hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
多点ECoG電極を用いた、前頭前野における価値情報生成メカニズムの解明

選択肢の価値を元にした意思決定には、選択肢の価値計算や比較が必要であり、前頭前野の様々な領野がこのような機能を担っている。しかし、前頭前野における、学習に伴った価値情報生成メカニズムの詳細はいまだ不明である。本研究ではニホンザル前頭前野の複数領野にインプラントする多点ECoG電極を設計・開発し、電極をインプラントしたニホンザルに対して、コンテクスト依存的価値学習課題の訓練を施した。学習課題遂行中のECoG信号を記録し、報酬価値のデコーディングを試みたが、不成功に終わった。実験終了後に確認したインプラント後の電極の状態から、電極の状態を良好に維持することが重要であると考えられた。しかし、前頭前野における、学習に伴った価値情報生成メカニズムについてはいまだ詳細は不明なままである。本研究では多点ECoG (Electrocorticogram)電極用いて、コンテクスト依存的な価値を学習中のECoG信号を継続して記録し、価値情報とコンテクスト情報の生成過程を高時間解像度で検証することで、大脳皮質における学習メカニズムの解明を目指す。そのために、平成28年度は、ニホンザル前頭前野の複数領野(LPFC、MPFC、OFC、ACC)にインプラントする多点ECoG電極を設計・開発し、二頭のニホンザルの左半球へのインプラント手術を行い、あわせて頭部固定具のインプラントも行った。これらのニホンザルに対し、注視課題とボタン押し課題の訓練を施した。また、コンテクスト依存的な価値学習プロセスを観察するために、コンテクスト依存的価値学習課題の設計と、課題制御システムへの実装を行った。さらに、記録されたECoG信号から報酬価値をデコードするための、SLR(Sparse Logistic Regression)アルゴリズムを用いたデコーディング手法の開発に成功した。平成28年度に準備されたニホンザルおよびデコーディング手法を用いて、コンテクスト依存的価値学習課題中の、ECoG信号を記録し、そこに含まれる価値情報をデコードすることで、前頭前野ネットワークにおけるコンテクストおよび価値情報生成過程の解明につながることが期待される。本研究では、サル前頭前野の広範囲からECoG信号を記録し、学習に伴う価値およびコンテクスト情報の生成過程を解明することを目的とする。ECoG信号を記録するため、まず、ニホンザルの前頭前野三領野、眼窩前頭野(OFC)、内側前頭前野(MPFC)、外側前頭前野(LPFC)それぞれに64chのECoG電極をインプラントする計画であったが、近年の研究では、前部帯状回(ACC)においても、価値関連情報が処理されていると報告されている。そこで、LPFC、MPFC、OFC、ACCにインプラントするための、多点ECoG電極を新たに設計・開発した。開発したECoG電極を二頭のニホンザルの左側前頭前野にインプラントし、回復後、頭部固定具のインプラントも行った。ECoG電極のインプラントを行ったニホンザルに対し、価値学習課題の訓練を施し、課題遂行中の神経活動を記録する計画である。そのために、コンテクスト依存的価値学習課題の設計を行い、課題制御システムへの実装を行った。本課題中、ニホンザルは注視点を注視し、ボタンを押す必要がある。そこで、コンテクスト依存的価値学習課題の訓練に先立ち、注視課題とボタン押し課題の訓練を施した。本研究では、価値学習課題中に記録されるECoG信号から、SLRアルゴリズムを用いて、報酬価値をデコードする計画である。そこで、他プロジェクトで得られたECoG信号を用いて、SLRアルゴリズムを用いたデコーディング手法の開発を行い、報酬の種類のデコーディングに成功した。本研究により得られるECoG信号に対して、このデコーディング手法を適用すれば、報酬価値のデコーディングが可能となる。そのために、平成29年度は、平成28年度にECoG電極をインプラントしたニホンザルに対して、コンテクスト依存的価値学習課題の訓練を施し、課題遂行中のECoG信号の記録を行った。このコンテクスト依存的価値学習課題では、注視点に注視後、コンテクスト手がかりが提示される。さらに注視を続けることで、報酬手がかりが呈示された後、その手掛かりと関連付けられた報酬を得ることができる。この課題中に選択課題を行うことで、コンテクスト依存的に、報酬手がかりと報酬量との関連を学習できることが分かった。さらに、この学習過程におけるECoG信号を記録し、SLRアルゴリズムをもちいることで、そのECoG信号から報酬価値の情報をデコードすることを試みたが、報酬手がかり呈示中の神経活動から報酬価値をデコードすることができなかった。

実験終了後、サルを灌流固定し、大脳皮質上の電極を確認したところ、電極は想定通り、ニホンザル前頭前野の複数領野(LPFC、MPFC、OFC、ACC)にインプラントされていることが確認できた。しかしながら、電極周辺にはある程度の厚みを持った生体組織が付着している様子が観察されたため、この組織によって記録されるECoG信号のS/N比が下がったため、デコーディングが不可能であった可能性が考えられた。選択肢の価値を元にした意思決定には、選択肢の価値計算や比較が必要であり、前頭前野の様々な領野がこのような機能を担っている。しかし、前頭前野における、学習に伴った価値情報生成メカニズムの詳細はいまだ不明である。本研究ではニホンザル前頭前野の複数領野にインプラントする多点ECoG電極を設計・開発し、電極をインプラントしたニホンザルに対して、コンテクスト依存的価値学習課題の訓練を施した。学習課題遂行中のECoG信号を記録し、報酬価値のデコーディングを試みたが、不成功に終わった。実験終了後に確認したインプラント後の電極の状態から、電極の状態を良好に維持することが重要であると考えられた。平成29年度は、平成28年度にECoG電極をインプラントしてニホンザルに対して、コンテクスト依存的価値学習課題の訓練を施し、課題遂行中のECoG信号を記録する計画である。当初の計画であれば、平成28年度中に一頭目のサルを用いて、コンテクスト依存的価値学習課題中のECoG信号を記録し、解析を行う予定であったが、ECoG電極の再設計を行ったこともあり、計画に少し遅れが生じている。しかし、ECoG電極のインプラントや基本的な注視課題の訓練は二頭のサルについて完了している。また、課題制御システムも完成しているので、二頭のサルに対し、コンテクスト依存的価値学習課題の訓練を同時に、かつ効率的に施すことが可能であると考えている。さらに、ECoG信号を利用して、報酬価値をデコーディングする手法の開発も完了しているため、コンテクスト依存的価値学習課題の訓練に伴って記録されるECoG信号を随時解析することが可能である。コンテクスト依存的価値学習課題中のECoG信号を解析することで、価値情報・コンテクスト情報の生成過程の比較を行うとともに、前頭前野ネットワークにおける価値情報・コンテクスト情報の表現様式についても比較検討する。以上のような解析結果をまとめることで、コンテクスト依存的な報酬予測学習過程における、コンテクスト情報と価値情報の生成過程について考察し、最終的に、研究成果の学会発表、論文の準備・投稿を行い、研究をまとめる計画である。神経科学当初計画では、平成28年度中に電気記録実験を開始し、記録されるECoG信号の解析を行う予定であった。解析用に高性能コンピュータを購入予定であったが、記録実験に遅れが生じたため、コンピュータの購入を延期した。平成29年度の早い時期に、電気記録実験を開始する計画であるので、その開始時期に合わせて、解析用高性能コンピュータを購入する計画である。
クライオ顕微二次イオン質量分析が拓く木質科学の新展開

飛行時間型二次イオン質量分析(TOF-SIMS)を主軸として、相乗効果の期待される定量化学分析手法、微小試料採取法、そして多変量解析法を組み込んだ多角的分析法を発展させ、凍結水和試料を含む様々な分析対象へと適用した。低分子水溶性成分や無機金属といった化合物の植物体内における位置、水系反応系における特定成分の挙動を顕微可視化した。生体組織をはじめとする様々な機能発現系の解析手法として多くの成果を得た。1)既存定量化学分析と二次イオン質量分析(TOF-SIMS)との組み合わせによる高精度・高分解能分析微小領域のみを標的とした定量分析の新手法として、レーザーマイクロダイセクション法を用いたサンプル収集について検討した。結果より、通常の化学分析法では差異の検出が困難であった放射組織について高感度な分析が可能であり、放射組織の木化過程について、より確実なデータを得ることに成功した。さらにTOF-SIMS分析による二次イオン検出量について詳細な調査を行い、定量化学分析の結果と比較した。結果より、従来検出イオン量の規格化に用いられている全イオン量は必ずしも基準として適切ではなく、高分子量成分であれば高分子量成分との比較を行うことで、定量化学分析の結果とより良い一致を示すことが明らかとなった。2)TOF-SIMS二次イオン発生機構の解明凍結試料の測定に関して、まずこれまでに完全には解決できていなかった表面の帯電補正および試料搬送時の各種トラブル低減について取り組んだ。結果、試料ホルダの再設計により帯電補正を安定して行うことが可能となった。また搬送システムの中間チャンバーにおいて、試料を一時保管する機構について再設計することで、搬送を安定して繰り返すことが可能となった。これらの改善より、より大きな範囲について安定した連続測定が可能となり、異なる組織間での議論を行うことが可能となった。また、これまでに検討の進んでいなかったネガティブ二次イオンについても検討を進めた。ポジティブおよびネガティブ二次イオンについて、それぞれ標準化合物の水溶液を調製して測定し、乾燥状態から得られるスペクトルとの比較を行った。結果より、水溶液状態から凍結された標的化合物は、周囲の水あるいは共存塩の影響を強く受け、乾燥状態とは大きく異なったイオン化挙動を示すことがわかった。既存定量化学分析との組み合わせにより、TOF-SIMS分析による量的評価を検討した。レーザーマイクロダイセクションによる組織分離あるいは凍結試料の薄切片抽出を用いた定量分析から得られた結果を、TOF-SIMS分析結果と比較した。結果より、特に凍結試料を用いたcryo-TOF-SIMS分析において、量的推移が他定量分析結果とよく一致することを示した。しかしながら、TOF-SIMS分析のみによる絶対定量は難しいとの結論に至った。そのため、さらに実験系を精査・改善することで、cryo-TOF-SIMS分析した隣接部位をそのまま薄切片化して抽出・定量分析するプロセスを確立した。このことより、様々な種類の試料に関して、定量分析とTOF-SIMS分析とを同一試料片に対して適用し、高精度に組み合わせることが可能となった。TOF-SIMS測定によって得られる未加工データを変換し、多変量解析による細胞キャラクタリゼーションを検討した。多変量解析によって様々なイオン種の相関関係が数値化され、類似した挙動を示す一連のイオン群として考察することが可能となった。さらに自作プログラムによる解析処理の自動化を推進し、測定から考察へと至るまでに必要な手順を大幅に自動化した。昨年度までの装置改良結果により、測定は安定的に行うことが可能となっていたのに対して、解析には依然長時間を要しており、測定結果に解析が追いつかないという状況であった。自動解析処理の整備によって、特にこれまで多大な時間を要していた「各イオン種の連続マッピングイメージ」を自動作成できるようになったことは、大きな進展である。飛行時間型二次イオン質量分析(TOF-SIMS)によって不均一な生体組織あるいは複合材料中における微量成分の定性的な分布評価が可能である。申請者はこれまでに、急速凍結させた試料を連続的に切削することにより、細胞(細胞壁)内にあるがままに存在するあらゆる構成成分の三次元分布を、分子レベルで可視化する複合装置(クライオTOF-SIMS/SEMシステム)を世界に先駆けて開発してきた。本研究ではこの解析法をさらに発展させ、木質バイオマスを構成する成分の定量性の向上と、特定構成成分周囲の環境情報(各種成分の存在状態解析)をも評価できる次世代分析技術の確立を目的とする。平成2526年度までの本プロジェクト前半においては、微量成分の定量評価、二次イオン発生機構、飛行時間型二次イオン質量分析(TOF-SIMS)による量的評価、およびTOF-SIMSデータの統計学的解析について検討した。平成27年度では、これまでに確立された分析手法を駆使して、以下2項目に重点的に取り組んだ。得られた結果については各種学会にて発表した。1)樹木組織中微量成分のケミカルマッピング:樹木中微量成分のケミカルマッピングを達成するため、抽出実験を行い、各種抽出成分を単離・精製した。得られた化合物についてTOF-SIMS分析およびそれら化合物水溶液のcryo-TOF-SIMS分析を行い、標品スペクトルを得た。さらにそれら化合物が植物中でどのような分布状況にあるのかを可視化した。2)バイオマス変換における固液反応過程の追跡:水溶液系を凍結してそのまま分析できるcryo-TOF-SIMSは、固液反応などの不均一系における各種成分の挙動追跡に適用することが可能である。

木質バイオマスの主要用途であるパルプ化について、蒸解パルプの洗浄工程を詳細に追跡し、添加薬剤の働きを明らかにした。研究計画の後半では、微量成分への応用ならびに分析の三次元化、そして様々な応用展開を目指す。平成27年度では以下の2項目を重点的に推進した。1)樹木組織中微量成分のケミカルマッピング2)バイオマス変換における固液反応過程の追跡実績概要に記載したように、植物中微量成分に関する興味深いマッピングデータが得られ、細胞単位での考察が達成されたこと、ならびに固液反応過程の可視化が達成されたことから、順調に進展しているものと判断した。飛行時間型二次イオン質量分析(TOF-SIMS)によって不均一な生体組織あるいは複合材料中における微量成分の定性的な分布評価が可能である。申請者はこれまでに、急速凍結させた試料を連続的に切削することにより、細胞(細胞壁)内にあるがままに存在するあらゆる構成成分の三次元分布を、分子レベルで可視化する複合装置(クライオTOF-SIMS/SEMシステム)を世界に先駆けて開発してきた。本研究ではこの解析法をさらに発展させ、木質バイオマスを構成する成分の定量性の向上と、特定構成成分周囲の環境情報(各種成分の存在状態解析)をも評価できる次世代分析技術の確立を目的とする。平成25-26年度までの本プロジェクト前半においては、微量成分の定量評価、二次イオン発生機構、飛行時間型二次イオン質量分析(TOF-SIMS)による量的評価、およびTOF-SIMSデータの統計学的解析について検討した。平成27-28年度ではこれまでに確立された分析手法を駆使して、以下2項目に重点的に取り組んだ。得られた結果については各種学会ならびに国際誌にて発表した。1)樹木組織中微量成分のケミカルマッピング:樹木中微量成分のケミカルマッピングを達成するため、抽出実験を行い、各種抽出成分を単離・精製した。得られた化合物についてTOF-SIMS分析およびそれら化合物水溶液のcryo-TOF-SIMS分析を行い、標品スペクトルを得た。さらにそれら化合物が植物中でどのような分布状況にあるのかを可視化した。2)バイオマス変換における固液反応過程の追跡:水溶液系を凍結してそのまま分析できるcryo-TOF-SIMSは、固液反応などの不均一系における各種成分の挙動追跡に適用することが可能である。H28年度では以下の2項目を重点的に推進した。1)樹木組織中微量成分のケミカルマッピング2)バイオマス変換における固液反応過程の追跡実績概要に記載したように、植物中微量成分に関する興味深いマッピングデータが得られ、それらの成果について多数の論文発表が達成できたことから、順調に進展しているものと判断した。
食の危機とリスク社会の行動経済学および認知経済学的研究

人間のリスク認知の問題を取り扱う行動経済学、認知経済学さらにはニューロエコノミックスなどを用いて、食の危機に関する理論的・実証的研究を、いわゆる「アノマリー」の解明として展開した。またこうした研究の成果をフィードバックさせて、今後、行動経済学、認知経済学およびニューロエコノミックスをどのような方向に発展させていくべきか、大きな展望を示すことに努力した。本年度は、研究の初年度であるため、まず食の危機に直面した人間の認知の基本的な有り様をどうと6えるのか、その大きなフレームワークを全体論的に明らかにすることをめざした。以下に示す研究論文がその1つの成果である。ここでは次の3点について考察を行った。(1)食の危機といわれる問題に対して、従来どのようなとらえ方がなされてきたのか、その先行研究を展望した。また食の危機と言われる現象が、実際にはどのようなものであるのか、その概略を浮き彫りにするよう努めた。(2)以上で明らかにした従来の理解を、近年の行動経済学的アプローチからどのように解釈できるのか。その理論的可能性と限界性を批判的に考察した。(3)最後に、行動経済学的解釈でもうまく理解できないアノマリー要因を指摘しつつ、さらにそれらを「認知経済学的」に整合的に理解する方法論を模索的に検討した。そしてその成果の1つとして、情動・感情と理性の関連性を考慮しつつ、新たに「理由に基づく行動モデル」によるリスク・不確実性下での意思決定というアプローチを提示した。このアプローチは、従来の経済学の基本的な分析概念である効用最大化行動モデルに代替する斬新なものであり、最初は心理学的な視点からSlovic(1975)、Slovic-Griffin-Tversky(1990)、Shafir-Simonson-Tversky(1993)たちによって提唱されたものである。ここでは意思決定を行う際の「視点」の問題が明確に取り扱われている。本研究は。今後まだ2年間続けられるものであるが、以上の考察で明らかにした理由に基づく認知と行動のモデルを基軸にして、さらにその研究内容を深めていきたいと考えている。またリスクと不確実性の認知の特性を、新たなニユーロエコノミツクス的な臨床的・実験経済学的手法を用いて明らかにしていきたいと考えている。本研究は、近年人々に大きな不安と危機感を与えている食の安全性に関する認知経済学的な考察をめざすものである。昨年度は消費者の不安とリスク認知の特殊性および意思決定の問題を分析したが、今年度は企業側の食品偽装と企業倫理の問題を考察した。また企業のミクロ経済分析を行うにとどまらず、消費者と企業間の情報的関連性を社会ネットワーク理論を用いながら、認知経済学的に考察した。得られた成果の一部を以下に表示の論文としてまとめた。論文の概略を説明する。ここでは主に期限表示問題と産地偽装問題を取り上げた。問題の概要を展望した後、こうした問題を引き起こした企業の側のインセンティブの問題を、まず従来の「犯罪の経済学」の方法論から考察した。犯罪の経済学はBecker(1968)によって始められ長い研究的系譜を有するものであるが、基本的には犯罪を犯す主体の「コストとベネフィット」を比較検討しながら結論を導くものである。しかし近年、偽装問題については、JAS法、食品衛生法、不正競争防止法、不当景品類及び不当表示防止法による公的監視・罰則の強化がなされ、またこうした問題を引き起こした企業への世論的批判が厳しくなってきたこともあり、とてもベネフィットがコストに見合うものとは考えられない。犯罪の経済学による偽装問題の分析には大きな限界がある。そこで新たな試みとして提案したのは、消費者と企業間の認知ギャップの問題、または認知的な相互関係の分析である。この問題を明らかにするために、Granovetter(1982,1995)の「弱い絆の強さ」の方法論を導入した。消費者側がこれほど強い危機意識を持っているのに対して、なぜ企業側のそれへの認知は大きくずれているのかを考察した。企業間で日々頻繁に取引が行われていても、その取引相手が長期的に固定的である場合には、逆に「強い絆の弱さ」が、企業の認知的改善を大きく制約することを示した。なお経済主体間における認知の相互関係性については、さらに進んだ研究が必要であり、来年度もこの問題に関する考察を深めていきたいと考えている。本研究は、食の危機に関する人々のリスク知覚および曖昧性知覚の認知経済学をめざしてきた。研究最終年に当たり目標にしたことは、単に各個人がどのようなリスク知覚等を有するのかという問題を超えて、そのような人間の知覚がいかなる相互的影響を及ぼしあうかを、新たな脳科学的実験研究で明らかにしていくことであった。そこで実際に実験タスクを作り、被験者の脳血流の変化を、光トポグラフィを用いて計測した。実験の詳細は、以下の論文を参照していただくとして、ここではその概略のみを述べる。実験では、遺伝子組み換え食品の問題を取り上げた。この問題に関しては国際間で大きな認知上の相違が存在する。

日本やヨーロッパ大陸諸国では強い危機意識がもたれているが、アメリカやイギリスでは楽観的な評価がなされている。得られた結果は、以下のようなものである。被験者は自分とは異なったリスク知覚を持つ人々の姿を見ることによって、左半球の前頭葉眼窩野と外側部に、新たに強い活性化を示したのである。ところでこの部位は、われわれが別の研究(Nakagome et al.(2011))で明らかにしたように、真の不確実性=曖昧性の知覚から生じる活性化の部位と一致している。つまりリスク知覚は、自分より楽観的な評価をする人々の姿を見ることで中和されて弱まるどころか、逆にかえって不安感をもともなった危機意識を強めていく可能性がある。Hsu(2005)、Huettel(2006)、Bach(2009)の研究は、リスク知覚等に関する新たなる脳科学的研究として注目に値するが、しかしこうした知覚等の相互的影響については、まだ積極的研究を展開していない。本研究は、遺伝子組み換え食品の安全性という限定された問題を取り上げたが、しかしリスク知覚等の相互間での影響を新しく分析しており、1つのフロンティア的な研究成果を示すことができたと考えている。
超高純度鉄の歯科治療への応用

歯科用金属は、修復材料として患者のQOLを高めてきたが、口腔疾患の原因となる可能性が指摘され、より安全な代替材料の開発が望まれるようになった。本研究の目的は、東北大学金属材料研究所で開発された"超高純度鉄(UHP-Fe)"の生体材料としての安全性を、我々が開発した実験動物モデルを用いる独創的な安全性試験モデル(ICP-MS法)により検証することにある。5日間マウス皮下に埋入した超高純度鉄のワイヤーおよびその周囲組織の溶解液を分析した結果、超高純度鉄の表面には腐食がなく、皮下周囲の炎症もほぼ認められなかった。以上より、超高純度鉄は生体に安全な次世代材料であり、将来的に新しい医療生体材料になりうることが示唆される。<実績の概要>歯科治療は材料学の進歩とともに歩んでおり、また、レアメタル使用による安定供給は困難であるため、安全な材料の安定確保は喫緊の問題である。現在用いられている歯科金属は修復材料として患者のQOLを高めてきたが、金属による炎症や口腔疾患を引き起こす可能性は否定できず、より安全な代替材料が望まれている。本研究は、申請者らが独創的アイディアにより開発したin vitro,in vivo安全性試験モデルを用いて、世界に類のない次世代マテリアルである「超高純度鉄」の臨床応用に向けた理論的基盤を確立することを目的としている。in vitroの溶出試験では、若干の鉄の溶出は認めたものの、鉄自体は安全であり害があるレベルの溶出とは考えられなかった。生体材料において最も恐れる反応は、炎症であるため、炎症反応について超高純度鉄の生体内での安全性試験を行った。マウス背部皮下に金属ワイヤーを埋め込み(直径0.8mm,長さ5mm)、経時的にワイヤー周囲の組織を採取した。in vivoにおける金属イオンの溶出を検討するため、プラズマ発光法による金属イオン定量解析技術(ICP-AES法)およびマススペクトラム解析を加えたICP-MS法により解析した。また、経時的にワイヤーを取り出し、走査電子顕微鏡(SEM法)にて金属表面の腐食を検出した。結果、超高純度鉄は表面の腐食がほとんどなく、皮下周囲の炎症もほとんどみられなかった。ICP-AES法およびICP-MS法などで解析したが、鉄は赤血球に含まれる成分でもあり、すでに鉄が周囲組織液存在するために超高純度鉄の溶出のみを確実にとらえることは困難であった。しかし、皮下組織の炎症は見られず、材料としての生体適合性は高いと判断できる。このことは、超高純度鉄は安全な生体材料であることを意味し、今後の医療材料への展開につながると考えられた。歯科治療は材料学の進歩とともに歩んでいるといっても過言ではなく、また、レアメタル使用による安定供給は困難であり、安全な材料の安定確保は喫緊の問題である。本研究は、申請者らが独創的アイディアにより開発したin vivo安全性試験モデルを用いて、世界に類のない次世代マテリアルである「超高純度鉄」の臨床応用に向けた理論的基盤を確立することを目的としている。本年度は、炎症が生体材料において最も恐れる反応であるため、まず炎症反応について超高純度鉄の生体内での安全性試験を行った。in vivoにおける金属イオンの溶出を検討するため、プラズマ発光法による金属イオン定量解析技術(ICP-AES法)により解析した。このことは、超高純度鉄は安全な生体材料であることを意味し、今後の医療材料への展開につながる結果であると考えられる。生体内埋め込み実験により、超高純度鉄の炎症に対する安全性は確認できた。炎症に対する安全性が最大の懸念事項であったため、ほかの実験は達成可能と考えられる。in vivo安全性試験法を用いて、超高純度鉄が炎症やアレルギーを引き起こすか、否かを検討する。さらに、口腔内環境を想定して、超高純度鉄ワイヤーをマウス背部皮下に埋め込み、その後各種菌体成分、例えば、LPS、LTA、糖タンパク、TLRリガンドをワイヤー周辺に接種し、超高純度鉄が炎症やアレルギーを引き起こすか検証する。

対照として、現在用いられている歯科金属であるパラジウム(Pd)、ニッケル-クロム合金(Ni-Cr)、金銀パラジウム合金(12%Au-Pd)を用い、超高純度鉄の優位性を評価する。炎症およびアレルギーの評価は、コンフォーカルレーザー顕微鏡ならびにフローサイトメーターにて、顆粒球あるいはリンパ球の集積を蛍光抗体法により検出し、定量的、客観的評価を行う。物品費に使用し研究成果を挙げるとともに、旅費、その他の費用を用いて、学会および専門誌にて研究の成果発表を行う。
雪解けの早まりが大型土壌動物を介して北方林の樹木へ及ぼす影響

温暖化にともない北海道北部で観察されている雪解け時期の早まりが、大型土壌動物であるミミズを介して、樹木の利用可能な土壌の無機態窒素の生成量へ及ぼす影響について評価した。春先に実施した積雪時期を操作する野外実験から、雪解けが早まると、硝酸態窒素の生成量は増加することが明らかになった。一方、雪解け時期の早まりによる土壌窒素への影響程度は、越冬したミミズの存在の有無およびミミズの個体サイズの違いに関わらず同程度であった。これらのことは、雪解けの早まりによる樹木の利用可能な土壌窒素への影響は、ミミズなどの大型土壌動物ではなく、土壌微生物など他の生物の活性が増加したことによるものであることが示唆された。雪解けの早まりが野外の成木個体へ及ぼす影響とその詳細なメカニズム解明へ向け、比較的環境が均一で操作実験の影響を検出しやすい場所に成立するカラマツの人工林において調査を開始した。はじめに、樹体の中で最も生理活性の高い樹冠へ簡易にアクセス可能なシステムを設置し(常設の梯子)フェノロジーや生理生態学的パラメータの計測を開始した。また、ミミズの存在が雪解けの早まりと相互に作用しながら土壌や樹木へ及ぼす影響を明らかにするため、先に述べたカラマツ成木を取り囲むようにミミズエンクロージャーを作成した。一方、未だ報告事例の少ない積雪期間の土壌中のミミズ群集について北海道北の多雪地帯において調査し、4月には幼体がほとんどであるが(個体数として約8割)、中には越冬をした成体、亜成体が一定量生息することがわかった(個体数として約2割)。これらの知見は、今後予想される雪解けの早まりが、越冬したミミズ成体による土壌への作用だけではなく、亜成体から成体への発達段階を通じた土壌ー植物系への影響を引き起こすことを示唆する。今後は、実際に実験的に雪解けを早める処理を行う事で、個体群の中の成熟個体ー未成熟個体の割合への影響や土壌条件の変化について調べる必要がある。一方、ミミズの育成系などの確立を目的とし、夏の気温上昇とミミズの存在が土壌ー植物系へ及ぼす影響について検証した。実験では、今後100年ほどで予測されている3°Cほどの気温上昇は、植物の成長を促進するが、そのような促進作用は、ミミズが存在する条件でのみ起こる場合があることが示された。この成果は、気温上昇時の樹木の応答を理解するには、土壌動物の振る舞いを無視できないという事を強く主張するものであるとともに、冬の気候変動による影響解明の必要性を改めて示すものである。勤務地の異動があり、調査地が中川研究林から天塩研究林に変更となったことに伴い、準備に時間がかかり、初年度開始時期に終了しておく予定であった林冠アクセスシステム、エンクロージャーの設置や、その上で実施するミミズの除去処理、樹木の季節変化を追う調査を秋にようやく終了させる事ができた。冬の温暖化にともない、北海道北部ではこれまでの80年間で約2週間ほど雪解け時期が早まっている。本研究では雪解け時期の早まりが樹木(成木)に及ぼす影響を調べるため、2016年3月に北海道大学研究林において人為的に積雪時期を1ー2週間早期化する処理を行い、その樹木の成長や葉の形質、土壌窒素動態(無機態窒素の生成量)へ及ぼす影響を調査した。処理後に対照区と雪解け処理区を比較したところ、冬期から春期にかけての土壌中のアンモニア態窒素の生成量へは影響しなかったが、硝酸態窒素の生成量は有意に増加した。結果として、無機態窒素の総生成量は、雪解け処理によって有意に増加した。しかし、雪解けの早期化処理は、樹木(成木)の葉の窒素含有量、炭素:窒素比、単位面積あたりの葉重量、乾燥の指標となる炭素安定同位体比などの葉形質やシュート成長へは影響をしていなかった。これらの結果は、雪解けが早まると、土壌中の大型土壌動物や土壌微生物が早期から温暖な環境に晒される事で活発化し、土壌中の有機物分解が進むことで硝酸態窒素が増える一方で、養分が増加しても少なくとも短期的には成木の成長増加へはつながりにくいことを示唆する。しかし、成木の成長は、前年の光合成産物に由来する貯蔵養分などの関係上、前年の環境条件に制御される部分も大きい。今後は継続して雪解けの時期を操作する処理を実施し、その土壌条件や成木の生理生態学的挙動への影響を検証する必要がある。予定していた操作実験を行う事ができ、ほぼ期待していたとおりの結果を得る事ができた。本研究では、温暖化にともない北海道北部で観察されている雪解け時期の早まりが、大型土壌動物ミミズを介して、土壌の窒素利用可能量、そして、北海道の主要造林樹種であるカラマツの成木へ及ぼす影響について評価した。本年度の積雪期に実施した自作のメソコズムを用いた野外実験から、雪解けが早まると、春先の土壌中の硝酸態窒素の利用可能量は増加することが明らかになった。一方、雪解け直後では、雪解け時期の早まりによる土壌窒素への影響程度は、越冬したミミズの存在の有無およびミミズの個体サイズの違いに関わらず同程度であった。つまり、雪解けの早まりによる土壌中の硝酸態窒素の増加は、ミミズなどの大型土壌動物ではなく、他の土壌動物や土壌微生物の活性が増加したことによるものであることが示唆された。また、実際の森林において大型土壌や雪解けの早まりが成木へ及ぼす影響を評価するため、北海道大学研究林内において成木の周辺を対象として2年目の雪解け時期やミミズ個体数を操作する実験を実施した。

その結果、メソコズムの結果と一貫して、雪解けの早まりは実際の森林でも植物が利用可能量なへの硝酸態窒素量を増やしたが、その増加程度は、ミミズ個体数に関わらず同程度だった。また、雪解け時期の違いによる土壌中の硝酸態窒素の変化は、成木へは影響を及ぼさなかった。これらの結果は、雪解け時期の早まりは、ミミズではない土壌生物を介して土壌の窒素動態へ影響を及ぼすが、雪解けの早まりにより増加した硝酸態窒素は、樹木ではない生物(土壌微生物など)に吸収されるか、土壌下層へ流亡してしまうなどして樹木には利用されないことを示唆している。これらの成果は、積雪地で懸念されている雪解け時期の早まりは、数年という短期間でも森林土壌の窒素循環へは影響を及ぼすが、成木へ及ぼす影響は小さいことを示している。温暖化にともない北海道北部で観察されている雪解け時期の早まりが、大型土壌動物であるミミズを介して、樹木の利用可能な土壌の無機態窒素の生成量へ及ぼす影響について評価した。春先に実施した積雪時期を操作する野外実験から、雪解けが早まると、硝酸態窒素の生成量は増加することが明らかになった。一方、雪解け時期の早まりによる土壌窒素への影響程度は、越冬したミミズの存在の有無およびミミズの個体サイズの違いに関わらず同程度であった。これらのことは、雪解けの早まりによる樹木の利用可能な土壌窒素への影響は、ミミズなどの大型土壌動物ではなく、土壌微生物など他の生物の活性が増加したことによるものであることが示唆された。半年遅れで開始する事が出来た実験ー観測システムを用いて、当初の予定通り研究を進める予定である。また、メカニズム解明を目指した室内実験等も充実させ、野外での影響を説明するメカニズム解明の進展を目指す。最終年度は、雪解けの早まりによる硝酸態窒素の増加が大型土壌動物の働きによるものであることを検証するため、ミミズの生息密度の異なる場所について雪解け時期を操作する実験を行い、硝酸態窒素の変化程度との関連を検証する。また、初年度に構築した林冠アクセスシステムを用い、成木の成長や葉の理化学性についてしらべる。なお、土壌動物による影響を検知する感度をあげるため、同位体にてラベリングしたミミズを用いて調査を行う。また、雪解けの早まりによる影響を受けやすいミミズの特徴を明らかにするため、体サイズの異なる2つのミミズに対して雪解け処理を施すとともに、その窒素循環との関係性を調べる。森林科学当初予定していた実験開始が遅れたため、成果報告のための学会発表による旅費を使用する事が出来なかった。また、サンプリングも開始したばかりであるので、謝金を支出しなかった。本年に予定していた化学分析について、複雑な箇所があり、補助者ではなく自身で実施したため、次年度への繰越しとなった。また、国際土壌動物学会への参加を予定していたが、国内での国際学会開催となったため、その分の旅費を繰り越しとなった。成果報告のための学会発表による旅費として使用する。また、本格的なサンプリングを開始するにあたり、サンプル処理用の謝金を支出する。夏に開催される国際学会への参加にて、旅費を使用する。また、最終年度で分析サンプルの増加が見込まれる中、短期支援員の雇用や外注での分析にあて、効率的なデータの収集を目指す。
表面増強効果による１回反射ATR-FTIRの高感度化とその応用

平成30年度はATR-FTIR分析における表面プラズモンの表面増強効果を確認するための基礎検討を推進した。すなわち、Ge結晶を用いてその表面に島状Ag薄膜を形成する基礎検討を行ったが、Ge結晶が高価であるため、その前段階として磁気ディスク基板やシリコンウェハ基板を用いて島状Ag薄膜を形成する技術を検討した。そしてATR-FTIR分析における表面プラズモンの増強効果を調べた。その結果、Ag蒸着量が増加するとともにFTIRの強度が高くなる傾向を確認したが、そのばらつきが多く、再現性が悪いこと、及びシリコンウェハ基板を使用した場合、測定時に島状Ag薄膜付きシリコンウェハ基板と測定試料との接触において、両方の間に接触状態が悪くすき間が形成されると測定が精度よくいかないことが分かった。そこでさらに測定試料とセンサーとの接触状態を改善するため、フッ化カルシウムの平凸レンズを使用して、島状Ag薄膜を形成し、同様の評価を行った。その結果、接触の問題は解決でき、また強度も増強されることが確認できた。そこで次年度は信号出力強度の増強倍率をもっと高めるため、Ag蒸着量を調整することにより最適なセンサー設計を行い、その効果を実証するとともに、トライボ反応膜への適用を図る予定である。Ge結晶ではないものの、それと等価な材料であるフッ化カルシウムの平凸レンズを用いて、ATRーFTIR分析における表面プラズモンの増強効果の基本特性を確認できた。また測定試料とプラズモンセンサーとの接触状態が表面プラズモン増強効果に大きな影響を与えること、およびその接触状態を平凸レンズを採用することにより、接触状態が線接触となり問題を改善できることが確認できた。これらの成果により、当初の計画通り、概ね進展していると考えている。ATR-FTIR分析における表面プラズモンの増強効果を確認することができたので、フッ化カルシウムの平凸レンズを使った系でその増強強度を最大にするための設計指針を確立する。そして、実際のトライボ反応膜に適用することにより、従来よりも観測感度を著しく高めた測定技術を確立する。平成29年度は表面プラズモンによる表面増強効果を確認するため、まずこれまで開発を行ってきたプラズモンレンズを用いて摩擦面の表面増強ラマン分析を詳細に行った。回転式ボールオンディスク試験機および潤滑油はPAOおよびPAO+ZnDTPの2種類を用いて、摩擦試験を行い、その摩耗痕をXPS、通常のラマン分析、プラズモンレンズを使用したラマン分析、それぞれの手法を用いて分析解析した。その結果、通常のラマン分析では検出不可能なトライボ反応膜がプラズモンレンズを用いたラマン分析では検出することができることが分かった。すなわち、ZnDTPをPAOに添加した場合は、トライボ反応膜起因のP-O-P結合や硫化鉄などを生成することを確認することができた。従ってXPSなどの手法を使用しなくともプラズモンレンズを併用した簡単なラマン分析でトライボ反応膜が解析できることが明らかとなり、表面プラズモンによる表面増強効果は極めて有効であることが分かった。また同時にATR結晶であるゲルマニウム(Ge)結晶表面にPFPEモノマーを塗布して表面エネルギーを低下させ、そこに銀(Ag)薄膜を蒸着する基礎実験を行った。そして表面モルフォロジーを調べ、島状Ag薄膜ができているかどうかを調査しながら、その成膜プロセスを決定する基礎検討を推進した。表面プラズモンによる表面増強効果を確認することができたとともに、ATR-FTIRの高感度化を実現するための基礎として、Ge結晶表面に島状AG薄膜を形成する基礎検討を行った。まだ明確な成膜条件は導出できていないが、基礎検討レベルは終了している。島状Ag薄膜の成膜プロセスを早急に固めるとともに、ATR結晶の再利用方法に関しても検討を進める。

さらに、作成したATR結晶のサンプルに押し付ける荷重調整機構の開発を鋭意進めることにより、トライボ反応膜が観察できるレベルまで研究を推進する予定である。ATR-FTIR分析における表面プラズモンの増強効果を確認することができたので、フッ化カルシウムの平凸レンズを使った系でその増強強度を最大にするための設計指針を確立する。そして、実際のトライボ反応膜に適用することにより、従来よりも観測感度を著しく高めた測定技術を確立する。今年度は表面プラズモンによる表面増強効果がラマン分析に極めて有効であることを詳細に確認することで、FT-IR用のプラズモン島状Ag薄膜の成膜プロセスに関する基礎検討においては、消耗品の発注が予定より少なくなるとともに、その費用(ATR結晶やAgワイヤ、Ge基板など)も見積もりより若干低くなった。そのため、次年度使用額が生じた。今年度はその金額も消耗品費に加えて、プロセス確立に向けてATR結晶やGe基板など必要となるものを発注し、研究を加速して進める予定である。当初Ge結晶材料を使用する計画であったが、少し高価であるため、それと等価なシリコン基板やフッ化カルシウムの平凸レンズなどを使って基礎研究を推進したことによる。今後はそれら材料を使って研究を加速し、実際に問題となる摺動面のトライボ反応膜への適用を実施するとともに、Ge結晶基板への適用も視野に入れながら研究を進め、まとめる予定である。
少数のプロトンが駆動するシナプス小胞再充填の定量解析

神経伝達物質のシナプス小胞への再充填は、液胞型プロトンATPアーゼが形成する小胞内外のプロトン電気化学勾配によって駆動される。一方で、再充填のプロトン化学勾配依存性は神経伝達物質によって異なることが示唆されているものの、神経伝達物質によって小胞内外のプロトン勾配が異なるか否か、再充填過程でのプロトンの共役機構は知られていない。当該年度は、哺乳類脳内の主要な興奮性伝達物質であるグルタミン酸を含む小胞と抑制性伝達物質であるGABAを含む小胞における小胞内pHと緩衝能、及び、リサイクリング中の再酸性化時におけるプロトンの挙動を定量することを試みた。その結果、GABAを含む小胞はグルタミン酸を含む小胞に比べて定常状態の小胞内pHが顕著に高く(pH 6.5)、また小胞内腔緩衝能が約2分の1と低いことがわかった。電気刺激によりエキソサイトーシスを喚起し、その後のエンドサイトーシスと酸性化をモニターすると、興味深いことに抑制性ニューロンでは、エンドサイトーシス後に小胞が一旦過剰に酸性化され、その後徐々にアルカリ化が進み定常状態のpHに回復する現象が観察された。このGABA小胞に特徴的な小胞内pH変化がプロトン依存性のGABA再充填機構と共役しているか否かを検討するために、GABA輸送を司るVGAT欠損ニューロン培養を作成し、小胞内pHの測定を行ったところ、高い定常状態pHと再酸性化における特徴的なプロトンの挙動は見られなかった。これらの結果から、GABAの小胞再充填はGABAとプロトンの交換によって起こり、その時定数は35°Cにおいて約25秒程度の遅い反応であることが推察された。27年度が最終年度であるため、記入しない。シナプス小胞への神経伝達物質の取込みは、液胞型プロトンATPaseによって形成されるプロトン電気化学勾配によって駆動されるが、一小胞レベルでのプロトン動態や膜電位形成、pH勾配形成の動的特性についての知見は限定的であった。我々は、従来シナプス小胞内腔のpH検出に使われてきたpH感受性緑色蛍光タンパク質(pHluorin)の問題点を解決するために、mOrangeと呼ばれるpH感受性橙色蛍光タンパク質を神経培養細胞のシナプス小胞内腔に発現させ、定常状態の小胞内pH、小胞の酸性化過程の時定数、小胞内緩衝能、総プロトン流入量を定量した。その結果、小胞酸性化過程は時定数およそ15秒で約1200個のプロトンが流入する反応であることを突き止めた。また、小胞内は非常に高い緩衝能を有しているために、1200個のプロトンのほぼ全てが遊離状態にないことがわかった(Egashira et al., J. Neurosciに掲載)。上記の研究結果はマウス海馬由来の神経培養細胞を用いている為、殆んどが興奮性神経伝達物質であるグルタミン酸を含むシナプス小胞の特性を反映している。一方、これまでの生化学的な研究から神経伝達物質輸送の駆動力が神経伝達物質の種類によって異なることが示唆されているものの、その実態は不明である。我々は、神経細胞培養中で抑制性シナプスであるGABAシナプスを蛍光標識する方法を確立し、グルタミン酸を含む小胞とGABAを含む小胞でのプロトン動態を比較した。その結果、GABAを含むシナプス小胞は、定常状態のpHが顕著に高く、内腔の緩衝能が低いことが判明した。結果として、GABAを含む小胞にはグルタミン酸を含む小胞のおよそ25%程度のプロトンしか蓄積していない(Egashira et al.,未発表)。以上、神経伝達物質の駆動力を生み出すプロトン動態に関する定量的な測定に成功した。

神経伝達物質の再充填過程を理解する為に、本年度はまず駆動力となるプロトンの動態の定量化に成功し、論文発表できた。様々なアプローチを計画した内、神経培養細胞での定量しか成果を挙げることが出来ていないが、次年度はこの方法を発展させて、神経伝達物質再充填とプロトン動態の関係を詳細に解析することによって、本研究計画の目的はおおむね達成できると考える。27年度が最終年度であるため、記入しない。本年度は、トランスポーター欠損マウスの小胞内プロトンイメージングを行い、神経伝達物質輸送過程におけるプロトンの役割を明らかにする。また、塩化物イオン濃度に感受性を有する蛍光プローブを用いて、神経伝達物質再充填過程における塩化物イオン動態の定量化を試みる。具体的には、以下の項目について研究を遂行する。【1】酸性化過程におけるプロトン及び塩化物イオンの動態解析海馬神経培養細胞において塩化物イオンに感受性を示す蛍光タンパク質を用いて、神経伝達物質再充填過程における塩化物イオン濃度変化を定量的に解析する。すなわち、グルタミン酸トランスポーター(VGLUT1)及びGABAトランスポーター(VGAT)欠損マウスにおける小胞内プロトン動態と塩化物イオン動態を調べることによって、神経伝達物質依存的な各イオン動態を明らかにする。【2】リポソーム内pH定量測定法の確立我々は、VGLUT1欠損マウス由来の海馬培養細胞を用いたイメージングによる小胞内pH測定結果が、アクリジンオレンジを用いた生化学的な実験結果(Schenck et al., Nat Neurosci, 2009)と矛盾していることを見いだしている(未発表)。そこで、神経伝達物質取込み過程のプロトン動態や塩化物イオン動態の人工脂質二重膜の再構成系における定量化を試みる。pH測定にはピラニン、塩化物イオン測定にはSPQを用いる。これにより得られる結果を【1】で行なう海馬培養細胞での実験結果と比較し、定量的な整合性を検証する。
50T級次世代高電磁力超伝導マグネット技術の構築

本研究は50T級超伝導マグネット開発において問題となる巨大電磁力を克服するため,コイル構造そのものに電磁力を支持させるYOROIと呼ばれる新しい補強構造の影響を実験と数値計算の両面から研究した。実験では,現実的な体積の補強構造を有するモデルコイルを作製し,高電磁力下で試験を行った。その結果,1000MPaの電磁力を補強により200MPa程度まで低減できることが分かった。これらの結果は,概ね数値計算結果と一致した。これらの結果を受け,50T超伝導マグネットにおける最内層コイルが,500MPaの線材強度以下で設計可能であることを示すことに成功した。本研究は,超伝導線材に補強を施すこれまでの手法とは異なり,コイル構造そのものに電磁力を支持させる新しい手法を用いて,50T級超伝導マグネット開発を目指した次世代の高電磁力・高精度超伝導マグネット技術を確立することを目的とする。このため,申請者らが中部電力と共同で開発に成功した新しい補強構造について,熱応力・電磁応力下の変形挙動を解明する。初年度は,補強構造による補強機構を理解するための,数値計算コードの立ち上げと,それに必要なデータを取得,これらに基づいてモデルコイルを設計・作製する計画であった。しかし,複合体であるコイルの機械特性や熱収縮が読めないため,コイル作製を次年度に繰り越した。その間,コイルの熱収縮率に関する実験と調査を行い,概ね良い値を得て計算に反映させた。一方で,初年度は,CFRPを補強構造の一部に採用したコイルを作製し,これによる電磁力試験を行った。コイルは研究協力者である中部電力によって作製したものである。その解析的な計算と組み合わせた結果,補強構造の熱収縮が重要であり,熱収縮率の小さい材料では補強効果が得られない場合があることが分かった。これらの結果から,SUSが適しているとの結論に至った。繰り越した予算を用いて,平成28年度には,SUS補強コイルを作製し,平成28年に試験を行った。試験結果の詳細は平成28年度の報告に記載の通り,SUSの補強効果が得られ,熱応力による線材の耐ひずみ特性の向上も示唆されている。結果として,SUSのような熱収縮率が比較的大きく,強度の大きい材料を用いることで,十分な補強構造が得られることが分かった。最初にテストを行ったC-FRP補強構造では,熱収縮率が小さいためにコイルとの間に隙間ができ,これによって低電磁力では大きな補強効果が得られないことが分かった。この結果を踏まえて,SUSを補強構造の材料として採用することを決めた。数値計算では初年度に概ね計算コードの立ち上げが終了し,補強構造のボルトや電極といった解析的計算では分からない部分の詳細な応力・ひずみ分布が計算できる様になった。特に,補強構造を分断する電極の構造は重要である。またボルト穴近傍で応力集中が起きることも数値計算で分かってきている。先行研究では補強構造にFRPを使用していたが,構造材の強度を向上させるために,CFRPやSUSを検討した。その結果,CFRPは強度はあるが熱収縮が小さいため,補強としては十分でないことがわかり,SUSを採用することとした。さらに,補強構造がマグネットの空間電流密度を下げることから,特に問題となるコイル上部の円盤の厚みを,現実的な値まで下げることを検討した。結果として,外リングを5mm,円盤厚みを0.5mmとしたコイルを作製し,電磁力試験を行った結果,その構造でも補強効果が十分に得られることが分かった。また,数値計算は熱ひずみや電磁力に対して,構造の詳細な部分の影響まで計算できるように解析コードを構築した。これによって,補強構造の電極やボルトの影響を計算できるようになった。実験では,電極近傍で補強効果の低減が観測されたが,これは,電極とボルトの取り合いのためであることが分かった。さらに,付随する効果として熱ひずみによる予ひずみがコイルに誘起できていることが,実験と計算の両面から分かってきた。一方で,比較対象として高電磁力設計マグネットとして25T無冷媒超伝導マグネットの内挿コイルの実証試験を実施した。こちらは高電磁力設計を採用しているので,その試験結果を本研究にも反映させるため,電磁力試験結果から新しい補強方法を検討を行っている。最終年度はこれらの結果をももとに,高電磁力設計を採用した実証コイルを作製し試験を行う予定である。これまで熱ひずみの影響を考慮した解析モデルを構築し,超伝導コイルと補強構造の熱ひずみの違いによる効果を計算することができるようにした。その結果,適切な熱収縮率の材料を選択することで,コイルに予圧縮応力を熱ひずみによって与えることが可能となることが分かった。また,先行研究ではFRP製の補強構造を採用していたが,本研究ではより強度の高いSUS316Lを用いてコイルを作製した。これにより,約450A/mm2の大電流密度を大電磁力下で安定通電できることを実証した。このときの最大電磁力は補強なしで1200MPaを600MPaまで低減できることが分かった。

さらに,補強構造を実際のマグネットに適用するため,コイル上部の円盤を0.5mmまで薄くした構造を採用して電磁力試験を行った。これは,パンケーキコイルを積層したマグネットでは,コイル上部円盤による空間電流密度の減少が問題となるからである。結果として,実用的な構造でも補強効果が得られることが分かった。一方で,数値計算と実験の組み合わせによって,補強構造を固定するためのボルトや電極の固定方法に課題があることも分かった。電磁力試験では,最大電磁力下において,コイルの一部で導体の限界のひずみが観測されたが,それでも超伝導特性の劣化が見られないことも分かった。れは,SUSを用いた場合の熱ひずみにより,予圧縮効果がコイル側に印加されていると考えられる。すなわち,導体のひずみ限界が熱ひずみによって向上する可能性があることも示唆される。この効果は,期待していたもので予圧縮によるひずみ特性の向上の他に,RE123テープで問題になっている剥離問題を解決する可能性も期待できる。高磁場特性の優れた高温超伝導線材が開発された今,強磁場超伝導マグネット開発において最も深刻な問題の一つは電磁力である。すなわち電磁力を克服することで,未踏の強磁場超伝導マグネット開発が可能となる。本研究は,超伝導線材に補強を施すこれまでの手法とは異なり,コイル構造そのものに電磁力を支持させるYOROIと呼ばれる新しい手法を用いて,50T級超伝導マグネット開発を目指した次世代の高電磁力・高精度超伝導マグネット技術を確立することを目的とし,計算と実験の両面から研究を実施した。実験では,強度が高く熱収縮率の高いSUSを材料とし,体積を現実的な内層コイルで用いる事ができる程度まで減らした補強構造を設計した。具体的には,コイル外側から補強するリングの厚みを5mm,コイル上部から補強する円盤の厚みを0.5mmとしたコイルを作製して電磁力試験を行った。その結果,その構造でも補強効果が十分に得られることが分かった。一方で,熱ひずみや電磁力に対して,構造の詳細な部分の影響まで計算できるように有限要素法の解析コードを構築した。計算による補強構造の検討の結果,コイル全体を覆う形の構造を採用することで50T強磁場超伝導マグネットの電磁力設計が可能となることが分かった。一方で,比較対象として高電磁力設計マグネットとして25T無冷媒超伝導マグネットの内挿コイルとして用いられているBi系高温超伝導コイルでは,300MPaまでの高電磁力下では線材の動きによるスパイクノイズが発生するものの定常的な運転が可能であることが分かった。これらの結果を組み合わせることで,現実的な50T超伝導マグネット設計が可能となった。次のステップとして30T超伝導マグネット開発によるマグネット技術の構築が計画できる。本研究は50T級超伝導マグネット開発において問題となる巨大電磁力を克服するため,コイル構造そのものに電磁力を支持させるYOROIと呼ばれる新しい補強構造の影響を実験と数値計算の両面から研究した。実験では,現実的な体積の補強構造を有するモデルコイルを作製し,高電磁力下で試験を行った。その結果,1000MPaの電磁力を補強により200MPa程度まで低減できることが分かった。