hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
スワームロボットシステムにおける適応的組織形成過程の解析とその展開

社会性昆虫,魚や鳥の群れで観察される群知能をマルチロボットシステムへ応用することを目指す研究領域はスワームロボティクスと呼ばれる.これまでの研究の多くは群れ行動の生成に主眼を置いており,生物の群れがみせる振る舞いの再現のために生物学の知見に基づく行動規則を埋め込む形でロボット設計がしばしば行われている.本研究では,汎用性の高い設計である進化ロボティクスアプローチを採用し,群れ行動の高度化,およびそこに潜む協調メカニズムの解析を図った.進化ロボティクスのための分散計算環境の構築,動物行動学に基づく群れ行動解析,および実機ロボットでの検証実験を行った.社会性昆虫,魚や鳥の群れで観察される群知能をマルチロボットシステムへ応用することを目指す研究領域はスワームロボティクスと呼ばれる.これまでの研究の多くは群れ行動の生成に主眼を置いており,生物の群れがみせる振る舞いの再現のために生物学の知見に基づく行動規則を埋め込む形でロボット設計がしばしば行われている.本研究では,汎用性の高い設計である進化ロボティクスアプローチを採用し,群れ行動の高度化,およびそこに潜む協調メカニズムの解析を図った.進化ロボティクスのための分散計算環境の構築,動物行動学に基づく群れ行動解析,および実機ロボットでの検証実験を行った.アリやハチなどの集団の振る舞いで観察される群知能をマルチロボットシステムに応用する分野はスワームロボティクス(Swarm Robotics: SR)と呼称される.比較的単純で均質な多数のロボットで群れを構成することで,頑健・柔軟,かつ,台数の変更が容易であるといった特徴を持つ.その反面,超冗長システムであるが故に,群れ挙動の生成手法,および解析手法の実現が課題であり,社会性生物がみせる特定の振る舞いを扱っているに過ぎないというのが現状と言える.本研究の目的は,このSRに基づく可塑的群知能システムの設計方法の提唱である.その実現のため,H25年度では,(i)動物行動学で用いられる行動連鎖の概念を用いた群れ挙動の解析手法の構築,(ii)実機ロボティックスワームとしてロボット20台の製作と動作検証実験を行った.それぞれ,詳細には以下の通りである.(i)ロボットコントローラの設計に人工進化を用いる進化ロボティクスアプローチにより獲得した群れ挙動を解析の対象とした.まず,複雑ネットワーク理論に基づいてサブグループを抽出し,そのサブグループ毎の行動の推移における関連の有無と観察頻度の評価を行った.解析を通して,タスク達成のためのサブグループ間で役割分担が実験毎に様々な形で発現していることを示せた.また,複数のベンチマーク問題に適用することで,解析手法の汎用性を確認した.(ii)全方位カメラと測距センサを搭載し,駆動輪としてオムニホイールを持つ移動ロボットを製作した.鳥の群れのモデルであるBoidを拡張した制御器を実装して実験を行った.実験で得られた群れのまとまり具合や進行方向の一致度を評価した.社会性昆虫,魚や鳥の群れで観察される群知能をマルチロボットシステムへの応用領域はスワームロボティクス(Swarm Robotics, SR)と呼ばれる.SRでは,群れとして協調することでロボット単体の能力をはるかに超える作業の実行を目指しており,特に,比較的単純なロボットで群れを構成するがゆえにシステム全体としてタスク,台数などへの依存度が低いという利点がある.現段階の研究例の多くは群れ行動の生成に主眼を置いており,生物の群れに見られる群れ行動をタスクとしてそれに特化した形で個々のロボットを設計するアドホックアプローチがしばしば用いられている.本研究では,汎用的な手法である進化計算を制御器の設計に適用して観察された適応的な群れ行動の解析を通して,可塑的な役割分担を行うロボットの群れを実現するための知見を得ることを目指した.H26年度は,下に示す通り,動物行動学に基づく行動解析と実機ロボティックスワームの再設計・製作と動作検証実験を行った.・ロボットコントローラの設計に人工進化を用いる進化ロボティクスアプローチで獲得した群れ行動を解析した.まず,解析対象を大規模なスワームによる高難度タスクでの群れ行動とするため,GPUコンピューティングやクラウドコンピューティングによる分散計算環境への実装を行った.その後,前年度までに提案してきた複雑ネットワークの理論に基づくサブグループの抽出法や行動連鎖の解析の拡張を行った.時系列情報,特にサブグループとその役割の推移や持続時間について解析した.・前年度までに作成したロボットを改良したもの新規に設計・製作した.ロボットの入出力の構成や役割分担の切り替えが群れとしてのまとまり具合に与える影響を調査した.群知能システム解析手法の構築については予定通り進捗している.他方,実機スワームの実験では,現在のところ,当初予定していた進化ロボティクスアプローチではなく,鳥の群れのモデルを拡張した手法を開発・適用している.また,その実験では,計算機シミュレーションで観察された振る舞いとのギャップが確認された.この結果を基にロボットの改良を行うとともに,シミュレーションで得た結果のシームレスな移植手法についてのより詳細に検討する必要がある.この点に関しては,申請書には未記載の研究として,群れ挙動の獲得のために問題難度を徐々に変化させる段階的進化に取り組んでおり,人工進化の高速化のみならず振る舞いの頑健性の向上も確認できたため,このアプローチをさらに深化させることで解決が可能と考えられる.さらに,未経験な入力に対して高い頑健性を示す群れ挙動の特徴が提案している解析手法により抽出できており,この知見をロボット設計に反映するを目指す.群れ挙動解析においては,スワームサイズの大規模化や問題の高難度化をし,汎用性についてさらに議論を深める予定である.また,行動の継続時間やサブグループのサイズなどを導入し,より詳細な解析を行う.

さらに,それらにより得られた解析結果の可視化手法についても取り組む.実機実験については,H25年度の知見をもとに,ロボットの改良を加えるとともに,ロボット台数やフィールドサイズなどの実験規模についても入念に設計する.そして,実機ロボティックスワーム向けの人工進化手法の実現を目指したい.
極短寿命な超重元素探索のための信号処理装置の開発

本研究では、理化学研究所仁科加速器センターで行われている超重元素探索実験にて現在稼働している信号処理装置を拡張し、これまで不可能であった10μ秒以下の崩壊現象の測定を可能とさせた。具体的には、稼働中の信号処理装置にFlash-ADCを用いたプリアンプ波形を直接取得する装置を増設し、データー取得プログラムおよび解析プログラムの開発を行った。システム完成後、加速器を用いた新同位体探索実験にて使用し性能を実証した。本研究は、理化学研究所仁科加速器センターで行われている超重元素探索実験にて現在稼働している信号処理装置を拡張し、これまで不可能であった10μ秒以下の崩壊現象の測定を可能とさせる事が目的である。本年度は当研究計画に従い、Flash-ADC、Clock-Genereter、VMEクレート電源、PCI-VMEインターフェースを購入し、現信号処理装置に増設を行った。具体的には、まず焦点面検出器に使用しているシリコンストリップ検出器の裏面信号取得用にプリアンプ(別予算にて調達)を追加した。そのプリアンプ信号を本研究予算で購入したFlash-ADCに接続し、まずは単体で波形を取得出来るよう計測プログラムの開発を行った。現在、プリアンプに試験信号を入力して調整をおこなっている。今後、現信号処理装置と整合を取り目的としている検出システムを完成させ、Flash-ADCで取得した信号波形から極短寿命で崩壊した原子核の寿命および崩壊時のエネルギー(α線、核分裂)を求める解析プログラムを開発する予定である。本装置は来年度に予定されている、^<197>Au(^<40>Ar,3n)^<234>Bk反応を利用した新同位体探索実験にて使用する予定であり、そこで計測される事が予想される10μ秒以下の極短寿命な崩壊現象を測定し示す事により性能評価としたい。その後、調整・改良を加え、^<208>Pb(^<76>Ge,n)^<283>114反応を用いた新元素の探索実験に備える予定である。本研究は、現在理研の超重元素探索実験にて稼働している信号処理装置を拡張し、これまで不可能であった10μ秒以下の崩壊現象の測定を可能とさせる事が目的である。本年度は当研究計画に従い、前年度開発を行い拡張した計測システムを用いて^<197>Au(^<40>Ar,3n)^<234>Bk反応を利用した新同位体探索実験を行った。実験は理化学研究所仁科センターのリニアック加速器とガス充填型反跳核分離装置を用い、^<40>Arビームを^<197>Auターゲットに照射する事により行った。その結果、新同位体^<234>Bkからと考えられる119イベントの崩壊連鎖を観測した。この崩壊連鎖には新同位体^<230>Amも含まれており、^<234>Bkと^<230>Amの合計2つの新同位体発見に成功した。観測した崩壊連鎖中には半減期15.6μ秒の^<218>Ra、同0.27μ秒の^<214>Rnが含まれており、本研究で開発を行ったプリアンプ波形データ収集システムにて、当初のねらい通りにデータが取得出来ている事を確認した。現在データを詳細に解析中であり、結果がまとまり次第、論文を作成し投稿する予定である。今後はさらに、調整・改良を加え、^<208>Pb(^<76>Ge,n)^<283>114反応を用いた新元素の探索実験に備える予定である。本装置は新元素の探索のみならず寿命の短い(0.1-5μ秒)新同位体探索にも有効であるので、観測の可能性がある新同位体があれば実験を計画したいと考えている。前年度までに、プリアンプ、Flash-ADC、VMEインターフェース等を増設し、検出器からのプリアンプ波形を直接取得するための信号処理装置の拡張を行い装置の調整および試験を行った。さらに、取得する波形の計測および解析プログラムの開発を行った。システムの拡張に伴い扱うデータ量がこれまでの10倍以上に増大するため、高速演算可能なコンピューターと大量のデータを安全に蓄積出来るハードディスクアレイを導入した。本システムのハードウエア、ソフトウエア完成の後、理研の加速器を用いて^<197>Au(^<40>Ar,3)^<234>Bk反応を利用した新同位体探索実験を行った。この実験にて、新同位体^<234>Bk,^<230>Am観測する事に成功すると共に、狙い通りの極短寿命な崩壊現象を観測し本システムの有効性を実証する事に成功した。本年度は実験データを詳細に解析し、本研究課題により開発を行ったシステムが10μ秒以下の崩壊現象の測定に有効である事を確認した。
再構成膜系における筋小胞体カルシウムポンプのエナジェティックス

1.筋小胞体カルシウムポンプを平面膜または巨大ベシクルに組み込んだ再構成系を構築し、ポンプ活性を電気生理学的に測定して、再構成系の有用性を示すことを目的とした。2.ウサギ骨格筋小胞体の軽い分画を界面活性剤で可溶化し、液体クロマトグラフィーによりカルシウムポンプ蛋白質を精製した。可溶化した大豆リン脂質との混合物から、界面活性剤を除去して、再構成プロテオリポソームを調整した。これを予め水溶液中で形成した脂質平面膜に融合させて、カルシウムポンプを平面膜に再構成した。膜の両側の溶液組成をポンプ活性が最大になるように調整し、膜の片側(cis側)の溶液にATPを添加して、短絡電流を測定した。最終濃度4.3mMのATPを加えると、cis側からtrams側へ向かう、15-30 5Aの電流が観測された。灌流してATPを除去すると、この電流は消失した。このサイクルは何回も繰り返すことができた。ATPの濃度を段階的に増大させて行くと、電流は段階的に増大しやがて飽和した。電流値はATP濃度に対してミカエリス・メンテン型の存在性を示し、Km値は0.56mMとなった。この値は、筋小胞体膜ATPaseのATP加水分解反応のKm値として報告されている値(2-3μM及び500μM)の大きい方の値と近い値である。3.巨大ベシクル系において、ポンプ活性を測定する手法として、微小カルシウム電極を用いたベシクル内カルシウム濃度の測定は意義深いと考えられる。この為、筋小胞体ベシクルを融合させて、外在脂質なしに、巨大化ベシクルを調整せんとした。プロテアーゼ処理、ポリエチレングリコール処理、凍結-融解処理、電場融合法の適用、及び、これらの組み合わせ処理を行ったところ、直径1.0μm程度の巨大化ベシクルを得ることができた。この巨大化筋小胞体ベシクルは、カルシウム輸送活性を保持しており、さらに、これまで再構成系では不可能とされていた微小電極の刺入を行うことができた。
神経変性疾患モデルにおける神経免疫システムの解析と治療応用の検討

本研究はアルツハイマー病(AD)の複数モデル動物を用いた動物実験により神経変性時の生体反応としてのミクログリアを中心とした神経免疫システムの変化を解析し、その神経保護作用の解明と治療応用を目的として開始した。海馬へのアミロイドβ(Aβ)打ち込みモデルマウスを用いた実験では貪食マーカーCD68陽性ミクログリアのAβ沈着部への集積とAβ貪食像を認めた。またADトランスジェニックマウス(APdE9マウス)を用いた実験では脳内Aβ沈着部への活性型ミクログリアの集積を認め、病初期にはミクログリアのα7型ニコチン性アセチルコリン受容体(α7nAChR)発現が増強し、進行期にはCD68の発現増強を認めた。本研究はアルツハイマー病の複数モデルの動物を用いた動物実験により(1)神経変性時の生体反応としてのミクログリアを中心とした神経免疫システムの経時的推移を解析し、その神経保護作用の解明を試み、続いて(2)薬理学的治療や再生治療などの治療介入による神経免疫システムの変化を解析し、より有効かつ画期的な治療法を模索する。また可能であれば(3)神経免疫システムの障害と神経変性疾患の病態の関連を考察し、病態の解明も試みることを目的として開始した。昨年度は(1)のためのモデル動物としてより神経変性疾患の病態に近いアルツハイマー病トランスジェニックマウス(APdE9マウス)およびそのwild-type littermatesを使用して生後3ヶ月、6ヶ月、9ヶ月、12ヶ月、18ヶ月における脳組織学的解析を行った。生後3ヶ月のAPdE9マウスおよび全てののlittermatesにおいてAβ沈着は認めずミクログリアやアストロサイトも静止型のものが均等に分布するのみで大きな差は見られなかった。しかしAPdE9マウスでは生後6ヶ月以降、大脳皮質や海馬においてAβ沈着が経時的に増加する様子が確認された。ミクログリアやアストロサイトは生後6ヶ月以降でAβ沈着部周囲に集積がみられはじめ、以後生後12ヶ月までは集積面積の経時的増加を認めたが生後18ヶ月では集積面積はやや低下していた。また前シナプス蛋白synaptophysinの染色性はAPdE9マウスにおいて生後3ヶ月以後、経時的にびまん性に減少し続けていた。以上からAPdE9マウスにおいてAβ沈着がみられる以前のから可溶性のAβがシナプス毒性を発揮し、またAβ沈着によりミクログリアやアストロサイトの活性化・集積が誘発されるが、一方でAβ沈着が著明に増加した高齢時期においては却ってミクログリアやアストロサイトの機能が阻害されている可能性が推察された。まずは(1)のための方法として急性アルツハイマー病モデル動物として健常マウス脳のBregmaから後方2 mm,左外側2 mm、深さ2 mmの部位にヒトリコンビナントAβペプチドをマイクロインジェクションしてAβ海馬投与マウスを作製し、注入1日後、3日後、1週後、2週後、4週後の脳組織学的解析を行った。Aβ注入側海馬において組織学的にAβの沈着は経時的に減少していく様子が確認された。ミクログリアは注入1日後からAβに集積しはじめて集積像は3日後、1週後と経時的に増加した後、そこをピークに2週後、4週後は減少していた。Aβ周囲にはアメボイド型と思われる腫大したミクログリアも一部あり、重なり像も認めていた。一方、アストロサイトはAβ注入1日後、3日後時点ではAβ周囲にとどまり、1週後以降でAβ部に集積していたが、Aβとの重なり像は認めていなかった。以上から1マウス脳へのAβ注入に対してミクログリアは早期から活性型として集積し、貪食を推測させるような重なり像を認め、Aβ蓄積部は経時的に縮小することからミクログリアにはAβ貪食によるクリアランス作用があると考えられた一方、2アストロサイトはミクログリアより遅れてAβ注入1週間後頃から集積したが貪食を推測させるような像は見られず、直接クリアランス作用に関わっている可能性は低いと推察された。

昨年度はアルツハイマー病(AD)トランスジェニックマウス(APdE9マウス)の脳組織学的解析により、脳内にアミロイドβ(Aβ)が沈着し始める生後6ヶ月およびやや増加する生後9ヶ月においてはミクログリアの貪食マーカーであるCD68が陰性もしくは弱陽性の活性型ミクログリアが優位で、Aβ沈着部の他、Aβ非沈着部にも集積し内部に微小なAβを取り込んでいる像を確認した。またこの時期にはミクログリアにおけるα7型ニコチン性アセチルコリン受容体(α7nAChR)の発現が増強していた。一方、Aβ沈着が著増する生後12ヶ月以降ではCD68陽性の活性型ミクログリアがAβ沈着部に集積していた。またミクログリアにおけるα7nAChR発現は経時的に減少していた。このことから、APdE9マウスのAD様病理変化においては病初期にはミクログリアのα7nAChR発現が増強し、CD68陰性ないし弱陽性の活性型ミクログリアが誘導されて可溶性の微小Aβオリゴマーのクリアランスに関与し、進行期になってAβ沈着が著増するとミクログリアのα7nAChR発現は減少し、線維型Aβのクリアランスに関与している可能性が推察された。ADモデル動物脳における新規知見であったことからこの結果を論文化してJournal of Alzheimer's Disease誌に投稿し2015年44巻2号に掲載された。本研究はアルツハイマー病(AD)の複数モデルの動物を用いた実験により(1)神経変性時の生体反応としてのミクログリアを中心とした神経免疫システムの経時的推移を解析し、その神経保護作用の解明を試み、続いて(2)薬理学的治療や再生治療などの治療介入による神経免疫システムの変化を解析し、より有効かつ画期的な治療法を模索する。また可能であれば(3)神経免疫システムの障害と神経変性疾患の病態の関連を考察し、病態の解明も試みることを目的として開始した。昨年度はADトランスジェニックマウス(APdE9マウス)の脳切片を用いてミクログリアのマーカーであるIba1、ミクログリアの貪食・活性化マーカーであるCD68、およびα7型ニコチン性アセチルコリン受容体(α7nAChR)の免疫三重染色を施行し、画像解析ソフトImage Jを用いた面積評価により、病初期の活性型ミクログリアではα7nAChR発現が増強し、進行期の活性型ミクログリアではα7nAChR発現の減弱化とCD68発現増強が認められることを示した。さらに、活性型ミクログリアのうちalternative phenotype(M2)マーカーであるYm1やArginase 1についても免疫組織学的評価を施行した。本研究はアルツハイマー病(AD)の複数モデル動物を用いた動物実験により神経変性時の生体反応としてのミクログリアを中心とした神経免疫システムの変化を解析し、その神経保護作用の解明と治療応用を目的として開始した。海馬へのアミロイドβ(Aβ)打ち込みモデルマウスを用いた実験では貪食マーカーCD68陽性ミクログリアのAβ沈着部への集積とAβ貪食像を認めた。またADトランスジェニックマウス(APdE9マウス)を用いた実験では脳内Aβ沈着部への活性型ミクログリアの集積を認め、病初期にはミクログリアのα7型ニコチン性アセチルコリン受容体(α7nAChR)発現が増強し、進行期にはCD68の発現増強を認めた。平成26年度も行動記憶評価法としてモーリス水迷路やY迷路の評価法確立を試みたが健常マウスと未治療APdE9マウスの間で認知機能の差が得られず、治療介入の効果を判定する評価法として確立することができなかった。そのため、研究計画における「4.治療介入した各アルツハイマー病モデル動物における脳組織学的評価」「5.各アルツハイマー病モデル動物に対するミクログリア抑制的アプローチの試み」
スフィンゴシン1-リン酸の骨調節作用に関する研究

ヒト健常者より末梢血白血球を採取し,スフィンゴ脂質を作用させるためのヒト破骨細胞形成系の確立を試みた.その結果,M-CSFおよびRANKL共存下でヒト末梢血単核球は,培養5日目から21日目にかけてTRAP陽性多核細胞へ分化することが確認できた.初年度では,ヒト末梢血から破骨細胞を形成することを試みた.ヒト末梢血由来単核球を比重遠心で分離後,M-CSFおよびRANKL存在下で3週間培養し,成熟破骨細胞が形成されることを確認した.しかしながら,比重遠心法だけでは破骨細胞前駆細胞以外の細胞の混入が多く,21日間の培養における細胞形態の観察が困難であったことから,より純粋な破骨細胞を得るため,CD14陽性細胞を磁気ビーズにより分離し実験に使用した.この方法で得られた細胞は,M-CSFとRANKL存在下で18から21日目にTRAP陽性多核細胞となった.この培養21日目の細胞は,培養0日目のものと比較して,NEATc1,カテプシンK, TRAP遺伝子発現がすべて上昇していた.次に,ヒト末梢血由来破骨細胞の分化おけるスフィンゴシン1-リン酸の作用についての現象を確認した.その結果,培養9日目において,細胞形態に変化が現れた.これらの結果から,スフィンゴシン1-リン酸は,破骨細胞の分化に関与する可能性が示唆された.スフィンゴシン1-リン酸は、血小板に多く含まれるリン脂質であり,血小板の活性化により放出されることが報告されている.スフィンゴシン1-リン酸は、間葉系細胞や血液系細胞に広く存在する受容体(P1S1、P1S2、P1S3、P1S4、P1S5)を介し細胞増殖や分化を誘導し,走化性物質としても機能する.これまでに,スフィンゴシン1-リン酸の細胞への作用としては,成熟破骨細胞の骨吸収活性を抑制することを明らかにした(Hiroyuki Takeda et al.,FEBS Letters 422,1998).また,スフィンゴリン脂質は,骨芽細胞の分化に働くことも報告されている.したがって,これらの知見は、スフィンゴシン1-リン酸は,骨芽細胞および破骨細胞の膜上の受容体を介して,骨の恒常性を維持・調節している可能性を示唆する.血小板が歯周組織の再生に働くことの機序については明らかにされていない.血小板に豊富に含まれるスフィンゴシン1-リン酸が骨組織を再生に導くことの治験が得られれば,血小板を歯周組織再生療法へ応用し得る可能性がある.したがって,本研究結果は,将来的な再生療法における創薬研究の基盤と成り得ると考える.そこで、本研究では、スフィンゴシン1-リン酸の骨芽細胞および破骨細胞における受容体を介した骨調節機構に着目した.研究初年度では,ヒト末梢血から破骨細胞を形成することを試みた.ヒト末梢血由来単核球を比重遠心で分離後,M-CSFおよびRANKL存在下で3週間培養し,成熟破骨細胞が形成されることを確認した.次年度では,これらヒト末梢血単核球のうちCD14陽性細胞を分離し実験に供する予定である.さらに,RANKL存在下で培養したマウス由来RAW264細胞の使用も同時に行い,未分化破骨細胞および成熟破骨細胞におけるスフィンゴシン1-リン酸受容体の発現を検索し,これらの細胞に対するスフィンゴシン1-リン酸の影響を明らかにすることを計画している.初年度では,ヒト末梢血から破骨細胞を形成することを試みた.ヒト末梢血由来単核球を比重遠心で分離後,M-CSFおよびRANKL存在下で3週間培養し,成熟破骨細胞が形成されることを確認した.しかしながら,比重遠心法だけでは破骨細胞前駆細胞以外の細胞の混入が多く,21日間の培養における細胞形態の観察が困難であったことから,今年度は,より純粋な破骨細胞を得るため,CD14陽性細胞を磁気ビーズにより分離し実験に使用した.この方法で得られた細胞は,M-CSFとRANKL存在下で18から21日目にTRAP陽性多核細胞となった.この培養21日目の細胞は,培養0日目のものと比較して,NFATc1,カテプシンK, TRAP遺伝子発現がすべて上昇していた.次に,ヒト末梢血由来破骨細胞の分化おけるスフィンゴシン1-リン酸の作用についての現象を確認した.その結果,培養9日目において,細胞形態に変化が現れた.この結果はスフィンゴシン1-リン酸が,破骨細胞の分化過程に関与した可能性を推察させた.次年度では21日間の遺伝子発現について,スフィンゴシン1-リン酸による破骨細胞の各種遺伝子発現と骨吸収活性について検討する.さらにスフィンゴシンキナーゼ遺伝子をsiRNAによりノックダウンさせ,内在性スフィンゴシン1リン酸の影響についても検討する予定である.ヒト健常者より末梢血白血球を採取し,スフィンゴ脂質を作用させるためのヒト破骨細胞形成系の確立を試みた.その結果,M-CSFおよびRANKL共存下でヒト末梢血単核球は,培養5日目から21日目にかけてTRAP陽性多核細胞へ分化することが確認できた.初年度では,ヒト末梢血から破骨細胞を形成することを試みた.ヒト末梢血由来単核球を比重遠心で分離後,M-CSFおよびRANKL

存在下で3週間培養し,成熟破骨細胞が形成されることを確認した.しかしながら,比重遠心法だけでは破骨細胞前駆細胞以外の細胞の混入が多く,21日間の培養における細胞形態の観察が困難であったことから,より純粋な破骨細胞を得るため,CD14陽性細胞を磁気ビーズにより分離し実験に使用した.この方法で得られた細胞は,M-CSFとRANKL存在下で18から21日目にTRAP陽性多核細胞となった.この培養21日目の細胞は,培養0日目のものと比較して,NEATc1,カテプシンK, TRAP遺伝子発現がすべて上昇していた.次に,ヒト末梢血由来破骨細胞の分化おけるスフィンゴシン1-リン酸の作用についての現象を確認した.その結果,培養9日目において,細胞形態に変化が現れた.これらの結果から,スフィンゴシン1-リン酸は,破骨細胞の分化に関与する可能性が示唆された.
ビタミンA・β-カロテンの代謝調節機序とその栄養状態による生体調節に関する研究

アルコールや高脂肪食の摂取は、転写調節因子ISXおよびPPARδの発現変動によりラット小腸のβ-カロテンからビタミンAへの転換を低下させことが示された。妊娠・授乳期のビタミンA栄養状態は、離乳前後の仔ラットのレチノイン酸の合成・異化機能やβ-カロテンの吸収・代謝機能に影響を及ぼすことが示された。ビタミンAやβ-カロテンの十分な摂取は、耐糖能異常や脂質代謝異常の改善効果をもたらした。本年度は1「β-カロテンの吸収・代謝調節に関する分子栄養学的検討」および2「スナネズミを用いた食餌要因によるβ-カロテンの生体利用効率と吸収・代謝調節の検討」をテーマに研究を行った。研究1については、β-カロテン(以下BC)のビタミンAへの転換に関与するラット小腸のBCMO1遺伝子および酵素活性が、アルコールや高脂肪食摂取により有意に減少した。さらにこれらのラットでは、同時に摂取したBCがビタミンAへ転換されにくくなっており、肝臓に蓄積することが明らかとなった。また、小腸BCMO1遺伝子の転写抑制因子である小腸ISX発現量の増大と転写促進因子である小腸PPARδ発現量の減少していたことから、BCMO1遺伝子発現量の減少にはこれらの転写因子の両方またはどちらかが関与している可能性が示唆された。本研究結果の一部は、昨年度および今年度5月に学会発表を行った。研究2については、ヒトと比較的BCの吸収・代謝動態が類似しているスナネズミを用い、食餌要因の違いによるBC吸収・代謝について検討を行った。これまでのラットの研究結果と同様に、スナネズミのBCMO1遺伝子および酵素活性は短期間の高脂肪食摂取により小腸においてのみ有意に低下した。一方、ビタミンA欠乏食の摂取下では、小腸BCMO1遺伝子発現量および酵素活性は増大した。さらに低たんぱく質食摂取による対しては、肝臓や血中のビタミンA量の減少が見られたが、小腸や肝臓ではビタミンAやBCの吸収・代謝を促進する遺伝子(BCMO1、CRBPII)の発現を高まっており、代償的に生体内のビタミンAレベルの低下を抑制している可能性が示唆された。以上の結果から、スナねずみのBCやビタミンAの吸収・代謝は、種々の食餌条件により遺伝子レベルで調節を受けることが明らかとなり、ヒトにおいても同様の影響が見られるものと考えられる。申請時のH27年度研究計画1および2では、おもに動物実験を中心とした検討を目的とし、さらにその結果に対するメカニズムの解析も視野に入れたものである。研究1に関しては、ラットを用い高脂肪食およびアルコール摂取によるβ-カロテン吸収・代謝に対する影響の検討を実施し、その変動とその制御因子の関与を示唆する結果を得ている。同研究計画では、その制御因子関与の実証についても検討を行うこと目的としており、現在も実験系の構築を含め継続して実験を行っている。研究2に関しても、スナネズミを用い、種々の食餌条件(高脂肪食、ビタミンA欠乏食、低たんぱく質食)によるβ-カロテン吸収・代謝に対する影響の検討を実施した。この研究テーマについてもこれらの食餌条件による変動に関与する因子の解析についても検討を行う。以上の状況より、現在も進行中および一部未実施の項目があるが、おおむね75%ほどの解析項目については実施している。本年度は、「妊娠・授乳期の栄養条件が成長後仔ラットの栄養素の吸収・代謝機能に与える影響」をテーマに研究を行った。6週齢SD系雌ラットを4群(各群5匹)に分け、1コントロール食(C群)、2ビタミンA欠乏食(Aー群)、3ビタミンA過剰食(A+群)および4β-カロテン添加食(B+群)の各食餌を妊娠・授乳期間終了時まで約12週間自由摂食させた。なお雄ラットとの同居・交配は雌ラット11週齢時に16日間行った。各群の妊娠ラットより出生した雄性仔ラットは、21日齢時に強制離乳させ1週間標準飼料にて順化後、さらにそれぞれ2群ずつに分け、4週齢から屠殺・解剖を行う14週齢までコントロール食または60%E高脂肪食を自由摂取させた。各実験食摂食開始(6週齢)から交配前(11週齢)までの母親ラットの摂食量および体重変動量ともに4群間で有意な差はみられず、授乳終了時(出産22日後)の体重も4群間で有意な差はみられなかった。一方、離乳後の仔ラットの体重増加量は、離乳後のコントロール食と高脂肪食摂取に関わらず、Aー群の母親から出生した仔ラットで小さい傾向がみられた。仔ラットの血清グルコース濃度は全群間で差はみられなかったが、血清および肝臓のトリグリセリド量は、Aー群の母親から出生した仔ラットで低い傾向がみられた。また、14週齢時の肝臓の総レチノール量は、C群の母親から出生した仔ラットに比べ、Aー群やB+群の母親から出生した仔ラットでは差がみられなかったが、A+群の母親から出生した仔ラットでは有意に高い値を示した。これまでの結果より、特に妊娠前後にビタミンA不足状態であった母親ラットから出生した仔ラットでは、離乳後の成長が低い傾向を示し、さらに脂質の吸収や代謝機能にも影響がみられる可能性が示唆された。初年度(平成27年度)の研究計画は、同年度末の時点で計画の3分の4程度終了していたが、残りを次年度(28年度)に持ち越し、7月頃までにすべて終了した。一部の研究成果(2演題)は、国内の学会にて報告を行った。また、同研究成果は学術論文投稿に向けて現在準備を行っている。

平成28年度の研究計画については、当初の予定より3か月ほど遅れて動物の飼育を開始(6月中旬から)し、約6か月間飼育(12月中旬まで)を行った。28年度の研究成果については上記の「研究実績の概要」に記載したとおり、現時点では生体試料中の主要成分の測定をほぼ終えたが、今後はそれらの変動のメカニズムを明らかにするために関連する遺伝子発現量やタンパク質量について解析を行い、今年度の8月までには終了する予定である。病態モデル動物を用いた生体機能異常発症に対するビタミンA栄養状態による影響の検討1.実験には2型糖尿病および軽度肥満を自然発症するNSYマウスを用いた。5週齢のNSYマウスを、コントロール食群(C群)、30%スクロース溶液飲水群(S群)、S群にビタミンA(A群)またはβ-カロテン(B群)を投与した群の4群に分け15週齢時まで飼育した。14週齢時に行った腹腔内グルコース投与試験では投与2時間までの血糖値上昇面積は、C群に比べS群で大きい傾向を示したが、A群およびB群ではその上昇が抑制された。15週齢時の肝臓トリグリセリド量はC群に比べS群とB群で有意に高かったが、A群では低い傾向を示した。以上の結果から、2型糖尿病モデルNSYマウスに対しては、ビタミンAやβ-カロテンの投与により食後の血糖値の低減効果が見られ、さらにビタミンAの投与は脂質代謝異常改善効果も示すことが明らかとなった。2.実験には卵巣摘出および片足坐骨神経切断を施した8週齢の骨量減少・下肢筋萎縮モデル雌性ラットを用いた。本ラットを、コントロール食群(C群)、ビタミンA添加食群(A群)、β-カロテン添加食(B群)の3群に分け、さらに同週齢で疑似手術を行い、コントロール食を与えた群(SC群)を加え、計4群のラットを22週齢時まで飼育した。飼育終了時の下肢骨格筋量および大腿骨骨密度は、いずれもSC群に比べ、C群で有意に低値を示したが、A群およびB群では筋委縮や骨密度低下に対する抑制効果はみられなかった。一方、肝臓トリグリセリド量は、SC群に比べC群で有意に高値を示したが、A群およびB群ではその増大が抑制される傾向を示した。以上の結果から、ビタミンAやβ-カロテンの摂取は骨量減少や筋委縮に対して明確な抑制効果を示さないが、卵巣摘出に伴う肝臓脂肪蓄積に対しては抑制効果が認められた。アルコールや高脂肪食の摂取は、転写調節因子ISXおよびPPARδの発現変動によりラット小腸のβ-カロテンからビタミンAへの転換を低下させことが示された。妊娠・授乳期のビタミンA栄養状態は、離乳前後の仔ラットのレチノイン酸の合成・異化機能やβ-カロテンの吸収・代謝機能に影響を及ぼすことが示された。ビタミンAやβ-カロテンの十分な摂取は、耐糖能異常や脂質代謝異常の改善効果をもたらした。H28年度は、当初の計画どおり「妊娠・授乳期のビタミンA栄養状態が生後の栄養素の吸収・代謝機能に及ぼす影響の検討」について、特にビタミンA・β-カロテンと脂質の吸収・代謝について検討を行う。動物の飼育開始は当初4月からの予定であったが、諸事情により現在は7月から動物飼育の実施を計画しており、年度内に予定している解析項目について測定を実施する。また、前年度の研究計画で現在進行中および一部未実施の項目については今年度も引き続き研究を実施し、成果をまとめていく。
「森林管理の地方自治」の実現に向けた政府間関係の再構築に関する実証的研究

本年度は、中山間地域の再生施策に関するこれまでの国内調査の知見を国際的な視野から評価するため、イギリス中北部を中心に現地調査を実施した。4年間にわたる国内調査(北海道、東北地方、北陸地方、中国地方、四国地方)では、主に基礎自治体(以下、自治体)がイニシアティブをとる形で、森林組合や地元企業、地域住民といった多様な主体を巻き込みながら、地域再生に向けて具体的な施策を実行していく姿を明らかにしてきた。このような日本国内の諸実践とは異なり、イギリス中北部の中山間地域では協同組合やNPOをはじめとする社会的企業がイニシアティブを発揮して、地域再生の取り組みを積極的に推進していた。そこでは自治体が前面に出ることは稀である。確かにイギリスにおける社会的企業の存在感の強さの背景には行財政改革を徹底する緊縮政策があり、社会的企業は政府の提供する公共サービスの不足を補う役割を負わされてきたという側面もある。他方で、社会的企業が従来の政府とは異なる発想で創意工夫を重ね、機動的に地域課題にアプローチしてきた点にも注目すべきであろう。政府系の資金に限らず、さまざまなファンドから財源を調達し、地域住民のニーズに根差したサービスを提供する取り組みは、日本国内の地域再生のあり方を考える上でも示唆に富む。中山間地の地域再生を担い、その運動をリードする存在として森林組合などの既存の非営利・組織だけでなく、中小企業も含めた社会的企業の役割は日本国内でもますます高まるように思われる。今年度は、東日本大震災に伴う東京電力福島第一原子力発電所の事故により深刻な放射能汚染に見舞われた福島県において現地調査を実施した。全国で4番目に広い森林面積を有する福島県では震災以前、素材生産量が全国で7位、製材工場数が全国で5位を占めるなど、豊富な森林資源を背景に林業、木材産業が展開してきた。だが、震災以降、林業、とりわけ森林整備(造林、保育)を取り巻く環境は一変した。県の調べでは、県内民有林の森林整備面積は2007年度以降12千ha台を推移していたが、2011年度は7,387ha、2012年度は6,212haに減少した。その要因として、人の立ち入りが制限されている避難指示区域での営林停止、避難生活の長期化に伴う森林所有者の経営意欲の低下などを挙げることができる。こうした中で、林野庁は2013年度から、森林整備の継続を通じて放射性物質の削減と拡散防止を図る「ふくしま森林再生事業」を創設した。「ふくしま森林再生事業」は、環境省の枠組みでは住居等の近隣以外の森林について十分な除染対策が講じられていないことから、東京電力が経費を負担する除染以外の枠組みを設けて森林除染を事実上進めるというものである。おもな事業主体は「放射性物質汚染対処特措法」に基づき指定された汚染状況重点調査区域の市町村である。調査の結果、市町村ではそもそも森林行政の優先順位が低いこと、森林行政に精通した専門職員が関連部署に配置されていないことなどから、「ふくしま森林再生事業」は当初の計画通りには進んでおらず、実施体制の見直しが課題となっていた。本研究を開始して2年目となる2015年度は、第1に、前年度に引き続き福島県、とくに東京電力福島第一原子力発電所事故により深刻な森林汚染に見舞われた中通り地方の中山間地域を対象に追加調査をおこなった。第2に、全国で市町村数がもっとも多く、いわゆる「平成の大合併」を経て、合併自治体と非合併自治体が中山間地域に混在する北海道を事例地として、地域固有の環境資源である森林にもとづき、どのように地域の未来を描こうとしているのかを、基礎自治体(市町村)と、森林所有者の協同組織である森林組合との関係に焦点を当てて検証した。現地調査の結果、非合併自治体である北海道南富良野町では「1町1組合」体制が維持されており、こうした関係性を基盤にして、町は「地区組合」である南富良野町森林組合と協力し、木質バイオマス燃料の生産・販売をはじめとした各種の林業振興施策を打ち出し、実行に移していた。他方で、福島県内の複数市町村を組合地区とする(=「広域組合」)ふくしま中央森林組合では、組織運営・管理経営の「分権化」を進め、森林組合への長期施業委託を軸に森林整備を強力に推進するという古殿町の構想を実現するべく力を注いでいた。両事例は、基礎自治体と森林組合の連携は、「地区組合」に限らず、「分権化」を進めれば「広域組合」でも推進可能であることを示しており、「森林管理の地方自治」の課題と展開方向を考えるうえで重要な示唆を与えるものである。2015年度における学術論文などの研究成果は次のとおりである。1「北海道総合開発計画にみる地域開発政策の一側面」(社会教育研究,33:69-84)、2「転機に立つ国土開発政策と地域産業振興の課題」(山形大学紀要(社会科学),46(1):31-61)、3「中山間地域への再定住を見据えた復興施策の展開と問題点」(北日本漁業,43:65-73)、4「人工林業・私有林業に軸足を移したゼロ年代の北海道林業」(林業経済,68(5):16-17)、5「地域林業の原発被災と担い手問題」(学術の動向,20(10):28-36)、6「自治体と森林組合の連携による森林資源を基盤とした『地方創生』」(協同組合研究誌にじ,653:73-81)ーの6点であり、いずれも単著である。

さまざまな公益的機能を有する森林資源の適切な管理には、総合的かつ長期的な視野をもつ「公共」の関与が必要である。だが、国や都道府県には地域事情に通じた専門家はおらず、他方で市町村には森林技術に精通した専門家は育っていない。また、国ー都道府県ー市町村のラインでおこなわれる森林管理は画一的であり、それゆえ「政府」の施策は地域社会のニーズからかい離しがちとなる。必要なのは、地域の多様なニーズと課題に迅速に対応するコミュニティに張り付いた専門的な担い手の存在である。こうした問題意識に基づき、本研究では今年度、「協同」を公共の一翼を担う存在と位置付けたうえで、林業分野における「協同」の代表格である森林組合に焦点を当てて、地域再生に資する森林管理方策に関する実証研究を進めた。都府県を上回るスピードで人口減少の進む北海道、および原子力災害に見舞われた福島県の事例検証から明らかになったのは、組合員の所得増大だけでなく、地域雇用の創出や環境資源の保全に取り組む森林組合の姿であった。そこでは、地域社会の福利増進を図りコミュニティの存続基盤を構築することで、組合経営そのものを立て直していくという戦略がとられていた。こうした協同実践の事例検証から、組合員の利益を最優先するシングル・ステークホルダー型ではなく、森林組合を取り巻く多種多様なステークホルダーを包摂したマルチ・ステークホルダー型という「協同」の新しい展開方向を明らかにすることができた。これまでの現地調査の研究成果の取りまとめをおこなう一方で、新たに統計資料の収集と分析に着手することができた。今年度は、地域固有の環境資源として森林を位置付けた上で、多面的な森林利用に基づき地域再生の取り組みを進めている北海道と東北地方の事例収集を行った。「平成の大合併」で広域化した基礎自治体(以下、自治体という)を対象とした聞き取り調査では、本所だけでなく合併により支所となった旧役場にも足を運び、合併前後の政策の推移や旧町村エリアを取り巻く環境の変化を聞き取った。また、現地調査では森林組合でも聞き取りを行い、どのようなアクターがどのような関係性のもと地域林政を動かしているのかに迫った。今回の調査を通じて明らかとなったのは、総じて、ユニークな取り組みを進める自治体は、住民はもちろん対外的にも分かりやすいテーマを掲げて、森林づくりなり地域づくりなりを進めているということである。掲げるテーマは、木育(北海道当麻町)、薬木栽培(北海道夕張市)、森林文化(北海道中川町、山形県鶴岡市)というようにさまざまだが、地元の商工業など他業種等とのつながりを意識している点、生業の再生という視点を含む点は共通している。また、上記のテーマを実現するため採られている政策手法もさまざまだが、アイディアや森林づくり・地域づくりの担い手を積極的に自治体の外の人材や組織に求めている点は共通している。地域おこし協力隊制度を活用し外部人材を積極的に呼び込むケース(当麻町、中川町)、森林組合との連携を深め地域課題の解決に向けて協働実践を推進するケース(当麻町、鶴岡市温海地区(旧温海町))などである。引き続き以上のような事例の詳細な分析を進め、自治体林政の共通点と差異を浮き彫りにすることで、地方林政のあり方について考察を深めていきたい。これまでの調査結果の取りまとめと並行して補足調査を行ったが、そこで得られた知見を研究成果として組み込むまでには至らなかったため、上記の評価とした。
大きさが異なる2種類のスピンが規則的に並んだ1次元量子スピン系の理論的研究

本研究で我々は,2種類の規則混合量子スピン鎖の基底状態についての研究を行った.1.2個のS=1/2スピンと2個のS=1スピンが交互に並んだ規則混合量子スピン鎖(スピン-1/2-1/2-1-1鎖)Lieb-Mattisの定理やWigner-Eckartの定理などに基づいた解析的方法,及び,有限系の厳密対角化法や密度行列繰り込群法などの数値的方法を用いて,スピン-1/2-1/2-1-1鎖の,交換相互作用定数平面上の基底状態相図を決定した.また,最近接スピン対相関関数やストリングオーダーパラメタを計算し,その結果を用いて各基底状態相のValence-Bond-Solids(VBS)描像を調べ,S=1スピン間の交換相互作用を反強磁性的であると仮定したときに基底状態相図に現れる11種類の相のうち,5種類がダイマー相であり,残りの6種類がハルデン相であることを明かにした.更に,この系の基底状態に対する,S=1スピンがもつ一イオン型異方性エネルギーの影響を,密度行列繰り込み群法を用いて計算した有限系に対するエネルギーギャップを,現象論的繰り込群法を適用して解析することによって調べた.その結果,一様なS=1鎖の場合に知られているハルデン相からLarge-D状態への,エネルギーギャップの消滅を伴う二次相転移が,より一般的に,規則混合量子スピン鎖においても存在することが明かになった.2.S=1/2,S=1,S=3/2,S=1スピンがこの順序で周期的に並んだ規則混合量子スピン鎖(スピン-1/2-1-3/2-1鎖)1.の場合と同様な方法を用いて,スピン-1/2-1-3/2-1鎖の基底状態の性質を調べ,交換相互作用平面上の基底状態相図を決定した.この系においても何種類かの基底状態が現れるが,それらはすべてダイマー的な状態であることが明かになった.また,基底状態相図に対する結果を,高野がスピン系のハミルトニアンを非線形シグマ模型にマップすることによって得た結果と比較し,非線形シグマ模型による方法の適用限界を議論した.本研究で我々は,2種類の規則混合量子スピン鎖の基底状態についての研究を行った.1.2個のS=1/2スピンと2個のS=1スピンが交互に並んだ規則混合量子スピン鎖(スピン-1/2-1/2-1-1鎖)Lieb-Mattisの定理やWigner-Eckartの定理などに基づいた解析的方法,及び,有限系の厳密対角化法や密度行列繰り込群法などの数値的方法を用いて,スピン-1/2-1/2-1-1鎖の,交換相互作用定数平面上の基底状態相図を決定した.また,最近接スピン対相関関数やストリングオーダーパラメタを計算し,その結果を用いて各基底状態相のValence-Bond-Solids(VBS)描像を調べ,S=1スピン間の交換相互作用を反強磁性的であると仮定したときに基底状態相図に現れる11種類の相のうち,5種類がダイマー相であり,残りの6種類がハルデン相であることを明かにした.更に,この系の基底状態に対する,S=1スピンがもつ一イオン型異方性エネルギーの影響を,密度行列繰り込み群法を用いて計算した有限系に対するエネルギーギャップを,現象論的繰り込群法を適用して解析することによって調べた.その結果,一様なS=1鎖の場合に知られているハルデン相からLarge-D状態への,エネルギーギャップの消滅を伴う二次相転移が,より一般的に,規則混合量子スピン鎖においても存在することが明かになった.2.S=1/2,S=1,S=3/2,S=1スピンがこの順序で周期的に並んだ規則混合量子スピン鎖(スピン-1/2-1-3/2-1鎖)1.の場合と同様な方法を用いて,スピン-1/2-1-3/2-1鎖の基底状態の性質を調べ,交換相互作用平面上の基底状態相図を決定した.この系においても何種類かの基底状態が現れるが,それらはすべてダイマー的な状態であることが明かになった.また,基底状態相図に対する結果を,高野がスピン系のハミルトニアンを非線形シグマ模型にマップすることによって得た結果と比較し,非線形シグマ模型による方法の適用限界を議論した.本研究で我々は,大きさが異なる2種類のスピンが規則的に並んだ1次元規則混合量子スピン系を,数値的方法及び解析的方法を用いて研究する.本年度は,1.2個のS=1/2スピンと1個のS=1スピンが交互に並んでいる場合(スピン-1/2-1/2-1鎖),2.1個のS=1/2スピンと2個のS=1スピンが交互に並んでいる場合(スピン-1/2-1-1鎖),を取り扱い,系の基底状態の性質を調べた.これらの系において,各最近接スピン間に等方的な交換相互作用を仮定し,S=1/2スピン間(スピン-1/2-1/2-1鎖の場合),S=1スピン間(スピン-1/2-1-1鎖の場合)の交換相互作用定数をJ_1とし,また,S=1/2スピンとS=1スピン間の交換相互作用定数については,S=1/2スピンが左側にある場合にはJ_2,右側にある場合にはJ'_2であるとする.ここで,J_2,J_2,J'_2,は,いずれも,正の場合反強磁性的,負の場合強磁性的と定義する.Lieb-Mattisの定理を応用することにより,基底状態における全スピンの大きさS_<tot

>が,J_1,J_2,J'_2の符号によって,どのように変化するかを調べた.また,特に,基底状態がS_<tot>=0の非磁性状態である場合に着目し,Wigner-Eckartの定理の適用や摂動計算を行って,|J_2|≫|J_1|,|J'_2|などの極限を調べ,考えている系を既知のボンド交代スピン鎖にマップすることにより,各極限での2次相転移線の振舞いを明かにした.例えば,スピン-1/2-1/2-1鎖の場合,J_2→∞(ただし,J_1<0,J'_2>0)の極限では,J_1=-4J'_2が相転移線となる.現在,密度行列繰り込み群法を用いて,相互作用定数平面上での基底状態相図の決定を行っている.今後,基底状態相図に対する,S=1スピンがもつ1イオン型異方性エネルギーの影響や基底状態磁化曲線などの研究も行う予定である.本年度は次の二つの研究を行った.1.2個のS=1/2スピンと2個のS=1スピンが交互に並んだ規則混合量子スピン鎖(スピン-1/2-1/2-1-1鎖)の基底状態に対する,S=1スピンがもつ一イオン型異方性エネルギーの影響の研究.我々のこれまでの研究で,スピン-1/2-1/2-1-1鎖の基底状態は,S=1スピン間の交換相互作用を反強磁性的に限るとき,五種類のダイマー的な状態と六種類のハルデン的な状態からなることが分かっている.一方,一様なS=1鎖の基底状態に対して,一イオン型異方性エネルギーが,ハルデン状態からLarge-D状態への,エネルギーギャップの消滅を伴う二次相転移を引き起こすことが知られている.我々は,スピン-1/2-1/2-1-1鎖の基底状態に対する,S=1スピンがもつ一イオン型異方性エネルギーの影響を,密度行列繰り込み群法を用いて計算した有限系に対するエネルギーギャップを,現象論的繰り込群法を適用して解析することによって調べた.その結果,ハルデン状態からLarge-D状態への二次相転移が,より一般的に,規則混合量子スピン鎖においても存在することが明かになった.2.S=1/2,S=1,S=3/2,S=1スピンがこの順序で周期的に並んだ規則混合量子スピン鎖(スピン-1/2-1-3/2-1鎖)の基底状態の研究Lieb-Mattisの定理やWigner-Eckartの定理などに基づいた解析的方法,及び,有限系の厳密対角化法や密度行列繰り込群法などの数値的方法を用いて,スピン-1/2-1-3/2-1鎖の基底状態の性質を調べ,交換相互作用定数平面上の基底状態相図を決定した.この系においても何種類かの基底状態が現れるが,それらはすべてダイマー的な状態である.また,基底状態相図に対する結果を,高野がスピン系のハミルトニアンを非線形シグマ模型にマップすることによって得た結果と比較し,非線形シグマ模型による方法の適用限界を議論した.
根圏における植物―微生物の共生関係が植物―植食性昆虫の進化に与える影響の解析

植物と植食性昆虫の関係は、共進化の顕著な実例の1つであり、両生物群の多様化を促進している。この関係を通して、植物は防御物質の合成などの防御機構を進化させている。防御物質は、共生微生物によって合成される場合もあるが、明確な事例は少ない。一方で、共生微生物は植物の成長促進などの効果を示し、根に作用するものもある。根は防御物質合成の場にもなっており、根の発達は地上部を摂食する昆虫にも影響を及ぼす可能性が高い。そこで本研究では、植物と植食性昆虫の関係性の進化に与える根圏共生微生物の影響を、主にアルカロイド合成系に対する貢献の観点から明らかにすることを目的としている。昨年度に引き続き、研究系として(i)ハシリドコロ(ナス科)ールイヨウマダラテントウ及び(ii)クララ(マメ科)ーチョウ目昆虫を用いた。まず、昨年度行えなかった(ii)の研究系における根圏共生微生物相の解析(単離法、メタゲノム解析)を実施し、根粒菌相(Mesorhizobiumなど)を中心に共生微生物相が明らかになった。メタゲノム解析の結果も、重要度が高いと考えられる主要な微生物構成は概ね単離法の結果と一致しており、この結果を元に感染実験に使用する微生物を選択することが可能となった。また、(i)と(ii)の研究系において、栽培・感染実験を開始し、培養条件下での微生物感染による諸形質の変化に関する解析を開始しているが、培養室内での栽培では想定より成長が遅いため、根の形態やバイオマスの変化供試菌類が影響しているか否かについては、現段階では十分評価できていない。野外の植物を利用した植食性昆虫の飼育実験の結果、産地による差が見られた組み合わせもあったが、現在植食性昆虫のよる食害を受けているかなど、当初想定していた条件による影響は明確には示されず、より複雑な条件が植食性昆虫の摂食行動や成長に影響を及ぼしている可能性が示唆された。全体の研究計画のうち、根圏微生物相の解析については、2017年度に実施できなかった部分も含めて完了し、2018年度中に遅れを取り戻すことができた。クララの根圏微生物相の解析は、クララが全国的に減少傾向にあることとも関連していたため、さらに情報収集に努め、条件にあう集団から解析することができた。それに伴って、感染実験系の確立も遅れていたが、微生物相の解明が進み、対象とする微生物を絞ることができたため、この問題も概ね解決した。想定よりも植物の成長が遅く、条件を揃えた発芽率の良い種子を多数準備するのにも想定より難しい点があったため、微生物の感染によるアルカロイド量などを含む諸形質の変化に関する評価は、2019年度にずれ込んでしまっている。飼育実験は順調に行っているが、現時点での植食性昆虫の存在の有無のような、当初想定した単純な条件で植食性昆虫の摂食行動やその後の成長が決まっているわけではない可能性も示された。問題点の一部は明らかになったが、現状を完全に説明可能な要因が全て明らかになっているわけではない。全体の研究計画のうち、根圏微生物の植物の成長への影響、及び植食性昆虫の食害への影響の解析が本研究の最も重要な部分である。この点については、微生物相解明の遅れ、感染実験確立の遅れがあったものの、栽培および栽培条件下での感染実験等が行えるようになったので、現在育成中の植物を用いて、当初予定していた諸形質の評価を実施する。飼育実験において、植食性昆虫の摂食行動やその後の成長に影響を及ぼす要因については、当初の想定より複雑であることがわかりつつあるため、より多くの集団を対象に、情報を追加して再検討しているところである。情報はそろいつつあり、最終年度内に想定していた問題点にアプローチできる予定である。