hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
無線分散ネットワークを活用した分散型制御システム理論の構築

本プロジェクトでは,無線分散ネットワーク技術をベースに,これまで情報通信ネットワークと接続されていなかったシステムを接続するための技術開発を目的としている.具体的には,リンクレベルの高信頼化,階層構造で構成されるメッシュネットーワークにおける双方向フローの高性能化と,上下階層間での自律的制御方式の確立,分散制御のためのゲーム理論と機械学習アルゴリズムの開発,複数の独立したネットワーク間での自律的リソースマネージメント,照明制御ネットワークを前提とした実証試験を実施した.本研究課題は,(課題1)制御遅延を考慮したネットワーク情報理論の構築,(課題2)多次元信号処理を用いた階層型多重アクセス通信路の高度化,(課題3)分散制御アルゴリズムの構築,(課題4)機械学習を活用した制御アルゴリズムの構築,(課題5)ネットワーク制御理論の構築,(課題6)階層型電力制御ネットワーク試作システムの構築,(課題7)研究成果の社会還元,という7つの課題で構成されている.各課題の具体的成果は以下のとおりである.課題1は,複数の中継回線経由で伝送した際の受信処理を中心に検討した.課題2では,分散型電力制御を実現するための基幹回線無線中継ネットワークを構築した.中継ノードを配置する際,末端デバイスの消費電力を低減する様設置場所の準最適化やルーティングプロトコルの改良を行った.課題3では,複数家屋間のエネルギーマネジメントシステムを微分ゲームを用いて定式化し,家屋間の通信の有無によるダイナミクスの違いを解析するフレームワークを作成した.課題4では,相関の影響を考慮したメッセージパッシングアルゴリズムを検討した.課題5では,下位層での自律的信号処理によって上位層に委ねる調整の幅を縮小し,それによって系全体を安定化させるためのアルゴリズムを検討した.課題6では,本研究課題の主テーマである分散型電力制御ネットワークの試作を行った.アクチュエータは,そもそもの節電効果も考慮してオフィス内のLED照明とし,センサはオフィスに散撒かれた人感センサ,人感センサと制御サーバ間はIEEE802.15.4gを拡張した無線マルチホップ中継ネットワークにより構築した.課題7については,来年度東京で国際会議を開催する方向で,ジョージア工科大学の先生と準備を進めることがほぼ決まった状況である.本研究課題は,(課題1)制御遅延を考慮したネットワーク情報理論の構築,(課題2)多次元信号処理を用いた階層型多重アクセス通信路の高度化,(課題3)分散制御アルゴリズムの構築,(課題4)機械学習を活用した制御アルゴリズムの構築,(課題5)ネットワーク制御理論の構築,(課題6)階層型電力制御ネットワーク試作システムの構築,(課題7)研究成果の社会還元,という7つの課題で構成されている.各課題の具体的成果は以下のとおりである.課題1では,ネットワーク情報理論における通信路容量を信号点拘束容量で捉えた上で,Slepian-Wolfの定理に基づいた時間相関を考慮した情報源符号化定理を構築した.課題2では,複数のアンテナを用いた階層型多重アクセス通信路の通信路容量を導出し,通信ネットワーク設計手法を確立した.課題3では,微分ゲーム理論を適用して需要側においてエネルギー管理を行う手法を確立した.なお本課題については,京都大学の山本高至准教授に連携研究者として協力していただいた.課題4では,センサ情報の相関に起因する知識の確率的集約の誤差を抑制を目的として,相関の影響を考慮したメッセージパッシングアルゴリズムを検討した.課題5では,来年度からの本格的検討を前に,電力ネットワークの需要家側である下位層において電力使用に優先順位を設定し,上位からの規定を拘束条件として下層の電力使用を制御することで,結果として本課題が目的とすることを実現できる見通しを得た.課題6では,本研究課題の実証を行うための階層型電力制御ネットワークの設計と,一部の機能の実験的検討を行った.課題7については,シドニー大学への訪問や,国際会議での招待講演の発表など,平成25年度以降,国際会議(国際ワークショップ),論文特集号の編集,教科書執筆等を実現するための準備を実施した.本研究課題は,(課題1)制御遅延を考慮したネットワーク情報理論の構築,(課題2)多次元信号処理を用いた階層型多重アクセス通信路の高度化,(課題3)分散制御アルゴリズムの構築,(課題4)機械学習を活用した制御アルゴリズムの構築,(課題5)ネットワーク制御理論の構築,(課題6)階層型電力制御ネットワーク試作システムの構築,(課題7)研究成果の社会還元,という7つの課題で構成されている.各課題の具体的成果は以下の通りである.この中で本年度注力したのは,課題3,4,6,7である.課題3では,複数家屋間のエネルギーマネジメントシステムに関する微分ゲームを用いた定式化により,家屋間の通信の有無によるダイナミクスの違いを解析した.課題4では,制御通信システムを対象とした即応性と信頼性を柔軟に満たすための非直交アクセス通信システムを確立した.また,その自律分散リソース管理のための機械学習法を提案し,その有効性を明らかにした。課題6では,ワイヤレス給電で駆動するバッテリレス人感センサネットワークとそれを活用した自動照明制御システムを構築した.オフィス内に分散配置された人感センサを用いて人の存在位置を推定し,その位置における照度が規定値を超える様に適応的に照明をON/OFF制御することによって,快適性を損なうことなく消費電力を約40%削減できることを確認した.課題7では,平成27年度に実施される国際会議の組織化グループに参画し,その中で研究分野の発表が数多く集まるとともに,我々の研究成果が発表できる環境を整えるための作業を行った.

そのほか,課題5に関しては,ネットワークの論理構成に拘束されることなく,端末群が互いに協力して媒体予約を行い,予約した無線周波数資源を協調して伝送に利用するための媒体アクセス制御プロトコルを提案し,その有効性を明らかにした.本研究課題は,(課題1)制御遅延を考慮したネットワーク情報理論の構築,(課題2)多次元信号処理を用いた階層型多重アクセス通信路の高度化,(課題3)分散制御アルゴリズムの構築,(課題4)機械学習を活用した制御アルゴリズムの構築,(課題5)ネットワーク制御理論の構築,(課題6)階層型電力制御ネットワーク試作システムの構築,(課題7)研究成果の社会還元,という7つの課題で構築されている.この中で今年度注力したのは,研究課題3,4,5,6,7である.課題3では,技術の適用分野を検討し,電灯線向けのエネルギーマネジメントシステムに加えて,マイクロ波電力伝送による無線LAN向けのエネルギーマネジメントシステムを開発し,かつ実装したシステムでの実験を実施した.課題4では,制御通信システムを対象とした即応性と信頼性を柔軟に満たすための非直交アクセス通信システムにおける伝搬路推定問題を非直交パイロット系列に基づき解決を図った.このとき,非直交パイロット系列のユーザへの割り当てる機械学習法を提案し,その有効性を明らかにした。また,分散制御システムの時間同期にGPS信号を活用する方策についても検討した.課題5では,ネットワーク制御における無線リソース制御技術として,送空間内に偏在する端末から周期的に媒体占有時間を継続して通知することで,空間所有者専用チャネルを仮想的に構築する手法を提案し,その有効性を検証した.課題6については,ネットワーク試作自体は昨年度に基本的システムを構築したので,今年度は最下層に位置するセンサの電源を電波で伝送するための技術,特に周波数シフトダイバーシチを適用したマルチポイント給電形態を実装し,その有効性を解析した.課題7については,学会を通じて本分野に関する成果を公表するとともに,本分野を集中的に議論するセッションを企画した.おおむね順調に進行している.実験については,一昨年度,電力ネットワークの代わりに室内照明を用いて実証試験を行うという修正を行い,実際に制御ができるところまで確認しているが,今年度はそこに,最下層ネットワークのセンサに対する電波給電システムを融合するという形で,予定以上のところまで実施している.また,無線分散ネットワークを前提とした制御システムとして,簡易な実証システムを構築してその実現性を評価しているという意味で,当初の目標を超える範囲も含めて検討している.社会還元についても,平成27年度に国際会議を実施する等,計画的に進めた.
高出力新型分布反射型(DR)レ-ザに関する研究

本研究は、新型分布反射型(DR)動的単一モ-ドレ-ザの動作特性を理論的及び実験的に明らかにすると共に、従来のDBRレ-ザやDFBレ-ザを凌賀する高出力・高効率動作及び優れた単一モ-ド動作性能を実証することを目的としている。このため、最終年度はBIG導波路集積構造を有するDRレ-ザを試作し、従来の動的単一モ-ドレ-ザを凌ぐ高出力動作及び高効率動作の実証のための研究を推し進めると共に、高速変調時のスペクトル純度を高める(動的波長広がりの低減)ための研究を行い以下の知見を得た。DRレ-ザの発振特性の位相シフト位置依存性の解析から、位相シフト位置は、活性領域と受動領域の結合部から活性領域長の30%程度前方にシフトすることによって、効率の一層の向上が可能であることを明かにした。DRレ-ザの実効的な線幅増大係数の解析を行い、DRレ-ザにおいては、活性領域と受動領域との間に伝搬定数差を設けることによって実効的線幅増大係数を低減することが可能であることを明かにした。解析から伝搬定数差δβを受動領域の結合係数κ程度にし、さらにλ/8位相シフトを入れることによって実効的線幅増大係数を材料で決まる値の1/2まで低減できることが明かとなった。DRレ-ザの高出力動作時の特性を明かにする為に、不均一光電界分布による空間ホ-ルバ-ニング効果を考慮した解析を行い、光出力、発振スペクトル、発振線幅に空間ホ-ルバ-ニングが及ぼす影響を明らかにした。以上の理論を基に、薄層の活性層とSCH構造を用い、さらに非対称回折格子を有するDRレ-ザを試作し、従来のDFBレ-ザに比べて1/2の低チャ-プ特性、1/5の狭線幅特性を得た。これから、DRレ-ザにおいての実効的な線幅増大係数が1/2に低減できることを確認した。このため、平成元年度はBIG導波路集積構造を有するDRレ-ザを試作すると共に、その高効率動作を目的とした共振器構造の理論的解明を行い、以下の知見を得た。DRレ-ザの単一モ-ド動作のための活性領域と受動領域の光導波路の等価屈折率差から定まる各領域間の伝搬定数差の許容範囲は、受動領域の回折格子における結合係数に依存することを理論的に明らかにした。この結果、BIG導波路集積構造においては、活性層を薄膜化(0.05ミクロン以下)することによって単一モ-ド動作の為の作製許容度が高められることが明らかとなった。さらに、光閉じ込めとキャリア閉じ込めを別々に行えるSCH構造をBIG導波路集積構造に取り入れることにより、活性層を薄膜化しても発振しきい値電流密度を高める事なく、微分量子効率を従来の約1.5倍(DRレ-ザとしての片端面光出力の微分量子効率は70%)まで高められることが理論的に明らかとなった。

選択エッチング法を用いて活性領域の回折格子深さを2030nm、受動領域のそれを100nmとした非対称回折格子を作製し、OMVPE法により回折格子形状を劣化させること無く埋込み成長を行った結果、しきい値2030mA、副モ-ド抑圧比約39dB、また前方端面からの光出力と後方端面からの光出力の比が51という良好なDRレ-ザを実現した。本研究は、新型分布反射型(DR)動的単一モ-ドレ-ザの動作特性を理論的及び実験的に明らかにすると共に,従来のDBRレ-ザやDFBレ-ザを凌賀する高出力・高効率動作及び優れた単一モ-ド動作性能を実証することを目的としている。このため,平成2年度はBIG導波路集積構造を有するDRレ-ザを試作し、従来の動的単一モ-ドレ-ザを凌ぐ高出力動作及び高効率動作の実証のための研究を推し進めると共に、高速変調時のスペクトル純度を高める(動的波長広がりの低減)ための研究を行い以下の知見を得た。DRレ-ザの発振特性の位相シフト位置依存性の解析から,位相シフト位置は、活性領域と受動領域の結合部から活性領域長の30%程度前方にシフトすることによって、効率の一層の向上が可能であることを明かにした。DRレ-ザの実効的な線幅増大係数の解析を行い、DRレ-ザにおいては、活性領域と受動領域との間に伝搬定数差を設けることによって実効的線幅増大係数を低減することが可能であることを明かにした。解析から伝搬定数差δβを受動領域の結合係数κ程度にし、さらにλ/8位相シフトを入れることによって実効的線幅増大係数を材料で決まる値の1/2まで低減できることが明かとなった。DRレ-ザの高出力動作時の特性を明かにする為に、不均一光電界分布による空間ホ-ルバ-ニング効果を考慮した解析を行い、光出力、発振スペクトル、発振線幅に空間ホ-ルバ-ニングが及ぼす影響を明らかにした。以上の理論を基に、薄層の活性層とSCH構造を用い、さらに非対称回折格子を有するDRレ-ザを試作し、従来のDFBレ-ザに比べて1/2の低チャ-プ特性、1/5の狭線幅特性を得た。これから、DRレ-ザにおいての実効的な線幅増大係数が1/2に低減できることを確認した。
樹状細胞を用いた膵癌に対する免疫療法の確立

樹状細胞を用いた免疫療法を行う場合、腫瘍抗原を提示させる方法が問題となる。膵癌では腫瘍関連抗原が同定されていないため、膵癌細胞そのものを腫瘍抗原の供給源として樹状細胞に取り込ませる方法が考えられる。本研究では放射線照射を行った膵癌細胞が樹状細胞に貪食されるか否かについて検討した。培養膵癌細胞株Panc1、MiaPaCa-2、PK-1を用いて25.35Gyの電子線を照射した後、Annexin VおよびPropidium Iod ideを用いて染色し、フローサイトメトリにて解析したところ、照射後3時間の時点でいずれの細胞株においてもアポトーシスとネクローシスの両方が検出された。腫瘍細胞の種類によってアポトーシスをおこしやすいものと、むしろネクローシスに陥りやすいものとがあった。照射線量が大きいほどネクローシスになりやすかった。次に膜に固定される蛍光色素(オレンジ色)にて染色したPanc1またはMiaPaCa-2に30Gyの照射を行った後、予め末梢血単球よりGM-CSF、IL-4を用いて誘導、培養しておいた未成熟樹状細胞(緑色の蛍光色素にて染色したもの)を加えて共培養し、18時間後に蛍光顕微鏡で観察したところ、腫瘍断片(オレンジ色)が樹状細胞(緑色)に取り込まれている様子が確認された。同様に蛍光色素(オレンジ色)にて染色したMiaPaCa-2に30Gyの照射を行った後、未成熟樹状細胞を加えて18時間共培養した後、FITC標識抗CD1a抗体、および抗HLA-DR抗体にて染色し、フローサイトメトリにて解析したところ、いずれの抗体を用いた場合でもダブルポジティブ細胞(腫瘍片を貪食した樹状細胞)が多数認められた。以上より末梢血単球よりGM-CSF、IL-4を用いて誘導、培養した未成熟樹状細胞は、放射線照射を実施した膵癌細胞を貪食することが確認された。
胎生期成長因子GDNFからみた前立腺肥大症発生機序の解明と新規治療薬の開発

私たちはこれまでに前立腺肥大症の発生機序を解明するために、胎児ラットの前立腺原器である泌尿生殖洞を成体雄ラットの前立腺被膜下に移植することで病理学的に人に類似した間質増生主体の前立腺肥大症モデルを作成し研究してきた。その結果、GDNF(grial cell-derived neurotrophic factor)が正常前立腺に比較して前立腺肥大モデルに高発現していることが確認された。また、GDNFシグナルが前立腺由来の細胞株にどのような影響をもたらしているのか、その増生機能への影響を調べるとともに、GDNFシグナルの下流経路についてその動きを検討した。前立腺肥大症の発生機序は、これまで有用なモデルが無く解明が困難であった。近年私たちは、胎児泌尿生殖洞を成体ラットに移植することで、ヒトに類似した間質優位前立腺肥大モデルを作成することに成功した。GDNFは神経栄養因子として同定され、腎の発生、神経細胞の分化と生存に関わるとともに、胎生期特異的に泌尿生殖洞(前立腺原器)に発現している。泌尿生殖洞の移植で間質主体の前立腺肥大モデルが得られる事実と、初期分化能の再獲得が前立腺肥大発生に寄与するという仮説(reawakening theory)から、私たちはGDNFの前立腺における働きに着目した。私たちはこれまでに、ヒト前立腺肥大症にGDNFが発現し、ヒト前立腺サイズとGDNF受容体遺伝子の発現量に正の相関があることと、正常前立腺由来の培養細胞にGDNFおよびその受容体が発現していることを確認した。さらに、GDNFによりその下流で誘導される遺伝子として知られるGZF1(GDNF inducible zinc finger protein 1)やSEP1などの経路の活性化を定量PCR法で検討した結果、これらについてもヒト前立腺のサイズに正の相関を持つことが明らかとなった。今後、間質優位前立腺肥大症モデルにおけるGDNFの役割の詳細を明らかにするため、GDNFの受容体の下流経路の詳細を検討する予定である。私たちはこれまでに前立腺肥大症の発生機序を解明するため、胎児ラットの前立腺原器である泌尿生殖洞を成体雄ラットの前立腺皮膜下に移植することで、病理学的にヒトと類似した間質増生主体の前立腺肥大症モデルを作製し研究してきた。その結果、GDNF(grail cell-derived neurotrophic factor)が、正常前立腺に比較して前立腺肥大モデルに高発現していることが確認された。また、GDNFシグナルが前立腺由来の細胞にどのような影響をもたらしているのか、その増殖能への影響を調べるとともに、GDNFシグナルの下流経路についてヒト前立腺由来細胞株を用いてその動きを検討した。その結果、ヒト前立腺由来細胞株のうち、間質由来の細胞において、GDNFを投与することによって増殖能が増加することが確認された。GDNFシグナルの下流経路にはその受容体としてGFRα受容体とRET受容体を介してAktのリン酸化に作用することが報告されており、ヒト前立腺由来間質細胞株を用いて検討したところ、Aktのリン酸化が促進される傾向が観察された。また、泌尿生殖洞移植によりえられるラット前立腺肥大モデルの発症がアンドロゲン依存性かどうかを確認するため、移植後に抗アンドロゲン薬であるフィナステリドを経口投与してその影響を観察した。その結果、フィナステリドを投与した群では前立腺肥大組織が発生しないことが確認された。これにより、同モデルの発生はアンドロゲン依存性であることが示唆された。泌尿器科学私たちはこれまでに、ヒト前立腺肥大症にGDNFが発現し、ヒト前立腺サイズとGDNF受容体遺伝子の発現量に正の相関があることと、正常前立腺由来の培養細胞にGDNFおよびその受容体が発現していることを確認した。これらより、GDNFを介したシグナル伝達系が前立腺肥大に関与している可能性が高まったと考える。今後、前立腺肥大症と、GDNFを介したシグナル伝達経路の詳細についてさらに検討を行う予定である。また、GDNFとその阻害薬を用いたin vitro, in vivoにおける増殖能に対する影響を検討する。GDNFの増殖能に対する役割を検討するため、ヒト前立腺由来細胞株および間質優位前立腺肥大症モデルに対してGDNFおよびその阻害薬を投与し、上記リン酸化経路の活性と、誘導遺伝子の増減について検討すると共に、WST1 assay法などを用いて増殖能についての変化を確認する予定である。さらに、前立腺肥大症モデルに高発現するタンパク質のスクリーニングと機能の解析を行う。過去に私たちが行ったmRNA microarrayの結果から、前立腺肥大発生の原因にはGDNFとRET癌原遺伝子を介する経路の他に、複数の経路の活性化が予想される。間質優位前立腺肥大症モデル発生の詳細を解明するため、タンパク質レベルでの網羅的解析を計画する。

本年度中心的に行ってきたGDNF下流で誘導される遺伝子の定量解析において、予想よりも顕著な正の相関が得られたため、予定していたよりも消耗品の購入額が減少した。GDNFの下流経路のリン酸化レベルの検討、タンパクレベルの解析にむけて、培養細胞を用いて検討を行う予定であるが、健常なヒト由来の細胞であるため、ロット毎に結果がばらつくことが予想される。このため、細胞株変更の可能性があり、必要に応じて前記余剰予算を用いて細胞株による反応性の変化を検討する。また、その際に生じた抗体、試薬の不足を補うために、前記余剰予算を振り分ける予定である。
歯科治療によるストレス侵襲に対する精神鎮静法の心血管系保護作用

培養ラット褐色細胞腫細胞(PC12)で、細胞膜電位感受性蛍光色素を用いた膜電位の測定を行った。細胞膜のKATPチャネル活性に対して静脈麻酔薬のミダゾラムは、有意な変化を認めるに至らなかった。さらにラットを用い慢性疼痛モデルのひとつである、脊髄神経結紮損傷モデル(SNLモデル)作成し、その副腎クロマフィン細胞を単離摘出した。しかし、測定可能な細胞を充分に得るに至らなかった。本研究の目的は、歯科治療時の心血管系ストレスに対するATP感受性Kチャネル(K_<ATP>チャネル)の影響およびチャネルに対する静脈麻酔薬の作用を明らかにし、歯科治療時の心血管系ストレスに対する精神鎮静法に指針を与えることである。当初の方法は、褐色細胞腫細胞(PC12)を用いてストレス条件下でのK_<ATP>チャネル活性の変化を検討し、ストレス条件でK_<ATP>チャネル活性に及ぼす静脈麻酔薬の影響を検討することであった。まず、培養ラット褐色細胞腫細胞(PC12)を用いてK_<ATP>チャネル活性の測定を試みた。蛍光色素を用いた蛍光法による膜電位の変化を測定したところ、K_<ATP>チャネル開口薬に反応する膜電位変化は、褐色細胞腫細胞では非常に弱く、測定レベルに達しないことが判明した。これは、培養継代に伴うチャネル活性の低下、腫瘍化に伴うチャネルの遺伝子発現レベルの異常等が考えられた。そこで本研究の目的を遂行するために,正常ラットから急性単離したプライマリ細胞(副腎クロマフィン細胞)を用いてチャネル活性を測定する必要があると考えられた。K_<ATP>チャネルはプライマリ細胞に発現し、ストレス刺激のカテコラミン分泌機序への関与が示唆されている。また、プライマリ細胞ではK_<ATP>チャネル活性の測定が可能であるとの報告がある。ただし、本研究の目的はストレス条件下での各種麻酔薬の影響を検討することである。そのため、褐色細胞腫細胞と異なりプライマリ細胞では異常興奮によるカテコラミン分泌(ストレス反応)が少なくストレス条件下での測定が困難である。そこで、慢性疼痛モデルであるストレス条件下ラットを作成し、プライマリ細胞のK_<ATP>チャネル活性に対する各種麻酔薬の影響を比較することで本研究の目的を遂行することが可能と考えられた。本研究の目的は、歯科治療時の心血管系ストレスに対するATP感受性Kチャネル(KATPチャネル)の影響およびチャネルに対する静脈麻酔薬の作用を明らかにし、歯科治療時の心血管系ストレスに対する精神鎮静法に指針を与えることである。当初の方法は、カテコールアミン分泌細胞を用いたストレス条件で静脈麻酔薬がKATPチャネル活性1に及ぼす影響を検討することであった。しかし、培養細胞ではKATPチャネルの膜電位変化は非常に微弱であり測定レベルに達しなかった。そこで、ストレス条件の動物モデルを作成し、プライマリ細胞を用いることとした。ストレス条件の動物モデルはラットを用いて慢性疼痛モデルを作成した。これはすでに手技の確立されている脊髄神経結紮損傷(SNLモデル)とした。坐骨神経を形成している第46腰部(L4L6)脊髄神経のうち、L5とL6脊髄神経を絹糸できつく結紮することで作製する。このモデルの特徴は機械刺激性アロディニアが強く発症することである。慢性痛の評価は、足底部の機械的刺激に対する反応試験(Needle Hyperalgesia Response)、およびPlanter testで行った。術後7日目で痛覚過敏反応が認められた。このSNLモデルでは神経障害部位で,交感神経線維の分布の増加と疼痛への関与が報告されている。神経交感神経節の外科的切除による影響があり、後根神経節において、交感神経線維数と交慮神経線維に囲まれた神経細胞体数の増加が顕著である。そのため慢性疼痛モデルのひとつであるこのSNLモデルを用いることは交感神経系が関与するストレス条件の動物モデルとして有用であると考えられる。このストレス条件の動物モデルを用いて、静脈麻酔薬の影響を検討する。本研究の目的は、歯科治療時の心血管系ストレスに対するATP感受性Kチャネル(KATPチャネル)の影響およびチャネルに対する静脈麻酔薬の作用を明ちかにし、歯科治療時の心血管系ストレスに対する精神鎮静法に指針を与えることである。これはすでに手技の確立されている脊髄神経結紮損傷モデル(segmental spinal nerve ligation model、SNLモデル)を用いた。このSNLモデルは神経障害部位で,交感神経線維の分布の増加と疼痛への関与が報告されており交感神経依存性が高い。交感神経節の外科的切除による影響があり、後根神経節において、交感神経線維数と交感神経線維に囲まれた神経細胞体数の増加が顕著である。ストレス条件ラットの心筋細胞を用いた測定は、摘出装置の不具合により当該期間内に十分な単離細胞を用いることができなかった。

培養細胞を用いた測定では、膜電位変化は非常に微弱であり測定レベルに達しなかったが、測定条件の見直しを試みて測定を行い、静脈麻酔薬のミダゾラムでは、測定結果に有意な変化を認めるに至らなかった。蛍光膜電位測定法は、細胞膜イオンチャネルの透過性が減少し、細胞膜の脱分極に伴う蛍光強度の変化を測定する。しかしながら今回の測定では膜電位の制御が難しく有意な結果が得られなかった。こうした膜電位のコントロールに伴いfalse negative/positiveの割合が高くなる欠点も示唆されている。測定条件の決定およびストレス条件の細胞での、静脈麻酔薬の影響についてさらなる検討をしていきたい。
血管新生阻害剤を用いた悪性胸膜中皮腫に対するがん免疫療法の発展と臨床応用

2018年より抗PD-1抗体Nivolumabが再発MPMに対して実臨床でも使用できるようになった。この事は、がん免疫療法が長らく新たな治療法のなかったMPM症例においてもbreakthroughとなり得る事を示唆している。MPM治療におけるがん免疫療法の更なる向上のため、血管新生阻害剤と抗PD-1抗体の併用療法についてのpreclinical studyと実臨床でのpilot studyを行う。
多発性硬化症の臨床的多様性の背景にある免疫病態の解析と病態バイオマーカーの探索

多発性硬化症(multiple sclerosis: MS)は、代表的な中枢神経系の自己免疫性炎症性脱髄疾患で、本邦でも患者数が増加傾向にある神経難病である。本邦では現在6種類の疾患修飾薬が認可されているが、それぞれの薬剤に対する治療反応性は患者ごとに異なり、一定数の無効例も存在する。MSと診断された症例の中には、これら治療反応性の違いをはじめとする臨床像の多様性があり、その背景には異なる免疫病態が存在すると考えられる。本研究では、主として末梢血リンパ球を用いた解析により、MSの臨床的多様性に連なる免疫病態の多様性を明らかにし、多様性に応じた適切な治療選択のためのバイオマーカーの確立を目指す。
マウスモデルにおける生殖細胞での遺伝子治療の可能性の検討

本研究の目的は精子幹細胞において相同組み替え現象を証明し、その細胞から個体化を行うことである。本年度我々はマウス精子幹細胞(Germline stem, GS細胞)に遺伝子導入を行い、マウスオクルジン遺伝子を破壊するベクターを用いて、オクルジン遺伝子の破壊マウスの作成に成功した。この結果、相同組み替えの頻度は2.3%であり、これは現在幅広く行われているマウスのEmbryonic stem (ES)細胞を用いた場合の相同組み替えの結果(4.5%)に対してやや低いものの十分に精子幹細胞を用いても遺伝子ノックアウトマウスの作成が可能であることを示すはじめての結果である。実際には我々の実験結果は遺伝子導入されたDNAが129マウスの由来で細胞がDBA2マウスだったために、この効率は同じ系統のDNAを使っていれば5-10倍の効率の改善が可能であったことが見込まれており、精子幹細胞はES細胞を利用した場合と少なくとも同等か、それ以上の頻度で相同組み替えを起こすことが可能であることを示すものでもある。またさらに我々は異種の精巣を使い、ラットの産仔をマウスを仮親にして作成することにも成功した。これによりラットの飼育スペースの作成とその子孫作成にかかる時間を短縮(通常は3ケ月かかるところを6週間に短縮)することに成功した。この両実験結果はともにProc Natl Acad Sci USA誌のNews articleとして取り上げられ、国内外の報道機関で幅広く報道されるに至った。現在我々のグループはこのマウスでの結果をほかの動物種(特にラット)へと展開し、これまで不可能であったマウス以外の動物種におけるノックアウト動物作成を次の目標として実験を展開している。精子幹細胞は精子形成の源になる細胞である。我々は2003年にマウス精子幹細胞の長期培養に成功し、これをGermline stem (GS)細胞と命名した。この細胞は不妊マウスの精細管内にマイクロインジェクションすると精子形成を再開し、培養細胞由来の子孫を作ることができる。本年度我々はこのGS細胞への遺伝子導入に成功し、GS細胞が薬剤選択が可能な細胞であることを証明した。野生型マウスより樹立されたGS細胞に蛍光蛋白質とネオマイシン耐性遺伝子を導入、ネオマイシンにより薬剤選択を行い、クローン化を試みた。クローンにされたGS細胞は不妊マウスの精巣内に移植後、精子形成を起こし、子孫を作成した。この子孫は蛍光蛋白質を発現しており、薬剤耐性遺伝子DNAのゲノムへの取り込みパターンをサザンプロットにより解析すると、それぞれのクローンで異なるパターンを示しており、生まれた子孫の50%が導入遺伝子を保持していた。これにより我々は一個のGS細胞から子孫を作成することに成功し、GS細胞が薬剤選択可能な細胞であることを証明することができた。また、我々はGS細胞の樹立の過程にES細胞と同じ形態をもつ細胞が増殖することを見いだした。この細胞はES細胞と同様な表現形を示しており、機能的にも区別することができない。唯一、ゲノムインプリントのパターンがES細胞と異なる点である。我々はこのES様細胞をmultipotent germline stem (mGS)細胞と命名した。mGS細胞は今後再生医療や生殖工学に有用な細胞になることが予想される。本研究では精子幹細胞を用いた生殖工学技術の開発を目的としている。本年度の実験では一昨年、我々が開発した精子幹細胞の長期培養系(GS細胞培養系)を用いて、homoldgous recombinationにより、遺伝情報を改変したマウス個体の作成を試みた。昨年までの研究でGS細胞への遺伝子導入にはエレクトロポーレーション法が有効であることが分かったので、本年度においてはtight junctionを構成する膜蛋白であるoccludin遺伝子のターゲッティングベクターを用いて相同組替え現象を誘導した。このベクターはnegative selection markerであるDT-Aを含む。120個のstable transfectantをサザンブロッティングやPCR法にてスクリーニングした結果、2個のクローンでhomologous recombinationが認められた。これらのGS細胞クローンを不妊マウスの精細管内に移植し、メスマウスとの交配および顕微授精を用いて子孫を作成した。F1子孫において尻尾DNAをもちいてサザンブロッティングを行い、ヘテロの個体を同定した。ヘテロF1個体同士を交配させたところ、F2子孫においてはゲノムレベルでoccluidin遺伝子が欠損した個体が認められ、ホモおよびヘテロ個体が出現する割合はメンデルの法則にほぼ従っていた。ホモ個体においてoccludinの発現が蛋白およびRNAのレベルで欠損しているかを、ウェスタンブロッティングおよびノザンブロッティング法により確認を試みている本研究の目的は精子幹細胞において相同組み替え現象を証明し、その細胞から個体化を行うことである。

またさらに我々は異種の精巣を使い、ラットの産仔をマウスを仮親にして作成することにも成功した。これによりラットの飼育スペースの作成とその子孫作成にかかる時間を短縮(通常は3ケ月かかるところを6週間に短縮)することに成功した。この両実験結果はともにProc Natl Acad Sci USA誌のNews articleとして取り上げられ、国内外の報道機関で幅広く報道されるに至った。現在我々のグループはこのマウスでの結果をほかの動物種(特にラット)へと展開し、これまで不可能であったマウス以外の動物種におけるノックアウト動物作成を次の目標として実験を展開している。
低コストでの安定生産を目指した有用海藻マツモの人工種苗生産システムに関する研究

本研究において、褐藻マツモの糸状体保存株の最適生長条件が水温15-20°C、光量100-200 μmol/m2/秒であること、10%グリセリンを凍害防御剤として使用した液体窒素下での凍結保存が保存株の長期安定保存に有効であること、安価な塩素殺菌法(遊離塩素濃度1-3 mg/L)が保存株を用いた人工種苗生産に適用できること、保存株から作成した種苗を用いた海面養殖において十分な収穫量(約0.5kg/養殖ロープm)が得られることを明らかにした。これらの結果から、本研究で開発した「低コストで安定した人工種苗生産システム」を用いた本種養殖生産体制の確立が可能であることが示された。平成27年度は以下の研究を実施した。1.「保存株の増殖技術の開発」:現在確保しているマツモ保存株を構成する糸状細胞と細胞塊を単離した後、水温525°C、光量25200 μmol/m2/sの条件下で両者の増殖速度を比較した。その結果、両者の増殖速度に対して光量は大きな影響を与えなかったが、水温による差は大きく、1520°Cの条件下で高い増殖速度を示した。従って、マツモ保存株の効率的な増殖を実現できる最適増殖条件は水温1520°C、光量25200 μmol/m2/sの範囲であることが明らかになった。2.「塩素殺菌法を用いた人工種苗生産技術の開発」:ろ過海水に遊離塩素濃度1、3 mg/Lの次亜塩素酸カルシウムを添加した後、チオ硫酸ナトリウムにより塩素を中和した2つの塩素殺菌実験区と、煮沸殺菌実験区(対照区)を設定し、種苗糸にマツモ保存株の細片を散布して、水温15°C、光量100 μmol/m2/s、通気(流速20 cm/s)の条件下で13週間培養した。その結果、5週間後にはすべての実験区で直立体の主軸が形成され始め、培養後の主軸の密度と長さには対照区と、2つの塩素殺菌実験区の間で差はなかった。さらに、実験に用いた海水のpHと塩分にも実験区間で差はなかった。従って、種苗である直立体主軸の形成や生長、そして、培養海水の水質に対して塩素殺菌による悪影響がないこと、すなわち、塩素殺菌法を用いた本種の人工種苗生産が可能であることが示された。3.「人工種苗からの養殖藻体の作成」:前述2で作成した人工種苗を用い、岩手県越喜来湾の養殖実験施設において2015年11月から養殖藻体(直立体)の作成を試みた。その結果、2016年3月には主軸長1020cmのマツモ直立体を作成することができた。従って、マツモ保存株から作成し、塩素殺菌法を用いた人工種苗が、養殖種苗として使用可能であることが示された。平成27年度は、【研究実績の概要】に記した1.「保存株の増殖技術の開発」、2.「塩素殺菌法を用いた人工種苗生産技術の開発」に関する研究に加えて、「液体窒素を用いた保存株の凍結保存技術の開発」に関する研究の実施を計画していたが、この研究を実施するに至らなかった。一方、来年度実施予定であった「人工種苗からの養殖藻体の作成」に関する研究を実施することができたため、進捗状況を「やや遅れている」とした。平成28年度は以下の研究を実施した。1.「保存株の増殖技術の開発」:平成27年度に得られた研究データの解析を継続した。2.「塩素殺菌法を用いた人工種苗生産技術」:平成27年度に得られた研究データの解析を継続するとともに、次の実験を実施した。すなわち、水温525°C、光量25200μmol/m2/s、通気および無通気の実験区を設定し、種苗糸にマツモ保存株の細片を散布して7週間培養した。その結果、通気実験区だけで種苗となる直立体主軸の形成が観察された。さらに、水温15°C、光量200μmol/m2/sの条件下で、直立体主軸の高い形成率と初期生長が示された。従って、マツモ保存株から種苗を形成させる最適条件は、通気下(海水流動下)で水温15°C、光量200μmol/m2/sであることが明らかになった。3.「人工種苗からの養殖藻体の作成」:前述の研究で作成した人工種苗を用い、岩手県越喜来湾の養殖実験施設において2016年12月2017年3月にかけて海面養殖実験を試みた。その結果、2017年3月には養殖ロープ1m当たり約0.5kg(本研究と同条件下で、天然種苗を用いて養殖した結果と同等以上)のマツモ直立部(可食部)を収穫することができた。さらに、本実験期間中に測定した水温データから、直立部の伸長と増重量が水温89°Cの範囲で最も良いことが明らかになった。そして、マツモ保存株から作成した人工種苗が、養殖種苗として実用可能であることが示された。また、平成27年度に実施した「保存株の増殖技術の開発」の研究結果と今年度の結果から、マツモの株保存、人工種苗生産および海面養殖工程の最適条件が異なることが示された。

すなわち、株保存工程の最適増殖条件は水温1520°C、光量25200μmol/m2/sの範囲、人工種苗生産工程では海水流動下において水温15°C、光量200μmol/m2/s、海面養殖工程では水温89°Cの範囲であると考えられた。平成29年度まで実験を継続する予定であった「塩素殺菌法を用いた人工種苗生産技術の開発」と「人工種苗からの養殖藻体の作成」に関しては、現在までに研究成果が得られた。一方、平成28年度には「液体窒素を用いた保存株の凍結保存技術の開発」に関する研究の実施を計画していたが、この研究は実施するに至らなかった。そこで、進捗状況を「やや遅れている」とした。平成29年度は以下の研究を実施した。1.「保存株の増殖技術」、「塩素殺菌法を用いた人工種苗生産技術」および「人工種苗からの養殖藻体の作成技術」について、前年度までに得られた研究データの解析を継続した。2.「液体窒素を用いた保存株の凍結保存技術」については、現在確保しているマツモ保存株を構成する糸状細胞と細胞塊を単離した後、凍害防御剤の条件として4実験区(10% L-プロリン、10%グリセリン、10% L-プロリンと10%グリセリンの混合、凍害防御剤無)を設定して液体窒素を用いた保存実験を実施し、解凍後の生育能力(viability)を比較した。その結果、凍害防御剤として10%グリセリンを用いた実験区で高い生育能力を示し、10% L-プロリンおよび10% L-プロリンと10%グリセリン、凍害防御剤無の順で低くなった。また、糸状細胞よりも細胞塊の生育能力が高いことが明らかになった。3.平成29年9月8日に岩手県釜石市の岩手県水産技術センターで開催された「海藻類人工種苗生産担当者会議」において、岩手県各漁業協同組会の海藻種苗担当者、岩手県水産振興局の職員および同センター研究員に対して、本研究の報告を実施し、本研究の成果の普及を図った。4.本研究で得られた成果を検証した。その結果、本研究で開発した「マツモ保存株の増殖」、「液体窒素を用いた保存株の凍結保存」、「塩素殺菌法を用いた人工種苗生産」および「人工種苗からの養殖藻体の作成」技術を用いた「低コストで安定した人工種苗生産システム」は実施可能であること、さらに、このシステムを用いた本種養殖生産体制の確立も可能であることが示された。本研究において、褐藻マツモの糸状体保存株の最適生長条件が水温15-20°C、光量100-200 μmol/m2/秒であること、10%グリセリンを凍害防御剤として使用した液体窒素下での凍結保存が保存株の長期安定保存に有効であること、安価な塩素殺菌法(遊離塩素濃度1-3 mg/L)が保存株を用いた人工種苗生産に適用できること、保存株から作成した種苗を用いた海面養殖において十分な収穫量(約0.5kg/養殖ロープm)が得られることを明らかにした。これらの結果から、本研究で開発した「低コストで安定した人工種苗生産システム」を用いた本種養殖生産体制の確立が可能であることが示された。平成28年度には、前年度に行えなかった「液体窒素を用いた保存株の凍結保存技術の開発」に関する研究を実施する。一方、当初の計画よりも進展している「人工種苗からの養殖藻体の作成」に関する研究はこのペースで進め、他の研究については研究計画に従って遂行する。平成29年度には、平成28年度に行えなかった「液体窒素を用いた保存株の凍結保存技術の開発」に関する研究を実施する。一方、「保存株の増殖技術の開発」、「塩素殺菌法を用いた人工種苗生産技術」と「人工種苗からの養殖藻体の作成」の研究項目に関しては、現在までに得られた研究データの解析を継続する。そして、これら4項目の研究成果に基づいた「低コストでの安定生産を目指したマツモの人工種苗生産システム」の確立を目指す。さらに、関連学会等で成果発表を行うとともに、漁業関係者、水産行政担当者などへの報告会を通して、本研究の成果の普及を図る。水圏植物学【現在までの進捗状況】に記したように、平成27年度に「液体窒素を用いた保存株の凍結保存技術の開発」に関する研究を実施するに至らなかったため、次年度使用額が生じた。
細胞接着因子からみたヒト癌の浸潤・転移機構

1.食道癌、胃癌、大腸癌、乳癌の切除組織におけるE-cadherin,a-cateninの免疫染色の結果、E-cadherin(ECD)のみならずα-catenin(a-cat)の染色性の低下とリンパ節転移や予後の不良と相関があることが明らかになった。また、術前の内視鏡下採取癌組織におけるECD,a-catの発現性を免疫染色にて検討したところ、切除組織とほとんど変わらない結果を得ており、術前にリンパ節転移の予測を行い術式選択の一助となりうると考えている。2.EGFR発現食道癌細胞にEGF刺激を行うと、細胞間の接着性が減弱する事を旋回培養、分散実験で証明した。EGFの刺激によってECDの蛋白量には変化はないが、免疫染色では細胞間の発現が失われる。この時ECD関連蛋白でリン酸化されているのがβ-catenin(β-cat)であることを免疫沈降で証明し、これがECDの機能を制御していると考えられた。また最近、線維芽細胞が産生するHGFが、同じくECDの機能を制御していることを見いだし、浸潤実験にて食道癌細胞の浸潤を促進することが明らかになった。食道癌、胃癌患者の腫瘍組織をECDで免疫沈降し、抗phosphotyrosineでWestern blottingすることによりβ-catのリン酸化レベルを調べた結果、非腫瘍部の粘膜組織より高い傾向があり、癌の浸潤、転移との関係が示唆された。3.食道癌10例、胃癌20例、大腸癌15例の術前、術後の血清中のsolubleECDの濃度をELISAによって測定した結果、術前の値はT1症例は対照群の正常人とは有意差は認めなかったが、T2,T3症例では有意に高値を示した。術後2週間目の値は術前高値を示した約60%の症例で低下していたことより、solublcECDが腫瘍マーカーとして有用であることが示唆された。
混相流中で移動する物体周りの熱授受・相変化解析手法の構築

移動物体周りの気液二相流解析,また気液二相流解析と熱解析との連成解析のための計算手法開発と,それらの実験との比較検証を行った.気液二相流解析は保存型レベルセット法を活用し,高精度の差分近似と物体境界のレベルセット法による表現によって移動物体を含む固気液三相流の解析を可能とし,エンジン内のピストンーピストンリング周りやタイヤ周りの液膜等の流れ場解析を行った.気液二相流解析と熱解析の連成解析手法の開発には,conjugate heat transferモデルとシャープな熱物性の設定方法を導入することで解析を可能とし,ヒートパイプ内部の熱流動現象の解析を実施した.界面捕獲法の一つとして用いられている保存型レベルセット法と,直交格子において物体を表現する埋め込み境界法を応用し,移動物体周りを流れる固気液三相流の解析手法を構築した.埋め込み境界法はレベルセット法とゴーストセル法に基づいた手法を用いている.これまで,多数の微粒子を含む固気混相流のシミュレーションや,重力,表面張力の影響を考慮した管内の気泡,エンジン内のオイル等の流動解析を行い,解析精度の検証と現象の把握に努めてきた.固気混相流のシミュレーションでは,圧縮性Navier-Stokes方程式に基づいた遷音速から超音速流中における固気混相流の振る舞いを大型計算機により解析し,粒子周りに生じる特徴的な渦構造と渦ー粒子の干渉が,レイノルズ数,また粒子数によってどのように変化するかについて調査した.また非圧縮性Navier-Stokes方程式に基づいた固気混相流の研究では,多数の微粒子を壁面に衝突させた際の流体と粒子間のエネルギ授受過程について調査を行い,従来研究されてきた離散要素法との比較を示し,その差異について明らかにした.さらに,混相流と構造解析の連成解析技術の開発にも注力し,気液二相流中で液体の衝撃力による物体の座屈現象の再現にも成功した.現在は,熱授受解析にこれらの技術を応用し,相変化を考慮した様々な熱流体解析に本研究を応用すべく解析手法の構築を行っている.通常の埋め込み境界法を用いると,厳密に保存則を満足するような定式化をしていないため,異なる相間における熱授受において熱量を厳密に保存することが難しい.そこで今はvoxel法に基づいた解析手法により,完全に熱量が保存するような解析を行っている.しかしながら,今後は任意形状に対する熱流体解析を安定かつ高精度に行うため,異なる相間における熱流束の精度の良い見積りと,それに基づいた保存性の良い熱解析手法を構築する.直交格子法における埋め込み境界法の多くは,保存則を満足するような定式化がなされていないため,厳密に保存則を満足することは難しい.また熱解析においては,異なる相の界面において各相から見た界面上における温度と熱流束は一致する必要があり,これは一般的な埋め込み境界法では満足されない.すなわち,広く用いられている線形勾配を仮定した埋め込み境界法を用いて,固気,固液間の熱授受を解析すると,質量と熱量の保存において誤差が生じることとなる.熱解析においてこの誤差が許容範囲内であれば問題ないが,閉じた系で僅かな熱量の差によって現象が変化するような対象では致命的な問題となりうる.そのため,現在は直交格子の単純性を活かしてvoxel的なアプローチによって形状を表現し,熱量を完全に保存するような解析手法により,熱境界層の解像に努めている.こちらの手法は簡易的で,これまでの検証では熱授受,熱量の保存共に良好な結果が得られている.しかしながら今後は任意形状への展開と,さらに相変化への適用を検討する必要があり,開発の進捗状況としては少々遅れ気味である.【研究の具体的内容】移動物体周りの気液二相流解析,また気液二相流解析と熱解析との連成解析のための計算手法開発と,それらの実験との比較検証を行った.気液二相流解析は保存型レベルセット法を活用し,内部の差分近似を高精度化すると共に,計算領域に存在する物体境界は通常のレベルセット法で表現することで,移動物体を含む固気液三相流の解析が可能となった.当初の目標は1.熱境界層を直接解かずに高精度に得られた熱流束をad hocに用いて与える方法,2.熱境界層に二次近似式を適用して高次精度の埋め込み境界法を適用する方法,3.熱境界層を解くための境界適合格子を組み合わせたオーバーセット的な方法,4.針谷らが提案している潤滑オイルの燃焼の相変化モデルを二相流解析に導入する,5. Gibouらの提案手法であるsharp界面用の相変化モデルを二相流解析に導入する,6. 4-6と移動物体を考慮し,エンジンピストンリングや冷却塔,ヒートパイプ解析につなげる.これら6点が研究対象としてあったものの,1は汎用性が無いため断念,2は実施したが解析精度向上は見られず,3は検討したが層流境界層の表現に難があり中止した.結果的に他者の手法を真似て,conjugate heat transferモデルとシャープな熱物性の扱いで先行研究と似た結果を得ることが出来た.4は共同研究先企業との打ち合わせ等から実施しないこととなり,5は検討したが完成には至らなかった.ただし6は保存型レベルセット法を高精度化することで達成出来ており,企業から出された実験条件での数値シミュレーションの実施とそのメカニズム解明は実施することが出来た.移動物体周りの気液二相流解析,また気液二相流解析と熱解析との連成解析のための計算手法開発と,それらの実験との比較検証を行った.

気液二相流解析は保存型レベルセット法を活用し,高精度の差分近似と物体境界のレベルセット法による表現によって移動物体を含む固気液三相流の解析を可能とし,エンジン内のピストンーピストンリング周りやタイヤ周りの液膜等の流れ場解析を行った.気液二相流解析と熱解析の連成解析手法の開発には,conjugate heat transferモデルとシャープな熱物性の設定方法を導入することで解析を可能とし,ヒートパイプ内部の熱流動現象の解析を実施した.現在の解析において,固気液三相流中における熱授受問題で最も重要なことは,熱量が正確に保存することである.既に熱量を保存させて相変化を解析する手法はこれまでにも提案されているが,実装が煩雑で,論文等では全ての情報を開示していないものもよく見られる.そこで本研究では,実装が簡易的でかつ予測精度が許容できる範囲で得られる手法の開発を目指す.まずは現在のvoxel法に基づいた手法により,熱量の保存と熱輸送解析の妥当性を確認する.その後,相変化モデルを導入し,エネルギーの変換が正しく行われることを確認した後,直交格子において埋め込み境界法を用いて表現された任意形状への適用を検討する.さらにその後,直交格子上における移動物体への適用を検討し,固気液三相流中における相変化問題の解析手法の構築を行う.数値流体力学次年度使用額が生じた理由は,研究代表者の研究に対するエフォート(研究時間)が不足したため,本来代表者本人が出席して情報収集に当たるべき学会等に参加できなかったことによる旅費代,また論文を記述する時間が取れなかったことによる論文投稿料,さらにワークステーション等の器材の価格の変動が主な理由として挙げられる.翌年分は,現在の状況を改善して当初の予定通りに進めることで申請した計画通りの使用を心がける.研究時間の確保については,より効率的な研究環境の構築について研究機関内に働きかけている.また論文についてはほぼ執筆する段階にあるため,後は研究時間の確保が至上命題である.
ナノ構造エピタキシにおける面間拡散に関する研究

本研究ではGaAs分子線エピタキシにおいて現れる様々なファセット間でのGaの表面拡散(面間拡散)の振舞を調べた。面間拡散は成長時微細構造がどのような面によって囲まれるかを決定する重要な現象で、As圧により大きく変化する。この過程でAs圧を変えることにより面間拡散の方向が反転する現象を見出した。これを利用し(111)B斜面、(001)頂上面のリッジ構造および(110)斜面、(111)B頂上面のピラミッド構造の先端形状を制御することに成功した。この二つの構造に対し先端がとがってゆく様子をmicroprobe-RHEED/SEM MBEにより実時間観察し、これを拡散方程式を解くことにより解析した。各面における表面拡散係数を仮定することにより実験と理論のよい一致を得た。次にAs_2分子とAs_4分子ビームを用い、Gaが成長表面に到着してから結晶にとりこまれるまでの表面拡散距離を各As圧の関数として測定し、Gaをとり込む反応の次数を求めた。これによると、この両方のAs分子に対し、低As圧側で各As圧の一次に、高As圧側で2次に比例することが示された。また、As_2分子はAs_4分子に比べGaをより効率よく結晶に取り込むことがわかった。さらに、(111)BGaAs微傾斜基板上での原子スナップのバンチングをとり上げ、巨大ステップの形成過程をAFM及びmicroprobe-RHEED/SEMを用いて調べた。As圧が高い場合バンチングは起こらないが、低くするとバンチングが起こり、高さが2ナノメートルの巨大ステップが得られることがわかった。最後に、量子化学計算を用い、As_4分子が単独でAs_2分子に分解する反応の活性化エネルギーとAs_4分子が2分子でAs_2分子に分解する時の活性化エネルギーを調べた。その結果、後者のほうが活性化エネルギーは低いことがわかりFoxonとJoyceのモデルは理論的にも裏付けられることがわかった。本年度は、GaAsの分子線エピタキシ(MBE)における(001)面と(110)面の面間拡散につき調べた。資料はGaAs(001)基板をへき開し、(110)面を出すことにより作製した。これをMBE装置と走査型電子顕微鏡を一体化したmicroprobe-RHEED/SEM MBE装置(以下μ-RHEED/MBEと略称)にセットし、MBE成長時(001)面上、(110)面近傍および(110)面上(001)面近傍での局所的成長速度を二つの面の境界からの距離の関数として求めた。成長速度は境界からの距離に対して指数関数的に減少又は増大するので、この変化からGa原子が結晶にとり込まれるまでの拡散距離λincを求めることが出来る。これをAs_4圧の関数として求めたところ、As_4圧が小さいところではAs_4圧の0.5乗、高いところではAs_4圧の-1乗に比例することがわかった。又、同様な実験を(110)を上の面、(110)を側面として行ったところ、同じように低As_4圧側ではλincはAs_4の-0.5乗、比較的高いAs_4圧側では-1乗に比例することがわかった。このことは、低As_4圧側ではAs_4分子が分解することにより成長に関与する活性のAsが作られること、高As_4圧側では2つのAs_4分子がぶつかり活性のAsが作られるとするFoxonモデルがあてはまることを意味している。次に成長温度を変え(001)-(110)の面間拡散の方向を調べた。