hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
大規模確率場により高度化された確率推論システムの設計

本計画研究では大規模確率場に対する予測・推論アルゴリズムをより高度化された理論体系へと深化させるという当初の目標を達成することができた.そのポイントは確率伝搬法のなかで研究開始当初にはまだ当該分野でそれほど認知されていなかったクラスター変分法の技術的側面を通して開発された手法などを新たに持ち込んだ点にある.特出した成果は大規模確率場に対する予測・推論理論を体系化し,単行本「ベイジアンネットワークの統計的推論の数理」として出版したことである.本研究課題の目的は,高次元の画像データから目的に応じた情報を抽出し,高度の推論を行う確率推論システムをベイジアンネットワークとして構築する理論体系を情報統計力学的知見にもとづいて確立することにある.具体的には(1)大規模確率場による高次元データ解析システム設計と近似アルゴリズムの構成と性能評価(2)確率推論モデルの混合による高度化された推論システムの設計理論の構築とその実現(3)情報通信方式と大規模確率場の構造的類似性にもとづく次世代通信システムへの実装の3点を段階的に推進してゆく.本計画研究では大規模確率場に対する予測・推論アルゴリズムをより高度化された理論体系へと深化させるという当初の目標を達成することができた.そのポイントは確率伝搬法のなかで研究開始当初にはまだ当該分野でそれほど認知されていなかったクラスター変分法の技術的側面を通して開発された手法などを新たに持ち込んだ点にある.特出した成果は大規模確率場に対する予測・推論理論を体系化し,単行本「ベイジアンネットワークの統計的推論の数理」として出版したことである.本研究課題の目的は,高次元の画像データから目的に応じた情報を抽出し,高度の推論を行う確率推論システムをベイジアンネットワークとして構築する理論体系を情報統計力学的知見にもとづいて確立することにある.具体的には1.大規模確率場による高次元データ解析システム設計と近似アルゴリズムの構成と性能評価.2.確率推論モデルの混合による高度化された推論システムの設計理論の構築とその実現.3.情報通信方式と大規模確率場の構造的類似性にもとづく次世代通信システムへの実装.の3点を段階的に推進してゆく.平成18年度は特に大規模確率場モデルに対する一般化された確率伝搬法とEMアルゴリズムによる「データからのハイパパラメータ推定システム」の推定プロセスの典型性能評価法の提案と確立を中心に研究を実施した.その成果の一部は2006年6月に京都大学数理解析研究所で開催された研究会「情報物理学の数学的構造」における依頼講演「画像処理における確率伝搬法とEMアルゴリズムの統計的性能評価」として公開した.これにより上記1における理論的基盤が整備された.同時に,大規模確率場が時間とともに変化する確率過程,従来の大規模確率場を量子力学的に拡張した量子確率場などの形での確率推論モデルの混合の提案とそこでの確率伝搬法の定式化についての研究も平行して行い,上記2についても着実に成果が得られつつある.特に「従来の大規模確率場の量子力学的拡張とそれに対する確率伝搬法の定式化」については日本物理学会2007年春季大会(鹿児島大学)の領域11シンポジウム「量子系のコトの物理学」における依頼講演「量子系における確率推論の平均場理論」として公開し,本特定領域研究における量子情報班と連携して研究を進めつつある.研究分担者の本村陽一氏とは実データを用いた上記2の更なる展開の可能性についての研究打合せを重ねている.本研究課題の目的は,高次元の画像データから目的に応じた情報を抽出し,高度の推論を行う確率推論システムをベイジアンネットワークとして構築する理論体系を情報統計力学的知見にもとづいて確立することにある.具体的には1.大規模確率場による高次元データ解析システム設計と近似アルゴリズムの構成と性能評価.2.確率推論モデルの混合による高度化された推論システムの設計理論の構築とその実現.3.情報通信方式と大規模確率場の構造的類似性にもとづく次世代通信システムへの実装.の3点を段階的に推進してゆく.平成19年度は特に大規模確率場モデルに対する一般化された確率伝搬法の統計的性能の解析的評価法の確立と量子推論における統計力学的アプローチを中心に研究を実施した.これにより上記2における理論的基盤の整備がすすみつつある.特にガウシアングラフィカルモデル,プレフカ展開に基づく確率推論システムの解析的性能評価法の提案と量子力学的に拡張された混合ガウスモデルを用いた統計的学習法の提案は特出した成果である.その成果の一部は,海外研究協力者であるD.M.Titterington教授(英国Glasgow大学),津田宏治研究員(独国Max Plank研究所)の助言のもとで特定領域研究「情報統計力学の深化と展開」主催International Workshop on Statistical-Mechanical Informatics(平成19年9月)および同研究成果発表会(平成19年12月)等において報告している.研究分担者の本村陽一氏とは日常生活行動における実データからの確率的因果構造の学習システム実現にむけての上記3における達成にむけての研究成果が得られつつあり,その成果の一部は第21回人工知能学会全国大会(平成19年6月)において公開している.本研究課題の目的は,高次元の画像データから目的に応じた情報を抽出し,高度の推論を行う確率推論システムをベイジアンネットワークとして構築する理論体系を情報統計力学的知見にもとついて確立することにある.具体的には1.大規模確率場による高次元データ解析システム設計と近似アルゴリズムの構成と性能評価.2.確率推論モデルの混合による高度化された推論システムの設計理論の構築とその実現.3.情報通信方式と大規模確率場の構造的

類似性にもとづく次世代通信システムへの実装.の3点を段階的に推進してゆく.平成20年度は特に上記2の実現にむけての確率伝搬法の新しい拡張の着想を得ることに成功した.この着想は確率伝搬法において可解確率モデルを自由に取込みながら取扱いの困難な確率モデルの高性能の近似アルゴリズムを構成することを可能とするものであり,その守備範囲を従来法から飛躍的に拡げるものである.現在Webを介したデータマイニングなどへの応用が期待されている適応TAP法と呼ばれる方法のある拡張に対応するものとしても位置づけることができる.また,一般のグラフ構造をもつ確率推論システムの性能評価法の提案を行っている.その成果の一部は,海外研究者であるD. Titterington教授(英国Glasgow大学), V. Van Kerrebroeck研究員(伊国Roma大学),津田宏治研究員(独国Max Plank研究所)の助言のもとでとりまとめ, International Workshop on Statistical-Mechanical Informatics(平成20年9月), International Conference on CIMCA2008(平成20年12月),科研費特定領域研究2008年度研究成果報告会(平成20年12月)において報告している.本研究課題の目的は,高次元の画像データから目的に応じた情報を抽出し,高度の推論を行う確率推論システムをベイジアンネットワークとして構築する理論体系を情報統計力学的知見にもとづいて確立することにある.具体的には1.大規模確率場による高次元データ解析システム設計と近似アルゴリズムの構成と性能評価.2.確率推論モデルの混合による高度化された推論システムの設計理論の構築とその実現.3.情報通信方式と大規模確率場の構造的類似性にもとづく次世代通信システムへの実装.の3点を段階的に推進してゆく.平成21年度は特に上記2および3の実現に向けての確率伝搬法による統計的性能評価法の提案とアルゴリズム設計に成功した.この着想は確率モデルの構造におけるスピングラス理論との類似性に着目し,確率伝搬法による統計的推論の性能評価法の一般的設計理論に道を開くものとして国内外の研究者から高い評価を受けている.さらに,ベイジアンネットワークを用いた統計的学習システムにおける確率伝搬法を用いた汎用アルゴリズムを設計し,数値実験による有効性の検討をおこなっている.これらの成果は,海外研究協力者であるD.M. Titterington教授(英国Glasgow大学),Enzo Marinari教授(伊国Roma大学),Manfred Opper教授(独国Berlin工科大学),Remi Monnason教授(仏国Ecole Normale Superieure)の助言のもとでとりまとめ,International Workshop on Statistical-Mechanical Informatics 2010(平成22年3月)をはじめとする複数の学術会議において報告している.
送信電力と伝送レートを適用制御するメッシュネットワーク用経路制御プロトコルの開発

本研究ではマルチホップネットワーク用の通信プロトコルの提案を行った。特に、本研究では近隣通信及び自通信に与える干渉の影響について着目し、提案方式では、移動端末が無線チャネル状態に応じて適切な伝送レートを選択肢、近隣の通信及び自通信に与える干渉を削減するために適切な送信電力を選択する。シミュレーション結果より、体な方式を利用することによりエンド間のスループットだけではなく、ネットワーク全体のスループット特性も改善可能であることをしめした。また、実験結果より、マルチホップネットワークにおいて、干渉は大きな特性劣化要因であることを明らかにした。伝送レートと送信電力を適応的に変化させた場合のアドホックネットワークの検討は十分には行われていない。そこで、本年度は伝送レートと送信電力を個別に変化させた場合、アドホックネットワークの特性がどの程度改善するのかについて検討を行った。伝送レートを適応的に変化させる検討では、アドホックネットワーク用の経路制御プロトコルであるAODV(Ad-hoc On-demand Distance Vector)とOLSR(Optimized Link State Routing)を採用した場合について特性改善度合いを明らかにした。結果より、適応的に伝送レートを選択することで、各端末が無線チャネルを利用する時間が短縮される。そのため、各端末の送信機会が増えることにより、端末間のスループットだけではなく、アドホックネットワーク全体のスループットも改善可能であることを明らかにした。さらに、通信時に経路構築を行うAODVの場合、伝送レートが適応的に選択されることと端末の送信機会が増えたことにより、経路損失が発生する可能性を大きく下げることが可能であることも明らかにした。次に、送信電力を適応的に変化させる検討では、事前に経路構築を行うOLSRを改良することにより、近隣に存在する各端末に対して、伝送路状態とパケット長に基づいた送信電力を選択する手法を提案した。本手法では、OLSRが作成する経路トポロジに大きく関与する、MPR(Multi Point Relay)端末の選抜でも送信電力を考慮することにより、送信電力削減による干渉量の削減だけではなく、経路トポロジの見直しによるホップ数削減によりパケット送信数の削減を行っている。マルチホップ通信技術を採用したネットワークにおいて、伝送レートと送信電力を適応的に変化させた場合については十分な検討がなされていない。そこで、本年度は送信電力を経路制御と合わせて変更した場合の効果と、無線伝搬路状態に応じて伝送レート制御手法を経路制御と組み合わせた場合の特性改善度について検討を行った。また、現実の無線通信環境の特性を検証するために、2.4GHz帯を利用する無線機器を用いたマルチホップ通信の実証実験を行った。次に、実証実験の結果から、室内の無線通信環境での通信品質は距離以上に機器の設置環境に大きく依存しており、信頼性の高い通信を提供するためには、エンド間の再送制御だけではなく、必要に応じてリンク間の再送制御を行わなければ、無線資源の大きなに浪費につながることを明らかにした。これらの研究成果は国内学会,国際会議,論文誌で一部発表者済みであるとともに、一部は2010年4月に開催される予定の国際会議及び論文誌への採録が決定している。
光力学線療法への応用を志向する房状ポルフィリンカプセルの創出

好熱菌由来チトクロムc552の変異体アポ型を用いて、非水溶性の光増感剤プロトポルフィリンの極めて安定な水溶性カプセル(rC552-PPIX)をつくることに成功した。rC552-PPIXは、水溶液中で高い光増感活性を示した。中でも一重項酸素の発生は、量子収率19%で1時間以上活性を持続した。水中における高い一重項酸素発生効率(52%)を示すメチレンブルー(MB)と比較したところ、MBは当初rC552-PPIXを上回るが、失活が著しいため、分子あたりの総発生量は、rC552-PPIXが上回る結果が得られた。このことは、継続的な一重項酸素の発生でrC552-PPIXがMBよりも優れていることを示す。25年度の研究では、元の補欠分子族である鉄プロトポルフィリン(ヘム)を含まない好熱菌由来チトクロム変異体を骨格タンパク質に用い、金属イオンを結合していないプロトポルフィリンとの複合体形成、並びにその安定性の評価、プロトポルフィリンからの一重項酸素の発生とプロトポルフィリンの分解速度の定量化を試みた。生成した複合体は、pH7の緩衝溶液中で高い安定性を示し、緩衝液が全くプロトポルフィリンを含まない条件下でも、チトクロムからの解離はみられなかった。今後の研究では、チトクロムに対するプロトポルフィリンの結合定数のpH依存性を求め、利用を目指すpH領域でチトクロムがプロトポルフィリンの強固なキャリアとして機能することが可能か、同定を進める。複合体からの一重項酸素の発生とヘムの分解については、いまのところ、再現性のあるデータが得られておらず、チトクロムとの複合化の効果を議論できていない。今のところ原因は不明であるが、実験系における酸素濃度、照射光量の厳密化を進め、統計的な処理により、議論を進める予定である。複合体形成時のプロトポルフィリンの吸収スペクトルは、ポルフィリン環が高い平面性を示すことを示唆しており、プロトポルフィリンがチトクロムの狭い内部空間で高い立体規制を受けて結合していることが分かった。さらにこの狭い空間には、フラビンアデノシン2ー核酸のような比較的大きな平面性分子の取り込みが可能であることも明らかとなり、ポルフィリン骨格以外にも薬剤として機能する多環芳香族分子のキャリアとしてチトクロムが機能する可能性を示すことができた。今後は、これら分子とチトクロムとの複合体安定性についても同定を進める予定である。26年度は、懸案であった、鉄プロトポルフィリンを含まない好熱菌由来チトクロムc変異体とプロトポルフィリンIXとの安定な複合体(PorIX@apo-Cyt c)の高収率調製法を確立するとともに、得られる複合体による「ポルフィリンの光増感反応→一重項酸素発生」の同定、およびEPR効果発現に必要なPorIX@apo-Cyt c集積化を目指した。高効率な一重項酸素の発生には、増感剤の励起三重項状態(T1)が長寿命である必要がある。PorIX@apo-Cyt cの水溶液中でのT1寿命は、550μSであり、ジクロロメタンやアセトン溶媒(それぞれ4.5、1.5μS)の100倍以上大きく、DMSO溶媒(170μS)と同程度であった。このことは、apo-Cyt cの空孔が高い極性の疎水環境であることを示唆しており、PorIXの励起状態安定化に有利であることを示している。実際、PorIX@apo-Cyt cの生理的pHにおける一重項酸素発生の量子収率は、35%(励起波長420nm)であり、励起波長は異なるものの、一重項酸素の発生効率が高いことで知られるメチレンブルーの値(量子収率52%、励起波長660nm)に匹敵する。なお、PorIXは非水溶性であるため、水溶媒中での比較実験は行っていない。このようにapo-Cyt cによるPorIXの包摂は、ポルフィリンの水溶化と高い一重項酸素発生効率が実現可能であり、生体適合性に優れた光力学線療法のポルフィリン誘導体キャリアとして有望である。PorIX@apo-Cyt cには、未反応のシステイン残基が存在する。この官能基をジアゾニウム基をパラ位に有するフェニルマレイミドで修飾し、ジアゾニウム基の脱離を利用したカーボンナノチューブへの固定を試みた。最新の結果で、金属性カーボンナノチューブを用いることでPorIX@apo-Cyt cの固定が効率よく進行することが分かり、現在反応生成物の同定を進めている。

生体機能関連化学プロトポルフィリンとチトクロムとの複合体生成については、当初の計画通り進行しており、その物性についても理解が進みつつある。その結果、ポルフィリンキャリアとして申請者が見出したアポチトクロムが有用であることは、かなり証明できたといえる。現在最も研究の進展が遅れているんが、チトクロムーポルフィリン複合体をカーボンナノチューブのようなより大きな担体に固定する段階である。緩衝溶液中で安定なチトクロムーポルフィリン複合体もカーボンナノチューブの存在下では、ポルフィリンが脱離し、ナノチューブ表面に吸着される傾向を示す。おそらくは、タンパク質骨格とナノチューブとの疎水的相互作用により、タンパク質構造の一部が変性し、取り込んだポルフィリンとの複合体安定性が低下するためと思われる。この問題を解決するため、現在はアポチトクロム表面にオリゴエチレングリコールを修飾し、タンパク質骨格を保護するとともにタンパク質ーナノチューブ間の疎水相互作用を抑制しながら、両分子間の共有結合形成方法について検討している。本年度は、昨年度の研究で浮かび上がった問題、「カーボンナノチューブとの混合により、チトクロムープロトポルフィリン複合体が不安定化する」問題の解決に全力を尽くす。研究の進捗状況でも述べたように、この問題の原因は、カーボンナノチューブが界面活性剤のように振る舞い、タンパク質の部分的な変性を引き起こすことに原因があると考えられるため、タンパク質表面の親水性の向上、また骨格自体の安定性の向上を狙って、タンパク質表面へのポリエーテル鎖修飾、タンパク質骨格内部でのシステイン残基間によるジスルフィド結合形成の導入を試みる。問題の解決に加えて本年度は、チトクロム骨格にターゲット細胞で特異的に発現するタンパク質分解酵素の認識配列を導入し、複合体からのポルフィリン放出が目的部位で速やかに進行する仕組みを作りこむ。この仕組みはチトクロム骨格の安定化とは相反する性状の付与を必要とするため、両実験を同時に進め、タンパク質の安定性とタンパク質分解酵素に対する感受性の双方に適度なバランスを有する骨格分子を実現する。以上の問題解決が実現した後、新たに設計した合成したチトクロムーポルフィリン複合体を用いて、ナノチューブへの結合を試み、房状チトクロムポルフィリンキャリアの実現を目指す。
転写因子Ｅ２Ｆによるがん化抑制機構の解析

がん抑制因子RBの標的である転写因子E2Fは、増殖刺激によって活性化されると細胞増殖を促進する一方、RBの機能不全によって活性化されるとアポトーシスまたは細胞老化を誘導し、がん化を抑制する。E2Fによる細胞増殖とがん化抑制に関わる標的遺伝子の仕分け機構を解析し、E2F1のリン酸化が関与していることを明らかにした。RBの機能不全によって特異的に活性化される新規E2F標的遺伝子をDNAマイクロアレイで検索し、BIMを始めとする9個の新規標的を見出した。E2F1と相互作用する新規因子を免疫沈降の共沈およびYeast two-hybrid法で検索し、DDX5を始めとする52個の候補を見出した。転写因子E2Fによるがん抑制遺伝子の発現制御機構を解析し、以下のことを明らかにした。1.サイクリン依存性キナーゼの活性がpRBの制御を外れたE2F活性に及ぼす影響を検討し、サイクリンD1/CDK4の過剰発現が、E2F1によるがん抑制遺伝子ARFのプロモーター活性化を抑制することを見出した。従って、Dタイプサイクリン依存性キナーゼが制御を外れたE2F活性を抑制する可能性が示唆された。2.制御を外れたE2Fによって特異的に活性化されることの分かった9個の新規標的遺伝子の中から、アポトーシス関連遺伝子の1つであるBim遺伝子に関して解析した。BimプロモーターのE2F反応性エレメントを検索したところ、典型的なE2F結合配列がもつTストレッチをもたないGC繰り返し配列3カ所が同定された。Bimプロモーターには、増殖刺激によって誘導された生理的なE2F1の結合は認められず、過剰発現およびpRBの強制的な不活性化によって誘導された制御を外れたE2F1の結合が認められた。shRNAによるBim遺伝子発現のノックダウンにより、E2F1の過剰発現によるアポトーシスの誘導が抑制された。従って、Bim遺伝子は制御を外れたE2Fによって特異的に発現誘導され、アポトーシス誘導に関わっていることが示唆された。3.増殖刺激によって活性化されたPI3キナーゼ経路が、制御を外れたE2Fによるアポトーシス関連遺伝子の発現を抑制するという報告がされているため、E2F1によるBim遺伝子発現に及ぼすPI3キナーゼ経路の影響を検討した。増殖刺激によってPI3キナーゼ経路を活性化しても、PI3キナーゼ経路のエフェクターであるPKB/Aktの活性化型を過剰発現しても、E2F1によるBim遺伝子の活性化は抑制されなかった。従って、PI3キナーゼ経路はE2F1によるBim遺伝子の活性化を抑制しないと考えられた。1.転写因子E2Fが癌抑制因子RBの機能欠損を特異的に感知する機構を解析し、以下のことを明らかにした。1)生理的なE2FとRBの制御を外れたE2Fのリン酸化部位の差の解析: E2F1のリン酸化を受けうるアミノ酸70箇所全てに関して、リン酸化を受けないアミノ酸に置換した変異体の発現ベクターを作製し、細胞に発現させてウエスタンブロットにおける移動度を指標にリン酸化の程度を検討した。その結果、E2F1のセリン375番とセリン403番の変異体において、生理的なE2F1に見られる最も高リン酸化型のバンドを生じなくなった。従って、これらのアミノ酸部位のリン酸化が、生理的なE2F1の生成に関わっている可能性が示唆された。2) RBの機能欠損に特異的に反応するために必要なプロモーター特性の解析:純粋に「Sp1+GC繰り返し配列」をもつレポータープラスミドを作製してE2F反応性を調べたところ、生理的なE2Fには反応せず、RBの制御を外れたE2F特異的に反応した。従って、この配列がRBの制御を外れたE2F特異的に反応するコンセンサス配列として初めて同定された。3) RBの制御を外れたE2Fと特異的に相互作用する因子の同定:過剰発現したE2F1を免疫沈降した際に特異的に共沈する因子を質量解析で検索したところ、DDX5を同定した。DDX5の発現ベクターを作製し、E2F1によるARFプロモーターの活性化に及ぼす影響を検討したところ、活性化の増強が認められた。従って、DDX5はRBの制御を外れたE2F1と協調的に作用する因子である可能性が示唆された。2. RBの制御を外れたE2Fで特異的に活性化される新たな標的遺伝子の同定: DNAマイクロアレイを用いてRBの制御を外れたE2Fで特異的に活性化される標的遺伝子を網羅的に検索し、新たな標的遺伝子を9個同定した。転写因子E2Fは、増殖刺激によって生理的に活性化されると、細胞増殖に関わる遺伝子を活性化することにより、細胞増殖に中心的な役割を果たす。

一方E2Fは、代表的ながん性変化であるRBの機能不全によって活性化されると、アポトーシスや細胞老化に関わる遺伝子を活性化することにより、がん化抑制に極めて重要な役割を果たす。しかし、E2Fが増殖刺激とがん性変化を如何に識別し、細胞増殖とアポトーシスまたは細胞老化との相反する作用をもつ標的遺伝子の発現を如何に仕分けているのかは明らかにされていない。E2Fによるがん化抑制機構を探るために、E2FがRBの機能欠損を特異的に感知する機構とRBの機能欠損で特異的に活性化される新規E2F標的遺伝子を検索し、以下のことを明らかにした。RBの機能欠損によって活性化されたE2F1は、増殖刺激によって生理的に活性化されたE2F1に比べて低リン酸化型であり、E2F1のリン酸化部位変異体を作製して検討した結果、リン酸化の違う部位の候補を複数同定した。E2F1と特異的に相互作用する新規因子を免疫沈降における共沈およびYeast two-hybrid法を用いて検索し、55個の候補因子を同定した。RBの制御を外れたE2Fによって活性化されるが、増殖刺激によって誘導された生理的なE2Fによっては活性化されない新規標的遺伝子をDNA microarrayを用いて検索し、新規標的遺伝子を8個同定した。分子細胞生物学1.サイクリン依存性キナーゼ活性が制御を外れたE2F活性を抑制するという、新たな知見が得られたため。2.新たに同定された制御を外れたE2Fの新規標的遺伝子のうち、Bim遺伝子がE2Fによるアポトーシス誘導に関わることが同定され、新規標的遺伝子の生物学的な意義が見出されたため。3. PI3キナーゼ経路は、制御を外れたE2Fによるアポトーシス関連遺伝子の特異的な発現誘導を抑制しないという、新たな知見が得られたため。1.転写因子E2Fが癌抑制因子RBの機能欠損を特異的に感知する機構の解析1)生理的なE2FとRBの制御を外れたE2Fのリン酸化部位の差の解析: E2F1の70箇もあるリン酸化を受けうるアミノ酸全てに関して変異体を作製することにより、その変異によって最も高リン酸化型である生理的なE2F1を生じなくなるアミノ酸部位を2カ所同定できた。従って、生理的なE2F1の生成に関わるリン酸化部位の少なくとも一部は同定されたと予想されるため。2) RBの機能欠損に特異的に反応するために必要なプロモーター特性の解析:生理的なE2Fには反応せず、RBの制御を外れたE2F特異的に反応するコンセンサス配列が初めて同定されたため。3) RBの制御を外れたE2Fと特異的に相互作用する因子の同定: RBの制御を外れたE2F1と協調的に作用する因子としてDDX5が同定されたため。2. RBの制御を外れたE2Fで特異的に活性化される新たな標的遺伝子の同定: RBの制御を外れたE2Fで特異的に活性化される新たな標的遺伝子が9個も同定されたため。1.生理的なE2Fと制御を外れたE2Fの修飾の違いの解析サイクリン依存性キナーゼの活性化により、E2F1によるARFプロモーターの活性化が抑制されたことから、E2F1のサイクリン依存性キナーゼによるリン酸化の有無が生理的なE2Fと制御を外れたE2Fの修飾の違いの1つになっている可能性が示唆される。そこで、この違いに関わっているアミノ酸部位を同定する。
植物細胞のカドミウム耐性機構特にフィトケラチン合成酵素遺伝子の解明

フィトケラチンは少数のアミノ酸からなるペプチドであるが、分子内にγ結合を有するため直接mRNAから合成されるのではない。従ってまず合成経路を明らかにし、その中のキ-エンザイムを発見する必要があるが活性が極めて不安定であるため、部分精製しか成功していない。著者らはこの研究に先立ってカルボキシペプチダーゼY(CPaseY)が高濃度のグルタチオンを基質として試験管内でフィトケラチン合成を行うことを認めた。そこでこのCPaseが植物体内でフィトケラチン合成に関与しているとの推定のもとに研究を進めた。水耕したイネの根から粗酵素液を得た。このものを硫安分画、ゲル濾過、イオン交換クロマトで精製しフィトケラチン合成活性の最も高い画分を部分精製画分として以後の実験に供した。フィトケラチン合成活性は、0.03mMのCd共存下に本画分を5mMグルタチオンと混合し2時間インキュベートした後、逆相クロマトで分離しDTNBでポストカラム法で染色して410nmの吸収から求めた。部分精製画分をSOD-PAGEで分離し、CPaseYを抗原として作製したウサギ抗血清を用いてウエスタンブロットで検討した結果、フィトケラチンの合成活性が最も高い画分で抗血清との交互作用が最も強いことが認められた。部分精製画分に各種のペプチダーゼインヒビターを作用させたところ、CPaseインヒビターとセリンプロテアーゼインヒビターで阻害が見られ、アミノペプチダーゼインヒビターはほとんど阻害効果を持たなかった。市販されているCPase(A,Y,W)を用いてフィトケラチン合成活性を調べたところ、いずれの酵素も合成活性を示すことが認められた。以上の実験結果から、植物体内においてもCPaseがフィトケラチンを合成している可能性が大きいものと考えられた。今後筆者らが用いている試料からCPaseを精製しフィトケラチン合成活性について検討を進める必要がある。
カニクイザルを用いた子宮内膜症標的ペプチド治療薬の最適化

2頭の子宮内膜症を発症するカニクイザルに、子宮内膜上皮細胞に特異的に結合する9-merペプチドと細胞殺傷能力を持つペプチドの組合せによって得られた[KLAKLAK]2-Z13と[HLAHLAH]2-Z13を腹腔内視鏡操作により腹腔内投与した。うち1頭には0.5mg/mlヒアルロニダーゼの前投与を行い、細胞内へのペプチド流入向上の効果をねらった。投与後、約1ヶ月ごと(報告時までに計4回)に腹腔内観察し、肉眼的に異所性子宮内膜組織の移植が疑われる黄茶褐色病変の増減、同組織の一部(5mm程度)のバイオプシーを行った。肉眼的にはヒアルロニダーゼの有無に関わらず、実験時期の経過とともに褐色病変の数は減少していた。しかしヒアルロニダーゼ投与個体では、経過とともにペプチド投与部位へのアクセスが難しくなり、施術部位での組織癒着の亢進が疑われた。組織学的には、ペプチドだけを投与した個体は、実験経過とは関係なく子宮内膜上皮細胞が著しく少数であったが、CD10免疫染色で上皮下に付随する子宮内膜間質組織は減少していた。ヒアルロニダーゼとペプチドの両者を投与した個体は、少数の子宮内膜上皮細胞を観察したが、同部位でTUNEL法やssDNA抗体による免疫染色によって積極的に細胞死の介在を疑う所見は得られなかった。一方でCD10免疫染色で上皮下に付随する子宮内膜間質組織は減少していた。肉眼的あるいは組織学的に腹腔内に散発している異所性子宮内膜組織の減少は確認できているが、上皮細胞への影響のエビデンスが不明確なため、メカニズムの解明が必要となる。またヒアルロニダーゼによる組織融解が起因と思われる副作用があったため最適な濃度のさらなる検討が必要である。初年度であるため、実験に用いる動物の調達、事務手続きに関わる時間に費やしたため、当初予定の頭数を行うことができなかった。ただし候補となるペプチドの投与は予定通り行われ、その効果も認められた。実験周囲環境も順調に整い、2年目からは円滑な実験遂行が可能である。実験を行った数は予定より少ないので、追加実験を行う。ヒアルロニダーゼによる組織融解が起因と思われる副作用があったため最適な濃度のさらなる検討を行う。上皮細胞への影響のエビデンスが不明確なため、メカニズムの解明が必要である。今後に実験を行う個体は、ペプチド投与前にバイオプシーを行い、上皮細胞はどの程度採取できるのか、プレデータを得てから、ペプチド投与、上皮細胞増減の変化を検討する。使用中のペプチドは腹腔内へ直接投与しており、投与に伴う個体への負荷が生じる。現在、血管を介して特異的に結合するペプチドを探索中なので、変化が確認しやすく、かつ簡便な方法に変更していく。

今後に実験を行う個体は、ペプチド投与前にバイオプシーを行い、上皮細胞はどの程度採取できるのか、プレデータを得てから、ペプチド投与、上皮細胞増減の変化を検討する。使用中のペプチドは腹腔内へ直接投与しており、投与に伴う個体への負荷が生じる。現在、血管を介して特異的に結合するペプチドを探索中なので、変化が確認しやすく、かつ簡便な方法に変更していく。
アドアトム法によるナノスケール反応場設計

高効率・無公害の小型発電、電気自動車用動力源として、大きな注目を集めている高分子型燃料電池(PEFC)の燃料に改質ガスを用いるためには、ガス中に含まれる一酸化炭素(CO)を、10ppm以下まで低減することが必要不可欠である。本研究では、改質模擬ガス(1%CO、残H_2)中のH_2を殆ど損失することなく、COを高選択的、高反応速度で酸化除去する新触媒、及び100ppmレベルの残留CO共存下でも作動可能な耐CO被毒アノード用合金電極触媒の設計を目的に研究した。本年度は以下の成果を得た。(1)Pt触媒をイオン交換法で担持した各種ゼオライト触媒を調整し、その分子細孔径とCO選択除去性、反応性との関係を固定床流通反応器を用いて調べた。その結果、通常のPt/Al_2O_3に比べ、著しく高い選択酸化性が得られた。分子孔径の小さいゼオライト触媒ほど選択性が高く、反応性はその逆の依存性を示すことが分かった。選択性、反応性の両観点からモルデナイト担体を選択した。(2)Pt以外にRu,Pd等の単味触媒をモルデナイト担体(M)に担持し、CO選択酸化性、反応性を調べ、量論比のO_2添加にも関わらずRu/Mが驚異的な100%の選択性を示すと共に、触媒担持量が1/4でも100%COを除去できることを明らかにした。また、触媒安定性についても確認し、実用触媒として、極めて有望であることを明らかにした。(3)RFスパッタリング装置を用い、Ptベースの種々の薄膜合金触媒を作成し、回転電極法により、反応ガス(100ppmCO,残H_2)中でのアノード触媒性能を調べた。従来のPt-Ruに加え、Pt-Fe,Pt-Ni,Pt-Mo合金と同等の耐CO被毒性の優れた新触媒を見出し、その最適組成を明らかにした。また、その合金化による耐被毒性の発現が、H_2解離吸着のための隣接する対サイトの生成によることを実証した。(4)水晶振動子にPt、Ruを蒸着し触媒として用いたマイクロバランス(QCM)により、改質模擬ガス(1%CO、残H_2)中でのCO被服率、O_2導入時の酸化反応性を原子レベルで検出し、酸化反応の解析を行った。今後この手法により、触媒設計、反応解析が可能なことを明らかにした。
キンギョソウ・トランスポゾンTem3の転移活性が形質変異に及ぼす影響

Nivea^<recurrence Tam3>はアントシアン色素生合成の鍵酵素となる遺伝子座Niveaのプロモーター部位にTam3が挿入した対立遺伝子である。このNivea^<recurrence Tam3>はTam3の転移によって白花から斑入り花を生じる。この花弁の斑の発生頻度は温度や転移抑制遺伝子の有無などによっても異なってくる。本研究では斑入り花個体(Nivea^<recurrence Tam3>)と斑入り抑制個体(Stabilizer/Nivea^<recurrence Tam3>)およびwild type系統からゲノミックライブラリーをそれぞれ作成し、各ライブラリーよりTam3コピーの単離を試みた。その結果、今までにTam3に相同な配列を含む合計50個のクローンを精製した。得られたクローンについてはTam3近傍配列をTAIL-PCRによって増幅し、これをプローブに各コピーの転移挙動をRFLPやPCRによって調査した。その結果以下3つの知見を得た。1)Tam3はキンギョソウの染色体に散在している。2)Niveaなどの易変遺伝子座以外の多くのTam3コピーでも転移している。3)いくつかのTam3コピーについては例外的に染色体に固定され転移不能となっている可能性がある。さらにTam3の転移活性に影響を及ぼす温度や転移抑制遺伝子以外の他の因子の存在についても調査した。同じNivea^<recurrence Tam3>を持つ2つの異なる系統HAM2およびHAM5について温度を一定にして斑の発生を観察するとHAM2はHAM5に対して顕著に多くの色素を生じていることが認められた。これはおそらく2系統の遺伝的差異によってTam3の切り出し活性に違いが生じたものと考えられるので両系統のF1種子を採り、これに関わる因子について遺伝学的調査を進めることにしている。
聴覚障害学生を対象とした情報通信端末を用いたコミュニケーション支援システムの開発

本研究では,聴覚障害をもつ本学学生と教職員における手話を中心としたコミュニケーションの支援を行うことを目的としている.そのため,手書き入力装置などのタブレット機能を意味検索を行い読み取りの支援を行うだけでなく,情報携帯端末(PDA)を用い手話動作を利用範囲の制約に縛られることなく,様々な状況に対応したコミュニケーション支援システムの開発をしている.今年度は,手話検索を文字による検索ではなくSign Writingを用いた視覚情報に検索システムの語彙および文脈を考慮した検索の評価システムを構築した.昨年度は語彙数やサンプルが豊富な英語をベースに行ったが,本年度は言語を日本語とすることによってより身近な検索システムとなった.本研究は,視覚情報を用いた手話単語の検索を行う上で有用な手段の1つを提示することができた.しかし,現在の検索システムは語彙連想空間が限られた分野に限定されており,一般的な状況における検索としてはまだ性能が十分であるとはいえない.本研究は本年度で終了するが,今後も検索手法の改善や語彙数の増加等を図ることにより,より日常的なコミュニケーションの場における支援システムとして取り組んでいく予定である.本研究では,聴覚障害をもつ本学学生と教職員における手話を中心としたコミュニケーションの支援を行うことを目的としている.そのため,手書き入力装置などのタブレット機能を意味検索を行い読み取りの支援を行うだけでなく,情報携帯端末(PDA)を用い手話動作を利用範囲の制約に縛られることなく,様々な状況に対応したコミュニケーション支援システムの開発をしている.本年度は,そのための最初の段階として開発や通信機能などの制約の多いPDAではなく,タブレット機能を有した通常のPC(タブレットPC)をベースに,タブレット入力を用いた手の動きの入力方法の検討を行い手首の動きを用いた手話単語の検索入力を作成した.また,この入力方法に対応した基本的な単語を使った検索用のインデックス情報の作成などを行い,小規模ではあるが手話動作から意味を検索するための辞書の中核部分の作成を行った.しかし,現在では多くの単語の絞りこみを行うためには,能力不足であるために手指の形などを組み合わせた方法に改善を行っている.また,それらのインデックス情報の作成と語彙の追加を行うとともに,前後の単語を考慮した意味の絞込み等,単語ベースの検索から文節等の更に高位でのスムーズな絞込み,すでに既知の単語情報との組み合わせによる意味理解支援に対しての考察や試作システムに取り組んでいる.本研究では,聴覚障害をもつ本学学生と教職員における手話を中心としたコミュニケーションの支援を行うことを目的としている.そのため,手書き入力装置などのタブレット機能を意味検索を行い読み取りの支援を行うだけでなく,情報携帯端末(PDA)を用い手話動作を利用範囲の制約に縛られることなく,様々な状況に対応したコミュニケーション支援システムの開発をしている.本年度は,PDAを用い手話動作の検索手段としてオランダで行われた聾教育国際会議(ICED)ならびにベルギーで行われたSignWriteingシンポジウムに参加し,現在先行して開発がされている検索システムについての情報収集を行なった.その結果やデータをベースに手話動作のシンボル表現を用いた動作検索システムについて試作システムの開発を行った.また,意味検索を行うためのサーバ構築として,類義語をオントロジーを用いて意図を考慮した検索システムを現在の対象言語にあわせた拡張を行い簡易検索システムの試作を行った.現在は,このSignWriteingで入手したデータを基本としたものであるため,本来の目的である日本語に対応した手話表現には対応していない.そこで,来年度はインターフェース部として日本語に対応した手話のデータ,日本語に対応した検索システムへの拡張を行いシステム全体の完成度の向上を推し測る.本研究では,聴覚障害をもつ本学学生と教職員における手話を中心としたコミュニケーションの支援を行うことを目的としている.そのため,手書き入力装置などのタブレット機能を意味検索を行い読み取りの支援を行うだけでなく,情報携帯端末(PDA)を用い手話動作を利用範囲の制約に縛られることなく,様々な状況に対応したコミュニケーション支援システムの開発をしている.今年度は,手話検索を文字による検索ではなくSign Writingを用いた視覚情報に検索システムの語彙および文脈を考慮した検索の評価システムを構築した.昨年度は語彙数やサンプルが豊富な英語をベースに行ったが,本年度は言語を日本語とすることによってより身近な検索システムとなった.本研究は,視覚情報を用いた手話単語の検索を行う上で有用な手段の1つを提示することができた.しかし,現在の検索システムは語彙連想空間が限られた分野に限定されており,一般的な状況における検索としてはまだ性能が十分であるとはいえない.本研究は本年度で終了するが,今後も検索手法の改善や語彙数の増加等を図ることにより,より日常的なコミュニケーションの場における支援システムとして取り組んでいく予定である.
運動能力獲得のための知的情報処理とそのロボット制御への応用

多くのロボットは、広い作業空間を確保し、機能を高めるために多自由度の構造となっている。このようなロボットの運動能力を向上させ、より知的な作業を実現させるためには、ロボットに取り付けられたセンサーから得られる多次元の入出力情報をうまく利用した運動制御方式を考えなければならない。本研究では、そのような制御方式の一つの実現として、ロボットの運動の繰り返しを利用した一種の学習制御方式(Betterment Process)を提案する。この方式は、前回の試行時の応答と理想の応答の差(誤差)によって入力の波形を修正し、次回の試行時の応答を理想の応答に近づけるものである。この種の方法では、システムの入力と出力のみに着目してコントロールシステムを構成しているので、制御対象のダイナミクスを正確に推定する必要なく、理想出力パターンが得られるものと期待できる。本年度は、ロボット運動の加速度,速度,位置の各々の誤差信号を組み合わせることによって入力を修正する種々のタイプのBetterment Processを提案し、各々のタイプについて誤差の収束性を数学的に証明した。(担当有本)さらに、それらの方式を用いて実機のロボットを制御し、良好の実験結果を得た。(担当宮崎)また、ロボット運動の位置と力を同時に制御する場合にも本方式を適用できることが示された。その際、力制御方向の位置と力には線形関係が成立すると仮定するが、その比例定数は未知である場合にも力と位置の理想パターンが実現できることを保証している。(担当有本)この方式を実際に手先にカセンサーをもつ3自由度のロボットに適用し、研磨作業やグライディング作業などを通じてその有効性が確認された。(担当宮崎)多くのロボットは、広い作業空間を確保し、機能を高めるために多自由度の構造となっている。(担当宮崎)
海馬・嗅内野の空間表象を生成する神経演算原理の解明

哺乳類のナビゲーション行動には、海馬体という脳領域の「場所細胞」と嗅内野の「頭方向細胞」および「格子細胞」が重要な役割を担うと考えられている。これらの神経細胞の性質はこれまで綿密に調べられてきた一方、これらの細胞の空間選択的な神経活動パターンを生みだす回路メカニズムは不明なままである。本研究は、大規模神経活動計測と光遺伝学とを組み合わせた「生体脳大規模シナプス同定法」を用いることで、海馬体ー嗅内野回路が、空間選択的な活動パターンを生みだす神経回路メカニズムを解明することを目的とする。
化学的相互作用／物理応答の協奏的可逆変換を実現する多孔性導電性磁石の創製

(I)共有結合鎖で中性ーイオン性転移を起こす2例目となる一次元磁性鎖を見出した(Adv. Sci.に発表)。この中性ーイオン性転移は、一段階で起こるシンプルなもので(1例目は鎖間クーロン相互作用により2段階で起こった)、今後光励起などの外場による電荷移動制御について研究展開する。また、この化合物はスポンジ磁石の一種であり、結晶溶媒を徐々に放出して単結晶ー単結晶転移を起こし、脱溶媒結晶は中性ーイオン性転移を起こさない中性鎖であることが明らかとなった(溶媒を再び吸着すると元に戻る)。このことは、電荷移動・電子移動には電子ドナーやアクセプターの個々のイオン化ポテンシャルや電子親和力だけでなく、パッキングの影響によるMardelungポテンシャルが極めて重要な役割を果たしていることを実験的に証明している。(II)溶媒の脱挿入により磁気相を変換する、いわゆるスポンジ磁石の研究を展開し、二次元層状磁石において、結晶溶媒の脱挿入により層内の電子移動を起こして、磁気転移が70 Kもシフトするスポンジ磁石を見出した。このように、ゲスト分子の脱挿入により格子内で電子移動を誘発し、電子状態や磁気秩序相を変換する化合物は初めての例である(JACSに発表)。東北大学からプレスリリースを行った。(III)熱的に電子移動相転移を示す新しい二次元化合物を見出した。また、この化合物はスポンジ磁石として振る舞い、結晶ー結晶転移を起こすことも明らかとなり、今後の展開が楽しみである(ACIEに発表)。(IV)昨年度からの継続研究で、酸素を吸着して酸素の電子スピンを介した三次元磁気秩序を起こす多孔性磁石を開発し、論文として発表した(Nat. Commun.に発表)。ガス吸着で磁気相を変換する世界で初めての例であり、東北大学からプレスリリースした。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。研究課題(I) :「一電子移動型D2A多孔性分子磁石の開発とガス吸着による磁気秩序及び電子輸送のin situ制御」について電子ドナー(D:水車型Ru二核錯体)とアクセプター(A:TCNQ誘導体)の一電子移動D2A型からなる層状磁石を設計し、そのうちの幾つかに、層間の溶媒分子を脱離させた溶媒フリー化合物が安定なゲートオープン型の多孔性層状磁石を見出した。それらは、溶媒を吸着して元の溶媒和化合物に戻り、磁性を可逆的にスイッチさせる"magneticsponges"といて振る舞うが、さらに、溶媒の代わりにガス分子を吸着するものを幾つか見出した。ガスとしては、CO2、O2、N2などを用いているが、ガスの吸脱着により磁気相転移が可逆に変化する多孔性磁石を見出した。そのうち、一電子移動D2A型磁石にNO2を吸着させた場合は、TCNQラジカルに反応するらしく、NO2分子が孔内にトラップされてしまう。このことは、逆に言えば、電荷移動したTCNQとNO分子の相互作用は極めて強いことを意味しており、今後中性型のD2Aなどに用いて磁気変換を試みる予定である。研究課題(II) :「細孔内に固定された固体酸素を磁気媒介とする磁性体の開発と機構解明」について上記の一電子移動D2A型磁石の一つの化合物については、CO2やN2の非磁性ガスの吸着では相転移温度を上昇させ、O2の常磁性ガスでは、磁石層と酸素スピンが相互作用することにより、磁気秩序を強磁性(フェリ磁性体)から反強磁性に変える新しい多孔性磁石であることがわかった。その磁気秩序の詳細を検討しており、特に、ガス分圧を可変したin situ磁気測定、誘電測定を行っている。「非磁性ガスと常磁性ガスを区別する多孔性磁石」の可能性を示唆する多孔性の層状磁石を見出しており、今後の結果にも因るが、極めて大きな発見であると自負している。また、その他にも幾つかのガス吸着する多孔性磁石を見出しており、今後の展開が大いに期待できる。問題点としては、測定装置(in situ磁気測定用装置)が一台のみであり、in situ磁気測定が非常に時間がかかる点である(長い場合は、一回に1ヶ月以上かかる)。そのため、面白そうなサンプルをいくつも見出しているが、詳細な測定が滞っているのが現状である。また、磁性体ではなく、溶媒の吸脱着により中性状態とイオン性状態を変換する一次元鎖も言い出した。溶媒和型のDA一次元鎖は、中性ーイオン性転移を起こすが、溶媒を脱離した一次元鎖は、中性のままであることがわかった。この化合物についても継続して調査するが、開始から1年間で非常に多くの物質群を見出すに至っている。(I)細孔内に固定された固体酸素を磁気媒介とする磁性体の開発と機構解明:既に見出している酸素と窒素を区別する多孔性磁石について、共同研究者である名古屋大学大学院工学研究科の松田亮太郎教授の研究室で、幅広い温度で酸素雰囲気下PXRD測定を行った。その結果、構造転移と反強磁性磁気転移が独立に振る舞っていることが明らかとなった。また、酸素雰囲気下の構造解析を行うため、放射光施設SPring-8でXRPDを測定した。これらの結果は、これまでの我々の主張を強く支持するものであり、データをまとめて論文として投稿した(現在審査中)。その他、新に酸素吸着で反強磁性体に転移する多孔性磁石、二酸化炭素を吸着してフェリ磁性体から常磁性体に転移する磁石を見出すことに成功した。

これらの多孔性磁石の詳細については、今後展開する予定である。(II)二電子移動型D2A多孔性常磁性体の開発と活性分子の導入による磁性体変換:物質を感知して格子内の電子移動を誘発し、磁気的性質や電気的性質を変える材料は、近未来の「変わる磁石」の一つのターゲットである。電子移動を誘発するため、磁気変換も劇的に起こり、極めて大きな信号を得ることができる。しかし、実際には、現在までにそのような「ゲスト分子により電子移動を誘発する磁石」はなかった。本研究で始めて「溶媒分子により電子移動を制御する多孔性磁石」を見出した。(III)薄膜磁石の分光化学的同定と磁性変換:電荷移動や電子移動が外場に対して敏感な磁性材料を薄膜形状にできると、光を使った高速磁気変換が可能である。そのような分子磁石材料を合成し、薄膜の同定を行った。今後、磁気円二色性分光法(MCD法)により分光学的に磁気変換を行う。特に、細孔内に吸着した酸素分子の常磁性スピンを感知して、フェリ磁性体から反強磁性体に変化する多孔性磁石を二種見出すことに成功した。このような材料は全く新しく、極めてインパクトが高い。また、多孔性分子材料の新しい方向性を示すものであり、今後の展開に期待が持たれる。一方、二酸化炭素を吸着することにより、磁石が磁石でなくなる(自発磁化がなくなる)材料も見出した。これは、ガス分子吸着で格子内電子移動を誘発し、多孔性材料の性質を全く異なるものに変化させたことに起因する。このような例は初めてであり、今後詳細を詰める予定である。溶媒分子の脱着で磁気的性質を変える分子磁石を「Magnetic Sponges(磁気スポンジ)」というが、先の例に先行して、溶媒分子の脱着で格子内電子移動を誘発する初めての例を見出した。本結果は、最近Journal of the American Chemical Societyに受理された。(I)共有結合鎖で中性ーイオン性転移を起こす2例目となる一次元磁性鎖を見出した(Adv. Sci.に発表)。この中性ーイオン性転移は、一段階で起こるシンプルなもので(1例目は鎖間クーロン相互作用により2段階で起こった)、今後光励起などの外場による電荷移動制御について研究展開する。また、この化合物はスポンジ磁石の一種であり、結晶溶媒を徐々に放出して単結晶ー単結晶転移を起こし、脱溶媒結晶は中性ーイオン性転移を起こさない中性鎖であることが明らかとなった(溶媒を再び吸着すると元に戻る)。このことは、電荷移動・電子移動には電子ドナーやアクセプターの個々のイオン化ポテンシャルや電子親和力だけでなく、パッキングの影響によるMardelungポテンシャルが極めて重要な役割を果たしていることを実験的に証明している。(II)溶媒の脱挿入により磁気相を変換する、いわゆるスポンジ磁石の研究を展開し、二次元層状磁石において、結晶溶媒の脱挿入により層内の電子移動を起こして、磁気転移が70 Kもシフトするスポンジ磁石を見出した。このように、ゲスト分子の脱挿入により格子内で電子移動を誘発し、電子状態や磁気秩序相を変換する化合物は初めての例である(JACSに発表)。東北大学からプレスリリースを行った。(III)熱的に電子移動相転移を示す新しい二次元化合物を見出した。
安定接地境界層における乱流水平構造の可視化計測

本研究は、PIV法を屋外観測に応用し、これまで観測できなかった、安定接地境界層における小スケールの乱流現象を面的に捉える手法を開発して検証することを主目的として実施した。得られた主な成果は以下の通りである。(1)屋外の風を可視化するため、広範囲にトレーサ粒子を散布することのできるシーディング装置が開発された。(2)レーザシート面に対して斜め方向から撮影される動画から、透視変換や画像相関によって、微小時間間隔におけるトレーサの移動速度を算出するコードが開発された。(3)屋外での実証実験により、本研究のPIV観測システムによって、超音波風速計とほぼ同等な乱流計測が行えることが確認された。本研究は、風洞等における流れを可視化して速度を計測する手法であるPIV(Particle Image Velocimetry)法を応用し、これまで観測できなかった、安定接地境界層における小スケールの乱流現象を面的に捉える手法を開発し、検証することを主目的としている。本年度の成果は以下のとおりである。(1)PIV装置の開発屋外の風にPIVを適用するため、広範囲にトレーサ粒子を散布することのできるシーディング装置を開発した。長さ2m幅40cm程度のプラスチック製ダンボール板の断面をトレーサの排出口として用いることで、流れを過度に乱さず一様な散布を可能にし、粒子の生成装置と排出口の間を長さ20m程度の蛇腹ホースで連結することにより、観測現場での速やかな移動・展開を可能にした。本装置を用いて予備実験を行ったところ、レーザシート光によって照射される平面を斜め上方から撮影する手法が非常に有効であり、十分な明るさをもつ画像が取得できることがわかった。しかし、計測実施中に生じる風向変動にともない、トレーサの大半が撮影範囲外へ流れてしまうことにより、映像が途切れる場合があり、対応策の検討が必要となった。(2)解析手法及びソフトウェア開発上のようにして得られる画像から、射影変換や画像相関によってトレーサの移動量(一定時間間隔での)を求めるコードを開発した。アルゴリズムに、大域的な移動方向を最初に求め、次第に精密な移動ベクトルを算出する再帰的な手法を取り入れることで、不確実さを低減させることができた。また、複数のシーディング装置を、撮影エリアを中心とする風上側の円弧上に配置するとともに、測量用三脚を用いた可搬性の高い設置方式を採ることにより、大きな風向変動にも対応できるようにした。(2)解析の手法及びソフトウェア開発現場で撮影される動画から、射影変換や画像相関によってトレーサの移動速度を算出するコードを開発した。解析アルゴリズムには、大域的な移動方向を最初に求め、次第に精密な移動ベクトルを算出する再帰的な手法を取り入れた。また、画像内の解析対象外の領域にマスキングを施した上で画像相関の計算を行うが、計算速度を向上させるために次のような高速化を施した。即ち、複数コアのCPUを使う場合には、相関係数の計算をFFTを用いて高速化した上でOpenMPによる並列化を行い、GPUが使える環境では、直接法による相関係数の計算をC++AMP言語によりGPU上で並列計算できるようにした。(3)乱流水平構造の計測実験開発されたシステムを用い、札幌市羊ヶ丘にある北海道農業研究センター内の牧草地において、乱流水平構造の計測実験を行った。その結果、超音波風速計との比較より、本研究のPIV観測手法の妥当性が検証されるとともに、安定接地境界層における特徴的な乱流構造を可視化計測することができた。PIV計測を屋外で実施するため、可搬性が高く広範囲にトレーサ散布することのできる装置を開発し、テスト観測を実施し、安定した運転が可能なことを確認した。境界層気象学前年度に実施した予備実験では、計測実施中に生じる風向の変動により、トレーサが撮影範囲外へ流れてしまう場合があり、対応策を検討することが必要となった。そのため、トレーサの排出装置を追加制作することにより散布範囲の拡大を試みる。また、安定成層時に比較的風向が安定する傾斜地で観測を実施することで、連続的に安定した映像を取得することを目指す。いずれの観測においても、複数台の超音波風速計による同時計測を実施することにより、PIVによる風速推定値の検証を行いながら、推定アルゴリズムの改良を重ねる。こうして得られる観測データから、安定接地境界層における特徴的な乱流構造を可視化し、その空間分布や時間変動を明らかにする。