hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
学習・記憶における部分と全体の情報表現

本研究では、海馬におけるボトムアップの時空間学習則(部分の情報表現)とトップダウンのHEBB則(全体の情報表現)の相互作用によってシナプス加重が強化されることを理論と生理学実験の両方から検証した。生理学実験では、共焦点顕微鏡及び紫外レーザーによる多点同時高速神経刺激を用いて海馬の神経細胞の樹状突起の微細構造とEPSPの加算特性、定常時・非定常状態におけるカントールコーディングの時空間応答の非線形特性について明らかにし、現在、理論モデルとの対応について検討している。本研究の目的は学習と記憶の情報表現について、『部分と全体の情報をどのように表現しているのか』に着目して生理実験を実施し、その情報表現の基本原理を抽出し、その原理に基づくモデルを構築することである。具体的には、1.海馬の文脈配列情報(時系列情報)がフラクタルコードとしてCA1に記録されているかどうかを生理実験とモデルで検証する。2.海馬ではボトムアップ(部分情報)の時空間学習則(nonHEBB)とトップダウン(全体情報)のHEBB則の相互作用によって強化学習がなされるとの仮説を単独ニューロンの空間情報処理に注目して、生理実験とモデルによって検証する。平成24年度に関しては特に1.に注目し、研究を進めた。研究代表者である福島が研究分担者である相原および指導下の大学院生と共同で、生理学実験を担当した。玉川大学にある高速アンケージング多点刺激装置付の共焦点レーザー顕微鏡装置を利用し、海馬CA3-CA1の神経回路におけるカントールコーデングの可能性の検証のための生理実験をおこなった。特定順序のランダム時空間系列パターンで刺激を作成し、海馬CA1錐体細胞の樹状突起上の4カ所のシナプス相当領域に刺激をおこなった。データ解析は研究代表者である福島が、研究分担者である津田、山口と共同で行っている。昨年度は、まず、可塑性の起きない状態(定常状態)でのデータを取得した。その結果、従来おこなったようなガラス電極を用いた実験と同様に、カントールコーディングによる海馬への時系列情報の書き込みがおこなわれることが確認された。次に、可塑的変化の起こりうる条件(非定常状態、学習条件)でのデータの収集をおこなった。現在、樹状突起上の入力位置情報がカントールコーディングによる書き込みにどのように影響するかについて、学習による影響との関連も含めて検討している。平成24年度に関しては特に1.に注目し、研究を進めてきたが、平成25年度に関しては、2.の視点も交えて研究を進めた。玉川大学にある高速アンケージング多点刺激装置付の共焦点レーザー顕微鏡装置を利用し、海馬CA3-CA1の神経回路におけるカントールコーデングの可能性の検証を、海馬スライス標本での実験系で開始した。平成24年度までの、従来おこなったような定常状態での強弱刺激のカントールコーディングによる海馬への書き込みが、共焦点レーザー装置を用いた刺激でも同様におこなわれることが確認された結果に加え、平成25年度では、非定常状態でのニューロン応答の変化について、樹状突起上で見られるローカルスパイクに着目して学習との関連について解析をおこなっている最中である。具体的には、(1)海馬の文脈配列情報(時系列情報)がフラクタルコードとしてCA1に記録されているかどうかを生理実験とモデルで検証する。(2)海馬ではボトムアップ(部分情報)の時空間学習則(nonHEBB)とトップダウン(全体情報)のHEBB則の相互作用によって強化学習がなされるとの仮説を単独ニューロンの空間情報処理に注目して、生理実験とモデルによって検証する。平成23年度に関しては特に(1)に注目し、研究を進めた。

玉川大学にある高速アンケージング多点刺激装置付の共焦点レーザー顕微鏡装置を利用し、海馬CA3-CA1の神経回路において、カントールコーデングの可能性を海馬スライス標本を用いた実験系での検証を開始した。特定順序の時空間系列パターンで刺激を作成し、海馬CA1錐体細胞の樹状突起上の4カ所のシナプス相当領域に刺激をおこない、時空間配列情報が細胞膜上にどのように時空間的な変化を伴い記載されていくかを記録した。現在は、まず、可塑性の起きない状態(定常状態)でのデータを取得している段階である。データ解析は研究代表者である福島が、研究分担者である津田、山口と共同で行っている。現在、得られた実験データから解析を開始した状況である。この実験によって、海馬CA1において、定常状態において時空間配列情報が部分と全体の情報としてどのように記憶されていくかというコーディングのメカニズムを明らかにすることが可能である。海馬ではボトムアップの時空間学習則(nonHEBB)とトップダウンのHEBB則(スパイク・タイミング依存性長期増強)の相互作用によってシナプス加重が強化され、強化学習にも密接に関係することを生理実験とモデル・理論によって検証した(Tsukada et al.、2011)。ここでは、不安定な回路網(カオス駆動ネットワーク、CA3)がカオス的遍歴によって一つの文脈を形成し、安定な回路網(縮小ダイナミクス、CA1)はカントールコーディングとしてその情報を符号化するカオス駆動縮小システムの計算論モデル(Tsuda1996、2001)仮説を、生理実験におけるニューロンと理論的に構築したモデルニューロンにおいてで検証した。さらに、カントールコーディング成立の際の入力情報の周波数帯域依存性とCA1における抑制性ニューロンのネットワークによる修飾の効果が示された(Fukushima et al.、2013)。平成26年度においては、共焦点顕微鏡及び紫外レーザーの併用によりガルバノ・ミラーを使った多点同時高速神経刺激を使い、海馬CA1神経細胞の樹状突起の微細構造と非定常状態におけるカントールコーディングの時空間学習特性について、部分(時空間学習則)と全体(HEBB則)の両者を組み合わせ、実験結果の解析をおこなった結果、非線形的な要素を含む応答が観察された。現在、これらのデータから得られたニューロンにおける学習記憶に関する詳細な理論モデルを構築しており、それらを論文にまとめる準備をおこなっている。神経科学昨年度の研究の結果、共晶点レーザー顕微鏡とケージド試薬を用いた配列情報刺激に対する定常状態でのカントールコーディングが、刺激電極を用いた刺激入力系と同様におこなわれていることを確認できた。このことに加え、(1)カントールコーディングの入力空間依存性(2)非定常状態(学習条件)でのカントールコーディングの精度、の2点を明らかにすることを目的に研究をおこなった。昨年度、おこなった刺激条件においては、(1)入力空間依存性、(2)非定常状態でのカントールコーディングの精度に関して、十分な検証結果が得られなかった。(1)に関して、刺激の入力位置間の距離を十分に離すことができなかったため、入力位置依存性がはっきりとみられなかったと考えられる。
軽い原子核における低エネルギー単極子・双極子励起モードの解明

軽い原子核における、monopole励起、isoscalar型とisovector型のdipole励起について、特に低エネルギーの励起状態の性質を解析することによって、核子多体系の励起モードを調べた。低エネルギーに現れる特徴的なモードにおいて、クラスター、変形などの多体相関がどのように寄与するかに焦点をあてた。陽子数・中性子数の異なる不安定原子核において、余剰核子と芯原子核の運動により現れる新しい励起モードを探るために、isospinの性質をscalar, vectorの2つのタイプに分けて解析した。理論的手法として、低エネルギーの多様な励起モードを記述するための模型として、shifted basis AMD法を開発し、クラスターGCMと合わせることで1p1h励起モードとクラスターモードを同時に取り込んだ計算が可能となった。この手法を用いて12C,16O,10Be,12Be,18Oのクラスター励起とdipole励起状態を計算した。これらの原子核は基底状態にクラスター構造によって内部変形をもつ。valence neutron oscillation mode,トロイダル、クラスターモードが共存して出現するという理論的予言を行った。これらのモードは、微小振動モードとして理解できる一粒子励起と、クラスター相対運動の大振幅モードという2つの特徴をもつことを明らかにし、励起強度や遷移密度に違いが見られることを示した。初年度の段階で、遷移強度の計算は完了し、非弾性散乱の反応計算に入力できる数値データを出力する計算プログラムを完成している。構造模型で計算した入力データを使って、結合チャネル模型の反応計算プログラムで計算したところ、計非弾性散乱の断面積の実験データを再現できることを確認した。反応計算のプログラムは阪大の緒方氏から提供を受けた。このプログラムに入力する構造模型の計算データとして、基底・励起状態の密度と、各状態間の遷移密度を計算する必要があり、そのための計算プログラムは完成した。shifted AMDやクラスターGCMの計算では、数百の基底の数の波動関数を重ね合わせる必要があり、そのように記述された状態間の遷移密度を各距離の点で計算するには大規模な数値計算が必要である。基礎物理学研究所のスーパーコンピュータで計算するために、計算コードの移植とパラレル化を行い、大規模計算が実現できるようになった。現在のところ、Be同位体、C同位体、O同位体の構造計算について、遷移密度の計算が完了した。これらの出力結果を入力データとして反応計算を行ったところ、測定されている実験データが再現できることがわかった。特に16Oについて微視的構造模型に基づく非弾性散乱断面積の理論計算は初めての成果である。これらのについて成果をまとめ、論文を準備中である。不安定核での陽子非弾性散乱(p,p')とα粒子非弾性散乱(a,a')について研究を進めていく。比較的実験データの多い陽子非弾性散乱を優先的に進め、観測データのある原子核について構造計算と反応計算を行い断面積の解析を行う。ここまでの解析で、陽子非弾性散乱は、α粒子と比べて、結合チャネルの効果が小さいことがわかった。このため、多段階過程に寄与する励起状態間の遷移密度の詳細によらず、基底状態からの直接遷移によって励起状態の構造を調べることができる。(p,p)反応の解析と並行して、α粒子非弾性散乱の断面積の結果を調べ、両者を比較することによって、励起モードにおける陽子・中性子の差が非弾性散乱でprobeできるかどうかを検討・調査する。dipole励起状態を見つける探索実験において、どのprobeが適しているかを調べて実現可能な実験でのfeasibilityの議論を行い、今後の実験計画に貢献する。上記のようなα粒子や陽子の非弾性散乱反応は標的原子核の励起状態を調べる方法として有効である。別の観点として、α粒子の弾性散乱の理論計算を行い、「標的原子核+α粒子」の全系としてのαクラスター励起状態の研究も進める。具体的には10Be, 12Cの遷移密度を用いて、10Be+α、12C+αの弾性散乱の反応計算を、結合チャネル模型に基づいて行う。14Cおよび16Oの励起状態に予言されている10Be+α、12C+αクラスター状態が、弾性散乱の断面積にどのような共鳴状態として現れるかを調べる。

初年度の段階で、遷移強度の計算は完了し、非弾性散乱の反応計算に入力できる数値データを出力する計算プログラムを完成している。構造模型で計算した入力データを使って、結合チャネル模型の反応計算プログラムで計算したところ、計非弾性散乱の断面積の実験データを再現できることを確認した。反応計算のプログラムは阪大の緒方氏から提供を受けた。このプログラムに入力する構造模型の計算データとして、基底・励起状態の密度と、各状態間の遷移密度を計算する必要があり、そのための計算プログラムは完成した。shifted AMDやクラスターGCMの計算では、数百の基底の数の波動関数を重ね合わせる必要があり、そのように記述された状態間の遷移密度を各距離の点で計算するには大規模な数値計算が必要である。基礎物理学研究所のスーパーコンピュータで計算するために、計算コードの移植とパラレル化を行い、大規模計算が実現できるようになった。現在のところ、Be同位体、C同位体、O同位体の構造計算について、遷移密度の計算が完了した。これらの出力結果を入力データとして反応計算を行ったところ、測定されている実験データが再現できることがわかった。特に16Oについて微視的構造模型に基づく非弾性散乱断面積の理論計算は初めての成果である。これらのについて成果をまとめ、論文を準備中である。不安定核での陽子非弾性散乱(p,p')とα粒子非弾性散乱(a,a')について研究を進めていく。比較的実験データの多い陽子非弾性散乱を優先的に進め、観測データのある原子核について構造計算と反応計算を行い断面積の解析を行う。ここまでの解析で、陽子非弾性散乱は、α粒子と比べて、結合チャネルの効果が小さいことがわかった。このため、多段階過程に寄与する励起状態間の遷移密度の詳細によらず、基底状態からの直接遷移によって励起状態の構造を調べることができる。(p,p)反応の解析と並行して、α粒子非弾性散乱の断面積の結果を調べ、両者を比較することによって、励起モードにおける陽子・中性子の差が非弾性散乱でprobeできるかどうかを検討・調査する。dipole励起状態を見つける探索実験において、どのprobeが適しているかを調べて実現可能な実験でのfeasibilityの議論を行い、今後の実験計画に貢献する。上記のようなα粒子や陽子の非弾性散乱反応は標的原子核の励起状態を調べる方法として有効である。別の観点として、α粒子の弾性散乱の理論計算を行い、「標的原子核+α粒子」の全系としてのαクラスター励起状態の研究も進める。具体的には10Be, 12Cの遷移密度を用いて、10Be+α、12C+αの弾性散乱の反応計算を、結合チャネル模型に基づいて行う。14Cおよび16Oの励起状態に予言されている10Be+α、12C+αクラスター状態が、弾性散乱の断面積にどのような共鳴状態として現れるかを調べる。
高次構造に基づくストレス応答転写調節機構の解明

基本転写因子のTFIIEαのZn結合ドメインの立体構造をNMRにより解析した。構造解析の結果全く新しいフォールドのZn結合ドメインであった。分子表面に露出している酸性アミノ酸を標的にして部位特異的な変異体を作成した。立体構造を変化させることなく、基本転写活性を約1.52.5倍増加させることができた。具体的にはD140Aは約1.5倍の転写活性化を、D164Aは約2倍の転写活性化を、D164Kは約2.5倍の転写化成化を野生型に比して増加させることができた。加えて、これらの変異体は他の基本転写因子との相互作用にも影響を与えない。また、鋳型となるプロモーターDNAのトポロジーによらず、転写活性を増加させることができる。また二重鎖テロメア配列に結合しテロメラーゼの活性を制御するタンパク質としてヒトではTRF1とTRF2がある。今回TRF2のDNA結合ドメインとテロメアDNAとの複合体構造をNMRで決定した。3本のヘリックスからなるMyb様構造を保持していた。3本のヘリックスの立体配置はフリーの時と同じであったがDNAの小さな溝で特異的にTT配列を認識しているN末のフレキシブルアームがフリーの時に比べてDNAとの結合により固定化された。3番目のヘリックスがAGGG配列をDNAの大きな溝で特異的に認識していた。以前に決定したTRF1とテロメアDNAとの複合体構造と比較してDNA認識様式はほとんど同じであったがTT配列をDNAの小さな溝で認識するのにTRF2はリシン残基を使用しているがTRF1はアルギニン残基を使用していた。TRF1のほうがTRF2よりDNA結合能が強いのでTRF2のリシン残基をアルギニン残基に変えた変異体を作成したところ野生型よりもDNA結合能が強くなった。ヒトのテロメアDNA結合タンパク質のhTRF1はDNA結合ドメインに1個のMybドメインを含んでいる。Mybドメインは3本のヘリックスを持ち3本のヘリックスは3個のTrpを含む疎水的なコアで安定化されていた。DNAと相互作用する部分は、3番目の認識ヘリックスとフレキシブルアームと呼ばれるN末端領域である。認識ヘリックスがDNAの大きな溝に入り、N末端がDNAの小さな溝から巻き付くように結合する。1個のMybドメインでTAGGGTT配列を認識でき、しかもモデル構築からTRF1はテロメアDNAの繰り返し配列を立体障害無く密にタンデムに認識できる事が判った。また、TRF1のDNA認識に関与するアミノ酸はTRF2にも高度に保存されていることからTRF2の2本鎖テロメアDNA認識の様式はTRF1とほとんど同じであることを確認した。また酵母のテロメアDNA結合タンパク質のscRap1Pのホモログがヒトで単離されhRap1と命名されたがscRap1Pと異なりDNA結合能は無いが中央部に1個のMybドメインを含んでいる。hRap1のMybドメインの構造解析の結果今までのMyb様モチーフのフォールドと全く同じフォールドであったが明らかに表面の電荷分布が異なっていた。TRF1のMybドメインは表面に強い正電荷を分布しておりこの正電荷の表面がDNAの負に荷電したリン酸骨格と相互作用をしていた。しかしhRap1のMybドメインには対応する正電荷表面が存在しない。同じMybドメインにもDNA特異的結合性MybドメインとDNA非特異的結合性で恐らくタンパク結合性Mybドメインの2種類が存在する。TRF1のDNA結合ドメインとテロメア配列を持つ2本鎖DNAとの複合体構造をNMRで決定した。

3本のヘリックスの立体配置はフリーの時と同じであったがDNAの小さな溝で特異的にTT配列を認識しているN末のフレキシブルアームがフリーの時に比べてDNAとの結合により固定化された。3番目のヘリックスがAGGG配列をDNAの大きな溝で特異的に認識していた。c-MybのDNAとの複合体構造ではR2とR3の3本のヘリックスのうちの各々の3番目のヘリックスがDNAの大きな溝に収まり、お互いのヘリックス同士が強く相互作用して協調的に塩基配列を認識している。フリーの時にはR2とR3は独立な構造体としてフラフラと揺らいでいて協調的な正電荷表面を形成していないがDNAと結合してはじめて協調的にリン酸骨格を抱えるように正電荷の表面が形成される。c-MybのDNA結合ドメインが3個のMybモチーフを含んでいるのはDNAに結合するだけではなく転写の活性化によってDNA結合能を制御するためである。TRF1の場合はテロメアDNAに結合することが主要な機能である。TRF1は2量体を形成するが2量体から突き出たDNA結合ドメインは各々が協調することなく独立にAGGGTT配列に結合するのでTRF1の発現量によりDNAの超高次構造は制御される。Mybモチーフで見られるように同じ様なアミノ酸配列を持っていて同じ様なフォールドを形成していてもタンパク質の機能は多様である。タンパク質中には骨格構造形成に関与してタンパク質の内部に存在し疎水性コアを形成している構造性アミノ酸残基(Structural Residues)とタンパク質の表面に存在し他のタンパク質やDNAとの相互作用に関与する機能性アミノ酸残基(Functional Residues)の両者に大別できる。基本転写因子のTFIIEαのZn結合ドメインの立体構造をNMRにより解析した。構造解析の結果全く新しいフォールドのZn結合ドメインであった。分子表面に露出している酸性アミノ酸を標的にして部位特異的な変異体を作成した。立体構造を変化させることなく、基本転写活性を約1.52.5倍増加させることができた。具体的にはD140Aは約1.5倍の転写活性化を、D164Aは約2倍の転写活性化を、D164Kは約2.5倍の転写化成化を野生型に比して増加させることができた。加えて、これらの変異体は他の基本転写因子との相互作用にも影響を与えない。また、鋳型となるプロモーターDNAのトポロジーによらず、転写活性を増加させることができる。また二重鎖テロメア配列に結合しテロメラーゼの活性を制御するタンパク質としてヒトではTRF1とTRF2がある。今回TRF2のDNA結合ドメインとテロメアDNAとの複合体構造をNMRで決定した。3本のヘリックスからなるMyb様構造を保持していた。以前に決定したTRF1とテロメアDNAとの複合体構造と比較してDNA認識様式はほとんど同じであったがTT配列をDNAの小さな溝で認識するのにTRF2はリシン残基を使用しているがTRF1はアルギニン残基を使用していた。
魚の逃避運動を発現する後脳網様体脊髄路ニューロン群の機能分化と機能結合-進化が生んだ後脳セグメント・ホモログ・ニューロンの機能に関する生理学的・行動学的研究-

脊椎動物の後脳は発生段階に分節構造が見られる.魚では成熟脳においても後脳は前後軸方向に7つの分節に分かれ,各分節に網様体脊髄路(RS)ニューロンが繰り返し存在する.本研究では,形態学的に互いに相同なRSニューロンの機能的特徴と相互結合を,キンギョとゼブラフィッシュを用いて電気生理学的に調べ,分節構造に基づく機能回路の構成を理解することを目的とした.成魚からin vivo細胞内記録を行い,RSニューロンを脊髄からの逆行性応答と形態学的特徴から同定した.第4分節のマウスナー(M)細胞と同様に細胞体が後脳の背側に左右1対ある3種(MiDcm,MiDcl,MiDi)と腹側にクラスターをなす1種(MiV)が第4-6分節に反復して存在する.第5-6分節のRSニューロンはすべて脱分極量に対応したバースト放電を示した.一方,M細胞は単発の活動電位のみ発生した.M細胞の発火特性は孵化前後に確立される膜特性と強力な反回性抑制回路に依存すると考えられる.M細胞と相同RSニューロンは感覚神経(聴神経,側線神経)からそれぞれ異なる様式で入力を受けていた.なかでも第5分節のMiD2cmとMiD2clおよび第6分節のMiD3clは2つの感覚神経から強い興奮性入力を受け,M細胞より低い閾値で発火応答を示した.さらにM細胞から第5-6分節のRSニューロンへ,一方向でそれぞれ固有の機能結合が明らかにされた.すなわち腹側のMiVへはM細胞から強い興奮性結合,背側のMiDcm,MiDcl,MiDiへは主に抑制性の結合であった.このように魚の後脳RSニューロンには分節内および分節間で機能分化があり,セルタイプに依存した機能的結合が見出された.脊椎動物の脳は発生の進行にしたがって,体軸方向に並ぶ前脳・中脳・後脳に分割され,さらに後脳はロンボメアと呼ばれる分節(セグメント)構造を示す.このように分節構造を基本として脳が成り立っていることは,高度の脳機能の発現にどのように反映しているのであろうか?我々は,硬骨魚の後脳網様体(RS)ニューロン群が魚の逃避運動のプログラミングに果たす役割を,脳の分節構造から理解することを目的とした.硬骨魚のRSニューロン群は,吻尾軸方向に並ぶ7つの分節から成り立つ.第4分節には最大のRSニューロンであるマウスナー(M-)細胞が左右一対存在する.M-細胞は逃避運動をトリガーすることで知られているが,M-細胞の活動だけでは刺激に応じた多様な逃避運動を説明できない.隣接する第5分節にはM-細胞の相同RS細胞が4種類(MiD2cm,Mid2cl,MiD2i,MiV2)存在する.本年度は,これらRSニューロン群の信号伝達特性と相互結合を,キンギョを用いてin vivo細胞内記録法により調べた.記録電極からバイオサイチンを注入してラベルし,各細胞を形態学的に同定した.両分節のRS細胞は聴神経と側線神経から入力を受けるが,投射様式は各RS細胞に特有であった.また,第5分節のRS細胞が入力量に応じてバースト放電するのに対し,M-細胞は単一スパイクのみを発生した.さらに,M-細胞から第5分節の相同RS細胞に一方向で,しかも4種のRS細胞固有の結合様式が見いだされた.これらのRSニューロン間の機能分化と相互の機能結合により,刺激の方向に対応した逃避運動が制御されると考える.脊椎動物の後脳は発生段階に分節構造が見られる.魚では成熟脳においても後脳は前後軸方向に7つの分節に分かれ,各分節に網様体脊髄路(RS)ニューロンが繰り返し存在する.本研究では,形態学的に互いに相同なRSニューロンの機能的特徴と相互結合を,キンギョとゼブラフィッシュを用いて電気生理学的に調べ,分節構造に基づく機能回路の構成を理解することを目的とした.成魚からin vivo細胞内記録を行い,RSニューロンを脊髄からの逆行性応答と形態学的特徴から同定した.第4分節のマウスナー(M)細胞と同様に細胞体が後脳の背側に左右1対ある3種(MiDcm,MiDcl,MiDi)と腹側にクラスターをなす1種(MiV)が第4-6分節に反復して存在する.第5-6分節のRSニューロンはすべて脱分極量に対応したバースト放電を示した.一方,M細胞は単発の活動電位のみ発生した.M細胞の発火特性は孵化前後に確立される膜特性と強力な反回性抑制回路に依存すると考えられる.M細胞と相同RSニューロンは感覚神経(聴神経,側線神経)からそれぞれ異なる様式で入力を受けていた.なかでも第5分節のMiD2cmとMiD2clおよび第6分節のMiD3clは2つの感覚神経から強い興奮性入力を受け,M細胞より低い閾値で発火応答を示した.さらにM細胞から第5-6分節のRSニューロンへ,一方向でそれぞれ固有の機能結合が明らかにされた.すなわち腹側のMiVへはM細胞から強い興奮性結合,背側のMiDcm,MiDcl,MiDiへは主に抑制性の結合であった.このように魚の後脳RSニューロンには分節内および分節間で機能分化があり,セルタイプに依存した機能的結合が見出された.
シリコン基板上の光電子集積回路の基礎研究

本研究はシリコン(Si)基板表面に光電子集積回路を実現することを目的として,低伝搬損失かつ良好な光デバイスと光の結合効率が期待できるSi基板埋め込み型光導波路の開発を目指して実施した。陽極化成で多孔質化したSiの酸化により形成するSiO_2層を光導波路として利用することを目標とした。主として検討した課題は,陽極化成による多孔質Si形成の方法である。導波路作成には,Siの酸化による体積膨張で細孔部分が埋められるよう,多孔度は55%,ドーピングによりコア部とクラッド部の屈折率差をつけるために細孔径はクラッドよりコアのほうが大きいことが望ましい。フッ化水素酸(HF)系の電解液を用いてSiの陽極化成の実験を行った結果,高HF濃度での化成では化成部の厚さは変わらず細孔径が大きくなる。高電流密度の化成では,細孔径は変わらず,化成部厚さが厚くなる。また,多孔性Siは,通電しなくても溶液中に溶出し,化成時間の増加に対しては,細孔径,化成部厚さ共に増加する。更に,メタノールやエタノールの添加により化成部表面粗さを減らすことが出来る。最終的な導波路の形成にまでは至らなかったが,本研究で得られた知見を基に,陽極化成途中でHF濃度を変え,その後通電を止めて溶出させることにより所望の細孔分布を持つ膜が形成できると考えられる。この方法でSi基板上に光導波路を形成できれば,Siは大面積高品質結晶が容易に入手可能なので種々の光集積回路に利用できるだけでなく,Siの電子回路技術との併用により光電子集積回路の実現が期待できる。光電子集積回路の採用が有効な例として,プレーナ型多層構造光電子集積回路ニューラルネットワークの構造を提案した。本研究は、シリコン基板の表面に光電子集積回路を実現することを目的とします。まず、低伝搬損失かつ光デバイスと光の結合効率が良好である、シリコン基板上に埋め込む型光導波路の開発を行います。この導波路は多孔性シリコンの酸化による形成される、屈折率に異なる同軸SiO2層によって構築されます。初年度は、主に多孔性シリコン形成方法の検討、実験装置の構築を行いました。その上で、多孔性シリコン形成に影響要素の最適化を試みました。多孔性シリコン形成方法としては、陽極酸化を用いて行いました。多孔性シリコン形成しょうとするシリコン基板を適当な濃度を有するHFの溶液に浸して電極を与えて、もう一方のPt電極の間に電流を通し多孔性シリコンを形成します。導波路を形成する際に、多孔性シリコンの多孔度と多孔性シリコンの粒径を自由に制御することは必要なので、HFの濃度そして陽極酸化時の電流密度と多孔性シリコンの形成速度、多孔度、細孔径との関連性を調べました。その調べた結果、濃度2.5%のHFに適当な反応促進剤を添加することによって、電流密度96mA/cm2の条件で陽極酸化法を用いて、多孔性シリコンの形成が成功しました。形成された多孔性シリコンの形態(多孔度、細孔径等)と電流密度およびその他の陽極酸化条件との関連性については、つづいて調べるところで、次の年度に明らかにする見込みです。初年度は、主に陽極酸化を用いて多孔性シリコン形成方法の検討、実験装置の構築を行いました。

その調べた結果、濃度2.5%のHFに適当な反応促進剤を添加することによって、電流密度96mA/cm2の条件で陽極酸化法を用いて、多孔性シリコンの形成が成功しました。本年度には、HFの濃度そして陽極酸化時の電流密度と多孔性シリコンの形成速度、多孔度、微細孔径との関連性を調べました。さらに陽極酸化液にエタノールを添加した場合、形成された多孔性シリコンの多孔度、膜厚は、化成時間と電流密度の増加とともに、増加している傾向を示しています。また、エタノール濃度が高い(75%)場合、多孔度は電流密度の影響をあまり受けなくなり、化成時間の影響のみ受ける結果が得られています。一方、エタノール濃度が濃くなるほど、孔が低電流密度でも形成し始め、エタノール濃度50%の時に孔は一番低電流密度の条件で形成し始まる結果は実験で分かりました。導波路を形成する際に、多孔性シリコンの多孔度と多孔性シリコンの粒径を自由に制御することが必要なので、最適な条件を次の年度に、引き続いて調べる必要があると思う。本研究はSi基板表面に光電子集積回路を実現することを目的として,まず,低伝搬損失かつ良好な光デバイスと光の結合効率が期待できる,Si基板埋め込み型光導波路の開発を目指して実施した。導波路は多孔性Siの酸化により,屈折率が異なる同軸SiO_2層で構成することを考えた。濃度2.5%のHFに適当な反応促進剤を添加して,電流密度96mAcm^<-2>の条件で,陽極酸化法により多孔性Siが形成できた。導波路作成には,Siの酸化による体積膨張で細孔部分が埋められるよう,多孔度は55%,ドーピングによりコア部とクラッド部の屈折率差をつけるために細孔径はクラッドよりコアのほうが大きいことが望ましい。高HF濃度での化成では化成部の厚さは変わらず細孔径が大きくなる。高電流密度の化成では,細孔径は変わらず,化成部厚さが厚くなる。また,多孔性Siは,通電しなくても溶液中に溶出し,化成時間の増加に対しては,細孔径,化成部厚さ共に増加する。更に,メタノールやエタノールの天下により化成部表面粗さを減らすことが出来る。最終的な導波路の形成にまでは至らなかったが,本研究で得られた知見を基に,陽極化成途中でHF濃度を変え,その後通電を止めて溶出させることにより所望の細孔分布を持つ膜が形成できると考えられる。今後は,これまで本研究とは別に進めてきたSi基板上の発光素子の研究成果を併用し,光電子集積回路による平面型の光ニューラルネットを実現を目指す。
加齢が嚥下機能に及ぼす影響に関する研究

高齢者の嚥下動態を咽頭食道透視検査ならびに嚥下圧検査の観点から検討し、高齢者における嚥下障害発生のメカニズムに関して考察を加えた。1.咽頭食道透視検査咽喉頭異常感ないしは嚥下困難感を訴えて当科を受診した患者のうち、咽喉頭に器質的・機能的異常を認めなかった113例(40歳未満の若年群16例、4064歳の壮年群48例、65歳以上の加齢群39例)を対象とし、咽頭クリアランス能および咽頭流入および誤嚥の有無を検討した。高齢者においては嚥下後に咽頭壁に造影剤が残存するクリアランス能の低下が明らかであった。また、加齢群では咽頭流入および誤嚥が他の群に比して高頻度であった。2.嚥下圧検査対象は64歳未満の若壮年群14例および65歳以上の加齢群35例とした。経鼻的に挿入した圧トランスデューサーを用いて、軟口蓋から頚部食道までの嚥下圧をstation pull-through法により測定した。若壮年群および加齢群のいずれにおいても嚥下圧波は明瞭に認められ、食道入口部の平圧化も良好であった。しかし、若壮年群では嚥下圧値が正常範囲よりも低下した例はなかったのに対し、加齢群では圧低下症例が34%を占めた。本研究では加齢により咽頭クリアランスの低下が見られることが明らかとなった。これは嚥下の予備能力の低下を意味し、不顕性誤嚥にもつながる。一方、嚥下圧検査では高齢者の嚥下圧が低下することも明らかになった。以上の結果は加齢による嚥下関与筋の機能低下に加えて、喉頭の下降など解剖学的構造の変化によるところが大きいものと考える高齢者の嚥下動態を咽頭食道透視検査ならびに嚥下圧検査の観点から検討し、高齢者における嚥下障害発生のメカニズムに関して考察を加えた。以上の結果は加齢による嚥下関与筋の機能低下に加えて、喉頭の下降など解剖学的構造の変化によるところが大きいものと考える1.愛媛大学医学部附属病院耳鼻咽喉科を受診した嚥下障害患者19例および咽喉頭異常感症患者2例に対し、圧トランスデューサーを用いて嚥下圧測定検査を行った。嚥下障害患者の内訳は口腔・咽頭・喉頭腫瘍摘出および再建術後が7例、脳血管障害後が6例、筋変性疾患が4例、その他2例であった。年齢は2379歳(平均61歳)であった。このうち口腔・咽頭・喉頭腫瘍摘出および再建術後の症例では口腔内圧を同時測定した。その結果、口腔内圧と咽頭圧の発生パターンは症例ごとに多様であること、また1回の嚥下反射を惹起するのに数回の口腔内運動が必要な例が多いことなど、新たな知見が得られた。2.嚥下障害患者38例および咽喉頭異常感症患者86例、その他43例に対し、咽頭食道透視検査を行った。嚥下障害患者の内訳は口腔・咽頭・喉頭腫瘍摘出および再建術後が13例、脳血管障害後が12例、筋変性疾患が7例、その他6例であった。年齢は891歳(平均54歳)であった。65歳以上の高齢者においては自覚的に嚥下障害を認めない例においても咽頭期嚥下において造影剤の喉頭流入、喉頭挙上の遅延、喉頭挙上度の低下などの異常所見が約4割の例にみられた。このことは加齢が潜在的な嚥下障害をしばしば引き起こしうることを示唆するものである。

今後、嚥下圧測定検査および咽頭食道透視検査の症例を増やすとともに、嚥下関与筋の筋電図の同時測定も併用し、その結果を時間的な因子も加えることにより定量的に解析する予定である。1.愛媛大学医学部附属病院耳鼻咽喉科を受診した嚥下障害患者32例、咽喉頭異常感症患者2例(平成10年度症例を含む)に対して、圧トランスデューサーを用いて嚥下圧検査を行い、嚥下圧曲線および嚥下圧伝搬曲線を作成して嚥下圧動態を解析した。嚥下障害患者は内訳は口腔・咽頭・喉頭腫瘍摘出術および再建術後が13例、脳血管障害後が9例、神経筋疾患が8例、その他2例であった。その結果、口腔・咽頭・喉頭腫瘍摘出術後の患者では、中咽頭から下咽頭にかけて嚥下圧の伝搬障害や嚥下反射の惹起不全などの所見が見られること、高齢者においてはこの傾向が特に強くなること、などが明らかとなった。2.嚥下関与筋の一つである内喉頭筋について、加齢による筋の形態学的変化を検討した。実験には生後4070週の老齢ラットを用いた。内喉頭筋のうち輪状甲状筋および後輪状披裂筋を摘出し、筋線維タイプ構成をATPase染色により、筋線維断面積を画像解析ソフトウェアにより計測した。また、塩酸加水処理法を用いて神経筋接合部の三次元的構造を走査電子顕微鏡により観察した。その結果、40週の輪状甲状筋および後輪状披裂筋では筋線維タイプ構成には明らかな変化は認めなかったが、筋線維断面積は輪状甲状筋では約10%、後輪状披裂筋では約40%減少しており、筋線維の萎縮がみられることが明らかとなった。また、神経筋接合部の観察では66週の老齢ラットにおいて、幼若ラットに見られるような未熟な神経下装置を有する筋線維が確認された。このことから加齢により筋線維のremodelingがおこっていることが推測された。本年度は咽頭食道透視検査により、嚥下機能の加齢変化をみた。対象は咽喉頭異常感症または嚥下困難感に対して咽頭食道透視検査を行った症例のうち、視診所見を含めて咽喉頭に器質的異常を認めない113例とした。症例は40歳未満の若年群16例、40歳以上65歳未満の壮年群48例、65歳以上の加齢群39例に分類した。なお造影剤には150%硫酸バリウムを用い、1回の嚥下量は10mlとした。透視所見はVTR録画し、以下の解析を行なった。(1)咽頭クリアランス能硫酸バリウムを嚥下後に3回の空嚥下を行わせ、バルサルバ下に咽頭二重造影法を行い、中下咽頭のバリウム残存の程度をA'(+++)、A(++)、B(+)、C(-)の4型に分類した。若年群ではA'型が13%、A型が31%、B型が37%、C型が19%であった。壮年群ではそれぞれ15%、31%、53%、21%であり、加齢群では28%、21%、48%、3%であった。A'およびA型を合わせたクリアランス能低下例の頻度は各群間で有意差を認めなかったが、加齢群では若年群および壮年群に比してC型の頻度が少なくA'型の頻度が明らかに高く、高齢者においてはクリアランス能の低下が明らかであった。(2)咽頭流入および誤嚥咽頭食道透視のVTR画像をコマ送りで再生し、咽頭流入および誤嚥の有無を症例ごとに判定した。若年群では咽頭流入が13%に、誤嚥が6%に見られた。壮年群ではそれぞれ15%、0%であり、加齢群では28%、15%であった。加齢群では咽頭流入および誤嚥ともに他の群に比して高頻度であった。高齢者の嚥下ではクリアランス能の低下、咽頭流入、誤嚥などが認められ、潜在的な嚥下障害を含めると加齢による嚥下機能の低下がおこることが確認された。その原因としては、潤滑剤としての唾液分泌能低下、食塊の駆動力である咽頭収縮力の低下、食道入口部開大時間の短縮やタイミングのずれなどが考えられる。
再生された地方鉄道の存在意義に関する実証的研究

本研究は、2年間の休止を経て再生された地方鉄道(えちぜん鉄道)の事後評価として、地方鉄道が地域においてもたらしている様々な価値を明らかにすることを目的としたものである。その結果、沿線住民は利用の有無に関わらず、鉄道の持つ多様な価値を高く認識していること、それゆえ鉄道運営への公的財源(税)投入に対しても十分受容していること、沿線自治体の様々な分野の施策に鉄道が関わっており、担当者も鉄道の存在を高く認識していること等を明らかにした。以上を総括して、地方鉄道は地域における生活関連社会資本として十分位置づけうることを示した。昨年度(H23年度)の研究成果を総括し、その一部については都市計画論文集(審査付)、都市計画学会中部支部研究発表会・論文集に掲載、またえちぜん鉄道再生後10年経過後の事後評価と今後の取り組みについては、「運輸と経済」(運輸調査局)に投稿、掲載された。今年度は当初設定した研究フレームと昨年度(H23年度)の研究成果を踏まえて、大きく以下の二つの具体的課題について調査・研究を行った。先ず一つは、えちぜん鉄道に対する沿線自治体の価値認識に関するものであり、えちぜん鉄道再生を支援している沿線5市町の関連行政分野の担当者を対象に2回のアンケート調査を実施し、その分析を通して直接担当する交通分野以外の福祉、環境、商工・観光等の周辺行政分野においても、当該分野の施策推進にえちぜん鉄道の存在が関係、寄与しているとの認識を有していること、つまりえちぜん鉄道が果たしている多様な公益施策代替性としての価値を確認し得た。二つは、昨年度の沿線住民によるえちぜん鉄道の存在価値等を含む多様な価値認識の把握を発展させ、えちぜん鉄道の結節点である駅周辺の居住者を対象にアンケート調査を実施し、その結果を詳細に分析することによって「駅周辺地区に住む・住んでいる」ことの価値認識の存在、及びその認識構造を明らかにした。この成果の意義は、集約型都市構造への誘導、公共交通指向型都市開発(TOD)の推進に向けての施策展開の可能性を住民の意識面から裏付けたことにあり、地域におけるえちぜん鉄道の価値の一面を実証し得たといえる。以上は、本研究課題の主要な成果をなすものであり、学会等にて発表することにしている。昨年度(H24年度)の研究成果の一つである「えちぜん鉄道の沿線自治体の価値認識」について、一部分析を補完して総括し、土木学会土木計画学研究発表会にて発表した。そして、研究発表会での議論を踏まえ一部加筆修正して、土木学会論文集D3(土木計画学)に投稿した(現在査読中)。もう一つの成果である「駅近傍地区に住むことの価値認識」に関する研究成果についても、一部分析を補完総括し、都市計画学会論文集(H26年度)に投稿した(H26年4月)今年度(H25年度)に実施した研究成果は以下の通りである。一つは福井市を対象に、過去14年間の建築確認申請データを詳細に分析することによって、えちぜん鉄道等地方鉄道が都市構造に与えた影響の実態把握と今後の誘導の可能性について考察した。その結果、これまでの状況を見る限り、一部駅周辺への都市開発集積傾向がみられるものの、集約型都市構造への誘導といった面での地方鉄道の存在意義は限定的であること、従って都市開発の誘導のための優遇施策や駅周辺に立地することの価値の啓発等を進める必要性があること等を示した。二つには利用促進施策として計画されている新駅設置に着目し、設置予定地区住民に対して設置後の利用意向や駅設置に対する期待感(鉄道及び駅の存在価値認識)等についての調査・分析を行った。現段階で鉄道の恩恵を受けていない住民においても、利用に対する期待だけでなく鉄道や駅の存在に対しても高い価値認識を有していることを実証し得た。上記成果についても、学会等に発表する予定である。研究対象とするえちぜん鉄道の再生後約8年間の経緯・取り組みとその実績に関する各種情報を収集するとともに、他の同様の再生地方鉄道(北勢線、貴志川線等)の視察、ヒヤリングを実施し、本課題の研究を進める上での基礎的情報を体系的に取りまとめた。併せて、関連既存研究の収集と整理を踏まえて、再生鉄道の事後評価の視点と分析フレームを整理し、そのために必要な既有関連アンケート調査や沿線各駅周辺の土地利用ストック及びフロー(福井市建築確認申請(1997-2010年度)データ等から成る総合データベースをほぼ作成し終えた。研究の出発点にかかる上記必要事項を確定した上で、研究初年度にあたる平成23年度では、当初の研究計画に従って、以下3つの具体的課題について研究を行った。(1)利用者アンケート調査(関連自治体と共同実施、開業直後の既存調査データも活用)結果に基づき、利用者の利用形態や意識面からえちぜん鉄道利用の定着化・利用増の要因を明らかにした。

再生後の利用者増の直接的原因を事業者や関連自治体の取り組みと関連付けて利用者の意識面から解明できた点は事後評価の出発点として意義ある成果といえる。(2)過去14年間の福井市建築確認申請データの分析に基づいて、再生鉄道が土地利用に及ぼした影響の予備検討として、鉄道駅へのアクセス条件と都市開発動向の関連性を把握した。(3)沿線住民へのアンケート調査を実施し、住民の意識面からえちぜん鉄道が地域にもたらした各種価値の内容と程度を体系的に把握するとともに、現行の公的財源支出(運営コストに対する助成分)に対する受容意識を明らかにした。これらの分析は、本課題(事後評価)の主要部分を成すものであり、(3)についてはその成果を取りまとめて学会に投稿した(査読中)。期間延長したH26年度は、主に研究成果公表と研究成果全体のとりまとめを行った。本研究は、地域で支える仕組みで再生された「えちぜん鉄道」を対象として、地方鉄道としての存在意義を種々の点から実証的に明らかにすることを目的とし、以下の成果を得た。1沿線住民は「えちぜん鉄道」に対して、直接的利用価値だけでなく、利用の有無に関わらず様々な間接的利用価値、非利用価値(存在価値等)を高く認識していること、このことを背景に運行等にかかるコストへの公的財源支出に対しても十分な受容意識を有していること、さらには「駅周辺に住む(住んでいる)」ことに対しても、駅そのものの多面的価値認識を背景に「愛着感」、「帰属感」を有する層が多く存在し、「住環境満足度」や「定住意向」も高いこと等を明らかにした。2地域の総合行政を担う沿線自治体は、直接関わる交通分野の施策面だけでなく、まちづくり、福祉、教育、観光等周辺分野においても「えちぜん鉄道」の存在を前提としていたり、関連付けている施策が存在すること、自治体担当者の意識においてもそれぞれの分野の施策推進において「えちぜん鉄道」の存在価値を認識していること、つまりクロスセクター・ベネフィットが存在していることを定性的ではあるが明らかにした。3外部的波及効果としての沿線(駅周辺)への住宅等都市活動立地については、福井市内における小地区単位の人口密度特性(程度及び推移傾向)、フローとしての都市開発動態(建築確認申請状況)を見る限り、現状においては一部の駅周辺を除いて顕著な集積傾向を示すまでには至っておらず、「えちぜん鉄道」の中長期的な利用促進・定着化と存在意義向上を図るには、都市開発の計画的誘導といったまちづくりとの連携が不可欠であることを示した。以上、地方鉄道の多面的存在意義の実証結果より、公的主体がさえる生活関連資本として位置づけうると結論付けた。都市計画、公共交通計画今年度(H24年度)予定していた沿線立地事業者が認識しているえちぜん鉄道の外部経済効果に関する価値認識の把握については次年度取り組むことにし、その代わりに当初の実施計画を発展させ、沿線住民によるえちぜん鉄道の駅周辺に住む・住んでいることの価値認識把握を行った。実施する研究課題に変更はあったが、研究目的の達成度としては順調に進展している。当初実施を予定した鉄道沿線立地事業者の外部効果に関する価値認識については、調査対象の絞り込み等の困難さ等により実施し得なかったが、それに代えて新たに研究課題(新駅設置の事前効果分析)を設定、実施することにした。こうした変更以外については計画通り順調に進展している。
赤外分光法による光合成水分解反応の分子メカニズムの解明

光誘起フーリエ変換赤外(FTIR)差スペクトル法を用いて、光合成水分解反応について解析を行い、各中間状態遷移におけるプロトン放出数、各遷移の効率、Mnクラスター近傍に存在するアミノ酸の構造と役割、水分解反応への阻害剤の効果、表在性蛋白質による制御機構、などについて明らかにした。また、時間分解赤外法を用いて水分解反応における電子・プロトン移動反応について調べ、酸素が放出されるS3→S0遷移においては、電子移動の前にプロトン放出が起こる実験的証拠を得た。1.光合成水分解反応におけるFTIR法によるプロトン放出検出:水分解反応の光駆動中間状態サイクルにおけるプロトン放出過程を調べるため、フーリエ変換赤外(FTIR)法を用いた新たなプロトン検出法を開発した。高濃度のMes緩衝液に水分解によるプロトンをトラップさせそのMesのプロトン化反応をFTIR差スペクトルで観測した。その結果、水分解過程におけるプロトン放出パターンは4つの中間状態遷移でほぼ1:0:1:2となることが示された。2.光化学系IIにおけるPsbPの酸素発生系との直接的相互作用:FTIR法を用いて表在性蛋白質の酸素発生反応への関与について調べた。表在性蛋白質PsbP,PsbQ,PsbOを除去、または再構成した光化学系II試料を用いて、酸素発生系のFTIR差スペクトルを測定した。その結果、PsbPの脱着によってのみ酸素発生系の蛋白質コンフォメーションが変化することが示された。このPsbPの直接的相互作用が、そのCa^<2+>・Cl^-保持能の発言に関与していると考えられる。3.光合成酸素発生系におけるCP43-354位グルタミン酸のFTIRによる構造解析:酸素発生MnクラスターへのCP43-E354配位構造を調べるため、シアノバクテリアSynechocystis sp.PCC 6803のCP43-E354Q部位特異変異体を用いて酸素発生系のFTIR差スペクトルを測定した。その結果、カルボキシル基の対称および逆対称伸縮振動領域に大きなスペクトル変化が観測された。これらのことから、CP43-E354はMn原子への配位子の一つであることが示された。4.酸素発生系における過渡的中間体の時間分解赤外測定:光合成酸素発生反応における酸素分子形成直前の反応中間体の構造を調べるため、時間分解赤外測定を行った。その結果、カルボキシル配位子の対称伸縮振動領域(1400cm^<-1>)、及び水素結合構造由来の極性プロトンの振動領域(2500cm^<-1>)について、各中間状態遷移における赤外吸収の時間変化を観測することができた。今後、S/Nを向上させ、過渡的中間状態の構造及び反応について、より詳細な解析を行う予定である。1.全反射吸収赤外法(ATR-FTIR)と偏光赤外法を組み合わせた偏光ATR-FTIR法を用い、光化学系II膜標品中の酸素発生マンガンクラスターのアミノ酸配位子の構造を調べた。その結果、反応に関与するAsp, Glu, C端由来のカルボキシル基の配向構造及びその変化に関する知見を得た。2.光合成水分解反応は基質アナログであるアンモニアによって阻害されることが知られているが、その分子機構は不明であった。そこで本研究では、アンモニア阻害の分子機構を、酸素発生阻害のpH依存性の測定と光誘起FTIR差スペクトル法を用いて調べた。その結果、pH7以下の酸性領域ではアンモニウムイオンNH^<4+>が阻害剤として働くこと、NH^<4+>がマンガンクラスター近傍のカルボキシル基と相互作用することによって阻害が起こること、などが明らかとなった。3.酸素発生マンガンクラスターの近傍にはアルギニン側鎖(CP43-357R)が存在し、水分解反応において鍵となる役割を果たすと考えられてきたが、その詳細は全く不明であった。そこで、アルギニン側鎖のグアニジウム基を^<13>C,^<15>Nなどで同位体置換した光化学系IIをシアノバクテリアを用いて調製し、そのFTIR解析を行った。その結果マンガンクラスターと直接相互作用するArgの存在を確かめ、それがS_1, S_2状態においてプロトン化構造を持っていることが明らかとなった。光合成による水分解・酸素発生反応のメカニズムを時間分解赤外分光法を用いて調べた。好熱性シアノバクテリアThermosynechococcus elontgatusより単離・精製した光化学系IIコア蛋白質複合体に、連続した閃光照射(2Hz)を与え、その際の赤外吸収変化をマイクロ秒からミリ秒オーダーで追跡した。1400cm^<-1>の赤外吸収変化によって蛋白質中のAsp,Glu由来のカルボキシル基(COO^-)の動きを、また、2500cm^<-1>の吸収変化によって、水素結合ネットワークにおける高いプロトン分極を持つ水素原子の動きを検出した。

その結果、酸素が放出されるS_3→S_0遷移において、マンガンクラスターからチロシンラジカル(Y_z^-)への電子移動に先立つ約200μsのいわゆる"lag time"(他の分光法では何も変化が観測されない時間領域)においてプロトン放出を示唆する大きなプロトンの動きが観測された。また、S_1→S_2遷移においては、共役したプロトン移動と電子移動が、S_2→S_3遷移においてはマンガンクラスターからY_Z^-への電子移動よりも速いプロトン移動が観測された。一方、S_0-S_1遷移では、カルボキシル基の約1msのゆっくりとした構造変化が観測され、S_1状態における蛋白質の緩和過程を示すと解釈された。本研究は水分解反応における蛋白質及びプロトンの動きを時間分解赤外法で示した初めての研究であり、この手法が水分解機構の解明に極めて有効であることを示した。1.閃光誘起フーリエ変換赤外(FTIR)差スペクトル法を用いて、人工電子受容体として添加したフェリシアン化物イオンの反応を追跡し、光化学系II蛋白質中の電子移動反応の量子効率を調べた。その閃光数依存性から、光合成水分解反応の各中間状態遷移(S0→S1,S1→S2,S2→S3,S3→S0)のミスファクター(次の中間状態に遷移しなかった水分解中心の割合)を見積もる新たな手法を開発した。この手法を用いてシアノバクテリア及びホウレンソウの水分解反応を解析した結果、ミスファクターはS0→S1; S1→S2 < S2→S3 < S3→S0の順に大きくなり、酸素が放出されるS3→S0遷移において最大となることが示された。2.高等植物の光化学系IIに結合する表在性蛋白質(PsbO,PsbP,PsbQ)が水分解反応を制御するメカニズムを明らかにするため、様々な部位特異的変異を施したPsbP蛋白質を光化学系IIに再構成し、その相互作用部位および水分解系の構造への効果をFTIR法を用いて調べた。その結果、PsbPのN末端及びH144近傍がコア蛋白質への結合に関与すること、PsbPが適切に結合することにより、水分解系の蛋白質二次構造が変化し、水分解系の構成要素であるCa2+およびCl-の結合を安定化することが明らかとなった。また、PsbQは単独では水分解能に寄与しないが、PsbPの結合を補助する役割を持ち、それによって水分解反応を制御していることが示された。これまでの赤外分光法を用いた研究によって、水分解反応の分子機構について、(1)新たな水の赤外バンドの検出、(2)プロトン検出、(3)カルボキシル配位子及びアルギニン側鎖の反応、(4)アンモニア阻害のメカニズムなど、さまざまな知見が得られている。さらに、本研究課題で最も大きな目標としていた、時間分解赤外分光による水分解反応の際の蛋白質およびプロトンのダイナミクスの検出に成功した。これらのことから、研究計画はおおむね順調に進んでいると考えている。24年度が最終年度であるため、記入しない。赤外分光法を用いて光合成水分解反応のメカニズムを明らかにするため、これまでの研究で開発した手法および明らかにした知見に基づき、(1)Ca^<2+>をSr^<2+>やBa^<2+>などの他の金属イオンに置換することによりCaに配位する基質水分子の反応を調べる、(2)アンモニウイオンやメタノールなどの阻害剤の各中間状態遷移への効果を調べる、(3)マンガンクラスターを安定化する表在性蛋白質の役割を調べる、(4)時間分解