hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ファゴゾーム・マクロパイノゾームの形成と膜輸送

ファゴサイトーシス、マクロパイノサイトーシスは、細胞が粒子状外来異物や液体を細胞外から細胞内ファゴゾーム・マクロパイノゾームへと取り込み、処理する現象であり、生体防御機構の最前線で重要な役割を果たす。本研究は、ファゴゾーム・マクロパイノゾーム形成および膜輸送に関わる制御分子を探索し、その分子の時間空間的関与をライブセルイメージングにより明らかにする目的でおこなわれた。この研究により、ファゴゾーム形成、マクロパイノゾームの成熟過程に関わる分子として、Rab35, Rab21などが見出され、重要な機能的意義を示唆する結果を得た。全反射顕微鏡によるファゴゾーム形成に関わる膜輸送とシグナル制御の解析IgGコートしたカバースリップ上に生きたマクロファージを接着伸展させる"frustrated phagocytosis"をファゴゾーム形成のモデルとして全反射顕微鏡法で観察し、膜輸送のタイミングと部位を分子レベルで高分解能観察するというユニークな方法での解析を試みた。rab34、rab11などのsmall GTPaseや細胞内膜マーカー蛋白のGFP-融合タンパク質を発現させたRAWマクロファージをIgG-coatカバースリップ上でfrustrated phagocytosisを起こさせたところ、骨髄由来のマクロファージのようには広く伸展せず、IgGコートをしていないものとあまり差が認められなかった。frustrated phagocytosisモデルでファゴゾーム形成機構を解析するには、骨髄マクロファージにGFP融合タンパク遺伝子導入を行うか、免疫組織化学染色で観察する必要があることが分かった。また、今回の結果は、マクロファージの由来、細胞種によってファゴゾーム形成に寄与する膜輸送、膜供給が異なっていることを示唆している。今後、由来の異なるマクロファージにおいてファゴゾーム形成のメカニズムの差異ついても解析を加えたい。通常のlivecell imagingの解析では、rab35、rab21などの分子がファゴサイトーシス・マクロパイノサイトーシスに関わることが観察された。次年度は、これらの分子の役割についても、mutation実験により解析する予定である細胞外液を液相で取り込むマクロパイノサイトーシスは、自然免疫での抗原提示経路として働くだけでなく、HIVウイルスやある種の病原菌感染経路となるため、その制御機構の解明は、その治療法の開発につながる重要な課題である。本年度は、マクロパイノサイトーシスの形成と成熟過程での膜輸送を制御すると予測されるrabタンパク質について解析することにした。これまで60種類以上が同定されているRab family Gタンパク質の一つであるRab21は、主にエンドゾームに局在し、receptor-mediated endocytosis過程で膜輸送に関わることが推定されていが、マクロパイノサイトーシスへの関与は明らかにされていない。そこで我々は、マクロパイノサイトーシス過程へのRab21の関与とその機能的役割について、GFP変異体融合タンパク質発現ライブセルイメージング法により解析した。GFP変異体融合Rab21を強制発現させた上皮系A431細胞およびRAW264マクロファージ培養細胞にEGFないしM-CSFを添加してマクロパイノサイトーシスを誘起させ、Rab21の時間空間的局在の変化を動画観察すると、Rab21は、初期エンドゾームに局在するRab5とほぼ同時にマクロパイノゾームにリクルートされ、後期エンドゾーム/ライソゾームのマーカーであるLampタンパクが現れる前には消失することが分かった。また、Rab21のGTPが結合しない変異体(Rab21T33N)では、マクロパイノゾームへのリクルートが見られなかった。以上のことから、Rab21は、初期のマクロパイノゾーム機能、おそらく成熟過程での膜輸送に関与し、その局在には、GTPの結合が必須であることが示唆された。
求心性神経伝達系を標的とする下部尿路機能障害の新規薬物療法の開発

膀胱蓄尿機能障害(過活動膀胱や過知覚膀胱)および排尿筋低活動による尿排出機能障害に対して特に求心性神経伝達系に関与する機構を標的とする新規治療法を探索するため、既存の治療薬である抗コリン薬、α1阻害薬、β3作動薬、PDE5薬の膀胱伸展受容求心性神経活動に対する作用機序を明らかにするとともに、病態モデル動物や間質性膀胱炎患者の膀胱粘膜標本を用いて、求心性神経伝達系に関与する受容体やTRPイオンチャネルの病態に伴う変化を解析した。その結果、TRPM2, A1, V4, T型およびN型Caチャンネル, FAAHなどが新規治療標的候補となりうることが示唆された。1.PDE-5阻害薬であるtadarafilは、ラット膀胱伸展刺激受容求心性神経活動を抑制し、さらに、acroleinによって誘発されるこれらの求心性神経活動の活性化をも抑制しうることを明らかにした。2.新規過活動膀胱治療薬のβ3アドレナリン受容体作動薬Mirabegronは、ラット膀胱伸展刺激受容求心性神経のうち、特にAδ線維の活動を抑制し、この抑制は、膀胱微小収縮の抑制と同期して起こることから、Mirabegronは、膀胱の微小収縮を抑制することにより、膀胱伸展刺激受容Aδ線維の活動性を抑制することが示唆された。3.TRPA1チャンネルはラット排尿反射の生理的な調節には直接関与しないが、膀胱伸展刺激受容一次求心性神経のうち、Aδ線維とC線維の両者の活動を促進する作用があり、TRPA1チャンネルが病的に活性化されると膀胱伸展刺激受容求心性機構が促進され、過活動膀胱や過知覚膀胱(Hypersensitive bladder)を生じる要因となることが示唆された。4.2型糖尿病モデルラットであるGoto-Kakizaki(GK)ラットの下部尿路機能の変化を経時的に追跡した結果、10週齢では機能的変化を認めなかったが、46週齢では、膀胱求心性神経伝達速度の低下、膀胱容量の増大(膀胱知覚低下)、排尿時膀胱収縮圧の低下、膀胱排尿筋のカルバコールに対する収縮反応の低下(排尿筋低活動)を認めた。間質性膀胱炎患者の膀胱粘膜には、親侵害受容反応に関連する遺伝子発現が増強しており、これらの遺伝子およびその産物は治療標的やバイオマーカーの候補として期待しうることを示した。下部尿路閉塞ラットにおいて、プリン作動性神経伝達を主体とする膀胱遠心性神経の機能低下が生じており、これを補うべく、N-type Ca(2+) channelの機能亢進を介したコリン作動性神経伝達の活性化が生じていることを明らかにした。直腸の伸展刺激によって膀胱伸展受容求心性神経活動が活性化される機構が存在することを明らかにした。1.TRPV4刺激薬およびTRPA1刺激薬はそれぞれ膀胱内注入すると頻尿を惹起した。一方,TRPV4阻害薬およびTRPA1阻害薬はそれぞれ静脈内投与しても膀胱内圧測定上影響を及ぼさなかったが,TRPV4刺激薬またはTRPA1刺激薬の膀胱内投与によって誘発される頻尿をそれぞれの阻害薬は抑制した。2.L-arginine, PDE type5阻害薬(sildenafil),beta3AR作動薬(mirabegron)について,膀胱伸展刺激受容を担うAδ線維およびC線維の神経活動に与える直接効果を検証したところ,L-arginineとsildenafilは,Aδ線維およびC線維の両神経活動を抑制したのに対して,mirabegronは,主に,Aδ線維の神経活動を抑制する効果があることが判明した。さらに,TRPV4刺激薬を膀胱内投与すると,capsaicin非感受性C線維を選択的に活性化することが明らかになった。3.5週齢の雄マウスに,約20週間(4-5か月)の高脂肪食摂餌したところ,普通食を投与した対照群と比べて,体重増加・高血糖・高脂血症を誘発したが,下部尿路機能へ与える影響は軽微であった。4.潰瘍型間質性膀胱炎(IC)のバイオマーカーの候補として期待されるCXCR3 binding chemokine(CXCL10)およびTNFSF14について,その尿中濃度を,潰瘍型IC患者群,非潰瘍型IC患者群,健常対照群で比較したところ,尿中CXCL10は,潰瘍型IC群において,有意に増加しており,症状の重症度とも相関することが示された。他方,TNFSF14は,IC患者群(潰瘍型,非潰瘍型ともに)で有意に増加していたが,症状重症度とは相関を認めなかった。5.難治性膀胱蓄尿機能障害(間質性膀胱炎および過活動膀胱)の患者に対して,ボツリヌス毒素膀胱壁内注入療法を行い,その有用性を検証中である。1.治療標的のスクリーニング: TRP ion channelsのうち,TRP V4とTRP A1についてはスクリーニングが済み,膀胱求心性神経活動解析も済み、論文化した。

さらに、当初スクリーニングの対象として挙げていなかったTRP M8について検討中で、予定以上に進行している2.膀胱求心性神経活動解析による評価:TRP V4、TRP A1、PDE type5阻害薬およびbeta3AR作動薬の膀胱求心性神経活動へ効果解析を終了し,学会発表し,論文化した。予定より進んでいる状況である。3.排尿筋低活動に対する治療標的の探索:メタボリック症候群に伴う下部尿路機能障害の解析については,マウスでの解析を予定通り終了し、論文化した。さらに、2型糖尿病モデルラットであるGoto-Kakizaki(GK)ラットが、46週齢で膀胱知覚低下及び排尿筋低活動を示すことを明らかにしたが、排尿筋低活動モデルとして治療標的検索に利用するのは長期間を要するため不向きと考えられた。今後も治療標的の探索に利用しうる簡便な排尿筋低活動モデルを確立する必要がある。4.間質性膀胱炎のバイオマーカーと治療標的の探索:当初の予定通り、研究は進捗して、瘍型間質性膀胱炎のバイオマーカーの候補として尿中CXCL10が有望視されたが、症状の重症度や治療効果との相関が乏しいことが推量された。5.難治性膀胱蓄尿機能障害患者に対するボツリヌス毒素膀胱壁内注入療法の臨床的有用性の検討については,ほぼ予定通り進行中である。1.治療標的のスクリーニング: TRP ion channelsのうち,TRP V4とTRP A1についてはスクリーニングが済み,24年度に予定していた膀胱求心性神経活動解析へ既に移行して検討中である。当初,TRP V2もスクリーニングの対象として挙げていたが,選択的刺激薬や阻害薬が入手できないため検討できていない。2.L-arginine, PDE type5阻害薬およびbeta3AR作動薬の膀胱求心性神経活動へ効果解析は予定通り終了し,学会発表し,論文作成中である。3.メタボリック症候群に伴う下部尿路機能障害の解析については,マウスでの解析を予定通り終了したが,想定した下部尿路機能障害を認めなかったため,他の病態モデルによる検討が必要と考えられた。4.間質性膀胱炎のバイオマーカーの探索的研究は予定通り進行して,瘍型間質性膀胱炎のバイオマーカーの候補とし尿中CXCL10が期待しうることがわかった。1.膀胱求心性神経活動解析については,当初の予定より進展しているため,今後は,2.排尿筋低活動に対する治療標的の探索については、新たな排尿筋低活動モデルを確立すべく、末梢神経障害によるモデル動物の作成を試みる予定である。3.間質性膀胱炎のバイオマーカーと治療標的の探索に関しては、潰瘍型間質性膀胱炎で発現が増強していたTRPチャンネルを中心に、慢性膀胱炎動物モデルでの発現や薬理学的実験を行い、その意義を検討する。4.膀胱粘膜ボツリヌス毒素膀胱壁内注入療法は,:前年度に引き続いて,その臨床効果を継続検討していく予定である。1.膀胱求心性神経活動解析については,当初の予定より進展しているため,今後は,TRPA1刺激薬・阻害薬に加えて,α1アドレナリン受容体阻害薬(silodosin), TRPM8阻害薬などの効果を検討する予定である。
キレる子どもの神経基盤の解明と有効な包括的対支援システムの構築

今年度は、「キレる子ども」の臨床背景を後方視的に検討し、その結果を第60回日本小児神経学会学術集会で報告した。「キレる子ども」は、癇癪・イライラ以外に、多動・衝動性、不注意や集団不適応、学習困難を理由に受診する例も多く、注意が必要である。臨床診断は、注意欠如・多動症を併存している例が多かった。「キレる」要因としては本人の特性の悪化など個人要因が多かったが、家庭や学校環境に問題を抱える例も少なくなかった。有効な対応として、本人の特性の理解と適切な環境調整、アンガーマネージメントなどの心理社会治療が有効であった。また、特にADHDに伴う易刺激性に対しては、ADHD治療薬を併用することが有効であった。福井県の全小中学校に対して「キレる子ども」の実態調査を行った。「キレる子ども」は小学校の48.3%、中学校の28.6%に在籍しており、小学生の0.84%、中学生の0.28%に相当し、小学3-4年生が最も多かった。キレる要因としては、本人の発達特性の悪化が最多で、先生の指導・注意、友人関係の悪化、学習の問題が続いた。学校内では、本人の特性に応じた個別的な対応、アンガーマネージメントなど心理社会治療の導入、チームでの対応や保護者との連携など様々な効果的な対応法を行っている学校が挙げられた。一方で、不適切な対応を行い状況が悪化したり、連携・相談先がなく、学校内で問題を抱え込み困っている事例も多くみられた。これらを踏まえた問題点の解決に、本研究や医療への期待が寄せられ、今後、「キレる子ども」に対する医学的評価に基づいた多職種による連携・支援システムの構築が望まれた。医療機関や教育機関での実態調査を行い、その成果の一部を日本小児神経学会などで報告することができた。「キレる子ども」の診断・病態・評価について、客観的指標(脳波、機能的MRIなど)を用いて評価する。「キレる子ども」の有効的な対応を構築するために、薬物療法の効果を探るとともに、多職種支援や現場との有機的な連携・支援システムの構築を目指していく。今年度は、脳波や脳MRIなどを用いた横断的研究や治療介入研究は行っておらず、協力者への謝金や実験補助者への謝金は必要としなかった。また、ホームページ作成も行っていないため、その費用も発生しなかった。次年度は横断的研究、治療介入研究を行い、その研究成果や間欠爆発症の啓発を目的としたホームページ作成や講演会などを行い、支援体制の構築を行っていく予定である。
BMIを用いた車椅子型運動機能リハビリテーションシステム開発に関する基礎的研究

BMI技術を応用し、脊髄損傷などの運動麻痺患者が肢を動かそうとした際に、その意図を脳波のCSD解析結果をSVMを用いて弁別し、麻痺肢をその意図通り強制的に動かしてやる事により、移動を行なうと共に運動神経機能の回復を図る足漕ぎ車椅子型のリハビリテーションシステムを考案・試作し、その有用性の評価を行ない、健常人を被験者とした結果では弁別率80%以上の良好な結果が得られた。現在、実際の患者さんで検証中である。本研究の目的は、BMI(Brain-machineInterface)技術を用いた運動麻痺に対するリハビリテーションシステムを構築し、その有用性を動物実験によって示すことにあり、脳情報から操作者が意図している歩行動作に伴う四肢の動きを予測し、操作者にその動きを実際に受動的(強制的)に負荷すると共に、運動感覚情報を生体側にフィードバックする事によって閉ループを完成させ、リハビリテーション効果をより完全なものにする事を目的としている。本研究の目的は、運動麻痺の患者さん都ブレイン・マシン・インタフェース技術を用いて運動補助機器(車椅子や外骨格型の運動アシスト装置など)の操作を行い、その際の運動感覚を神経系刺激による運動感覚そのものとして患者さんにフィードバックするリハビリテーションシステムを構築し、その有用性を示す事にある。平成20年度は、意図どおり車椅子を動かし、さらに、その際に足が動いているという運動感覚を患者さんに生ぜしめるためのBMIステみの構築を試み、特に、ラットが搭載した車(車椅子モデル)において、ラットの大脳皮質運動野の信号により、ラットの意図どおりシ(の方向と速度)で動く、我々炉ラットカーと呼んでいる車椅子BMIモデルの構築と発展を試み、良好な結果を得ている。現在、同システムでは、走行にはモーターを用いているが、ラットの足を拘束し、車の移動と同時にラットの足が動くように車椅子システムの改善を試みている。また、この際の運動感覚・固有感覚の生成に関しては、神経系刺激を用いる方法と同時に、末梢の筋・腱部に機械的振動を与える事により、手指が動く運動感覚が生じるという先行研究を発展させて、同様に運動感覚を発生させる試みを行っている。運動神経情報の取得、及び、神経系刺激による固有感覚・運動感覚生成に関しては、基本的には中枢神経系での入出力を考えているが、障害部位によっては、脊髄レベル・末梢神経レベルで情報の入出力を行う事も考えており、各レベルでの神経電極の開発を行っている。中枢用に関しては、長期間の安定性・多チャンネル化・柔軟性、液性因子による神経線維の再生・増殖促進などを、末梢神経用においても流路を応用した軸策再生の促進などを考慮して各種の電極の開発を試み、現在、in vivoにおける評価実験を進めている所であり、これらの電極を用いて計測された運動神経系情報による車椅子の駆動を試みている。本研究の目的は、運動麻痺の患者さんがブレイン・マシン・インタフェース技術を用いて運動補助機器(車椅子や外骨格型の連動アシスト装置等)を操作する事ができ、その際に患者さんに発生するはずの運動感覚や位置覚を、感覚神経系を刺激する事により、運動覚・位置覚そのものとして提示しうるリハビリテーションシステムを構築し、その有用性を示す事にある。平成21年度は、前年度に引き続き、以下の項目に関する検討を行った。1.運動意図に基づく車椅子(外部機器)作動2.運動覚・位置覚の被験者へのフィードバック3.上記の計測・刺激に用いる電極の開発上記の13に関しては、傷害部位のレベルに応じて、情報の入出力を中枢神経系(主に大脳皮質)で行う系と、末梢神経レベルで行う系の開発を行っており、また、人間を対象とした系と動物(ラット)を対象とした系の両者で検討を行っている。前者では、微小神経図法により末梢神経から運動神経情報を計測し、動物を対象とした系では、大脳皮質、或いは末梢神経に慢性的に埋め込んだ電極を用いて運動神経活動を計測しこれを用いて車椅子モデルなどの外部機器を操作する事を試み、また、運動覚・位置覚のフィードバックに関しては、人間を対象とした系では、微小刺激法により筋紡錘からのIα線維を刺激、あるいは筋・腱自体に振動刺激を与える事によって運動感覚(位置覚)を定量的に発生させる試みを行っている。また、動物の系では、末梢神経、或いは大脳皮質に埋め込んだ電極類を介して感覚神経系に電気刺激を加える事により、運動感覚の発生を試みている。電極の作成に関しては、現在、末梢神経の個々の神経線維の活動の記録が可能な電極として、(動物に対する長期埋め込み用の)神経再生型電極の作成と埋め込み実験を行っている。来年度は、動物用、および人間用の車椅子システムを用いて実際にシステムを駆動させる実験を行う予定である。本研究の目的は、BMI(Brain-machine Interface)技術を用いた運動麻痺に対するリハビリテーションシステムを構築し、その有用性を動物実験によって示すことにあり、脳情報から操作者が意図している歩行動作に伴う四肢の動きを予測し、操作者にその動きを実際に受動的(強制的)に負荷すると共に、運動感覚情報を生体側にフィードバックする事によって閉ループを完成させ、リハビリテーション効果をより完全なものにする事を目的としている。

本年度は、前年度に引き続き、1)動物およびヒトを用いて、運動覚・位置覚を被験者へフィードバックする手法の開発、2)神経系情報の計測、および、神経系刺激に用いる電極の開発、3)培養細胞系、およびラットを用いた動物実験系において、電気刺激等により、長期増強を誘導し、任意のニューロン間における情報伝達の結合強度を強化をする手法の開発、等の基礎実験を継続して行なうと共に、人間を対象としたリハビリテーション装置のプロトタイプを構築し、脳波による作動を試み、その効果について検討を行なった。具体的には、ルームランナーのペダリング装置をモータでも回転できるようにリハビリ用に改良し、ペダルに足の固定装置を装着し、ペダルの回転と共に足も受動的に回転させ得るように改良した。、健常人がペダルを漕ぐ際の脳波と、ペダルの回転を停止している際の脳波を弁別するソフトウエアの試作・開発を行ない、2台の装置をマスタ・スレーブ形式に用いて、被験者(健常人)がマスタ側の装置のペダルを漕いだり、停止したりした際にスレーブ側の装置のペダルも同様に作動するか否かの検討を行なう事で、システムの妥当性の確認を行なった。また、ペダルの付いた足漕ぎ車椅子を改良し、同様に脳波情報によって、搭乗者がペダルを漕ごうとした際に、搭載したモータで車輪を回転させ、ペダルに固定した足も強制的に回転させる足漕ぎ車椅子の設計と作成を行なった。本研究の目的は、BMI(Brain-machine Interface)技術を用いた運動麻痺に対するリハビリテーションシステムを構築し、その有用性を動物実験によって示すことにあり、脳情報から操作者が意図している歩行動作に伴う四肢の動きを予測し、操作者にその動きを実際に受動的(強制的)に負荷すると共に、運動感覚情報を生体側にフィードバックする事によって閉ループを完成させ、リハビリテーション効果をより完全なものにする事を目的としている。本年度は、昨年度作製した臨床用のペダリング装置、および、車椅子装置を用いて、健常人、あるいは脳血管障害の患者さんなどを被験者とした予備実験を行ない、システムの妥当性の検討とその改良を行なった。被験者の意図の推定には脳波を用い、6chの脳波情報に対してCSD(current source density)解析を行なう事によって、漕ぐ動作を行なっている場合と足を止めている場合の弁別率として80%以上の成績を得たが、さらに弁別手法、推定アルゴリズムの改良を進めると同時に、健常人では無く、実際の痙性麻痺などの患者さんが装置を使用し易いようにハードウエアの改良も行なった。また、昨年度までは、被験者は健常人のボランティアが務めていたが、本年度は、脳血管障害による運動麻痺の患者さんなどにもシステムを作動してもらい、妥当性の検討を行ない、良好な結果を得ている。また、基礎実験の、1)動物およびヒトを用いて、運動覚・位置覚を被験者へフィードバックする手法の開発、2)神経系情報の計測、および、神経系刺激に用いる電極の開発、3)培養細胞系、およびラットを用いた動物実験系において、電気刺激等により、長期増強を誘導し、任意のニューロン間における情報伝達の結合強度を強化をする手法の開発、などについても、昨年度に引き続き、継続して行ない、その結果のシステム改良へのフィードバックを行なった。
中性子過剰核におけるクラスター構造の研究

本研究では、不安定核のクラスター構造を実験的に探索する。これに関する二つの研究(1)不変質量分光による中性子過剰核のクラスター構造の探索、(2)欠損質量分光による超重水素鏡映核の探索を行っている。(1)に関しては、多粒子測定スペクトロメータSAMURAIを用いた16Cの不変質量分光実験の解析を行った。前年度の報告にもある通り、16Cの4He崩壊の結果に加えて、16Cから一中性子剥離反応で生成される15Cの高励起共鳴状態の結果についても解析を進めた。観測した4He崩壊に有限の分岐比をもつ共鳴状態に対して、SAMURAIで観測できた中性子や6Heを含むの崩壊チャンネルに対する分岐比、もしくは分岐比の上限値を決定した。こうした結果をまとめて投稿論文を執筆するとともに、本研究に連なる次期実験(RIBF1812-SAMURAI44)を共同実験責任者(Co-Spokesperson)としてRIBFのPACに提案し、Grade Aで承認された。(2)では、非束縛である超重水素核(7H,6H,5H)の鏡映核である7C,6B,5Beの探索実験(E738実験)をフランスの加速器施設GANILで2018年7月に行った。日本から液体水素標的システムを輸送して使用した。予定通り実験データを取得し、帰国後にデータ解析を開始した。解析を進める中で、実験に用いた反跳荷電粒子検出器MUST2のCsI(Tl)シンチレータのエネルギー分解能が以前よりも悪くなっている問題を発見したが、CsIの発光量を粒子の入射位置ごとに補正する解析法を考案して、ほぼ予定通りの励起エネルギー分解能を得ることができた。2019年2月にGANILで行われたLISE workshopで一部結果について発表するとともに、共同研究者と議論した。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。現在、これに関する二つの研究(1)不変質量分光による中性子過剰核のクラスター構造の探索(2)欠損質量分光による超重水素鏡映核の探索、を行っている。(1)に関しては、多粒子測定スペクトロメータSAMURAIを用いた16Cの不変質量分光実験の解析を行い、国内外の学会等で発表を行った。本来の計画であれば、同様のセットアップを用いた32Mgの不変質量分光実験の計画を実験施設であるRIBFに提出する予定であったが、RIBFの施設側の方針で十分な強度の32Mgを得るために必要である48Caの一次ビーム供給が2019年夏頃まで不可能となった。これを鑑み、新たな実験計画の提出は見合わせている。16Cの実験については、特に重要である4He崩壊のチャンネルだけでなく、中性子を含むような崩壊チャンネルについても解析した上で投稿論文にまとめることを決め、さらに解析を進めている。(2)では、非束縛である超重水素核(7H,6H,5H)の鏡映核である7C,6B,5Beの探索を行う。これらの核は、中性子が1つであるのに対して、陽子の数が4から6つという原子核である。特に、7Cは3Heと4つの陽子という系で理解されるが、4陽子系は近年実験的に報告されている4中性子系の鏡映核にあたり、7Cという系内でどのように核子が分布しているのか(クラスターとなっているのか)という点でも重要である。本実験は、フランスの研究施設GANILにおいて採択されている。LISE3スペクトロメータによって生成した二次ビームを固体水素標的に照射し、2中性子移行(p,t)反応によって目的の系を生成する。生じた反跳tの全エネルギーと反跳角度を荷電粒子検出器MUST2で測定することで、欠損質量分法によって共鳴状態を測定する。当初予定していた、中性子過剰核の不変質量分光実験の次期計画については、実験施設の方針もあり見合わせている。解析中の16Cの実験結果については、新たに中性子崩壊のチャンネルを解析することによって、投稿論文にまとめる際に崩壊幅の情報を得た上でクラスター構造を議論することができるようになる可能性がある。これに向けて、現在解析が進行中である。新たな研究計画である欠損質量分光による超重水素鏡映核の探索実験については、実験自体は採択されており、近いうちに実施できる見込みがある。これについては、セットアップのシミュレーションや同様のセットアップを用いた実験への参加等を含めて準備が進行中である。以上をまとめると、本研究は総合的にはおおむね順調に進んでいる、と評価する。

こうした結果をまとめて投稿論文を執筆するとともに、本研究に連なる次期実験(RIBF1812-SAMURAI44)を共同実験責任者(Co-Spokesperson)としてRIBFのPACに提案し、Grade Aで承認された。(2)では、非束縛である超重水素核(7H,6H,5H)の鏡映核である7C,6B,5Beの探索実験(E738実験)をフランスの加速器施設GANILで2018年7月に行った。日本から液体水素標的システムを輸送して使用した。予定通り実験データを取得し、帰国後にデータ解析を開始した。解析を進める中で、実験に用いた反跳荷電粒子検出器MUST2のCsI(Tl)シンチレータのエネルギー分解能が以前よりも悪くなっている問題を発見したが、CsIの発光量を粒子の入射位置ごとに補正する解析法を考案して、ほぼ予定通りの励起エネルギー分解能を得ることができた。2019年2月にGANILで行われたLISE workshopで一部結果について発表するとともに、共同研究者と議論した。本研究では、不安定核のクラスター構造を実験的に探索する。現在、これに関する二つの研究(1)不変質量分光による中性子過剰核のクラスター構造の探索、(2)欠損質量分光による超重水素鏡映核の探索、を行っている。(1)に関しては、多粒子測定スペクトロメータSAMURAIを用いた16Cの不変質量分光実験の解析をさらに進めた。クラスター構造を探索する上で重要である4He崩壊に加えて、中性子過剰核である16Cからの典型的な崩壊である中性子崩壊チャンネルについても解析した。こうした解析を進めるうちに、16Cから一中性子剥離反応で励起された15Cからの4Heを含む崩壊にも、幅の狭いピークを同定した。この15Cの励起状態は、クラスター構造とは異なる構造を持つ可能性があり、議論を進めている。こうした解析手法や結果について、国際学会で発表した。(2)では、非束縛である超重水素核(7H,6H,5H)の鏡映核である7C,6B,5Beの探索実験(E738実験)を行う。E738実験と同様に荷電粒子測定器MUST2を使用する、フランスの加速器施設GANILのE748実験に参加した。実験データを持ち帰り、E738実験に備えた解析を進めた。これまでMUST2の解析では、欠損質量分光に必要な反跳の一荷電粒子のみの解析が主であったが、E738実験では、7C等が3Heと多数の陽子に崩壊し、その崩壊片もMUST2で検出されうる。こうした、一イベントに対して複数の荷電粒子がMUST2に入射するイベントのモデルケースとして、E748実験でバックグラウンドとして生成された8Be->4He+4He等のイベントに対して不変質量法の解析を行って既知のピークを同定することで、解析の妥当性を示した。E738実験は2018年の春から夏の間に行われる可能性が高く、実験に用いる理化学研究所の液体水素標的の準備も進めた。16Cの実験については、中性子崩壊チャンネルに対する基本的な解析は終えることができた。その過程で、クラスターとは異なる物理を含む可能性のある15Cの実験結果も得ることができた。この15Cの結果は、同じ4He崩壊を扱っているという点で、16Cの実験結果をまとめる上でも無視できないものである。
緯度間適応の方向性が潜在的成長速度の変異を規定するか？冷水性魚類での検証

魚類の成長は、一般に同種であっても高緯度ほど高いと考えられてきた。その事例は暖水性魚類において検証されたものであるが、本研究では冷水性魚類が逆の傾向、すなわち低緯度ほど成長が速いという仮説を検証する。これは冷水性魚類が低緯度の高温条件に適応したことで説明される。カレイ類やイカナゴをモデルとして、東北地方(仙台湾)と瀬戸内海から得た地域集団を用いて室内実験や野外調査による検証を行う。
非線形誘電緩和スペクトロスコピーによる高分子ダイナミクスの研究

本研究では,時間域および周波数域における非線形誘電緩和スペクトロメータを開発し,それを用いて高分子機能性材料の非線形誘電緩和現象の研究を行った.その概要は以下の通りである.1.時間域における非線形誘電緩和スペクトロメータの開発-高速高電圧矩形波電場印加装置,および電気変位検出回路を製作し,これらとディジタル・ストレージ・オシロスコープおよびパーソナル・コンピュータを組合わせることにより,電気変位応答の立上り時間の電場加速効果を観測する時間域・非線形誘電緩和スペクトロメータを開発した.2.周波数域における非線形誘電緩和スペクトロメータの開発-シンセサイザ,高電圧増幅器,ディジタル・ストレージ・オシロスコープおよびパーソナル・コンピュータを組合わせることにより,正弦波電場入力に対する電気変位応答中に含まれる基本波および各高調波成分の振幅・位相遅れをソフトウェア処理により検出する周波数域・非線形誘電緩和スペクトロメータを開発した.3.上述のスペクトロメータを用いて,代表的な機能性高分子であるフッ化ビニリデン・トリフルオロエチレン共重合体(強誘電性・圧電性高分子)の非線形誘電緩和スペクトルおよびポリチオフェン(導電性高分子)の非線形導電率スペクトルの測定を行った.共重合体の非線形誘電緩和スペクトルを,キュリー点を含む温度域で測定することにより,強誘電性発現の原因となっている双極子間の局所的な相互作用について新しい重要な知見が得られた.また,ポリチオフェンの非線形導電率スペクトルを,液体窒素温度から室温に至る広い温度範囲で測定することにより,導電機構に関する新しい情報が得られた.本研究では,時間域および周波数域における非線形誘電緩和スペクトロメータを開発し,それを用いて高分子機能性材料の非線形誘電緩和現象の研究を行った.その概要は以下の通りである.1.時間域における非線形誘電緩和スペクトロメータの開発-高速高電圧矩形波電場印加装置,および電気変位検出回路を製作し,これらとディジタル・ストレージ・オシロスコープおよびパーソナル・コンピュータを組合わせることにより,電気変位応答の立上り時間の電場加速効果を観測する時間域・非線形誘電緩和スペクトロメータを開発した.2.周波数域における非線形誘電緩和スペクトロメータの開発-シンセサイザ,高電圧増幅器,ディジタル・ストレージ・オシロスコープおよびパーソナル・コンピュータを組合わせることにより,正弦波電場入力に対する電気変位応答中に含まれる基本波および各高調波成分の振幅・位相遅れをソフトウェア処理により検出する周波数域・非線形誘電緩和スペクトロメータを開発した.3.上述のスペクトロメータを用いて,代表的な機能性高分子であるフッ化ビニリデン・トリフルオロエチレン共重合体(強誘電性・圧電性高分子)の非線形誘電緩和スペクトルおよびポリチオフェン(導電性高分子)の非線形導電率スペクトルの測定を行った.共重合体の非線形誘電緩和スペクトルを,キュリー点を含む温度域で測定することにより,強誘電性発現の原因となっている双極子間の局所的な相互作用について新しい重要な知見が得られた.また,ポリチオフェンの非線形導電率スペクトルを,液体窒素温度から室温に至る広い温度範囲で測定することにより,導電機構に関する新しい情報が得られた.電気・電子機能性をもった新しい各種の高分子材料の設計開発ならびに材料評価には、材料の構造や分子運動に関するミクロなレベルでの基礎的知見を得ることがきわめて重要である。そのための測定法としては、電場Eに対する電気変位Dの線形応答を観測する線形誘電緩和スペクトロスコピーが広く利用されてきた。これに対して、DのEに対する非線形応答は、線形応答に比べて材料の微視的構造や分子運動にはるかに敏感に依存するため、ミクロなレベルでのより豊富な情報を与えることが期待される。そこで、本研究では、高感度・広帯域の非線形誘電緩和スペクトロスコピーの開発を行い、さらにその測定法を各種の高分子機能性材料に適用して、その設計・評価に役立てることを目指した。本年度は、時間域における非線形誘電緩和測定法の開発を行なった。試料に矩形波電場を印加したときの電気変位応答の立ち上がり過程【D_1】(t)は、電場振幅が小さいときには、電場除去時の減衰過程【D_2】(t)と共通の緩和時間をもつが、電場振幅が増大するにつて加速効果を示すため、【D_1】+【D_2】にはピーク特性があらわれる。本研究では、特殊な多電極セルおよび印加電場波形を用いることによって、時間域における非線形誘電性を特徴づけるこのピーク応答の高感度検出を実現した。得られた応答信号は、高速(10nsサンプリング)のディジタル・ストレージ・オシロスコープで波形記億され、さらにS/N向上のために多数回平均加算された後、パーソナルコンピュータに転送されて、非線形ピークの特性パラメータの高精度検出が行なわれる。測定用のハード面では、試料セルの設計・製作、電場印加用パルサー・広帯域電荷増幅器の製作、ソフト面では、測定制御・データ転送用および非線形ピーク解折用のプログラムなどの開発が行なわれ、時間域における非線形誘電緩和測定システムが完成した。
日本と中国のラーバンエリアにおける土地利用の変容と生活の質評価に関する研究

日本と中国における地方都市のラーバンエリアを対象として,土地利用変化の社会経済的要因を考慮して,過去の衛星データから将来の土地利用を予測した。次に,将来の住民の生活の質を改善するため,生活の質の適切な評価の方法を検討して,地区ごとの生活の質に対するアンケート調査を行った。その結果,住民による生活の質に対する評価構造,土地利用と生活の質との関連性が明らかになり,地区ごとの今後のまちづくりに対する方向性が見いだされた。1.日本の多くの地方都市では,高度経済成長期に農地の無秩序な開発が進み,スプロール化によって市街地が拡大してきた。現在,人口減少・少子高齢化が進む地方都市では,環境や財政の観点から,緑地や農地の配置を含めてラーバンエリアのあり方を再検討することが必要である。一方,中国の地方都市では,今後進むと考えられる無秩序なスプロール化を抑制しながら,環境に配慮したラーバンエリアのあり方を模索する必要がある。2.そのため,H21年度は,地方都市の土地利用の変容を,複数期間の衛星データを用いて分析した。具体的には,(1)日本の地方都市における研究対象地域として,長野オリンピックを契機として上信越道および長野新幹線の開通により土地利用の変容が続いてきた上田市を中心としたラーバンエリアを取り上げた。一方,中国の地方都市における研究対象地域として,北京オリンピックを契機に急激な都市開発が進んだ河北省廊坊市のラーバンエリアを取り上げた。(2)1980年代から現在までの複数期間の衛星データを利用して,土地利用変化の実態を把握した。さらに,幹線道路計画や土地利用規制,人口の変化などの要因を考慮して,市街地の拡大に係る土地利用の変容を分析して,将来の土地利用予測を試みた。現在までの社会経済的情勢が続くならば,両地域のラーバンエリアにおいては市街化がさらに進み,緑地の減少が予測された。とくに,今後も人口増加が見込まれる中国においては,この土地利用の変容が著しいことがわかった。この研究成果は現在公表準備中である。2. H22年度は,複数の土地利用政策に関するシナリオを設定して,住民を対象としてアンケート調査およびヒアリング調査を実施し,それらの結果を基に,多基準意思決定手法を用いて生活の質を評価した。具体的には,日本の地方都市として,上田市および安曇野市を中心としたラーバンエリアを取り上げ,一方,中国の地方都市として,北京オリンピックを契機に急激な都市開発が進んだ河北省廊坊市のラーバンエリアを取り上げて,これらの対象地域において地区(町丁目,字,坊等)ごとの生活の質に対するアンケート調査およびヒアリング調査を行った。評価指標として,「利便性」・「安全性」・「保健性」・「快適性」の観点を考慮して評価項目を設定し,調査結果を多基準評価手法およびCSポートフォリオ分析を用いて解析した。その結果,住民による生活の質に対する意識構造と,さらに土地利用と生活の質との関連性が明らかになり,地区ごとの今後のまちづくりに対する方向性が見出された。3.この研究成果は,現在公表準備中である。1.日本の多くの地方都市では,スプロール化によって市街地が拡大してきた。しかし,現在,人口減少・少子高齢化が進む地方都市では,環境や財政の観点から,緑地の配置を含めてラーバンエリアのあり方を再検討することが必要である。一方,中国の地方都市では,今後も進む無秩序なスプロール化を抑制しながら,環境に配慮したラーバンエリアのあり方を模索する必要がある。2.今年度,土地利用の変容と地区別の生活の質について詳細に検討した。土地利用では,とくに生態系,景観の視点から緑地分布の変容を調べて,スプロール化との関連を検討した。日本の地方都市では,安曇野市を対象に複数年における緑地の連続性を地区ごとに分析し,指数CONと緑被パッチ指標を用いて緑地変容の評価を行った。その結果,とくに工場の誘致がスプロール化の誘因となり,緑地の分断および孤立化に至っていることがわかった。中国の地方都市では,河北省廊坊市を対象に同様の分析を行った結果,計画性のないスプロール化により著しい緑地の減少に至っていることがわかった。生活の質では,同じく安曇野市および廊坊市を対象として,地区の生活環境についてアンケート調査を行い,地区ごとに生活環境の満足度を求め,GISを用いて地区別に生活環境を比較した。さらに,CS分析により生活環境の重要度と満足度の関係を把握した。このCS分析で求めた重要度を用いた多基準評価手法により生活環境の評価を統合して,地区別の生活環境の改善に向けた指標を検討した。

その結果,利便性と快適性が住み心地に対して重要であること,とくにラーバンエリアにおける快適性の満足度は高いが,利便性の満足度は低く改善の余地があることなどがわかった。今後,環境に配慮した持続性のあるラーバンエリアの計画策定に向けて,土地利用と生活の質との関連性が明らかになり,地区ごとの今後のまちづくりに対する方向性が見出された。
HTLV-I感染によるiNOS遺伝子発現誘導機構の解析

1HTLV-I感染細胞株およびATL細胞におけるiNOSのmRNAの発現:培養細胞株で調べると,HTLV-I感染細胞株ではiNOSのmRNAの発現が強く,Taxの発現の程度にほぼ並行する所見が得られた。さらにこれらの細胞株ではiNOSの蛋白発現およびその酵素作用の産物であるNOの産生も確認された。またATL患者末梢血中のATL細胞でもiNOSのmRNAの発現を認めた。ヒトT細胞において明らかなiNOSの発現を認めたという報告はなく,今回ATLにおいてはじめて明らかとなった。2HTLV-IウイルスのTax蛋白質によるiNOS遺伝子の転写活性化:メタロチオネインのプロモーターによってTax蛋白質を発現誘導するJPX-9細胞の培地にCd^<2+>を加えてTaxを発現させると,明らかなiNOSのmRNAの誘導が観察された。iNOS遺伝子の5'-上流域とルシフェラーゼcDNAとを結合したレポータープラスミドを作製しておこなったレポーター実験で,Taxの発現によって転写活性の著明な増大が得られ,iNOSがTaxの標的遺伝子であることが確認された。さらにこのプロモーター領域から種々の欠失断片を作製してレポータープラスミドに組み込み,Taxにより活性化される遺伝子配列を検討した。その結果,Tax依存性配列は-159/-111bpの配列と特定された。この部位にはNF-κB配列が存在したが,この配列に変異を導入したレポーターでもTaxにより転写は活性化され,NF-κB活性化能を欠いたTax変異体でも転写は活性化された。さらにIκB-α,IκB-βの優性抑制変異体をTaxと同時に発現させても転写の抑制は認められず,Tax依存性配列はNF-κB配列ではなかった。現在,さらに詳細にTax依存性配列を検討中である。3NOによるアポトーシスの抑制:iNOSの発現およびNOの産生を認めたHTLV-I感染細胞株をNOS阻害剤であるL-NMMAで処理すると,アポトーシスが誘導された。HTLV-I感染により誘導されたiNOSはNOを生成し,アポトーシスを抑制するとこが腫瘍化機構に関与している可能性が示唆された。1ヒトT細胞性白血病ウイルス(HTLV-1)感染細胞株および成人T細胞性白血病(ATL)の患者血液中の白血病細胞(ATL細胞)におけるiNOSmRNAの発現RT-PCR法にて上記細胞のiNOS mRNAの発現は他のリンパ性白血病細胞株や正常人末梢血リンパ球と比べ,非常に強かった。細胞株においてはiNOS mRNAはTax mRNAの発現に並行する所見が得られた。2 HTLV-1感染細胞株におけるiNOSプロモーターの活性化iNOS mRNAの発現を認めたHTLV-1感染細胞株においてiNOSプロモーターの活性化を観察した。これによりiNOS mRNAの発現亢進は転写活性の亢進によることが示された。3 TaxによるiNOS発現の活性化Tax遺伝子をメタロチオネインのプロモーターによって発現誘導するJPX-9細胞におけるiNOS mRNAの挙動を観察した。JPX-9細胞の培地にCd^<2+>を加えTaxを細胞内に発現させると,明らかなiNOS mRNAの発現誘導が観察された。これによりTaxの発現がiNOS mRNAの発現を誘導することが示された。4 Taxにより活性化されるiNOSプロモーターの遺伝子配列の検討ヒトiNOS遺伝子約3.2kbのプロモーター領域から種々の欠失断片を作製し,レポータープラスミドに組み込み,プロモーター活性に重要な配列,Taxにより活性化される遺伝子配列を検討した。その結果,基礎的にもTaxによる活性化にも,-159baseから-111baseが必須であった。この領域にはNF-κB配列を認めたが、NF-κB配列の変異体やTaxの変異体、さらにIκBαやIκBβの優性変異体を用いた解析ではNF-κB配列はTax依存性遺伝子配列ではないことが判明した。なおこの領域にはNF-κB配列以外には既に知られているTax応答配列を認めず、ユニークなTax活性化関連遺伝子配列を用いていることが予想され、現在詳細な解析を行っている。最近、ヒトiNOS遺伝子のサイトカインによる誘導には3.2kbより上流の領域が重要であることが報告されており、7.2kbのプロモーター領域をレポータープラスミドに組み込み,3.2kbよりさらに上流のTax応答配列の解析を行っている。

iNOS遺伝子の5'-上流域とルシフェラーゼcDNAとを結合したレポータープラスミドを作製しておこなったレポーター実験で,Taxの発現によって転写活性の著明な増大が得られ,iNOSがTaxの標的遺伝子であることが確認された。さらにこのプロモーター領域から種々の欠失断片を作製してレポータープラスミドに組み込み,Taxにより活性化される遺伝子配列を検討した。その結果,Tax依存性配列は-159/-111bpの配列と特定された。この部位にはNF-κB配列が存在したが,この配列に変異を導入したレポーターでもTaxにより転写は活性化され,NF-κB活性化能を欠いたTax変異体でも転写は活性化された。さらにIκB-α,IκB-βの優性抑制変異体をTaxと同時に発現させても転写の抑制は認められず,Tax依存性配列はNF-κB配列ではなかった。現在,さらに詳細にTax依存性配列を検討中である。3NOによるアポトーシスの抑制:iNOSの発現およびNOの産生を認めたHTLV-I感染細胞株をNOS阻害剤であるL-NMMAで処理すると,アポトーシスが誘導された。HTLV-I感染により誘導されたiNOSはNOを生成し,アポトーシスを抑制するとこが腫瘍化機構に関与している可能性が示唆された。
古起源病害抵抗性遺伝子の他標的の探索と植物種分化における役割の検討

コムギのエンバクいもち病抵抗性遺伝子Rwt4は、コムギのカモジグサうどんこ病抵抗性遺伝子Pm10とメンデル遺伝学的に同じ遺伝子座に座乗する。そこで、Rwt4に対応する非病原力遺伝子PWT4とPm10に対応する非病原力遺伝子Ppm10が同じ遺伝子ではないかと考え、サザン解析を行なったが、カモジグサうどんこ病菌ゲノム内にPWT4と相同の配列は認められなかった。一方、オオムギのさまざまないもち病菌に対する抵抗性を支配する遺伝子座Rmo2のクローニングを試みた。fine mappingの結果、座乗領域を50kbまで狭めることができた。(1)カモジグサうどんこ病菌(Ah-1)は増殖が難しいので、これとコムギうどんこ病菌(Th-1)を交配し、Ppm10(カモジグサうどんこ病菌のコムギに対する非病原力遺伝子)を保有し、かつ1粒系コムギTriticum urartu (Urr)の上で旺盛に増殖するF1菌系AT-100を得た。この菌系をUrr上で培養して胞子を回収し、DNAを抽出したが、サザン解析に十分な量のDNAは得られなかった。現在、大量抽出の方法を検討している。(2)オオムギの各種いもち病菌に対する抵抗性遺伝子Rmo2をクローニングするため、連鎖マーカーを用いて当該領域のBACクローンを選抜した。これらのクローンを整列化し、塩基配列を解読したところ、候補領域を80kbまで絞り込むことができた。一方、候補遺伝子を遺伝学的に1遺伝子に絞り込むため、抵抗性品種Russian 81 x感受性品種NigrateのRmo2座ヘテロ個体由来F3 5000個体を播種し、Rmo2を挟み込む分子マーカーでrecombinantを選抜した。その結果、約20個体のrecombinantが得られた。現在これらの次代種子をとるべく、温室で育成しているところである。(1)カモジグサうどんこ病菌Ah-1とコムギうどんこ病菌Th-1のF1菌系の中から、Ppm10(カモジグサうどんこ病菌のコムギに対する非病原力遺伝子)を保有しかつ一粒系コムギTriticum urartu (Urr)上で旺盛に生育するAT-1を選抜した。この菌系をUrr上で培養して胞子を回収し、DNAを抽出した。このDNAをブロッティングし、PWT4(エンバクいもち病菌のコムギに対する非病原力遺伝子)をプローブとしてサザン解析を行なったが、シグナルは得られなかった。以上のことから、メンデル遺伝学的には同じ抵抗性遺伝子に対応するものの、Ppm10とPWT4は異なる遺伝子であると結論した。(2)オオムギの各種いもち病菌に対する抵抗性遺伝子Rmo2の座乗領域を遺伝学的にさらに絞り込むため、R81 x Ngt由来Rmo2分離集団(F3)約5000個体を播種し、第一葉から抽出したDNAを用いてFlanking marker間のrecombinantを選抜した。これらを鉢上げし、育成してF4種子を採取した。これらにGFSI1-7-2を接種して各recombinantのRmo2座における遺伝子型を決定し、マッピングを行なったところ、Rmo2座乗候補領域をさらに50kbまで絞り込むことができた。第一項目は、サザン解析に必要な量のDNAをうどんこ病菌から抽出するのが難しく、やや遅れているが、第二項目は順調に進み、recombinantの種子がとれる9月には、候補遺伝子をほぼ推定できる予定である。したがって、全体としては順調に進展していると考える。植物病理学第一項目に関しては、サザン解析に十分な量のDNAを抽出し、これを用いてPWT4がうどんこ病菌に存在するかどうかを検定する。第二項目に関しては、次の2点を検討する。(1)候補領域80kbの塩基配列が明らかとなったが、これは感受性品種Morexのものである。そこで、抵抗性品種Russian No.81の当該領域が同じ構造をしているかどうかを、PCRで調べる。挿入等があることが示唆されたら、その領域をシークエンスする。(2)得られたシークエンスから抵抗性遺伝子を予測する。(3)recombinantの種子を5月に収穫し、休眠がきれた9月からinfection assayに供する。その結果をもとに分離分析を行い、候補遺伝子を絞り込む。絞り込みができたら、それらの遺伝子の破壊を試みる。
フレキシブルレーザ照射システムによる電子セラミックス薄膜の誘電率向上に関する研究

電子セラミックス薄膜の誘電率特性を実装基板に熱影響を及ぼさずに向上させるための基礎的研究を目的とし、シンプルな光ファイバー結合型高輝度半導体レーザモジュールを複数個結合させることにより、600W級のフレキシブルビームシステムを設計・試作した。これを用いて形成した幅300μm、長さ2600μmのフラットトップビームを、AD(エアロゾルデポジション)法で200μm厚の銅基板上に成膜した5μm厚のチタン酸バリウム薄膜に照射し、300mm/sの高速走査でレーザアニーリングを行うことで、基板に熱影響を与えることなく30分間の電気炉加熱に匹敵する誘電率に向上させることに成功した。電子セラミックス薄膜への高速表面熱処理による誘電率向上の実証・平成24年度に設計・試作した半導体レーザによるフレキシブルラインビームシステムを用い、100μm厚の銅基板上にAD法により形成した5μm厚のチタン酸バリウムのアニーリング実験を行った。・従来の半導体レーザによる楕円形ビームを用いた実験では、電気炉による773K、30分の加熱と同等の誘電率向上には、パワー密度を増加しても100mm/sの走査速度までしか達せず、パワー密度を増加させても50%程度までしか改善しなかったものが、2倍の200mm/sにおいても30分の電気炉加熱同等の誘電率向上が可能となり、300mm/sにおいても80%程度までの誘電率向上が実証された。・熱加工シミュレータを用いて計算した結果、基板裏の最高到達温度は533K程度と予想され、電子部品に与える許容温度以下であると推定された。これらにより、AD法により形成されたチタン酸バリウム薄膜の誘電率を、電気炉加熱に比べてはるかに高速に実現できることが実証された。これらの結果をレーザー学会学術講演会第34回年次大会において発表した。・実験中に半導体レーザの予期せぬ故障が発生したため、修理を行った。原因は光ファイバーの融着部の不良が原因と推定されたため、融着プロセスの改善を行った。現在、ビームプロファイルをさまざまに変化させてその影響について検討を行っている。また、フレキシブルラインビームシステムの優れた加熱特性をさらに他の分野へも応用することを検討している。光ファイバー結合型高輝度半導体レーザを複数個用いたフレキシブルラインビームシステムの設計・試作とシステムの特性評価・ファイバー結合型半導体レーザの現状調査と国内外各社製品の出力、ビーム特性及び価格の比較を行い、古河電工(株)製の25W級半導体レーザ24本を使用することに決定した。・当初計画していた球面平凸レンズ、平凹シリンドリカルレンズ、平凸シリンドリカルレンズを用いる組み合わせレンズ方式では光学系が複雑で高価なことと、選定したレーザのビーム特性に対する整合性がよくないため、よりシンプルで安価な平凸レンズのみで集光する光学系を用いる方式で再設計を行った。その結果、当初予定していたビーム幅の狭い精密なラインビームは得られないかわりに、ビームプロファイルをさらにフレキシブルに変化させられ、1点集光から3mmのライン形状まで得ることができることがわかり、新しい設計に基づいて試作を行った。・パワーメータとビームプロファイラを用いて、試作したフレキシブルラインビームシステムの特性評価を行った結果、出力600W、ビーム長3mm、パワー密度60kW/cm2のラインビームが形成できることを確認した。当初の計画のビーム長1.8mm、パワー密度50kW/cm2と比べると、同等のパワー密度でほぼ1.5倍のビーム長が得られることがわかった。・本システムは、基本的には24個の集光点の合成であるため、現在、加熱用熱源としてどのくらいのビーム長までレーザ強度の平坦性が維持できるかの検討を行っている。フレキシブルレーザ照射システムによる高速表面処理の応用展開・平成24年度に設計・製作した半導体レーザによるフレキシブルラインビームシステムを用い、平成25年度には電子セラミックス薄膜への高速表面熱処理に成功した。・この優れた加熱特性をさらに他の分野へ応用することを試みた。・半導体レーザを追加して最大出力600Wのラインビームシステムを構築し、金属材料粉末に対する精密レーザコーティングに適用した。・平均粒径30μmのNi基自溶合金粉末を1mm厚のステンレス鋼基板上に200μmの厚さに敷き詰め、2.6mmx0.3mmのフラットラインビームを出力250W、掃引速度10mm/sで照射したところ、従来の同等出力のスタック集光型半導体レーザによる山形プロファイルのビームでは得られなかった平坦で希釈が少ない良好な薄膜皮膜を形成することができた。