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Si上無転位GaAs成長層を基板とした面発光レーザーの試作

本研究は、光・電子集積回路(OEIC)を実現するため、シリコン基板上に無転位GaAsを成長させ、これを基板としてAlGaAs系面発光レーザーダイオードを試作することを目的としている。このためシリコン基板上にわれわれが開発したマイクロチャンネルエピタキシ(MCE)技術を用いて、無転位GaAsを成長させる。液相エピタキシ(LPE)を用いたMCEを最適化することにより、シリコン基板上に幅100μm、長さ数mm、厚さ10μm程度の無転位GaAs層の成長が可能である。昨年度は、このようなシリコン上の無転位GaAs層を利用して、AlGaAs系端面発光レーザーを試作した。レーザー構造はOEIC実現を念頭におき、反応性イオンエッチングを用い共振ミラーを形成することを特徴とする。本年度は引き続きその特性評価を行った。その結果、MCEを用いたSi上のレーザーとしては初めての室温パルス発振を達成した。レーザー特性はGaAs基板上にホモエピタキシャル成長した場合に匹敵し、MCEを用いたSi上無転位GaAs層は、デバイス応用に対して非常に有望なことがわかった。本年度はさらにレーザー特性を改善し、室温連続発振の達成に向けた研究をおこなった。上記レーザーの特性を詳細に検討することにより、室温連続発振を阻害していた要因は、1)電流・光閉じ込め効率の良くない利得ガイド構造を用いたレーザー構造自体の問題、2)デバイス成長に用いた分子線結晶成長(MBE)の純度の問題であることが判明した。1)に関しては、OEIC作製に適した新たな屈折率導波構造を提案すること、2)に関しては、酸素混入メカニズムの検討ならびに成長の最適化を行ったところ、GaAs基板上ではあるが室温連続発振に成功した。目下、Si基板上での新レーザー構造の作製に向け、最終的な検討をおこなっている。GaAs基板上にレーザー構造が成長したウエファーを用い、従来型の面発光レーザーを試作した。室温連続発振のための閾値電流は17mAとなり、良好な初期特性を有することが確かめられた。また、1ヶ月以上にわたる安定な室温連続動作も確認でき、我々が開発したプロセス技術を用い良好な面発光レーザーが作製可能なことがわかった。次に、面発光レーザープロセスの自由度向上のため、"酸化ブロック効果"について調べた。高温で酸化された層は酸素の拡散が強く稠密になる。その結果、引き続く低温での酸化過程において酸素の侵入が阻止される。つまり、稠密層をあらかじめ形成した領域では、酸化が進行しない。したがって、上部P-DBRミラー部分に"酸化ブロック層"を形成すると、その後の電流狭窄層の酸化過程において、P-DBR層をそれ以上酸化させないことが可能となる。酸化ブロック効果実現ため、パラメーターの最適化を試みた。さらに、我々はマィクロチャンネルエピタキシによるSi基板上のGaAs無転位領域を用いて、端面発光型レーザーダイオードのプロセスをおこなった。本レーザー構造としては、昨年度に開発したAlAs酸化狭窄構造を電流狭窄のために用いた構造とした。今後の追加実験として、プロセスの仕上げ、特性測定を予定している。
蛍光ランプの放電生成・維持機構の解明と最適制御による高効率・長寿命化

蛍光ランプのエミッター放出と電極温度分布の相関を実験的に解明した. Kr混入により発光効率を向上出来る一方で,電極温度を最適とする電極設計がキーポイントである事を示した.また,放電電流に応じた外部加熱電流の位相と振幅の制御により,熱電子放出の増加とエミッター消耗の低減が可能な電極温度分布を達成できることを示した.さらに,シミュレーションを用いた高効率・長寿命蛍光ランプ開発の設計指標としてητを提案した蛍光ランプのエミッター放出と電極温度分布の相関を実験的に解明した. Kr混入により発光効率を向上出来る一方で,電極温度を最適とする電極設計がキーポイントである事を示した.また,放電電流に応じた外部加熱電流の位相と振幅の制御により,熱電子放出の増加とエミッター消耗の低減が可能な電極温度分布を達成できることを示した.さらに,シミュレーションを用いた高効率・長寿命蛍光ランプ開発の設計指標としてητを提案した蛍光ランプ(FL)のエミッター粒子(Ba原子)放出と電極温度分布の相関解明を目指し,レーザー誘起蛍光法によるBa原子の時間・空間分布密度計測,熱放射スペクトル法による電極温度の時間・空間分布計測を行った.特に,ガス種と圧力がエミッター放出と電極温度分布に与える影響を調べ,放電の内部パラメータと電極の熱伝導をリンクさせたシミュレーションのためのデータ取得を行うとともに,外部加熱電流(I_f)による電極温度分布の制御を試みた.その結果,Arより電離断面積の大きなKrを10%程度まで混入すれば,Hgの発光強度に強く依存する放電電流(I_d)を高い値に保ったまま放電維持電圧を低減でき,発光効率が向上する事を示した.一方で,純Ar用に経験的に最適化されているフィラメント電極では電源接続側電極端に形成されたホットスポット温度が上昇しエミッター放出量が増加した.高効率で長寿命のFL設計のためには,ガス種と圧力に応じた最適なフィラメント電極設計が必須であることを改めて示した.また,通常のFL動作ではI_dの空間的偏在により電極内に極端な温度勾配が生じるが,電極内をほぼ均一的に加熱できるI_fを流す事で,電極内の電位分布を変化させてI_dの空間分布も制御でき,その相乗効果として表れる電極温度分布を制御できる事が明らかとなった.特に右とI_dとI_fの位相を制御すれば,ホットスポット位置とその温度も制御可能で,電極温度分布の偏りと平均温度を低く抑えることができ,放電維持に十分な熱電子放出量を確保したままエミッター放出の低減が可能であることが示された.本年度の研究により,ガス種や圧力,位相も考慮した外部加熱電流I_fによる電極温度分布や放電状態の変化など,次年度以降のシミュレーションを行う上で重要な知見を得た.高効率で長寿命の蛍光ランプ(FL)設計指針提示を目標として,エミッターの放出と電極温度の相関解明のためのレーザー誘起蛍光法によるエミッター粒子の密度計測,熱放射スペクトル法による電極温度分布計測,及びHgの発光強度を含めた放電内部パラメータ等を予測するシミュレーションの開発を行った.実験的には,ガス種と圧力がエミッター放出と電極温度分布に与える影響,及び電極温度分布の外部加熱電流(I_f)依存性を調べた.ガス種や圧力によって,熱陰極グロー放電の維持に最も重要なホットスポット温度が変化し,放電電圧とエミッター放出量もそれに依存するため,高効率・長寿命のFL設計のためには,シミュレーションによる最適なフィラメント電極設計が必須であることを改めて示した.また,放電電流(I_d)のみの場合に生じるプラズマの空間的偏在に起因する急峻な電極内の温度勾配を,I_fを流す事で一様な温度分布に制御できる事が明らかとなった.様々な電極コイルに対して,位相制御したI_dとI_fとでシミュレーションし,空間的に一様で低い電極温度を実現し,放電維持に十分な熱電子放出量の確保とエミッターの放出抑制を可能とするFL設計条件を見出すことが可能であることが示唆された.また,FL管径,内壁温度,及びガス種と圧力をパラメータとして,プラズマ陽光柱部分の電子温度,電子密度,及びHg紫外線の発光強度や発光効率等を出力できるシミュレーション開発を行った.純Ar雰囲気中では,Hg紫外線発光効率のI_d,及び投入電力依存性は実験値と良く一致し,本シミュレーションの妥当性が示された.本年度の研究により,ガス種や圧力,位相制御したI_fによる電極温度分布や放電状態の変化等の実験結果の蓄積,プラズマ陽光柱部分のシミュレーション開発がなされ,次年度以降の電極部分を含めたシミュレーションを行う上で重要な知見を得た.高効率・長寿命の蛍光ランプ(FL)設計指針提示を目標として,様々なコイル形状やFL動作条件下でエミッター放出と電極温度の関係を実験的に明らかにし,また,FLの効率や寿命を数値シミュレーションで予測した.実験的には,レーザー誘起蛍光法によるエミッター粒子密度計測,及び熱放射スペクトル法による電極温度計測を行い,エミッター放出と電極温度の相関を解明した.その結果,放電電流,若しくは外部加熱電流によって電極のホットスポット温度を上昇させ,熱陰極グロー放電を維持すれば長寿命化が可能であるが,過度の加熱は発光効率が上昇する一方で短寿命化へと繋がる事を定量的に明らかにした.また,FL管径,内壁温度,及びガス種と圧力をパラメータとして,プラズマ陽光柱部分の電子温度,電子密度,及びHg紫外線の発光強度や発光効率等を出力できるシミュレーションを開発し,その高精度化を行った.これを用いて,雰囲気ガスをAr,及びKrとし,FL放電条件を変化させた場合の発光効率を,主に放電電流,及び放電電力をパラメータとして詳細に調べた.

純Ar中におけるHg紫外線発光効率の放電電流,及び放電電力依存性は実験値と良く一致し,本シミュレーションの妥当性が示された.これらの研究を通じて,最適なFLの制御指数としてητを提案した.様々なFL動作条件で実験的に求めた寿命η,及びシミュレーションで求めた発光効率τから予測された最適動作条件は,それまで長時間をかけて経験的に開発してきた商業用FLの最適動作条件とほぼ一致しており,FLの設計指標としてητを用いることの妥当性が示された.さらに,陽光柱シミュレーションと昨年度行った電極温度分布からエミッター消費を予測する電極シミュレーションとを放電電流を媒介パラメータとしてコンバインし,ητを設計指標としたシステムが,高効率・長寿命なFL開発に有効である事が示唆された.本年度の研究により,ガス種や圧力,位相制御したI_fによる電極温度分布や放電状態の変化等の実験結果の蓄積,プラズマ陽光柱部分のシミュレーション開発がなされ,次年度以降の電極部分を含めたシミュレーションを行う上で重要な知見を得た.24年度が最終年度であるため、記入しない。汎用の熱流体解析ソフトウェアを用いて,様々な電極コイル,放電条件下における電極温度分布を予測する電極シミュレーションを完成させる予定である.その上で,本年度開発したプラズマ陽光柱部分とで,放電電流を受け渡しパラメータとして,両シミュレーション問の整合を取り,FL全体のシミュレーションとして完成させる.様々な条件下でシミュレーションを行い,高効率・長寿命FL開発の設計指針の提示を目指す.24年度が最終年度であるため、記入しない。
大脳皮質の持続的神経活動における異なる種類の抑制性神経細胞の機能分担に関する研究

短期記憶・作業記憶の神経基盤と考えられる大脳皮質の持続的神経活動の神経回路メカニズム、特に抑制性細胞の多様性や樹状突起の空間的非一様性等の効果を数理モデルを用いて研究した。そして、興奮性錐体細胞の樹状突起分枝に投射する抑制性細胞の作用、及びそれに伴う樹状突起分枝上の非線形な入力加算が、記憶対象と関係の無い非特異的な入力を受けた場合に不適切な応答が起こらないことを保証する働きをしている可能性などを示した。短期記憶(ワーキングメモリー)の実体と考えられている大脳皮質神経細胞の持続的活動に関して、特に異なる種類の抑制性神経細胞の機能に焦点を当てて、理論的アプローチ、及び電気生理学実験を一部組み合わせて研究を行ってきた。一つには、錐体細胞樹状突起分枝においてdendritic spikeの発生に基く非線型な入力加算が行われるという最近の知見を踏まえ、そうした非線型性が、短期記憶の神経回路全体の特性にどのように影響するか、理論的研究を行ってきた。数理モデルを構築し、シミュレーション及び数理解析によって、樹状突起の非線型性が、短期記憶の安定性や正確さに寄与しうることを示した。さらに、空間ワーキングメモリーの回路として提案されている構造に基いた、より具体的なモデルを構築し、樹状突起の非線型性、および最近実証された、樹状突起投射性の抑制性細胞(Martinotti細胞など)を介したフィードバック抑制によって、正確な位置記憶が形成されるメカニズムを提案した。また、持続的神経活動の生成維持に必須な、細胞間の抑制性および興奮性のフィードバック入力の特性について、理論的方法論を電気生理学と組み合わせて研究を行った。具体的には、持続的活動中に錐体細胞が受けるフィードバック・シナプス入力を、細胞の発火タイミングの実データから理論的に推定・再構成し、得られた波形を実際の錐体細胞に入力して、出力を測定した。入力と出力が一致する条件を探索した結果、錐体細胞は、細胞体投射性の抑制性細胞(fast spiking細胞)から時間遅れが少なくγ振動成分の大きな強い入力を受けていると考えられることが明らかとなり、それが持続的活動の維持に関わることが示唆された。また、その機能的意義についての検討を行っている。昨年度に引き続き、短期記憶の神経基盤と考えられている大脳皮質の持続的神経活動の細胞・神経回路レベルのメカニズムに関して数理モデルを用いた研究を行った。空間位置の短期記憶を司る神経回路としてこれまで広く提案されている構造(結合様式)に基づいて、錐体細胞の細胞体近くに投射する介在神経細胞を介した抑制と、樹状突起分枝の遠位部に投射する細胞を介した抑制のいずれもを含むモデルの構築・精緻化を進めた。具体的には、樹状突起上のシナプスの分布様式に関して、最近示唆されている、可塑性に際する電気的・生化学的な近接相互作用によって相関する入力が樹状突起上の近い場所にマップされる(強いシナプス結合が形成される)可能性を取り入れるなどした。そしてモデルの数値シミュレーション・解析を行い、樹状突起分枝上における興奮性・抑制性入力の局所的な相互作用が、回路が非特異的な入力を受けた場合に、その強度に拠らずに、低い活動状態が安定に保たれ、「誤った記憶」が作られないため、の機構として働いている可能性などを示した。また、異なる抑制性経路のそれぞれが神経修飾因子などによって異なる調節を受けた場合の回路の挙動を調べ、そうした調節や修飾が短期記憶・ワーキングメモリーの機能、およびその障がいとどのように関わるかについての示唆を得た。さらに、空間短期記憶に関して得られたこうした機構がより一般的に働いている可能性を調べるため、異なる種類の短期記憶の関わる認知機能、特に、数量(離散的な数、及び連続量)の認知について、異なる種類の抑制性相互作用や樹状突起上の局所的作用を取り入れた数理モデルの構築に取り掛かった。そして、あまり解明されていない細胞の数選択性の形成機構に関して、樹状突起上の局所的相互作用・局所的抑制に基づいて、実験的に検証可能と考えられる新たな仮説を提唱した。
食道癌における癌抑制遺伝子、Cyclin、Cdkによる細胞増殖制御機構の解析

食道癌における細胞増殖調節機構の異常を解析するために,食道癌細胞株および食道癌切除標本において,細胞周期調節因子である,癌抑制遺伝子p53,Rb,Cdk Inhibitor p21,p16,Cdk2,4,6,Cyclin A,D1,D2,D3,Eの発現をWestern BlottingおよびFlow Cytometryを用いて解析した.p53とp21の発現は,約70%の細胞株で認められたが,p16の発現は,数例の細胞株でのみ認められた。Rb蛋白の発現はすべての食道癌細胞株で認められたが,一部の細胞株においては,Rb蛋白のFast Migratig Form(Low Molecular Weight Form)の高レベルの発現が認められた。これは,非リン酸化型(活性型)のRb蛋白であり,細胞増殖を負に制御する機能を持つ。Cdk2,4,6は,ほとんどの細胞株において,ほぼ均一な発現が認められた。リンパ球をコントロールとして用いたFlow Cytometryによる解析から,Cyclin A,D1,D3,Eの発現が23.1%(6/26),65.4%(17/26),15.4%(4/26),57/7%(15/26)の細胞株で認められた。すべての食道癌細胞株は,リンパ球に比較して低レベルのCyclin D2を発現しており,ほとんどの食道癌細胞株におけるCyclin D3の発現は,リンパ球と同等のレベルであった。Cyclin D1とEは,他のCyclinに比較して有意に高い発現が認められた。Cyclin D1とEは食道癌発生において,重要な役割を果たしていると考えられる。個々の細胞株によって異なるこれらの細胞周期調節因子の発現パターンは,それぞれの細胞株の生物学的性質の相違に関与しているものと考えられる。細胞周期のNegative Regulator p53,Rb,p21,p16と細胞周期のPositive Regulator Cyclin A,D1,D2,D3,の発現バランスが細胞の増殖能力を規定している可能性がある。食道癌細胞株においてp53、Rb、p21/WAF1、p16/MTS1、Cdk4、新たに発見されたCdkinhibitorであるp15、p27の発現をWestern Blottingを用いて解析した。p53の発現は、約半数の食道癌細胞株で認められた。PCR-SSCPによるp53遺伝子解析の結果から、p53の発現が検出された細胞株の中にも、Mutant p53蛋白を発現しているものとWild-type p53蛋白を発現しているものとがあることが示唆された。p16/MTS1の発現は21細胞株中3例に認められた。p21/WAF1の発現は約80%の細胞株で認められたが、その発現量は細胞株の間で明らかな相違が認められた。Rb蛋白の発現はすべての食道癌細胞株で認められたが、2種類の細胞株においては、Rb蛋白のLow Molecular Weight Formのみの発現が認められた。これは、非リン酸化型(活性型)のRb蛋白である。p53蛋白の発現とp21蛋白の発現の間には明らかな相関は認められなかった。

p53遺伝子解析は現在進行中であるが、Mutant p53蛋白を発現している細胞株でもp21の発現が認められるものがあり、p21発現誘導のメカニズムには、p53-Independent Path Wayが存在していることが示唆された。Cdk4は、すべての細胞株において、ほぼ均一な発現が認められた。しかし、Cyclin D1,D2,Eの発現量は細胞株において明らかな相違が認められた。現在解析が進行中であるp15、p27はいずれも低レベルに細胞内に発現しているようである。現在までの結果から、細胞周期調節因子の中で、p53、p21/WAF1、P16/MTS1、Cyclin D,Eには異常の認められる頻度が高く、食道癌の発生と進展に重要な役割を果たしていると考えられる。p16の発現は21細胞株中3例にのみ認められた。p21、p27の発現は多くの細胞株で認められたが、その発現量は細胞株の間で明らかな相違が認められた。p53とp21蛋白の発現、Rbとp16の発現の間には明らかな相関は認められなかった。p21発現誘導のメカニズムには、p53-Independent Path Wayが存在していることが示唆された。Cdk2,4,6は、ほとんどの細胞株において、ほぼ均一な発現が認められた。しかし、Cyclin A,D1,D2,D3,Eの発現量は細胞株において明らかな相違が認められた。個々の細胞株によって異なるこれらの細胞周期調節因子の発現パターンは、それぞれの細胞株の生物学的性質の相違に関与しているものと考えられる。細胞周期のNegative Regulator p53、Rb、p21、p16、p27と細胞周期のPositive Regulator Cyclin A,D1,D2,D3,Eの発現バランスが細胞の増殖能力を規定している可能性がある。現在これらの発現異常と細胞の増殖能力、造腫瘍能力の相関を解析している。食道癌における細胞増殖調節機構の異常を解析するために、食道癌細胞株および食道癌切除標本において、細胞周期調節因子である、癌抑制遺伝子p53,Rb、Cdk Inhibitor p21,p16、Cdk2,4,6、Cyclin A,D1,D2,D3,Eの発現をWestern BlottingおよびFlow Cytometryを用いて解析した。p53とp21の発現は、約70%の細胞株で認められたが、p16の発現は、数例の細胞株でのみ認められた。Rb蛋白の発現はすべての食道癌細胞株で認められたが、一部の細胞株においては、Rb蛋白のFast Migratig Form(Low Molecular Weight Form)の高レベルの発現が認められた。これは、非リン酸化型(活性型)のRb蛋白であり、細胞増殖を負に制御する機能を持つ。リンパ球をコントロールとして用いたFlow Cytometryによる解析から、Cyclin A,D1,D3,Eの発現が23.1%(6/26),65.4%(17/26),15.4%(4/26),57.7%(15/26)の細胞株で認められた。すべての食道癌細胞株は、リンパ球に比較して低レベルのCyclin D2を発現しており、ほとんどの食道癌細胞株におけるCyclin D3の発現は、リンパ球と同等のレベルであった。Cyclin D1とEは、他のCyclinに比較して有意に高い発現が認められた。Cyclin D1とEは食道癌発生において、重要な役割を果たしていると考えられる。
重力波と電磁波の同時検出を目指した全天監視型X線撮像検出器の開発

金沢大学で独自に開発する超小型衛星に広視野X線撮像検出器を搭載し、重力波イベントと同期したX線突発天体の発見を目指している。本研究では、多チャンネルの検出器からの電荷信号を読み出すための、専用のアナログ集積回路(ASIC)の開発を行った。本研究で開発したASICは世界的に見ても増幅率が極めて高いものであるが、目標性能である約1keVのX線が生成する電荷信号に相当する入力に対して、十分な感度があることを実証できた。さらに、前年度に開発したシリコンストリップ検出器をASICに連結しX線信号の読み出しを行った。検出器が幾分大きいものであるために、静電容量性のノイズが卓越し、エネルギーしきい値としては2keV相当までしか確認できていないが、今後は検出器の最適化を行うことで目標性能の実現を目指したいと考えている。また、前方にタングステンで作成した符号化マスクを配置することで、X線の撮像検出実証を行った。±45の広視野でのX線源の撮像を実証し、入射角の変化に対して取得される画像が定量的に変化することを確認できている。今後は低エネルギーのX線源に対する撮像実証を行うことを目的としている。今年度までに予定していたシリコンストリップ半導体検出器の開発と、読み出しASICの開発、およびそれらを連結した撮像実験の全てを実施することができており、衛星に搭載する検出器部の基盤技術は確立できたと言える。26年度が最終年度であるため、記入しない。重力波検出の最有力候補の1つである中性子星連星の衝突・合体では、ショートガンマ線バーストが発生する可能性が指摘されている。重力波観測だけでは方向決定が難しいため、X線で同時に観測し、詳細な方向が決定できる検出器を開発することが本研究の目的である。そのために、シリコン撮像検出器と符号化マスクを利用した広視野X線撮像検出器を開発している。平成25年度は、浜松ホトニクス社と共同でシリコンストリップ検出器を開発した。300μmピッチに64本の電極を配置し、1ストリップあたり32mmの長さの検出器を開発した。電極間に起因する静電容量が検出器性能に影響を与えるため、電極の幅が100μm, 200μm,280μmの3種類のモデルを開発した。リーク電流特性や静電容量特性などを把握しているところであるが、電極幅が小さいと電場集中が起こりやすくなり、逆電圧に対する降伏現象が起きやすくなることが分かっている。同時に、専用の読み出し集積回路の開発も行なっている。約1キロ電子ボルトからの低エネルギーX線の信号を読み出せるよう、世界的に見ても非常に増幅率の高い集積回路となっている。検出器は接続しない状態で、集積回路単体の性能評価を行なっている最中ではあるが、約1.5キロ電子ボルトからの読み出しが可能となっている。次年度以降は、検出器と集積回路を統合したシステムを用いて性能評価を行なうとともに、多数のセンサーを駆動できるFPGAシステムの開発を行ないたいと考えている。また、金沢大学にて宇宙理工学を重点的に教育・研究するためのプロジェクトが文科省により採択され、H26年度から準備を進めることとなった。目標としている2018年頃の打ち上げを目指し、人工衛星および検出器の開発を進めたい。H25年度はシリコン検出器の開発に重点を置いた計画を立てていたが、当初の目標に加えて、読み出し回路の開発も実施することができたため、H26年度の研究を先行して達成できたと考えている。まず、浜松ホトニクス社と共同で、シリコンストリップ検出器を開発した。先の概要でも述べた通り、3種類の電極幅のモデルを開発し性能評価を行なっている最中であるが、逆電圧に対する降伏が起きにくくするために、電極幅は200μm程度は必要であると判断している。今後は詳細な性能評価を実施し、最適モデルを開発したいと考えている。

次に、宇宙科学研究所の池田博一教授らと共同で、専用の読み出し集積回路の開発も行なった。現存する類似の集積回路の中でも増幅率が非常に高くなっており、雑音レベルを十分に低く抑えることができるかが課題となっていたが、現在のところ、集積回路単体で約1.5キロ電子ボルトからの読み出しが可能となっており、第一段階の開発としては十分な性能であると判断している。また、PCに組み込むことのできる専用FPGAボードを利用した集積回路の試験環境も構築することができたため、次年度以降の開発がスムーズに遂行できると考えている。まず実施すべきこととしては、集積回路を用いてシリコンストリップ検出器を読み出す事であると考えている。64センサーを同時に読み出すことができれば、X線撮像検出器としての機能を実証することができる。集積回路の信号を読み出す環境は構築できているため、符号化マスクを作成し、撮像実験を行いたいと考えている。人工衛星に搭載するモデルでは、複数のセンサーを同時に駆動することが必要であるため、FPGAによる並列処理を実現したい。また、シリコン検出器および集積回路の両方に対して、宇宙線環境を模擬した放射線試験(陽子線およびガンマ線照射試験)を実施することを考えている。シリコン検出器については、放射線による格子欠陥などによる漏れ電流の増加や、降伏電圧の変化など、特性に与える影響について精査したいと考えている。集積回路については、放射線照射量に対する集積回路そのものの性能劣化について調査すると同時に、いわゆるシングルイベントと呼ばれる、メモリ反転を起こす確率を評価したいと考えている。以上の実験で検出器の動作を実証できれば、宇宙の放射線環境下でも動作可能な検出器のプロトタイプモデルと言えるだろう。H26年度中にここまで実験を遂行したいと考えている。
日本古代木簡の源流と特質

本研究は、(1)東アジアという視点から「日本古代木簡の源流と特質」を探ることを最大の目標としている。日本古代木簡の研究は、世界に誇るべき方法論をもち、豊かな研究成果をあげてきたが、残念ながら日本史の枠組みにとどまっている。中国・韓国の木簡研究にも正面から向き合うことによって、その方法論を学ぶとともに、日本古代木簡の研究で培われた方法論の発信につとめ、その相乗効果によって日本古代木簡研究の飛躍を図りたい。関連して、(2)木簡研究から導き出される〈文書機能論〉の観点から、従来の〈文書様式論〉に依拠した古文書学の再検討をおこない、新たな史料学に向けた提言をする。さらに、(3)木簡研究の成果を日本古代国家成立論のなかに反映させることも狙う。(2)(3)によって、木簡研究の有効性を示したい。以上の目標を掲げ、本年度は特に次のような作業をおこなった。第一は、木簡の機能に関する検討を進めたことである。そのひとつの試みとして、「木簡の視覚機能」に関する問題提起の論文を発表した。第二は、韓国木簡と日本木簡との比較検討を進めたことである。韓国では6世紀に遡り得る木簡が多数出土しており、日本古代木簡の源流を探る上で恰好の材料となる。韓国木簡学会において、近年韓国で出土した木簡に焦点を当て、その意義を多角的に論じる発表をおこなった。現在、論文を執筆中である。第三は、中国・韓国・日本の法制史料や石碑などにも広く目配りをし、木簡を相対化する視点を獲得するように努めたことである。そのための具体的な試みとして、比較史的な視点に立った、石碑に関する論文、馬牛政策に関する論文を発表した。第四は、日本古代国家成立論に関する検討を進めたことである。本年度は、公民制の成立過程や難波宮の展開に特に注目しながら、大化改新の再評価を目指し、論文1本を公表し、2本を現在投稿中である。本研究では、(1)東アジアという視点から「日本古代木簡の源流と特質」を探る、(2)木簡研究から導き出される〈文書機能論〉の観点から、新たな史料学に向けた提言をする、(3)木簡研究の成果を日本古代国家成立論のなかに反映させる、以上三つの大きな目標を掲げた。この目標に向かって、2017年度に引き続き本年度も、1遺跡・遺構の状況、木簡の形状に留意しながら、文字だけから窺われない情報を最大限に読み取ること、2木簡を群として捉える視点に立って、木簡のライフサイクルを明らかにすること、3木簡の使用場面を具体的に思い描きながら、場面ごとに木簡の機能を追求すること、4木簡の周囲にも目を向け、紙と木の使い分け、文書伝達と口頭伝達の関係を明らかにすること、これら四つの視点に留意しながら、日本古代の都城・地方官衙跡出土木簡の実物調査・内容分析につとめ、本研究の基礎固めを着実におこなうことができた。以上のごとき基礎的成果を踏まえた上で、2017年度に引き続き本年度も、(あ)日本古代木簡の資料的特質を明らかにする作業、(い)日本古代木簡の個別的な検討を進め、それを日本古代史全体のなかに位置づける作業、(う)日本古代木簡を相対化するための作業に取り組むことができた。そして、研究実績の概要の欄に記したように、それぞれ一定の成果をあげることができた。特に重要な成果だと考えているのが、韓国木簡学会において、近年出土した韓国木簡について、日本の7世紀木簡に関する知見をもとに、新たな視点を提示できたことである。多くの韓国人研究者に報告を聞いていただき、意見交換をできたのは有益であった。以上を総合的に判断して、研究はおおむね順調に進展しているものと判断した。2017・2018年度に引き続いて、日本古代都城・地方官衙跡出土木簡の実物調査・内容分析につとめ、本研究の基礎固めを着実におこなっていきたい。そして、(あ)日本古代木簡の資料的特質を明らかにする作業、(い)日本古代木簡の個別的な検討を進め、それを日本古代史全体のなかに位置づける作業、(う)日本古代木簡を相対化するための作業に、それぞれ精力的に取り組んでいきたい。2018年度研究成果を受けて、(あ)(う)について、特に次のような課題に取り組んでいきたい。まず(あ)については、木簡の機能に関する検討をさらに進め、それをもとに木簡分類についての見直しを試みてみたい。(い)については、平城宮跡から多数出土している衛府関連木簡の分析を進めていきたい。(う)については、飛鳥宮から平城宮にいたる都城の変遷について、東アジア情勢を視野に入れつつ検討してみたい。そして、中国・韓国の木簡や法制史料などの分析をさらに進め、日本との比較についてもより一層推進していきたい。また、『斉明天皇』(仮題)を執筆予定であるので、そのなかに以上の研究成果をうまく吸収できるように、斉明天皇に関する勉強も引き続きおこなっていく。

関連して、(2)木簡研究から導き出される〈文書機能論〉の観点から、従来の〈文書様式論〉に依拠した古文書学の再検討をおこない、新たな史料学に向けた提言をする。さらに、(3)木簡研究の成果を日本古代国家成立論のなかに反映させることも狙う。(2)(3)によって、木簡研究の有効性を示したい。以上の目標を掲げ、本年度は特に次のような作業をおこなった。第一は、日本古代木簡の資料的特質を明らかにする作業である。中国・韓国木簡を分析する際にも有効な視点を模索し、木簡廃棄論、木簡機能論、木簡形態論という視点から俯瞰を試みた。その研究成果の一端を、歴史学の総合学術雑誌である『歴史学研究』に発表した。この論文では、古文書学の研究動向についても言及し、新たな史料学を打ち立てるための第一歩とした。第二は、日本古代木簡の個別的な検討を進め、それを日本古代史全体のなかに位置づける作業である。本年度は特に、王宮における門の通行行政、日本各地に置かれた駅家の経営、美濃国を中心とした地方行政・税制のあり方、『日本書紀』の用字との関係について考えてみた。第三は、日本古代木簡を相対化するための作業である。本年度は特に、『万葉集』、淀川流域関連史料、天平六年度(734)出雲国計会帳の分析をおこない、木簡一辺倒の分析にならないようにつとめた。第二・三の作業結果についても複数の論文として発表した。(1)東アジアという視点から「日本古代木簡の源流と特質」を探る、(2)木簡研究から導き出される〈文書機能論〉の観点から、新たな史料学に向けた提言をする、(3)木簡研究の成果を日本古代国家成立論のなかに反映させる。この三つの目標に向かって、1遺跡・遺構の状況、木簡の形状に留意しながら、文字だけから窺われない情報を最大限に読み取ること、2木簡を群として捉える視点に立って、木簡のライフサイクルを明らかにすること、3木簡の使用場面を具体的に思い描きながら、場面ごとに木簡の機能を追求すること、4木簡の周囲にも目を向け、紙と木の使い分け、文書伝達と口頭伝達の関係を明らかにすること、以上四つの視点に留意しながら、日本古代の都城・地方官衙跡出土木簡の実物調査・内容分析につとめ、本研究の基礎固めを着実におこなうことができた。こうした基礎的成果の上に、(あ)日本古代木簡の資料的特質を明らかにする作業、(い)日本古代木簡の個別的な検討を進め、それを日本古代史全体のなかに位置づける作業、(う)日本古代木簡を相対化するための作業に取り組み、研究実績の概要の欄に記したように、それぞれ一定の成果をあげることができた。特に重要な成果だと考えているのが、A木簡廃棄論、B木簡機能論、C木簡形態論という三つの視点から、日本古代木簡全体の資料的特質について整理したことである。この三つの視点は、単に日本古代木簡のみならず、中国・韓国木簡を理解する際にも重要な手掛かりになると考える。そして、まだ具体的な成果があがっているわけではないが、肩水金関出土の通行証木簡の分析、〈多機能性〉を窺わせる日本古代文書の抽出、白村江の戦い(663)に至る東アジア情勢の検討についても、それぞれ開始することができた。以上を総合的に判断して、研究はおおむね順調に進展しているものと判断した。本研究は、(1)東アジアという視点から「日本古代木簡の源流と特質」を探ることを最大の目標としている。日本古代木簡の研究は、世界に誇るべき方法論をもち、豊かな研究成果をあげてきたが、残念ながら日本史の枠組みにとどまっている。
電離圏擾乱の赤道－中緯度間結合と日本上空の電離圏への影響の解明

低緯度電離圏において発生するプラズマバブルと呼ばれる現象は、局所的なプラズマ密度の不規則構造を伴うため、衛星から送信される電波の振幅、位相の急激な変動(シンチレーション)が生じ、GPS等による電子航法に障害を及ぼすことが知られている。このような電離圏擾乱の発生機構を解明し、発生を事前に予測することが科学・実用の両面から求められている。しかし、その発生原因については、未だ解明されておらず、現状では予測が非常に困難な状況である。本年度は、プラズマバブル発生の日々変動の一因と考えられている熱圏中の鉛直風の影響の調査を目的としてシミュレーションを行った。入力条件を細かく変化させ、それに応じて発生するプラズマバブルの成長速度、到達高度との関連について研究を実施した。その結果、数m/s程度の鉛直風であっても、プラズマバブルを発生させることが可能であることが示された。鉛直風を生成させる原因としては、大気重力波が有力であるが、その東西方向の波長が短いほどプラズマバブル生成に効果的に働くことも示された。また、鉛直風を入力として与える緯度範囲を変化させてシミュレーションを行った結果、地球磁場が水平となる磁気赤道上空に鉛直風を与えた場合に、最も効率的にプラズマバブルを生成させることが明らかとなった。プラズマバブルの生成初期の成長速度が速いほど、高緯度まで影響を及ぼす確率が高くなると考えられるため、磁気赤道における大気重力波の生成、伝搬過程を明らかにすることが、本研究課題の遂行のために重要であると考えられる。研究代表者が所属機関異動となり、研究環境の立ち上げに時間を要した。また、前所属機関で主に利用していたスーパーコンピュータが機器更新となり、数ヶ月間計算を実施できない時期があった。2019年度より、複数の大型計算機環境が利用可能となり、研究の継続に支障は無い。磁気赤道におけるプラズマバブルの生成機構の解明と、中緯度地域への影響についてシミュレーションを継続して実施する。このような電離圏擾乱の発生機構を解明し、発生を事前に予測することが、科学・実用の両面から求められている。本年度は、シンチレーションの直接の原因となる不規則構造のスケール(300-400m)を解像することを目指して、現在までに開発を進めてきた低緯度電離圏数値モデルの空間分解能を向上させた。現在利用している大型計算機の性能を最大限活用し、300m程度の空間分解能で、プラズマバブル内部の詳細な密度変動を再現することに成功した。この密度変動のパワースペクトルを算出した結果、過去の人工衛星、ロケット観測とよく一致することが明らかとなった。より正確な電離圏の電場と電流の分布を算出するために、中緯度モデル、低緯度モデルの双方において、磁力線に沿った等電位を仮定せずに、3次元の電場分布を算出する手法を開発した。これにより、沿磁力線電流を含む正確な電流分布を求めることが可能となった。この電離圏電流は微小な磁場変動の原因となる。計算から求めた磁場変動は、人工衛星によって観測される磁場変動とよく一致しており、正確な地磁気のモデル作成において、電離圏擾乱現象に伴う磁場変動も考慮に入れる必要があることが定量的に示された。電離圏を伝搬経路とする測位衛星等の電波が、電離圏擾乱現象によって受ける影響を定量的に評価することを目的としている。空間分解能の向上と正確な電流分布の算出は、定量的な評価に向けた重要な成果である。より高分解能の数値モデル実現に向けて、研究の進捗状況は順調である。本年度は、シミュレーションモデルの高解像度化をさらに進めるため、最も計算コストの高い分極電場の計算アルゴリズムのさらなる高速化を行った。最新の反復計算アルゴリズムと前処理技法を組み合わせることで、収束に至るまでの時間を大幅に短縮することに成功した。さらに、大型計算機の使用ノード数を大幅に増やすことでより大規模な計算が可能となった。これにより、水平、鉛直方向にそれぞれ200m程度の解像度での計算が可能となり、GPSシンチレーションの直接の原因となる不規則構造のスケール(300-400m)を直接再現できることがほぼ確実な状況となった。一方、シミュレーション結果とレーダー観測を定量的に比較し、再現されたプラズマバブルの成長速度が観測結果とよく一致することが示された。観測結果から見積もられる成長速度は非常に幅広い値を取ることから、様々な条件下でプラズマバブルが発生している可能性が示唆された。これまでの研究から、シミュレーション結果を用いた衛星電波のシンチレーションの定量的な評価を行うためには、より高解像度の計算を行う必要性があることが分かった。平成29年度はその高解像度化に注力し、より現実に近いプラズマ密度の不規則構造を再現することに成功した。

赤道域における電離圏擾乱の影響の評価についてはほぼ達成の見込みがついているが、本研究の最終目的と設定した赤道ー中緯度間結合には未だ着手できていない。低緯度電離圏において発生するプラズマバブルと呼ばれる現象は、局所的なプラズマ密度の不規則構造を伴うため、衛星から送信される電波の振幅、位相の急激な変動(シンチレーション)が生じ、GPS等による電子航法に障害を及ぼすことが知られている。このような電離圏擾乱の発生機構を解明し、発生を事前に予測することが科学・実用の両面から求められている。しかし、その発生原因については、未だ解明されておらず、現状では予測が非常に困難な状況である。本年度は、プラズマバブル発生の日々変動の一因と考えられている熱圏中の鉛直風の影響の調査を目的としてシミュレーションを行った。入力条件を細かく変化させ、それに応じて発生するプラズマバブルの成長速度、到達高度との関連について研究を実施した。その結果、数m/s程度の鉛直風であっても、プラズマバブルを発生させることが可能であることが示された。鉛直風を生成させる原因としては、大気重力波が有力であるが、その東西方向の波長が短いほどプラズマバブル生成に効果的に働くことも示された。また、鉛直風を入力として与える緯度範囲を変化させてシミュレーションを行った結果、地球磁場が水平となる磁気赤道上空に鉛直風を与えた場合に、最も効率的にプラズマバブルを生成させることが明らかとなった。プラズマバブルの生成初期の成長速度が速いほど、高緯度まで影響を及ぼす確率が高くなると考えられるため、磁気赤道における大気重力波の生成、伝搬過程を明らかにすることが、本研究課題の遂行のために重要であると考えられる。研究代表者が所属機関異動となり、研究環境の立ち上げに時間を要した。また、前所属機関で主に利用していたスーパーコンピュータが機器更新となり、数ヶ月間計算を実施できない時期があった。300-400mスケールの不規則構造により引き起こされるシンチレーションを定量的に評価するためには、少なくとも100m程度の空間分解能が必要である。より分解能を高め、現実的な時間内で結果を得るためには、計算アルゴリズムの改良と高速化が必要であることが明らかとなってきた。計算アルゴリズムを改良し、高分解能化と領域拡張を同時に実現できる数値モデルの確立を目指す。その後、中緯度モデルと低緯度モデルの結合に着手する。計算アルゴリズムの高速化と空間解像度の向上については、現状のモデルでほぼ完成形に近い状態となった。今後は、高解像度のシミュレーション結果を利用した、赤道域における電離圏擾乱の定量的な評価を行い、その後中緯度域との結合へと発展させる計画であるが、赤道域におけるシミュレーション結果は学会等でも評価が高く、赤道域におけるさらなる研究成果が非常に望まれていることから、中緯度域への影響については当初の計画よりは簡略化した手法で進める可能性もある。2019年度より、複数の大型計算機環境が利用可能となり、研究の継続に支障は無い。磁気赤道におけるプラズマバブルの生成機構の解明と、中緯度地域への影響についてシミュレーションを継続して実施する。2016年12月に行った国際学会発表の経費として、他予算からの支出としたために次年度使用額が発生した。
ゴム履帯張力を利用したハーフトラックの姿勢安定法に関する研究

本研究では,揺動式履帯走行装置を備えるハーフトラックを対象に,その特徴的機構から履帯張力が変動することを利用した走行制御の可能性を検討するため,履帯張力変動と走行性の関係について調査した.ゴム履帯周方向の粘弾性特性を考慮できるモデルを考案し,CAD/CAE解析により走行シミュレーションを実施した.その結果,履帯張力と走行性の関係が明らかになり,今後の走行制御に対する履帯張力の利用が期待された.車両の姿勢安定は,精密農業におけるセンシング技術向上に加え,農作業精度向上にも寄与する重要な農用車両性能である.農用トラクタにおいては,路面の凹凸にダイレクトに応答する車輪式に比べ,揺動機構を備える履帯走行装置は,路面への追従性が良い.本研究では,揺動式ゴム履帯走行装置を備えるハーフトラックの走行時の姿勢安定の向上を目指し,履帯走行部の動特性を把握しうる理論構築を目指した.本年度は,より詳細な解析を行うシミュレーションモデルの作成を行った.シミュレーションでは,ゴム履帯パラメータである弾性,粘性係数を変更することで履帯走行部の動特性を検討した.また,またローラへの巻きかけ力,ローラ支持バネへの作用力など任意の路面走行時に履帯走行部各部への負荷を明らかにした.これと並行し,実際のゴム履帯パラメータを取得するための準備を行っている.車両の姿勢安定は,精密農業におけるセンシング技術向上に加え,農作業精度向上にも寄与する重要な農用車両性能である.農用トラクタにおいては,路面の凹凸にダイレクトに応答する車輪式に比べ,揺動機構を備える履帯走行装置は,路面への追従性が良い.本研究では,揺動式ゴム履帯走行装置を備えるハーフトラックの走行時の姿勢安定の向上を目指し,履帯走行部の動特性を把握しうる理論構築を目指した.最終年度においては,ゴム履帯長手方向の弾性パラメータ取得のため,万能試験機を用いた引張試験を実施した.しかしながら,高荷重状態での引張試験であるためゴム履帯把持が困難を伴い,低荷重域でのパラメータ取得にとどまり満足のいく結果は得られていない.一方,CAD/CAEシミュレーションにおいては,独自に提案したゴム履帯モデルを見直し,今までに表現が不十分であったゴム履帯のせん断方向の特性を考慮しうる新たなCAE履帯モデルを提案した.本モデルにより単にゴム履帯の引張力評価にとどまらず,走行時の履帯振動や巻き掛け力の評価などより現実に即したモデルシミュレーションが可能となり,履帯車両の総合的な運動解析が期待できる.本研究は,研究実施期間を通して,揺動式履帯走行装置を備えるハーフトラックを対象にその特徴的機構から履帯張力変動が車両の走行性に影響することを理論的に明らかにした.さらに履帯周方向の張力変動に加え,せん断方向の力学特性も考慮した履帯モデルを提案したことで,ハーフトラックのみならずゴム履帯車両全般においてより現実に即した走行シミュレーションを通し車両設計指針や改善策を提案できるものと考える.本研究では,揺動式履帯走行装置を備えるハーフトラックを対象に,その特徴的機構から履帯張力が変動することを利用した走行制御の可能性を検討するため,履帯張力変動と走行性の関係について調査した.ゴム履帯周方向の粘弾性特性を考慮できるモデルを考案し,CAD/CAE解析により走行シミュレーションを実施した.その結果,履帯張力と走行性の関係が明らかになり,今後の走行制御に対する履帯張力の利用が期待された.車両の姿勢安定は,精密農業におけるセンシング技術向上に加え,農作業精度向上にも寄与する重要な農用車両性能である.農用トラクタにおいては,路面の凹凸にダイレクトに応答する車輪式に比べ,揺動機構を備える履帯走行装置は,路面への追従性が良い.本研究では,揺動式ゴム履帯走行装置を備えるハーフトラックの走行時の姿勢安定の向上を目指し,履帯走行部の動特性を把握しうる理論構築を目指した.本年度は,ハーフトラックのシミュレーションモデルの構築と同時に,実際の車両における姿勢計測をするために,簡易な加速度・ジャイロセンサユニットを作成した.シミュレーションモデルでは,履帯周方向の張力変動を評価できるモデリングを行い,その張力変動が車体姿勢にどのように影響するかを検討した.これにより,ゴム履帯設計における重要な資料提供を行うと同時にハーフトラックにおけるゴム履帯張力が如何に車体姿勢に影響を及ぼすかを検討し設計開発に貴重な資料を提供できる.また,姿勢評価に関しては,小型で安価なセンサユニットを製作し,車体重心位置を基準とした6自由度の独立計測を可能とした.本年度までにゴム履帯走行部のシミュレーションモデルを確立したことは,研究計画通りに進行している.しかしながら,モデルパラメータ取得のためのゴム履帯引張試験等はまだ実施ができていない.これは,必要計測機の準備および大型の引張試験機のメンテナンスが遅れているためである.ただし,引張試験機の動作確認が取れ,モデルパラメータ試験を実施するための準備は完了した.本研究は,揺動履帯走行装置を有するハーフトラックの姿勢安定のための理論構築を行うものである.現段階までに,解析モデルの基礎的なものが構築されたのと同時に,車体の姿勢を把握するためのセンサユニットを製作した.モデルに関しては,各種パラメータの設定のための計測実験を行う必要がある.これは今後の研究計画にあたる.センサユニットに関しては,後のシミュレーション検証用に準備したものであり,今後の展開が順調に行える.計画通りに,シミュレーションに用いるパラメータの計測を行う.従前の研究において,転動輪下のゴム履帯圧縮変位量から動バネ定数・粘性減衰係数が測定されている.一方で,ゴム履帯周方向の粘弾性パラメータを測定した事例がないため,本研究ではこれを実施する.すでに試験の準備は整い,実施するのみとなっている.

並行しゴム履帯張力を可変にしたときの車両姿勢等を構築したシミュレーションにより検討する.当初の計画通りに,シミュレーションに用いるパラメータの計測および推定を行う.従前の研究において,転動輪下のゴム履帯圧縮変位量から動バネ定数・粘性減衰係数が測定されている.しかしながら,ゴム履帯周方向の粘弾性パラメータを測定した事例がない.本研究では,これらのパラメータは必須である.そこで,ゴム履帯周方向のパラメータ測定を実施する.測定対象は,水田仕様に一般的に用いられる千鳥型ラグ配置のゴム履帯を対象に,加振実験,引張試験にて計測を行う.次年度における研究費は,モデルパラメータ測定用の物品費および実験資材費に充てられる.前の項目で報告したように,本年度予定した計測が行えていないため,前年度からの繰り越しをこれにあて,本年度予算と合わせ使用する.次年度における研究費は,おもにモデルパラメータ測定用の物品費に充てられる.また,解析ソフトウェアのメンテナンス費および成果発表費がおもな支出になる.
昆虫の触角による物体位置の脳内表現と触覚行動の発現・調節機構

【研究目的】物理的環境を触感覚で知覚する動物において、周囲の物体の位置が中枢でどのように表現され、どのような神経回路を介して触覚行動として発現するのかを明らかにすることが本研究の目的である.探索行動中のゴキブリは、触角(アンテナ)に静止物体が接触するとその方向へ定位する定型的行動が起こる.アンテナからの触感覚に基づいた物体の方向検知には、アンテナ基部の毛板とよばれる機械受容器が関与することが定位行動を指標とした毛板破壊実験により示された.アンテナ毛板は数十数百本の機械感覚毛からなるクラスタ構造で、関節の曲がり具合を検知する自己受容器として機能する.本研究では、毛板からのアンテナ位置情報とアンテナ先端からの接触情報とが統合されて周囲の物体の位置情報となる中枢過程、および触覚定位行動を発現・調節する中枢機構を調べる.【今年度の研究成果】1)アンテナ運動と毛板の関係を明らかにするため、トレッドミル上で探索行動中の動物のアンテナ運動を画像解析し、毛板破壊によって引き起こされる変化を調べた.破壊後の運動様式より、毛板からアンテナ運動系へのネガティブ・フィードバックの存在が示唆された.2)アンテナ運動系の中枢機構を明らかにするため、アンテナ自発運動の3次元解析を行った.左右間でのアンテナ運動、歩行リズムとアンテナ運動の相互相関を調べ、これらの間に有意な相関が存在することを見出した.3)触覚定位行動の発現と調節に関与する腹髄下行性介在ニューロンを検索した.水平方向のアンテナ自発運動に応じた発火をするニューロンがこれまでに見つかり、その応答特性について解析した.物理的環境を触感覚で知覚する動物において、周囲の物体の位置が中枢でどのように表現され、どのような神経回路を介して触覚行動として発現するのかを明らかにすることが本研究の目的である.探索行動中のワモンゴキブリは、触角(アンテナ)に静止物体が接触するとその方向へ定位する定型的行動が起こる.アンテナからの触感覚に基づいた物体の方向検知には、アンテナ基部の毛板とよばれる機械受容器が関与することが定位行動を指標とした毛板破壊実験により示された.アンテナ毛板は数十数百本の機械感覚毛からなるクラスタ構造で、関節の曲がり具合を検知する自己受容器として機能する.本研究では、毛板からのアンテナ位置情報とアンテナ先端からの接触情報とが統合されて周囲の物体の位置情報となる中枢過程、および触覚定位行動を発現・調節する中枢機構を明らかにする.今年度は、上記触覚の中枢機構を解明するための前段階として、末梢におけるアンテナ2次元運動の表現様式を調べた.様々なアンテナ方向において活性化され得る毛板上の領域を調べ、柄節毛板を構成する3つ(背側、内側、外側)のサブ・グループの特徴付けを行った.柄節毛板背側部はアンテナの上下運動、内側および外側部は水平運動の検出に適していることが分かった.とりわけ外側部のサブ・グループは、アンテナ運動の上下方向成分の影響を受けにくく、水平方向成分を正確に表現することを見出した.さらに毛板機械感覚子の屈曲応答を記録し、phasic-tonic型の受容細胞であることを明らかにした.様々な刺激条件における屈曲応答からphasicおよびtonic成分の刺激-応答特性を示すフィット関数を得た.【研究目的】物理的環境を触感覚で知覚する動物において、周囲の物体の位置が中枢でどのように表現され、どのような神経回路を介して触覚行動として発現するのかを明らかにすることが本研究の目的である.探索行動中のゴキブリは、触角(アンテナ)に静止物体が接触するとその方向へ定位する定型的行動が起こる.アンテナからの触感覚に基づいた物体の方向検知には、アンテナ基部の毛板とよばれる機械受容器が関与することが定位行動を指標とした毛板破壊実験により示された.アンテナ毛板は数十数百本の機械感覚毛からなるクラスタ構造で、関節の曲がり具合を検知する自己受容器として機能する.本研究では、毛板からのアンテナ位置情報とアンテナ先端からの接触情報とが統合されて周囲の物体の位置情報となる中枢過程、および触覚定位行動を発現・調節する中枢機構を調べる.【今年度の研究成果】1)アンテナ運動と毛板の関係を明らかにするため、トレッドミル上で探索行動中の動物のアンテナ運動を画像解析し、毛板破壊によって引き起こされる変化を調べた.破壊後の運動様式より、毛板からアンテナ運動系へのネガティブ・フィードバックの存在が示唆された.2)アンテナ運動系の中枢機構を明らかにするため、アンテナ自発運動の3次元解析を行った.左右間でのアンテナ運動、歩行リズムとアンテナ運動の相互相関を調べ、これらの間に有意な相関が存在することを見出した.3)触覚定位行動の発現と調節に関与する腹髄下行性介在ニューロンを検索した.水平方向のアンテナ自発運動に応じた発火をするニューロンがこれまでに見つかり、その応答特性について解析した.