hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
窒素の供給条件とダイズの窒素代謝及び子実生産との関係

砂耕栽培した品種「アキシロメ」(中間型)を用い、生育の時期別にアセチレン還元量の測定ならびに重窒素供与処理を行って、固定窒素と吸収窒素の動態について検討した。得られた結果の大要は次のとおりである。1.生育時期別の根粒によるアセチレン還元量は、生育が進むにつれて増加し、子実肥大初期から中期にかけて最大となり、以後急減した。また根粒比活性は開花期に最大となった。一方、重窒素を利用して推定した固定窒素量についても、これと概ね類似の推移を示した。2.吸収窒素量は全生育期間を通してほぼ一定に推移し、各時期における各器官への吸収窒素の集積は、生育初期から着莢期まではその60%が葉身へ、成熟期では90%程度が莢実に直接集積していた。また、完熟期の各器官における吸収窒素と固定窒素の割合をみると、根には吸収窒素の占める割合が多く、地下部の生育に果たす吸収窒素の役割は大きいと考えられた。3.各器官から子実への窒素の移行について検討したところ、他の器官から子実への再転流は開花期から着莢期にかけて急激に始まっていた。しかし開花期頃までに吸収された窒素はそれ以降に吸収されたものに比べ、再転流され難いものと推察された。また地下部を除く器官からの子実への再転流には吸収窒素と固定窒素との間に明瞭な差はないものと考察された。以上、本研究の結果から、ダイズの生育、子実生産をさらに向上させるためには、まず、地下部の生育促進、根粒着生の増加に対し、少量の基肥窒素を施与し、その後は根粒の活性を高水準に維持させながら、開花期以降に窒素追肥を行うことが望ましいと結論した。
新規脂肪組織リモデリング分子・デルマトポンチンに対する運動効果の解明

運動トレーニング(TR)や肥満による脂肪組織のリモデリングには、脂肪細胞と細胞外マトリックス(ECM)との相互作用が重要な役割を果たしている。本研究は、TRよる脂肪組織のリモデリングのメカニズムを、脂肪組織での役割が不明なECM分子・デルマトポンチンを中心に検討した。その結果、高脂肪食摂取によりマウス内臓脂肪組織で増加したデルマトポンチン、TGF-βとTIMP1の発現はTRによって有意に減弱された。さらに、TGF-βとTIMP1は脂肪細胞のインスリン抵抗性の惹起に関与することがわかった。したがって、TRのECM分子発現増加減弱作用は脂肪組織のインスリン抵抗性の減弱に関与することが推察された。肥満や運動トレーニングによる白色脂肪組織(以下、脂肪組織)の再構成(リモデリング)には、脂肪細胞とそれを取り巻くコラーゲンなどの細胞外マトリックス(ECM)が重要な役割を果たしていると考えられるが、未だ不明な点が多い。本課題は、この運動トレーニングや肥満による脂肪組織のリモデリングのメカニズムを、脂肪組織での機能が不明なECM関連分子・デルマトポンチンを中心として検討することを目的としている。これまでに、脂肪組織のデルマトポンチンや他のECM関連分子である組織性メタロプロテアーゼ阻害因子1(TIMP-1)の遺伝子発現が肥満マウスでは増加し、運動トレーニングはそれらを減弱させることを見出している。平成25年度は、脂肪組織におけるデルマトポンチンの生理機能の解明を目的に検討を行った。デルマトポンチンはトランスフォーミング増殖因子β(TGF-β)の生理活性を増加させることが肺上皮細胞で報告されているが脂肪組織ではよくわかっていない。一方、TGF-βは脂肪細胞においてプラスミノーゲン活性化抑制因子1(PAI-1)の遺伝子発現を増加させるので、脂肪細胞におけるTGF-βのPAI-1遺伝子発現増加作用に対するデルマトポンチンの強調作用について解析を行ったが、デルマトポンチンの影響は観察されなかった。したがって、デルマトポンチンは脂肪組織ではTGF-βの生理活性増強とは別の機能をもつことが示唆された。現在、脂肪組織におけるデルマトポンチンの生理機能を解明するため、デルマトポンチンと相互作用をもつタンパク質を単離するための実験を行っている。これに加えて、TIMP-1は脂肪細胞においてインスリンによるグルコース取り込みを減弱させることがわかった。これらの結果から、運動トレーニングのECM分子発現増加減弱作用は、インスリン抵抗性の減弱に関与している可能性が示唆された。白色脂肪組織(以下、脂肪組織)は、運動トレーニングや肥満によって再構成(リモデリング)を起こす可塑性を持つ臓器である。この脂肪組織のリモデリングには、脂肪細胞とそれを取り巻く細胞外マトリックス(ECM)との相互作用が重要な役割を果たしている。本課題は、この運動トレーニングや肥満による脂肪組織のリモデリングのメカニズムを、脂肪組織での機能が不明なECM分子・デルマトポンチンの役割に着目して明らかにすることを目的としている。平成24年度の検討では、脂肪含量60%の高脂肪食を4ヵ月間摂取させたC57BLマウスの副睾丸周囲脂肪組織において、デルマトポンチンとデルマトポンチンによって生理活性が上昇するトランスフォーミング増殖因子(TGF)-βや組織性メタロプロテアーゼ阻害因子(TIMP)-1などの組織の線維化に重要な因子の遺伝子発現が対照群に比べ著明に増加していたが、回転かごでの自発運動走による運動トレーニングはそれらの発現増加を有意に減弱させるという結果が得られた。したがって、運動トレーニングは肥満による脂肪組織のデルマトポンチンを含む線維化関連因子の発現増加を減弱させることが示唆された。肥満による脂肪組織の線維化は、肥満・糖尿病などの病態に深く関与することが推察されているが、その進展機序や分子メカニズムについては不明な点が多く、今後の更なる検討が必要である。今回の検討から、デルマトポンチンが脂肪組織の線維化に重要な役割を果たすことが推察され、さらに、運動トレーニングがデルマトポンチンの発現を低下させることで脂肪組織の線維化に対して減弱作用をもつことが予想された。これらの結果は、肥満・糖尿病の予防・改善ツールとしての運動トレーニングの新しい有用性を示していると思われる。肥満や運動トレーニングによる白色脂肪組織(以下、脂肪組織)の再構成(リモデリング)には、脂肪細胞とそれを取り巻くコラーゲンなどの細胞外マトリックス(ECM)が重要な役割を果たしていると考えられるが、未だに不明な点が多い。本研究は、この運動トレーニングや肥満による脂肪組織のリモデリングのメカニズムを、脂肪組織での機能が不明なECM関連分子・デルマトポンチンに着目して明らかにすることを目的に検討を行った。平成24および25年度の検討から、脂肪組織のデルマトポンチンや他のECM関連分子である組織性メタロプロテアーゼ阻害因子1(TIMP1)の遺伝子発現が肥満マウスでは増加し、運動トレーニングはそれを減弱させることが明らかになった。

さらに、デルマトポンチンはトランスフォーミング増殖因子(TGF)-βの生理活性を増加させることが肺上皮細胞で報告されていること、TGF-βは脂肪細胞においてプラスミノーゲン活性化抑制因子1(PAI-1)の遺伝子発現を増加させることから、脂肪細胞におけるTGF-βのPAI-1遺伝子発現増加作用に対するデルマトポンチンの強調作用について検討を行った。しかしながら、デルマトポンチンによる影響は観察されなかった。一方、TIMP1は脂肪細胞においてインスリンによるグルコース取り込みを減弱させることが明らかになった。最終年度は上記の脂肪細胞に対するTIMP1のインスリンシグナル減弱作用のメカニズムとそれに対するデルマトポンチンの影響について検討を行った。その結果、TIMP1は脂肪細胞においてTGF-βによって発現が誘導され、インスリンシグナル伝達の重要な中間因子であるAktのリン酸化を減弱させることが明らかになった。このTGF-βによるTIMP1の発現増加にデルマトポンチンによる影響は観察されなかった。これらの結果から、運動トレーニングのECM分子発現増加減弱作用は、脂肪細胞のインスリン抵抗性の減弱に関与していることが示唆された。運動生理学、運動分子生物学これまでの検討から、5週間の高脂肪食を摂取させて肥満させたマウスの内臓脂肪組織ではデルマトポンチンの遺伝子発現が増加するが、この増加を自発運動走による運動トレーニングが減弱させること、さらに、高脂肪摂取の期間を4ヵ月に延長しても同様の傾向が観察されることを見出している。平成25年度は脂肪細胞におけるデルマトポンチンの機能を明らかにすることを目的に検討を行った。デルマトポンチンがTGF-βの生理活性増強作用をもつこと、TGF-βは脂肪細胞においてPAI-1の遺伝子発現を増加させることがわかっているため、デルマトポンチンは脂肪細胞においてTGF-βのPAI-1遺伝子発現増加作用を増強させることが予想された。しかしながら、デルマトポンチンによる影響は観察されなかったことから脂肪組織においてはTGF-βの生理活性増強とは別の機能をもつことが示唆された。この結果から、デルマトポンチンは脂肪組織ではTGF-βではない別のタンパク質と相互作用する可能性が考えられたため、現在、デルマトポンチンと相互作用するタンパク質の同定実験を進めている。このタンパク質が同定されれば脂肪組織におけるデルマトポンチンの新しい機能を発見する上で極めて有用なデータになると思われる。また、脂肪組織でデルマトポンチンと同様な発現変化を示すTIMP-1は、脂肪細胞に対するインスリンのグルコース取り込み作用を減弱させることがわかった。このTIMP-1のインスリンシグナル減弱作用にデルマトポンチンが関与する可能性も考えられ、今後、更なる解析を行う予定である。
含水物質の輸送中に生ずる汗ぬれ損傷に対する高効率な防止策

近年、日本は農産物の穀物及び豆類をほとんど輸入に頼っている。それら穀物及び豆類は含水材料であるため、海上輸送中の汗ぬれ損傷が問題となっている。防止策として使い捨ての吸水シートが市販されているものの、高コストを理由に利用率は極めて低い。そこで、本研究では省エネルギーの観点より、再生可能な乾燥剤である各腫シリカゲルを用い、設置量や設置位置を検討することで低コストな汗ぬれ損傷の防止策を提案する。結露防止のために用いられるシリカゲルは高価であるため、保険によって保障を得ることで危険回避が行われている。そのような観点からも、シリカゲル使用量の削減は実用面で、特にコストの観点から極めて重要な課題である。汗ぬれ防止策として使用されるシリカゲルは物理吸着型シリカゲルを天井部に配置することで最も効率的な防止策になることをあきらかにした。また、高価なシリカゲル量を削減するために、積載物の表層をアルミニウムシートにて被覆することを検討した。積載物である大豆表屑をアルミニウムシートにて55%被覆するだけで、シリカゲルの使用量を10分の1に削減できることが明らかになった。シリカゲルの価格に比較して、アルミニウムシートの価格は廉価で殆ど無視し得ることから、汗ぬれ防止に係わるコストは20ftコンテナ1台あたりほぼ1万円程度になり、市販の最も廉価版使い捨ての吸水シートのコストに拮抗する。また、市販の吸水シートが使い捨てであるのに対して、使用するシリカゲルやアルミニウムシートは繰り返し使用が可能であり、省資源または環境保全の点からも注目に値する。また、水蒸気の吸着・透過制御のため、高分子フィルムの表面処理を行い、結露防止策として用い得ることを示し、有望な防止策となると考察した。そこで、本研究では省エネルギーの観点より、再生可能な乾燥剤である各種シリカゲルを用い、設置量や設置位置を検討することで低コストな汗ぬれ損傷の防止策を提案する。17年度は、コンテナの機能を単純化したミニコンテナを作製した。ミニコンテナに大豆及び吸着型シリカゲルを投入した後、冷却過程にあるコンテナ内部の温度及び水蒸気圧変化を実測し、得られた実測値より導かれる熱伝導・熱伝達・水蒸気伝導・水蒸気伝達に関する物性値を得た。大豆内部の熱及び水蒸気伝達率は拡散のみによって得られる値に比較してかなり大きく、大豆内部の空隙部に対流が生じていることを暗示していた。フラスコ等を用いた実験室レベルで、大豆及びシリカゲルの含水率と平衡水蒸気圧の関係を求めた。また、その温度依存性についても実測することで、気化熱を求めることが出来た。得られた物性値をコンテナ内の熱及び水蒸気移動をモデル化したプログラムに入力し、計算によりコンテナ内の温度・水蒸気圧変化及び結露量の経時変化をシミュレーションしたところ、実測と一致していた。以上の実験により、モデル化したプログラムの確証が得られたので、実寸大コンテナにて化学及び物理吸着型シリカゲルの投入効果及び結露量の経時変化をシミュレーションした。シミュレーションは、物理吸着型シリカゲルがコンテナ内部の上層空気に設置されることにより、効率よく汗濡れ損傷を防ぐことがでることを示していた。近年、日本の食料自給率は低下しつづけており、穀物の自給率は既に30%を下回っている。

消費穀物量のかなりの部分を輸入に頼っている日本にとって、農産物の安全かつ効率的輸入は重要な問題である。そのコンテナによる農産物輸送中、汗ぬれ損傷がしばしば起きている。汗ぬれ損傷の殆どはドライコンテナ輸送に限られており、支払い金額約10億円(支払い件数数百件)に達している。以上の事情より、保険業界や運送業界から汗ぬれ損傷の詳細な解明が期待され、且つ根本的な対策が強く求められている。結露防止のために用いられるシリカゲルは高価であるため、保険によって保障を得ることで危険回避が行われている。そのような観点からも、シリカゲル使用量の削減は実用面で、特にコストの観点から極めて重要な課題である。18年度は、汗ぬれ防止策として使用されるシリカゲル量を削減するために、積載物の表層をアルミニウムシートにて被覆することを検討した。積載物である大豆表層をアルミニウムシートにて55%被覆するだけで、シリカゲルの使用量を10分の1に削減できることが明らかになった。シリカゲルの価格に比較して、アルミニウムシートの価格は廉価で殆ど無視し得ることから、汗ぬれ防止に係わるコストは20ftコンテナ1台あたりほぼ1万円程度になり、市販の最も廉価版使い捨ての吸水シートのコストに拮抗する。また、市販の吸水シートが使い捨てであるのに対して、使用するシリカゲルやアルミニウムシートは繰り返し使用が可能であり、省資源または環境保全の点からも注目に値する。また、水蒸気の吸着・透過制御のため高分子フィルムの表面処理を行い、結露防止策として用い得ることを示しとともに、結露を検知しえる化合物をフィルムに付加するための基礎的材料の検討をおこなった。
転移を予防する新しいタイプの癌転移抑制薬の開発

我々が発見した以下の新事実を元にして新たな癌自然転移阻害薬の開発を行ってきた。(1)マウス・メラノーマBL6に高い自然転移能をもたらす原因遺伝子はコネキシン26である。(2)コネキシン一般の阻害剤として知られているオレアミドが弱いながら(34%)もマウス・メラノーマBL6に自然転移を阻害する。今年度はより効率の良い薬剤開発のために新たなin vitroアッセイシステムの開発を試みた。今回はヒトのコネキシン26のみならず、コネキシン32,-37,-40,-43,-45を恒常的に発現している細胞株を作製し、顕微鏡下で蛍光色素を微小なガラス針を用いて注入し、その後の蛍光色素の拡散を経時的に測定するというアッセイシステムを設定した。これによって迅速にコネキシシ26に対して選択的に阻害する薬剤が合成できているかどうかを判定できる。薬剤開発においてはコネキシン26を強く阻害するが心臓のパルスに影響を与えるコネキシン40,-43,-45、はほとんど阻害しないという選択的な阻害活性を持つ薬剤の合成を心がけてきた。これまでに開発してきたMI-18,MI-22はマウスの腹腔内投与によってコネキシン26を選択的に阻害するのみでなく、BL6の自然転移を15%、22%という高い効率で阻害した。経口投与による実験では胃液によって壊されるせいか自然転移は全く阻害されなかった。さらにMI-18やMI-22よりコネキシン26を選択的に阻害する薬剤の開発にも成功した。また、MI-18がBL6のみでなく、ヒトの大腸癌細胞株のマウスにおける自然転移をも効率良く阻害薬することも新たに発見した。興味深いことにオレアミドの溶剤として用いたオリーブ油などの蒸留分画が経口投与においてもオレアミド程度のBL6の自然転移を抑制した。これはこの蒸留分画が癌転移の健康食品として応用できる可能性を示唆する。
磁化特性の空間分布推定によるＭＰＩ画像分解能の改善

生体へ投与した磁性ナノ粒子をトレーサとして利用し、『がん』や循環器疾患の早期診断を可能とする"Magnetic Particle Imaging(MPI)"が提案されている。しかし、従来の方法では、データ収集を目的とする領域外の磁性ナノ粒子から生じる磁化信号に起因した画像ボケや偽像が問題となっている。本研究では、各位置に配置した磁性ナノ粒子から得られる非線形な磁化特性(システム関数)の空間分布と観測信号との相関情報に基づいて、画像を反復的に再構成することで、画質・画像分解能を改善できることを明らかにした。体外から投与した磁性ナノ粒子をトレーサとして利用し、がんや循環器疾患の早期診断を目指した分子イメージング技術『magnetic particle imaging(MPI)』が提案されている。しかし、従来の方法では、磁性ナノ粒子から生じる磁化信号を限局して収集するために形成する"磁場がほぼゼロの領域(field fre epoint(FFP))"以外からも磁化信号が検出されることに起因して、再構成画像に画像ボケや偽像が発生していた。本研究では、特に、ハードウェア性能の増強に頼ることなく、憾1における画像分解能を改善することを目的としている。平成24年度は、FFPを形成するための傾斜磁場分布の勾配が急峻で無い場合でも磁性ナノ粒子の分布を正確に描出するために、(1)システム関数(空間的に配置された磁性ナノ粒子から生じる磁化信号によって定義された伝達関数)と観測信号との相関情報に基づいて未知の磁性ナノ粒子の分布を画像再構成し、(2)推定された磁性ナノ粒子の分布から生じる磁化信号と観測信号との差を算出し、(3)両者の差を反復処理によって低減する新たな画像再構成法を提案した。数値計算の結果、提案手法によって画像分解能が約3倍改善することを明らかにした。この画像再構成法の有用性を実験的に確認するために、FFP形成ユニット(電源系)を導入したシステムの構築を開始した。一方、FFPの中心に存在する磁性ナノ粒子から生じる磁化信号の直流成分と、FFPの境界に存在する磁性ナノ粒子から生じる磁化信号の直流成分とを検出(推定)することで、画像分解能の改善が図れることを実験的に検証するシステムの構築に着手した。システムの基本性能評価として、加振機を用いて磁性ナノ粒子からアクティブに磁化信号が検出可能なことを確認した。しかし、従来の方法では、磁性ナノ粒子から生じる磁化信号を限局して収集するために形成する“磁場がほぼゼロの領域(field free point (FFP))"以外からも磁化信号が検出されることに起因して、再構成画像に画像ボケや偽像が発生していた。本研究では、ハードウェア性能の増強に頼ることなく、MPIにおける画質改善を目的としている。平成24年度までに、システム関数(空間的に配置された磁性ナノ粒子から生じる磁化信号によって定義された伝達関数)と観測信号との相関情報に基づいて未知の磁性ナノ粒子の分布を反復的に画像再構成する方法を提案し、数値解析により画像分解能を従来法に比べて約3倍改善できることを示した。平成25年度は、提案法の有用性を実験的に明らかにするためのプロトタイプシステム(傾斜磁場強度:1.65 T/m、交番磁場周波数:122 Hz、z軸方向:オフセット磁場走査、x軸方向:制御台を用いた機械式走査)を構築し、フェルカルボトラン分画ファントム(円筒、内径:23 mm、高さ:4 mm)の2次元画像データ(撮像領域:30×30 mm、マトリクスサイズ:21×21)の収集を試みた。その結果、数値解析結果と同程度の画像分解能が得られるとともに、従来法と比較して平均二乗誤差による指標において約10倍の画質向上が確認された。上記の基礎検討に基づき、z軸、x軸ともにオフセット磁場によるFFP走査を可能とするFFP形成ユニットの設計、および、開発を終えたため、平成26年度には、2次元オフセット磁場走査による画像データを収集・評価し、提案法の有用性を確認するとともに画像再構成法の改善を図る。生体へ投与した磁性ナノ粒子の循環・蓄積の分布を描出することにより、循環器疾患や悪性腫瘍の早期診断を可能とする“magnetic particle imaging(MPI)"が提案されている。MPIでは、磁場強度がほぼゼロとなる点(field free point:FFP)の周囲に磁性ナノ粒子が磁化飽和する磁場強度の分布を形成し、これを空間的にスキャンしながら磁化信号の高調波成分を検出することで、磁性ナノ粒子の分布を描出する。

しかし、FFPを形成する磁場分布の傾斜が緩やかな場合には、FFP領域外の磁性ナノ粒子から生じる高調波成分が干渉信号となり、再構成画像上に画像ボケや偽像となって現れる問題があった。本研究では、各点に配置した磁性ナノ粒子から得られる非線形な磁化特性(システム関数)の空間分布を予め算出しておき、これらと観測信号との相関情報に基づいて未知の磁性ナノ粒子の分布を高分解能に画像再構成することを目的としている。前年度までの数値解析により、従来の画像再構成に比べて約3倍の画像分解能が達成可能であることを確認している。また、1次元画像データを収集可能なプロトタイプシステム(傾斜磁場強度:1.65 T/m)を用いて、数値解析と同様の画像が再構成できることを示している。平成26年度は、空間的な2次元画像データを収集可能とするために、新たなシステムを設計・製作し(マクセルペアコイル直径:400 mm、コイル間距離:150 mm、ソレノイドコイル直径:50 mm、ソレノイドコイル長:80 mm、受信コイルサイズ:10×25×25 mm、受信コイル巻数:500回)、X軸方向の傾斜磁場強度:2.3 T/m、Z軸方向の傾斜磁場強度1.1 T/mを形成することで、画像視野:30×30 mmのMPI画像を収集可能とした。26年度が最終年度であるため、記入しない。医用工学26年度が最終年度であるため、記入しない。本研究の最終目的である再構成画像の画像分解能向上(従来比約3倍)が確認された。また、本年度に予定していた種々のユニットを導入し、評価システムの構築が順調に行われた。機器・設備を当初の計画通り導入し、従来の画像再構成法に比べて画像分解能の改善、ならびに、画質の向上が達成されることを実験的に確認できている。磁性ナノ粒子からアクティブに検出された磁化信号から空間的な磁化特性を推定可能なことを明らかにし、これによる画像分解能の改善効果を定量的に示す。平成25年度までに構築したシステムを用いて、実際的な条件下での2次元画像データの収集を試みる。これにより、システム上の問題点を明らかにするとともに、画質改善が期待される新たな画像再構成法を提案する。ただし、磁性ナノ粒子からアクティブに検出された磁化信号に基づいて空間的な磁化特性を推定することが画質にどの程度影響を及ぼすかは現時点で評価が不十分であり、画像再構成法として追及すべきかを早急に判断する必要がある。申請時の研究計画調書では、平成24年度にMPIの基本システム(FFP形成ユニット)を構築する予定であったが、当初予算案が認められなかったため、平成24年度予算を翌年度に繰り越しFFP形成ユニットの一部(マクセルコイル)を購入せざるを得なくなった。平成25年度は、ほぼ当初予算通りの執行が行えたが、FFP形成ユニット(磁場発生コイル)のディスカウント交渉の結果、約7,000円の繰り越しが生じた。平成26年度に、FFP形成ユニット(磁場発生コイル)を冷却するためのチラーを導入するが、平成25年度に生じた繰り越しについてはその付属品の購入を予定している。
ナノ加工表面に構築した細胞神経回路の活動計測と数値計算を組合せた機能解析法の確立

脳は約1000億個の神経細胞がお互いに複雑なネットワークを構築し、細胞間の電気的相互作用により機能発現する情報処理システムである。本課題では、ナノ/マイクロ加工を基盤技術とし、任意の位置に神経細胞を配置・接続して生きた神経細胞をパターニングした細胞神経回路を構築し、活動計測することで神経回路の構造と活動の関係を明らかにすることを目的としている。当該年度においては、1)可視光応答性酸化チタンを用いた表面改質と細胞の液中パターニング、2)数値計算を用いた単一神経細胞回路の活動シミュレーションを実施した。1)では細胞へのダメージ軽減を目的とした液中細胞パターニング法を開発した。石英基板上に酸素欠損を含んだルチル型酸化チタンを蒸着したところ、この基板が可視光応答性を発現した。この基板上に細胞接着阻害有機膜を成膜し、細胞接着分子であるコラーゲンを添加した生理食塩水中で基板の局部に青色光を照射すると、光照射領域の有機膜が選択的に分解し、そこにコラーゲンが選択的に吸着し、細胞接着を促進した。予め局所的にラット副腎髄質褐色細胞腫を培養しておき、この細胞に隣接して青色光を照射すると、細胞はダメージを受けるなく、光照射領域に伸展した。この技術を神経細胞に適用すれば、自由自在に神経回路を構築することが可能になる。2)では神経細胞回路の活動のモデル化を目的として、数値計算を用いた単一神経細胞の活動シミュレーションを実施した。ホジキンハクスレーモデルとハインドマーシュローズモデルを用い、自身へのフィートバック構造を有する神経細胞回路を計算機上に構築し、活動を計算した。ナノ加工表面に構築した細胞神経回路の活動と比較すると、両者に違いが見られた。これは数理モデルにおいて、実神経細胞に存在するパラメータが欠落していることを示唆している。このパラメータを抽出することで、脳の計算処理様式が解明可能になる。29年度が最終年度であるため、記入しない。脳は約1000億個の神経細胞が複雑なネットワークを構築し、互いに電気的なやりとりをする情報処理システムである。本研究では、ナノ/マイクロ加工技術を活用することで、ガラス基板表面の任意の位置に神経細胞を配置・接続してボトムアップ的に神経細胞回路を構築し、その活動計測を通して神経回路の構造と活動の関係を明らかにすることを目的としている。神経回路は、電気的特性の異なる2種類の神経細胞ー興奮性神経細胞と抑制性神経細胞ーを主として構成される。この2種類の神経細胞の存在は神経回路の活動に大きく関係する。意図した構造の神経回路を構築するためには、これらの細胞種を判別することが必要不可欠である。これまでに、神経細胞を化学固定して評価する方法や、特定の神経細胞に蛍光色素を導入する方法が知られている。細胞が生きた状態で蛍光標識せずに細胞種を判別することが出来れば、神経細胞の細胞種を判別した後に細胞間を接続することができ、任意の神経回路をガラス基板表面に構築することが可能になる。そこで、本年度は以上の課題を達成するために、マイクロパターン基板を用いることにより、興奮性神経細胞と抑制性神経細胞を生きた状態で蛍光標識を施さずに判別できる方法を考案した。神経細胞の出力端子である軸索と入力端子である樹状突起を制御可能なパターン上で、軸索伸長過程を計測したところ、抑制性神経細胞の軸索伸長が興奮性神経細胞のそれに比べて有意に遅いことが分かった。培養6日目において、軸索長の閾値を120umに設定することにより、閾値以下の細胞が抑制性細胞・閾値以上の細胞が興奮性細胞として判別することが出来た。構造を制御した神経回路を構築するための技術がほぼ揃った。これらの成果は、雑誌論文2本、学会発表6本として発表した。脳は約1000億個の神経細胞が複雑なネットワークを構築し、細胞間の電気的相互作用により機能発現する情報処理システムである。本研究では、ナノ/マイクロ加工技術を活用し、任意の位置に神経細胞を配置・接続して生きた神経細胞をパターニングした細胞神経回路を構築し、その活動計測を通して神経回路の構造と活動の関係を明らかにすることを目的としている。当該年度においては、1)マイクロパターン基板を用いた興奮性/興奮性神経細胞の非標識判別法の開発、2)マイクロパターン基板上に構築した2細胞神経細胞の活動計測、3)細胞へのダメージ軽減を目的とした可視光応答型光触媒リソグラフィ法の開発と液中細胞パターニングを実施した。1)ではマイクロパターン基板を用い、興奮性神経細胞と抑制性神経細胞を生きた状態で蛍光標識を施さずに判別できる方法を考案した。神経細胞の出力端子である軸索を選択的に観察可能なマイクロパターンを作製し、軸索経路に伸長した突起を経時的に観察した。抑制性神経細胞の軸索伸長が有意に遅いことがわかり、軸索長を観察のみで98%の確率で細胞種を判別することができた。2)ではマイクロパターンを用いて細胞間接続様式の異なる神経細胞回路を構築し、活動を計測した。2細胞間の接続(シナプス)が強固である場合は2細胞が高頻度で同期活動する一方で、細胞間の接続が少ない場合は低頻度な同期活動と個別の活動が観察できた。シナプス数や強度と同期活動の関係を見出し、今後は数理モデル化を行なう。3)では培養環境下で神経細胞間の突起接続を可能にする技術を構築している。

これまで酸化チタンの光触媒を活用し、紫外光照射で表面改質してきたが、細胞ダメージ軽減を目的とし、可視光応答型酸化チタンを用いた液中改質を目指した。この結果、蒸着時の条件を変更することにより可視光照射によって液中改質でき、細胞をパターニングすることに成功した。脳型計算様式を抽出するためのプラットフォームとして、生きた神経細胞を素子とした神経細胞回路の構築を行っているが、該当年度の研究により興奮性/抑制性神経細胞の判別を培養環境下で非標識に判別することと、接続様式の異なる同一個の神経細胞回路を構築することが可能となった。少数個の神経細胞の活動計測と数値計算を組み合わせた数理モデルの構築への土台がほぼ完成したと言える。また、可視光応答酸化チタンを用いた光触媒リソグラフィによる表面改質技術により、細胞へのダメージを軽減した上で任意の細胞同士を接続する手応えを得た。本年度の前半に、興奮性/抑制性神経細胞の非標識判別に関する論文を投稿した際、審査員より追加実験をするようにと助言をいただき、アクセプトが予想よりも遅くなってしまい、当初の研究予定よりやや遅れてしまったが、アクセプト後の研究は順調に進んでおり、次年度は全体の課題を達成するように一層努力する所存である。本年度実施した研究成果について、原著論文2本、学会発表4回でまとめた。脳は約1000億個の神経細胞がお互いに複雑なネットワークを構築し、細胞間の電気的相互作用により機能発現する情報処理システムである。本課題では、ナノ/マイクロ加工を基盤技術とし、任意の位置に神経細胞を配置・接続して生きた神経細胞をパターニングした細胞神経回路を構築し、活動計測することで神経回路の構造と活動の関係を明らかにすることを目的としている。当該年度においては、1)可視光応答性酸化チタンを用いた表面改質と細胞の液中パターニング、2)数値計算を用いた単一神経細胞回路の活動シミュレーションを実施した。1)では細胞へのダメージ軽減を目的とした液中細胞パターニング法を開発した。石英基板上に酸素欠損を含んだルチル型酸化チタンを蒸着したところ、この基板が可視光応答性を発現した。この基板上に細胞接着阻害有機膜を成膜し、細胞接着分子であるコラーゲンを添加した生理食塩水中で基板の局部に青色光を照射すると、光照射領域の有機膜が選択的に分解し、そこにコラーゲンが選択的に吸着し、細胞接着を促進した。予め局所的にラット副腎髄質褐色細胞腫を培養しておき、この細胞に隣接して青色光を照射すると、細胞はダメージを受けるなく、光照射領域に伸展した。この技術を神経細胞に適用すれば、自由自在に神経回路を構築することが可能になる。2)では神経細胞回路の活動のモデル化を目的として、数値計算を用いた単一神経細胞の活動シミュレーションを実施した。ホジキンハクスレーモデルとハインドマーシュローズモデルを用い、自身へのフィートバック構造を有する神経細胞回路を計算機上に構築し、活動を計算した。ナノ加工表面に構築した細胞神経回路の活動と比較すると、両者に違いが見られた。これは数理モデルにおいて、実神経細胞に存在するパラメータが欠落していることを示唆している。このパラメータを抽出することで、脳の計算処理様式が解明可能になる。平成28年度は、構造を制御した培養神経回路の活動計測を通じて、回路構造と活動の関係を調べる。
造血幹細胞移植後のGVHD制御における単球の重要性とその治療応用に関する研究

同種造血幹細胞移植後の末梢血単核球における同種免疫応答を制御しうる分子であるKiller cell inhibitory recepter(KIR)の発現を検討したところ、急性期においてはNK細胞においてまた慢性期においてはT細胞においてKIRの発現が亢進することを見い出した。特に、慢性GVHD患者においてKIRのCD8陽性細胞における発現が亢進していた。この傾向は、予後の良好な患者において顕著でありそのような患者においては再発が認められなかった。このようなT細胞におけるKIRの発現亢進はGVHDに対して抑制的に作用している反面GVL効果には促進的に作用している可能性が考えられた。また同種末梢血幹細胞移植に用いる、ドナーにG-VSFを投与した後のapheresis product(G-PBMC)をリンパ球混合培養試験によって刺激すると、G-PBMC由来のT細胞にKIRの発現が亢進する傾向が認められた。この際、T細胞におけるKIRの発現には単球の関与が推測されCD14陽性細胞をG-PBMCから除去するとその発現が低下した。一方、CD14陽性細胞を加えるとその発現が再度亢進した。また、G-PBMCを抗CD3抗体などを用いて刺激することによってKIR陽性CD8細胞を増幅することができ、この細胞は白血病細胞株K562や患者CML細胞を障害したが自己PHA Blastに対しては障害活性を示さなかった。従ってKIR陽性CD8細胞は同種造血幹細胞移植後のGVHD/GVL制御において重要な役割を果たしているとともに、そのKIRの発現にはG-PBMCに大量に含まれる単球が関与している可能性が示唆された。同種造血幹細胞移植における単球をはじめとするAccessory Cellsの機能を解析して、移植片対宿主病(GVHD)や移植片対白血病(GVL)という観点からその免疫応答に対する影響について検討した。ドナーにG-CSFを投与した後のapheresis product (G-PBMC)はG-CSFを投与する前の抹消血単核球(preG-PBMC)に比較してリンパ球混合培養試験において低反応性を示し、この低反応性はG-PBMCからCD14陽性単球を分離除去することによって回復した。従って、G-PBMC中に大量に含まれている単球には免疫応答を抑制する作用があることが推測された。さらに、リンパ球混合培養試験によってG-PBMC由来のT細胞に免疫応答を制御する分子の発現(Killer cell inhibitory receptor (KIR)など)が亢進する傾向が認められた。またこの現象には単球の関与が推測された。現在、KIRの発現と単球の関連等についての解析をすすめている。同種造血幹細胞移植後の末梢核球における同種免疫応答を制御しうる分子であるKiller cell inhibitory receptor(KIR)の発現を検討したところ、急性期においてはNK細胞においてまた慢性期においてはT細胞においてKIRの発現が亢進することを見い出した。また同種末梢血幹細胞移植に用いる、ドナーにG-CSFを投与した後のapheresis product(G-PBMC)をリンパ球混合培養試験によって刺激すると、G-PBMC由来のT細胞にKIRの発現が亢進する傾向が認められた。またこの際、T細胞におけるKIRの発現には単球の関与が推測されCD14陽性細胞をG-PBMCから除去するとその発現が低下した。

一方、CD14陽性細胞を加えるとその発現が再度亢進した。このようなKIRのG-PBMCにおける発現亢進が同種末梢血幹細胞移植後のGVHD制御に関与している可能性が示唆された。同種造血幹細胞移植後の末梢血単核球における同種免疫応答を制御しうる分子であるKiller cell inhibitory receptor(KIR)の発現を検討したところ、急性期においてはNK細胞においてまた慢性期においてはT細胞においてKIRの発現が亢進することを見い出した。特に、慢性GVHD患者においてKIRのCD8陽性細胞における発現が亢進していた。この傾向は、予後の良好な患者において顕著でありそのような患者においては再発が認められなかった。このようなT細胞におけるKIRの発現亢進はGVHDに対して抑制的に作用している反面GVL効果には促進的に作用している可能性が考えられた。また同種末梢血幹細胞移植に用いる、ドナーにG-CSFを投与した後のapheresis product(G-PBMC)をリンパ球混合培養試験によって刺激すると、G-PBMC由来のT細胞にKIRの発現が亢進する傾向が認められた。またこの際、T細胞におけるKIRの発現には単球の関与が推測されCD14陽性細胞をG-PBMCから除去するとその発現が低下した。また、G-PBMCを抗CD3抗体などを用いて刺激することによってKIR陽性CD8細胞を増幅することができ、この細胞は白血病細胞株K562や患者CML細胞を障害したが自己PHA Blastに対しては障害活性を示さなかった。従ってKIR陽性CD8細胞は同種造血幹細胞移植後のGVHD/GVL制御において重要な役割を果たしているとともに、そのKIRの発現にはG-PBMCに大量に含まれる単球が関与している可能性が示唆された。
北西太平洋地域の更新統における標準的複合年代尺度の構築

この学術研究助成基金の研究では,本邦周辺の第四系を対象とする複合年代尺度を構築するため,房総半島に分布する第四系を検討している.平成30年度は,房総半島に分布する上総層群のうち,黄和田層から梅ヶ瀬層を対象として,調査,試料採取,石灰質ナノ化石,浮遊性有孔虫化石の検討,および酸素同位体比の測定を行った.これらの検討はほぼ予定通り進めることができ,年度の終わりには論文として発表できるまでのデータが出そろった.本年度の検討の結果,得られた同位体変動曲線は,世界的な標準曲線とよく対応が付き,黄和田層および梅ヶ瀬層における年代モデルを作成することができる.酸素同位体曲線を中心とし,そのほかの年代層序学的データを用いると,梅ヶ瀬層で約90万年前頃,黄和田層で110万年前頃における高精度の年代尺度が確立される.併せて検討した石灰質ナノ化石と浮遊性有孔虫化石の検討によれば,第四系の石灰質ナノ化石基準面のうち,有用な2つの化石基準面(大型のGephyrocapsaの上限とReticulofenestra asanoiの上限)が対応する海洋酸素同位体ステージを明らかにすることもできる.また,石灰質ナノ化石と浮遊性有孔虫化石の群集変化に基づいて,黄和田層および梅ヶ瀬層堆積時の表層海洋環境を復元することも可能であり,本邦太平洋側を流れる主要な海流である黒潮と親潮の変遷を議論するのに十分なデータを得ることもできている.平成30年度に取り扱った地層群は,当初の予定通り,黄和田層と梅ヶ瀬層である.それぞれの地層のすべての層準を検討したわけではないが,化石基準面の評価や古海洋環境を考える上ではもっとも重要な層準を検討することができたので,順調に進んでいると判断できる.平成31年度(令和元年)は,平成30年度に引き続き,黄和田層のほかの層準及び大田代層の検討を行う.上記の通り,研究計画は予定どおり進んでいるので,方針や方策を変えることなくすすめることができると考えている.この学術研究助成基金の研究では,本邦周辺の第四系を対象とする複合年代尺度を構築するため,房総半島に分布する第四系を検討している.平成30年度は,房総半島に分布する上総層群のうち,黄和田層から梅ヶ瀬層を対象として,調査,試料採取,石灰質ナノ化石,浮遊性有孔虫化石の検討,および酸素同位体比の測定を行った.これらの検討はほぼ予定通り進めることができ,年度の終わりには論文として発表できるまでのデータが出そろった.本年度の検討の結果,得られた同位体変動曲線は,世界的な標準曲線とよく対応が付き,黄和田層および梅ヶ瀬層における年代モデルを作成することができる.酸素同位体曲線を中心とし,そのほかの年代層序学的データを用いると,梅ヶ瀬層で約90万年前頃,黄和田層で110万年前頃における高精度の年代尺度が確立される.併せて検討した石灰質ナノ化石と浮遊性有孔虫化石の検討によれば,第四系の石灰質ナノ化石基準面のうち,有用な2つの化石基準面(大型のGephyrocapsaの上限とReticulofenestra asanoiの上限)が対応する海洋酸素同位体ステージを明らかにすることもできる.また,石灰質ナノ化石と浮遊性有孔虫化石の群集変化に基づいて,黄和田層および梅ヶ瀬層堆積時の表層海洋環境を復元することも可能であり,本邦太平洋側を流れる主要な海流である黒潮と親潮の変遷を議論するのに十分なデータを得ることもできている.平成30年度に取り扱った地層群は,当初の予定通り,黄和田層と梅ヶ瀬層である.それぞれの地層のすべての層準を検討したわけではないが,化石基準面の評価や古海洋環境を考える上ではもっとも重要な層準を検討することができたので,順調に進んでいると判断できる.平成31年度(令和元年)は,平成30年度に引き続き,黄和田層のほかの層準及び大田代層の検討を行う.上記の通り,研究計画は予定どおり進んでいるので,方針や方策を変えることなくすすめることができると考えている.計画が順調に進み,当初の物品費よりも少ない額で実験を行うことができたため,若干の余剰金ができた.ただし,次年度にて物品費にて使用する見込みである.
公共セクターにおける分権的意思決定システムの構築

本研究では、第一に公共財を純粋公共財と排除可能な公共財に分類し、それぞれの供給に関する望ましい経済メカニズムの設計を試みた。経済メカニズムの望ましさを測る基準として、戦略的操作不可能性、個人合理性、需要単調性、市民主権という4つの公理を導入し、これらの公理を満足する経済メカニズムの特定化を行った。純粋公共財に関しては、固定された費用負担ルールのもとでの全員一致のメカニズムが、また排除可能な公共財に関しては、提携に対して固定された費用負担ルールのもとでの(最大の提携の)全員一致のメカニズムが、4つの公理を満たすメカニズムであることを証明した。これらの結論から、純粋公共財よりも排除可能な公共財の方が、4つの公理を満足し、より効率的な経済メカニズムを設計できることが明らかとなった。第二に、オークションにおける望ましい経済メカニズムの設計を試みた。まず各個人の選好集合が有限に制限されている場合でさえ、戦略的操作不可能性とパレート最適性の2つの公理を満足する経済メカニズムを設計できないことを証明した。次に戦略的操作不可能性、個人合理性、需要単調性、補償の公平性という4つの公理を満足する経済メカニズムの特定化を行った。第三に、純粋交換経済における望ましい経済メカニズムの設計を試みた。ここでは、各個人の選好集合が有限に制限される場合でさえ、戦略的操作不可能性、パレート最適性、非独裁性の3つの公理を満足する経済メカニズムを設計できないことをMATHEMATICAによる数値計算により予想した。本研究では、公共財を純粋公共財と排除可能な公共財に分類し、それぞれの供給に関する望ましい経済メカニズムの設計を試みた。純粋公共財に関しては、固定された費用負担ルールのもとでの全員一致のメカニズムが、また排除可能な公共財に関しては、提携に対して固定された費用負担ルールのもとでの(最大の提携の)全員一致のメカニズムが、4つの公理を満たすメカニズムであることが証明された。これらの結論から、純粋公共財よりも排除可能な公共財の方が、4つの公理を満たし、より効率的な経済メカニズムを設計できることが明らかとなった。さらに、オ-クションにおける望ましい経済メカニズムの設計を試みた。戦略的操作不可能性、個人合理性、需要単調性、補償の公平性という4つの公理を満足する経済メカニズムの特定化を行った。
機能性アプタマーによる包括的心血管病の制御

昨年度の研究で得られた機能的ラミニン受容体アプタマーをHUVECを用いたin vitroアッセイの結果、50個程からなる候補アプタマーの中から、機能性アプタマーを絞り込み、その塩基配列を決定した。具体的には、10 micro g/mlのGLAPに内皮細胞を4-24時間暴露させ、PEDF様抗酸化・抗炎症作用を持つラミニン受容体アプタマー(アゴニストアプタマー)を絞り込み、GLAPによる酸化ストレス産生(DCFDA法、DHE法などで計測)、NF-kappaBの活性化(ルシフェラーゼ活性や活性型p65の免疫染色法などで計測)、MCP-1遺伝子の発現誘導(RT-PCR法で検討)を抑制する効果を有するクローンは見つからなかった。そこで、残りの候補アプタマーについて、再度アプタマーを化学合成し、GLAPによる内皮細胞の酸化ストレス産生の抑制効果を再検討した。その結果、いくつかの候補アプタマーが酸化ストレスの抑制効果を示した。しかし、MCP-1遺伝子の発現誘導を有意に抑制するものは得られなかった。そこで、候補アプタマーを再度作製するところから検討した。再検討にあたり、アプタマーを作製する際のSELEX法の回数を前回より増やすことで、よりラミニン受容体に対する親和性の高いアプタマーを得ることとした。現在、HUVECを用いたin vitroアッセイ(酸化ストレスアッセイ)により、機能性アプタマーの絞り込みをおこなっている。機能的ラミニン受容体アプタマーがえられず、再度アプタマーの作製から検討しているため。今回、候補アプタマーのラミニン受容体に対する親和性は測定していないが、恐らくより親和性の高いアプタマーを得られず、ラミニン受容体のリガンドであるPEDF様の活性を示すアプタマーが得られなかったと思われた。最初に作製した候補アプタマーがいずれもin vitroにおける活性(GLAPにより惹起される細胞内酸化ストレスの抑制および、炎症性遺伝子MCP-1の発現抑制効果)を示さなかった。そこで、アプタマーの作製(SELEX法)を再度おこなうにあたって、より親和性の高いアプタマーが得られるように、SELEX法のサイクル数を、増やした。SELEX法においてはサイクル数を増やすに従って、より親和性の高いアプタマーが選別される。現在、得られた候補アプタマーについてin vitroにおける酸化ストレスアッセイをおこなっているので、酸化ストレス抑制効果を示すアプタマーが得られ次第、続いてNF-kappaBの活性化(ルシフェラーゼ活性や活性型p65の免疫染色法などで計測)及び、MCP-1遺伝子の発現誘導(RT-PCR法で検討)の抑制効果について、確認をおこない、機能性ラミニン受容体アプタマーの絞り込みをおこなう。その後動物モデル(ストレプトゾトシン投与による1型糖尿病モデルラット)を作製し、機能性ラミニン受容体アプタマーの効果を確認する。PEDFのラミニン受容体結合ドメイン(LR205-229)を含む可溶型ラミニン受容体蛋白質を精製し、SELEX法により、SELEX法によりアプタマーの作製をおこなった。得られた候補DNAアプタマーを発現ベクターへ導入し、クローン化して配列を決定した後、化学合成し、QCM水晶発振子マイクロバランスや表面プラズモン共鳴法などにより、当該アプタマーとラミニン受容体蛋白との結合特異性の確認を検討した。50個程からなる候補アプタマーの中から、機能性アプタマーを絞り込み、その塩基配列を決定していく。具体的には、10 micro g/mlのGLAPに内皮細胞を4-24時間暴露させ、PEDF様抗酸化・抗炎症作用を持つラミニン受容体アプタマー(アゴニストアプタマー)を絞り込み、GLAPによる酸化ストレス産生(DCFDA法、DHE法などで計測)、NF-kappaBの活性化(ルシフェラーゼ活性や活性型p65の免疫染色法などで計測)、MCP-1遺伝子の発現誘導(RT-PCR法で検討)などを完全に抑え得るか、検討をおこなった。PEDF様の機能を有するアプタマーが得られていないため。

今回、候補アプタマーのラミニン受容体に対する親和性は測定していないが、恐らくより親和性の高いアプタマーを得られず、ラミニン受容体のリガンドであるPEDF様の活性を示すアプタマーが得られなかったと思われた。機能的ラミニン受容体アプタマーが今回作製したクローンの中に含まれなかったため、再度、今回得られた残りのアプタマー候補からアプタマーを化学合成し、ラミニン受容体を介した抗酸化・抗炎症作用を持つクローンの絞り込みをおこなう。最初に作製した候補アプタマーがいずれもin vitroにおける活性(GLAPにより惹起される細胞内酸化ストレスの抑制および、炎症性遺伝子MCP-1の発現抑制効果)を示さなかった。そこで、アプタマーの作製(SELEX法)を再度おこなうにあたって、より親和性の高いアプタマーが得られるように、SELEX法のサイクル数を、増やした。SELEX法においてはサイクル数を増やすに従って、より親和性の高いアプタマーが選別される。現在、得られた候補アプタマーについてin vitroにおける酸化ストレスアッセイをおこなっているので、酸化ストレス抑制効果を示すアプタマーが得られ次第、続いてNF-kappaBの活性化(ルシフェラーゼ活性や活性型p65の免疫染色法などで計測)及び、MCP-1遺伝子の発現誘導(RT-PCR法で検討)の抑制効果について、確認をおこない、機能性ラミニン受容体アプタマーの絞り込みをおこなう。その後動物モデル(ストレプトゾトシン投与による1型糖尿病モデルラット)を作製し、機能性ラミニン受容体アプタマーの効果を確認する。アプタマーの合成と機能の確認後に、再度アプタマーの絞り込みを検討することになったため、動物実験に必要な試薬、消耗品費の一部が必要なくなったため。研究の進捗状況(アプタマーの作製を再検討した)に合わせて、実験内容を変更し、予定していた動物実験をおこなう必要がなくなり、その予算分を消耗品に割り振った結果、余剰分が生じたため。次年度において、予定しているアプタマーの絞り込みと、動物実験に使用する。
デジタルスパイクニューロンとそのパルス結合系の学習法構築へのアプローチ

離散状態を有する人工神経細胞モデル(デジタルスパイクニューロン)を提案してその応答特性や非線形現象を解析した.また,未知のパラメータを有する神経細胞モデルの動作を自動的に近似・模倣する為のデジタルスパイクニューロンに対する学習法を提案し,同学習法をハードウェアに実装してその動作を確認した.また,それらの離散状態モデルに関する知見を参考にして,連続状態を有する新しい人工神経細胞モデル提案して,そのパルス符号化特性やアナログ/デジタル変換特性等を解析した.離散状態を有する人工神経細胞モデル(デジタルスパイクニューロン)を提案してその応答特性や非線形現象を解析した.また,未知のパラメータを有する神経細胞モデルの動作を自動的に近似・模倣する為のデジタルスパイクニューロンに対する学習法を提案し,同学習法をハードウェアに実装してその動作を確認した.また,それらの離散状態モデルに関する知見を参考にして,連続状態を有する新しい人工神経細胞モデル提案して,そのパルス符号化特性やアナログ/デジタル変換特性等を解析した.デジタルスパイクニューロン(DSN)は複数のシフトレジスタを結線した系であり,簡素化されたニューロンモデルの様な動作を繰り返してスパイク列を発生する.また,レジスタ間の結線パターンに依存して,DSNは様々な特性を持つスパイク列を発生できる.本研究の目的の一つとして「スパイク列の特性の基本的な性質の理論と実験の両面からの解析」を挙げていた.この目標に対して,今年度の研究においては「DSNの結線パターンの変更とそれに伴う出力スパイク列の特性の変化の基本的な関係」を理論的に導出した.またもう一つの目的として「アナログニューロンモデルのダイナミクスを模擬するためのDSNの学習アルゴリズムの開発」を挙げていた.これに対して今年度の研究においては,「これまでに得られた理論解析結果と本研究で新しく得られた理論結果の両方を応用した新しい学習アルゴリズム」を提案し,数値実験により学習の特性を解析した.その結果,提案アルゴリズムを用いることにより,DSNが簡素化されたアナログスパイクニューロンモデルが発生する様々なスパイク列を近似できる事を示した。また,DSNとその新しい学習アルゴリズムをハードウェア記述言語(Hardware Description Language: HDL)で記述して,その動作を論理回路シミュレータを用いて確認した.さらに,DSNとその学習アルゴリズムを再構成可能デジタル回路の代表例であるField Programmable Gate Array(FPGA)に実装し,その動作を実回路を用いた実験で確認した.デジタルスパイクニューロン(DSN)は複数のシフトレジスタを結線した系であり、その結線パターンが系のダイナミクスを決める重要なパラメータである。本研究の目的を以下に要約する.(1)DSNの基本的な性質の理論と実験の両面からの解析.(2)アナログニューロンモデルのダイナミクスを模擬するためのDSNの学習則の開発.生物の神経細胞ネットワークの動作を模擬するためのDSNのネットワークに対する学習則の開発. (3)DSNのネットワークの応用へ向けた基礎研究.例えば,生物の神経細胞ネットワークの動作を模擬するDSNネットワークのBrain-Machine Interfaceへの応用の基礎。これに対して今年度は特に以下の成果を得た.・所望の特性のスパイク列を発生するためのDSNの結線パターンに対する学習則を開発し,そのダイナミクスを解析した。例えば、学習の収束の早さや学習結果の良好さ等を解析した.・FPGA実装を念頭に置いた学習則の開発FPGAへの実装を念頭に置いたDSNの学習則とそのダイナミクスを考察した。またFPGA上に同学習則を実装し,その動作を確認した.・DSNに関する研究のアイデアの元となるアナログニューロンモデルの符号化特性を解析した.