hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
インターネットを用いた病院内学級と地域の学級を結ぶシステムの開発と意義

平成19年度「学校における教育の情報化の実態調査等に関する調査」によると、都道府県により格差があることが報告されている。一方、病気が理由で長期入院をよぎなくされた子どもの教育保障のために病院内学級が設置されているが、特に学童期は、心理・社会的発達の上で重要な発達段階であり、その子どもたちが外部との接触が著しく制限された空間で過ごすことによる精神的ストレスや不安に関する指摘がなされている。本研究は、学童期の患児が通う病院内学級と原籍校(入院前に在籍していた学校)とを結ぶ光ブロードバンドネットワークを活用するTV会議形式の環境システムを構築する。本研究はインターネットによる双方向通信による授業展開の可能性を検討すること、及び、本システムの利用による患児の心理・社会的効果についても検討することを目的とする。(1)平成22年5月以降に承諾を得た3事例の対象児の在籍する病院倫理委員会、施設長および3市の教育委員会委員長等に対して、ブロードバンドネットワークを活用する双方向映像交信するシステムの構想と研究計画および倫理的配慮等を説明した。説明により関係各位の承諾書のサインを頂き、本システムの機器を病院内学級と対象児童の原籍校に設営し運営した。(2)小児がん等で治療のために入院期間が1ヶ月以上の長期化することが予測される病院内学級に在籍する患児と家族3事例に対して、本システムを説明し承諾と協力を得て調査を実施した。(3)本システムの評価を行い、利用方法など標準化のシステムを構築する。(4)成果は病院内学級と地域の学級を結ぶ有効性などを、国内・国際学会で発表した。(1)平成21年5月より、対象児の在籍する病院長、病院研究倫理委員会、施設長および3市の教育委員会委員長等に対して、ブロードバンドネットワークを活用する双方向映像交信するシステムの構想と研究計画および倫理的配慮等を説明した。(2)小児がん等で治療のために入院期間が1ヶ月以上の長期化することが予測される病院内学級に在籍する患児と家族2事例に対して、本システムを説明し承諾と協力を得て調査を実施した。(3)本システムにおける教室内の機器設置場所や利用方法など標準化にむけて検討した。(4)成果は病院内学級と地域を結ぶ方法の新規性や課題を検討して、国際学会に発表した。
核形成・成長のカイネティクス

本年度は最終年度であるので、昨年度からの研究を進めるとともにまとめる方向での研究を行った。先ず核形成の実験に関し、高真空走査型電子顕微鏡内でグラファイト基板上に銀を成長させ、核形成のその場観察を行った(後藤)。次に溶液中での核形成を電界により制御する研究を行い、核形成におよぼす電界の効果に関し、理論と実験の良い一致を得た(大鉢)。気相からの三次元核形成の初期過程を実験的に調べた(墻内)。ウィスカーなど微結晶の成長様式と成長機構を調べた(岸)。成長表面では原子(又は分子)は表面拡散によりステップまで移動する。GaAsの分子線エピタキシーにおいてはステップに来たGa原子は単純にステップに組み込まれるのではなく、その確率はAs圧に依存する。このプロセスをV溝を形成した基板における局所的成長速度を実験的に決定することにより調べた。それによると、(001)面ではこのとり込みの確率がAs圧の2乗に,(111)B面では4乗に比例することがわかった(西永)。成長表面からの原子の離脱を同異体効果により調べた(土山)。成長はステップの移動により行われるが、このステップ同志は成長原子の表面および体積拡散を通して相互作用をする。この相互作用によって形成される巨大ステップをその場観察し、その振舞を明らかにした(栗林)。物質により成長表面は、原子的に平坦になったり荒れたりする。これが成長にどのように影響するかを同一物質で圧力を加えることにより変化させ調べ、理論的に考察した(七里)。核形成に関しては高真空高分解能走査型電子顕微鏡を用い、その内部で銀をグラファイト基板に蒸着し核形成をその場観察した(後藤)。次に溶液内の核形成を電流を用いて制御し、核形成を起こす要因につき調べた(大鉢)。又、気相における三次元核形成の例として硫化物系化合物の核形成を調べ液体の三次元核を出発核とし核形成が行われることを明らかにした(墻内)。核形成に密接に関係しているのはそこまで原子が運ばれ組み込まれるプロセスであり、これを成長カイネティクスと言う。そのプロセスの中で重要なのは原子の表面拡散である。表面拡散に関しては多くの問題が未解決のまま残されているが、化合物の成長における表面拡散には成長表面でのストイキオメトリーの問題があり現象を複雑にしている。本研究ではノンプレーナ基板を用い、表面拡散の研究を行った。実験はマイクロプローブRHEED-MBE装置を用いV溝を持つ基板の上でGaAsの成長速度を局所的に測定し、原子が結晶に組み込まれるまでの拡散距離をくわしく調べた。それによるとこの拡散距離はAs圧に強く依存しており、このことからステップ端ではGaリッチとなっておりこのためAs供給律速となっていることがわかった(西永)。又、成長は表面が原子的に平坦か荒れているかにより大きく様相が異なる。これを氷結晶を用い、圧力を加えることにより融点を変化させ調べた。結果を解析すると従来の簡単な理論では説明できないことがわかった(七里)。更に成長時、二方向からの結晶が出会う時、どのように結晶の連続性が保たれるかにつき実験的理論的に調べた(岸)。又、表面で移動している原子は条件により再蒸発するがこの振舞を同位体効果により調べた(土山)。さらに、ラマン分光法を用いて成長時の歪の有無についてその場観察により調べた(河東田)。
変形性関節症への臨床応用を目指したＴａｃｅシグナルの網羅的機能解析

Taceは膜貫通型酵素の一つであり、その発現とともに、標的分子およびシグナル経路をin vitro, in vivoで詳細に解析し、変形性関節症発症においてTaceが果たす役割を明らかにすることを目指した。まず内側側副靭帯、内側半月板の切除によって変形性関節症を惹起させるモデルマウスを作成し、0, 2, 4, 6, 8週後の時系列サンプルを用意した。それぞれの組織切片を用いてTaceの発現を解析したところ、Taceは比較的早期から発現が増強するものの、変形性関節症の進展によっては大きく発現が変化しないことが判明した。次にインスリン存在下で軟骨内骨化に類似した分化を再現する軟骨系細胞株ATDC5を用いて、ドキシサイクリン誘導性にTaceを発現するカセットをレンチウイルスベクターに搭載し、ピューロマイシンにて安定導入した。インスリンで分化誘導を惹起しつつTaceを各段階で発現させたところ、Taceは後期分化段階で強力に2型コラーゲン分解酵素Mmp13やアグリカン分解酵素Adamts5などの軟骨変性分子を誘導した。In vivoで詳細な解析を行うべく、Tace-floxマウスをタモキシフェン誘導性の軟骨特異的Creマウス(Col2a1-Cre-ERT2)との交配を進めた。また変形性関節症モデルを用いてTace阻害剤の検討を行うための前段階として、細胞培養レベルでその阻害能の検証を開始した。Taceは膜貫通型酵素の一つであり、複数のシグナル経路の活性化に関わっている。本研究では、その標的分子およびシグナル経路をin vitro, in vivoで詳細に解析し、変形性関節症発症においてTaceが果たす役割を明らかにするとともに、さらにそれを阻害しうるような低分子化合物や抗体を探索する事によって変形性関節症の新規治療薬や予防薬の開発につなげる事を目指している。まず野生型マウスを用いて、内側側副靭帯、内側半月板の切除によって変形性関節症を惹起させ、時系列にTaceの発現を調べたところ、一貫してある程度の発現がみられることが分かった。軟骨細胞株ATDC5を用いて、ドキシサイクリン誘導性のTace強制発現系を作成し、さまざまな分化段階でTaceを過剰発現させたところ、いずれも軟骨変性関連分子の発現増加がみられた。次にTace-floxマウスを薬剤誘導性の軟骨特異的Creマウスと交配させ、タモキシフェンを注射することで軟骨細胞特異的にTaceをノックアウトできるマウスを作成し、そのマウスを用いて変形性関節症モデルを作成したところ、そのTaceのコンディショナルノックアウトマウスでは有意に変形性関節症の進行が抑制された。各種マーカータンパクの免疫組織染色では、細胞の過剰発現系とは反対に、軟骨変性関連分子の発現は抑制されていた。種々の検討で、下流としてはNotchシグナルの変動は目立たなかったことから、現在は他のシグナルの可能性を検討している。変形性関節症モデルの結果も得られ、当初の計画通りの進行といえる。細胞レベルでは重要な知見を多く得ることができ、マウスベースでの解析に進むことができた。最終年度はTace阻害剤の関節注射によって変形性関節症の進行を抑制できるか、検証する。また下流としてEGFRをブロックしたときにも同様の結果が得られるか、検証する。整形外科学Taceの標的として考えられるNotch, TNF, EGFRなどをそれぞれブロックし、Taceの過剰発現系でみられる軟骨変性分子の発現上昇がどの程度抑えられるかを検証して、軟骨変性におけるシグナル経路を検証する。In vivoでは、薬剤誘導性の軟骨特異的CreマウスとTace-floxマウスを交配させ、順次変形性関節症モデルを作成して解析を進める。また自然経過での軟骨変性も平行して検証する。おおむね順調に研究が進み、当初計画していた予算内で良い結果を得ることができたため。細胞レベルでは重要な知見を多く得ることができ、予定より少ない経費でマウスベースでの解析に進むことができた。Tace阻害剤の関節注射やEGFRブロックにかかる試薬、諸経費。軟骨変性におけるシグナル経路を検証するために必要な実験器具、試薬など。変形性関節症モデルを作成するためのマウス、試薬など。
質量・エネルギーの集中現象を伴う臨界型変分問題の大域・漸近解析

本研究課題では、質量・エネルギーの集中現象を伴う臨界型変分問題の多重爆発解の定性的・定量的性質について、(1)多重バブル解の解空間構造と領域の幾何との相関の解明、(2)多重バブル解のスペクトル解析的性質の研究、(3)爆発が誘導する多重バブル解の定性的性質の研究、(4)多重バブル解の爆発集合の特徴付けに関する未解決問題の解明、の4項目について研究を行い、国際的専門雑誌における査読付き研究論文35編の出版、計17回の日本数学会での発表などの研究成果を得た。本研究課題の研究目的は、「臨界型」と呼ばれる変分構造を持つ楕円型方程式(系)の非コンパクトな解の族のうち、領域内の複数点で集中・爆発現象を起こす「多重バブル解」の解空間構造と領域の位相幾何学的・微分幾何学的性質との関係や、多重バブル解の定性的・漸近的性質について、無限次元臨界点理論・爆発解析・ポテンシャル理論・大域変分法などの数学的理論を駆使して、多角的側面から解明することにある。より具体的には、(1)多重バブル解の解空間構造と領域の幾何との相関の解明(2)多重バブル解のスペクトル解析的性質の研究(3)爆発が誘導する多重バブル解の定性的性質(4)多重バブル解の爆発点集合の位置決めに関する未解決問題の解明の4項目に焦点を当てて研究を遂行する。本年度において、研究代表者高橋は、主に研究目的(1)に着手した。既に高橋はGrossiとの共同研究(JFA2010)によって「2点以上で爆発する多重爆発解は凸領域上には存在しない」という強力な非存在定理を得ており、領域が凸でない場合が次の考察の対象となる。もっとも簡単な非凸領域である2次元円環領域上では、爆発点の位置決めを行うハミルトニアンが具体的に計算できることを利用して、「2次元円環領域上のリウビル方程式の2点爆発解の爆発点は原点に関して対称な位置にある」という部分的な結果を得た(M.Grossiとの共同研究)。高橋達の予想は「2次元円環領域上の$n$点爆発解の爆発点は、正$n$角形の頂点に並ぶ」というものであるが、その証明の第1歩となる肯定的結果といえる。また、高橋は一般領域上で2次元リウビル方程式の多重爆発解を扱い、「爆発点の個数は解のMorse指数以下である」という簡明な結果を得た。さらに高橋は、Navier境界条件付き多重ラプラス作用素のGreen関数がみたす積分型恒等式を証明し、その応用としてある種の対称領域上でのロバン関数の臨界点の非退化性を示した。この研究は今後、高次元領域上での臨界Sobolev型方程式の爆発解析を行う上で重要になると考えている。本研究課題の研究目的は、「臨界型」と呼ばれる変分構造を持つ楕円型方程式の非コンパクトな解の族のうち、特に領域内の複数点で集中・凝集・爆発などの臨界現象を起こす「多重バブル解」の解空間構造と領域の幾何との相関、及び多重バブル解の定性的・漸近的性質について、無限次元臨界点理論・爆発解析・線形ポテンシャル理論などを援用して多角的側面から解明することである。具体的には、以下の4項目について研究を推進中である。(1)多重バブル解の解空間構造と領域の幾何との相関の解明(2)多重バブル解のスペクトル解析的性質の研究(3)爆発が誘導する多重バブル解の定性的性質の研究(4)多重バブル解の爆発集合の特徴付けに関する未解決問題の解明本年度、研究代表者の高橋は、2次元円環領域上のリウビル方程式の2点爆発解の爆発点の位置決め問題についての論文を完成させ、学術雑誌に投稿、掲載受理された(ローマ大学M. Grossiとの共同研究、Comptes Rendus Acad.に掲載予定)。これは「2次元円環領域上のN点爆発解は、正N多角形の頂点上で凝集・爆発を起こす」という予想のもっとも簡単な場合の肯定的解決であるが、この結果の一般化にはさらに困難が予想され、目下のところ解決への糸口が見いだせていない。結果はべき型方程式で非線形指数を無限大にする場合にも正しいと考えられ、現在検証中である。また、高橋は非線型ノイマン境界条件付きの線形楕円型方程式の解空間構造にも興味を持ち、研究を推進した。得られた結果は既に2本の論文にまとめられ、掲載受理されている。このほかに単著1本、4次元リウビル方程式の漸近的非退化性に関する共著1本(大塚浩史氏との共同研究)を投稿中である。本研究課題の研究目的は、「臨界型」と呼ばれる変分構造を持つ楕円型方程式(系)の非コンパクトな解の族のうち、その定義領域及び境界上の複数点で爆発・集中現象を起こす「多重バブル解」の解空間構造と定義領域の位相幾何・微分幾何学的性質との関係や、多重バブル解の漸近的・定性的性質について、無限

次元臨界点理論・爆発解析・ポテンシャル論・大域変分法などの現代解析学の技術を尽くして、多角的側面から解明することにある。具体的には、(1)多重バブル解の解空間構造と領域の幾何の相関の解明(2)多重バブル解のスペクトル解析的性質の研究(3)爆発が誘導する多重バブル解の定性的性質(4)多重バブル解の爆発点集合の位置決めに関する未解決問題の解決の4項目を掲げて研究を遂行中である。本年度において研究代表者高橋は主に研究課題(2)、(4)に注力し、(2)においては、係数関数や特異外力項付きの一般化リウビル方程式の多点爆発解に対して爆発解析を行い、常に爆発点の個数は解のモース指数で上から押さえられるという簡明な事実を見出した。また(4)においては、2次元べき型非線形項をノイマン境界条件として持つ楕円型方程式の最小エネルギー解の漸近挙動についての研究を行い、非線形指数が無限大に漸近する際の最小エネルギー解の挙動についての結果を得た。最小エネルギー解は1点爆発解であり、付随する線形問題のグリーン関数から定まるロバン関数の境界上での臨界点になることを証明し、この非線形ノイマン境界条件での問題に対しても、先行研究であるRen-Weiの結果の類似物が成り立つことを確立した。また、ディリクレ境界条件付き2次元べき型方程式の多点爆発解に対して、Nagasaki-Suzukiと同様の特異極限の分類定理が成り立つことを証明した(論文準備中)。この結果は24年秋の集中講義(於東京工業大学)によって講義された。本研究課題の研究目的は、「臨界型」と呼ばれる変分構造を持つ楕円型方程式の非コンパクトな解の族のうち、特に領域内の複数点で集中・凝集・爆発などの臨界現象を起こす「多重バブル解」の解空間構造と領域の幾何との相関、及び多重バブル解の定性的・漸近的性質について、無限次元臨界点理論・爆発解析・線形ポテンシャル理論などを援用して多角的側面から解明することである。より具体的には以下の4項目について研究を遂行した。(1)多重バブル解の解空間構造と領域の幾何との相関の解明(2)多重バブル解のスペクトル解析的性質の研究(3)爆発が誘導する多重バブル解の定性的性質の研究(4)多重バブル解の爆発集合の特徴付けに関する未解決問題の解明本年度、高橋は非線形ノイマン境界条件下での偏微分方程式について研究を推進し、弱解の非存在や極解の正則性、指数非線形型方程式の場合に特異極解の存在などを示した。これらは日本数学会で講演発表を行ったうえで、論文にまとめられ、すでに出版されている。研究の過程で安定解やモース指数有限の解など、エネルギー汎関数の2階までの微分の情報を用いて定義される解の定性的性質を詳しく調べる必要に直面し、新しく科研費基盤研究課題として申請するに至った。さらに特異極解の安定性と密接に関係するハーディー不等式の研究に着手し、対数補正項付き臨界ハーディー不等式に関する単著論文を出版した。また、7月にマドリッドで行われた10th AIMSにおいてSpecial Sessionを組織し、イタリア、ギリシアなどの研究者を招聘し、研究交流を持った。研究成果は、原著論文4本の出版、日本数学会講演3回、海外講演を含み16回の研究講演実施など。26年度が最終年度であるため、記入しない。変分法・非線形偏微分方程式論26年度が最終年度であるため、記入しない。
活性酸素を介した生殖戦略:黄体機能調節における生理活性物質としての活性酸素の役割

機能的黄体退縮において、Prostaglandin F2α(PGF2α)が黄体内cyclooxygenase-2(PTGS2)発現とPGF2α産生に関与するかどうか、さらにその細胞内情報伝達経路に活性酸素が生理活性物質としてどのように関与しているかを偽妊娠ラットを用いて検討した。偽妊娠7日目にPGF2α(3mg/kg)を皮下投与し機能的黄体退縮を誘導した。対照にはphosphate buffer(PB)を投与した。投与2、6、24時間後の黄体内Ptgs2及びPtgs1 mRNA発現、黄体内PGF2α濃度、血中プロゲステロン(P)濃度を測定した。さらに、選択的PTGS2阻害剤であるNS-398(10mg/kg)をPGF2αと同時投与し、投与24時間後の黄体内PGF2α濃度を測定した。PGF2α投与30分後の核内転写因子であるNFKBの発現の変化をWestern Blot及びEMSAにて検討した。活性酸素種消去目的で、PGF2α投与直前にSODとカタラーゼを尾静脈投与し、PGF2α投与30分後の核内NFKB発現および2時間後の黄体内過酸化脂質(LPO)濃度およびPtgs2mRNA発現を検討した。黄体内Ptgs2mRNA発現はPGF2α投与2時間後に有意に増加した。黄体内PGF2α濃度は24時間後に有意に増加し、血中P濃度は有意に低下した。Ptgs1 mRNA発現に変化はなかった。PTGS2阻害剤投与により、24時間後の黄体内PGF2α濃度の増加は完全に抑制された。PGF2α投与により核内のNFKB蛋白発現は増加し、同時にNFKBはPTGS2プロモーターへの結合活性があることが示された。SODとカタラーゼ投与により核内NFKB発現、黄体内LPO濃度およびPtgs2 mRNA発現の増加は抑制された。機能的黄体退縮において、PGF2αによる活性酸素種を介したNFKBの活性化によるPTGS2-PGF2α産生促進という系の関与が考えられた。【目的】機能的黄体退縮におけるProstaglandin F2α(PGF2α)の関与が知られている。今回、機能的黄体退縮におけるcyclooxygenase-2(COX-2)-PGF2α系の関与を偽妊娠ラットの黄体退縮において検討した。【方法】1)偽妊娠ラットでの自然黄体退縮過程におけるCOX-2、PGF2αの経時的変化を検討した。SD系雌ラットを用い、子宮頸管刺激にて偽妊娠を誘導し、黄体期初期(3、5日目)、中期(7、9日目)、退縮期(11、13日目)の黄体を採取し、血中プロゲステロン濃度、黄体内PGF2α濃度、COX-2mRNA発現を測定した。2)PGF2α投与により機能的黄体退縮を誘導した偽妊娠ラットでのCOX-2、PGF2αの変化を検討した。偽妊娠7日目にPGF2α(3mg/kg body)を皮下投与し、投与後2、6、24時間後の黄体を採取し、血中プロゲステロン濃度、黄体内のPGF2α濃度、COX-2mRNA発現を測定した。controlとしてPBSを投与した。

3)選択的COX-2阻害剤であるNS-398(10mg/kg・body)をPGF2αと同時に皮下投与し、投与24時間後の黄体内PGF2α濃度を測定した。【結果】1)黄体内PGF2α濃度は、偽妊娠の3日目以後漸増し、13日目に最も高値を示した。COX-2mRNAは、偽妊娠11日目に有意な増加を認めた。2)PGF2α投与により、黄体内COX-2mRNA発現は2時問後に有意に増加し、黄体内PGF2α濃度は24時間後に有意に増加した。3)PGF2α投与による24時間後の黄体内PGF2α濃度の増加は、NS-398投与により抑制された。【結論】黄体退縮期において、黄体内のCOX-2発現とPGF2α濃度の増加がみられた。PGF2α投与によりCOX-2発現とPGF2α濃度の増加がひきおこされたことから、機能的黄体退縮におけるPGF2αの産生には、PGF2αによるCOX-2を介したPGF2α産生増加という機序が関与していることが考えられた。【結果】1)PGF2α投与により、黄体内COX-2 mRNA発現は2時間後に有意に増加し、黄体内PGF2α濃度は24時間後に有意に増加した。2)PGF2α投与による24時間後の黄体内PGF2α濃度の増加は、NS-398投与により抑制された。3)PGF2α投与30分後の核内のNF-kBタンパク発現は有意にぞうかした。また、NF-kBのCOX-2 promoterへの結合をEMSAにて確認した。さらに、PGF2α投与によるCOX-2発現には、転写因子であるNF-kBの活性化が関与することが明らかとなった。機能的黄体退縮において、Prostaglandin F2α(PGF2α)が黄体内cyclooxygenase-2 (PTGS2)発現とPGF2α産生に関与するかどうか、さらにその細胞内情報伝達経路に活性酸素が生理活性物質としてどのように関与しているかを偽妊娠ラットを用いて検討した。偽妊娠7日目にPGF2α(3mg/kg)を皮下投与し機能的黄体退縮を誘導した。対照にはphosphate buffer (PB)を投与した。投与2、6、24時間後の黄体内Ptgs2及びPtgsl mRNA発現、黄体内PGF2α濃度、血中プロゲステロン(P)濃度を測定した。さらに、選択的PTGS2阻害剤であるNS-398(10mg/kg)をPGF2αと同時投与し、投与24時間後の黄体内PGF2α濃度を測定した。PGF2α投与30分後の核内転写因子であるNFKBの発現の変化をWestern Blot及びEMSAにて検討した。活性酸素種消去目的で、PGF2α投与直前にSODとカタラーゼを尾静脈投与し、PGF2α投与30分後の核内NFKB発現および2時間後の黄体内過酸化脂質(LPO)濃度およびPtgs2 mRNA発現を検討した。黄体内Ptgs2 mRNA発現はPGF2α投与2時間後に有意に増加した。黄体内PGF2α濃度は24時間後に有意に増加し、血中P濃度は有意に低下した。Ptgs1 mRNA発現に変化はなかった。
モーター周期制御による操舵応答性向上に関する研究

近年、産業的・環境的要請から電気推進船が多く開発建造されており、モーターインバータ技術の発達によって、非常に高周期のプロペラ回転制御が可能になってきている。本研究は平成2527年度の3年間に、プロペラの周期制御による低速航行時の操縦性向上を目的として、モーター周期制御時の予測推力から操縦性向上に必要な周期制御パターン評価、実船の旋回性能試験によりモーター周期制御の有効性評価及び小型電気推進船(電池推進船)の性能評価をそれぞれ行った。結果、モーター周期制御が平均推力の向上に有効に寄与すること、小型電気推進船が内燃機関船に比較して高い環境性能と快適性を持っていることを示した。船舶はプロペラ推進であることから特に低速域では操縦応答性がきわめて低く、そのためスラスター設置やタグボート使用などが必要となっている。本研究では、このプロペラの周期変動による操舵応答性の向上を実用化するために、電池推進船による操舵実験及びプロペラまわりの流動シミュレーションを行い、操舵性向上に必要な周期変動制御パターンを明らかにする。初年度である平成25年度は、1)3隻の異なる推進方法(アジマスプロペラ、ウォータージェット、固定プロペラ)の電池推進船(電池を動力エネルギー源とする電気推進船)を用いて、電気推進船のプロペラの周期変動制御による操舵応答性確認を予定していたが、固定プロペラ電池推進船の整備が遅れたために、これを除く2船についての向上データを取得した。プロペラ回転をパルス状に駆動させ(周期的変動)、推力の横方向成分が船を曲げるモーメントに要する噴流圧力(Vs時の噴流圧力Hs)を得るとともに、パルス幅のデューティ比(Ts/Tc)を変化させることにより速度(Vm)が制御された。基本的な設定パラメーターは回転数、パルス幅デューティ比などであり、計測項目は船速、ポジション、機関出力、消費電力などである。続いて2)実験解析及び得られたデータよりプロペラまわりの流動シミュレーションが行われ、プロペラまわりの周期的流動の定性的傾向が実験解析結果と一致することを明らかにした。この結果をもとに、3)電気推進船の低速時の操船に最適な回転数ーデューティ比の周期変動制御パターンを検討した。平成26年度は、ウォータージェットの周期制御による低速航行時の操縦性向上を目的として、モーター周期制御時の予測推力から操縦性向上に必要な周期制御パターンを評価した。また、実船の旋回性能試験によりモーター周期制御の有効性を評価した。周期制御時のモーター回転数から平均推力を予測し、噴出周波数f J = 0.8 -2.0 s-1およびDuty比D = 0.33 - 0.6の範囲において、モーター周期制御が平均推力の向上に有効に寄与することを解析的に示した。これらの周期制御パターンを含めたモーター周期制御時の旋回性能試験を実施した結果、連続出力時よりも旋回角速度は増加し、旋回半径は減少することを確認した。Duty比および噴射周波数に対する旋回角速度の増減の傾向は、モーター回転数から予測した推力比の結果と定性的な一致を示した。モーター周期制御による旋回性能は、本試験の範囲においてDuty比D = 0.33、噴射周波数f J = 1 s-1の条件が最も高く、連続出力時と比較して10 %以上の旋回角速度の向上が確認された。本研究課題「モーター周期制御による操舵応答性向上に関する研究」は平成2527年度の3年間に、プロペラの周期制御による低速航行時の操縦性向上を目的として、モーター周期制御時の予測推力から操縦性向上に必要な周期制御パターン評価、実船の旋回性能試験によりモーター周期制御の有効性評価及び小型電気推進船(電池推進船)の性能評価をそれぞれ行った。最終年度である平成27年度は、モーター周期制御時の予測推力から操縦性向上に必要な周期制御パターン評価において、周期制御時のモーター回転数から平均推力を予測し、噴出周波数f J = 0.8 - 2.0 s-1およびDuty比D (=Δt / tC)(Δt:周期制御におけるトルク指令時間(s)、tC:トルク指令全周期(s))= 0.33 - 0.6の範囲において、モーター周期制御が平均推力の向上に有効に寄与することを解析的に示した(田島他,日本マリンエンジニアリング学会誌50(3) pp.101-106)。これらの周期制御パターンを含めたモーター周期制御時の旋回性能試験をウォータージェット型電池推進船で実施した結果、Duty比および噴射周波数に対する旋回角速度の増減の傾向は、モーター回転数から予測した推力比の結果と定性的な一致を示した。モーター周期制御による旋回性能は、本試験の範囲においてDuty比D周期

トルク0.33、噴射周波数f J = 1 s-1の条件が最も高く、連続出力時と比較して10 %以上の旋回角速度の向上が確認された。また電池推進船の性能評価をそれぞれ行い、小型電気推進船が内燃機関船に比較して高い環境性能と快適性を持っていることを示した。近年、産業的・環境的要請から電気推進船が多く開発建造されており、モーターインバータ技術の発達によって、非常に高周期のプロペラ回転制御が可能になってきている。本研究は平成2527年度の3年間に、プロペラの周期制御による低速航行時の操縦性向上を目的として、モーター周期制御時の予測推力から操縦性向上に必要な周期制御パターン評価、実船の旋回性能試験によりモーター周期制御の有効性評価及び小型電気推進船(電池推進船)の性能評価をそれぞれ行った。結果、モーター周期制御が平均推力の向上に有効に寄与すること、小型電気推進船が内燃機関船に比較して高い環境性能と快適性を持っていることを示した。プロペラの周期変動による操舵応答性の向上を実用化するために、電池推進船による操舵実験を行い、操舵性向上に必要な周期変動制御パターンを明らかにした。またそれらの結果は、下記講演論文及び学術論文により発表され、独自性のある学術的研究結果としてすでに社会的認知を受けている。1)田島宏一,波津久達也,清水悦郎,大出剛,賞雅寛而,ウォータージェットの周期制御による旋回性能の向上,第84回マリンエンジニアリング学術講演会講演論文集, pp. 57-58, 2014.2)田島宏一,波津久達也,清水悦郎,大出剛,賞雅寛而,モーター駆動ウォータージェット推進船の周期制御による旋回性能の向上,日本マリンエンジニアリング学会誌,第50巻,第3号, pp. 101-106, 2015.27年度が最終年度であるため、記入しない。船舶海洋工学平成26年度の研究結果を踏まえ、1)得られたデータよりプロペラまわりの流動シミュレーションを実施する。またこれらの結果をもとに、2)推進方法における電気推進船の低速時の操船に最適な回転数ーデューティ比の周期変動制御パターンを構築する。上記2)及び3)の事項は、平成26・27年度実施予定項目であり、おおむね順調に進展していると言える。27年度が最終年度であるため、記入しない。操舵応答能力向上のためのシミュレーションに必要なソフトウェアについて、メーカーに在庫がなかったため。初年度の研究結果を踏まえ、引き続き前年度同様、1)小型電池推進船を用いて、プロペラの周期変動制御による操舵応答性の向上データを取得するとともに、2)得られたデータよりプロペラまわりの流動シミュレーションを、整備が遅れたために実験が行われていない固定プロペラ電池推進船を中心に実施する。またこれらの結果をもとに、3)各推進方法における電気推進船の低速時の操船に最適な回転数ーデューティ比の周期変動制御パターンを構築する。項目品については、平成27年度前期に入手予定であり、シミュレーション実施については問題は無いと考えられる。固定プロペラ船の操舵応答能力向上のための設計改造に必要な下記項目品について、メーカーに在庫がなく、新たな発注製作となったため。
建造物復元モデル生成のための2次曲面領域を用いた点群位置合わせ手法

【目的】近年,実空間に存在する建造物を3次元空間上に復元し,その建造物モデルを利用したコンテンツが増加している,この建造物モデルを作成する方法の一つとして,3次元計測装置であるレンジセンサを用いて建造物を計測し,得られた計測点群を統合する位置合わせ手法がある.本手法では,これまで3種類の形状特徴を抽出可能としている.はじめに,奥行き方向の差分を利用してデプスエッジを検出することにより,建造物の輪郭線を抽出した.次に,計測点群を平面で領域分割し,隣接する平面の交線を算出することで,建造物の稜線を抽出した.また,計測点群から円柱形状を認識することで,円柱の中心軸を抽出した.これら3種類の特徴線は,いずれも建造物の直線的な形状特徴を表すものとして抽出している.しかし考古学的な建造物は,曲面を用いた複雑な形状特徴を含んでおり,従来の提案手法では復元できない建造物が存在する.この問題を解決するため,本研究では,円柱形状認識のアルゴリズムを改良し2次曲面領域の認識を行う.【研究実施方法】これまでの計測では、計測位置を変えるごとにレンジセンサ(LMS-Z210),ノートPC,電源,ケーブル等の機器を全て移動する必要があり非常に手間がかかっていた.この問題を解決するために,計測機器一式を設置する台車の製作を(株)リベロテックへ依頼した.また,位置合わせ処理に有効な計測点群を得るためには,計測点群に2次曲面領域がどれだけ含まれているか計測時に目視で確認する必要性が出てきた.リアルタイムにノートPCで膨大な計測点群をストレス無く描画するために,計測により得られた膨大な点群を,計算資源の制約が厳しい計算機環境で,高速に描画する手法を新たに提案した(研究発表参照).提案手法では,はじめに計測点群を空間分割してボクセルに分類し,3次元空間での奥行き方向に対して各ボクセルの描画優先順位を決定する.次に,描画優先順位に従ってボクセル内で描画する計測点群の密度を指定し,視点に応じて描画密度を変化させることにより,膨大な計測点群をストレス無く描画できるようになった.【成果】計測機器一式を設置する台車の大きさは600mm×800mm×1000mmで二段式になっており,上部と下部に分割して自動車に搭載可能な物を製作した.台車の製作により計測位置の移動に伴う手間を解消することができた.また,ボクセルの描画優先順位を用いた計測点群の描画方法を開発することにより,計測点群に2次曲面領域がどれだけ含まれているかを計測時に目視で確認することができるようになった.【目的】近年,実空間に存在する建造物を3次元空間上に復元し,その建造物モデルを利用したコンテンツが増加している,この建造物モデルを作成する方法の一つとして,3次元計測装置であるレンジセンサを用いて建造物を計測し,得られた計測点群を統合する位置合わせ手法がある.本手法では,これまで3種類の形状特徴を抽出可能としている.はじめに,奥行き方向の差分を利用してデプスエッジを検出することにより,建造物の輪郭線を抽出した.次に,計測点群を平面で領域分割し,隣接する平面の交線を算出することで,建造物の稜線を抽出した.また,計測点群から円柱形状を認識することで,円柱の中心軸を抽出した.これら3種類の特徴線は,いずれも建造物の直線的な形状特徴を表すものとして抽出している.しかし考古学的な建造物は,曲面を用いた複雑な形状特徴を含んでおり,従来の提案手法では復元できない建造物が存在する.この問題を解決するため,本研究では,円柱形状認識のアルゴリズムを改良し2次曲面領域の認識を行う.【研究実施方法】これまでの計測では、計測位置を変えるごとにレンジセンサ(LMS-Z210),ノートPC,電源,ケーブル等の機器を全て移動する必要があり非常に手間がかかっていた.この問題を解決するために,計測機器一式を設置する台車の製作を(株)リベロテックへ依頼した.また,位置合わせ処理に有効な計測点群を得るためには,計測点群に2次曲面領域がどれだけ含まれているか計測時に目視で確認する必要性が出てきた.リアルタイムにノートPCで膨大な計測点群をストレス無く描画するために,計測により得られた膨大な点群を,計算資源の制約が厳しい計算機環境で,高速に描画する手法を新たに提案した(研究発表参照).提案手法では,はじめに計測点群を空間分割してボクセルに分類し,3次元空間での奥行き方向に対して各ボクセルの描画優先順位を決定する.次に,描画優先順位に従ってボクセル内で描画する計測点群の密度を指定し,視点に応じて描画密度を変化させることにより,膨大な計測点群をストレス無く描画できるようになった.【成果】計測機器一式を設置する台車の大きさは600mm×800mm×1000mmで二段式になっており,上部と下部に分割して自動車に搭載可能な物を製作した.台車の製作により計測位置の移動に伴う手間を解消することができた.また,ボクセルの描画優先順位を用いた計測点群の描画方法を開発することにより,計測点群に2次曲面領域がどれだけ含まれているかを計測時に目視で確認することができるようになった.
全球水素循環解明のための水素の発生・消滅過程の安定同位体比解析および大気観測

エネルギー源として水素の利用が増加すると大気中水素濃度も増加することが予想されるが、現在の全球水素収支の理解は不十分であり、人間活動に伴う水素の付加が将来の大気環境に与える影響の予測は困難である。本研究では、さまざまな発生源や消滅過程において特徴的な値を示す安定同位体比を用いた水素の循環解析に資するために、環境試料中の水素安定同位体比を迅速かつ簡便に測定する手法の開発、および人間も含む生物圏の種々の発生源から放出されたり吸収されたりする水素の同位体的特徴の解明に取り組んだ。ガスクロマトグラフ、安定同位体比質量分析計から成る簡便な分析システムを試作し、種々の濃度の水素/窒素・混合試料をシリンジで直接導入し、水素濃度100ppmの気体試料2mLに対して3‰の精度で水素同位体比が測定可能であることを確認した。より低濃度の試料の分析を可能とするために、充填剤の量を段階的に減じた3本のカラムを用いて種々の気体試料中の水素を低温分離し、室内大気の混入を最小限に抑える前処理システムを設計・製作した。水素を空気で希釈した高濃度試料(20-40%)、熱伝導度検出器、および微量還元性ガス検出器(TRA)を用いて分離条件を検討し、ドライアイス/エタノール、液体窒素などの寒剤を用いて水素を大気主成分と分離することが可能な条件を見出した。水素濃度の連続観測および同位体比測定用試料の分取が可能な、TRAを用いた可搬型測定システムを設計、特注し、導入した。畜産草地研究所の試験設備においてチャンバー内で牛を飼育する実験を行い、胃で生成し放出される水素の濃度をこのシステムを用いて連続的に観測した。その結果、給餌直後に高濃度(50ppm)の水素ピークが見られ、メタン濃度がやや遅れてピークを示すことが確認された。ピーク時に合わせて水素およびメタン同位体比分析用のガス試料を採取した。今後、同位体比分析システムをまず10-50ppmの試料に適用できるように改良し、採取した試料の分析を行うことを計画している。前年度に設計・製作した、水素安定同位体分析用試料前処理装置は、低濃度試料に対する分離能に不確実性があること、多量の有機溶媒を冷媒として用いること、など分析上・安全上の問題があった。そこで計画を修正し、まず水素濃度10-50ppmの試料に適用できること、安全かつ簡便に実験できることを目的として装置の改良を行った。2本のカラムおよび小型超低温恒温器、液体窒素を用いて種々の気体試料中の水素を低温で分離し、安定同位体比質量分析計に導入する前処理システムとし、熱伝導度検出器および半導体水素センサーを用いて分離条件を詳細に検討した結果、水素を主成分(酸素および窒素)から分離することに成功した。今後はこの前処理システムを用いて、畜産草地研究所の試験設備において採取した、チャンバー内で飼育された牛の胃から放出された気体試料中の水素の安定同位体比測定を行い、給餌直後に放出される高濃度(50ppm)の水素の起源や生成過程について考察する予定である。また、マメ科植物を栽培している畑、ライシメータ等を利用したフィールド実験や実験室でのポット栽培試験を行ってガス試料を採取し、水素の濃度および同位体比を測定することにより窒素固定細菌起源の水素の同位体比の特徴を明らかにするとともに、その生成過程を考察する。さらに、水素の消滅過程の一つである土壌吸収について、土壌の滅菌、一部の細菌の代謝を阻害する化合物の添加、温度・pH・水分条件の制御などを施した模擬実験を行い、種々の条件下での水素の消長とその同位体比の変化を調べる予定である。前年度に故障した安定同位体比質量分析計の検出器部分の修理を行い、前年度までに製作・最適化した気体試料前処理装置を接続して、水素濃度200ppm2%の模擬試料を用いて前処理装置による分離性能の確認と水素安定同位体比測定の感度および精度の検討を行った。前処理装置と質量分析計とを接続するキャピラリーガスクロマトグラフのガス導入部において、濃縮された水素の損失やピークの拡がりが起きていることが判明した。そこで、前処理装置の低温分離・濃縮カラムの流路変更、キャピラリーガスクロマトグラフの導入部上流側への低温再濃縮ループ(クライオフォーカストラップ)挿入などの改良を行った。また、水素のバックグラウンドレベルがやや高い状況もみられたため、ヘリウムキャリヤガスの精製方法や配管のリーク等についても検討および確認を行った。微量還元性ガス分析装置を用いて水素の濃度標準ガスの較正を行い、前年度までに畜産草地研究所の試験設備を用いて採取し保存しておいた、牛の胃から放出された気体試料の一部について、水素および一酸化炭素の濃度分析を行った。水素の濃度範囲は10-65ppmであり、約5 mLの試料量で安定同位体比分析に必要な10 nmol程度の水素を質量分析計に導入可能であることを確認できた。試料前処理装置と質量分析計の測定条件の最適化を進めて、上記試料中の水素の安定同位体比測定を行い、給餌直後に放出される高濃度(50ppm)の水素の起源や生成過程について考察する予定である。

本研究では、さまざまな発生源や消滅過程において特徴的な値を示す安定同位体比を用いた水素の循環解析に資するために、環境試料中の水素安定同位体比を迅速かつ簡便に測定する手法の開発、および人間も含む生物圏の種々の発生源から放出されたり吸収されたりする水素の同位体的特徴の解明に取り組んだ。安全上の問題から、前年度開発した方法での実験が行えなくなり、代替設備を導入するのに時間を要した。しかし、その間に他の部分も含めた改良を行うとともに、濃度検出器としてTCDよりも感度の高い半導体水素センターを導入することで、低濃度水素試料を用いた分離条件の最適化を行うことができた。ところが、安定同位体比質量分析計の検出器部分が故障し、修理に時間を要することから、年度内に水素安定同位体比の測定を行うことができなかった。27年度が最終年度であるため、記入しない。大気化学まず安定同位体比質量分析計の修理を行い、前年度製作・最適化した前処理装置を接続して水素濃度10-50ppmの気体試料の水素安定同位体比測定を行う。牛の胃から放出された気体試料に適用する。次に、さらに低濃度の清浄大気試料に適用できるように前処理装置の改良を行う。研究開始前の予備的な研究で試行した測定法を改良して、水素濃度100ppmの気体試料の同位体比分析を可能にできた。さらに、低濃度試料の分析を目的とした前処理装置の製作を計画通り実施し、比較的安価な方法で、水素を大気主成分から分離する条件を見出した。また、畜産草地研究所での牛のチャンバー試験を当初計画よりも前倒しで実施することができた。質量分析計の故障などにより研究が計画通りに進まず、消耗品の購入を減じたこと、および学会発表をとりやめたことにより、平成26年度に残額が生じた。今後は、本年度設計・製作した前処理システムの改良を行い、まず、水素濃度10-50ppmの試料に適用できるようにする。試料中の水素を定量的に濃縮し安定同位体比質量分析計に導入する条件を詳細に検討する。3‰の精度での測定が可能となったら、次にさらに低濃度の試料を分析するための改良に取り組む。開発した前処理システムを用いて、昨年度畜産草地研究所の試験設備において採取した、チャンバー内で飼育された牛の胃から放出された気体試料中の水素の安定同位体比測定を行う。得られた結果を解析し、給餌直後に放出される高濃度(50ppm)の水素の起源や生成過程について考察する。必要に応じてメタンの炭素・水素同位体比の分析にも取り組み、さらに詳細な解析を行う。本年度と異なる条件下での牛の飼育試験と水素濃度の現場観測、安定同位体比分析用試料の採取と分析にも取り組む。本年度導入したTRAを用いた可搬型測定システムを利用して、大学構内など都市域での大気中水素濃度の連続観測を行い、時間的・空間的な変動を調べる。高濃度の水素が観測された場合には、同位体比測定用試料も採取し、上記のように開発したシステムによる分析も試みる。平成27年度は、26年度予算計画に計上していた、分析に必要な消耗品および真空排気装置を購入する予定である。当初購入を計画していた「ターボ分子ポンプ排気システム」の購入を延期したこと、購入予定であった気体試料採取容器を外部から利活用物品として譲りうけることができたこと、および学会発表をとりやめたことにより、平成25年度に残額が生じた。
経験強化型学習と深層学習を組み合わせた新たな機械学習手法の構築に関する研究

研究代表者はこれまでに、経験強化型学習と深層学習を融合させた手法としてDQNwithPSを提案している。平成30年度においては、DQNwithPSからQ-learning(QL)に相当する部分を切り離した手法であるDeep P-Network(DPN)を、共同研究を行っている大学院生らとともに提案した。DPNは、QLに依存せずにProfit Sharing(PS)のみで学習を行うことができる初めての深層強化学習手法である。Atari2600ゲーム環境中のPongで検証したところ、条件次第では、DQNの1/10以下で学習を行えることが確認できた。これは本研究課題の目的である「学習に要する試行錯誤回数の大幅な削減」を実現するものである。なお、DPNは、QLを用いていないことから、PS同様、非ブートストラップ手法に分類される。そのため、部分観測マルコフ決定過程(POMDPs)環境下において、特に威力を発揮する手法である。今後、POMDPs環境への対応が鍵となるような、より現実的な問題を扱うことで、DPNの有効性がより明確になるものと考える。これらとともに、手法としてのPSの拡張も実現した。具体的には、PSの割引率に考察を加えたDetour Path Suppression Methodと呼ばれる手法や、新たなPSベース手法であるStable Profit Sharingと呼ばれる手法を、共同研究を行っている大学院生らとともに提案した。そのため、PS同様、非ブートストラップ手法となり、POMDPs環境下において特に有望な手法である。実際に、Atari2600ゲーム環境中のPongで検証したところ、条件次第では、DQNの1/10以下で学習を行えることが確認できた。さらに、PSの割引率に考察を加えたDetourPath Suppression Methodと呼ばれる手法や、新たなPSベース手法であるStable Profit Sharingと呼ばれる手法を、共同研究を行っている大学院生らとともに提案した。今後、これらの成果をDPNに取り入れることで、さらなる手法の改善が期待できる。以上の成果はともに、本研究課題の目的である「DQNの学習に要する試行錯誤回数の大幅削減」に大きく寄与するものである。また、本年度の当初の目的である「具体的な手法の完成」につながるものである。そのため、本研究課題はおおむね順調に進展していると言える。本研究課題では、当初、罰を回避するXoL手法である予想失敗確率EFP(Expected Failure Probability)との組み合わせを視野に入れていたが、より効率を重視する立場から、LADQNの改良ならびに、手法としてのPSの改良を平成30年度において実現した。今後は、これらの知見をEFPとの組み合わせに際しても活かす予定である。また、ゲーム問題以外の、例えば、実環境下でのリアルタイムな意思決定が要求されるような領域への適用も順次検討する。これに関しては、平成29年度に購入したヒューマノイドロボット「ナオ」を最大限活用する予定である。さらに、近年は、大学における3ポリシーの分析といったテキストマイニングに関連する研究も行っている。これらの領域への深層強化学習の導入も今後の方策として考えている。現在、深層強化学習手法としてDQNが注目を集めている。それに対し、研究代表者らは、強化学習が要する試行錯誤回数の削減を指向した接近法として経験強化型学習(XoL)を提唱しており、DQNにXoL手法を組み合わせたプロトタイプ的手法であるDQNwithPSを提案している。平成29年度においては、DQNwithPSの問題点として知られる「報酬と罰の設計問題」に対するひとつの解決方法として、報酬にスケジューリングを導入する手法を提案した。提案手法を、オリジナルのDQNwithPSでは学習困難であったAtari2600ゲーム環境中のBreakoutに適用し、DQNよりも少ない試行錯誤回数で、より高いスコアを獲得できることを示した。本成果は原著論文として学術雑誌に掲載された。さらに、DQNwithPSを用いたAtari2600ゲーム環境における様々な実験を行い、DQNwithPSが持つ新たな問題をみつけた。具体的には、DQNwithPSでは学習手法としてQ-learning(QL)とProfit Sharing(PS)を併用しているが、これら2手法による学習が競合し、不適切な学習が行われる可能性があることを示した。この問題を解決するための手法として、Learning Acceleration DQN(LADQN)と呼ばれる手法を、共同研究を行っている学生らとともに提案した。LADQNでは、QLの学習とPSの学習が競合する場合にはPSの学習を抑えることで学習性能の悪化を抑制している。これにより、DQNwithPSでは学習が不安定であったEnduroというゲームにおいて、より安定的にDQNの性能を上回ることが確認できた。これらの成果は、本研究課題の目的である「DQNの学習に要する試行錯誤回数の大幅削減」に大きく寄与するものであり、今後、本研究課題を推進する上で特に重要になると考える。平成29年度では、まず初めに、当該年度の研究実施計画で述べたDQNwithPSの問題点である「報酬と罰の設計問題」に対するひとつの解決策を与えた。

具体的には、報酬のスケジューリングを導入することで、オリジナルのDQNwithPSでは学習が困難であったBreakoutと呼ばれるゲームにおいて、DQNよりも少ない試行錯誤回数で、より高いスコアを獲得できることを示した。本成果は原著論文として学術雑誌に掲載された。さらに、DQNwithPSをより多くのAtari2600ゲーム環境に適用することで、これまで知られていなかった新たな問題を見い出すとともに、それに対する解決方法を与えた。具体的には、Learning Acceleration DQN(LADQN)と呼ばれる手法を、共同研究を行っている学生らとともに提案し、DQNwithPSで生じていた、2種類の学習器、すなわち、Q-learningとProfit Sharingとを併用することで生じる問題の解決を図った。これにより、DQNwithPSでは学習が不安定であったEnduroというゲームに対して、より安定的にDQNの性能を上回ることが確認できた。これらの成果はともに、本研究課題の目的である「DQNの学習に要する試行錯誤回数の大幅削減」に大きく寄与するものである。そのため、本研究課題はおおむね順調に進展していると言える。研究代表者はこれまでに、経験強化型学習と深層学習を融合させた手法としてDQNwithPSを提案している。平成30年度においては、DQNwithPSからQ-learning(QL)に相当する部分を切り離した手法であるDeep P-Network(DPN)を、共同研究を行っている大学院生らとともに提案した。DPNは、QLに依存せずにProfit Sharing(PS)のみで学習を行うことができる初めての深層強化学習手法である。Atari2600ゲーム環境中のPongで検証したところ、条件次第では、DQNの1/10以下で学習を行えることが確認できた。これは本研究課題の目的である「学習に要する試行錯誤回数の大幅な削減」を実現するものである。なお、DPNは、QLを用いていないことから、PS同様、非ブートストラップ手法に分類される。そのため、部分観測マルコフ決定過程(POMDPs)環境下において、特に威力を発揮する手法である。今後、POMDPs環境への対応が鍵となるような、より現実的な問題を扱うことで、DPNの有効性がより明確になるものと考える。これらとともに、手法としてのPSの拡張も実現した。具体的には、PSの割引率に考察を加えたDetour Path Suppression Methodと呼ばれる手法や、新たなPSベース手法であるStable Profit Sharingと呼ばれる手法を、共同研究を行っている大学院生らとともに提案した。
Na,Ca膜輸送分子複合体の機能制御とその病態機序の解析

本研究では、Na/Ca交換体分子複合体の分子構成、制御機構、生理機能および病態との関わりについて解析した。この分子複合体解明の糸口として、α1受容体刺激による血管収縮に1型Na/Ca交換体(NCX1)を介するCa^<2+>流入が関与する実験的証拠を得た。具体的には、NCXl高発現マウスの摘出細動脈ではα1受容体刺激時のCa^<2+>濃度上昇が増大していること、またこの反応は特異的NCX1阻害薬により抑制されることを見いだした。免疫沈降実験から、NCX1は受容体活性化TRPCチャネル・TRPC3およびTRPC6と分子複合体を形成することが示唆された。また、TRPC/NCX1分子複合体の生理機能および病態との関わりを生体レベルで解析するため、NCX1、TRPC3およびTRPC6の高発現マウスおよび低発現マウス(ヘテロ欠損、ドミナントネガティブ変異体導入)を作製した。まず、摘出細動脈のフェニレフリン刺激時のCa^<2+>シグナルを比較したところ、これら3種の高発現マウスではCa^<2+>シグナルの充進、一方、これらの低発現マウスではCa^<2+>シグナルの減弱が観察された。また、NCX1もしくはTRPC3を高発現したマウスではノルエピネフリン投与時に冠動脈スパスム(心電図ST上昇)が誘導されることを見いだした。この反応はNCX1阻害薬投与もしくはTRPC3ドミナントネガティブ変異導入により抑えられた。これらの結果は、TRPC/NCX1分子複合体の機能連関がα1受容体を介する血管トーヌス制御に重要な役割を果すことを強く支持している。本研究では、各種遺伝子改変マウスをツールに用い、血管平滑筋に発現するNa^+/Ca^<2+>交換輸送体(NCX1)の膜輸送複合体の分子構成、制御機構および病態学的役割を解明することを目的とする。本年度、マウス摘出灌流腸間膜動脈を用いた血管径および細胞内Ca^<2+>濃度変化の同時測定実験から、α_1受容体刺激による血管収縮(Ca^<2+>働員)にNCX1を介するCa^<2+>流入が関与する証拠を得た。つまり、このCa^<2+>流入は特異的NCX1阻害薬であるSEAO400により抑制され、またNCX1を高発現させた腸間膜動脈で著明に促進された。通常、血管平滑筋のNCX1はエネルギー論的にCa^<2+>流入を起こさないと考えられている。そこで、私達はこの分子機序を説明する作業仮説として、NCX1が受容体活性化Na^+透過性チャネルと複合体を形成して特殊膜領域に局在し、局所的なNa^+濃度増加を介してCa^<2+>流入が誘導されることを想定した。実際、NCX1抗体を用いた免疫沈降実験の結果から、血管平滑筋においてNCX1とTRPCチャネルが複合体を形成することが示唆された。この分子機序を解明するため、TRPC3およびTRPC6チャネルの血管平滑筋特異的な高発現マウスおよび低発現マウス(ドミナントネガティブ)を作製した。さらに、この膜輸送複合体の局在に関係することが推定されるカベオリン3およびアンキリン2の低発現マウスの準備を進めている。来年度、これらマウスをツールに用い、NCX1/TRPCチャネル分子複合体の機能的役割を包括的に明らかにしたいと考えている。