hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
シリル配位子部分を含むキレート錯体を触媒とした不活性結合変換反応の開発

前年度の研究を発展させて,表題錯体の合成手法を開発するとともに,それら錯体を不活性な結合や分子を変換する触媒として活用する検討を行い,以下の(1)-(3)の成果が得られた。(1)シリル配位子部分とN-複素環式カルベン(NHC)を含むキレート配位子の前駆体として,窒素上に(ヒドロシリル)メチル基を持つNHC誘導体Aを,イミダゾリウム塩(前年度の研究で合成)と塩基との反応により合成・単離した。次に,誘導体Aと1価のイリジウム前駆錯体とを反応させたところ,配位子置換とSi-H酸化的付加が起こり,シリルーNHCキレート配位子を持つ錯体が得られた。今後,NHC誘導体Aを活用することで,様々な種類の中心金属を持つシリル(NHC)錯体の合成を検討する予定である。(2)シリルーNHCーピリジンピンサー配位子を持つルテニウム錯体が,低反応性の小分子である二酸化炭素のトリエチルシランとのヒドロシリル化反応(ギ酸トリエチルシリルが生成する)の触媒となることがわかった。この反応は,室温・常圧の温和な条件下で進行する特長を持ち,シリル配位子部分の高いσ供与性により金属上での二酸化炭素の活性化が円滑に起こっていることが示唆される。(3)ビス(シリル)キサンテンキレート配位子を持つイリジウム(クロリド)(ジヒドリド)錯体とメチルアルミニウム試薬の混合物を触媒として用いることで,トリシクロヘキシルホスフィンが過剰量のベンゼン-d6とのH/D交換により重水素化されることを見出した。本反応は60 °Cという比較的温和な条件下で進行し,各々のシクロヘキシル基にある主に3つの水素が位置選択的に重水素化される。この結果から,シリルキレート錯体触媒が,芳香環のsp2-C-H結合(前年度までの研究でその変換反応を開発)よりも切断困難なアルキル基のsp3-C-H結合を変換する反応に利用できることが実証された。1シリル配位子部分と窒素配位子部分(ピリジンおよびアミン)から構成される独自のSiNN型ピンサー配位子L1を持つ,配位不飽和なイリジウムおよびロジウム錯体を合成した。すなわち,配位子前駆体となるヒドロシランL1(H)と[MCl(coe)2]2 (M = Ir, Rh; coe =シクロオクテン)とのSi-H酸化的付加と配位子置換を経る反応により,16電子ヒドリド(シリル)錯体M(L1)(H)Cl (1-Ir (M = Ir)および1-Rh (M = Rh))が得られた。X線結晶構造解析の結果から,両錯体ともL1が三座配位した歪んだ三方両錐型構造を持つことを明らかにした。イリジウム錯体1-Irは室温でベンゼン-d6の炭素ー重水素(C-D)結合を活性化し,金属上のヒドリド配位子がH/D交換により重水素化されることがわかった。この知見を応用し,錯体1-Irを触媒として用いることで,ベンゼン-d6を重水素源としてトリアルキルシランのSi-Hを室温において高変換率(> 90%)で重水素化する反応を開発した。本反応は,従来の他の金属触媒を用いた例に比べて温和な条件下で進行する。2 L1の類縁配位子としてシリル配位子部分とビピリジン配位子部分を持つ新しいSiNN型ピンサー配位子L2を開発し,配位子前駆体L2(H)とRu(H)(PPh3)3Clとの反応により,ルテニウム錯体Ru(L2)(H)2(PPh3)Cl (2)へと誘導した。錯体2は,ベンゼン-d6 (重水素源)のC-D結合活性化を経て一置換アルケンのアルケニルC-Hを重水素化する反応(60 °Cで進行)の触媒となることがわかった。上記のように,本年度の研究により,SiNN型ピンサー配位子L1およびL2を持つ新規の錯体が不活性なアレーンC-D結合を切断/変換する触媒として機能することを明らかにし,同配位子の支持配位子としての有用性を示す結果が得られた。「9.研究実績の概要」に記述したように,本年度の研究により,2種類のシリルピンサー配位子L1およびL2を持つ錯体を合成し,得られた錯体を触媒として用いることで不活性な芳香環C-D結合の変換を経る反応の開発に成功した。今後,当該錯体が様々なアレーンやアルカンのC-H結合を変換する反応の触媒として適用できると期待される。また,配位子前駆体L1(H), L2(H)を用いることで,他の遷移元素を中心金属とする錯体を合成し,その触媒性能を調べる研究へと展開可能である。以上の観点から,当初の研究計画に則した成果が着実に得られつつあるだけでなく,その成果が次年度の研究において発展の見込める科学的知見を含んでいるといえる。したがって,現時点において本研究はおおむね順調に進展していると判断できる。シリル配位子部分を含む独自のピンサー配位子を持つ遷移金属錯体の合成,および同錯体を触媒としたC-H官能基化反応の開発に関して,以下の成果が得られた。

(1)シリル配位子部分と2,2'-ビピリジン骨格から構成されるSiNN型ピンサー配位子L (昨年度の研究で開発)を持つ,配位不飽和なイリジウム錯体1-Irおよびロジウム錯体1-Rhを合成した。錯体1-Irは,芳香族化合物のC-Hをホウ素化試薬(ジボロン)により直接ボリル化する反応を温和な条件下(40 °C),高変換率(90%以上)で進行させる触媒として働くことがわかった。一方,ロジウム錯体1-Rhは同じ条件下において当該反応に対する触媒活性を示さなかった。芳香環のC-Hボリル化は有機合成の分野において利用価値が高く多数の研究例があるものの,錯体1-Irの場合のように40 °Cで反応が円滑に進行し,生成物を高収率で与える例は限られている。このことから,SiNN型ピンサー配位子のシリル配位子部分の効果(σ-供与性大)により,1-IrにおいてC-H結合活性化に対する反応性が増大していることを示唆する結果が得られた。(2)シリル配位子部分とN-複素環式カルベン(NHC)を併せ持つ新しいビス(シリル)カルベン(SiCSi)型およびシリルーカルベンーピリジン(SiCN)型のピンサー配位子を開発した。まず,配位子前駆体となる(ヒドロシリル)メチル基を窒素上に持つイミダゾリウム塩を合成し,続く塩基存在下でのルテニウムカルボニル錯体との反応により,各々のピンサー配位子を持つ錯体が得られることを確認した。当該配位子はシリル配位子部分とNHCの電子供与能が共に大きく,本研究でこれまでに開発したSiNN型のピンサー配位子と比べて金属中心をさらに電子豊富にする効果を持つため,その金属上でのC-H結合活性化能が向上すると期待される。本年度の研究(「研究実績の概要」参照)により,シリル(ビピリジン)ピンサー錯体1-Irが高いC-H結合活性化能を持ち芳香環のC-Hボリル化の高活性な触媒となることを見出すとともに,シリル(カルベン)ピンサー配位子を新たに開発できたことで,シリルピンサー錯体の触媒作用に関する研究をより多方面から検討できる状況となった。このように,研究全体として錯体合成と触媒反応開発の両面で成果が着実に得られつつあるだけでなく,その成果を次年度の研究において発展できる状況にある。したがって,現在までに本研究はおおむね順調に進展していると判断できる。前年度の研究を発展させて,表題錯体の合成手法を開発するとともに,それら錯体を不活性な結合や分子を変換する触媒として活用する検討を行い,以下の(1)-(3)の成果が得られた。(1)シリル配位子部分とN-複素環式カルベン(NHC)を含むキレート配位子の前駆体として,窒素上に(ヒドロシリル)メチル基を持つNHC誘導体Aを,イミダゾリウム塩(前年度の研究で合成)と塩基との反応により合成・単離した。次に,誘導体Aと1価のイリジウム前駆錯体とを反応させたところ,配位子置換とSi-H酸化的付加が起こり,シリルーNHCキレート配位子を持つ錯体が得られた。今後,NHC誘導体Aを活用することで,様々な種類の中心金属を持つシリル(NHC)錯体の合成を検討する予定である。(2)シリルーNHCーピリジンピンサー配位子を持つルテニウム錯体が,低反応性の小分子である二酸化炭素のトリエチルシランとのヒドロシリル化反応(ギ酸トリエチルシリルが生成する)の触媒となることがわかった。この反応は,室温・常圧の温和な条件下で進行する特長を持ち,シリル配位子部分の高いσ供与性により金属上での二酸化炭素の活性化が円滑に起こっていることが示唆される。(3)ビス(シリル)キサンテンキレート配位子を持つイリジウム(クロリド)(ジヒドリド)錯体とメチルアルミニウム試薬の混合物を触媒として用いることで,トリシクロヘキシルホスフィンが過剰量のベンゼン-d6とのH/D交換により重水素化されることを見出した。本反応は60 °Cという比較的温和な条件下で進行し,各々のシクロヘキシル基にある主に3つの水素が位置選択的に重水素化される。
環境温度によるウズラの光周性ゴナドトロピン分泌修飾機構の内分泌学的研究

前年度の研究で、ウズラでは繁殖期の終了時にみられる黄体形成ホルモン(LH)の分泌低下がおこるためには、日の長さが短くなることに加えて外気温の低下が必要であることが明らかになった。さらに、短日+低温処理により血中LH濃度が非繁殖期のレベルにまで低下しているときには、甲状腺ホルモンの濃度に対照群と有意な差があることが明らかになった。1.そこで、これをさらに確かめるために、(1)長日19C、(2)長日→短日9C群、(3)長日→短日12時間19C12時間9C群をつくり、1日おきに採血し、血中LH、チロキシン(T4)、トリヨ-ドチロニン(T3)濃度を測定した。その結果は次のようであった。短日にするとT4が一過的に下がった後、ふたたび上昇するが、T3はほとんど変化しなかった。これに対して、短日に低温を加えると、T4は短日のみの場合と同じように変動するが、T3濃度は初めの濃度の4、5倍にも上昇した。2.気温の低下によりT3濃度が上昇し、これがLHを下げるという作業仮設を立証するために長日→短日処理とT4、T3投与を組み合せた実験をおこなった。投与法は両ホルモンをそれぞれサイラスティック糊と混ぜてシ-ト状に延ばして決まった大きさに切り、これを皮下に植えるとホルモン濃度が維持されることを確認した。3.ホルモンと糊を1:4に混ぜた厚さ1mm、5mm四方のシ-トを1枚、短日ウズラに植えたが、短日のみの対照群との差は顕著ではなかった。現在、植えたシ-トから放出されるホルモンの濃度を増やすために、シ-トの枚数を2枚に増やして再び同様な実験を行っている。ウズラはミヤマシトドに見られるような絶対的光不応(長日においておくとやがてLH分泌は低下する)を示さず、相対的光不応(長日からそれより短い光周期に移すとLH分泌が低下する)によって繁殖期が終了するとされてきたが、我々の実験室では長日から完全な短日に移してもLH分泌抑制が多くの場合起こらなかった。そこで、光条件に加えて外気温に注目して実験を行った結果(1)ウズラでは長日から短日にしただけではLH分泌は抑制されず、短日と低温が組合わさってはじめてLH分泌の抑制が起こる。ただし、集団のおよそ30%は短日にしただけでもLH分泌が抑制される。(2)低温は一定である必要はなく、一日のうち8時間だけ低温でも効果がある。また8L16Dのような完全な短日でなく12L12Dでも低温と組み合わせるとLH分泌抑制効果がある。そこで短日・低温がどのような情報に変換されてLH分泌を抑制するかを調べるために、血中のいろいろな成分の変動、ホルモンの変化を調べた。その結果、(1)短日あるいは短日・低温にしても血中のNa,K,Ca,Mg,Clなどのイオン、浸透圧は、長日のコントロ-ルと同じで、特に変化はなかった。ただし、血中遊離脂肪酸は増加していた。(2)ところが、短日にするとT4が増加し、短日・低温ではT4の増加は見られなくなるかわりにT3が増加した。これの結果は低温がT4→T3変換を誘導していることを示唆している。イギリスのFollettは短日にするだけでLH分泌は低下するとしており、温度の影響については言及していない。しかしながら実験の前に短日に反応する個体のみを選択して以後の実験を行っているようで、このような短日のみに反応するウズラは、我々の使っている集団にも常に30%ほど存在する。この違いがどのような遺伝子背景によるかを明らかにすることは、種分化の点からも興味深いと考えられる。
動的環境下での実時間自律分散協調システムの研究

不完全にしか情報を共有し得ない多数の自律的なエージェントが,動的に変化する環境のもとで,実時間で協調的に振る舞って所定の目的を達成するシステムの研究を行なった.本研究は,この問題の論理的・ソフトウェア的側面に着目し,国際的協調研究が行なわれているロボカップサッカーとロボカップレスキューのシミュレーション部門をテストベッドとして,机上検討に留まらない実証的なシステム作成を進めた.本研究の成果の最も特筆すべき点は,実時間自律分散協調問題を,可能なかぎり人間に近い方法で解いたことである.すなわち,ロボカップという文脈で,個々のエージェントには人間と同等の認知限界や能力限界があるという制約を課した.チームプレイのために人間と同等の「かけ声」しか使わないことがその最たる特徴である.それにもかかわらず,本研究期間内に開催された公式国内競技会では30チーム程度の中で常に最上位の成績を修めることができた.また,マルチエージェントシステムとしてのロボカップでは,並行プログラミングそのものの難しさが課題となる.このため,我々は実時間分散協調システムのテスト・デバッグを可視化する支援環境の開発も行なった.これによって一般の並行プログラミング支援環境にも有用な知見が得られた.不完全にしか情報を共有し得ない多数の自律的なエージェントが,動的に変化する環境のもとで,実時間で協調的に振る舞って所定の目的を達成するシステムの研究を行なった.本研究は,この問題の論理的・ソフトウェア的側面に着目し,国際的協調研究が行なわれているロボカップサッカーとロボカップレスキューのシミュレーション部門をテストベッドとして,机上検討に留まらない実証的なシステム作成を進めた.本研究の成果の最も特筆すべき点は,実時間自律分散協調問題を,可能なかぎり人間に近い方法で解いたことである.すなわち,ロボカップという文脈で,個々のエージェントには人間と同等の認知限界や能力限界があるという制約を課した.チームプレイのために人間と同等の「かけ声」しか使わないことがその最たる特徴である.それにもかかわらず,本研究期間内に開催された公式国内競技会では30チーム程度の中で常に最上位の成績を修めることができた.また,マルチエージェントシステムとしてのロボカップでは,並行プログラミングそのものの難しさが課題となる.このため,我々は実時間分散協調システムのテスト・デバッグを可視化する支援環境の開発も行なった.これによって一般の並行プログラミング支援環境にも有用な知見が得られた.題材として,RoboCupのシミュレーションリーグ(仮想競技場における22人のエージェントによるサッカー)と,RoboCup-Rescueシミュレーションを対象とした.RoboCupは,チームYowAI2000とTakAIを作成し,2000年6月末のRoboCup Japan Open 2000(函館)と2000年8月末のRoboCup 2000(メルボルン)に参加した.Japan Openには,主に国内の大学等から21チームが参加したが,YowAI 2000は優勝,TakAIは準決勝敗退(34位)という成績を収めた.また世界大会であるRoboCup 2000には世界各国から43チームが参加したが,YowAI 2000は5位に入賞した.日本から参加したチームの中ではトップの成績である.YowAI 2000はRoboCupというプラットフォームにおいて自律分散協調を支えるための個々のエージェントのスキルの重要性を確認するためのチームである.個々のエージェントが優れた能力をもたなければ,いくら協調しても烏合の衆にすぎない.YowAIは意識的に協調動作を排除し,個々のエージェントのスキルだけを上げるという方針で開発し,そのことを大会の成績によって実証した.しかし,世界大会では1999年から協調のレベルのあきらかな高度化が見られており,YowAI 2000のような技術標準を確認するだけのような作り方では入賞するのがギリギリである.本研究では,個人スキルの向上を行なった次の段階として,協調動作の研究に取り組んだ.年度末には,世界大会で無失点優勝を遂げたFC-Portugalから得点を奪えるまでに協調動作の仕組みを整えることに成功した.RoboCup-Rescueはサンプルエージェントとして国内でも最も信頼性の高いものを作成することができ,プラットフォーム自身の評価を行なうことができた.昨年度に引続き,RoboCupのシミュレーションリーグと,RoboCupRescueシミュレーションを研究テストベッドとして実時間自律分散協調問題の研究を進めた.YowAI2000はRoboCupというプラットフォームにおいて自律分散協調を支えるための個々のエージェントのスキルの重要性を確認するために動的協調を一切行なわないチームであった.YowAI2001はかけ声程度(数バイト)の簡単な情報交信だけで,動的協調を行なう.これはエージェントに人間と同じ制約条件を課して,人間競技者と同じような自律分散協調をどのようにすれば達成できるかを研究するためである世界大会での成績が昨年度に比べて相対的に下がったのは,世界の強豪チームがすべて100ミリ秒当たり500バイトの情報交換をすることにより,チームの情報共有を高め,不完全情報というRoboCupの重要な特性を無効にしてしまったからである2002年度はこれを是正するため,エージェント間の交信は10バイト/100ミリ秒に制限される.これにより,我々の研究方針が正しかったことが実証されるであろう.RoboCupRescueのチームYabAIはRoboCup2001において行なわれた初の世界大会(7チーム参加)で優勝を飾った.これはRoboCup世界大会での日本チームの初めての優勝である.昨年度に引続き,RoboCupのシミュレーションリーグと,RoboCupRescueシミュレーションを研究テストベッドとして実時間自律分散協調間題の研究を進めた.

サッカーはチームYowAI 2001を改良したYowAI 2002を作成し,2002年6月末のRoboCup 2002福岡・釜山のシミュレーションリーグに参加した.このリーグには世界18国から83チームが参加した.一次予選は通過したが,二次予選は強豪が揃っており,3位で敗退した.これまでにない成績の不振の原因は,プログラムのリファクタリングに多大の時間を要してしまい,新しい技術を導入する余裕がなかったからである.世界ランキングでは当時で10位程度だった思われる.しかし,その後のリファクタリングは順調に進み,それと同時にボール支配率を高める基礎技術も高めたので,前年度からあったごく少数のかけ声に2種類のものを加えただけで,2年連続無敗の世界チャンピオン(Tsinghuaeolus)と互角に近い試合ができるまでになった.6月時点で,世界のどのチームも圧倒的に負けていたことを思うと急速な進歩を遂げたと言えよう.RoboCupRescueのチームYabAIの改良版は,上記の大会のシミュレーションリーグで準優勝を飾った.なお,ここではチームの増強よりも,RoboCupRescueをエージェント協調のためのより良いプラットフォームとする研究に重点をおき,各種の新提案を行なった.これをベースに大規模大震災軽減化特別プロジェクトの研究策定を行なうことができた。
マイクロRNAの関節リウマチの病態への関与と新規診断法の開発

関節リウマチ(RA)は、炎症性細胞の関節への浸潤と関節滑膜細胞の炎症性増殖・炎症性サイトカインやケモカインの産生およびそれに伴う関節破壊を特徴とする慢性疾患であるが病因は不明である。早期RAを診断できるマーカーは存在せず、現在の治療法では無効例・効果減弱例が認められる。本研究では、RAの病態における新たなRNA干渉因子マイクロRNA(miRNA)の関与を明らかにし、miRNAによるRAの新たな診断法やRA治療法の可能性を明らかにする。研究計画のひとつはRA関節滑膜細胞(RA-FLS)特異的miRNAを特定しすることであった。われわれはRA-FLSで高発現の5つのmiRNAと低発現のmiR-124aを同定した。Pre-miR-124a(miR-124a前駆体)をRA-FLSに導入した結果、RA-FLSの細胞増殖を抑制し、細胞周期をG1期で停止することがわかった。なお、アポトーシスは誘導しなかった。コンピュータシュミレーションでCDK2とMCP1のmRNAにmiR-124aの結合部位を見出し、miR-124aをRA-FLSに導入した結果、CDk2蛋白、MCP1蛋白の発現量が減少した。さらにルシフェラーゼレポータアッセイでこれらの蛋白の3'UTRにmiR-124aが結合し、特異的に蛋白の発現を抑制することを見出した。これらより、miR-124aの低発現がRAの病態に関与していることが明らかとなった。もうひとつの研究計画はRA末梢血液単核球(RA-PBMC) mRNAを特定することであった。RA-PBMC特異的miRNAを同定しつつあるが、確定にはいたっていない。研究費用は全て試薬・消耗品費にあてた。関節リウマチ(RA)は、炎症性細胞の関節への浸潤と関節滑膜細胞の炎症性増殖およびそれに伴う関節破壊を特徴とする。RAの発症には遺伝的素因に環境因子が開与していると考えられるが未だ病因は不明である。また早期RAを診断できる適切な血清マーカーは存在しないし、最新の生物学的製剤による治療法においても無効例あるいは効果減弱例が認められるなど、問題が多い。マイクロRNA(miRNA)は近年発見されたメッセンジャーRNAから蛋白への翻訳を抑制・制御する重要な分子である。しかしRAに関するmiRNAの関与を実証した研究はまだ見られない。本研究では、RAの病態における新たなRNA干渉因子(miRNA)の関与を明らかにし、miRNAによるRAの新たな診断法およびRNA干渉を用いたRA治療法の開発を目的とする。本年度の研究実施計画は(1)RA由来関節滑膜細胞とOA関節由来滑膜細胞のmiRNA発現プロファイル分析(2)RA特異的miRNAの機能解析(3)炎症性サイトカインの誘導によるmiRNA発現プロファイルの変化であった。(1)については、現在までにOA関節滑膜細胞(7例)とRA関節滑膜細胞(11例)を収集してそれぞれmiRNAを抽出し、157種類のmicroRNAの発現量をTaq-man法で定量し、有意にRA滑膜で発現低下しているmicroRNA1種類と発現増強しているmicroRNA4種類を同定した。(2)については上記のRA関節滑膜細胞に特異的なmicroRNAが滑膜細胞の増殖・アポトーシス・サイトカイン分泌に関与しているかどうかをスクリーニングし、増殖抑制・アポトーシス誘導の作用があることを見出し、RA滑膜由来細胞株E11ても同じ現象を確認しつつある。(3)については準備を行っている。すべての経費は上記の研究に必要な試薬費にあてた。

関節リウマチ(RA)は、炎症性細胞の関節への浸潤と関節滑膜細胞の炎症性増殖・炎症性サイトカインやケモカインの産生およびそれに伴う関節破壊を特徴とする。RAの病因は不明であり、早期RAを診断できる適切なマーカーは存在せず、また治療法においても無効例あるいは効果減弱例が認められる。本研究では、関節リウマチ(RA)の病態における新たなRNA干渉因子マイクロRNA(miRNA)の関与を明らかにし、miRNAによるRAの新たな診断法の開発およびRNA干渉を用いたRA治療法の可能性を明らかにする。前年度の研究で、RA関節滑膜細胞(RA-FLS)に特異的miRNA(低発現1種類、高発現5種類)を同定した。このうち低発現のmiRNAの前駆体(Pre miRNA)をRA-FLSおよびRA滑膜由来細胞株E11やHela細胞にトランスフェクションした結果このmiRNAが細胞増殖抑制に関与していることを明らかにした。さらに増殖抑制はこのmiRNAが直接的にCDK2蛋白発現量を抑制することをウェスタンブロット、ルシフェラーゼアッセイを用いて明らかにした。同様にこのmiRNAはRA病態形成の一因であるRA-FLSからのMCP-1の産生を直接的に作用して抑制することを明らかにした。さらに変形関節症関節滑膜細胞を炎症性サイトカインやLPSで刺激した結果、このmiRNAの低下は認められなかった。これらより、このRA-FLS特異的miRNAは多面的にRAの病態に関与しかつRA-FLSでの低発現は炎症性サイトカインなどによる2次的な現象でなくRA-FLA固有の現象であることが明らかとなった。
炎症性腸疾患の腸粘膜におけるT細胞レパトアとサイトカインの解析

1.炎症性腸疾患の腸粘膜におけるT細胞レパトア:内視鏡下生検標本あるいは外科的切除標本から直接AGPC法でRNAを抽出し、RT-PCR法とサザンブロット解析にてT細胞受容体Vβ領域の解析を行った。その結果クローン病(以下CD)8例では、大腸・小腸、病変部・非病変部を問わず全例でVβ2、12、13が高率に発現していた。SSCP法によりこれらはoligoclonalであることがわかった。一方、潰瘍性大腸炎(以下UC)3例の病変部・非病変部、大腸癌・大腸ポリープ8例の健常部ではこのようなT細胞レパトリアの偏りは認められなかった。CD患者の末梢血リンパ球にも偏りはなかった。このことより、CD腸粘膜では何らかの抗原刺激によるT細胞の活性化が起こっていることが強く考えられる。また、病変部・非病変部を問わないということは、まず第一にT細胞レパトアに偏りが生じ、そのあと肉眼的な病変に至るにはさらに次のステップが必要なことを示唆する。2.炎症性腸疾患腸粘膜のサイトカイン:1.と同様にしてCD8例、UC6例、大腸癌・大腸ポリープ7例からRNAを抽出し、RT-PCRの後アガロースゲル電気泳動でのEt-Br染色の濃度からサイトカインのメッセージ強度を調べた。なお、各サンプルはβ-actinの発現が一定になるように調整した。その結果、炎症性腸疾患の病変部ではIL-1β、IL-6、IL-8等マクロファージが産生するサイトカインのmRNAの増加が認められたが、CDとUCとの間に差は見られなかった。M-CSFはCDで病変部、非病変部とも強い傾向が見られ、肉芽腫の形成に関与しているものと思われる。今後はメッセージの局在性の違いも検討する必要があると考えている。3.サイトカインのin situ hybridization:CD切除標本においてのみ、漿膜側の血管内皮細胞にIL-6mRNAの強い発現がみられた。これはCDの病変形成に腸管の血管炎が関与している可能性を示唆するものと理解できる。
医学物理教育のための放射線治療計画シミュレーションソフトウェア教材の開発

研究目的悪性腫瘍に対する外部照射治療手法の多様化に伴い、臨床現場では多種多様な放射線治療現場に対応可能な人材が強く求められている。そのため教育現場では様々な外部照射治療計画システムを用いた実習を行うことが望ましいが、それは事実上不可能である。そこで本研究では、安価で扱いやすく基本理解に特化した、教育用放射線がん治療計画シミュレーションソフトウェア教材を開発した。研究方法・成果本ソフトウェア教材は汎用画像解析ソフトウェア「ImageJ」のJAVA言語プラグインとして開発した。開発したプラグインは「数値ファントム作成プラグイン」、「線量計算プラグイン」、「線量分布図(等高線)描画プラグイン」の3つである。「数値ファントム作成プラグイン」は、三次元数値ファントム(ボーラス含む)を楕円体、直方体、円柱を組み合わせた任意の形状で作成でき、電子密度も任意に指定できる。「線量計算プラグイン」は、放射線種、エネルギー、照射野サイズに応じた体内線量を計算できる。計算速度の向上を目的として線量計算に古典的アルゴリズムや近似解を用いたため多重散乱等を考慮できないが、実習後にこの効果を検討する考察課題を設けることで補うことが可能と考える。「線量分布図描画プラグイン」は、数値ファントム上に体内線量分布を等高線として描画する。等高線の間隔(線量値)や色は任意に指定可能である。さらに既存のプラグイン「Volume Viewer」を利用することで、数値ファントムや線量分布図の三次元描画が実現された。以上のプラグインを用いた実習を行うことで、線量分布の線種依存性やエネルギー依存性、照射野サイズの影響に対する理解を促す効果が期待できる。本研究成果は第102回日本医学物理学会学術大会で報告するとともに、開発ソフトウェアを本研究者のウェブサイトで公開し、全国の医学物理教育現場で広く利用可能な状態にする予定である。
新聞発人工口腔装置を用いち二次う蝕の発生メカニズムの解明と予防法の確立

新型PC-software(EPC-2000)導入人工口腔装置(AMS:新名称Oral Biofilm Reactor:OBR)の開発を行い、人工biofilmを形成する事に成功した。う蝕原因菌や栄養源を、速度を制御しながら滴下する事により、口腔内に類似した環境を作る事が可能となった。初期う蝕・二次う蝕の発生メカニズムの解明:牛歯・ヒト抜去歯切片をOBRにて人工biofilmを形成し、肉眼所見にてWhite Spot Enamel Lesionを確認した。その後定量的光誘導蛍光装置(QLF)及び走査型電子顕微鏡(SEM)により、表層下脱灰が認められた。さらに分散形X線分析装置(EDS)を用いて元素分析を行い、無機質のピークの減少も確認できた。また、牛歯前歯・ヒト抜去歯に形成した窩洞内にコンポジットレジンを充填した試料を使用し、複数う蝕原因菌を用いて人工biofilmを形成し、二次う蝕を形成した。その後蛍光顕微鏡、SEM、Micro-CT等を用いて観察及び分析を行い境界部の脱灰processの一端が明らかになった。上記方法により、人工初期う蝕・二次う蝕モデルの確立及びその発生メカニズムの解明に成功した。う触・二次う蝕予防を考慮した歯科材料の検討:歯科におけるSelf-surface-cleaningの実現に向け、新規フッ素樹脂化合物(テフロン)応用修復材料及びフッ素オリゴマー含有コーティング材等を使用し、材料学的・細菌学的に研究を行った。その結果、表面性状の影響を加味した第二世代への移行を遂げた。新しいう蝕予防法の検討:Biofilmの主要構成要素であるglucanに焦点を置き、常在菌叢を破壊しないglucan溶解法を検討した。その結果、アルカリ電解水がglucan溶解に有効な事を見出した。また、RT-PCR及び二次元電気泳動等を用い、菌体定量及び菌表層タンパクに変化が認められ、glucan溶解メカニズム解明の一歩と成り得た。さらに上記二次う蝕モデルを用いて、様々な予防法の開発を行っている。本研究では新型マルチステージ・PCソフトウエア式(EPC-2000)人工口腔装置(AMS)を開薬し、人工的初期、二次う蝕モデルを確立することにより修復材料の二次う蝕予防効果を判定すること、また、分子生物学的アプローチによりバイオフィルム形成システムを分析、初期う蝕については、QLF法等、新しい分析技術の応用により測定値と臨床所見との関連性を明確にすること、さらに、二次う蝕予防方法と初期う蝕の様々な病態に対する再構築法を確立することを目的とした。これまでの研究から、フローシステムを採用したAMSを用いることで活動性を有する複数のう蝕原因細菌や細菌培養上必要となる各種栄養源を継続して装置内へ供給でき、より口腔内環境に近い状況にて、接着性修復材料周囲における二次う蝕発生:バイオフィルム形成に関する検討が可能となった。また、口腔レンサ球菌(S.mutans、S.sobrinus、S.gordonii)やLactobacilli等が長期間だけでなく、ごく短期間で初期バイオフィルムを形成することを確認し、エナメル質の脱灰、象牙質う蝕の形成に起因していることも明らかになった。さらに、審美歯冠修復材料表面性状の違いによるバイオフィルムの付着性、野生S.mutans株と遺伝子組み換え株の違いによるバイオフィルム形態の変化およびフッ素徐放性や抗菌性を有する材料を用いた場合の口腔レンサ球菌の動態について解明し、う蝕原因菌(S.mutans、S.gordonii、Lactobacilli)

懸濁液に対するオゾンの経時的殺菌効果、人工白斑の形成によるエナメル質表面への唾液タンパクの吸着と脱灰後の軟化、人工アパタイト等を用いた再石灰化について明らかにしつつある。本研究では新型マルチステージ・PCソフトウエア式(EPC-2000)人工口腔装置(AMS)を開発し、人工的初期、二次う蝕モデルを確立することにより修復材料の二次う蝕予防効果を判定すること、また、分子生物学的アプローチによりバイオフィルム形成システムを分析、初期う蝕については、QLF法等、新しい分析技術の応用により測定値と臨床所見との関連性を明確にすること、さらに、二次う蝕予防方法と初期う蝕の様々な病態に対する再構築法を確立することを目的とした。修復材料は物性および耐久性の向上にともない、さらにう蝕抑制作用にも注目が集まってきている。また、新しく開発された架橋性フッ素樹脂を含有させたコンポジットレジンを試作し、そのバイオフィルム付着性についても検討した。これまでの研究から、新型マルチステージ・PCソフトウェア式人工口腔装置を採用したAMSを用いることで活動性を有する複数のう蝕原因細菌や細菌培養上必要となる各種栄養源を継続して装置内へ供給でき、より口腔内環境に近い状況にて、接着性修復材料周囲における二次う蝕発生:バイオフィルム形成に関する検討が可能となった。また、口腔レンサ球菌(S.mutans, S sobrinus, S.gordonii)やLactobacilli等が長期間だけでなく、ごく短期間で初期バイオフィルムを形成することを確認し、エナメル質の脱灰、象牙質う蝕の形成に起因していることも明らかになった。更にそれらを臨床に応用するため、オゾンを利用し初期う蝕発生の最も有力な原因菌である口腔レンサ球菌(S.mutans)を用いバイオフィルムの破壊、溶菌について立証した。またう蝕抑制、歯質再石灰化の促進についても明らかにされつつある。そして、現在、親水性撥油性を兼ね備え持つ、フッ素オリゴマー配合の新規歯科用レジンコーティング材(FO)を用いAMSにて実験を行っている。その結果、FOのグルカン生成率は低く、バイオフィルムの付着抑制効果が期待された。開発に成功したPCソフトウエア導入人工口腔装置(AMS)により、口腔内に類似した環境内での人工バイオフィルムを形成し、初期う蝕、二次う蝕等を想定した様々なう蝕に関し、多角的に研究を行っている。19年度はまず二次う蝕発生メカニズムに焦点を置き、研究を行った。牛歯前歯に形成した窩洞内に、直接コンポジットレジンを充填した試料をAMS内に固定し、S. mutans, S. sobrinus及びS. gordonii等の複数う蝕原因菌を用いて人工バイオフィルムを形成した。その際に歯科用接着材料の有無及び、バイオフィルム形成後の保存状態(固定液浸漬群及びHeart Influsion(HI)インキュベート(2週間37度)群)により4群とした。その後SEM及び蛍光顕微鏡観察行い、その結果、各群ともこ脱灰の進行が認められた。特に接着材料未処理+HI浸漬群において脱灰深度は著明であり、人工二次う蝕モデル確立に成功した。次に、細菌学的アプローチによる新しい治療法の検討に関しても研究を行った。
末梢気道の血管透過性から見たCOPDの増悪発症機序の解明と新規治療戦略の確立

前年度の研究内容をさらに深化させて、COPD増悪時の微小血管透過性亢進とインフラマソーム活性化の関連性に関して検証を加えた。経過観察期間内に増悪を経験したCOPD患者に対して、気道上皮被覆液を中枢気道と末梢気道から個別に採取し、微小血管透過性の指標を算出した。そして、COPD増悪の病態における微小血管透過性の関与をさらに多くの症例を重ねることで、普遍的な病態モデルの構築に努めた。これまでにCOPDの気道炎症やその増悪時の炎症増幅にhigh mobility group box 1 (HMGB1)が関連因子として重要であることを明らかにしてきたが、さらに、Damage-associated molecular patterns (DAMP)としてのHMGB1が、インフラマソームを活性化し、微小血管透過性の亢進を誘導するという仮説を検証するために、気道上皮被覆液中のHMGB1, IL-1β, IL-18を測定し、非COPD喫煙者、非喫煙者と比較検討した。その結果を通して、COPDの細気道レベルにおけるHMGB1-Inflammasome系の連関という病態メカニズムを構築した。次に、現在、COPDの治療薬として臨床応用されている各種薬剤の気道微小血管透過性に及ぼす薬理作用について検討した。今日までの大規模臨床試験にて、COPD患者に対して増悪抑制効果が明らかにされている薬剤は、長時間作用型気管支拡張薬(抗コリン薬、β2刺激薬)、吸入ステロイド薬、及び、これらの配合薬である。これらの治療薬の投与前後で気道微小血管透過性を測定し、我々の微小血管透過性理論から見たこれらの薬剤の増悪抑制に対する効果を検証した。平成29年、平成30年度の研究計画に沿って、おおむね順調に進行している。当研究は、細気道レベルに局在する病態生理学的異常を鋭敏に評価することが可能であるマイクロサンプリング法という独自の手法を用いて、COPDの増悪機序を細気道レベルにおける微小循環障害による血管透過性亢進の観点から解明し、現在のCOPD患者の長期管理における主要課題であるCOPD増悪の予防と管理のための論理的基盤を提供するものである。今日、気流閉塞の程度が軽度である軽症COPD患者の中にも頻回の増悪を経験する患者群が存在すること、及び、同じ臨床病期でも増悪回数にばらつきが存在することが注目されており、このような臨床上の難解な課題の解決にもつながってゆく重要な研究課題である。そして、増悪を起こしやすいフェノタイプの分別という極めて重要な臨床上の課題を克服するためにも有用である。今回の研究成果から,増悪を起こしやすい患者を鋭敏なバイオマーカーを用いて鑑別し,増悪の予防や入院に至る前に介入を行うことで,COPDの予後の改善につなげてゆくことの実現に寄与してゆきたい。さらに、COPDの診断基準を満たさない長期喫煙者の中から急性増悪をきたしやすい群を分別し、今日の懸案である早期薬物治療の是非に関しても取り組む方針である。最終的には、COPD増悪に対する画期的で斬新な治療法の開発や創薬の可能性を現実化するという目標に向けて研究を発展させてゆきたい。最初に、安定期COPD患者、非COPD喫煙者、非喫煙者の3群に対して、マイクロサンプリング法を用いて気道上皮被覆液(epithelial lining fluid; ELF)を中枢気道と末梢気道から個別に採取し、微小血管透過性の指標を算出した(microvascular permeability index = albuminlevels in ELF/albuminlevels in serum)。さらに、この指標と安定期COPD患者の生理学的指標との関連性ついて検討を加えた。第2に、今回の研究に登録されたCOPD患者に対して、増悪回数や増悪の重症度を記録し、個々のCOPD患者の微小血管透過性の指標との関連性を検討した。そして、この指標の増悪ハイリスク群選別のバイオマーカーとしての臨床的有用性を明らかにした。さらに、経過観察期間内に増悪を経験したCOPD患者に対して、気道上皮被覆液を中枢気道と末梢気道から個別に採取し、微小血管透過性の指標を算出した。このように、COPD増悪の際、中枢気道と末梢気道のいずれが主たる責任部位であるのかという点に関しても検討を加えた。第3に、増悪時の細気道レベルでの微小血管透過性を安定期と比較することにより、COPD増悪の病態における微小血管透過性の関与を検討した。さらに、COPDの気道炎症やその増悪時の炎症増幅にhigh mobility group box 1 (HMGB1)が関連因子として重要であることを明らかにするとともに、HMGB1を介する気道炎症の主たる作用部位が細気道レベルであることを示した。平成29年度の研究計画に沿って、おおむね順調に進行している。

これまでにCOPDの気道炎症やその増悪時の炎症増幅にhigh mobility group box 1 (HMGB1)が関連因子として重要であることを明らかにしてきたが、さらに、Damage-associated molecular patterns (DAMP)としてのHMGB1が、インフラマソームを活性化し、微小血管透過性の亢進を誘導するという仮説を検証するために、気道上皮被覆液中のHMGB1, IL-1β, IL-18を測定し、非COPD喫煙者、非喫煙者と比較検討した。その結果を通して、COPDの細気道レベルにおけるHMGB1-Inflammasome系の連関という病態メカニズムを構築した。次に、現在、COPDの治療薬として臨床応用されている各種薬剤の気道微小血管透過性に及ぼす薬理作用について検討した。今日までの大規模臨床試験にて、COPD患者に対して増悪抑制効果が明らかにされている薬剤は、長時間作用型気管支拡張薬(抗コリン薬、β2刺激薬)、吸入ステロイド薬、及び、これらの配合薬である。これらの治療薬の投与前後で気道微小血管透過性を測定し、我々の微小血管透過性理論から見たこれらの薬剤の増悪抑制に対する効果を検証した。平成29年、平成30年度の研究計画に沿って、おおむね順調に進行している。我々の考案したマイクロサンプリング法を用いて、安定期COPD患者における細気道レベルでの微小血管透過性を定量化し、引き続いて、今後3年間の経過観察期間におけるCOPD増悪の回数や重症度を反映するバイオマーカーとしての有用性を検証する。そして、COPDの増悪に関する病態論を世界に先駆けて確立し、ハイリスク群の抽出や早期診断に対する微小血管透過性のバイオマーカーとしての有用性を明らかにする。さらに、この新規に同定されたバイオマーカーを用いて、安定期COPD患者の増悪予防に有効な治療戦略を提唱するとともに、従来より臨床応用されてきた増悪急性期の治療薬の有効性を再評価し、適切な投与量・投与期間に関して理論的な指針を示す。次に、今日までの大規模臨床試験においてCOPDの増悪抑制効果を示した複数の薬剤の作用機序を微小血管透過性の観点から解明することにより、我々の考案した病態論に根ざした新規治療薬の開発につなげる。同時に、COPD増悪時の細気道レベルでの微小血管透過性を安定期と比較することにより、我々のCOPD増悪に関する病態論をさらに普遍的なものとする。また、安定期のCOPD治療薬の気道微小血管透過性に及ぼす薬理作用を検討し、これらの薬剤の微小血管透過性抑制効果と増悪抑制効果の関連性を明らかにする。加えて、sub-clinical COPD群を対象とした気道微小血管透過性の評価も合わせて行う。さらに、気道でのインフラマソーム活性化の観点からCOPD増悪時の微小血管透過性亢進を誘導する気道炎症の生化学的特徴を明らかにし、新規治療戦略を構築する。当研究は、細気道レベルに局在する病態生理学的異常を鋭敏に評価することが可能であるマイクロサンプリング法という独自の手法を用いて、COPDの増悪機序を細気道レベルにおける微小循環障害による血管透過性亢進の観点から解明し、現在のCOPD患者の長期管理における主要課題であるCOPD増悪の予防と管理のための論理的基盤を提供するものである。今日、気流閉塞の程度が軽度である軽症COPD患者の中にも頻回の増悪を経験する患者群が存在すること、及び、同じ臨床病期でも増悪回数にばらつきが存在することが注目されており、このような臨床上の難解な課題の解決にもつながってゆく重要な研究課題である。
教員養成系大学におけるメディア教育のためのカリキュラム開発--教員免許法の改正に伴う「教育方法及び技術」の実践のために--

最終年度の本年度は、過去2年間の研究成果をもとに表題のカリキュラムの試行とその反省をもとに内容の補強を行なった。試行に当たっては、以下の2つの内容に分けた。1.映像・音声情報の分析・統合・作成能力の育成に関わる内容。2.情報教育の領域におけるコンピュータの活用に対する教育理念の確立と利用技術の習得に関わる内容。まず、(1)については、定期の授業である「メディア開発実習」、「視聴覚教材論」、「教授・学習システム論」の中で、利用・教育理念や認知心理学面などの理論的な解説とともに具体的な制作実習、例えば、8ミリビデオ、OHP教材の作成と、それを用いた演示とその評価を行なった。次に2.については、定期の授業である「教育情報処理実習」、「教育情報実地指導」、「教育工学システム特論」、「教育工学システム特論演習」のほか、他大学での集中講義「CAI教材開発論」の中で、本カリキュラムのうち、コンピュータの活用に関わる内容を授業の題目に合せて実施した。例えば、プログラミング実習で作成したデータファイルや成績一覧表の機能と市販のデータベース用及び表計算用ソフトの機能を比較し、両者の特徴を評価視点を変えて評価するなどの試みも行なった。その上、フレーム型CAI教材の開発も試みたが、定期の授業の中でも10数人程度の人数であれば、パソコン1数台と1台のイメージスキャナの最小設備でも十分対応できることがわかった。本研究の成果を本年度も日本科学教育学会年会及び日本教育工学会年次大会で、それぞれ発表した。この他、岡山県教員新採用研修会、京都市教育委員会情報教育研修会、兵庫県教育委員会技術科教員研修会で適用した。初年度の本年度は,従来の研究で蓄積した成果の再検討と本題に関る基礎的な研究推進のため,次の5項目を設定した。(1)映像情報と言語情報との認識差と両者の特性についての比較研究(2)演算課題に対する人間の思考過程と誤りに関する基礎的研究(3)パソコンのプログラミング並びにキ-操作上の誤りに関する基礎的研究と教授内容に関する研究(4)従来実施してきた成果を基に,ビデオ教材の製作に必要な知識・技能の精選と教授内容に関する研究(5)パソコンの学校教育への導入に際し,学校の組織上,また,学習の道具や環境整備の視点から,不可欠な要素を統計的に洗い出し,従来実施してきた成果をレビュ-する。(1)については,授業の進行を映像情報と言語情報を併用した「キ-場面」の提示によって、どの程度正確に予測できるかを約50名の学生を対象に調査し分析した。(2)については,演算課題でなく,小学生並びに大学生を対象にして,漢字の「読み」と「書き」の能力を測定することによって,人間の情報処理の特性を推定し特筆すべき成果を得た。(3)については,1年間を通じて実施した定期の授業「教育情報処理実習」の受講生約40名を対象に,提示課題のうち,困難であった課題名とその理由,容易であった課題とその理由,文法や分り難かったコマンドなどを自由記述で3件づつ列挙させ,それらを集計し分析中である。(4)については,半年間実施した定期の授業「教育工学」の受講生約50名を対象に視聴覚教材の製作実習を行い,教授内容を整理した。(5)については,日本教育工学会主催の「夏期研修講座」を本学で実施し,全国から研究者,学校教師など30余名が参集して、2日間にわたり情報教育推進のためのカリキュラムについて討論し集約した。人間の情報受容と処理機能を認知心理学の立場から探る基礎実験が中心であった初年度の研究成果を踏まえ,映像リテラシ-並びにコンピュ-タリテラシ-の習得に有効な学習内容を設定し,試行した。(1)映像リテラシ-習得のための学習内容とその実施方法に関する研究映像情報と言語情報との認識差と特性について究明したもので,研究成果の4番目に掲げられている。

(「算数文章題の問題解決......」)(2)ビデオ教材などの作成、評価等に関する能力向上に必要な学習内容とその実施方法を定め,試行する。(メディア教育の一環として)既有のビデオ装置及び8ミリビデオ編集装置などを利用し,定期の授業でビデオ教材の製作実習を行う。(財団法人放送大学教育振興会発行「教師教育ビデオ教材No.805マイクロティ-チングー岡山大学の場合ーとして紹介されている)(3)パソコンのプログラミングとパソコン用市販ソフトの利用に必要な能力を授業の実習を通じて分析し、その有効な習得方法について試案を作成した。「BASIC」プログラミングにみられるつまづきの分析」と題し、研究成果の一部を速報した。プログラミング実習で顕著な性差が見られた。また,ワ-プロの習熟度と漢字の「書き」能力に負の相関が見られることを指摘できた。(4)研究の中間報告並びに類似の研究を遂行している研究者との情報交換を行った。(特に教育方法・技術の視点から)平成3年度教員養成系大学・学部等教官研究集会ー教員養成のための情報教育の研究ーに於て,「実践的な学習指導力の習得をめざした授業プログラムの開発と実施と題して研究発表を行った。また,国際会議ICOMMET '91では,中学校段階でのCAl実践例を報告した。最終年度の本年度は、過去2年間の研究成果をもとに表題のカリキュラムの試行とその反省をもとに内容の補強を行なった。試行に当たっては、以下の2つの内容に分けた。(1)映像・音声情報の分析・統合・作成能力の育成に関わる内容。(2)情報教育の領域におけるコンピュータの活用に対する教育理念の確立と利用技術の習得に関わる内容。先ず、(1)については、定期の授業である「メディア開発実習」、「視聴覚教材論」、「教授学習システム論」の中で、利用・教育理念や認知心理学面などの理論的な解説とともに具体的な制作実習、例えば、8ミリビデオ、OHP教材の作成と、それを用いた演示とその評価を行なった。次に(2)については、定期の授業である「教育情報処理実習」、「教育情報実地指導」、「教育工学システム特論」、「教育工学システム特論演習」のほか、他大学での集中講議「CAI教材開発論」の中で、本カリキュラムのうち、コンピュータの活用にかかる内容を授業の題目に合せて実施した。例えば、プログラミング実習で作成したデータファイルや成績一覧表の機能と市販のデータベース用及び表計算用ソフトの機能を比較し、両者の特徴を評価視点を変えて評価するなどの試みも行なった。その上、フレーム型CAI教材の開発も試みたが、定期の授業の中でも10数人程度の人数であれば、パソコン1数台と1台のイメージスキャナの最小設備でも十分対応できることがわかった。本研究に関連した内容及び成果を本学教育学部総合教育課程情報教育コースの学生の卒業研究にも採用し、研究内容の補強を側面から促進した。さらに研究成果を中間報告として、日本科学教育学会年会及び日本教育工学会年次大会で、それぞれ発表した。この他、岡山県教員新採用研修会、京都市教育委員会情報教育研修会、兵庫県教育委員会技術科教員研修会などに講師として招聘されたので、本研究の成果の一部を紹介し啓蒙に供した。
量子フィードバック制御:その熱力学的解析と巨視的コヒーレンスへの応用

平成22年度に実施した研究は主に以下の二つである.第一に,「マクスウェルのデーモン」の代表的なモデルである「Szilardエンジン」の実験的な実現に成功した.Szilardエンジンは、フィードバック制御によって情報を仕事・自由エネルギーに変換することができるが、従来は理論的に考えられていただけであった.本年度の研究において,中央大学・宗行研究室と東京大学・佐野研究室との共同研究により,サブミクロンスケールのコロイド粒子に対するフィードバック制御を行うことで,第二法則が課す限界よりも多くの自由エネルギーを系に獲得させる実験に,世界で初めて成功した.この実験は古典フィードバックを用いたものであるが,量子フィードバックの観点からも、その熱力学的性質の実験的検証につながる重要な実験である.また,この実験により,フィードバックがある状況下では通常のJarzynski等式は成り立たず,そのかわりに21年度の研究で私が理論的に導いた一般化Jarzynski等式が成立することが検証された.この結果はNature Physicsから出版された.第二に,Szilardエンジンの量子系への拡張を行った.その結果として,多粒子量子Szilardエンジンから取り出せる熱力学的仕事量の一般的な公式を導出することに成功した.そこから,まず,単一粒子のSzilardエンジンにおける量子効果が明らかになった.さらに,多粒子の場合について,低温で同種粒子性の効果が表れることが明らかになった.たとえば二粒子の場合について考えると,絶対零度近傍では,ボゾンの場合の方がフェルミオンの場合よりも多くの仕事を取り出せる.高温極限では,ボゾンの場合もフェルミオンの場合も,ともに区別可能な古典粒子の場合の結果に一致することも示された.この結果はPhysical Review Lettersから出版された.量子測定や情報の消去といった情報処理に要するエネルギーコストの熱力学的な限界については,多くの先行研究がなされてきた.とくに先駆的な仕事は"Landauer原理"である.それによると,Hナット(自然対数で測った情報量の単位)の情報を,温度Tの熱浴と接触しているメモリから等温的に消去するには,少なくともkTHの仕事が必要で(kはボルツマン定数),それと同量の熱が環境に散逸する.しかしこの「原理」は,最初Landauerによって直感的に述べられただけである.また,その統計力学的な証明はJarzynski等式を用いて近年なされたが,それが妥当するのはメモリのポテンシャルがある種の対称性をもつ特殊な場合だけだった.平成20年度の研究で私は,メモリが非対称な場合も含む形に一般化されたLandauer原理を,量子統計力学と量子情報理論を組み合わせて厳密に証明した.それによると,情報をメモリから等温的に消去するのに要する仕事の下限は,シャノン情報量Hとメモリの自由エネルギーの差で決まる.この下限は一般にはLandauer原理と異なったものになる一方で,メモリが対称性をもつ特殊な場合としてLandauer原理を含んでいる.また,その下限を達成する消去を行えるようなメモリのモデルも構築した.また,測定に要する仕事の下限も導いた.その下限は,シャノン情報量Hとメモリの自由エネルギーの差に加えて,メモリが測定で得た相互情報量Iで決まる(測定が量子的な場合は,[1]で導入された一般化された相互情報量になる).また,上記の二つの下限を合計することで,消去と測定を合わせた仕事には原理的な下限があり、それは相互情報量だけで決まることが分かった.以上の結果を論文(arXiv:0809.4098)にまとめて,現在Physical Review Lettersに投稿中である.平成21年度の主要な成果は、フィードバック制御された非平衡系において成立する一般化Jarzynski等式を導出したことである。1997年に発見されたJarzynski等式は熱力学第二法則をすべての次数のゆらぎ(キュムラント)を含む形に一般化したものであり、1次キュムラントの性質として通常の第二法則を含む。一方、私の以前の研究によって、量子フィードバック制御が存在する状況下では、熱力学第二法則が情報量を含む形に一般化されることが明らかになっていた。本年度の研究では、フィードバック制御が成り立つ状況下にJarzynski等式を一般化することに成功した。なお、数年前に私は一般化Jarzynski等式を試みたが、その証明には大きな理論的不備があり、論文の出版には至らなかった。今回はそのような不備のない形での新しい定式化と完全な証明を与え、結果をまとめた論文はPhysical ReviewLettersから出版された。この一般化Jarzynski等式は、情報量と散逸量についてのすべての次数のキュムラントを含んでおり、とくにその1次キュムラントの性質として(以前の私の結果である)一般化第二法則を再導出することができた。さらに2次キュムラントからは、情報を含む形に一般化された揺動散逸定理が導かれた。このように一般化Jarzynski等式は2次以上のキュムラントを含んでいる。したがってこれはフィードバックを含む非平衡ダイナミクスの解析において重要な役割を果たす基礎理論となり、その導出は(複雑な非平衡プロセスである)量子フィードバック制御を本格的に解析するための重要なステップである。平成22年度に実施した研究は主に以下の二つである.