを行った結果、それぞれの発現量は親株と変化が認められなかった。細胞壁合成系の遺伝子であるglmM, glmUについても同様の方法で発現量について検討したが変化は認められなかった。また、ゲノム解析から明らかになった2つのmonofunctional transglycosylaseのうち一つ(sgtA)についても同様の方法で検討を行ったが両株ともその発現は認められなかった。(2)細胞壁合成系に関与する遺伝子の不活性化細胞壁合成に関与する遺伝子であるfemA, glmM, fmtB, fmtCのトランスポゾン挿入変異株より形質導入法を用いて分離したバンコマイシン耐性変異株にそれぞれの形質を移入した。得られた変異株のメチシリン・バンコマイシンについての感受性を検討したところ、メチシリンの耐性度は全ての株で減少し、femA, glmM, fmtB変異株ではバンコマイシンの耐性度も減少した。メチシリンおよびバンコマイシン耐性に関与する因子の解明について平成12年度の研究計画に従い以下に示す2つの面から検討した。(1)バンコマイシン耐性菌の分離および性状の検討メチシリン耐性黄色ブドウ球菌(MRSA)からバンコマイシンによる誘発突然変異によりバンコマイシン耐性変異株の分離を試み、一株耐性菌の分離に成功した。親株との性状の変化について検討し、以下のような結果を得た。1)バンコマイシン感受性が親株にくらべて8倍減少し、メチシリンの感受性も2倍減少した。transglycosylase活性を阻害する薬剤であるmoenomycinの感受性も8倍減少した。2)電子顕微鏡像から耐性菌の細胞壁の肥厚化が認められた。3)細胞壁ペプチドグリカンのHPLCによる構造解析の結果、耐性菌ではペプチドグリカンの架橋度減少およびグリカン鎖長の増大が認められた。4)ペニシリン結合タンパクの発現量には変化は認められなかった。以上の結果よりグリカン鎖形成に関与すると考えられるtransglycosylase活性の変化がバンコマイシン耐性に関与しているのではないかと考えられた。(2)細胞壁合成系に関与する遺伝子の同定および不活性化細胞壁合成に関与していると考えられる因子(murA-Z,glmU,glmMなど)について遺伝子の検索後その情報を基にプライマーを作製し、PCRを行いその中のいくつかの因子について塩基配列を決定した。その中で、すでに我々が同定したメチシリン耐性に影響を及ぼす因子であるfmtAとタンパクレベルで相同性のある遺伝しflpのknock out mutantを作製したがメチシリン、バンコマイシンの耐性に変化が認められなかった。
血液細胞の増殖・分化に関与するガングリオシドGM3合成酵素遺伝子の発現機構と応用

本研究課題において以下の研究項目を推進した:(1)国際的に初めてクローニングに成功したヒトGM3合成酵素遺伝子cDNAの情報に基づき、ヒト染色体DNA BACライブラリーをスクリーニングしゲノミッククローンを単離、遺伝子構造を決定した。本遺伝子は約54kbpの長さを示し、112-1,242bpの大きさを示す7つのエクソンと6つのイントロンから構成されていた。5'RACE法により、ヒト遺伝子はマウス遺伝子と異なり、5'末端の違いによる転写物多形は存在しないことが判明した。FISH解析で、本遺伝子は2番染色体短腕の中心体近傍(2p11.2)に存在することが判明した。(2)GM3合成酵素遺伝子は量的差はあるものの、ほぼ全ての組織においてmRNA発現が認められた。ヒトでは脳・骨格筋・精巣で高発現を、腎・大腸で低発現を示した。段階的欠失変異クローンを作製しプロモーター活性を測定した。HCT116(大腸癌)細胞では全欠失変異体を通じて転写活性は低かったが、SK-N-MC(ニューロブラストーマ)・K-562(白血病細胞)細胞では欠失箇所に応じたプロモーター活性を示し、nt-1926-1457と-285+75の2領域に正の転写調節に働くシス因子が存在することが示唆された。転写開始点近傍(-285+75)には、TATA配列は存在せず、GC含量は82%に達し、3ケ所のSp1、それぞれ1ケ所のTCF11・AP-2・NFY・Egr-3結合部位が存在する。転写開始点から2番目のSp1部位が正の転写調節に特に重要で、転写開始点近傍(-101+75)域に最小プロモーター活性があることが明らかになった。(3)マウス酵素cDNAはnt235-1311に359アミノ酸からなる分子量41.2kDaの糖蛋白をコードし得る領域を持ち、ヒト酵素と核酸レベルで85.0%、アミノ酸レベルで86.4%の相同性を示した。本酵素は種並びに組織特異的発現を示し、マウス酵素の発現は脳・肝・精巣などで高い。マウス酵素遺伝子は5'側構造が異なる3種類の転写産物、B1型、B2型、L型として発現されるが、それらの転写産物は同一蛋白質をコードしていることが判明した。B1型は組織特異性はあるが、全組織に発現が認められた。B2型の発現は全組織を通じて低かった。L型は肝臓のみで発現が認められた。マウス酵素遺伝子は112-1,172bpの大きさを示す9個のエクソンから成る約58kbpの遺伝子であった。エクソン1-b1,1-b2,1-1は5'-非翻訳領域を、エクソン2は推定翻訳開始点と短いN末端細胞質ドメインを、エクソン3は柄領域を、続くエクソンは触媒ドメインを含んでいた。本酵素遺伝子の基本構造はヒトとマウスで酷似していた。FISH解析によりマウス遺伝子は6番染色体C領域に存在し、他のシアル酸転移酵素遺伝子とは異なった染色体上の位置を示した。このマウス遺伝子の染色体上の位置はヒトホモローグと保存されたシンテニーを示す。(4)本遺伝子ノックアウトはガングリオシドの生体機能を解析する上で貴重な情報をもたらす。翻訳開始点と短いN末端細胞質ドメインをコードしているエクソン2を含む領域をネオマイシン耐性遺伝子に置換したターゲッティングベクターを作製し、マウス129/SVJ系のES細胞にエレクトロポレーション法で導入した。ネオマイシン耐性クローンを選別し、相同組換えクローンを取得した。さらにキメラマウスを作出し、最近、ヘテロマウスの作出に成功した。(5)様々な生物活性を有する糖鎖を酵素的に自動合成するための糖鎖自動合成機作製のための部分プロジェクトとして、またGM3合成酵素蛋白の立体構造解明のため、大腸菌を宿主細胞として可溶型酵素蛋白(MBPとの融合蛋白)の産出を試み、最近成功した。現在、大量発現系の樹立を目指している。

転写開始点近傍(-285+75)には、TATA配列は存在せず、GC含量は82%に達し、3ケ所のSp1、それぞれ1ケ所のTCF11・AP-2・NFY・Egr-3結合部位が存在する。転写開始点から2番目のSp1部位が正の転写調節に特に重要で、転写開始点近傍(-101+75)域に最小プロモーター活性があることが明らかになった。(3)マウス酵素cDNAはnt235-1311に359アミノ酸からなる分子量41.2kDaの糖蛋白をコードし得る領域を持ち、ヒト酵素と核酸レベルで85.0%、アミノ酸レベルで86.4%の相同性を示した。本酵素は種並びに組織特異的発現を示し、マウス酵素の発現は脳・肝・精巣などで高い。マウス酵素遺伝子は5'側構造が異なる3種類の転写産物、B1型、B2型、L型として発現されるが、それらの転写産物は同一蛋白質をコードしていることが判明した。B1型は組織特異性はあるが、全組織に発現が認められた。B2型の発現は全組織を通じて低かった。L型は肝臓のみで発現が認められた。マウス酵素遺伝子は112-1,172bpの大きさを示す9個のエクソンから成る約58kbpの遺伝子であった。エクソン1-b1,1-b2,1-1は5'-非翻訳領域を、エクソン2は推定翻訳開始点と短いN末端細胞質ドメインを、エクソン3は柄領域を、続くエクソンは触媒ドメインを含んでいた。本酵素遺伝子の基本構造はヒトとマウスで酷似していた。FISH解析によりマウス遺伝子は6番染色体C領域に存在し、他のシアル酸転移酵素遺伝子とは異なった染色体上の位置を示した。このマウス遺伝子の染色体上の位置はヒトホモローグと保存されたシンテニーを示す。(4)本遺伝子ノックアウトはガングリオシドの生体機能を解析する上で貴重な情報をもたらす。翻訳開始点と短いN末端細胞質ドメインをコードしているエクソン2を含む領域をネオマイシン耐性遺伝子に置換したターゲッティングベクターを作製し、マウス129/SVJ系のES細胞にエレクトロポレーション法で導入した。ネオマイシン耐性クローンを選別し、相同組換えクローンを取得した。さらにキメラマウスを作出し、最近、ヘテロマウスの作出に成功した。(5)様々な生物活性を有する糖鎖を酵素的に自動合成するための糖鎖自動合成機作製のための部分プロジェクトとして、またGM3合成酵素蛋白の立体構造解明のため、大腸菌を宿主細胞として可溶型酵素蛋白(MBPとの融合蛋白)の産出を試み、最近成功した。現在、大量発現系の樹立を目指している。平成10年度は以下の研究成果を得た。(1)ヒトGM3ガングリオシド合成酵素(シアル酸転移酵素-1)遺伝子及びその発現蛋白の構造・機能解析:すでにクローニングに成功したヒト酵素遺伝子cDNAの情報をもとに染色体DNAのクローニングを行い、ゲノム構造をほぼ解明した。ゲノムは7つのエクソンからなり、転写は第2エクソンから始まる。また発現蛋白(酵素)の分子構造の特性、酵素の基質(単糖ドナーの受容体)特異性を決定し、生物機能探索の一環として、細胞レベルでの遺伝子ノックアウト(両アリールの破壊)実験を開始した。さらに、FISH法により当該遺伝子の染色体上の位置、第2染色体上の2pll.2、を確認した。既知の遺伝病との関連性を検索中である。
ケイ素遷移金属複合系の合成化学的研究

1.五配位(アルコキシ)ジシランの合成,熱分解反応および遷移金媒反応新規五配位(エトキシ)ジシランを合成し,そのX線構造解析をおこた。さらに熱および遷移金属触媒に対する反応性を検討した。(エトキシ)ジシランMF中90°Cまたはトルエン中110°Cで熱分解をおこし,エトキシシランとシリレ生成した。ブタジエンまたはアセチレンを用い,シリレンを捕捉することにも成功し捕捉により得られた生成物はケイ素上が五配位であり,きわめて興味深い構造特性をていることがX線構造解析により明らかとなった。五配位(エトキシ)ジシランは,ケル(0)触媒またはパラジウム(0)触媒存在下では,50°Cという低温でも分解こした。このようにして,五配位(アルコキシ)ジシランの遷移金属触媒に対する特反応性を見いだすに至った。2.パラジウム触媒を用いた(アルコキシ)オリゴシランの骨格転位15EA04:これまで合成が難しいとされてきたポリ(アルコキシ)トリシランおテトラシランの効率的合成法を開発した。さらに,これらのポリ(アルコキシ)トリンおよびテトラシランが,パラジウム触媒存在下で骨格転位を起こすことを見いだしこの反応では内部のトリシラン部位が末端へ転位した。たとえば1,2,3-トリ(キシ)トリシランは1,1,3-異性体に,1,2,3,4-テトラ(メトキシ)テシランは1,1,4,4-異性体に変化した。この転位は,シリレン-パラジウム錯経由して進行すると考えられる。本研究は、有機ケイ素化合物と遷移金属錯体との相互作用によって構築される複合系を有機合成的な立場からデザインし、高選択的な合成に利用することを目的としている。以下のように、平成5年度の当初計画は多くが所期の目的を達成できた。1.パラジウム錯体触媒ダブルシリル化ビスジエン類のパラジウム錯体触媒ダブルシリル化により環状化合物を合成し、ケイ素-炭素結合の過酸化水素酸化を経て、環状ポリオールの立体選択的な新規合成法を開発した。また、立体選択性に及ぼす因子を明らかにした。2.五配位ヒドロシランの遷移金属触媒反応立体的にかさだかい五配位ヒドロシランを用いるロジウム触媒脱水素反応により、オレフィンからビニルシランを選択的に合成することが可能となった。四配位ヒドロシランでは不可能な反応であり、反応機構に関しても有用な知見を得た。3.五配位ポリシランの遷移金属触媒切断反応五配位トリシラン、ジシランの合成に成功し、遷移金属に対する高い反応性を明らかにすることができた。新しいシリレンの発生法も見いだした。なお、研究代表者が本年度4月に工学部から化学研究所に転出したばかりであり、残念ながら、まだ研究成果を公表するには至っていない。本研究は,有機ケイ素化合物と遷移金属錯体との相互作用によって構築される複合系を有機合成的な立場からデザインし、高選択的な合成に利用することを目的としている。以下のように、平成6年度の当初計画は多くが初期の目的を達成できた。1.遷移金属触媒不斉分子内ヒドロシリル化ケイ素を含むスピロ化合物の新規不斉合成を分子内ヒドロシリル化によって達成すべく検討を加えた結果,二つのオレフィン部位と二つのケイ素-水素結合を有する化合物に対して,ロジウム/キラルホスフィン錯体を触媒に用いることにより高い光学収率で光学活性含ケイ素スピロ化合物を得ることに成功した。選択性の向上,一般性の確立が今後の課題である。2.5配位ヒドロシランの遷移金属触媒反応立体的にかさだかい5配位ヒドロシランを用いるロジウム触媒脱水素反応によるオレフィンからのビニルシラン生成の反応機構に関し,重水素でラベルしたヒドロシランを用いることにより、有用な情報を得ることができた。総合的な反応機構の提唱が可能となった。

3.ポリシランの遷移金属触媒切断反応5配位ポリシランのモデル化合物としてジシランを合成し、ニッケルおよびパラジウム触媒反応を行うことにより、4配位化合物では不可能な切断反応が容易に起こることを見いだした。また,多官能性オリゴシランのパラジウム触媒骨格転位反応も新たに見いだした。これは種々の多官能性オリゴシランの新しい合成法として有用である。
ミトコンドリアDNA変異領域のシークエンスパターンによる人種の鑑別

本研究では国際的試料収集に適した方法として、唾液からの簡便かつ確実なDNA抽出法であるキレックス法による実験条件を確定した。ミトコンドリアDNA制御領域のシークエンス変異解析方法をまず確立した後、その方法に基づき、日本人、中国人、モンゴル人、ミャンマー人、台湾人、マレーシア人、バングラデッシュ人などアジア系の人種および欧州人、約500人において、ミトコンドリアDNAの制御領域の多型を検索してきた。このうち特に塩基番号16158-16192までの領域は、パターン化すると6型に分けられる変異型があることが判明した。このうち16158,16162,16164,16169,16172,16173,16182,16185,16186,16189,16192の塩基に着目し、それをシークエンスパターンすると、A,B,C,D,E,Fの6型に分類できる。その結果日本人と欧州人は65%以上がA型で、台湾人と中国人、モンゴル人ではA型が約40%であり他の型の出現頻度にも類似性があったため、これらの人種の類縁関係、ないし変異の共通性が示唆された。なお、ミャンマー人とマレーシア人では、A型の頻度は20%未満で、C,D,E型は僅少であり、他人種にはみられない9種以上の特異的なDNA配列パターンが出現していた。人種によって特異な変異型が存在することは、いくつかの人種においてはミトコンドリアDNA高変異領域による人種鑑別が可能であることを示唆するものである。ただし同一人種内では、いくつかの例外を除き、塩基変異の傾向が一定しており、読みとる塩基が短い場合には血縁のない者でも同一の塩基配列を有する場合も出現しうる。また塩基変異には16182、16183、16189のように連鎖傾向をもって変異する部位もあり、ミトコンドリアDNA高変異領域の多型は複雑な構造を有することも明らかになった。本研究は、高変異性部位である、ミトコンドリアDNAのプロリンおよびフェニールアラニンのt-RNA遺伝子に隣接する制御配列(control region)が人種間で特異性のある変異をしている傾向があることから、人種鑑別にこの領域の多型を応用する方法を検索することを目指している。これまでに、日本人、中国人、モンゴル人、ミャンマー人、台湾人、マレーシア人、バングラデッシュ人などアジア系の人種および欧州人、約300人において、ミトコンドリアDNAの制御領域の多型を検索してきたが、このうち特に塩基番号16158-16192までの領域は、パターン化すると6型に分けられる変異型があることがわかってきた。パターン化の方法は、このうち16158,62,64,69,72,73,82,85,86,89,92の塩基に着目し、それをシークエンスパターンし、A,B,C,D,E,Fの6型に分類する。こうして分類すると、日本人と欧州人は65%以上がA型で、台湾人と中国人、モンゴル人ではA型が約40%であり他の型の出現頻度にも類似性があったため、これらの人種の類縁関係が示唆された。これらの型は、他の人種では見られていないため、マレーシア人やミャンマー人に特異的な遺伝子型である可能性がある。

人種間の鑑別に、このような変異型が存在することは、ミトコンドリアDNA高変異領域による人種鑑別が可能であることを示唆するものである。今後はさらにサンプル数を増やし、他の配列部位の型を検索することにより、人種特異的遺伝子型の確定を行っていきたい。本研究では国際的に試料を収集する必要があるため、まず簡単に採取できる材料からDNAを抽出する方法を確立する必要があった。そこで、唾液からの簡便かつ確実なDNA抽出法として、キレックス法によるDNA抽出法の有効性を確認しその実験条件を確定した。次にミトコンドリアDNA制御領域のシークエンス変異解析に先だって、分析機器や実験条件の検討を行い、最も正確に塩基配列を解読できる実験条件を確立した。その結果、ミトコンドリアDNAの塩基配列の決定には現在のところ1回の実験では1%程度のエラーが生じうるため、少なくとも2回以上、できればラベリング方法を変えて実験することが望ましいことが判明した。さらに、人種差を明らかにするため、1000塩基対を越えるミトコンドリアDNA制御領域のうち、塩基番号16158-16192の35塩基内の11塩基の部位が特に変異が多いことを見出し、それを超可変領域として、6型に分類する体系を見出した。その結果日本人と欧州人は65%以上がA型で、台湾人と中国人、モンゴル人ではA型が約40%であり他の型の出現頻度にも類似性があったため、これらの人種の類縁関係、ないし変異の共通性が示唆された。なお、ミャンマー人とマレーシア人では、A型の頻度は20%未満で、C,D,E型は僅少であり、他人種にはみられない9種以上の特異的なDNA配列パターンが出現していた。人種によって稀な特異な変異型が存在することは、いくつかの人種においてはミトコンドリアDNA高変異領域による人種鑑別が可能であることを見出したただし同一人種内では必ずしも塩基変異は多くなく、また塩基変異には16182、16183、16189のように連鎖傾向をもって変異する部位もあり、ミトコンドリアDNA高変異領域の多型は複雑な構造を有することが判明し、さらに究明を要する問題点も明らかになった。
確率的推論過程の脳内神経回路モデルとサル前頭葉の神経活動計測

人間は不確実に変化する環境の中であっても情報を有効に利用し適切に行動することができる.このような柔軟な思考能力は老化とともに衰えて次第に紋切り型の対応に陥りがちになる.思考の柔軟性を生み出す機構の解明は脳の老化の機構を明らかにする上で重要な研究課題のひとつである.不確実に変化する環境での思考を定式化したものにShannonの情報理論がある.この理論は環境の変化が確率過程として記述できるときに人間が情報と考えるものを情報エントロピーという指標として定式化したものである.情報エントロピーで人間の情報概念が説明できるなら脳内のどこかでこれに相当する量が計算されているはずである.本研究は確率値から情報エントロピーを計算する脳内機構を神経回路モデルとサルの神経活動計測によって明らかにする初めての試みである.12年度にはまず,確率的に変化する感覚刺激を用いた心理物理実験を行った.すなわち,注視点の左右どちらかに提示される目標点へのサッカード眼球運動は提示確率の高い側への反応時間が短いという予測効果がある.この効果がサッカード開始時刻の遅延によって小さくなることを示した.13年度は,この実験データを線形神経回路モデルを用いて解析し次の3つのことを示した.(1)この予測効果が2つの平行する神経路,すなわち予測準備経路と運動起動経路とから成ること,(2)これらの経路はそれぞれ眼球から前頭前野を経て上丘に到る経路と眼球から直接上丘に到る経路であること,(3)2つの経路の合流点である上丘には目標点提示直後から活動を上昇し始める神経細胞とサッカード開始信号直後から活動を上昇し始める神経細胞とが混在することである.人間は不確実に変化する環境の中であっても情報を有効に利用し適切に行動することができる.このような柔軟な思考能力は老化とともに衰えて次第に紋切り型の対応に陥りがちになる.思考の柔軟性を生み出す機構の解明は脳の老化の機構を明らかにする上で重要な研究課題のひとつである.不確実に変化する環境での思考を定式化したものにShannonの情報理論がある.この理論は環境の変化が確率過程として記述できるときに人間が情報と考えるものを情報エントロピーという指標として定式化したものである.情報エントロピーで人間の情報概念が説明できるなら脳内のどこかでこれに相当する量が計算されているはずである.本研究は確率値から情報エントロピーを計算する脳内機構を神経回路モデルとサルの神経活動計測によって明らかにする初めての試みである.12年度にはまず,確率的に変化する感覚刺激を用いた心理物理実験を行った.すなわち,注視点の左右どちらかに提示される目標点へのサッカード眼球運動は提示確率の高い側への反応時間が短いという予測効果がある.この効果がサッカード開始時刻の遅延によって小さくなることを示した.13年度は,この実験データを線形神経回路モデルを用いて解析し次の3つのことを示した.(1)この予測効果が2つの平行する神経路,すなわち予測準備経路と運動起動経路とから成ること,(2)これらの経路はそれぞれ眼球から前頭前野を経て上丘に到る経路と眼球から直接上丘に到る経路であること,(3)2つの経路の合流点である上丘には目標点提示直後から活動を上昇し始める神経細胞とサッカード開始信号直後から活動を上昇し始める神経細胞とが混在することである.
運動時に末梢性疲労が求心性信号として中枢神経系からの遠心性指令に及ぼす影響

本研究の目的は,運動によって起こる筋の代謝変化が,運動に関わっていない部位への運動指令に及ぼす影響を検討することであった.特に,脚ペダリング運動によって引き起こされる筋の代謝変化が肘屈曲による最大等尺性筋収縮(maximal voluntary contraction : MVC)時の運動指令に及ぼす影響に着目したが,脚ペダリング運動の運動強度の変化や重曹による代謝変化の操作では,明らかな影響を見ることが出来なかった.したがって,運動によって引き起こされた脚の代謝変化は肘屈曲MVC時の遠心性指令に影響を及ぼさないことが示唆された.本研究の目的は,運動によって起こる筋の代謝変化が,運動に関わっていない部位への運動指令に及ぼす影響を検討することであった.特に,脚ペダリング運動によって引き起こされる筋の代謝変化が肘屈曲による最大等尺性筋収縮(maximal voluntary contraction : MVC)時の運動指令に及ぼす影響に着目したが,脚ペダリング運動の運動強度の変化や重曹による代謝変化の操作では,明らかな影響を見ることが出来なかった.したがって,運動によって引き起こされた脚の代謝変化は肘屈曲MVC時の遠心性指令に影響を及ぼさないことが示唆された.本研究は、運動時に末梢で起きた代謝変化が求心性情報として中枢神経系からの遠心性指令に及ぼす影響を表面筋電図から検証するものである。疲労した筋から導出される表面筋電図の解釈は非常に複雑になるため、疲労運動後の非活動筋から導出される表面筋電図に注目して研究を進めることとした。今年度は、8名の健常男性を被験者として脚ペダリング運動後の最大等尺性肘関節屈曲時における筋力発揮及び表面筋電図活動を検討した。各被験者のVT、70%VO_2max、80%VO_2maxに相当する強度で脚ペダリング運動を実施し、脚ペダリング運動直後、5分後、10分後の最大等尺性肘関節屈曲時における筋力発揮及び表面筋電図活動を記録した。脚ペダリング運動による血中乳酸濃度、酸素摂取量、心拍数の変化は3条件で有意な差(p<0.05)が見られた。また、Borgのスケールを用いて評価した脚ペダリング運動後の疲労感(全身・脚)にも3条件で有意な差(p<0.05)が見られた。しかしながら、脚ペダリング運動後の最大等尺性肘関節屈曲時における筋力発揮及び表面筋電図活動には、運動直後、5分後、10分後のいずれにおいても3条件で有意な差(p>0.05)は見られず、脚ペダリング運動前の値から有意な変化(p>0.05)を示さなかった。これらの結果から、脚ペダリング運動の強度の違いによって引き起こされる全身性と局所性の要因を含む代謝変化は、非活動部である肘関節での随意性屈曲運動時における筋力発揮及び筋動員に影響を及ぼさないことが推察される。今後は、脚ペダリング運動による代謝変化を筋内pHだけに絞り、局所性の代謝変化が非活動部による随意運動時の筋動員に及ぼす影響を明らかにしていく。近年、筋疲労研究において「末梢で起きた代謝変化が中枢神経系(CNS)へ求心性情報として伝わり、その情報に基づいたCNSによる遠心性指令の調節が筋疲労として顕在化する」という考え方が提唱されており、これまで多くの議論が重ねられているが、見解の一致は見られていない。これまでの研究では、CNSからの遠心性指令を疲労が誘発された筋の表面筋電図(SEMG)活動から検討していたため、SEMG活動の解釈が非常に複雑とならざるを得なかった。そこで平成21年度には、様々な運動強度での脚運動直後に行う腕運動時のSEMGを検討し、脚で起きた代謝変化と腕運動時の筋動員の関係を明らかにする試みを行った。平成22年度はそこから発展させ、脚運動前に重曹を摂取することで条件間の差を筋内pHに限定し、中枢性疲労や呼吸・循環系の影響を極力排除した状態で平成21年度と同様の検討を行った。被験者は7名の健常男性であり、各被験者の70%VO_2maxに相当する強度で20分間の脚ペダリング運動を実施後、2分間の最大等尺性肘関節屈曲時における張力及び上腕二頭筋のSEMG活動を記録した。これらは、脚ペダリング運動前に重曹を摂取する条件(ALK条件)と偽薬を摂取する条件(CON条件)で行った。脚ペダリング運動前の血中pHはALK条件で有意に高く、脚ペダリング運動によって生じた血中乳酸濃度に条件間で有意差がなかったため、ALK条件では筋内pHの低下が抑えられていたことが推察される。脚ペダリング運動による酸素摂取量、心拍数、疲労感(全身・脚)には条件間で有意な差が見られなかった。脚ペダリング運動後の最大等尺性肘関節屈曲時における張力及びSEMG活動は脚ペダリング運動前の値よりも有意に低下していたが、値の推移に有意な差は見られなかった。これらの結果から、脚ペダリング運動によって生じる末梢性疲労を重曹の摂取で操作しても、非活動部の発揮張力およびSEMG活動に影響を及ぼさないことが推察される。
T型カルシウム電流のneuropeptideYによる増強のメカニズム

T型カルシウムチャンネルは深い膜電位で開口するため、細胞の興奮性の制御に重要な役割を果たしている。neuropeptideY(NPY)は36アミノ酸からなる神経ペプチドで、中枢および末梢神経系に広く分布する。両者の分布には相関が認められ、中枢および末梢のいずれにおいてもNPYを含有するニューロンの投射を受けるニューロンはT型カルシウムチャンネルを発現しており、機能的な関連性が推測される。本研究は、T型カルシウム電流に対するNPYの作用を検討することを目的に行われた。未分化NG108-15細胞を用いて、Ba^<2+>をチャージキャリヤーとしてパッチクランプ法による全細胞電流記録を行い、T型カルシウム電流の同細胞における発現を確認した。次に、同細胞に低用量のNPYを適用すると、T型カルシウムチャンネル電流が約10%増大することを見出した。この増大は、活性化および減衰のキネティックスに影響を与えなかったが、活性化のV_<1/2>を過分極側に移動させた。さらに、この作用に関与するNPY受容体サブタイプ明らかにするため、サブタイプ選択的なアゴニスト・アンタゴニストを用いて、Y_1受容体およびY_2受容体が相加的にT型カルシウム電流を増大させていることを明らかにした。さらに、RT-PCRにより両受容体サブタイプがNG108-15細胞に発現していることを確認した。なお、本研究の成果は学会発表ならびに論文として報告した。両者の分布には相関が認められ、一般にNPYを含有するニューロンの投射を受けるニューロンはT型カルシウムチャンネルを発現し、機能的な関連性が推測される。本研究は、T型カルシウム電流に与えるNPYの作用を検討することを目的としている。平成15年度までに得られた研究実績は、(1)NG108-15細胞は、未分化な状態においてT型カルシウム電流を発現することが報告されている。我々は、同細胞よりBa^<2+>をチャージキャリヤーとしてホールセル記録を行い、内向き電流の電位依存性、及びCd^<2+>、Ni^<2+>に対する感受性からT型カルシウム電流の発現を確認した。次に、NPY適用により同電流が約10%増大することを認めた。(2)NPYによるT型カルシウム電流の増大は、活性化および減衰のキネティックスには影響を与えなかった。しかし、同電流の電位電流曲線をModified Boltazmannの式に当てはめて求めたV_<1/2>は、NPY適用によって有意に過分極側に移動していた。(3)NPY受容体サブタイプのうち、Y_1受容体アンタゴニスト及びY_2アゴニストはT型カルシウム電流の増大に対して、各々部分的な作用を示したが、Y_5受容体のアンタゴニストには作用は認められなかった。さらに、RT-PCRによる発現検討により、両受容体の発現を確認したが、Y_5受容体の発現は認めなかった。したがって、NPYは、Y_1受容体およびY_2受容体の相加的作用によりT型カルシウム電流を増大させ、興奮性の調節に関与していることが示唆された。以上の結果を論文としてまとめ、現在投稿中である。neuropeptideY (NPY)は36アミノ酸からなる神経ペプチドで、中枢および末梢神経系に広く分布する。

研究代表者は平成15年度までに未分化NG108-15細胞を用いて、(1)Ba^<2+>をチャージキャリヤーとしてパッチクランプ(全細胞記録)を行い、T型カルシウム電流の発現を確認し、本電流がNPY適用により同電流が約10%増大すること、(2)この増大は、活性化および減衰のキネティックスには影響を与えなかったが、活性化のV_<1/2>が過分極側に移動すること、(3)NPY受容体サブタイプのうち、Y_1受容体およびY_2受容体が相加的にT型カルシウム電流を増大させていることを明らかにし、学会発表を行った。平成16年度は、これらのデータをまとめて、論文(Okada et al.,2004)として発表した。さらに、このNG108-15細胞で認められたT型カルシウム電流のNPYによる増強が脳内においても認められるかを検討するため、両者を発現するラット海馬を標本として、スライス培養、並びにスライスパッチクランプの実験系を立ち上げた。これまでに、ラット培養海馬スライスCA1領域の錐体細胞における電位依存性電流の発現の確認およびその性質の検討を行い、これらへのNPY適用の効果を検討中であるが、今のところ特筆すべき結果を得ていない。
2次元分光イメージング装置の開発による惑星・衛星外圏大気の放出過程の探査

1.外圏大気観測用2次元分光イメージング装置の開発先ず、惑星・衛星外圏大気観測用の2次元分光イメージング装置の開発を行った。本装置は、1)2次元入射光を分光用の1次元出射光に変換するバンドルファイバー製の次元変換光学系と、2)既存の入射/出射光学系と接続するための開口値変換光学系から成る。バンドルファイバーは入射系12×12、出射系144の配列からなる。装置は光学ベンチに組上げ、東北大の60cm望遠鏡(入射系)と高分散分光計(出射系)に接続した。分光データは液体窒素冷却CCDカメラで取得し、PC上でイメージに変換する構成とした。2.水星とイオ衛星の外圏大気の観測1の装置を用いて、イオと水星の大気観測を実施した(継続中)。イオについては、従来、大気放出量にイオの木星に対する視位置依存性が示唆されてきた。その存在の確認と放出様相の確認を目標として観測を行い、様々な視位置について有意なデータを得た。一方、水星については、水星が太陽から大きく離れる観測適期に集中観測を実施したが、天候に恵まれず現時点では大気放出過程導出に重要なデータが十分には得られていない。このため、次の観測適期となる平成18年6月に再観測を行う予定である。3.数値計算による外圏大気放出過程の究明当ループが開発した希薄大気の生成・消失に関するモンテカルロコードを用い、大気放出過程の数値実験を進めた。結果として、水星については、太陽風による水星表面粒子の叩出しが、従来の想定以上に効果的に働いている可能性が示された。一方、イオについては、磁気圏イオンによる大気粒子の叩出し/引剥がしと太陽光による脱離が相作用して放出量を制御している可能性が示された。本研究では、大気密度が極めて希薄なため地表が外圏圏界面となる大気(外圏大気)を持つ2つの天体:水星、イオ衛星について、地上観測及び観測結果とモデル計算との比較・検討により、大気放出過程の探査を行う。水星とイオ外圏大気に共通した特性として、その希薄さとともにナトリウムの存在比が大きいことが上げられる。ナトリウム大気は太陽光の共鳴散乱により可視域で比較的明るい発光を示すが、このナトリウム大気発光をトレーサーとして、外圏大気の放出過程の探査・究明を行うことを最終目的として研究を遂行している。研究初年度の今年は、次元変換光学系および視野モニター光学系からなる、外圏大気観測用2次元分光イメージング装置の設計・開発を実施した。次元変換光学系は、入射光および出射光結像用マイクロレンズ・アレイ光学系とバンドル・ファイバー系から構成されている。検討の結果、バンドルファイバーは個々のファイバー径125um、入射側配列12×12(2次元)、出射側配列144×1(1次元)とした。バンドルファイバーの入射側および出射側のどちらにもマイクロレンズアレイが配されるが、マイクロレンズの光学仕様は、入射および出射側に配する集光光学系(既存望遠鏡システム)および分光光学系(既存高分散分光器)のそれぞれのF値と、ファイバーの開口数を考慮し決定した。また、視野モニター光学系は、光路上で入射側マイクロレンズアレイの前にビームスプリッタを配し、次元変換光学系に入射する光の一部を視野確認用に用いる形式とし、集光レンズおよび高感度ビデオCCDを用いた形式とした。以上の光学系を光学ベンチ上に設置し、更に同ベンチを、既存望遠鏡および分光器に対して位置合わせするために3次元スライド式台座へ据え付け、装置としての組上げを完了した。

本研究では、密度が低く殆ど粒子同士の衝突のない希薄な大気(外圏大気)を持つ2つの天体:水星、イオ衛星について、地上観測及び観測結果とモデル計算との比較・検討により、大気放出過程の探査を行う。水星とイオ外圏大気に含まれるナトリウム大気は太陽光の共鳴散乱により可視域で比較的明るい発光を示すが、このナトリウム大気発光をトレーサーとして、外圏大気の放出過程の探査・究明を行うことを目的として研究を遂行している。2年度は、初年度に設計・製作を行った2次元・1次元光束配列変換型分光イメージング装置の光学系の調整を実施した。本光学系は、既存の60cmφ望遠鏡、高分散分光器および冷却CCDカメラと組合せて用いる。光束配列変換部と望遠鏡、分光器を接続する結合光学系の相互位置調整を行い、分光性能、結像性能が希薄大気撮像に十分なものであることを確認した。更に、イオ衛星起源のナトリウム大気を対象として2次元分光イメージング装置の試験観測を現在実施している。干渉フィルターを用いた単純なイメージングからも分布形状が確認可能な、イオ衛星からやや離れて分布するナトリウム雲を対象とし、開発した装置で取得したイメージデータからナトリウム雲形状が正しく再現されること、更に、理論的に導出されるナトリウム雲の拡大速度が分光結果からも確認されることをガイドラインに慎重に試験を進めている。一方、当ループが開発を進めてきた希薄大気の生成・消失の数値モデルを用いて、海外のグループが報告した水星大気広域分布の起源を探った。結果として、太陽風による水星表面粒子の叩出しが広域成分の起源として有力であるとの結果を得たが、この結果は本研究で行う外圏大気放出過程の全容を解明する上で大事な拘束条件となる(本結果は平成17年度に公表)。今年度は、昨年度までに開発を行った2次元・1次元光束配列変換型分光イメージング装置の光学系と、既存の60cmφ望遠鏡、高分散分光器および冷却CCDカメラとの組合せて、分光性能、結像性能の最終調整を行った。更に、イオ衛星起源と水星起源のナトリウム希薄大気を対象とした2次元分光イメージング装置の調整および本観測を実施した。イオ起源大気の観測では、本研究グループの従来の観測から、大気放出量に太陽方向依存性の存在が示唆されてきたが、その存在の確認と放出様相の確認を主な目標として観測を実施した。一方、水星については、発光域の短期変動の検出を目標にして、地球大気の擾乱の影響を受けにくく発光域の形状確認に適した高々度での観測を実施した。これらの観測は平成18年3月も継続中であり、希薄大気の放出過程について、貴重なデータを得つつある。一方、大気放出過程の考察に関しては、特に水星の広域大気について考察を進めた。当グループが開発した希薄大気の生成・消失に関する計算コードを用いて、高速計算機を導入して数値実験を進め結果、米国のグループにより提唱されてきた大気成因予測では不十分であり、太陽風による水星表面の大気粒子の叩出しが、より効果的に働いていることが示された。
運動の実行・不実行に関与する大脳皮質ニューロンの同定

本研究計画において、ラットの大脳皮質運動野における運動の発現や調節に関与する神経細胞の細胞サブタイプを同定するために、1)脳定位固定ラットに運動課題を効率よく学習させる自動訓練装置を開発するとともに、2)無麻酔(行動・睡眠)状態での傍細胞記録とマルチユニット記録の電気生理学的実験系を確立した。運動課題の訓練に関しては、頭部へのアルミニウム製固定具の取付け手術を施した被検ラットに飲水制限を課し、独自に開発した脳定位固定オペラント訓練装置(特許出願中)にて右前肢でレバーを押すことにより報酬のサッカリン水を得られる自己ペース・レバー押し運動課題を学習させた。この装置により訓練開始第一日目か二日目には運動応答と報酬獲得との相関が成立し、2週間以内に課題の学習を完成させることに成功した。さらに同訓練装置6台を自動化・集中制御化することにより、訓練済みラットを週に数頭の割合で効率よく記録実験に供することを実現した。次に、このような無麻酔・行動中の脳定位固定ラットをもちいて、傍細胞記録法により単一神経細胞の発火活動を安定して記録した後に、付加したバイオサイチンを可視化するとともにパルバルブミンやカルレチニンとの蛍光三重染色を施して、記録細胞を機能的かつ形態的に同定することを可能にした。現在、約50頭の動物に課題訓練を課し、すでにその約半数から運動関連活動を示し可視化した運動野細胞の実験データを得ている。またテトロード電極やシリコン・プローブからスパイク分離に至るマルチユニット記録解析システムを米国ラトガーズ大学Buzsaki研究室より導入しアルゴリズムにも改良を加えた。このように行動中のラットの運動野における運動関連活動を示した細胞サブタイプを同定する実験系を確立して軌道に乗せ、運動野の興奮性および抑制性神経細胞の機能的多様性を解明した。本研究計画の第一年目は、ラットの大脳皮質運動野における運動の発現に関与する神経細胞の細胞サブタイプを同定するために、1)脳定位固定ラットに運動課題を効率よく学習させる自動訓練装置を開発するとともに、2)無麻酔(行動・睡眠)状態での傍細胞記録とマルチユニット記録の電気生理学的実験系を確立した。この装置により訓練開始第一日目か翌日には運動応答と報酬獲得との相関が成立し、1週間程度で課題の学習を完成させることに成功した。またテトロード電極作成からスパイク分離に至るマルチユニット記録解析システムを米国ラトガーズ大学Buzsaki研究室より導入し改良を加えた。このように行動中のラットの運動野における運動関連活動を示した細胞サブタイプを同定する実験系をほぼ確立し、来年度に向けて本格的な実験・解析過程を軌道に乗せた。
亜熱帯オセアニアのマングローブ湿地におけるムツゴロウ・トビハゼ類の生存戦略

オーストラリア産トビハゼ、Periophthalmus minutusの生息地は、潮間帯上部の大潮時のみに冠水する場所にあり、そのため乾季(8月)の調査時の巣孔水の塩分は84±7psuに達した。これに対して、雨季終了時(3月)の塩分は33±5psuと外洋水とほぼ等しい濃度であった。P.minutusは、干出期間中は巣孔に滞在していた。実験的にP.minutusを200%海水と淡水に曝露したところ、200%海水中では塩類細胞のサイズが有意に増大した。淡水中では塩類細胞開ロ部は曝露後短時間のうちに閉塞した。斃死は見られなかった。P.minutusは、干潟表面がひび割れ塩で白くなる乾期の過酷な環境を、巣孔とその中の高塩分の水を利用して克服していた。P.minutusの干潟表面への出現を規定する第1の環境因子は干潟表面の湿り具合で、泥の水分30%以下では干潟表面に出てこなくなった。第2の因子は泥表面の温度で、33°Cまでは高温ほど出現数は増加し、それ以上では減少した。第1の要因により、乾期には出現数の遡望リズムが認められたが、雨期には認められなかった。第1の要因が満たされる時は、第2の要因により日周リズムが認められた。また、P.minutusは、昼行性で、干潟の表面が乾燥し干潟に出れなくなると、摂餌しないことが確認された。ダーウィン近郊の泥干潟において、P.minutusを採集し、生殖腺発達の変化を調べた。乾季には未発達だった生殖腺は、雨季に入ると急速に成長し、1月から2月にかけて最も発達した。その後雨季の終わりの3月に生殖腺は退縮した。本種の産卵は2月の半月小潮時に起こった。以上のことから、本種の成熱は雨季の影響を受けて開始されること、また、その産卵は半月周期で行われることが判った。北部オーストラリアのダーウィンを中心に、トビハゼ・ムツゴロウの種類相と生息状態を調査した。その結果、これまでに5属9種の生息を確認した。このなかに、Periophthalmus属の1未記載種が含まれ、Apocryptodon属の1種は、その形態の検討から、従来言われている種とは違う種である可能性が高く、分類学的再検討を要することが分かった。P.minutusの巣穴は避難場所として使われるY型と産卵用のJ型がほぼ同じ比率で存在した。巣穴の出入り口は2個あり、多くの場合高さ3cmの煙突状で、巣穴の深さは約40cmであった。調査地は2週間の潮汐において約7日、1日に1回だけ潮が大きい時に最大60cmしか水没しない干潟である。したがって巣穴内の水の塩分は56±6‰と高く、泥は深さ3040cmまで酸化的で灰色を呈し、水中にアンモニアはほとんど存在しなかった。このように水の少ないきびしい環境でP.minutusが如何に生活し再生産を行っているのか興味が持たれる。なお今年度の調査では、P.minutusの卵の発見には至らなかった。

陸域近くに生育するマングローブ林:Ceriops tagal・Avicenia marinaを皆伐した干潟における,トビハゼ類P.minutusの造巣活動が干潟の窒素循環に関与する微生物相に及ぼす影響を検討した。干潟の巣穴密度は240/haと低いが、塩生植物が生えた場所で巣穴密度が上昇し、14,720/haの巣穴が観察された。その巣穴壁の面積は、干潟の1ha当たり、353m^2を占めた。巣穴壁土壌(0-5mm)の窒素循環に関与する微生物:アンモニア酸化細菌、脱窒菌、窒素固定菌の菌数は、干潟表層土壌(0-5mm)10倍ほど、干潟全層の100倍であった。巣穴壁土壌の占める面積とその菌数の大きさから、トビハゼ類P.minutusが造成する巣穴構造は、干潟の窒素循環に表層土とほぼ同等の寄与を果たすと推察された。2001年7月16日から8月3日まで、オーストラリアのケアンズ、ダーウィンとブルームでトビハゼ・ムツゴロウ類の分布と分布環境に関する調査を行い、ブリスベーンの博物館に所蔵の魚類標本の精査を行った。ケアンズで初めてのPeriophthalmus freycineti標本採集に成功した。ダーウィンでは新種Periophthalmus魚類の分布状況を調べ、形態を検討した。ブルームでは近郊のマングローブ湿地で別の新種Periophthalmus魚類と考えられる1種の標本を採取し、生息状態を記録した。P. minutusを室温25-29°C、湿度34-68%で完全に水がない状態で飼育すると、6-9時間後に体重が25-30%減少して斃死した。淡水で湿らせたキムタオルの上で飼育すると、2日後から斃死が見られ、5日後には56%斃死した。体全体が200%海水中に常に浸かり、魚が空気を吸える状態で3日間飼育したところ、体重はほとんど減少せず、異常も認められなかった。これらの結果から、P. minutusは潮が来ず地表が乾燥している時、湿度の高い巣穴内で高塩分の海水に浸かることが可能で、水の補給のために高塩分の海水を利用できることが示唆された。100%海水に馴致したP. minutusの鰓蓋内膜、鰓蓋外膜、胸鰭皮膚における塩類細胞の密度は、天然で100%以下の海水に棲息するP. modestusより著しく高く、特に鰓蓋内膜で高かった(3365/mm^2)。魚を200%海水に移すと、塩類細胞密度は2時間後に多少高くなったが、1週間後にはもとに戻った。一方、塩類細胞の面積は2.5倍以上になり、血漿Na+濃度はほぼ維持された。2002年7月に、オーストラリアの北東岸に位置するCairns、北岸に位置するDarwin、北西岸に位置するBroomeとDerbyのマングローブ干潟で採集調査を行い、同国北部の熱帯・亜熱帯域における分布相の大略を明らかにすると共に、3種の未記載種を発見した。今後の精査により、これらの発表を行う。Darwin近郊に棲息するPeriophthalmus minutusの個体群調査により以下の知見が明らかになった。P.minutusは、乾季に潮汐により、雨季に潮汐と雨により潟表面泥の水分が30%以上に保たれると昼間に巣穴から出て活動し夜間は巣穴に戻った。表面泥の水分が25%以下になると昼間でも巣穴から出なかった。巣穴水の塩分は乾季に58-82‰、雨季には27-65‰であった。潟面の水溜りの塩分は乾季に65-97‰、雨季には7-40‰であった。室内実験では、75‰で1週間斃死せず、95‰。で2-3日後に全魚斃死した。乾季と雨季の魚の間に塩分耐性の差はなかった。巣穴の形は22個中20個がJ型で、同一巣穴に雌雄が同居する巣穴が多数見られた。これらの巣穴から卵と仔魚が採集された。したがって、2月は産卵期であると考えられる。P.minutusは、その巣穴形成により、周辺土場の土壌のpH.や有機物含量を低下させ、また、土壌酵素活性を変動させていることが明らかになった。
走査型トンネル顕微鏡発光分光を用いたプラズモニクスの局限的分析

本研究では、近接場ラマン分光用の走査型トンネル顕微鏡(STM)を構築し、ナノスケールでの構造/ラマンイメージングとラマン信号を用いた化学分析を行った。探針増強ラマン散乱(TERS)測定用試料としては、明瞭な構造と比較的強いラマン信号を示すカーボンナノチューブを用いた。今回、1.7nmの空間分解能において、数種のラマンモードからなるTERS分光イメージングに成功した。ラマン散乱のDバンド信号がナノチューブの局所欠陥によること、共鳴条件のナノチューブ直径依存性、また複数のナノチューブの相互作用が「実空間」で観測出来ることを示し、これは世界初の成果と考えられる。このような高分解能での化学分析法は、今後、分析化学また分光光学の方法論を大きく変化させる可能性がある。本研究の成果がナノスケールでの物理、化学、生物学分野でさらに発展することが期待される。本研究では、常温大気中近接場ラマン分光用の走査型トンネル顕微鏡(STM)を設計/構築し、ナノスケールでの試料構造/ラマンイメージングとラマンスペクトルを用いた化学分析を行った。探針増強ラマン散乱(TERS)測定用試料としては、明瞭な構造を有し比較的強いラマン信号を示すとされるカーボンナノチューブを選択した。実験においては実際に1.7 nmの空間分解能において非常に大きなSTM探針増強ラマン散乱を確認した。これは可視光を用いた光学スペクトロスコピー/化学分析として、世界最高の空間分解能を達成しているものと考えられる。観測された空間分解能は、これまでの(主に実験に合わせて構築されてきた)プラズモニクス理論では説明が難しく、今後の理論/シミュレーションによる確認が期待される。本手法のスペクトル分解能の実証として、数種のラマンモードからなるTERS分光イメージングに成功した。高い空間分解能により、実空間にてナノチューブのサイズ効果、孤立欠陥による物性の変調、ナノチューブ間の相互作用などの各種物理化学が明らかになりつつある。具体的には、ラマン散乱のDバンド信号がナノチューブの局所欠陥によること、ラマン共鳴条件のナノチューブ直径依存性、また複数のナノチューブの相互作用によるスペクトルの変化が観測された。これらもラマン散乱として世界初の成果と考えられる。他のナノスケールでの化学分析法、例えば透過型電子顕微鏡-電子エネルギー損失分光法やSTM非弾性分光法に対し、STM-TERSは高真空や低温などの環境を必要とせず、常温大気中での観測が可能である。従って今後、本研究成果が分析化学また分光光学の方法論を大きく変化させる可能性がある。STM-TERSがナノスケールでの物理、化学、生物学研究においてさらに発展することが期待される。本年度の課題は、STM(走査型トンネル顕微鏡)を用いて局在表面プラズモンを観測するための最適な試料構造を作製することであった。特にSTMのトンネル電子励起による発光現象を詳細に観測する際には、この試料構造が研究の成否を左右する。まず金ナノ粒子を試料に選択し、ITO基板および金薄膜基板上に分散固定する手法の開発を行った。ここでは基板上への適度な固定、また被覆率の精密な制御が要点となった。評価手法として原子間力顕微鏡(AFM)およびSTMを用いた。これまでにナノ粒子をITO基板に固定する試薬としてAPTMS、MPTMS、AETなどが報告されているが、実験においてはAFM、STMの探針走査の影響によりナノ粒子が掃かれてしまう、つまり固定が十分でない状況が観測された。試薬の調整やナノ粒子の形状の検討を重ねた結果、最終的にpolyethylene glycol thiolを用いることにより、金ナノロッドを十分な強度で固定できることが分かった。この方法では、比較的探針の影響の大きいSTMでの観測においても画像取得が可能となった。この後、被覆率の条件出しを行い、18-24時間の液浸においてナノロッドが適度な分散状態になることを確認した。この固定された金ナノロッドを用いて、STM発光の観測を行った。発光検出の光学系を最適化することにより検出感度は大幅に増加したものの、大気中でのSTM動作による試料-探針間隔の揺らぎにより、分光測定に十分な光子数が積算できていない。現状では金薄膜基板上では十分なスペクトルが得られるものの、金ナノロッドからの発光は不確かである。今後、STM用の銀探針の改良も含め、試料-探針間隔揺らぎの低減法を追及する。