hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
品質モニタリングのための冷凍食品解凍過程の分子運動変化の小型MRIによる解析

冷凍食品、肉類および魚介類の解凍過程を、1テスラ小型MRIを用いてMRイメージとNMRスペクトル変化によって解析した。末端店頭保存温度(-18°C)で、冷凍豚肉では油脂の一部が、冷凍牛肉では筋肉の水の一部が未凍結で、変質を起こす可能性を残していた。筋肉の水が先に、油脂は遅れて融解し、解凍における問題であるドリップは筋肉の完全解凍後に発生した。冷凍魚類では解凍中に微細組織構造の壊変が起こると考えられた。冷凍食品は、解凍条件と調理法によって価値が大きく変化する。本研究では、冷凍食品の解凍過程を食品研究用に開発した小型MRI(Magnetic Resonance Imaging)によって非破壊的、経時的に追跡して冷凍食品の品質をモニターするための指標を把握するとともに、経験的に推奨されている解凍方法を理解し、適正な解凍および調理に繋げる基礎とする。食肉の筋肉組織の水は運動性が高く、脂肪組織の脂は運動性が低いため、運動性と相関を持つT 1(縦緩和時間)の重み付けをしたMR画像(T 1強調イメージ)によって明瞭に区別できた。冷凍豚肉と冷凍牛肉の自然解凍過程を、経時的にMR画像およびNMR(Nuclear Magnetic Resonance)スペクトルによって追跡し、豚肉では解凍の初期段階で脂肪のシグナルが観測され、その後、筋肉組織のシグナルが強くなるが、牛肉では筋肉組織の水が先行して解凍し、解凍が進むと脂肪組織のシグナルが強くなるという差異があることを示した。脂肪交雑等級が異なる市販サーロインステーキの形態を3D測定し、目視で行われる脂肪交雑の評価に、MRIは形態的側面で合理的な裏付けを与える手法であることを示した。-40°Cで凍結した試料の自然解凍過程において、脂肪交雑等級の低い肉では時間に対して直線的に解凍し、解凍後、ドリップによるシグナルの減衰が起きた。一方、脂肪交雑等級が高くなると解凍は速く凸型カーブとなり、ドリップの漏出が抑制された。脂肪交雑等級の高い肉の解凍のキネティックスにおいて、三種類の融解速度の異なる脂肪成分が検出された。最も融解が速い成分は、豚肉と同楼に解凍開始直後に溶けた。融点が低い脂肪酸は、不飽和度が高い脂肪酸のトリグリセリドで固い牛肉に柔軟性を与える作用を持つと推察される。解凍条件の厳密性を高める目的で温度コントロール測定セルを作製し、性能をテスト中である。冷凍豚肉について,旨味と口当たりの要素である脂肪組織の構造,および,解凍における油脂の性質について1T小型MRIで解析した.3D測定結果の断層イメージおよび立体表示により,脂肪組織と筋肉組織の界面構造を明瞭に描写した.-40°Cで凍結したバラ肉の解凍では,筋肉の水が完全に解けた後,ドリップが発生した.脂肪には非常に融点が低い第I成分,水の完全解凍直後に融解する第II成分,および,高い温度で融解する第III成分が存在し,第III成分の融解とともに,さらに水が増加した.Dixon効果イメージにより,脂肪組織にもかなりの量の水が均一に存在することが明らかとなった.冷凍魚の解凍を,測定セルが大きな0.2T小型MRIで解析した.魚類では冷凍・解凍によって水の運動性のMRIパラメーター(緩和時間)が変化し,組織構造変化を示す指標となった.しかし,構造の変化は局所的,立体的に発生するため肉類の解析で用いた二次元画像では全体を把握しがたく,磁化率の乱れを基にコントラストを得る3Dグラディエントエコー(GE)法によるMIP(最大信号強度投影)イメージに構造変化が良く反映された.解凍初期に強い信号を与える組織の細部構造が,凍結によって破損を受けると考えられる.液冷(ガルデン使用)式温度調節検出器を使用し,5°C25°Cで冷凍ソーセージの解凍を3D-GE法で追跡した.25°Cでは肉の水が先に解け,水が完全に解凍した後に脂身の油脂が融解してイメージのコントラストが逆転した.一方,5°Cでは脂身の油脂が融解しなかった.さらに,低温領域の測定用にドライアイスを冷剤とし,窒素気流による空冷式温度調節装置を作製した.通常実験室で低温気流を作ることは,気流導入パイプの断熱の問題で予想を超えて困難であったが,作製した装置は測定セルを-40°C0°Cの範囲に制御できた.本装置によりミカンおよび牛肉の凍結過程のイメージを経時的に測定することが可能であり,有用な装置であると考えられる.冷凍保存温度の評価への応用ために装置の調整を進めている.
Gene-activating scaffoldによるin vivo組織再生

DNAを担持させたリン酸カルシウム層(DNAーCaP複合層)は、細胞足場機能と遺伝子導入機能を併せ示すことから、細胞の挙動(分化・増殖など)を遺伝子レベルで制御できる組織再生用スキャホールドとして有用と期待される。本研究では、医療用輸液を原料とする過飽和溶液技術・共沈析出技術を用い、DNAーCaP複合層のナノ構造を精緻に制御するとともに、複合層形成の反応過程を明らかにすることによって、遺伝子導入機能向上のための複合層の設計・構築指針を示した。細胞足場機能と遺伝子導入機能を併せ示す材料は、in vivo組織再生のためのgene-activating scaffoldとして有用と期待される。近年研究代表者らは、リン酸カルシウム(CaP)過飽和溶液中での共沈反応を利用して、DNAーCaP複合体を基材上に固定する手法を開発してきた。本研究は、この複合体をgene-activating scaffoldに応用するため、複合体の形成条件を改良・最適化するとともに、遺伝子導入機能の向上を図ることを目的とする。本年度はまず、gene-activating scaffoldとしての基礎的要件である、DNAーCaP複合体上の細胞への遺伝子導入機能と細胞分化誘導効果について確認した。次に、医療用輸液製剤を用いてCaP過飽和溶液を調製し、共沈反応時間を変化させ、DNAーCaP複合体の形成過程を追求するとともに、遺伝子導入効率に与える影響を調べた。DNA-CaP複合体の形成過程を調べた結果、溶液中で生成した非晶質のCaP核が結晶化を抑制されたままサブミクロン球状粒子に成長し、基材表面に析出したCaP層の上に沈降・結合していくと考えられた。また、共沈反応時間を変化させると、DNAーCaP複合体を構成するサブミクロン球状粒子の数密度と集合状態を制御することができ、これを制御することで、遺伝子導入効率を向上できることが分かった。以上の研究成果を、国内外の学術会議、work shopなどで発表した他、1報の査読付き論文を発表した。昨年度は、CaP過飽和溶液中での共沈反応時間が、DNAーCaP複合体の遺伝子導入効率に与える影響を明らかにした。また、この際の反応過程を調べることで、過飽和溶液中でのCaPの均一核形成過程が、得られるDNAーCaP複合体の遺伝子導入機能に大きく影響することが判明した。そこで本年度は、均一核形成に影響する重要因子である過飽和溶液の濃度を制御し、DNAーCaP複合体の遺伝子導入機能に与える影響について検討した。具体的には、CaP過飽和溶液のCaおよびP濃度を0.61.4倍に変化させ、DNAーCaP複合体からなる粒子をポリスチレン基材上に固定した。基材の表面構造を調べたところ、過飽和溶液濃度の増加によって、基材上に固定される粒子の数密度が増大することが分かった。同基材上で細胞を培養し遺伝子導入を行ったところ、過飽和溶液の濃度が1.0倍濃度までは、濃度依存的に細胞の遺伝子発現量が増加した。一方、1.4倍濃度の条件では、生細胞数の減少と遺伝子発現量の低下が認められた。高密度に集積したDNAーCaP複合体粒子群は、細胞のviabilityに悪影響を及ぼすと考えられた。以上の結果から、DNAーCaP複合体による遺伝子導入のための最適な濃度条件が明らかになった。昨年度の研究成果をさらに発展させ、DNAーCaP複合体の遺伝子導入機能を向上させるための基礎的条件を明らかにした。昨年度調べた共沈反応時間の影響に続いて、今年度は、CaP過飽和溶液のCaおよびP濃度の影響を明らかにし、導入効率のさらなる向上を達成した。得られた成果を国内・国際学会ならびに国際的学術論文誌上で発表した。以上の状況より、本研究課題は概ね順調に進展していると考えられる。近年研究代表者らは、細胞足場機能と遺伝子導入機能を併せ示すgene-activating scaffold構築のための要素技術として、リン酸カルシウム(CaP)過飽和溶液中での共沈反応を利用し、DNAーCaP複合体による遺伝子導入技術を開発してきた。平成27年度は、CaP過飽和溶液を用いてポリスチレン基材表面に集積させたDNAーCaP複合体(表面集積型)の遺伝子導入機能を調べ、最適な共沈反応条件を見出した。また、DNAーCaP複合体の生成過程を調べた結果、この最適化された条件下では、まず均一核形成によってDNAーCaP複合体のナノ粒子が過飽和溶液中で生成し、同粒子がサブミクロンサイズにまで成長した後、基材上に沈降・集積していくことが明らかになった。そこで平成28年度は、この集積前のDNAーCaP複合体粒子(液中分散型)を用いた遺伝子導入法について検討を行った。まず、平成27年度の濃度条件の検討結果を参考に、CaP過飽和溶液のCaおよびP濃度を変化させ、DNAーCaP複合体からなるサブミクロン粒子を複数種合成した。この際、複合体粒子に振動(voltexによる)を与えることで、粒子の分散性と均質性の向上を図った。得られた液中分散型のサブミクロン粒子を培養細胞に作用させ、遺伝子導入機能評価の結果に基づき合成条件を最適化した。

最適化されたDNAーCaP複合体粒子(液中分散型)は、昨年度最適化した表面集積型のDNAーCaP複合体と同等の遺伝子導入機能を示すことが明らかになった。また、コントロール(遺伝子導入剤なしで培養した細胞)に対し細胞viabilityの有意な低下は認められなかった。本CaP過飽和溶液中で生成するDNAーCaP複合体粒子に振動刺激を与えることで、細胞への遺伝子導入に適したDNAーCaP複合体粒子(液中分散型)を得られることが分かった。DNAを担持させたリン酸カルシウム層(DNAーCaP複合層)は、細胞足場機能と遺伝子導入機能を併せ示すことから、細胞の挙動(分化・増殖など)を遺伝子レベルで制御できる組織再生用スキャホールドとして有用と期待される。本研究では、医療用輸液を原料とする過飽和溶液技術・共沈析出技術を用い、DNAーCaP複合層のナノ構造を精緻に制御するとともに、複合層形成の反応過程を明らかにすることによって、遺伝子導入機能向上のための複合層の設計・構築指針を示した。概ね当初計画の通りに研究を進め、DNAーCaP複合体の形成過程を明らかにするとともに、細胞への遺伝子導入機能を向上させるための基礎的条件(共沈反応時間)を明らかにし、これらの成果を国内外の学術会議において発表した。また、gene-activating scaffoldの基礎的要件を確認し、その成果を査読付き論文として発表した。以上の状況より、本研究課題は概ね順調に進展していると考えられる。今年度までの研究により、本過飽和溶液法においては、まず溶液中での均一核形成によってDNAーCaP複合体のナノ粒子が形成し、同粒子がサブミクロンサイズにまで成長した後、基材上に集積していくことが判明している。そこで、この集積前のDNAーCaP複合体粒子を用いた遺伝子導入(particle-mediated system)についても検討を行う。この際、複合体粒子に物理エネルギー(振動、超音波など)を与えることで、粒子の分散性と遺伝子導入効率の制御を試みる。生体医工学,生体材料学,DNAーCaP複合体形成過程を調べた結果、過飽和溶液中でのCaPの均一核形成過程が、得られるDNAーCaP複合体の遺伝子導入機能に大きく影響することが判明した。そこで、均一核形成に影響する最重要因子である、過飽和溶液のイオン濃度の影響についても検討し、得られるDNAーCaP複合体の遺伝子導入機能の点からも、複合体形成条件の最適化を図っていく。本研究の目標達成のため、平成28年度に実験補助員(テクニカルスタッフ、1名)の雇用期間を延長する必要があり、27年度予算の一部を次年度に繰り越す必要があった。繰り越しのための減額分は、27年度予算として所属部門から支給された運営交付金で賄った。平成27年度に所属機関の組織再編が実施されることとなり、再編後には運営交付金の減額が予想されたため、26年度の支出を最低限に抑え、27年度に予算を繰り越す必要があった。繰り越しのための減額分は、26年度予算として所属部門から支給された運営交付金で賄った。
感応性近赤外センサーを目指したリンを含むフタロシアニン類縁体の創出

外部応答(光、酸、塩基、参加還元)に鋭敏に応答する感応性燐フタロシアニン(Pc)及び類縁体の開発・機能解明が目的であった。主な成果を以下に記述する。1)燐テトラアザポルフィリンの周辺にaryl基を導入してスペクトルを調べた。これらの化合物は可視部に強い電荷移動吸収帯を示すが、aryl基上の電子吸引性・供与性によりその強度と位置が大きく変わり、可視部全体で光を吸収した。2)燐テトラベンゾコロールは2つのOH基を軸配位子として持つが、溶解する溶媒を塩基性にする事により軸配位子は酸素一つに成り、吸収が大きく変化した。3)無金属体に比べ燐テトラベンゾコロールの酸素架橋2量体は一重項酸素生成効率が高く増感材として有望である。3)燐テトラベンゾコロールの軸配位子を用いサブフタロシアニンを2個酸素架橋にて結合すると、可視部の幅広い領域で吸収を示すが、それはモノマーのスペクトルの重ね合わせでなく、相互作用により幅広となったため、可視部の光を有効に捕集する事が出来る。4)燐5価Pcの平面は燐のイオン半径が小さいため大きくひずんでいるが、置換基を変化させその歪みの程度を変えても吸収位置は殆ど変化しない事が判明した。26年度が最終年度であるため、記入しない。フタロシアニン類縁体に対して感応性リンを導入する検討を行い、中心に5価6配位リンを持つ各種錯体の合成を行った。得られた物性は、配位子であるマクロサイクルに応じて大きく異なる。以下その詳細を述べる1.ある種のフタロシアニンのリン錯体において主吸収帯が1000 nmを超えることは本課題開始以前に見いだしていたが、今回様々な周辺置換基に対してリンの導入を行い、長波長化の本質を明らかにすることができた。具体的には、周辺置換基として16族元素をマクロサイクルの適切な位置に導入することが重要である。2.フタロシアニンの環縮小体であるテトラアザポルフィリンにおいて、置換基効果が増大することが知られている。中心へリンを導入することでこの効果は更に増大し、吸収波形は通常の金属錯体とは大きくことなり、可視光のほぼ全てを効率よく吸収できることを見いだした。形状変化は単純な置換基効果で明確に説明できることから、精密な分子設計も可能である。3.フタロシアニンのメゾ位窒素を除き、対称性を低下したテトラベンゾトリアザコロールリン錯体において、軸配位子の特性を利用した二量体の合成を行い、低対称化合物の集積効果を明らかにした。また、対称性を低下させることで、一重項酸素増感能を重元素を用いることなく向上できることを示した。フタロシアニン類縁体における典型元素錯体の報告例は数が少なく、その物性は研究開始時点でほとんど明らかになっていなかった。今年度はフタロシアニン・テトラアザポルフィリン・テトラベンゾトリアザコロールの3種についてリン錯体の合成に成功し、それぞれの物性が大きく異なることを見いだした。いずれにおいても、中心の5価6配位リンが物性発現に深く関係していることを分光学および理論計算により明らかにすることができ、フタロシアニンの化学と感応性リンの化学を融合することの重要性をある程度提示することができたのではないかと考えている。また研究過程で、機能性部位の導入が可能な合成経路の確立および、リン上の電子状態を直接操作することの有用性についてもわかりつつあり、初年度の研究計画であった、「フタロシアニン類縁体のリン錯体の合成」についてはほぼ達成でき、今後最終目的である「近赤外光を利用したセンサー(スイッチング)分子の合成」についても、その準備ができたと見なしている。今年度合成に成功した各種リン錯体を元に、実際に環境応答性を示すような分子の開発を行いたい。フタロシアニンリン錯体の近赤外吸収特性を生かしたまま機能化する手法として、硫黄上の置換基を変換する手法に注目している。

原料のフタロニトリルの段階で適切な置換基が導入できる手法を開発する。またテトラベンゾトリアザコロールリン錯体はフリーベースフタロシアニンから1段階で合成することができるため、平行して様々な置換基を持つテトラベンゾトリアザコロールの合成・評価もできると考えている。テトラアザポルフィリンにおけるリンの効果は周辺置換基効果の増大であったが、リンに直結した軸配位子の効果も重要と考えられる。特に、軸配位子に環境応答性を付加できれば吸収特性を大幅に変化できると予想できる。このような考えの元、軸配位子の異なるテトラアザポルフィリンリン錯体の合成を行う。第一候補として、塩基により脱プロトン化できるヒドロキシ基を持つものを想定している。また、周辺置換基に電子供与基を導入した際、本来2成分の吸収帯が近づく傾向にあることが分かっている。ここでより強力な電子供与基を導入すれば吸収帯の大幅な長波長化が見込めるため、そのような分子を実際に合成する。以上が次年度の基本方針であるが、世界的にも合成例がない分子群であり、未知の部分も多く、想定外の進展が見られる可能性は十分あると考えている。その際は進捗状況を勘案しつつ、柔軟な研究展開を行いたい。
活性酸素種による細胞死誘導と腫瘍細胞での解除機構の解析

本研究では細胞周期制御とアポトーシスの関連をc-myc、E2F1、cyclin D1を過剰発現させた繊維芽細胞株NIH3T3、骨髄性細胞株M1を用いて解析した。c-myc、E2F1を過剰発現させたNIH3T3はMockのクローンと比較すると血清除去によるアポトーシスに高い感受性を示した。これらのクローンではMockのクローンと異なり血清存在下でも活性酸素種(ROS)が蓄積し、血清除去した際、Mockのクローンと比較してより多くのROSが蓄積した。MnSODの過剰発現やカタラーゼ処理によりROSを消去するとアポトーシス感受性亢進が解除され、このアポトーシス感受性亢進にはROSが関与すると考えられた。また、Mockのクローンでは血清を除去した際、ROSによってNF-kBが活性化されMnSODの発現が誘導されたが、c-myc、E2Fを過剰発現させたクローンではE2F1がNF-kBのsubunit p65に結合し機能的なNF-kB(P65とP50のヘテロダイマー)の形成を阻害するためMnSODの発現誘導が阻害されていた(Molecular Cell, in press)。
高地肺水腫発症に対する遺伝・環境的素因の相互作用に関する研究

高地肺水腫が発症しにくいF344としやすいWKYを用い,慢性および急性低酸素曝露による肺血管・体血管におけるeNOSタンパク質発現,ACE受容体タンパク発現,HIF1αタンパク質発現の比較をし,高地肺水腫発症との関連性を検証した.肺血管透過係数は,WKY群に比較してF344群で有意に低値を示した.遺伝的に高地肺水腫が発症しにくいとされるF344ラットでは,慢性低酸素曝露時,低酸素性肺血管収縮が抑制され,右心室肥大や肺動脈の肥厚が小さく,肺動脈内皮型-酸化窒素合成酵素活性ならびにタンパク質発現が高かった.高地肺水腫の発症は,低酸素に対する肺血管の感受性に依存し,遺伝的な素因が関与することが明らかとなった.高地肺水腫が発症しにくいF344としやすいWKYを用い,慢性および急性低酸素曝露による肺血管・体血管におけるeNOSタンパク質発現,ACE受容体タンパク発現,HIF1αタンパク質発現の比較をし,高地肺水腫発症との関連性を検証した.肺血管透過係数は,WKY群に比較してF344群で有意に低値を示した.遺伝的に高地肺水腫が発症しにくいとされるF344ラットでは,慢性低酸素曝露時,低酸素性肺血管収縮が抑制され,右心室肥大や肺動脈の肥厚が小さく,肺動脈内皮型-酸化窒素合成酵素活性ならびにタンパク質発現が高かった.高地肺水腫の発症は,低酸素に対する肺血管の感受性に依存し,遺伝的な素因が関与することが明らかとなった.本研究は,従来報告されている高地肺水腫発症と深く関連する低酸素性肺血管収縮の感受性に違いがある2系統のラットを用い,高地肺水腫の発症が遺伝的素因により生じるのか,環境的(後天的)素因により影響されるのかどうかについて検討した.方法は,低酸素性肺血管収縮感受性が鈍いF344ラットと感受性が比較的鋭敏なWKYラットにおいて比較検討した.両ラットを低酸素曝露および持久的運動トレーニングを負荷し,飼育終了後肺動脈および肺組織を摘出し,2つの実験を実施した.(1)摘出灌流肺標本による肺循環動態の検討(2)肺動脈および肺組織におけるeNOSタンパク質発現およびeNOSmRNA発現の検討その結果,肺循環動態は,F344ラットにおいて低酸素性肺血管収縮を抑制するとともに,低酸素曝露および肺灌流量増加の負荷に対して肺血管透過性の増大が抑制された.また,eNOSタンパク質発現は,低酸素曝露および運動トレーニングにより増大することが明らかになった.しかし,eNOSmRNA発現は,低酸素曝露および運動トレーニングにより変化がなかった.以上の結果から,高地肺水腫発症に関連する遺伝的素因は,低酸素曝露や運動トレーニングにより影響を受けないことが推察された.さらに,F344ラットにみられるように,低酸素性肺血管収縮が遺伝的に鈍い場合,eNOSタンパク発現が増大しそれが原因で肺循環動態(抵抗)も抑制傾向にあった.これらのことから,高地肺水腫発症の原因が,環境的素因より遺伝的素因の影響を強く受けることが推察された.高地肺水腫の発症に対する遺伝子および環境の素因の関与を検討するために,高地肺水腫が発症しやすいモデルラット(Wistar Kyoto群,WKY)と発症しにくいラット(Fisher344群,F344)に慢性低酸素および急性低酸素を曝露し,肺循環動態,肺血管・体血管・骨格筋eNOSタンパク発現の解析を行った結果,下記のことが明らかになった.急性および慢性低酸素曝露による肺動脈圧および肺毛細血管圧は,WKYに比較しF344で有意に低値を示した.肺潅流量の増加にともなう肺動脈圧の上昇は,WKYよりF344で小さかった.Angiotensin IIによる肺血管収縮感受性および肺透過係数は,WKYよりF344で小さかった.慢性低酸素曝露後における肺動脈eNOSタンパク発現は,WKYよりF344で大きかったが,胸部大動脈eNOSタンパク発現には両群間で差がなかった.また,慢性低酸素曝露時にWKYだけに高地肺水腫の発症が確認された.また,ヒラメ筋eNOSタンパク発現は,WKYよりF344で大きかった.しかし,Angiotensin変換酵素活性値は,WKYよりF344で高値を示した.以上のことから,高地肺水腫の発症状態が異なる系統ラットにおいて,とくに発症しにくいF344は,肺血管,筋肉およびAngiotensin IIに対して急性低酸素に対して感受性が鈍感であること,さらに慢性低酸素に対しても感受性が鈍感であり,遺伝的に低酸素に対する反応性に違いがみられる可能性が考えられ,さらに詳細に遺伝子レベルでの解析が必要であることが示唆された.高地肺水腫の発症に対する遺伝子および環境の素因の関与を検討するために,高地肺水腫が発症しやすいモデル(WKY)と発症しにくいモデルラット(F344)に慢性低酸素および急性低酸素を曝露し,肺および肝循環動態,肺血管,体血管,骨格筋および肝臓におけるeNOSおよびVEGFについて検討した.安静時および急性低酸素曝露時の肺循環抵抗は,WKYに比較してF344で顕著に低値であり,L-NMMA(eNOS合成酵素活性阻害剤)投与によりF344で顕著に抵抗が上昇した.しかし,体血圧には両群で差がなかった.肺血流量の増加に対する肺動脈圧の上昇は,WKYに比較してF344で有意に低値であった.急性低酸素曝露後における肺動脈eNOSタンパク

発現は,WKYに比較してF344で顕著に増大したが,体血管では差がなかった.さらに,肺動脈におけるNOS活性は,WKYに比較してF344で顕著に増大した.一方,慢性低酸素曝露後における肺動脈圧の上昇は,WKYに比較してF344で顕著に小さく,L-NMMA投与でF344は顕著にその上昇が増大した.また,慢性低酸素曝露後における肺動脈eNOSタンパク発現は,WKYに比較してF344で顕著に増大したが,体血管では差がなかった.慢性低酸素曝露後における肺血管透過係数は,WKYに比較してF344で顕著に低値を示した.肺胞および骨格筋におけるVEGF発現は,常酸素曝露において両群間に差はなかったが,急性および慢性低酸素曝露後においてWKYよりF344が顕著に発現が増大した.この結果から,高地肺水腫が発症しにくいF344は,肺血管の形態的な変化(血管拡張や血管数増加など)のみならず低酸素曝露に対して急性および慢性より反応性(とくに,肺血管収縮)の脱感作が関与するとともに,肺血管数の増加など(VEGF増加により血管新生)生じていることが考えられる.つまり,遺伝的に高地肺水腫を発症しにくいラットにおいては,遺伝的素因による反応ばかりでなく,環境変化(低酸素曝露)に適応した肺血管にリモデリングの能力が高いことが推察された.連携研究者:桜井智野風(東京農業大学・生物産業学部・准教授)
歯髄幹細胞は歯牙再植時の歯周組織再生の細胞源となりうるか？

本研究では、ヒト歯髄幹細胞(hDPSC)が歯根膜細胞様細胞への分化能を有するか否かを検討した。ヒト歯髄組織には間葉系幹細胞マーカーを発現し、多分化能を有するhDPSCが存在することが確認できた。hDPSCは歯周組織を模した歯槽骨に接すると歯根膜関連マーカーの発現が上昇し、また歯根膜線維形成に関与しているTGF-β1で刺激すると同様に歯根膜関連マーカーの発現が上昇することが明らかになった。hDPSCは歯周組織再生の移植細胞源になる可能性が考えられ、さらにTGF-β1を組み合わせて用いることで効率よく歯根膜組織再生誘導し、新たな歯周組織再生法開発につなげていける可能性が示唆された。歯髄幹細胞(DPSC)が存在するヒト歯髄組織は、様々な医療分野における組織再生のための移植治療の重要な細胞源となりうると考えられている。本研究では、DPSCの歯周組織再生の細胞源としての可能性を検討する目的で、ヒトDPSCが歯根膜細胞様細胞への分化能を有するか否かを検討した。前年度に、single-colony selection法にて確立した歯髄細胞クローン群から、間葉系幹細胞マーカー発現を認め、多分化能を有する歯髄幹細胞クローン(DPSC)を単離した。歯髄細胞は歯根膜細胞と比較して歯根膜関連マーカーであるperiostin, Col-1, alpha-SMAの発現が低いが、DPSCをブタ歯槽骨スライス上で培養すると歯根膜関連マーカーのmRNA発現が上昇した。平成25年度において以下の研究結果を得た。DPSCを歯槽骨スライスと近接した状態で培養するとperiostinタンパクの発現が上昇した。一方で、マウス歯周組織におけるTGF-beta発現を免疫化学染色にて検討したところ、歯髄組織ではその発現がほぼ認められなかったが、歯根膜組織に強発現していた。さらに、in vitroにて歯根膜細胞および歯髄細胞におけるTGF-beta mRNA発現を検討したところ、歯根膜細胞において有意にその発現が高く、TGF-betaは歯根膜組織において重要な因子である可能性が示唆された。そこで、TGF-betaにてDPSCを刺激したところ、歯根膜関連マーカーの発現が上昇した。in vivo実験系のさらなる検討が必要ではあるが、以上の結果から、歯髄幹細胞は歯根膜組織再生の移植細胞源として有用である可能性が示唆された。先ずヒト歯髄細胞と歯根膜細胞における歯根膜関連マーカーの発現を解析したところ、歯髄細胞ではPeriostin, Col-1, α-SMAの発現が歯根膜細胞と比較して有意に低かった。次にヒト第3大臼歯の歯髄組織及び歯根膜組織よりsingle-colony selection法を用いて歯髄細胞クローンおよび歯根膜細胞クローンを単離した。歯髄細胞各クローンはフローサイトメトリー分析法によりMSCマーカーであるCD73, CD90, CD105, CD146およびCD166を発現していた。また、分化能について検討したところ、骨芽細胞、脂肪細胞および軟骨細胞分化を示したことから多分化能を有していることが明らかになった。以上の結果より、単離した歯髄細胞クローンはDPSCの特徴を有していると考えられた。一方でPeriostin, Col-1, α-SMAの発現は歯根膜細胞クローンと比較して低く、特徴が異なっていた。そこでDPSCをブタ歯槽骨スライス上で2週間培養して、Periostin, Col-1, α-SMAの発現を検討したところ、歯根膜細胞クローンと同等のレベルまでその発現が上昇した。以上の結果より骨組織と接触したDPSCはgrowthfactor非存在下で歯根膜細胞様細胞に分化する可能性が示唆された。申請時の初年度の予定では、ヒト歯髄幹細胞(DPSC)のキャラクタライゼーションを行い、歯周組織形成モデルin vitro培養系を用いたDPSCの歯根膜細胞様細胞分化の検討を行うとしていた。実績概要に示す通り、DPSCのキャラクタライゼーションは詳細に行うことができた。また、歯根膜細胞様細胞分化の検討に関しては骨および象牙質スライス上でのDPSC培養の影響は検討できたものの、2次元的に歯周組織環境を再現するモデルに関しては未だ確立できていない。一方で、次年度の実験計画に予定していた3次元的に歯周組織環境を再現するモデルを用いてDPSCの挙動を検討したが、ポジティブな結果は得られなかった。歯周組織形成モデルin vitro

培養系における研究結果をまとめると、骨基質上においてDPSCの歯根膜関連マーカー発現が上昇していたことから、本研究の仮説としているヒトDPSCによる歯根膜細胞様細胞分化の可能性が示唆され、次年度以降に繋がる成果が得られたと考えている。今後はまず、骨および象牙質スライスを用いた2次元的に歯周組織環境を再現するモデルを確立し、DPSCによる歯根膜細胞様細胞分化能を詳細に検討する予定である。次に、in vivo歯牙再植モデルを用いた歯髄幹細胞(DPSC)移植による歯根膜組織再生能の検討を行う予定としている。免疫不全マウスより抜去した上顎切歯歯根表面の既存の歯根膜組織をキュレッタージにて除去後、EDTAにて根面処理を行い、ヒトDPSCをコラーゲン担体とともに抜去歯牙歯根表面および抜歯窩に付着させ、抜歯窩に歯牙を再植する。経時的変化を組織学的に観察し、骨芽細胞マーカー、セメント芽細胞マーカーおよび歯根膜組織マーカーや神経マーカーおよび血管マーカー(VEGF, Tie-2)の発現を免疫組織化学的染色法にて検討する。また、線維成分の局在および走行をマッソントリクローム染色にて検討する。以上によってヒトDPSC移植による歯根膜組織を含む歯周組織再生能の分析を行う。初年度に確立できなかった、骨および象牙質スライスを用いた2次元的に歯周組織環境を再現するモデルの確立に研究費を使用予定である。解析方法として、骨ー象牙質間に増殖、分化した細胞によって形成された構造の組織学的観察およびマッソントリクローム染色によって線維構造を検討する。さらに、骨側に分布する細胞における骨芽細胞マーカー因子の発現および象牙質側に分布する細胞におけるセメント芽細胞マーカー因子の発現について免疫組織化学的染色法による検討を行う。以上の実験に関わる物品購入などに研究費を充てる予定としている。
ソフトコンピューテイングによる自動車ナビゲーションシステム関する研究

提案手法の効果や効率性については申請者が所属する研究室で開発された簡易シミュレータにより既に明らかにされている。また、シミュレータの使用目的は、主に提案手法を適用するためのデータベースを生成することである。しかし、次なるステップとして、大規模かつ複雑なシミュレータを扱うために、時系列を扱うことができるGNPによる予測システムの精度を向上させる。シミュレーション環境の違いに依存することなく、提案手法の効果と効率性とを明らかにする必要があるため、様々な交通状況下での性能検証を行いました。また、より複雑なシミュレータ上で正確な予測ができるように、データベース構造とGNPを基盤とするデータマイニング手法もまた改良しました。今後も、交通予測情報、省エネ運転法、渋滞を避けるための最適経路をユーザに分かりやすく提示することを検討する。そして、大規模複雑なシミュレータを用いて前年度までに行ってきた研究の性能検証を行う。加えて研究成果を世界に発信するために、世界的に認められた国際学術雑誌への論文投稿を行う。開発した有向グラフ遺伝子を特徴とする新しい進化論的計算手法(Genetic Network Programming, GNP)を道路交通流予測のためのデータマイニング技術に展開する研究を進めている。すべてのルールを抽出するこどはできないが、指定した世代終了時点で蓄積されている興味深い相関ルールをユーザは活用することができる。GNP有向グラフ遺伝子は時間遅延を利用して、データベースにおいてアイテムと具体的な時間点にみられる関係ルールを抽出することになる、つまり、時系列相関ルールマイニングはGNPに基づくデータマイニング手法を拡張し、交通流制御システムに応用することを目的とした。また、より複雑なシミュレータ上で正確な予測ができるように、データベース構造とGNPを基盤とするデータマイニング手法も改良しました。提案手法の効果や効率性については大規模かつ複雑なシミュレータSOUND/4Uにより明らかにされている。
学級力セルフ・アセスメントシステムを活用したプロジェクト教授法の開発と評価

本研究では、児童生徒が自らの学級の状態を示す「学級力アンケート」の結果を可視化して活用し、プロジェクト学習の中で共同的に学級力向上に取り組むためのレーダーチャート表示システムの開発及びそれを用いた教師の教授法の開発を行った。すでに研究代表者が2011年に実施した予備的な研究により開発したプロトタイプ版を高度化し、さらに統計的妥当性と信頼性の向上によるアンケート調査の標準化と科学的知見の集積、さらに、全国の小中学校での実証研究を通したシステムの評価・改善を行った。1.研究目的本研究は、学級の児童生徒が「学級力アンケート」とよぶ調査を主体的に実施し、その結果をレーダーチャート形式で可視化して表現する「学級力セルフ・アセスメントシステム」を活用して、総合的な学習の時間において、「学級力向上プロジェクト」に取り組むことを通して自律的に学級力を向上させるためのプロジェクト教授法を開発することを目的とした。2.研究方法本研究の初年度目において開発したのは、1)「学級力アンケート」調査用紙、2)学級力を視覚的に表示するためのエクセルを用いた「学級力レーダーチャート」、そして3)総合的な学習の時間における単元「学級力向上プロジェクト(全15時間)」の基本モデルである。そのために、特に英国における学級経営の文献をレヴューするとともに、英国のこの分野でのリーダー的研究者である、Dr. Sharley Cavanarにインタビューを実施して、有益な研究知見を得た。さらに、学級力アンケートの試作版を現職小中学校教師の協力を得て改訂した。本年度は、その改訂版学級力アンケートと学級力レーダーチャートを用いて、全国の15校の小中学校において、学級力向上プロジェクトを実施し、その過程をビデオや写真で記録した。また、学級力アンケートの結果を保存し分析した。3.研究成果研究の初年度は、改訂版学級力アンケートと学級力アンケートを作成し、さらにそれらを全国の複数の小中学校で実際に授業化して、学級力向上プロジェクトの実践を行い、その記録をとることができた。その記録を分析したところ、次のようなプロジェクト教授法に関わる知見が得られた。・小学校低学年における学級力向上プロジェクトの実践のあり方、・スマイルアクションを児童生徒に選択させるアクションカードの有効性、・中学校における班長会議の運営方法次年度は、上記の成果を生かし、さらに教授法の体系化を行いたい。平成26年度の研究目的は、研究指定校での研究授業の分析を通して、学級力向上のためのプロジェクト学習を実践するプロジェクト教授法の開発を行うことが中心となっている。本年度の研究成果は、以下の通りである。【具体的内容】学級力を高めるプロジェクト教授法の開発については、先行研究として、RーPDCAサイクルという経営改善モデルを参考にして、活動系列を構想した。次に、以下の3点で研究成果を深めた。1)ビデオ記録分析活動系列モデルにしたがった研究授業を、研究協力校6校の小中学校で実施し、その様子をビデオ記録に撮り、具体的な発問や指示、典型的な児童の反応、学級力レーダーチャートの効果的な活用法、効果的なワークシートの活用法等をビデオ記録の分析により実証的に明らかにした。2)教師インタビューの分析こうして抽出した教授法の具体例を整理して、授業者にフィードバックし、その教授意図をインタビューにより取り出し整理した。3)児童生徒による授業評価アンケートの分析以上の研究授業については、それぞれに児童生徒による授業評価アンケートにより、成果と課題(改善点を含む)を明らかにした。【意義】学級力を高めるプロジェクト教授法の下位類型は、掲示系、記録系、ほめほめ系、サイン系、ポイント系、体験系、行事系、ものづくり系、話し合い系、お祝い系という、10タイプになった。これまで、特別活動において学級をよくする活動例として部分的に提案されていたものはあるが、本研究で体系化できたことは、理論面での蓄積だけでなく、実践面においても、学級を改善する子ども中心の手法が整理できた意義は大きい。【重要性】本年度の研究で、プロジェクト教授法の開発が、ほぼ期待通りに体系的に実施できたことで、次年度(最終年度)の研究において、その成果を生かした実践ハンドブックの開発が可能となった。本研究は、小中学校における学級経営の新しい教授法を開発することをねらいとしている。具体的には、学級の児童生徒が「学級力アンケート」と呼ぶ調査を主体的に実施し、その結果をレーダーチャート形式で可視化して表現する「学級力アセスメントシステム」を活用して、総合的な学習の時間において、「学級力向上プロジェクト」に取り組むことを通して自律的に学級力を向上させるためのプロジェクト教授法を開発することを目的とする。学術的な特色は、学級力という児童生徒のための学級改善指標を定義し、学級の児童生徒の人間関係等の実態を児童生徒自らがアンケートで測定し診断することを支援するアンケートとアセスメントシステムを開発することである。先行研究の概観により明らかにしたように、学級力を児童生徒が測定・診断するシステムはこれまで国内外ともに開発されていない。さらに本システムは、プロジェクト教授法と連動することが独創的な点である。3年間の研究成果は、「学級力向上システム」のプロトタイプ版の教育機能をより高度化し、さらに、統計的な妥当性と信頼性を向上させ、小中学校における実用化を行った。具体的には、まず、「学級力アンケート」については、質問項目の見直しと精選による尺度の再構成を、全国の小中学校20校での調査によって統計的に実施した。次に、「学級力アセスメントシステム」については、カラー化、エクセルによるマクロ・プログラミングの高度化、複数チャートの重ね合わせ機能の付加、リンクボタンの配置による領域別平均値と棒グラフの重ね合わせ表示機能の追加等を行った。

さらに、「プロジェクト教授法」については、教師インタビューと研究授業のビデオ分析により、10領域30項目の教授法を整理することができた。今後の課題は、学級力向上プロジェクトを推進する教師の学級マネジメント力を自己診断・改善する研修システムの開発である。本研究では、児童生徒が自らの学級の状態を示す「学級力アンケート」の結果を可視化して活用し、プロジェクト学習の中で共同的に学級力向上に取り組むためのレーダーチャート表示システムの開発及びそれを用いた教師の教授法の開発を行った。すでに研究代表者が2011年に実施した予備的な研究により開発したプロトタイプ版を高度化し、さらに統計的妥当性と信頼性の向上によるアンケート調査の標準化と科学的知見の集積、さらに、全国の小中学校での実証研究を通したシステムの評価・改善を行った。研究計画時に想定していた問題が発生しなかったため。教育工学、教育心理学、教育学研究期間の最終年度には、以上の全ての研究成果を研究報告書にまとめるが、それと並行して、「学級力向上プロジェクト実践マニュアル」(DVD付き)として、学校の教師が本研究の知見を実践的に活用して、自らの学級の学級力を向上させることができる自学自習型の研修マニュアルを完成し、広く社会に公開する。特に大きな困難はない。研究協力校でも、学級力向上プロジェクトが順調に実施され、それらの実践記録も順調に収集されているため。次年度は、以下の研究計画を遂行する予定である。[教師インタビューの分析]抽出・整理した教授法の具体例を整理して、授業者にフィードバックし、その教授意図をインタビューにより取り出し整理する。[児童生徒による授業評価アンケートの分析]研究授業について、それぞれに児童生徒による授業評価アンケートを実施し、成果と課題(改善点を含む)を明らかにする。研究計画の2年度目となるため。また、差引額が生じた理由は、アルバイト学生謝金が、生じなかったため。アルバイト学生謝金を増額して利用する計画である。また、データ収集のための学校訪問が増えることが予想される。
半整数緩和とFPTアルゴリズムへの応用に関する研究

本年度はまず、昨年度からの続きとして半整数緩和を用いた分枝限定法に関する研究を行った。昨年度はMultiway Cut問題などに対する半整数緩和を高速に解く増大路アルゴリズムを得たが、全ての制約を充足させる判定問題を解く際に用いられる「unit-propagation」という手法の拡張としてこの増大路アルゴリズムを捉えることにより、新たに2-SAT型の制約に対しても適用範囲を広げることに成功した。ここまでの成果は理論計算機科学分野のトップ会議であるFOCS 2018に採択され、発表を行った。次に、半整数緩和以外の下界を用いる分枝限定法の例として、Feedback Vertex Set問題に関する研究を進めた。この問題は実用上は半整数緩和による下界よりも「次数による下界」を用いた分枝限定法の方が有効であることが知られているが、実はこの分枝限定法が計算量的にも優れていることを示すことに成功した。解析の更なる改善を引き続き行っている。また、分枝限定法とは異なる枝刈りによる高速化として、シュタイナー木問題に対する枝刈り動的計画法を開発した。シュタイナー木は、与えられたターミナル点集合を最小コストで連結にする方法を求める問題で、様々な実用的応用があり、整数計画法を用いた実用上高速な解法が知られていた。本研究では、ターミナル数が小さい場合に理論上高速に動作する動的計画法を用いた解法をベースに、連結性条件から導出される下界を用いた枝刈りを取り入れ、実用上の性能を大幅に改善することに成功した。本手法を用いたソルバーが競技会PACE Challenge 2018にて1部門優勝、1部門準優勝を果たし、また本手法をまとめた論文が人工知能分野のトップ会議であるAAAI 2019に採択され、発表を行った。当初の計画の半整数緩和のみならず、他の下界を用いた枝刈り手法についても、理論上高速であることの証明および実用上の性能改善を得ることに成功した。また、競技会での成績によって実性能の高さを実証することが出来た。まずは現在進めている「次数による下界」を用いた分枝限定法の計算量解析に関する研究を更に進め、発表を行う。次に、「重み付き」の問題に対する研究を行う。分枝限定法の理論解析を進めたことで、新たな進展が得られたとともに、難点も見えてきた。その一つが「重み付き」の問題を扱えないことである。現在の解析は、各分岐で最適解と下界とのギャップが一定量以上必ず減少する、ということを示すことにより、探索の深さが最適解の大きさで抑えられるという方針で行っており、重み付きの場合に適用することが出来ない。一方で実用上は重み付きの場合でも高速に扱うことが出来ており、このギャップを理論的に埋める方法を考案する。本年度は半整数緩和を効率的に解く手法に関する研究を中心に行った。[Iwata+,SICOMP'16]では幾つかのNP困難問題の半整数緩和に対して、最小カット問題に帰着して線形時間で半整数緩和を解く手法を示したが、他の様々な重要な問題に対してこの最小カットを用いる手法は適用することが出来なかった。そこで本年度はまず、最小カットへの帰着を用いるのではなく、独自の増大路アルゴリズムを開発することによりこの限界を打破することを試みた。1つ目の成果は昨年度から研究を行っていたFeedback Vertex Set(FVS)の半整数緩和を効率的に解く増大路アルゴリズムに関するもので、国際会議ICALP 2017に論文が採択され、発表を行った。この手法の鍵となったアイデアは、最適解の中に特殊な構造を持つものがあり、そのような特殊な解に限定することで増大路が設計出来る、というものである。そこで、このアイデアを更に発展させることにより、FVS以外の問題への適用を試みた。その結果、Multiway Cut、Group FVSなどの非常に様々な問題に対する半整数緩和を効率的に解く統一的手法の開発に成功した。更に、整数部分が極大な解が同じ計算時間で得られることを示し、これにより様々な問題に対する線形時間FPTアルゴリズムを得た。この結果はプレプリントで論文を公開し、現在国際会議に投稿中である。また、最小カット問題を含む様々な多項式時間計算可能な問題に対するより効率的なアルゴリズムの研究も行った。これらの問題は計算量の改善が困難であると信じられており、近年では入力を特殊ケースに限定した場合により効率的に解けないかが着目されて来ている。本研究では、入力が「木っぽい」構造を持つならばその限界を超えて線形時間で解けること示した。この結果は国際会議STACS 2018に採択された。本年度の目標であった半整数緩和を効率的に解く手法の開発について、非常に幅広い問題について統一的な枠組みでアルゴリズムを与えることに成功した。また、整数部分が極大な解を得るアルゴリズムの開発にも成功し、様々な問題に対する線形時間FPTアルゴリズムを得た。更に、一般には計算量の改善の難しい問題に対しても、入力が木っぽい構造を持っている場合には高速に解くことが出来ると示すことに成功した。

次に、半整数緩和以外の下界を用いる分枝限定法の例として、Feedback Vertex Set問題に関する研究を進めた。この問題は実用上は半整数緩和による下界よりも「次数による下界」を用いた分枝限定法の方が有効であることが知られているが、実はこの分枝限定法が計算量的にも優れていることを示すことに成功した。解析の更なる改善を引き続き行っている。また、分枝限定法とは異なる枝刈りによる高速化として、シュタイナー木問題に対する枝刈り動的計画法を開発した。シュタイナー木は、与えられたターミナル点集合を最小コストで連結にする方法を求める問題で、様々な実用的応用があり、整数計画法を用いた実用上高速な解法が知られていた。本研究では、ターミナル数が小さい場合に理論上高速に動作する動的計画法を用いた解法をベースに、連結性条件から導出される下界を用いた枝刈りを取り入れ、実用上の性能を大幅に改善することに成功した。本手法を用いたソルバーが競技会PACE Challenge 2018にて1部門優勝、1部門準優勝を果たし、また本手法をまとめた論文が人工知能分野のトップ会議であるAAAI 2019に採択され、発表を行った。当初の計画の半整数緩和のみならず、他の下界を用いた枝刈り手法についても、理論上高速であることの証明および実用上の性能改善を得ることに成功した。また、競技会での成績によって実性能の高さを実証することが出来た。今後は当初の計画通り、半整数緩和による下界よりも更に強い下界を用いた分枝限定法の計算量解析と、そのような下界を効率的に計算する手法について中心に研究を進めていく。また、本年度開発した効率的な半整数緩和計算を用いた分枝限定法アルゴリズムを実装し、実験による実用性能評価を行う。まずは現在進めている「次数による下界」を用いた分枝限定法の計算量解析に関する研究を更に進め、発表を行う。次に、「重み付き」の問題に対する研究を行う。分枝限定法の理論解析を進めたことで、新たな進展が得られたとともに、難点も見えてきた。その一つが「重み付き」の問題を扱えないことである。現在の解析は、各分岐で最適解と下界とのギャップが一定量以上必ず減少する、ということを示すことにより、探索の深さが最適解の大きさで抑えられるという方針で行っており、重み付きの場合に適用することが出来ない。一方で実用上は重み付きの場合でも高速に扱うことが出来ており、このギャップを理論的に埋める方法を考案する。
個体内単一ニューロン選択的遺伝子改変による機能解析法の開発

本研究では、これまでに独自に開発した単一ニューロン選択的遺伝子改変法を用いて、脳内における単一ニューロンの機能解析を行うことを目的とする。これにより、動物個体内で単一ニューロンの機能/形態解析を直接行うことを可能にする。また、従来の遺伝子改変技術では達成不可能であった、脳内におけるただ一つのニューロンの機能改変法が可能になると期待される。昨年度までに、緑色蛍光タンパク質(EGFP)を用いて、大脳ニューロンにおいて発現効率が最大(約70%)となるような条件を見いだし、遺伝子を導入したニューロンからホールセル記録やカルシウムイメージングを行うための慢性記録用チャンバーを開発した。これにより、脳内で最大20個程度の特定のニューロンに選択的に遺伝子を導入する方法を確立した。これらの方法を用い、光活性型チャネルChannelrhodopsin-2を大脳皮質錐体細胞に発現させ、青色レーザーで刺激を行うことで、マウス脳内において特定のニューロンだけを活性化することに成功した。また、特定のニューロン活動を経時的にin vivoで可視化するためのカルシウムセンサープローブを導入することに成功した。これらの技術を組み合わせることで、脳内の任意の少数ニューロンを同時に刺激してその活動をモニターすることが可能となった。従来までの電極を用いる方法と比較して、任意のニューロンを時空間パターンを制御して刺激することが可能で、同時に活動をモニターできるという点で優れた方法である。本年は、緑色蛍光タンパク質(EGFP)を用いて、大脳ニューロンにおいて発現効率が最大(約70%)となるような条件を見いだした。また、遺伝子を導入したニューロンからホールセル記録やカルシウムイメージングを行うための慢性記録用チャンバーの開発を行った。さらに、慢性のカルシウムイメージングを行うためのカルシウムセンサータンパクをコードする種々のプラスミドDNAの供与を受け、プラスミドDNAの調整を行った。今後、1ヶ月以上の長期間に渡って安定な発現を可能にする条件を見つけるとともに、大脳だけでなく小脳等の他の脳領域において発現を可能にする条件を検討する。また、現状では、遺伝子を導入することが可能な脳表面からの深さが200-300マイクロメートルまでに限られており、2光子イメージングの観察可能深度を向上させることで、さらに深層のニューロンにおいても遺伝子発現が可能になるように改良を加える。
天体高温プラズマ活動現象の、磁気エネルギー蓄積過程と解放過程との研究

コロナ加熱を説明する過程としてコロナAlfven波を熱拡散する可能性が議論されている。2006年夏打ち上げ予定のSOLAR-B衛星においても、これは最重要課題のひとつと位置付けられる。著者らによる過去の研究では、そのエネルギー源となるAlfven波の発生機構を探るために、2.5次元磁気流体シミュレーションをおこない、発生したAlfven波の振幅・エネルギー・周期を調べてそのコロナ加熱への貢献度を定量的に評価した。浮上磁場とコロナ磁場とのコロナ中でのリコネクションによる発生では、振幅は10%程度、磁気エネルギーの10%が波動に転換されるという結果をえた。この結果をふまえたうえでSOLAR-B衛星での観測計画の具体化をめざし、本年度の研究では波動観測についての可能性を探った。活動領域でみられるフレアやマイクロフレアにともなって発生するであろう波動を想定して、3次元磁気流体シミュレーションを行い、そこから発生するライン放射について仮想的に「観測」をしてどういうふうに見えるか、について調べた。ラインプロファイルの時間変化を適切に観測することで、フレアやマイクロフレアから発生するファストモード磁気音波やAlfven波の波群のエネルギーや、コロナ磁場についての情報が得られることを示した。これ以外に、太陽コロナ中での浮上磁場とコロナ磁場とのリコネクションの研究(磯部・宮腰・能登谷氏らとの共同研究)、磁場エネルギー蓄積の観測的研究(山本・草野氏らとの共同研究)、相対論的磁気リコネクション(渡邊氏との共同研究)、太陽フレア非熱硬X線放射の研究(簑島・三谷氏らとの共同研究)、惑星磁気圏と太陽風との相互作用(垰氏らとの共同研究)、マグネターからの巨大バースト現象の研究(寺澤氏らとの共同研究)などをおこなった。太陽フレアのエネルギー解放の物理機構が磁気リコネクションであることは、観測的には確立しつつある。しかし、磁気リコネクションのかなめともいうべき拡散領域が、大きな磁気Reynolds数のもとでどのような構造をしているのかがまだ明らかになっていない。フレアのリコネクションでは、ミクロ過程が効くスケールと、ループのスケールとの中間のスケールに、磁気流体乱流で実効的に拡散が強くなっている拡散領域がおそらく存在すると考えられている。本研究では、磁気リコネクションが、乱流的な擾乱によってどのような影響を受けるのかを、磁気流体シミュレーションによって調べている。現在までの予備的な結果によると、乱流擾乱をあたえたケースでもエネルギー解放率は非擾乱ケースに比べて大きくは違わない。これ以外に、共同研究(磯部氏ら)で、磁気流体シミュレーションの結果から、X線放射を求めて原始星フレア観測との比較を議論した。それ以外にも太陽フレアの観測研究(White・浅井氏と共同)、太陽コロナ活動現象の理論シミュレーション研究(森安・宮腰氏と共同)もおこなった。昨年度にひきつづき、磁気リコネクション拡散領域についての研究をおこなっている。しかし、そのかなめともいうべき拡散領域が、大きな磁気Reynolds数のもとでどのような構造をしているのかがまだ明らかになっていない。ミクロ過程が効くスケールと、ループのスケールとの中間のスケールに、磁気流体乱流で実効的に拡散が強くなっている拡散領域がおそらく存在すると考えられている。3次元のシミュレーションをおこない、さまざまな擾乱について調べてみた。ランダム位相ランダム振幅のAlfven波、シア方向がランダムに向いている電流シート、ランダムに点火する異常抵抗などである。現在までの結果では、乱流による付加的な拡散効果はまだ現れていない。これ以外に、太陽コロナ中での浮上磁場とコロナ磁場とのリコネクションの研究(草野・磯部・宮腰・能登谷氏らとの共同研究)、相対論的磁気リコネクション(渡邊氏との共同研究)、太陽フレア非熱硬X線放射の研究(簑島・三谷氏らとの共同研究)、太陽フレア観測(浅井氏らとの共同研究)などをおこなった。

これ以外に、太陽コロナ中での浮上磁場とコロナ磁場とのリコネクションの研究(磯部・宮腰・能登谷氏らとの共同研究)、磁場エネルギー蓄積の観測的研究(山本・草野氏らとの共同研究)、相対論的磁気リコネクション(渡邊氏との共同研究)、太陽フレア非熱硬X線放射の研究(簑島・三谷氏らとの共同研究)、惑星磁気圏と太陽風との相互作用(垰氏らとの共同研究)、マグネターからの巨大バースト現象の研究(寺澤氏らとの共同研究)などをおこなった。