hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
職業・専門教育と雇用・就職の関連構造に関する日独中比較研究

個人研究でいえば、わが国の職業教育とその研究の課題を明らかにした寺田の研究(中国・華東師範大学学報にも翻訳掲載)や伊藤の編著、わが国企業内教育のシステム変容を実証的に調査した永田の研究やブルーカラー労働者のキャリア形成とメンタルヘルスの関係を明らかにした金井の研究(国際誌に掲載)、さらに高等学校のキャリア教育、職業・進路指導の実態を事例分析的に検討した寺田、金井、夏目、堀内らの研究が主な成果である。本年度の重点課題であるインターンシップの研究については、日独中の3か国の制度・政策分析、ケーススタディー(インタビュー調査)が研究者の相互乗り入れ方式でなされた。ドイツの中・高等教育に関する調査研究の成果は寺田、坂野、吉川、ゲオルグ、デーメスの共同で、昨秋の日本産業教育学会大会で発表された(産業教育学研究第32巻第1号に掲載)。日本の高校、大学におけるインターンシップについては、全国レベル(寺田、田中)および大阪、和歌山、京都、愛知などの個別学校レベルの事例研究を行った(伊藤一雄他)。中国の現状については、石(短期高等教育)、銭や堀内(中等職業教育)によりやはり地域・個別学校レベルの校内実習、企業実習の事例が分析された。これらの成果は、本研究の中間報告書「中・高等教育におけるインターンシップの日独中比較研究」として近く自家発行の予定である。本研究の4年間にわたるテーマ「職業・専門教育と雇用・就職の関連構造の日独中比較研究」について、(1)学校教育からみた「関連づけ」アプローチ、(2)職業仲介・職業指導の面からみた「関連づけ」、(3)企業内教育・人材開発システムからみた「関連づけ」の基盤という3つのアスペクトにおいて、3か国のシステム・実状を分析してきた。本年度の重点は、この2年の研究が主として各機関の教育・人材担当責任者に対するヒヤリング調査であったことに鑑み、生徒・学生レベルの分析(インターンシップの教育的・職業観形成効果の評価)に力を入れることであった。なお、活字になっていないが、現在集計中のアンケート調査「高校生の進路・キャリア選択」(全国約16の高校・学科の生徒、約2000名)が最大の成果であった。普通科高校生や文系学生の職業的発達、職業教育的経験の不十分さが浮き彫りになりつつある。他に、「職業教育とキャリア教育・職業指導(インターンシップ)の分担関係と成立条件に関する4か国比較研究」(アメリカを含む)として全体を収斂させるための研究として、寺田の高等学校の産業現場実習に関する歴史的、理論的研究が成果をあげた。本プロジェクトの第3個別テーマである企業内教育・人材開発システムの動向分析では、永田と金井によって、近年の企業の人材開発が「外部化」やメンタル・ストレスを強めていることが明らかにされた。さらに、本研究の最終目的である、職業教育・人材開発の国際比較のモデル化・方法開発の基礎的研究として、寺田がドイツ連邦共和国で出版された著書に、その成果を発表した。本研究は、当初国内8名、海外3名(ドイツ2名、中国1名)の11名の国際共同研究としてスタートし、主として職業教育・専門教育の国際比較の視点から、それと雇用・就職との関連構造を究明することを課題としたものである。学校教育・職業教育と就職・雇用の中間項(就職過程・仲介機関の活動)の問題を除けば、概ね課題を果たせたかと思う。とくに学校側からの雇用・職業との接続に関わる問題に関しては最初の2年間の中間報告書として『中・高等教育における「インターンシップ」』(2002年3月)を集成した。
高分解能電子顕微鏡を用いたナノ電子線加工過程における構造と伝熱のその場解析

高分解能透過電子顕微鏡を用いてナノメートルサイズの電子線を発生させて超微細加工しその機構を原子直視的に明らかにした。具体的な研究成果は以下の通りである。1.今まで本研究者が用いていた熱放出型透過電子顕微鏡よりもさらに微小な収束径(0.2nm)と高い照射密度(10^210^4A/cm^2)をもつ電子線を発生させる電界放出型透過電子顕微鏡により加工精度と加工速度をさらに向上させた。得られた加工精度は現在世界最高のものである。また今まで加工速度が遅く超微細電子線加工には不向きであった材料の加工に成功した。観察像と計算機シミュレーションとの比較により加工の構造評価をした。2.結晶粒界、転位、微小空隙等の格子欠陥を含まない単純な組織の材料だけではなく格子欠陥を含む多種多様な材料に対してもナノ電子線加工が有用であることを示した。特に加工終了直前における各格子欠陥のサイズの超微細化に伴う原子配列の変化を明らかにした。3.各種材料の電子線照射による脱離率の差を利用して、被覆したナノメートル-サイズの領域を残して材料を削り突起形状を作製することに成功した。4.電子顕微鏡内で金属-セラミック、金属-半導体、サラミック-セラミックどうしを常温において接合し、その過程を原子尺度で観察した。ナノ結晶粒どうしの接合によってナノメートル構造をもつ材料の創製することができた。以上の成果がいづれも現在の超微細電子線加工における最先端に位置するものである。
ストレス刺激に対する室傍核・前頭前野における一酸化窒素とGABAの薬理学的検討

意識下のラットを用いて、マイクロダイアリシス法によって前頭前野(mPFC)の一酸化窒素代謝物(NOx^-)濃度を測定し、選択的GABA受容体拮抗薬または作動薬をダイアリシスプローブを通して潅流し、NOx^-レベルの変化を測定した。間欠的フットショック刺激(0.1,0.3mA;60Hz)を与えると、強度依存的にmPFCのNOx^-レベルが増加した。そこで、間欠的フットショック刺激(0.2mA;60Hz)を与え、同時に選択的GABA受容体作動薬を潅流した際のmPFCのNOx^-レベルの変化を測定した。muscimol(10μM)またはbaclofen(50μM)を潅流した際のmPFCのNOx^-レベルの変化を測定した。フットショック+muscimol(10μM)投与群またはフットショック+baclofen(50μM)投与群は、フットショック+vehicle投与群に比較してNOx^-レベルの増加反応は有意に減弱した。これらのことより、GABA(A)受容体およびGABA(B)受容体は、NOx^-基礎レベルに対して持続的かつ緊張的に抑制し、またストレス負荷時にはNOx^-レベルに対してより抑制的に働いていることが推測された。
毛包とそれを取り巻く微小環境に着目した皮膚免疫応答制御修飾メカニズムの解明

毛包は表皮外から表皮および真皮を貫き、皮下組織近傍の毛細血管へと至る極めて特殊な構造を有している。近年毛包には、皮膚内部での免疫応答を調節する機能を有するとの可能性が指摘されているが、その全容は明らかになっていない。本研究では、ヒトを含めた多くの哺乳動物の皮膚に存在し、周期的に変遷している毛包とそれを取り巻く微小環境に着目し、毛包を窓口とする皮膚の免疫制御機構を比較動物学的に解析することで、新たなアレルギー炎症誘導機序を解明するとともに、それに立脚した治療戦略の提案を目指す。アレルギー性皮膚炎における毛包の役割、毛包周囲微小環境における免疫系幹細胞や調節型T細胞による免疫制御・修飾機構を検討する課題であり、アトピー性皮膚炎モデルマウス毛包のマイクロバイオーム解析やアトピー性皮膚炎モデルマウスと無毛化マウスを用いた経毛包物質輸送の検討などが計画されている。アレルギー性皮膚炎における毛包の役割を解明する本課題は学術的独自性や独創性が高い。本課題の計画が達成されるならば、新たなアレルギー炎症誘導メカニズムが解明されるのみならず、治療戦略確立の基盤となるので、大きな波及効果も期待できる。
糖尿病による筋機能低下の分子メカニズムの解明

糖尿病は骨格筋の形態的,機能的な障害を引き起こすが,これらの詳細な分子メカニズムは不明である.申請者はこれまでに薬理学的処置による1型糖尿病モデルでは筋細胞内カルシウムイオン(Ca2+)調節機構に障害が生じていることを明らかにしている.細胞内Ca2+の過剰蓄積は筋疲労を導く要因とも考えられており,糖尿病状態におけるCa2+調節機構の障害は骨格筋の機能障害の一因となっている可能性が予想されるため,このメカニズムを詳細に解明することは糖尿病患者の運動機能改善のため有益であると思われる.本研究は,糖尿病が誘発する筋機能低下と細胞内Ca2+調節機構の関連性を明らかにすることを目的とした.2型糖尿病モデルであるdb/dbマウスを対象に検証を実施し,その結果,db/dbマウスの骨格筋は正常モデルの骨格筋と比較して,電気刺激時の発揮張力の低下,疲労性が増大していることを明らかにした.また,単縮時の収縮速度および弛緩速度が遅延していることを明らかにした.さらに,生化学手法によるタンパク質定量によって,db/dbマウスの骨格筋は正常マウスと比較して,Ca2+放出関連因子であるRyanodine Receptorのタンパク質量が低下していた.これらの結果から,2型糖尿病モデルの骨格筋は筋力低下といった筋機能低下を惹起することが示唆され,この脆弱性はCa2+制御タンパク質の低下に付随している可能性が示唆された.翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。
パッチクランプ法による植物細胞の電気融合に関する基礎研究

試料にはサラダ菜葉肉およびピーマン果肉を用い、そのプロトプラスト化(裸細胞)とガラス電極の作成の技術は確立できた。電極にパッチクランプされた細胞内外の電気的絶縁機密(ギガ・オーム抵抗)の技術は確立できなかった。そのため細胞膜に通電した電流の漏電による雑音電流が大きく、細胞膜のイオンチャンネル電流値は得られず、実験は継続中である。それと並行して高周波交流電圧印加とパルス電圧印加による一対の同種および異種細胞間の融合特性および融合速度を調べた。実験はPH=5.5、マン=トール10wt%、塩化カルシュウム0.1mM溶液中で、それらの融合過程を顕微鏡下のビデオ撮影で追跡し、以下の結果をえた。融合特性:電圧印加時間を一定にして、パルス印加電圧およびパルス巾が融合におよぼす効果を調べた。1)印加電圧とパルス巾により融合不能領域、融合領域、細胞破壊領域が存在し、そのマップを得た。融合の下限印加電圧は、パルス巾が短い領域では高電圧が必要で、パルス巾が長くなるほど低電圧となり、これは細胞種によらず共通の傾向であった。しかし、上限印加電圧とパルス巾の関係は細胞種により異なった。2)融合初期に離脱した細胞間では再融合しない領域が存在した。融合速度:融合の初期速度から速度定数を定義し、細胞性状および操作条件が速度定数におよぼす影響を調べた。1)一対の細胞間で細胞径に差異がある場合の方が融合速度は速い。2)細胞径の小さいもの同士の方が融合速度は速い。3)速度定数におよぼす環境温度の影響は大きい。融合の活性化エネルギーは約120kJ/molであった。融合の際の細胞膜の可動性と大いに関係する。4)融合速度はプロトプラスト作成後の経過時間によって影響され、作成後2時間以内の試料が最も良好な再現性を示した。また、融合速度は細胞年令によっても影響され、細胞年令の若いものほど速い。
人工光合成逆ミセル集合体を用いた金属ナノ微粒子形成

当該研究では、両親媒性色素分子の逆ミセル集合体に発現した光捕集機能の解明を行うとともに、この逆ミセル集合体の金属ナノ微粒子形成場としての応用を目的に検討を試みた。種々検討の結果、類似した骨格を持つ二種類の異種両親媒性色素分子は両者が混合した逆ミセル集合体を形成し、この集合体自体が新たな光捕集機能を創出することが明らかとなった。さらに、両親媒性色素分子に金酸塩を混合すると、逆ミセル集合体内部で自発的に金ナノ粒子の形成反応が進行し、光捕集色素と金ナノ粒子の複合体が創出されることが明らかとなった。本年度は,「混合逆ミセル化」による「ヘテロ逆ミセル集合体」の合成と逆ミセル集合体内部における「金属ナノ微粒子合成」について検討を行った。「ヘテロ逆ミセル集合体」の合成については,従来使用してきた分子と構造的に類似したアントラセン分子およびペリレン分子を合成し,これらを混合し逆ミセル化することで光捕集システムの構築を試みた。両者をトルエン溶液として混合し,この結果得られた均一溶液に硫酸を加え全ての分子を一度に両親媒性化させることにより,逆ミセル集合体内部に光エネルギー、ドナーとなる分子とアクセプターとなる分子が任意の比にて混合した光捕集システムが構築できることが明らかとなった。「金属ナノ微粒子合成」については,従来使用してきたアントラセンーペリレン連結分子に四塩化金酸を作用させ逆ミセル化を行うことにより,逆ミセル集合体内部での反応を試みた。この結果,自己組織化により形成した逆ミセル集合体内部にナノメートル長の金微粒子が生成することが分光分析により明らかとなった。本年度は、「金属ナノ微粒子合成」を中心に検討を行った。昨年度の研究成果により明らかとなった、アントラセン-ペリレン連結分子を界面活性剤とした逆ミセル法による金ナノ粒子合成について、機構的詳細の検討を行った。まず、この界面活性剤分子と類似の構造を持つ3種の分子を新たに合成し、これらと四塩化金酸との複合化を試みた。その結果、ベンゼン-ナフタレン連結分子において先と同様に自発的な金ナノ粒子形成を確認することができたものの、ベンゼン-ペリレンおよびアントラセン-ナフタレン連結分子については、金ナノ粒子の形成が確認されなかった。これによって、ここで確認された自発的金ナノ粒子形成過程は、界面活性剤分子に対し基質依存性があることが明らかとなった。次に、アントラセン-ペリレン連結分子を用い、金ナノ粒子形成反応に関する界面活性剤分子の濃度依存性について検討を行った。この結果、界面活性剤濃度が閾値を超して低濃度となった場合に金ナノ粒子が形成しないことが明らかとなり、界面活性剤の自己組織化による逆ミセル集合体の形成過程が金ナノ粒子形成には必須であることが示された。また、逆ミセル形成時の水添加量を変化させ形成する金ナノ粒子の大きさを調べたところ、この添加量に関係なく形成する金ナノ粒子の大きさはほぼ一定であることが明らかとなった。以上の研究成果から、当該研究で行った合成法が簡便な金属ナノ微粒子合成法であると同時に、有機色素と金属ナノ微粒子の複合化を可能とするユニークな手法であることが示された。
「ジョン・ケイの研究」:カリカチュアとして描かれた古都エディンバラの文人墨客たち

本研究初年度(19年度)の目標であったケイの死後四折二巻本として出版された「銅版画作品集(1837-38年)」中の銅版画ポートレイトおよびそれぞれに付随しているパターソンによる人物解説テキストを精査することを継続して行った。本研究成果還元を目的としてとして、収集したケイの代表的作品29点を公開展示する展覧会を19年度末から20年度初頭にかけて開催した。「ジョン・ケイ銅版画展-古都エディンバラオールドタウンの崎人たち」展(平成20年3月17日4月30日、京都ノートルダム女子大学図書館)具体的な作業のひとつは、ケイが銅版画ポートレイトを遺しているディーコン・ブロウディについてエディンバラ市立図書館(中央館)のエディンバラルームにおいてブロウディに関する18世紀後半の新聞記事の調査を行った。その成果は「研究報告書」の一部として発表した。展覧会の図録、論文2点「エディンバラに遺されたオールドタウン----エディンバラの銅版画家ジョン・ケイ研究の序章として」および「古都エディンバラのジーキルとハイド----ジョン・ケイの銅版画肖像」による研究報告書を平成21年3月に発表した。本研究初年度(19年度)の目標はケイの死後四折二巻本として出版された「銅版画作品集(1837-38年)」中の銅版画ポートレイトおよびそれぞれに付随しているパターソンによる人物解説テキストを精査することであった。具体的な作業のひとつは、ケイが銅版画ポートレイトを遺している18世紀スコットランドを代表する実業家のひとりウィリアム・フォーブスに関する調査をフォーカーク市資料館で行った。ケイのフォーブス像は彼の多くの作品中でも殊に風刺に富んだもののひとつと考えられるが、その風刺が18世紀後半のスコットランド特に古都エディンバラのどのような社会情勢あるいは歴史的経緯を背景にしたものかを考察した。社会の様々な方面で近代化を推し進めたいわゆるスコットランド啓蒙の時代にあって、ケイの銅版画ポートレイトの風刺精神は近代化から取り遺されたエディンバラ市オールドタウンの一隅から生まれたものであった。このような考察結果は別に収集したケイの代表的作品29点を公開展示する「ジョン・ケイ銅版画展-古都エディンバラオールドタウンの崎人たち」展(平成20年3月17日4月30日、京都ノートルダム女子大学図書館)の展示コンセプトに反映している。本展はケイに関するおそらく我が国におけるはじめての展覧会ではないかと思われる。一部の新聞報道もあって、展覧会には学外からの来場者もある。また本展覧会用に準備した図録も本研究初年度の成果のひとつである。展覧会期間中の平成20年4月19日(土)にはギャラリートーク形式の公開講演会を開催し、ジョン・ケイについての講演と展示解説を行った。
骨格筋萎縮における抗ストレスアミノ酸の検索とその作用機構

加齢に伴う骨格筋の萎縮は、運動能力を妨げ生活の質の低下につながる。骨格筋の萎縮は酸化ストレスなど多くの因子が関与している。本研究では、これらの因子に対して抑制的に働くようなアミノ酸(抗ストレスアミノ酸)を検索、萎縮への影響を検討した。タウリンには効果がなかったがシトルリン、トリプトファンには骨格筋タンパク質の分解を抑制する作用があることが示され、特にシトルリンについては持続的な作用が示唆された。若齢ラットにシトルリン、クレアチン、オルニチン、タウリン溶液を強制的に経口投与し、単離筋肉切片からの3-メチルヒスチジンの放出速度を測定した。その結果、シトルリンおよびオルニチン投与3時間後に筋原線維タンパク質の分解抑制おこることが認められた。しかし、クレアチン、タウリンにはこのような作用は見られなかった。シトルリンとオルニチンの分解抑制作用はユビキチン-プロテアソーム系の抑制ではないことが、ユビキチン化酵素のAtrogin-1の遺伝子発現プロテアソームの酵素活性から示された。またこのとき、タンパク質翻訳段階の指標となる4E-BP1とS6K1のリン酸化には変化がなかったため、合成には影響を与えないと考えられた。低栄養食として10%カゼイン食を給与しているラットにシトルリン溶液を7日間毎日1回投与したところ、筋原線維タンパク質の分解抑制傾向が示された。このような作用は尾部懸垂モデルラットにおいても認められた。10週齢のラットにシトルリン溶液を単回強制投与したところ、若齢とは異なり筋原線維タンパク質の分解速度は抑制されなかった。合成速度はシトルリンにより増加する傾向が認められ、4E-BP1のリン酸化も促進されていた。以上から、シトルリンとオルニチンには、若齢ラットでは骨格筋(筋原線維)タンパク質の分解を抑制し、成熟ラットでは合成を促進する作用があることが明らかになり、ロイシンと同様に低栄養状態において筋萎縮を防止できる可能性が示唆された。シトルリンの骨格筋タンパク質の分解抑制メカニズムを明らかにするために、ラットにシトルリン溶液を経口投与し、経時的な骨格筋タンパク質の分解と合成の変化を解析した。投与24時間後に骨格筋からの3-メチルヒスチジンの放出速度が低下し、分解が抑制されたことが示された。合成の翻訳段階の指標である4E-BP1のリン酸化とその上流のシグナル因子であるAktのリン酸化は投与4時間で最大値を示したことから、分解と合成では経時変化が異なり、シグナル伝達系の差異が示唆された。次いでNO合成阻害剤であるアミノグアニジンあるいはL-NAMEを投与後、シトルリンをラットに投与してNOの関与を調べたが、阻害剤の影響は認められなかった。したがってシトルリンの代謝で生成するNOは分解抑制には関与しない可能性が考えられた。次に、非運動ストレス(尾部懸垂)モデルラットにおけるロイシンの効果を検討した。10%カゼイン食で飼育しているラットに7日間の尾部懸垂を施し、1%ロイシン添加飼料の効果を調べた。尾部懸垂によって顕著な骨格筋重量の減少、3-メチルヒスチジン放出速度、カルパイン活性、プロテアソーム活性、ユビキチンリガーゼ遺伝子発現、脂質過酸化の増加がみられた。しかし、ロイシン摂食による抑制効果はみられなかった。一方、懸垂解除後の骨格筋量の回復はロイシンの摂食で早まり、このとき合成の促進と分解の抑制が示された。ロイシンの摂食はストレス負荷時より回復時に効果的であることが明らかになった。前年度までの研究により、尿素サイクルのメンバーであるシトルリンに骨格筋タンパク質分解抑制作用があることが明らかになった。本年度はシトルリンの作用を明確にするために、代謝産物の動態と分解系、合成系の関係を検討した。ラットにシトルリン溶液を経口的に1回だけ74mg投与し、投与後の経時的な骨格筋タンパク質の分解速度を測定し、また骨格筋のタンパク質分解系の変動をユビキチン化タンパク質のウエスタンブロットから解析した。さらに血漿、骨格筋、肝臓のアミノ酸濃度を測定した。シトルリンの投与で血漿、骨格筋においてはアルギニン濃度が増加し、その変化とほぼ同調する形で分解速度も抑制された。このとき、アルギニン濃度は投与後6時間まで高いレベルを維持していた。一方、合成の翻訳因子の活性には変化はなく、またユビキチン化タンパク質も変動しなかったことから、シトルリンは合成に影響せず、またユビキチン/プロテアソーム系以外の分解系に作用する可能性が示唆された。次に1%シトルリン含有10%カゼイン食を「1週間摂取させたラットの骨格筋量の変化を調べた。その結果、わずかではあるが、低タンパク質摂取による筋萎縮を抑制することが示され、このときも分解速度の抑制が作用している可能性が示唆された。以上より、シトルリンはロイシン、トリプトファン、リジンと同様に抗ストレスアミノ酸として作用しているが、その作用機構は異なることが考えられた。.

尾部懸垂による廃用性筋萎縮モデルラットに1%シトルリン含有10%カゼイン食を摂取させ、1週間の宙づりを試みたところ、筋肉量の減少は顕著に認められたが、シトルリンの効果は認められなかった。尾部懸垂モデルにおける分解系の発現が経時的に一定ではないため、シトルリンの効果が明確でなかった可能性があり、この点についてはさらに検討が必要であると考えられた。
実用デバイスに向けたハーフメタルホイスラー合金のスピン依存伝導機構の解明

ホイスラー合金ハーフメタルを用いた磁気抵抗素子の室温特性向上並びに温度依存性の起源の解明を目指し研究を遂行させた。単結晶面直電流巨大磁気抵抗素子(CPP-GMR素子)については、Co2FeGa0.5Ge0.5(CFGG)/Ag界面へのNiGa,NiFe,CoGa等の二元合金材料挿入効果について調べ、Coを含む挿入層よりもNiを含む材料で大きな磁気抵抗効果の増大が現れることがわかった。この結果は第一原理計算によるアップスピン電子の透過率計算による予測とも一致した。また、CFGG/Ag界面の磁性について調べるため、SPring-8においてバルク敏感性の高い硬X線を用い、Co,Feの2p内殻軌道から放出される光電子スペクトルの磁気円二色性(MCD-HAXPES)測定の実験を進めた。光電子の表面脱出角度依存性を測定することにより、バルク領域からAg界面領域までの深さ+元素分解磁気モーメントの評価を行った結果、Ag界面においてCoの磁気モーメントが室温で顕著に減少しており、室温でのMR特性劣化と相関している可能性が高いことが確認された。以上の結果から、室温特性向上のためには、中間層界面の数原子層が決定する電子透過率と磁気スティフネスの改善が極めて重要であることが見出された。他方、広島大でのスピン・角度分解光電子分光測定のための真空輸送チャンバーを購入し、ホイスラー合金について世界初となるスピン分解のバンド分散を観測することにも成功した。異常分散XRDによって、ハーフメタル性だけではなくスピンギャップレス半導体特性を有するとされるMn2CoAl,CoFeCrGaなどの新規な材料の原子規則度の評価も進め、解析法を確立させた。より実用的な観点で重要になる多結晶CPP-GMRにおけるベンチマーク材料であるCo2(Mn0.6Fe0.4)Geについても、膜厚が数nm程度の領域ではB2規則度が低下することがわかった。単結晶膜や素子における基礎研究では、MCD-HAXPESやAXRDにより、磁気抵抗素子の大きな温度依存性の原因があぶり出されつつあり、基礎の観点で重要な成果は得られている。レーザー光電子分光自体は予定より遅延しているが、設計した真空輸送チャンバーによって軟X線スピン分解光電子分光は既に成功しており、レーザー光電子分解に展開される土台は十分整った。2018年度までは、ホイスラー合金ハーフメタルの課題解明期と位置付けているため、研究の遂行は概ね順調と判断される。より実用的な観点で並行して研究を進めている多結晶素子については、4-10 nmのCMFG多結晶薄膜のB2規則度を異常分散X線回折法によって評価した結果、6 nm以下ではB2規則度が顕著に低下する問題があることがわかった。これは実用上解決すべき点であり、今度の課題となることが見出せた。その他顕著な成果としては、ホイスラー合金を用いたCIP-GMR素子の研究からの派生によって発見された体心立方構造Cu中間層により、CIP-GMR素子で世界最高となる室温で40%の磁気抵抗比も実現されており、一定以上の成果が挙がっている。2019年より残りの研究期間は、ハーフメタルホイスラー合金課題の解決し、室温デバイス特性向上を目指した取り組みに対するエフォートを高め、研究を遂行していく。具体的なアプローチとしては、第一原理計算を頼りとし、界面の多数スピン電子の透過率と磁気モーメントの交換スティフネスを高める新規ハーフメタル材料やスペーサー材料の探索、磁性体と非磁性体を原子層レベルで組み合わせた新しい積層構造を考案しトライしていく。レーザー光電子分光実験を加速化させ、作製した新規材料や界面構造と界面バンド分散がスピン依存輸送に与える影響を基礎観点から解明する試みも合わせて進めていく。実用面で重要となる多結晶素子に関しては、低温でのホイスラーの原子規則化挙動が重要となるため、規則化温度の低いCo2MnGeをベースにし、そのスピン分極率を改善する置換元素を実験、第一原理計算の両面から検討する。ホイスラー合金ハーフメタルを用いたCPP-GMR素子の温度依存性の起源解明と改善に向けて、Co2FeGa0.5Ge0.5(CFGG)/Ag界面に1.5原子層の異種原子層を挿入することによるMRへの影響を調べた。その結果、Niを挿入することで室温のMR比が1.3倍ほどに改善することが分かった。走査透過電子顕微鏡解析の試料作製法および観察技術の改善をおこない、従来不可能であった界面における原子レベルの元素マッピングが可能になり、界面終端層の同定が可能になった。Ni挿入をした試料ではAg/Ga終端層が形成され、その隣接層にNi層が1原子層分で形成されていることが観測された。Ni層が界面磁性や電子構造、スピン依存伝導に与える影響は今後、光電子分光や第一原理計算により解明していく。他方、大きなMRの温度依存性の起源として、Agスペーサー中を弾道的に伝導する電子が低温でエンハンスされることによる影響も考慮する必要がある。そこで、CFGGとCuのチャネル層を用いた非局所スピンバルブ素子(NLSV)を作製し、CFGGの熱処理温度を変化させ本質的なスピン分極率を変化させた場合の、スピン蓄積信号の温度依存性を評価した。NLSVでは、拡散スピン流がスピン蓄積信号を生むため、弾道成分の影響を排除できる。その結果、CFGGの熱処理温度によらず、スピン蓄積信号には大きな温度依存性が現れた。この結果より、上記、弾道成分の温度依存性への影響は小さいことが分かった。

実用デバイス展開を目指し、安価な基板上に作製できる多結晶薄膜を用いたCPP-GMR素子を作製した。ホイスラー合金にCo2(Mn,Fe)Geを用いることで比較低温である300 °Cの熱処理条件下でも高いB2規則度が得られることが明らかとなった。合わせてスペーサー材料の改善により、従来実用デバイスで20%程度であった磁気抵抗比を50%まで改善することができた。1CPP-GMRとNLSV素子を用いて、ホイスラー合金のバルク領域および界面近傍におけるスピン依存伝導の温度依存性に関する理解が進んでいる。試料真空搬送とレーザー光電子分光装置が立ち上がり、H30年度から電子構造評価が可能になった。走査透過電子顕微鏡観察手法の改善により、ホイスラー合金/スペーサー界面構造における元素配列を特定できるようになった。Spring-8においても、異常分散XRDをより効率的かつ精度よく測定するための環境整備が進み、ビームタイムを有効活用できるシステムが構築された。実用デバイス構造においても磁気抵抗値の大幅な改善を達成した。以上のことから、ホイスラー合金磁気抵抗素子のスピン依存伝導の温度依存性起源を解明し、磁気センサーデバイス展開を目指す本課題の目的達成のために順調に進展していると評価する。ホイスラー合金ハーフメタルを用いた磁気抵抗素子の室温特性向上並びに温度依存性の起源の解明を目指し研究を遂行させた。単結晶面直電流巨大磁気抵抗素子(CPP-GMR素子)については、Co2FeGa0.5Ge0.5(CFGG)/Ag界面へのNiGa,NiFe,CoGa等の二元合金材料挿入効果について調べ、Coを含む挿入層よりもNiを含む材料で大きな磁気抵抗効果の増大が現れることがわかった。この結果は第一原理計算によるアップスピン電子の透過率計算による予測とも一致した。また、CFGG/Ag界面の磁性について調べるため、SPring-8においてバルク敏感性の高い硬X線を用い、Co,Feの2p内殻軌道から放出される光電子スペクトルの磁気円二色性(MCD-HAXPES)測定の実験を進めた。光電子の表面脱出角度依存性を測定することにより、バルク領域からAg界面領域までの深さ+元素分解磁気モーメントの評価を行った結果、Ag界面においてCoの磁気モーメントが室温で顕著に減少しており、室温でのMR特性劣化と相関している可能性が高いことが確認された。以上の結果から、室温特性向上のためには、中間層界面の数原子層が決定する電子透過率と磁気スティフネスの改善が極めて重要であることが見出された。他方、広島大でのスピン・角度分解光電子分光測定のための真空輸送チャンバーを購入し、ホイスラー合金について世界初となるスピン分解のバンド分散を観測することにも成功した。異常分散XRDによって、ハーフメタル性だけではなくスピンギャップレス半導体特性を有するとされるMn2CoAl,CoFeCrGaなどの新規な材料の原子規則度の評価も進め、解析法を確立させた。より実用的な観点で重要になる多結晶CPP-GMRにおけるベンチマーク材料であるCo2(Mn0.6Fe0.4)Geについても、膜厚が数nm程度の領域ではB2規則度が低下することがわかった。
脊椎動物におけるリラキシンの生理的意義の解明

リラキシンは妊娠や分娩を助ける働きをするホルモンとして知られている。魚類を含む全ての脊椎動物においてもリラキシン遺伝子の存在が確認されているが、哺乳類以外のリラキシンの機能はよく分かっていない。そこで、比較内分泌学および進化学的観点からリラキシンの機能を解析し、真骨魚類のリラキシンの生理的意義を考察した。本研究では、イトヨの脳におけるリラキシン遺伝子の発現部位を組織学的に解析した。次に、脳におけるリラキシン発現制御機構を明らかにするために、量的形質遺伝子座(QTL)法を用いてリラキシン遺伝子の発現メカニズムを解析した。本研究は、イトヨをモデルとしてリラキシンの機能を解析し、脊椎動物におけるリラキシンの生理的意義の解明を目指す。研究代表者の先行研究により、イトヨのリラキシン(rln)およびその受容体遺伝子は複数存在し、主に脳に発現していることが明らかになっている(Kusakabe et al. 2014Gen Comp Endocrinol)。また、飼育実験で環境浸透圧を変化させるとriln3b遺伝子の発現が有意に増加する事から、浸透圧調節に関与する神経ペプチドとしての役割が示唆された。これら結果を踏まえ、本研究ではイトヨ脳地図を作製し、その後リラキシン発現部位の同定を行うことによって機能を予測することを計画した。しかしながら、先行研究において得られたイトヨのリラキシンの浸透圧調節因子としての役割についての確証を得るため、量的形質遺伝子座(QTL)解析を用いて体液浸透圧の変化にリンクする遺伝子座の同定を平成27年度の研究に加えた。結果的には、QTL解析によって得られた遺伝子座にリラキシンおよび受容体の遺伝子は含まれていなかった(Kusakabe et al. 2015口頭発表国際トゲウオ学会米国NY)。このことはリラキシンの浸透圧調節因子としての可能性を否定するものではないが、脳のリラキシン発現部位を解析する上で、浸透圧調節以外の機能についても精査する必要があることを示す重要な結果となった。脳地図作製に関しては、イトヨの全脳のクロス切片を作製し、riln3b遺伝子の発現部位をin situ hybridization法を用いて解析した。ウナギの脳地図の情報をもとに発現部位を解析したところ、riln3b遺伝子は中脳のnucleus of the lateral lemniscusおよび後脳のgriseum centraleにおいて強い発現が観察された。当初の予定では、平成27年度にイトヨの脳地図を完成させる予定であったが、先行研究において得られたリラキシンの浸透圧調節に対する機能への可能性をさらに掘り下げるために、量的形質遺伝子座(QTL)のマッピングにより体液浸透圧変化リンクする遺伝子座の同定を平成27年度の開始時に行った。QTL解析から有意義な結果を得る事が出来たが、当初予定していた脳地図の作製開始に遅れが生じた。また、平成28年2月に研究代表者の所属機関が東京大学大気海洋研究所から静岡大学に変更になった。そのため、異動の前後において通常の研究業務を遂行することが困難な状況が生じた。以上の理由のため、当初の予定より研究の進捗がやや遅れている。平成27年度、イトヨの脳地図に関しては、全脳のクロス切片を作製し、リラキシン遺伝子の発現部位を確定した。現在、発現部位の神経核名の確定をするために、ニッスル染色を用いて神経組織の染色を行っている。本研究はイトヨをモデルとしてリラキシンの機能を解析し、脊椎動物におけるリラキシンの生理的意義を明らかにすることである。研究代表者の先行研究により、イトヨのリラキシン(rln)およびその受容体遺伝子は複数存在することが明らかになった。遡河型イトヨにおいて環境浸透圧の変化に応じて、riln3b遺伝子の発現は有意に増加するが、淡水型イトヨでは環境浸透圧の変化に対して、riln3b遺伝子の発現に変化はなかった。この事からリラキシン関連遺伝子が浸透圧調節を制御する神経ペプチドとしての役割が示唆された。この環境浸透圧の変化によるリラキシン遺伝子の発現変化の違いは遡河型と淡水型の遺伝基盤の違いによって生じているかを明らかにするために、量的形質遺伝子座(QTL)解析を用いて体液浸透圧調節に関連する遺伝子座の同定を行い、リラキシン関連遺伝子が浸透圧調節遺伝子座に存在するかを解析した。QTL解析による遺伝子座の同定の後、トランスクリプトーム解析、アミノ酸変異解析、全ゲノムスキャンによって浸透圧調節遺伝子座内に存在する浸透圧調節に不可欠な遺伝子の絞り込みを行った(Kusakabe et al. 2017 Molecular Ecology)。しかしながら、いずれのリラキシン遺伝子も溯河型と淡水型間で高い遺伝的分化を起こした領域には存在しないことが分かった。リラキシン遺伝子の発現の違いはシス領域に変異はあるが強い選択がかかっていない可能性、あるいは別の遺伝子座のトランス作用による可能性が示唆された。平成28年3月より静岡大学へ異動になり、新しい研究室の立ち上げに若干の時間を要している。また、異なる浸透圧環境に対するリラキシン遺伝子の発現応答が遡河型と淡水型イトヨにおいて異なることがどのような遺伝基盤の違いに起因するかを明らかにするための課題を加えたため、当初予定していた脳地図の作成、ペプチドの合成などに遅れが生じている。しかしながら、上記の研究から得られた浸透圧調節を担う候補遺伝子同定の結果は平成28年度にMolecular Ecologyにアクセプトされた。

論文は「Special Issue: MOLECULAR MECHANISMS OF ADAPTATION AND SPECIATION: INTEGRATING GENOMIC AND MOLECULAR APPROACHES」に掲載される論文として選抜された.カナダ・リトルキャンベル川産の純系海水型と淡水型イトヨを交雑して得た雑種1世代目をさらに交雑して作出した雑種2世代目について海水移行実験を行い、体液浸透圧(血漿ナトリウム値)を表現型とした量的形質遺伝子座(QTL)解析により海水適応に関わる遺伝子座を同定した(Kusakabe et al. 2017 Molecular Ecology)。真骨魚類におけるリラキシン関連遺伝子は脳に多く発現していることから、環境浸透圧の変化に対するリラキシン関連遺伝子の動態をより明らかにするため、RNAseqにより脳における淡水型と海水型イトヨの遺伝子発現プロファイルを作製した。次に、連鎖QTLに局在し、血漿ナトリウム値の変化と高い相関を示す遺伝子をリストアップした結果、8候補遺伝子が絞り込まれた(ACVR1, BBS5, C13orf1,CHMP2B, NXPH2, RPE, U2AF1, UGGT2)。しかしながら、このリストに受容体を含むリラキシン関連遺伝子は存在しなかった。この結果は昨年の結果からも示唆された「海水と淡水におけるリラキシン遺伝子の発現の違いはシス領域に変異はあるが強い選択がかかっていない可能性、あるいは別の遺伝子座のトランス作用による可能性がある」という考察を支持するものであった。しかしながら、浸透圧調節のメカニズムという観点から考えると、鰓でのみ浸透圧調節候補遺伝子を絞り込むことが出来たという結果は、鰓に発現する浸透圧調節候補遺伝子がより血漿のナトリウム量の制御に関与していることを示唆する結果として有意義な情報を得ることが出来た。リラキシンは妊娠や分娩を助ける働きをするホルモンとして知られている。魚類を含む全ての脊椎動物においてもリラキシン遺伝子の存在が確認されているが、哺乳類以外のリラキシンの機能はよく分かっていない。そこで、比較内分泌学および進化学的観点からリラキシンの機能を解析し、真骨魚類のリラキシンの生理的意義を考察した。本研究では、イトヨの脳におけるリラキシン遺伝子の発現部位を組織学的に解析した。次に、脳におけるリラキシン発現制御機構を明らかにするために、量的形質遺伝子座(QTL)法を用いてリラキシン遺伝子の発現メカニズムを解析した。現在作製途中のイトヨ脳地図の完成を優先して行う。イトヨ脳地図はリラキシンの機能解析だけではなく、今後のイトヨを用いた研究を行っていく上で重要な情報となるため、早急に脳地図を完成させる必要があると考えている。平成27年度の研究によりriln3b遺伝子の発現が中脳のnucleus of the lateral lemniscusおよび後脳のgriseum centraleにおいて認められたが、これらの神経細胞の機能が魚類では明確に分かっていないことも明らかになってきた。そのため、リラキシンの発現部位を確定するだけではその機能を予測する事が難しいことが予測される。
フレキシブルプラズモニックセンサーシートの開発

本研究では、フレキシブルグレーティング基板上で白色光照射表面プラズモンを共鳴励起させ、共鳴状態からの輻射光を検出するセンシングシステムの構築を目指した。物質の吸着による表面プラズモン共鳴励起輻射光波長の変化をセンシングするもので、小型化・多機能化が可能なフレキシブルプラズモニックセンサーシートの開発に向けて基礎・応用研究を行うことを目的とした。今年度は、これまでに研究開発を進めてきたフレキシブルプラズモニックシートとマイクロ流路と組み合わせた表面プラズモン励起波長のイメージング測定において、スマートフォンを用いての検出を行った。特に、バイオセンサーへの応用として金微粒子-クレアチニンの凝集を利用したクレアチニン検出も行った。この時、クレアチニンの濃度変化により金微粒子の凝集状態が変化し、局在プラズモン励起波長が変化することでセンシング感度を向上することが可能となった。また、グルコースを注入した銀微粒子水溶液をスマートフォンで検出して光吸収強度の導出を行い、比較・検討を行った。分光装置を用いて測定した光吸収の値とスマートフォンを用いて検出した光吸収の値に相関性が見られることから、銀微粒子を利用したスマートフォンでのグルコースの検出が可能であると考えられた。グルコース検出はグルコース濃度20-100μMの範囲で良好な線形関係が見られ、検出限界は19.8μMであった。さらに、金量子ドットと銀ナノプリズムの複合水溶液を用いた、過酸化水素のセンシングも行った。過酸化水素による銀ナノプリズムのエッチング、形状変化によって、金量子ドットから銀ナノプリズムへのエネルギー移動による消光現象が高感度に変化することが分かった。この結果を用いたグルコース検出についても検討を行った。本研究では、フレキシブルグレーティング基板上で白色光照射表面プラズモンを共鳴励起させ、共鳴状態からの輻射光を検出するセンシングシステムの構築を目指す。これは、物質の吸着による表面プラズモン共鳴励起輻射光波長の変化をセンシングするもので、小型化・多機能化が可能なフレキシブルプラズモニックセンサーシートの開発に向けて基礎・応用研究を行うことを目的とした。以上の目的に対して、今年度は透過型表面プラズモン共鳴法と、c-MOSカメラを用いたイメージングシステムを用いたセンシングを行った。ここでは、グレーティングプラスチック基板上に堆積した金薄膜上に、PDMSで作製したマイクロ流路と組み合わせ、表面プラズモン励起波長のみをイメージングするために、液晶可変チューナブルフィルタをc-MOSカメラの前に配置して、検出波長を変化させた。まず、銀ナノプリズムを交互吸着法により高分子電解質と多層膜化して、センシング用薄膜として過酸化水素の検出を流路ごとに濃度を変えて行った。また、フレキシブルプラズモニックシートを作製するための基礎評価として、フレキシブルプラズチック基板上にグレーティング形状金薄膜の作製を行い、フレキシブル状態での表面プラズモン輻射光特性の評価を行った。この結果、曲げ状態を変化させた状態においても良好な表面プラズモンが確認できた。また曲率を変化させることで、表面プラズモンの励起波長、輻射光強度の変化について検討を行った。本研究の初年度の研究計画である(1)透過型プラズモニック圧力センサーの検討、(2)プラズモニックシートセンサーシートの開発、について上記のように実験を進め、基礎的な知見を得ることができた。透過型プラズモニック圧力センサーについては、曲げ状態の他にも伸縮状態での表面プラズモン共鳴励起状態について詳細に調べ、圧力センサーシートへの応用を検討していく。フレキシブルセンシングシートについては計画通り種々の構造を用いて、多項目センサーシステムの実験へと進めていく予定である。研究実績の概要で示したように、計画の(1)(2)を実施して成果が得られており、概ね当初の計画通り達成できた。これらの結果は、すでに学会での報告や論文での発表なども行っている。これは、物質の吸着による表面プラズモン共鳴励起輻射光波長の変化をセンシングするもので、小型化・多機能化が可能なフレキシブルプラズモニックセンサーシートの開発に向けて基礎・応用研究を行うことを目的としている。今年度は、フレキシブルプラズモニックシート開発のために必要である、曲げ伸ばしを行った時の表面プズモン励起特性を明らかにするために、金属格子を直接伸縮可能なポリジメキルシロキサン(PDMS)基板上に作製し、PDMS基板を伸縮することで格子間隔を制御し、透過型表面プラズモン共鳴励起による裏側からの輻射光波長の特性について検討を行った。その結果、基板の伸縮に伴う格子間隔の変化により、100nm程度もの波長域で1 nm以下の精度で表面プラズモン励起波長を制御することが可能となった。また、PDMSで作製したマイクロ流路と組み合わせた表面プラズモン励起波長のイメージング測定では、流路ごとに屈折率を変化させた溶液を用いることで屈折率変化に対するPDMSマイクロ流路デバイスー透過型表面プラズモンイメージングの感度の評価も行った。この時、スマートフォンを検出器として用いた場合の測定も行った。さらに、バイオセンサーへの応用として銀微粒子-クレアチニンの凝集を利用したクレアチニン検出も行った。

この時、クレアチニンの濃度変化により銀微粒子の凝集状態が変化し、局在プラズモン励起波長が変化することでセンシング感度を向上することが可能となった。本研究は、フレキシブルプラズモニックセンサーシートの開発に関する内容であり、一年目でプラズモニックシートの曲げによる透過型表面プラズモン共鳴励起の特性についての知見を得ており、二年目ではさらに進んでプラズモニックシートの伸縮による透過型表面プラズモン共鳴特性について明らかにして、表面プラズモン励起波長の制御が可能となった。さらに、このフレキシブルプラズモニックシートをマイクロ流路と組み合わせた透過型表面プラズモン共鳴イメージングの測定やスマートフォンでの検出まで進めて、初期データを得ることができた。以上のように、フレキシブルプラズモニックセンサーシートの開発に関する成果が得られており、概ね当初の計画通り達成できた。これらの結果は、すでに学会での報告や論文での発表なども行っている。本研究では、フレキシブルグレーティング基板上で白色光照射表面プラズモンを共鳴励起させ、共鳴状態からの輻射光を検出するセンシングシステムの構築を目指した。物質の吸着による表面プラズモン共鳴励起輻射光波長の変化をセンシングするもので、小型化・多機能化が可能なフレキシブルプラズモニックセンサーシートの開発に向けて基礎・応用研究を行うことを目的とした。今年度は、これまでに研究開発を進めてきたフレキシブルプラズモニックシートとマイクロ流路と組み合わせた表面プラズモン励起波長のイメージング測定において、スマートフォンを用いての検出を行った。特に、バイオセンサーへの応用として金微粒子-クレアチニンの凝集を利用したクレアチニン検出も行った。この時、クレアチニンの濃度変化により金微粒子の凝集状態が変化し、局在プラズモン励起波長が変化することでセンシング感度を向上することが可能となった。また、グルコースを注入した銀微粒子水溶液をスマートフォンで検出して光吸収強度の導出を行い、比較・検討を行った。分光装置を用いて測定した光吸収の値とスマートフォンを用いて検出した光吸収の値に相関性が見られることから、銀微粒子を利用したスマートフォンでのグルコースの検出が可能であると考えられた。グルコース検出はグルコース濃度20-100μMの範囲で良好な線形関係が見られ、検出限界は19.8μMであった。さらに、金量子ドットと銀ナノプリズムの複合水溶液を用いた、過酸化水素のセンシングも行った。過酸化水素による銀ナノプリズムのエッチング、形状変化によって、金量子ドットから銀ナノプリズムへのエネルギー移動による消光現象が高感度に変化することが分かった。この結果を用いたグルコース検出についても検討を行った。平成29年度はこれまでに得られた研究をさらに進め、過型プラズモニック圧力センサーやプラズモニックシートセンサーシートの開発を進める。また、計画通りスマートフォンにセンシング部を取り付け・取り外しが可能なフレキシブルプラズモニックシート/スマートフォン一体型システムの構築に向けた研究にも着手する。プラモニックシートは前年度までと同様にPDMSを用いることで、簡便にスマートフォン上に貼り付けてセンシングできるようにする。
複雑なネットワーク様信号伝播経路における経路刈り込みによる信号処理機能の顕在化

反応拡散系を基盤とした離散ダイナミクスモデルを用いて、樹状経路が信号伝播履歴に応じて伸展・縮退系に対して、特に縮退に焦点をあて、経路・伝播パターンの変化を調べ、また同系の3次元への拡張系に成功した。信号伝播履歴に応じて径が動的に変化するダイナミクスの実現には、経路の初期状態をランダムネットワークとする減算型樹状変化系が適していること、また神経細胞の初期形成過程に見られるような動的な経路変化を表現するには、経路のvolumeに相当するような特徴量の規定が重要であることを見いだした。初年度に検討を行った樹状構造形成に関する知見をもとに、枝を伸ばす加算型樹状形成と、ランダムに初期ネットワーク構造が与えられたのち、入力に応じて樹状に刈り込まれていく減算型樹状形成について、それぞれ系の特性を検討した。その結果、今年度の研究進捗の範囲では、枝の生長方向についての自由度が高いのは加算的成長系であることが自明であろうと考えられたが、加算型では場との相互作用の関係から、枝成長の進展は容易であるのに対し、後退は場の変数に外部からの摂動が必要であること、また枝形成がランダムネットワークの初期構造に規定される減算型樹状形成系の方が、メカニズム上信号転送量に応じて径が動的に変化するメカニズムを反映させやすいことが示された。この結果は、樹状の刈り込みを実装する際に有用な知見となると考えられる。また、保存量といった系全体を代表する定量化の試みについては、樹状構造自体の容量、及び信号が伝播される経路の容量及び時間の単純な関数を仮定して検討を進めている。また、今年度は3次元系での樹状構成及び信号伝播系の構築について検討を行った。当該系は基本的に樹状構造形成変数に加え、時定数の異なり得る信号伝播に関する変数を内包するため、計算資源を比較的多く必要とするが、計算過程及び計算結果の可視化に関するアルゴリズムを工夫することで、3次元への拡張系における計算可能領域(樹状サイズ)を増やすことに成功した。信号伝播パターンと機能との関連に関しては、3次元樹状系となった場合、二次元系に比べ、分岐点における信号伝播の多様性が低く、樹状経路が一様な導線となっている率が高く、3次元系での信号伝播の多様性を得るための条件を検討している段階である。2次元系と同様に3次元系でも分岐点における信号伝播の多様性を確保することで、より動的な信号伝播パターンが得られると考えられ、次年度の課題の一つとする。二年度にわたって得た樹状構造形成のダイナミクスに関する知見をもとに、信号伝播の履歴に応じた枝の刈り込みの様式について検討を重ねた。検討を行った課題の一つに、経路形成・維持に関わる保存量を仮定した場合の、信号伝播履歴に応じた動的な経路変化がある。前年度の知見から、より動的な経路変化を得るために、初期状態として一定の樹状あるいはランダムな経路を与えることで減算的な経路変化を前提とし、かつ単一の樹状構造内で経路形成構想要素が保存する系を想定した。その上で信号伝播履歴等に応じた経路変化のパターンとして、縮退の他方で伸長するという「動き」のある経路パターン変化を得るための、必要なダイナミクスの検討を行った。その結果、これまで経路形成と信号伝播履歴を時定数の異なるダイナミクスの相互作用系として取り扱ってきたが、経路の変化部分において、一領域での縮退に呼応した他の領域での伸展には、経路形成ダイナミクスへの空間的な局所性の反映(拡散係数が異なるダイナミクスがあることに相当)が必要であることが明らかとなった。また、他に行った課題として、前年度に引き続き、3次元系での樹状構造形成系における樹状構造の多様性を求めて、パラメータ空間及びダイナミクスの探索を行った。しかしながら、昨年度に得られた樹状構造と定性的に異なる形状様式は得られなかった。信号伝播履歴に依存した経路変化、特に刈り込みに相当する経路減衰を通じての経路形成・信号伝播パターンの多様性同定、及び信号処理機能への展開について、3年間の研究期間をもって研究を遂行し、特に信号処理機能への展開については、形状変化後の樹状経路形状自体が、初期状態経路及び入力信号の時空間パターンの定性的な記憶をあらわすことを示した。今後さらなる信号処理機能への発展を求める予定である。信号伝播経路としての樹状構造に対して、刈り込みを適用する前段階の初期状態としての樹状構造を、可能な限り少ない因子で形成するためのモデルを検討した。具体的には、偏微分方程式で記述される樹状構造形成を記述する反応拡散方程式系を基に、計算資源有効活用の観点から時間・空間・状態を申請研究者が離散化したもの(セルオートマトン)を用い、枝形成の促進因子や形成因子自体の拡散係数相当のパラメータ等による形成パターンの空間充填率・フラクタル次元等の形態特性を明らかにした。これは、対象次元を2次元及び3次元とした。

また当該モデルで形成された樹状構造を、固定された信号伝播経路とした場合の信号伝播の様相を、これもセルオートマトン化した興奮性の信号伝播ダイナミクスを用いて調べた。上記を通して、より「樹状」と呼べるような形態が形成されるパラメータセット、及び信号伝播の観点から容易に枝、特に分岐点を伝播しうる形態の形成条件を導出した。また、加算的に初期樹状構造を形成するダイナミクスに対する相補的な観点から、初期状態としてランダムに樹状構造の基となる経路を配置し、信号伝播の履歴に応じて減算的に樹状となるモデルの検討を行った。具体的には信号の伝播状況に応じて、経路の補強及び縮退が起こるという条件であり、履歴が経路径の時間変化に与える影響の程度に依存して、樹状経路の疎密が異なってくることを確認した。3次元系への拡張において、パラメータの同定に思いの外時間が掛かったことと、信号伝播履歴の樹枝径への反映について、樹状形成全体のメカニズムにさかのぼって検討を重ねたため、径全体の動的パターンの定量化についてはまだ緒に就いた段階であるため、遅れていると評価した。当該年度の目的の一つとしてあげていた、樹状構造形成に関する信号伝播のダイナミクスを内包した保存量の導入について、検討を重ねているが、適当な条件を未だ見いだせていないことから、やや遅れていると評価を行った。この保存量の導入によって、よりダイナミックな形態の変化が起こると考えており、引き続き検討を行う。最終年度にあたるため、現在進行中である動的樹状構造及び信号伝播パターンの変化から、特徴的なパターンを抽出し、径の保存量を用いた比較を行う。その過程で、信号が伝播しない経路は刈り込まれていくというダイナミクスを用いて、入力信号の時空間パターンと、経時的な樹状パターン変化との対応付けを行い、経路形成・維持にかかる効率の評価を行う。またその評価に基づき、より効率のよい時空間パターンの模索を行う。同時に可能であれば、生体分子における実験系での当該系の実証について、検討を行う。また、本申請研究全体で得られた結果を取りまとめ、成果の発表を行う。23年度の課題でもあった、系の何らかの保存量導入について、引き続き検討を行う。また、信号伝播の様式と処理機能を相関づけることを目指す。具体的には、次のステップとして、保存量を導入した場合の形態の相図及び特徴量のマップから、信号処理機能の顕在化につながる特徴的な時空間パターンを同定・抽出し、信号処理機能の解釈を行う。先行研究から、樹状構造では分岐点において、場の条件に依存した時間窓をもつ同期・AND演算や、自励発振がみられることがわかってきている。これら局所演算の多分岐パターン全体における統合演算様式を検討する。特定の時空間パターンに対して、信号処理機能の解釈を行うのは、従来の計算概念から外れた「機能」になる可能性が高く、計算論を含め既存の研究を調べ、新規な提案をする必要があると考えられる。なお、大量のデータを取り扱うことから、画像パターンからの特徴抽出に関連して、定量化の自動アルゴリズムを検討する必要があると考えられる。申請者は定量化の一助として、統計的なデータ解析の手法や、実際の神経細胞の形態データに対する、特徴量の抽出方法についても学び、適宜導入する予定である。申請時に想定したものより、特に3次元系において計算資源を必要とすることが判明したため、小サイズの計算機を増設する予定である。また、大量のデータ保存を外付けHDD等を購入し、行う予定である。