hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
Dブレーンの幾何学的研究

筆者によるGrassmann多様体の場合の証明は、Grassmann多様体と射影空間のGromov-Witten不変量の関係に関するHori-Vafa予想(Bertram-Ciocan-Fontanine-Kimの定理)、射影空間の場合のStokes行列、Kapranovによる連接層の導来圏の生成元、それにBorel-Weil理論を使う.トーリック曲面の場合の証明は、Giventalのミラー定理と消滅サイクルの交点数の具体的な計算に基づく.超曲面の上のCohen-Macaulay加群の自由分解には周期2の周期的な複体が現われるが,自由加群の基底を選んでこの複体の微分を行列で表したものを行列因子化という.これはEisenbudの1980年の論文に起源を持つが,Kontsevichの提案に基づき,Kapustin,Li,堀,Walcherなどの弦の理論家によってLandau-Ginzburg模型のB型Dブレーンの研究に使われるようになって新たに注目を浴びることになった.行列因子化の全体は三角圏をなすが,この三角圏の数学的に正確な定式化がOrlovや高橋らによってなされ,梶浦-齋藤-高橋によって単純特異点の場合にこの圏が対応するDynkin図形の辺に適当な向きを入れた箙の表現の導来圏と一致することが証明された.Orlovは三角圏の半直交分解の理論を用いて,重み付き斉次多項式で定義されるアファイン空間の超曲面上の行列因子化のなす三角圏と,対応する重み付き射影空間の超曲面の上の連接層の導来圏の関係を明らかにしたが,筆者はこのOrlovの結果とGeigle-Lenzingによる重み付き射影直線の理論を使って,上の梶浦-齋藤-高橋の結果の,単純特異点の上のCohen-Macaulay加群の分類を用いない別証を与えるとともに,単純楕円型超曲面特異点に関しても,構造がよく分かっているGeigle-Lenzingの意味での重み付き射影直線の上の連接層の導来圏との同値性をOrlovの技法を使って証明することによって行列因子化のなす圏のある箙の表現の導来圏としての表示を与えた.また,Fermat型の定義方程式を持つ特異点に対し,Orlovの半直交分解を少し変更したものを用いることによって,行列因子化のなす三角圏の構造の上とは異なる記述を与えた.
活性多重結合を有する高周期典型元素-遷移金属複合錯体の構造と機能

高周期典型元素から成る不飽和化合物は極めて活性であり、これを反応性配位子として遷移金属に導入することによって、金属-配位子間での協同的・相乗的作用に基づく、新しい機能の発現が期待できる。本研究では、P=N二重結合を有するボスフィンイミドに注目し、これを遷移金属錯体に導入したP-ホスフィンイミド錯体LnM-P(=NR)(OR)2の錯体配位子(メタロリガンド)としての機能、ならびに有機小分子との付加環化反応を検討した。1.ビス(ボスフィンイミド)鉄錯体をキレート錯体配位子として用い、種々のロジウム錯体とのヘテロニ核金属錯体の合成に成功した。その構造解析の結果、これらの錯体はボート型メタラサイクル構造を有し、2つの金属同士が接近するとともに、鉄上のカルボニル配位子が平面四配位型ロジウムの近傍に位置ボすることがわかった。さらにこのカルボニル配位子は、ロジウムを避けるように折れ曲がっており、電子リッチなロジウムがそのd軌道電子をカルボニルのπ^*軌道へ供与している可能性が示唆された。2.イソニトリル配位子とアミノホスファイトを有する鉄錯体(η5-CsMe5)Fe(CO)(CNPh)(P(NHPh)(Ome)2)とNaBH4との反応により、新規な籠型化合物が生成することを見出した。この反応は、窒素上の脱プロトン化によって生成するホスフィンイミド中間体が系中に副生したBH3をトラップし、これが鉄に保持されたカルボニルとイソニトリルを分子内ヒドロホウ素化したものと考えられる。即ちこの反応においては、金属に配位した3つの単座配位子がBH3によってワンポットで3座配位子に変換されたことになる。さらに、ここで得られた籠型錯体は柔軟な電子構造を有する新規な多座カルベン錯体として見ることができ、興味深い。
揺らぎと時間発展の観点から見た弱値の物理量としてのダイナミクスの解明

事前・事後選択された量子系は弱値と呼ばれる特徴量を持ち,弱測定という手法によって測定できる.弱値は「古典物理量」や「量子系において期待値として得られる物理量」とも異なる,事前・事後選択系が備える全く別の種類の物理量であると言えるが,古典論・量子論における物理量とは異なり,弱値が表す物理量のダイナミクスの定式化は行われていない.本研究では,揺らぎと時間発展の観点から弱値の性質を明らかにすることで,事前・事後選択された量子系について,状態ベクトルや演算子を用いずに,弱値のみでそのダイナミクスを記述する描像を構築する.事前・事後選択された量子系は弱値と呼ばれる特徴量を持ち,弱測定という手法によって測定できる.弱値は「古典物理量」や「量子系において期待値として得られる物理量」とも異なる,事前・事後選択系が備える全く別の種類の物理量であると言えるが,古典論・量子論における物理量とは異なり,弱値が表す物理量のダイナミクスの定式化は行われていない.本研究では,揺らぎと時間発展の観点から弱値の性質を明らかにすることで,事前・事後選択された量子系について,状態ベクトルや演算子を用いずに,弱値のみでそのダイナミクスを記述する描像を構築する.
抗菌・消臭作用のある有床義歯の開発に関する研究

孟宗竹を200°Cで20mmHgの減圧下で抽出した成分(竹エキス)を用いて、Staphylococcus aureus (S.aureus), Streptococcus mutans (S.mutans)およびCandida albicans (C.albicans)に対する抗菌性と殺菌性および急性経口毒性試験などを行い,歯科への応用について検討した.竹エキスのMICはC.albicansでは2.5%であった.竹エキスのMBCはMICとほぼ同じ値であり,殺菌性も認められた.竹エキス濃度が5%程度で各菌に対して抗菌性と殺菌性が得られた.竹エキスの成分分析を行ったが、40種類以上の化合物からなる混合物であり、主にフラン系とフェノール系の化合物であった.マウスを使って竹エキスの急性経口毒性試験を行ったが死亡例は全くなく、剖検によっても異常は見られなかった。また,竹エキスは食品添加物として認められた.孟宗竹を乾留抽出した竹エキスをティシュコンディショナに添加し、in vitroにおいてCandida albicansに対する抗菌性や試料への付着などについて検討した.竹エキスを添加したティシュコンディショナをHeart infusion(HI)寒天培地に浸漬した場合に,竹エキスの流出はほとんど見られなかった.ティシュコンディショナの液に竹エキスを10wt%添加して作製した試料へのCandida albicansの付着はほとんど見られず,抗菌性が認められた.竹エキスを添加した義歯床用レンジなどのin vitro試験においては,竹エキスを添加していないコントロールと有意差はほとんど認められなかった.しかし,in vivo試験においては,臭いやデンチャープラーク等の汚れはほとんど観察されなかった.竹エキスを添加した試料のin vitro試験方法や条件を変えることにより有意差が得られれば,臨床への応用範囲も容易になると考えられる.孟宗竹を200°Cで20mmHgの減圧下で抽出した成分(竹エキス)を用いて、Staphylococcus aureus (S.aureus), Streptococcus mutans (S.mutans)およびCandida albicans (C.albicans)に対する抗菌性と殺菌性および急性経口毒性試験などを行い,歯科への応用について検討した.竹エキスのMICはC.albicansでは2.5%であった.竹エキスのMBCはMICとほぼ同じ値であり,殺菌性も認められた.竹エキス濃度が5%程度で各菌に対して抗菌性と殺菌性が得られた.竹エキスの成分分析を行ったが、40種類以上の化合物からなる混合物であり、主にフラン系とフェノール系の化合物であった.マウスを使って竹エキスの急性経口毒性試験を行ったが死亡例は全くなく、剖検によっても異常は見られなかった。また,竹エキスは食品添加物として認められた.孟宗竹を乾留抽出した竹エキスをティシュコンディショナに添加し、in vitroにおいてCandida albicansに対する抗菌性や試料への付着などについて検討した.竹エキスを添加したティシュコンディショナをHeart infusion(HI)寒天培地に浸漬した場合に,竹エキスの流出はほとんど見られなかった.ティシュコンディショナの液に竹エキスを10wt%添加して作製した試料へのCandida albicansの付着はほとんど見られず,抗菌性が認められた.竹エキスを添加した義歯床用レンジなどのin vitro試験においては,竹エキスを添加していないコントロールと有意差はほとんど認められなかった.しかし,in vivo試験においては,臭いやデンチャープラーク等の汚れはほとんど観察されなかった.竹エキスを添加した試料のin vitro試験方法や条件を変えることにより有意差が得られれば,臨床への応用範囲も容易になると考えられる.本研究の目的は、長期間有床義歯を装着しても悪臭を発生しない清潔で快適な有床義歯の開発である。植物から乾留した成分には抗菌生を有する物が多いが、特に孟宗竹を乾留した成分(竹エキス)の抗菌スペクトルは広いことがわかった。竹エキスのアルコール溶液(竹エキス濃度3%)を水に溶解させた場合の、Staphylococcus aureus、Stretococcus mutans、Candida albicansに対する最小発育阻止濃度(MIC)と最小殺菌濃度(MBC)は約2から5%で、かなりの低濃度で抗菌殺菌効果があることがわかった。竹エキスの成分分析を行ったが、40種類以上の化合物からなる混合物であり、同定できない成分も幾つかあったが主にフラン系とフェノール系の化合物であった。マウスを使って竹エキスの急性経口毒性試験を行ったが、体重の増加は見られたが死亡例は全くなく、剖検によっても異常は見られなかった。また、竹エキス中に砒素、鉛および水銀は検出されず、従来の消毒剤や殺菌剤と比較して安全に歯科の器械器具および材料に使用できる可能性が示唆された。竹エキスのアルコール溶液を水に溶解させた水溶液で石こうやアルジネート印象材を練和した場合、抗菌性は見られたが、短時間での抗菌殺菌性は乏しかった。そのため、石こうやアルジネート印象材の短時間での抗菌殺菌には、竹エキス水溶液に浸漬するかスプレーすればよいことがわかった。竹エキスをレジンに添加する場合には竹エキスは水溶性だあるためアルミナなどに吸着させて使用する必要があるが、竹エキスを吸着させた粉末を使用した場合には、抗菌効果が低下した。この原因を解明するのは今後の研究課題である。平成7年度は抗菌剤を添加したレジンの抗菌性およびティッシュコンディショナ-や軟質裏装材を用いても実験を行う。

本研究の目的は,長期間有床義歯を装着しても悪臭を発生しない清潔で快適な有床義歯の開発である.平成6年度は,孟宗竹を乾留した成分(竹エキス)を用いて,S.aureus,S.mutansおよびC.albicansに対する抗菌性と殺菌性および急性経口毒性試験などを行い,歯科への応用について検討した.その結果,従来の消毒剤や殺菌剤と比較して安全に歯科の器械器具および材料に使用できる可能性が示唆された.平成7年度は,竹エキスをティッシュコンディショナおよび床用レジンに添加し,細菌の付着を防止し,変色や劣化について検討した.ティッシュコンディショナに竹エキスを添加した場合には,竹エキス10wt%の添加でC.albicansの付着はほとんど見られず,抗菌性が認められた.また,竹エキス10wt%の添加ではティッシュコンディショナの硬さやぬれ性などのは影響がないことがわかった.床用レジンと硬質レジン歯に竹エキスを添加し,C.albicansに対する抗菌性や付着試験を行った.in vitroの実験では竹エキスの添加による有意差(p<0.05)は見られなかった.しかし,in vivoでの実験では10ケ月間使用した義歯において,義歯床や硬質レジン歯にはデンチャープラークはほとんど付着していなかった。これらのことから,in vivoの実験では竹エキスによりデンチャープラークの付着を阻止できることがわかった.in vitroの実験で竹エキスの抗菌性が得られなかったのは,in vivoと比べるとC.albicansの菌数が極めて多いことによるものと思われる.床用レジンや硬質レジン歯に添加された竹エキスはほとんど流失しないため,高濃度の菌に対しては効果を発揮しないが,in vivoでの低濃度の菌に対しては長時間抗菌効果があると思われる.
マイクロスケールとマイクログラビティへの適用を目指したマランゴニ対流の研究

マランゴニ対流は,液体表面において温度差や濃度差によって表面張力の分布が発生した場合に生起する対流であり,マイクロスケールやマイクログラビティにおいて,顕在化する.本研究では,液柱内のマランゴニ対流が振動的になる条件やマイクロ液滴の形成等について,実験と解析の双方から新たな成果を得た.また,宇宙ステーションの日本実験棟「きぼう」における最初の科学実験としてマイクログラビティ実験を実施し,地上では形成できない大きな液柱の形成に成功し,振動流遷移条件等を求めることができた.マランゴニ対流は,液体表面において温度差や濃度差によって表面張力の分布が発生した場合に生起する対流であり,マイクロスケールやマイクログラビティにおいて,顕在化する.本研究では,液柱内のマランゴニ対流が振動的になる条件やマイクロ液滴の形成等について,実験と解析の双方から新たな成果を得た.また,宇宙ステーションの日本実験棟「きぼう」における最初の科学実験としてマイクログラビティ実験を実施し,地上では形成できない大きな液柱の形成に成功し,振動流遷移条件等を求めることができた.1.高アスペクト比の微小液柱の形成フローティングゾーン法の半分の系を模擬したハーフゾーン法では,一般に試験流体としてシリコーンオイルが用いられる.その場合,重力下で液柱を形成すると,観察の容易な直径5mmの場合・アスペクト比(Γ=高さ/半径)が1.0を超えると変形が無視できなくなる.今年度は,試験流体にn-デカンを用いた直径1.5mmの微小液柱で実験を行い,高アスペクト比(Γ=0.722.75)を実現した.2.高アスペクト比の微小液柱における振動モード横道の把握モード数mとアスペクト比Γの積は従来mΓ=2.2程度であると云われてきた.本実験により,m≧2ではmΓ≦2.2であるのに対して,m=1ではmΓ>2.2であることが示された.3.高アスペクト比の微小液柱における粒子集合構造(PAS)の把握PASは,ドーナツ状の流動場に三次元的に巻き付く構造であることを把握しているが,高アスペクト比における三次元構造は未知であった.本実験により,一つに閉じ,かつ三次元的に捩れた紐状の構造を持つ粒子集合であるSL-RASをm=1において発見した.また,SL-PASにはSL IとSL IIという基本的な構造があり,SL IIはSL Iを構成している個々のパターンが,再度液柱内部に捩れ込む構造を有することが分かった.4.数値シミュレーション実験に用いるシリコーンオイルの高プラントル数の数値計算を実施するためには,薄い温度境界層を精度良く解像するために多量の計算格子が必要である.本年度は,計算時間のほとんどを占める圧力ポアソン方程式の高速解法を開発した.5.マランゴニ対流による液体輸送マイクロスケールにおける流体輸送技術の確立を目指して,マランゴニ効果を利用したマイクロポンプを試作した.10個の薄い液膜の上に空気の流路を形成し,液膜の自由表面近傍で空気を駆動できることを確認した.(1)より大きなアスペクト比の液柱マランゴニ対流の実現とPASの観察アスペクト比(Γ=高さ/半径)のできる限り大きな液柱の形成に挑戦し,直径が1.5mmがの液柱によって,Γ=2.5を達成した.このとき,モード数m=1の粒子集合(PAS)を発現させることが出来た.その際,条件によって,同じm=1でも,異なる形状のPASが発現することを新たに見出した.(2)数値シミュレーションの実施前年度までに開発してきた高プラントル数に適用しうる計算技術を用いて,高アスペクト比の液柱の解析を行った.実験で観察されたと同じモード数m=1の粒子集合(PAS)を発現させることに成功した.他方,その形状の詳細には差異が発見されたため,その原因を今後探求する。(3)マランゴニ対流による液体輸送(マランゴニポンプ)薄液膜に輸送に適した形状として,目的とする流れ方向に平行に温度勾配印可素子を挿入する形状を考案し,実験した.その結果,確かにこの形状によってもマランゴニ効果によって液体を駆動しうることを示した.並行して,数値シミュレーションを実施し,印可する温度勾配と駆動しうる流量の関係を調べた.定常流の範囲では,実験と計算はほぼ良く一致することを示した.(4)ピコリットル液滴のハンドリングにおけるマランゴニ効果ピコリットル程度の微小液滴のハンドリングにおいて,マランゴニ対流の効果を実験的に調べる実験を実施した.その結果,円柱の端面に形成される半球状液滴の体積が,印可する温度差によって制御しうることを示した.(5)宇宙ステーションにおける実験の準備現在のところ,平成20年(2008年)に本代表者が提案しているマランゴニ対流の宇宙実験を実施する予定である.これについて,地上においてできる限りの模擬実験を進め,基礎となるデータを蓄積し,初期実験の実験条件を決定した.(1)ピコリットル液滴のハンドリングにおけるマランゴニ効果ピコリットル程度の微小液滴のハンドリングにおいて,マランゴニ対流の効果を実験的に調べる実験を実施した.とくに形成される液滴の体積を求める解析を行い,実験結果ともよく一致することを示した.(2)マランゴニ対流による液体輸送(マランゴニポンプ)

薄液膜の輸送に適した形状として,流れ方向に平行に温度勾配印可素子を挿入する形状を考案して実験し,液体を駆動しうることを示した.とくに温度勾配の大きなときに流れが振動的になることを世界的にもはじめて見出した.並行して,数値シミュレーションを実施し,印可する温度勾配と駆動しうる流量の関係を調べた.(3)より大きなアスペクト比の液柱マランゴニ対流の実現とPASの観察アスペクト比(Γ=高さ/半径)のできる限り大きな液柱の形成に挑戦し,直径が1.5mmがの液柱によって,Γ=2.5を達成した.このとき,モード数m=1の粒子集合(PAS)を発現させることが出来た.その際,条件によって,同じm=1でも,異なる形状のPASが発現することを新たに見出し,これが従来から観察されるPASとは発生機構の異なるものであることを示した.(4)宇宙ステーションにおける実験の準備平成20年(2008年)に本代表者が提案しているマランゴニ対流の宇宙実験が実施できる予定である.これについて,地上においてできる限りの模擬実験を進め,基礎となるデータを蓄積している.とくに,粒子の放出条件を定める航空機実験や周囲気体の影響を定める実験,試験液体の蒸発実験等を行い,宇宙実験の条件設定に反映した.今年度は,マランゴニ対流現象をより的確に調べるため,重力の影響を排除したマイクログラビティ実験が可能となる宇宙ステーションでの実験を実施することが出来た.国際宇宙ステーション日本実験棟「きぼう」では,今年度から科学実験の供用が開始されたが,我々の実験は,「きぼう」における最初の科学実験として実施され,テレビ,新聞などの各種メディアにも広く報道された.実験では,液柱内に発生する温度差マランゴニ対流を観測し,とくに地上では実験が出来ない長い液柱(長さ60mm)を形成して,振動流への遷移条件や,表面を伝播する温度波を観測することに成功した.これらは,世界的にも初めての成果であり,本研究代表者が主催して世界の専門家を集めて開催した国際会議IMA4(International Marangoni Association4)において発表し,国際的にも非常に高い評価を得た.実験の過程で液柱が分離し,直径30mmの半球状の液滴が形成されたので,これを用いて液滴と固体面の再付着実験を実施した.結果は,地上実験から得られていたスケーリング則の予測に反し,温度差を付加しても,直ちに固体面に再付着するという結果が得られた.この現象は,表面張力支配下における固体面の再浸潤問題として,地上におけるマイクロスケール液滴の挙動の解明に,重要な情報を与え得るものとなった.今年度は,当該課題の最終年度であったが,宇宙におけるマイクログラビティ実験を実施することが出来,科学的にも,宇宙実験技術としても,貴重な結果を得て,終了することが出来た.
機能性フラクタル構造体のデザインに向けた基礎的研究：構造制御とダイナミクス

様々なフラクタル系の構造形成機構とその上でのダイナミクスの統一的理解に向けた研究を行うことで、以下の成果が得られた。(1)秩序変数の分布関数が一般化ガンベル分布になることを基礎に、臨界現象に現れるフラクタル次元の分布関数が三重指数関数となることを明らかにした、(2)自己組織化臨界性(SOC)に基づく海岸線形成モデルにおいてフラクタル次元の分布が三重指数関数に従うことを明らかにした、(3)負荷の時間的揺らぎを考慮した過負荷故障カスケードに対して、スケールフリー性を有する複雑ネットワークは頑強であることを明らかにした、(4)自発的にフラクタル性が発現する複雑ネットワークのSOCモデルを構築した。本研究の目的は、マクロな古典系からナノスケール量子系、さらにはユークリッド距離が定義されない複雑ネットワークに至るまで、スケールや構成要素の異なる様々なフラクタル系の構造形成機構を統一的に理解し、さらにこれらの系の上でのダイナミクスと構造的特徴との関係を明らかにすることにより、機能的なフラクタル構造体のデザインに向けた基礎的知見を得ることである。25年度は、自己組織化臨界性(SOC)に基づく海岸線形成モデルを用い、海岸線のフラクタル次元の分布に関する基礎的知見を得た。複雑な形状を持つ海岸線がスケール不変性(すなわちフラクタル性)を有することは70年以上前から示されており、現在では多くの地域のリアス式海岸のフラクタル次元の値が実測されている。一方で、直線的な海岸が世界中に遍在することも周知の事実である。このような相違が生じるメカニズムを説明するため、Sapoval等[Phys. Rev. Lett. 93, 098501 (2004)]によって提唱されたSOCモデルに基づき、フラクタル次元の分布関数を数値的に計算した。さらに、臨界系におけるフラクタル次元の揺らぎの一般論を構築するため、十分大きな有限系における臨界点近傍での秩序変数の分布が一般化Gumbel分布となることを基礎に、フラクタル次元の分布関数を理論的に求めた。その結果、フラクタル次元は3重指数関数のテールを有する分布関数によって記述されることが明らかとなった。また、次年度以降に行う複雑ネットワークのフラクタル性とスモールワールド性の統一的理解を目的としたSOCモデル構築に関する研究準備のため、スケールフリー性を有する複雑ネットワークの過負荷故障に対する頑強性に関する研究を行った。研究成果は、欧文誌に発表し、さらに国際会議や国内学会で発表した。本課題研究では、複雑ネットワークにおけるフラクタル性やスモールワールド性がどのような機構により発現するかを解明するため、自己組織化臨界性(SOC)を示すダイナミクスに基づいた複雑ネットワーク形成のモデルを提唱する。そのため平成26年度の研究では、過負荷故障故障のカスケードに対して複雑ネットワークがどの程度頑強であるかを理論的に調べた。26年度の研究で調べたモデルでは、負荷がネットワーク上をランダム・ウォークすると考え、各ノード上の負荷(ウォーカー数)の揺らぎが予め定められているノードの耐性を超えたときにこのノードで過負荷故障が起こるとしている。このように考えた際の過負荷故障確率は、正則化された不完全ベータ関数によって表される。この確率に従ってまず初期ネットワークからノードを削除し、さらにノード削除されたネットワーク上の負荷分布を再計算することで過負荷故障確率を更新し、その確率でノードを更に削除する。その際、現実の故障カスケードを考慮し、ネットワーク上の総負荷量がエッジ数の減少に合わせて低減されるものとした(低減の速さはパラメータrで特徴付けられる)。削除されるノードが無くなるまでこの操作を繰り返した後のネットワーク内の最大連結成分の大きさが初期ネットワークの大きさに比べて無視できるほど小さくなる最大の低減パラメータrcの値から過負荷故障カスケードに対する頑強性を評価した。その結果、従来の理論とは異なり、各ノードの結合数(次数)に大きな揺らぎがあるネットワーク(スケールフリー・ネットワーク)は過負荷故障カスケードに対して頑強であることが明らかになった。また、r=rc近傍におけるネットワーク構造の変化が臨界的性質を有することを示した。さらに、このような結果が負荷の揺らぎに起因するものであることを明らかにした。これらの結果は、欧文誌に発表し、さらに国際会議や国内学会で発表した。平成27年度は、複雑ネットワークにおけるフラクタル性発現機構の解明を行った。ユークリッド距離が定義されないトポロジカルな意味での複雑系は、ネットワークという一般概念を用いることによって記述される。現実世界における大規模で複雑なネットワークは、ネットワーク距離の意味でフラクタル性を示すこともあれば、非フラクタル構造(スモールワールド構造)を持つこともある。人間関係のネットワーク上での感染症の蔓延の速さや、インターネットのような機能性ネットワークにおける故障のカスケードの速さなど、ネットワーク上の拡散の速さは構造のフラクタル性と密接に関係があるため、どのような原因でネットワークがフラクタルになるかを解明することは非常に重要な課題である。しかしながら、この問題に対する明確な答えは未だ得られていない。平成27年度の研究において我々は、自己組織化臨界性(SOC)に基づいた複雑ネットワーク形成モデルを構築することにより、臨界点近傍における非平衡揺らぎが相反するフラクタル性とスモールワールド性をネットワークにもたらすことを明らかにした。そのようなモデルを作るため、

(1)現実の機能性ネットワークが時間的に成長すること、(2)時間的に変動する負荷がノードの耐性を超えた場合にはノードの故障が起こること、(3)一つのノードの故障は他のノードの過負荷故障を誘発するため過負荷故障のカスケードが起こることの3点に着目した。その上で、これらの要素を合わせ持つモデルを構築した。モデルにおけるダイナミクスを数値的に追うことにより、ネットワークのダイナミクスがSOCを示すことが明らかになった。特に、カスケード故障による大規模崩壊直後のネットワーク構造はフラクタル構造を示し、直前の構造はスモールワールド性を示すことが解明された。これらの研究成果は、欧文学術論文、および学会で発表した。様々なフラクタル系の構造形成機構とその上でのダイナミクスの統一的理解に向けた研究を行うことで、以下の成果が得られた。(1)秩序変数の分布関数が一般化ガンベル分布になることを基礎に、臨界現象に現れるフラクタル次元の分布関数が三重指数関数となることを明らかにした、(2)自己組織化臨界性(SOC)に基づく海岸線形成モデルにおいてフラクタル次元の分布が三重指数関数に従うことを明らかにした、(3)負荷の時間的揺らぎを考慮した過負荷故障カスケードに対して、スケールフリー性を有する複雑ネットワークは頑強であることを明らかにした、(4)自発的にフラクタル性が発現する複雑ネットワークのSOCモデルを構築した。当初の予定では、既存の脱退者モデルに負の次数相関を導入することで、SOCダイナミクスに基づいた複雑ネットワーク形成モデルを構築することを考えていたが、(i)負の隣接次数相関はスケールフリー性の強いネットワークにおいては有限サイズ効果としてのみ発現するため、無限に大きなネットワークに対しては負の次数相関を導入すること自体が不可能であることが判明したこと、および(ii)有限サイズの脱退者モデルに負の次数相関を導入しても、特徴的な大きさのコミュニティーが存在し続け、フラクタル構造にはならないことが明らかになったため、脱退者モデルを基礎としたSOCモデルの構築は困難であると判断した。そこで、現実の機能性ネットワークの多くが「成長」と過負荷による「損傷」の拮抗関係により自己組織化していくことを考慮し、過負荷故障のカスケードを伴ったSOCダイナミクスのモデル構築に研究の方向性を修正した。このようなモデルを実現するには、過負荷故障カスケードに対するネットワークの脆弱性やパーコレーション転移の普遍クラスを解明することが極めて重要である。現在までの研究により、負荷揺らぎを伴う過負荷故障のカスケードに対してスケールフリー・ネットワークが頑強であることや、転移の臨界性に関する系統的な知見が得られている。複雑系の物理学平成26年度の研究により、過負荷故障カスケードに対する複雑ネットワークの脆弱性に関する理論的な知見が得られたので、これを基に最終年度である27年度には、ネットワークの成長過程も取り入れたSOCモデルを構築し、それにより得られるネットワークの統計的性質を明らかにする。初期時刻において数ノードから成る小さな完全グラフを考え、各時刻において新規参入ノードを既存ネットワークにm本のエッジで結合させる。
寒冷時非ふるえ熱産生調節の神経機構の解明

1、皮膚冷却で誘起される非ふるえ熱産生に、視床下部背内側核(DMH)が関与し、さらにDMHは視床下部視束前野(POA)からの入力をうけてその反応を調節していることを明らかにした。また、浸透圧刺激によりPOAの局所加温による皮膚血管拡張反応が抑制されたので、暑熱脱水時の熱放散反応の抑制は、浸透圧上昇がPOAの温ニューロンの温度感受性を低下させていることを示した。今回、浸透圧や温度の両刺激で活性化される正中視束前野(MnPO)と浸透圧刺激のPOAに対する影響との関係を明らかにするために、薬物破壊ラットを用いて検討した。MnPO破壊ラットではPOAの局所加温による皮膚温の上昇が浸透圧刺激により抑制されなかった。したがって、浸透圧上昇はMnPOからの入力を介して、POAの温ニューロンの温度感受性を低下していることが明らかとなった。2、皮膚温度受容器で検出された温度の求心性信号が帯状回などの大脳皮質へ伝わる。一方ここからは視床下部、中脳、延髄、脊髄の神経核を介して体温調節系の効果器に遠心性信号が送られるとされている。しかし、帯状回とこれらの神経核との間の投射に関する形態学的知見は少ない。今回、高等動物(サル)帯状回の神経投射の解剖学的特徴を明らかにする目的で、順行性トレーサーを帯状回へ注入し組織学的手法を用いて作成された標本により、視床下部および中脳における標識分布の形態学的解析を行った。トレーサーのbiotinylated dextran amine (BDA)を帯状回前部へ注入すると、標識終末(軸索)が中脳水道灰白質(PAG)の外側に認められ、とくに吻側のPAGに多く分布していた。一方、視床下部には標識終末はほとんど認められなかった。従来の研究により外側PAGは皮膚血管拡張の調節に重要な役割を果たすことが示唆されている。したがって、帯状回から外側PAGへの神経投射は、熱放散調節の機能に関係することが考えられた。視床下部視束前野(POA)の局所温度刺激のための熱極を作成した。熱極を循環させる水の温度やポンプの設定などで試行錯誤をしたが、一定の冷刺激および温刺激を繰り返しできる装置の作成を完了させた。麻酔下の動物(ラット)で刺激を行ったため、麻酔深度の影響が原因として考えられたが、POAの温度刺激による代謝の反応が顕著にみられないことが多かった。したがって、POAの温度刺激による代謝効果において視床下部背内側核(DMH)の関与を検討しなかった。一方、最近確立されたウレタンクロラロース麻酔ラットの皮膚冷却刺激の熱産生モデルを用いてDMHの関与を検討した。DMHに挿入したガラス電極から局所麻酔剤のリドカインを微量注入すると皮膚冷却刺激で誘起される非ふるえ熱産生が抑制された。またGABA_A受容体作動薬のムシモールを微量注入しても皮膚冷却刺激による非ふるえ熱産生が抑制された。これらの結果から、皮膚冷却刺激による非ふるえ熱産生にDMHニューロンの関与が示唆された。さらにDMHにおけるPOAからの入力の皮膚冷却刺激による熱産生に対する関与を調べるために、DMHから前部の脳部位を離断した。その結果、離断後熱産生が著しく促進して高体温となったが、離断の3から4時間後に皮膚冷却刺激を行っても熱産生は促進しなかった。したがって、皮膚冷却刺激で誘起される非ふるえ熱産生に対してDMHの前部からの入力が関係していることが示唆された。皮膚冷却による非ふるえ熱産生におけるDMHへの入力機構以前皮膚冷却で誘起される非ふるえ熱産生に視床下部背内側核(DMH)が関与することを示唆する結果を見出した。さらにDMHでその前部からの入力の関与を示唆する結果も得られた。一方、視床下部視束前野(POA)は皮膚冷却による熱産生に関与し、とくにGABA作動性神経入力が重要であることがいわれている。そこで、皮膚冷却による熱産生において、DMHのPOAからの入力を検討した。ウレタンクロラロース麻酔ラットのPOAへGABAを微量注入すると酸素消費量が増加した。この熱産生の増加がDMHへ局所麻酔薬のリドカインを投与することにより減弱した。したがって、DMHを介した皮膚冷却による非ふるえ熱産生にPOAからの入力が関与していることが示唆された。POAの統合機構POAの温感受性ニューロンの活動亢進により熱放散反応が促進するが、暑熱脱水時には抑制される。その原因として細胞外液浸透圧の上昇が考えられているがメカニズムは明らかではない。そこで、ウレタン麻酔ラットを用いて、POAの局所加温による皮膚からの放熱に対する浸透圧刺激の影響を調べた。POAに挿入したthermodeにより局所加温を行うと皮膚血管拡張反応が促進して皮膚温が上昇した。しかしながら、高張溶液を内頚動脈に挿入したカニューレから投与すると皮膚温の上昇が抑制された。一方、生理的食塩水を投与してもPOAの加温により皮膚温が上昇した。また高張溶液の投与による皮膚温上昇の抑制は、POAの主に背側部を加温したときに顕著にみられた。これらのことから、浸透圧刺激によりPOAのとくに背側部の温度感受性が低下したために、熱放散反応が抑制されたことが示唆された。

1、皮膚冷却で誘起される非ふるえ熱産生に、視床下部背内側核(DMH)が関与し、さらにDMHは視床下部視束前野(POA)からの入力をうけてその反応を調節していることを明らかにした。また、浸透圧刺激によりPOAの局所加温による皮膚血管拡張反応が抑制されたので、暑熱脱水時の熱放散反応の抑制は、浸透圧上昇がPOAの温ニューロンの温度感受性を低下させていることを示した。今回、浸透圧や温度の両刺激で活性化される正中視束前野(MnPO)と浸透圧刺激のPOAに対する影響との関係を明らかにするために、薬物破壊ラットを用いて検討した。MnPO破壊ラットではPOAの局所加温による皮膚温の上昇が浸透圧刺激により抑制されなかった。したがって、浸透圧上昇はMnPOからの入力を介して、POAの温ニューロンの温度感受性を低下していることが明らかとなった。2、皮膚温度受容器で検出された温度の求心性信号が帯状回などの大脳皮質へ伝わる。一方ここからは視床下部、中脳、延髄、脊髄の神経核を介して体温調節系の効果器に遠心性信号が送られるとされている。しかし、帯状回とこれらの神経核との間の投射に関する形態学的知見は少ない。今回、高等動物(サル)帯状回の神経投射の解剖学的特徴を明らかにする目的で、順行性トレーサーを帯状回へ注入し組織学的手法を用いて作成された標本により、視床下部および中脳における標識分布の形態学的解析を行った。トレーサーのbiotinylated dextran amine (BDA)を帯状回前部へ注入すると、標識終末(軸索)が中脳水道灰白質(PAG)の外側に認められ、とくに吻側のPAGに多く分布していた。一方、視床下部には標識終末はほとんど認められなかった。従来の研究により外側PAGは皮膚血管拡張の調節に重要な役割を果たすことが示唆されている。したがって、帯状回から外側PAGへの神経投射は、熱放散調節の機能に関係することが考えられた。
ナノスケール表面改質のためのイオン照射下高温STM観察

1.イオン照射によるSi表面の改質効果解明の推進高温超高真空STM/低速イオン銃複合装置を作製し、Arイオンを照射したSi表面をリアルタイムで高温STM観察し、1個のArイオンによって形成された表面改質サイトの形状変化を多数調べた。その結果、サイズの大きいイオン照射痕の多くは、熱処理によって表面のダイマー列に沿った辺を持つ正六角形に整形されることなどが明らかになった。イオン照射欠陥回復過程の基板温度依存性、入射イオンエネルギー依存性について調査し、温度が高いほど、低照射エネルギーであるほど、一旦拡大する欠陥がより多くなることが判明した。また、昨年度導入したE×Bセパレータにより、Si表面へ一価の酸素イオン(O^+)のみを抽出して高温STM観察することに成功した。この結果、活性な酸素イオンの照射時においても、Si表面を原子レベルで観察し続けられることを確認した。今後は、ドーパントイオン照射による表面改質過程についても視野に入れ、引き続き研究を続ける。2.Si表面へのイオン照射過程のシミュレーション技術の構築STMによって得られたイオン照射欠陥の挙動を定量的に解釈するためには、バルク中の原子や空孔の挙動の理解が不可欠である。このため、Ar, Si, Oの3元素が扱えるポテンシャルを開発し、イオン照射後の欠陥の挙動やSiO_2/Si界面構造形成の動的過程のシミュレーションを行った。また、分子動力学計算では扱いきれない長時間に及ぶ欠陥の挙動をシミュレートするために、モンテカルロ法によるシミュレータの開発も行った。1.高温超高真空STM・イオン銃複合装置の改良イオンの質量分離のためにE×Bセパレータを取り付け、特定のイオン種のみの照射が可能となった。また、電子衝撃によるSTM探針清浄化の際に直線導入機およびベローズニップルによって探針先端とフィラメントの距離を調整できるように改良し、実験の効率が向上した。2.Arイオン照射によるSi表面の改質効果解明の推進高温STM観察中のSi表面にArイオンを照射し、出現した欠陥の動的過程を長時間にわたり実時間その場観察を行うことに成功した。また、欠陥の動的過程の温度依存性を調べることにも成功し、温度が高いほど一旦拡大する欠陥がより多くなること、回復する欠陥の割合が高くなることが示された。現在、イオン照射欠陥回復過程の入射イオンのエネルギー依存性、イオン種依存性を調べており、平成11年度中に成果が得られる予定である。STMの実験と合わせて、計算機実験も押し進めた。欠陥の形成・回復の素過程を理解するために、イオン注入されたSi結晶中の個々の原子の動きを分子動力学(MD)によりシミュレートする技術を開発した。加えて、SiO_2/Si界面構造の大規模MDシミュレーションも行った。3.Si表面構造自己組織化の解析平成12年度研究計画「酸素イオンがSi表面構造の自己組織化に及ぼす影響の解明」のための基礎的研究として、Si表面構造の形成・消滅過程および構造領域の時間発展を詳細に調べ、Si表面構造の自己組織化に関して多くの知見が得られた。1.イオン照射によるSi表面の改質効果解明の推進昨年度実績としての高温超高真空STM/低速イオン銃複合装置を用いて、Arイオンを照射したSi表面をリアルタイムで高温STM観察し、1個のArイオンによって形成された表面改質サイトの形状変化を多数調べた。

このため、Ar,Si,Oの3元素が扱えるポテンシャルを開発し、イオン照射後の欠陥の挙動やSiO_2/Si界面構造形成の動的過程のシミュレーションを行った。また、分子動力学計算では扱いきれない長時間に及ぶ欠陥の挙動をシミュレートするために、モンテカルロ法によるシミュレータの開発も行った。3.金属イオン発生装置の導入従来は気体から生成したイオンのみ照射可能であった高温超高真空STM/低速イオン銃複合装置に、金属イオン発生装置を導入した。これにより、半導体表面へP(隣)やB(硼素)などのドーパント原子を照射することが可能となった。「アルゴンイオン照射によるシリコン表面のナノ改質効果解明の推進」昨年度実績であるアルゴンイオン照射痕のアニーリングによる形状変化の解明を推し進め、一昨年度実績の低速イオン銃/高温超高真空STM複合装置(IG/STM)を用い、より高温なシリコン表面へのアルゴンイオン多数回照射過程をin-situ、リアルタイムで高温STM観察した。これは、イオン照射によって改質した直後の試料表面への、さらなるイオン照射による表面改質の観察であり、我々の装置によって初めて可能となる手法である。様々なイオン種、照射エネルギー、ドースレート下の試料表面ナノ改質効果を連続STM像同士の差分から読み取ることが可能である。今年度得られた結果を以下に示す。高温(650750°C)シリコン基板では、イオン照射痕数の総ドース量に応じた増加よりも、初期に形成されたイオン照射痕を核とした各照射痕の拡大の方が起こりやすい。イオン照射痕はアモルファス状に形成されるが、設定温度における熱処理ではほとんど回復しない。多数回照射を重ねると、イオン照射痕の中心部に大きな欠陥構造が生成され、それを取り囲むように多くの小さな欠陥構造が生成される。その欠陥領域と7x7再構成領域とでは、お互いに干渉しあわず、表面の大部分が欠陥構造へ変化した後も、7x7領域は辛抱強く残り続ける。イオン照射により、シリコン表面におけるテラスの拡大、アイランドの拡大が起こる。また、拡大によってステップ端がイオン照射痕を通過することもあるが、その際にそこでテラス成長が抑制される。ステップ端がイオン照射痕を回り込むように横切れたとしてもイオン照射痕は消滅せず、むしろ拡大する。平行にステップの走るシリコン表面へイオン照射したところ、テラス内には照射痕が生成されず、ステップ端に集中して生成された。多数回照射を重ねると、各欠陥がテラスを抉るように成長するが、その底部構造はやはり平坦ではなくアモルファス状である。ステップ端の移動もまれに起こる。
fMRIとtractographyを併用した錐体路・感覚神経の分離描出

脳白質神経走行を表現できるトラクトグラフィーを描出する際に、交叉モデルを使用することで、皮質延髄路のような神経線維を描出可能となった。感覚神経も同様に描出することができた。また、functionalMRIによって得られた賦活部位を使用することで、錐体路の局所脳機能に関連したトラクトグラフィーを描出可能となった。健常人にてこの手法の精度を確認した後、交叉モデルを使用したトラクトグラフィーを脳外科手術術前の患者にも応用した。健常人と同様に錐体路と感覚神経を描出可能であった。それにより脳外科手術の術前に有用な情報を提供可能となった。昨年度に引き続き、拡散区強調画像(DWI)に関してシーケンスの改善などの撮像条件最適化を行った。それを用いて、より安定して錐体路および感覚神経を描出することを健常人ボランティア撮像にて確認をした。この結果に関して、第20回国際磁気共鳴医学会大会にてポスター発表した。また手法の一部解説を執筆した。錐体路(運動野)と感覚神経(感覚野)を接続していると言われるU-fiberの描出も全例で可能であった。また健常人ボランティアにおいて、運動野におけるfunctional MRIの賦活部位を用いて錐体路を分離描出することは可能であった。しかし、感覚野におけるfunctional MRIの賦活部位を用いて感覚神経走行を描出することができなかった(手動での感覚神経描出は可能であったが、functional MRIの賦活部位には一致しなかった)。これに関しては現在考察および検討中である。そこで、描出が安定しているDWI(脳白質神経走行描出)のみで、脳疾患患者への応用を試みた。上記の最適化したDWIの条件を用いて、脳疾患患者19名(うち2名は術後比較も含む)21件において錐体路および感覚野における脳白質神経走行描出を行った。健側・患側どちらにおいても、全例で錐体路および感覚神経走行を描出することができた。疾患側の神経走行に関して、浮腫の影響により従来法(拡散テンソルtractography)では描出が困難であったが、本法(Q-ball imaging tractography)を用いることで描出能が向上することもわかった。また2例に関してではあるが、脳腫瘍術後に同一の撮像を行った。これにより、術前と術後での描出能の差を比較検討することができた。本研究の目的は、拡散強調画像(DWI)を用いた脳白質神経走行描出画像(tractography)でも描出が難しかった皮質延髄路を含めた錐体路、および感覚神経を、脳機能画像脳機能(fMRI)に基づき、各脳機能に特化したtractographyを描出することである。そのための各撮像における条件の最適化を本年度では行った。1.5TのMRIを用いてfMRIの撮像条件の最適化を行った。運動野および感覚野の顔、手、足の賦活部位が安定して得られるようなtaskを作成した。このtaskにより得られた賦活部位をtractographyの関心領域に設定することで脳機能に特化したtractographyが描出できる。また運動野と感覚野を同時に賦活させるtaskも作成した。このことで、同時に賦活した領域を連絡するtractographyを描出できる可能性が示唆された。また1.5TのMRIを用いてDWIの撮像条件の最適化を行った。空間分解能、MPG印加軸数およびb-valueを変化させて描出能を比較し、最適化を行った。また解析方法も比較検討した。既存である拡散テンソル解析と本研究で使用するQ-ball imaging解析を同一データに対してそれぞれ行った。Q-ball imaging解析を用いることで皮質延髄路を描出することが可能となった。これにより、臨床で用いられる撮像時間程度でも安定して皮質延髄路を含めた錐体路および感覚神経の描出が可能となった。このDWIを用いて、最適化した条件と既存する手法で撮像時間が同一な条件との比較を錐体路に対して行った。結果として、最適化した条件は既存する手法よりもより安定して錐体路を描出することが可能である結果を得た。この結果を第39回日本磁気共鳴医学会大会にてポスター発表した。本年度の目的は、脳白質神経走行画像(taractography)の元となる拡散強調画像(DWI)と脳機能画像(fMRI)の撮像条件の最適化と精度評価が主である。各撮像条件の最適化を行なうことが出来、健常人ボランティアに対して撮像を行い目的とするtractographyおよびfMRIの結果を安定して得られ、また解剖学的位置と描出結果との比較による精度評価も良好であるため。今後は、健常人ボランティアでの検討数を増やし、各撮像条件の更なる最適化をまず行なう。

また、視覚的評価に加え、定量的な解析も行なうことで更なる情報の抽出・評価を行なう。画像の精度が十分なことを確認した上で、臨床に応用し有用性を検討する。撮像・解析データを保管する媒体を購入する計画である。学会発表を海外および国内にて行なう予定であり、それに関する必要経費として使用する計画である。また、論文を投稿する必要経費としても使用する計画である。
攻撃行動制御因子の単離同定と神経生理機能に関する研究

本研究は、長期隔離飼育ストレス負荷動物に特徴的に発現する攻撃行動を情動障害動物モデルとして用い、攻撃性亢進に関与する脳内因子の単離同定とその脳内生理機能の解析により、ヒトの"キレる"と呼ばれる敵意性や攻撃性の発現に関わる脳病態生理と脳内分子神経機構を実験的に解明することを目的とする。実験では雄性マウス(3週齢)を1週間群居飼育後、群居(GH,4匹/ケージ)および隔離飼育(IS)群に分けて更に46週間飼育した後、行動薬理学的及び生化学的評価を行った。先の我々の研究ではGABA_A受容体(GABA_A-R)陽性修飾因子アロプレグナノロン(Allo)の脳内レベルの低下に伴うGABA神経伝達障害がIS動物の異常行動に関与することが示唆されたことからGABA_A-R遺伝子発現変化を精査した。その結果、IS群ではα1,α2及びγ2サブユニット遺伝子発現量の低下とα4及びα5サブユニット遺伝子発現量の上昇が認められた。またこれらの変化に伴ってジアゼパムなどGABA_A-Rを介して作用するベンゾジアゼピン系薬物に対する反応性の低下も認められた。一方、IS及びGH動物の脳RNAを用いたDNAアレイ解析から、ISによりγ2サブユニットと結合するアンカー蛋白GABA_A-R-associated protein-like 2をコードする遺伝子の発現量が低下することが明らかとなり、GABA_A-R機能低下とIS動物の異常行動発現との関連性が更に示唆された。またIS群では恐怖をはじめとするストレス誘発行動に関連する最初期遺伝子early growth response-1(Egr1)の発現量が有意に増加し、逆に神経栄養因子neurotrophin-4/5mRNAが低下した。これらからIS動物の異常行動の発現にはGABA_A-Rの機能障害とAllo、Egr1および神経栄養因子系の量的変動が関与する可能性が推察された。隔離飼育ストレス負荷は先の我々の方法に準じておこなった。すなわち3週齢雄性ICRマウスを1週間動物室で群居飼育した後、群居(4匹/ケージ)群または個別飼育群に分けて飼育を継続した。その6週間後に脳内γ-アミノ酪酸(GABA)神経系機能変化と攻撃性亢進を行動学的に評価した。GABA神経系機能の評価ではペントバルビタール-Na(50mg/kg)を腹腔内投与して正向反射消失時間を測定した。攻撃性亢進はresidentケージにintruderマウスを20分間入れて攻撃行動の発現時間を測定した。行動実験終了後、群居群および隔離飼育群より前脳皮質及び嗅球を摘出し、各5匹分を合わせて全RNAを抽出した。IntelliGene III Mouse CHIPを用いて網羅的遺伝子解析を行った。隔離飼育群の正向反射消失時間は群居飼育群と比較して約40%短縮し、GABA神経系機能の低下が確認された。隔離飼育群では顕著な攻撃行動が発現したが、同期間、群居飼育群では攻撃行動は認められなかった。網羅的解析を行った4445種遺伝子のうち、発現が1.5倍以上増加した遺伝子は前脳皮質では60種、嗅球では43種が検出された。一方、発現が50%以上低下した遺伝子は前脳皮質では13種、嗅球では18種が検出された。このうち精神疾患や神経機能との関連性が示唆されている遺伝子は21種検出された。これらの成績から、長期隔離飼育ストレス負荷によって脳内遺伝子の発現変化を生じ、これが本ストレス負荷動物における攻撃性亢進に関わる可能性が推察された。

またIS群では恐怖をはじめとするストレス誘発行動に関連する最初期遺伝子early growth response-1(Egr1)の発現量が有意に増加し、逆に神経栄養因子neurotrophin-4/5mRNAが低下した。これらからIS動物の異常行動の発現にはGABA_A-Rの機能障害とAllo、Egr1および神経栄養因子系の量的変動が関与する可能性が推察された。
脊髄傷害に対する虚血プレコンディショニングの保護効果とその機序の解明

C57BL/6マウスを用いた実験において、下肢に対する虚血プレコンディショニングが、脊髄虚血再灌流障害に対して保護効果があることを確認した。虚血プレコンディショニングにより動員されるCD34陽性骨髄細胞はCD34陰性骨髄細胞よりも、虚血保護因子や抗炎症性サイトカインであるDKK1、IL10、FGF9のmRNA発現レベルが10倍以上であったことから、骨髄由来幹細胞が分泌する因子が、脊髄虚血再灌流障害に対する脊髄保護作用として働くことが示唆された。脊髄傷害(対麻痺)は胸腹部大動脈瘤手術治療の重篤な合併症として、未だに血管外科領域の大きな課題の一つである。我々の最新研究で、下肢での虚血プレコンディショニング(IPC)のLate Phase(24時間後)に心筋の虚血再灌流傷害に対する明らかな保護効果を認め、その保護作用は骨髄由来幹細胞の動員と集積が関与していることを証明した(J Am Coll Cardio1. 2009;53:1814-22)。一方、IPCによる臓器保護効果は心臓に限らず、脊髄、肝臓、腎臓などの他臓器においても報告されている。本研究では、下肢でのIPCによる脊髄の虚血再灌流傷害に対する保護効果の有無およびその機序、特にLatePhaseにおける骨髄由来幹細胞の関与について調べ、基礎研究においてIPCによる脊髄保護効果が確認された後には、胸部下行大動脈瘤および胸腹部大動脈瘤に対するステントグラフト内挿術、人工血管置換術の患者を対象とした臨床試験を行う予定である。平成24年度は、下肢IPCモデルの作製および脊髄虚血再灌流傷害モデルの作製を以下の通り行った。1.下肢IPCモデルの作製:C57BL/6マウスのiliacartery分岐部直上の腹部大動脈をtapingする。下肢IPCは腹部大動脈遮断による5分間虚血と5分間灌流を3サイクル行う。Sham開腹したマウスを対照群とする。2.脊髄虚血再灌流傷害モデルの作製:下肢IPCによる脊髄傷害の保護作用を評価するために、IPC刺激後の2時間(Early Phase)と24時間(Late Phase)後に、脊髄虚血再灌流傷害モデル作製する。脊髄虚血再灌流傷害の作製はマウスを気管内挿管下に人工呼吸管理し、左開胸を行う。下行大動脈を結紮して10分後に再灌流させ、脊髄虚血再灌流傷害モデルを作製する(詳しい方法はAnesthesiology. 2010;1134:880-91に参照)。また、Sham開腹後に脊髄虚血再灌流傷害モデル作製したマウスを対照群とする。昨年度に引き続き、平成25年度も下肢虚血プレコンディショニングモデルマウスの作製および脊髄虚血再灌流傷害モデルマウスの作製を以下の通り行った。1.下肢虚血プレコンディショニングモデルマウスの作製:C57BL/6マウスのiliac artery分岐部直上の腹部大動脈をtapingする。下肢虚血プレコンディショニングは腹部大動脈遮断による5分間の虚血と5分間の再灌流を3サイクル行うものとする。2.脊髄虚血再灌流傷害モデルマウスの作製:下肢虚血プレコンディショニングによる脊髄傷害の保護作用を評価するために、下肢虚血プレコンディショニング刺激後2時間(early phase)と24時間(late phase)後に脊髄虚血再灌流傷害モデルマウスの作製を行う。マウスを気管内挿管下に人工呼吸管理し、左開胸を行う。下行大動脈を結紮して10分後に再灌流し、脊髄虚血再灌流傷害モデルマウスを作製する。また、sham開腹後に脊髄虚血再灌流傷害モデルマウスを対照群とする。上記1.の下肢虚血プレコンディショニングモデルマウスの作製は予定通り作製できた。しかし、脊髄虚血再灌流傷害モデルマウスの作製が予定通り行えず、時間と労力を費やした。具体的には下肢虚血プレコンディショニングを施していない対照群の脊髄傷害モデルマウスにおいてアポトーシスの増加がsham対照群と変わらず、脊髄傷害が起きていることが確認できなかった。下行大動脈の結紮が十分でなかった可能性が考えられ、改善策として下行大動脈と下行大静脈を確実に分離し、クリップで下行大動脈のみ結紮した。その結果、アポトーシスの増加が認められ、脊髄傷害が確認された。遠隔臓器に対する虚血プレコンディショニングが、脊髄虚血再灌流障害に対して保護効果があるかを確かめるために、マウスを用いたモデル実験を行った。