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脳波筋電図コヒーレンス解析法を用いて四肢の運動制御機構を解明する

本研究は,運動中の運動皮質と筋の活動の同調性を評価する手法である脳波筋電図コヒーレンス解析法を用い,静的収縮中の四肢筋群の筋活動制御機構を解明すべく執り行われた.結果,(1)脳波筋電図コヒーレンスには筋間差が存在し,下肢の遠位筋でもっともコヒーレンス値が大きいこと,(2)運動競技選手では,上記筋間差は消失し,すべての筋でコヒーレンスは低値に収束すること,(3)強収縮中には,コヒーレンスの帯域シフトが報告されているが,この現象がみられる筋とみられない筋とが存在すること,が示された.本研究は,運動中の運動皮質と筋の活動の同調性を評価する手法である脳波筋電図コヒーレンス解析法を用い,静的収縮中の四肢筋群の筋活動制御機構を解明すべく執り行われた.結果,(1)脳波筋電図コヒーレンスには筋間差が存在し,下肢の遠位筋でもっともコヒーレンス値が大きいこと,(2)運動競技選手では,上記筋間差は消失し,すべての筋でコヒーレンスは低値に収束すること,(3)強収縮中には,コヒーレンスの帯域シフトが報告されているが,この現象がみられる筋とみられない筋とが存在すること,が示された.静的収縮中,運動皮質近傍の脳波と主働筋の筋電図との間には20Hz帯域のよく似たパターンの波形が観察され,Halliday et al.(Prog Biophys Mol Biol 1995)によって考案されたコヒーレンス解析法は,両波形の相関性を評価することで,運動皮質が筋活動をいかにコントロールしているかを定量評価出来る.本研究は,この「脳波筋電図コヒーレンス」を用い,運動出力の巧緻性との関連性に着目しながら,ヒトの運動の発現・制御機構を解明することを目的とする.2009年度は,一般健常者ならびにバレリーナ・ウェイトリフターを対象に,四肢の様々な筋について,最大随意収縮力の30%程度の持続的筋収縮中の脳波筋電図コヒーレンスの計測を行った.一般健常者では,1)脳波筋電図コヒーレンスの値には大きな個人差が存在すること,2)上肢に比して下肢の筋においてゴヒーレンス値は大きい,3)近位筋に比して遠位筋においてコヒーレンス値は大きい,ことが示された,このことから,静的収縮中の脳活動と筋活動の同調性には筋間差が存在することが明らかとなり,筋の構造や日常生活における役割に応じて運動制御機構が異なることが示唆された.一方,長年の運動競技歴をもつバレリーナ・ウェイトリフターでは,ほぼ全ての被検者で,上肢のみならず下肢の筋においても脳波筋電図コヒーレンス値は低値に収束した.流麗な動きが要求されるバレーダンスと,爆発的なパワー発揮が要求されるウェイトリフティングとは,一見運動制御機構も大きく異なることが予想されたが,いずれの競技においても,ダイナミックな動きとともに,姿勢保持のための持続的な収縮も要求される.本研究の結果は,こうしたアスリートの日々のトレーニングが,脳活動と筋活動の同調性を低くする効果を持ち,このことが安定した力発揮へとつながる可能性が示唆された.ここまでの研究成果はすでに学術論文として投稿しており,現在リバイス中である.静的収縮中,運動皮質近傍の脳波と主働筋の筋電図との間には20Hz帯域のよく似たパターンの波形が観察され,Halliday et al.(Prog Biophys Mol Biol 1995)によって考案されたコヒーレンス解析法は,両波形の相関性を評価することで,運動皮質が筋活動をいかにコントロールしているかを定量評価出来る.本研究は,この「脳波筋電図コヒーレンス」を用い,運動出力の巧緻性との関連性に着目しながら,ヒトの運動の発現・制御機構を解明することを目的とする.2010年度は,2009年内に得た知見である一般健常者にみられる脳波筋電図コヒーレンスの筋間差,ならびに運動競技歴による影響について論文をまとめ,Journal of Applied Physiologyに掲載された.また,新たな実験として,脳波筋電図コヒーレンスの収縮強度に依存した変化を前脛骨筋,ヒラメ筋,第一背側骨間筋,上腕二頭筋について検討したその結果,前脛骨筋においては,先行研究(Brown et al.J Neurophysiol 1998 ; Mima et al.Neurosci Lett 1999)同様,高強度になるに伴い,20Hz帯域のコヒーレンスのピークが消失し,35-60Hz帯域に有意なコヒーレンスのピークが出現した.一方,ヒラメ筋においては前脛骨筋のような収縮強度依存的な変化は観察されず,いずれの強度においても,20Hz帯域に同程度の有意なコヒーレンスのピークがみられた.上肢の二筋については,そもそものコヒーレンス値が低いため,コヒーレンスの顕著な変化が見いだしにくかったが,上腕二頭筋についてのみ,数名で前脛骨筋同様の収縮強度依存的変化が観察された.以上より,脳波筋電図コヒーレンスの収縮強度依存的変化には筋間差が存在することが明らかとなり,高強度収縮を実現するために中枢神経系がとる筋の活動ストラテジーには,筋間差があることが示唆された.この成果は複数の学会にて発表し,当該分野の専門家たちとの議論の後,学術論文を投稿,現在査読中である.
藤樹心学の思想史的展開と意義に関する研究

本研究では、徳川初期の儒者中江藤樹が説いた独特な儒学思想は、彼の死後どのような展開を遂げたのか、弟子筋の者たちの思索を明らかにした。代表的後継者の直弟子淵岡山は、藤樹が説いたような一身における修養論を、〈社会生活〉の場面にも応用して、自らの学として展開させていった。ただそのほかの継承者たちは、学祖の中江藤樹を尊崇し、藤樹の言説を用いて自らの学説を固めていった。「藤樹学」として自らの学問を自覚化していったことを明らかにした。本研究では、「日本陽明学派の祖」と称された中江藤樹(160848)の弟子たちに関して、単に「陽明学」的か否かという次元に留まらない新たな藤樹学派像を描き出すことを課題の一つとした。そこで藤樹後学たちを、単に中江藤樹の言説を受け継いだ人々として捉えるのではなく、どのような点を個々がより重点的に取り入れたのかを見てゆくため、学祖・中江藤樹の三男、中江常省(16481709)について見てゆくことにした。中江常省については、中江藤樹の全集『藤樹先生全集』(岩波書店、1940年)に『文集』がまとまって収録されているにも関わらず、これまで全く取り上げられることはなかった。そこで今回、中江藤樹と、藤樹が私塾を開いた故郷小川村の「藤樹書院」とにおいて、どのような活動が行われていたのかに注目し、中江常省は、確かに藤樹から直接教えを受け継いだわけではないものの、最晩年に課題としていた「立志」の問題を、中江常省もまた継承していることを指摘した。更に常省が説く教えは、中江藤樹の文言を多く含んでおり、藤樹が用いた言葉や熟語をそのまま「活用」する説き方になっていることを明らかにした。このような中江常省の学問傾向は、中江藤樹高弟で、藤樹学派の主導者と見なされた淵岡山(161787)とは、大きく異なっている。淵岡山が藤樹の問題意識を藤樹発信の文言に縛られず、あくまで「藤樹の問題意識」に寄り添って「心を正す」主張を形成していた。これまでは、淵岡山の見解のみで中江藤樹の学問が後の時代にどのように継承されていったのか、を論じられていたが、これからは、小川村における中江常省の存在を考慮に入れねばならない点を明らかにすることが出来た。中江藤樹の課題を如何に継承したのか、そして、どのように展開したのかという点について、淵岡山以外の在り方に着手することが出来た。また、藤樹学の広がりを過去から現代に至るまでの大きな流れのなかで考える意味で、現代における藤樹書院(滋賀県高島市)の活動についての調査も行った。とりわけ、中江藤樹の忌日に行う「儒式祭典」、藤樹三男中江常省の忌日に行う「常省祭」、高島市教育委員会も協力して、市内の小学3年生が参加する「立志祭」などを調査した。現地でも自らの研究について報告もさせていただいており、研究成果を維持運営している現地の方々に還元することも出来ている。そのように、現地で藤樹顕彰を行っている方々とも御縁が出来たため、現地の資料調査の一環として、現在の藤樹書院が所蔵している「書院日記」や「参拝録」を撮影して、資料収集を行った。これらによって、江戸期において中江藤樹とその学問を知る人々が、どのような土地からやってきているのか考察することが可能となる。明治以降も「参拝録」として、訪問記録が残されているが、これに関しては全てを撮影したわけではないので継続的に撮影が必要な段階である。総じて滋賀県高島市の藤樹書院と付近に存する藤樹記念館における現地調査を中心に行い、江戸期の近江国を中心とした藤樹学が現在に至るまで、どのように継承されてきたのかについて考察することが出来た。本研究では「日本陽明学派の祖」と称された中江藤樹(160848)の弟子たちを取り上げ、単に「陽明学」的か否かという後世の評価を前提とするのではなく、どのように学祖・中江藤樹の教えを学派が継承したのかを捉え直すことで、新たな藤樹学派像を描き出すことを目的としている。そこで本年度も、そもそも藤樹学派がどのような思想展開をしているのか、昨年度に継続して思想内実の解明を試みた。さらに、全国に広がった藤樹学派のなかでも、会津喜多方の藤樹学派は幕末まで継承されたことで知られる。この会津学派の思想分析は、これまでも全くの手付かずというわけではなかった。しかし、やはり思想分析という点では十分ではなく、中江藤樹の思想の亜流とされ、1980年代に会津学派の思想的独自性を指摘されて以来、思想内容にまで立ち入った研究はほとんど出てこなかった。そこで本研究で会津学派が藤樹とその高弟淵岡山以来の課題「立志」をどのように受け止めたのか、改めて分析することで会津において藤樹の学問がどのような位置付けにあったのか、藤樹・淵岡山を経て、会津において藤樹学がどのように展開していったのかの分析を試みた。藤樹没後に、淵岡山や会津学派などの後学たちが、藤樹の課題たる「立志」をどのように継承したのかについて、それぞれ論文のかたちにまとめることが出来た。本来、時代が下ることによって、それぞれの問題関心が異なってゆくのは自然なことではあるのだが、自らの学問を〈中江藤樹

由来の学問〉と自己規定した藤樹学派の人々は、藤樹の言説を受け止めた上で「立志」をどのように起こすことが出来るのか、という言説を紡いでいたことを見ることが出来た。藤樹没後の藤樹書院、高弟の淵岡山、そして会津学派というまとまった資料を有する後学に関する思想分析に着手し、それぞれ一つの成果を見ることが出来た。藤樹の三男・中江常省についてその主張の具体的中身に踏み込み、会津藤樹学派についても、その「独自性」という特殊な面のみを浮かび上がらせるのではなく、どのような点で学祖・藤樹を継承していたのか、彼等における「藤樹学」の内実を捉え直す試みを行ったことは、これまで全く藤樹学研究のなかではなされておらず、今後、藤樹後学たちについて考察する際にも、一つの素材を与えることになる成果を上げることが出来た。資料収集については、滋賀県高島市にある藤樹書院と中江藤樹記念館における資料収集などについては、江戸期のものは、ほぼデジタル写真での撮影を行うことが出来た。また竹下喜久男編『藤樹書院文献調査報告書』(滋賀県安曇川町安曇川町教育委員会、1993)などを参照しつつ、『藤樹書院日記』や『参拝録』などを基に、藤樹書院への参拝者の出身地などの分布をデータ整理することで、19世紀における藤樹書院の影響力を今後考えてゆく材料をまとめあげることが出来た。以上のように、主要な資料と中心軸となる学派の人物についての思想的課題を分析することが今年度達成出来ており、これを軸にすることによって、更なる藤樹学派分析へと進むことが出来る成果を上げることが出来た。本年度は最終年度ということもあり、これまでの研究成果を踏まえて藤樹学派の思想的独自性を描き出すことを指標として淵岡山とその弟子たちにおける「藤樹の学問」理解と彼等の思想分析へと立ち戻った。中江藤樹の存在は全国的に名が知られている一方で「藤樹学」の学派は時代を下るごとにその存在感が薄らいでゆく。淵岡山を旅立った様々な弟子が「藤樹学」を唱えるなか、何故そのような方向へと収斂していったのかについて、学祖中江藤樹のことも振り返りつつ分析していった。これまで本格的に分析されてこなかった弟子たちが、自らの学問をどのように自覚していたのかを洗い直した。すなわち「藤樹学」としての独自性について、淵岡山よりも更に時代の下った弟子たちは、藤樹が課題としていた「いかにして学問に着手するのか」という〈教示〉の方法論に意識を向けるというよりも、その思想内容としての「良知」説や「心学」的な側面に注目をしていた。また、中江藤樹が世間的には「王学」(陽明学)の紹介者として評価されながらも、必ずしも当事者たる藤樹の弟子たちはそのような評価を肯定的に受けとめてはいなかった。むしろ「先師藤樹」の学問を受け継いだ「藤樹学」という学派意識を自覚的に有していた。「藤樹学」は、小川村藤樹書院に残された参拝録から全国的な広がりであったことが分かる。その広がりは、藤樹直弟子淵岡山の力が大きい。それは藤樹の思想性を継承しつつも、同時にそのアプローチを己の一身における修め方を重視する以上に実際生活のなかに落とし込み、他者との交流における心の在り方として藤樹学の活用を人々に説いていた。この説き方の展開によってただ自らを修める学問だった藤樹の教えを誰においても日々のなかで活用出来る学問として広がっていったことを明らかにした。本研究では、徳川初期の儒者中江藤樹が説いた独特な儒学思想は、彼の死後どのような展開を遂げたのか、弟子筋の者たちの思索を明らかにした。代表的後継者の直弟子淵岡山は、藤樹が説いたような一身における修養論を、〈社会生活〉の場面にも応用して、自らの学として展開させていった。ただそのほかの継承者たちは、学祖の中江藤樹を尊崇し、藤樹の言説を用いて自らの学説を固めていった。
高次元データにおける高次漸近理論の開拓とその応用

本研究の土台となる研究課題「高次元強スパイクモデルにおけるデータ変換法の確立」に取り組み,各種統計推測に,データ変換を用いた統計的理論と方法論を構築した.まず,Aoshima and Yata (2018, Sinica)で考案したノイズに対する2つの固有値モデル「Strongly spiked eigenvalue (SSE)モデル」と「Non-stronglyspiked eigenvalue (NSSE)モデル」を高次元2次判別分析に拡張した.NSSEモデルのもとでは高次元2次判別関数のノイズを抑えることができ,誤判別率に一致性が成立する.しかしながら,より巨大なノイズを含むSSEモデルにおいてはその一致性が主張できない.そこで,Aoshima and Yata (2018, AISM)で考案した線形判別分析におけるデータ変換法を2次判別分析に拡張した.巨大なノイズを避け,平均ベクトルの差異だけでなく,共分散行列の差異も検出できるような空間を探索し,その空間にデータを射影するようなデータ変換法を提案した.その手法により,データに内在する2次までの潜在構造を浮き彫りにし,ノイズ構造をSSEモデルからNSSEモデルに縮小することに成功した.このデータ変換法とAoshima and Yata (2011, SA)で与えた高次元幾何学的表現に基づく2次判別方式を融合し,SSEモデルのもとでも高精度な高次元判別分析法を構築した.さらに,高次元共分散行列の2標本検定についても,高次元漸近分布をSSEモデルもとで導出し,新たな高次元検定方式を提供した.本研究の土台となる研究「高次元強スパイクモデルにおけるデータ変換法の確立」が進んでいることからも,順調に進展している。平成30年度の研究を踏まえて,研究課題「高次元統計量における高次漸近論の開拓」に取り組む.高次元データに高次漸近論を開拓する困難さは,データの相関に起因する.データの相関が強いほど独立性から乖離し,漸近論の構築が困難になる.データの相関が強いほど固有値は大きい.それゆえ,平成30年度の研究「高次元強スパイクモデルにおけるデータ変換法の確立」で考案するデータ変換法を適用し,データの相関を弱め,変数間を独立な関係に近づける.独立性を前提とした漸近論に類似する漸近論を次元数に関しても展開し,高次元統計量に高次漸近論を開拓を目指す.本研究の土台となる研究課題「高次元強スパイクモデルにおけるデータ変換法の確立」に取り組み,各種統計推測に,データ変換を用いた統計的理論と方法論を構築した.まず,Aoshima and Yata (2018, Sinica)で考案したノイズに対する2つの固有値モデル「Strongly spiked eigenvalue (SSE)モデル」と「Non-stronglyspiked eigenvalue (NSSE)モデル」を高次元2次判別分析に拡張した.NSSEモデルのもとでは高次元2次判別関数のノイズを抑えることができ,誤判別率に一致性が成立する.しかしながら,より巨大なノイズを含むSSEモデルにおいてはその一致性が主張できない.そこで,Aoshima and Yata (2018, AISM)で考案した線形判別分析におけるデータ変換法を2次判別分析に拡張した.巨大なノイズを避け,平均ベクトルの差異だけでなく,共分散行列の差異も検出できるような空間を探索し,その空間にデータを射影するようなデータ変換法を提案した.その手法により,データに内在する2次までの潜在構造を浮き彫りにし,ノイズ構造をSSEモデルからNSSEモデルに縮小することに成功した.このデータ変換法とAoshima and Yata (2011, SA)で与えた高次元幾何学的表現に基づく2次判別方式を融合し,SSEモデルのもとでも高精度な高次元判別分析法を構築した.さらに,高次元共分散行列の2標本検定についても,高次元漸近分布をSSEモデルもとで導出し,新たな高次元検定方式を提供した.本研究の土台となる研究「高次元強スパイクモデルにおけるデータ変換法の確立」が進んでいることからも,順調に進展している。平成30年度の研究を踏まえて,研究課題「高次元統計量における高次漸近論の開拓」に取り組む.高次元データに高次漸近論を開拓する困難さは,データの相関に起因する.データの相関が強いほど独立性から乖離し,漸近論の構築が困難になる.データの相関が強いほど固有値は大きい.それゆえ,平成30年度の研究「高次元強スパイクモデルにおけるデータ変換法の確立」で考案するデータ変換法を適用し,データの相関を弱め,変数間を独立な関係に近づける.独立性を前提とした漸近論に類似する漸近論を次元数に関しても展開し,高次元統計量に高次漸近論を開拓を目指す.参加予定のシンポジウムをキャンセルしたため,繰越する。
多孔性物質を用いた光駆動型一酸化窒素リリースシステムの構築

今研究では一酸化窒素を放出するPCPであるNOF (Nitric oxide releasing framework)を用いて細胞への一酸化窒素刺激を試みた。まず、表面をPEI (polyethyleneimine)で修飾したNOFと表面修飾していないNOFを分散した細胞培養液でT24細胞を24時間培養後、二つのサンプルの違いを確認した。TEM (透過電子顕微鏡)で細胞の表面と断面を確認した結果、その二つのサンプルの違いが現れた。PEI-NOFと培養した細胞は細胞の表面と細胞接着タンパク質だと思われる紐のようなものがNOF結晶とつながっていて、細胞がNOFを取り込む様子が観察された。しかし、表面修飾していないNOFからはそれが観察できず、PEI-NOFが細胞に取り込みやすいと思われる。PEI-NOFと培養した細胞の断面をTEM見ると、endosomeの中からNOFの結晶が観察され、細胞に取り込まれていることを確認した。さらに共焦点レーザー顕微鏡のZ軸scanでPEI-NOF結晶が細胞に中に入っているのを確認した。このように細胞内にPEI-NOFが存在することを確認して、細胞刺激実験を行った。PEI-NOFを入れて培養した細胞に光を当てて細胞内からの一酸化窒素放出を確認するため、細胞内一酸化窒素検出色素であるDAF-FMを利用した。細胞をPEI-NOFとともに24時間培養後、PBSで洗って細胞外にあるPEI-NOFを除去する。その後、共焦点レーザー顕微鏡を使って一つの細胞にUV (405 nm)を当てるとその細胞のみが蛍光見せて一酸化窒素を吸収したことをします。これで光で一酸化窒素を放出するPCP (NOF)を合成し、細胞内に導入し、細胞内から一酸化窒素を出す実験に成功した。26年度が最終年度であるため、記入しない。(1)有機配位子の合成(2)PCPの合成とサイズの制御細胞の中に導入するため、水の中でも安定なマイクロサイズの結晶としてUio-66と呼ばれるZr金属イオンで作られるPCPを今研究に利用する事にした。一般的なUiO-66の合成方法(ZrCl4と配位子をDMFにとかして120°C、24時間加熱)では結晶性が低く、サイズや形が一定でない粉末状態のPCPが得られた。そこでAngew. Chem. Int. Ed. 2009, 48 4739.、Chem. Mater., 2010, 22, 4531.に報告されている配位modulation方法を利用してPCPの合成を行った。酢酸をmodulatorとして使い、modulatorの量と反応溶液の濃度を調節し、一定のサイズや形を持つPCPの合成に成功した。結晶は正八面体の形で反応条件により、50nm500nmの結晶が得られた。反応溶液の濃度が低くて大量のmodulatorを加えると小さい結晶が得られる結果になった。(3)ニトロ化反応によるN-Nitrosamineの形成(一酸化窒素の導入)PCPにある配位子のアミンにニトロ化反応によるN-Nitrosamineの導入を行った。PCP結晶を水に拡散させてHCIとNaNO2水溶液を添加し3時間、室温で反応させた。電子顕微鏡とX線粉末回折で反応前後の結晶の形やサイズ、結晶性が変わっていないことを確認した。ニトロ基は赤外分光法測定で確認できた。ニトロ化反応後、2194.6cm-1でNNOのストレッチとみられるピークが現れてN-Nitrosamineが形成されたと考えられる。反応効率を確認するためにPCPを分解して配位子のNMR測定を行った。uio-66は非常に安定なPCPであるため、HFにPCPを溶かして分解したが、強酸の条件であるため、配位子も分解されてしまった。そのため反応効率の確認はまだ出来ていない。ジルコニウムを金属イオンとして、2,5-bis (methylamino)terephthalic acidを有機配位子として利用し合成した多孔性錯体にニトロ化反応を行った後、光照射による一酸化窒素の放出をChemiluminescence nitric oxideanalyzerを用いて確認した。測定から光照射で一酸化窒素が放出される事が明らかになった。さらに、光のオン・オフで一酸化窒素放出制御も可能であって簡単に放出制御が出来る事も確認した。一酸化窒素放出量は、理論上では最大5.1mmol/gの一酸化窒素放出が可能であるが、実験結果は2,4mmol/gであった。この結果は理論値の47%であった。今回合成した光駆動型一酸化窒素放出PCPは金属イオンとしてジルコニウムを使用しており、潜在的に細胞毒性が危惧される。加えて、本研究で開発したPCPは負の表面電荷(-37mV)を有しており、細胞表面への接着性が疑問視された。これらの問題を解決するため、我々は生体適合性材料として知られるpolyethyleneimine (PEI)を用いて、PCPへの表面修飾を行った。細胞の表面は負の表面電荷を持っているため、細胞表面へのPCPの接着力を高めるためにはPCPの表面電荷が正である必要がある。PEIは細胞への毒性が低く、正の表面電荷を持つ材料として知られていることから、PCPへの表面修飾に最適であると考え、利用した。

PEIを用いた表面修飾を行った後、ζ-ポテンシャル測定から+28mVの正に表面電荷に変わっている事が確認された。また、得られたPCPは粉末X線回折測定と電子顕微鏡画像からPCP構造を維持したまま、PEI修飾されていることが確認された。細胞毒性実験ではPEI表面修飾したPCPは生体適合性が明らかになり、期待した毒性減少効果も確認されている。今研究では一酸化窒素を放出するPCPであるNOF (Nitric oxide releasing framework)を用いて細胞への一酸化窒素刺激を試みた。まず、表面をPEI (polyethyleneimine)で修飾したNOFと表面修飾していないNOFを分散した細胞培養液でT24細胞を24時間培養後、二つのサンプルの違いを確認した。TEM (透過電子顕微鏡)で細胞の表面と断面を確認した結果、その二つのサンプルの違いが現れた。PEI-NOFと培養した細胞は細胞の表面と細胞接着タンパク質だと思われる紐のようなものがNOF結晶とつながっていて、細胞がNOFを取り込む様子が観察された。しかし、表面修飾していないNOFからはそれが観察できず、PEI-NOFが細胞に取り込みやすいと思われる。PEI-NOFと培養した細胞の断面をTEM見ると、endosomeの中からNOFの結晶が観察され、細胞に取り込まれていることを確認した。さらに共焦点レーザー顕微鏡のZ軸scanでPEI-NOF結晶が細胞に中に入っているのを確認した。このように細胞内にPEI-NOFが存在することを確認して、細胞刺激実験を行った。PEI-NOFを入れて培養した細胞に光を当てて細胞内からの一酸化窒素放出を確認するため、細胞内一酸化窒素検出色素であるDAF-FMを利用した。細胞をPEI-NOFとともに24時間培養後、PBSで洗って細胞外にあるPEI-NOFを除去する。その後、共焦点レーザー顕微鏡を使って一つの細胞にUV (405 nm)を当てるとその細胞のみが蛍光見せて一酸化窒素を吸収したことをします。これで光で一酸化窒素を放出するPCP (NOF)を合成し、細胞内に導入し、細胞内から一酸化窒素を出す実験に成功した。26年度が最終年度であるため、記入しない。平成24年度では有機配位子の合成と多孔性金属錯体の合成を行い、その構造解析と一酸化窒素の放出の評価を行う予定であった。一酸化窒素放出の定量化はまだ行われていないが、平成25年度の計画であった結晶のサイズ制御は行われており、細胞内に導入できるように100nm以下の結晶の合成に成功したことで順調に進展していると評価できる。現時点で多孔性配位高分子にN-nitrosamineを導入し、一酸化窒素の放出を確認していて細胞に対する毒性も確認している。細胞内に導入し、細胞刺激も可能である事を簡単な実験では確認しているので材料の開発という面ではかなり進んでいると思うが、化学反応メカニズムに対しては他の文献を参考しているだけで奇麗らデーターが得られないのが今後の大きな課題である。今後は多孔性金属錯体の結晶を細胞の中に取り込ませて細胞内で一酸化窒素放出実験を行う計画である。細胞培養液に錯体の結晶を入れておくことで細胞内に導入できると思っているが、もし導入できない場合はmicro-injectionで錯体を細胞に入れる計画である。
小規模バイオマス燃焼炉からの大気環境汚染を防止する「ハイブリッドフィルタ」の開発

本研究では,まずバイオマス燃焼から発生する粒子状物質の特性は燃焼温度,特に燃料が400°C付近の不完全燃焼温度域の滞留時間に依存していることが判明した。また,ハイブリッドフィルタの性能把握のため,孔の大きさと圧力損失の関係をまとめて検証した結果,実験結果から,孔をあけたフィルタからの粒子の透過率は,ほぼ単純にあけた孔からの流出ぶんに比べ平均で2%ほど高くなった。孔の周辺にも捕集性能が存在すると考えられる。本研究は,ハイブリッドフィルタの「孔」と「ろ材」に配分されるの気流と粒子の挙動,その粉じん負荷による性能変化,運転に必要なコスト・エネルギー・環境負荷のバランスを明らかにして最適な環境負荷抑制性能を持つハイブリッドフィルタ技術を確立するため,(1)ハイブリッドフィルタの設計に用いる初期性能の把握(2)コスト・環境負荷・性能分析に基づくハイブリッドフィルタの最適構造設計(3)粉じん負荷時の性能変化の把握と環境リスク削減性能の評価(4)実用可能性の検討と課題の抽出を行う。昨年度は,(1)(2)(4)を計画し,HEPAフィルタをベースに(1)(2)を実施した。孔の大きさと圧力損失の関係をまとめた。実験結果から,孔をあけたフィルタの捕集性能は,ほぼ単純にあけた孔からの流出ぶんだけとなり,試算したとおり捕集効率の粒子径依存性はフラッタなものとなった。孔をあけたフィルタの圧力損失低減効果は,そのために犠牲となる捕集効率の低下に比べて大きく,アイデアの方向性が正しいことを検証できたが,中性能フィルタの圧力損失はHEPAフィルタの1/10程度と非常に低かったため,予想と異なり中性能フィルタと同等以上の初期性能を持つハイブリッドフィルタの条件を見つけることができなかった。このため,今年度は,中性能フィルタをベースに長寿命化を目指したハイブリッドフィルタの設定に方向を転換し,(2)のために得られたバイオマス燃焼排ガス中粒子濃度と組成を想定して実験を進め,(3)粉塵負荷耐性を中心に検討する。また,粉塵負荷を検討するためにはバイオマス燃焼から発生する粒子状物質の基礎的な特性を把握する必要があるため,様々な小型炉でバイオマス燃料を燃焼させる実験を行った。実験は薪ストーブ,ペレットストーブに加え実験室レベルの管状炉を利用したが,燃料の性状・や加熱方法により,燃料あたりの粒子の発生量は100倍以上,粒子径分布も10倍以上の差異が発生したが,その要因は燃料そのものよりも,燃焼温度,特に燃料が400°C付近の不完全燃焼領域を通過する時間をいかに短くして着火燃焼させられるかという点に依存していることが判明した。孔の大きさと圧力損失の関係をまとめたが,さらに条件を広げて実験を行い,検証した結果,実験結果から,孔をあけたフィルタからの粒子の透過率は,ほぼ単純にあけた孔からの流出ぶんに比べ平均で2%ほど高くなった。この原因として,孔周辺の流れが急激に曲げられる際に,慣性の大きな粒子が孔の周辺の捕集された可能性が考えられる。また,粉塵負荷にも耐える条件も検討したが,燃焼条件によって粒子濃度と粒子径,必要な耐久性が著しく異なるため,コストの検討は今後の検討課題として独自に進めることとした。
25-ヒドロキシビタミンD3のホルモン作用の解析

従来、25-ヒドロキシビタミンD_3(25D3)は1α位水酸化酵素CYP27B1により1α,25-ジヒドロキシビタミンD_3(1,25D3)に変換され生理作用を示すと考えられてきたが、組織によっては25D3が直接作用している可能性がある。ヒト前立腺由来培養細胞(PZ-HPV-7)を種々の濃度の1,25D3あるいは25D3で数時間-数日間処理し、増殖抑制効果やCYP24A1のmRNA量変化を解析した。VDR核内移行の解析は免疫抗体蛍光法で行った。PZ-HPV-7に25D3(10nM)を作用させたところ、CYP24A1 mRNA量は最大で1000倍に増加した。細胞が合成する1,25D3の濃度では誘導倍率は100倍に満たなかった。また,100nM25D3によるVDRの核内移行は1nM1,25D3を作用させた場合とほぼ同様の時間依存性を示した。また25D3による細胞増殖抑制も観察された。PZ-HPV-7細胞における遺伝子発現をDNAマイクロアレイ解析したところ、100nMの25D3と10nMの1,25D3の影響はほぼ同様であり、このことから25D3が直接VDRに結合し作用する可能性が示唆された。細胞増殖抑制のメカニズムを解明するため、PZ-HPV-7を25D3あるいは1,25D3で処理するとガン抑制遺伝子であるcystatin Mやcystatin DのmRNA量は約3倍に増加した。一方,ビタミンDによる増殖抑制を受けにくい前立腺ガン細胞株(DU-145)では増加しなかった。しかし,HDAC阻害剤を添加すると転写が活性化されることから,エピジェネティックな制御がこれらの遺伝子発現に関わることが示唆された。さらに、CYP27B1ノックアウトマウスの近位尿細管の初代培養細胞を用いて25D3の作用機構を解析したところ、1,25D3は全く検出されないにもかかわらず、CYP24A1mRNAの著しい上昇が認められ、25D3が直接VDRのリガンドとなって作用することが決定的となった。また、野生型マウスの近位尿細管の初代培養細胞を用いた場合も生成される1,25D3の量は少なく、25D3が1,25D3に変換された後、VDRに結合するという従来の図式が必ずしもあてはまらないことが示唆された。今後、さらにマウス個体を用いた解析を進める予定である。
神経変性疾患の病態を進行させる分子メカニズムの解明

筋萎縮性側索硬化症(ALS)の責任病巣ではCu/Zn-superoxide dismutase(SOD1)タンパク質の不溶性凝集体が異常蓄積している。病変部位は疾患の進行とともに、拡大していくことが知られている。本課題では、ALSの病変部位拡大の分子メカニズムを、SOD1凝集体のシーディング現象の観点から明らかにすることを目的とした。SOD1トランスジェニック線虫にシードとしてSOD1凝集体を暴露し、生体内でシーディング現象が誘導されるか検討した。しかしながら、体内でSOD1の凝集化は誘導されなかった。さらに、シードを導入しても線虫の生存期間および運動機能に変化は認められなかった筋萎縮性側索硬化症(ALS)では、首座である運動ニューロン内にCu/Zn superoxide dismutase(SOD1)タンパク質が不溶性の線維体として異常蓄積することが知られている。また、ALSの病変部位は疾患の進行と共に、運動ニューロンの周囲の細胞・組織に拡大していくことが報告されている。本課題では、「不溶性SOD1線維が細胞間で伝播することにより、ALSの病態が進行し症状が悪化するのではないか?」という仮説を実証することを目的とした。平成27年度では、(1)生体内で不溶性SOD1線維のシーディング現象を観察可能なヒト変異型SOD1トランスジェニック線虫の作製、(2)作製したヒトSOD1線虫に不溶性SOD1線維を摂取させ、体内でシーディング現象が誘導されるかどうかの2点に関して検討した。まず、ヒト変異型SOD1(L126X)トランスジェニック線虫の作製を試みた。常法に従い、L126X遺伝子を含むプラスミドをN2線虫にマイクロインジェクションし、腸管特異的にL126Xを発現した線虫の作製に成功した。次に、不溶性SOD1線維をL126X線虫に取り込ませ、線虫生体内でシーディング現象が引き起こるか検討した。線虫の餌である大腸菌に不溶性SOD1線維を発現させ、シードとして線虫体内に導入した。線虫は大腸菌を介して不溶性SOD1線維を摂取しているにも関わらず、線虫体内でSOD1の線維化は誘導されなかった。平成27年度では、ヒト変異型SOD1 (L126X)を発現する線虫を作製することに成功し、SOD1線維を形成した大腸菌を食餌として与えることで、大腸菌ー線虫間でのシーディングによる線維化促進・伝播を検証することができた。残念ながら、L126Xではシーディングによる線維化を線虫モデルにて観察することができなかった。しかしながら、シーディングが観察されなかった原因として、線虫内でL126Xタンパク質が速やかに分解されてしまうことを見出すことができた。よって、本課題を遂行する際に生じる技術的な問題点などは既に対応済みであり、線虫や大腸菌の取り扱いについても、申請者の所属研究室にて確立している。また、各種の生化学的手法(ウェスタンブロッティング・蛍光免疫染色など)に関して、申請者は豊富な経験を有していることからも、本課題の準備状況は極めて良いと言える。運動ニューロン疾患の一種である筋萎縮性側索硬化症(ALS)の責任病巣ではCu/Zn-superoxide dismutase(SOD1)タンパク質の不溶性凝集体が異常蓄積している。また、病変部位は疾患の進行とともに、責任病巣の周囲に拡大していくことが知られている。本課題では、ALSの病変部位拡大の分子メカニズムを、不溶性SOD1凝集体のシーディング現象の観点から明らかにすることを目的とした。具体的には、ヒトSOD1トランスジェニック線虫にシードとして不溶性SOD1凝集体を暴露し、生体内でシーディング現象が誘導されるか検討した。また、シードを導入した結果、線虫の生存期間や運動機能に及ぼす影響も併せて解析した。まず、線虫体内に不溶性SOD1凝集体を導入するために、大腸菌にヒトSOD1をトランスフォームし、温度制御により菌内でSOD1を凝集させ、食餌として経口摂取させる方法、および、試験管内で調製した精製SOD1凝集体を暴露させる方法をそれぞれ確立した。次に、緑色蛍光タンパク質と融合させたL126X変異型SOD1を発現するトランスジェニック線虫に対して、SOD1凝集体を形成した大腸菌、または、精製SOD1凝集体を暴露させ、凝集化促進・伝播の検証を試みた。残念ながら、いずれの方法でシードを導入しても、線虫体内でSOD1の凝集化は誘導されなかった。さらに、シードを導入しても、線虫の生存期間および運動機能は、可溶性SOD1を暴露させた線虫と同程度であった。さらに、シードを導入しても線虫の生存期間および運動機能に変化は認められなかった線虫生体内でシーディング現象が観察されなかった原因として、L126Xタンパク質が線虫生体内で非常に不安定であり、速やかに分解されてしまうことが考えられた。

そこで、野生型SOD1のように構造的に安定な変異型SOD1(G93Aなど)に着目し、平成27年度と同様の手法を用いて、ヒト変異型SOD1トランスジェニック線虫の作製を行う予定である。野生型SOD1様のヒト変異型SOD1線虫の作製が完了次第、SOD1線維を発現した大腸菌を食させ、生体内シーディングが引き起こるかどうか解析する。28年度が最終年度であるため、記入しない。生化学、病態生理学28年度が最終年度であるため、記入しない。
機械音響連成現象を利用した圧電振動発電システム

本研究では新しいエネルギー回収システムが考案され,そのシステムは両端に薄肉板を有する円筒構造であり,端板の中央には圧電素子が貼付され,一方の端板には調和成分あるいはランダム成分の点加振力が付加される.本システムでは,端板に供給された振動エネルギーは圧電素子を介して電気エネルギーに変換され,さらに端板から放射された音響エネルギーは機械音響連成を介し,非加振側端板を励振することになる.本研究では端板に供給されるパワーと発電時の電力,及びそれらより求められる発電効率に注目し,本システムの発電特性を理論解析と実験の両面から検討している.今日のエネルギー事情を考慮すれば,省エネルギー技術の進歩は経済発展や地球温暖化の抑制に不可欠な要件であり,様々な分野で取り組まれている.その中でも研究代表者が注目しているのは振動力発電及び音力発電技術であり,両発電共に基本的な方式は振動子に供給される振動エネルギーを圧電素子の圧電効果で電気エネルギーに変換するという単純なものである.本研究では振動子として薄肉のアルミニウム合金製の円板を用い,まず板表面の中央に貼付した圧電素子を板振動に伴う伸縮により発電させ,その発電特性に注目してきた.この発電量は振動振幅に依存するため円板を固有周波数付近で加振させ,円板の振動特性及び発電特性を理論的に検討し,理論解析の妥当性を実験で検証してきた.このような圧電振動発電の特性改善を目的に,上記円形板を両端に配置した円筒構造(以後単一空洞モデルと略称する)を取り上げた.この場合,加振機から供給される振動エネルギーは円板振動を介し,円筒内部音場及びもう一方の端板に伝播する.しかしこのエネルギー流れは一方向に留まらず,板振動(加振側),内部音場,板振動(非加振側)の3系間を伝播することになり,機械音響連成現象が引き起こされることになる.その結果,単一空洞モデルの振動板面積は,円板モデルに比べて2倍に拡大される.さらに円筒を単一円筒の筒長方向に追加した円筒構造(以後連結円筒モデルと略称する)を示したものであり,上記現象が付加された円筒内部音場と仕切り板及び端板の振動との間でも生じることになる.そのため振動板の面積はさらに拡大され,加振機から供給される振動エネルギーの回収には都合が良い.発電量は圧電素子に生じる面内ひずみの大きさだけではなく,上記の通りその面積にも依存することになる.発電特性に及ぼす圧電素子面積の影響を検討するため,圧電素子を同一面上に複数設置することで設置面積の拡大を試みた.1枚の圧電素子を中心に貼付したアルミニウム合金製円板を用いた発電実験において,加振機で点加振力を受ける円板では固有周波数が自由振動時に比べて低周波数側へ移行し,発電時の電力を円板に供給されるパワーで除した発電効率はその周波数で最大になる.この場合,板厚を変更させた特性の推移を理論解析,数値解析及び実験で検討し,各板厚における最高発電効率は板厚の増加に伴い減少する.単一空洞を用い機械音響連成を利用した発電実験では,一方の円板を自由振動時の固有周波数で加振した場合,非加振側の円板における電力が加振側を大きく上回ることになる.また連結空洞を用いた同様の実験では,2つの空洞を仕切っている円板で最大電力を生じることになる.その結果,両タイプの空洞を用いたときの発電効率は,上記円板振動のみの効率に比べてかなり改善されることを明らかにしている.機械音響連成を利用したときの発電効率は円板の板厚と共に増加し,単一空洞では本解析範囲において極大になる板厚が存在すること確認している.一方,連結空洞では効率の増加傾向は維持されるため,上記極大値が生じる板厚以降においては単一空洞との差異は拡大し,連結空洞による改善効果が顕著になることを明らかにしている.本研究では振動子として薄肉のアルミニウム合金製の円板を用い,まず板表面の中央に貼付した圧電素子を板振動に伴う伸縮により発電させ,その発電特性に注目している.この発電量は振動振幅に依存するため円板を固有周波数付近で加振させ,円板の振動特性及び発電特性を理論的に検討し,理論解析の妥当性を数値解析及び実験で検証した.このような圧電振動発電の特性改善を目的に,上記円板を両端に配置した円筒構造を取り上げる.この場合,加振機から供給される振動エネルギーは円板振動を介し,円筒内部音場及びもう一方の端板に伝播することで機械音響連成現象が引き起こされることになる.さらに円筒を単一円筒の筒長方向に追加した円筒構造(以後連結円筒モデルと略称する)を用いれば,上記現象が付加された円筒内部音場と仕切り板及び端板の振動との間でも生じることになる.そのため振動板の面積はさらに拡大され,加振機から供給される振動エネルギーの回収には都合が良い.特に平成28年度は上記の機械音響連成を利用した圧電振動発電が,円板振動のみよる発電に比べて顕著に特性改善されることを理論と実験から明らかにしてきた.上記は円板の固有周波数で加振した結果から検討されたものであり,実環境下を想定すればランダム加振での検討も必要である.実験装置はこれまでのものを流用することになるが,準備段階の実験からランダム加振時の発電特性は,円板振動のみによる発電と円筒構造を用いた発電の双方において,円板の固有周波数による加振に比べて極めて抑制されることが分かっている.

そこでランダムな振動成分から円板の固有モード成分を抽出するため,付加質量を円板表面に設置することで連結円筒モデルにおける仕切り板の固有振動特性を調整し,構造振動系と内部音場とのマッチングを試みた。その結果,上記マッチングは,発電特性改善に大きく寄与することを明らかにできた.初年度より,1枚の圧電素子を中心に貼付したアルミニウム合金製円板を用いた発電実験を行っており,加振機により点加振力を受ける円板の固有周波数が自由振動時に比べて低周波数側へ移行することが問題として残っていた.加振機による点加振はロードセルに設置した加振棒を介して負荷されている.そのため加振棒の質量が振動系全質量を増加させることで,点加振時の固有周波数が低周波数側へ移行することを明らかにした.またこの付加質量の影響を抑制するために,加振棒の長さを極力短く設定した実験も試みた.単一空洞を用いた発電実験において両端に同じ板厚の円板を設置し,一方の円板を自由振動時の固有周波数で加振した場合,上記理由で非加振側の円板における電力が加振側を大きく上回ることになる.ただし機械音響連成の利用は両端板での発電促進を目指したものであるため,非加振側端板の薄肉化あるいは付加質量による固有周波数の低周波数化によって,両端板の振動及び内部音場とのマッチングを試みた.その結果,上記マッチングは発電特性を大幅に改善させることを明らかにした.連結空洞において固有周波数特性のマッチングを考慮していない従来タイプの発電実験から,2つの空洞を仕切っている円板で最大電力を生じることは既に分かっていた.そこで単一空洞と同様にマッチングを試み,発電特性が大幅に改善されることを明らかにした.以上は固有周波数の加振による発電実験の結果であるが,本研究では実環境下を想定したランダム加振による発電実験も試みている.円板のみの発電実験においてランダム信号を加振機に供給した加振では,付加荷重,加速度及び電力等の応答は入力信号と異なり,円板の固有周波数成分が卓越することが分かった.そこで連結空洞を用い,卓越成分の周波数で円板振動と音場をマッチングさせた場合,発電特性がランダム加振時に比べて飛躍的に改善することを明らかにした.本研究では,まず円板表面の中央に貼付した圧電素子を曲げ振動に伴う伸縮により発電させ,その発電特性に注目してきた.この発電量は振動振幅に依存するため円板を固有周波数付近で加振させ,その振動特性及び発電特性を理論的に検討し,理論解析の妥当性を数値解析及び実験で検証してきた.このような圧電振動発電の特性改善を目的に,上記円板を両端に配置した円筒構造(以後単一空洞モデルと略称する),及び円筒を単一円筒の筒長方向に追加した円筒構造(以後連結円筒モデルと略称する)を取り上げた.その結果,機械音響連成現象によって単一空洞モデルの振動板面積は円板モデルに比べて2倍に拡大され,連結円筒モデルにおいては追加した円筒構造において連成現象が生じることで発電効率が向上することを確認できた.円筒構造を採用して機械音響連成を利用した場合,発電効率は理論と実験において板厚と共に増加する傾向を呈したが,解析結果がやや過大評価される傾向にあった.一方,機械音響連成を利用しない円板のみの発電効率は理論解析において板厚と共に増大し,単一空洞モデルとの差異はほとんど認められなかった.しかし実験から得られた発電効率は円板の厚肉化に伴い低減し,理論解析結果とは全く逆の傾向を示した.この原因としては理論解析において放射インピーダンスが考慮されていなかったことが挙げられるが,機械音響連成を利用したモデルにおいては空洞内部に音場を想定していたため,上記のような差異が認められなかったものと考えている.
半導体非線形ナノメカニカル素子の研究

梁やカンチレバーなどに代表される機械共振器が持つ非線形性を制御・活用し、このような微小機械素子における新しい物理現象の探索とデバイス応用を目指した基礎研究を行った。その結果、極めて狭い線幅で発振するフォノンレージング動作や、振動モード間のパラメトリック周波数変換による振動振幅の高速制御、音波の伝達を電気的に制御する動的フォノニック結晶素子などの原理実証に成功した。また、これらの手法を活用し、フォノンの量子物理に将来応用可能な、2モードスクイージング手法の実証にも成功した。これらは、これまで受動的な動作が中心であった機械共振器を、能動素子として応用できる可能性を示したものである梁やカンチレバーなどに代表される機械共振器が持つ非線形性を制御・活用し、このような微小機械素子における新しい物理現象の探索とデバイス応用を目指した基礎研究を行った。これらは、これまで受動的な動作が中心であった機械共振器を、能動素子として応用できる可能性を示したものであるこれまで研究を進めてきたパラメトリック周波数変換を用いたナノ機械ロジックの手法における課題点として、機械構造の応答速度の問題があった。今年度、この点を改善するために重要な二つの成果を得た。第一の成果は、異なる振動モードを用いることによるバンド幅の改善である。これまでの同一モード内における周波数変換のみならず、異なる振動モード間における周波数変換を実現し、周波数分解に要する時間を大幅に改善するための基盤技術を得た。本成果はPhysical Review Bに採択された。さらに、この周波数変換の効率を大幅に改善し、異なる振動モード間の強結合を実現することに成功した。この手法により、ナノ機械ロジックのみならず他の様々なナノ機械構造の応用において重要視されている機械構造間の結合動作を、複数の構造を作り込むことなしに実現できる。本成果は量子光学分野における電磁誘導透明化(EIT)を機械構造で実現したことに相当する。この成果はNature Physics誌に掲載された。応答速度に関する第二の成果は、量子計算に用いられているπパルス制御と同様の手法を用いることにより、機械構造の振動状態を高速にスイッチングできる手法の考案である。本成果はApplied Physics Express誌に掲載された。また、結合機械共振器を用いて実験的にデモンストレーションすることにも成功している。これらの実験には主に二次元電子系を組み込んだ機械共振器を用いているが、この機械共振器を使って二次元電子系の物性を調べる研究についても進展を見た。機械共振のQ値の変化より、二次元電子系におけるエネルギー散逸を評価することに成功した。この成果はApplied PhysicsLetters誌に掲載された。一方、半導体の特性を用いた光・機械結合動作においても大きな進展を見ている。GaAsカンチレバーにおける結合メカニズムの解明が進み、さらにはGaAs/AlGaAs構造を新しく用いることにより、レーザー冷却の兆候が確認された。前年度進展した異なる振動モード間の強結合の研究をさらに進展させ、物理的に異なる共振器間をパラメトリック強結合することに成功した。このような結合共振器は、分子を識別して検出する分子センサーアレーや、機械振動を用いて超低エネルギーで信号処理を行うナノ機械プロセッサなどへの応用が期待されている。今回の成果で重要な点は、機械共振器間の結合が、1外部から、2電気信号により、3完全にON/OFF可能な形で、制御できる点である。これに関しNature Physics誌に論文が掲載され、複数の学術会議における講演招待を受けている。また、複数のモードを個別にパラメトリック励振できることを実証し、これを用いてモード間での位相情報を転送する「パラメトロンシフトレジスタ」の動作確認を行った。当初の提案である共振器を複数個作製する代わりに異なるモードを用いることにより、少数の共振器を用いて多数の共振器と同等の動作が実現できることを示した。一方、さらに多くの共振器を結合していくと、従来光に対して研究が進められてきた「フォトニック結晶」と類似の原理により「フォノニック結晶」が実現できる。フォノニック結晶の特徴は、我々がこれまで研究してきた機械共振器とは異なり、機械振動の伝搬制御が可能となる点である。すでにApplied PhysicsLetters誌にフォノントランジスタとしての基本構造の特性に関する論文が採択され、さらに展開した研究結果を投稿中である。メカニカル素子応用に向けた新しい材料の研究も進めている。窒素をわずか1%程度添加することにより、共振幅が2ケタ近く向上する効果を発見しAPEX誌に報告した。また、半導体量子ポイントコンタクトとの集積を行い、極低温で128fm/Hzの変位検出を実現した。昨年度、研究が大きく進捗したパラメトリック機械共振器の研究がさらに進展し、異なる振動モード間で強結合を行うことに成功した。強結合が実現すれば、異なるモード間で情報を交換することが可能となり、また、従来の課題であった機械共振器の高速動作に関しても、コヒーレントな振動制御を行うことにより道が開ける。この結果はNature Physics誌に掲載された。また、結合機械振動子においても同様の強結合を確認し、さらにはパルスポンプ電圧の印加により、古典的ラビ振動ともいえるコヒーレント振動を観測することに成功した。

さらに、この強結合を引き起こすメカニズムを理論的に解明した結果がNew Journal of Physics誌に掲載された。一方、3つのモードをパラメトリックに結合することにより、超音波に対するレーザであるフォノンレーザの動作を実証した。この成果はPhy. Rev. Lett.誌に掲載され、日刊工業新聞に報道された。一方、光と機械構造の結合動作に関しても、大きな進展が見られた。新しく設計したGaAs/AlGaAsヘテロ構造を用いて、半導体の励起子吸収を機械的な振動により検出する新しい手法を開拓し、APL誌に掲載された。この成果は反響を呼び、Nature Photonics誌のNews and Viewsで紹介された。一方、新しい機械共振器構造に関しても進展をみた。代表的なもののひとつはメンブレン共振器であり、そのユニークなモード対称性を用いて論理動作を実証した。さらに最近ではこれらを連結した構造を作成し、スイッチ動作を実証することに成功した。動的なフォノニック結晶素子を実現する基板技術として重要である。我々がこれまで研究を進めてきた機械共振器を多数結合させたフォノニック結晶構造を実現することにより、これまで不可能であった電気的なフォノン伝搬の制御に成功した。さらには非線形性から生じる双安定性を用い、振動波のRAM動作にも成功した。これらの結果は、近年注目されている新しい「フォノンエンジニアリング」と呼ばれる分野におけるブレークスルーとなり得る成果である。フォノンエンジニアリングでは、フォノンの伝搬すなわち音波や熱などの弾性振動波の伝搬制御を目指すものであり、新しいエレクトロニクスの一分野を提供するものとして期待されている。また、昨年度進展したパラメトリック機械共振器の研究がさらに進展し、熱ノイズのスクイージングを実現することに成功した。機械共振器は極限センサとしての応用が期待されているが、その感度の理論限界は熱振動が引き起こすゆらぎであることが知られている。我々が研究を進めているパラメトリック機械共振器を応用すると、この熱揺らぎの分布を圧縮(スクイージング)し、信号に対する熱雑音を低減させることが可能である。もともとこの手法は宇宙物理において重力波を検出する目的で提案されたものであるが、我々は微細な機械共振器に対してもスクイージングが可能であることを実証した。その他、従来から進めているナノ機械パラメトロンの集積化において、周波数多重の手法によるシフトレジスター動作の実証や、コヒーレント制御による機械共振器の高速スイッチングにも成功している。また、新しい演算処理手法として、メカニカルイジングマシンの研究にも着手し、理論検討を行った。26年度が最終年度であるため、記入しない。ナノメカニクス26年度が最終年度であるため、記入しない。