hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
早期被害把握のための地盤震動分布の効率的推定法に関する研究

本研究では,観測データを遂次入手する度に,地震動の空間分布を漸化的に更新するアルゴリズムを提案した上で,平成13年芸予地震時のデータに適用することにより,方法論の妥当性を検証した.ここでは,既知ならびに未知の確率構造を有するSimple Kriging, Univerrsal Krigingによる空間推定手法を示すとともに,それらの確率論的な特性について吟味した.数値解析結果をまとめれば,次のようになる.1.提案した漸化型観測更新アルゴリズムによれば,観測データを入手する度に推定値は更新され,最も確からしい値に漸近するようになる.その結果,推定誤差分散は漸次減少していく.推定点と観測点が一致すると,推定値は観測データと一致し,推定誤差分散は0になる.2.漸化型観測更新法による最終ステップの推定結果は一括処理法による結果と一致した.このことは提案した計算アルゴリズムの妥当性を理論的かつ数値的に証明するものである.これより,観測データの入手状況に応じてリアルタイムに意思決定を行うことができるとともに,未観測点における最大地動を漸化的に推定することが可能となる.3.一部の観測点における最大地動の推定値は観測データと大きく異なった.これはその観測点におけるローカルな地盤条件に左右されて地震動の揺れ易さが決まるためである.推定精度の向上のためには,事前平均値である距離減衰式に地点ごとの揺れ易さの違いを表す指標を導入することが必要となる.以上のことより,提案した漸化型観測更新アルゴリズムの有効性が明らかになった.本研究では,観測データを遂次入手する度に,地震動の空間分布を漸化的に更新するアルゴリズムを提案した上で,平成13年芸予地震時のデータに適用することにより,方法論の妥当性を検証した.ここでは,既知ならびに未知の確率構造を有するSimple Kriging, Univerrsal Krigingによる空間推定手法を示すとともに,それらの確率論的な特性について吟味した.数値解析結果をまとめれば,次のようになる.1.提案した漸化型観測更新アルゴリズムによれば,観測データを入手する度に推定値は更新され,最も確からしい値に漸近するようになる.その結果,推定誤差分散は漸次減少していく.推定点と観測点が一致すると,推定値は観測データと一致し,推定誤差分散は0になる.2.漸化型観測更新法による最終ステップの推定結果は一括処理法による結果と一致した.このことは提案した計算アルゴリズムの妥当性を理論的かつ数値的に証明するものである.これより,観測データの入手状況に応じてリアルタイムに意思決定を行うことができるとともに,未観測点における最大地動を漸化的に推定することが可能となる.3.一部の観測点における最大地動の推定値は観測データと大きく異なった.これはその観測点におけるローカルな地盤条件に左右されて地震動の揺れ易さが決まるためである.推定精度の向上のためには,事前平均値である距離減衰式に地点ごとの揺れ易さの違いを表す指標を導入することが必要となる.以上のことより,提案した漸化型観測更新アルゴリズムの有効性が明らかになった.1)全国の強震記録を収集し,最大地動(最大加速度,最大速度,最大変位,SI値)の確率分布を推定するとともに,距離減衰式,2地点間の相関特性の算定,特性値間の要因分析を行った.2)1)の結果から最大地動が対数正規分布に従うことを確認した.さらに空間補間問題における対数正規Kriging法と条件付確率密度関数(CPDF)法の等価性を調べた.複数地点で観測値が与えられた条件付対数正規確率場において,不偏性・最小誤差分散規範に基づくKriging法とCPDF法の適用から,任意地点における最大地動の最適推定値(条件付平均値),推定誤差分散,条件付分散の相互関係を分析した.3)空間補間の対象領域をある面積を有するブロックに分割し,有限地点における最大地動を基にして未観測ブロックにおける最大地動の空間分布を推定するBlock Kriging法を考えた.この方法は不偏性・最小誤差分散に基づく考え方によるものである.これを簡単な例題に適用し,上記2)の手法による点推定の結果と比較しながら,ブロックの大きさが推定結果に及ぼす影響を分析した.これには多重積分,非線形解の算定を必要とし,計算に長時間を要するので,高機能性・安定計算・高速計算に適したワークステーション一式を新たに購入した.4)最大地動の空間分布を精度よく求めるためには,単一物理量を用いたKrigingではなく,複数の異なる観測情報を活かしたCokrigingを用いる方がよい.そこで場の特性の事前情報の違い(最大地動の平均面が既知か未知か)によって二つの異なる推定法(Simple Cokriging, Universal Cokriging)を展開し,単一物理量の推定法と比較して,Cokriging法の有効性を調べた.本研究では,観測データを逐次入手する度に,地震動の空間分布を漸化的に更新するアルゴリズムを提案した上で,平成13年芸予地震時のデータに適用することにより,方法論の妥当性を検証した.ここでは,既知ならびに未知の確率構造を有するSimple Kriging, Univerrsal Krigingによる空間推定手法を示すとともに,それらの確率論的な特性について吟味した.数値解析結果をまとめれば次のようになる.1.提案した漸化型観測更新アルゴリズムによれば,観測データを入手する度に推定値は更新され,最も確からしい値に漸近するようになる.その結果,推定誤差分散は漸次減少していく.推定点と観測点が一致すると,推定値は観測データと一致し,推定誤差分散は0になる.

2.漸化型観測更新法による最終ステップの推定結果は一括処理法による結果と一致した.このことは提案した計算アルゴリズムの妥当性を理論的かつ数値的に証明するものである.これより,観測データの入手状況に応じてリアルタイムに意思決定を行うことができるとともに,未観測点における最大地動を漸化的に推定することが可能となる.3.一部の観測点における最大地動の推定値は観測データと大きく異なった.これはその観測点におけるローカルな地盤条件に左右されて地震動の揺れ易さが決まるためである.推定精度の向上のためには,事前平均値である距離減衰式に地点ごとの揺れ易さの違いを表す指標を導入することが必要となる.以上のことより,提案した漸化型観測更新アルゴリズムの有効性が明らかになった.
好中球カテプシンGによる乳がん細胞凝集反応とがん転移促進作用の解明

本研究は、乳がん組織に浸潤した好中球の機能に着目し、がんの進行に対する関わりを解明すべく実施した。培養乳がん細胞に対して好中球から分泌されるタンパク質であるカテプシンGががん細胞の凝集塊を形成させた。この実験結果は好中球ががん細胞の悪性化と転移促進に関わっている可能性を示している。本研究はこの細胞凝集のメカニズムを解明し、その成果は学術雑誌に掲載された。がん悪性化も促進している可能性が極めて高いことも明らかにした。今後、がん転移との関わりについて進めていく予定である。平成27年度は、実験計画(1)カテプシンG(CG)による細胞凝集反応を制御するシグナル伝達機構の解明および実験計画(2)CGによって形成されたがん細胞spheroidのcharacterizationに項目を絞って研究を実施した。(1)では、CGにより惹起されMCF-7細胞凝集に関わる細胞内シグナルを解明するため、本反応を阻害する化合物のスクリーニングを行った。axitinibやsunitinibなどのmulti-kinase inhibitorとinsulin-like growthfactor-1 receptor (IGF-1R)の阻害剤であるOSI-906が強い阻害作用を示した。抗体アレイによるスクリーニングでもIGF-1Rの活性化を検出したことから、CGによるMCF-7細胞凝集誘導は、CGによるIGF-1Rの活性化を介していると考えられる。(2)では、CGにより形成されたMCF-7細胞のspheroidの内部が低酸素状態に陥り、低酸素誘導因子(HIF)が発現しているかを検討した。HIF-1は血管内皮細胞成長因子(VEGF)やP糖タンパク質(Pgp)の発現を誘導するため、CGが血管新生や抗悪性腫瘍薬に対する耐性獲得を付与する役割を果たすかもしれない。CGによりVEGFやPgpの発現が誘導されているかについても検討した。ウェスタンブロットと免疫染色によってHIF-1aの検出を試みたが、その発現量は検出限界以下であった。しかし、細胞の培養条件の検討が不十分である可能性もあるため、今後引き続き検討していく。一方、VEGFの発現量はCGで誘導したspheroidではコントロールと比べて120%に増加していた。Pgpの発現は現在検討中である。平成27年度の実験計画(1)は予定どおり進行している。実験計画(2)は若干進行が遅れている。予想に反してHIF-1の発現が確認できなかったことが原因である。これが実験の技術的問題、特に細胞の培養条件の問題なのか、それとも本当にCGがHIF-1の発現が誘導しないのかを、慎重に検討する必要がある。平成28年度は、実験計画(1)カテプシンG (CG)による細胞凝集反応を制御するシグナル伝達機構の解明、実験計画(2)CGによって形成されたがん細胞spheroidのcharacterization、実験計画(3)CGによって形成されたがん細胞spheroidのin vivo転移促進作用の検討に関する研究を遂行した。(1)では乳がん細胞MCF-7に対してCGにより惹起され細胞凝集を引き起こす細胞内シグナルを詳細に解析した。前年度にこのシグナルがinsulin-like growthfactor receptor (IGF-1R)を介することを解明した。IGF-1Rを中和抗体やsiRNAで阻害したところ、細胞凝集反応が顕著に抑制された。従って、本反応がIGF-1シグナル経路の活性化を介して起こると結論した。この成果をCancer Scienceに投稿した。(2)では前年度に引き続きCGによって形成された乳がん細胞spheroidの内部が低酸素状態に陥り、低酸素誘導因子(HIF-1)が発現しているかを検討した。細胞の培養条件やspheroid形成誘導の条件を詳細に検討したが、HIF-1の発現は検出限界以下であった。HIF-1によって発現誘導される多剤排出トランスポーターであるP-glycoproteinの発現も確認できなかった。従って、CGにより形成された乳がん細胞spheroidは低酸素状態になっていないと結論した。(3)について、当初の予定ではCGによるがん細胞spheroid形成がin vivoでも起こっているかを検討するため、好塩基球細胞株RBL2H3にCG遺伝子を安定発現させるはずであった。しかし実験(2)の結果がネガティブで条件検討のために想定以上に時間を要してしまったため、(3)を遂行することができなかった。平成29年度に行う予定である。平成28年度の実験計画(1)は全て完了し、その成果をCancer Scienceに投稿した。実験計画(2)もほぼ完了したが、予想に反してCGにより誘導した乳がん細胞spheroidは低酸素状態になっていなかった。細胞の培養条件を詳細に検討したため、想定以上に時間を要してしまった。そのため、実験計画(3)が遂行できなかった。平成29年度は実験計画(2)および(3)を主に遂行した。実験計画(2)について、昨年度までの実験結果ではCGによって形成されたがん細胞spheroidが低酸素に陥っておらず、抗悪性腫瘍薬の細胞外排出に関わるP-glycoprotein(Pgp)の発現が誘導されていないと考えていた。しかし再度培養条件を検討したところ、低酸素状態で発現し低酸素環境への適応を導く転写因子であるhypoxia-inducible factorの発現が確認できた。また、Pgpの発現および基質となる抗悪性腫瘍薬の細胞外排出を検討していたが、実験条件の検討に時間を要し、完了しなかった。

よって、CGによって誘導される乳がん細胞spheroidは低酸素に陥っているが、抗悪性腫瘍薬への耐性を獲得しているかについてはまだ確認できていない。実験計画(2)について、CGによるがん細胞sphe roid形成がin vivoでも起こっているかを検討するため、CGの持続的供給源として好塩基球細胞株RBL2H3にCG遺伝子を安定発現させたクローンを得た。当初の予定ではこのCG発現細胞と乳がん細胞MCF-7をマウスに移植し、転移コロニーの形成数を検討する予定であった。しかし、実験計画(3)の条件検討に時間を要し、遂行できなかった。研究機関全体を通じて、実験計画(1)は全て完了し、平成29年度に本研究結果がCancer Scienceに掲載された。本研究成果は乳がん組織に浸潤した好中球ががん転移を促進する可能性を示唆している。実験計画(2)は7割程度完了した。これまでの実験結果は好中球プロテアーゼによって形成されたがん細胞凝集体が低酸素に陥り、抗悪性腫瘍薬への耐性や血管新生を誘導している可能性が極めて高いことを示している。今後1年以内に実験を完了し、その成果を学術雑誌に投稿する予定である。実験計画(3)は3割程度しか完了していない。今後の課題である。本研究は、乳がん組織に浸潤した好中球の機能に着目し、がんの進行に対する関わりを解明すべく実施した。培養乳がん細胞に対して好中球から分泌されるタンパク質であるカテプシンGががん細胞の凝集塊を形成させた。この実験結果は好中球ががん細胞の悪性化と転移促進に関わっている可能性を示している。本研究はこの細胞凝集のメカニズムを解明し、その成果は学術雑誌に掲載された。がん悪性化も促進している可能性が極めて高いことも明らかにした。今後、がん転移との関わりについて進めていく予定である。研究計画は、おおむね交付申請書に記載した通りである。大きな変更はない。ただし、平成27年度の実験計画(2)が少し遅れているため、こちらも平成28年度に実施する。研究計画は概ね交付申請書に記載した通りに進行している。ただし、平成28年度の実験計画(3)が遂行できていない。これは平成29年度に実施する予定である。腫瘍免疫学平成27年度の実験計画(2)が少し遅れたため、物品費に未使用額が生じた。完了できなかった平成27年度の実験計画(2)は平成28年度に実施する予定である。平成28年度の実験計画(3)が実施できなかったため、物品費に未使用額が生じた。この実験計画は平成29年度に実施する予定である。平成27年度の実験計画(2)の未完了分の使用にあてる。平成28年度の実験計画(3)を遂行するために使用する。
発達性ディスレクシアの読字に関わる神経基盤の解明

年齢のマッチングと除外者の補充のためをディスレクシア児・定型発達児のデータのfMRI課題中の脳活動、安静時脳活動、脳構造画像(T1強調画像、DTI)の追加収集を行い、実験協力者全体を対象に、課題中の行動データと脳活動、安静時脳活動、脳形態、白質繊維走行について解析を行った。まず、文字間隔課題の行動データの結果では、定型発達が標準、2文字間隔、4文字間隔と文字間隔を拡大させると正答率の低下、反応時間の延長が確認され、ディスレクシアでは、標準から2文字間隔へと拡大しても、正答率・反応時間とも変わらず、2文字から4文字間隔へ広がると正答率は変化せず反応時間が延長した。これは定型発達では、単語視覚形状を使った読字処理ができなくなるのに対して、ディスレクシアではこの処理がうまく行えないためと解釈できる。この課題中の脳活動解析では、定型発達、ディスレクシアともに文字間隔拡大に伴って、左の舌状回、鳥距皮質、右舌状回などへ活動領域が増大する傾向が見られたものの、両群に有意差はなかった。また、脳構造解析として局所灰白質量、白質繊維走行の解析結果では、多重比較補正をすると両群間に有意差は見られなかった。安静時脳活動の解析では、脳領域間の因果関係がある結合を解析し、そのネットワークが持つ情報を用いて、ある被験者が定型発達かディスレクシアかを判別できるかを検証した。その結果、言語に関係する左半球の紡錘状回、上側頭回、下前頭回三角部で構成されるネットワークの結合パラメータを用いると、ディスレクシアか定型発達かの実測値と予測値に有意な関連が確認された。この結果から、安静時fMRIから求めた言語処理に関連する領域間結合がディスレクシアと定型発達の差を特徴付けること,その結合パラメータを用いるとディスレクシアの判別が可能であることが示された。本結果は、診断の改善に寄与する可能性を持つと考えられる。(1)発達性ディスレクシアのfMRI研究の概観これまに行われてきた発達性ディスレクシアのfMRI研究を概観するために、先行研究の調査を行った。その結果を総説にまとめ、「発達性ディスレクシアの脳機能画像」(Clinical Neuroscience Vol.33 (15年) 08月号)として刊行した。(2)発達性ディスレクシア児の読字能力及び関連する認知能力の実態把握方法の情報収集大阪医科大学LDセンターの協力を得て、スクリーニングや各種検査について、詳細に情報収集をすることができた。さらに、実際に発達障害児の検査の様子を見学することで、データのみでは実感できない発達障害児の行動特性を理解することができた。検討すべき点として、ディスレクシアの症状が他の発達障害と合併している場合が多いという点である。実験協力者の募集時に留意する必要があることが明らかになった。(3)上記実態に対応した心理実験並びにfMRI実験課題の作成視覚刺激提示プログラムを用いて、ひらがな4文字の語彙判断課題を作成した。この課題では、いくつか条件で表示された単語を黙読し、それが日本語の実語か非語かを判断する。文字間隔の変化が読みにどう影響するかを見るため、通常の文字間隔から、狭くした場合、広げた場合の複数条件を設定する。刺激として用いる単語は、最も読みの抵抗が小さいひらがなに限定する。文字の親密度の統制として、小学生から成人までの年齢を対象にするため、就学の効果が関係しないように、NTTデータベースの日本語の語彙特性に従って、単語の親密度の高低を調整する。単語表示時間は、非常に短時間(例えば200ミリ秒)に設定し左から右へのサッカードを抑制する。上記の条件で試作した課題に対し、日常的にディスレクシア児を指導している言語聴覚士の方々から意見をいただき、文字刺激の改善を行うことができた。遅れた理由として主に2つあげられる。1点目は、実験協力者の募集環境の変化である。申請時では福島県立医科大学での研究を想定して計画を立てた。発達性ディスレクシア児の実験協力者は、平成26年度、私が中心に行っていた東北大学加齢医学研究所での発達性ディスレクシア児の脳形態研究の被験者群を想定していた。平成27年度は、京都大学こころの未来研究センターへ移り、新たな実験協力者をリクルートする必要が生まれたため、大阪医科大学LDセンターに協力を依頼し、LDセンターでケアを受けているディスレクシア児の実態について情報を収集するために時間を要した。2点目は、行動実験及びfMRI実験に用いる課題作成である。前述の大阪医科大LDセンターのスタッフから発達性ディスレクシア児の読み書き能力、認知能力、視知覚能力等のデータ所得方法について情報収集を行った。特に、ディスレクシアであるか否かのスクリーニングや、障害を軽減するためのトレーニング方法について、詳細に把握するために、LDセンターでの検査や訓練を見学したり、カンファレンスに参加したりし、具体的な検査も項目等を検討してきた。これらの情報収集に時間を要した。以上が、平成27年度の進捗が遅れた理由である。(1)発達性ディスレクシア(以下、ディスレクシア)の読字中の脳活動計測課題の設計文字間隔の変化が、ディスレクシアの読字にどう影響するかを調べるfMRI課題の設計を行なった。併せて、漢字とひらがなの文字種の違いによる読字中の脳活動の違いを調査する課題についても検討した。(2)fMRI実験のための基礎資料の収集1ディスレクシア児の単語

読字に及ぼす文字間隔の影響の調査:大阪医科大学LDセンターに通所するディスレクシア児と定型発達小児を対象に、文字間隔を0から2文字までの3段階に変化させた、ひらがな4文字の単語(実在語と非実在語の2種)を読んでもらい、その音読時間と正答率を調査した。2定型発達者の単語読字に及ぼす文字間隔の影響の調査:定型発達成人を対象に、9種類の文字間隔で表記したひらがな4文字の実在語と非実在語の音読時間を測定した。実在語は親密度が高い語を選定し、非実在語は実在語の文字を用いた無意味語を作成し、刺激として用いた。次いで、定型発達小児を対象に同様の調査を行なった。標準の文字間隔での音読時間で他の文字間隔での音読時間を除した値を用いて分析を行なった結果、実在語では、ある文字間隔を越えると音読時間が悪化するが、非実在語では、文字間隔の影響による音読時間の変化はなかった。この傾向は、小児でも同様に見られた。実在語では、単語を文字列の視覚的まとまりであるVisual Word Form(VWF)として認識し素早く読むことができるが、ある文字間隔を越えるとVWFを認識がしにくくなり、音読時間が増加することが確認できた。また、非実在語では、文字列は意味を持たずVWFがないので、1文字ずつ逐次読みを行うしかなく、文字間隔の変化が音読速度に影響を与えないと解釈できる。これら予備調査により、fMRI実験の刺激設定の基準を得ることができた。fMRI実験では、文字間隔の変化が読字のパフォーマンスに影響を及ぼすことを確認した上で、行動データの差に対応した脳活動を検出することが望ましい。日本語において、文字間隔の変化と読字成績の関係を調査した先行研究がないため、fMRI実験の前に行動実験を行い、日本語の読字に文字間隔の変化が影響するのか、確かめる必要があった。平成28年度はこの調査に十分時間をかけ、fMRI実験の準備を整えた。ディスレクシア児及び定型発達児を対象に、文字間隔を変化させたひらがな4文字の単語及び非語を刺激とした語彙判断課題を行い、課題遂行中の脳活動をfMRIを用いて計測した。同時に、脳構造、安静時脳活動も計測した。熟達した読み手は、単語を文字列の視覚的まとまりであるVisual Word Form(VWF)として認識し素早く読むことができるが、ある文字間隔を越えるとVWFを認識がしにくくなる。fMRI実験に先立って、小児においても文字間隔の拡大によって音読時間が増加することを確かめるため、定型発達児と成人を対象とした行動実験を行なった。結果、VWFに基づく単語認識は成人同様、小児においても確立していることが確認できた。fMRI実験で用いる単語・非語呈示の文字間隔は、この行動実験から、標準、2文字間隔、4文字間隔の3条件とした。fMRI課題の反応時間の結果を、単語・非語の刺激の違い、3段階の文字間隔の変化、ディスレクシアと定型発達の群間の差によってどう変化するかを検討した。結果として、単語か非語の違いにより文字間隔の影響が異なること、文字間隔が読字処理に与える影響はディスレクシアと定型発達では異なることとが、確認できた。また、課題中の脳活動には、群、刺激、文字間隔に対応した違いが、いくつかの脳領域で見られた。
化学反応を伴う液相乱流に関する研究

本研究は,(1)液相乱流における微小スケールの濃度拡散場および化学反応場の特性の解明と,(2)確率密度関数法に基づく反応性乱流に対する数値計算手法の構築を目的として行われている.以下に,本年度の研究の進捗について述べる.研究目的(1)に関して,液相乱流中の物質拡散では拡散物質の分子拡散係数が小さく,乱流場と拡散場の構造の最小スケールに大きな差が生じる.そこで,自由せん断流れにおける物質拡散の直接数値計算(DNS)を様々な分子拡散係数に対して行い,物質拡散場の分子拡散係数に対する依存性について調査した.その結果,乱流による流体の取り込みに伴う物質輸送において,乱流・非乱流領域間の界面層領域における乱流特性が重要となることが明らかとなった.また,界面層領域を通過する流体の運動の特性は界面内の位置によって大きく変化し,界面外層領域では粘性による渦拡散が,界面内層領域では小スケールの渦構造が取り込まれる流体の運動を支配することがわかった.また,様々な分子拡散係数に対して噴流拡散場のImplicit Large Eddy Simulation (LES)を行い,実験やDNSとの比較からImplicit LESの有効性を示した.研究目的(2)において,計算粒子による反応場の計算とLESによる流れ場の計算を組み合わせた反応性乱流場の数値計算手法を提案した.この計算手法では,分子拡散の効果を適切にモデル化することが重要となる.そこで,空間的に分布する粒子群の相互作用を基にした分子拡散モデルを提案し,同モデルを用いた計算粒子とLESによる反応性乱流場の数値計算手法を噴流や格子乱流中の反応場へ適用した.計算結果を既存の実験結果などと比較することで,本計算手法により,様々な分子拡散係数に対して反応場の統計的特性を精度よく予測できることを実証した.27年度が最終年度であるため、記入しない。27年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では液相乱流中で反応性拡散物質の瞬時濃度を高い空間分解能で計測できる濃度測定システムの開発を行った.新たに開発した濃度計測システムは,過去の研究で用いられてきた計測装置を改良することで計測の空間分解能を向上させたものである.濃度計測システムと流体の速度を計測するための熱膜プローブを用いて化学反応を伴う液相噴流中で濃度・速度の同時計測を行い,液相噴流中の反応場と速度場の統計的性質について調査した。その結果,新たに開発した濃度計測システムは従来のものより空間分解能が向上しているため,開発した濃度計測システムを用いることで,従来の装置では計測することができなかうた小さいスケールでの濃度変動を計測できることが確認できた.さらに,反応性物質の平均濃度や乱流フラックスなどの統計量や噴流中の乱流・非乱流界面近傍で生じる反応場の特性が明らかにされた.こうした実験による反応場の測定結果は反応性乱流に対して提案されてきた様々な数値計算モデルの検証・評価を行う上で非常に重要である.流れ場・反応場の支配方程式を数値計算により解く直接数値計算法(DNS)の数値計算コードを構築した.この数値計算コードを用いて,化学反応を伴う二次元噴流のDNSを行い,噴流中で生じる反応場の可視化や統計量の算出を行うことで噴流中の化学反応について調査した.さらに,速度場をDNSにより解き,反応場を分子混合モデルを用いた確率密度関数法により予測する計算手法(DNS-PDF法)を開発した.本研究では,分子混合モデルで用いられる混合時間スケールに対する新たなモデルを提案した, DNS・PDF法を二次元噴流中の反応場へ適用し,その計算結果をDNSにより速度場・反応場をともに計算した結果と比較することで混合時間スケールのモデルの有効性を確認した.その結果,本研究で提案したモデルは,モデルパラメータの設定を行うことなく反応性乱流の数値計算に適用できるという利点をもつことが明らかとなった.本研究は,(1)液相乱流における微小スケールの濃度拡散場および化学反応場の特性の解明と,(2)確率密度関数法に基づく反応性乱流に対する数値計算手法の構築を目的として行われている.以下に,本年度の研究の進捗について述べる.研究目的(1)に関して,昨年度に行われた液相噴流における反応性物質濃度と速度の同時計測の結果の詳細な解析を行った.反応性物質の平均濃度の輸送方程式を解いて反応場を予測する場合,支配方程式中に現れる平均反応速度および乱流フラックスをモデル化する必要がある.本実験により得られた噴流中の平均反応速度と乱流フラックスの分布を既存のモデルによる予測値と比較することにより,過去に提案されたモデルの評価を行った.さらに,混合分率に対して条件付けした統計量を詳細に解析し,反応性乱流の数値計算手法の一つであるConditional Moment Closure法で用いられるモデルの検証を行った.その結果,混合分率に対する条件付平均濃度を用いることで液相噴流中の反応場の反応速度を精度よく予測できることが明らかとなった.上記実験に加えて,昨年度に行った二次元噴流中の反応場の直接数値計算のデータベースを解析し,噴流中の乱流領域と非乱流領域を分ける界面領域の特性と反応性物質の拡散場の関係を明らかにした.研究目的(2)において,乱流物質拡散場を精度よく予測する数値計算手法が重要となる.そこで,本年度はApproximate Deconvolution Model (ADM)を用いたLarge Eddy Simulation (LES)の数値計算コードを開発した.この数値計算コードを用いて,フラクタル格子によって生成された乱流中の物質拡散の数値計算を行った.数値計算結果を実験値と比較した結果,ADMを用いたLESにより格子乱流の統計的性質を精度よく予測できることが明らかとなった.

本研究は,(1)液相乱流における微小スケールの濃度拡散場および化学反応場の特性の解明と,(2)確率密度関数法に基づく反応性乱流に対する数値計算手法の構築を目的として行われている.以下に,本年度の研究の進捗について述べる.研究目的(1)に関して,液相乱流中の物質拡散では拡散物質の分子拡散係数が小さく,乱流場と拡散場の構造の最小スケールに大きな差が生じる.そこで,自由せん断流れにおける物質拡散の直接数値計算(DNS)を様々な分子拡散係数に対して行い,物質拡散場の分子拡散係数に対する依存性について調査した.その結果,乱流による流体の取り込みに伴う物質輸送において,乱流・非乱流領域間の界面層領域における乱流特性が重要となることが明らかとなった.また,界面層領域を通過する流体の運動の特性は界面内の位置によって大きく変化し,界面外層領域では粘性による渦拡散が,界面内層領域では小スケールの渦構造が取り込まれる流体の運動を支配することがわかった.また,様々な分子拡散係数に対して噴流拡散場のImplicit Large Eddy Simulation (LES)を行い,実験やDNSとの比較からImplicit LESの有効性を示した.研究目的(2)において,計算粒子による反応場の計算とLESによる流れ場の計算を組み合わせた反応性乱流場の数値計算手法を提案した.この計算手法では,分子拡散の効果を適切にモデル化することが重要となる.そこで,空間的に分布する粒子群の相互作用を基にした分子拡散モデルを提案し,同モデルを用いた計算粒子とLESによる反応性乱流場の数値計算手法を噴流や格子乱流中の反応場へ適用した.計算結果を既存の実験結果などと比較することで,本計算手法により,様々な分子拡散係数に対して反応場の統計的特性を精度よく予測できることを実証した.液相乱流中で反応性拡散物質の瞬時濃度を高い空間分解能で計測できる濃度測定システムと流れ場・反応場の支配方程式を数値計算により解く直接数値計算法の数値計算コードを初年度に構築した.本年度には,これらを用いた実験や数値計算結果から,乱流中で生じる化学反応の様々な性質や過去に提案されてきた数値計算モデルの妥当性が明らかとなった.こうした成果は既に多数の学術論文や国際会議で発表されているため,研究は当初の計画以上に進展していると評価できる.27年度が最終年度であるため、記入しない。当該年度において, Approximate Deconvolution Modelを用いたLarge Eddy Simulationの数値計算コードが開発され,その計算手法の有効性が示された.今後はこの数値計算手法に確率密度関数法などのラグランジュ的計算手法を組み合わせることにより,化学反応を伴う流れ場の予測手法の確立を目指す.ここでは,本研究の初年度に提案された分子混合モデルと混合時間スケールモデルを用いる.この計算手法による反応性物質拡散場の予測結果を今年度までに行われた実験や直接数値計算の結果と比較することにより,計算手法の有効性について検討する予定である.
粉体の電熱爆発による難焼結性ホウ化物セラミックス複合溶射皮膜合成プロセスの開発

耐熱性ホウ化物セラミックスを用いた複合溶射皮膜を合成するために粉体の電熱爆発を利用した、新しい溶射プロセスを開発することが本研究の目的である。また、本プロセスの規模の拡大に必要な実験手法を見いだすことも目的に含まれる。ホウ化ジルコニウム粉体の電熱爆発と溶射の状態を高速度カメラを用いたシュリーレン法により観測した。また、粉体に印加された電圧と流れる電流の変化を測定し、それを基に粉体に加えられた電気エネルギーを算出した。その結果、粉体を溶融するために必要な理論値の23倍の電気エネルギーが加えられ、その際に、溶融した液滴群と高密度の気体からなる高速ジェットが発生することを発見した。その速度は秒速3000mに達することが分かった。また、気体の温度は7000K以上と見積もられ、既存の溶射法に比べて本溶射法におけるジェットの速度と温度はともに大きいことが分かった。得られた溶射皮膜の形態を調べたところ、空孔やラメラ構造が見られず、基板の表面層(約50μm)と混合することを発見した。3000K以上の融点を持つセラミックスをサ-メット化せずに単体で使用し、その溶射状態と得られる溶射皮膜は既存の溶射法では得られないものであることを明らかにした。コンデンサーバンクを電源として用いることで溶射の規模の拡大を試みた。現有の大型真空容器に適した大電流用大型電極を作成して真空容器に設置した。ホウ化ジルコニウム粉体を試料として溶射実験を行った。その結果、ジェットの噴出量の増大にともなう運動量の増加のための試料容器本体の反動を抑える治具の必要性を見いだした。また、大規模溶射に適した試料容器の形状を見いだした。今後の研究の展開に有用な知見を見いだすことができた。現有の放電爆発装置を用いて、ホウ化ジルコニウムと窒化ホウ素或いは炭化ホウ素との混合粉体を電熱爆発溶射して、複合セラミック皮膜の合成法の開発を研究目的としている。3000°C以上の高融点の粉体試料を室温から融点まで通電加熱でき、試料を爆発的に外部に放出できる試料容器を作製することが先ず必要である。そのためにホウ化ジルコニウム単体の粉体を用いて独自に設計した試料容器に充填して溶射を行った。この容器は試料を一方向に溶射させる目的で作製されたものであり、容器の一部に適当な大きさの圧力解放部を設けてある。容器の肉厚を増加することにより爆発までの時間を長くすることができ、試料の加熱、溶融を行うことができることを見出した。電気的な計測により粉体試料の全てを融点まで加熱するのに必要なエネルギーを供給できることを見出すとともに、走査型電子顕微鏡による溶射皮膜の表面と断面の観察から、初期の粒子形状をとどめないほどに加熱された溶融粒子の堆積により皮膜が形成できることを明らかにした。また、皮膜中には空孔は見られず極めて緻密であることが分かった。融点が3880°Cであり無機物中最高の融点を有する炭化タンタルを爆発溶射した場合にも皮膜が形成できることを確認した。X線回折とX線光電子分光法により皮膜の構造と化学組成を調べたところ出発試料の分解や不純物の混入などは無視できることが分かった。上記の容器を用いてホウ化ジルコニウムと窒化ホウ素を混合した粉体を電熱爆発溶射して皮膜の合成実験を行った。その結果、窒化ホウ素は一部分、昇華するが皮膜中に取り込めることが可能であることが分かった。

また、皮膜中の窒化ホウ素は均一に分散していることが分かった。現在は、昇華を抑制する方法を探索中である。現有の高速CCDカメラを用いたシャドウグラフ法により、溶融した試料の溶射状態を視覚化してその場観察を行うために、光学系の設置を行い、観察を開始した。研究成果を学会にて公表した。耐熱性ホウ化物セラミックスを用いた複合溶射皮膜を合成するために粉体の電熱爆発を利用した、新しい溶射プロセスを開発することが本研究の目的である。また、本プロセスの規模の拡大に必要な実験手法を見いだすことも目的に含まれる。ホウ化ジルコニウム粉体の電熱爆発と溶射の状態を高速度カメラを用いたシュリーレン法により観測した。また、粉体に印加された電圧と流れる電流の変化を測定し、それを基に粉体に加えられた電気エネルギーを算出した。その結果、粉体を溶融するために必要な理論値の23倍の電気エネルギーが加えられ、その際に、溶融した液滴群と高密度の気体からなる高速ジェットが発生することを発見した。その速度は秒速3000mに達することが分かった。また、気体の温度は7000K以上と見積もられ、既存の溶射法に比べて本溶射法におけるジェットの速度と温度はともに大きいことが分かった。得られた溶射皮膜の形態を調べたところ、空孔やラメラ構造が見られず、基板の表面層(約50μm)と混合することを発見した。3000K以上の融点を持つセラミックスをサ-メット化せずに単体で使用し、その溶射状態と得られる溶射皮膜は既存の溶射法では得られないものであることを明らかにした。コンデンサーバンクを電源として用いることで溶射の規模の拡大を試みた。現有の大型真空容器に適した大電流用大型電極を作成して真空容器に設置した。ホウ化ジルコニウム粉体を試料として溶射実験を行った。その結果、ジェットの噴出量の増大にともなう運動量の増加のための試料容器本体の反動を抑える治具の必要性を見いだした。また、大規模溶射に適した試料容器の形状を見いだした。今後の研究の展開に有用な知見を見いだすことができた。
近赤外線分光法 fNIRS による排尿に応じた脳活動測定

我々は、座位ウロダイナミクスでの、自然に近い連続蓄尿排尿に呼応した脳活動を、機能的近赤外線分光法(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)を用いて検討した。対象は、排尿筋過活動(DO)を有さない対照群5名(男性1名女性4名;平均年齢61歳[38-70])と、DOを有する群4名(全例男性;平均年齢55歳[33-65])である。前頭葉外側面を関心領域とした酸化ヘモグロビン濃度(oxy-Hb)リアルタイム測定を、座位・閉眼・流水音(ホワイトノイズ)下ウロダイナミクス時に2度行った。初発尿意および最大尿意時に、右手を軽く挙上するよう指示した。その結果、対照群: 1)oxy-Hbは初発尿意より前から緩徐に増加,2)oxy-Hbは蓄尿中緩徐に増加し排尿直後がピーク,3)oxy-Hbは排尿中緩徐に低下,4)排尿不可の者も、排尿企図後oxy-Hbは緩徐に低下,5)賦活部位は両側前頭前野、特にBrodmann 8,10,46野で顕著であった。DO群: 6)初発尿意前のoxy-Hb増加が稀で、前頭前野賦活が弱い傾向がみられたが、その他は対照群と同様であった。すなわち、fNIRSを用いて、座位ウロダイナミクス時、自然に近い連続蓄尿排尿に呼応した前頭前野賦活を確認できた。さらに、抗コリン薬の投与前後で同様の検討を行ったところ、過活動膀胱(OAB)で低下していた前頭前野賦活が正常化する傾向を認めた。本年度、我々は、座位ウロダイナミクスでの、自然に近い連続蓄尿排尿に呼応した脳活動を、機能的近赤外線分光法(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)を用いて検討した。その結果、対照群:1)oxy-Hbは初発尿意より前から緩徐に増加,2)oxy-Hbは蓄尿中緩徐に増加し排尿直後がピーク,3)oxy-Hbは排尿中緩徐に低下,4)排尿不可の者も、排尿企図後oxy-Hbは緩徐に低下,5)賦活部位は両側前頭前野、特にBrodmann8,10,46野で顕著であった。DO群:6)初発尿意前のoxy-Hb増加が稀で、前頭前野賦活が弱い傾向がみられたが、その他は対照群と同様であった。上記を国際学会で発表し、英文誌に発表した。Sakakibara R etal. Neurourol Urodyn 2010参照。非侵襲的神経イメージング(non-invasive neuroimaging)の中で、自然に近い環境で施行できる近赤外線分光法(fNIRS)を用いて、排尿に応じた脳活動を測定する。排尿に応じたfNIRS脳活動測定は、世界で初めての試みである。従来明らかでなかった、過活動膀胱、膀胱痛、神経因性膀胱、心因性排尿障害などによる膀胱知覚の異常をfNIRS脳活動測定により明らかにできる可能性がある。

今年度下記の研究を行った。目的-抗コリン薬の高齢者認知機能に対する影響が広く知られている。一方、新規抗コリン薬(頻尿・尿失禁治療薬)イミダフェナシンの認知機能に対する影響は良く知られていない。我々はこの点について検討した。対象と方法-神経疾患によりOAB(排尿筋過活動)を有する62名(男性25名女性37名;平均年齢70歳)に対して、イミダフェナシン0.2mg/日を3か月間投与前後で、排尿症状の問診と認知機能検査(MMSE,FAB,ADAScog)を施行;このうち35名に対して、ウロダイナミクス施行(8名で前頭葉の近赤外線分光同時測定)した。結果-イミダフェナシン投与後、A)排尿機能の問診:夜間頻尿(2.6→2.0,p<0.05),尿意切迫感(毎日→週1回,p<0.05),排尿QOL(困る→少し困る,p<0.05)が改善;ウロダイナミクス:排尿筋過活動の頻度は不変(22/35→19/35)だが、初発尿意(223ml→266ml,p<0.05)が増大;fNIRSにより、検査開始初発尿意間の前頭葉(Brodmann 8,10野上部)血流が増大;B)認知機能:変化なし(MMSE21.8→22.1,FAB10.7→11.1,ADAScog14.8→14.4)。結語-末梢性ムスカリン受容体遮断薬イミダフェナシンは、中枢への移行が少ないことが報告されている。一方、頻尿患者では前頭葉排尿中枢の不活化がみられる。本検討の結果から、イミダフェナシンは膀胱末梢遠心/求心路遮断と、2次的排尿中枢活性化により、認知機能を変化させることなく、高齢者の夜間頻尿を改善させたと考えられた。我々は、座位ウロダイナミクスでの、自然に近い連続蓄尿排尿に呼応した脳活動を、機能的近赤外線分光法(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)を用いて検討した。対象は、排尿筋過活動(DO)を有さない対照群5名(男性1名女性4名;平均年齢61歳[38-70])と、DOを有する群4名(全例男性;平均年齢55歳[33-65])である。前頭葉外側面を関心領域とした酸化ヘモグロビン濃度(oxy-Hb)リアルタイム測定を、座位・閉眼・流水音(ホワイトノイズ)下ウロダイナミクス時に2度行った。初発尿意および最大尿意時に、右手を軽く挙上するよう指示した。その結果、対照群: 1)oxy-Hbは初発尿意より前から緩徐に増加,2)oxy-Hbは蓄尿中緩徐に増加し排尿直後がピーク,3)oxy-Hbは排尿中緩徐に低下,4)排尿不可の者も、排尿企図後oxy-Hbは緩徐に低下,5)賦活部位は両側前頭前野、特にBrodmann 8,10,46野で顕著であった。DO群: 6)初発尿意前のoxy-Hb増加が稀で、前頭前野賦活が弱い傾向がみられたが、その他は対照群と同様であった。すなわち、fNIRSを用いて、座位ウロダイナミクス時、自然に近い連続蓄尿排尿に呼応した前頭前野賦活を確認できた。さらに、抗コリン薬の投与前後で同様の検討を行ったところ、過活動膀胱(OAB)で低下していた前頭前野賦活が正常化する傾向を認めた。上記を国際学会で発表した。現在英文誌に投稿中である。上述の如く、NIRSを含めた結果を得ることができ、その結果を国際学会で報告した。24年度が最終年度であるため、記入しない。NIRS症例を増加し、さらに確実な結果を得るようにしたい。
Ｄ１/Ｄ２ドーパミン受容体発現操作マウスによる運動制御と学習記憶機構の理解

(1)代表者らが作製したD1Rノックダウン(D1RKD)マウスは、ドキシサイクリン(Dox)投与でD1Rが欠損すると運動量が減少する。大脳基底核神経細胞の電気生理学的解析により、直接路の投射先(脚内核)と、間接路の投射先(淡蒼球外節)の活動は、大脳皮質刺激による運動指令は大脳基底核の3つの経路により脚内核に達し、正常では3相性(興奮-抑制-興奮)の神経活動として出力されるが、D1R欠損の場合は2相目の「抑制」の神経活動が消失した。この結果から、D1Rの情報伝達は直接路の伝達と、運動の発現に不可欠であること、直接路の信号の動的な伝達の減少が本質的な変化であることを見出している。D1RKDマウスにDoxを投与し、D1R欠損の時期に、運動学習能力をRotarodにより、学習記憶能力を受動的回避試験により解析した。運動能力を詳細に解析するため、ステップホイール課題を用いて検定した。(3)D1RKDマウスと同様に、Dox投与でD2Rが欠損するD2RKDマウスを作製し、Dox投与によりHome cage運動量の計測を行った。D2RKDマウスの電気生理学的解析に先立ち、覚醒下のD2Rノックアウト(KO)マウスにおいて淡蒼球外節の神経活動を記録し、自発活動および大脳皮質の電気刺激に対する応答様式を調べた結果、D2Rを介する情報伝達は、間接路を介する情報伝達に対して抑制性に作用することがわかった。(1) D1Rノックダウン(D1RKD)マウスを用いて、Rotarod試験およびステップホイール試験による運動学習、受動的回避試験による学習記憶の成績を解析したところ、成熟期にD1RKDマウスをD1R欠損とすると、D1R単純欠損マウスよりもいずれの試験の成績が低下し、D1R発現を回復させると、運動学習試験の成績、学習記憶試験の成績が回復したことから、成熟期の直接路の情報伝達が、運動学習および学習・記憶に重要である結果を得た。ステップホイールを用いた走行能力解析の結果、DoxによりD1Rを欠失した状況下のD1RKDマウスは、走行能力が顕著に低下していることを見出した。(2) D1R KDマウスとArc-dVenusマウスとの複合マウスを用いて、Dox投与によるD1R欠損の状態の下で、電気刺激による忌避刺激を行った結果、野性型マウスでは広範囲にわたる大脳皮質の神経細胞の活性化が見られることに比べ、D1R欠損の状態のD1RKDマウスでは大きく抑制される結果を得た。(3) Dox投与でD2Rが欠損するD2RKDマウスが作製できたので、Dox投与でD2Rが欠損した状態でHomecage運動量の計測を行ったところ、Dox投与4週後に運動量が低下している結果を得た。現在、D2R遺伝子発現量と様式の解析を行っている。D2RKDマウスの電気生理学的解析に先立ち、比較のためにD2RKOマウスの神経活動の解析を行い、大脳基底核内情報伝達におけるD2Rの機能解明に迫る結果を得た。(4)Creドライバー依存的にD2RS欠損を惹起するマウスの作製に関して、生殖系列遺伝するノックインマウスの樹立に成功し、現在ネオマイシン耐性遺伝子を除く交配をおこなっている。(1)走行運動に脳のどの部位のD1Rが必要かを調べるために、線条体に局所的にD1R阻害薬を投与する。D2Rノックダウンマウスについてもステップホイールで運動能力を測定する。記憶学習能力の検定のため、恐怖条件づけ、タッチパネル学習試験等の行動試験を行う。(2)マウス全脳における統計的な比較解析を推進するために、個体ごとのイメージングデータを共通の参照脳に統合し、各解剖学的領域における活動変化を定量的に評価可能な解析基盤を整備する。また、cFos-GFPマウスとの複合マウスを作製し、学習記憶の試験時において活性化する神経細胞の解析を全脳レベルで行う。また、磁気共鳴イメージング(MRI)により、D1R欠損の状態の画像的解析を行う。(3)D2RKDマウスでは、D2Rが発現している状態と発現していない状態における運動パフォーマンスと神経活動の違いを、同一個体において比較することができる。これらの解析を行うことにより、大脳基底核内情報伝達と運動制御におけるD2Rの機能解明を目指す。(4)Creドライバー依存的にD2RS欠損を惹起するマウスの作製に関して、生殖系列遺伝するノックインマウスとCreドライバーマウスとを交配させ、当該のD2RS遺伝子の欠損を引き起こした個体を作出して解析に供する。

D1RKDマウスにDoxを投与し、D1R欠損の時期に、運動学習能力をRotarodにより、学習記憶能力を受動的回避試験により解析した。運動能力を詳細に解析するため、ステップホイール課題を用いて検定した。(3)D1RKDマウスと同様に、Dox投与でD2Rが欠損するD2RKDマウスを作製し、Dox投与によりHome cage運動量の計測を行った。D2RKDマウスの電気生理学的解析に先立ち、覚醒下のD2Rノックアウト(KO)マウスにおいて淡蒼球外節の神経活動を記録し、自発活動および大脳皮質の電気刺激に対する応答様式を調べた結果、D2Rを介する情報伝達は、間接路を介する情報伝達に対して抑制性に作用することがわかった。(1) D1Rノックダウン(D1RKD)マウスを用いて、Rotarod試験およびステップホイール試験による運動学習、受動的回避試験による学習記憶の成績を解析したところ、成熟期にD1RKDマウスをD1R欠損とすると、D1R単純欠損マウスよりもいずれの試験の成績が低下し、D1R発現を回復させると、運動学習試験の成績、学習記憶試験の成績が回復したことから、成熟期の直接路の情報伝達が、運動学習および学習・記憶に重要である結果を得た。ステップホイールを用いた走行能力解析の結果、DoxによりD1Rを欠失した状況下のD1RKDマウスは、走行能力が顕著に低下していることを見出した。(2) D1R KDマウスとArc-dVenusマウスとの複合マウスを用いて、Dox投与によるD1R欠損の状態の下で、電気刺激による忌避刺激を行った結果、野性型マウスでは広範囲にわたる大脳皮質の神経細胞の活性化が見られることに比べ、D1R欠損の状態のD1RKDマウスでは大きく抑制される結果を得た。(3) Dox投与でD2Rが欠損するD2RKDマウスが作製できたので、Dox投与でD2Rが欠損した状態でHomecage運動量の計測を行ったところ、Dox投与4週後に運動量が低下している結果を得た。現在、D2R遺伝子発現量と様式の解析を行っている。D2RKDマウスの電気生理学的解析に先立ち、比較のためにD2RKOマウスの神経活動の解析を行い、大脳基底核内情報伝達におけるD2Rの機能解明に迫る結果を得た。(4)Creドライバー依存的にD2RS欠損を惹起するマウスの作製に関して、生殖系列遺伝するノックインマウスの樹立に成功し、現在ネオマイシン耐性遺伝子を除く交配をおこなっている。(1)走行運動に脳のどの部位のD1Rが必要かを調べるために、線条体に局所的にD1R阻害薬を投与する。D2Rノックダウンマウスについてもステップホイールで運動能力を測定する。記憶学習能力の検定のため、恐怖条件づけ、タッチパネル学習試験等の行動試験を行う。(2)マウス全脳における統計的な比較解析を推進するために、個体ごとのイメージングデータを共通の参照脳に統合し、各解剖学的領域における活動変化を定量的に評価可能な解析基盤を整備する。また、cFos-GFPマウスとの複合マウスを作製し、学習記憶の試験時において活性化する神経細胞の解析を全脳レベルで行う。また、磁気共鳴イメージング(MRI)により、D1R欠損の状態の画像的解析を行う。(3)D2RKDマウスでは、D2Rが発現している状態と発現していない状態における運動パフォーマンスと神経活動の違いを、同一個体において比較することができる。これらの解析を行うことにより、大脳基底核内情報伝達と運動制御におけるD2Rの機能解明を目指す。(4)Creドライバー