hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
複雑信号印加によるカオス発振半導体レーザーの軌道不安定性制御と秘匿通信への応用

光注入によりカオス発振する半導体レーザー(LD)を考え,LDの駆動電流に複雑な信号を印加することでカオス発振LDの軌道不安定性を制御する手法を提案した。まず,印加信号として疑似ランダム信号を用いたときLD系の軌道不安定性が向上することを示した。次に印加信号の周波数帯域に対する軌道不安定性の周波数応答について調査し,この周波数応答がLD系のカオススペクトルと一致することを発見した。さらに,カオス信号を印加した場合と,同様なスペクトルを持つような疑似ランダム信号を印加した場合の軌道不安定性を向上させる効果を比較した。これにより,印加信号のスペクトル形状が軌道拡大率の向上の要因であることを示した。本研究課題では,カオス発振する半導体レーザー(Laser Diode, LD)の系(戻り光のあるカオス発振LDとそれを光注入したLDによる系)の駆動電流に,電気回路で作成した疑似ランダム信号など複雑な信号を印加することで,カオス発振LDの軌道不安定性が制御可能であることを実験的/数値的に示すこと,さらにそれを用いた秘匿通信手法の構築を目的としている。当該年度は,印加する疑似ランダム信号を生成するためのノイズジェネレーターの試作を行うなどの実験環境整備を行うとともに,数値シミュレーションにより上記現象の解析を行った。外部共振器を持つ送信器LDと送信器LDから一方向に光注入される受信器LDからなるカオス系を考え,各LDの駆動電流に疑似ランダム信号を印加することで軌道不安定性を変化させ,それを定量化するための指標である軌道拡大率の値が,送信器LDの印加信号の標準偏差や送受信器LD間の結合係数に依存することを示した。前者は送信者が印加ランダム信号の特性によりメッセージを作成できることを,後者は受信者が適切なパラメーターを持たなければ正しいメッセージが復号できないことを示唆している。さらに,帯域制限を設けた疑似ランダム信号を印加し軌道拡大率の変化を調査した。レーザーカオスの周波数スペクトルのうち,LDの緩和振動周波数よりも高周波側にあるスペクトルの山と同じ帯域の疑似ランダム信号を加えることで効果的に軌道拡大率を変化させることが可能であることを示した。上記に加え,レーザーカオスの特性を定量化する指標としてフラクタル次元の利用を試みた研究や,双方向光注入レーザーカオス系の軌道不安定性に関する研究に関して,学術講演会等で報告している。本研究課題では,戻り光をもちカオス発振する半導体レーザー(Laser Diode,LD)と,それを光注入するLDからなる系を考える。各LDの駆動電流に電気回路で作成した疑似ランダム信号などの複雑な信号を印加することで,カオス発振LDの軌道不安定性が制御可能であることを実験的/数値的に示すことと,この特性を用いたカオス秘匿通信手法の構築を目的としている。研究実施計画において,当該年度はLDの駆動電流に印加する複雑信号が,疑似ランダム信号である場合と外部カオス系による信号である場合の比較を行うとしていた。しかし,前年度に特定の周波数帯域を持つ信号を加えることが軌道不安定性の制御に効果的であることの報告を行っている。このため,軌道不安定性をより効果的に変化させることを目標とし,当初は補となる計画であった他のカオス系の模索を行った。ここでは,カオスニューラルネットワークなどへの応用も期待される相互光注入系に注目した。昨年度検討したカオス発振する戻り光LDが一方向にLDへ光注入する系に加えて,カオス発振戻り光LD同士が互いに光注入しあう相互光注入系について,そのカオス発振の軌道不安定性について数値シミュレーションにより解析を行った。これにより,系にある特定の範囲の戻り光量と注入光量のパラメーターを与え,一方のLDの戻り光量を変化させると,自身の軌道不安定性はほぼ変化せずに,他方の軌道不安定性のみ変化させることが可能であることを示した。さらに効果は小さいものの疑似ランダム信号の印加によっても達成可能である。これらについて学術講演会等で報告を行っている。また,昨年度より引き続き,カオスの特性を定量化する手法としてフラクタル次元の導入も検討している。前年度に,カオス発振LDの軌道不安定性制御の視点からはLD駆動電流に印加する信号の周波数帯域が重要であることの報告を既に行っているため,当初の計画では補となっていた他のカオス系の模索について重点的におこなった。双方向光注入系のLDに疑似ランダム信号を印加した場合の数値シミュレーションや,それらに関する理論的な考察を一部報告することができた。これは,当該研究の目的であるカオス発振LDの軌道不安定性を制御するために有用な事項であると言え,現在までの達成度は概ね順調である。半導体レーザーは外部共振器を設けることで容易にカオス発振することが知られており,この高速で広帯域な振動は様々な工学分野での応用が期待されている。本研究課題で注目した光カオス秘匿通信もそのひとつであり,これは従来のソフトウェア的な手法で作成された暗号コードを用いる秘匿通信(暗号通信)ではなく,半導体レーザーのカオス発振という物理現象に起因する秘匿通信である。広く研究されている送信器と受信器のカオスを同期させる光カオス秘匿通信手法は,秘匿性への懸念が指摘されるとともに,外因やレーザーパラメーターの誤差によりビットエラーが生じる恐れがある。これに対し研究代表者らは2種類のカオスダイナミクスの差異を用いた手法を提案しており,実用化には簡易にカオス発振半導体レーザーのダイナミクスを制御することが必要である。本研究課題ではカオス発振半導体レーザーのカオス性(軌道不安定性)を制御する手法の構築を目的としている。

外部共振器を用いてカオス発振させた半導体レーザー(LD1,送信器を想定)を他の半導体レーザー(LD2,受信器を想定)に光注入する光学系を考える。LD1の駆動電流に疑似ランダム信号と,光学系とは独立なカオス信号を印加することで,カオス発振するLD2の軌道不安定性を制御可能であることを示した。印加する疑似ランダム信号について,軌道不安定性を増大させる効果が大きい周波数帯域が存在することが明らかとなり,それがLD2の周波数スペクトル帯域と一致することを示した。すなわち,レーザーカオス系の周波数スペクトルと同様なスペクトルをもつ複雑な信号を半導体レーザーの駆動電流に印加することで,効果的に軌道不安定性を強めることが可能となる。これにより低ビットエラーな光カオス秘匿通信が可能となる。さらに,もう1個のカオス発振半導体レーザーを追加することで,この効果を抑圧する手法を提案した。光注入によりカオス発振する半導体レーザー(LD)を考え,LDの駆動電流に複雑な信号を印加することでカオス発振LDの軌道不安定性を制御する手法を提案した。まず,印加信号として疑似ランダム信号を用いたときLD系の軌道不安定性が向上することを示した。次に印加信号の周波数帯域に対する軌道不安定性の周波数応答について調査し,この周波数応答がLD系のカオススペクトルと一致することを発見した。さらに,カオス信号を印加した場合と,同様なスペクトルを持つような疑似ランダム信号を印加した場合の軌道不安定性を向上させる効果を比較した。これにより,印加信号のスペクトル形状が軌道拡大率の向上の要因であることを示した。実験環境整備等に時間がかかってしまったため,当初の計画とは異なり実験的検証に関する報告をすることができなかったものの,翌年度実施予定であった数値シミュレーションの一部を行い,効果的に軌道拡大率を変化させることが可能な印加信号の周波数帯域に関して報告することができた。これにより,当該研究の目的のひとつである半導体レーザーのカオス発振の軌道不安定性を制御する手法の確立に向けて着実に前進しており,現在までの達成度は概ね順調と言える。今後は当初の計画に従い,上記特性を用いた光カオス秘匿通信手法をについて,その特性を明らかにしていく。また,一方向光注入系と双方向光注入系のLDに疑似ランダム信号を加えた場合の数値シミュレーションの比較,及び理論解析により,カオス発振LDの軌道不安定性が制御可能となるパラメーターの条件を明らかにする。また,実験による検証も進めていく。応用光学,光通信工学今後は当該年度の研究成果および整備した実験環境を基に,研究実施計画に基づき実験的/数値的な検証を行っていく。次年度使用額に相当する金額の実験用器具などを発注していたが,発注が時期が遅かったため,納期が事務手続きに間に合わず次年度使用額が生じた。年度末に学術論文投稿の準備のための英文校閲を予定していたが,所属研究機関を異動することとなりその準備のため見合わせたため。上記理由により次年度使用額に相当する金額は速やかに使用する予定である。
高密度古地磁気サンプリングから東北日本の回転移動時期を解く

本研究の目的は,東北地方の中新統で層序に沿った高密度古地磁気サンプリングを行ない,古地磁気方位の時間変化を観測することにより,東北日本の回転移動時期を明らかにすることである.この目的を達成するために,、本年度は岩手県中部と宮城県北部を調査地に設定し,地質調査と岩石試料サンプリング,及び古地磁気測定を実施した.岩手県中部に分布する中新統稲瀬火山岩類(約15-13Ma)を対象に地質調査,サンプリング,古地磁気測定を行い,古地磁気データ解析を通じて回転運動について考察した。その結果,稲瀬火山岩類の古地磁気方位は偏角の大きな分散で特徴付けられることが判明した。古地磁気伏角にはあまり大きな分散が見られないため,古地磁気方位の分散は地殻ブロックのブロック回転運動を示唆する。変動地形学的な解析結果も,本地域に多数の断層が存在する可能性を示唆する。さらに踏査により横ずれ変位の痕跡を持つ断層露頭を発見した。本研究により,北上山地西縁部において中期中新世以後に横ずれ断層運動に伴う地殻のブロック化とブロック回転運動が生じたことが新たに判明した。宮城県北部に分布する中新統石越安山岩類(約14Ma)を対象に地質調査,サンプリング,古地磁気測定を行った結果,石越地域では約14Ma以降に古地磁気学で検出できるほどの回転運動が起きていないことが判明した。今回新たに得られた結果と東北日本の既報古地磁気データを総括し,アジア大陸及び西南日本との方位比較を行った。その結果,日本海拡大に伴う東北日本の回転運動は15Maには終了しており,それ以降は回転していないことが明らかになった。本研究の目的は,東北地方の中新統で層序に沿った高密度古地磁気サンプリングを行ない,古地磁気方位の時間変化を観測することにより,東北日本の回転移動時期を明らかにすることである.この目的を達成するために,本年度は岩手県北上市周辺を調査地に設定し,地質調査と岩石試料サンプリングを実施した.まず,調査地に分布する中新統稲瀬火山岩類(約15-13Ma)を対象に地質調査を行い,溶岩の分布や地質構造を明らかにした.調査は主に踏査により行い,岩相分布と構造を記載した.その結果,稲瀬火山岩類には従来知られているよりも多くの溶岩が挟在することが判明した.次に,発見された溶岩流や火砕岩からエンジンドリルを用いて岩石試料を採取した.1地点につき810個の試料を採取した.その結果,合計26地点から約200個の岩石試料を得ることができた.露頭での地磁気測定と残留磁化方位のチェックには小型磁力計が有用であるため,今回新たにバーティントン製単軸フラックスゲート磁力計Mag-01Hを購入・使用した。この磁力計は極微弱な磁場強度を測定することが可能である.野外での使用に加え,実験室における磁気測定装置内の残留磁場測定にも用いることができる.次年度は,得られた試料の磁気測定を行ない,古地磁気方位の層序変化を明らかにする予定である.また追加の試料採取が必要であると判断された場合にはそれを行う.そうした結果から,東北日本の回転移動時期について新知見を得たい。
大気圧プラズマによる機能ソフト界面への展開

歯科領域における大気圧プラズマ照射応用に向けた基礎的実験解析として、金属への大気圧プラズマ照射における被照射面について、その表面自由エネルギーを測定し、金属表面の水素結合力、双極子間力としての分子間力が働いてそのエネルギーの増加が分かった。X線光電子分光分析(XPS)によってそれぞれ高結合エネルギー側へのシフトがみられ、酸化状態に向かって高い反応性を示していた。XRD解析を行い、低2θ度における広範囲でのハローピークが検出され、その表層は積分強度から照射による非結晶成分が増加している解析された。また、高分子化合物として、歯科矯正用レジンボンディング材の表面自由エネルギーの増加がみられた。材料表面の分子性状や物質間の接合性などその機能を向上するため、矯正歯科はもちろん歯冠修復、補綴装置、インプラントなどの共通した懸案事項であり、様々な処理にて被着面を改質することが行われている。そこで歯質、骨など生体硬組織への金属、高分子化合物の接合接着性、材料表面反応性の改質、高機能化を目的として、歯科領域での大気圧プラズマ照射適用に着目した。方法:本研究は、ドライプロセスとしての大気圧プラズマ照射による被照射面の反応性を解析し、その効果の応用を見出すことである。したがって、プラズマ照射による種々の処理条件について種々の条件下で、被処理面への拡散ぬれ性、表面自由エネルギーや反応性を評価する。表面自由エネルギーについては、Young-Dupreおよび拡張Fowkesの式を用い、dispersion force、polar forceおよびhydrogen bondについて既知の液体(1-bromo-naphthalene、diiodomethane、water)を参照し算出した。結果:照射時間数秒において、接触角の時間依存による減少がみられ、表面自由エネルギーは時間依存で増加することが確認された。更には被処理金属についてはTi合金、SUS304についてその照射効果を確認した。考察:照射初期においてもその効果が認められ、窒素ガスによるプラズマであるが金属表面の双極子相互作用としての分子間力が働いていることも確認され、プラズマによる応用が期待される。平成27年度の実験計画に従い、大気圧低温プラズマの装置を購入し、その装置の動作確認、実験条件の設定の確認を行った。当初の実験計画によるとガス種についても比較検討して実験条件の設定確認を行う予定であったが、初年度実験費の配分として、その差異の検討には至らなかった。そのため、計画の若干の変更として、ガス種は窒素を条件として使用し、その照射時間による検討を最優先に行った。その結果、照射初期において、接触角の時間依存による減少がみられ、表面自由エネルギーは時間依存で増加することが確認された。歯科領域における大気圧プラズマ照射応用に向けた基礎的実験解析を行っている。平成27年度において研究経費が減額で採択されたことから、大気圧低温プラズマ装置が当初の実験計画で計上したものとは異なる機種になったため、ガス種条件の検討を窒素にのみ照射条件として設定し、多種金属試料について検討する計画に変更した。そして金属への大気圧プラズマ照射における被照射面について、エネルギー成分が既知の液体を使用して接触角からその表面自由エネルギーを測定し、金属表面の水素結合力、双極子間力としての分子間力が働いてそのエネルギーの増加が照射によってみられることが分かった。そのため28年度の実験として、用いられていた金属についてX線光電子分光分析(XPS)によってその照射面での組成元素をもとに化学状態の変化を解析した。XPSにおける解析では、Ti合金(Ti-6Al-4V)については、チタン(2p3/2)のほかにアルミニウム(2p3/2)、ステンレススチール(SUS304)については、鉄(2p3/2)、ニッケル(2p3/2)、クロム(2p3/2)の主元素(電子軌道)を調べ、それぞれ高結合エネルギー側へのシフトがみられ、酸化状態に向かって主要元素として高い反応性を示していた。また、プラズマ照射された金属表面への歯科矯正用接着材の適用による接触角についても測定した。それらは照射数秒において有意に減少した。さらに被照射試料として貴金属も対象とし、前年同様表面自由エネルギーについて測定のため、エネルギー成分が既知の液体からYoung-Dupreおよび拡張Fowkesの式を用いて、双極子相互作用、分散力、水素結合などの表面自由エネルギーの成分を検討し、Ti合金やステンレススチールと同様の表面自由エネルギーの増加がみられた。平成27年度として実験計画に従って装置購入した大気圧低温プラズマ装置は、研究経費が減額で採択され当初の機種とは異なったため、照射条件を窒素にのみ設定して検討する実験計画に変更し、平成27年度よりプラズマ照射した金属面での表面自由エネルギーを接触角から算出し、照射による分子間力に起因するエネルギーの増加という成績を得た。平成28年度として、その表面自由エネルギーを測定したTi合金、ステンレススチールについて、X線光電子分光分析により定性分析や化学状態を解析することに至った。それらは、照射による表面自由エネルギーとしての増加の影響が、表面元素での酸化状態と密接な結果を示しており、加えて特定元素の減少が確認されたため、相対的に照射面の金属元素が高エネルギー状態に帰することで表面自由エネルギーが増加したことが推察された。したがってその効果から、照射された金属面は、より電荷に起因して親水性へと機能を持ったものと解釈でき、当初の計画との変更点はあるものの、照射による効果の解明についておおむね順調に成果を得ている。さらに、分子間力の増加をもたらす分子の誘導、定着について応用が期待できる。

歯科領域における大気圧プラズマ照射応用に向けた基礎的実験解析として、平成27年度において研究経費が減額で採択されたことから、ガス種条件を窒素に設定し、多種金属試料について検討する計画に変更した。金属への大気圧プラズマ照射における被照射面について、その表面自由エネルギーを測定し、金属表面の水素結合力、双極子間力としての分子間力が働いてそのエネルギーの増加が照射によってみられることが分かった。そのため28年度の実験として、用いられていた金属についてX線光電子分光分析(XPS)によってその照射面での組成元素をもとに化学状態の変化を解析し、Ti合金(Ti-6Al-4V)については、チタン(2p3/2)のほかにアルミニウム(2p3/2)、ステンレススチール(SUS304)については、鉄(2p3/2)、ニッケル(2p3/2)、クロム(2p3/2)の主元素を調べ、それぞれ高結合エネルギー側へのシフトがみられ、酸化状態に向かって高い反応性を示していた。また、プラズマ照射された金属表面への歯科矯正用接着材の適用による接触角についても測定した。それらは照射数秒において有意に減少した。さらに被照射試料として貴金属も対象とし、前年同様表面自由エネルギーの成分を検討し、Ti合金やステンレススチールと同様の表面自由エネルギーの増加がみられた。29年度において処理条件について照射時間を長時間(30分)として、異なる評価法としてXRD解析を行い、低2θ度における広範囲でのハローピークが検出され、その表層は積分強度から照射による非結晶成分が増加している解析された。また前年度より測定していた有機化合物として、歯科矯正用レジンボンディング材の表面自由エネルギー解析で、有意にぬれ性を高め接着性を向上させることを報告した。歯科領域における大気圧プラズマ照射応用に向けた基礎的実験解析として、金属への大気圧プラズマ照射における被照射面について、その表面自由エネルギーを測定し、金属表面の水素結合力、双極子間力としての分子間力が働いてそのエネルギーの増加が分かった。X線光電子分光分析(XPS)によってそれぞれ高結合エネルギー側へのシフトがみられ、酸化状態に向かって高い反応性を示していた。XRD解析を行い、低2θ度における広範囲でのハローピークが検出され、その表層は積分強度から照射による非結晶成分が増加している解析された。また、高分子化合物として、歯科矯正用レジンボンディング材の表面自由エネルギーの増加がみられた。計画として今年度検討した被照射金属(Ti合金、SUS304)に他種合金を追加し、それらについて試料の元素をXPSによって表面分析し、XPSスペクトルから元素の結合エネルギーの差異を調べ、ブラズマ照射による効果を今年度得られた成果と合わせ検討する。特に親水性を示すことより酸化物を示す元素との関係を解析し、得られた結果をもとに照射面の結合能を評価し、照射面への結合物質を検討する。
ゲノム育種によりトラフグの耐病性品種作出をめざす

水産動物で唯一ゲノムが解読されているトラフグを用いて,耐病性関連マーカーの探索や免疫関連因子の機能解析を行なうことで,育種の基礎を確立することをめざしている.<高密度連鎖地図の作成>マーカー選抜育種に必須の連鎖地図は、マーカー数1219からなり,全ゲノム配列の86%に染色体上の位置情報を与えるまでの極めて高密度のものを作成することができた.<寄生虫耐性/感受性を規定する遺伝子の連鎖解析>トラフグに甚大な被害を与えるエラムシ,Heterobothrium okamotoiに対してクサフグが耐性を示すことから,トラフグとクサフグの交雑第1世代とトラフグとを掛け合わせた戻し交配世代(BC)に,攻撃試験を行い,連鎖解析を行った.その結果、寄生虫の数に連鎖する遺伝子座,寄生虫の成長に連鎖する遺伝子座,それぞれ2つずつ見出され,寄生数と寄生虫の成長とが別々の遺伝子に支配されていることがわかった.寄生数に関する遺伝子座の1つでは,トラフグのアリル間でも差が認められ,種間差を規定しているだけでなく,トラフグ内での寄生虫耐性を決める遺伝子座でもあることがわかった.<免疫関連因子の探索と機能解析>本研究の中で様々な免疫関連因子が明らかとなった.特に,感染経路となる消化管や体表への抗体分泌に関わる因子,plgRの役割を魚類で初めて明らかにすることができた.抗体産生細胞の成熟に関わるB-limpl,BCL-6,XBP-1,Pax-5,AID,TLE-3などについて,その構造解析を進めた.さらに,免疫応答の出発点となる抗原提示細胞を魚類で初めて特定することができた.これらの成果は,魚類の免疫系の理解が飛躍的な深化に結びつき,表面に付着した寄生虫に対して生体がどのように応答するのかを解明することにつながるものである.以上の成果は,今後育種へと展開して行く道筋をつけることにつながるものと考えている.水産動物で唯一ゲノムが解読されているトラフグを用いて,耐病性関連マーカーの探索や免疫関連因子の機能解析を行なうことで,育種の基礎を確立することをめざしている.<高密度連鎖地図の作成>マーカー選抜育種に必須の連鎖地図は、マーカー数1219からなり,全ゲノム配列の86%に染色体上の位置情報を与えるまでの極めて高密度のものを作成することができた.<寄生虫耐性/感受性を規定する遺伝子の連鎖解析>トラフグに甚大な被害を与えるエラムシ,Heterobothrium okamotoiに対してクサフグが耐性を示すことから,トラフグとクサフグの交雑第1世代とトラフグとを掛け合わせた戻し交配世代(BC)に,攻撃試験を行い,連鎖解析を行った.その結果、寄生虫の数に連鎖する遺伝子座,寄生虫の成長に連鎖する遺伝子座,それぞれ2つずつ見出され,寄生数と寄生虫の成長とが別々の遺伝子に支配されていることがわかった.寄生数に関する遺伝子座の1つでは,トラフグのアリル間でも差が認められ,種間差を規定しているだけでなく,トラフグ内での寄生虫耐性を決める遺伝子座でもあることがわかった.<免疫関連因子の探索と機能解析>本研究の中で様々な免疫関連因子が明らかとなった.特に,感染経路となる消化管や体表への抗体分泌に関わる因子,plgRの役割を魚類で初めて明らかにすることができた.抗体産生細胞の成熟に関わるB-limpl,BCL-6,XBP-1,Pax-5,AID,TLE-3などについて,その構造解析を進めた.さらに,免疫応答の出発点となる抗原提示細胞を魚類で初めて特定することができた.これらの成果は,魚類の免疫系の理解が飛躍的な深化に結びつき,表面に付着した寄生虫に対して生体がどのように応答するのかを解明することにつながるものである.以上の成果は,今後育種へと展開して行く道筋をつけることにつながるものと考えている.本研究は水産動物で唯一ゲノムが解読されているトラフグの耐病性関連マーカーや免疫関連因子の機能解析を行なうことで,育種の基礎を確立することをめざしている.ことを1.耐病性評価手法の確立トラフグの主要な寄生虫であるヘテロボツリウムによる攻撃試験を実施し,鯉腔内の寄生数や寄生虫のサイズから,耐病性を評価する手法を確立した.2.耐病性関連マーカーの探索と選抜育種クサフグとトラフグの雑種第1代の雄とトラフグ雌との交配により得た戻し交配世代(BC)について,ヘテロボツリウムに対する攻撃試験を行なった結果,この寄生虫に対する抵抗性個体から感受性個体まで広く分布することが分かり,連鎖解析用のDNAサンプルも採取した.雑種第1世代が雌雄とも成熟したので,兄妹交配を行うことで雑種第2世代の作出に次年度以降の解析の準備を整えた.3.ゲノム情報を利用した免疫関連因子の探索と機能解析耐病性に関わると想定される免疫関連因子について,ゲノムデータベースを利用して未同定のものの探索を進めた.その結果,T細胞マーカーであるCD3,B細胞の分化に関わるBlimp-1,サイトカインとしてIL-15などの構造を決定した.細胞表面マーカーに対する抗体も作成し,各種リンパ球の分取を行い,in vitroでの感染モデル実験における各種免疫関連遺伝子の発現変動により,耐病性との関連について検討を加えた.本研究は水産動物で唯一ゲノムが解読されているトラフグを用いて,耐病性関連マーカーの探索や免疫関連因子の機能解析を行なうことで,育種の基礎を確立することをめざしている.1.連鎖地図の高密度化

昨年度完成させ,論文およびネット上で公表した連鎖地図は,マーカー数200のものであったが,詳細な解析を進める前提として,マーカー数を400にまで増大させた.各マーカーはゲノム断片配列を代表しているため,これにより,全ゲノム配列の約60%について,染色体の位置情報を与えるまでに高密度化させることができた.2.耐病性関連マーカーの探索昨年度ヘテロボツリウムに対する攻撃試験を行なった,クサフグとトラフグの雑種第1代の雄とトラフグ雌との交配により得た戻し交配世代(BC)のサンプルについて,寄生虫数,寄生虫サイズとの関係について連鎖解析を進めた.22連鎖群の内,8連鎖群を解析した結果,寄生虫数に連鎖する領域,2ヶ所,寄生虫サイズと関連する領域1ヶ所が見出され,そもそもの付着数とその後の成長とは別々の遺伝子に連鎖していることが明らかとなった.当該領域にはいくつかの免疫関連遺伝子が見出され,今後,候補遺伝子の絞込みを計画している.3.ゲノム情報を利用した免疫関連因子の探索と機能解析耐病性に関わる免疫関連因子の探索と,機能解析を進めた.自然免疫系に関わる体表粘液のパフレクチンについて,このレクチンで凝集される菌は体表に付着しにくいことを見出した.粘液中に免疫グロブリンを運搬する分子としてpIgRの構造を魚類で初めて解明し,哺乳類と異なり,消化管など内側の表面だけでなく体表でも発現していること,その分子が確かに免疫グロブリンと結合していることを明らかにした.抗体産生細胞の成熟に関わるB-limp1,BCL-6,XBP-1,Pax-5,AID,TLE-3などについて,その構造解析を進めた.今年度の大きな成果として,まずトラフグ連鎖地図の完成があげられる.マーカー数約1200からなるこの連鎖地図は,全ゲノム配列の86%に染色体上の位置情報を与える極めて詳細なもので,これにより,マーカー選抜育種や,表現形を支配する遺伝子の特定に向けて強力な武器が得られたことになる.現在,論文執筆を進めており,近く全データをネット上で公開される予定である.トラフグとクサフグの交雑第1世代とトラフグとを掛け合わせた戻し交配世代(BC)に,トラフグ養殖に重大な被害を与える寄生虫(Heterobothrium okamotoi)による攻撃試験を行った個体について,連鎖解析が終了した.寄生虫の数に連鎖する遺伝子座,寄生虫の成長に連鎖する遺伝子座,それぞれ2つずつ見出され,寄生数と寄生虫の成長とが別々の遺伝子に支配されていることがわかった.寄生数に関する遺伝子座の1つでは,トラフグのアリル間でも差が認められ,種間差を規定しているだけでなく,トラフグ内での寄生虫耐性を決める遺伝子座でもあることがわかった.免疫関連遺伝子の探索も引き続き精力的に進め,感染経路となる消化管や体表への抗体分泌に関わる因子,pIgRの役割を魚類で初めて明らかにした.また,免疫応答の出発点となる抗原提示細胞を魚類で初めて特定することができた.さらに,免疫担当細胞が必要な場所に移動する際の指標となるケモカインも明らかにした.これらの成果は,魚類の免疫系の理解が飛躍的な深化に結びつき,表面に付着した寄生虫に対して生体がどのように応答するのかを解明することにつながるものである.これらの成果により,今後育種へと展開して行く道筋をつけることができたと考えている.
データ同化強化学習

計算機シミュレーションの結果から行動戦略を学習することは,多大なコストが発生する「実験」を行なう必要がないため,飛躍的な生産性の向上が見込まれる.しかし,シミュレーションの結果は実際の実験結果から乖離することも少なくなく,シミュレーションで得た戦略が実際に意味をなさないことも多い.本研究では,シミュレーション学習の枠組みであるデータ同化と,データから意思決定則を学習する強化学習を組み合わせた「データ同化強化学習」を開発し,少ない実験数で高い性能を発揮する行動戦略の学習を実現した.また,開発した手法を新規材料設計問題に応用し,従来法より少ない実験数で目標とする物質を見つけることに成功した.本年度はデータ同化強化学習を実現するため,次の2つの課題に取り組んだ.1.データ同化強化学習の数理基盤の構築データ同化は潜在変数を持つ確率過程のフィルタリング,スムージングを計算する必要がある.したがって,データ同化と強化学習を組み合わせるためには,これらの確率演算と相性がよい強化学習法を考える必要がある.私は,従来法と異なり,強化学習を統計学習問題に変換し,グラフィカルモデルの近似推論法により最適な方策を導出する強化学習法を開発した.この開発法は確率推論を規範とした方法であるため,当然ながら確率演算と親和性が高く,データ同化を直線的に適用することが可能である.さらに,提案法は理論的にも素晴らしい性質を有しており,近似推論が正確な場合,大域的に最適な方策に収束することが可能である.この望ましい性質は,従来法は持ち合わせておらず,提案法の大きな強みであると言える.提案法を有名なベンチマーク問題であるカートポールの振り上げ問題に応用し,従来法を凌駕する性能を発揮することを確認した.2.データ同化アルゴリズムの開発新しい強化学習法にデータ同化を組み込むため,データ同化の実装を進めた.ヒト型ロボットの物理シミュレーションに従来のサンプリング規範のデータ同化法を適用した結果,膨大な計算時間が発生することが確認された.データ同化強化学習は,データ同化によるシミュレータ学習と方策学習を繰り返すため,データ同化の計算時間を大幅に削減する必要がある.現在,計算機クラスタによる並列計算による高速化,ならびにより計算コストに優れたガウス過程に基づくデータ同化法の開発を行うことを検討する.平成26年度は,データ同化による大規模な意思決定問題の解法を構築するため,次の3つの研究課題に取り組んだ.1.データ同化と相性のよい強化学習法の開発:前年度までの研究を継続,発展させ,本年度は確率推論に基づく強化学習の新しい枠組み,カルバック・ライブラー方策探索(KLPS)を開発した.KLPSは,機械学習における重要な評価尺度である,カルバック・ライブラー距離を利用し,強化学習を確率推論問題として再定式化し,グラフィカルモデルの推論法を用いて最適な意思決定則を見つける.よって,KLPSによる最適意思決定則の探索は確率推論で閉じているため,他の強化学習法と異なり,データ同化を自然な形で強化学習に取り込むことができる.また,KLPSは優れた理論的な性質を持ち,大域解への収束が保証されることを証明した.2.データ同化法による計算機シミュレータの学習:計算機シミュレーションの学習を行なうため,データ同化法の実装を行った.データ同化法はさまざまな方法があるが,本研究ではガウス過程によるデータ同化法を実装した.この方法をベンチマーク問題,既知のダイナミクスのロボットシミュレータへパラメータを未知として適用し,その性能を検証した.その結果,精度については問題ないが,シミュレータの速度低下が確認されたため,スパース性を活用した高速化法を開発し,その有効性を検証した.3.データ同化強化学習法の実装,その応用: 1.2.で実装したデータ同化により学習したシミュレーションと確率推論に基づく強化学習を組合せ,シミュレータ学習とその確率推論によるロボット制御を行った.現在,その詳細な評価を行っている.最終年度は本科研費プロジェクトにおいて開発を進めてきたデータ同化強化学習法を,化合物・タンパク質の相互作用実験に応用した.化合物・タンパク質相互作用実験とは,ターゲットとなるタンパク質に機能する化学物質のスクリーニングし,薬品の“タネ"を探しだす新薬開発の重要なプロセスである.この実験を実際に実行するには,複数人単位の研究者チームと数週間単位の時間を必要とされるため,創薬におけるボトルネックである.よって,化合物のスクリーニングを効率化することにより,新規開発にかかる費用を削減し,開発速度を飛躍的に向上させることが期待できる.これまで,化合物・タンパク質の相互作用実験を計算機上で模倣するシミュレーションの開発により実験を置き換えることがすすめられてきた.それらの研究成果により,シミュレーション精度は向上したが,精度の良いシミュレーションを行なうためには,「京」のような大規模計算機を数日稼働する必要があり,やはり実験数には限りがある.本研究では,このシミュレーターとデータ同化強化学習を組み合わせて,少ない実験回数で最適な化合物を見つけることに挑戦した.まず既にデータベース化されている化合物・タンパク質の相互作用の結果についてデータ同化強化学習を適用し,その性能を検証した.その結果,対象とした化合物の数パーセントについてシミュレーションを実行するだけでもっともよく機能する最良の化合物を発見することができた.この結果をうけて,データベース化されていない未知のタンパク質に対する最良の化合物を探索する実験に取り組んでいる.最後に本科研費プロジェクトで得られた成果はソフトウェア,Common Bayesian Optimization LibraryとしてGitHub上(https://github.com/tsudalab/combo)で公開している.計算機シミュレーションの結果から行動戦略を学習することは,多大なコストが発生する「実験」を行なう必要がないため,飛躍的な生産性の向上が見込まれる.

しかし,シミュレーションの結果は実際の実験結果から乖離することも少なくなく,シミュレーションで得た戦略が実際に意味をなさないことも多い.本研究では,シミュレーション学習の枠組みであるデータ同化と,データから意思決定則を学習する強化学習を組み合わせた「データ同化強化学習」を開発し,少ない実験数で高い性能を発揮する行動戦略の学習を実現した.また,開発した手法を新規材料設計問題に応用し,従来法より少ない実験数で目標とする物質を見つけることに成功した.現在,ほぼ当初の計画どおり,データ同化強化学習の数理の確立,データ同化法の実装,そしてデータ同化強化学習の擬似データによる性能検証まで進んでいるため,概ね順調に進展しているといえる.人工知能現在,当初の計画どおり順調に進展しているため,基本的に当初の計画どおり研究を推進する.しかし,シミュレーションデータと実際に得られたデータを融合し,ロバストな強化学習法の構築は現在,当初の思惑通りに機能していない.この問題に対処するため,非常に簡単なベンチマーク問題において提案法が破綻する要因を精査し,その対処法を考えるつもりである.また,この問題の解消が困難であると判断された場合は,シミュレーションデータと実データの融合を諦め,シミュレーション学習の精度を向上させ,強化学習のロバスト性を高める方向にシフトする.本年度の予定は,データ同化強化学習の数理基盤の構築,データ同化法の実装を行うことであった.データ同化強化学習の数理基盤の構築については順調に研究を進行させられているが,データ同化の計算量は当初の想定を超えるものであり,計算コスト削減に尽力している.現在,計算時間の短縮にはある程度目処が立っている状態になっていることから,多少の遅延はあるが,おおむね順調に進展していると言える.年度末に投稿準備中の論文の英文添削費として繰越しを行った.今後はデータ同化の高速化を進めるとともに,データ同化と今年度提案した強化学習法を組み合わせる方法論を提案する.データ同化の高速化は,現状では計算機のパワーに頼る解決法が有力と考えられるため,スーパーコンピュータや高性能PCによる並列化演算を推進する予定である.また,データ同化の実応用問題としてロボット制御を検討していたが,細胞制御やソーシャルネットワークにおける推薦問題などよりデータ同化強化学習の活躍が見込まれる問題は多数存在する.それらの問題も視野に入れて実応用を模索していく.現在,投稿準備中の論文の英文添削費用として使用する計画である.本年度は強化学習の定式化に大きく時間を割いたため,データ同化実験に入るのが遅れ,計算機の購入が間に合わなかった.
複数種ナノ結晶析出制御に基づいた透明結晶化ガラスの機能多元化

1.透明結晶化ガラスの元化のテーマに基づき、Cr4+,賦活透明結晶化ガラスに関する研究を行った。Zn2SiO4、Mg2SiO4、Li2ZnSiO4、またはLi2MgSiO4の組成を持つナノ粒子を其々に析出した透明結晶化ガラスの作製に成功した。これらの透明結晶化ガラスを広帯域光増幅器のホスト材料として、応用することを検討するために、吸収スペクトル、発光スペクトル、蛍光寿命測定、及び量子収率測定を行った。Cr4+の結晶場強度によって、Cr4+の近赤外広帯域発光を、1130ナノメートルから1350ナノメートルに変調し、それに対する室温の発光寿命を、6マイクロ秒から100マイクロ秒に延長した。特に、Li2ZnSiO4を析出した透明結晶化ガラスの量子収率は、17%に達し、広帯域増幅器の材料として、光通信に応用される可能性を強く示した。2.赤色長残光蛍光体および長残光結晶化ガラスに関する研究において、遷移金属Cr3+を発光中心とし、研究を行った。Cr3+-Bi3+共添加ZnGa204赤色長残光蛍光体中、GaをAlに部分的置換したによって、Cr3+のサーモルミネセンスピークが高温にシフトした。これは、Alの置換によって、赤色長残光に寄与する電子トッラプの深さが増大したためであると考えた。Al置換した蛍光体は深いトッラプを持ち、室温(20度)の長残光強度がAl置換しない試料より弱かった。しかし、高温(80度)で、Al置換した蛍光体は、より優れた長残光特性を示した。室温(20度)で、Al置換した蛍光体中捕獲された電子は、外部の近赤外光刺激を受け、効率的に解放できる。この論文に提唱した、近赤外光刺激一近赤外長残光は将来のバイオイメージングに応用する可能性がある。(抄録なし)1.透明結晶化ガラスの機能多元化のテーマに基づき、Fe添加シリカ結晶化ガラスに関する研究を行った。Fe2+の母体としてLi2ZnSiO4含有結晶化ガラスを用いることで、Feの配位子場制御により、Fe2+(VI)吸収を抑えられることを示した。Li2ZnSiO4結晶は、全てのカチオンが四面体サイトを占有するため、熱処理により結晶に導入されるFe2+の配位数が4となる。そのため、Fe2+(IV)の吸収が1600nmに移動し、結晶シリコン太陽電変換波長範囲の透過率が向上した(図1)。更に、ガラス組成に硝酸塩酸化剤を加えると、Fe2+(IV)がFe3+(IV)に酸化され、透過率がより増大した。加えて、酸化剤入りLi2ZnSiO4透明結晶化ガラスでは、Fe3+(IV)の高効率な375nm励起、700nm発光を観測した。このガラス材料を表面基板に用いれば、波長変換効果により、太陽電池の変換効率を向上する可能性も示した。遷移金属Cr3+が賦活したZnGa204スピンネル結晶が残光をあらわすことが既に分かっているが、実用化のためには、より高強度の長残光が求められる。我々は、Bi203共ドープにより、Cr3+の赤色長残光強度が10倍増強することが発見した(図2)。この現象のメカニズムを解明するために、ドーパントの種類、ホスト組成、及ぶ焼結雰囲気など条件を制御し、作製した試料について拡散スペクトル、発光・励起スペクトル、長残光放射輝度、熱ルミネッセンスなどの測定を行った。長残光蛍光体の結晶粒子を、熱処理によりガラス中に析出させることができれば、長残光結晶化ガラスが得られる。これまで、赤色長残光結晶化ガラスに関する報告は未だなく、これが実現すれば、夜光材料など多岐にわたる応用可能性があると考える。今後長残光に関する研究は、蛍光体から結晶化ガラスへと展開させる予定である。

しかし、高温(80度)で、Al置換した蛍光体は、より優れた長残光特性を示した。室温(20度)で、Al置換した蛍光体中捕獲された電子は、外部の近赤外光刺激を受け、効率的に解放できる。この論文に提唱した、近赤外光刺激一近赤外長残光は将来のバイオイメージングに応用する可能性がある。研究計画に基づき、予想通りの実験結果を得た。これから、計画の基本的なルートを変更しない限り、材料設計、測定方法などで、新たな考えを加え、予想された実験結果を超えるようにチャレンジする。(抄録なし)
NMR緩和時間からみた傷害肺の病態生理学的研究

1.肺組織の2つのT_2成分の由来:肺組織の核磁気共鳴緩和時間T_2はT_<2f>:T_2 fast,T_<2s>:T_2 slowがあり、肺障害を反映して特徴な動きを示すことから、これらが肺組織のどの部分に由来する水かを決定することは障害部位の診断に重要である。本研究ではT_<2f>が肺胞内の空気による磁場勾配の影響を受けやすい肺胞上皮など肺胞腔に直接面する肺胞壁内の水、T_<2s>は毛細管内浸透圧の影響を直接受ける間質組識の水に由来する可能性が裏づれられた。2.Inーvivoでの肺の緩和時間測定:(1)表面コイル。呼吸運動の影響の除去を高濃度酸素の定常流による動脈血酸素化で試みた。ラットで呼吸停止下30分以内のデ-タの採取は可能で、人工呼吸器との併用により生体肺の緩和時間測定は可能と考えられる。尚、測定場所を特定する為の表面コイル用測定パルスの開発が必要である。(2)画像法。米国ユタ大学物理学教室との共同研究により、呼吸運動の影響を受けない胸部のNMR画像法、Interーleaved Line Scan(LiS)を開発した。自発自然呼吸下におけるラット末梢肺組織の緩和時間T_2を測定し、生体肺T_2の2成分解析を可能とした。3.T_1の温度依存性:ラット正常肺、エンドトキシン肺、ノルアドレナリン肺で、T1の温度依存性を26°C40°Cまで上昇、26°Cー30°Cまで低下させ検討した。肺組織の水の凍結点は正常肺ー14ー18°C、エンドトキシン肺ー16ー20°C、ノルアドレナリン肺ー14°Cであった。温度を低下時、温度とT_1値は1次の関係で260度、0ー14度、ー14ー24度で傾きが変化する。凍結状態からの温度上昇時には傾きが異なり、ー2度付近で融解がおこる。傾きの違いは水分子の活性化エネルギ-の変化を示唆しており、傷害肺での活性化エネルギ-から、高分子化合物の構造変化と水の存在状態の変化が捉えられ、さらに組織結合水量の変化など、新たな観点から肺傷害を解析できる。(2)画像法。1.正常肺組織内の2つのT_2成分の由来決定(a)肺組織の核磁気共鳴緩和時間T_2はinーvitroの測定で2成分(T_<2f>:T_2 fast,T_<2s>;T_2 slow)が捉えられている。2つの成分は、肺障害の病態を反映し種々の実験肺で特徴的な動きを示すことから、これが肺組織のどの部分に由来する水を見ているのかを決定することは障害部位の診断に重要な意味を持つと考えられる。我々は、緩和時間からT_<2f>をタンパク質濃度の高い細胞内の水、T_<2s>は細胞外の水と仮定してきた。本研究では、(1)浸透圧の異なるNaCl溶液を静注後、(2)100%

酸素吸入により脱気後、(3)浸透圧の異なるポリエチレングリコ-ル液の肺動脈への注入により、2つの成分の変化を見ることで各分画の水の存在部位の推測を行なった。その結果、T_<2f>はair-water interfaceによる磁場の不均一の影響を受けやすい部位、T_<2s>は血管内腔からの浸透圧の変化を受けやすい部位であることが判明した。T_<2f>はair-water interfaceによる磁場勾配の影響を受けやすい肺胞上皮細胞、血管内皮細胞など肺胞腔に直接面する肺胞壁内の水、T_<2s>は浸透圧による水バランスの変化を直接受けやすい間質組織の水に由来する可能性が裏づけられた。(b)肺組織内の血管内水分量、血管外水分量の定量を行い、我々のNMRサンプル肺組織中の水の約15%が血管内の残存血液に由来することがわかった。生体肺でのより正確な緩和時間測定を可能にする目的で、表面コイルを試作した。特色は、Excitation coilとReciever coilの2つのコイルを用いることである。機能を分けたことで信号検出目的部位での磁場均一度があがり、肺組織からの弱い信号をS/Nよく捉えられるはずである。1。Inーvivoでの肺の緩和時間測定A.表面コイルを用いて。呼吸の制御ー呼吸運動を行なわせずに動脈血の酵素化を果たすことを、高濃度酵素の定常流にて試みた。ラットでは、呼吸停止下で30分以内のデ-タの採取は可能である。人工呼吸器との併用により生体緩和時間測定は可能と考えられる。今後は、測定場所を特定できるような表面コイル用の測定パルスの開発を試みる予定であるが、測定部位の特定には傾斜磁場装置の導入が理想的である。B.画像法を用いて。米国ユタ大学理学教室との共同研究により、呼吸運動の影響を受けない胸部のNMR画像法、Interーleaved Line Scan(ILS)を開発した。自発自然呼吸下におけるラット末梢肺組織の緩和時間T_2を測定し、生体肺T_2成分解析を可能とした。2。T_1の温度依存性ラット生常摘出肺、エンドトキシン傷害肺、ノルアドレナリン肺水腫につき、T1の温度依存性を測定した。26°Cから40°Cまで上昇、26°Cから-30°Cまで低下時の変化を検討した。肺組織の水の凍結点は正常肺-14-18°C、エンドトキシン肺-16-20°C、ノルアドリナリン肺-14°Cであった。温度を低下させて行くと、温度変化とT_1値は1次の関係で260度、0-14度、-1424度で傾きが変化する。凍結した状態から温度を上昇させて行くと傾きが異なり、-2度付近で融解がおこる。これらの傾きの違いは水分子の活性化エネルギ-の変化を示唆しており、各傷害肺での活性化エネルギ-を算出することで、高分子化合物の構造変化と水の存在状態の変化が捉えられる。今後は、活性化エネルギ-から、組織結合水量の変化などを捉え、新たな観点から肺傷害を解析する。
気－液界面における溶解ダイナミクスの反応動力学による解明

気-液界面での動的過程に関する直接研究はほとんどない。本研究は、「気-液界面でのエネルギー移動・分子移動・反応過程のダイナミクス研究という新規研究領域を創出し、液相ー気相界面での溶解過程及び反応過程を直接研究解明する」ことを目的とし、この実現のために、蒸気圧の極めて低いイオン液体等を液体フィルム(分子線)として真空中に噴出し、これに量子状態制御した分子線を照射し、内部状態選別微分散乱断面積の時間発展の測定及びその液体流速・温度及びパルス強磁場電場印加効果から研究するための実験手法を開発した。気-液界面での動的過程(エネルギー移動・分子移動・反応)は、不均一系での基礎的かつ重要な多くの現象と深く関わっている。本研究は、蒸気圧の極めて低いイオン液体等を液体フィルム(分子線)として真空中に噴出し、これに量子状態制御した分子線を照射し、内部状態選別微分散乱断面積の時間発展の測定及びその液体流速・温度及びパルス強磁場電場印加効果から「気-液界面でのエネルギー移動・分子移動・反応過程におけるダイナミクス研究という新規研究領域を創出し、液相ー気相界面での溶解過程及び反応過程を直接研究解明する」ことを目的として計画した。この実現に向けて、本年度は、イオン液体を真空中に液体分子線として取り出し、分子線形成時のバルクから界面への状態変換によるイオン液体界面構造変化の検出、分子衝突による気-液界面での界面構造と反応性・エネルギー緩和との関係を反応ダイナミクスの手法により直接解明することを可能とするため、下記の装置開発を行った。1.イオン液体ノズルの改良を行い、最適なノズル形状を見出した。合わせて、白色光の反射率スペクトル測定による膜厚測定法を確立し、光学精度を有する3マイクロメーター厚の液膜が安定に生成していることを確認した。2.ダイナミクス研究に必要な分子線源を設置し、検出システムを完成させた。合わせて液面構造解析のために、ペニングイオン化による磁気ボトル型電子分光装置を新たに完成させた。3.液体フィルム(分子線)への衝突入射角を自動制御可能にし、状態選別微分散乱断面積の自動測定を可能とした。気-液界面での動的過程(エネルギー移動・分子移動・反応)は、不均一系での基礎的かつ重要な多くの現象(例えば、溶解過程、蒸留過程さらには生物の呼吸・細胞膜の分子移動等)と深く関わっている。しかしながら、これら基礎的過程のダイナミクスに関する直接研究はほとんどない。この実現に向けて、本年度は、イオン液体を真空中に液体分子線として取り出し、分子線形成時のバルクから界面への状態変換によるイオン液体界面の構造変化の検出、分子衝突による気-液界面でのと反応性の関係エネルギー緩和の様子を反応ダイナミクスの手法により直接解明することを可能とするため、下記の装置開発を行った。1.真空対応イオン液体ノズル及び循環ポンプ系を設計、制作した。イオン液体分子線の流速を精密に制御可能とすることで、バルクから界面への状態変換によるイオン液体界面の構造変化の検出を可能とした。2.ダイナミクス研究に必要な分子線源を設置し検出システムを完成させた。また液体フィルム(分子線)の入射角を可変とし、エネルギー移動の内部状態選別微分散乱断面積の測定を可能とした。本研究を遂行する上で不可欠な実験装置の製作を既に完成させた。しかしながら、イオン液体が非常に高価であるため、循環系の容量を極力小さくする必要が生じ、ポンプ仕様に制限が生じた。現在、最適と思われる装置試作を既に終えているが、ポンプ性能の制限から、実際の実験に使用可能なイオン液体の温度・粘度にかなりの制限が生じてしまった。非常に高価なイオン液体は、試験的に多くの試料を購入し予備実験することが困難である。経費での購入可能量・種類に限界があるため、実験に際して、温度・粘度・価格条件を満たしかつ興味深い試料の選定に慎重を期す必要があり、試料選定にさらなる時間が必要となり、具体的な研究に至っていない本研究を遂行する上で不可欠な実験装置の製作を既に完成させたので、今後、実験に際して、温度・粘度・価格条件を満たしかつ興味深い試料の選定を慎重に行い、実際の系に対する研究を行う。次年度の研究費は、試料の調査選定後に購入するイオン液体の購入費用である。
劣性遺伝形式を示す自然発生多血症及び発毛異常モデルマウス『pocy』の解析

我々は、多血症及び発毛異常を示す自然発生突然変異マウスを発見し、pocy (Familial Polycythemia)と名付けた。通常、自然発生突然変異マウスは優性遺伝であることが多く、劣性遺伝は稀である。本研究の目的は、pocyの表現型を詳細に解析するのと並行して、劣性遺伝様式を示すpocyの責任遺伝子を同定し、新たな多血症及び発毛異常の病因・病態解明への糸口を見つけることである。平成29年度及び30年度において、pocyの生後3週から18週における詳細な血液学検査を行い、多血症が一過性であることを確認した。Pocyでは野生型マウス(C57BL/6N)と比べて3週齢から8週齢にかけて、赤血球数、ヘモグロビン濃度、ヘマトクリット値が有意に増加し、血小板数は減少した。pocyの責任遺伝子を同定するために、野生型・ヘテロ接合体・ホモ接合体マウスのエクソーム解析を行い、多血症の表現型が劣性であることを踏まえ、pocy特異的な変異を持つ責任遺伝子を18個検出した。次に、候補遺伝子の絞り込みを行うために、pocyをC57BL/6Nと交配し、産仔であるヘテロ接合体同士を交配して、改めてホモ接合体(pocy2)を作製した。18個の候補遺伝子について、pocy2においても全て変異型ホモ接合体だったものを残すことで、候補遺伝子を7個に絞り込むことができた。さらにpocyの元になったAyu21-W267 ES細胞のシークエンスを確認した。その結果、2個の遺伝子が候補として残った。文献情報も考慮し、責任遺伝子を1つに絞り込むことができた。この遺伝子の変異(m)がpocyの表現型の原因であることを確認するために、ゲノム編集技術を用いてC57BL/6Nマウスに変異(m)を導入することに成功した。現在、ヘテロ接合体同士の交配を行なっているところである。H29年度の計画は次の通りである。(1) pocyホモ接合体マウスをC57BL/6Nマウスと交配し、得られたヘテロ接合体マウス同士の交配を行って、新たにpocyホモ接合体マウスのスクリーニングを行う。(2)次世代シーケンサを用いたエクソーム解析で得られた18個の候補遺伝子の絞り込みを行う。計画(1)に関しては、表現型の原因である突然変異がホモ接合体状態であると考えられるpocyをC57BL/6Nマウスと交配し、産仔はすべて赤くないことを確認した。その上でヘテロ接合体状態になっていると予想される雌マウスと雄マウスを交配し、得られた産仔の中に赤いマウスがいることを確認した。突然変異に関して再びホモ接合体になったと考えられる赤い雌マウスと赤い雄マウスを交配し、得られた産仔はすべて赤いことを確認し、この新たなマウスラインをpocy2と名付けた。計画(2)に関しては、18個の候補遺伝子に関する文献情報をチェックし、多血症との関係がありそうなものから優先順位を付けた。変異を検出することができるPCRのアッセイ系を構築し、最も優先順位の高かった変異mに関して、pocyはすべてホモ接合体であることを確認した。さらにpocy2においても変異mはホモ接合体であることを確認した。優先順位2番目の変異に関しては、pocyはすべてホモ接合体であったが、pocy2ではヘテロ接合体及び野生型であった。まずpocyに関して、全自動血液学解析装置で詳細な解析を行った。C57BL/6Nと比較して、pocyの赤血球数は約2倍で、ヘモグロビン濃度とヘマトクリット値も約2倍であった。逆に血小板数は約1/3であり、平均血小板容積は1.4倍であった。多血症の原因である突然変異がホモ接合体状態であると考えられるpocyをC57BL/6Nマウスと交配し、産仔はすべて赤くないことを確認した。Pocy2についても全自動血液学解析装置を用いた解析を行い、pocyと表現型が一致していることを確認した。生後2週、4周、6周、8週及び10週における体重を測定したところ、pocy2はC57BL/6Nと比較して、4週において有意に体重が軽いことが分かった。しかしながら、その後体重は逆転し、10週ではpocy2の方がC57BL/6Nよりも有意に体重が重かった。