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超高エネルギー天体物理

高エネルギーガンマ線の観測が近年になって漸く天体観測の一分野として確立し始めた。電波、可視光、X線などによる従来からの観測との連携を強めて統合的に推進するため、平成7年度から10年度にわたって科研費特定領域(A)により「超高エネルギー天体の研究」を実施してきた。総括班により領域を統括し、天体観測の各分野、素粒子原子核に関する物理学分野、字宙線研究などに分散した分野間の人的交流の促進、領域の組織的開拓を図ってきた。本研究により、前年度までの総括班の活動を継続し、科研費特定領域(A)の「超高エネルギー天体の研究」の成果のとりまとめを行なった。計画研究と公募研究の成果について、平成11年10月に総括班メンバー以外に4名を加えた「拡大」総括班会議の開催により検討した。(1)領域全体と計画研究の成果を総括し、(2)この領域を推進してきたうえでの問題点をふりかえりつつ今後の対応策を論じ、(3)今後の領域の展望と推進方策を検討した。本領域で重点的に取り上げた二つの計画研究のうち、「最高エネルギー宇宙線の研究」については概算要求等による将来計画として、東京大学宇宙線研究所によって今後推進される。超高エネルギーガンマ線の観測は平成11年度から科研費拠点形成プログラム(COE)によって発展的に継承されることになった。アメリカやドイツなど世界的競争のさなかにある超高エネルギーガンマ線観測を外国諸計画に比べ早期に実現できるメドを得ることができたのは、科研費特定領域(A)の「超高エネルギー天体の研究」に負うものであるといって過言ではない。これらの成果および検討点を報告書「超高エネルギー天体」にまとめた。領域の全体像を明らかにし、今後の発展方向を討議するために、総括班会議及び3回の研究会を開催した。(1)長い時間スケールでの今後の展望、特に高エネルギーガンマ線天文学の飛翔体による観測方法との関係、X線天文学など周辺関連分野との関係を主題とした研究会を平成7年8月に開催した。約30人の参加者があった。(2)理論的研究(公募研究A04)についての研究会を都立大学において、10月に3日間にわたり開催した。公募研究採択課題の経過報告と物理的展望の討議を中心とし、宇宙に於ける高エネルギー非熱的過程について32の講演、76人の参加者があった。この成果は研究会集録として出版した。(3)領域全体の研究会を平成7年12月に、富士吉田市経団連人材開発研修センターにおいて4日間にわたり開催した。領域の骨格となる計画研究の経過報告、関連分野の現状のレビュー、個別研究の最近の結果の報告など、超高エネルギー天体に関係する諸現象について実験理論両面について考察を行なった。93人の参加者と44の講演があった。研究会集録は現在印刷中である。また、進行中のデータ解析などのための小規模の集会を実施した。高エネルギーガンマ線天文学を骨格とする“超高エネルギー天体"の最近の発展は急速である。国際天文学会主催のパルサーに関する国際会議(IAU Colloquium 160)に招待講演の依頼があり派遣を行なった。オーストラリアで行なっている1000GeV領域のガンマ線観測からいくつかの興味深い結果が得られつつある。この現在進行中の実験をさらに活性化し早期の成果を促進するための改良作業と電子回路や光電子増倍管カメラの技術開発を行なった。総括班会議及び2回の研究会を開催した。(1)理論的研究(公募研究A04)についての研究会を都立大学において、10月に3日間にわたり開催した。宇宙に於ける高エネルギー非熱的過程について、本年度は特に、最近急速に観測例が増大しているパルサー風、パルサー星雲について、及び、中性子星やブラックホールからの高速ジェットに関する話題を中心的な課題としてプログラムを作成した。

この成果は研究会集録として出版した。(2)領域全体の研究会を平成8年12月に、総合研究大学院大学および湘南国際村センターにおいて4日間にわたり開催した。領域の骨格となる計画研究の経過報告、関連分野の現状のレビュー、個別研究の最近の結果の報告など、超高エネルギー天体に関係する諸現象について実験理論両面について考察を行なった。今年度の研究会は、(i)領域全体に関係するパルサーや活動銀河についての諸講演に加えて、(ii)衛星観測で発見され未だ正体不明に高エネルギーガンマ線源について、及び(iii)宇宙線の起源の解明に関連した銀河円盤からの非熱的放射、(iv)X線や可視光観測で明らかになりつつある起新星残骸での化学組成と宇宙線の組成についてを研究会の中心的課題とした。これらの課題についての、宇宙線研究、X線、赤外線や可視光観測にまたがる諸研究者に理論的研究者を交えた研究会は従来なかった新しい試みである。約90人の参加者があり、48の講演があり、研究会集録は現在とりまとめ中である。“超高エネルギー天体"の骨格である高エネルギーガンマ線天文学は急速に展開している。本領域内の研究でもオーストラリアでの1000GeV領域のガンマ線観測から、新たなガンマ線源の発見を示唆する重要な結果が得られつつある。この研究に於いて進行中のデータ解析などのための小規模の集会を実施した。本領域の将来の発展はガンマ線衛星の今後に密接に関連している米国NASAによる次期ガンマ線衛星観測の国際集会などへの派遣を行なった。総括班会議を9月に開催し、研究会開催の方針、今後の展望等を議論した。今年度は、重点領域全体の研究会と、例年は理論研究会として行なってきた研究会を国際シンポジウムとして行なうことを決定した。即ち、(1)ガンマ線の観測(公募研究A02)と理論的研究(公募研究A04)に特に深く関係したパルサーについて研究会を国際シンポジウムとして立教大学において、10月に3日間にわたり開催した。(2)領域全体の研究会を平成9年12月に、埼玉県嵐山町国立婦人会館において4日間にわたり開催した。今年度の研究会は、(i)ガンマ線バーストやスーパーカミオカンデ、ベス気球実験など最近の話題を紹介するとともに、(ii)衛星観測で発見され未だ正体不明に高エネルギーガンマ線源についてミリ観測の視点を加え、及び(iii)銀河系外に拡大する高エネルギー現象の研究に対処すべく銀河団などからの非熱的放射、(iv)宇宙に於ける元素生成などの話題を研究会の中心的課題とした。本領域も3年めに入ったが、これらの課題についての新しい試みである、ガンマ線や宇宙線研究、X線、赤外線や可視光観測にまたがる諸研究者に理論的研究者を交えた研究会は、依然として、新しい分野からの参加者数が拡大しつつある。研究会集録は現在印刷中である。計画研究も順調に進展している。計画研究Aは観測開始し、計画研究Bは予定通り大口径望遠鏡の来年度の組み上げに向けて各部品の建設が終了した。
新たな非肥満型糖尿病モデルの検討と免疫異常の解明

肥満に起因する慢性炎症は、インスリン抵抗性を惹起させ、2型糖尿病とその合併症(網膜症・神経障害・腎症・動脈硬化・認知症・易感染など)の基盤病態と考えられている。しかし合併症を発症する糖尿病後期は、必ずしも肥満を伴っていない。5-アミノレブリン酸合成酵素遺伝子破壊マウスは、肥満を伴わずに加齢依存的にインスリン抵抗性を発症し、5-アミノレブリン酸投与により糖代謝異常が改善される。このマウスで免疫学的解析により免疫異常(炎症惹起・免疫不全)の不可逆性の有無とその改善の可能性を検討でき、糖尿病合併症の発症制御の可能性を提案できることを期待している。
開殻超分子系の非線形光学効果の外部静電場印加効果の理論研究

本年度は、前年度に構築した非対称開殻系の理論に基づく実在系の設計をおこなった。非対称性を付与するにはドナー・アクセプター置換基の導入や静電場引加が考えられるが、これらの非対称性に対する第二超分極率γの変化は正負の変化をするため、大きなγの値を得るためには非対称性や開殻性のチューニングが必要である。そこで、開殻性を有するチチバビン炭化水素のC原子をNやB原子に置換した非対称モデルにおいて、非対称性ー開殻性ーγの相関を高精度量子化学計算により検討した。系の両端のC原子をそれぞれN, B原子に置換したものは電荷移動(CT)性が大きく閉殻系となったが、これに電場を引加することでCT性を弱めることで、以前に検討した非対称2サイトモデルの結果と同じγの大きさや符号の変化が見られた。これより以前の理論モデルの結果の妥当性が実証された。これはまた、開殻領域に加え、閉殻領域においても非対称性を制御することでさらなるγの増大が得られる可能性を示唆しており、これまでの中間開殻性に加えて新たなγの増大設計指針が得られた。また、班内/班間の共同研究においては、(1)反芳香族分子及び積層系の開殻性、環電流、非線形光学効果(忍久保)、(2)湾曲分子系の開殻性と非線形光学効果(櫻井)を引き続き推進した。以上の結果、2年間の研究を通して、非対称開殻系に基づく新しい非線形光学スイッチの原理と設計指針の構築に成功した。さらに本研究で得られた中間イオン性に基づく新しいNLO分子の設計原理は、これまでの部に分子探索の範囲を拡張すると期待され、それに基づく新規機能物質の研究の萌芽となると考えられる。28年度が最終年度であるため、記入しない。本年度は、静電場印加の非線形光学効果(第二超分極率γ)の理論解明の基礎となる非対称性のγに対する効果を2サイトモデルを用いて解明することに成功した。従来、未検討の交換積分の効果を明らかにし、さらなるγの大きさの増大する領域(三重項基底状態の第一励起一重項状態、負のγ)の存在を理論により予測した。さらにこの領域に属すると予想される具体的な分子骨格としてアズレン様骨格をもつ縮合多環炭化水素を設計し、高精度量子化学計算を用いてその電子状態とγの計算を行い、我々の理論予測を検証した。また、班内/班間の共同研究においては、(1)巨大双極子をもつ単位ユニットからなるデンドリマーの非線形光学効果(アルブレヒト健)、(2)反芳香族分子及び積層系の開殻性、環電流、非線形光学効果(忍久保)、(3)湾曲分子系の開殻性と非線形光学効果(櫻井)を開始し、成果を得つつある。(2)に関しては、開殻性、芳香族性と非線形光学効果の相関関係を解明し、芳香族性の指標として新たに環電流の計算を行い、検討を開始した。開殻分子系の三次非線形光学効果に対する静電場効果の解明のための非対称ジラジカルモデルの解析を行い、新たに交換積分を制御因子とする非線形光学効果の設計原理を明らかにすることに成功した。また、具体系として非対称縮合多環炭化水素を設計し、これが同サイズの閉殻系や対称開殻系に比べて著しいγの増大を示すことを高精度量子化学計算で明らかにすることができた。さらに、開殻性に関連する班内/班間の共同研究も進展しているため。

今回、解析した非対称開殻系の理論モデルに基づき、対称開殻系に静電場を印加することで誘起される非対称性と開殻性、γの関係を高精度量子化学計算を用いて解明する。この結果に基づいて、新しい電場誘起NLOスイッチの設計を行う。28年度が最終年度であるため、記入しない。
静的ストレッチング中の筋電気刺激が筋腱および神経系におよぼす影響

本研究課題の目的は、静的ストレッチング中の筋電気刺激が、筋や腱および神経系におよぼす影響を明らかにすることである。また、本研究では静的ストレッチングと筋電気刺激を組み合わせた新たな刺激法の確立を目指し、将来的に現場へ応用展開するための基盤となる研究を行うために、以下の3つの研究項目を段階的に進めていく。1静的ストレッチング中の筋電気刺激が、柔軟性や筋腱の粘弾性におよぼす影響を明らかにする、2静的ストレッチング中の筋電気刺激が、筋力におよぼす影響を明らかにする、3静的ストレッチング中の筋電気刺激が、脊髄の興奮性におよぼす影響を明らかにする。2018年度は、13の実験を実施するために必要な実験環境を整えるために、必要な機器の購入(主に片足底背屈筋力測定装置、電気刺激装置)や研究倫理審査の手続き、刺激パラメーターを調整するための予備実験を行った。購入機器について、研究経費が申請額よりも少なかったため購入物品の見直しをし、超音波画像診断装置および解析用PCの購入を取りやめ、既存の機器を使用することとした。また、予備実験の結果から、申請していた電気刺激装置では刺激強度が不十分であることが判明したため、申請時とは異なる機種の電気刺激装置を購入した。実施計画よりはやや遅れているものの想定の範囲内の遅れであり、2018年度の取組により、2019年度以降の実験実施に向けての準備が整ったと考えている。やや遅れている理由として、1つ目に購入を希望した機器が特注製であったため、その設計や製造、購入後の調整にやや時間を要してしまったことが挙げられる。2つ目に、学内手続きの関係上、倫理審査に時間がかかってしまったことが挙げられる。しかしながら、この遅れは想定の範囲内であり、2019年度中に十分挽回できると考えている。2019年度は、当初予定の実験1、2を実施し、結果の解析と成果発表を行う予定である。また、2020年度についても当初予定の実験3を実施し、研究成果の発表および論文投稿を行う予定である。
小胞体ストレスによる細胞死制御による肝臓外科の適応拡大に関する研究

【目的】マウス肝の虚血再灌流障害およびBDLによる障害における、小胞体ストレスシグナルによるアポトーシスの関与を明らかにする。【方法】(1)6週齢のC57BL/6マウスを用い70%肝虚血90分後再灌流モデルマウスで、再灌流0、3、6、12、24、36、48時間後の肝虚血葉において、GRP78、やGADD153の発現、およびcaspase-12の活性化につきWestern blotとRT-PCRにて検討した。(2)BDLマウスにおいても24h、48h後に同様の検討を行った。【結果】(1)虚血葉では再灌流3h以降でTUNEL陽性細胞を確認、再灌流後直後からGADD153、12h24hからGRP78、caspase-12のmRNAの発現上昇を認めた。western blottingにて3h後からのprocaspase-12タンパクの減少とGADD153の上昇を認めた。(2)BDLマウスでは、24h以降でTUNEL陽性細胞の出現、GRP78、GADD153のmRNAの上昇やGRP78、GADD153タンパクの増加が経時的に増強していることが確認され、procaspase-12タンパクの減少も認めた。【考察】肝虚血再潅流障害および閉塞性黄疸による肝障害では、小胞体ストレスシグナル増強によるGADD153を介して誘導されるアポトーシスが関与している可能性があることが初めて明らかにされた。今後、GADD153ノックアウトマウスをもちいて、小胞体ストレスシグナルによるアポトーシスの重要性を明らかにし(実験中)、論文投稿予定である。【背景】肝虚血再還流後のアポトーシスは、従来報告されているDeath receptorおよびミトコンドリアを介する経路を遮断しても完全には抑制されないことから、最近注目されている第3のアポトーシス経路である小胞体ストレスを介する経路が関わっている可能性がある。【目的】マウス肝の虚血再灌流障害における、小胞体ストレスシグナルによるアポトーシスの関与を明らかにする。【方法】6週齢のC57BL/6マウスを用いた70%肝虚血90分後再灌流モデルマウスで、再灌流0、3、6、12、24、36、48時間後に肝組織を採取した。虚血葉、非虚血葉において、GRP78、94やGADD153の発現、およびcaspase-12の活性化につきWestern blotおよびRT-PCRにて検討した。【進行状況と結果】Western blotにて、虚血葉ではGRP78は再灌流6時間より発現上昇を認め、生体において肝虚血再灌流時に小胞体ストレスが加わっていることが示唆された。また、同様に虚血葉においてprocaspase-12の減少を認め、肝での虚血再灌流障害にcaspase-12の活性化が関与している可能性が示唆された。GRP94、GADD153に関しては現在western blotによる検討を施行中であり、併行してGRP78、GRP94、GADD153のRT-PCRによる転写レベルでの発現の変化を検討中である。また、採取した肝組織のTUNEL染色にてアポトーシスの程度を確認し、GRP78、GRP94、GADD153の発現やcaspase-12の活性化との関連を検討していく予定。【方法】(1)6週齢のC57BL/6マウスを用い70%肝虚血90分後再

灌流モデルマウスで、再灌流0、3、6、12、24、36、48時間後の肝虚血葉において、GRP78、やGADD153の発現、およびcaspase-12の活性化につきWestern blotとRT-PCRにて検討した。(2)BDLマウスにおいても24h、48h後に同様の検討を行った。【結果】(1)虚血葉では再灌流3h以降でTUNEL陽性細胞を確認、再灌流後直後からGADD153、12h24hからGRP78、caspase-12のmRNAの発現上昇を認めた。western blottingにて3h後からのprocaspase-12タンパクの減少とGADD153の上昇を認めた。(2)BDLマウスでは、24h以降でTUNEL陽性細胞の出現、GRP78、GADD153のmRNAの上昇やGRP78、GADD153タンパクの増加が経時的に増強していることが確認され、procaspase-12タンパクの減少も認めた。【考察】肝虚血再潅流障害および閉塞性黄疸による肝障害では、小胞体ストレスシグナル増強によるGADD153を介して誘導されるアポトーシスが関与している可能性があることが初めて明らかにされた。今後、GADD153ノックアウトマウスをもちいて、小胞体ストレスシグナルによるアポトーシスの重要性を明らかにし(実験中)、論文投稿予定である。
海洋波の非線形挙動とそれによる動的荷重に関する実験的・数値的研究

没水深度の小さい各種の断面形状を持った二次元物体を製作し、規則波による力と表面圧力分布の計測、波の挙動の観察を行った。計測結果をフーリエ解析などによって整理した結果、没水度が小さくなるほど、負の漂流力などの非線形力やピークを持った圧力波形などが急速に顕著になり、これらは、物体直上での砕波現象やその結果現われる水中の渦運動と密接な関係があることが明らかになった。波の砕れる現象は最も非線形性の強い水波運動であるので、従来の理論流体力学は役に立たない。しかも、このような非線形力は、海洋構造物の設計にとって重要な意味をもっている。適当な力の推定方法を開発する必要がある。そこで、ナビエ・ストークス式を基礎とした差分シミュレーション法を選び、何段階かの改良を経て、一応2次砕波運動の数値的説明を可能にした。複雑な形状の自由表面位値での自由表面条件の満足のさせ方、直交格子系における物体表面粘着条件の与え方、非等間隔格子系における高精度差分スキームの工夫、乱流モデルの導入などにポイントがある。まだ残された問題改良点も多いが、砕波運動を考慮した波浪外力算定法としては始めてのものである。
上海語の2種類の変調の音韻論的解釈と上海語声調音韻体系における各変調の地位の考察

2012年度は、前年度までに収集した上海語変調のデータを整理した上で上海語の広用式変調に観察された新たな特徴を記述し、さらに上海語変調体系の総合的なモデルを提案した。これまでに収集した上海語の広用式変調のデータを整理して先行研究の記述結果と比較すると、変調の音声実現に関してこれまでには報告がなされていない差異が本研究のデータに見られることが判明した。具体的には、3音節以上の語で一貫して起きるピッチの下降が従来の研究では緩やかに下降すると報告されているが、本研究のデータでは急激な下降が観察された。本研究は上海語の世代的変種(中派上海語と新派上海語)の違いによって上記のピッチの下降が異なると主張した。これまでは中派上海語と新派上海語では声調体系に違いが報告されていなかったが、本研究はこれら2つの世代的変種の間にも声調の音声実現が異なることを初めて報告した。上海語の変調体系に関しては前年度までの知見を踏まえた上でより精密な考察を行った。広用式変調が形態統語的な要因からどのような影響を受けるのかを詳細に検証し、窄用式変調に関しては個々の話者の特徴を詳細に観察することで音声実現に個人差が見られることを示した。これらの新たな知見を踏まえ、上海語の変調体系の総合的なモデルを提案した。本研究は、【1】従来の上海語変調研究よりも遥かに精密な記述を行った点、【2】それらの記述をもとに上海語変調体系を実証的に考察した点で漢語の変調音韻論に新たな問題を提起したと言える。2010年度は上海語の2種類の変調現象(広用式変調、窄用式変調)を対象に音響音声学的な記述を行い、個々の変調の音韻論的な地位の考察を行った。広用式変調の研究としては、【1】第3音節以降のピッチ下降部の記述と音韻的な解釈、【2】陽入声が引き起こす変調で観察される変調変種と統語構造との関連の考察を進めている。前者の研究では、上海語広用式変調の第3音節以降のピッチ下降がピッチターゲットによって指定されている可能性があることを客観的なデータに基づいて初めて示した。後者の研究に関しては考察対象となる録音を得るための準備作業(枠文作成)を完了した。2011年度から枠文を用いた上海語の録音を収集と分析を始める。窄用式変調の研究としては、異なる発話速度の環境でピッチがどのように変化するのかを音響音声学的に記録し、そのデータをもとに窄用式変調の音韻論的な地位を考察している。本年度に行った考察の結果、窄用式変調は発話速度の影響を受けてピッチが連続的に変化する現象であることを初めて実証的に明らかにした。これは、窄用式変調が音声的な現象であることを意味している。ここまでに進めてきた2つの変調の考察から、上海語変調音韻論には、音韻的な変調(=広用式変調)と音声的な変調(=窄用式変調)というレベルの異なる2つの変調があることが判明した。これは、「2種類の変調現象が上海語声調音韻論をどのように形成しているのか」という問いにアプローチするための重要な示唆となると考える。2011年度は、上海語広用式変調の変種に関する考察と上海語変調体系における2つの変調(広用式変調、窄用式変調)の地位の考察を行った。広用式変調の研究では、陽入声が引き起こす4音節変調で現れる変種の考察を行った。従来の研究はこれらの変種を自由変異と解釈していたが、本研究では変調変種の出現分布が形態統語構造の違いによって大きく偏ることを客観的なデータに基づいて初めて明らかにした。また、このような変調変種の出現分布の偏りが韻律的および歴史的な要因から説明可能であることを示した。次に、上海語で見られる2つの変調(広用式変調・窄用式変調)が上海語変調体系をどのように構成しているのかを考察した。広用式変調は形態統語レベルの影響を直接受ける点、および窄用式変調が音声的な現象である点を踏まえ、上海語変調体系が形態統語レベルから音声レベルに広がる多層的な体系であることを指摘した。本研究が指摘した上海語変調体系の多層性は、変調音韻論に一石を投じる新解釈である。従来の研究の多くは変調を音韻論的なレベルでしか捉えてこなかったが、本研究は形態統語レベルから音声レベルの様々な要因が変調に直接的に影響を与えることを示すことに成功した。また、1つの言語内において異なるレベルに属する複数の変調が共存することも本研究は明らかにした。これらの知見は上海語にとどまらず、他の声調言語の変調を考える上でも重要な示唆を与えるだろう。

本研究は上海語の世代的変種(中派上海語と新派上海語)の違いによって上記のピッチの下降が異なると主張した。これまでは中派上海語と新派上海語では声調体系に違いが報告されていなかったが、本研究はこれら2つの世代的変種の間にも声調の音声実現が異なることを初めて報告した。上海語の変調体系に関しては前年度までの知見を踏まえた上でより精密な考察を行った。広用式変調が形態統語的な要因からどのような影響を受けるのかを詳細に検証し、窄用式変調に関しては個々の話者の特徴を詳細に観察することで音声実現に個人差が見られることを示した。これらの新たな知見を踏まえ、上海語の変調体系の総合的なモデルを提案した。本研究は、【1】従来の上海語変調研究よりも遥かに精密な記述を行った点、【2】それらの記述をもとに上海語変調体系を実証的に考察した点で漢語の変調音韻論に新たな問題を提起したと言える。2012年4月時点で、研究計画で挙げた問題にアプローチするためのデータを全て収集し、かつ大半の問題を解決することに成功した。また、それらの知見を論文もしくは学会発表という形で公表することも順調に進められた。今後は、今まで得られた知見を統合し、上海語変調体系の最終的な解釈をまとめる必要がある。既に必要なデータは収集を終えているため、今後は音韻理論の中で本研究がどのように位置づけられるのかを主に考察していく。
繰り込み群によるQCDの改良された作用

ウイルソンの提唱した格子ゲージ理論においては、作用は格子上でゲージ不変な項の和によって表されるが、その形には不定性がある。これまで、最も単純な形の作用によってシミュレーションが進められてきたが、それ以外の項を導入することにより、より連続極限に近い結果が得られることが近年明かになってきた。特に、繰り込み群から得られる「繰り込まれた軌跡」に上では長距離の物理量には離散化の効果が無いことが期待される。我々は、繰り込み変換を数値的に行い、繰り込まれた軌跡を求めることで、効率的なQCD作用を求めてきた。具体的には、Schwinger-Dyson法を使い、数値シミュレーションによって、2パラメータの場合を中心に繰り込み変換を広い範囲で系統的に行い、繰り込みの流れを調べた。その結果、2パラメータ空間に繰り込まれた軌跡の兆候が現れ、Symanzik型の改良相互作用、Iwasaki型の改良相互作用との関係が明かになった。また、Wilson型から繰り込まれた軌跡に近付くにつて、重クォークポテンシャルにおける格子の離散化の影響は小さくなり、またストリング・テンション、転移温度の測定からスケーリングも改良されることが見出された。さらにこの空間の流れを再現する実効的なベータ関数を求めることに成功した。これにより、任意の点での格子間隔を求めることができ、改良された作用によるシミュレーションにおいて有用かつ基本的な情報が得られる。今後、本研究で有用性が確認されたSchwinger-Dyson法による繰り込み変換のクォーク系への適用が大きな課題となっていく。これまで、格子場の国際会議等で報告を行ってきたが、詳細な最終結果をNuculear Physics誌の本論文として発表した。この仕事はもっとも基本的な計算として高く評価されており、今後の改良相互作用の実用性についても見通しを与えた。ウイルソンの提唱した格子ゲージ理論においては、作用は格子上でゲージ不変な項の和によって表される。その形には不定性があるが、これまでは最も単純な1×1ループ形の作用によってシミュレーションが進められてきたが、それ以外の項を導入することにより、より連続極限に近い結果が得られることが近年明らかになってきた。報告者のグループでは、繰り込み変換を数値的に行い、作用空間での変化(フロー)を求め、理論の構造を調べてきた。このフローのリミットサイクルが繰り込まれた軌跡であり、この上で与えられる作用は離散化による影響を持たない改良された作用が求まることが期待されている。このことは古くから知られていたが、QCDに対し近似無しに繰り込み変換を行い、相互作用の変化を調べることはこれまで出来なかった。我々のグループ(QCDTARO)では、Schwinger-Dyson法により2パラメータの場合について実際に繰り込み変換を行い、パラメータ空間での流れを調べた。これまでに明らかになったのは以下の点である。1) 2パラメータ空間での繰り込まれた軌跡の兆候が現れた2) Symanzik型の改良相互作用、Iwasaki型の改良相互作用との関係が明らかになってきた。3)強結合展開によって繰り込まれた軌跡の強結合領域での振舞いが理解出来た。4)摂動論によって、弱結合領域での振舞いの一部が理解できることが分かった。5)摂動論によって非等方格子上の2パラメータ作用を調べ、繰り込まれた非等方性を計算した。現在、非摂動的な振る舞いを調査中である。Schwinger-Dyson法の係数に強結合展開、摂動計算を適用した上記(3)、(4)は始めての試みであると思われるが、大変有効であることが明らかになった。

これまで最も単純な形の作用によってシミュレーションが進められてきたが、それ以外の項を導入することにより、より連続極限に近い結果が得られることが近年明らかになってきた。特に、繰り込み群から得られる繰り込まれた軌跡の上では長距離の物理量には離散化の効果が無いことが期待される。我々は、繰り込み変換を数値的に行い、繰り込まれた軌跡を求めることで、効率的なQCD作用を求めてきた。特に今年度は、Schwinger-Dyson法を使い、数値シミュレーションによって2パラメータ、3パラメータの場合について繰り込み変換を広いパラメータ空間で系統的に行い、繰り込みの流れを調べたその結果、2パラメータの場合にすでに繰り込まれた軌跡の兆候が現れ、Symanzik型の改良相互作用Iwasaki型の改良相互作用との関係を明らかにした。また、Wilson型から繰り込まれた軌跡に近づくにつれ重クォークポテンシャルにおける格子の離散化による影響は小さくなり、またストリング・テンション、転移温度の測定からスケーリングも改良されることが見いだされた。さらにこの空間の流れを再現する実効的なベータ関数を求めることに成功した。これにより、任意の点での格子間隔を求めることができ、改良された作用によるシミュレーションにおいて有用かつ基本的な情報となる。これの結果は、格子場の理論国際会議(イタリア・ピザ)等で報告を行い、詳細な結果がNuclearPhysicsにまもなく本論分として掲載される。自然界の基本的な相互作用はゲージ場の量子論であると現在考えられているが、クォークとグルーオンの力学であるQCDにおいては、高い非線形性と非摂動領域で結合定数が大きくなることにより、解析的手法の適用には大きな制限があり、格子ゲージ理論の数値シミュレーションが定量的な結果を得るための強力な手法となっている。ウイルソンの提唱した格子ゲージ理論においては、作用は格子上で不変な項の和によってあらわされているが、その形には不定性がある。この不定性を利用して、より連続極限に近い「改良された」相互作用の研究が近年進んできた。特に、繰り込み群から得られる繰り込まれた軌跡の上では長距離の物理量には離散化の効果が無いことが指摘されてきた。我々は、繰り込み変換を数値的に行い、繰り込まれた軌跡を求めることで、効率的なQDCD作用を求めてきた。これまで、格子場の国際会議等で報告を行ってきたが、詳細な最終結果をNuclear Physics誌の本論文として発表した。また、今年度は、摂動によるこの改良された相互作用の研究にも力を入れ、非等方格子上での改良さらた作用について計算を行い、国際会議、およびNuclear Physics誌の本論文として発表した。これらは、その重要性は理解されていたものの、膨大な計算量のため,簡単な場合しか計算が行われていなかった。我々のこと仕事は、もっとも基本的な計算として高く評価されており、また今後重要性が増す非等方格子の実用性についても、見通しを与えた。
うま味の相乗効果応答発生メカニズムの解析

基本味の一つであるうま味は食品中に含まれるタンパク質(アミノ酸)の存在を示すシグナルとされ、生命の維持あるいは構成上、非常に重要な意味を持つ。また、うま味は味覚相乗効果と呼ばれるユニークな特徴を持つことが知られている。我々はこの現象を経験的に学習し、調理法として日常の食生活に取り入れている。生物学的には、この相乗効果は高等動物だけではなく、単細胞生物まで種を超えて広く保存されている。このことは味覚相乗効果が生命を維持する上での基本的なメカニズムと解釈できるが、その生理学的な意義および発生メカニズムは明らかとなっていない。そこで、本研究ではうま味の相乗効果応答発生メカニズムを明らかにすることを目的とした。うま味受容体T1R1/T1R3発現培養細胞を利用した測定系の構築を検討し、マウス舌上皮乳頭由来cDNAライブラリーからうま味受容体のクローニングを行った。現在、発現ベクターの構築を試みている。また、相乗効果の意義を明らかにするため、様々なうま味物質の味覚特性を調べた。代表的なうま味物質であるグルタミン酸Na(MSG)は、ナトリウム塩であるためにうま味と同時に塩味を生じてしまう。そこで、ナトリウムをカリウムに置換したグルタミン酸K(MPG)を用い、塩の違いが相乗効果に与える影響を調査した。その結果、MSGに応答する細胞のほとんどがMPGにも応答を示し、両者の相乗効果の強さは同程度であることがわかった。すなわち、塩の種類は相乗効果の強さに影響を与えないと考えられた。さらに、茶に含有されるうま味物質であるテアニンに着目した。その呈味を利用した風味改善法についても検討し、テアニン添加による酸味改善効果を明らかにした(投稿中)。
介護予防体重計の開発

本研究は、体重計を用いて簡易に行える下肢荷重力トレーニングが、虚弱高齢者の身体機能に及ぼす効果を検討した。1日15分間のトレーニングを週3日の頻度で12週間継続できた介入群29名と特別な運動を行わなかった統制群28名の身体機能(下肢荷重力、握力、大腿四頭筋筋力、歩行速度、TUG、立ち上がり回数)を比較した。その結果、握力、TUG、立ち上がり回数には有意な変化は認められなかったが、介入群の下肢荷重力(p<0.01)、大腿四頭筋筋力(p<0.01)、歩行速度(p<0.05)はトレーニング後有意に高まり、下肢荷重力(p<0.01)と大腿四頭筋筋力(p<0.05)は統制群と比較しても有意に高値を示した。なお、統制群においては、測定したすべての項目でトレーニング前後に有意な変化は認められなかった。これらの結果から、下肢荷重力トレーニングは、虚弱高齢者の下肢筋力や歩行能力の向上に効果的であることが示唆された。平成23年度には、市販体重計を用いて簡易に行える下肢荷重力トレーニングが、虚弱高齢者の身体機能に及ぼす効果を検討した。平成24年度には、上述した結果を基に介護予防体重計を開発した。介護予防体重計の開発には、ヤガミ社製のひずみゲージを用いた。ひずみゲージからの信号は、増幅装置とアナログ/デジタル変換器を内蔵した専用ボックスに接続され、デジタルデータとしてパーソナルコンピュータに記録・保存されるようにした。データはサンプリング周波数10 Hzと100 Hzに切り替えが可能とし、測定範囲は099.9 kg、最小単位は0.1 kgとした。その後、介護予防体重計の再現性と妥当性について、健常成人(本学大学生;20名)を対象に確認した後、虚弱護高齢者(通所リハビリテーション施設「ふれあいの里」に通所している高齢者20名)を対象に検証した。<研究1:虚弱高齢者でも安全に行える簡易下肢・体幹トレーニング法の開発>まず、ベースライン調査として4ヵ所の高齢者施設で研究参加者を募集し、書面で同意が得られた虚弱高齢者116名(平均年齢:78.9±7.6歳)を対象に、下肢荷重力の他、ハンドヘルドダイナモメータによる筋力測定、歩行速度、日常生活活動能力などを客観的に評価した。その結果、虚弱高齢者の下肢荷重力は大腿四頭筋筋力、歩行速度、日常生活活動の運動項目と有意に相関し、彼らの下肢機能を反映する簡便な評価方法であることが確認された。さらに、対象者を性別と年齢による層別化無作為割付け法を用いて、低負荷介入群(20名)と高負荷介入群(20名)、ならびに統制群(20名)の3群に振り分け、簡易下肢・体幹トレーニング{最大下肢荷重力の50%(低負荷群)および80%(高負荷群)の力で市販体重計を5秒間押す運動を15分間程度繰り返す}を週3日、12週間実施した。その結果、高負荷トレーニング群は他の2群と比較して、下肢荷重力、大腿四頭筋筋力、歩行速度が有意に改善した。ただし、日常生活活動には有意な改善は認められなかった。ただし、最大下肢荷重力の50%程度の運動負荷量では、身体機能の改善には結びつかいないことが示唆された。<研究2:介護予防体重計の開発>介護予防体重計の開発には、ヤガミ社製のひずみゲージを用いた。

ひずみゲージからの信号は、増幅装置とアナログ/デジタル変換器を内蔵した専用ボックスに接続され、デジタルデータとしてパーソナルコンピュータに記録・保存されるようにした。データはサンプリング周波数を10 Hzと100 Hzに切り替えが可能とし、測定範囲は099.9 kg、最小単位が0.1 kgの測定器を作成した。研究1については、ベースライン調査においてほぼ計画通りの人数を対象に調査が行えた。ただし、計画にあった筋電図による筋の活動状態の評価、ならびに重心動揺計による立位バランスの評価は行えなかった。これは1回の調査に要する対象者への負担と時間的な制約によるものであったが、筋力の評価と最速歩行の評価で十分代替えできるものであった。また、層別化無作為割付け法を用いた介入研究は、計画より参加人数は減少したが、脱落者もなく、十分な成果が得られたと判断できる。研究2についても、外観は十分なものではないが、機能的には計画通りの体重計を作成できたことから、「おおむね順調に進展している」と判断した。平成24年度は、介護予防体重計の再現性と妥当性を検証する。測定器の信頼性は、テストー再テスト法による再現性を検討することによって確認する。まず、健常成人(本学大学生;50名)を対象に確認した後、測定器に修正すべき点があればその部位を改良する。その後、地域在住の元気高齢者(福岡県福智町のふれあい交流参加高齢者;50名)や虚弱護高齢者(福岡県福智町の高齢者介護施設を利用している要介護認定高齢者50名)を対象に測定器の再現性を検証する(検者内および検者間級内相関係数で分析)。測定器の妥当性は、再現性を検討した元気高齢者50名と虚弱高齢者50名、計100名を対象に、介護予防体重計から得られた測定値と、従来から下肢および体幹機能評価として汎用されているハンドヘルドダイナモメータによる筋力値や重心動揺計によるバランス機能との関連性から、依存的妥当性を検証する。その後、研究1で示された運動負荷量・頻度・期間にあわせて介入実験を行い、介護予防体重計を用いたトレーニング効果を判定する。また、得られた結果を取りまとめ、研究成果を各学会や学術雑誌で発表を行う。調査を実施する際の研究補助者への謝金、対象者のリクルートに必要な通信費、調査の実施マニュアルや結果フィードバックの郵送費などを計上した。また、消耗品費としては、測定機器に必要な消耗品、データの収集と分析および蓄積のために必要な消耗品が計上されている。その他、必要経費として研究補助者への謝金、研究調査旅費、研究成果を国内学会や国際学会で発表するための旅費などを計上した。なお、研究計画の変更はなく、研究を遂行する上での課題として介入研究におけるトレーニングへの高い参加率の確保があげられるが、研究分担者および市町村の協力により課題をクリアできるものと予測している。
ショウジョウバエ単一細胞破壊システムの開発とその器官形成機構解明への応用

昆虫の気管系は胚発生において外胚葉が上皮性を保ったまま陥入,分枝,伸展,融合してつくられる管状上皮のネットワークである。この組織をモデルにして形態形成における細胞の移動,接着の役割を研究した結果、以下の成果を得た。1固定標本を用いた詳細な形態学的な解析により気管枝の融合において特殊な先端細胞がダイナミックな形態変化を遂げて上皮のスムースな融合を可能にしていることを示した。2先端細胞では転写因子Escargotが細胞間接着分子DE-カドヘリンの発現と、細胞の運動性を制御することで細胞の接着とその後の形態変化を制御していることを示した。3先端細胞の形態変化は気管の融合において先端細胞のapical-basalの極性が変化していることを示唆している。そこで微小態の分布パターンを調べたところ極性の変化とよい相関関係が見られた。その結果は先端細胞内部で1umenの形成位置と細胞の接着面とが共通の微小管構造を示標にして決定されているという可能性を示唆する。4蛍光タンパク質GFPを器官細胞で発現させ、気管の形態変化を生体で連続観察できる実験系を構築した。5細胞膜分子Notchは発生の様々な局面で細胞間のコミュニケーションと遺伝子発現制御とを結びつける重要なシグナル伝達系のレセプター分子で、気管で強く発現している。そこでNotchとそのリガンドであるDelta,Serrateの気管系における機能を調べたところNotchの時間的,細胞特異的な活性化が気管形成に必須であることを示す結果を得た。ショウジョウバエの気管系は管状の上皮細胞ネットワークである。胚発生において外胚葉が陥入し、袋状の上皮構造を保ったまま分枝し、となり同士の枝が融合し気管系を形成する。気管の枝の伸展、標識認識、及び融合における重要な細胞生物学的問題の解明を目指して新しい観察技術の開発を行った。気管形成を理解するためには生体内での気管枝の伸展、融合をリアルタイムで観察する技術が必要である。生体内で検出が可能なクラゲの蛍光蛋白greenfluorescent protein(GFP)は蛋白の局在と遺伝子発現を追跡するためのマーカーとして大きな可能性を秘めている。しかしショウジョウバエでは蛍光強度が十分でなくその用途は限られていた。我々はGFPを改変した融合蛋白を作製し、検出感度の改善を試みた。その結果、核移行シグナルを持ち、β-ガラクトシダーゼに融合させたGFP(GFPN-lacZ)が強い蛍光を発し、幼虫と胚の二倍体細胞で検出が可能である事を見出した。気管系特異的遺伝子breathless(btl)のプロモーターを利用してGFPN-lacZを発現させるとbtlの発現に遅れる事約二時間で蛍光が検出された。コンフォーカル顕微鏡を用いると気管系の発生を10分ごとに2時間にわたって、蛍光の減衰なしに観察する事が可能であった。よってGFPN-lacZは生体内の形態形成を追跡する良いマーカーである事が示された。昆虫の呼吸器である気管系は体内に広く分子した管状の上皮細胞のネットワークで、受動的な空気の拡散によりガス交換を可能にしている。気管の形成は外胚葉が陥入した袋状の前駆体が分枝し、となり同士の枝と融合してネットワークを形成する。融合する枝の先端にはtip cellと呼ばれる細胞が同定されており、枝の伸展と融合に重要な役割を果たしていると考えられている。気管細胞は細胞間接着分子DE-カドヘリンにより密に接着した上皮構造を作っている。気管の融合に際してtip cellは擬足を伸ばして接触し、接触面にDEカドヘリンを蓄積させて接着する。気管の融合に先立ってDEカドヘリンが蓄積し、なおかつカドヘリンを欠損する変異体では融合が起こらないこと(Uemura et al.,1996)からDEカドヘリンが気管の融合に接触的な役割を果たしていることが明らかとなった。

DEカドヘリンに依存した気管の融合は転写因子Escargot(Esg)を必要としている。Esgには二つの独立した機能があることが明らかとなった:一つはDEカドヘリン遺伝子のプロモーターを正に活性化する働きであり、もう一つはtip cellの接着後の擬足の運動を抑制する働きである。esg変異体での気管融合の異常はDE-カドヘリンの強制的な発現により部分的に救済されることよりDEカドヘリンはEsgによる転写制御の主要な標的であることが明らかとなった(Tanaka-Matakatsu et al.,1996)。以上の研究により気管形成は形態形成運動の動的な側面を研究するのに適した系であることが明らかとなった。生体内での細胞の活動を追跡するために蛍光タンパク質gfpを利用した解析システムを開発した(Shiga et al.,1996).昆虫の気管系は胚発生において外胚葉が上皮性を保ったまま陥入、分岐、伸展、融合してつくられる管状上皮のネットワークである。この組織をモデルにして形態形成における細胞の移動、接着の役割を研究した。気管の融合に際して先端細胞同士は接触し、その間にDE-カドヘリンを蓄積させる。更に先端細胞内部に空間(lumen)が生じ、管状の形態に変化する。先端細胞のこのような形態変化は気管の融合において先端細胞のapical-basalの極性が変化していることを示唆している。そこで微小管の一部に局在化するNodとβ-ガラクトシダーゼの融合蛋白質(NZ)をマーカーにして気管の融合に際しての細胞骨格系の変化を追跡した。NZは先端細胞が標的に接触する時期に細胞中心部を気管枝先端部に向かって線状に局在化する。これに沿ってlumenに分泌される2A12抗原を含んだ小胞体や、細胞接着面に輸送されるDE-カドヘリンを含んだ小胞体が並ぶことが観察された。この段階に引き続きDE-カドヘリンは細胞の接着面に移動し、更にNZのフィラメントに沿ってlumenが形成され、そこに2A12抗原が放出された。この観察結果は先端細胞内部でlumenの形成位置と細胞の接着面とがNZで標識される微小管構造を介して決定されるという可能性を示唆する。また細胞膜間シグナル伝達系のレセプター分子であるNotchとそのリガンドであるDelta,Serrateの気管系における機能を調べたところNotchの時間的,細胞特異的な活性化が気管形成に必須であることを示す結果を得た。
ガイドベーンのフレキシブル化によるクロスフロー水車の出力制御と実用化への試み

研究背景再生可能エネルギーの普及に向けて,マイクロ水力発電は最も有効な選択肢のひとつと考えられている.実用化への課題は発電量の安定化と初期コストの抑制である.小規模水源では季節などの諸条件により水量が大きく変化するため,幅広い条件で安定的に発電可能な小型水車の開発が求められている.研究目的水車内部に設置したガイドベーンの角度を制御することにより,流路幅を調整し,流量の変化によって生じる出力の変動を抑え,低コストで実用的な水車の開発を目的とする.本研究では,ガイドベーン形状とその角度変化が水車の稼働に与える影響について明らかとすることを目的とした.研究方法・研究成果水車の最重要備品のひとつであるガイドベーンの形状について先行研究を参考に改良を行い,設置したた.安価で手軽な家庭用3Dプリンタを用いたABS製を採用し,複雑な可変機構の開発を必要とせずに少量多品種な試作が可能となった.また、ガイドベーンのみならず各パーツにABS樹脂を採用することで特別な技能を必要とせずに水車の設計・制作が可能となる.今後の課題水の流れに関して十分に考慮することができておらず,流路内の形状やタービンなどガイドベーン以外にも改善する余地は大きい.今後は樹脂材料の積極的な採用により,試作品を増やすことで設計の最適化を行いたい.研究背景再生可能エネルギーの普及に向けて,マイクロ水力発電は最も有効な選択肢のひとつと考えられている.実用化への課題は発電量の安定化と初期コストの抑制である.小規模水源では季節などの諸条件により水量が大きく変化するため,幅広い条件で安定的に発電可能な小型水車の開発が求められている.研究目的水車内部に設置したガイドベーンの角度を制御することにより,流路幅を調整し,流量の変化によって生じる出力の変動を抑え,低コストで実用的な水車の開発を目的とする.本研究では,ガイドベーン形状とその角度変化が水車の稼働に与える影響について明らかとすることを目的とした.研究方法・研究成果水車の最重要備品のひとつであるガイドベーンの形状について先行研究を参考に改良を行い,設置したた.安価で手軽な家庭用3Dプリンタを用いたABS製を採用し,複雑な可変機構の開発を必要とせずに少量多品種な試作が可能となった.また、ガイドベーンのみならず各パーツにABS樹脂を採用することで特別な技能を必要とせずに水車の設計・制作が可能となる.今後の課題水の流れに関して十分に考慮することができておらず,流路内の形状やタービンなどガイドベーン以外にも改善する余地は大きい.今後は樹脂材料の積極的な採用により,試作品を増やすことで設計の最適化を行いたい.
各種増殖速度のクローン細胞による放射線照射後の腫瘍細胞再増殖簡易モデルの開発

放射線治療の線量分割法をより有効にすることが、現在放射線治療上重要な課題である。しかし、実際は照射中に腫瘍増殖が起こっていても、腫瘍増殖の因子は不明な点が多く、分割照射法の概念の中に取り入れることが困難であった。多くの研究は分割照射中に細胞増殖が起こらないことを前提としている。分割照射中の腫瘍細胞増殖の因子の解析はin vivo腫瘍で行われているが、極めて膨大な施設と手間を要し、簡便な方法の開発が望まれる。本研究では発育速度の異なる各種培養細胞を用い、さらに各々の細胞より発育速度の異なるcloneを選択し、腫瘍細胞の発育速度が分割照射時の生存clonogenic細胞数に及ぼす影響を検討し、in vitroによる腫瘍増殖因子の簡便な実験系の開発を試みることを目的とした。本研究では以下の様な実験計画を立案し遂行した。ヒト子宮頸癌、子宮体癌、卵巣癌、食道癌より作成した18種類の各種培養細胞の増殖速度を検討した。食道癌由来細胞のTE2とTE5はいずれも扁平上皮癌由来で、放射線感受性はほぼ同一であるが、doubling timeはTE2が24時間に対し、TE5は36時間と約2倍の差異が認められた。この両細胞に日常放射線治療で用いる2-3Gyの小線量を連日照射し、毎回照射後、総細胞数および生存率を算定し、両者の積から照射後の生存clonogenic細胞数を算出して、細胞増殖速度が照射後のclonogenic細胞数の変動に及ぼす影響を検討した。単層培養時の細胞増殖速度はTE2とTE5で異なっていたが、照射後のclonogenic細胞数を比較すると、いずれも同様の減少を示し、細胞増殖速度が生存細胞数に影響することはなかった。腫瘍の増殖速度が放射線治療成績におよぼす影響が問題となっているが、培養細胞を用いては影響が見られず、今後shperoidを作成しさらに検討を加える予定である。
病理組織診断支援のための標本スライド3次元解析手法の研究

病理組織標本スライドを3次元の対象物として解析することにより,3次元的核密度など鑑別診断に有用な特徴量を標本の厚さに依存せずに算出し,診断を支援するシステムを実現することを目的として研究を行った.標本の厚さが観察される核密度(2次元的核密度)に与える影響について理論的・実験的に検討した結果,核の直径あるいは標本の厚さが1μm異なると2次元的核密度が10%程度変動することを明らかとした.実際の標本の厚さを光学顕微鏡を用いて非破壊的に測定する方法について検討し,3次元の画像データからMinimum Intensity Projectionにより2次元画像を得た結果を用いることなどにより,測定する手法を実現した.標本スライドの3次元データを構築するため,Blind Deconvolutionにより画像のボケを除き物体の3次元データを得る手法について検討し,標本中の核についてボケが大幅に軽減された3次元データを得る手法を実現した.病理医が通常観察している病理組織画像1枚から3次元的核密度を含む核の3つのパラメータ(3次元的核密度,核の平均半径,半径の分散)を推定する手法を実現した.また,計算時間短縮のため,3つのパラメータを一つずつ順番に推定する手法(順次推定)を新たに考案し,その利点,欠点を明らかにした.実現した推定手法を利用するためのGUIを実現した.GUIは,肝病理組織標本画像からの核位置の自動抽出,修正,核輪郭の自動抽出,修正,輪郭情報を元にした核のパラメータの自動推定などの機能を持つ.核位置や輪郭の修正はマウスを用いて容易に行えるようになっており,これにより,標本の厚さに依存しない核密度の算出が可能な支援システムが実現された.病理組織標本スライドを3次元の対象物として解析することにより,3次元的核密度など鑑別診断に有用な特徴量を標本の厚さに依存せずに算出し,診断を支援するシステムを実現することを目的として研究を行った.標本の厚さが観察される核密度(2次元的核密度)に与える影響について理論的・実験的に検討した結果,核の直径あるいは標本の厚さが1μm異なると2次元的核密度が10%程度変動することを明らかとした.実際の標本の厚さを光学顕微鏡を用いて非破壊的に測定する方法について検討し,3次元の画像データからMinimum Intensity Projectionにより2次元画像を得た結果を用いることなどにより,測定する手法を実現した.標本スライドの3次元データを構築するため,Blind Deconvolutionにより画像のボケを除き物体の3次元データを得る手法について検討し,標本中の核についてボケが大幅に軽減された3次元データを得る手法を実現した.病理医が通常観察している病理組織画像1枚から3次元的核密度を含む核の3つのパラメータ(3次元的核密度,核の平均半径,半径の分散)を推定する手法を実現した.また,計算時間短縮のため,3つのパラメータを一つずつ順番に推定する手法(順次推定)を新たに考案し,その利点,欠点を明らかにした.実現した推定手法を利用するためのGUIを実現した.GUIは,肝病理組織標本画像からの核位置の自動抽出,修正,核輪郭の自動抽出,修正,輪郭情報を元にした核のパラメータの自動推定などの機能を持つ.核位置や輪郭の修正はマウスを用いて容易に行えるようになっており,これにより,標本の厚さに依存しない核密度の算出が可能な支援システムが実現された.【目的】病理組織の標本スライドを3次元の対象物として解析する手法について研究し,最終的には標本の厚さに依存しない特徴量を算出することにより病理組織診断を支援するシステムを実現する.【研究成果】H16年度の研究成果を以下にまとめる.(1)PC制御によりZ軸方向に0.1μmずつ移動させながら連続自動撮像が可能な撮像システムを構築し,実験用画像を撮像した.(2)標本の厚さと対物レンズの焦点深度が観察される核密度(2次元的核密度)に与える影響について理論的・実験的に検討した結果,核の直径あるいは標本の厚さが1μm異なると2次元的核密度が10%程度変動することが明らかとなった.このことから,標本の厚さに依存しない特徴量である3次元的核密度を算出することの重要性が示された.(3)実際の標本の厚さを光学顕微鏡を用いて非破壊的に測定する方法について検討し,3次元の画像データからMinimum Intensity Projectionにより2次元画像を得た結果を用いることなどにより,0.5μm程度の誤差で測定する手法を実現した.(4)標本スライドの3次元データを構築するため,Blind Deconvolutionにより画像のボケを除き物体の3次元データを得る手法について検討し,標本中の核についてボケが大幅に軽減された3次元データを得る手法を実現した.来年度以降もさらに改良を加えながら,3次元的核密度の測定や標本厚さの測定精度改善へ応用する予定である.(5)3次元的核密度を測定する別のアプローチとして,2次元の画像だけを利用して推定する手法について検討した.その結果,病理医が通常観察している画像1枚から核の断面の面積を抽出した結果から3次元的核密度を推定する手法を実現した.初期の実験結果では,90%信頼区間が推定値の±20%程度と比較的広いため,さらに推定精度を向上するための改良を行う予定である.【目的】病理組織の標本スライドを3次元の対象物として解析する手法について研究し,最終的には標本の厚さに依存しない特徴量を算出することにより病理組織診断を支援するシステムを実現する.【研究成果】H17年度の研究成果を以下にまとめる.(1)病理医が通常観察している病理組織画像1枚から3次元的核密度を推定する手法について,その精度の改善を試みた.従来用いていた