hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
電極触媒のナノ界面研究

固体高分子型燃料電池の電極触媒の性能向上に向けた取り組みの一つとして、電極/触媒/溶液界面の性質をナノメートルレベルで調べた。金や白金微粒子、ロジウム錯体触媒を対象として、超高真空ケルビンプローブフォース顕微鏡観察や新たに開発した液中位相フィードバックモード測定などを行った。その結果、界面電荷移動が量子サイズ効果の影響を受けることや、固液界面において溶液もしくは気体分子の粗密にナノレベルのむらがあることなどが示唆された。燃料電池、特に低温で使用する固体高分子型燃料電池(PEFC)において、高性能電極触媒の開発は実用化に向けた重要な技術的課題である。その開発に向けた試みの一つとしてナノクラスター化がある。これは、クラスターの量子サイズ効果を期待したものである。構造としては、白金ナノクラスターなどの触媒が導電性電極に分散・固定されたものになるが、この時ナノヘテロ界面の理解が必要不可欠となる。本研究では、貴金属クラスターを担持したモデル電極を対象として、走査プローブ顕微鏡によるクラスターの電位と個/液界面での電気二重層の測定を行い、ナノ領域での電極/クラスター/溶液界面の性質を静電ポテンシャルによって整理することを試みる。本年度は、クラスターの電位の詳細を調べるために、Auクラスターをグラファイトや酸化チタンに担持したモデル電極を対象として、超高真空中でのLBHおよびKFM測定を実施した。LBHとKFMはともに表面電位を評価する手法であるが、LBHは高い空間分解能を有し、KFMは絶対値を測定できるという特徴を有する。LBHのクラスターサイズ依存性を調べた結果、クラスターの表面電位はクラスターサイズが0.4nm以下になると急激に減少した。このサイズは、クラスターの量子サイズ効果が発現するサイズに一致しており、両者に相関があることが明らかになった。一方、KFM測定においては、表面電位の測定値は、クラスターサイズの増加に伴って単調に増加した。これを詳細に解析したところ、KFMにおける表面電位のサイズ依存性は、静電気力に基づく解析モデルとよく一致することが明らかになった。さらに、この解析モデルを用いて酸化チタンに担持したAuクラスターにおける界面での電荷移動を見積もったところ、1平方ナノメートル当たり0.06電子という非常に小さい量であることを見出した。以上の結果より、LBHとKFMという2種類の手法の特徴を生かして使い分けることで、ナノヘテロ界面の静電ポテンシャルを極めて精密に測定できることが示された。本年度は、ポテンシャル測定を行うための準備として、SIS-AFMモードによるフォースカーブマッピングを実施した。SIS-AFMモードはエスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社が開発した測定モードで、データ取得時以外は探針を上空に待避させるため、液中での安定走査が期待できる。本研究では、固液界面のポテンシャル測定を行うために、このSIS-AFMモードにフォースカーブマッピング機能を追加した。SIS-AFMモードでのフォースカーブマッピング測定では、測定時間に対して出力のドリフトが大きいことが問題となったが、外部電源によりドリフト補正することで解決することができた。さらに、フリーの解析ソフトWSxMを利用して任意の断面でのフォースカーブの空間表示(y-z表示)を行うためのデータ処理手順を確立した。実際にAu/micaについて測定したところ数10nmレベルで吸着力の違いをマッピングすることができた。その他、液中試料ホルダや解析方法についても検討を行い、基礎技術の確立について当初目標を達成した。そのためには、触媒/担体ナノへテロ界面の理解が必要不可欠となる。本研究では、モデル電極を対象として、固液界面における走査プローブ顕微鏡測定を行い、ナノ領域での電極/触媒/溶液界面の性質を調べる。固液界面の性質を調べるためには、原子間力顕微鏡によるフォースカーブマッピング(FCM)測定が効果的である。昨年度までに、SIS-AFMモードによるFCM測定技術を確立したが、このモードでは測定時間が長いことが運用上の課題として残っていた。そこで本年度は、位相フィードバックモードを新たに開発することで測定時間の短縮を図った。本モードでは、探針ー試料間距離に変調をかけフォース信号の位相変化を検出する。これにより液相からの粘性抵抗の影響を排除し、高速なFCM測が定可能になった。

具体的には、1画面当たり90分かかっていたものが、5分にまで短縮でき、実用的な測定が可能になった。さらに本モードでは、従来よりも小さいフォースで測定することが可能であり、結果として面内分解能も向上することが明らかになった。開発した測定モードをRh錯体触媒に適用した。この触媒は研究代表者が所属する研究部門で開発されたものであり、有機分子系PEFC触媒としては最も実用化が期待されるものの一つである。測定の結果、担体であるHOPG上に凸構造が観察された。フォースカーブ情報を用いて詳細に解析したところ、この構造は周囲に比べて変形しやすい(軟らかい)ことが明らかになった。これは液相または気相分子の粗密にナノレベルのむらがある可能性を示唆しており、こうしたナノレベルの分布構造は電極触媒の特性に重要な影響を与えるものと予想されることから、実際の触媒開発に対して重要な知見を与えるものと考えられる。液中でのフォースカーブマッピングを安定して行うためにSIS-AFMモードに基づく方法をデータ処理手順も含めて開発し、基礎的技術の確立については当初目的を達成した。これを用いてAuクラスターについての測定も実施できており、「研究の目的」に向けておおむね順調に進展していると判断している。24年度が最終年度であるため、記入しない。研究は順調に進展しており、計画の変更は不要。ただし、予期せぬ事態に対応するためにも研究は可能な限り前倒しに実施しすることとする。
miR223を介したS1PR1発現制御とSLEにおける病態への関与

全身性エリテマトーデス(SLE)において、スフィンゴシン1リン酸受容体1(S1PR1)の発現低下や、SLEの代表的モデルマウスの一つであるMRL/lprマウスにS1PR1アゴニストを投与することでリンパ球のアポトーシスが増加し腎障害が軽減したとの報告(J Immunol:194(11),5437-5445, 2015)がある。我々は、MRL/lprマウス脾臓由来T細胞におけるmicroRNA223-3p(miR223)の発現亢進を確認し、ルシフェラーゼ遺伝子をライゲーションしたS1PR1の3'UTR領域含有レトロウイルスを遺伝子導入したEL-4細胞株を用いて、S1PR1の3'UTRへのmiR223の結合がS1PR1の発現抑制に関与することを確認した。SLEで発現亢進を確認したmiR223が、標的であるS1PR1の発現抑制を介してリンパ球のアポトーシス機能等に影響することで、SLEの病態に関与している可能性を考え、miR223 mimic導入T細胞を用いたin vitroの系でのリンパ球の機能解析に加え、miR223欠損SLEモデルマウスの作成に着手した。miR223欠損B6MRLマウスについては、正常B6MRLマウスと比較し、末梢リンパ節CD4+T細胞中のearly apoptosis細胞の増加を認めた。miR223欠損によるSLEの表現型の差異を確認する上で、上記マウスに加え、より早期に重篤なSLE様臓器病変を発現するMRL/lprについても同様にmiR223欠損マウスを作成した。交配が完了したmiR223欠損MRL/lprマウス及びB6MRLマウスを用い、現在表現型解析(尿蛋白,腎病理, dsDNA抗体等)を実施中であり、miR223を介したS1PR1の発現の差異がin vivoにてSLEの病態に与える影響について詳細に検証する予定である。miR223mimicをマウスT細胞系培養細胞EL-4に導入したところ, S1PR1の発現がNegative control mimicに比較し有意に上昇することを確認した.既報((J Immunol 194(11), : 5437-5445, 2015)でS1PR1の発現に関連を認めたmiR155のmimicも導入したが, S1PR1の発現の上昇はみられず, miR223との相乗効果もみられなかった.標識としてルシフェラーゼ遺伝子をライゲーションしたS1PR1の3'UTR領域含有レトロウイルスをEL-4細胞株に遺伝子導入し、生理的にmiR223が結合しうるかルシフェラーゼアッセイを用いて定量的評価を行ったところ,Negative control mimicに比較しmiR223mimicを導入することで, S1pr1の3'UTRに結合して阻害的に作用し, S1pr1の発現が有意に低下した.さらに,既報((J Immunol 194(11), : 5437-5445, 2015)で, MRLマウスにS1PR1アゴニストを投与すると,リンパ球のアポトーシスが増加し腎障害が軽減したという報告をもとに, miR223 mimicを導入したEL-4でのapoptosis assayを行った.Negativecontrol mimicに比較し, miR223 mimicを導入したEL-4でearly apoptosis細胞の増加を確認した.H28年度に計画したmiR223によるS1PR1発現調整の検討については概ね終了した. MRL/lpr-miR223KO及びB6/MRL-miR223KOの作成のため,現在miR223 KOマウスとMRL/lprおよびB6/MRLのバッククロスを行っているが作出に時間を要しており,この点においてやや進捗が遅れている.昨年度はmiR223 mimicもしくはコントロール(Negative control mimic)をマウスT細胞系培養細胞EL-4にリポフェクタミンを用いて遺伝子導入し、S1PR1の発現が有意に上昇することを確認した。また、標識としてルシフェラーゼ遺伝子をライゲーションしS1PR1の3'UTR領域含有レトロウイルスをEL-4細胞株に遺伝子導入し、生理的にmiR223が結合しうるかルシフェラーゼアッセイを用いて定量的評価を行った。同細胞にmiR223mimicを遺伝子導入した際、コントロールと比較しルシフェラーゼ活性の低下を認めており、S1PR1の3'UTRへのmiR223の結合がS1PR1の発現抑制に関与することが示唆された。さらに、MRL/lprマウスにS1PR1アゴニストを投与すると、リンパ球のアポトーシスが増加し腎障害が軽減したとの報告(J Immunol:194(11),5437-5445, 2015)をもとに、miR223 mimic導入細胞におけるapoptosis assayを行い、コントロールと比較し、early apoptosis細胞が増加していることを確認した。SLEにおけるmiR223の機能をin vivoで確認するため、miR223 KOマウスとB6MRLマウスの交配を行い、正常B6MRLとmiR223欠損B6MRLマウスのT細胞の性状について、FACSを用いて解析・比較した。miR223欠損B6MRLマウスの脾臓由来CD4+T細胞ではS1PR1の発現が有意に上昇し、末梢リンパ節CD4+T細胞中のearlyapoptosis細胞の割合も有意に上昇していた。さらにmiR223欠損

B6MRLマウス脾臓中のCD19+細胞, CD19+CD138+細胞及びCD138+細胞数が有意に上昇していることも確認した。miR223 KOマウスとMRL/lprおよびB6MRLのバッククロスが2018年2月末までかかったため、マウスの表現型解析に関しては昨年度中には着手できなかった。全身性エリテマトーデス(SLE)において、スフィンゴシン1リン酸受容体1(S1PR1)の発現低下や、SLEの代表的モデルマウスの一つであるMRL/lprマウスにS1PR1アゴニストを投与することでリンパ球のアポトーシスが増加し腎障害が軽減したとの報告(J Immunol:194(11),5437-5445, 2015)がある。我々は、MRL/lprマウス脾臓由来T細胞におけるmicroRNA223-3p(miR223)の発現亢進を確認し、ルシフェラーゼ遺伝子をライゲーションしたS1PR1の3'UTR領域含有レトロウイルスを遺伝子導入したEL-4細胞株を用いて、S1PR1の3'UTRへのmiR223の結合がS1PR1の発現抑制に関与することを確認した。SLEで発現亢進を確認したmiR223が、標的であるS1PR1の発現抑制を介してリンパ球のアポトーシス機能等に影響することで、SLEの病態に関与している可能性を考え、miR223 mimic導入T細胞を用いたin vitroの系でのリンパ球の機能解析に加え、miR223欠損SLEモデルマウスの作成に着手した。miR223欠損B6MRLマウスについては、正常B6MRLマウスと比較し、末梢リンパ節CD4+T細胞中のearly apoptosis細胞の増加を認めた。miR223欠損によるSLEの表現型の差異を確認する上で、上記マウスに加え、より早期に重篤なSLE様臓器病変を発現するMRL/lprについても同様にmiR223欠損マウスを作成した。交配が完了したmiR223欠損MRL/lprマウス及びB6MRLマウスを用い、現在表現型解析(尿蛋白,腎病理, dsDNA抗体等)を実施中であり、miR223を介したS1PR1の発現の差異がin vivoにてSLEの病態に与える影響について詳細に検証する予定である。今後は, miR223 KOマウスとMRLおよびB6MRLのバッククロスして作成したMRL・miR223KOマウス, B6MRL・miR223KOマウスの表現型解析(尿蛋白,腎病理, dsDNA抗体等)を行っていくことを予定している.同時に患者からの検体を引き続き採取し,ヒトでも同様の傾向が得られるか確認予定である.今後は、昨年度に交配が完了したmiR223欠損MRL/lprマウス及びB6MRLマウスを用い、表現型解析(尿蛋白,腎病理, dsDNA抗体等)を行っていくことを予定している。特に、CD19+B細胞の割合に差異を認めることから、抗体産生能も含めて検討したい。さらに、apoptosis assayの結果がin vivoとin vitroで相反する形となっており、その原因として、もともとmiR223の発現が一過性に低下している場合と先天的に低下している場合で表現型に差異を生じる可能性、また今回のmiR223KOマウスはリンパ球特異的欠損ではないことも影響している可能性が考えられた。この点をさらに検証するため、リンパ球特異的miR223欠損マウスの作製および検討も視野にいれている。
多様体の幾何学に関する総合的研究

多様体の幾何学は微分幾何学のみならず、数学の各分野及び数理物理学、工学、情報科学における研究とも不深く関わりを持っており、現在活発に研究されている。このため、多様体の幾何学について様々な角度から総合的に研究することをその目的とした。この研究目的を達成するため、(1)大域解折学、(2)リーマン幾何学、(3)部分多様体論及びテンソル幾何学、(4)多様体上の幾何学的構造、(5)複素幾何学、及び(6)多様体上の力学及び力学系の側面からの研究の6つの研究プロジェクトを設け、各研究プロジェクト間の研究連絡及び情報交換を通して研究を遂行した。(1)においては、調和写像についてその存在及び安定性、また、ツイスター対応を用いた調和写像の具体的構成やゲージ理論の抵次元トポロジーへの応用等に関して、(2)においては非正リーマン多様体及びコンパクト・リーマン多様体の構造についての無限遠点の幾何の立場からの研究において、またGromovの収束定理に係わる諸問題について、さらに山辺不変量と関連した不変量に関する研究及び共形平坦リーマン多様体の構造について、(3)においては、平均曲率一定の曲面(極小曲面を含む)について、(4)においては、多様体上の微分方程式の幾何学的取扱いに関する研究について、(5)においては、二木不変量とその周辺に関する話題について、またケーラー・アインシュタイン構造の存在(その構成も含む)、及びモジュライ空間の位相等について、(6)においては、ハミルトン力学系及びその量子化に関連した話題について、例えば、Liouville-Arnoldの定理の一般化や、統計学における力学的側面からの研究及び複数の研究プロジェクトに渡る研究に関して各々、多くの重要な研究成果を得ている。多様体の幾何学は微分幾何学,位相幾何学をはじめ,数学の各分野,さらに数理物理学,情報科学,工学等さまざまな分野との関連のもとに現在,活発に研究されている。我々の研究目的は多様体上の幾何学及び関連した諸問題をさまざまな角度から総合的に研究することである。主な研究プロジェクトは,(1)大域解析学,(2)リ-マン多様体の幾何学,(3)部分多様体及びテンソル幾何学(フィンスラ-幾何学を含む),(4)多様体上の諸構造に関する研究,(5)複素幾何学(概複素幾何学を含む),(6)多様体上の力学系に関する研究,である。平成3年度における主な研究活動は,第38回幾何学シンポジウム及び5回の研究集合における研究発表と研究打合せであった。得られた研究成果の主なものは以下の通りである。(1)に関しては,例えば,非何換,周期的シュレディンガ-作用素のスペクトラムと離散群との関係を明かにしている。また完備リ-マン多様体から負曲率多様への調和写像の存在及び一意性に関していくつかの結果を得ている。(2)に関しては,種々の球面定理の改良に成功している。(3)に関しては,極小曲面の変形及びモ-ス指数に関して興味のある結果が得られた。また(点毎)定正則断面曲率エルミ-ト曲面の分類及びその応用についていくつかの結果を得ている。(4)に関してはアファイン微分幾何学における諸問題について研究が進展している。(5)に関しては,さまざまな複素多様体について,アインシュタイン・ケ-ラ-計量の存在に対する2つの障害(松島障害,二木障害)に関していくつかの結果が得られている。(6)に関しては,ケプラ-問題とその対称性について,古典力学,量子力学の両側より研究していくつかの結果を得ている。ゲ-ジ理論の3,4次元多様体のトポロジ-への応用に関する研究は上記すべてのプロジェクトにわたっている。現在,境界付4次元多様体上への応用等について研究が進んでいる。

このため、多様体の幾何学について様々な角度から総合的に研究することをその目的とした。この研究目的を達成するため、(1)大域解析学、(2)リーマン幾何学、(3)部分多様体論及びテンソル幾何学、(4)多様体上の幾何学的構造、(5)複素幾何学、及び(6)多様体上の力学及び力学系の側面からの研究の6つの研究プロジェクトを設け、各研究プロジェクト間の研究連絡及び情報交換を通して研究を遂行した。(1)においては、調和写像についてその存在及び安定性、また、ツイスター対応を用いた調和写像の具体的構成やゲージ理論の低次元トポロジーへの応用等に関して、(2)においては非正リーマン多様体及びひコンパクト・リーマン多様体の構造についての無限遠点の幾何の立場からの研究において、またGromovの収束定理に係わる諸問題について、さらに山辺不変量と関連した不変量に関する研究及び共形平担リーマン多様体の構造について、(3)においては、平均曲率一定の曲面(極小曲面を含む)について、(4)においては、多様体上の微分方程式の幾何学的取扱いに関する研究について、(5)においては、二本不変量とその周辺に関する話題について、またケーラー・アインシュタイン構造の存在(その構成も含む)、及びモジュライ空間の位相等について、(6)においては、ハミルトン力学系及びその量子化に関連した話題について、例えば、Liouville-Arnoldの定理の一般化や、統計学における力学的側面からの研究及び複数の研究プロジェクトに渡る研究に関して各々、多くの重要な研究成果を得ている。
エネルギーに基づく環境統合型設計によるモビリティシステムの人間中心安全制御

エネルギー消費や高齢化などの世界的問題の、次世代移動技術による解決手段としてPM(Personal Mobility)がある。特に本研究で扱うPMはMIP(Mobile Inverted Pendulum)を基本モデルとし、立ち乗り式のSegwayや着座式のP.U.M.A.等を想定する。本年度は主に「MIP本体の安全性」に関する研究に取り組んだ。本質的物理量であるエネルギーとMIPの動力学的特性に着目した申請者の従来研究を拡張し、P.U.M.A.等に代表される車体重心移動機構を有するMIPに対して走行制御系を設計した。本システムは民間で実車開発が進む一方、静力学的な平衡点近傍でのみ安定性を保証する線形制御を用いた従来研究が少数存在するのみである。本研究ではエネルギー整形とシステムの受動性を利用する非線形制御理論を応用し、エネルギー整形の自由度を利用して安全性を考慮した非線形な制御特性を付与した。具体的にはMIPの車体角度と重心移動距離を理論的に指定範囲内に制限するとともに、転倒に近づくと積極的に目標状態へ復帰させることで、従来手法よりも安全性を向上させた。有効性は理論および設計・製作した実機を用いた実験により示した。また次の段階として「環境統合型設計による安全性」の研究に着手した。衝突回避等の外部環境に対する安全性を、前述のMIP本体の安全性と理論的に統合して扱う。移動ロボット等の分野で代表的な衝突回避制御手法である仮想ポテンシャル法を応用する。衝突回避用の仮想エネルギー関数をMIPのエネルギー整形過程に組み込み、安定化と衝突回避の問題を統合して見通し良く扱うことを目指した。現時点では制御系の安定性を理論的に保証する設計方法を検討している。また有効性検証に必要な、操縦者の入力を実時間で反映可能なシミュレータの構築や実機の装備変更の準備を並行して進めている。
植物細胞の分子配置の動的変換に関する免疫電子顕微鏡的アプローチ

植物細胞のDNAとタンパク質分子配置を動的に検索する免疫光・電子顕微鏡技術の開発とそれを用いた生物現象の解析を行い多大の成果を得た。特に長船、植田は金コロイド免疫電子顕微鏡法を従来の分解能から一段高いところまで引き上げるとともにこの方法を使用し易くした。更にこれら研究者を中心に共同研究もしくはこれらの技術の提供によって個々の研究所のもつ生物機能に関する研究テーマの推進をはかった。黒岩は蛍光顕微鏡像と電子顕微鏡像を同時観察できる技術を開発し、これを用いてゼラニウムの根端細胞の増殖機構を解析し新しい細胞増殖の概念を提出した。堀は嚢状緑藻イワズタで葉緑体DNAがピレノイドに局在することを免疫電顕法で証明した。村上はクラミドモナス、ユーグレナとスサビノリの光化学系Iがチラコイドに系IIがストロマチラコイドに多く分布し、ピレノイドチラコイドに少ないことを免疫電顕法を用いて明らかにした。長船はユーグレナの光合成酵素LHCPIIタンパク質分子がゴルジ体を経由して色素体に輸送されることを免疫電顕法で証明した。植田はプロテインA免疫電顕法を用いてトレボキサの細胞のライソゾーム表面にアクチンがあることを証明した。田中はカンジダのプロテアーゼの細胞内での挙動を免疫電顕法で解析し、分泌が構成的分泌経路を通って行われることを示唆した。山口は形質転換酵母におけるウイルス抗原を使った免疫電顕法を用いて細胞内におけるウイルス様構造の形成経路を明らかにした。広川はDNA1分子の特定部位を認識し結合するタンパク質の局在をピオチン化した2次抗体とストレプトアビジン・ゴールドを用いて標識し明らかにした。宮川は出芽酵母のミトコンドリアで、根本はタバコの色素体で、それぞれオルガネラ核DNA結合タンパク質の抗体を作製し、免疫蛍光顕微鏡でそのオルガネラ内局在を明らかにした。本研究の目的は、免疫光学・電子顕微鏡研究分野もしくは極めてそれに近い分野において活躍している研究者が、微量タンパク質やDNAの局在を認識できる簡便で共通性の高い、より高感度な、免疫光学・コロイド-金電子顕微鏡法を開発し、細胞小器官の形態形成、更に細胞と組織の形態形成の研究に応用し、植物形態の成立を分子配置の視点に立って説明することであった。黒岩は、抗DNA抗体・免疫蛍光抗体法を用いて、同形配偶生物クラミドモナスの接合子内における色素体DNAの挙動を初めて明らかにした。堀は、DAPIと免疫抗体蛍光顕微鏡法を用いて、緑藻類イワズタのピレノイドがLuBiscoの他にDNAを含むことを初めて発見した。長舩は、コロイドー金免疫電子顕微鏡法を用いて、コ-グレナで、細胞質で合成されたLHCPIIタンパク質分子はゴルジ体を経由して葉緑体に運ばれることを明らかにした。植田は、緑藻のペヂアストラムで、細胞骨格分子であるアクチンの抗体による免疫電子顕微鏡法を用いて、原形質膜上に由来すると思われる金粒子の沈着をみた。田中は、二形性酵母キャンジダを高分子タンパク質環境条件下におけるプロテア-ゼの局在を抗プロテア-ゼ抗体による免疫電子顕微鏡法で調べ、それが細胞周縁部の密度の高い果粒に存在することを突き止めた。山口は、免疫電子顕微鏡法を使って、酵母の組換えDNA技術によって作製されたウイルス肝炎抗原が細胞核に局在することを明らかにした。広川は、DNAータンパク質複合体のアビジン・ゴ-ルド標識法を用いてDNA分子端に金粒子が局在することを見いだした。根本は、原色素体タンパク質に対する抗血清を用いて、単離原色素体核の上に蛍光を認めた。

以上のように、免疫光・電子顕微鏡法を種々の観点から検討し、その方法を確立した。細胞質内のどこで重要な生化学反応が起きているのかを知ることは重要である。生物現象の諸機能の理解は細胞内における物質の生成、移動および配置の「場」を直接的に同定することによって進展するはずである。本年度の研究目的は、特に微量タンパク質やDNAの局在を認識できる簡便で共通性の高い、より高感度な、免疫光学・コロイド-金電子顕微鏡法を開発し、各班員が分子の複合体の形成、細胞小器官の形態形成、更に細胞と組織の形態形成の研究に応用し独創的な成果を上げることであった。黒岩と堀は、抗DNA抗体を用いて光顕蛍光抗体染色法と対応させながら免疫電子顕微鏡法を開発し、同形配偶生物から異形配偶生物、シダ、高等植物の卵性生物の配偶子と接合子の形成過程における色素体とミトコンドリア(オルガネラ)DNAの挙動を解析することに成功した。長船と村上は、コロイド-金免疫電子顕微鏡法を用いて、スサビノリとコ-グレナの葉緑体形成の分化勾配におけるPSI及びPSII更にLuBisCOの存在部位を従来の報告に比べ一段と微細構造の上で明確にした。植田は、アクチン抗体による免疫電子顕微鏡法を用いて細胞内アクチン分子の配置を免疫電子顕微鏡法で調べ、リソゾ-ム上のアクチンの局在を明らかにした田中と山口は、プロテア-ゼの分泌機構を抗プロテア-ゼ抗体でまたトランスフォ-マント内におけるウィルスの形成を抗原を用いて免疫電子顕微鏡法で解明した山口は、独自に開発した急速凍結固定法と免疫電子顕微鏡法を用いて酵母における組換えDNA技術によって作製されたウイルス抗原の細胞内での形成の動態を明らかにした。広川は、DNA-タンパク質複合体のアビジン・ゴ-ルド標識に関して、電子顕微鏡法と分子生物学的研究の接点における研究に成果を上げた。根本と宮川は、ミトコンドリアと原色素体タンパク質に対する抗血清を用いてオルガネラの構造構築の機構を間接蛍光抗体法で解析し成果を得た。植物細胞のDNAとタンパク質分子配置を動的に検索する免疫光・電子顕微鏡技術の開発とそれを用いた生物現象の解析を行い多大の成果を得た。特に長船、植田は金コロイド免疫電子顕微鏡法を従来の分解能から一段高いところまで引き上げるとともにこの方法を使用し易くした。更にこれら研究者を中心に共同研究もしくはこれらの技術の提供によって個々の研究者のもつ生物機能に関する研究テーマの推進をはかった。黒岩は蛍光顕微鏡像と電子顕微鏡像を同時観察できる技術を開発し、これせ用いてゼラニウムの根端細胞の増殖機構を解析し新しい細胞増殖の概念を提出した。堀は嚢状緑藻イワズタで葉緑体DNAがピレノイドに局存することを免疫電顕法で証明した。村上はクラミドモナス、ユーグレナとスサビノリの光化学系1がチラコイドに系11がストロマチラコイドに多く分布し、ピレノイドチラコイドに少ないことせ免疫電顕法を用いて明らかにした。長船はユーグレナの光合成酸素LHCP11タンパク質分子がゴルジ体を経由して色素体に輸送されることを免疫電顕法で証明した。植田はプロテインA免疫電顕法を用いてトレボキサの細胞のライソゾーム表面にアクチンがあることを証明した。田中はカンジダのプロテアーゼの細胞内での挙動を免疫電顕法で解析し、分泌が構成的分泌経路を通って行われることを示唆した。
Elucidating the Dynamics of Memory

本研究課題は、記憶の獲得、保持、想起において、どのニューロンが記憶獲得に関わり、どのようなメカニズムでニューロン間のコミュニケーションが時間ならびに経験に伴い強化されていくのかを明らかにすることを目指す。オプトジェネチック技術を駆使して、海馬CA1と前帯状皮質に焦点を当てダイナミックな細胞間コミュニケーションから記憶制御のメカニズムを解析するものである。これまで研究代表者らが構築した方法論を応用した具体的な計画が上げられており、実行可能性が高い。また、記憶研究で古くからの謎であった記憶が脳の領域間、特に海馬皮質間での神経細胞のネットワークの相互作用によりいかに形成、伝播するがが明らかになると期待される重要な研究である。
人工網膜開発の為の網膜電気刺激最適波形の研究

現在失明した網膜色素変性症患者に視覚を与える目的で、視覚情報を残存網膜に電気刺激によって伝える人工網膜の開発が世界各地で始まっている。刺激電極の形状、材質、電極の移植手技の開発が研究の主であるが、それ以前に未だ適正な刺激波形が解明されていない。強い電気刺激を加えれば網膜は興奮しやすくなるが同時に電気刺激による細胞障害も強くなってしまう。そのため最低の閾値で網膜を興奮させなくてはならない。通常電気刺激の強さは電荷で計算するがそれは刺激時間と強さの積である。また刺激間隔も反応のし易さの決定要素となる。今回我々はウサギ角膜を電気刺激することによりその反応である瞳孔の動きの計測を行うことにより適正な電気刺激波形を探求した。従来人工視覚における電気刺激実験は誘発脳波、網膜、視神経からの誘発電位を記録していたが、電気刺激による記録増幅器へのノイズが大きくその波形分析が困難であり、閾値での反応をノイズが隠してしまうことが多かった。そこで情報伝達経路が少し異なるが電気的記録増幅器を介さないで記録できる瞳孔反応に我々は着目した。電気刺激では電荷の総和を0にするためBi-phasicの刺激波形を用いる。ウサギ角膜においては陰性波から始まるBi-phasic波形のほうが刺激効率が良好だった。また、パルス波の方が同じ時間刺激する矩形波よりも効率よく反応が出た。パルス波は正弦波よりも矩形波の方が効率が良かった。瞳孔反応を記録として用いることにより、電気刺激によるノイズを拾うことなく反応を解析することができた。次年度はその刺激時間、刺激強度の数値の詳細を探る予定である。
ウイルスタンパクによるCRM1非依存的なARE-mRNAの核外輸送

E4orf6はアデノウイルス感染時に宿主細胞やウイルスのmRNAの輸送を制御し、細胞がん化活性も持つウイルスタンパクである我々はこれまでにE4orf6がpp32とめ結合を介して、本来CRM1依存的に核外輸送されるAU-rich element containing mRNA( ARE-mRNA)をCRM1非依存的に輸送することを報告した。またE4orf6のoncodomainがARE-mRNAの輸送や安定化に重要な働きを持ち細胞がん化に寄与していることを解明した。その後E4orf6のこの機能は、アデノウイルス感染時のmRNAの輸送やウイルス複製に何らかの機能を持っていると考え、いくつかの解析を行った。まずアデノウイルス感染細胞でもE4orf6とpp32やHuRが結合しているか調べた。その結果がん細胞同様、感染細胞でもこれらのタンパクが結合することがわかった。次に同じ感染細胞ではHuRが標的のmRNAと共に細胞質側に輸送されていることをUV cross link法を用いて見出した。さらに同細胞ではc-fosなどのARE-mRNAも核外輸送されていた。これらの現象はE4orf6を欠失したアデノウイルスを感染した細胞では起こらなかった。またRNAi法によりHuRをノックダウンすると、たとえE4orf6が細胞に存在してもARE-mRNAの核外輸送が阻害され、ARE-mRNAに直接結合するHuRが核外輸送に必須であることがわかった。そしてHuRをノックダウンすると、ウイルス粒子の産生効率も落ちることが判明した。以上の結果は、アデノウイルス感染細胞でもARE-mRNAが核外に輸送されており、HuRを介したARE-mRNAの核外輸送がウイルス粒子の産生に重要であることを示唆している。E4orf6はアデノウイルス感染時に宿主細胞やウイルスのmRNAの輸送を制御し、細胞がん化活性も持つウイルスタンパクである我々はこれまでにE4orf6がpp32との結合を介して、本来CRM1依存的に核外輸送されるAU-rich element containing mRNA(ARE-mRNA)をCRM1非依存的に輸送することを報告した。その後E4orf6のこの機能には何らかの目的があるはずであると考えいくつかの解析を行った。まずE4orf6によりARE-mRNAが安定化されるかどうか調べた。その結果c-fos,c-myc,COX-2などのARE-mRNAがE4orf6により安定化された。次にE4orf6とpp32の結合を詳細に検討したところ、pp32はE4orf6の発がん活性に必須なoncodomainに結合した。E4orf6のoncodomainのmutantを用いて解析を行った結果、oncodomainはHuR、ARE-mRNAの核外輸送及びARE-mRNAの安定化に必要であった。さらにE4orf6とAREを持つ全長のc-myc cDNAを3Y1細胞に共発現させるとc-mycのがん化能が増強され、一方oncodomainのmutantでは増強されなかった。またRNAi法によりHuRをノックダウンすると、たとえE4orf6が細胞に存在してもARE-mRNAの核外輸送が阻害され、安定化や細胞がん化活性も落ち、HuRがE4orf6の機能に必須であることがわかった。以上の結果は、E4orf6のoncodomainがARE-mRNAの輸送や安定化に重要な働きを持ち細胞がん化に寄与していることを示し、HuRを介したARE-mRNAの輸送がこれらの機能に必要であることを示唆している。
水素一電子相互作用系

"水素-電子相互作用系"においては,プロトン移動と電子移動が連動する分子システムを開発し,連動または複合により,単独では発現しない新しい機能を作り出すことが重要課題である.このような研究の学術的特色は,1)新しい概念を学際的に探索すること,2)生体機能の本質を有機化学的に抽出すること,3)非局在電子系を物性科学的観点から応用的側面を重視すること,および合成・物性グループが互いに連携して特異な水素-電子相互作用系の創出を目指ことにある.これまでの成果を以下にまとめる。(1)a)プロトンー電子連動を活用した新システムの開発では,温度上昇により水素結合が融解し,金属的電導性を与える電荷移動錯体を開発した(中筋,三谷),b)プロトンダイナミックスによる機能性分子システムの構築(菅原),c)水素結合と配位結合を用いた自己組織体の開発においては,水素結合と配位結合による二重螺旋構造の構築に成功した(田所).(2)a)人工光合成を目指したパイ電子複合系の構築(坂田),b)フラビン酵素における電子移動反応場の作動原理の分子レベルの解明では,フラビン酵素D-アミノ酸オキシダーゼ(DAO)の紫色中間状態のX線結晶構造解析に初めて成功した。(3)a)導電性高分子、ポリ(3-アルキルチオフェン)のキャリアー移動度は、側鎖が短く立体規則性が高い程移動度は大きいことが分かった。(金藤),b)電子-プロトン相互作用に基づく新規素子機能の探索では,電解還元により水素ドーピングができることを見出した.本研究は特定領域研究「特異な非局在電子系の創出」の計画班の一つ「水素-電子相互作用系」である.本研究班では,水素桔合をプロトンと電子の二つの観点から理解し,新しい概念を探索する努力を行って,特異な水素-電子相互作用系を開発することを目的としている.水素-電子連動相互作用により,単独では発現しない新しい機能を作り出すことが重要課題である以下に代表的な研究成果をまとめた.1)プロトン-電子連動型電子系:有機電導体に水素結合部位を導入した新しいドナーを合成した.水素結合部位として核酸塩基を用いた最初の化合物である.2)プロトンダイナミックスによる機能性分子システムの構築:水素結合ネットワークを持つビ四角酸結晶の誘電率の温度依存性を調べた.その結果,この物質において一次元水素水素結合系における分子間での協同的互変異性が起こっていることを明らかにした.3)水素結合と配位結合を用いた分子結晶の配列制御:ビイミダゾールのニッケル錯体が結晶中においてナノレベルの大きな空孔を持つことを明らかにした.4)フラビン酵素における電子移動反応場の基本設計原理の解明.5)電解酸化によるπ電子の非局在化と分子形態変化:ポリアニリンなどの導電性高分子の電解により,高分子膜の形態が大きく変化し,生体筋肉に近い伸縮を実現できた.今後,この様な成果を基盤にして,プロトンと電子の連動性を持つ水素結合系に導電性、磁性,光学特性などを付与し、電場、加圧などにより制御しうる機能性分子システムを開発する."水素-電子相互作用系"プロトン移動と電子移動が連動する分子システムの開発であり,連動または複合により,単独では発現しない新しい機能を作り出すことが重要課題である.このような研究の学術的特色をまとめると,1)新しい概念を学際的に探索しつつ,2)生体機能の本質を有機化学的に抽出しつつ,3)非局在電子系を物性科学的観点から応用的側面を重視しつつ,合成・物性グループが互いに連携して特異な水素-電子相互作用系の創出を目指していることにある.これまでの成果を以下にまとめる。(1)a)プロトン-電子連動を活用した新システムの開発(中筋),b)プロトンダイナミックスによる機能性分子システムの構築(菅原),c)水素結合と配位結合を用いた自己組織体および分子性ゼオライトの開発(田所). (2)a)人工光合成を目指したパイ電子複合系の構築(坂田),b)フラビン酵素における電子移動反応場の作動原理の分子レベルの解明(三浦). (3)a)電解酸化によるπ電子の非局在化と分子形態変化システムの構築(金藤),b)電子-プロトン相互作用に基づく新規素子機能の探索(三谷)."水素-電子相互作用系"においては,プロトン移動と電子移動が連動する分子システムを開発し,連動または複合により,単独では発現しない新しい機能を作り出すことが重要課題である.このような研究の学術的特色は,1)新しい概念を学際的に探索すること,2)生体機能の本質を有機化学的に抽出すること,3)非局在電子系を物性科学的観点から応用的側面を重視すること,および合成・物性グループが互いに連携して特異な水素-電子相互作用系の創出を目指ことにある.これまでの成果を以下にまとめる。

(3)a)導電性高分子、ポリ(3-アルキルチオフェン)のキャリアー移動度は、側鎖が短く立体規則性が高い程移動度は大きいことが分かった。(金藤),b)電子-プロトン相互作用に基づく新規素子機能の探索では,電解還元により水素ドーピングができることを見出した.
数ケ月前の平均化された甲状腺機能を反映する赤血球亜鉛・炭酸脱水酵素に関する研究

赤血球炭酸脱水酸素Iアイソザイム(CAI)および亜鉛(Zn)濃度が、甲状腺機能異常症において数ケ月前の平均化された甲状腺機能を反映する可能性について検討した。1.赤血球CAIおよびZn濃度は甲状腺機能亢進症で低値を示し、治療後甲状腺ホルモンの正常化に約2ケ月遅れて正常化した。また、2ケ月前の血清T4、T3濃度と最も良く相関した。更に、赤血球CAI濃度はZn濃度と非常によく相関した(r=0.95)。以上のことから、赤血球CAIおよびZnは数ケ月前の平均化された甲状腺機能を反映すると考えられた。2.赤血球CAIおよびZn濃度は甲状腺ホルモン濃度が高値を示した亜急性および無痛性甲状腺炎では正常であり、一時的にホルモンが上昇する疾患では、数ケ月間の平均化された甲状腺機能を反映する指標としての赤血球CAIおよびZn濃度は、ほとんど変動しないと考えられた。3.赤血球CAIおよびZn濃度はTSH不適切分泌症候群ではeuthyroidの例では、正常、hyperthyroidの例では低値を示した。4.lーT4の投与によりTSHが抑制されているsubclinical hyperthyroidismでは、赤血球CAIは軽度ではあるが有意に低値を示した。以上の結果から、赤血球CAIおよびZn濃度の測定は、1.数ケ月前の甲状腺機能の把握、2.甲状腺機能亢進症治療時の長期的な経過観察、3.甲状腺機能亢進症と無痛性甲状腺炎や亜急性甲状腺炎等の一過性に甲状腺ホルモンが上昇する疾患との鑑別、4.末梢代謝の指標の一つとして甲状腺ホルモン不応症の診断などに非常に有用である。今後の研究では、甲状腺ホルモンが赤血球CAIの合成を抑制する機序について検討し、甲状腺疾患における赤血球CAI測定の意義について更に明らかにするとともに、簡便な測定法を開発し、ル-チンの検査として日常臨床の場で広く用いられるようにしたい。赤血球炭酸脱水酵素Iアイソザイム(CAI)および亜鉛(Zn)濃度が、甲状腺機能異常症において数ケ月前の平均化された甲状腺機能を反映する可能性について検討した。2.赤血球CAIおよびZn濃度は甲状腺ホルモン濃度が高値を示した亜急性甲状腺炎では正常であり、治療後も正常範囲の値を示した。亜急性甲状腺炎のように一時的にホルモンが上昇する疾患では、数ケ月間の平均化された甲状腺機能を反映する指標としての赤血球CAIおよびZn濃度は、ほとんど変動しないと考えられた。3.赤血球CAIおよびZn濃度は甲状腺ホルモン濃度が高値を示した無痛性甲状腺炎では正常であり、また、TSH不適切分泌症候群ではeuthyroidの例では正常、hyperthyroidの例では低値を示した。

以上の結果から、赤血球CAIおよびZn濃度の測定は、1.数ケ月前の甲状腺機能の把握、2.甲状腺機能亢進症治療時の長期的な経過観察、3.甲状腺機能亢進症と無痛性甲状腺炎や亜急性甲状腺炎等の一過性に甲状腺ホルモンが上昇する疾患との鑑別、4.末梢代謝の指標の一つとして甲状腺ホルモン不応症の診断などに非常に有用であり、今後はル-チンの検査として、日常臨床の場で広く用いられることが期待される。赤血球炭酸脱水酵素Iアイソザイム(CAI)および亜鉛(Zn)濃度が、甲状腺機能異常症において数ヶ月前の平均化された甲状腺機能を反映する可能性について検討した。1.赤血球亜鉛濃度はCAI濃度と非常によく相関した(r=0.95)。このことは、甲状腺機能亢進症における赤血球Znの低下が、Znの代謝の促進のためではなく、CAIの低下を反映していることを示している。2.甲状腺機能亢進症の抗甲状腺剤治療後、服薬が不規則で甲状腺ホルモンが著しく変動する例でも、赤血球CAIおよびZn濃度は約2ヶ月前の甲状腺ホルモン濃度を反映し、機能亢進症治療時の長期的な経過観察に有用であった。3.結節性甲状腺腫で1ーT4を投与されており、TSHが抑制されているsubclinical hyperthyroidismの例では、赤血球CAI濃度は有意に低下していた。以上、昨年度と今年度の研究結果から、赤血球CAIおよびZn濃度の測定は、1.数ヶ月前の甲状腺機能の把握2.甲状腺機機亢進症治療時の長期的な経過観察3.甲状腺機能亢進症と無痛性甲状腺炎や亜急性甲状腺炎等の一過性に甲状腺ホルモンが上昇する疾患との鑑別、末梢代謝の一つとして甲状腺ホルモン不応症の診断等の非常に有用である。今後の研究では、甲状腺ホルモンが赤血球CAIの合成を抑制する機序について検討し、甲状腺疾患における赤血球CAI測定の意義について更に明らかにするとともに、簡便な測定法を開発し、ル-チンの検査として日常臨床の場で広く用いられるようにしたい。
オステリクス誘導新規骨芽細胞分化促進因子の同定と機能解析

骨を造る骨芽細胞は未分化前駆細胞においてRunx2の発現で分化が決定し、転写因子Osterixの誘導を境に分化成熟が進む。ところがなぜOsterixが無ければ骨芽細胞分化が進まないのかは不明な点が多く残されている。我々はOsterixと骨形成蛋白(BMP)で誘導される未知の標的遺伝子がOsterixの骨芽細胞分化における機能に重要な役割を果たしていると仮定し、マイクロアレイ技術を用いて検索した。その結果候補遺伝子としてPitx2、Hesr1、そして機能未知の膜蛋白が同定された。Pitx2がOsterixの発現抑制を介して骨芽細胞分化を負に制御する事、Hesr1がファミリー分子のHesr3と協調的に骨芽細胞におけるオステオプロテジェリン(Opg)の発現促進を介して破骨細胞分化を負に制御する事、Osterixで誘導される機能未知の膜蛋白質が骨形成に重要な役割を演じる事を解明した骨を造る骨芽細胞は未分化前駆細胞においてRunx2の発現で分化が決定し、転写因子Osterixの誘導を境に分化成熟が進む。Pitx2がOsterixの発現抑制を介して骨芽細胞分化を負に制御する事、Hesr1がファミリー分子のHesr3と協調的に骨芽細胞におけるオステオプロテジェリン(Opg)の発現促進を介して破骨細胞分化を負に制御する事、Osterixで誘導される機能未知の膜蛋白質が骨形成に重要な役割を演じる事を解明したRuna2とOsterixは骨芽細胞への分化方向を決める(commitment)役割を有し、そこから分化を成熟させるには他の促進因子が必要で、この未知の遺伝子はOsterixの下流で誘導される'という仮説を検証する事を目的とした。そのために本年度はOsterixの下流の遺伝子、すなわちOsterixアデノウイルスに反応して発現が増える遺伝子をマイクロアレイで抽出した。この時、複数の間葉系前駆細胞、及び骨芽細胞系の細胞で全て同様に誘導される事に留意した。またこの時、筋芽細胞にてBMPによって誘導される遺伝子としてPitx2を同定し、実験を同時に進行させ、Osterixの発現を抑制する事も明らかにした。マウス胎児における候補遺伝子の発現は、胎生13.5日出生までをOsterixの発現と比較しながらmRNA量を観察した。その中から、Osterixノックアウトマウスで全く発現を観ない遺伝子の同定に成功した。その遺伝子のcDNAをmMSC(マウス間葉系幹細胞)にBMPとOsterixアデノウイルスを作用させた細胞よりクローニングし、レンチウイルス発現ベクターに載せて過剰発現系を構築した。ShRNAによるノックダウン実験の為にそのレンチウイルスを作製した。このレンチウイルスによって、細胞培養系で骨芽細胞分化が抑制される事を確認した。またノックアウトマウス解析にも着手した。この遺伝子の骨特異的発現が確認され、その意義について次年度で明らかにする予定である。Runx2は間葉系幹細胞から骨芽細胞への分化commitmentに、その下流のOsterixは骨芽細胞成熟に関わるが、Osterixの発現と骨芽細胞成熟マーカーの発現にはタイムラグがあり、Osterixの下流に未知の分化関連遺伝子があると仮定して、これまで骨形成蛋白(BMP)を用いた系のマイクロアレイにて候補遺伝子を19個に絞っていた。本年度はこれら候補遺伝子につきshRNAをベースとしたloss of function実験を積み重ね、さらにOsterixの下流という事にこだわり、in vivo、in vitroにおいて骨芽細胞特異的に発現する遺伝子をin situ hybridizationとreal-time PCRを駆使して検索したところ、あるgap junction/hemichannel分子にたどり着いた。この遺伝子のノックアウトマウスは既に作製を委託で開始していて、C57BL/6マウスへのback crossを進めて遺伝学的に均一な骨格解析の準備を行った。このマウスはtarget gene locusにLacZ遺伝子をノックインしているので、その発現をx-gal染色で確認したところ、完壁にOsterixの発現パターンと一致した。すなわち軟骨は染まらず、石灰化骨のみに発現が限局された。新生仔の骨格標本を作製したところ、軟骨の形成には異常を認めなかったが、アリザリン・レッドで観る石灰化骨の形成が減弱していた。この表現型はOsterixの機能の一部をこの遺伝子が担っている事を強く示唆するものであった。今後はノックアウトマウスの表現型をin vivoとin vitroで詳細に解析し、骨芽細胞分化成熟の分子メカニズムの理解を深めたい。
マイビジョンによる歩行支援システム ―高齢者の自発的歩行改善に向けて

本研究は,人・高齢者に装着したカメラから得られる前方周囲環境の映像を解析するマイビジョンシステムにより,カメラ装着者自身の歩行動作・姿勢を定量的に評価するウェアラブルな歩行支援システムの開発を目的とする.映像解析から得られる歩行環境情報により利用者自身の歩行形態を理解し,その歩行動作・姿勢の改善を促すことができる.H28-29年度は次の手法を開発した.連続する2画像に対して,AKAZE(特徴点抽出法)を用いて特徴点の抽出と対応付けを行い,エピポーラ幾何を用いて特徴点の3次元位置及びカメラの回転行列を求める.この回転行列を各軸(X,Y,Z)回りの回転成分に分解し,2画像間の相対的な角度変化量を求める.この変化量をカメラ装着者の姿勢と見なし,変化量の蓄積により,カメラ装着者の歩行姿勢を求める.H30年度は,上記の手法を実映像に適用して,測定精度の評価を行った.また,歩行動作の指標となる歩行率の精度評価を行った.人に装着したカメラ装置(小型カメラと9軸センサ)を用いて屋内外の実歩行環境下で,(a)通常歩行(10映像),(b)右足を引きずる歩行(5映像),(c)右肩が下がった状態の歩行(5映像)の計3種類の歩行動作における前方環境映像を取得した.9軸センサから出力される回転角を真値とし,各実験映像に対して3フレーム間隔で歩行者の姿勢を推定し,平均2乗誤差を用いて,真値に対する各歩行動作から得られたX,Y,Zの3軸回りの角度の誤差評価を行った.その結果,各軸とも6[deg]未満の誤差であった.また,各歩行動作におけるY軸回り(体幹の前後方向の揺れ度)とZ軸回り(体幹の上下の揺れ度)の角度変化に対し高速フーリエ変換を行って振幅スペクトルを求め,振幅が最大となる周波数を用いて歩数と歩行率(単位時間当たりの歩数)を求めた.その結果,歩数は10%未満,歩行率は10%程度の誤差が含まれた.本研究は,人・高齢者に装着したカメラから得られる前方周囲環境の映像を解析するマイビジョンシステムにより,カメラ装着者自身の歩行動作・姿勢を定量的に評価するウェアラブルな歩行支援システムの開発を目的とする.映像解析から得られる歩行環境情報により利用者自身の歩行形態を理解し,その歩行動作・姿勢の改善を促すことができる.H28-29年度は次の手法を開発した.連続する2画像に対して,AKAZE(特徴点抽出法)を用いて特徴点の抽出と対応付けを行い,エピポーラ幾何を用いて特徴点の3次元位置及びカメラの回転行列を求める.この回転行列を各軸(X,Y,Z)回りの回転成分に分解し,2画像間の相対的な角度変化量を求める.この変化量をカメラ装着者の姿勢と見なし,変化量の蓄積により,カメラ装着者の歩行姿勢を求める.H30年度は,上記の手法を実映像に適用して,測定精度の評価を行った.また,歩行動作の指標となる歩行率の精度評価を行った.人に装着したカメラ装置(小型カメラと9軸センサ)を用いて屋内外の実歩行環境下で,(a)通常歩行(10映像),(b)右足を引きずる歩行(5映像),(c)右肩が下がった状態の歩行(5映像)の計3種類の歩行動作における前方環境映像を取得した.9軸センサから出力される回転角を真値とし,各実験映像に対して3フレーム間隔で歩行者の姿勢を推定し,平均2乗誤差を用いて,真値に対する各歩行動作から得られたX,Y,Zの3軸回りの角度の誤差評価を行った.その結果,各軸とも6[deg]未満の誤差であった.また,各歩行動作におけるY軸回り(体幹の前後方向の揺れ度)とZ軸回り(体幹の上下の揺れ度)の角度変化に対し高速フーリエ変換を行って振幅スペクトルを求め,振幅が最大となる周波数を用いて歩数と歩行率(単位時間当たりの歩数)を求めた.その結果,歩数は10%未満,歩行率は10%程度の誤差が含まれた.H29年度は,昨年度の推進方策に基づいて,カメラ装着者の静止状態(微小移動を含む)から通常歩行状態の映像を用いて,歩行道路領域の特徴点抽出法および歩行道路領域の推定精度の向上法を開発し,手法の有効性を確認した.歩行動作が静止状態から通常歩行状態に移る場合,カメラ装着者のカメラから取得される映像には映像の回転と微小なボケが生じる場合がある.その場合,移動時の2画像間の特徴点の抽出と追跡に誤抽出と誤追跡が少なからず含まれる.また,歩行道路領域の推定において,歩行者の歩行時の振動による光軸方向の変動により,歩行道路領域が正しく推定できない場合がある.上記のような実環境における問題点を改善するため,特徴点抽出法と歩行道路領域推定法の見直しを行い,特徴点抽出法には回転やボケにロバストなAKAZE(Accelerated-KAZE)のアルゴリズムを採用し,パラメータのチューニングを行って通常歩行状態の映像から特徴点の抽出を行った.また,歩行道路領域の推定のために,道路の色特徴とテクスチャ特徴を組み合わせた特徴量を考案し,深層学習(Deep Neural Network)と同等な性能を持つ学習・識別器であるDeep Forestを用いて,歩行道路領域の推定を行った.昨年度までは,カメラ装着者の静止状態(微小歩行を含む)時の映像を用いて実験を行った.