hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
小学生の英語の語彙知識に関する研究-音韻認識能力、文字知識、国語力との関連

本研究では、語彙習得に対する音韻認識能力やアルファベット知識の関連性を明らかにすることができた。語彙能力を多角的に測るために4つのテストを行ったが、それらのどれに対してもアルファベットの知識と音韻認識能力が関わっており、特に音韻認識能力は語彙能力の伸長を予測するものであった。また、その理論に基づき作成したプログラムの効果を測定した結果、参加者の音韻認識能力および語彙能力を伸ばすものであった。本研究は日本人の幼児・児童を対象とし、彼らの語嚢知識の発達について研究することを目的としている。語彙は第一言語、第二言語にかかわらず、一度に全てを学習するのではなく、何度もその単語と出会うたびに認識を深めていく。語彙知識に関してはreceptive knowledge, memory, conceptual knowledge, phonological knowledge, grammatical knowledge, orthographic knowledgeなど多くの知識が含まれるが、子どもを対象とした場合、これら全ての知識を測定することはできない。本研究においては、小学生が単語の音韻、正字法(づづり)、意味などに関する知識をどのように習得するのかを量的、また質的に見ていこうとするものである3年間にわたる研究期間の初年にあたる今年度は、具体的には次のようなことを研究した。1.英語の語嚢知識の深さを調べる。2.英語の語彙の音韻知識を調べる。3.英語の語嚢の正字法の知識を調べる.4.英語の語嚢の概念知識を調べる。5.英語の語嚢知識と音韻能力の関連を調べる。6.英語の告発知識とアルファベット能力の関連を調べる。また今年度は文献研究をすすめたが、EFL(English as a Foreign Language)環境における小学生の語彙発達に関する研究が非常に少なく、大人を対象とした研究と異なり、子どもを対象とした場合は音声テストが主になる。語嚢テストのうち音韻知識を測るテストとスペル知識を測るテストを小学5年生120名に実施することができた。また同被験者に音韻認識能力とアルファベット能力を測るテストも実施することができた。現在その分析を進めているところである。本研究は、日本人の児童を対象に、彼らのリタラシー能力を高めるための効果的なプログラムを開発することを目的に、具体的には彼らのアルファベット知識、英語の音韻認識能力および語彙知識を測定し、それらの能力と日本語能力との関連を調べている。本研究においては、小学生が単語の音韻、正字法(つづり)、意味などに関する知識をどのように習得するのかを量的、また質的に見ていこうとするものである今年度は、研究を遂行するために、公立小学校5年生のクラスを1年間教えた。アルファベットと音韻認識能力を伸ばす指導、さらにはストーリーテリングを通しての英語教育を行った。指導の前後で彼らのアルファベット知識、音韻認識能力、および語彙知識を測定した。その結果を現在、統計的にいろいろな手法を用い分析しているところである。また、語彙習得、特に単語の音読をする際、学習者にどのような変化がおきているのかを探るため実験参加者にインタビュー、およびアンケート調査を行い、現在アンケートの集計とインタビューの書き起こしをしている。更には、他教科との関連を調べているところである。参加者は統計的にも有意の変化をみせ、アルファベット知識や音韻認識能力が増すことで、単語の認識が高まっている。また、ストーリーテリングを通して、語彙が着実に定着していることが判明した。本研究では小学生がどのようにして英語の語彙力を発達させていくのかを検証した。具体的には語彙能力の発達と音韻認識能力、アルファベット知識、および母語発達との関連に注目し、それらの能力を測定して関連性や予測性などを調査した。また研究から得られた知見を基にカリキュラムを作成し、それに基づき実際に小学校5年生を対象に授業を行った。授業ではアルファベットの文字指導また音韻認識能力を高める活動を積極的に行った。その結果、音韻認識能力がその後の語彙発達に影響を与えていたことが分かった。これは英語圏で言われている単語のスペルの発達には音韻認識能力を育てることは不可欠であるという理論を実証したものと解釈できる。子ども達の持つ英語の音に対する認識(phonological awareness)が、語彙力、およびリーディング力を伸ばす上で重要になってくることが共分散構造分析でも明らかになった。また語彙力については単語の音、つづり、そして意味の理解がどのように発達していくのかをそれぞれ異なるテストで検証した。その結果、本研究の参加者のような初期学習者にとっては、スペルから語の意味が理解できる力(receptive knowledge/decoding)が彼らの語彙力全体を最もよく説明すると考えられる。また、英語能力を示す変数と他の教科とは、統計的にみて有意の相関を示す数値が見られた。特に国語と漢字との相関が高かった。

また質的な研究として、子ども達の英語学習への動機や授業活動に対する意見を聞いたが、それらのアンケート項目は音韻認識能力に若干の関連性を持つものの、他の語彙や音、またリーディング能力を測るテストとはなんら相関性は示さなかった。中でも授業活動に関して「楽しさ」を4段階で評価してもらったが、それらの結果は英語能力を測定したテストとは全く相関が見つからなかった。
量子アニーリングにおける非断熱効果と誤り訂正

前年度の結果を踏まえて、非一葉横磁場制御による量子アニーリングの非断熱発展の抑制、およびその結果として性能向上の解析的研究を行った。前年度より大幅に拡張して一派化された制御方式を提案し、その性質を量子統計力学の手法を用いて明らかにした。その結果、温度が0でなくなると、新たな1次相転移が生じることが明らかになった。これは、新たな困難を示唆しているが、この1次相転移の性質を詳細に調べたところ、絶対零度で生じている1次転移に比べて、秩序パラメータの飛びや、局所安定状態の間のエネルギー障壁の高さが相当に小さくなっていることが分かった。したがって、現実的な有限温度の場合、1次相転移を避けることはできないが、一様制御の場合に比べてトンネル効果の生起する確率は向上し、定量的な改善が見込めることが分かった。また、リバース・アニーリングの解析的研究も実施した。リバース・アニーリングは、通常の量子アニーリングと違って、特定の古典状態から出発し、一度量子揺らぎを大きくしてから再び小さくすることにより、出発点の近傍での効率的な状態探索を目指す量子制御法である。実際のデバイスで実現され、その効果がいくつかの例について確かめられているが、解析的研究は存在しなかった。そこで、ハミルトニアンに適切な功を新たに導入することにより、リバース・アニーリングの量子統計力学的な解析を可能にした。その結果、初期条件がある程度以上最終的な正解に近い場合には、1次相転移の困難が回避できることが示された。リバース・アニーリングの解析は、当初の計画では予定していなかったが、ハードウェアの急速な進歩と、その効果の実験的な実証が進んできたため、それに対応するべく新たな研究テーマとして実施した。その結果、非断熱遷移や誤りを抑制する方法として有効であることが明らかになった。pスピン模型の範囲内での平衡量子統計力学的研究については、本研究代表者のグループがトップを走り続けており、この方向の研究はほぼやりつくした感がある。今後は、より現実的な問題設定における、量子効果の有効な制御についての解析手法を探索し、それを用いて非断熱効果および誤り抑制の方策を検討していく。量子アニーリングは組み合わせ最適化問題を量子力学の原理を使って高速に解くことを目指す一般的な手法である。量子アニーリングの理論的な解析は,おもに系が外界から隔絶されしかも厳密に断熱発展するという条件の下で進んできた。しかし,D-Waveマシンに代表される実際の装置においては,温度などの効果による外界との相互作用や有限の計算時間に伴う非断熱発展が生じる。これらの効果の評価とそれによる影響を抑制する方法の開発が非常に重要な意味を持ってくる。平成26年度においては,上記の効果に伴って生じる誤りを訂正するプロトコルである誤り訂正符号について,量子アニーリングを実際に実現したD-Waveマシンのアーキテクチャ上でどういう形式で可能になるか,その性能はどうかなどについて模型を立案し,それについての解析を実行した。D-Waveマシン上で多くの量子ビットが結合されているキメラグラフにおいて,誤り訂正のためのペナルティ量子ビットを用意し,このペナルティ量子ビットと実際の計算の実行にあたる主要な量子ビットの間に強い強磁性的結合を入れることにより,最終的な誤りが低減するという数値計算およびD-Waveマシン上での実際の実験結果が最近報告されている。この結果の背後にある理論的根拠を探るため,第1近似として計算にあたるすべての量子ビットが全結合している平均場模型を導入した。その予備的な解析を開始し,比較的単純な結合の場合には完全な理論的解析が可能であるとの見通しを得た。これに基づき,27年度に向けて実際の計算を開始した。組み合わせ最適化問題の汎用近似解法(ヒューリスティック)である量子アニーリングは,量子力学的な重ね合わせを用い,パラメータの適切な時間制御により最適解を高速にあるいはより確実に求める手法である。理論的な解析は,絶対零度に保った孤立系がシュレディンガー方程式に基づく時間発展でどう変化するかを主な視点として展開されてきた。しかし,現実の実験系やD-Waveマシンのような実機では熱雑音やパラメータ制御の不完全性の影響があり,理想的な状況に置ける理論解析だけでは理解できない。そこで,外界と相互作用しているスピン系の模型としてカルデラ・レゲット模型を拡張して横磁場イジング模型に調和振動子の集合が結合している系を解析することにし,それをさらに取り扱い可能にするためにスピン変数を球形模型の変数で置き換えた系を研究した。厳密解の導出に成功しその結果,相転移の存在自体は変化しないが,静的臨界指数が2次元分ずれた対応系と一致することを示した。この結果はこれまで数値計算や摂動的なくりこみ群により部分的に解明されてきた性質を統一的に理解することを可能にするものである。また,動的臨界指数についても数値計算やくりこみ群の近似計算を支持する結論が得られた。このように,変数を球形変数に拡張することにより得られる厳密解は,もとのイジング変数の系の性質にも定性的のみならず定量的にも重要な視点を与えることが明らかになった。非断熱効果の典型例としての外部自由度との結合の影響を,ある模型の厳密解を導くことにより系統的に明らかにした。これは,単に特定の模型の性質を解明したというだけではなく,系統的な研究の手法を開拓したという意味で今後の進展の足がかりを築いたものである。量子アニーリングにおける誤り訂正方式について,pスピン模型の平均場解析を中心に研究を推進した。

特に,ペナルティー量子ビットを入れる場合と,入れずにネスティングだけで誤り訂正を行う場合を比較し,後者においては同じ量子ビット数でも有効温度の低下の効果が大きいことを確認した。鈴木・トロッタ分解と静的近似を用い,系の分配関数,自由エネルギー,自己無撞着方程式を導出し,後者の解の熱力学安定性を議論した。これにより,各パラメータの関数としての相図を包括的に描くことが出来,パラメータ(特にネスティングレベル)が系の性質に与える影響を定量的に評価することが出来た。ペナルティー量子ビットを用いる従来の方法と比べて,量子ビット数を同じにした場合にはネスティングを用いる方が有効温度の低下を大きく出来ることが具体的な公式として示されたのである。従来はD-Waveマシンや数値計算を用いた実験的研究がほとんどであった。またネスティングを用いずに,特定の量子ビット(ペナルティー量子ビット)を誤り訂正のために使用する方式については,平均場による解析がなされていた。これに対して,ネスティングによる量子誤り訂正が有効であることを理論的に示したのでは今回の成果が初めてである。特に,ネスティングのレベルと有効温度の低下の関数関係を明示的に導出することに成功した。これはもちろん,p-スピン模型という平均場模型に特有の関数関係ではあるが,より複雑で一般的な状況に対しても示唆を与えると期待される。2つの誤り訂正方式の比較が順調に進み,それぞれの長所短所を明示的に明らかにすることが出来た。前年度の結果を踏まえて、非一葉横磁場制御による量子アニーリングの非断熱発展の抑制、およびその結果として性能向上の解析的研究を行った。前年度より大幅に拡張して一派化された制御方式を提案し、その性質を量子統計力学の手法を用いて明らかにした。その結果、温度が0でなくなると、新たな1次相転移が生じることが明らかになった。これは、新たな困難を示唆しているが、この1次相転移の性質を詳細に調べたところ、絶対零度で生じている1次転移に比べて、秩序パラメータの飛びや、局所安定状態の間のエネルギー障壁の高さが相当に小さくなっていることが分かった。したがって、現実的な有限温度の場合、1次相転移を避けることはできないが、一様制御の場合に比べてトンネル効果の生起する確率は向上し、定量的な改善が見込めることが分かった。また、リバース・アニーリングの解析的研究も実施した。リバース・アニーリングは、通常の量子アニーリングと違って、特定の古典状態から出発し、一度量子揺らぎを大きくしてから再び小さくすることにより、出発点の近傍での効率的な状態探索を目指す量子制御法である。実際のデバイスで実現され、その効果がいくつかの例について確かめられているが、解析的研究は存在しなかった。そこで、ハミルトニアンに適切な功を新たに導入することにより、リバース・アニーリングの量子統計力学的な解析を可能にした。その結果、初期条件がある程度以上最終的な正解に近い場合には、1次相転移の困難が回避できることが示された。リバース・アニーリングの解析は、当初の計画では予定していなかったが、ハードウェアの急速な進歩と、その効果の実験的な実証が進んできたため、それに対応するべく新たな研究テーマとして実施した。
頭蓋内動脈硬化性病変に対する血管内治療の基礎的・臨床的研究

頭蓋内動脈硬化性病変に対する血管内治療はようやく始まったばかりで数多くの検討すべき問題点が残されている。臨床例では血管形成術の長期予後とステント治療における有用性と問題点について検討をおこなった。基礎的研究ではステント留置にともない穿通動脈が温存されるかを中心に検討した。(1)臨床的検討:臨床例として現在まで、45例の頭蓋内動脈硬化性病変に対して血管内治療を行った。PTA群とステント群のそれぞれの問題点について検討した。45例中44例で良好な血管の拡張が得られた。1例は屈曲が強くPTAバルーンが挿入できず残念した。10例中2例でステント留置がうまくゆかずPTAのみで終了した。ステント留置群(80-4%)ではPTA単独群(75-27%)に較べて有意な拡張を認めた。再狭窄に関してもステント群で少ない傾向にあったが有意差は認めなかった。ステント群で2例にステント閉塞、ステント脱落というステント特有の合併症を認めた。出血性合併症を2例に認めた(1例はhyperperfusionによる出血で死亡、他の1例は合併した動脈瘤の破裂)。虚血性合併症は4例(2例は一過性で2例は軽度の障害を残した)であった。再狭窄は7例に認められ後日再治療を行った。平均経過観察期間は2年9カ月で、病変に起因した新たな脳梗塞は出現していない。頭蓋内動脈硬化性病変に対する血管内治療は9%程度のmorbi/mortalityを有するが、脳梗塞の予防には有用であった。ステント群ではPTA群に比して有為な拡張が得られたがステント挿入、急性閉塞などの特有の合併症も存在したため、使用には十分な注意を要する。(2)基礎的検討:家兎の腹部大動脈径は約3ミリであり、ここより約500ミクロンの腰動脈がほぼ90度の角度で分岐しており、解剖学的には人脳主幹動脈と穿通枝の関係に類似している。今回、腹部大動脈の腰動脈分岐部にステントを留置し、3ヵ月後に開存の状態を血管撮影と走査電子顕微鏡(SEM)にて検討した。ステント留を行った6羽全例でステント留置にともなう合併症はなく、術直後、3ヵ月後ともに血管撮影で腰動脈の描出は良好であった。SEMによる検討では、腰動脈orificeがstent strutにクロスしているもの、strut間に存在するものを認めたが、全例において閉塞所見は認めなかった。正常血管においてはステントstrutが500ミクロン程度の穿通枝をクロスしても血管は開存していることが確認された。1)ステントによる穿通動脈閉塞の有無:家兎2匹において、経大腿動脈経由で腹部大動脈に腰動脈にステントがかかるように、冠動脈用ステントの留置をX線透視下に行った。

2例においてステント留置後の腰動脈の閉塞は認めなかった。2)臨床例における検討:頭蓋内動脈硬化性病変5例に対して、ステント留置術を行った。2例は脳底動脈狭窄例で、1例は経皮的血管形成術では拡張を得られないためステント留置を行い良好な拡張を得た。他の1例は経皮的血管形成術後3回の再狭窄を来したためステント留置を行い良好な拡張を得た。しかし、3ヶ月後の血管造影では再狭窄を来したため、ステント内より再度血管形成術を行い良好な結果を得た。他の3例は頭蓋内内頚動脈狭窄であり、2例は椎体部の狭窄でステントにより良好な拡張を得た。他の1例は海綿静脈洞部の狭窄でステント留置を試みたが、屈曲が強くステントを病変部まで持って行くことができなかった。しかも、操作中にステントが脱落し狭窄部手前へ迷入してしまった。スネアーワイヤーを用いてステントを掴み鼠径部のシースまで引き戻したが、シースから取り出せなかったため、対側鼠径部に太いシースを入れ、ステントを回収した。ステントはPTAに抵抗する狭窄性病変の治療にも有効であるが、脱落などの合併症に細心の注意を払う必要がある。頭蓋内動脈硬化性病変に対する血管内治療はようやく始まったばかりで数多くの検討すべき問題点が残されている。臨床例では血管形成術の長期予後とステント治療における有用性と問題点について検討をおこなった。基礎的研究ではステント留置にともない穿通動脈が温存されるかを中心に検討した。(1)臨床的検討:臨床例として現在まで、45例の頭蓋内動脈硬化性病変に対して血管内治療を行った。PTA群とステント群のそれぞれの問題点について検討した。45例中44例で良好な血管の拡張が得られた。1例は屈曲が強くPTAバルーンが挿入できず残念した。10例中2例でステント留置がうまくゆかずPTAのみで終了した。ステント留置群(80-4%)ではPTA単独群(75-27%)に較べて有意な拡張を認めた。再狭窄に関してもステント群で少ない傾向にあったが有意差は認めなかった。ステント群で2例にステント閉塞、ステント脱落というステント特有の合併症を認めた。出血性合併症を2例に認めた(1例はhyperperfusionによる出血で死亡、他の1例は合併した動脈瘤の破裂)。虚血性合併症は4例(2例は一過性で2例は軽度の障害を残した)であった。再狭窄は7例に認められ後日再治療を行った。平均経過観察期間は2年9ヵ月で、病変に起因した新たな脳梗塞は出現していない。頭蓋内動脈硬化性病変に対する血管内治療は9%程度のmorbi/mortalityを有するが、脳梗塞の予防には有用であった。ステント群ではPTA群に比して有為な拡張が得られたがステント挿入、急性閉塞などの特有の合併症も存在したため、使用には十分な注意を要する。(2)基礎的検討:家兎の腹部大動脈径は約3ミリであり、ここより約500ミクロンの腰動脈がほぼ90度の角度で分岐しており、解剖学的には人脳主幹動脈と穿通枝の関係に類似している。今回、腹部大動脈の腰動脈分岐部にステントを留置し、3ヵ月後に開存の状態を血管撮影と走査電子顕微鏡(SEM)にて検討した。ステント留置を行った6羽全例でステント留置にともなう合併症はなく、術直後、3ヵ月後ともに血管撮影で腰動脈の描出は良好であった。SEMによる検討では、腰動脈orificeがstent strutにクロスしているもの、strut間に存在するものを認めたが、全例において閉塞所見は認めなかった。
細菌間情報伝達機構の分子メカニズムの解明と感染症治療への応用に関する研究

細菌間情報伝達機構の分子メカニズムの解明と感染症治療への応用に関する研究を実施し、その実現に向けた基礎的成果を上げることができた。特に、緑膿菌autoinducer分子の他菌種への影響は、interspecies communicationの概念からも重要な知見であると考えられる。近年、細菌の産生するホルモン様物質autoinducerを介したQuorum-sensing機構が注目されている。グラム陰性菌から陽性菌まで臨床的に重要な多くの病原体が本機構を使って病原因子の発現・biofilm形成等を制御していることが明らかとなっている。さらに最近では、このautoinducer分子が生体細胞に対しても多彩な影響を及ぼしていることが報告され、菌側・生体側の両面から感染症の病態形成に関与するシステムとして注目されている。本研究では、緑膿菌のQuorum-sensing機構に焦点をあて、(1) Quorum-sensing機構による病原因子発現制御の分子メカニズムの解明、(2)感染病態形成におけるQuorum-sensing機構の役割と重要性、(3) Quorum-sensing機構の制御による新しい感染症治療の可能性、について検討する。(1)Autoinducer分子およびその誘導体の緑膿菌および培養細胞に及ぼす影響:これまでに合成した緑膿菌autoinducer分子およびその誘導体を用いて、緑膿菌の病原因子エラスターゼ・ピオシアニン産生に及ぼす影響について検討するとともに、培養細胞のアポトーシス誘導・IL-8産生に与える影響について検討した。その結果、ある種の誘導体が強いアポトーシス誘導活性があることを見出し、現在、その構造活性相関について検討中である。(2)Autoinducerに対する生体側ターゲット分子の探索(プロテイン・アレイ解析)DNA arrayを用いて生体側ターゲット分子の探索を実施し、いくつかの候補分子が同定された。緑膿菌のautoinducer合成酵素遺伝子を欠損したΔlasI株,ΔrhlI株およびdouble欠損株をマウスに経気管的に接種し、6,12,24,48時間後の肺内菌数、Th1・Th2サイトカインおよびアポトーシス・マーカーについて検討を加えた。これまでの報告とは異なり、ΔlasI株,ΔrhlI株ではマウス急性呼吸器感染モデルで生体反応に大きな差異がみられないことが明らかとなった。(1)Autoinducer分子およびその誘導体の緑膿菌および培養細胞に及ぼす影響:緑膿菌autoinducer分子を用いて、アポトーシス・IL-8産生誘導について検討した。(2)Autoinducer合成酵素、転写活性化因子(R-蛋白)に対する抗体作成とその解析autoinducer合成酵素に対する抗体が得られなかったために、real-timePCRによりその発現を解析した。ΔlasI株,ΔrhlI株およびdouble欠損株をマウスに経気管的に接種し、経時的に肺内菌数、サイトカインおよびアポトーシス・マーカーを検討したところ、変異株における病原性の低下が観察された。(1)マクロライド剤のQuorum-sensing機構抑制剤としての有用性が示された。本年度は、細菌Quorum-sensing機構をターゲットとする感染症治療の可能性について重点的に研究を展開した。これまでに、マクロライド剤およびその誘導体の再スクリーニングによりQuorum-sensing阻害活性が強い化合物をいくつか見出していたが、本年度はその有効性に関してマウス感染モデルなどで解析を行った。クラリスロマイシンの誘導体に関しては、マクロライド剤を製造している製薬企業との共同研究のもとにいくつかの誘導体を提供いただき解析したところ、14員環構造を有するマクロライド剤の中に強いQuorum-sensing阻害活性が存在する候補が見出された。また、これまでに報告してきたアジスロマイシンのQuorum-sensing阻害剤としての有効性に関して、マウスを用いた人工呼吸器肺炎モデルで検討し、その有効性が改めて確認された。具体的には、緑膿菌気道感染ののちマウスに高酸素を与えることによる実験系において、緑膿菌に対して直接の抗菌活性を有しないアジスロマイシンを感染後に投与することにより、生存率の著明な改善を認めている(Kikuchi Y.Pul Pharmacol Ther,2009)。特にアジスロマイシンによる菌由来蛋白分解酵素産生の阻害が関与していることが示唆された。その他に、Quorum-sensing機構の感染病態における役割を解析する目的で、緑膿菌の産生するautoinducer分子をターゲットとするワクチン療法についても、3-oxo-C12-homoserine lactone分子だけでなく、新たにC4-homoserine lactone分子に対するワクチン療法の有効性について確認された。本年度は、これまでの研究をさらに展開し、緑膿菌Quorum-sensing分子の他の細菌への作用に関して重点的に研究を展開した。特に、緑膿菌の産生するC12-Homoserine lactoneの誘導体の中にClostridium difficileに対して強い抗菌活性を有する物質を見出した(Ueda C et al.)。本物質をC.difficileに作用させると、数時間の単位で本菌の膜が障害され、グラム染色性の変化、溶菌現象が生じることが観察された。この現象は、Quorum-sensing分子を介したInter-species communicationを示すものであり興味深い。

本研究においては、この点に関して緑膿菌の産生するautoinducerがレジオネラ属細菌の発育も抑制することも報告しており、Quorum-sensing機構の自然界および感染病態における新しい可能性を示すものであり重要と考えられる。今後、本研究を通して得られた知見をさらに発展させ、難治性・慢性感染症におけるQuorum-sensing機構の役割を解明するとともに、抗菌薬では治療できない感染症に対する新しい治療戦略を探索していく予定である。特に、本研究期間に得られた人工呼吸器関連肺炎モデルに対するマクロライド剤の有効性に関する知見は、本剤のQuorum-sensing機構抑制作用と関連した効果であり、将来的な臨床応用の可能性を示唆する成績である。さらに動物実験を用いてその臨床的有効性に関して検討していく必要がある。
トロンボキサンとプロスタサイクリン代謝物の免疫親和性精製と免疫測定法の開発

アラキドン酸由来の生理活性物質で、主として血小板で生成するトロンボキサンA_2(TXA_2)は、血小板を凝集させ血管を収縮させる。また、主として血管内皮細胞で生成するプロスタサイクリン(PGIA_2)は、血小板凝集を阻害し血管を拡張させる。両物質の生体内の動態を追究し、各種循環器疾患との関連を解明し、また、薬物の効果を判定しようと試みられている。本研究計画では、化学的に極めて不安定なTXA_2とPGI_2の分解産物のTXB_2と6-ケト-PGF_1αよりも、もっと代謝的半減期の長い代謝産物の11-デヒドロ-TXB_2と2,3ジノル-TXB_2および2,3-ジノル-6-ケト-PGF_1αの生体試料から簡便な抽出精製法と感度のよい測定法を、モノクローン抗体を利用して開発することを研究目的とする。すでにモノクローン抗体が調製されて、酵素免疫測定法の確立している11-デヒドロ-TXB_2に続いて、初年度は2,3-ジノル-6-ケト-PGF_1αについて、抗原決定部位の特異的認識を高めるためにω-カルボキシル誘導体を作って、そのカルボキシル基で蛋白に結合させてα鎖の方は遊離させたものを作り、それを抗原として特異性のよい抗体を作成することに成功した。このモノクローン抗体を使って、放射免疫測定法と酵素免疫測定法の条件を設定した。この抗体の6-ケト-PGF_1αとの交叉反応性は0.01%以下で、ペルオキシダーゼを標識とする酵素免疫測定法によって、14-1200fmolの範囲の2,3-ジノル-6-ケト-PGF_1αの測定が可能で、IC_<50>は120fmolであった。第2年度には、モノクローン抗体を大量に調製して、それを固相化したカラムを作って、免疫親和性クロマトグラフィーによって、尿中の2,3-ジノル-6-ケト-PGF_1αを簡便に効率よく抽出精製する方法を開発した。プロスタグランジンE_2およびロイコトリエンC_4にも、この方法を適用して、関節炎の患者の関節液中にこれらの化合物を測定した。トロンボキサン(TX)A_2とプロスタグランジン(PG)I_2はいずれもアラキドン酸から生合成され、血小板凝集や血管収縮にかかわる生理活性物質である。その生体内代謝動態を追究して病態生理学的意義を解明するため、代謝半減期の長い代謝物を測定するのがよいという考えから、11-デヒドロ-TXB_2,2,3-ジノル-TXB_2,2,3-ジノル-6-ケト-PGF_<1α>の免疫測定法の開発を試みた。2,3-ジノル-TXB_2のα鎖のカルボキシル炭素をアルブミンに結合させたものを抗原とすると、TXB_2と高度に交叉反応する抗体が得られ、α鎖長の違いを認識しないものと考えられた。

そこで2,3-ジノル-6-ケト-PGF_<1α>の場合は、ω鎖の末端をカルボキシル化したものを合成し、そこへウシ血清アルブミンを結合させたものを抗原として、マウスを免疫し、ハイブリドーマ法で抗2,3-ジノル-6-ケト-PGF_<1α>のモノクローン抗体を作った。幸にして特異性の高い抗体が得られ、6-ケト-PGF_<1α>との交叉反応率は0.01%以下であった。2,3-ジノル-6-ケト-PGF_<1α>は条件によってはγ-ラクトン型(閉環型)あるいはケトン型(開環型)として存在するが、検討の結果この抗体は開環型と反応することがわかった。この抗体を使って、2,3-〔^3H〕ジノル-6-ケト-20-カルボキシルメチル-PGF_<1α>を放射リガンドとして用いる放射免疫測定法の条件を設定した。また20-カルボキシル基をワサビのペルオキシダーゼに結合させた酵素標識抗原を作って、酵素免疫測定法の条件を設定した。アラキドン酸由来の生理活性物質で、主として血小板で生成するトロンボキサンA_2(TXA_2)は、血小板を凝集させ血管を収縮させる。また、主として血管内皮細胞で生成するプロスタサイクリン(PGI_2)は、血小板凝集を阻害し血管を拡張させる。両物質の生体内の動態を追究し、各種循環器疾患との関連を解明し、また、薬物の効果を判定しようと試みられている。本研究計画では、化学的に極めて不安定なTXA_2とPGI_2の分解産物のTXB_2と6-ケト-PGF_<1α>よりも、もっと代謝的半減期の長い代謝産物の11-デヒドロ-TXB_2と2,3-ジノル-TXB_2および2,3-ジノル-6-ケト-PGF_<1α>の生体試料から簡便な抽出精製法と感度のよい測定法を、モノクローン抗体を利用して開発することを研究目的とする。初年度の2,3-ジノル-6-ケト-PGF_<1α>に対するモノクローン抗体調製に続いて、平成6年度はその抗体を使った免疫親和性クロマトグラフィーによる生体試料からのアラキドン酸代謝物の抽出精製を試みた。抗2,3-ジノル-6-ケト-PGF_<1α>をBrCN活性化セファローズ4Bに結合させて固相化し、1mlのセファローズ4Bに860μg IgGの結合したカラムを標準カラムとして用いて、そのカラムに少なくとも60pmolの2,3-ジノル-6-ケト-PGF_<1α>が結合し得た。カラムからの溶出条件を検討して、尿に含まれる2,3-ジノル-6-ケト-PGF_<1α>をSEP-PAK C_<18>カラムで前処理してから上記の固相化抗体カラムで抽出すると、酵素免疫測定法を妨害する不純物と分離され、70%程度の収率で回収された。このように尿から抽出された試料を酵素免疫測定法に供すると、増量実験と添加回収実験、さらにGC-MSでの検定で、満足すべき結果を得た。なお、このモノクローン抗体を用いる免疫親和性クロマトグラフィーは、関節炎患者の滑液中のプロスタグランジンE_2とロイコトリエンC_4の抽出にも適用された。
活性化リンパ球特異的細胞表面分子ＣＤ６９による免疫制御機構の解明

フローサイトメトリーを用いた解析から、CD69L陽性の血管内皮細胞の多くが、PI、アネキシンV共陽性であった。このことから、炎症時において細胞死を起こした血管内皮細胞が、CD69Lを細胞外に露出させ、CD69を介した炎症細胞の組織浸潤に寄与するものと考えた。しかしながら、フローサイトメトリーならびにリアルタイムPCRの解析から、単離した血管内皮細胞におけるCD69LのタンパクやmRNAの炎症に伴った発現亢進は認められなかった。過去に、CD69Lは巨核球ならびに血小板において高発現しているとの報告がある。実際に、血小板ライセートを用いたウェスタンブロットの結果、血小板は非常に多くのCD69Lタンパク質を保有していることがわかった。また、コンフォーカル顕微鏡を用いた組織解析から、血管内腔のCD69Lと血小板との共局在が認められた。このことから、血小板がCD69L発現細胞である可能性が示唆された。2.慢性炎症におけるCD69Lの関与コンフォーカル顕微鏡を用いて、ヒト好酸球性慢性副鼻腔炎(ECRS)の組織ポリープを解析した結果、CD69Lは血管内腔のみならず、血管周囲にも非常に高く発現することが認められた。また、CD69Lと血小板との共局在が観察出来たことから、ヒトの慢性炎症時においても、血小板がCD69L発現細胞であることが示唆された。さらに興味深いことに、血管周囲に存在するCD69Lの近傍には非常に多くのCD69陽性細胞の局在が認められた。慢性炎症においてCD69LはCD69陽性炎症細胞の浸潤のみならず、維持にも機能する可能性が示唆された。CD69Lが急性炎症から慢性炎症へのシフトに寄与している可能性を考えている。現在、これまでの結果をまとめた論文を投稿中である。27年度が最終年度であるため、記入しない。1.抗CD69L抗体の作製と抗体を用いた骨髄記憶形成阻害、ならびに気道炎症緩和への影響複数のCD69Lの変異体を作製し、CD69との会合において重要なドメインを解析した。この実験により、CD69LのN末端領域が重要であることが判明した為、この領域の合成ペプチドを抗原とし、抗CD69L抗体を樹立した。この抗体はCD69との会合を阻害する機能抗体であることが、in vitroの解析により明らかとなった。次に抗CD69L抗体を予め投与したマウスに、活性化CD4 T細胞を移入し、その骨髄移行能への影響を調べた。結果、抗CD69L抗体投与マウスでは移行した細胞数が有為に減少していた。また、気道炎症モデルにおいて、抗CD69L抗体を投与した群では、粘膜の産生ならびに気道洗浄液中の細胞数の有為な低下が観察された。以上のことより、CD69Lに対する機能抗体は、CD69との会合をin vitro、ならびにin vivoで阻害し、CD4 T細胞の炎症組織への集積を抑制することが明らかとなった。2.記憶細胞形成を支持するCD69L^+細胞の同定CD4T細胞は末梢のリンパ節から血管を介して骨髄へ移行することがわかっている。そこで、蛍光標識した抗CD69L抗体をマウスの尾静脈より投与し、マウス骨髄の組織切片をコンフォーカル顕微鏡にて観察したところ、骨髄血管内皮細胞が染色されていた。末梢組織より骨髄へと移行してきたCD4T細胞が、まず始めに接触するCD69L細胞外発現細胞は血管内皮細胞であることがわかった。今回作製した抗CD69L抗体は、CD69/CD69Lの相互作用を阻害することで、肺における免疫反応の抑制ならびにそれに引き続く免疫記憶形成双方ともに抑制した。このことはアレルギー性疾患や自己免疫疾患といった、炎症と免疫記憶が増悪因子となる疾愚において、新規治療法の確立に繋がる重要な知見である。1.細胞内タンパク質CD69Lの細胞外発現機構の解析:コンフォーカル顕微鏡の解析より、炎症時にCD69Lの発現が誘導されている細胞は、血管内皮細胞であることが示唆された。より詳細に発現細胞の性状を解析する目的で、炎症肺組織から血管内皮細胞を含む組織細胞を単離し、フローサイトメトリーによりCD69Lの細胞外発現を解析した。その結果、血管内皮細胞マーカーであるPECAM-1陽性細胞の約10%に細胞外での発現が観察された。また、CD69L発現細胞はICAM-1を高発現しており、ICAM-1の発現量は、CD69L細胞外発現量と正の相関を示した。このことから、CD69Lは活性化した血管内皮細胞上の細胞外にて発現が誘導されることが示唆された。2.ヒトCD69とCD69Lを介したアレルギー性気道炎症の解析:ヒトCD69を遺伝子導入したCD69欠損マウス由来CD4 T細胞をホストマウスに移入することにより、ヒトCD69気道炎症モデルを樹立した。CD69Lはヒトーマウス間で99%のホモロジーを有しているので、このモデルにおいてもマウス同様にCD69L/CD69の会合を介した機構の存在が示唆される。このモデルを用いた気道炎症誘発実験において、抗CD69L抗体を投与した群では、顕著な炎症抑制が観察された。3.好酸球性慢性副鼻腔炎組織におけるCD69Lの発現:好酸球性副鼻腔

炎患者の粘膜組織を用いて、抗CD69L抗体を用いた組織染色を行った。正常粘膜組織と比べ、副鼻腔炎患者の粘膜組織ではCD69Lの発現が有為に亢進しており、CD69発現細胞との共局在も観察することができた。当該研究により、CD69のリガンドであるCD69Lは、ヒトの炎症疾患においても機能していることが示唆され、上述した疾患において、新規治療ターゲットとして有用である可能性が得られた。フローサイトメトリーを用いた解析から、CD69L陽性の血管内皮細胞の多くが、PI、アネキシンV共陽性であった。このことから、炎症時において細胞死を起こした血管内皮細胞が、CD69Lを細胞外に露出させ、CD69を介した炎症細胞の組織浸潤に寄与するものと考えた。しかしながら、フローサイトメトリーならびにリアルタイムPCRの解析から、単離した血管内皮細胞におけるCD69LのタンパクやmRNAの炎症に伴った発現亢進は認められなかった。過去に、CD69Lは巨核球ならびに血小板において高発現しているとの報告がある。実際に、血小板ライセートを用いたウェスタンブロットの結果、血小板は非常に多くのCD69Lタンパク質を保有していることがわかった。また、コンフォーカル顕微鏡を用いた組織解析から、血管内腔のCD69Lと血小板との共局在が認められた。このことから、血小板がCD69L発現細胞である可能性が示唆された。2.慢性炎症におけるCD69Lの関与コンフォーカル顕微鏡を用いて、ヒト好酸球性慢性副鼻腔炎(ECRS)の組織ポリープを解析した結果、CD69Lは血管内腔のみならず、血管周囲にも非常に高く発現することが認められた。また、CD69Lと血小板との共局在が観察出来たことから、ヒトの慢性炎症時においても、血小板がCD69L発現細胞であることが示唆された。さらに興味深いことに、血管周囲に存在するCD69Lの近傍には非常に多くのCD69陽性細胞の局在が認められた。慢性炎症においてCD69LはCD69陽性炎症細胞の浸潤のみならず、維持にも機能する可能性が示唆された。CD69Lが急性炎症から慢性炎症へのシフトに寄与している可能性を考えている。現在、これまでの結果をまとめた論文を投稿中である。昨年度までの研究結果は、提出した研究実施計画に沿って計画通り得られている。この度、ヒト組織の慢性炎症時においても、気道炎症同様にCD69Lの顕著な発現誘導が観察されており、また発現細胞がCD69発現細胞と共局在している様子も観察された。現在、CD69Lの発現機構の解析も着実に進められており、当初の計画以上に研究が進展していると考えている。27年度が最終年度であるため、記入しない。現在、論文をまとめており、近日中に投稿予定である。現在、他のヒト慢性炎症組織においてもCD69Lの発現が認められるか、いくつかの臨床サンプルを用いて解析中である。今後はヒト検体を用いた治療法の可能性を探るとともに、アレルギー性気道炎症モデルを中心とした、CD69Lの細胞外発現の分子機構の解明を目指し、解析を進めていきたいと考えている。この度、マウスの気道炎症においてCD69Lの発現が誘導されることが明らかとなった。現在、ヒト組織の慢性炎症時においても、気道炎症同様に炎症特異的なCD69Lの発現誘導が観察されており、また発現細胞がCD69発現細胞と共局在している様子も観察されている。
酵母発現系を用いたMycoplasma hominis病原因子の同定

ヒトから分離されるマイコプラズマ科はマイコプラズマ属のMycoplasma pneumoniaeによる肺炎がよく知られているが、Mycoplasma hominis、Mycoplasma genitalium、ならびにウレアプラズマ属なども尿道炎、骨盤内感染症、早産を引き起こす原因になると考えられている。また、M. hominisは、骨盤内炎症性疾患(pelvic inflammatory disease:PID)や帝王切開術後感染症などの周産期病態との関連や従来効果のある抗菌薬に対する耐性が報告されている。マイコプラズマ属は細菌蛋白を宿主へ注入し、宿主細胞内での生理的機能を撹乱することにより病原性を発揮していると予想される。マイコプラズマ属の病原因子の同定により、新たなマイコプラズマ属感染の治療・予防および持続感染による慢性炎症の予防・進行阻止が期待できる。M. hominisの全ゲノム情報を基に、既に機能が明らかにされている遺伝子(代謝系に機能することが知られているなど)を排除した機能未知遺伝子を選抜し、それぞれに対する1対のプライマーを作製した。M. hominisのATCC23114株を液体培地で培養し、培養液からゲノムの抽出を行った。M. hominisゲノムから、忠実性が高くかつ増幅効率が高いKOD plusポリメラーゼを用いて遺伝子を増幅し、PCR産物を得ることができた。得られたPCR産物を、酵母用ドナーベクターにGateway systemを用いて1ステップでクローニングを行った。クローニング後、それぞれのクローンの塩基配列の確認を行い、-80°Cに保存し、スクリーニングに備えている。遺伝子組み換え実験の申請や酵母発現系実験の準備に時間を要した。M. hominisの機能未知遺伝子ライブラリーを酵母株に形質転換し、網羅的にM. hominis病原因子候補をスクリーニングする。誘導培地での過剰発現によりi)致死になるもの、ii)液胞蛋白質マーカーを分泌するものを病原因子候補とする。また、病原分子を導入した際の経時的な細胞の変化を、タイムラプス蛍光顕微鏡を用いて細胞生物学的および生化学的に解析する。当該年度に購入予定であった酵母発現系実験のための高精度型インキュベーターとマイクロチューブミキサーを次年度購入予定とした。
四肢動物の前肢骨格形態と運動機能との関係、及び絶滅動物の前肢姿勢復元

四肢動物の仲間はこれまでに多様な運動姿勢や運動機能を獲得してきた。特に前肢の筋骨格形態の多様化が動物の生息域や生活戦略の多様化に大きく貢献してきたことは疑いようがない。本研究では、特に四肢動物の運動機能の進化で主要なイベントとされる「トカゲのように肘を張り出す側方型の姿勢と、一般的哺乳類のように肘を体の下に置く下方型の姿勢の進化」に注目した。姿勢の進化と多様化の過程を解明するためには、まず個々の絶滅動物の姿勢が正しく復元されなければならない。しかし、それらの復元は定量的なデータで示されておらず、力学的・解剖学的根拠にも乏しかったため、例えばトリケラトプス(角竜類恐竜)やデスモスチルス・パレオパラドキシア(束柱類哺乳類)などの絶滅四肢動物の前肢姿勢は研究者の主観に頼ることが多く、結果的に様々な復元仮説が出来上がっていた。この問題に決着をつけるべく、本研究では現生四肢動物すべての主要分類群を対象とした計測を行ない、骨格形態と前肢姿勢の関係を導き出した。本研究では、側方型や下方型の姿勢の違いに伴い、地面からの抗力が肘関節へどのようなモーメントをあたえ、それに対抗して肘関節のどの筋が姿勢維持に重要であるかを予測し、肘関節をそれぞれの方向へ動かす筋のモーメントアームを骨格形態上で計測した。その結果、側方型姿勢、下方型姿勢、そしてナマケモノ類のように地面で体を引きずってあるく這いずり型の姿勢で、それぞれ用いる筋のモーメントアームが発達していることが示された。このことから、絶滅四肢動物の骨格形態の計測に基づいてその前肢姿勢を力学的矛盾もなく、かつ定量的な判別によって復元することが初めて可能となった。本研究成果は今後の古脊椎動物学の復元において重要な根拠を提示するだけではなく、現生動物の生態的な多様性がどのような要因によって生まれているのかを解釈する上でも重要な発見である。平成23年度は現生四肢動物の主要分類群全ての前肢骨格の形態データを集め、力学的かつ統計的な手法によって四肢動物の運動機能について重要な発見をもたらした。また、前肢姿勢を骨格形態から定量的に復元する手法を構築し、多くの絶滅四肢動物の姿勢復元へ応用した。四肢動物が前肢姿勢を決定する要因のひとつを肘関節の骨格形態に認めることができた。今後は、肩関節についても骨格形態と運動機能の関係を探ると同時に、具体的に様々な絶滅動物群の前肢姿勢の復元を行ない、四肢動物の系統の中で前肢姿勢がどのように進化・多様化していったかを解明する。22年度は5月から年度末までイギリス・The Royal Veterinary Collegeを訪問し、現在も滞在中である。当地ではまず、(1)トカゲやヒキガエルなどの這い歩き型歩行を行なう四肢動物の前肢に関して精密な筋骨格モデルを構築し、関節角度に伴う各体重支持筋のモーメントアームがどのように変化するかについてのシミュレーションを行ない、その結果をイギリスCambridgeで行なわれたAnnual Symposium of Vertebrate Palaeontology and Comparative Anatomyにて発表した。また、(2)三次元モーションキャプチャーを用いて、トカゲの歩行運動中の前肢の動きを三次元的に捉え、現在データ処理を行なっている。(1)(2)の結果は来年度中にまとめ、投稿する予定である。さらに、(3)CTスキャンによってトカゲ類の前肢の可動範囲を詳細に調べ、従来知られていた以上の可動域があることを示すことに成功した。また、(4)イギリス各地の博物館を巡り、現生四肢動物のほぼ全てのグループの四肢骨格の計測を行ない、前肢の運動姿勢ごとに各筋のモーメントのパターン認識を行なった。その結果、本研究の計測部位を用いることで動物の運動姿勢ごと分類ができることが示され、絶滅動物の姿勢復元に有効な手法を構築できる見込みができた。(3)(4)の結果はひとつにまとめられ、来年度始めに科学雑誌へ投稿できる見込みである。また、昨年度までの研究成果3編が新たに科学雑誌に掲載・受理され、3件の国際学会での発表を行なった。

その結果、側方型姿勢、下方型姿勢、そしてナマケモノ類のように地面で体を引きずってあるく這いずり型の姿勢で、それぞれ用いる筋のモーメントアームが発達していることが示された。このことから、絶滅四肢動物の骨格形態の計測に基づいてその前肢姿勢を力学的矛盾もなく、かつ定量的な判別によって復元することが初めて可能となった。本研究成果は今後の古脊椎動物学の復元において重要な根拠を提示するだけではなく、現生動物の生態的な多様性がどのような要因によって生まれているのかを解釈する上でも重要な発見である。平成23年度は現生四肢動物の主要分類群全ての前肢骨格の形態データを集め、力学的かつ統計的な手法によって四肢動物の運動機能について重要な発見をもたらした。また、前肢姿勢を骨格形態から定量的に復元する手法を構築し、多くの絶滅四肢動物の姿勢復元へ応用した。四肢動物が前肢姿勢を決定する要因のひとつを肘関節の骨格形態に認めることができた。今後は、肩関節についても骨格形態と運動機能の関係を探ると同時に、具体的に様々な絶滅動物群の前肢姿勢の復元を行ない、四肢動物の系統の中で前肢姿勢がどのように進化・多様化していったかを解明する。
心の健康維持のためのEmotional Fitnessの実践と検証

本研究では、心の健康維持のための運動であるEmotionalFitnessにおける走者個々の最適な運動強度を決定するため、心拍数から無酸素性作業閾値(AT)を推定するニューラルネットワークモデルを構築し、ATを用いた最適運動強度の概数を示した。また、走者の音楽聴取による心拍数の上昇・下降変化モデルを構築し、ファジィ制御により運動中に聴取する音楽を切り替えることにより走者の心拍数をリアルタイムで制御するシステムを開発した。指尖容積脈波は指尖部のヘモグロビンの吸光度変化から血流変動を測定していることも明らかにされており,おもに抹消血液循環動態や自律神経機能を反映する検査として用いられている.情報量に乏しい指尖容積脈波の欠点を克服し,脈波の定量的な解析を行うために,二次微分波形である加速度脈波を本研究では用いた.まず,指尖容積脈波を二次微分により加速度脈波を求め,加速度脈波をフーリエ変換によりパワースペクトルを求める.次に,加速度脈波のコヒーレンスを計算し,これにパワースペクトルのパワーを書く周波数ごとに乗じることにより,CPを得る.ここで,CPのHF(高周波パワー)に対するLF(低周波パワー)の比を爽快感指標と定義する2.二次元気分尺度にもとづく快適度二次元気分尺度は,気分は覚醒度(興奮-鎮静)と快適度(快-不快)の2軸が直行する2次元構造からなるとするモデルを基礎とする尺度である.この2軸によって区切られる4カテゴリーの心理状態に対応する表現語を因子分析することによって,ポジティブ覚醒因子とネガティブ覚醒因子が抽出し,それを得点化する3.トレッドミル走行実験による爽快感指標と快適度の相関関係被験者男女各5名によるトレッドミル走行実験を行い,爽快感指標と快適度の相関関係を検討した.男性の運動強度を30%,女性の運動強度を20%に設定したとき,爽快感指標と快適度との間には高い負の相関があることが明らかとなった心拍数からATを推定するアルゴリズムを提案した。まず、トレッドミルを用いた走行実験で心拍数を計測し、走行速度と心拍数二乗の関係をシグモイド関数で近似し、AT推定アルゴリズムを提案した。次に、心拍数および走者の主観情報を入力とし、提案手法より算出したATを出力とするニューラルネットワークモデルを構築し、モデルを検証した。その結果、入力情報に走者の体力自信度を加えることにより、AT推定ニューラルネットワークモデルの精度が上がることが明らかとなった。最後に、ストレス指標であるコルチゾール濃度を唾液から測定し、推定ATとコルチゾール濃度の関係から走者のストレス評価を行なった。その結果、アンケート項目の体調がよい、または運動が好きであると回答した走者は、AT時の心拍数よりも高い心拍数で運動を行うとコルチゾール濃度が増加することが明らかとなり、そのような走者に取って、AT以上の心拍数での走行はストレス増加につながることが確認できた。2.音楽聴取による走者心拍数のファジィ制御運動のテンポを作る信号として音楽を用い、運動中に聴取する音楽をファジィ制御にもとづいて切り替えることにより、心拍数の制御を行った。まず、被験者の音楽聴取による心拍数の上昇・下降変化モデルを作成した。次に、ファジィ制御のためのメンバーシップ関数、ファジィルールを作成し、心拍数モデルを用いたシミュレーション実験を通してルールとメンバーシップ関数の最適化を行った。最後に、実際の走者心拍数のリアルタイムファジィ制御を行い、その有効性を示した。なお、心拍数をリアルタイムで計測できる装置が無いため、無線式心拍計の液晶表示を画像処理によりリアルタイムで心拍数を読み取り、制御器へ送るリアルタイム心拍計測装置を開発した。運動に対する個人の適性への違いを考慮したEF(Emotional Fitness)実現のため、走者の運動後のストレスが最小となる最適運動強度を無酸素性作業閾値(AT: Anaerobic Threshold)にもとづいて推定した。なお、ATとは有酸素運動から無酸素運動に切り替わるときの運動強度であり、個人の運動特性に影響を受けず、運動に慣れてないものから慣れたものまで統一的に運動強度を扱うことのができる指標の1つと考えられる。本研究では、様々な運動適正をもつ被験者のトレッドミル走行実験を通して、ATを基準とした新しい運動強度基準と走行後のストレスとの関係を明らかにし、ATを基準とする最適運動強度指標の有効性を明らかにした。トレッドミルを用いて8名の被験者に各個人のATの80%, 100%, 120%の目標運動強度で計3回の走行実験を行った。まず、閉眼座位安静を5分間した後,ウォームアップを5分間行った。次に、4[km/h]から1分ごとに1.0[km/h]ずつ速度を上げ、目標運動強度の誤差5%の範囲に入ってから30分間走行した。走行中目標運動強度から外れた場合、走行速度を0.5[km/h]ずつ加減速することにより、被験者の心拍数を目標運動強度誤差範囲に保った。

その後クールダウンを行い、閉眼座位安静をしながら, 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60分のときにストレス計測を行った。計測項目は心拍数、唾液中コルチゾール濃度、快適度のための二次元気分尺度とした。唾液中コルチゾール濃度については分析中であるが、その他の指標からATの80%が3指標の中では最もストレスが低いことが明らかととなった。今後は、コルチゾール濃度と合わせて、80%AT運動強度の有効性を確認する予定である。Emotional Fitnessを実現するための2つの生理指標を提案した。一つは加速度脈波におけるHF/LFであり、他方はコルチゾール濃度である。また、これら指標と主観的指標である二次元気分尺度との関係も明らかとなった。さらに、音楽聴取による心拍数制御、すなわち運動強度制御もファジィ制御を用いることが可能となった。24年度が最終年度であるため、記入しない。残る課題は、Emotional Fitnessのための最適な運動強度(心拍数)を走者毎に決定する手法を開発する必要がある。最適性の評価には、加速度脈波におけるHF/LFおよびコルチゾール濃度を指標にすることを考えている。また、走者の運動経験による個人差の扱いについても、AT(無酸素性作業閾値)を基準値として用いることが有効と考える。また、Emotional Fitnessの実用化(実践)における課題として、心拍数あるいは脈波のリアルタイム計測装置のハード化および音楽選曲システムの小型化をあげることができる。