hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
強相関電子系における物質相としてのトポロジカル超伝導

本課題ではトポロジカル超伝導体の候補物質が現在非常に限られていることを背景として,特に強相関電子系において新たな候補物質を提案すること,および候補物質を実験的に検証するためのセットアップを提案することなどを目的としている.今年度では,この目的のもと,次の研究に取り組んだ.(1)重い電子系超伝導体UCoGeにおけるトポロジカル超伝導,(2)トポロジカル超伝導体の新規バルクエッジ対応の研究,(3)物質中の多極子の量子力学的定式化.(1)は前年度から引き続き行なっている研究である.昨年度はUCoGeのトポロジカルな性質の一部を解析的に明らかにしたが,本年度は考えられる全てのトポロジカル数を数値的に評価することでUCoGeのトポロジカルな性質の全貌を明らかにした.また,その際に用いた数値計算手法は,トポロジカル絶縁体のトポロジカル数を計算するために既に提案されていたものをもとに新しく開発した.この手法を,UCoGeを含むより広いクラスのトポロジカル物質に適用可能な形で論文としてまとめた.(2)トポロジカル超伝導体を実験的に検証する際には,その検証が最も進んでいる系である半導体ナノワイヤ接合系を参考にするのが重要な方針である.そこで,そのような一次元系トポロジカル超伝導におけるバルクエッジ対応についてのより深い理解に貢献するための研究を行った.具体的には,電気分極の理論を参考にして,最近数値的に提案されていた新規バルクエッジ対応の解析的証明を行った.(3)最近注目を集めている新たなクラスのトポロジカル物質として高次トポロジカル物質がある.高次トポロジカル絶縁体は物質中の多極子と深い関係にあることが明らかにされてきており,そのより深い理解に貢献できればゆくゆくは高次トポロジカル超伝導の理解・発見につながると期待される.そこで物質中の多極子の量子力学的定式化についての研究も行った.重い電子型超伝導体UCoGeのトポロジカルな性質の解明に前年度に引き続き取り組み,より深い理解を得ることができた.また,その理解をより広いクラスに適用可能な形で一般化し,簡便な方法論を提供することにも成功した.これによって,トポロジカル相の研究の進展に大きく貢献することができたと考えている.また,新規バルクエッジ対応の証明を通してバルクエッジ対応というトポロジカル超伝導の基礎的性質に関わる部分についても本質的な結果を導くことができた.以上のような成果を得ることができたため,概ね順調に進展していると判断した.今後の研究の方向性としては,最近新たに発見された重い電子系超伝導体におけるトポロジカル超伝導の検討,接合系におけるトポロジカル超伝導の制御などのテーマに取り組みたいと考えている.手法についてはこれまで用いてきたもののほか,準古典理論などを採用する.また,本研究分野は理論・実験ともに進展が著しいため,最新の研究成果を適宜取り入れつつ柔軟に研究を進めたい.トポロジカル超伝導はトポロジカル量子計算のプラットフォームになりうるということもあり近年注目を集めている物質相である.本課題では,トポロジカル超伝導体の候補物質が現在非常に限られていることを背景として,特に強相関電子系においてトポロジカル超伝導体を発見すること・およびそれを確立することを目的としている.本年度は特に,重い電子系超伝導体UCoGeにおいてトポロジカル超伝導相が発現する可能性について調べた.UCoGeは「非共形対称性」という特殊な結晶対称性を持つ超伝導体であり,近年注目されている“非共形対称性に守られたトポロジカル結晶超伝導"(TNCS)という,よりエキゾチックなトポロジカル相に分類される可能性がある.通常のトポロジカル超伝導が表面にMajorana準粒子を持つことに対応して,TNCSでは表面にメビウスの輪のような構造を持った準粒子が現れる.これは非共形な結晶対称性,トポロジー,そして異方的なクーパー対(つまり,強い電子相関)が物質中で協奏することによりはじめて現れる物質相であり,大変興味深いものである.一方でTNCSが発現する物質が存在するのかという点はほとんど明らかにされておらず,候補物質の提案・検証が喫緊の課題となっている.本研究員は,TNCSが発現する条件がFermi面のトポロジーと直接結びついているということを明らかにし,第一原理計算により得られているUCoGeのFermi面を用いてUCoGeの高圧下の常磁性超伝導相がTNCSであることを明らかにした.また,得られた公式をCrAs関連物質に適用することで,これらもTNCSの良い候補であることを示した.これらの成果はTNCSの(正確にはZ_4TNCSの)はじめての物質提案であり,強相関電子系超伝導体におけるトポロジカルな性質の理解に貢献するものである.UCoGeというトポロジカル超伝導体の候補物質を新しく提案することができたため,研究はおおむね順調に進展していると判断した.特に,非共型な結晶対称性を持つ超伝導体がトポロジカル超伝導になるかどうかという点を明らかにする一般性の高い公式を得ることができ,それによってCrAs・CrPといった別の候補物質も得ることができた.

トポロジカル超伝導体の候補物質はごく限られているので,これら複数の物質を提案できたことは重要な成果であり,超伝導体のトポロジカルな性質の理解に向けて重大な貢献をすることができたと考えている.以上の成果は論文にまとめてPhysical Review Letters誌に投稿中であり,いくつかの国内学会・国際学会で発表済みである.本課題ではトポロジカル超伝導体の候補物質が現在非常に限られていることを背景として,特に強相関電子系において新たな候補物質を提案すること,および候補物質を実験的に検証するためのセットアップを提案することなどを目的としている.今年度では,この目的のもと,次の研究に取り組んだ.(1)重い電子系超伝導体UCoGeにおけるトポロジカル超伝導,(2)トポロジカル超伝導体の新規バルクエッジ対応の研究,(3)物質中の多極子の量子力学的定式化.(1)は前年度から引き続き行なっている研究である.昨年度はUCoGeのトポロジカルな性質の一部を解析的に明らかにしたが,本年度は考えられる全てのトポロジカル数を数値的に評価することでUCoGeのトポロジカルな性質の全貌を明らかにした.また,その際に用いた数値計算手法は,トポロジカル絶縁体のトポロジカル数を計算するために既に提案されていたものをもとに新しく開発した.この手法を,UCoGeを含むより広いクラスのトポロジカル物質に適用可能な形で論文としてまとめた.(2)トポロジカル超伝導体を実験的に検証する際には,その検証が最も進んでいる系である半導体ナノワイヤ接合系を参考にするのが重要な方針である.そこで,そのような一次元系トポロジカル超伝導におけるバルクエッジ対応についてのより深い理解に貢献するための研究を行った.具体的には,電気分極の理論を参考にして,最近数値的に提案されていた新規バルクエッジ対応の解析的証明を行った.(3)最近注目を集めている新たなクラスのトポロジカル物質として高次トポロジカル物質がある.高次トポロジカル絶縁体は物質中の多極子と深い関係にあることが明らかにされてきており,そのより深い理解に貢献できればゆくゆくは高次トポロジカル超伝導の理解・発見につながると期待される.そこで物質中の多極子の量子力学的定式化についての研究も行った.重い電子型超伝導体UCoGeのトポロジカルな性質の解明に前年度に引き続き取り組み,より深い理解を得ることができた.また,その理解をより広いクラスに適用可能な形で一般化し,簡便な方法論を提供することにも成功した.これによって,トポロジカル相の研究の進展に大きく貢献することができたと考えている.また,新規バルクエッジ対応の証明を通してバルクエッジ対応というトポロジカル超伝導の基礎的性質に関わる部分についても本質的な結果を導くことができた.以上のような成果を得ることができたため,概ね順調に進展していると判断した.本年度の結果で得られた知見をもとに,非共型な対称性に守られたトポロジカル超伝導相のさらなる探索を進める.主に物質提案に主眼を置き,d波超伝導体の超格子やUCoGeの強磁性相と共存する超伝導相などのトポロジカルな性質を検討する.また,バルクの超伝導体におけるIntrinsicなトポロジカル超伝導相のほか,物質制御によってExtrinsicにトポロジカル超伝導を実現する可能性についても検討する.具体的には,近年実験的に可能になった特殊なLaserを照射した超伝導体と金属の接合系などを調べ,非平衡状態において非従来型超伝導やトポロジカル超伝導が実現する可能性を調べる.さらに,近年新しく提案されたHigher-orderのトポロジカル相について,超伝導体での実現可能性を検討するとともに,その準備として絶縁体での実現についても議論する.
衝突の離散事象を伴う技巧的動作における非ホロノミック系に基づいた相互作用の創発

1つ目の研究成果として,内部に駆動源として二輪車両を有する球体移動ロボットを考案および制御則の構築と検証を行った.具体的には,まず,2次元平面内において,二輪車両の車輪・支持点と球体内部の接触点に関する転がり接触条件,および球体外部と地面の接触点における転がり接触条件を表現する拘束式を導出し,内部車両と球体の運動を拘束力による連成項を持つラグランジュ運動方程式としてモデル化した.次に,得られたモデルを,拘束された配位空間に属するように制御変数を選択肢,拘束力を消去することで低次元化モデルへの変換を行った.この低次元化モデルに関して平衡点近傍における線形化モデルを導出し,目標点への状態フィードバック則を導出した.得られた制御則について,シミュレーションと実験(口頭発表時)による検証を行い,内部の二輪車両の安定化を行いつつ外殻の球体をすばやく目標点へと移動させることが可能であることを実証した.従来の内部車両駆動形の球体ロボットでは,球体に対して車両の相対位置を変えることで,偏心した重心による重力効果により移動する,非常に緩慢な動きしか行うことができなかった.一方本研究では,内部車両が車輪で球体内部を直接的に駆動することに得られる推進力を積極的に利用しており,かつ内部車両の安定性も実現することで,迅速な移動を可能としたものである.2つ目の研究成果では,航空機においてパイロットのコマンドと可変翼のアクチュエータの可動飽和により引き起こされる振動現象のPIOについて,非線形最適制御を適用することによる抑制効果と安定性の向上を行った.従来は線形モデルを用いた制御則ではなく,直敵的に非線形モデルを扱うことで,広域に安定化を行うことが可能である.1つ目の研究成果としては,技巧的動作の一つである多指ハンドによる把持・操り系の制御において,転がり運動の非ホロノミック性を利用した把持物体の運動計画法を開発した.具体的には,接触座標(局所座標)の非ホロノミック系に関する閉軌道により生じる変動量(ホロノミー)を用いた運動計画において,(1)接触座標(指側,対象物側)の制限,多指ハンドの関節の制限などを制約条件として定式化し,(2)把持物体の配位座標への座標変換の導入を行なった.これらポイントにおいて,把持・操り系における仮想的な閉リンク機構の幾何学的拘束条件が基礎となっている.これにより,2指ハンドによる把持・操り系において,従来の手法では不可能な物体を360度回転するなどといった広範囲の操り運動を実現した.2つ目の研究成果としては,双腕型多指ハンドロボットによる人間の動作解析に基づいた折り紙における紙のめくり上げ動作の実現を行なった.人間の技巧的動作の一つである折り紙においては,接触・非接触(衝突)による運動拘束の遷移が多数発生する.この拘束の遷移を計測した人間の指先動作から確率モデルの一種である隠れマルコフモデルに基づき抽出することで,指先位置の軌道データに遷移情報を埋め込む手法を開発した.またその情報に基づき,ロボットと人間の異構造性を考慮した非線形計画法により目標軌道を算出した.さらに軌道に基づいた位置制御・力制御の切り替え制御則を導出し,実験においてめくり上げ動作を実現した.非ホロノミック性を利用した動作計画,衝突現象の切り替えなどといった基礎的な理論整備については十分な成果が得られた.しかしながら,これらの成果に基づき衝突現象を伴う技巧的動作に対する非ホロノミック系としての制御則の開発までには至っていないためである.1つ目の研究成果として,多指ハンドによる転がり拘束の非ホロノミック性を用いた把持物体の操り制御方法において,多指ハンドにおける配位座標の制限を考慮した運動計画法を導出した.多指ハンドは多関節マニピュレータの一種であり,関節構造によりその可動範囲は異なる.その構造を一般化した表現として接触座標の制限として取り込むことで,統一的な運動計画法を考案した.昨年からの改善として,運動計画法において数値計算により求める必要がある転がり運動のパラメータに関して,関節構造による計算精度の改善,および求解速度の向上を達成した.2つ目としては,関節構造の一部が非駆動である,いわゆる劣駆動機械系の一種であるアクロボットに関して,異なる平衡状態の間を統一的に遷移する制御手法を導出した.アクロボットは体操選手の鉄棒競技をモデル化したものであり,鉄棒を掴む手が非駆動関節,腰の動きが駆動関節に対応している.制御問題で扱われる2重倒立振子の一種であるが,非駆動関節が根元側にあるため,非常に制御が難しく,4つの異なる平衡状態を持ち,平衡点近傍において動的に異なる振る舞いと可制御性を有する.本研究では,それらモードの切り替えである遷移制御を実現するため,非線形最適制御により統一的なコントローラを導出することにより実現した.さらに,得られた結果を実験機に適用することにより,パラメータ誤差,外乱によるロバスト性の実証も行った.非ホロノミック性として,転がり拘束に加えて劣駆動系におけるモードの切り替えを統一的に制御する手法を開発するなどの成果を得ている.今後は平衡状態のモードのような連続的な切り替えではなく,主題である接触の確立・離脱(衝突)を含む系に対する制御手法を開発していく.1つ目の研究成果として,内部に駆動源として二輪車両を有する球体移動ロボットを考案および制御則の構築と検証を行った.具体的には,まず,2次元平面内において,二輪車両の車輪・支持点と球体内部の接触点に関する転がり接触条件,および球体外部と地面の接触点における転がり接触条件を表現する拘束式を導出し,内部車両と球体の運動を拘束力による連成項を持つラグランジュ運動方程式としてモデル化した.

次に,得られたモデルを,拘束された配位空間に属するように制御変数を選択肢,拘束力を消去することで低次元化モデルへの変換を行った.この低次元化モデルに関して平衡点近傍における線形化モデルを導出し,目標点への状態フィードバック則を導出した.得られた制御則について,シミュレーションと実験(口頭発表時)による検証を行い,内部の二輪車両の安定化を行いつつ外殻の球体をすばやく目標点へと移動させることが可能であることを実証した.従来の内部車両駆動形の球体ロボットでは,球体に対して車両の相対位置を変えることで,偏心した重心による重力効果により移動する,非常に緩慢な動きしか行うことができなかった.一方本研究では,内部車両が車輪で球体内部を直接的に駆動することに得られる推進力を積極的に利用しており,かつ内部車両の安定性も実現することで,迅速な移動を可能としたものである.2つ目の研究成果では,航空機においてパイロットのコマンドと可変翼のアクチュエータの可動飽和により引き起こされる振動現象のPIOについて,非線形最適制御を適用することによる抑制効果と安定性の向上を行った.従来は線形モデルを用いた制御則ではなく,直敵的に非線形モデルを扱うことで,広域に安定化を行うことが可能である.進捗状況にて述べたように,H28年度に得られた成果をもとにして,衝突現象を伴う技巧的動作に対する非ホロノミック系としての制御則の開発を推し進めていく.衝突現象を伴う技巧的動作の具体例として,卓球におけるラリーに加えて,デビルスティックといった複数の動作のモデル化を同時に進めていく.そのモデルの可制御構造の解析を行うことで,制御系設計のさらなる推進を図っていく.衝突現象を伴う技巧的動作に対する非ホロノミック系としての制御則の開発を推し進めていく.衝突現象を伴う技巧的動作の具体例として,卓球におけるボールの打ち上げ・打ち返し,多指ハンドに把持・操り系における持ち替え動作(接触点の確立・離脱)などを扱い,モデルの可制御構造の解析を行うことで,制御系設計のさらなる推進を図っていく.本研究課題は当初のH28年度4月においては一旦不採択となり,その後に追加採択となったため交付時期が10月末となった.そのため,4月不採択の際に研究遂行のために他の研究助成金を申請および取得していたため,交付を受けた10月においては既にH28年度について資金を使用する用途がなくなっていたため,より効率的に研究を推進するために次年度への繰越金とすることにした.H29年度は,当初の予定通り,高速計測が可能なモーションキャプチャーシステムを購入し,またその計算処理用のPCを購入した.当該年度として研究に必要な機材が問題なく購入できたため,残額については,より効率的な利用のため次年度へ繰り越すこととした.人間の技巧的動作の計測および実験における計測・フィードバックのため,高精度なモーションキャプチャシステムおよび処理用の計算機を購入予定である.
物流時空メッシュ分析を用いた渋滞可視化による工場レイアウト設計・改善手法の開発

平成30年度は、「物流時空メッシュ分析」の理論を含め、本理論を含む生産システム設計の生産シミュレータを用いた教育プログラムの設計・開発について実施し、さらに、実施して明確になった教育プログラムの課題について改善を行った。また、これまでの授業設計・開発を踏まえ、シミュレータの知識が十分でない生産システムの教育者を対象にし,既存のインストラクショナルデザインの授業設計プロセスをもとに,離散型シミュレータである生産システムシミュレーションを用いた授業設計・開発のために品質機能展開(QFD)の手法を応用した授業設計手法であるID-QFDを提案・開発した。QFDは元々企業が製品開発時などに使用する手法である。本手法は、生産システムシミュレーションをシミュレータが備える入力変数(Input),および評価指標(Output)に分解し,教育内容と関連付けを行う.次に,生産システムシミュレーションのモデルなどの論理部分について,教育内容と関連付けられた入力変数,評価指標と対応する概念モデルを設計する手法である。本手法を用いて大学教育で実際に利用し、アンケート・ヒアリング等で本教育効果の有効性を確認し本手法の有効性を確認した。また、これまでの本研究における成果として、論文(早川優人,筧宗徳,日比野浩典,渡邉一衛,中村昌弘,生産システムシミュレータによるデジタルものづくり教育のための授業設計手法ID-QFDの提案,日本設備管理学会, Vol.30 No.3, 82-94, 2018)としてまとめた。本研究課題は、提案した理論と実務への応用研究と、理論を含めたシミュレーション教育方法の開発研究である。教育方法の開発は、教育コンテンツ開発後、社会人・大学教育として実施し、本教育手法の有効性を検証し確立していくため、複数回これを繰り返す必要がある。実施・検証する機会が少なく計画より時間がかかり、教育方法の実施・検証や学会発表のため当初計画より遅れたため、1年間の補助事業期間の延長を申請を行った。最終年度の1年で残りの検証等をおこなっていく。今後の研究の推進方策として、前項の【現在までの進捗状況】でも述べたが、補助事業期間の延長を認可頂いた1年を利用し研究計画に従い、残りの研究課題である教育方法の開発における教育方法の確立を行っていく。本手法を用いて、他の教育プログラムを開発・実施し、評価を行うことにより、本手法の一般性を検証し、これまで実施して顕在化した問題を踏まえて修正・改善を行い確立していく。また、共同研究者と引き続き連携をとり、民間企業などの実務側からの評価・意見をいただきながらこれまでの研究成果をまとめていく。平成27年度は、「物流時空メッシュ分析の理論的検証」を研究計画として位置付けていた。本年度は、これまでに提案した工場建屋内のレイアウト、搬送通路を設計する際、搬送通路の等の搬送手段による渋滞発生確率を視覚的に分析評価する物流時空メッシュ分析について理論的な検証を行った。具体的には、製造場所である工程エリア、部品置き場、入荷・出荷場所などの工場内レイアウトによる条件や、工程間搬送における搬送量や無人搬送車(AGV)等の搬送手段、搬送方法による条件により搬送通路の渋滞発生確率がどのように変化するかを検証した。検証にあたり、共同研究を行う企業の工場を訪問し工場内搬送・レイアウトに関する課題を調査し、現場での課題を整理し検証のためのケーススタディをモデル化し作成した。また、本手法は、製造業におけるエンジニアリング・チェーン(製品企画、製品設計、生産設計、生産準備、製造までの業務プロセスの流れ)の中で生産設計時における業務利用を想定している。エンジニアリング・チェーンは各業務プロセスでクローズされておらず、上流プロセスからの各種情報等を活用しアウトプットを下流プロセスへ伝えていく。本年度は、エンジニアリング・チェーンにおける本手法を利用したレイアウト・搬送通路の設計の位置付けと業務・情報フローについて検討し明確化した。本成果は、日本設備管理学会学会誌に査読論文として掲載された。もう一つの成果として、日本のものづくりへの貢献を目的として本理論を含めた研究成果を大学・社会人教育として教育プログラムに取り入れた授業設計開発を行っている。現在、本理論の検証やケーススタディによる検討など研究を進めている段階であり、研究成果の一部を取り入れ初学者向けの内容とし開発を行っている。今後、より実践的な事例を取り入れつつ実務レベルで役立つ教育プログラムを目指してく。当初計画では、平成27年度では提案した手法についての理論研究を主に進め、平成28年度以降、本理論を用いた事例研究を進め、平成29年度以降研究成果を用いた教育プログラム開発を行う予定をしていた。現在の進捗状況は、理論研究を中心に進め、事例研究、教育プログラムの開発もあわせて同時並行的に進めながら、それぞれのフェーズから得られた成果をフィードバックを行い研究を進めている。特に本手法の理論研究は、事例研究から新たな課題などがわかり、2つのフェーズを相互に進めていくことにより、より実践的な理論体系となりつつある。以上の進捗状況により、本補助金申請時の研究計画と照らし合せておおむね順調に進展しているといえる。平成28年度は、平成27年度で行った「物流時空メッシュ分析」の基礎的な理論構築をベースにして(1)様々な事例に適用して本理論検証、(2)本理論を含む生産システム設計の生産シミュレータを用いた教育の2つのテーマを実施した。本理論は、工場建屋内のレイアウト、搬送通路を設計する際に、搬送通路を往来し通路を占有する(往来や移載による)人や自動搬送車などの搬送手段による渋滞について、従来の離散系シミュレーションによる検証では手間暇がかかったが、簡単に視覚的に渋滞発生確率をメッシュ化されたレイアウト上に表現し分析する手法である。

(1)のテーマでは、本理論は人、ものの動きを検証する手法であり製造業などのもの作りだけでなく、人ベースの医療サービスに対しても検証を行った。また、本理論だけでなく、ものづくりの場であるライン設計を中心とした生産システム業務の連携について検討を行った。具体的には、ライン設計を支援する生産システムシミュレータとの連携について手法・手順等の検討を行った。(2)のテーマについては、本理論をベースとした生産システムシミュレータを活用した教育プログラムを作成した。本教育プログラムはものづくり現場で従事する社会人向けであるが、大学教育で求められているアクティブラーニングを取り入れた大学教育向けにも開発実施し、社会人、理工系大学生を対象に授業の有効性を確認するため教育効果等を検証した。平成27年度に引き続き平成28年度は主にこの2テーマを進めてきた。【研究実績の概要】でも報告した通り、大きくは当初計画の通り進んでいる。しかし、本理論を適用した事例研究と検証が少ない。これは、本理論の適用範囲を当初ものづくりを中心に想定していたが、医療等のサービス産業でも利用が可能であり対象を広げて検討してきたためである。また、本理論と既存の生産システムシミュレータとの連携など研究テーマが追加されたため、当初の研究計画と少し変更された部分がある。研究計画を調整しながら理論の体系化、事例による検証等進めていきたいと考えている。平成29年度は、「物流時空メッシュ分析」の理論を含め、本理論を含む生産システム設計の生産シミュレータを用いた教育プログラムの設計・開発について実施した。工場建屋内などの物流において、自動搬送車や運搬台車などの搬送手段の往来により様々な要因で渋滞が発生するが、「物流時空メッシュ分析」では、この渋滞の発生確率を視覚的に表現する。工場建屋内のレイアウト設計の段階で、レイアウト、施設の配置を従来は物量と搬送距離より評価を行っていたが、本手法を用いることで同時に搬送における渋滞を考慮した搬送通路などの設計についても行うことが可能である。平成28年度は生産ラインや、工程や搬送を生産シミュレータを用いて設計、評価する教育内容を設計・開発し、実際に教育プログラムを実施して本プログラムの教育効果を確認した。平成29年度は、これまでの教育プログラムの応用編として位置づけ生産ラインを含む工場建屋内のレイアウト設計を中心とした教育内容を設計・開発した。本プログラムの特徴として従来の生産システムシミュレータを用いない教育では、生産と搬送の挙動を視覚的に理解することが困難であったが、本教育プログラムは、レイアウトをドラッグ&ドロップで配置させて直ちに生産性、搬送の状況が評価でき学習効果が高いのが特徴である。また、本教育プログラムでは、個人での操作を中心とした演習と、生産性等問題点を内在したケーススタディについて、グループディスカッションを行いながら問題解決を行う演習を用意した。本研究では、大学教育で実際に利用し、アンケート・ヒアリング等で本教育効果の有効性を確認した。
配合の最適化による高耐久性フライアッシュ系ジオポリマーの開発

ジオポリマーは,石灰石を主原料としない新しいバインダーであり,CO2排出量をポルトランドセメントの最大80%削減,全CO2排出量では最大で10%削減可能となるとの報告もある。また,ポルトランドセメントの弱点である酸や500°C以上の高温での抵抗性にも優れることから,社会インフラの長寿命化や構造物の長寿命化による解体時の産業廃棄物や新設時のエネルギー消費の抑制が期待できる。本研究では,コンクリート代替となりうる可能性が最も高いと考えられる配合であるフライアッシュの一部を高炉スラグ微粉末で置換したジオポリマーを対象とした。そして,フライアッシュに対する高炉スラグ微粉末の置換率を0%から30%まで変化させ,(1)表層劣化,(2)高温抵抗性,(3)コンクリート構造物の補修材料への適用,(4)反応メカニズムなどを検討した。(1)表層劣化に関しては,環境条件ならびに配合と白華やスケーリングの関係を実験で明らかにするとともに,表面含浸材の有効性についても検討した。また,強酸性温泉地の設置後およそ3年を経過した歩車道境界ブロックの劣化メカニズムについても考察した。(2)高温抵抗性に関しては,フライアッシュに対する高炉スラグ微粉末の置換率とアルカリ溶液濃度を変化させたモルタル供試体の加熱冷却後の圧縮強度の違いから,ジオポリマーの高温下での物性変化を調べた。加えて,加熱冷却後と高温時の強度の関係を調べた。(3)コンクリート構造物の補修材料への適用では,ジオポリマーを補修材料として使用したRC部材の曲げ変形挙動およびその破壊特性を実験的に明らかにした。また,微細ひび割れの補修材として,シリカフュームを混和する方法の有効性を検討した。(4)反応メカニズムでは,ジオポリマーの反応メカニズムを明確にすることを目的に、フライアッシュのガラス相の反応性および反応生成物について検討を加えた。平成29,30年度に実施した研究で得られた主な知見を以下に示す。1.ジオポリマーの表層劣化:(1)ジオポリマーの表層劣化は温度や湿度が低いほど進行する。(2)高炉スラグ微粉末置換率を高めることで表層劣化を抑制できる。(3)アルカリ溶液の濃度を調整することで表層劣化を抑制できる。(4) OPCコンクリート用のシラン系表面含浸材はGPの表層劣化の速度を逓減させる効果がある。(5)強酸性の温泉地に設置した歩車道境界ブロックの早期劣化は表層に限定される現象である。(6)高炉スラグ微粉末置換率が高いほど部分吸水による膨張量が大きい。2.ジオポリマーの高温抵抗性:(1)高温冷却後のジオポリマーの色調や形態はアルカリ水比(A/W)により異なる。1150°Cでは配合によっては膨張または溶融する。(2)A/W=0.095,高炉スラグ微粉末置換率10%,20%の配合は1150°Cでも形状変化が生じない。(3)カリウム系アルカリ溶液で高温抵抗性が向上する。(4)加熱冷後ごと高温時の強度を比較すると,後者の方が高い場合がある。3.コンクリート構造物の補修材料への適用:(1)ヤング係数が母体コクリートに近い高強度のジオポリマーを用いたRC梁の場合は,耐力の回復が良い傾向があった。(2)いずれの補修材料を使用した場合においても付着界面処理の違いによる影響が確認できた。(3)付着界面を良好とした試験体においても付着破壊が生じ,急激な耐力の低下の原因となったと考えられた。(4)シリカフュームの割合が増えると体積膨張が生じることがある。4.ジオポリマーの反応メカニズム:(1)NaOH水溶液中でフライアッシュ中の非晶質相の溶解反応が進行する。ジオポリマー反応が進行することで非晶質の反応生成物が生成,増加する。(2)ジオポリマーに膨張材を添加した場合はセメントに膨張材を添加した場合は同等以上の膨張量である。3年間の研究期間の最終年であることからこれまでの実験結果のとりまとめを行う。一方,本研究課題の中心となる「表層劣化」と「高温抵抗性」に関しては以下の検討をする。1.ジオポリマーの表層劣化:大分県別府明礬温泉の試験施工で使用したブロック断面の化学成分の分布をSEM-EDSで定量評価し,表層劣化メカニズムの解明をする。また蒸気養生前の前置き時間を12日間確保することで蒸気養生温度を80°C(従来は60°C)にすることができる。その結果,固化体の密度が向上して表層劣化抑制が期待できることから実験で確認する。2.ジオポリマーの高温抵抗性:一般のコンクリートでは,高温時と加熱冷却後の強度はほぼ同じであることが分かっている。一方,ジオポリマーに関する高温時と加熱冷却後の強度の関係についての知見はないことから実験で明らかにする。また,上記に関連し,前置き時間が高温抵抗性に与える影響についても検討する。また,ポルトランドセメントの弱点である酸や500°C以上の高温での抵抗性にも優れることから,下水道などの酸性環境,トンネルなどの耐火性が求められる構造物へ適用することで,安全性の向上とともに構造物の長寿命化による解体時の産業廃棄物や新設時のエネルギー消費の抑制が期待できる。

本研究では,コンクリート代替となりうる可能性が最も高いと考えられる配合であるフライアッシュの一部を高炉スラグ微粉末で置換したジオポリマーを対象とした。そして,フライアッシュに対する高炉スラグ微粉末の置換率を0%から30%まで変化させ,(1)表層劣化,(2)高温抵抗性,(3)コンクリート構造物の補修材料への適用,(4)反応メカニズムなどを検討した。(1)表層劣化に関しては,環境条件ならびに配合と白華やスケーリングの関係を実験で明らかにするとともに,表面含浸材の有効性についても検討した。(2)高温抵抗性に関しては,フライアッシュに対する高炉スラグ微粉末の置換率とアルカリ溶液濃度(A/W)を変化させて製造したモルタル供試体の加熱冷却後の圧縮強度の違いから,ジオポリマーの高温下での物性変化を調べた。(3)コンクリート構造物の補修材料への適用では,ジオポリマーを補修材料として使用したRC部材の曲げ変形挙動およびその破壊特性を実験的に明らかにした。(4)反応メカニズムでは,ジオポリマーの反応メカニズムを明確にすることを目的に、フライアッシュのガラス相の反応性および反応生成物について検討を加えた。平成29年度に実施した研究で得られた主な知見を以下に示す。1.ジオポリマーの表層劣化:(1)恒温室(20°C,60%RH)よりも冷蔵庫の中で白華やスケーリングが促進されたことから,ジオポリマーの表層劣化は温度や湿度が低いほど進行しやすい。(2)高炉スラグ微粉末置換率を高めることで表層劣化を抑制できる。(3)アルカリ溶液の濃度を調整することで表層劣化を抑制できる場合がある。(4) OPCコンクリート用のシラン系表面含浸材はGPの表層劣化の速度を逓減させる効果がある。2.ジオポリマーの高温抵抗性:(1)高温冷却後のジオポリマーの色調や形態はアルカリ水比(A/W)により異なり,8001000°C以下では色調に違いはあるものの形状は安定する。一方,1150°Cでは配合によっては膨張または溶融する。(2)A/W=0.095において,フライアッシュに対して高炉スラグ微粉末を10%と20%置換した配合は1150°Cでも形状変化が生じない。3.コンクリート構造物の補修材料への適用:(1)ヤング係数が母体コクリートに近い高強度(60N/mm2)のジオポリマーを用いた鉄筋コンクリート梁の場合は,耐力の回復が良い傾向があった。(2)いずれの補修材料を使用した場合においても付着界面処理の違いによる影響が確認できた。(3)付着界面を良好とした試験体においても付着破壊が生じ,急激な耐力の低下の原因となったと考えられた。破壊メカニズムについて,詳細な検討が必要である。4.ジオポリマーの反応メカニズム: NaOH水溶液中でフライアッシュ中の非晶質相の溶解反応が進行する。また,ジオポリマー反応が進行することで非晶質の反応生成物が生成し,増加する。ジオポリマーは,石灰石を主原料としない新しいバインダーであり,CO2排出量をポルトランドセメントの最大80%削減,全CO2排出量では最大で10%削減可能となるとの報告もある。
先体反応の誘起に与る糖鎖シグナルとその受容

我々は受精様式上の特徴と配偶子多量入手の容易さから、ヒトデを使って先体反応誘起の分子機構を解析してきた。ヒトデ卵ゼリー中の3成分、ARIS, Co-ARIS, asterosapが先体反応の誘起に関っている。ARISは10^7 Da以上あるプロテオグリカン様分子である。高pH海水や高Ca海水中ではARISのみで先体反応を誘起出来るが、正常海水中ではARISとCo-ARIS、またはARISとasterosapが必要であることから、ARISが中心的な役割をする。この2年間、ARISの糖鎖構造の全貌、その受容体の性格を明らかにしてきた。また、ARISとともに先体反応誘起にかかわるasterosapの受容・情報伝達系がかなり明らかになってきた。このような進展から、ARIS受容体およびそのシグナル伝達系、ARISシグナル系とasterosapシグナル系の統合機構の解明が可能になってきた。本申請では、次の5点に通じて、きわめて複雑なARIS分子の構造、ARIS受容体およびそのシグナル伝達系、ARISシグナル系とasterosapシグナル系の統合機構の解明を目指すものである。1)ARIS糖鎖の3-D構造の推定2)ARIS受容体の精製と構造決定3)ARISタンパク部分の構造決定4)ARIS糖鎖の生合成に必要な遺伝子群の網羅的解析5)ARIS糖鎖シグナルの受容・情報伝達系とasterosapシグナルの受容・情報伝達系とのクロストークの分子的な実態の解析1)についてはAFMの利用により蛋白質と糖鎖が数珠状につながっていることが観察された。5)については先体反応を誘起するためには、asterosapによる急激な細胞内Caの上昇とARISのわずかな上昇により、恒常的なCaの上昇が誘起されることが見いだされた。この条件が先体反応に必須である。キヒトデでは卵外被であるゼリー層中の3成分(ARIS:先体反応誘起物質、Co-ARIS、asterosap:精子活性化ペプチド)が先体反応の誘起に関っている。高pH海水や高Ca海水中では、ARISのみで先体反応を誘起出来るが、正常海水中ではARISとCo-ARIS、またはARISとasterosapが必要である。これら3者が共存すると、卵ゼリーの活性を完全に再現できる。ARISはL-フコースに富んだ硫酸化糖タンパク質であり、直鎖型糖鎖の末端にあるXyl-Gal-Fuc(SO3^-)-Fuc(SO3^-)-Fucの5糖の繰り返し構造(Fr.1)が活性の最小単位となり、種特異性はARISが担っていると考えられている。本課題では、活性最小単位をもつ糖鎖の全体構造と、ARIS受容体の同定を目標としている。後者については、精子の,61.4,54.2,49.3kDa膜蛋白質が候補としてあげられているが、いまだ、同定するには至っていない。現在、精子膜脂質ラフト精製から、この受容体の同定を薦める一方、ARISと共沈する蛋白質を探索することからもこの受容体の同定をはじめている。
オメガ3脂肪酸の子宮内膜症に対する治療的効果に関する研究

子宮内膜症は慢性炎症性疾患であり新規治療法が待たれる。本研究では、オメガ3脂肪酸(以下ω3FA)の子宮内膜症抑制効果をin vitroで検証した。子宮内膜症患者の培養腹腔マクロファージ(以下Mφ)をω3FA処理下にLPSで刺激したが、TNF-α産生は抑制されなかった。そこでω3FAがMφのインフラマソーム活性を抑制し、IL-1β産生を抑制することに着目した。ω3FA処理下では、ニゲリシン刺激(インフラマソーム活性化の試薬)に対する培養腹腔MφからのIL-1β産生は抑制された。ω3FAはMφのインフラマソーム活性を抑制することで子宮内膜症の炎症を抑制し、新規治療戦略に繋がる可能性が示唆された。先行研究では、オメガ3脂肪酸が子宮内膜症マウスモデルにおいて病変抑制効果を持ち、それは12/15-LOX系代謝産物に起因するIL-6産生抑制といった、抗炎症作用によってもたらされる可能性が示されていた。このためまずin vitroで、オメガ3脂肪酸の子宮内膜症抑制効果を検証することとした。子宮内膜症性卵巣嚢胞間質細胞(Endometriotic stromal cells: ESC)にオメガ3脂肪酸であるEPAとDHAを添加して炎症反応を検証したところ、オメガ3脂肪酸はESCのIL-8産生を上昇させた。またESCの炎症性サイトカインに対する反応性を、オメガ3脂肪酸処理下にTNF-αおよびLPSで刺激して検証したところ、いずれもIL-8産生は抑制されなかった。次に、腹腔内マクロファージに注目し、培養腹腔内マクロファージを、オメガ3脂肪酸処理下にLPSで刺激して検証したところ、マクロファージからのTNF-α産生は抑制されなかった。そこで次に、マクロファージのインフラマソームの活性化に注目した。近年、オメガ3脂肪酸は、インフラマソームの活性を抑制することで、マクロファージからのIL-1β産生を抑制することが報告されている。オメガ3脂肪酸処理下では、子宮内膜症患者の腹腔内マクロファージからのニゲリシン刺激(インフラマソーム活性化の試薬)に対するIL-1β産生が抑制された。今後は、この経路の検証を行うことで、より詳細な抗炎症作用機序が明らかになる可能性があると考える。またオメガ3脂肪酸とは異なるが、抗炎症作用をもつポリフェノールの一種であるレスベラトロール(RVT)についても並行して検討を行い、RVTによりESCのTNF-α存在下でのIL-8産生は抑制され、ESCのアポトーシス感受性も向上することが示された。子宮内膜症は、産婦人科領域の代表的な慢性炎症性疾患であり、新規の治療法の開発が課題である。先行研究では、オメガ3脂肪酸(ω3FA)が子宮内膜症マウスモデルで病変抑制効果を示し、ω3FAの12/15-LOX系代謝産物がIL-6産生を抑制する抗炎症作用による可能性が示されていた。本研究では、ω3FAの子宮内膜症抑制効果をin vitroで検証した。腹腔マクロファージ(Mφ)に着目し、子宮内膜症患者から採取した培養腹腔Mφをω3FA処理下にLPSで刺激したところ、TNF-α産生は抑制されなかった。次にMφのインフラマソームの活性化に着目した。近年、ω3FAがインフラマソームの活性化を抑制することで、MφのIL-1β産生を抑制することが報告されている。この効果はω3FAによるカスパーゼ1抑制によるものと考えられた。また、インフラマソームが活性化しているとされる妊娠高血圧症候群(PIH)の病態に着目し、脱落膜Mφでも検証した。ω3FAは脱落膜Mφにおいても、同様にインフラマソームの活性化を抑制、IL-1β産生を抑制した。さらにω3FA同様、抗炎症作用を示すレスベラトロール(RVT:ポリフェノールの一種)についても並行して検証した。RVTは、ヒト子宮内膜症間質細胞(ESC)のTNF-α存在下でのIL-8産生を抑制し、ESCのアポトーシス感受性を高めることが示された。アポトーシス感受性向上には、抗アポトーシス分子であるサバイビンの発現抑制が関与している可能性が示唆された。以上より、ω3FAはMφのインフラマソーム活性を抑制することで、子宮内膜症の炎症を抑制し、新規の治療戦略に繋がる可能性が示唆された。

In vivoでの現象の詳細な機序を解明するために、今年度はin vitroでの検証を先行させたため、in vivoモデルでの検証については遅れていると言える。しかしながら今年度の検証から、オメガ3脂肪酸は、ESCやマクロファージにおいて、通常の炎症経路(炎症性サイトカインやパソジェンによる炎症)を介する効果ではなく、マクロファージにおけるインフラマソームの活性化を抑え、IL-1β産生を抑制することによって抗炎症作用をもたらす可能性が示された。腹腔内マクロファージのインフラマソーム抑制に寄与する代謝産物経路の解明が、より特異的な子宮内膜症治療薬の開発につながると考えている。産婦人科学今後は、in vitroの検証から見出された経路(インフラマソーム)を中心に、メタボローム解析を用いることで、この経路に重要な役割を担うオメガ3脂肪酸代謝産物に注目していく。またin vivoにおいては、オメガ3脂肪酸の12/15-LOX系代謝産物の投与実験を行い、子宮内膜症に抑制効果を示す代謝産物の検証を行う。さらにオメガ3脂肪酸とは異なるものの、RVTをはじめとする抗炎症・抗腫瘍効果を有する生理活性物質における、子宮内膜症抑制効果および治療薬としての可能性について並行して検討を行うことも、意義のあることと考えている。
閉鎖性汽水湖における死水の形成・振動・流動の機構に関する比較研究

平成89年度における本研究の目的は、北海道の代表的な閉鎖性汽水湖である北海道の春採湖と網走湖を対象として、湖の下層にみられる無酸素塩水層(死水層)の形成・振動・流動の機構を野外観測に基づくデータ解析から明らかにすることである。死水層の振動・流動に関する観測期間は、春採湖は平成8年7月平成9年4月、網走湖は平成9年6月10月であった。両湖最深点の無酸素層中央で流速・水温、最深点を含む湖長軸上3点の塩分躍層で電導度・水温,同3点の淡水層中央と塩水層中央で水温の連続測定をそれぞれ行った。また、釧路市と網走開発建設部より、風・湖水位や海水溯上する河川の塩分・水温と流水河川の水位及び潮位について時系列データを入手し、これを含めた統合的なデータ解析を行った。他方、随時現場での試水収集と湖底泥の採取及び水温・塩分・DOの鉛直プロファイルを得た。結果として、次のことが明らかとなった。1)海水の進入条件の違い:網走と釧路での潮位変動は前者では日周潮、後者では日周潮と半日周潮が卓越する。これに対する海水進入は、春採湖では大潮のなかでも高位のときにのみ起こり、網走湖では毎日の日周潮の高位時に認められる。但し、両湖の下層には常に無酸素層が存在し、潮淡境界の深度も大きく変化しないことから、その進入量は湖盆容積に比べ大きくないことがわかる。2)死水層の振動・流動特性:網走湖・春採湖では年間を通し、晴天時には海陸風循環が卓越する。これに対する死水層の内部静振は、春採湖では余り顕著ではない。この理由として、湖盆の陸側半分は水深1m程度の浅水域で塩水層は存在せず、このため静振以前の吹き寄せが風波によるエネルギー散逸によって不十分であることが上げられる。網走湖では夏期に相対的に海風(北風)の連吹時間が長い。この風系に対応して、死水の挙動は,西北西北西方向で5cm/sの流速をもち、その他海陸風循環時には西北西方向で7cm/sで日変動した。より短周期には網走湖の内部静振が認められ、これは塩分躍層での塩分変動にも現れた。平成8年度は釧路市・春採湖を研究対象として,無酸素塩水(死水)の形成・振動・流動の機構を明らかにする目的で当初の計画通り観測を続けている.現在,結氷期の後期には入っており,湖流・塩分・水温・気象要素の定点観測を順調に行っている.平成8年7-10月の期間は,高位の大潮時に海水の進入が2回あり,これによる死水層の塩分・水温変動がとらえられた.まもなくこのデータ解析が終了し,海水進入による流動機構の実相が明らかになると考える.海陸風循環の中で相対的に強い海風によって発生した吹

送流の吹き寄せ効果とこれに伴う無酸素層の上昇,及び海風停止後の内部静振の様子は,この7-10月の観測でも認められ,春採湖の特徴的な湖盆形態(陸側半分で極端に浅い)による摩擦抵抗の違いが,この振動特性にどう反映しているのかを現在検討中である.研究分担者の橘は,採水・採泥によって,化学分析のほか硫酸還元バクリテアの量についてその季節変動を追い,代表者のデータ解析結果と比較検討することで,海水が進入後どの程度の時間スケールで無酸素化するのかを検討中である.現在春採湖で行っている結氷期観測は,融雪出水期間(34月)後に終了し,測器の回収とデータ転送・整理・解析を5月から実施予定である.なお平成9年度は,本研究課題の継続として網走湖を研究対象としており,同湖の観測は平成9年6月から開始予定である.平成9年度の本研究の目的は、北海道の代表的な閉鎖性汽水湖である網走湖を対象として、湖の下層にみられる無酸素塩水層(死水層)の形成・振動・流動の機構を野外観測に基づくデータ解析から明らかにすることである。死水層の振動・流動に関する観測期間は平成9年6月10月で、最深点の無酸素層中央に自記式電磁流速計、最深点を含む湖長軸上3点の塩分躍層に自記式電導度・水温計、同3点の淡水層中央と塩水層中央に自記式水温計をそれぞれ配置し,流速・電導度・水温の連続測定を行った。また、網走開発建設部より風・湖水位や海水遡上する下流網走川の塩分・水温と上流網走川流量及び網走港潮位について時系列データを入手し、これを含めた総合的なデータ解析を行った。他方、随時現場での試水収集と湖底泥の採取を行った。結果として、次のことが明らかとなった。1)海水の進入条件と無酸素層の形成:網走湖における海水進入は、海水塩分(33%)が湖の底層塩分(20%)の1.7倍であり、このため密度が常に高い海水は湖に底層密度流として進入する。この海水進入は、網走湖では毎日の日周潮の高位時に認められる。但し、網走湖の下層には常に無酸素層が存在し、塩淡境界の深度も大きく変化しないことから、その進入量は湖盆容積に比べ大きくないことがわかる。海水進入量の定量的評価は現在検討中である。2)死水層の振動・流動特性:網走湖周辺では夏期の晴天時は海陸風循環が卓越し、相対的に海風(北風)の連吹時間が長い。それ以外では、弱い南風かまたは強い北北東風が一日以上の連吹時間で卓越する。この風系に対応して、流速計でとらえた死水の挙動は、上記の強い北風時には西北西北西方向で5cm/sの流速をもち、海陸風循環時には西北西方向で7cm/sで日変動した。より短周期には網走湖の固有振動(内部静振)が認められ、これは塩分躍層での塩分の変動にも現れた。
嗅覚行動と睡眠による嗅球新生神経細胞の組み込みと排除機構の解明

嗅覚一次中枢の嗅球では神経細胞が新しく生まれている。我々はこれまで、マウス嗅球新生神経細胞の生死選別が摂食とその後の休眠行動に伴って促進することを見出してきた。本研究により、睡眠時の嗅皮質からのトップダウン性シナプス入力が嗅球新生神経細胞の選別を促進すること、新生神経細胞のシナプス構造が摂食・休眠行動中に著しく変化すること、更にマウスの恐怖応答時にも嗅皮質からのトップダウン性シナプス入力によって新生神経細胞の選別が促進することを明らかにした。細胞選別機構の理解が「覚醒・睡眠」から「末梢性・トップダウン性シナプス入力統合」へと、より普遍的な概念に基づくものに発展した。嗅覚一次中枢の嗅球では常にニューロンが新生し、神経回路の可塑性に寄与している。新生ニューロンは生存と死の選別を受けるが、我々はこの選別がマウスの食餌行動と休眠行動に対応して行われることを見出した。本研究では、この時間枠のなかで新生ニューロンの神経回路への組み込みと排除を担う神経分子機構を明らかにする。平成24年度に、・レンチウイルスを用いて嗅球新生ニューロン特異的に蛍光蛋白を発現させ、その形態を詳細に解析する手法を確立した。・摂食行動・休眠の様々なタイミングで嗅球新生ニューロンの樹状突起の構造を解析したところ、摂食前には新生ニューロンにおけるfilopodia形成が促進しており、その後摂食・休眠行動中にmopodiaからspineへの変化がおこることを見いだし、新生ニューロンのシナプス形態が著しく変化することが明らかとなった。・休眠中のマウスの嗅皮質へ神経活動を抑制する薬剤投与を行い、休眠中におこる嗅皮質から嗅球への中枢性シナプス入力が嗅球新生ニューロンの排除を促進するシグナルであることを見いだした。・摂食時のノルアドレナリンシグナルが休眠時の新生ニューロン排除に重要であることを示唆する結果を得た。以上により、動物の嗅覚行動・睡眠行動に対応しておこる「嗅覚行動時の匂い入力によるシナプス入力」「嗅覚行動によって活性化される神経調節因子であるノルアドレナリンシグナル」「休眠時の中枢性シナプス入力」の3つの要素が、新生ニューロンの選別に重要な要素であることが分かってきた。今後、新生ニューロンにおいてこれらのシグナルがどのように統合されてその選別を行うかを解明するための基盤を得ることができた。新生ニューロンの半数は既存の神経回路に組み込まれ、残りは細胞死により排除される。我々はこの新生ニューロンの選別が、マウスの食餌行動と休眠行動に伴って促進すること、この過程で新生ニューロンに対する末梢性匂い入力と嗅皮質由来の中枢性入力が中心的な役割を果たすことを見出している。本研究では、行動様式に伴って新生ニューロンの神経回路への組み込みと排除が行われる過程を明らかにし、その神経分子メカニズムを明らかにする。本年度までの研究により以下のことが明らかとなった。・摂食・休眠行動に伴ってレンチウイルス標識された嗅球新生ニューロン樹状突起のシナプス構造の著しい形態変化がおこることを確認した。摂食前に新生ニューロンにおけるfilopodia形成が促進し、摂食・休眠行動中にfilopodiaからspineへの変化がおこった。・鼻孔閉塞による匂い入力遮断を行った嗅球では、摂食前には嗅球新生ニューロン樹状突起上のシナプス構造の密度は低く、摂食・休眠中にその密度が増加した。匂い入力遮断嗅球の新生ニューロンはシナプス前駆体を盛んに形成するが成熟したシナプスに至らないと考えられた。・摂食時のノルアドレナリンシグナルがその後の休眠時の新生ニューロン排除に重要であるが、嗅球へのノルアドレナリンアンタゴニスト・アゴニストの投与実験から、嗅球以外の領域へのノルアドレナリンシグナルが新生ニューロンの選別に重要と考えられた。・摂食行動の他、マウスに対するラット提示あるいは電気ショック刺激による恐怖誘導を行ったところ、その後に嗅球新生ニューロンの選別が促進されることが判明した。本研究は、個体の行動様式に伴って新生ニューロンの神経回路への組み込みと排除が行われる過程を明らかにし、その神経分子メカニズムを明らかにすることを目的とした。本研究により以下のことが明らかになった。

・レンチウイルスを用いて蛍光標識された嗅球新生ニューロン樹状突起のシナプス構造を観察し、摂食前のfilopodia形成促進、摂食および休眠行動中のspine形成促進という顕著な変化を起こすことが判明した。・鼻孔閉塞によって匂い入力遮断を行った嗅球では、新生ニューロンはシナプス前駆体を盛んに形成するが成熟したシナプス形成に至らない様子が観察された。・摂食行動以外の行動様式における嗅球新生ニューロンの選別を調べた。マウスに電気ショック刺激による恐怖誘導を行うと、10分以内の短時間に新生ニューロンの選別が促進することを見出した。この選別も嗅皮質由来の中枢性入力によって促進されていた。・以上より、「覚醒・睡眠の2段階モデル」を「末梢性・中枢性入力の統合モデル」に一般化することができた。in vivoにおける末梢性、中枢性シナプス入力の統合的理解の重要性を認識し、光遺伝学を用いたin vivoでのシナプス入力刺激実験に取り組んだ。光刺激による末梢性シナプス入力を報酬や侵害刺激と連合学習させることによって、新生ニューロンのspine形成が著しく促進することを見出し、今後の更なる解析の基盤を確立することができた。26年度が最終年度であるため、記入しない。神経科学26年度が最終年度であるため、記入しない。当初の予定通り、行動に対応した新生ニューロンの構造変化を詳細に観察し、さらに中枢性シナプス入力とノルアドレナリンシグナルが重要な働きをすることを明らかにできた。嗅球スライス標本を用いたリアルタイムの観察系の確立を平成25年度に持ち越すことになったが概ね順調に進展している。覚醒・睡眠行動に伴って、短時間の間に嗅球新生ニューロンのシナプス形態に著しい変化が起こることを確認し、さらにこの変化が匂い入力の有無によって大きく左右されることが明らかとなり、シナプス形態の解析は計画に沿って進行している。また、嗅球新生ニューロンの細胞死による神経回路からの排除を指標として、行動様式に伴う嗅球新生ニューロンの構造変化をもたらす分子神経メカニズムを検討し、細胞の排除に嗅皮質からのtop-downシナプス入力が中心的な役割を担うことを明らかにし、現在論文を投稿し査読中となっている。さらに、アゴニスト・アンタゴニストの全身投与から覚醒嗅覚行動時のノルドレナリンシグナルが重要であることが判明した。更なる薬理学的検討によりノルアドレナリンの作用部位は嗅球以外であると考えられ、嗅皮質へのノルアドレナリン入力がtop-downシナプス入力を変化させることによって細胞死を誘導する可能性が出てきた。以上より、嗅球新生ニューロンの組み込みと排除の機構を理解するには、嗅皮質からのtop-downシナプス入力の理解、特にマウスの覚醒・睡眠行動下における理解が不可欠であることが分かってきた。当初の計画では、カルシウムイメージングを用いた嗅球スライス標本におけるライブイメージングによる解析を進める計画であったが、上記の観点から、現在は自由行動下マウスの実験を優先的に進めており、この点が当初の計画から遅れていると考えられる点である。自由行動下マウスに対するラット提示あるいは電気ショック刺激による恐怖誘導に伴って嗅球新生ニューロンの選別が促進されることが判明し、嗅球神経回路の再編が動物の行動、特に情動的行動と深くリンクしておこることが分かってきた。