hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
適応的熟達化の諸原理にもとづく理数科の教育活動の組織化とその効果

適応的熟達者は、手続きの各ステップに意味を付与し、可能な選択肢から適切なものを選ぶ基準を提供する、詳細で正確な対象のメンタルモデルないしその構築を可能にする知識を持つことにより特徴づけられる。また、適応的熟達化のためには、動機づけ的な基盤として絶えず新奇な問題に遭遇すること、対話的相互作用に従事すること、緊急の(切迫した)外的な必要性から解放されていること、理解を重視するグループに所属していること、などの条件が必要である。本研究では数学と科学の題材を取りあげ、適応的熟達化の諸原理にもとづいた教育活動を学校教育の文脈で組織化し、ここに挙げたような適応的熟達化の概念やそれを成り立たせる原則が役立つかどうかを検討した。14年度と15年度においては、理科(生物学)における進化と適応、新しい種の発生の概念理解を目指した教育活動の実験的組織化を、小学校高学年を対象に実施した。また、15年度と16年度においては、算数における異分母分数の加法の理解を題材とした実験的組織化を、同じく小学校高学年を対象に実施した。その結果、集団討論による対話的相互作用を通して社会的に動機づけられたときに、適応的熟達化の方向で理解が促進されることが、小学校高学年生においていずれの教育内容においても確認された。今後は、他の教育内容、とりわけ社会科学的な知識を対象にして同様の成果を確認していくと同時に、異なった学齢、とりわけ適応的熟達化の文化的基盤の弱い中学校段階の学習者への応用的研究に従事することが必要である。本年度は、主として数学および科学における成功した学習者の持つ適応的知識を識別するための測定項目の作成と、適応的熟達化の諸原理にもとづく理数科の教育活動の組織化のための情報収集を行なった。1。分数について未習の小学校5年生2クラスを対象に、彼らが分数をいかに概念化しているか、それにより分数の四則計算にどのような方略を用いるかを調査し、学習の初期状態を明らかにした。2。分数学習の際、生活的な文脈への関連づけを計る型の授業、もっぱら算数の世界の内部ではあるが、概念と手続きの関連づけを促進する型の授業などを文献調査および直接観察により比較検討し、これを参考に、適応的熟達化の認知的および動機づけ的諸原理に基づき、分数についての「適応的」知識を獲得させる教育課程を構成した。3。1と同様な手続きを、同じく小学校5年生4クラスに対し、動物の進化について進めた。幼児の素朴生物学に関する知見から、子どもは生物学的現象に対し、目的論的、生気論的、本質論的因果を用いると想定し、これにより進化のどのような側面が理解されやすいか(動物の身体の構造や機能はその生態学的環境に適合するよう少しずつ変化する、など)、どのような側面が理解困難であるか(突然変異と適者生存の原理により新しい種の動物が生まれる、など)を予測し、ほぼそれを確認した。4。小学校5年生を対象に、短期間の介入を行い、学んだ内容の記憶と運用、学んでいないテスト項目への適用などを観察し、この題材における適応的熟達化がいかなるものであうるかを検討した。1。動物進化について未習の小学校5年生を対象に、彼らがヒトやサルという種の出現をいかに概念化しているか、突然変異と生態学的環境への適応というメカニズムをどのように理解しているかを調査し、学習の初期状態を明らかにした。また、短期の介入による概念変化の検討を行なって、小学生は生物学的現象に対し、目的論的、生気論的、本質論的因果を用いるため、進化のある側面は理解されやすい(動物の身体の構造や機能はその生態学的環境に適合するよう少しずつ変化する、など)が、他の側面は理解が困難である(突然変異と適者生存の原理により新しい種の動物が生まれる、など)ことを確認した。

さらに、進化を扱った内外の先進的な教育プログラムの文献調査により、どのような接近が理解、概念変化、適応的熟達化のために有望であるかを明らかにするとともに、適応的熟達化の認知的および動機づけ的諸原頓に基づき、進化についての「適応的」知識を獲得させる教育課程の素案を構成した。2。昨年度の分数と同様な手続きを、中学校2年生に対し、関数について進める予定であったが、これについては、研究分担者の海外出張などのため、必ずしも顕著な成果が得られなかった。しかし、手続き的知識と概念的知識の対応づけを中心に検査項目を作成し、予備調査を行った。また、これと関連して、経済現象という「応用的」分野での関数の理解が、より数理的な分野でのそれとどのように関連するかを検討した。3。大学生、大学院生を対象とする文化心理学の授業を適応的熟達化の諸原理にもとづいて組織化する可能性を検討した。1。動物進化について未習の小学生5年生がヒトやサルという種の出現をいかに概念化しているか、突然変異と生態学的環境への適応というメカニズムをどのように理解しているかを調査した昨年度の結果などに基づき、適応的熟達化の認知的および動機づけを的諸原理に基づく短期の介入により彼らの理解がどのように質的に変化するかを検討した。介入の認知的基盤としては、子どもが持つ素朴生物学的因果を拡張すること、とくに新しい種の出現を小さな変異の長期にわたる累積により説明するところに焦点をあてた。予備的な分析によると、生態学的環境への適応に関しては抵抗なく受け入れられるが、それに先立ってまったく偶然に変異が生じる点に関しては、ほとんど進歩が認められない。2。7月の国際行動発達研究学会の大会での熟達化についての招待講演、また8月の国際心理学会議での学習メカニズムについての招待シンポジアムなどを通じて、これまでの研究成果の集大成と理論的深化を試みた。とくに、文化心理学的観点からの実践参加のもたらす効果と、それを制約する生得的原則や先行知識の役割の関係についての定式化に前進があった。また、自生的かつゆっくりと進行する日常的認知分野での熟達化と、意図的・意識的に急激な再体制化が生じる学術的場面での熟達化の共通点と相違点についての理論化も前進しつつある。3。大学生、大学院生を対象とする文化心理学の授業を適応的熟達化の諸原理にもとづいて組織化する試みを展開した。2つの実験的試みから得られた結果、すなわち理科(生物学)における進化と適応、新しい種の発生の概念理解を目指した教育活動の実験的組織化(小学校高学年対象:14年度15年度にかけて実施)から得られた結果、また、算数(数と計算領域)における異分母分数の加法の理解を題材とした実験的組織化(同じく小学校高学年対象:15年度16年度にかけて実施)から得られた結果を再分析し、理論的検討を行った。前者においては、動物の進化および光合成についての理解が、適応的熟達化の認知的および社会的動機づけの諸原理に基づく短期の介入によりどのように質的に変化するかを検討した。とりわけ、介入の認知的基盤として子どもが持つ素朴生物学的因果を拡張すること、特に新しい種の出現を小さな変異の長期にわたる累積により説明するところに焦点を当てた。また、後者においては、同じく分数の学習のための短期の介入の効果について再吟味した。とりわけ認知的基盤として手続き的知識と概念的知識の対応づけと、生活的な文脈への関連づけに焦点を当てた。
学士課程における感染看護に関するコンピテンシーの抽出

医療関連感染の発生・拡大予防には、医療従事者の確実な感染予防行動が不可欠となる。なかでも看護職者は、対象に最も近い存在であることから確実な実践が求められる。このことは、臨地実習において直接患者と関わる機会を持つ看護学生においても同様である。したがって学士課程教育においては知識理解や判断力の向上、技術修得に加え、態度や価値観を含めた統合的な能力の育成を図る必要がある。そこで本研究では、看護系大学において感染予防教育に携わっている教員への質問紙及びインタビュー調査を通し、学士課程において求められる感染看護に関するコンピテンシーを明らかにすることを目的とする。
Effect of LARGE1 systemic gene delivery by adeno-associated virus on metastatic potential in high-risk neuroblastoma

<ヒト神経芽腫(NB)細胞株を用いたαDGの糖鎖異常とリガンド結合活性の解析>1NB細胞表面αDGの機能的糖鎖、リガンド活性の評価、2NB細胞株の遊走能とαDGの糖鎖異常の関連解析、3糖鎖修飾関連遺伝子発現解析<αDGの糖鎖異常の回復がNB細胞株の増殖に及ぼす効果の解析>1LARGE1遺伝子導入がNB細胞株αDG糖鎖,リガンド活性に及ぼす効果の解析、2LARGE1遺伝子導入がNB細胞株xenograftの増殖に及ぼす効果の解析<αDGの糖鎖異常の回復がヒトNB細胞株の転移に及ぼす効果の解析>LARGE1遺伝子導入がxenograft切除後の遠隔転移巣形成、再発,転移に及ぼす効果の解析<ヒト神経芽腫(NB)細胞株を用いたαDGの糖鎖異常とリガンド結合活性の解析>1NB細胞表面αDGの機能的糖鎖、リガンド活性の評価、2NB細胞株の遊走能とαDGの糖鎖異常の関連解析、3糖鎖修飾関連遺伝子発現解析<αDGの糖鎖異常の回復がNB細胞株の増殖に及ぼす効果の解析>1LARGE1遺伝子導入がNB細胞株αDG糖鎖,リガンド活性に及ぼす効果の解析、2LARGE1遺伝子導入がNB細胞株xenograftの増殖に及ぼす効果の解析<αDGの糖鎖異常の回復がヒトNB細胞株の転移に及ぼす効果の解析>LARGE1遺伝子導入がxenograft切除後の遠隔転移巣形成、再発,転移に及ぼす効果の解析
栄養等の発生発達期環境整備に向けた環境-遺伝子-エピゲノム-形質連関の包括的解析

大学病院での出生コホートにおいて,194名の妊婦をリクルートし116名から同意を得てフォローアップを行った。3日間の栄養摂取状況調査は同意取得後に実施し,83名について分析を完了した。1日の平均エネルギー摂取量は1884±710kcalであり,「日本人の食事摂取基準(2015年版)」における3049歳妊婦(妊娠中期・身体活動レベル2)の推定エネルギー必要量2250 kcalより少なかった。たんぱく質エネルギー比率は15.0±2.0%、脂肪エネルギー比率は29.9±4.6%であった。ミネラルの摂取量で不足が懸念されたのはカルシウムと鉄で、それぞれの平均摂取量は537.0±257.6mgと7.4±3.2mg/日であり、「日本人の食事摂取基準(2015年版)」における推奨量である650mgと9.0mg(妊娠初期)を下回った者がいずれも77.1%と過半数を占めた。妊娠初期,妊娠後期および産後1か月時にうつ(エジンバラうつ病質問調査票(EPDS),うつ病自己評価尺度(CES-D)),妊娠初期に母親の小児期の逆境的体験(ACE)に関する質問紙調査を実施した。現在,妊娠初期からの母親のうつの実態やその胎児および新生児への影響について分析を進めている。妊娠が進行するにつれて、母親の体内環境が変化する。脂質代謝に関連する遺伝子に着目し、妊娠経過に伴う肥満形質変化と末梢血DNAメチル化状態の関係を調べた。その結果、妊娠中期ではDNAメチル化レベルがBMIや血中脂質レベルと関連していたが、後期になると、その関係性は続かないことを見出した。妊娠中には血中の白血球の種類も変化する。妊娠中の肥満関連遺伝子のDNAメチル化レベルは代謝だけでなく白血球の変化が大きく影響を及ぼすことを明らかにした。食事調査のためのアプリ開発を目指しているが、昨年度十分行うことができなかった。今年度は、アプリ開発のための環境を整備したいと考えている。また、収集したデータのクリーニング及び確認、そして論文化をさらに進める予定である。大学病院での出生コホートにおいて,134名の妊婦をリクルートし100名から同意を得た。今年度は妊婦の環境情報として,栄養摂取状況調査並びにメンタルヘルスに関する調査に加え,葉酸サプリメントの摂取状況の詳細,睡眠や生活リズムについての調査等を追加した。3日間の栄養摂取状況調査は同意取得後に実施し,53名について分析を完了した。1日の平均エネルギー摂取量は1644±250kcalであり,「日本人の食事摂取基準(2015年版)」における3049歳妊婦の推定エネルギー必要量1800 kcal(妊娠初期,身体活動レベルI)より少なかった。さらに,脂質代謝に関わる遺伝子領域のDNAメチル化が肥満形質によって変動することがわかってきた。これらの遺伝子のメチル化レベルが妊娠期間中にどのように変動するかを調べたところ,妊娠期特有の肥満形質とDNAメチル化の関連性がある可能性が見えてきた。また20人の新生児を対象に予備的に全ゲノムレベルのDNAメチル化の個体差の解析を行った。その結果,メチレーションアレイ上で,約1450箇所のvariably methylated region(VMR,隣接する複数のCpG部位が単位として変動する領域)が存在することがわかった。今後はサンプルサイズを増やし,細胞成分による調整や遺伝子多型の調整を行ったうえで,環境要因の影響を検討する予定である。大学病院での出生コホートにおいて,134名の妊婦をリクルートし100名から同意を得て実施を継続しており、順調に調査研究が進んでいる。妊婦の環境情報として,栄養摂取状況調査並びにメンタルヘルスに関する調査に加え,葉酸サプリメントの摂取状況の詳細,睡眠や生活リズムについての調査等を追加してさらに検討を進める予定である。

脂質代謝に関連する遺伝子に着目し、妊娠経過に伴う肥満形質変化と末梢血DNAメチル化状態の関係を調べた。その結果、妊娠中期ではDNAメチル化レベルがBMIや血中脂質レベルと関連していたが、後期になると、その関係性は続かないことを見出した。妊娠中には血中の白血球の種類も変化する。妊娠中の肥満関連遺伝子のDNAメチル化レベルは代謝だけでなく白血球の変化が大きく影響を及ぼすことを明らかにした。食事調査のためのアプリ開発を目指しているが、昨年度十分行うことができなかった。現在の手書きによる栄養摂取状況調査からWebベースでの入力を可能とするアプリケーションの開発を試みる。また、メンタルヘルスと栄養摂取との関連について解析を進める。母体のDNAメチル化には、白血球を構成する細胞成分の割合も影響するため、細胞成分を推定する独自の方法を開発中であり、今後推定値によって調整し結果を精査する予定である。新生児のDNAメチル化については、20人の新生児を対象に予備的に全ゲノムレベルのDNAメチル化の個体差の解析を行った。その結果、メチレーションアレイ上で、約1450箇所のvariably methylated region(VMR,隣接する複数のCpG部位が単位として変動する領域)が存在することがわかった。今後はサンプルサイズを増やし、細胞成分による調整や遺伝子多型の調整を行ったうえで、環境要因の影響を検討する予定である。今年度は、アプリ開発のための環境を整備したいと考えている。また、収集したデータのクリーニング及び確認、そして論文化をさらに進める予定である。
革新的なプロトン導電機能性物質の開発と導電機構の解明

本研究ではSnP_2O_7に着目し、そのプロトン導電性に対する低原子価カチオンのドーピング効果を研究した。SnP_2O_7は通常のリン酸塩化合物と違って、二量体構造のP_2O_7^(4-)イオンから構成されており、しかもSn^(4+)イオンとP_2O_7^(4-)イオンがNaCl型構造を示すため、二量体イオンが単位格子中に密な状態で存在している。これによって、プロトンサイト密度が高くなり、またプロトンがサイト間をホッピングする経路が多くなる。さらに、In^(3+)、Al^(3+)、またはMg^(2+)のような低原子価カチオンをドープすることで、電荷補償としてプロトンが固体内に導入され、導電率が一桁以上増加する。また、ドーパントの塩基性度によって固体表面の酸性度も制御可能である。従来のプロトン導電体では、使用可能な温度領域がNafionに代表される100°C以下の低温領域と、BaCeO_3系ペロブスカイト型酸化物に代表される400°C以上の高温領域に限られていた。本研究の成果によって、これまで空白であった100-400°Cでの使用が可能となり、プロトン導電体の適用範囲を大いに拡張できるものと期待される。本年度検討した課題は、プロトン導電体SnP_2O_7に関して(1)プロトン導電率の増大、(2)導電率向上のメカニズム解明、(3)燃料電池電解質への適用、(4)その他応用への可能性調査であった。SnP_2O_7のプロトン導電率のさらに高めることを目的に、Sn^<4+>イオンの一部を低原子価カチオンで置換し、固体内のプロトン濃度を増大させることを試みた。SnP_2O_7へのドーパントカチオンとして種々のIII価カチオンを検討したところ、In^<3+>イオンが唯一プロトン導電率を高める効果があり、10mol%まではドーピング量とともに導電率が増大し、200°Cで1.9×10^<-1>S cm^<-1>に達することがわかった。この材料のプロトン輸率を測定するために水素ガス濃淡電池を構成したところ、観察された起電力は理論値と近い値であり、プロトン輸率がほぼ1であることが判明した。昇温脱離法(TPD)から固体内に溶解したプロトン量はInイオンドーピング量と同じ値の10mol%であったことより、ドーピングによって固体内にプラスの点欠陥(電子ホールと酸素イオン空孔)が導入され、これらと外気中の水蒸気との交換反応を通して固体内のプロトン濃度が増加したと考えられる。次にこの材料を電解質に使用して中温作動燃料電池を構成したところ、250°C・無加湿雰囲気であるにも関わらず開回路電圧が約900mV、最大出力密度が264mW cm^2に達するまでに至った。加えて、本燃料電池は水素燃料ガス中に10%の一酸化炭素が混入していてもアノード分極特性が全く影響されないこともわかった。これによって、固体高分子形燃料電池(PEFC)で必要なシフト反応器や一酸化炭素除去器が不要となり、PEFCに比べてシンプルで低コストなシステムを構成することを期待できる。さらに、本燃料電池の特長を活かしてアノードからのPtフリー化についても検討を行った。遷移金属酸化物や炭化物などいろいろな材料を試験した結果、Mo_2CがPt並のアノード分極特性を示し、これによってPtフリーでも十分高い出力特性を発揮できることが見出された。これは中温領域で作動する本燃料電池のもう一つの特長である。さらにこの電解質を使用して酸素過剰雰囲気下でのNOx分解リアクターとガスセンサーの開発も行った。両デバイスで作動極をPtRhBa/Cにした場合、分解反応の電流効率とガス検知の感度がともに最も高くなった。これはBa種が種々の雑ガスからNOxを選択的に吸着し、Rh種がPtのNOx分解反応を促したことに起因していた。

ここで、一つの興味深い結果として、NOxガスセンサーがNOとNO2に対してともにポジティブ方向に起電力応答した点である。これは本ガスセンサーがYSZを使用したNOxセンサーと違ってトータルNOxを検知でき得ることを示唆している。昨年度、SnP_2O_7のプロトン導電性を評価し、またその導電機構を解明した。その結果、SnP_2O_7内の電子ホールと外気の水蒸気との交換反応でプロトンが固体内に溶解し、これがホッピング機構で伝導することを見出した。またこの物質に10mol%In^<3+>イオンをドープし固体内の電子ホール濃度を増加させることで、プロトン導電率をさらに増大させることにも成功した。加えて、この物質を電解質に使用して燃料電池を構成したところ、150-350°Cの乾燥雰囲気下で数100mW cm^<-2>の出力密度を得るまでに至った。以上の研究では、In^<3+>ドープSnP_2O_7が難焼結性であったため、その粉体を加圧成形(静水圧2ton cm^<-2>)して電解質試料に使用していた。しかし、実用的な観点からすれば、このプロトン伝導体の膜化は必須の条件となる。この場合、電解質膜に対して要求される基準としては、緻密性、柔軟性、耐熱性等が高く、しかもプロトン導電率が最低でも10^<-2>S cm^<-1>以上必要なことである。そこで、今年度はそのような膜化を実現するために数々の検討を行ってきた。その結果、プロトン導電体粉体、ビス(トリエトキシシリル)アルカン、ハイドロシリルアルカンスルホン酸、テフロン等から成る有機/無機ハイブリット膜が一つの有望な電解質膜に成り得ることを見出した。この膜の特長は、(1)プロトン導電率が無加湿の100°Cで2×10^<-2>S cm^<-1>、200°Cで5×10^<-2>S cm^<-1>に達する、(2)燃料電池の開回路電圧が膜厚(100-500μm)に関係なく、980mV程度を示す、(3)燃料電池のオーム抵抗が膜厚に比例しており、100μmで0.4Ωcm2の値である、(4)燃料電池の出力密度が電極の最適化を行っていないにも関わらず110-187mW cm^<-2>に至る、等があげられる。今後は、電解質膜の導電率をさらに向上させるため、プロトン導電体の微粒子化、並びに微粒子、バインダーとテフロン分量の最適化を行うなるとともに、電解質膜のMEA化によって反応過電圧の低減に努める予定である。Sn_<0.95>Al_<0.05>P_2O_7粉体、種々の塩基性有機バインダー、テフロン(PTFE)等から成る有機/無機ハイブリット電解質膜を作製し、それらのガス透過性、耐熱性、プロトン導電率、膜強度等、を測定した。有機バインダーとしては、PBI、PI、PAI、PVdFの中から、上記性能パラメーター以外にマトリックス内での分散性の観点で最適なものを選定した。その結果、PBIを使用した場合に導電率、耐熱性、分散性が最も良く、しかもPBIがSn_<0.95>Al_<0.05>P_2O_7粒子上に存在する微量不純物であるP_xO_yを固溶してくれるため、試料の潮解性を完全になくすこともできた。Sn_<0.95>Al_<0.05>P_2O_7-PBI粉体の最終的な性能は、プロトン導電率が0.18Scm^<-1>、耐熱温度が225°Cであった。次にSn_<0.95>Al_<0.05>P_2O_7-PBI粉体をPTFEと複合し、圧延することで、約100μmのコンポジット膜を作製した。このコンポジット膜は、これまでのSn_<0.95>Al_<0.05>P_2O_7粉体やSn_<0.95>Al_<0.05>P_2O_7-PBI粉体の加圧成形体とは異なり、緻密でしなやかな形状をしていた。
第一原理量子力学電子軌道計算による濡れ性の解明と制御

1.超高真空中での液体金属の濡れ性実験ターボ分子ポンプ(現有)により排気した10^<-7>Paの超高真空中チャンバ内でフラッシュにより清浄化した高融点金属と液体金属の濡れの接触角を測定し真の相互作用を調べた(現有装置)。Arイオンクリーニング清浄化処理の結果、従来よりはるかに安定した濡れ性が実現でき、接触角の測定精度が向上した。本研究により濡れ性の測定技術が確立したといえる。2.第一原理量子力学軌道計算による濡れのシミュレーション本年度は、第一原理の電子軌道計算プログラムが完成したので、そのプログラムを用いて実際に金属表面の計算を行った(大阪大学NEC-SX3科研計算費使用)。WおよびMoの表面のスーパーセルモデルについて計算を行ったところ、SX3の性能限界内でエネルギー誤差0.3eV以下の計算が行えることがわかった。しかし、W表面に吸着させるべきAu,Ag,Cu等の原子については、現状では10eV程度のエネルギー誤差が生ずることが判明した。これらは計算に用いた原子のポテンシャル(擬ポテンシャル)の勾配の程度に依存する問題である。全ての原子系について0.1eVエネルギー精度で計算を行うには、プログラムの改良(アルゴリズムの高速化)が必須条件である。定量的な計算にはまだ問題があるので、定性的な濡れ性計算を行ってみた。W表面のスーパーセルモデルにAu,Ag,Cu,Pb,Sn,Al等の原子を吸着させたモデルで吸着原子の位置をいろいろ変えて吸着エネルギー曲線の計算を行った。エネルギー最低の構造が全ての場合についてわかった。濡れ性実験との相関については現在検討中である。
電子・原子論に基づく応力下における材料の経年腐食現象の予測モデリング

電子・原子論に基づく材料の腐食現象の予測モデリングに関して、具体的に以下の3項目にわたる成果を得た。(1)不純物原子の結晶表面および結晶内面欠陥への拡散・集積挙動を原子レベルで解析することに成功した。(2)水素環境下における鉄中のき裂進展挙動の原子論的解析を行い、水素によってき裂が進展しやすくなるメカニズムを原子レベルから明らかにした。(3)ナノ材料の表面や、材料内の粒界の酸化が、ナノ材料の力学特性に与える影響について原子レベルから明らかにした。腐食予測手法確立に向けて不可欠な電子・原子論に基づくモデリングを提案し、腐食によって変化する材料の力学的特性変化の電子・原子論的起源を獲得した。古典分子動力学法の時間拡張(加速)手法を第一原理分子動力学計算に適用し、第一原理電子状態計算に基づく長時間ダイナミクス解析を実現させた。具体的には、我々がこれまでに提案しているAdaptive boost法を、第一原理分子動力学計算に適用した。またそれに加えて、第一原理計算で求められたポテンシャルをベースに拡散をモデル化する、高速モンテカルロ法を開発した。開発したAdaptive boost法では、自由エネルギー曲面の谷に、計算の枠組みの中で自動的に算出されるboostポテンシャルを付加することで、化学反応や拡散のイベントを加速させることができる。そして、遷移状態理論に基づきその加速率を算出することで、実際の時間スケールでの現象を第一原理計算の精度で解析することができる。また、開発した高速モンテカルロ法では、結晶欠陥部への不純物原子の拡散析出現象を効率よく解析することができる。前年度に開発した分子動力学法の時間拡張手法や高速モンテカルロ法を用いて、結晶欠陥である、粒界や積層欠陥への不純物元素の拡散や析出の解析を実施した。具体的には、銅中酸素原子の粒界への偏析現象を原子レベルでモデル化し、その酸化モデルに力学負荷をかけることで、腐食した銅の破壊メカニズムが温度やひずみ速度または負荷応力によって、拡散によるボイド生成から、転位の運動が引き金となって生じるき裂発生による破壊へと変化することを初めて明らかにした。また、マグネシウム中のアルミニウム、亜鉛、イットリウム元素の2次元積層欠陥部への偏析およびそこでの2次元秩序構造をシミュレートし、原子レベル観察結果ときわめて整合性の高い結果を得るとともに、その形成メカニズムを世界に先駆けて明らかにすることができた。また、これらの知見を導入するフェーズフィールドモデルの基本的な枠組みを構築した。電子原子論に基づく応力下における材料の腐食現象を解析するために、第一原理加速分子動力学法を開発し、電子状態計算に基づく長時間の反応ダイナミクス解析が可能となった。さらには、結晶内での原子サイト拡散を効率よく計算するための高速モンテカルロ法を開発し、長時間の原子レベルでの結晶中の析出現象の解析が可能となった。これらの手法を用いて、銅の酸化解析を実施し、銅結晶中の酸素原子の粒界への析出を原子レベルでモデル化し、そのモデルに力学負荷をかけてその応答を解析することで、腐食した銅の破壊メカニズムが温度やひずみ速度または負荷応力によって、拡散によるボイド形成から、転位の運動が引き金となって生じるき裂発生による破壊へと変形形態が変化することを明らかにした。また、銅や鉄のナノワイヤーにおいて表面酸化膜形成により変形形態がいかように変化するかを詳細に解析した。表面酸化層により転位の運動が抑制されることにより、一部もナノワイヤーでは酸化膜を有する方がより高い伸びを示すことがあることを明らかにした。さらには、マグネシウム中のアルミニウム、亜鉛、イットリウム元素の2次元積層欠陥部への偏析およびそこでの2次元秩序構造をシミュレートし、原子レベル直接観察結果ときわめて整合性の高い結果を得るとともに、その形成メカニズムを初めて明らかにすることに成功した。また、今後のメゾスケールへ向けて研究を展開するために、これらの電子原子レベルの知見を反映させることのできるフェーズフィールド法の理論および解析の枠組みを構築した。当初の予定どおり、フェーズフィールド法の枠組みを構築できたのに加え、加速分子動力学法および高速モンテカルロ法を用いて、これまで不明であった、腐食や偏析メカニズムを原子レベルから明らかにすることができ、論文または口頭発表にて社会に発信することができた。計算材料科学、計算力学加速分子動力学法、高速モンテカルロ法、フェースフィールド法を駆使し、応力下での腐食環境で生じる各種の現象について明らかにするとともに、それらがどのように相互作用して、き裂やボイド形成や成長を促進させ、最終的に破壊を生じさせるのかについて、原理原則より明らかにする。また、最終年度ではあるが、到来が予想される水素社会に向けた今後の研究の発展を考え、水素による遅れ破壊現象についても本研究で構築した各種手法を駆使しつつ、そのメカニズムを原理原則よる明らかにする。予定通り、第一原理分子動力学法に基づく長時間ダイナミクス解析手法を確立させることができた。また、それに加えて、第一原理計算に基づく高速モンテカルロ法を開発するに至っており、当初よりも十分な進展をみせている。

フェーズフィールド法のコード開発および実問題の解析を実施するにあたり、大容量メモリーの計算機が必要となる予定であったが、メモリーよりも開発段階では、モデルを精細に表示できる装置を優先的に導入する必要があることがわかり、代わりに本年度ではそれらを導入したため、その差額が生じた。構築した第一原理に基づく時間拡張解析によって、応力下、有限温度下での拡散係数、化学反応速度定数、弾性定数を見積もることが可能である。そして、これらの各種データーを用いて、き裂や転位などの格子欠陥の発展も含めた弾性応力場・変形場と不純物拡散場を連成させながら時間発展させ、さらには、その過程で生じる化学反応の効果を入れることも可能な、新たなフェーズフィールドモデリング理論および手法を構築する。結果のデーター量が極めて多くなっており、それらを将来の資産として保管活用するために、繰越金を活用して、大容量のファイルサーバーの導入を予定している。初年度、コード開発において大容量メモリーを有する計算機が必要となる可能性があり、これを購入予定であったが、コードの基本部分の開発においては、必ずしも不要であることがわかったため、初年度での購入を見送った。また、その他費目として予定していた計算機利用料についても、基本的なコード開発の段階では不要であったため使用していない。次年度には本格的な計算をスタートするため、これには予定どおり計算機の導入や大型計算機の利用が不可欠であり、そのための予算として用いる。
イネの地下部冷温処理に対する耐冷性の遺伝的および生理的機構

穂ばらみ期耐冷性が異なる8品種・系統、はやゆき(強)、農林20号(極弱)、BT9(強)、きらら397(中)、EG3(極弱)、CTH5(強)、GVF4およびGVF33を供試して、地下部冷温処理を行った。BT9はきらら397に高度耐冷性品種Silewahより耐冷性遺伝子を導入した系統であり、CTH5、GVF4およびGVF33は極弱系統EG3にはやこがね、愛国および神力より耐冷性遺伝子を導入した系統である。冷温処理は幼穂形成期に9日間12°Cの冷温水槽にポット地下部のみを浸すことによって行った。耐性弱の系統では出穂前12日からの処理において、CTH5を除く7系統で時期特異的な種子稔性低下が観察された。これは、減数分裂から小胞子形成期に相当し、穂ばらみ期の冷害感受期とほぼ等しい。また、BT9を除く7系統では着生頴花数に関して出穂前12日もしくは9日からの低温処理によって時期特異に減少するのが認められた。地下部冷温処理により、どの遺伝子型でも溢泌液量は1/3以下に減少することから、頴花発育に必要な養分の供給不足が頴花の退化を誘導すると考えられた。発育中の幼穂のホウ素濃度は出穂前14日では10ppm程度と高いが出穂期には5ppmまで低下した。したがって、冷温感受期の穂ではホウ素の需要が高く、地下部冷温処理によって供給量が不足していると考えられた。また、同じ材料を冷水恒温槽に漬けて地上部を冷温処理して冷害を再現した場合、花粉壁の棒状構造が未発育になり、正常花粉では棒状構造内にのみ観察されるRGIIのシグナルが、冷温処理区では花粉の内壁側にも認められた。RGIIが花粉内部に集積している様子が確認されたことから、ホウ素は頴花の正常な発育、花粉の正常な発達に重要な役割を果たしており、地下部冷温処理によるホウ素供給不足が両者の正常な発育を阻害し、種子稔性低下をもたらすと考えられた。北海道のイネ品種きらら397に高度耐冷性品種Silewahより耐冷性遺伝子を導入した系統BT23および耐冷性極弱系統EG3に北海道品種はやこがねより耐冷性を導入した系統CTH5を供試して、幼穂形成期に地下部に低温処理(12°C)を施した。その結果、耐冷性品種・系統(BT23およびCTH5)では、地下部冷温処理による種子稔性の低下はほとんど認められなかったが、耐冷性弱のEG3およびきらら397では、それぞれ出穂前18日および14日前から6日間の冷温処理で種子稔性が大きく低下した。この時期は、減数分裂期から小胞子形成前期に相当することから、地下部冷温に対する感受期は穂ばらみの冷害の感受期とほぼ同じ時期と考えられた。地下部冷温処理中も地上部幼穂付近の温度が20°C以下に低下しないことから、冷温処理による種子不稔は低温の直接効果ではなく地下部の養分吸収能の低下によって誘導されると考えた。この点を明らかにするため、根から供給される溢泌液量および溢泌液中のホウ素、マグネシウム、およびカルシウム含量に対する地下部冷温処理の効果を調査した。その結果、低温処理により溢泌液の量が激減すること、耐冷性系統CTH5では溢泌液の減少がほとんど認められないことが判明した。また、冷温処理によって幼穂中のカルシウム含量が著しく低下すること、および低温感受期の幼穂ではホウ素濃度が高く発育に伴ってホウ素濃度が低下することが観察された。以上のことから、穂ばらみ期耐冷性遺伝子をもつ系統のなかには地下部の低温処理による養分吸収能の低下にも耐性をもつものがあること、および穂の発育に必要となるホウ素やカルシウムなどの供給不足によって種子稔性の低下が生じる可能性が認められた。

したがって、冷温感受期の穂ではホウ素の需要が高く、地下部冷温処理によって供給量が不足していると考えられた。また、同じ材料を冷水恒温槽に漬けて地上部を冷温処理して冷害を再現した場合、花粉壁の棒状構造が未発育になり、正常花粉では棒状構造内にのみ観察されるRGIIのシグナルが、冷温処理区では花粉の内壁側にも認められた。RGIIが花粉内部に集積している様子が確認されたことから、ホウ素は頴花の正常な発育、花粉の正常な発達に重要な役割を果たしており、地下部冷温処理によるホウ素供給不足が両者の正常な発育を阻害し、種子稔性低下をもたらすと考えられた。
皮膚2段階発がん実験で見出された、PP6欠損によるがん体質化の意義

我々は、以前、PP6機能不全状態は、DMBAによりイニシエートされた細胞が腫瘍を形成しやすい状態にあることを明らかにした。本研究では、紫外線ではどうなのかを検討した。マウスの重層扁平上皮特異的に、Ppp6c遺伝子を欠損させたマウスを用いて、週3回UVB照射(2KJ/m)を40週行った。その結果、野生型では、腫瘍形成が認められなかったが、Ppp6c遺伝子欠損皮膚をもつマウスでは、その殆どで扁平上皮がんが発生した。このメカニズムとして、Ppp6c遺伝子欠損ケラチノサイトではDNA修復に異常があり、UVB照射によるDNA損傷の修復ができないことが腫瘍発生の原因の1つと考えられた。がんの全exonシークエンスにより、外国のグループより、malignant melanomaで、Ppp6cの触媒サブユニット(Ppp6c)の、機能消失型変異がドライバー変異の一つとして働く可能性が報告された。一方、我々は、Ppp6cが、がん抑制遺伝子として働くか否かを証明するため、Ppp6cのconditional KOマウスを作製し、DMBAによる皮膚発がん実験を行ったところ、PP6欠損では強い腫瘍促進状態におかれていることを見いだした。そこで、この減少のメカニズム解明を試みた。これまで、皮膚DMBA/TPA 2段階発癌実験において知られていたことは、TNFα欠損するマウスにおいては腫瘍化が起こらないということであった。その理由としてNF-κBの経路による炎症が鍵となっていることが考えられた。そこで、病理学的に検討した。Ppp6c欠損皮膚にDMBA処理をすると著しい慢性炎症が発生することが明らかとなった。次ぎにPP6欠損ケラチノサイトと正常ケラチノサイトを単離し、TNFαおよびIL1-β処理の影響を調べた。両方の処理ともに、Ppp6c欠損ケラチノサイトにおいて、IkBαのリン酸化/分解が増強され、その下流のp65/relAのリン酸化も増強された。さらに、遺伝子発現の検討を行った。DMBAを処理したPpp6c欠損皮膚においては、前炎症性サイトカイン(IL-1β、IL-6)や炎症関連遺伝子(GM-CSF、GROα、MMP-3)の発現上昇が増強されていた。これらの所見により、DMBAによって生じたTNFαおよびIL1-βにより、特にPpp6c欠損ケラチノサイトにおいて強くNF-κBが活性化され、炎症や細胞の生存の経路が亢進すること考えられた。conditionalに、皮膚でPpp6cを欠損できるマウスを用いて、タモキシフェン投与で皮膚のPpp6cを欠損させた後、紫外線照射(312nm,0.3J/cm2,隔日,50週)を行い、紫外線発がんの有無を調べている。Ppp6c欠損では、変異上皮癌の発生促進傾向が認められた。我々は、2重変異マウスで、PP6欠損がK-ras変異による腫瘍発生を促進することを示唆するプレリミナリーな結果を得た。プレリミナリーな段階ではあるが、K-ras変異のみでは腫瘍発生がない時期で、2重変異を持つマウスでは、口唇、指、肛門等で顕著な腫瘍発生が認められた。その理由としてNFκBの経路による炎症が鍵となっていることが考えられた。conditionalに、皮膚でPpp6cを欠損できるマウスを用いて、タモキシフェン投与で皮膚のPpp6cを欠損させた後、紫外線照射(312nm,0.3J/cm2,隔日,50週)を行った。紫外線の長期反復投与により、Ppp6c欠損では、変異上皮癌の発生促進傾向が認められた。また、紫外線照射後数日における影響を、照射後数日間で解剖して調べた。Ppp6c欠損皮膚においては、正常皮膚に比べて、DNAの修復異常による細胞死が著しく亢進していることとが分かった。

我々は、2重変異マウスで、PP6欠損がK-ras変異による腫瘍発生を促進することを示唆するプレリミナリーな結果を得た。プレリミナリーな段階ではあるが、K-ras変異のみでは腫瘍発生がない時期で、2重変異を持つマウスでは、口唇、指、肛門等で顕著な腫瘍発生が認められたマウス肺がん発生におけるPP6のがん抑制機能の有無の解析をおこなった。ヒトの肺扁平上皮がんの主要な原因遺伝子はKrasであるので、当実験において、マウスに変異型Krasを発現させたマウスと、変異型Krasに加えてPpp6c欠損を導入したマウスを比較し、変異型Krasによる腫瘍形成へPpp6c欠損の影響を調べた。まず、この実験のためにLSL-K-rasG12DとPPP6cflox/flox;LSL-K-rasG12Dのマウスを作製した。これらマウスの皮膚を切開し、気管を露出させ、Ade-Creウイルス液(1×106PFU/5μl)を実態顕微鏡下にマイクロシリンジで、気管内に注入した。注入後11週で、腫瘍の発生を調べた。LSL-K-rasG12Dのマウスと、PPP6cflox/flox;LSL-K-rasG12Dのマウスの肺の最大割面での腫瘍発生を検討した。両者の間で、腫瘍発生の頻度と腫瘍の大きさに大きな差が認められなかった。我々は、以前、PP6機能不全状態は、DMBAによりイニシエートされた細胞が腫瘍を形成しやすい状態にあることを明らかにした。本研究では、紫外線ではどうなのかを検討した。マウスの重層扁平上皮特異的に、Ppp6c遺伝子を欠損させたマウスを用いて、週3回UVB照射(2KJ/m)を40週行った。その結果、野生型では、腫瘍形成が認められなかったが、Ppp6c遺伝子欠損皮膚をもつマウスでは、その殆どで扁平上皮がんが発生した。このメカニズムとして、Ppp6c遺伝子欠損ケラチノサイトではDNA修復に異常があり、UVB照射によるDNA損傷の修復ができないことが腫瘍発生の原因の1つと考えられた。我々は、DMBAにより惹起された炎症反応が、PP6欠損組織では著しく増強すること。また、その原因として、NFkBシグナルの増強が考えられることを明らかとしたが、基質などその詳細を解明する。Ppp6c欠損における、紫外線発がんの亢進とDMBAによる発がんの亢進の、それぞれのメカニズムの違いを明らかにする。Ppp6cの欠損が、がん遺伝子による腫瘍発生に対して、さらにドライバーとして働く可能性を検討する。Ppp6c欠損における、紫外線発がんの亢における、DNA修復異常のメカニズムを明らかにする。腫瘍発生における、Ppp6cの欠損、がん遺伝子の相乗効果について、その詳細を検討する。医歯薬学一部消耗品の価格が想定より低かったため次年度の消耗品費に加えて用いることで、実験のスピードアップをねらう。
解離しつつある分子からの発光観測による解離反応ダイナミクスの研究

平成5年度は主として、超音速分子線中に生成するファンデルワールス錯体、H_2O・N_2Oの光分解反応の研究を行った。この錯体は弱いファンデルワールス力でH_2OとN_2Oが結合しているが、193nmのエキシマー・レーザー照射によって分解し、2個のOHラジカルとN_2分子を生成する。これに対応する、セル中での2分子反応:N_2O+hnu→O(^1D)+N_2、O(^1D)+H_2O→2OHにおいては生成する2個のOHの振動、回転エネルギーの分布に大きな差がみられ、このことはO(^1D)がH_2Oと直接に反応して一方のHを引き抜くため、引き抜きで生成するOHとあとに残されたOHが極端に非等価になると解釈される。錯体起源の反応では、これと全く違って、ふたつのOHはほぼ同一の振動・回転分布を示すことが解った。さらに、OHの内部状態に蓄積される全エネルギーも2分子反応の場合にくらべてはるかに小さいことが解った。この相違を説明するために、錯体起源の反応ではN_2Oから光解離によって生ずるOが^1Dから^3Pに項間交差をおこし、3重項のポテンシャルから比較的長寿命の中間体HOOHを経て反応するという仮説を提出した。1)測定手法及び測定条件の確立のため、既に報告されている実験の追試の目的で、よう化メチル、よう化メチルのD化物の光解離時の発光スペクトルの測定を行った。2)よう化メチルのA吸収帯における発光励起スペクトルの測定を行った。その結果A吸収帯を構成する3つの電子状態^3Q_1、^3Q_0、^1Q_1のうち^3Q_0が発光スペクトルに寄与していることを明らかにした。3)亜酸化窒素において、N_2O→N_2+Oに伴う倍音系列スペクトルを観測し、亜酸化窒素の光解離ダイナミクスに関する初めての知見を得ることに成功した。4)よう化水素の発光励起スペクトルを測定し、基音スペクトルを測定した。5)紫外に直接解離の吸収帯をもつその他約10種類の試料において、解離したラジカルによる発光などの問題により、光解離時の発光スペクトルが著しく困難であることがわかった。6)分子線中における発光スペクトルの測定システムを完成させた。また実際に試料としてよう化メチルを用い、光解離時のスペクトル測定に成功した。ただしクラスターからの蛍光が強いため、定量的な結果を得るためにはS/N比の向上が必要である。
有機デバイス界面に関連した電子物性の解明と制御

(1)現有装置の改良・調整千葉大学設置の高分解能電子分光装置:HRPESの改良と調整を行った。これにより全装置分解能20meVを達成し、下記の実験を行うことが可能となった。(2)ペンタセン超薄膜のホール-分子振動カップリング有機デバイスの多くは有機薄膜中の電荷移動や分子のイオン化によってデバイスとしての機能が発現する。有機薄膜中の電荷輸送はイオン化の基底状態と励起状態における電子の自己交換反応:電荷ホッピングで説明でき、電荷と振動モードの相互作用:振動カップリングについて理解することが重要である。特に紫外光電子スペクトル(UPS)から求められる再配向エネルギーは電荷移動度や超伝導温度に重要な役割を果たす。このような背景から、高いホール移動度を示すペンタセンや有機超伝導で重要なC_<60>の気相分子に対するUPSに基づいて振動カップリングに関する議論が行われている。しかし有機薄膜中の電荷輸送機構を正確に理解するためには、隣接分子の分極による電荷の緩和過程など固体特有の現象も考えなければいけない。このような背景のもと、本研究ではグラファイト基板上におけるペンタセン単分子膜の作製法を確立し、HOMOホール-分子振動カップリングに由来する微細構造を検出することに成功した。得られた結果は孤立分子と薄膜における振動カップリングの違いを明瞭に示すものであり、現在、Phys.Rev.Lett.誌への投稿準備中である。また、上記実験に関連して極低温領域におけるペンタセン単分子膜のUPSの温度依存性を検出した。得られた結果は120140Kの領域で温度に依存して薄膜構造が徐々に変化することを示している。今後は室温および極低温領域におけるペンタセンの薄膜構造を定量的に決定するため、放射光を利用した角度分解UPS実験を行うことを計画している。平成15年度は主に以下に示した研究を行ってきた。(1)種々のフタロシアニン(Pc)超薄膜の高分解能紫外光電子分光(UPS)種々の金属Pc(OTi-,Pb-,ClAl-,F_<16>Cu-Pc)超薄膜をグラファイト(HOPG)基板上に作製した系に対し高分解能UPS測定を行い、最高非占有(HOMO)バンド微細構造を観測した。これらのうちOTi-,Pb-,ClAl-Pcはπ共役分子面に対して垂直方向に分子内双極子を持っており、分子配向を制御することで意図的に電気二重層を作製することができる。本研究では分子内双極子が(1)相殺された系と(2)一方向に配列した系を、分子配向を制御することで作製し高分解能UPS測定を行った。その結果、各Pc分子の分子配向(双極子配列)に依存したHOMOバンド微細構造を観測することに成功し、分子内双極子の存在によって有機半導体の電子準位が基板のFermi準位に対してシフトすることを実験的に捉えた。(2)角度分解UPSによるPTCDA配向積層膜のエネルギーバンド分散本研究ではPTCDA配向積層膜を作製し、精密な角度分解UPS測定を行うことで、PTCDA配向積層膜の光学的・電気的性質を理解する上で重要な分子間エネルギーバンド分散の実測に世界で初めて成功した。(3)現有装置への試料冷却システムの導入・調整上記実験と平行して、現有装置への試料冷却系の導入と調整を行い、40Kの冷却性能を達成した。上記研究成果から分子性固体の光電子スペクトル微細構造を精密に調べることにより、実デバイスにおけるキャリアダイナミクスやエネルギー準位接合に関する重要な知見が新規に得られることが分かった。今後は光電子スペクトルの角度・温度依存性を測定することにより、有機デバイス関連界面における多様な電子物性の詳細な理解を目指す。
骨髄移植による嗅覚中枢投射神経細胞の再生と嗅覚神経回路の再構築に関する研究

我々は間葉系幹細胞を含む骨髄を移植して、移植された骨髄由来細胞が嗅上皮嗅覚細胞に分化することと報告した。本研究でも、骨髄由来細胞が嗅球において小膠細胞に分化し、まれに僧帽/房飾細胞に分化することを観察した。僧帽/房飾細胞に対する分化転換がまれであるにもかかわらず、これらの結果は嗅球における中枢神経性嗅覚障害に対して骨髄移植を用いた再生医療の可能性を示している。さらに、中枢嗅覚路における神経回路の再構築の観察のために嗅球障害実験(N-methyI-D-aspartateによる嗅球潅流、メチマゾールの反復投与、加齢促進および促進因子の点鼻、嗅神経切断)を実施し、その有効性を検討した。我々は、嗅上皮に選択的に障害を引き起こすメチマゾール投与し、嗅細胞の細胞死(アポトーシスによる)に引き続いて嗅細胞とシナプス形成をしている嗅球の投射細胞のごく一部が細胞死すること、この実験に骨髄細胞を加えると骨髄由来細胞が嗅球において大多数がクリア細胞にごく一部が投射細胞に分化することを報告しているが、再生神経細胞がどのように神経回路構築に関与するかは明らかでない。このため、嗅球の再生神経細胞よる神経回路構築の研究を3年間で予定しているが、最初の段階として、嗅球投射神経細胞の多数に細胞死を引き起こさせ、嗅覚路における再生細胞の取り込み率を高めるため、N-methyl-D-aspartateを局所灌流の有用性を検討した。N-methyl-D-aspartate潅流によって、嗅球の神経細胞の細胞死および組織修復が起こっている可能性が示唆されたが、実験個体を増加するにつれて嗅球の細胞死を起こした神経細胞数のばらつきが大きく、安定した結果を得られなかった。投射細胞を細胞死に至らせる実験手技を標準化するため努力を重ねたが、より安定な化学的脱神経による嗅球の神経細胞の細胞死がメチマゾールを反復投与することによって獲得されるか否かを検討した。メチマゾールの反復投与を3回から5回まで行い、1回投与に比べて、投射細胞の細胞死が増加するか否かを投射細胞のマーカであるTBX21とアポトーシス(細胞死)を検出するためにTUNNEL法とカスペースを利用して免疫組織学的な検討を行った。いずれの投与回数においても、TBX21陽性細胞数の減少が僧帽細胞層(僧帽細胞により構成される)より、僧帽細胞と同じく投射細胞を構成する房飾細胞が存在する外網状層に観察された。この減少は、メチマゾール投与の間に急速に回復することが観察された。今後、僧帽細胞より房飾細胞に焦点を合わせ嗅球の再生神経細胞よる神経回路構築の研究を遂行していく予定である。我々は、嗅上皮に選択的に障害を引き起こすメチマゾール投与し、嗅細胞の細胞死に引き続いて嗅細胞とシナプス形成をしている嗅球の投射細胞が細胞死すること、この実験に骨髄細胞を加えると骨髄由来細胞が嗅球において大多数がクリア細胞にごく一部が投射細胞に分化することを報告しているが、再生神経細胞がどのように神経回路構築に関与するかは明らかでない。このため、嗅球の再生神経細胞よる神経回路構築の研究を3年間で予定しているが、平成24年度はN-methyl-D-aspartateを局所灌流して、嗅球投射神経細胞に細胞死を起こさせる濃度を検討した。N-methyl-D-aspartateは、神経興奮毒性を持つが、嗅球において、嗅球の投射神経細胞に細胞死を惹起させることができるか否かは知られていない。このため、N-methyl-D-aspartateを生理食塩水で1。8μl(10mg/ml)に希釈し、C57BL/6マウスの前頭骨にホールを開けて右嗅球を灌流した。対照として、同じマウスの左嗅球を生食にて還流した。潅流3週間後に両嗅球を摘出して、成熟神経細胞のマーカーであるNeuNと神経膠細胞やマクロファージのマーカーであるIba1による免疫染色をそれぞれ行い、両嗅球における神経細胞および神経膠細胞の生存数を観察し、N-methyl-D-aspartateによる嗅球の障害を比較検討した。これらの免疫染色の結果から、N-methyl-D-aspartate投与群においては、潅流の影響を強く受けた部位では、対照群に比較して嗅球の層状構造の乱れ、僧帽投射神経細胞層における細胞数の減少、神経膠細胞の増加が観察された。このことから、N-methyl-D-aspartate潅流によって、嗅球の神経細胞の細胞死および組織修復が起こっている可能性が示唆された。

我々は,嗅上皮に選択的に障害を引き起こすメチマゾール投与すると移植骨髄細胞が嗅球において大多数がクリア細胞にごく一部が投射細胞に分化することを報告しているが,再生神経細胞がどのように神経回路構築に関与するかは明らかでない.このため嗅球に障害を与えて嗅球の再生神経細胞よる神経回路構築の研究を行った.再生細胞の取り込み率を高めるため、神経細胞毒性を有するN-methyl-D-aspartateで嗅球灌流を行ったが、安定した結果を得られなかった。メチマゾールの反復投与(3回から5回)を行ったが嗅球および嗅上皮に有意な変化および投射細胞を細胞死の有意な増加を認められなかった.また,老化促進因子のエオタキシンを投与することで,嗅球の新生神経細胞が傍側脳室に存在する神経幹細胞から吻側移動経路(rostral migratory stream,RMS)経由で嗅球まで続く神経回路に影響を与える影響をコントロール群および老化抑制因子であるGDF(growth differentiation factor)11投与群と検討し,preliminaryではあるが,エオタキシンによって,嗅球において新生神経細胞数の減少が認められ,エオタキシン投与後によって実験モデルが構築される可能性が示された.また,GDF投与によって,移植細胞の嗅球への取り込み率の増加の可能性が示唆された.耳鼻咽喉科N-methyl-D-aspartate潅流が再現性のある神経細胞死を引き起こさなかったことにより、安定的に神経細胞死を引き起こす方法の確立に時間を要している。また、研究棟の耐震化工事による実験室の移転準備および引っ越し並びに仮移転にともに実験室の規模の縮小のため実験計画が予定通りに進行しなかった。平成24年度の研究目標は、N-methyl-D-aspartateによる潅流で嗅球に障害を生じさせるか否か、また障害させるN-methyl-D-aspartateの濃度を決定することであったが、これらの目標は達成でき、平成25年度に予定していた実験が支障なく実施可能と考えられるため。嗅球の神経細胞の障害方法をN-methyl-D-aspartateの局所灌流からメチマゾールの複数回投与に変えて、骨髄細胞移植を行い移植された骨髄由来細胞の嗅覚回路への取り込みを明らかにする。これとは別の角度で検討するために、嗅上皮から嗅球における嗅覚神経回路の研究で世界的な業績を挙げている理化学研究所の感覚神経回路形成研究チームに大学院生を平成26年4月から派遣して、この研究所が持つ多分子励起型顕微鏡の焦点深度が深い性質を利用し、さらに理化学研究所が開発したマウス成体脳の透明化するCUBIC(キュービック)技術を利用して、GFP陽性骨髄移植後のレシピエントマウス成体脳で、嗅覚障害後に移植されたGFP陽性細胞の嗅覚路への関与の動向を経時的および立体的に解析することを計画している。レシピエント(C57BL/6)マウスに放射線照射を行い免疫寛容状態にする。GFPマウス骨髄の移植がすでに行われたレシピエントマウスの嗅球を1。8μl(10mg/ml)N-methyl-D-aspartateで局所灌流した実験群と生理食塩水で灌流したコントロール群に分け、さらにGーCSFを全身投与して、N-methyl-D-aspartate投与群でドナー骨髄由来細胞の再生投射神経細胞の再生率がコントロール群に比較して上昇するか否かをレシピエントマウス嗅球中のドナーマーカー(GFP)の発現を免疫染色により統計学的に解析する。さらに嗅球投射神経細胞のマーカーであるTBX21との2重免疫染色を行い、ドナー骨髄由来細胞が投射神経細胞に分化しているか否かを確認する。