hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
Intelligent Brance実用化に向けての臨床的研究

しかし制御歩行では筋活動量も低下し少ない筋負荷で歩行が出来ると考えられた従来作成したIntelligent Jointに改良を加え、軽量化した小型可変抵抗型ディスクブレーキを作成し、マイクロコンピュータによりブレーキの強さを制御する膝継ぎ手を開発した。次に長下肢装具の膝関節部にこの継手を設置し、膝関節運動に抵抗を適時加えて関節トルクを制御出来るようにIntelligent Brace II(IBII)を完成した。このIBIIの有用性について、健常人及び障害者で平地歩行及び坂道の歩行実験を行い以下の結果を得た。平地歩行時には、大腿筋の筋活動は、heel-strike期から接床中期まで認められ、踵着床時の床反力に対し膝の固定性に働いている。この放電様相は、大腿四頭筋(QF)では自然歩行(NS)、装具歩行(NLS)、固定歩行(LS)、および制御歩行(CS)のあいだに差は認められなかった。しかし大腿二頭筋(Bf)では、heel-strike期にみられる筋活動は、固定歩行(LS)では増大し、またheel-off期前後に顕著な放電が見られた。坂道上り動作:坂道上りでの自然歩行NS時には、立脚期前期にQFが立脚期後期には腓腹筋の活動が見られるが、CS、NLS、及びLSでNSより減少していた。上り動作時でのBfおよび大殿筋の筋活動量は、着床期に膝関節を制御したCSが他の条件NS、NLS、LSに比較して最も低い値を示した。坂道下り動作:坂道下り動作時における筋活動量は、QFでは、CSがNLSより低い結果を示し、特に内側広筋のCSにおける筋活動は、NLSにおけるそれと比較して有意な差を示す結果であった。以上のことよりIBIIでは坂道歩行が平地歩行と同様CSでは自然歩行に近かかった。Intelligent Brace II装着による階段の昇降、並びに日常生活動作時の膝関節トルクの制御は、マイクロコンピュータが検知したデータを基にブレーキを調節して関節運動に抵抗を加えることにより行った。この装具装着時でのバイオメカニックス的特徴およびその有用性について、健常人で平地及び階段における継ぎ足階段昇降を行い比較検討した。筋電図分析は標準化した筋放電パターンと筋放電量を求め、各筋の放電量は随意最大収縮時の筋活動の相対値(%MMT)を用い比較検討を行い次の結果を得た。階段昇りの標準化筋活動では、前脛骨筋及び大腿二頭筋では何れの条件下でも遊脚期には顕著な放電がみられた。しかし腓腹筋では自然動作で見られた接床期後半の大きな放電は装具装着では見られなかった。装具装着が筋活動に及ぼす影響を検討したところ、平地及び階段昇りで有意な差が見られた。特に前脛骨筋では顕著に増大し、また階段の昇り動作時には、大腿筋群のいずれの筋においても自然歩行の1.2倍以上の筋放電量を必要とした。しかし、階段の降り動作時等では、明瞭な差は認められなかった。階段昇降と平地での条件動作の筋別の%MMTでは、前脛骨筋群は何れの条件でも自然動作に比し、装具歩行及び固定歩行では大きな筋活動が見られた。大腿四頭筋では固定歩行は何れの歩行でも、顕著な筋活動の低下が見られた。また制御歩行では装具歩行に比し放電量は低い傾向であった。階段の昇りでは、大腿二頭筋及び大殿筋では、平地歩行に比し顕著な増大が見られたが、下りでは低値を示した。また制御歩行では装具歩行に比べて低い傾向を示した。
興奮性媒質における渦巻興奮波分裂の時空間カオス制御に基づく心臓心室細動の制御

心臓をモデル化するために,その構成要素である(心筋)細胞1個のモデル化について検討を行った.現在,最も生理学的に妥当なモデルとして考えられているHodgkin-Huxley型の微分方程式を用いて,1個の細胞の電気的特性を詳細に解析した.その結果,細胞内のイオンチャネルの動作の時定数間にある程度の開きがある場合,単一細胞だけでもカオス的な興奮現象を生じやすいことが分かった.この結果を踏まえ,1個の細胞を極めて単純なカオスニューロン(写像)モデルで表現し,興奮性媒質全体を写像の結合系(Coupled-Map-Lattice)としてモデル化する方法を提案した.この興奮性媒質を詳細に解析することで,極めて単純なモデル化であるにも関わらず,単純な渦巻波から渦巻波の分裂という時空間カオス現象に至るまで,興奮性媒質の本質を的確に捉えたモデル化であることが明らかになった.心臓のような大規模なシステムをモデル化するためには,ネットワークの構成要素の性質や数,ネットワークの結合形態などの変更に対して柔軟にシステムを変更できるシミュレーション環境が必要である.本研究では,構成要素を一つの自律したプログラムとして実現し,それらの間の結合を計算機ネットワーク上の(UDP)通信機能を用いてモデル化する手法を提案した.興奮性媒質を様々な手法でモデル化することで,モデル化手法に依存しない渦巻波の一般的性質を明らかにした.この結果をもとに,渦巻波全体に強い刺激を加えるのではなく,弱い刺激を局所的に加えることで渦巻波の分裂を抑制する方法を提案した.心臓をモデル化するために,その構成要素である(心筋)細胞1個のモデル化について検討を行った.現在,最も生理学的に妥当なモデルとして考えられているHodgkin-Huxley型の微分方程式を用いて,1個の細胞の電気的特性を詳細に解析した.その結果,細胞内のイオンチャネルの動作の時定数間にある程度の開きがある場合,単一細胞だけでもカオス的な興奮現象を生じやすいことが分かった.この結果を踏まえ,1個の細胞を極めて単純なカオスニューロン(写像)モデルで表現し,興奮性媒質全体を写像の結合系(Coupled-Map-Lattice)としてモデル化する方法を提案した.この興奮性媒質を詳細に解析することで,極めて単純なモデル化であるにも関わらず,単純な渦巻波から渦巻波の分裂という時空間カオス現象に至るまで,興奮性媒質の本質を的確に捉えたモデル化であることが明らかになった.心臓のような大規模なシステムをモデル化するためには,ネットワークの構成要素の性質や数,ネットワークの結合形態などの変更に対して柔軟にシステムを変更できるシミュレーション環境が必要である.本研究では,構成要素を一つの自律したプログラムとして実現し,それらの間の結合を計算機ネットワーク上の(UDP)通信機能を用いてモデル化する手法を提案した.興奮性媒質を様々な手法でモデル化することで,モデル化手法に依存しない渦巻波の一般的性質を明らかにした.この結果をもとに,渦巻波全体に強い刺激を加えるのではなく,弱い刺激を局所的に加えることで渦巻波の分裂を抑制する方法を提案した.心臓をモデル化するにあたって,その構成素子である細胞のモデルとして最も実際の生理学に近いHH型方程式について検討を行った.その結果,イオンチャネルの動的特性を表す時定数間に大きな開きがある場合,カオス的な振動が起り易いこと,また,その発生メカニズムを明らかにした.この結果を踏まえ,2次元の興奮性媒質のモデル化を行った.HH型方程式は多変数の非線形微分方程式であるので,それを用いて興奮性媒質をモデル化すると計算時間が多大にかかるだけでなく,興奮性媒質全体のマクロな挙動とセルのミクロな性質との関係を議論するのは困難である.よって本研究では,セル(実際の細胞1個もしくは複数の細胞を表す)のモデルとして,一次元の写像モデルを用いた.このモデルは,細胞の持つ不応性,「擬」閾値性を表すことができる.擬閾値性とは,0か1かの完全な閾値性は持たず,厳密には連続な入出力特性を持つが,ある値を境に急激に入出力特性を変化させるので,近似的に閾値を持つと考えられる性質である.この擬閾値性こそがカオス等の複雑な非線形ダイナミクスを生み出すもとになる.つまり,本研究で用いた一次元写像モデルは,その単純さにかかわらず,相当複雑なマクロなふるまいを記述できる優れたモデルである.この写像結合系(Coupled Map Lattice or Chaos Neural Network)を用いて,2次元興奮性媒質上で電気的興奮波が伝播する様子を詳細に解析した.その結果,単純な同心円状に伝わる興奮波や渦巻状の波(Spiral wave)の生成条件を明らかにすることができた.特に,細胞の発火履歴を表すメモリーの効果が大きい場合,渦巻波が途中で分裂する時空間カオスの状態も生起し得ることを確認した.心臓を始めとする生体システムは,自律的に活動する構成要素(細胞・細胞集団)が複雑にネットワークを形成した大規模自律分散システムである.このようなシステムをモデル化するには,ネットワークの構成要素の数やネットワークの結合形態,構成要素のモデル化手法などの変更に対して柔軟にシステムを変更できるシミュレーション環境が必要である.

本研究では,一個の細胞(場合によっては,その一部や細胞集団)を一つのプログラムでモデル化し,細胞間の結合(化学シナプス結合,電気シナプス結合)を計算機ネットワーク上のプロセス間通信機能によって実現することで,このようなシミュレーション環境の構築を行った.プログラム言語としては,オブジェクト指向性,通信機能の実装の容易さなどの点からJava言語を用いた.構成要素のモデル化には,現時点で最も生理学的に妥当なモデルであるHodgkin-Huxley型微分方程式を用いた.プロセス間通信にはUDP通信を用いることで,神経系や心臓における(化学,電気)シナプス結合を表現した.UDP通信では,通信のパケットが相手先に到着することを保証しないが,本研究では,細胞間の様々な結合形態に対して計算機実験を行うことにより,実際の生体システムの挙動をうまく模擬できることを確認した.特に,電気シナプスは化学シナプスとは異なり,常時結合しているので通信量が増加するが,そのような場合においても,本システムがうまく動作することを確認した.また,前年度に引き続き,複数の時間スケールを持つ電気的興奮の非線形ダイナミクス,興奮性媒質における渦巻興奮波発生の機序,生体内振動子に及ぼす雑音の影響についても詳細な解析を行った.心臓を構成する(筋肉)細胞は,外部から刺激入力を受けると一過的に大きな電位を発生し(同時に収縮する),その後,刺激入力を受け付けない不応状態を経て,再び興奮可能な状態にもどる.このような細胞は興奮性細胞と呼ばれ,心臓だけでなく,脳・神経系や各種臓器など生体内のありとあらゆるところに存在している.Hodgkin-Huxley(HH)方程式は,ヤリイカ神経細胞の数理モデルであるが,興奮性細胞の最も基本的なモデルである.本研究では,まずHH方程式の背後に潜も複雑な非線形力学を,力学系の分岐理論,特異点理論の観点から詳細に解析し,興奮のメカニズムを明らかにした.また,このHHダイナミクスの背後には主に2つの異なる時定数をもつプロセスが関与しているが,生体内,とりわけ心筋細胞には,それ以上のプロセスが関与している.従って,本研究では,拡張HH方程式を提案し,異なる時定数を持つ複数のプロセスが相互作用する場合の興奮ダイナミクスの詳細を明らかにした.HH方程式は,現時点で最も生理学に忠実なモデルである.心臓のような大規模な自律分散システムをモデル化するためには,その構成要素(細胞)として,このように生理学に忠実な詳細モデルを用いることが最善ではない.単純化モデルを用いた方が構成要素の性質と心臓のマクロな性質との対応が分かりやすいことがある.本研究では,心筋細胞モデルとして拡張FitzHugh-Nagumoモデルやカオスニューロ写像モデルを用いて興奮性媒質をモデル化し,その非線形ダイナミクスを詳細に解析した.この結果に基づき,現在心臓不整脈の重要な原因の一つとして考えられている,興奮性媒質に生じる渦巻興奮波を抑制する制御方法を提案した.
グレリン受容体発現抑制遺伝子改変ラットを用いたグレリンのエネルギー蓄積機構の解明

グレリン受容体発現抑制遺伝子改変ラットの表現型からグレリンの体脂肪蓄積作用を明らかにしたが、加齢に伴う体脂肪蓄積機序へのグレリンの関与は不明である。4、8、20週齢のラットへのグレリン受容体拮抗薬の投与実験から、非ふるえ性エネルギー燃焼機能を担っている褐色脂肪組織への内因性グレリンの抑制が加齢に伴い強まること、グレリンのその抑制作用に視床下部背内側核ニューロンが関与している可能性を明らかにした。グレリン投与は成長ホルモン(GH)分泌、摂食、体脂肪蓄積を促進し、研究者らが作成したグレリン受容体発現抑制遺伝子改変ラットでは低体脂肪、褐色脂肪組織の重量増加傾向とUCP1発現亢進が認められている。加齢に伴う体脂肪蓄積には脂肪分解作用のあるGHの分泌低下が一部関与していると考えられているが、内因性グレリンのエネルギー蓄積機構における役割の詳細や、加齢に伴う体脂肪増加機序へのグレリンの関与様式は不明である。そこで今年度は体脂肪の少ない4週齢、体脂肪増加が始まる8週齢、体脂肪が蓄積した20週齢の雄ラットにグレリンを末梢静脈内投与し、エネルギー燃焼に重要な働きをしている褐色脂肪組織の交感神経活動の指標であるノルアドレナリン分泌をマイクロダイアリシス法にて無麻酔下で測定した。その結果、4週齢及び8週齢ラットでは静脈内投与されたグレリンがノルアドレナリン分泌を有意に抑制したが、20週齢ラットではグレリンによるノルアドレナリン分泌抑制作用は減弱していた。これらの結果から加齢に伴い褐色脂肪組織支配の交感神経の外因性グレリンに対する感受性は低下することが示された。また20週齢ラットの褐色脂肪組織重量は8週齢ラットのそれと比べ低下し、褐色脂肪細胞中に脂肪滴の蓄積が認められ、UCP1 mRNA発現は有意に減少していた。したがって加齢に伴い褐色脂肪組織の機能低下、即ちエネルギー燃焼低下が生じ、これも体脂肪蓄積の-因になると考えられる。現在、この機序へのグレリンの関与の有無を検討している。グレリン投与は成長ホルモン(GH)分泌、摂食、体脂肪蓄積を促進し、我々が作成したグレリン受容体発現抑制遺伝子改変ラットでは低体脂肪、褐色脂肪組織(BAT)の重量の増加傾向とUCP1発現亢進が認められている。加齢に伴う体脂肪蓄積には脂肪分解作用のあるGHの分泌低下が関与していると考えられているが、グレリンの関与に関しては不明であった。前年度には、体脂肪の少ない4週齢、体脂肪増加の始まる8週齢、体脂肪が蓄積した20週齢の雄ラットを用いて、外因性グレリンによるBAT内のノルアドレナリン(NA)分泌抑制作用は加齢に伴い減弱することを明らかにした。今年度は、グレリン受容体拮抗薬であるD-Lys^3-GHRP6のラット脳室内投与により内因性グレリンの作用を阻止した状態でのBATでのNA分泌を測定し、加齢に伴う内因性グレリンの働きを検討した。グレリン受容体拮抗薬の投与は4週齢ラットではNA分泌に影響を与えず、8週齢、20週齢ではNA分泌を有意に増加させた。さらに20週齢は8週齢に比較し、低用量の拮抗薬に反応してNA分泌の上昇が認められた。以上の結果から、8週齢以上では内因性グレリンのBATでのNA分泌抑制作用が存在し、さらに8週齢よりも20週齢ラットでグレリンにより敏感に反応してNA分泌抑制が生じている可能性が示された。BATはエネルギー燃焼の重要な組織であること、加齢に伴いラット血中グレリン濃度が上昇することからも、加齢に伴いグレリンによるBATの機能抑制作用が強まり、その結果、エネルギー燃焼が弱まり脂肪が蓄積し易くなっている可能性が示された。また、本グレリン拮抗薬のラット脳室内投与は視床下部室傍核におけるFos発現に影響を与えなかったが、視床下部背内側核のFos発現を有意に増加させた。後者のニューロン活性化がBATの熱産生を促進するという報告があることから、グレリンによるエネルギー代謝抑制に視床下部背内側核ニューロン機能抑制が関与している可能性が示唆された。前年度までに、体脂肪の少ない4週齢、体脂肪増加の始まる8週齢、体脂肪が蓄積した20週齢の雄ラットへのグレリン受容体拮抗薬であるD-Lys^3-GHRP6の脳室内投与実験でBATのノルアドレナリン(NA)分泌を測定し、内因性グレリンのNA分泌抑制作用が加齢に伴い増強していること、即ちグレリンのBAT機能抑制作用が加齢に伴い強まることを示した。また、D-Lys^3-GHRP

6脳室内投与が視床下部背内側核のFos発現を有意に増加させることを明らかにし、同部位のニューロン活性化がBATの熱産生を促進するという報告があることから、グレリンによるエネルギー代謝抑制に視床下部背内側核ニューロン機能抑制が関与している可能性も示した。今年度はD-Lys^3-GHRP6の脳室内投与が酸素消費量や摂食行動に与える影響について検討した。明期における8週齢雄ラットへのD-Lys^3-GHRP6の脳室内投与は、投与から90分間の摂食量には変化を与えなかったが、投与から10分後の酸素消費量を投与前と比較し増加させた。以上の結果から明期においてグレリンはエネルギー消費を抑制することでエネルギー蓄積に促進的に作用している可能性が示された。
ナノ粒子を用いた鉱物表面における生体分子の選択的相互作用の可視化

22年度は、炭酸カルシウムの結晶成長過程を原子間力顕微鏡(AFM)でその場観察することで、結晶表面における生体分子、特にタンパク質を構成するアミノ酸の一種であるアスパラギン酸(Asp)の吸着挙動を調べた。その結果、炭酸カルシウムの結晶成長時に結晶表面に形成される成長丘を構成する各ステップの内、壁開面に対して鈍角に切り立っているステップではAspの影響が見られないのに対して、鋭角に切り立っているステップではAspがステップの進行を阻害することがわかった。さらに、様々な過飽和度でのステップ速度測定の結果、Aspの阻害メカニズムがキンクブロッキングによるものであることがわかった。また、昨年度、合成及び精製に成功したAsp修飾金ナノ粒子をAsp分子のマーカーとして用い、AFMによるその場観察から結晶表面におけるAsp分子の吸着分布の可視化を試みた。AFMのコンタクトモードで測定を行ったところ、金ナノ粒子は観察されなかった。この結果は金ナノ粒子が表面に存在する時間が非常に短い、もしくは表面との相互作用が非常に弱いことを物語っている。そのため、今後はAFM測定の高速化やノンコンタクトモードでの測定が必要といえる。また、本研究から派生する形で非晶質炭酸カルシウム(ACC)に関する研究を行い、AspとACCとの複合材料の開発に成功した。さらに、ACCが圧力誘起の結晶化を起こすことを見出した。これは全く新しい結晶化プロセスであり、新たな研究分野の開拓につながると期待される。21年度は、炭酸カルシウム結晶表面における生体分子、特にタンパク質を構成するアミノ酸の一種であるアスパラギン酸(Asp)の吸着挙動を評価するために、Asp水溶液中での炭酸カルシウムの溶解、並びに結晶成長過程を原子間力顕微鏡や走査型共焦点レーザー顕微鏡を用いて観察した。これらの観察から、炭酸カルシウムの溶解時に結晶表面に形成されるエッチピットを構成する各ステップの内、壁開面に対して鈍角に切り立っているステップや、新たに出現する[010]ステップにAspがより吸着し易いことがわかった。また、結晶学的に等価なステップ間でもL体のAspは有意に一方のステップに選択的に吸着することがわかった。これらの結果は、先行研究で報告されている、炭酸カルシウムの結晶成長時のものと非常に調和的であった。これらの研究成果は、各国内及び国際学会で発表するとともに、国際誌Journal of Crystal Growthに投稿、受理されている。特に、日本鉱物科学会年会ではその成果が認められ、研究発表優秀賞を受賞した。また、Aspで表面を修飾した金ナノ粒子の合成、及びその精製方法の検討を行った。その結果、2種類の方法で合成に成功し、動的光散乱の結果から、各々の方法で合成したナノ粒子のサイズがそれぞれ異なることがわかった。精製も限外ろ過により成功し、これらのナノ粒子を用いて、現在、原子間力顕微鏡を用いた炭酸カルシウム結晶表面での吸着分布のその場観察実験を進めている。
開口制限をする患者の印象採得を容易にするための分割トレーの開発

研究対象は、東京大学医学部附属病院・顎口腔外科・歯科矯正歯科を受診した患者の中で、開口制限を有し、通常の既製トレーあるいは個人トレーの使用では印象採得が困難な症例とした。分割トレーの場合、各パーツは、(1)印象採得時に口腔内で組み合わされ、(2)口腔外に取り出す際に一旦分割され、(3)石膏注入時に再度組み合わされるが、従来報告されていた方法では、(1)(3)の各ステップにおいて、分割トレーの各パーツの位置関係が狂ってしまい、最終的に得られる石膏模型の形状変化・精度低下が起こる可能性がある。また最終印象の質が、術者の経験・技量にかなり左右される面もあることは否定できない。そこで、本研究では、これらの欠点を解消し、開口制限を有する患者の印象採得を容易にする分割トレーを開発するために以下の点を検討した。I.従来から使われている歯科技工用材料の中で、物性・適合性・口腔内での操作性といった面で、分割トレー作成に最適と思われる材料を選択した。II.印象採得に最適な分割形状(各パーツの形状)を検討した。III.分割状態で口腔内から取り出されたトレーを、石膏注入時に再び口腔外で印象採得時の状態に組み合わせる時に再現性良く組み合わせることが出来るような補助装置-分割トレー安定化装置-の開発を行った。なお、本研究では特にIIIの項目に力点を置き、分割トレー安定化装置の開発にあたっては、マグネットの使用、パーツを組み合わせる際のメルクマールとなる凹凸の付与、パーツを安定化するために使うバインダーの開発など、再現性良くパーツ同士を組み合わせることが出来る方法を検討した。これらの点について、患者の感想、歯科医師の意見を参考にしながら、分割トレーの改良を行い、従来法に比べて良好な結果を得ることが出来た。
運動による動脈硬化度の軽減に関与するアディポカインの同定と分子機序の解明

本研究は,運動により分泌変動する新規アディポカイン:CTRPsの産生部位の同定と動脈硬化度低下への貢献度を明らかにする。肥満モデル動物を対象に有酸素性トレーニングによる血中CTRPs濃度の変動はどこに蓄積された脂肪組織から分泌されたものが関与しているかを検討する。また,運動による脂肪組織からのCTRPs分泌の増大が動脈硬化度に与える貢献度について検討する。本研究成果により,有酸素性トレーニングによる動脈硬化度の低下に関与するアディポカインが産生される脂肪部位の同定や動脈硬化度低下への貢献度が明らかになり,「臓器間ネットワーク」による新たな運動効果の機序解明や運動処方への応用が期待できる。加齢に伴う脂肪蓄積の増加は動脈硬化度を増加させることが報告されている。最近、我々は、加齢に伴う局所的な脂肪蓄積は全身の脂肪蓄積以上に心血管疾患の予測に重要である可能性を報告した。また、有酸素性トレーニングは脂肪蓄積を低下させることに伴い、脂肪細胞から分泌される抗動脈硬化作用のあるadiponectinを含めた新規アディポカイン:C1q/Tumor Necrosis Factor Related Proteins (CTRPs)の血中濃度を増加させ、動脈硬化度を低下させることを報告した。しかしながら、全身のどこに蓄積された脂肪から分泌されたものが血中濃度に反映されているのかは不明である。また、有酸素性トレーニングによって脂肪組織からのアディポカイン分泌が亢進していることが、動脈硬化度の低下にどの程度寄与しているかも解明されていない。そこで本研究は、運動によって分泌変動するアディポカインの産生部位の同定と動脈硬化度低下への貢献度を明らかにすることを目的とする。本研究では、38週齢のSAMP1マウスを有酸素性トレーニング群(AT群:自発的回転車輪運動)および安静対照群(Con群)に分け、12週間後に精巣上体脂肪、肩甲下皮下脂肪、肩甲下褐色脂肪、大動脈血管周囲脂肪を摘出し、アディポカイン遺伝子発現量を測定した。Con群と比較してAT群の精巣上体脂肪重量は有意に低値を示し(P<0.05)、血管拡張機能はCon群と比較してAT群で有意に改善した(P<0.05)。また、各脂肪組織から複数のアディポカイン遺伝子発現量を測定し、運動により特定の脂肪部位からのアディポカイン遺伝子発現量が増加していることが明らかになった。今後さらなる解析により、運動による動脈硬化度低下に関与するアディポカインの同定と分子機序の解明をする。本年度は、有酸素性トレーニングにより全身のどこに蓄積された脂肪から抗動脈硬化作用のあるアディポカインが発現変動するのかを明らかにすることが目的であり、本研究課題から、有酸素性トレーニングにより血管拡張機能の改善とともに特定の脂肪組織から発現変動するアディポカインを複数同定することができたことからも、計画どおりに研究が行われていると考えられる。有酸素性トレーニングにより、特定の脂肪部位からのアディポカイン発現量が変化することが明らかとなったことから、今後は計画通り、動物実験により、有酸素性トレーニングによって脂肪組織からのCTRPs分泌が亢進していることが、動脈硬化度の低下にどの程度寄与しているのかを検討していく。

今後さらなる解析により、運動による動脈硬化度低下に関与するアディポカインの同定と分子機序の解明をする。本年度は、有酸素性トレーニングにより全身のどこに蓄積された脂肪から抗動脈硬化作用のあるアディポカインが発現変動するのかを明らかにすることが目的であり、本研究課題から、有酸素性トレーニングにより血管拡張機能の改善とともに特定の脂肪組織から発現変動するアディポカインを複数同定することができたことからも、計画どおりに研究が行われていると考えられる。有酸素性トレーニングにより、特定の脂肪部位からのアディポカイン発現量が変化することが明らかとなったことから、今後は計画通り、動物実験により、有酸素性トレーニングによって脂肪組織からのCTRPs分泌が亢進していることが、動脈硬化度の低下にどの程度寄与しているのかを検討していく。
アクティブ・フィードバック光ピンセットによるブラウン運動制御とミクロ冷却

本研究では、光ピンセットで微小物体を捕捉した際に微小物体がブラウン運動するのを、アクティブかつ高速に制御することを目的としており、本年度は前年に導入したデフォーマブルミラーに3次元位置信号をフィードバックすることで高精度かつ高速に捕捉対象物の位置安定化の実現を目指した。さらに、光ピンセット光学系の改良に取り組み、粒子の軸方向変位が±1μmを超える場合でも粒子位置の測定ができるように粒子の光軸方向移動に合わせて対物レンズを光軸方向に移動する系を導入した。デフォーマブルミラーを用いたフィードバック系については、制御系の動作に必要なプログラムの連携に手間取り、動作させるところまでに留まったが、ミラー面に垂直入射して使う系を新たに導入することで高精度な制御が行える系を構築できた。フィードバック実験については100Hz程度の繰り返し周波数ながらフィードバック実験を行い、横方向については安定化の効果を確認した。光軸方向制御については、光軸方向位置の測定精度を上げるのに手間取り安定化の確認までは至っていない。また、ポジティブフィードバック方式についても開発し、横方向については効果確認実験を行い、通常の光ピンセットで用いる光強度の20分の1の強度でもトラッピングが行えた。また領域内での共同研究にて、新たに低温チャンバー内で動作する光ピンセット装置の開発を開始し、光学系を開発した。この装置では、低温チャンバー内に対物レンズを入れるのが困難であることから特殊光学系を採用している。現状は集光ビームの開口数が足りないため3次元トラップまでいたっていないが、開口数を上げられれば3次元トラップは可能になると予想している。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では、光ピンセットで微小物体を捕捉した際に起こる微小物体のブラウン運動を、アクティブかつ高速に制御することを目的としており、本年度は3次元位置信号を光ピンセット装置にフィードバックする系を構築した。ブラウン運動を制御するには、時々刻々と変化する捕捉物体の位置を計測し、それを元の位置に戻すフィードバック系が必要であるが、これまで2次元位置のみフィードバックして制御する方法が行われていた。3次元位置信号を得るために本研究では、高開口数の対物レンズを通して観察した対象物の像を16分割検出器で検出し、機械学習の手法を用いて信号処理することで光軸方向の変位情報を得られることを示した。また領域会議において、非点収差を用いても軸方向の変位を計測している情報を得て、系に取り入れることにして、4分割検出器を導入するための改造を行った。一方、光ピンセットへ3次元位置をフィードバックするために、デフォーマブルミラーを導入した。デフォーマブルミラーでは反射面を微小に変形させることで波面を制御し、レーザービームの集光位置を3次元的に変えることができる。同様の制御は空間光変調器で行うことが多いが、デフォーマブルミラーの方が応答速度で勝ることから、デフォーマブルミラーを選択した。また、3次元位置情報からデフォーマブルミラーの制御信号を生成する制御系として、パーソナルコンピューターを介して系を構築し、条件によってフィードバック特性を変えられることが特徴である。デフォーマブルミラーを選定し、系に導入することに時間がかかったが、計測プログラムや制御プログラム等の開発は同時進行しており、動かせばすぐに実証実験に掛れるようになっている。フィードバック系を構築できたので、その実証実験を進めるとともに、対象物の安定性の向上を示し、さらにこれまでトラップが困難であったナノサイズの粒子をトラップできることを確認する。
電子供与性配位子の開発：金クラスターの電子構造・触媒活性に対する効果

本研究で得られた成果は下記の通りである。(1)高分子で保護された直径1.2 nmの金クラスターに対して水素が電子供与性配位子として働くことで、局所表面プラズモン吸収を示すことを見出した。(2)高分子保護の合金クラスターPdAu33の合成に成功し、C=C結合の水素化反応に対する活性が劇的に向上することを見出した。(3)炭素担持金クラスターの表面修飾状態を制御しながら、ベンジルアルコールの空気酸化反応に対する触媒性能を評価した。電子供与性配位子として期待したエチルピロリドンなどの添加効果は観測されなかったが、過剰なチオールを加えた際にも特異な選択性を示す活性サイトが得られた。本研究では、金クラスターに対して電子供与性を示す配位子を探索し、これを金クラスターに吸着して電子を注入することで、活性サイトの面積の減少による活性の低下を補償しながら、高活性と高選択性の両立と制御を目指す。本年度は、下記の成果を得た。【高分子保護金クラスターの表面状態と触媒性能】ポリビニルピロリドン(PVP)保護金クラスターを水中で合成する際に、一旦表面プラズモン吸収が観測され、その寿命が溶存酸素の濃度の増加とともに短くなる現象を見出した。この現象は、還元剤由来の水素原子が金クラスターに対して電子供与体として働き、金クラスターの電子密度を向上させていることを表している。すなわち、水素原子が電子供与性の配位子として働くことを示唆している。また、PVP保護金クラスターの質量分析によって、前駆体由来のハロゲンが残留していることを見出した。金クラスターとハロゲンの電子親和力が同程度となるため、ハロゲンへの電子移動は観測されなかった。また、金クラスターに吸着した塩素は容易に脱離し、アルコール空気酸化反応に対する触媒活性を阻害しないことを見出した。【担持金クラスターの合成】配位子が金属クラスターの触媒性能に対して及ぼす影響を調べるために、炭素担持金25量体クラスターをモデルとして利用する予定である。その準備として、Au25(SR)18と高比表面積炭素材料の大量合成に取り組んだ。また、配位子の表面被覆による金クラスターの活性の低下を補うためにPdを1原子ドープしたAu24Pd(SR)18、および銀の触媒機能を開発するためにAg25(SR)18やAu44(SR)30を合成した。・水素原子が電子供与性の配位子として働く可能性を見出した。水素は極めて小さいので、当初想定していた尿素、アセトン、ホルムアルデヒドなどのカルボニル化合物のように、立体的な阻害をすることなく金クラスターを活性化できる可能性があり、興味深い。さらに、水素は空気にさらすことで容易に脱離することができることから、可逆的に吸脱着が可能な配位子となりうるものと考えられる。・一方、担持金触媒については、白金やパラジウムをドープした合金クラスターの収率が不十分なため系統的な配位子効果の検討ができていないことを除いて、銀クラスターなどの素材クラスターの大量合成のめどが立った。【高分子保護金クラスターに対する水素吸着、パラジウム添加の効果】ポリビニルピロリドン(PVP)で保護された直径1.2 nmの金クラスターがNaBH4の共存下で、局所表面プラズモン(LSPR)吸収を示すことの起源を、X線吸収分光法と紫外可視吸収分光法によるin-situ同時計測によって調べた。その結果、NaBH4との反応で生成した水素が金クラスターに吸着する際に電子供与を供与する結果、LSPRが出現することを突き止めた。また、PVP保護金クラスターに対してパラジウムを1原子だけ添加することに成功し、水素化反応に対する活性が劇的に向上することを見出した。このことは、パラジウム原子が金クラスターの電子構造を変調させていることを示唆している。【担持金属クラスターに対する表面修飾、パラジウム添加の効果】高比表面積炭素上でAg25(SR)18あるいはAg24Pd(SR)18を焼成して担持銀クラスターを調製し、水素化反応に対する活性を比較した。パラジウム1原子の添加によって、銀クラスターが水素化反応に対して活性を示すようになることを見出した。また、担持金クラスターの触媒性能に対する共存配位子が及ぼす影響を調べるために、炭素担持Au144を合成した。計画以上に進捗している部分と計画通り進まなかった部分があるので、全体としては概ね順調に進んでいるものと自己評価をした。計画以上に進捗した部分としては、水素が金クラスターに対して電子供与性の配位子として働くこと、および酸素との反応によって容易に除去できることの発見が挙げられる。また金クラスターや銀クラスターに対してパラジウムを1原子添加することで水素化触媒性能が向上する現象は、パラジウムが直接活性サイトとして働くのではなく電子供与性の配位子と同等の作用をすることを示唆している。一方担持金クラスターの触媒性能の追試のなかで、担体として大量に合成した高比表面積炭素材料が不純物によって汚染されていることが判明したため、この部分については進捗が遅れている。

本研究では、金クラスターに対して電子供与性を示す配位子を探索し、これを金クラスターに吸着して電子を注入することで、活性サイトの面積の減少による活性の低下を補償しながら、高活性と高選択性の両立と制御を目指した。得られた成果は下記の通りである。【金クラスターと水素の相互作用】我々はすでに、ポリビニルピロリドン(PVP)で保護された直径1.2 nmの金クラスターがNaBH4の共存下で、局所表面プラズモン(LSPR)吸収を示すことを報告した。この現象は、NaBH4由来の水素が金クラスターに対して電子供与性の配位子として働くことを示唆している。これを検証するために、ホスフィンで保護されたAu9クラスターにヒドリドを吸着させ、理論計算及び1H-NMRによって水素と金クラスターの相互作用を調べた。その結果、水素は配位子としてではなくむしろ金の等価体として働くこと、さらに吸着した水素は金や銀などの金属と置換が可能であることを見出した。これは、吸着水素を媒介とした、金属クラスターの新しい精密合成法の開発につながるものと評価できる。【担持金クラスターに対する表面修飾】高比表面積炭素上でAu144(SR)60を焼成することで、担持金クラスターAu144/Cを調製した。有機配位子の種類と被覆率を系統的に制御しながら、ベンジルアルコールの空気酸化をモデル反応として性能評価を行った。金属クラスターに対する電子供与性配位子として期待したエチルピロリドンなどの添加効果は観測されなかったが、過剰なチオールを加えた際にも特異な選択性を示す活性サイトが得られることを見出した。本研究で得られた成果は下記の通りである。(1)高分子で保護された直径1.2 nmの金クラスターに対して水素が電子供与性配位子として働くことで、局所表面プラズモン吸収を示すことを見出した。(2)高分子保護の合金クラスターPdAu33の合成に成功し、C=C結合の水素化反応に対する活性が劇的に向上することを見出した。(3)炭素担持金クラスターの表面修飾状態を制御しながら、ベンジルアルコールの空気酸化反応に対する触媒性能を評価した。電子供与性配位子として期待したエチルピロリドンなどの添加効果は観測されなかったが、過剰なチオールを加えた際にも特異な選択性を示す活性サイトが得られた。最終年度には、金クラスターAu25、合金クラスターAu24Pd, Au24Pt,銀クラスターAg25, Ag44などを高比表面積炭素に担持し、酸化や水素化反応に対する各種配位子の効果を調べる。特に、水素の効果に注目する。触媒性能に対する配位子の効果が見られた場合には、EXAFS等で構造を解析し、制御機構を考察する。炭素に担持したAu144クラスターに対して、有機配位子の種類と被覆率を系統的に制御しながら、アルコールの空気酸化をモデル反応として性能評価を行う。得られた結果から、高活性・高選択性の金クラスター触媒の設計指針を提示する。物理化学初年度は、合成が一番困難と予想された合金クラスターの合成に注力したが、収率の劇的な改善が見られなかった。これが原因で、他の金属クラスター触媒との系統的な触媒性能の比較検討を開始できなかったため、物品費の使用が予定より遅れた。高比表面積炭素担持金属クラスターの触媒性能の評価を進めるなかで、再現性の問題に突き当たった。
寄生蜂胚の宿主に対する「分子擬態」解明のための基礎的研究

多胚性寄生蜂の桑実胚は細胞親和的に宿主に侵入する。ここには宿主に自己と見せかける寄生蜂最外膜分子が関与している可能性がある。本研究では、関与する分子を解明するための培養条件下での侵入阻害実験法を開発し、これを用いることにより、E-cadherinとC-type lectinが侵入に関与していることを明らかにした。さらに「分子擬態」に関わる分子として、Cadherin遺伝子ならびに他の関連遺伝子を解析した。研究計画に従い、下記の2点について解析した。1.細胞認識分子候補である糖鎖とレクチン、ならびに細胞接着因子について、分子切断と競合阻害の処理実験による解析をおこなった。寄生蜂桑実胚と宿主胚を共存培養し、以下の操作を行った時の侵入率への影響を調べた。1)糖結合性タンパク質(レクチン)の関与について、糖の環構造の開裂、糖鎖の切断、添加糖による競合、ならびに添加レクチンによる競合実験をおこなった。その結果、過ヨウ素酸ナトリウム、Endo-Hの添加により侵入率の低下が認められた。8種類の糖を用いた競合実験より、フコースの関与が認められた。さらに数種レクチンのうち、AAAの添加による阻害効果が認められた。これらの結果より、寄生蜂胚上のレクチンが宿主胚表面のN型糖鎖上のフコースを認識していることが示唆された。2)細胞認識後に起こる侵入に関わる細胞接着分子について、カルシウムイオンの関与の確認と細胞接着分子の阻害実験により調べた結果、E-カドヘリンを介した認識系が働いていることが示され、電子顕微鏡観察によってもギャップジャンクションの形成など、これを裏付ける結果が得られた。2.侵入時に発現する遺伝子群について、クローニングをおこなうとともに、遺伝子情報を基にした関連分子の候補特定をおこなった。これまでに600以上の遺伝子について塩基配列を決定し、その中には細胞運動、細胞認識、細胞接着をはじめ関連がうかがわれるものが得られた。これらについて遺伝子情報の解析をおこなうとともに、関連遺伝子の探索を進めた。前年度に行った、分子切断と競合阻害の処理実験による解析ならびに電子顕微鏡による寄生蜂と宿主細胞間の微細構造の解析より、本寄生蜂胚の宿主への侵入時に想定される「分子擬態」には、カドヘリン、レクチン等の細胞認識ならびに細胞接着に関わる分子が関わっていることが明らかとなった。そこで、本年度は、侵入時に発現する遺伝子群について、クローニングをおこなうとともに、細胞認識と細胞接着に関連のある遺伝子について遺伝子情報を基にした関連分子の候補特定をおこなった。この解析により、LIMファミリータンパク質、W40ファミリータンパク質などカドヘリンシグナル伝達系に関わる遺伝子の発現が確認された。さらに、データバンク上の多胚性寄生蜂Copidosomafloridanumの塩基配列データの中から、胚子侵入機構に関与が想定される配列を選抜し、それらの特異的プライマーセットを設計した。これとは別に設計したE-カドヘリンのユニバーサルプライマーを合わせ、DNAと桑実胚RNA由来のcDNAを鋳型にしてPCR増幅をおこなった。その結果、カドヘリン2種とインテグリン3種が宿主への侵入時期である桑実胚期の寄生蜂胚で発現していることが明らかとなった。さらにE-カドヘリンの全塩基配列を決定することを目標に、特異的プライマーを設計、KOD plus (TOYOBO)を用いた結果、2,500bp部分を明らかにした。これらの結果より、本寄生蜂による宿主への親和的侵入における「分子擬態」に関わる分子はカドヘリンとレクチンと推定され、カドヘリンについては遺伝子構造の一部を明らかにした。今後、宿主カドヘリン遺伝子との相同性の確認、RNA干渉等による侵入阻害の確認など、異種動物間ではきわめて珍しい分子擬態による親和的侵入機構の全貌解明と応用に向けた研究が期待される。
液体塞栓物質とバルーン拡張型ステントを併用した脳動脈瘤塞栓の基礎研究

30%エタノールの血管壁への影響、安全性について、急性期および亜急性期の成犬の腎動脈の変化を観察した結果、腎動脈撮影上は、いずれの撮影でも血管れん縮は全く起きていなかった。さらに腎動脈撮影直後と3週間後に摘出した腎動脈の病理組織でも血管内皮の損傷を含めた血管壁の変化は、全く認められず、30%エタノールは安全であることが判明した。EVAL(ethylene vinyl alcohol)の血管壁への影響と塞栓効果の観察でも、炎症細胞の浸潤が軽度認められたが、弾性板の断裂はなく、EVALの断片化もほとんど認められなかった。また、血管壁外へのEVALの露出は全く認められず、再開通も認められなかった。つまり、安全性に問題なく、動脈瘤の塞栓物質として適しているということが判明した。成犬の頸動脈にside wall typeの動脈瘤を作成し、マイクロカテーテルを動脈瘤に留置し、バルーン拡張型のステンを用いて動脈瘤の塞栓を行い、急性期、亜急性期の血管撮影を観察した結果、動脈瘤の造影は認められず、塞栓効果は完全であった。病理学的にも炎症細胞の浸潤が軽度認められたが、弾性板の断裂はなく、EVALの断片化もほとんど認められなかった。しかし、脳内の血管を観察すると、EVALが認められることがあり、完全にはEVALの遠位への塞栓を防ぎきれなかった。今後はEVALの重合時間を変化させて遠位血管への塞栓を防ぐ研究を行いたい。30%エタノールの血管壁への影響、安全性について、急性期および亜急性期の成犬の腎動脈の変化を観察した。全麻下の成犬の大腿動脈からマイクロカテーテルを片側の腎動脈に挿入し、注入速度を5,10,20,30秒として、30%エタノール0.6mlを注入し、1,5,10,15,30分後に腎動脈撮影を行い、血管れん縮の有無を観察した。腎動脈撮影上は、いずれの撮影でも血管れん縮は全く起きていなかった。ついで、EVAL(ethylene vinyl alcohol)の血管壁への影響と塞栓効果について観察した。まず、0.6mlのエタノールでマイクロカテーテルを洗浄し、ethanol/EVALを注入し、急性期と亜急性期の成犬の腎動脈の変化を観察した。特に、脳動脈瘤の塞栓に必要な以下の病理所見を主に観察した。1,血管壁への炎症細胞の浸潤の程度2,弾性板の断裂の程度3,腎動脈内でのEVALの断片化の程度4,血管壁外へのEVALの露出の程度5,再開通の有無である。その結果、炎症細胞の浸潤が軽度認められたが、弾性板の断裂はなく、EVALの断片化もほとんど認められなかった。

成犬の頸動脈にside wall typeの動脈瘤を作成し、マイクロカテーテルを動脈瘤に留置し、バルーン拡張型のステンを用いて動脈瘤の塞栓を行い、急性期、亜急性期の血管撮影を観察した結果、動脈瘤の造影は認められず、塞栓効果は完全であった。病理学的にも炎症細胞の浸潤が軽度認められたが、弾性板の断裂はなく、EVALの断片化もほとんど認められなかった。しかし、脳内の血管を観察すると、EVALが認められることがあり、完全にはEVALの遠位への塞栓を防ぎきれなかった。今後はEVALの重合時間を変化させて遠位血管への塞栓を防ぐ研究を行いたい。
家族性小児ウィリス動脈輪閉塞症の原因遺伝子の検索-ポジショナルクローニング結果に基づく原因遺伝子の同定-

本研究計画は家族性モヤモヤ病が染色体17q25領域と連鎖するという我々が見いだした事実をもとに同領域に座位するモヤモヤ病原因遺伝子をクローニングすることを目的としている.3)現在までDNAI2,AANAT, PSR, HN1, HCNGPの遺伝子につきシーケンスを完了しているが,原因遺伝子の発見まで至っていない.研究期間終了後も候補遺伝子につき,機能的に可能性の高いものから順次シーケンスを行い原因遺伝子の同定を目指す予定である.本研究計画は家族性モヤモヤ病が染色体17q25領域と連鎖するという我々が見いだした事実をもとに同領域に座位するモヤモヤ病原因遺伝子をクローニングすることを目的としている.3)現在までDNAI2,AANAT, PSR, HN1, HCNGPの遺伝子につきシーケンスを完了しているが,原因遺伝子の発見まで至っていない.研究期間終了後も候補遺伝子につき,機能的に可能性の高いものから順次シーケンスを行い原因遺伝子の同定を目指す予定である.本研究計画は家族性モヤモヤ病が染色体17q25領域と連鎖するという我々が見いだした事実をもとに同領域に座位するモヤモヤ病原因遺伝子をクローニングすることを目的としている.2)Affected Pedigree Member (APM)法においてもD17S939を中心とする5つのマーカーについて有意なP-value (<1.0x10^<-5>)を得た.3)さらにNon-parametric及びparametric法のcombination法によりD17S785-D17S836の9cMの領域に最大LOD score4.58を得た.これらの結果によりほぼ確実にモヤモヤ病遺伝子が17q25の9cMの領域に存在することが判明した.これらの結果は近くStroke誌に発表の予定である.次年度においてはこの9cMの領域について1)EST searchによる候補遺伝子の絞り込み,2)BAC clones取得とその整列, DNA配列決定,3)候補遺伝子の患者での変異の有無についての検索を順次行う予定である.本研究計画は家族性モヤモヤ病が染色体17q25領域と連鎖するという我々が見いだした事実をもとに同領域に座位するモヤモヤ病原因遺伝子をクローニングすることを目的としている.1)本年度においてはモヤモヤ病家系のmicrosatellite linkage解析にて家族性モヤモヤ病の遺伝子がD17S785-D17S836(17q25)の9cMの領域に存在することを確認Stroke誌に誌上発表を行った.2)さらにこの9cMの領域についてGeneMap99上でEST searchによる候補遺伝子の絞り込みを行い計32の候補となる遺伝子を明らかにした.3)さらに,現在の所最有力な候補として,Sat-1/DTDST/pendrin/DRA/prestinファミリーに属するanion transporterの1つを同領域に見いだした.この遺伝子はイオンチャンネルであり,いくつかの理由から,モヤモヤ病の原因遺伝子としての可能性が高い(本遺伝子の名称と機能については現時点では研究の匿秘性から明らかにできない).次年度は候補遺伝子につき,家系での完全連鎖,変異の有無について順次検討してゆく予定である.本研究計画は家族性モヤモヤ病が染色体17q25領域と連鎖するという我々が見いだした事実をもとに同領域に座位するモヤモヤ病原因遺伝子をクローニングすることを目的としている.研究期間終了後も候補遺伝子につき,機能的に可能性の高いものから順次シーケンスを行い原因遺伝子の同定を目指す予定である.
数値シミュレーションによる北太平洋栄養物質循環の三次元構造と長期変動の解明

本研究の目的は、オホーツク海・ベーリング海・親潮など北太平洋西部亜寒帯海域の「豊かな海の恵み」を生み出す仕組みを明らかにすることである。北西北太平洋における高い生物生産性を解明するためには、海洋の中深層に蓄えられている栄養塩や鉄分がどこで表層に湧き上がり、どの経路を通って西部亜寒帯海域に至るのか、という北太平洋全体の三次元的な物質循環の理解が不可欠である。その解明を目指し、栄養物質循環の数値モデリングを実施する。また、縁辺海を含めた新たな栄養塩データにより長期変動とモデル再現性の評価を行う。数値実験に関しては、オホーツク海・ベーリング海を含む西部北太平洋亜寒帯循環の中解像度のモデル(水平解像度0.5°)を用い、1979年2011年の熱・淡水フラックス、風応力を用いて経年変動実験を行った。モデルは観測されたリン酸塩の変動をよく再現し、大気経年変動の寄与が最も大きいことを示した。これに加え、海洋の中規模渦を解像する高解像度北太平洋物質循環モデルを開発している(水平解像度310km)。これまで中層の鉄濃度が観測よりもかなり低いという問題があった。H30年度は溶存鉄の濃度を決めるリガンド濃度を改良し、中層鉄循環の再現性向上を進めた。栄養塩データ解析については、潮汐の18.6年周期変動に注目して解析を行った。従来の北太平洋表層栄養塩データセットを用いた予備解析結果、千島列島やアリューシャン列島に近いところで、潮汐混合が盛んな時期に、表層栄養塩濃度が上昇するシグナルが得られた。さらに詳しく調べるために、新たに縁辺海を含めた新たな北太平洋長期栄養塩データセットを作成した。なお、予備解析の結果は、国際シンポジウムや国内研究集会で発表された。(1)オホーツク海・ベーリング海を含む西部北太平洋亜寒帯循環の中解像度モデル(水平解像度0.5°)を用い、1979年2011年の熱・淡水フラックス、風応力を用いて経年変動実験を行った。海峡部で鉛直混合を大きくするというパラメタリゼーションを用いた。親潮海域のリン酸塩のデータと比較したところ、10年規模変動については、モデルが観測に対して2年程度の遅延があるものの変動をよく再現した。さらに、大気経年変動の寄与が最も大きいことを示した。(2)北太平洋全域を計算領域とし、オホーツク海では格子間隔が3km7km、西部北太平洋では10kmと、中規模渦を解像する高解像度北太平洋物質循環モデルを開発している。起潮力(K1潮)を陽に導入しているという特徴を持つ。また鉄とリン酸塩に注目する。これまでオホーツク海から北太平洋へと流出する中層の鉄濃度が低すぎるという問題があった。H30年度は溶存鉄の濃度に対して影響の大きいリガンド濃度パラメタリゼーションを改良し、中層鉄循環の再現性向上にめどをつけた。(3)過去に作成した、北太平洋外洋域を対象とした表層栄養塩の観測データセットを用いて、18.6年周期変動に関する予備解析を行った。その結果、千島列島やアリューシャン列島に近いところで、潮汐混合が盛んな時期に、表層栄養塩濃度が上昇するシグナルが得られた。一方、上記のデータセットは、オホーツク海やベーリング海などの縁辺海を除外した北太平洋外洋域を対象としたものだった。そこで、縁辺海を含んだ北太平洋全域の、新たな表層栄養塩のデータセットを新たに作成した。さらに、World Ocean Database2018(H30年度公開)に収録されているデータや、国立環境研究所のボランティアシップやJAMSTECの研究船みらいによる最新の観測結果を加えることで、期間を2017年まで延長した。水平解像度0.5度の北西北太平洋物質循環モデルについては、数値実験をほぼ完了していることから、H31年度には特に数年変動や10年規模変動に注目して解析を進めるとともに、成果の取りまとめを行う。高解像度北太平洋物質循環モデルについては、中層鉄濃度の問題にほぼめどが立ったことから、H31年度はこのモデルに基づいた数値実験を行い、その成果を取りまとめる。具体的には、大気再解析データからモデルに対する強制力(風応力、熱フラックス、降水ー蒸発フラックス)を算出し、1979年以降の経年変動シミュレーションを行う。また、栄養塩の経年変動に対してどの強制力が最も効果的か、を示すための数値実験を行う。また、潮汐混合の栄養塩および鉄への影響を調査するため、起潮力の有り・無し実験を行う予定である。また、新たに作成した栄養塩データセットの解析を進める。このデータセットは、縁辺海を含んでいることから、本領域で注目している千島列島やアリューシャン列島沿いの栄養塩変動を調査することが可能である。また、データの延伸により、長期変化のより精度の高い解析が可能となると共に、季節変化に関しても、より現実的に表現できると予想される。H31年度はこの新たなデータセットを用いて、縁辺海を含む北太平洋全域における表層栄養塩変動を、十年規模変動や18.6年周期変動に着目して調べる予定である。さらに、以上の数値シミュレーション、データ解析の結果を取りまとめ、海洋の中深層に蓄えられている栄養塩や鉄分がどこで表層に湧き上がり、どの経路を通って西部亜寒帯海域に至るのか、という北太平洋全体の三次元的な物質循環の描像を明らかにする。そして、オホーツク海・ベーリング海・親潮など北太平洋西部亜寒帯海域の「豊かな海の恵み」を生み出す仕組みと長期変動メカニズムの解明を目指す。