hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
誘電泳動および電荷蓄積法を応用した迅速・高感度免疫測定法の開発

高感度化とマルチ化を目指して,微粒子の迅速な配列化技術に1本鎖DNA(ssDNA)の相補的なハイブリダイゼーションを組み込んだ.微粒子表面上に抗原およびssDNAを固定化し,微粒子表面上で免疫反応を進行させ,微粒子の特定位置への捕捉に相補的ssDNAのハイブリダイゼーションを利用した.抗原-抗体間の免疫反応には,生体内液と同等の導電率が最適であり,誘電泳動による微粒子のマニピュレーションのためには低い導電率が望まれる.よって,微粒子表面に抗原を固定化し,免疫反応に最適な導電率の溶液を用いて免疫反応を行い,その後,その微粒子を誘電泳動デバイス中に導入しssDNAのハイブリダイゼーションを用いて所定の位置に集積化した.それぞれの位置に捕捉された微粒子からの蛍光強度を計測することによって,それぞれの分析対象物質の濃度を同時に検出できた.免疫反応のために広い比界面積を有するマイクロ粒子を用いているので感度を向上させることができ,誘電泳動を利用することで迅速性および簡便性を兼ね備えている.微粒子AはアトラジンおよびssDNA-J1_<up>で,微粒子BはブロモプロピレートおよびssDNA-J2_<up>で修飾されている.この2種類の微粒子を,抗体(抗アトラジン抗体および抗ブロモプロピレート抗体)および様々な濃度のアトラジンとブロモプロピレートの混合溶液に添加し,競争的に微粒子に抗体を捕捉させた.混合溶液を,ssDNA修飾マイクロ流路およびIDA電極で構成された誘電泳動デバイスに導入し,誘電泳動により捕捉した.測定対象物質の濃度に伴って微粒子に捕捉される抗体量が変化するため両検出領域における蛍光強度は異なる.この蛍光強度の計測により,両分析対象物質の定量的および同時計測が可能になった.誘電泳動による微粒子操作技術を用いた迅速で簡便な免疫測定法の開発を行った.マイクロ空間に不均一交流電場を形成させると微粒子を基板上に配列できるが,この配列は電圧印加を停止すると規制力を失い再分散状態に戻る.この分散現象に着目し微粒子と基板間に免疫反応を組み込み,迅速で簡便な免疫測定法の開発を行った.抗原分子を含む溶液中で抗体固定化微粒子を基板間に集積化させ免疫反応により捕捉すると,捕捉された微粒子の数が分析対象物質濃度を反映する.本年度は,本手法を競合免疫測定法に適用し,微粒子を捕捉する基板に8種類の抗原を固定化しマルチセンシングを行なった.測定対象として,残留農薬として問題となるatrazineおよびbromopropylateをターゲット分子とした.ITO基板表面に,化学架橋法を用いてatrazineおよびbromopropylateを結合させたウシ血清アルブミン(BSA)を固定化した.同様に,それぞれの抗体を固定化した蛍光微粒子を準備した.この微粒子を交互くし型アレイ電極と抗原固定化indium-tin-oxide(ITO)基板で作製した誘電泳動デバイスに導入した.IDA電極に交流電圧(2MHz,16Vpp)を60秒間印加し,IDA電極ギャップの真上に微粒子を集積化させた.抗原固定化基板に強制的に集積化された微粒子は,免疫複合体形成反応によりITO表面に不可逆に捕捉された.抗atrazine抗体を固定化した微粒子をatrazhieを含む溶液に分散させた場合,溶液中のatrazineが抗体に捕捉されるため微粒子の基板上への不可逆な捕捉は阻害された.よって,集積化された微粒子は,電圧印加停止後にITO基板から脱離し分散状態に戻った.捕捉された微粒子の蛍光強度は,分散した微粒子の蛍光強度と分離して計測可能である.それゆえ,この手法を用いると洗浄工程を要しない簡便なシステムを構築できる.Atrazineまたはbromopropylateを含むオレンジジュースの中で3分間インキュベートした場合,それぞれの検出限界は4 and 1.5μg/Lであった.これは,規制されている食品中の残存濃度をカバーしている.高感度化とマルチ化を目指して,微粒子の迅速な配列化技術に1本鎖DNA(ssDNA)の相補的なハイブリダイゼーションを組み込んだ.微粒子表面上に抗原およびssDNAを固定化し,微粒子表面上で免疫反応を進行させ,微粒子の特定位置への捕捉に相補的ssDNAのハイブリダイゼーションを利用した.抗原-抗体間の免疫反応には,生体内液と同等の導電率が最適であり,誘電泳動による微粒子のマニピュレーションのためには低い導電率が望まれる.よって,微粒子表面に抗原を固定化し,免疫反応に最適な導電率の溶液を用いて免疫反応を行い,その後,その微粒子を誘電泳動デバイス中に導入しssDNAのハイブリダイゼーションを用いて所定の位置に集積化した.それぞれの位置に捕捉された微粒子からの蛍光強度を計測することによって,それぞれの分析対象物質の濃度を同時に検出できた.免疫反応のために広い比界面積を有するマイクロ粒子を用いているので感度を向上させることができ,誘電泳動を利用することで迅速性および簡便性を兼ね備えている.微粒子AはアトラジンおよびssDNA-J1_<up>で,微粒子BはブロモプロピレートおよびssDNA-J2_<up>で修飾されている.この2種類の微粒子を,抗体(抗アトラジン抗体および抗ブロモプロピレート抗体)および様々な濃度のアトラジンとブロモプロピレートの混合溶液に添加し,競争的に微粒子に抗体を捕捉させた.混合溶液を,ssDNA修飾マイクロ流路およびIDA電極で構成された誘電泳動デバイスに導入し,誘電泳動により捕捉した.

測定対象物質の濃度に伴って微粒子に捕捉される抗体量が変化するため両検出領域における蛍光強度は異なる.この蛍光強度の計測により,両分析対象物質の定量的および同時計測が可能になった.
記憶による時間創成メカニズムの探索

海馬損傷等で記憶ができない患者は「時間の経過」を認識できない。つまり、記憶は「こころの時間」の原泉である。本研究では主に海馬リップル波における経験時間の圧縮のメカニズムと時間進行の操作を探究し、大きな成果としては次の2つの発見を得た。(1)海馬リップル波に記憶が想起されるとき神経回路の興奮抑制バランスが一過性に興奮側にシフトする。本成果はNature Neuroscience誌に掲載された。(2)海馬リップル波は徐波睡眠中に神経回路の興奮性を下方制御し、記憶情報の精度を高めるとともに、記憶容量を確保する。本成果はScience誌に掲載され、新聞等のメディアでも紹介された。時間は記憶に駆動される。本年度は記憶の定着に関与する神経プロセスに焦点をあて研究を行った。セル・アセンブリはニューロン同士の機能的な結合に基づいて随時形成される部分集団であり,脳における情報処理の基本単位であると考えられている。そうしたセル・アセンブリが織りなすシークエンスが最も同期的な形で出現するのが,海馬で観察されるSharp Wave(SW)である。SW発生中には,それ以前の経験や記憶に基づいて形成されたセルアセンブリが再び同期的に発火することで記憶の再生が起こっているといわれているが,その神経回路基盤は不明であった。私たちはArc-dVenusトランスジェニックマウスとホールセルパッチクランプ法を組み合わせることにより,SW発生時には,それまでの経験に関わったニューロンが優先的に選ばれて発火することを見出した。またSW中にアクティブなニューロンにおいては,一過的なシナプス入力の興奮・抑制バランスが崩れていることを見出した。抑制性入力の大きさはSWの大きさと強い相関がある一方で,興奮性入力の大きさはSWの大きさとの相関が弱かった。またパルバルブミン陽性インターニューロンの発火応答率はSWの大きさと線形の関係にあった。これらのデータから,SWの大きさに応じた均一なフィードフォワード抑制と,個々のニューロンの活性化履歴によって決まる不均一な興奮性入力により形成されるバランスが,記憶に関わったセルアセンブリの出現を運命づけていることが示唆される。時間は記憶によって前進する。本年度は前年度の成果を受けて、脳の海馬で観察される脳波、Sharp-Wave Ripple(SW-Rs)に焦点を当てた研究を行った。SW-Rsは記憶の固定過程に関与している。近年、in vivoにおいて報酬系が活性化するとSW-Rsの頻度が上昇することが報告されているが、詳しいメカニズムは明らかにされていない。そこで、ドパミンの海馬への適用がSW-Rsの頻度調節にどのような影響を与えるか明らかにすることを目的とし、in vitroの系を用いて薬理学的な検討を行った。生後3-4週齢のICRマウスから急性切片を作成し、細胞外記録法により海馬CA1野錐体細胞層で生じる自発的なSW-Rsを観察した。頻度の安定を確認した後、ドパミンをSW-Rs発生中の海馬スライス標本に灌流適用した。SW-Rsの頻度が有意に上昇した。この頻度上昇はドパミンのwash-out後も持続し、可塑性を呈した。また、この効果はD1/D5アンタゴニストSCH23390によって阻害されたが、D2アンタゴニストsulpirideによっては阻害されなかった。そこでD1/D5アゴニストSKF38393を同様に灌流適用したところ、ドパミンを適用した際と同様の頻度上昇が見られた。ドパミンはlate-LTPを引き起こし、LTPはSW-Rsの発生に関わることが知られている。しかし、我々の結果は、late-LTPでは作用の速さが説明し難い点、その効果がwashout後も持続する点で興味深い。これらの結果より、ドパミンはD1/D5受容体を介し、late-LTPとは別の経路を通じて、SW-Rsの発生を調節していることが推察される。1.恐怖反応は、外界の危険から身を守るために重要な生理的な防御反応である。しかしながら、過剰な恐怖反応は様々な精神疾患を引き起こす。例えば、PTSDの患者は恐怖を適切に制御することが難しく、過剰な恐怖が生活の質の低下につながる場合も多い。PTSDの心理社会的なリスクファクターの一つとして、過去のトラウマ経験が知られている。しかしながら、過去の恐怖経験が新規の恐怖記憶に与える影響についてはほとんど知られていない。本研究では、過去のトラウマ経験が恐怖の増強をもたらす動物モデルを確立し、そのメカニズムの一端を明らかとした。本研究は、PTSDへのレジリアンスを強化し、PTSD発症を回避するための薬理学的アプローチの発展に結びつくことが期待される。2.網膜で受け取られた視覚情報は、視床を介して大脳皮質の入り口である一次視覚皮質(V1)へ送られる。この情報伝達はわずか数百ミリ秒以内で達成されることが知られており、V1細胞は視覚情報に対して短い潜時で応答することが可能である。さらに、V1細胞は、視床から上昇してくる入力(視床ー皮質経路)以外にも、V1の同一層内、または他皮質領域から豊富な入力を受けている(皮質ー皮質経路)。このため、V1細胞は複雑な応答性を有する。しかし、V1細胞のこうした応答がどのように生じ、また時間をまたいで視覚情報を統合しているのかは議論が続いている。

本研究では、マウスV1細胞が短いフラッシュ刺激に対して、従来知られている初期応答のほかに、潜時の長い遅延性応答を生じることを新たに発見した。この遅延性応答は次に続く視覚情報に対する応答性を調節し、視覚機能にまで影響を与えることが示唆された。本研究は、マウスV1が単なる受動的な視覚経路ではなく、複雑な応答性を示すことで積極的に視覚情報処理を行っていること示唆する知見である。当研究は「過去班」のプロジェクトの一環として、記憶に焦点を当てている。当該年度では、過去の記憶が現在にどう影響をあたえるかについて、日レベル、秒レベルの「記憶」の研究が身を結んだ。これらの記憶の生じる場所が、海馬もしくは視床であり、時間単位が異なると、異なった脳部位が活動することがわかり、「こころの時間地図」という本領域へ大きく貢献する知見が得られた。記憶が留まらないと時間は停滞する。つまり、記憶は「こころの時間」の原泉と言える。海馬長期増強(long-term potentiation, LTP)は記憶の素子である。その一方で、記憶は海馬に長期間保持されない。これは、LTPを消去する自発的なプロセスが海馬内に存在することを示唆している。LTPを消去する機構として、長期抑圧(long-term depression, LTD)や脱増強(depotentiation)といったシナプス抑圧が挙げられるが、これらがどのようにして自発的に誘導されるのか、根源的な問いであるにも関わらず明らかになっていない。我々は、海馬鋭波(Sharp wave、SW)が発生する状態では海馬神経回路にシナプス抑圧が誘導されるという仮説を立て、検証を行った。生体マウスの海馬CA1にシリコンプローブを埋め込み、局所場電位を記録した。マウスに新奇環境を探索させ、その前後の徐波睡眠中に発生したリップル波を記録した。頻度及び強度について解析したところ、ともに上昇し、時間とともに元の状態へと戻る傾向にあった。また、この減弱作用はNMDA受容体阻害薬であるMK801によって阻害されたことから、徐波睡眠時に海馬でシナプス可塑性が生じており、SWの発生に影響を与えていることがわかった。同様の結果が海馬の単離スライス標本からも確認されたことから、SWの発生頻度は、海馬内で自発的に生じる可塑性によって調節されていることが明らかになった。本研究から、SWが発生する状態において海馬にシナプス抑圧が誘導されることが明らかになった。また、この抑圧が誘導される結果、記憶に関連しないニューロンの活動が選択的に抑制されることが示された。このような自発的プロセスにより海馬から大脳皮質へ送られる情報のシグナルーノイズ比が上昇することで、精度の高い情報処理が実現されていることが示唆された。海馬の重要な役割の一つに、SWによる大脳皮質への情報の転写がある。SWは海馬CA3で発生して、大脳皮質に伝わる神経活動であるが、本研究ではこころの時間の発生を追究する過程で、SWのもう一つ別な重要な役割を見出した。それがSWがLTDを誘導するという点である。これは同研究分野では画期的な発見であり、この仮説を追究すべく多くの検証実験を行った。その結果、「研究実績の概要」に触れた内容に加えて、SWが記憶痕跡の精緻化を行っていることも合わせて見出した。
三価と五価のヒ素を分別定量可能な新規光学的ヒ素バイオセンサーの開発

ヒ素(As)は人体に有害な金属の一つであるが、世界各地の土壌に存在するため地下水からも検出される。そのため、飲用水中のAsを除去してAs濃度が低下したことを定期的に検出する必要がある。しかし、現在のAs分析方法は操作が煩雑かつ分析装置が大型で高価であるなどの問題点がある。また、市販の簡易As分析キットはAsの化学種毎(As(III)とAs(V))の検出は不可能である。環境中のAsは主に上記の2種類であり、As(III)はAs(V)よりも約100倍毒性が高いため、Asの化学種毎の分析は正確な毒性評価に不可欠である。本研究では簡易かつ低コストで地下水中のAs(III)とAs(V)を検出できる手法の開発を行う。
パートタイムプロテオグリカンへの糖鎖付加の分子スイッチの同定とその機能調節の解明

グリコサミノグリカンのタンパク質との結合領域は、GlcA-Gal-Gal-Xyl-という共通の四糖構造からなっている。しかし、我々はこの領域に硫酸基やリン酸基などによる微細な修飾構造が存在することを証明し、その構造多様性が生合成に関与する可能性を指摘してきた。ただし、この領域は、グリコサミノグリカンの長い糖鎖全体からみると少量しか存在しないため、その構造解析が非常に困難であった。これまでは、アルカリ性の条件下でNaB^3H_4を用いた還元を行い、グリコサミノグリカン鎖の還元末端を放射標識した後に構造研究が行われてきた。今回我々は、この領域の微量分析法を開発した。ピーリング反応を避けながらβエリミネーションを行うための、LiOHを用いた温和な条件を検討し、実際にコンドロイチン/デルマタン硫酸から、タンパク質との結合領域に由来するオリゴ糖を調製した。得られたオリゴ糖は、酵素消化、MALDI-TOF/MS分析、^1HNMR解析などによって構造決定した。大部分のものは、既に報告されたものと同じ構造をしていたが、新規のものも得た。構造が既に報告されていたオリゴ糖は、今後標準品として利用できるであろう。また、2-アミノベンズアミドを使ってこれらのオリゴ糖を蛍光標識し、結合領域の微量分析方法を確立した。今後は、グリコサミノグリカンの生合成に重要であると予想される結合領域の微細構造が、より詳細に解析されるであろう。多くのタンパク質が、硫酸化グリコサミノグリカン糖鎖を付加されたプロテオグリカン分子形態とそうでない分子形態で存在し、パートタイムプロテオグリカンと総称されているが、糖鎖付加決定および合成される糖鎖の種類の決定のメカニズムは不明である。我々は最近、パートタイムプロテオグリカン上にテトラサッカライド(GlcA-Gal-Gal-Xyl)を発見し、この結合領域には硫酸化やリン酸化で修飾が施されうることを報告しており、これらの修飾が糖鎖付加決定やコンドロイチン硫酸/デルマタン硫酸系統の糖鎖とヘパリン/ヘパラン硫酸系統の糖鎖との仕分け合成の分子スイッチになっている可能性を指摘している。そこで、結合領域の修飾構造の詳細な分析をするために、多くの標準品の調製を行った。これには、クジラ軟骨とサメ軟骨由来のコンドロイチン硫酸およびウシ大動脈由来のデルマタン硫酸プロテオグリカンからGAG-ぺプチドを調製し、穏和なアルカリ処理でGAG鎖をペプチド鎖から切り出し、コンドロイチナーゼで消化して、還元末端がXylである標準オリゴ糖を十種類以上調製し、マススペクトルとプロトンNMR法で硫酸化とリン酸化構造を決定した。これらのオリゴ糖鎖について、最近開発した硫酸化糖鎖の2-aminobenzamideによる蛍光標識法で還元末端を標識し、NMR法で構造を確認し、HPLC上の溶出位置を決定して、微量精密分析を可能にした。次に、パートタイムプロテオグリカンであるアピカン上のオリゴ糖鎖の解析を行ったが、このコアタンパク質には、上記のようなオリゴ糖は検出されておらず、パートタイムプロテオグリカン上でのテトラサッカライドの存在が一般的であるかどうかは依然不明である。現在、コンドロイチン硫酸とヘパラン硫酸のタンパク質への結合領域の構造を比較するために、ハイブリッド型プロテオグリカンであるシンデカンに結合した両糖鎖の結合領域の構造を解析し、糖残基の配列順序と硫酸化やリン酸化による修飾構造の有無を決定せんとしている。
イネ小胞体ストレス応答における遺伝子発現制御ネットワークの解明とその産業利用

穀物は人類にとって重要な食糧であるのみならず、近年ではバイオ医薬品産業のプラットフォームとしても利用されており、これまでに遺伝子組換えオオムギによる抗HIV薬の生産やスギ花粉症緩和米などの報告がある。一方で、外来遺伝子由来のタンパク質の蓄積が小胞体ストレスを誘発し、胚乳の品質を低下させるとともに、充分な蓄積量が得られないケースが多く見られる。本研究では、NGSによるオミックス手法を用いて、小胞体ストレス応答の起点となる転写因子と細胞死などのアウトプットの直接的な相互作用を明らかにし、小胞体ストレス応答の遺伝子発現ネットワークを構築することで、小胞体ストレス応答回避技術を開発することを目的とする。
低地球軌道環境におけるアミノ酸の生成

本研究では、高真空中において各種固体炭素に原子状酸素および原子状窒素を照射してアミノ酸が生成される機構を研究し、地球の低軌道で生命が非生物的に生成される可能性を検討するものである。生命体の起源はC,H,O,NからなるCHON粒子から発生したという学説があるが、本研究では高真空中に残存する水素をHとして取り扱っている。ターゲットとして用いたCは高配向グラファイトのプレート、カーボンナノチューブの薄膜、フラーレンC_<60>の薄膜、およびカーボンオニオンの薄膜である。ビーム照射後の表面をX線光電子分光(XPS)で化学組成を、フーリエ変換赤外分光(FT-IR)で化学結合状態を、高速クロマトグラフィー(HPLC)でアミノ酸の同定、スキャッタリングのその場解析で反応生成物の検出を行って、アミノ酸の生成を総合的に判定した。その結果、すべての炭素材料において、原子状酸素照射によるカルボキシル基の生成、原子状窒素によるアミノ基の生成がXPSによって特定できた。それぞれの炭素材料によって、一つあるいは複数の分析結果がアミノ酸の生成を裏付けた。また、HOPGに原子状の酸素と窒素を照射した試料の高分解能透過電子顕微鏡からは、グリシンの生成に由来すると思われる非常に格子間隔の大きい生成物が発見されている。HOPGを除くナノカーボンはそのサイズ効果のため大気圏突入時の摩擦熱の影響が小さく、宇宙塵の一種として地球上に降り注ぐといわれており、低地球軌道において生成したアミノ酸が地球に到達する可能性を示すことができた。研究結果の一部を学術誌サイエンスに投稿したが掲載が叶わなかったので、さらに推敲して別の学術誌に投稿する予定である。低地球軌道の主成分である原子状酸素および原子状窒素と炭素材料との化学反応によって,生命の起源であるアミノ酸が非生物的に生成する可能性を実験的に考察した.原子状酸素および窒素ビームは研究室に現有するレーザーデトネーション法を利用した装置を用い,超高真空中に残存する水素雰囲気内で炭素材料の表面に照射した.X線光電子分光およびフーリエ変換赤外吸収分光によって,原子状酸素ビーム照射によるカルボキシル基の生成ならびに原子状窒素ビーム照射によるアミノ基の生成を確認し,その再現性が極めて高いことを明らかにした.また,高速液体クロマトグラフィーアミノ酸分析によって熱分解高配向グラファイトおよびカーボンナノチューブ表面に生成されるセリン,グリシンなどのアミノ酸種を同定した.ビーム照射によりグラファイト表面から水素,炭素,窒素,酸素から構成される粒子が真空中に飛散する.これら粒子をその場観察するため,酸素原子および窒素原子ビーム照射中にグラファイト表面から飛散する散乱生成体の質量分析と飛行時間計測を行った.m/z=26,27,29,30を有する粒子が計測され,これらはグリシンやアラニンの生成に由来することを明らかにし,炭素,水素,酸素,窒素の反応によるアミノ酸生成の根拠を示した.また,同時にシアン化水素やホルムアルデヒドなどの化学進化において重要な役割を果たすCHON粒子の生成を確認することができた.本研究で得られた実験結果から.45億年にさかのぼる生命の起源における基本理念である化学進化が低地球軌道環境で始まったことが提唱される.本研究では、高真空中において各種固体炭素に原子状酸素および原子状窒素を照射してアミノ酸が生成される機構を研究し、地球の低軌道で生命が非生物的に生成される可能性を検討するものである。
双対関係を利用した時系列データモデリング手法の構築

今年度は双対性の応用可能性の幅を広げる観点から,制御系に関して双対性に注目した基礎的な検討を実施した.具体的には制御対象が確率微分方程式にしたがうシステムを考えた.すなわち各時刻ステップでノイズの影響により制御対象が不規則に動いてしまうような制御系である.そのような不確実な環境下において,まず,どのような最終目的地点に向かいたいのかをコスト関数として設定する.つまり向かいたくない場所には大きなコストを付与することで,目的地に到達しやすい形にする.さらに途中で通過することが望ましくない場所に対しても大きなコストが付与されるような形でコスト関数を定義する.これらのコスト関数に加えて電力制約等も考慮し,あまり制御入力が大きくならないようにする.以上のような設定で,現在の状態に対してどのような制御入力を与えれば良いのか,ということを計算することを目的とする.このような問題設定に対してはすでに様々な研究成果が存在する.今年度の研究においては,そのなかでも特に経路積分制御と呼ばれる手法についての部分的改良を試みた.制御系でハミルトン・ヤコビ・ベルマン方程式と呼ばれる制御の基本となる方程式が,そもそも時間方向を逆向きに考える形である.このような数理的な構造に対して,これまでの本研究課題で扱っていた確率微分方程式と出生死滅過程との間の双対性との関係性が期待される.経路積分制御はハミルトン・ヤコビ・ベルマン方程式をさらに逆向きに時間発展させることで達成される.モンテカルロ法の利用によって次元の呪いを避けられる一方で,まだ計算量が多いという問題点もあった.そこで素朴な関数補間の手法を用いることで,計算量を削減できることを示した.本成果はすでに学会発表済みである.また国際会議での基調講演を依頼されたため,これまでの双対性に関する研究成果をまとめた講演も実施した.時系列データモデリングのために利用を検討している確率過程の双対性について,同じく時系列を考える確率制御の文脈とのつながりを見据えて研究を遂行できた.特に実用面を考えて,計算量を削減するための手法について基礎的な検討を実施できた.双対性を実用的に利用するという観点から,引き続きモンテカルロ法の改良等の基礎的な検討を実施し,さらなる計算量の削減を目指す.特に出生死滅過程の数理的な構造にもとづいたモンテカルロ法に対する補正的な計算手法を検討中である.今年度はまず数理的な基礎的研究として,対称単純排他過程(SSEP)および非対称単純排他過程(ASEP)と呼ばれる確率過程に関する双対性の研究を実施した.これらの確率過程は交通流の単純なモデルとして利用されることもあり,これまでにも双対性に関する研究は幅広くおこなわれてきた.これらの確率過程に対して,これまで研究代表者が開発してきた系統的な双対過程の導出方法を適用し,その結果としてSSEPについてこれまで知られていなかった開放境界条件下での双対過程を導出することに成功した.また開放境界条件下でのASEPの双対に関する議論も可能であることを示した.確率微分方程式や出生死滅過程だけではなく,スピン演算子を用いた確率過程にも系統的な双対過程の導出方法が応用可能であることを示し,応用の幅を広げることに成功した.続いて,出生死滅過程に対する新しい双対性の利用方法を提案した.具体的には,遷移確率を計算するために双対性を利用できることを示した.また,確率的に解釈できない双対過程をそのまま連立微分方程式として数値的に解くことでも,実際に双対の性質を利用できることを示した.この双対性を利用することによってパラメータ推定などに必要とされる繰り返し計算を避けることができることから,この理論的枠組みは時系列データモデリングの高速化に役立つと期待される.なお,扱う変数の数が多くなる場合には次元数が巨大になり連立微分方程式を直接解くことができなくなる.そこでモンテカルロ法を用いる必要があるが,その際に「負符号問題」と呼ばれる数値的取り扱いにおける困難性が生じることも,簡単な例を用いて明らかにした.本研究課題の目的である時系列データモデリングにおける双対性の利用について,これまで扱われていなかった確率過程についての検討を進めて応用の幅を広げられたほか,出生死滅過程における新しい双対性の利用方法についても提案をすることができた.また,確率過程として解釈できない双対過程を取り扱う数値的手法についても,具体的な例を通して手法の有効性を示すことができた.モンテカルロ法に関しても検討を進めることができ,「負符号問題」の発生を確認することができた.今年度は確率微分方程式のパラメータ推定の高速化を目指す研究を実施した.先行研究で提案されているパラメータ推定手法では,各データの出発点の空間座標に関する条件付きモーメントと呼ばれる量が必要となる.そのため空間を細かく離散化し,空間座標点すべてについて,あらかじめ条件付きモーメントを計算しておく必要があった.空間を細かく離散化することから,この方法には膨大な計算量が必要になるという問題点があった.そこで,条件付きモーメントのべき乗の部分を先に展開したうえで,双対性を用いて事前計算をおこなう工夫を導入した.この工夫によって,条件付きモーメントに必要な出発点の空間座標を引数とする形の式を導出でき,離散化したすべての空間座標に関する事前計算が不要となり,計算量を大幅に削減することが可能となった.具体例を用いて計算量の削減を実際に確認したほか,この成果についてはすでに学会発表をおこなった.また,双対性の応用の幅を広げるための模索として,機械学習等でも用いられている確率的勾配法に関する研究も実施した.具体的には,通常,離散的な時間発展として捉えられる勾配法に対して,演算子形式を用いた再解釈をおこなった.演算子形式は本研究課題のメインテーマである双対性の利用についての鍵となる部分である.

特に,分割演算子法と呼ばれる計算化学分野などで用いられている手法の応用可能性について,基礎的な検討を実施した.数値実験で再解釈の妥当性や分割演算子法の応用可能性について検証し,これらの成果についてもすでに学会発表をおこなった.実際の時系列データに対する解析を念頭において,確率微分方程式のパラメータ推定の問題に取り組むことができた.そしてその際に問題となる膨大な計算量が必要であるとされていた部分について,大幅な計算量の削減をおこなうことができた.また,双対性の応用先があまりまだ見つかっていないという部分について,勾配法という広い研究分野で用いられている数値計算手法への応用へとつながる基礎的な検討を実施できた.今年度は双対性の応用可能性の幅を広げる観点から,制御系に関して双対性に注目した基礎的な検討を実施した.具体的には制御対象が確率微分方程式にしたがうシステムを考えた.すなわち各時刻ステップでノイズの影響により制御対象が不規則に動いてしまうような制御系である.そのような不確実な環境下において,まず,どのような最終目的地点に向かいたいのかをコスト関数として設定する.つまり向かいたくない場所には大きなコストを付与することで,目的地に到達しやすい形にする.さらに途中で通過することが望ましくない場所に対しても大きなコストが付与されるような形でコスト関数を定義する.これらのコスト関数に加えて電力制約等も考慮し,あまり制御入力が大きくならないようにする.以上のような設定で,現在の状態に対してどのような制御入力を与えれば良いのか,ということを計算することを目的とする.このような問題設定に対してはすでに様々な研究成果が存在する.今年度の研究においては,そのなかでも特に経路積分制御と呼ばれる手法についての部分的改良を試みた.制御系でハミルトン・ヤコビ・ベルマン方程式と呼ばれる制御の基本となる方程式が,そもそも時間方向を逆向きに考える形である.このような数理的な構造に対して,これまでの本研究課題で扱っていた確率微分方程式と出生死滅過程との間の双対性との関係性が期待される.経路積分制御はハミルトン・ヤコビ・ベルマン方程式をさらに逆向きに時間発展させることで達成される.モンテカルロ法の利用によって次元の呪いを避けられる一方で,まだ計算量が多いという問題点もあった.そこで素朴な関数補間の手法を用いることで,計算量を削減できることを示した.本成果はすでに学会発表済みである.また国際会議での基調講演を依頼されたため,これまでの双対性に関する研究成果をまとめた講演も実施した.時系列データモデリングのために利用を検討している確率過程の双対性について,同じく時系列を考える確率制御の文脈とのつながりを見据えて研究を遂行できた.特に実用面を考えて,計算量を削減するための手法について基礎的な検討を実施できた.モンテカルロ法の利用については,量子モンテカルロ法でも「負符号問題」が知られていることから,それらの研究の知見をもとにして有効な数値的解法を提案することを目指す.
農林系・廃棄物系バイオマスを用いた汚染土壌からの放射性セシウム新規分離技術の開発

本研究では、「農林系・廃棄物系バイオマス」を添加して水熱分解処理を行うことで有用な「有機酸」を得て、亜臨界状態の水および得られた有機酸により汚染土壌からCsを分離する手法を開発することを目的とした。バイオマスを添加した条件において土壌中の構成成分の粘土鉱物に対して水熱分解処理を施した場合に高いCs分離性が得られることが確認された。さらに、そのCs分離メカニズムの推察、Cs分離に有効な装置内の攪拌条件の検討、また、実用性の観点からの本技術の評価がなされた。福島第一原子力発電所の事故により放出された放射性セシウム(Cs)で汚染された土壌の量は莫大であり、保管場所の確保の難しさから、その減容化が求められている。汚染土壌を高減容化するためには土壌からのCs分離は不可欠である。本研究では「農林系・廃棄物系バイオマス」を添加して水熱分解処理を行うことで有用な「有機酸」を得て、亜臨界状態の水および得られた有機酸により汚染土壌からCsを分離する手法を開発する。本年度は水熱分解条件とCs分離率の関係を調べることで高Cs分離性を示す水熱分解条件を実験的に検討した。安定同位体Cs-133を吸着させた模擬汚染土壌を作製しこれを用いて実験を行った。結果として、蒸留水のみを用いた水熱分解処理と比べて、リンゴ酸やフマル酸などを含有するバイオマスを添加した条件下において土壌中の構成成分の粘土鉱物に対して水熱分解処理を施した場合に、高いCs分離性が得られることが確認された。新規装置が納入されるまでは既設の装置で実験を進めていたが、研究計画通り、平成27年度内に圧力容器・ヒーター分離式の水熱分解装置を設計・依頼製作し、これを用いて実験を進めた。試料回収性・洗浄作業性に優れる装置であり効率的なデータ収集に寄与した。また、超音波パルスドップラー式流速分布計測法を用いることで、装置内の水の流れに同伴される土壌の流動状態とCs分離率の関係を調べ、最適な流れ場の条件についてあわせて検討した。平成27年度の研究を通して高Cs分離性を示す水熱分解条件のデータベース構築に資することができた。また、研究計画どおり、効率的なデータ収集に資する圧力容器・ヒーター分離式の水熱分解装置を平成27年度内に設計・依頼製作し、これを各種実験に用いることができた。超音波パルスドップラー式流速分布計測法を用いることで、Cs分離に有効な流れ場の条件について検討することができた。以上より、全体としておおむね順調に進展しているものと考える。東京電力福島第一原子力発電所の事故に伴い、セシウム(Cs)で汚染された汚染土壌が大量に発生した。保管場所の確保の難しさから、その減容化が求められている。そこで、本研究では、「農林系・廃棄物系バイオマス」を添加して水熱分解処理を行うことで有用な「有機酸」を得て、亜臨界状態の水および得られた有機酸により汚染土壌からCsを分離する手法を開発することを目的とした。本研究では水熱分解条件とCs分離率の関係を調べることで高Cs分離性を示す水熱分解条件を実験的に検討した。研究期間全体を通して、蒸留水のみを用いた水熱分解処理と比べて、バイオマスを添加した条件下において土壌中の構成成分の粘土鉱物に対して水熱分解処理を施した場合に高いCs分離性が得られることが確認された。また、農林系・廃棄物系バイオマスから生成される有機酸を同定し、Cs分離に有効な有機酸が比較的に多価のカルボン酸であることや生成された有機酸による土壌中の粘土鉱物の溶解が主なCs分離メカニズムとなることが示唆された。さらに、超音波流速分布計測法により装置内の水の流れに同伴される土壌の流動状態を調べ、Cs分離に有効な装置内攪拌翼の攪拌速度を明らかにした。最後に、得られた知見に基づいて、実規模のプロセスを概念設計し、規模・減容効果について実用性の観点から本技術を評価することができた。今後、実用化のための処理の連続化研究や土壌以外の汚染物への本技術の適用対象の拡大など、より一層の研究開発が望まれる。高Cs分離性を示す水熱分解条件の探索を継続するとともに、高Cs分離性を示す水熱分解条件において農林系・廃棄物系バイオマスから生成される有機酸を同定し、その有機酸の生成過程およびCs分離に有効な有機酸を明らかにする。また、本分離技術における土壌からのCs分離メカニズムについて考察する。そして、実規模のプロセスを概念設計し、規模・減容効果について実用性の観点から本技術を評価する。原子力熱流動工学、廃止措置工学、原子力安全工学、計測工学、廃棄物処理・処分、除染、分離工学物品費を当初予定の見積金額より安く抑えられたため。

また、消耗品である水熱分解装置のメタル内筒や超音波センサーに関して現有のものを本年度において継続使用できたことで新規購入をとりやめたため。実験用の試薬の購入費や学会旅費に充てる予定である。
海のアジア再考－英領マラヤ・東アジアネットワークの歴史と現在－

本研究の目的は、アジアの海域におけるネットワークの歴史と現在の連続性を包括的に研究することによって、現代の東アジア・東南アジアへ継承されている様々なネットワークを把握し、アジアにおける国際関係を相対化することである。本研究では、東アジアと東南アジアの国々を対象に、流通、文化、移動をめぐって、国民国家や個々の研究者のディシプリンの枠組みを超えて検討を行ってきた。最終年度にあたる平成30年度は、研究成果の公表に力を入れた。さらに、今後の研究の展開を視野に入れ、マレーシアにおいて共同調査を行った。主な成果は以下のとおりである。1)日本華僑華人学会にて、先行研究が少ない客家ネットーワークについてパネル発表を行った。東南アジアの客家系移民に関する研究は、これまで、植民地期の東南アジアにおいて炭鉱労働者として移民した人々とその子孫が主な対象であったが、本研究では、都市部の客家ビジネスエリートらに注目し、インドネシア、香港、日本を結ぶ共同研究が進み、その成果の一部を報告した。2)マレーシアのペナン・インスティチュートにて、1ペナンに関連した華人ネットワーク2東南アジアに広くみられる土地神への信仰、の二つに関する成果発表を行った。3)マレーシアのペナン、イポー、クアラルンプールにおいて、華人ネットワークの歴史と現在について共同調査を行った後、今後の展開を視野に入れて、マラヤ大学中国研究所において本研究の成果の一部を共有と意見交換を行った。これらの、華人ネットーネットワークを多方面から検討した研究成果の公開に加え、インドネシア周辺の海域における人類史に関する国内研究会と、蘭領東インドにおける海民の活動に関する国際セミナーを開催した。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本研究の目的は、海域を中心としたアジアにおけるネットワークの歴史と連続性を包括的に研究することによって、現代の東アジア・東南アジアへ継承されている様々なネットワークの把握と、歴史を参照することから現代アジアにおける国際関係を相対化することである。本研究では、東アジアと東南アジアの国々を対象に、流通、文化、移動をめぐって、個々の研究者が対象としている国民国家や地域、そしてディシプリンの枠組みを超えて検討を行っている。今年度は個々人の調査に加えて、研究メンバー外部研究者による3回の国内研究会を開催した。初年度であることから、国内研究会では特に経済史分野に関する報告を集中的に取り上げ、流通ネットワークに関する知識の共有を行った。具体的な成果としては、次の二点が挙げられる。1)海峡植民地であるペナンを起点としつつ大陸部東南アジアの諸港市や、ジャワにおける流通の比較検討。2)客家人とインド人による商人ネットワークの比較検討。これらの研究会を通して、本研究の目的を遂行する上では、海峡植民地と華人ネットワークにとらわれず、アンダマン海域と南シナ海域をつなぐ海のアジアと多様なネットワーク形態を検討することが望ましいとの共通認識が得られた。そのため、今年度予定していたペナンにおける国際ワークショップを次年度に延期し、より広い視野で東アジアと東南アジアにおける流通、文化、移動の歴史を検討するための国際セミナーを開催することになった。2016年度には、ペナンにおける国際ワークショップの開催を予定していたが、研究課題を遂行していく過程で、ペナンを起点とするマラッカ海峡と華人経済ネットワークという本研究の当初の焦点に絞らずに、より広い視野で東アジアと東南アジアにおける流通、文化、移動の歴史を検討する必要があるという共通認識が深まった。そこで、予算を繰越した上で、2017年度に、日本国内でInternational Seminar on Maritime Southeast Asia from An Historical Perspectiveという国際セミナーを開催した。当初の予定とは、時期・内容ともに変更があったものの、おおむね順調に進展している。本研究の目的は、アジアの海域におけるネットワークの歴史と連続性を包括的に研究することによって、現代の東アジア・東南アジアへ継承されている様々なネットワークの把握と、歴史を参照することから現代アジアにおける国際関係を相対化することである。本研究では、東アジアと東南アジアの国々を対象に、流通、文化、移動をめぐって、国民国家や個々の研究者のディシプリンの枠組みを超えて検討を行っている。今年度は研究メンバーと外部研究者による3回の国内研究会の開催に加えて、海外からのゲストを招聘して国際会議を1回開催した(一部、2016年度予算繰越分による)。具体的な成果としては、1)アンダマン海域と南シナ海域の双方における、ツバメの巣やナマコといった高級食材の流通をめぐって、経済史と人類学の双方からの知見が提供され、マクロな視点からの流通ネットワークの理解が進んだ。2)本研究がもともと射程としていた、元英領マラヤを起点とする華人による商業ネットワークに加え、商業ネットワークが東南アジアの都市の成立に果たした役割について検討する機会を得た。3)文化ネットワークに関しては、華人伝統宗教と世界宗教のアジア展開に関する調査が進められた。来年度は、昨年度、今年度の活動の中でカバーするこができなかった、インドと東インドネシアまで視野に入れた研究会の開催を行う予定である。その上で、元英領マラヤを起点とする領域に加えて、アンダマン海域と南シナ海域をつなぐ海のアジアの検討をすすめていきたい。当初の研究計画では、初年度にペナンにて国際ワークショップを開催する予定であったが、研究課題を遂行していく過程で、ペナンを起点とするマラッカ海峡と華人経済ネットワークという本研究の当初の焦点に絞らずに、より広い視野で東アジアと東南アジアにおける流通、文化、移動の歴史を検討する必要があるという共通認識が深まった。そこで、予算を繰越した上で、本年度、日本国内でInternational Seminar on Maritime Southeast Asia from An Historical Perspectiveという国際セミナーを開催した。

国際セミナーでは、コーネル大学のEric Tagliacozzo教授による、アジアの都市が、どのような人の移動や流通によるネットワークによって形成されてきたかというマクロな視点からの報告と、ペナン・インスティテュートのWong Yee Tuan氏よる、ペナンにおける福建系華人ネットワークの歴史的展開とその影響力に関する詳細な報告がされた。これらの報告と今年度の他の研究活動によって、個々の研究をより大きな文脈でとらえるための共通基盤ができた。本研究の目的は、アジアの海域におけるネットワークの歴史と現在の連続性を包括的に研究することによって、現代の東アジア・東南アジアへ継承されている様々なネットワークを把握し、アジアにおける国際関係を相対化することである。本研究では、東アジアと東南アジアの国々を対象に、流通、文化、移動をめぐって、国民国家や個々の研究者のディシプリンの枠組みを超えて検討を行ってきた。最終年度にあたる平成30年度は、研究成果の公表に力を入れた。さらに、今後の研究の展開を視野に入れ、マレーシアにおいて共同調査を行った。主な成果は以下のとおりである。1)日本華僑華人学会にて、先行研究が少ない客家ネットーワークについてパネル発表を行った。東南アジアの客家系移民に関する研究は、これまで、植民地期の東南アジアにおいて炭鉱労働者として移民した人々とその子孫が主な対象であったが、本研究では、都市部の客家ビジネスエリートらに注目し、インドネシア、香港、日本を結ぶ共同研究が進み、その成果の一部を報告した。2)マレーシアのペナン・インスティチュートにて、1ペナンに関連した華人ネットワーク2東南アジアに広くみられる土地神への信仰、の二つに関する成果発表を行った。3)マレーシアのペナン、イポー、クアラルンプールにおいて、華人ネットワークの歴史と現在について共同調査を行った後、今後の展開を視野に入れて、マラヤ大学中国研究所において本研究の成果の一部を共有と意見交換を行った。これらの、華人ネットーネットワークを多方面から検討した研究成果の公開に加え、インドネシア周辺の海域における人類史に関する国内研究会と、蘭領東インドにおける海民の活動に関する国際セミナーを開催した。当初の予定より、研究の対象が広がってきたことから、今後は国内研究会で研究メンバー以外の報告を増やし、比較の対象を明らかにしつつ、個々人の研究・調査に反映していく予定である。最終年度である2018年度は、これまで実施できていない東南アジアでの共同調査を行う予定である。
NAD関連代謝物の包括的評価を目指したcADPRの高感度定量系の構築

ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD)主要代謝物であるサイクリックADPリボース(cADPR)は、オキシトシン放出、インスリン分泌や、炎症反応、さらには幹細胞の自己複製など、様々な生命現象との関わりが指摘されている重要なメッセンジャー分子である。本研究は、これまでのメタボローム研究において極微量であるために定量できていなかった細胞内cADPRに焦点を当て、LC/MSを用いたcADPRの高感度精密定量法の構築を主目的とする。本研究では、内部標準物質としてcADPRの同位体合成を行い、併せてNAD関連代謝物の同位体を合成することで、本cADPR定量法を基盤とするNAD関連代謝物質の一斉定量法に展開する。初年度は定量系構築に必要な内部標準物質であるcADPRの安定同位体の全合成を計画していたが、合成が予想以上に難航したため、当初の計画よりやや遅れている。原因は中間体の安定性と精製方法であったが、初年度の検討で適切な反応条件や精製方法が概ね明らかとなった。合成の進捗状況としては、NADおよびcADPRを合成するための合成中間体であるニコチンアミドやアデノシン、ニコチンアミドリボシド(NR)、ニコチンアミドモノヌクレオチド(NMN)、アデノシン一リン酸(AMP)の安定同位体を合成することが出来た。次年度は全合成を達成させるとともに、これら中間体を内部標準物質として用いることで高精度なNAD関連代謝物質の一斉定量法に展開する予定である。本研究課題によって、NADメタボロミクス研究に新たな評価系を提案することで種々の疾患機序、および薬の詳細な作用機序解明に貢献したい。合成が予想以上に難航したため、当初の計画よりやや遅れている。理由は中間体の安定性と精製方法であったが、初年度の検討で適切な反応条件や精製方法が概ね明らかとなった。これらの検討結果に基づいた合成法により、次年度で合成が達成出来る見込みである。cADPRの安定同位体合成過程において、中間体の精製に時間を要していたが、初年度の検討で概ね問題は解決しており、早期に高純度の安定同位体標品を合成出来る見込みである。次年度も引き続き合成を行うことにはなるが、当初予定していた分離分析条件の検討は初年度に並行して進めていたため、安定同位体が合成・精製出来次第、分析バリデーションを行う準備が出来ている。またNAD関連代謝物質の一斉定量法に向けた分離条件およびMS検出最適化も初年度から進めており、当初の計画通りcADPR精密定量法の確立とNADメタボロミクス手法の開発を行う。初年度に計画していた合成が遅れたため、当初予定していた分析バリデーションに必要な物品(分析カラム等)の購入が次年度に変更となった。所望の安定同位体の合成が出来次第、分析カラム等の消耗品を購入し、分析バリデーションを行う計画である。
複合的物理探査による農業用施設及び地盤中の流体・物質移動の高速可視化技術の開発

本課題では、多点送受信計測システムの開発と申請者らが開発してきた地震波・電磁波干渉法および波形解析技術等の導入によって、この技術の高分解能化、高速化そして汎用化を計り、地盤中の流体・物質移動といった動的な現象をリアルタイムで可視化する技術の開発を行う。また農業用施設および農地に関する原位置評価技術としての適用可能性と活用方法について明らかにするために、室内実験および野外実証試験を行う。浸透現象に対して複合的な物理探査技術によって浸透現象が把握できることを実証するために、地盤への浸透実験を実施し電気探査、電磁波探査、弾性波探査の適用とその繰り返し計測によるモニタリングを行った。農業用施設などの実規模の構造物や地盤への適用を想定し、そのような対象でも浸透現象の継続的な監視を行う方法として、人工的な震源を用いることなく自然の振動を用いて仮想的に弾性波探査を実施した時と類似の振動応答を再現する振動波形解析プログラムを、地震波干渉法に基づき開発し、農業用貯水池の浸透に伴う地震波伝播特性変化を追跡できることを実証した。一方で、地盤中に発生する選択的な流れをリアルタイム的に可視化できるよう、地中レーダによる高速なモニタリングシステムを構築し、キャピラリバリアーと呼ばれる選択的な流れを発生させた実験に適用し、実証した。さらに高速にかつ再現性高く浸透現象を可視化できる手法として、アレイ型地中レーダによる多重送受信高速計測を解析する技術を開発し、浸透現象の高速可視化を行う野外実証試験を実施した。以上によって従来主に地盤中の流体・物質移動といった動的な現象をリアルタイムで可視化する技術の開発を行うとともに農業用施設や農地に関する原位置評価技術として適用可能性と活用方法について明らかにするために、室内実験および野外実証試験を行うことができた。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。初年度として基本的な探査システムの試作と室内実験および現地適用試験に着手した。そのため以下の3項目を実施する。1)基本計測システムの開発:地盤中の体積含水率や溶存物質の分布を、電磁波計測に基づく誘電率・導電率分布の評価によって推定する基本的な計測システムの開発および試作を行った。システムは計測装置などのハード部分だけではなく、イメージングまで可能となるような波形解析システムも必要となることからこれについても開発に着手した。同様に弾性波探査についても、高い空間分解能を獲得するため音響領域まで周波数を高めた振動計測システムを構築を行うとともに、光ファイバ振動センシングの適用可能性について検討を開始した。2)高速イメージングのための計測装置の整備および室内試験の準備:2年度以降に行う高速イメージング技術の開発のための計測機器および室内試験のための準備を行った。計測装置については基本的に既存の装置を用いるが、農研機構において電磁波・弾性波探査両方の室内試験ができるよう準備を行った。また計測中に発生する温度依存性を評価できるように多点温度計測の準備を行った。3)適用試験地における基礎調査:鳥取大乾燥地研・新潟大の圃場および各地の農業用ダム数カ所を野外実験フィールド候補地とし基本的な現地調査を行うとともに、地盤構造および基本的な地盤材料特性について電磁気探査および地震波探査により調査試験を実施した。以上の研究について、野外および室内において計測制御できる堅牢なPCを導入するとともに、特に電磁波解析技術の開発について釜慶大学の研究者を、地震波干渉法についてコロラドマインズ大の研究者を研究協力者とし、米国地球物理学連合大会(2016年12月)、米国地盤環境工学物理探査学会(SAGEEP)などの学会へ研究成果公表を行い、前後の交流機会を通じて共同研究に着手した。当初予定していた、基本的な探査システムの開発のためその試作を行うとともに、検証のための室内実験および現地適用試験に着手することができ、そのため以下3項目1)基本計測システムの開発、2)高速イメージングのための計測装置の整備および室内試験の準備、3)適用試験地における基礎調査、について想定通りに進捗することができた。新潟大との共同研究においては同大学の実験施設および卒業論文として本課題に取り組む学部生の尽力により、キャピラリーバリアとよばれる現象を用いて不均一な浸透流を人工的に発生させその実態を電磁波探査によって評価できる可能性を示すことができた。また鳥取大学との共同研究においては不均一な浸透流を発生させる可能性がある地盤構造の不均一性を新たにNMR法を用いた探査法によって明らかにできる可能性を示すことができた。地震波を用いた探査においては、構造物や地盤における水圧や水分分布の変化によって生じる地震波伝播速度の微小な変化を検出することによって評価できる可能性を示した。これらの研究成果を農業農村工学会誌、地盤工学会誌において公表するとともに、一部、米国地球惑星物理学連合秋季大会(American Geophysical Union Fall Meeting)、米国地盤環境工学物理探査学会(SAGEEP2017)などの学会へ研究成果公表することができ、欧州地球科学連合大会(European Geoscience Union General Assembly)に発表する予定である。またこれら国際学会の前後等の交流を通じてコロラドマインズ大学、韓国釜慶大学との共同研究を予定通り実施した。以上のように予定通り研究は進捗し、学会等への公表も予定通り行われていることから、研究課題は順調に進展しているものと判断した。多点で同時に地中に電磁波や振動を発信しその応答を計測し、その結果に地震波干渉法・電磁波干渉法等の概念を適用することによって、高速で継続的な地中の監視を可能にする手法の開発を行った。またその応答に研究代表者らが提案してきた波形解技術を適用することにより、高い空間分解能と感度で地盤中に発生する変化をイメージングする解析システムの開発を行った。

これにより農業用施設の構造物内や地盤内に生じる、浸透流や間隙空気の移動といった流体移動現象や、溶存物質の移動現象を高速で可視化する技術の開発に着手した。振動計測については多重同時受信計測を実現するために同時サンプリングデータ収集デバイスを導入するとともに、同期性、感度の均一性の確認のため振動試験システムを導入し、計測システムの高度化を行った。また30年度の実証試験に向けて次の実験調査を行った。1)多重送受信電磁波計測による不均一な水分分布・浸透流の高速可視化実験2)多重送受信弾性波計測による不均一な物性分布の高速可視化実験3)野外実証試験地(鳥取砂丘等を想定)における地盤の不均一構造・物理特性の把握4)野外地盤中に挿入可能なボアホールセンサの整備以上の研究成果を招待投稿を受けた英文誌に投稿および公表するとともに、ウィーンで開催されたEuropean Geophysical Unionにて発表を行うとともに、研究協力者である金喜俊釡慶大学名誉教授(逆解析)らと共同実験および研究成果算出に向けた打ち合わせを行った。1)多重送受信電磁波計測による水分分布・浸透流の高速可視化実験についてはアレイ型地中レーダにより、多数の送受信アンテナの切り替えにより、浸潤前線の移動を定量的に、また連続的に評価できることを明らかにした。これにより多重送受信電磁波計測の地盤中流体移動の高速可視化への有効性を示した。2)多重送受信弾性波計測による不均一な物性分布の高速可視化実験については、多数の圧電素子を用いてアレイ計測を構築するために、同期性、感度の均一性の確認のため振動試験システムを導入するとともに、高速多点同時振動計測の実現のため同時サンプリングデータ収集デバイスを導入した。それに基づき水槽実験を行い、同時多重受信システムの可視化における感度の検証を行うための室内実験を行なった。3)野外実証試験地(鳥取砂丘等を想定)における地盤の不均一構造・物理特性の把握については、地表型NMR及び電気探査、地中レーダによる地盤の不均一性構造および物理特性に関する調査を補足調査も含めてとりまとめるとともに、30年度の不均一浸透実験に向けた試験地の準備と予備試験を行なった。4)野外地盤中に挿入可能なボアホールセンサの整備については、新潟大学においてより分解能が高く地盤中に挿入が可能な1GHzのアンテナを導入するとともに、その体積含水率分布と浸透試験に伴う水分変化の定量的推定精度の検証と校正を行なった。これらの研究成果の一部を日本地球惑星物理学連合、農業農村工学会、物理探査学会、米国地球惑星物理学連合秋季大会、欧州地球科学連合大会などの学会へ研究成果公表することができた。またコロラドマインズ大学Roel Snieder教授や韓国釜慶大学の金喜俊教授らと国際共同研究を実施した。