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自閉症スペクトラム児における知覚情報処理の発達的変化に関する神経生理学的研究

自閉症スペクトラム症(ASD)児及びnon ASD児を対象に、聴覚性驚愕反射(ASR)検査及び単純な聴覚情報処理に関する脳波事象関連電位・脳磁図検査を実施した。ASDではnon ASDに比べ、ASRの潜時が延長、微弱な刺激に対するASRが増大していた。脳波では、自閉症特性が右下前頭回のミスマッチ・ネガティビティの電位源と負の相関を認め、脳磁図定常ガンマ律動検査では、ASD児や自閉症特性の高いnonASD児で、自閉症特性の低いnonASD児に認める右側優位の側性を認めなかった。単純な聴覚刺激を用いた神経生理指標が、ASD児の聴覚情報処理機能の非定型性を評価する上で有用であることが示唆された。これまで、自閉症スペクトラム障害(ASD)児16名およびnon ASD児42名を対象に研究を実施した。神経生理学的検査として、聴覚性驚愕反射(ASR)検査・脳波事象関連電位・脳磁図検査を実施した。ASR検査では、プレパルスは含まず様々な音圧の聴覚刺激を用いた単純なASR課題と、プレパルス・インヒビションや馴化などのASRの制御機構の評価を目的とした課題の2種類の課題を実施した。また、脳波事象関連電位として、ミスマッチ・ネガティビティ検査・ガンマ・オシレーション検査・開閉眼検査も実施した。また、ASD児7名, non ASD児20名に関しては、2年目の評価も行った。さらに、10歳以上の児童(ASD児6名, non ASD児21名)においては、より正確な活動源の推定を試みるために、脳磁図を用いて、ミスマッチ・ネガティビティ検査やガンマ・オシレーション検査も実施した。これら神経生理学的指標と、対人応答性尺度(SRS)で評価される定量的自閉症特性や子どもの強さと困難さアンケート(SDQ)で評価される情緒と行動の問題などの臨床指標との関連についても検討した。単純なASR課題において、ASDではnonASDに比べ、ASRの潜時が延長し、また微弱な刺激に対するASRが増大しており、さらにASRのこれらの指標は、いくつかの自閉症特性と相関を認めた。また、ASDにおいてASRの馴化やPPIの有意な減弱は認めなかったものの、SDQの総得点は、馴化や70dBのプレパルスにおけるPPIと関連を認めるという結果を得つつある。脳磁図検査に関しては、ASDではnonASDで認められる左側優位の側性を認めず、両側性に聴覚野近傍の賦活が亢進しているという結果を得つつある。これらの研究成果を、国内外の学会や英文誌などで報告した。平成24年度は、自閉症スペクトラム障害(ASD)児10名およびnon ASD児34名を対象に研究を実施した。また、脳波事象関連電位として、ミスマッチ・ネガティビティ検査・ガンマ・オシレーション検査・開閉眼検査も実施し、10歳以上の児童(ASD児4名, non ASD児9名)においては、より正確な活動源の推定を試みるために、脳磁図を用いて、ミスマッチ・ネガティビティ検査やガンマ・オシレーション検査も実施した。また、ASDにおいてASRの馴化やPPIの有意な減弱は認めなかったものの、社会的動機づけといった自閉症特性は馴化と、SDQの総得点は、馴化や70dBのプレパルスにおけるPPIと関連を認めた。脳磁図検査に関しては、まだ予備的ではあるが、ASDではnonASDで認められる左側優位の側性を認めず、両側性に聴覚野近傍の賦活が亢進している可能性が考えられた。これらの研究成果を、日本神経科学会・日本生物学的精神医学会・日本生体磁気学会などいくつかの学会で報告した。自閉症スペクトラム症(ASD)児20名およびnon ASD児45名を対象に研究を実施した。

ASR検査では、プレパルスは含まず様々な音圧の聴覚刺激を用いた単純なASR課題と、プレパルス・インヒビションや馴化などのASRの制御機構の評価を目的とした課題の2種類を実施した。脳波事象関連電位として、ミスマッチ・ネガティビティ(MMN)検査・定常ガンマ律動検査・開閉眼検査も実施した。ASD11名、nonASD23名に関しては、2年目の評価も行った。10歳以上の児童(ASD8名・non ASD22名)においては、より正確な活動源推定のため、脳磁図を用いて、MMN検査や定常ガンマ律動検査も実施した。これら神経生理学的指標と、対人応答性尺度(SRS)で評価される定量的自閉症特性や子どもの強さと困難さアンケート(SDQ)で評価される情緒と行動尾問題などの臨床指標との関連についても検討した。単純なASR課題において、ASDではnon ASDに比べ、ASRの潜時が延長し、また微弱な刺激に対するASRが増大しており、さらにASRのこれらの指標は、いくつかの自閉症特性と相関を認めた。また、ASDにおいてASRの馴化やPPIの有意な減弱は認めなかったが、SDQ総得点は、PPIと関連を認めた。脳波においては、定量的自閉症特性が右下前頭回におけるMMNの電位源と負の相関を認め、脳磁図検査に関しては、ASD児や自閉症特性の高いnonASD児では、自閉症特性の低いnonASD児で認められる左側優位の側性を認めなかった。聴覚性驚愕反射およびその制御機構が、ASDの自閉症特性や情緒の問題などの臨床指標と関連する可能性が考えられた。また、単純な聴覚誘発反応を用いた脳波・脳磁図による指標が、ASD児の聴覚情報処理機能の非定型性を評価する上で有用である可能性が考えられた。児童精神医学概ね順調に被験者のリクルートを行えている。また、聴覚性驚愕反射(ASR)検査・脳波事象関連電位・脳磁図検査といった複数の神経生理学的検査を実施できており、国内外の学会や英文誌などで研究成果を発表できている。特にnonASD児を中心に、概ね順調に被験者のリクルートを行えている。また、聴覚性驚愕反射(ASR)検査・脳波事象関連電位・脳磁図検査といった複数の神経生理学的検査を実施できている。平成24年度・25年度にリクルートした被験者を対象に、平成26年度以降も1年ごとに同様に研究を進め、先述の神経生理学的検査、臨床検査を実施することで、経時的な変化を評価する。新規の被験者に関しては、ASD児を中心に募集を行う。脳波や脳磁図の解析に関しては、ICA法やsLORETA法、MNE法、時間周波数解析など複数の解析方法を試み、研究成果に関しては、学会や論文で発表を行っていく。平成24年度にリクルートした被験者を対象に、平成25年度以降も1年ごとに同様に研究を進め、先述の神経生理学的検査、臨床検査を実施することで、経時的な変化を評価する。
地すべりや斜面崩壊等の間欠的な土砂移動による地形形成プロセス

表面流によって侵食と堆積を受ける平坦な斜面上に,規則的な間隔で発生する水路群(ガリ群)の形成理論を提案するとともに,理論を任意形状の斜面に拡張し,形状に関わらず水深の1000倍程度の間隔で水路群が形成されることを示した.また水路分岐の物理モデルを提案し,周囲から集まる流量が減少すると,水路頭部は擾乱に対して不安定となり分岐することを明らかにした.この結果は宗谷丘陵における現地観測によって裏付けられ,水路形成には地下水や斜面崩落も重要であることが判った.浸透流によって斜面下流端に発生する水路群の形成過程を明らかにするために模型実験を行い,水路間隔を決定する要因は流量および斜面勾配,浸透層厚であり,それらが大きくなると水路間隔も大きくなることを明らかにした.地震で発生した斜面崩壊について現地調査および室内土質試験を実施し,地すべり発生時の地盤状況,崩壊土の物理的・力学的特性が明らかとなった.また,流体解析を用いて崩壊土砂の移動量を再現した.斜面のような不飽和地盤における3相系(土骨格・間隙水・間隙空気)の動的・大変形挙動を解析的に明らかにするために,多孔質・有限変形理論に基づいた有限要素解析手法を提案し,不飽和地盤の自重・圧密・浸透・動的解析を行い,不飽和地盤である斜面の外力による崩壊過程を明らかにした.Dev確率分布を用いて求めた極値降雨再現期間の空間分布から東北地方を例に斜面災害発生確率の空間分布を求めた.さらに土砂災害実績を利用して融雪に起因する土砂災害発生確率モデルおよびリスクモデルを構築するとともに結果を分布図として示し,実績と良好に整合することを示した.また多雪年および小雪年,温暖化の場合について,時系列的な融雪変化による土砂災害のリスク変化を示した.さらに,土砂崩壊発生確率モデルと経済損失額モデルを用いて,土砂災害リスクの地域分布を明らかにした.表面流によって侵食と堆積を受ける平坦な斜面上に,規則的な間隔で発生する水路群(ガリ群)の形成理論を提案するとともに,理論を任意形状の斜面に拡張し,形状に関わらず水深の1000倍程度の間隔で水路群が形成されることを示した.また水路分岐の物理モデルを提案し,周囲から集まる流量が減少すると,水路頭部は擾乱に対して不安定となり分岐することを明らかにした.この結果は宗谷丘陵における現地観測によって裏付けられ,水路形成には地下水や斜面崩落も重要であることが判った.浸透流によって斜面下流端に発生する水路群の形成過程を明らかにするために模型実験を行い,水路間隔を決定する要因は流量および斜面勾配,浸透層厚であり,それらが大きくなると水路間隔も大きくなることを明らかにした.地震で発生した斜面崩壊について現地調査および室内土質試験を実施し,地すべり発生時の地盤状況,崩壊土の物理的・力学的特性が明らかとなった.また,流体解析を用いて崩壊土砂の移動量を再現した.斜面のような不飽和地盤における3相系(土骨格・間隙水・間隙空気)の動的・大変形挙動を解析的に明らかにするために,多孔質・有限変形理論に基づいた有限要素解析手法を提案し,不飽和地盤の自重・圧密・浸透・動的解析を行い,不飽和地盤である斜面の外力による崩壊過程を明らかにした.Dev確率分布を用いて求めた極値降雨再現期間の空間分布から東北地方を例に斜面災害発生確率の空間分布を求めた.さらに土砂災害実績を利用して融雪に起因する土砂災害発生確率モデルおよびリスクモデルを構築するとともに結果を分布図として示し,実績と良好に整合することを示した.また多雪年および小雪年,温暖化の場合について,時系列的な融雪変化による土砂災害のリスク変化を示した.さらに,土砂崩壊発生確率モデルと経済損失額モデルを用いて,土砂災害リスクの地域分布を明らかにした.平坦な斜面上に表面流が発生すると斜面方向に平行に規則的な間隔を持った水路群が発生する.このような規則的パターンの形成は流れと地形変化の間の相互作用に起因しており,その発生機構については線形安定性理論により説明されている.これまでの理論は粘着性の強い斜面構成材料を対象に侵食のみを考慮したものであったが,粘着性の弱い火山灰のような斜面構成材料の場合にも適用できるよう堆積の影響まで考慮した理論を構築した.さらに理論を,任意形状を有する斜面に拡張し,水路群形成以前の斜面形状に関わらず,水深の1000倍程度の間隔で水路群が形成されることを理論的に示した.また北海道宗谷岬において現地調査を行い,ガリの発達を支配するのは水路頭部における表面流だけでなく,地下水によるパイピングや斜面崩落であることを明らかにした.2003年三陸南地震および宮城県北部地震で発生した2つの斜面崩壊に関して,現地調査および室内土質試験を実施した.調査の結果,地すべり発生当時の現地の地盤状況,崩壊土の物理的・力学的特性が明らかとなった.また,これらの調査結果をもとに,斜面崩壊の発生メカニズムを,有効応力解析を用いて検討した.この結果,前震や降雨が斜面崩壊の発生に影響を与えたことを明らかにした.さらに,斜面崩壊後の現象を対象として,流体解析を用いて崩壊土砂の移動量を再現した.Dev確率分布を用いて極値降雨の再現期間を求めた.この降雨極値とメッシュ気候値の相関を地域別に調べ,極値降雨再現期間の空間分布を求めた.これを福島県の斜面災害実績と比較し,ロジスティック回帰分析により,斜面災害発生確率と再現期間の関係を求めた.

この関係を用いて,再現期間毎の東北地方の斜面災害発生確率空間分布を求めた.泉は,従来のガリ形成理論を拡張し,ガリ頭部の分岐メカニズムを説明するモデルを提案した.斜面の端部が流水によって侵食される際,斜面上には等間隔で平行に並んだガリが形成される.このガリの形成間隔スケールは従来のガリ形成理論によって説明されていたが,ガリ頭部を平坦な地面に空けられた開口部で近似的にモデル化してガリ形成理論を適用することによって,ガリ頭部が侵食の擾乱に対して不安定となり,分岐現象が発生することを明らかにした.このような分岐が繰り返されることによって複雑な峡谷地形が形成されることが示唆された.渦岡は,斜面のような不飽和地盤における3相系(土骨格・間隙水・間隙空気)の動的・大変形挙動を解析的に明らかにすることを目的として,多孔質・有限変形理論に基づいた3相系支配方程式の有限要素解析手法を提案した.土骨格の加速度に対する間隙流体の相対加速度は十分に小さいと仮定し,種々の構成式を用いて土骨格の配置を基準とした支配方程式を誘導した.現配置における弱形式をNewton法で解くため,基準配置における弱形式の線形化を行った後,現配置における線形化された弱形式を誘導した.土骨格に超弾性モデル(圧縮性neo-Hookean)を適用し,作成した解析コードを用いて不飽和地盤の自重・圧密・浸透・動的解析を行い提案手法の検証を行った.風間は,土砂災害実績を利用して,融雪に起因する土砂災害発生確率モデルおよびリスクモデルを構築し,結果を分布図として示した.実績との比較により,モデルにより導かれた結果は災害実績を有する地域で高い発生確率を示し実績と整合することが明らかとなった.また,多雪年および小雪年,さらに地球温暖化へ対応するケースを考慮して日平均気温が1°C上昇した場合について検討し,時系列的な融雪変化における道路に接する場所での土砂災害のリスク変化を示した.浸透流によって斜面下流端に発生する間欠的な斜面崩壊によって発生するガリ(初期水路)の形成過程を明らかにするために,模型実験を行った.実験によって,ガリのスケールを決定する要因は,流量および斜面勾配,浸透層厚であり,それらが大きくなるとガリのスケールも大きくなることが示された.水路は侵食の進展とともに上流側へ発達するが,その際,ガリ谷頭部(水路頭部)が複数の支流に分岐することがある.このような分岐を繰り返すことによって複雑な水路網が形成されていく.水路頭部を円形の開口部で近似し,その周囲に微小擾乱を与え,その後の発達を調べる線形安定解析の手法を用いることによって,水路分岐の力学的な機構を明らかにした.水路頭部は,周囲に集まる流量が減少し水深がある限界値より小さくなると,擾乱に対して不安定となり,分岐することが明らかとなった.またこのことは宗谷丘陵における現地観測結果によって裏付けられた.地震動などの外力が加わると土の液状化によって盛土の崩壊が発生する.これまで繰返し三軸試験などによって不飽和土の液状化特性が調べられており,不飽和土の液状化強度の方が飽和土のそれより大きくなることが分かっている.そこで,土骨格・間隙水・間隙空気を扱った多孔質体理論と簡易な弾塑性構成式を用いて,実際の不飽和土の液状化現象を再現できる数値モデルを開発した.これによって外力によって発生する斜面崩壊等の詳細なモデル構築が可能となる.積雪の多い地域では,融雪は大量の表面流や浸透流を発生させるため土砂災害の原因ともなっている.
固体酸化物中の拡散制御に関する電子論的研究

本研究では、電池材料・不動態膜などで重要な固体酸化物中の金属イオンや酸素イオンの原子拡散ついて電子論的手法(密度汎関数法)により、理論的研究を行った。Al2O3中のAlの拡散については、SiやTiを添加した場合についてこれら元素の近傍で2eV程度エネルギーが低下し、拡散において非常に重要であることが示唆された。一方、LaSi酸化物中の酸素拡散について、従来の測定結果をよく説明する拡散障壁値が得られ、その拡散機構を明らかすることができた。この研究では、近年環境エネルギー問題の観点などからも関心の高い固体酸化物について、その内部で起こる原子拡散を第一原理理論により電子論的に追跡し、拡散機構の裏にある電子状態・各種化学結合の役割を明確にする。さらに酸化物に導入されるドーパントのイオンと拡散する原子との相互作用と拡散への影響を理論計算により導き出す。これによって酸化物全般にわたる拡散の微視的理論の構築を目指し、拡散の制御へと結びつく知見を求めるものである。金属酸化物の多くは、より大きなイオン半径を持つ酸素イオンの最密充填構造の隙間に、より小さな半径を持つ金属イオンが収まった構造をとっており、酸素イオンの拡散は、空孔機構によるものが普通である。しかし今回、研究を行ったLa9.33Si_6O_<26>(Laアパタイト)に見られる酸素イオン拡散は、格子間機構によるとされている。第一原理計算から導かれた格子間機構による拡散障壁は、1.16-1.24eVであり、観測されている熱活性化エネルギー0.51-0.80eVよりかなり大きい。これに対し、格子間酸素を仮定した計算値は0.52eVと実験とよい一致を示している。ただし、格子間酸素の拡散は、実は、格子間機構ではなく準格子間機構によることが導かれた。我々のモデルでは、電気的中性条件から仮定されているLa原子の空孔の存在を陽に仮定しているが、エネルギープロファイルの解析結果は、この空孔と格子間酸素との相互作用が活性化障壁の大きさに対し本質的であることを示している。さらに準格子間機構による拡散を可能にしているのは、結晶内にあるSiO_4クラスタであることも明らかになった。陰イオン子の拡散現象として、昨年度、La9.33Si6026(Laアパタイト)に見られる酸素イオン拡散の機構モデルを提案し、準格子間拡散機構が活性化エネルギーに関する実験事実を再現することを示した。そして、拡散の活性化エネルギーはLa空孔によって強く支配されていることを示した。これを受けて、元素置換によりLa空孔が活性化エネルギーへの影響にどのように変化するかについて理論的な検討を開始した。これまでに活性化エネルギーを導出することができ、データの詳細解析・解釈を進めている。また、陽イオンの拡散現象として、金属材料の耐環境性能に大きく影響する酸化物の生成過程に深く関係しているAl203中のAl拡散について、空孔機構モデルと(準)格子間機構モデルによる安定原子配置と欠陥の形成エネルギーの評価を行った。また拡散経路・活性化エネルギーの導出を行い、従来の計算結果とほぼ同様な結果が得られた。実際の状況との比較を行うためにこれらの結果の統計熱力学的処理を進めつつある。陰イオンの拡散現象として、La9.33Si6O26(Laアパタイト)に見られる酸素イオン拡散を研究し、これまでに、準格子間拡散機構が活性化エネルギーの実験値を再現し、拡散の活性化エネルギーはLa空孔に強く支配されていることを示した。これを受け、元素置換の影響について理論的な検討した。未置換系ではLa空孔により高い拡散障壁が形成されることから、元素置換でLa空孔を消滅すれば低障壁が期待される。本年度(24年度)、Siを一部Alで置換した系で、格子間酸素の安定位置を広範囲に探索し直した結果、格子間酸素安定位置が変わり、拡散機構も格子間拡散を基本とするように変化することが示された。このことは、アパタイト型酸化物では、置換された物質は全く異なる物質として捉えないといけないことを表している。

また、陽イオンの拡散現象として、金属酸化物の生成過程に深く関係しているAl2O3中のAl拡散について、これまでに安定原子配置と欠陥形成エネルギーの評価、拡散経路・活性化エネルギーの導出を行い、従来の計算結果とほぼ同様な結果が得られた。その後、ドーパントと拡散Alとの相互作用をSiやTiを用いて理論的に評価した。ところが、Alの拡散係数について、ドーパントの有無に依存しないという実験結果が見出された。これを定量的に説明しうる拡散モデルを種々検討したが、説明には至っていない。本研究では、金属酸化物中の拡散について第一原理理論に立脚した理論モデルの提案を行うこととしており、特に他の欠陥と真性欠陥との相互作用に着目している。真性欠陥の微視的モデルから相互作用モデルの検討へと順調に進ん24年度が最終年度であるため、記入しない。陰イオンの拡散について、元素置換の効果の統計力学的解析により熱力学的評価を進め、拡散制御法に関する知見獲得を目指す。また、陽イオン拡散と他欠陥との相互作用評価により、酸化物生成機構に関わる実験結果を説明するモデルの検討を行う。24年度が最終年度であるため、記入しない。
非線形拡散方程式の爆発問題と拡散係数

本研究では非線形熱方程式の解の爆発問題と拡散係数の関係を調べた.特に,拡散係数が十分に小さい状況を考え,解の爆発集合の特徴付けを行った.初年度の研究では,拡散係数が十分に小さい場合の研究を応用し,円環領域における非線形熱方程式の球対称境界爆発解の非存在を示した.最終年度の研究では,指数型非線形項を含む一般の非線形熱方程式の爆発問題に関する研究を行った.特に拡散係数が十分に小さい状況下での爆発集合の特徴付けを行った.本研究では非線形熱方程式の解の爆発問題と拡散係数の関係を調べた.特に,拡散係数が十分に小さい状況を考え,解の爆発集合の特徴付けを行った.初年度の研究では,拡散係数が十分に小さい場合の研究を応用し,円環領域における非線形熱方程式の球対称境界爆発解の非存在を示した.最終年度の研究では,指数型非線形項を含む一般の非線形熱方程式の爆発問題に関する研究を行った.特に拡散係数が十分に小さい状況下での爆発集合の特徴付けを行った.半線形熱方程式の解の爆発現象は有限時間で解が存在し得なくなるという非線形問題特有の現象であり、解の爆発集合の研究は、爆発現象のメカニズムを明らかにする上で重要な問題の1つである。本研究では、拡散係数が十分に小さな状況下での半線形熱方程式の解の爆発集合の位置の特徴付けを行った。平成24年度の研究では、拡散係数が十分に小さな状況下での研究結果を応用し、零ディリクレ境界条件下での半線形熱方程式の境界爆発解の非存在を示した。境界爆発解の非存在に関する問題は領域の形状や非線形性などの様々な要因が複雑に絡み合う問題であり、その解析は一般には難しい。本年度の研究では、円環領域上における冪乗型非線形熱方程式の球対称解を考え、更には比較原理と拡散係数が十分に小さい場合の研究結果を応用することにより、境界爆発解の非存在を示すことができた。特に、円環領域の内側の境界で解が爆発するか否かは、既存の方法では示すことができなかったが、爆発解の増大度およびその微分に関する適切な評価を導くことにより、その困難を克服することができた。これらの評価を導く際には、冪乗型非線形熱方程式のLiouville型定理、すなわちある状況下における非自明な全域解の非存在に関する定理を用いた。さらにこれらの議論を応用することにより、解の微分に関する評価が得られていない場合でも、解が最適な爆発評価を満たす場合には境界爆発解が存在しないことも示すことができた。今年度の研究では、指数型非線形項を含む種々の非線形熱方式を扱うための研究を行った。前年度の研究で、拡散係数が十分に小さい場合の研究の重要性を認識することができ、実際に境界爆発解の非存在への応用が可能であることが明らかとなった。そこで、種々の非線形熱方程式の爆発問題を扱うための手がかりとして、一般の非線形性を有する非線形熱方程式の拡散係数が十分に小さい状況下での爆発問題を研究した。特に、拡散係数が十分に小さい場合には解は初期値関数の最大点近くでのみ爆発することが分かった。一般の非線形熱方程式を扱う上で困難となるのが、スケール性の欠如である。冪乗型非線形項や指数型非線形項などの特殊な形を除くと、一般の非線形熱方程式を扱うとき、方程式に対するスケール不変性が失われ、爆発問題の解析が困難となる。そこで本年度の研究では、冪乗型非線形項および指数型非線形項を持つ熱方程式に対する解のスケール変換を参考にし、一般の非線形熱方程式に対するスケール変換を導入した。当然のことながらスケール不変性は期待できないため、方程式の形は変わってしまうが、実際に拡散係数が十分に小さい状況を考えている上では、その変化は解析に影響を与えないことも分かった。本研究の特筆すべき点は指数型非線形項を持つ熱方程式を扱える点であり、冪乗型非線形項とは本質的に異なる方程式を扱うことができた点である。これにより、今後の研究の更なる進展が期待できる。主な手法は比較原理であり、適切な優解および劣解を構成することである。25年度が最終年度であるため、記入しない。冪乗型の非線形項のみならず、指数型非線形項を含む種々の非線形熱方程式を扱えるように研究を進めていく。
筋小胞体Ca^<2+>-ATPaseの部位特異的変異による作動機構の解析

筋小胞体Ca^<2+>-ATPaseはATPの加水分解に共役して、Ca^<2+>を細胞質から小胞体内腔へ輸送する。その触媒過程では、ATPのγ-リン酸基がAsp351に転移してリン酸化中間体(EP)が形成し、その異性化と加水分解が順次起こる。本研究では、本酵素の構造と機能について、次のような成果を得た。1.Asp351近傍のSH_D(Cys344 & Cys364)をN-エチルマレイミド修飾するとEPの異性化がブロックされるが、水の活動度を下げて触媒部位からの水分子の排除を促進すると、SH_D修飾酵素でもEPの異性化が生起することを発見した。これにより、EPの異性化に必須である触媒部位からの水分子排除にSH_D領域は重要であることを明らかにした。2.本酵素の細胞質領域は3つのドメイン(リン酸化-、ATP結合-、及びA-ドメイン)からなる。これまで機能が不明であったAドメインについての部位特異的変異により、このドメイン中のArg198はEPの迅速な加水分解に必須であり、加水分解時にはリン酸化部位のごく近傍に位置することを明らかにした。3.Aドメイン中のHis5とその近傍領域は、EP加水分解時にリン酸化部位近傍に位置すること、この領域は小胞体による品質管理に感受性が高く、細胞内でCa^<2+>-ATPase蛋白が正常で安定な高次構造を形成し発現するために必須であることを、部位特異的変異と細胞内における蛋白発現・分解の解析により、明らかにした。4.Trypsin、proteinase K、及びV8-proteaseによる切断実験により、EPの異性化に伴いCa^<2+>-ATPaseはこれらproteasesに対し強く抵抗性のコンパクトな構造となること、この構造は細胞質の3つのドメインが集まった構造であることを明らかにし、ATP加水分解過程で細胞質の3つのドメインが大きく動くことを明らかにした。1.筋小胞体Ca^<2+>-ATPase(SERCA1a)の細胞質小ループのArg198の部位特異的変異による機能解析Arg198を部位特異的変異により種々のアミノ酸で置換したSERCA1a変異体をCOS-1細胞で発現させ、ミクロソーム画分に回収して速度論的解析を行なった。その結果、Arg198の高い親水性と正電荷がリン酸化中間体の迅速な加水分解に必須であることを明らかとした。2.SERCA1aのN末端細胞質領域のHis5とその近傍残基の部位特異的変異による機能解析N末端領域(Glu2-Ala14)のアミノ酸残基を部位特異的変異により削除または置換したSERCA1a変異体をCOS-1細胞で発現させ、ミクロソーム画分に回収し、蛋白発現と機能について解析した。その結果、Ala3-Ser6はCa^<2+>輸送機能には必須でないこと、しかし、Ala3-Thr9は、蛋白の品質管理システムに感受性が高く、従ってこの領域はSERCA1a蛋白の正しいfoldingにきわめて重要であることを明らかとした。3.筋小胞体Ca^<2+>-ATPaseの細胞質大ループに存在するSH_D(Cys344とCys364)領域の機能解析リン酸化部位Asp351を囲むSH_D(Cys344とCys364)をN-エチルマレイミドで修飾すると、リン酸化中間体のADP感受型から非感受方への異性化がブロックされる。

本研究では、水の活動度を下げると、この異性化が進行し、かつPiからの逆反応によってもADP非感受型リン酸化中間体が形成することを発見した。そしてSH_D領域は、触媒部位における水分子の排除と再流入に重要で、触媒サイクルの回転に必須な役割を果たすことを明らかとした。筋小胞体Ca^<2+>-ATPaseはATPの加水分解に共役して、Ca^<2+>を細胞質から小胞体内腔へ輸送する。その触媒過程では、ATPのγ-リン酸基がAsp351に転移してリン酸化中間体(EP)が形成し、その異性化と加水分解が順次起こる。本研究では、本酵素の構造と機能について、次のような成果を得た。1.Asp351近傍のSH_D(Cys344 & Cys364)をN-エチルマレイミド修飾するとEPの異性化がブロックされるが、水の活動度を下げて触媒部位からの水分子の排除を促進すると、SH_D修飾酵素でもEPの異性化が生起することを発見した。これにより、EPの異性化に必須である触媒部位からの水分子排除にSH_D領域は重要であることを明らかにした。2.本酵素の細胞質領域は3つのドメイン(リン酸化-、ATP結合-、及びA-ドメイン)からなる。これまで機能が不明であったAドメインについての部位特異的変異により、このドメイン中のArg198はEPの迅速な加水分解に必須であり、加水分解時にはリン酸化部位のごく近傍に位置することを明らかにした。3.Aドメイン中のHis5とその近傍領域は、EP加水分解時にリン酸化部位近傍に位置すること、この領域は小胞体による品質管理に感受性が高く、細胞内でCa^<2+>-ATPase蛋白が正常で安定な高次構造を形成し発現するために必須であることを、部位特異的変異と細胞内における蛋白発現・分解の解析により、明らかにした。4.Trypsin、proteinase K、及びV8-proteaseによる切断実験により、EPの異性化に伴いCa^<2+>-ATPaseはこれらproteasesに対し強く抵抗性のコンパクトな構造となること、この構造は細胞質の3つのドメインが集まった構造であることを明らかにし、ATP加水分解過程で細胞質の3つのドメインが大きく動くことを明らかにした。
“G_1期造血幹細胞"の分泌する細胞増殖抑制因子の精製と作用機序の解析

(1)マウス造血幹細胞の精製方法を確立し、2種類(G_0期幹細胞とcycling phase幹細胞)に分けることができる。(2)マウス造血幹細胞の中で、cycling phaseの幹細胞が強力な細胞増殖抑制機能を有する。さらにこの細胞は、液性因子を分泌している。(4)モンキ-やヒトにも、造血幹細胞分画に同様の細胞が存在する。(5)ILー3R^+WGA^+細胞をNSー1とfusionさせ、細胞増殖抑制因子を分泌するhybridomaを樹立することに成功した。(6)この液性因子の分子量は約20,000の蛋白である。今後の目標としては、細胞増殖抑制因子を分泌するhybridomaが樹立されたので、この細胞上清より、液性因子を精製し、この因子をcodeしている遺伝子を決定する。この因子に対するreceptorを同定し、このreceptorを介してのsignal transductionの機構を明らかにし、細胞増殖のswitch on or offのメカニズムを解明する。さらに、この液性因子産生細胞の生物学的役割(例えば、血球分化のfeed back機構等)を、明らかにする。
マルテンサイト変態前駆現象の研究

本年度は、Cu-Al-Ni合金におけるMs温度を示差比熱測定により決定し、アコ-スティックエミッションは確かにMs温度以上でも観測されることをかくにんした。従ってMs温度以上におけるアコ-スティックエミッションはマルテンサイト変態の前駆現象の性格を持つことを確認した上で、試料温度を一定に保ったときの観測頻度の時間変化を測定した。その結果、Ms温度以上に於けるアコ-スティックエミッションもMs温度以下で現われるアコ-スティックエミッションと全く同様に試料温度を一定に保つとその観測頻度は時間の経過と共に減少することをたしかめた。さらに、超音波共鳴法によりMs温度以上領域における弾性係数の時間経過による変化も測定し、弾性係数の変化も試料温度を一定に保持した場合にはアコ-スティックエミッションと同様に時間経過とともに減少することを確かめた。以上の結果、マルテンサイト変態の前駆現象は二次相変態に於ける前駆現象とは全く異なる性格を持つ事が明らかになった。これはMs温度に於て初めてマルテンサイト相が現われるのではなく、Ms温度以上に於てもマルテンサイト相核は存在する事を意味するものである。マルテンサイト前駆現象およびそれと関係の深い現象の研究者の参加を要請し筑波大学において開催した研究会において、これらの結果を報告し参加者の意見をもとめた。マルテンサイト前駆現象が熱力学的揺らぎよりむしろ静的性格を持つことについては、本研究ばかりではなく一般的実験事実として認められつつある事が確認された。今後の問題は、マルテンサイト前駆現象の原因となっているマルテンサイト核の存在を可能にするには大きなエントロピ-の存在が必要であるが、それがどんな機構により達成されているかである。本研究はソフトモードによらない無拡散構造相変態を可能にする動的双晶境界とも云える一般化したソリトンの存在を,超音波減衰,アコーステイックエミッションの測定及びX線散漫散乱の測定から実験的に確認することを目的としている.本年度は,この目的を達成するための裝置の整備,試料の準備及びアコーステイックエミッションと微視的機構との関連を与える数値計算モデルを作り上げることを目標に作業を行なった.マルテンサイト変態合金InーTlのX線散漫散乱の測定準備は,大塚,大嶋の担当により行なわれた.試料の単結晶性のチェックをすませ,少くとも部分的には充分熱散漫散乱の測定を可能に出来る試料部位が存在することを確認した.温度を0.01°Cまで一定に保持できる温度コントロールユニットは組立てを終わり動作確認をすませた.超音波減衰,アコーステイックエミッションの測定準備及び測定結果解析のための数値計算モデルの作成は鈴木,小島の担当により行われた.セルラーオートマタを用いた数値計裁モデルにより,マルテンサイト変態にともなう電気抵抗の変化,アコーステイックエミッショの単位時間当りのカウント数と温度及び温度変化の割合との関係を求めることが出来た.さらに,このモデルを用いて,アコーステイックエミッションのスペクトル分布と温度の関係を求める計算は目下進行中である.アコーステイックエミッション測定のための試料保持裝置のテストを終え,測定用裝置の製作を目下進めている.マルエンサイト変態前駆現象のうち、特にX線散漫散乱とアユースティックエミッションの測定に重点をおき研究を進めている。マルエンサイト変態にともなうアユースティックエミッションを確認するために、示差熱分析により試料のマルテンサイト変態開始温度Msを確定してから、アユースティックエミッションの温度依存性を測定した。Ms以下におけるアユースティックエミッションは、Ms以上におけるそれよりもはるかに強いが、アユースティックエミッション信号のスペクトル分布には明らかな相違を認める事はできなかった。Ms以下の温度領域におけるアユースティックエミッションは、試料の温度を充分長い時間保持するとアユースティックエミッションが観測されなくなる事を確かめた。Ms以下の温度領域におけるアユースティックエミッションは熱力学的非平衡状態における雑音であることを上の実験事実は示している。したがって、本研究の目的とするマルテンサイト変態前駆現象の研究の一環としてのアユースティックエミッション研究の主眼は、Ms以上の温度領域におけるアユースティックエミッションが充分長い時間温度を一定に保った時に観測されなくなるかどうかを確立することである。Ms以上の温度領域ではアユースティックエミッションの強度が、Ms以下のそれらに較らべてはるかに弱くなるばかりでなく頻度もはるかに減少するので、上記の時間依存性を検証する事はかなり困難をともなうが、前駆現象としてのアユースティックエミッションが熱力学的平衡状態を持長づけるものかあるいは非平衡状態を特長づけるかを決定するために重要で来年度研究の焦点となる。アユースティックエミッション測定と平行して行なっているX線散漫散乱測定においても、時間依存性の測定が重要であることが、本年度研究の進展から明らかになった。

さらに、超音波共鳴法によりMs温度以上領域における弾性係数の時間経過による変化も測定し、弾性係数の変化も試料温度を一定に保持した場合にはアコ-スティックエミッションと同様に時間経過とともに減少することを確かめた。以上の結果、マルテンサイト変態の前駆現象は二次相変態に於ける前駆現象とは全く異なる性格を持つ事が明らかになった。これはMs温度に於て初めてマルテンサイト相が現われるのではなく、Ms温度以上に於てもマルテンサイト相核は存在する事を意味するものである。マルテンサイト前駆現象およびそれと関係の深い現象の研究者の参加を要請し筑波大学において開催した研究会において、これらの結果を報告し参加者の意見をもとめた。マルテンサイト前駆現象が熱力学的揺らぎよりむしろ静的性格を持つことについては、本研究ばかりではなく一般的実験事実として認められつつある事が確認された。今後の問題は、マルテンサイト前駆現象の原因となっているマルテンサイト核の存在を可能にするには大きなエントロピ-の存在が必要であるが、それがどんな機構により達成されているかである。
骨誘導因子(BMF)の発生生物学的研究

6年前からBMPの抽出・精製を進め、又BMGの骨誘導に関する組織変化を調べてきた。従来から知られていたBMGの生体内移植での骨誘導はなぜ筋組織に移植したときもっとも高率で骨形成が生ずるのかを、主として電子顕微鏡で追跡し、筋組織の崩壊に加え、基底膜の消失と筋衛星細胞の活性化、そして軟骨又は骨形成に連続する一連の変化からin vivoで(Okamotoら、1991)、in vitroで(Horisakaら,1991)ともに筋組織中の筋衛星細胞と線維芽細胞とが骨原性の細胞に分化転換して軟骨あるいは骨を形成することを明らかにした。また、精製した水不溶性BMPをHydroxyapatiteに吸収させ骨膜下に移植することにより、外傷のない骨表面に多量の軟骨・骨を実験的に形成させることに成功し、本研究室で精製したBMPの移植効果とそのcarrierについての方法を確立した(Horisakaら,1991)。加えて新しく得られた水可溶性BMPの活性検定も行っている。また、BMPあるいはBMGの生体内移植による骨誘導ではいわゆる軟骨・骨形成に先行して無細胞性の石灰化が生ずること、そしてこれが破骨細胞に吸収された後に、通常の細胞性の石灰化が生じて骨形成に至ることを見出し(Yamashitaら,1991)、これにacellular mineral deposition(AMD)と命名した。今後は以上の諸結果の中からBMPの標的細胞として、筋衛星細胞や線維芽細胞、産生細胞としては骨芽細胞、軟骨芽細胞あるいは胎仔性の間葉系細胞等を材料として用い、中胚葉細胞の誘導機構の解明を行う予定である。本年度の計画は、骨誘導因子(BMF)の抽出と精製を基本に、それらの中間生成物の骨誘導効果の検定を行うことであった。ウシ大腿骨と脛骨の10kgを粉砕し、脱灰、脱脂して、脱灰骨基質ゼラチン(BMG)を得た。次いでこれを、塩酸グアニジン抽出、限外濾過、透析、遠心分離し、水不溶性画分と水可溶性画分に分けた。この両者を、ヘパリンセファロ-ズクロマト、ゲル濾過クロマトにかけ、各々をWIFとWSFとした。WIFは、さらにハイドロキシアパタイトクロマト、ゲル濾過HPLC、リクロマト、逆相HPLCにかけ最終抽出物を得た。以上の抽出・精製の方法に、多くの改善を加えた。各々のfractionでの生物学的活性の検定は行っているが、特に、BMGの生体内移植は、軟骨や骨の形成機構の実験的解明にきわめて有効な手法であり、今年度は、軟骨形成に先行する無細胞性の石灰化沈着を認めたことから、生体内骨形成の開始機構に全く新しい概念を提起することができた。また、このBMGを用いて、ラット新生仔の培養筋組織から、著しい軟骨形成を得て、この軟骨芽細胞が、筋衛星細胞の分化転換によって生ずることを明らかにした。一方、ゲル濾過HPLCを行なったWIFのfractionの一部を用い、これの、骨膜下移植から、多量の軟骨・骨形成を得て、WIFに含まれるBMFは、骨膜構成細胞の増殖と分化を著しく促進することが判明した。BMFによる石灰化の開始機構、そしてBMFの標的細胞の一部が明かとなり、次年度の研究計画に十分な成果が得られた。なお、補助金によって購入したパワ-サプライ(BioーRad,Model 1000/500)は、電気泳動に、そして、消耗品としての薬品の購入はBMFの抽出・精製に不可欠であった。本年度は前年度で行った研究の成果を公表した。またBMG(Bone morphoge皆etic gelatin)の移植によって得られる骨形成と、それ以前に見られるAMD(Acellular mineral deposition)との関連性を究明した。そのために三種の実験を行った。

1)局所麻酔剤ブピバカインの注入による筋組織破壊下でのBMGによる骨誘導、2)BMGをグアニジンアルコ-ル沈殿法により処理し、遠沈し、緻密な構造体として移植し骨誘導を起こす、3)石灰化阻害剤エタンー1ーハイドロキシー1,1ーダイフォスフォネイト(EHDP)を加えた条件下でのBMGによる骨誘導、はいずれもAMDを抑制する。従ってAMDがBMGの骨誘導に必須の条件であるならば1),2),3)の実験は全て骨形成の抑制あるいは遅滞が起こるはずである。これらの実験結果はYamashitaら(1991,Acta Anat.)、あるいはYamashitaら(1991,Pro.SEBM)、そしてYamashita(1992,準備中)に発表され、推察通り、AMDと骨形成には正の相関のあることが判明した。この結果は、生体内で骨形成が行われるのには、カルシウムやリン酸を局所に吸着する特別な微小環境が必要であることを示唆している。
続・抗菌物質ハンティング～蔓延する多剤耐性菌を駆逐する新規抗菌物質の開発～

平成30年度では本研究課題対象化合物であるantiMDR(抗MRSA,抗VRE)活性物質の特性解析に注力した。その精製過程において、Streptomyces sp. Spo05株はantiMDR活性物質を4種類生産することを明らかとし、便宜上それぞれをantiMDR-A, -B, -C, -Dと名付けた。生産量の多いantiMDR-Aは昨年までの構造解析から、員環構造と糖の複合体からなるポリオールを基本骨格としていることから、グリコシド結合を切断し、糖を切り離すことで抗菌活性が維持出来るかを検証した。塩酸及び水酸化ナトリウムによる加水分解法を採用し、切断最適条件を検討した。3段階の溶媒濃度(0.01N, 0.05N, 0.1N)と5段階の処理時間(6h, 12h, 24h, 48h, 72h)の組み合わせで検討を行い、薄層クロマトグラフィー上でその評価を行った結果、アルカリによる切断(0.05N, 48h)が構造単位でマイルドに部分分解出来ることを見出した。本化合物には複数の糖が縮合されているが、これらの糖が完全に除去されるとその抗菌活性は維持出来ないが、部分的に糖が残存していると低減されるものの抗菌活性は保持されることを見出した。このことから本化合物の特徴であるポリオール構造は縮合している糖によるもので、糖の水酸基が作用因子との結合作用に重要であることが推察された。作用分子を同定するために分子間相互作用解析を進めているが、結合したリガンドがセンサーチップから乖離出来ないでいる。このため、ナノフローMSによる解析が行えないでいるが、より強力な(センサーチップは再利用できなくなる恐れあり)乖離法でリガンド-アナライト複合体サンプルを得る条件を検討している。本年度及び次年度の主たる研究は本化合物の作用因子同定である。分子構造の観点からは糖を除去することで抗菌活性が失活することが呈されており、また分子間相互作用解析においてはセンサーチップ上でのリガンド(anti-MDR-A)とアナライト(作用分子)の複合体形成条件が見出されているため、上記判断とした。分子構造の側面からさらに詳細な相互作用様式の解析を試みるとともに、分子間相互作用解析で得られるナノフローMSデータから、MRSAやVREが保持する生体相互作用分子を直接的に分析する。一方でMRSAやVREを低濃度(最小発育阻止濃度程度)のantiMDR活性物質に曝すことで、耐性変異株の取得を試みる。同耐性変異株が取得出来た場合にはそのゲノム配列を解読し、野生型MRSA(ないしはVRE)との比較ゲノム解析を行うことでゲノムレベルでの変異を抽出する。この解析により作用分子、もしくはその下流における作用機序の知見を得ることにつながる。平成29年度ではStreptomyces sp. Spo05株のトランスクリプトーム解析を行った。鋳型として前申請課題において解読した同菌株の完全長ゲノム配列を採用し、同配列にマッピングを行った。Spo05株の培養時期別でTotal RNAを抽出し、その遺伝子発現強度の差異で生合成遺伝子群や生合成経路の同定を試みた。増殖曲線初期(培養時間:0hr,抗菌活性:なし)、中期(培養時間:36hr,抗菌活性:微弱)、および後期(培養時間:108hr,抗菌活性:あり)での三群間比較を行った結果、SAM (S-adenosyl-methionine)-dependent methyltransferaseやradical SAM proteinなどの遺伝子発現の増強が確認された。前者は生体分子にメチル基を転移させる酵素であり、二次代謝産物などの制御に寄与すると考えられている。また後者は鉄-硫黄クラスターを形成する酵素ファミリーに属しており、メチル基転移酵素と協同して酵素修飾を行うことから、当該抗菌活性物質の生合成にも関連している可能性が示唆された。分子間相互作用による作用因子同定に関しては、抗菌活性物質(リガンド)のセンサーチップへの固定化や作用因子(アナライト)導流条件の検討を行った。抗菌活性物質には窒素原子が構成原子として含まれていないため、安定的なアミンカップリング法による固定化は不可能である。そのためポリオール構造の水酸基に着目し、カルボキシル基による固定化を検討した結果、リガンド濃度を一定以下にすることで固定化出来ることを見出した。平成29年度7月に現職へ所属を変更したが、移籍に伴う雑事により研究に携わることが出来なかったため、第二四半期の3ヶ月間は研究停滞期間であった。その一方で、遺伝子発現解析のデータ取得、および同データ解析が端緒についたこと、また分子間相互作用解析では条件検討が順調に進んでいることから上記判断とした。

3段階の溶媒濃度(0.01N, 0.05N, 0.1N)と5段階の処理時間(6h, 12h, 24h, 48h, 72h)の組み合わせで検討を行い、薄層クロマトグラフィー上でその評価を行った結果、アルカリによる切断(0.05N, 48h)が構造単位でマイルドに部分分解出来ることを見出した。本化合物には複数の糖が縮合されているが、これらの糖が完全に除去されるとその抗菌活性は維持出来ないが、部分的に糖が残存していると低減されるものの抗菌活性は保持されることを見出した。このことから本化合物の特徴であるポリオール構造は縮合している糖によるもので、糖の水酸基が作用因子との結合作用に重要であることが推察された。作用分子を同定するために分子間相互作用解析を進めているが、結合したリガンドがセンサーチップから乖離出来ないでいる。このため、ナノフローMSによる解析が行えないでいるが、より強力な(センサーチップは再利用できなくなる恐れあり)乖離法でリガンド-アナライト複合体サンプルを得る条件を検討している。本年度及び次年度の主たる研究は本化合物の作用因子同定である。分子構造の観点からは糖を除去することで抗菌活性が失活することが呈されており、また分子間相互作用解析においてはセンサーチップ上でのリガンド(anti-MDR-A)とアナライト(作用分子)の複合体形成条件が見出されているため、上記判断とした。遺伝子発現解析に関してはデータを精査し、遺伝子発現増強の判断基準を制限することで、生合成関連酵素遺伝子群の同定を行う予定である。生合成経路に関しては、公的データベースで公開されているパスウェイをベースとして同遺伝子群を重ね合わせていくことで同定を進めていく予定である。分子間相互作用解析においては、MRSA, VRE, B, subtilisの細胞破砕液を調製し、アナライトを探索使用と考えている。その際には作用因子はタンパク質である可能性が考えられるのでプロテアーゼ阻害剤を添加することでその安定性を高める。さらに作用因子が膜タンパク質であることが示唆された場合には、破砕液ではなく細胞そのものをアナライトとして試行することも考慮している。分子構造の側面からさらに詳細な相互作用様式の解析を試みるとともに、分子間相互作用解析で得られるナノフローMSデータから、MRSAやVREが保持する生体相互作用分子を直接的に分析する。一方でMRSAやVREを低濃度(最小発育阻止濃度程度)のantiMDR活性物質に曝すことで、耐性変異株の取得を試みる。同耐性変異株が取得出来た場合にはそのゲノム配列を解読し、野生型MRSA(ないしはVRE)との比較ゲノム解析を行うことでゲノムレベルでの変異を抽出する。この解析により作用分子、もしくはその下流における作用機序の知見を得ることにつながる。遺伝子発現解析においてデータ取得は外部委託をする計画であったが、弊学が所有する装置で遺伝子発現データを取得したため、外部委託するために計上していた予算が試薬代のみに軽減されたことに拠る。現状で解析データが不足気味であるため、次年度においても遺伝子発現データを取得するため、計上予算は予定通り消化される。次年度使用額が発生した事由は以下が挙げられる。1)分子間相互作用解析に使用するチップに品質エラーが発生し、金型から作成し直すという事由が発生したため、本年度分の購入・納品が出来なかった。
使いやすい福祉用具開発を目的としたユニバーサルデザインの概念の数理モデル化

本課題では,工学系・医学系研究者が相互に連携することにより,工学・医学的なアプローチから,ユニバーサルデザインの基本コンセプトを数理的なモデルとして記述することについて研究した.ここでは,印象材が塗布された把持体を握ることにより得られた把持形状を,三次元計測によりポリゴンデータ化した.得られたポリゴンデータから把持に対するユニバーサルデザイン(握りやすさ)を記述する数理モデルを構築するため,(1)ポリゴンデータからの把持特徴量の抽出法,(2)抽出された特徴量の傾向分析とその可視化,(3)研究成果を活用した把持体をデザインするための方法について検討し,試作品製作のためのシステム開発を行った.平成24年度は,昨年度に引き続き把持体の三次元ポリゴンデータから「握りやすさ」を決定づけるための要因となるもの(把持特徴ベクトル)の抽出方法について検討するとともに,抽出された把持特徴ベクトルの各ユーザにおける傾向について分析し,数理モデル構築のための研究を進めた.これまでの研究成果(平田らの方法)を用いて3次元データを2次元画像に変換し,把持によって印象材が変形した度合いを濃淡にした画像を作成した.次に,これらの画像から特徴を抽出するためのシステムを新たに作成し,各指の基節領域,中節領域,末節領域(親指のみ基節領域と末節領域を使用)をそれぞれ楕円で近似した.実際に印象剤を握って得られた把持体データ(30例)を採取し,それらのデータを対象に各楕円の中心点と両端点に対応するポリゴンデータ(各頂点の座標と法線ベクトル)と深度値を抽出した.抽出結果から,親指を起点とした各指への方向ベクトルと各指間の距離といった情報を算出するとともに,それらを用いて把持特徴ベクトルを作成した.得られた把持特徴ベクトルに対してクラスタリングを適用し,把持の傾向に対する分析を行った.実験の結果,対象とした30例の把持体データを大きく4つの把持傾向(クラスタ)に分類することができた.この結果は,把持の際の指の位置関係や方向といった把持特徴は,大きく4つのパターンに分かれることを示唆していた.また,それぞれのクラスタに分類された把持体には定量的・定性的にも共通した傾向が見られた.これらの結果から,各クラスタの把持体データにはそれぞれ共通項となる特徴が存在することが示された.また,その共通項は握りやすい把持体を設計する際に重要な要素となる可能性が高いという結果も得られた.さらに,手がどのくらい把持体をカバーしているかによって,把持力と指の関係が変化するという数値的な知見も得られた.平成25年度は,ユニバーサルデザインの数理モデル化のための特徴量について検討するとともに,把持体データの収集,得られた特徴量を活用してプロトタイプモデルを製作するためのプラットフォームを構築した.本研究では,株式会社バンザイ・ファクトリーから提供された「我杯」の制作に用いられた3次元ポリゴンデータを研究材料として使用した.本年度は,平成24年度にて検討した把持傾向分析のための特徴量をさらに改良し,13次元の新しい特徴量を数理モデル構築のために用いた.各把持体データから上記の特徴量を抽出し,階層的クラスタリングを用いて把持傾向の分析を行った.さらに,各指の指節(末節,中節,基節)領域の部分を楕円オブジェクトとして近似し,(1)各オブジェクトの中心点と両端点により得られる各指の3次元形状,(2)各指節にかかっている把持力の向きと分布を,3次元データとして可視化する方法についても研究を進めた.研究成果から,各指各節の位置関係や力のかけ具合,把持力の方向がどのような分布となっているのか等,各ユーザの「握り」の特徴分布を視覚的に把握できるとともに,得られた知見をユニバーサルデザインの数理モデルやプロトタイプの製作に反映させることが可能となった.また今年度は,各ユーザが把持体を握る時に生じる「握り方」の違い(把持特徴量のばらつき)についても検討した.本研究では,各ユーザに同一の把持体を数回握ってもらう実験を行い,その把持傾向についても検討した.さらに本研究では,これらの研究成果を活用して,プロトタイプを製作するためのシステムの構築も進めた.本課題ではまず,PLA融解型の3Dプリンタを用いて切削用のケミカルウッドを固定するための持具を独自に開発した.また,切削材をコップの形状に削り出すためのCADシステムの開発も行った.本課題では,工学系・医学系研究者が相互に連携することにより,工学・医学的なアプローチから,ユニバーサルデザインの基本コンセプトを数理的なモデルとして記述することについて研究した.ここでは,印象材が塗布された把持体を握ることにより得られた把持形状を,三次元計測によりポリゴンデータ化した.得られたポリゴンデータから把持に対するユニバーサルデザイン(握りやすさ)を記述する数理モデルを構築するため,(1)ポリゴンデータからの把持特徴量の抽出法,(2)抽出された特徴量の傾向分析とその可視化,(3)研究成果を活用した把持体をデザインするための方法について検討し,試作品製作のためのシステム開発を行った.平成23年度は,把持体の三次元ポリゴンデータから「握りやすさ」を決定づけるための要因となるもの(特徴量)に関する調査,ならびに特徴量の抽出方法について研究を進めた.ここではまず,(株)バンザイ・ファクトリーにて蓄積されている把持体の三次元ポリゴンデータを平面データに変換し,その凹凸分布の分散を分析することにより,各ユーザの把持特徴について検討した.検討の結果,各ユーザ間で把持特徴の違いが最も顕著に表れる(各ユーザにとって凹凸のパターンが大きく変化する)