hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
強誘電体薄膜のグレインバウンダリが電気特性に及ぼす影響の解明とメモリ素子への応用

本研究で得られた成果を以下にまとめる。1.MOCVD法により得られた多結晶Pb(Zr, Ti)O_3(PZT)薄膜(SrRuO_3/SiO_2/Si基板上)は膜厚の増加(51-438nm)とともにグレインサイズの増加(140-250nm)が観察され、リーク電流密度の減少が観察された。エピタキシャル薄膜(SrRuO_3/SrTiO_3基板上)においても、膜厚の増加につれリーク電流の減少が見られが、同じ膜厚では多結晶膜の方がエピ膜よりリーク電流密度は大きく、残留分極や誘電率の膜厚依存性も顕著であり、グレインサイズの膜厚依存性やグレインバウンダリが影響を及ぼしている事が分かった。3.シードを用いた二段階成長法により、PZT膜が395°Cという低温で得られ、グレインサイズの増加や結晶性、電気特性の改善などが観察された。4.SPMを用いた圧電応答測定よりPZT多結晶膜及びエピタキシャル膜の膜厚方向及び面内方向の分極反転領域の広がり速度を求めるなど、分極反転機構を詳しく調べた。5.MOCVD法によるIr薄膜の成長に成功すると同時に、MOCVD法だけで平面及び三次元立体構造のIr/PZT/Ir/SiO_2/Siキャパシタを400°Cで作製することに成功した。本年度の研究計画に基づき,様々な手法を用いて各種電極上における強誘電体Pb(Zr,Ti)O_3(PZT)薄膜のグレインサイズの制御を試みるとともに,グレインサイズ及びグレインバウンダリがメモリ特性に及ぼす影響について調べた。以下に得られた知見を要約する。1.PZT薄膜の作製パラメータと下部電極(Pt,Ir)のグレインサイズ制御により,PZT薄膜のグレインサイズを120から240nmまで制御できた。また,膜厚の変化(60400nm)に伴い,グレインサイズは100から400nmまで変化した。2.二段階成長法において結晶核として用いるPbTiO_3の初期成長過程を詳細に調べた。その結果,Pt(111)下部電極上では,(111)面に配向した三角形のPbTiO_3初期核が形成され,その大きさや密度は成長時間や成長温度,下部電極のグレインサイズによって制御できることがわかった。これら100nm以下のナノサイズPbTiO_3結晶核は,正方晶の結晶構造をとり,強誘電性を有していた。3.PbTiO_3結晶核を用いた二段階成長法において,結晶核密度の制御によりPZT薄膜のグレインサイズを150から200nmまで制御できた。また,得られたPZT薄膜は400°Cという低温で作製したにもかかわらず,ペロブスカイト単相であり,強誘電性を有していた。4.SPMによる分極反転のナノレベル観察により,グレインバウンダリは分域壁の移動を妨げる要因として作用していることがわかった。5.エピタキシャル単結晶PZT薄膜の作製の予備実験として,原子層ステップを有するSrTiO_3(100)単結晶基板上でのSrRuO_3電極及びPZT薄膜の成長過程の観察を行った。その結果,基板最表面の原子配列により,その成長様式が層状もしくは島状成長となることがわかった。本年度の研究実施計画に従い、引き続きPb(Zr, Ti)O_3(PZT)薄膜のグレインサイズの制御とそれが強誘電体メモリ特性に及ぼす影響について調べたところ、以下の知見が得られた。1.PbTiO_3やPZTをシードに用いた2段階MOCVD成長法により、Pt/SiO_2/SiやIr/SiO_2/Si基板上にPZT薄膜を395-485°Cという低温で成長させることができた。

2.2段階成長法において395°Cで作製したPZT薄膜の結晶性やグレインサイズ、強誘電性のシード堆積時間依存性を調べたところ、シードが島状構造である場合はその上のPZTの結晶性や強誘電性、リーク電流密度はシードを用いない場合に比べ改善される。また、グレインサイズは、シードを用いない場合に比べ増大した。しかし、シードがある一定以上の膜厚を有する層である場合は、逆にPZT膜の結晶性や強誘電性は劣化し、グレインサイズも小さくなった。3.Ir/SiO_2/Si基板上のPZT薄膜の結晶性やグレインサイズ、表面平坦性、リーク電流密度、強誘電性などは、Ir表面の酸化状態に影響を受け、酸化したIr表面上に成長したPZT膜は結晶性および電気特性が劣る傾向が観察され、グレインサイズやグレインバウンダリが電気特性に影響を及ぼすことが確認された。4.走査プローブ顕微鏡(SPM)を用いた圧電応答法(圧電応答顕微鏡)により、ナノサイズでのPZT薄膜の分極反転過程を観察したところ、膜厚及び面内方向の分極反転広がり速度は、エピタキシャル膜の方が多結晶膜より速く、配向の違いやグレインバウンダリの有無が分極反転速度に関係している事がわかった。5.SrRuO_3/SrTiO_3上に得られたグレインバウンダリのないPZTエピタキシャル膜は、膜厚30-60nmと非常に薄いにもかかわらず良好な強誘電性を示し、強誘電体メモリの低電圧駆動化、高集積化に有望であることが分かった。
蛋白質高分泌性酵母K.fragilisの分泌蛋白遺伝子のクローニングと解析

細胞外への顕著な蛋白質の分泌と広範囲な生育温度を特長とする酵母であるKluyveromycesfragilisを異種有用蛋白の大量分泌生産に利用できるように育種するため、本菌の主要な分泌酵素であるイヌリナーゼならびに遺伝マーカーとして有用と考えられる各種遺伝子のクローニングを試みた。先ず大腸菌lac7遺伝子の活性によりマルチクローン部位に挿入を起こしたものを選択できる新たなS cerevisiae-大腸菌のシャトルベクターを作製し、Sau3Alにより部分分解したK.fragilis染色体DNAをBamHl部位に挿入して、平均挿入断片6.8kb,独立クローン5000個よりなる遺伝子ライブラリーを作製した。本ライブラリーを各々適当なマーカーをもつ大腸菌に形質転換することによりβ-イソプロピルマレートデヒドロゲナーゼやアルカリ性ホスファターゼ遺伝子を含むクローンを選択することができた。一方、大腸菌ならびに酵母S.cerevisiaeを宿主として形質転換を行いイヌリナーゼを発現するクローンの検索を行ったが取得できなかった。そこでK.fragilisの培養上清からタンニン酸沈殿・DEAEセルロース・セファロース6Bクロマトグラフィーによりイヌリナーゼを精製し、更にエンドグリコシダーゼHで糖鎖を切断除去した後ファルマシアFPLCシステムのMonoQカラムにより、SDS-ポリアクリルアミドゲル電気泳動で隣接する3本のバンドとなるまで精製した。この標品をトリプシンにより限定分解して得たペプチドをHPLCのC4逆相カラムにより精製分取し、その10本についてエドマン法によるアミノ酸配列決定を行った。決定したアミノ酸配列の一部はS.cerevisiaeの類縁酵素であるインベルターゼと有意の類似性を有していることが明らかになった。この配列をもとにしてイヌリナーゼの混合DNAプローブを合成し、さきのライブラリー中よりこれにハイブリダイズするものとしてイヌリナーゼ遺伝子を含むクローンを得た。
光応答性有機・ケイ素化合物の分子設計

アリルシランの炭素間の熱的1,3-ケイ素移動反応は機構的な観点から特に興味深い。ケイ素上の立体配置の反転を伴う協奏的な〔1,3〕シグマトロピー転位とされているからである。一方、光化学的な炭素から炭素への1,3-ケイ素移動反応の明確な例は知られていない。今回我々は初めて、アリルシラン励起状態からの効率のよい1,3-ケイ素移動反応を見い出した。この光反応は光応答機能分子設計の観点から多くの興味深い点を含んでいるので、反応の機構を詳細に検討した。ケイ素上に芳香族基を有するアリルシランは、種々の溶媒中光照射により効率よく1,3-ケイ素移動して異性体の混合物を与えることが分かった。熱反応とは異なりこの光反応は可逆である。光定常状態においては立体的ち込み合った異性体を多く与えるので、置換アリルシラン合成の観点からも興味深い。この光異性化が分子内反応であることを交差実験によって確かめた。また、ベンゾフェノンの存在下360mmの光照射では反応は全く進行しないことなどにより、この1,3-シリル移動反応は一重項励起状態からの協奏的な異性化であると考えられる。ケイ光寿命および量子収率の測定結果に基づいて、光1,3-ケイ素移動速度は毎秒10の6乗程度と見積られた。光学活性3-メチル-2-ブテニルシランを用いて光異性化の立体化学を検討した。この光異性化反応は熱的な1,3-ケイ素移動反応の場合と同様、ケイ素上の立体化学の反転を伴って進行していることがわかった。両者が同じ反応座標に沿って反応していることを示唆するものである。興味深いことに、光定常状態における異性体比は、温度によって変化することが示された。同様の光化学的1,3-ケイ素移動がプロパルギルフエニルジメチルシランおよびケイ素上にビニル基、フエニル基などのπ系を有するシンナミルシラン類においても観察された。
ディラック作用素の逆境界値問題について

3次元空間の滑らかな有界領域上で、電磁場に対応するポテンシャルをもつディラック作用素を考える。適当なポテンシャルの仮定のもと、標準的な表現の場合、定義域の4成分のうち、第1,2成分にディリクレゼロの境界条件をつけた適当な定義域で自己共役作用素になる。これより、第1,2成分のディリクレ境界値を与える境界値問題が一意的に解けるとき、その解の第1,2成分の境界値に対し、第3,4成分の境界値を対応させる写像(D-Dmap)が定義される。ここでは境界値逆問題のひとつとして、一意性、すなわちポテンシャルからこのD-Dmapの対応の単射性を調べた。今回の研究の副産物として、境界値の空間の厳密な構成により、この順境界値問題が自然な関数空間で解けるようになり、D-Dmapの定義も自然になった。平成9年度は、ポテンシャルが小さい場合、複素幾何光学解(複素の周波数をもつ遠方で指数的に増大する解)を用いて、磁場とスカラーポテンシャルからD-Dmapへの単射性を証明した。更に、平成10年度、ポテンシャルが一般の場合に滑らかさを仮定し、複素幾何光学解の構成においてintertwiningpropertyといわれる性質を用い、一意性を証明した。またある条件のもと、D-Dmapの漸近展開を書きくだすことができ、境界において磁場とスカラーポテンシャルの同定が可能となった。また、シュレディンガー作用素における方法を応用し、散乱振幅とD-Dmapの関係を明かにすることによって、ディラック方程式の固定したエネルギーでの散乱逆問題の一意性に対する結果も得た。有界領域上で、ベクトルポテンシャルとスカラーポテンシャルをもつディラック作用素に対し、第1、第2成分の境界値を与え、境界値問題を考える。その解が一意に存在するとき、第1、第2成分の境界値に対し、解の第3、第4成分の境界値を対応させる写像(D-D map)が定義される。(このD-D mapには、ベクトルポテンシャルに対するあるゲージ不変性があることがわかった。)境界値逆問題として、このD-D mapからポテンシャルを決定可能かが問題となるが、ここでは境界値逆問題の一意性、すなわち、ポテンシャルからD-D mapへの対応の単射性について結果を得た:空間3次元の滑らかな境界をもつ有界領域にかぎり、さらにスカラーポテンシャルとベクトルポテンシャルのロ-テーションが小さいとき、あるいはスカラーポテンシャルとベクトルポテンシャルが小さいとき、それらのかなり弱い滑らかさのもとでスカラーポテンシャルとベクトルポテンシャルのロ-テーションからD-D mapへの対応の単射性が従う。固定したエネルギーでの、複素な周波をもつ(指数的に増大する)固有値問題の解(複素幾何光学解とよぶ)を構成し、その複素高周波での漸近的な振る舞いからポテンシャルの情報を得た。ディラック作用素の場合、この解は4×4行列値をとり、また、ベクトルポテンシャルを扱うため周波数に依存したゲージ変換を行った。複素幾何光学解は、領域の外でポテンシャルを拡張し全空間での解と思ったとき、一般化固有関数とみることができ、シュレ-ディンガーやディラックの逆散乱理論で現われるFaddeevのグリーン作用素、又は、それを修正したものが、今の場合も有効である。このため逆問題や散乱理論の研究集会での議論が研究の推進上役立った。予定していた、小さくない一般のポテンシャルの場合について、また、ディラック方程式の逆散乱問題において、固定したエネルギーでの散乱振幅の、ポテンシャルに対する一意性については、引き続き研究中である。
刺激応答性核酸の構築

本研究では核酸に基づく高機能材料を開発するのに必要な基礎的知見を確立することを目指して、化学修飾・合成した修飾・人工核酸の諸機能を分子レベルで明らかにすることを目指した。具体的には核酸に刺激応答機能を付与し、特定の化学種の有無やpHや温度と言った外部環境因子を外部刺激として、DNAとの錯体形成、高次構造、たんぱく質結合能などを可逆的に制御することを目標にし、外部刺激による可逆的核酸認識能を有するペプチドリボ核酸(PRNA)の開発に取り組んだ。PRNAはホウ酸類等を外部因子とし核酸塩基部のanti/syn配向が可逆的に制御可能であること、相補的核酸との錯体形成・解離の可逆的制御が可能であることを明らかとした。4種類の核酸塩基有するPRNAモノマーを合成し、いくつかのシーケンスを有するオリゴマーを合成し、ターゲットDNAとの相互作用・融解温度・コンプレックスの高次構造についてUV・CDスペクトルにより検討した。その結果、プリン-ピリミジン混合配列を有するオリゴマーもリン酸緩衝液中でピリミジン塩基部はanti配向を優先するのに対し、ホウ酸添加系では効率よくsynに配向変化することが明らかとなった。さらに、PRNA12量体を用いてPRNA-DNA錯体形成について検討した結果、リン酸緩衝液中約40%の淡色効果を示し、35°CのTmを示す安定なコンプレックスを形成することが明らかとなった。この系にホウ砂を添加すると錯体が迅速に解離することが示された。またD-グルタミン酸を主鎖骨格にもつPRNAを合成し、L-体より安定な錯体を形成することを明らかとした。またα-グルタミン酸主鎖骨格を有するα-PRNAを設計・合成し、外部因子によってその塩基部配向を可逆的に制御可能であることを明らかとした。以上の本研究により四種の塩基を有するPRNAの合成法を確立し、ホウ酸存在下pHを外部因子として塩基部配向の可逆的制御を達成し、その塩基部配向制御を通じて核酸認識機能の可逆的制御に成功した。また、ペプチド主鎖骨格を有する核酸モデルにおいて、高次構造が核酸との錯体の安定性に非常に重要な役割を果たしており、DNAとの錯体の安定性には、ペプチド主鎖骨格が形成する高次構造が大きく影響することを見出し、外部刺激応答性人工核酸設計の一般的指針と具体的方法論を確立した本研究では核酸に基づく高機能材料を開発するのに必要な基礎的知見を確立することを目指して、化学修飾・合成した修飾・人工核酸の諸機能を分子レベルで明らかにすることを目指した。また、ペプチド主鎖骨格を有する核酸モデルにおいて、高次構造が核酸との錯体の安定性に非常に重要な役割を果たしており、DNAとの錯体の安定性には、ペプチド主鎖骨格が形成する高次構造が大きく影響することを見出し、外部刺激応答性人工核酸設計の一般的指針と具体的方法論を確立した本研究では、天然核酸にはない外部因子による核酸認識制御と言う新しい方法論を核酸モデルに適用することにより、核酸認識さらには分子認識に基づく様々な核酸機能を外部因子によりコントロール可能なモデル、すなわち外部刺激応答型機能性核酸モデルの設計・合成について検討した。このような外部刺激応答型核酸モデルは、優れた核酸機能の積極的利用を可能にすると考えられ、例えば遺伝子治療におけるアンチセンス分子機能の動的制御を実現し、次世代のアンチセンス分子開発に資する新規指導原理の構築につながることが期待される。

核酸の認識過程においては塩基部の配向が重要であり、その配向は糖部のコンホメーションにより影響を受けることに注目しフラノース糖を有する核酸認識分子において、外部因子により糖部コンホメーション変化を誘起し、塩基部の配向制御が可能になれば、認識制御が期待できる。外部因子によるsyn配向の誘起を達成するため、(i)塩基部2位カルボニル酸素とフラノース部5 ́位水素間の水素結合形成、(ii)フラノース部2 ́,3 ́-cis-ジオールとホウ酸類との架橋構造形成の共同効果の利用に着目した。5 ́位水酸基をアミノ基に変換した5 ́-アミノウリジン(5 ́-NH_2-Urd)を合成し、塩基部配向をCD,^1H-NMR NOEスペクトルにより検討し、ホウ酸類によるanti-syn塩基部配向制御が可能であることを明らかとした。この5 ́-NH_2-Urdを導入した新しいカテゴリーの核酸モデルとしてペプチドリボ核酸(PRNA)を設計・合成した。オリゴマーのホウ酸類よるanti-syn配向制御についてCD,^1H-NMR-NOEを用いて検討した結果、可逆的に塩基部配向制御が可能であることが示された。さらに相補的DNAと安定な錯体を形成し、外部因子により錯体形成・解離のon-off制御が可能であることも明らかとなった。核酸認識・機能発現過程においては、ヌクレオシドの塩基部配向が大きな影響をおよぼしており、効果的な認識にはanti配向を取ることが重要である。この塩基部配向を変化させ、さらにコントロールすることが可能になれば核酸認識・機能発現制御が可能になると考えられる。私は、リボフラノース部2',3'位でのホウ酸エステル形成およびピリミジン塩基が有する2位カルボニル酸素とフラノース部5'-アミノ水素間での分子内水素結合形成の共同効果により効果的にsyn配向誘起が達成されることを明らかにした。さらに、ヌクレオシド部に未修飾の2'位および3'位水酸基を有する核酸モデル分子の設計・合成を検討し、ホウ酸類によるコンフォメーションおよび認識能の変化、アンチセンス効果を中心とした様々な機能の外部因子による制御について検討した。5'-アミノ-5'-デオキシピリミジンリボヌクレオシドを2',3'-水酸基フリーな状態で認識部位として導入した核酸モデルとして、4種類の核酸塩基有する5'-アミノヌクレオシドをグルタミン酸のα-カルボキシル基にアミド結合により認識部位を導入したγ-PRNAモノマーを合成した。この4種類のモノマーを用いて、いくつかのシーケンスを有するγ-PRNAを合成し、ターゲットオリゴヌクレオチドとの相互作用・融解温度・コンプレックスの高次構造についてUV・CDスペクトルにより検討した。その結果、プリン-ピリミジン混合配列を有するPRNAオリゴマー(5,6)は、N末端をFmoc基により保護したモノマーを用いてペプチド固相法により合成した。5,6いずれのPRNAオリゴマーもリン酸緩衝液中でピリミジン塩基部はanti配向を優先するのに対し、ホウ酸添加系では効率よくsynに配向変化することが明らかとなった。さらに、自己相補的配列を有するPRNA12量体を用いてPRNA-PRNAコンプレックス形成について検討した結果、リン酸緩衝液中約40%の淡色効果を示し、35°CのTmを示す安定なコンプレックスを形成することが明らかとなった。一方、この系にホウ砂を添加するとPRNA-PRNAコンプレックスが迅速に解離することが示された。
二次イオン質量分析法による高温酸化皮膜中の水素分析に関する研究

◯二次イオン質量分析法(SIMS)による水素分析:前年度に水素分析用標準試料として採用したプロトンを打ち込んだシリカ皮膜中の水素分析を二次イオン質量分析法により行い、最適分析条件を明らかにした。水素分析のためには、一次イオン種、検出二次イオン種の選定の他に、一次イオン照射ラスターサイズや二次イオン採取領域が分析精度に影響を与えることがわかった。◯酸化速度測定:化学気相析出法により合成した炭化ケイ素および窒化ケイ素の酸化速度に及ぼす水蒸気分圧および酸素分圧の影響を明らかにすると共に、酸化過程で形成される酸化皮膜の分析をX線回析、顕微ラマン分光法により行った。水蒸気分圧上昇および酸素分圧減少に伴い、酸化速度は増加した。この原因は、酸化皮膜(シリカ)中のミクロ的な欠陥構造が酸化雰囲気により変化するためと考察した。酸化皮膜のX線分析により、雰囲気中に存在する水蒸気は高温(1873K以上)では酸化皮膜の非晶質化を促進し、低温(1373K付近)では結晶質化を促進することが明らかになった。また顕微ラマン分光法による酸化皮膜断面観察により、湿潤雰囲気中において形成される酸化皮膜は皮膜/材料界面においては結晶質相(クリストバライト)、皮膜/ガス界面においては非晶質相(非晶質シリカ)という二重構造を有することを明らかにした。つまり、雰囲気中に存在する水蒸気は結晶質シリカを非晶質化し、その非晶質化がシリコン気セラミックスの耐酸化特性を劣化させるものと考えられる。◯二次イオン質量分析法による水素分析条件の決定水素定量用標準試料としてはシリコン単結晶上に熱酸化により形成されたSiO_2にHイオン(質量数1)を打ち込んだものを採用した。水素分析精度は二次イオン光学系の調整に大きく依存することが明らかとなった。初期においては、標準試料としてOH基濃度既知の石英ガラスを用いる予定であったが、OH基以外の形態で存在する水素の影響で検量線(OH基濃度と二次イオン強度の関係)を作製することができなかった。◯酸化速度測定化学気相析出法により合成した炭化ケイ素(SiC)および窒化ケイ素(Si_3N_4)の湿潤酸素中(水蒸気分圧0.1atm)における酸化速度を13731923Kの温度範囲で測定した。SiCの酸化挙動は放物線則(低温域)またはlinear-parabolic則(高温域)で、Si_3N_4では直線則ど説明することができた。いずれの材料においても、温度の上昇に伴い、酸化速度定数の温度依存性が顕著になった。速度定数が一定の温度胃依存性を示さない原因は、酸化温度により試料表面に形成されるSiO_2の構造が異なるためと推察した。現時点では、X線回折および透過電子顕微鏡観察により1923K、1773K、1573Kで形成される酸化皮膜がそれぞれ異なった構造を有することが示唆されている。次年度は、SIMSにより酸化皮膜中の水素定量を行い、酸化速度と酸化皮膜の関係を総合的に検討する。○二次イオン質量分析法(SIMS)による水素分析:前年度に水素分析用標準試料として採用したプロトンを打ち込んだシリカ皮膜中の水素分析を二次イオン質量分析法により行い、最適分析条件を明らかにした。○酸化速度測定:化学気相析出法により合成した炭化ケイ素および窒化ケイ素の酸化速度に及ぼす水蒸気分圧および酸素分圧の影響を明らかにすると共に、酸化過程で形成される酸化皮膜の分析をX線回折、顕微ラマン分光法により行った。

酸化皮膜のX線分析により、雰囲気中に存在する水蒸気は高温(1873K以上)では酸化皮膜の非晶質化を促進し、低温(1373K付近)は結晶質化を促進することが明らかになった。また顕微ラマン分光法による酸化皮膜断面観察により、湿潤雰囲気中において形成される酸化皮膜は皮膜/材料界面においては結晶質相(クリストバライト)、皮膜/ガス界面においては非晶質相(非晶質シリカ)という二重構造を有することを明らかにした。つまり、雰囲気中に存在する水蒸気は結晶質シリカを非晶質化し、その非晶質化がシリコン気セラミックスの耐酸化特性を劣化させるものと考えられる。
溶液論と計算科学的手法によるABCトランスポータの構造変化と機能発現機構の解明

本研究では、ABCトランスポータの機能発現機構を"水とATPの役割"の観点から研究し、次の成果を得た。1)ATP及びその関連化合物の加水分解エネルギーは水和の効果によって10kcal/mol程度に収束する、2)蛋白質-リガンド複合体形成の主たる駆動力は水の並進エントロピー(あるいは排除体積効果)である、3) ATPの結合自由エネルギーはヌクレオチド結合ドメイン(NBD)の2量体化(power stroke)に変換される、4) NBDの2量体化は、水和エンタルピーと水和エントロピーにより駆動されて起こる。(1)「ATPの高エネルギーリン酸結合の物理起源は何か」の問題に対し、溶媒効果を含む量子化学計算から解答を得る。すなわち、水や蛋白質を模した種々の誘電率環境中でATPの加水分解自由エネルギーを評価し、その結果を内部エネルギー効果、静電的及び非静電的溶媒和などに分割し各項の寄与を明らかにする。(2)「ABCトランスポータの構造変化のエネルギー源は何なのか」という問に対し、エネルギー表示自由エネルギー計算法や分子性流体積分方程式論に基づく計算機シミュレーションを行い、ATPの結合にともなう系の自由エネルギー変化と水の並進エントロピーの寄与を明らかにし、ATPのリガンドとしての特異性及び水の役割を解明する。(3)「ATPの化学エネルギーは何に使われているのか」という問題に対し、ATPを含む化学反応部位と周囲の蛋白質部位との相互作用を量子力学/古典力学練成(QM/MM)計算から評価し、蛋白質中での加水分解反応の自由エネルギープロファイルを得る。その結果より化学→力学エネルギー変換機構を解明する。(4)ABCトランスポータ内の力学→力学エネルギー伝達機構を解明するため、エンジン部分(ヌクレオチド結合ドメイン:NBD)と動作部分(膜貫通ヘリックス;TMD)を接続するトランスミッション部分(カップリングヘリックス)の役割を分子動力学シミュレーションを用いて調べる。(2)(4)の結果を総合して、最終的にトランスポータの動作原理について原子レベルの描像を得る。連続体近似溶媒効果理論と量子化学理論を結合した計算により、ATP及びその類似体の加水分解反応の水中での自由エネルギーを評価した。また、得られた自由エネルギーを内部エネルギー項、並進・回転・振動エネルギー項、静電的水和エネルギー項及び非静電的水和エネルギー項に分割し、各項の寄与を定量的に評価した。ATP類似体としては、ATPリン酸結合の最小モデルであるピルビン酸、ATPよりも大きな加水分解エネルギーを持つといわれるホスホエノールピルビン酸、高エネルギー結合をもたないグルコース1-リン酸を含め、実験データのある総計20種程度のリン酸化合物を対象とした。これらすべての計算結果を総合して、ATPの加水分解自由エネルギーへの水和の寄与を明かにした。ABCトランポータの機能発現機構におけるATPの役割を解明するため、ABCトランポータとしてSav1866を取り上げ、2つのATPがヌクレオチド結合ドメイン(NBD)に結合した状態、1つのATPが結合した状態及び非結合状態に対する分子動力学シミュレーションを実行した。得られたトラジェクトリーデータに基づいて、平衡構造での蛋白質の揺らぎを相関運動の観点から解析し、各状態の主要運動モードを抽出した。その結果、ATP非結合状態では、NBDの運動と膜貫通ヘリックスの運動がカップルし、後者にhinge-bending運動が生じることが判明した。このような運動は、トランスポータを初期状態にリセットし、次の基質(薬剤)を取り込むために必須と考えられる。一方、ATP結合状態ではTMDにこのような運動は見られなかった。最終的に、3状態の主要運動モードを比較検討することにより、構造変化の時間発展について大まかな知見が得られた。1.マウスABCB1トランスポーターのinward-facing構造に対し分子動力学(MD)シミュレーションを実行した。その結果、細胞内側に向かって開いていた構造が時間の経過とともに徐々に閉じていき、約30ns経過後ヌクレオチド結合(NBD)ドメインが接近した構造が得られた。この状態では、2つのATP結合ポケットの内、片側だけが互いに接近しており、細胞質側から見ると"ハ"の字の形をしていた。MDトラジェクトリーに対し主成分解析を実行したところ、このタンパク質は2つのNBDが互いに逆回転する運動モードを第一主成分として持つことが判明し、このような非対称構造に到達する理由が説明できた。この構造は、outward-facing構造に至る過程で生じる中間体ではないかと推定される。2. ABCトランスポーター(MsbA)のエンジン部分(NBD)と動作部分(膜貫通ヘリックス;TMD)を接続するトランスミッション部分(カップリングヘリックス)の役割を調べるため、この部位にアミノ酸変異を導入した変異体の分子動力学シミュレーションを実行した。NBD-TMD間の相関運動の変化を解析したところ、TMDの蝶番運動モードのみがトランスミッション部位の変異で大きな影響を受けることが判明した。言い換えると、基質の排出に必須な蝶番運動モードのみが、カップリングヘリックスを介してNBDと力学的結合をしていることは非常に興味深い事実である。

3. ATPのモデルとしてピロリン酸を取り上げ、その加水分解自由エネルギーを連続体近似の溶媒モデルとab inito分子軌道計算により評価し、分子内及び分子間エネルギーの寄与を明確にした。その結果、前者は大きな発熱過程であるが、後者の吸熱過程によりその大部分が相殺され、全エネルギーは高々10kcal/mol程度になることが判明した。これより、多くの生化学の教科書はATPの高エネルギー結合の起源に関して間違った記述をしていることが明かとなった。4.領域内共同研究者である木下の開発した形態熱力学理論を応用して、タンパク質-リガンド間結合自由工ネルギーを精度高く再現する計算手法の確立に成功した。1.昨年度に引き続きマウスABCB1トランスポーターのinward-facing構造に対しMDシミュレーションを実行した。NBDにATPが結合した系と結合してない系の挙動を比較したところ、前者では細胞内側に向かって開いていた構造が時間の経過とともに徐々に閉じていきヌクレオチド結合(NBD)ドメインが接近した構造が得られたが、後者ではNBD間がより開いた構造に収束した。前者の構造では、2つのATP結合ポケットの内、片側だけが互いに接近しており、細胞質側から見ると"ハ"の字の形をしていた。MDトラジェクトリーに対し主成分解析を実行したところ、このタンパク質は2つのNBDが互いに逆回転する運動モードを第一主成分として持つことが判明し、このような非対称構造に到達する理由が説明できた。この構造は、outward-facing構造に至る過程で生じる中間体ではないかと推定される。2.ABCトランスポーター(MsbA)のエンジン部分(NBD)と動作部分(膜貫通ヘリックス;TMD)を接続するトランスミッション部分(カップリングヘリックス)の役割を調べるため、この部位にアミノ酸変異を導入した変異体の分子動力学シミュレーションを実行した。NBD-TMD間の相関運動の変化を解析したところ、変異体では蝶番運動モードが消失することが明らかとなった。言い換えると、この部分がoutward-facingからinward-facingに戻るために必須の運動が消失することを示しており、NBDとTMDの力学的結合を担っていることが明らかとなった。3.Sav1866のoutward-facing構造のATP結合状態、(ADP+Pi)状態、ADP結合状態及びヌクレオチド非結合状態に対し、MDシミュレーションを実行し、ATP加水分解後のどの段階でinwardへ向かう運動が誘起されるか調べた。その結果、Piが抜けた後(ADP結合状態以降)であることが判明した。ATP加水分解とTMDの動作とは直接的には共役してないことが示唆された。1.ホモロジーモデリングによりABCトランスポーターCFTRのinward-facing構造を作成し、MDシミュレーションを実行した。
II型ポリケタイド合成酵素のもつ生合成マシナリーの解明

Ishigamide生合成の鍵酵素であるIga11/Iga12のX線結晶構造解析に取り組んだ。その結果、Iga11/Iga12の構造を再高分解能1.75 Åで解くことに成功した。この結果、Iga11/Iga12は確かにヘテロダイマーを形成していることがわかった。また、Iga11/Iga12の持つ特徴的な活性中心構造が明らかとなり、Iga11/Iga12がポリエンの合成を行うか理解する大きな手がかりが得られた。ついで、Iga11/Iga12にhexanoyl-CoAをソーキングし、共結晶の構造解析を試みた。その結果、hexanoyl基が活性中心のCysに結合したIga11/Iga12の構造を再高分解能1.81 Åで解くことに成功した。この構造の活性中心の構造はapo型のIga11/Iga12の構造とほとんど変化していなかった。また、hexanoyl基の半分はディスオーダーしており観察することができなかった。ついで、Iga11/Iga12とIga10の複合体の構造解析を試みた結果、複合体の構造を再高分解能1.98 Åで解くことに成功した。この結果、Iga10とIga11/Iga12間の相互作用に重要なアミノ酸残基が明らかとなった。次にyoropyrazoneの生合成経路の解析を試みた。CRISPR/cas9を用いてyoropyrazoneの生合成遺伝子の破壊を行い、23遺伝子の破壊に成功した。その結果、11の遺伝子においてyoropyrazoneの生産が消失した。さらに、8つ破壊株で副産物または中間体と思われる化合物の蓄積がみられた。これにより、生合成経路の最終段階が予測された。しかし、特徴的な構造である、hydrazideを含む6員環やスピロ環の生合成に関わる遺伝子の同定には至っていない。今後も破壊株の作製を継続する必要がある。本年度ではIga11/Iga12の構造解析において飛躍的な進展が見られた。Iga11/Iga12の構造解析やIga11/Iga12とIga10の複合体の構造解析は当初より難航すると予想されたが、予想に反し、極めて順調に実験が推移し、当初期待していた構造を初年度に全て解析することに成功した。また、yoropyorazone生合成遺伝子の破壊株の作製も順調に進行している。今後破壊株の作製を継続することで、生合成に重要な遺伝子群が明らかになることが期待される。Iga11/Iga12とIga10に関しては部位特異的な変異導入を行い、酵素活性に重要なアミノ酸を全て明らかにする。また、タンパク質タンパク質間の相互作用に重要なアミノ酸を明らかにすることを目標とする。また、Iga11/Iga12に関しては他のポリケタイド合成酵素システムと脂肪酸合成酵素群との相互作用に興味が保たれる。特に基質運搬の役割を担うアシルキャリアータンパク質(ACP, IgaシステムではIga10)と触媒酵素群の相互作用の理解が重要である。そのため、他のポリケタイド合成酵素システムと脂肪酸合成酵素群由来のACPを調製し、Iga11/Iga12がこれらのタンパク質を利用可能か検証する。また、これらのタンパク質間の相互作用を理解するために、ビアコアを用いた解析を試みる。Yoropyrazoneに関しては生合成遺伝子の破壊を継続する。本年度中に合計30遺伝子以上の破壊株の取得を目標とする。また、破壊株に蓄積している、未知化合物を単離し、NMRを用いて構造解析を行う。また、これらの化合物が中間体であるか、それとも副産物であるか確認するためにこれらの化合物の破壊株への投与による相補実験を試みる。JBIR-85の研究に関しては異種発現とそれを利用した遺伝子破壊により生合成経路の解析を継続して試みる。

その結果、11の遺伝子においてyoropyrazoneの生産が消失した。さらに、8つ破壊株で副産物または中間体と思われる化合物の蓄積がみられた。これにより、生合成経路の最終段階が予測された。しかし、特徴的な構造である、hydrazideを含む6員環やスピロ環の生合成に関わる遺伝子の同定には至っていない。今後も破壊株の作製を継続する必要がある。本年度ではIga11/Iga12の構造解析において飛躍的な進展が見られた。Iga11/Iga12の構造解析やIga11/Iga12とIga10の複合体の構造解析は当初より難航すると予想されたが、予想に反し、極めて順調に実験が推移し、当初期待していた構造を初年度に全て解析することに成功した。また、yoropyorazone生合成遺伝子の破壊株の作製も順調に進行している。今後破壊株の作製を継続することで、生合成に重要な遺伝子群が明らかになることが期待される。Iga11/Iga12とIga10に関しては部位特異的な変異導入を行い、酵素活性に重要なアミノ酸を全て明らかにする。また、タンパク質タンパク質間の相互作用に重要なアミノ酸を明らかにすることを目標とする。また、Iga11/Iga12に関しては他のポリケタイド合成酵素システムと脂肪酸合成酵素群との相互作用に興味が保たれる。特に基質運搬の役割を担うアシルキャリアータンパク質(ACP, IgaシステムではIga10)と触媒酵素群の相互作用の理解が重要である。そのため、他のポリケタイド合成酵素システムと脂肪酸合成酵素群由来のACPを調製し、Iga11/Iga12がこれらのタンパク質を利用可能か検証する。また、これらのタンパク質間の相互作用を理解するために、ビアコアを用いた解析を試みる。Yoropyrazoneに関しては生合成遺伝子の破壊を継続する。本年度中に合計30遺伝子以上の破壊株の取得を目標とする。また、破壊株に蓄積している、未知化合物を単離し、NMRを用いて構造解析を行う。また、これらの化合物が中間体であるか、それとも副産物であるか確認するためにこれらの化合物の破壊株への投与による相補実験を試みる。JBIR-85の研究に関しては異種発現とそれを利用した遺伝子破壊により生合成経路の解析を継続して試みる。
静止状態の造血幹細胞を活性化させる分子メカニズムの同定

本研究においては、ESAMノックアウトマウスを用いて、抗腫瘍薬5-FU投与による骨髄抑制後に、系統ごとの血球回復を検討した。その結果として、ESAMノックアウトマウスにおいて、5-FU投与後に貧血が遷延し、骨髄中の未熟赤血球前駆細胞から赤芽球までの赤血球系細胞が減少していることが明らかとなった。移植実験により、環境側ではなく血球(造血幹・前駆細胞)側のESAMが、血球回復に重要な働きをしていることが示唆された。またフローサイトメトリーを用いた検討にて、赤血球前駆細胞上のESAM発現が、骨髄回復期に上昇することが明らかとなった。5-FU投与後に生じる造血幹細胞分画や赤血球前駆細胞でのESAM発現上昇が、骨髄回復、特に赤血球回復に重要な働きをしていることが示唆された。野生型マウスと、ESAMノックアウトマウスでの、5-FU投与8日目の未熟赤血球前駆細胞分画における遺伝子発現の差異を、マイクロアレイ法で網羅的に解析したところ、ESAMノックアウトマウスにおいて、血球分化や細胞運動に関連する遺伝子発現が全体的に低下していた。また、赤血球系分化に重要な働きをする転写因子GATA1の下流遺伝子の多くがESAMノックアウトマウスにおいて低下しており、骨髄抑制後の赤血球造血にESAMが重要な働きをすることが示唆された。
近・現代廃棄物処理システムの形成・変容過程とその多面的展開

本年度は第1に、主に大阪市を事例として、大都市におけるごみ排出の時間変動について追究した。まず、PLS回帰などの計量的手法を用いて家庭系ごみ排出の地域差について分析した。その結果、人口、世帯、生活環境、産業、事業系ごみの動向などを反映して規定され、時間的に変動する大都市における家庭系ごみ排出の空間構造を明らかにした。また、家庭系と事業系を含むごみ総排出量の長期的推移について、経済成長率や家計消費支出額などの経済指標と関連させて分析した結果、これらの指標で示される生産・消費の動向がやや遅れてごみ総排出量の増減に波及していることが明らかになった。さらに、排出されたごみの質(組成)の変化についても、紙の生産量などと関連させて分析した。第2に、東京都特別区および政令指定都市を対象として、ごみ排出量の長期的推移の都市間比較を行った。まず、各都市の戦後のごみ排出量に関するデータベースを作成したうえで、それを活用して分析を進めた。大都市におけるごみ排出量はおおむね類似した推移を示しながらも、増加から減少へと転じる転換点の有無やその時期などに違いがみられる。近年になって多くの大都市でみられるごみ排出量の増加から減少への転換に着目し、各都市の経済的・社会的指標やごみ管理施策、近年の資源ごみ(循環資源)輸出急増と関連させて検討・考察を行った。なお、上記研究に関連して、査読付き論文が1本受理され、また、研究発表を1件行った。本年度は、主に大阪市を事例として、大都市における廃棄物の発生と管理に関する研究を行った。廃棄物の発生に関しては、大阪市における1人あたりごみ量の地域差に着目して、このような差異に影響を及ぼす要因を明らかにし、地域特性とごみ量の関係について考察した。分析においては、この研究領域ではほとんど用いられることのなかったPLS回帰分析を援用することによって、従来の分析手法の欠点を克服し、分析モデルの高い説明力と既往研究では指摘されてこなかった新たな知見を得ることができた。また、複数時点の分析・比較を行うことによって、地域特性とごみ量の関係の時系列変化をとらえることもできた。一方、廃棄物の管理に関しては、近代以降の大阪市における廃棄物管理の発展と変容について、各種資料・統計・新聞等を調査・分析して追究した。また、東京、名古屋、札幌などの大都市における廃棄物管理との比較を、資料レベルで行った。こうした作業を通じて、近代以降の大都市の発展過程において、生産・消費局面と比べ看過されがちであった廃棄局面の歴史に対する理解を深めることができた。さらに、廃棄物の発生・管理の両面に関して、大阪市環境事業局への聞き取り調査を実施し、統計や資料の分析ではとらえられない知見を得た。なお、上記研究に関連した研究発表を2件行った。詳細は次のとおりである。・波江彰彦(2005)「大阪市におけるごみ管理システムの発展と変容」、経済地理学会関西支部4月例会(於関西大学100周年記念会館4月23日)。(抄録は、『経済地理学年報』51(2)、48-49頁)・波江彰彦(2005)「戦後の大阪市におけるごみ量の変動と地域差」、人文地理学会大会(於九州大学11月13日)。(抄録は、『人文地理学会大会研究発表要旨』、88-89頁)本年度は第1に、地域分析の新たな手法として、PLS回帰の適用可能性について追究した。PLS回帰は、主にメモメトリクス(計量化学)で用いられてきた手法である。その特徴としては、重回帰などといった従来の手法がもつ制約を克服しうること、明確なモデル化が難しい複雑な事象に対して探索的なデータ分析を可能にすること、などが挙げられる。1人当たりごみ排出量の地域差を事例としてPLS回帰を適用し、重回帰による分析結果と比較したところ、PLS回帰の適用によって分析モデルの精度は向上し、重回帰ではみいだすことができなかった新たな知見を得ることができた。いくつかの課題は残るものの、PLS回帰は地域分析に対して有用な手法になりうることを明らかにした。第2に、PLS回帰を用いて、1980年から2000年までの大阪市における1人当たりごみ排出量の地域差とその変化について分析した。5時点のモデル式を推定し、PLS回帰の結果に基づいて行政区を類型化した結果、1人当たりごみ排出量に影響を及ぼす要因の変化や、類似したごみ排出特性をもつ行政区グループの分布とその変化などを明らかにした。○波江彰彦(2006)「PLS回帰を用いた地域分析の試み-福井県におけるごみの排出を事例として-」、日本地理学会秋季学術大会(於静岡大学9月23日)。(抄録は、『日本地理学会発表要旨集』79頁)○波江彰彦(2006)「都市ごみの地域差とその時系列変化-戦後の大阪市を事例に-」、日本地理学会地方財政の地理研究グループ集会(於静岡大学9月24日)本年度は第1に、主に大阪市を事例として、大都市におけるごみ排出の時間変動について追究した。

また、家庭系と事業系を含むごみ総排出量の長期的推移について、経済成長率や家計消費支出額などの経済指標と関連させて分析した結果、これらの指標で示される生産・消費の動向がやや遅れてごみ総排出量の増減に波及していることが明らかになった。さらに、排出されたごみの質(組成)の変化についても、紙の生産量などと関連させて分析した。第2に、東京都特別区および政令指定都市を対象として、ごみ排出量の長期的推移の都市間比較を行った。まず、各都市の戦後のごみ排出量に関するデータベースを作成したうえで、それを活用して分析を進めた。大都市におけるごみ排出量はおおむね類似した推移を示しながらも、増加から減少へと転じる転換点の有無やその時期などに違いがみられる。近年になって多くの大都市でみられるごみ排出量の増加から減少への転換に着目し、各都市の経済的・社会的指標やごみ管理施策、近年の資源ごみ(循環資源)輸出急増と関連させて検討・考察を行った。なお、上記研究に関連して、査読付き論文が1本受理され、また、研究発表を1件行った。
情報通信産業における構造規制と行為規制の政策シミュレーション分析

移動体通信市場の技術の選択や参入等による市場構造に関する規制と、その他の政策の組み合わせがもたらす成果を予測するため、同一技術の世界的な利用者の間でネットワーク効果が働く場合の需要関数の推定を行い、企業の行動モデルと組み合わせることで、政策が市場成果に与える影響のシミュレーションを行った。その結果、消費者の需要は国際的ネットワーク効果の影響を強く受けており、事業者にとって技術の選択による差別化のみならず、良く普及する国際標準方式を採用する事も企業の存続にとって重要であることが明らかになった。本研究では情報通信産業における競争促進政策において、構造規制と行為規制の組み合わせがいかなる効果を持つかについて、政策をパッケージとして採用した場合のシミュレーションを行う。本年度は政策課題の整理、理論的検討、利用可能なデータの整備を起こった。その結果、政策的課題として最も注目すべき課題として、周波数オークションの導入の検討がお粉合われていることから、周波数オークションの導入を構造規制とみなし、その導入による参入・退出行動への影響、その後の市場での事業者の行動への影響を分析するとともに、オークション導入による弊害を行為規制を通じて抑制する方法を検討する事とする。周波数配分方法について、オークション理論、メカニズムデザインの理論のサーベイを行った結果、現実のオークションには複数の均衡が存在しうること、事業者の戦略変数がいずれの変数であるかによって周波数配分方式が事後の市場行動に与える影響が異なってくること、財の間に補完性が存在しない事を前提として設計された米国のオークションで大きく効率性が損なわれている事等が明らかになった。また、全国免許であったとしても携帯電話にはローミングなどにより国を跨いだネットワーク効果が存在するため、全国免許であってもオークション実施タイミングによっては補完性による問題が生じうる事が明らかになった。そこで、モデルで採用すべき要因を整理するために、オークションと比較審査という二つの配分方式がその後の市場にいかなる影響を与えるかをノンパラメトリックな政策効果の推定方法を用いて比較を行った。また、国を跨いだネットワーク効果が存在するかを分析するための構造モデルを構築した。これらの結果を踏まえ、移動体通信市場における参入、退出の構造モデルを構築し、推定を行う予定である。本研究「情報通信産業における構造規制と行為規制の政策シミュレーション分析」では、日本の情報通信産業における競争促進政策における、構造規制と行為規制の組み合わせからなる政策パッケージの効果について、理論・実証の両面から研究を行う事を目標とした。本年度は、昨年度の理論の論点整理、並びに政策の論点整理に基づき、構造モデルの構築・推定を行った。作成したモデルでは、通信事業者が携帯電話市場に参入する際に、W-CDMAとcdma2000のいずれの技術で市場に参入するか、参入しないかを決定し、市場に参入した事業者は製品差別化されたベルトラン競争を行う。参入行動とその後の市場行動の関連を実行可能な時間で分析するため、2-step approachと呼ばれる手法を採用した。本手法では、市場に参入した事業者が毎期の状態変数に応じて行う戦略変数(価格)の選択を第1段階目の推定とし、第2段階目の推定では第1段階で推定されたパラメータを用いて技術の選択と参入の決定を推定する。現時点ではこの2step approachの第1段階目となる、毎期の需要関数パラメータの推定を行った。第1段階目の推定により、携帯電話のネットワーク効果は国内のみならず、海外とのローミングや機器の輸出入を通じて海外市場からもネットワーク効果の影響を受ける事が明らかになっている。しかし、第2段階目となる参入の意思決定のパラメータは推定途中で有り、政策シミュレーションを実施するには至っていない。今後は参入の意思決定に関する構造パラメータを推定し、第三世代の携帯電話の参入において、発行免許数の増加や国による技術の選択が事業者の価格設定に与える影響を分析する。また、行為規制として事業者の普及率に関する目標設定や技術選択に関する規制がいかなる構成への影響を持つかを分析し、第4世代携帯電話の市場構造や技術標準のあり方について提言を行う。
末梢神経障害に対する温熱療法の影響:神経伝導性の変化

末梢神経障害に由来する感覚障害の評価には主観が入りやすい。特にシビレや異常感覚を伴うと評価は難しくなる。リハビリテーションではそのような不快な感覚に対して超音波や極超短波などの温熱療法を適用するが、その効果と効果発現の機序を客観的に示した報告はなかった。本研究では従来の感覚神経伝導検査の精度を向上させ、誘発電位から数学的な逆問題解法を用いて、伝導速度分布(速度の度数分布)と伝導ブロックの状態を算出する方法を考案するとともに、それによって温熱療法の影響を検証した。まず通電性手袋型接地電極を作成し、健常者10名に適用した結果、刺激のアーティファクト除去に有用なこと、再出した速度分布の精度が向上することを証明した。次にコンピュータ・シミュレーション実験によって本計算法では、30dB以下のノイズ、50%以下の伝導ブロックであればブロック、速度分布ともに正確な推定が可能なことを示し、その上で健常者2名を対象に本法の再現性と妥当性を検証した。温熱療法として超音波や極超短波を健常者2名に照てて、前後で検査した結果、電位の変化は見出せなかったため、上肢全体を25°Cに冷却後に加温して35°Cまで、肢温とともに電位を記録した。その結果、加温に伴っておよそ速度分布全体が11.3m/s/°Cで速くなること、伝導ブロックが23%/°Cで増すことを示し、温熱療法の効果が伝導ブロックに起因する可能性を示唆した。最後に無症候性の軽症の糖尿病性神経炎への臨床応用例を提示した。1.研究目的リハビリテーション科では末梢神経障害にともなうシビレ・痛みにしばしば温熱療法を適用するが、その効果発現の機序は不明である。本研究は治療効果が神経伝導ブロックの変化に由来すると考え、それを検証するアルゴリズムを考案するとともに、実証実験を行う。3年間の研究の初年度として、本年度は以下の2つを行った。2.伝導ブロック率の推定プログラム作成とシミュレーションによる検証同一神経の2点で刺激して得られ神経活動電位(SNAP)2波形から最小二乗法を用いて、感覚神経伝導速度分布(DCV)と単一神経活動電位波形(SFAP)を求める既存アルゴリズムを応用した。本アルゴリズムに2点間で一定割合の伝導ブロックが起こると仮定した場合に、そのブロック率をSNAP2波形からFibonacci探索する方法を提案し、これをMatlab言語でプログラム化し、その精度を測定距離の誤差やアンプノイズ付加シミュレーションでチェックした。また、一様でない伝導ブロックが起こった場合に、推定されたブロック率にどの程度の誤差が生じるかもシミュレーションで検証した。3.推定結果の再現性・妥当性の検証健常者の正中神経を対象に、示指と中指からSNAPを記録した。日を変えて記録したSNAPによる結果、両指のSNAPによる結果、すなわちDCV、SFAPおよびブロック率の一致性・非一致性を検討し、問題点を改良した。なお刺激・記録は日本光電社MEB-9102を用い、手袋接地電極、上肢固定器具によって動きによるノイズ、電気刺激による荷電ノイズを極力、抑える工夫をした。1.研究目的末梢神経障害にともなう症状に対してリハビリテーションの領域ではしばしば温熱療法を適用する。温熱は脱髄性神経炎の症状緩和に有効とされる一方、神経伝導ブロックを惹起するとも言われている。本研究では治療効果が神経伝導ブロックの変化に由来すると考え、それを検証するアルゴリズムを考案するとともに、温熱の影響に関する基礎的な実験を行う。2.伝導ブロック率の推定プログラムの改良平成17年度に同一神経上の異なる2点で刺激して得られ神経活動電位の2波形から非負拘束つき最小二乗法とFibonacci探索を用いて、感覚神経伝導速度分布、単一神経活動電位波形、伝導ブロック率を求めるアルゴリズムを考案し、そのプログラムを作成したが、平成18年度は引き続き、本アルゴリズムの妥当性を示すために種々のシミュレーションを行い、細部の改良を施すとともに、本法の限界も示した。

3.手袋接地電極の改良刺激による荷電アーティファクト除去として良伝導性生地を用いた手袋式の接地電極を試作したが、平成18年度にはそれを改良し、筋収縮による動きを抑制する上肢スプリントとともに、その有効性を示した。4.温度の神経伝導への影響健常者の前腕部に極超短波による深部温熱をかけて、手関節と肘部の正中神経の神経活動電位を示指と中指から記録し、伝導ブロック出現の有無を検討したが、十分な温熱付加が得られなかったためかブロックは証明されなかった。1.研究目的末梢神経障害による運動障害はリハビリテーションの対象であるが、不快な感覚を伴う場合には、リハビリテーションの一環として感覚障害に対しても温熱療法などを用いた介入をしている。温熱は脱髄性神経炎の症状緩和に有効とされる一方、神経伝導ブロックを惹起するとも言われているが、それを確かめる客観的な方法はなかった。本研究では従来の神経伝導検査法の記録法を改良するとともに数理的解析を行って感覚神経伝導異常とその程度を定量的に調べるものである。平成19年度は研究最終年度であるが、記録法の改良として、手袋型接地電極での記録と通常の記録で複合神経活動電位に変化があるのか否か、そしてそれが解析結果の影響を及ぼすかについて、最終検証を行った。2.方法昨年度、刺激による荷電アーティファクト除去法として伝導性の生地を用いた手袋式の接地電極を作成し、その効果を例示したが、本年度はこれが複合神経活動電位波形自体に影響を及ぼすか、そしてその機序は何か、また伝導速度分布などの解析結果にも影響を及ぼすか否かについて健常成人10名を対象に検証した。3.結果と意義手袋式接地電極は複合神経活動電位振幅を低下させること示され、それは刺激電極近傍の接地効果によることが検証された。しかし伝導速度分布の解析には2ケ所の刺激による複合神経活動電位を用いるため、振幅低下の影響は相殺され、結果には顕著な影響を及ぼさないことが示された。本結果は提案する複合神経活動電位記録法および解析法の有用性を支持するものである。