hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
内部微細構造に立脚した細胞の力学特性計測

細胞の力学特性と細胞骨格の関係は力学的刺激が細胞応答に変換される過程を知る上で重要である.本研究では血管から単離直後の平滑筋細胞(FSMC)とこれを培養した細胞(CSMC)を主な対象とし,自作の細胞用引張試験機でアクチンフィラメント(AF)と微小管(MT)を選択的に破壊した細胞の準静的力学特性と応力緩和特性を計測した.また細胞回転観察装置を試作し,CTの原理を用いて細胞骨格の3次元微細構造を可視化した.これより以下の結果が得られた:1)FSMCはAFが配向する長軸方向が他方向に比べ硬く,CSMCのスティフネスはAF破壊により60%低下した.平滑筋細胞の引張特性にAFが大きく寄与することが確認できた,2)CSMCの応力緩和は,時定数が約1分の早い応答と,約1時間の遅い応答の組合せで表現でき,AFは特に遅い応答への関与が高いことが判った,3)基板付着形状を維持しつつ細胞の引張試験を行う方法を確立し,CSMCの引張特性を計測したところ, AFとMTの破壊によりスティフネスが夫々約70%,30%低下したことからAFだけでなくMTも引張特性に寄与することを明らかにした,4)細胞回転観察装置によりFSMC内部のAFが細胞の長軸方向に螺旋状に配向している様子を観察できた.また,基板付着状態では円盤状であるCSMCの核が,細胞が基板からの剥離し収縮すると座屈することを見出した,5)別途,原子間力顕微鏡で計測したCSMCの局所スティフネスはMTの破壊で上昇傾向にあった。一方,引張試験で得られた培養線維芽細胞(CFB)のスティフネスはMT破壊の影響は受けなかったが, AFの破壊で約75%低下した.以上より,AFのみならずMTも細胞の力学特性へ寄与するが,その程度は細胞種,変形モードにより様々であり得ることが示された。本研究では,細胞の力学特性を支配すると予想される細胞骨格(アクチンフィラメント,微小管,中間径フィラメント)や細胞小器官の細胞内での3次元的配置を詳細に調べる一方,これらをそれぞれ選択的に破壊した細胞について,その力学特性を詳細に計測し,細胞の力学特性と細胞内構造物との関連を定量的に明らかにすることを目的として,4年間の予定のプロジェクトを開始した.計画初年度の本年度は,まず,本研究に必須であるin situ染色法を確立した.すなわち,細胞骨格の発達程度は個々の細胞で大きく異なるため,力学特性を計測したその細胞の細胞骨格を観察する必要がある.そこで,引張試験後の細胞を試験機に取り付けたまま染色する必要がある(in situ染色).染色に際しては細胞周囲の液体を順次交換して行う必要があるが,この際,液体を全て取り除くと表面張力の影響で細胞が把持装置から外れてしまう.そこで細胞が把持されているディッシュ底面と対物レンズの間の空間にある数100μlの液体を常に残しながらディッシュ内の液体を入れ替えられるように工夫することでこれを実現した.本法をサイトカラシンDによりアクチンフィラメントを様々な程度に破壊した培養ラット胸大動脈由来平滑筋細胞に適用した.引張試験後,ローダミン・ファロイジンを用いてアクチンフィラメントを染色し蛍光観察したところ,細胞全体の平均蛍光強度は力学パラメータと相関を持たなかったものの,細胞中心部付近の蛍光強度を細胞全体の蛍光強度で除した値が,細胞の弾性率と有意な相関を有することが判った.細胞の硬さにはアクチンフィラメントの量だけでなく,その分布様態が関連している可能性が示された.

本研究では,細胞の力学特性を支配すると予想される細胞骨格(アクチンフィラメント,微小管,中間径フィラメント)や細胞小器官の細胞内での3次元的配置を詳細に調べる一方,これらをそれぞれ選択的に破壊した細胞について,その力学特性を詳細に計測し,細胞の力学特性と細胞内構造物との関連を定量的に明らかにすることを目的として,4年間のプロジェクトを進めている.第2年度目の本年度は主に以下3課題を検討した.1)細胞骨格破壊方法の検討:微小管および中間径フィラメントをそれぞれノコダゾール,アクリルアミドで破壊する方法を決定するため,線維芽細胞についてまず両細胞骨格の蛍光観察法を確立し,次いで処理条件を探索した.微小管については条件をほぼ確立したが,中間径フィラメントの破壊状態は細胞間で差が大きい点が問題となっている.2)細胞把持回転観察装置の改良:細胞をピペットで把持・回転させて様々な方向から観察することで細胞形状を詳細に知るための細胞把持回転観察装置の開発を進めているが,この装置を改良し,細胞内微細構造の観察が可能なようにした.ピペット先端位置制御機構を抜本的に改良し,ピエゾ素子を用い回転軸を撓ませる方式とし,小型モータを採用することで,従来,顕微鏡用除振台の一杯を使用していた装置を顕微鏡ステージに乗るまで小型化することに成功した.また,細胞内微細構造観察に十分な倍率60倍の対物レンズ下でピペットを1分以内に1回転させることに成功した.3)細胞の異方性の計測:単離直後の平滑筋細胞を細胞長軸方向・単軸方向に引張り,弛緩状態の細胞では長軸方向の方が単軸方向より硬いこと,収縮した細胞では両方向とも硬化し,このような差がなくなることを見出した.そしてこのような差が細胞内アクチンフィラメントの走行に密接な関係のあることを見出した.本研究では,細胞の力学特性を支配すると予想される細胞骨格(アクチンフィラメントAF,微小管MT,中間径フィラメントIM)や細胞小器官の細胞内での3次元的配置を詳細に調べる一方,これらをそれぞれ選択的に破壊した細胞について,その力学特性を詳細に計測し,細胞の力学特性と細胞内構造物との関連を定量的に明らかにすることを目的として,4年間のプロジェクトを進めている.第3年目の本年度は主に以下3課題を検討した.1)細胞骨格破壊方法の検討:各種細胞骨格に対する重合阻害薬の濃度や処理時間を変えつつ,個々の細胞骨格についての最適条件の探索を続けたが,IMの破壊状態に関してはまだ安定した条件を確立中である.2)細胞把持回転観察装置の改良:昨年度に続き細胞把持回転観察装置の改良を進めた.シャーレ内の任意の細胞が把持できるようにして操作性の向上を図った.また本装置を共焦点レーザ顕微鏡に組み込み,共焦点スタック画像から得た細胞の厚み方向を含む断面像と実際に細胞を90°回転させて得た像を比較し,3次元再構成像の質が実際の像に比べ,かなり低いことを確認した.3)骨格を破壊した細胞の力学特性の計測:張力緩和を用いて主にAF破壊が平滑筋細胞粘弾性特性に対する影響を評価した.まず張力緩和曲線の形状を精査し,張力緩和のプロセスが時定数約60秒と3600秒の2つの緩和曲線の重ね合わせと見做せることを見出した.AFの重合を阻害すると,弾性係数は両方の時定数に関与するものがほぼ等しく半減したのに対し,時定数は長い方のみ優位に減少し,1800秒程度となった.
台湾南西沖冷湧水炭酸塩岩形成へのメタンハイドレートの影響評価

台湾南西沖の南シナ海大陸棚斜面に分布する海底メタン湧水は、地形に規制されたメタンの集積がメタンハイドレートのキャップ構造を形成し、その頂部から海底面へ流体が上昇することに起因している。この海底メタン湧水に伴われる冷湧水炭酸塩岩の形成には、メタンハイドレートの分解水が部分的に関与していた。微生物による二酸化炭素の還元によって形成されたメタンと噴出ガス中の硫化水素によって、熱水噴出孔と同様な化学合成生物群集が冷湧水域にも生息していると推定される。本研究で対象とする試料・データは、平成19年3月16日23日に台湾南西沖海域にて実施された調査(5日間にわたる無人探査機による潜航調査と海底地形・構造探査)で得られたものである。悪海況のために十分な調査と試料採取が行えなかったが、南シナ海大陸斜面に位置するFormosa Ridge(水深1150m)にて3潜航調査を行い、炭酸塩岩や水試料等の底質試料を採取し、分析等を実施した。Formosa Ridgeは海底谷による浸食によって形成されており、音波探査の結果から堆積層はほぼ水平であり、海底下400500ms(往復走時)に明瞭なBSRが認められ、メタンハイドレートの胚胎が推定されるとともにガスの胚胎も確認された。リッジ頂部にはメタンガス噴出を伴うメタン湧水域が分布し、沖縄トラフ域の熱水噴出孔生物群集と同様な生物群集がメタン湧水域に存在する事を世界で初めて発見した。この湧水域直下には海底下のガス胚胎層が確認されており、ここからメタンガスを含む流体が移動しているものと考えられる。自生炭酸塩岩は、メタン湧水域に広範に分布しており、ペイブメントとして海底表層を覆うとともに、数mの塊状として産する。炭酸塩はミクライト・脈状セメントとして産し、-55%。VPDB・4%。VPDB前後の、炭素・酸素同位体比を示す。また、炭酸塩のウラン年代は5.5万9万年であり、主にこの時期に活発に形成されたと予想される。噴出するメタンガスの炭素同位体比は-70パーミル前後であり、微生物起源のメタンである事がわかった。湧出域付近の底層水中のメタン濃度は700nL/L、堆積物の溶存硫化物濃度は20mMに達する高濃度である。また、ガス中の硫化水素濃度は250ppmを超える高濃度であり、これらが特異な化学合成生物群集を支えているものと推定される。研究対象としたFormosa Ridgeは、南シナ海大陸斜面北部が海底浸食によって形成されたものである。音波探査データの検討から、堆積層はほぼ水平に累重しており、斜面下部側に傾斜する正断層がいくつも発達していることが確認された。海底下400500ms(往復走時)に明瞭なBSRが発達しており、このBSRで示されるメタンハイドレート層がリッジ両側に分布することでキャップ構造をなし、ガスをトラップしているものと推定される。すなわち、地質構造規制を示ず"リッジ型"のメタン移動・集積メカニズムであることが明らかとなった。また、メタン湧水・自生炭酸塩岩の分布するリッジ頂部直下には、ガス貯留層へ通じる鉛直の流体通路が発達しており、これが現在のメタン湧水の起源であることが確認された。一方で湧水域周辺では、自然ガンマ線の異常値が検出されたものの、地殻熱流量計測結果はBSR深度と整合的であり、深部からの流体移動は局所的であることが示唆される。現在噴出するガスのメタン/エタン比は7600以上、メタンの炭素同位体比は-70‰前後であることから、メタンは微生物起源であることが確認された。また水素同位体比の検討からメタン形成のパスは二酸化炭素還元であることが明らかとなった。自生炭酸塩岩は、海底表層を覆うペイブメントや岩塊状として産する。ミクライト・脈状を示す方解石等の炭酸塩鉱物は、-40-55‰・4‰前後の、炭素・酸素同位体比を示す。したがって、自生炭酸塩岩形成にメタン湧水が関与し、その一部は重い酸素同位体比をもつ流体の存在、すなわちメタンハイドレートの分解水の関与が判明した。炭酸塩のウラン年代は約5.5万9万年前であり、主にこの時期に活発に形成されたと考えられる。また、この分解現象はグローバルな変動ではなく、テクトニックな影響ではないかと予想される。
教材と理解状態の統計的解析によって教材改善ポイントを導出する教授学習支援システム

本研究では,[T1]教材と学習者の理解状態を可視化する教材理解モデル構築手法,[T2]教材の改善ポイントをフィードバックする教材改善ポイント導出機構,[T3]学習者の理解状態に適応した教材の改善ができる教材改善支援手法の研究開発を推進する。本年度は,この研究開発の3年目に当たるもので,初年度のT1:教材理解モデル構築手法および,T2:教材改善ポイント導出機構の研究成果を基に,学習者の理解状態に適応した教材改善支援に関する研究開発を行った。本年度の研究実績は以下のとおりである。(1)昨年度に構築した教材改善ポイント導出機構によって導出した教材改善ポイントを活用して,教材改善支援手法を提案し,プログラミング教育における支援候補学習者に適応した支援教材に関する知見も加えて教材改善支援機構を構築した。(2)研究協力者の教育環境においてプログラミング教育を試行し,教授学習支援システムとしての機能評価実験を行った。その際,多様な学習者への適応を評価するため,本手法の適用領域を小学校のプログラミング教育に拡大し,その学習者にとって理解が容易で記述しやすいアルゴリズム表現を提案した。(3)教材改善支援の改善の一つとして,昨年度に引き続き小学校のプログラミング教育におけるスモールステップ学習,多様な領域に適応できるコーディングカードを試作した。(4)機能評価の結果と従来e-Learningの知見との比較などの解析から,e-Learningにおける支援効果を評価した。その成果は,国内での学会発表や学会誌投稿,および海外で開催されるe-Learning関連の国際会議において本研究成果を発表した。また,本研究成果を関係する教育現場に紹介し,e-Learningが導入されている教育現場に還元した。研究遂行に伴い,多様な領域におけるプログラミング教育への対処が必要になったので,学習者のモチベーションを測定するために,研究テーマに関連したプログラミング教育に多くの時間を要したことで,当初計画に遅延が生じた。本研究で提案した教材改善ポイント導出アルゴリズムおよび,理解状態に適応した教材改善支援手法は,プログラミング教育の学習レベルと学習者数がある程度あれば,精度の高い教材改善ポイントの導出と教材改善が可能であり,実際の教育現場での実用性は高いと考えている。今後は,小学校などの多様な学習レベルに対応できるよう,いろいろなプログラミング教育環境における学習データを収集し,ヒューリスティクなメトリクスを取入れて,導出した教材改善ポイントを用いた教材改善の試行を予定している。また,本研究成果を関係する教育現場への還元も検討している。本研究の目的は,教材と理解状態の関連をモチベーションの側面から可視化して,教材の改善ポイントをフィードバックする教授学習支援システムの研究開発にある。具体的には,3つの手法・技術[T1][T3]の研究開発を計画している。本年度はこの研究開発(3ヶ年計画)の初年度に当たるもので,T1:教材と学習者の理解状態を可視化する教材理解モデル構築手法,に関する研究開発を行った。研究実績は以下のとおりである。(1)本学および国内の研究協力者の新潟青陵大学においてプログラミング教育のデータを収集し,理解状態を異なる教育環境にも適応して解析ができるように改善した“理解状態態解析機構"によって解析した。(2) “アセスメント尺度測定機構"によってモチベーション・レベルを測定し,先行研究の知見を基にモチベーション・レベルと遷移状態遷移の関連を解析した。また,教材理解モデル構築手法の提案に必要な教材と理解状態の関連要素を導出し,その相関とクラスタといった統計的概念による教材理解モデル構築手法を提案した。(3)本手法の適用領域を小学校のプログラミング教育に拡大し,プログラミング教育の学習効果を測定するためのメトリクスおよび,ロボットプログラミングにおけるアルゴリズムの解析も行った。メトリクスの解析では,ヒューリスティクな要素属性に着目し,算数における座標の位置認識力,国語では図表を説明する文書表現力,理科では事象から仕組みを読み取る観察力を導出した。(4)教材理解モデル構築手法を,教材理解モデル構築機構用サーバーに実装するため,本手法による教材理解モデル構築機構を設計した。また,本学および国内の研究協力者の大学で本機構の評価実験および,先行研究の成果との比較などにより改善項目を導出した。これらの成果については国内外の学会において発表を行った。当初の計画通り,教材理解モデルによる教材理解モデル構築機構の開発とプログラミング教育におけるモチベーション測定を進めることができている。本研究では,[T1]教材と学習者の理解状態を可視化する教材理解モデル構築手法,[T2]教材の改善ポイントをフィードバックする教材改善ポイント導出機構,[T3]学習者の理解状態に適応した教材の改善ができる教材改善支援手法,の研究開発を推進する。本年度は,この研究開発(3ヶ年計画)の2年目に当たるもので,初年度のT1:教材理解モデル構築手法の成果を基に,T2:教材改善ポイント導出機構に関する研究開発を行った。(1)教材理解モデル構築手法による実験結果および,学習支援開始時期導出カテゴリーの研究成果より,教材改善の要素項目を導出し,本要素項目とモチベーション遷移推定手法の知見を基に,教材改善ポイント導出アルゴリズムを提案した。(2)教材改善ポイント導出アルゴリズム,学習支援開始時期導出機構および,モチベーション遷移推定手法の知見を基に教材改善ポイント導出機構を構築し,現在までの解析結果によって教材改善ポイント導出の有効性を評価した。(3)教材改善ポイントをさらに詳細に解析するため,本手法の適用領域を小学校のプログラミング教育に拡大し,プログラミング教育の学習効果を測定するためのメトリクスおよび,ロボットプログラミングにおけるアルゴリズムの解析を昨年度から継続して行った。

さらに,順次処理,条件分岐処理,繰り返し処理のアルゴリズム要素が評価できるアルゴリズム的思考力評価ツールを開発し,プログラミング学習での事前事後の評価を行い,学習効果の分析を行った。(4)教材改善ポイントへの改善処理手法の一つとして,小学校のプログラミング教育における協働型の学習スタイル,スモールステップ学習,モチベーションの継続へ対処できるコーディングカードを試作した。これらの成果については国内外の学会において発表を行った。当初の計画通り,教材改善の要素項目とモチベーション遷移推定手法による教材改善ポイント導出アルゴリズムの提案および,教材改善ポイント導出機構の設計がなされている。さらに,多様な領域におけるプログラミング教育のモチベーション測定も進んでいる。本研究では,[T1]教材と学習者の理解状態を可視化する教材理解モデル構築手法,[T2]教材の改善ポイントをフィードバックする教材改善ポイント導出機構,[T3]学習者の理解状態に適応した教材の改善ができる教材改善支援手法の研究開発を推進する。本年度は,この研究開発の3年目に当たるもので,初年度のT1:教材理解モデル構築手法および,T2:教材改善ポイント導出機構の研究成果を基に,学習者の理解状態に適応した教材改善支援に関する研究開発を行った。本年度の研究実績は以下のとおりである。(1)昨年度に構築した教材改善ポイント導出機構によって導出した教材改善ポイントを活用して,教材改善支援手法を提案し,プログラミング教育における支援候補学習者に適応した支援教材に関する知見も加えて教材改善支援機構を構築した。(2)研究協力者の教育環境においてプログラミング教育を試行し,教授学習支援システムとしての機能評価実験を行った。その際,多様な学習者への適応を評価するため,本手法の適用領域を小学校のプログラミング教育に拡大し,その学習者にとって理解が容易で記述しやすいアルゴリズム表現を提案した。(3)教材改善支援の改善の一つとして,昨年度に引き続き小学校のプログラミング教育におけるスモールステップ学習,多様な領域に適応できるコーディングカードを試作した。(4)機能評価の結果と従来e-Learningの知見との比較などの解析から,e-Learningにおける支援効果を評価した。その成果は,国内での学会発表や学会誌投稿,および海外で開催されるe-Learning関連の国際会議において本研究成果を発表した。また,本研究成果を関係する教育現場に紹介し,e-Learningが導入されている教育現場に還元した。
永久使用体内埋込型人工心臓の研究開発

本研究は、永久使用を実現する理想的な人工心臓の開発を目標として、小型高性能な体内埋込型人工心臓の研究開発を行うことを目的とした.新しい波動ポンプである回転式波動ポンプは、磁気浮上駆動を目標に開発を行った.一次モデルは、永久磁石を埋め込んだディスクを、電磁石とホールセンサーを設置したハウジングで両面から挟み込むデザインで試作した.駆動制御回路を開発して、デルタ結線駆動、Y結線駆動および特別なギャップ制御機構を必要としない反発駆動の3つの方法を試みた結果、反発駆動では効率が低いことがわかったため、デルタ結線駆動もしくはY結線駆動で、ギャップを制御しながら円板を電磁駆動する方法がよいと考えられた.この結果を基にして、二次モデルを試作した.二次モデルは、円板をリング状にし、円板の内側に球面の一部をなす形態の永久磁石を埋め込み、その永久磁石と対面するように中心部に球面の一部をなす形態の電磁石を設置するというデザインである.二次モデルは、センサーレスで駆動することとして駆動制御回路を開発し、試作したポンプの性能を試験した結果、100mmHgの圧負荷で、7L/minの連続流出力を得ることが出来た.ギャップ制御機構に関しては、光ファイバーを用いた散乱光によるギャップセンサーを試作し特性を試験した結果、血液中ではギャップ間00.5mmの範囲でギャップ制御できる可能性が示された.非回転式の波動ポンプを用いた波動型完全人工心臓は、三次モデルの問題点を全て改善することを目的として、全面的にデザイン、製作法および駆動メカニズムを新設計した四次モデルを開発した.四次モデルをヤギに埋め込んで動物実験を行った結果,11日間の生存を得ることが出来た.本研究は、永久使用を実現する理想的な人工心臓の開発を目標として、小型高性能な体内埋込型人工心臓の研究開発を行うことを目的とした.新しい波動ポンプである回転式波動ポンプは、磁気浮上駆動を目標に開発を行った.一次モデルは、永久磁石を埋め込んだディスクを、電磁石とホールセンサーを設置したハウジングで両面から挟み込むデザインで試作した.駆動制御回路を開発して、デルタ結線駆動、Y結線駆動および特別なギャップ制御機構を必要としない反発駆動の3つの方法を試みた結果、反発駆動では効率が低いことがわかったため、デルタ結線駆動もしくはY結線駆動で、ギャップを制御しながら円板を電磁駆動する方法がよいと考えられた.この結果を基にして、二次モデルを試作した.二次モデルは、円板をリング状にし、円板の内側に球面の一部をなす形態の永久磁石を埋め込み、その永久磁石と対面するように中心部に球面の一部をなす形態の電磁石を設置するというデザインである.二次モデルは、センサーレスで駆動することとして駆動制御回路を開発し、試作したポンプの性能を試験した結果、100mmHgの圧負荷で、7L/minの連続流出力を得ることが出来た.ギャップ制御機構に関しては、光ファイバーを用いた散乱光によるギャップセンサーを試作し特性を試験した結果、血液中ではギャップ間00.5mmの範囲でギャップ制御できる可能性が示された.非回転式の波動ポンプを用いた波動型完全人工心臓は、三次モデルの問題点を全て改善することを目的として、全面的にデザイン、製作法および駆動メカニズムを新設計した四次モデルを開発した.四次モデルをヤギに埋め込んで動物実験を行った結果,11日間の生存を得ることが出来た.本研究は、永久使用を実現する理想的な人工心臓の研究開発を目的として、回転式波動ポンプの原理を用いて、小型高性能な永久使用体内埋込型の補助人工心臓および完全置換型人工心臓の研究開発を行う.本年度は、基礎研究用ポンプの開発、電磁駆動方式および駆動制御回路の開発、駆動プログラムの開発、磁気浮上駆動方式の研究およびポンプ特性の研究を行った.基礎研究用ポンプは、永久磁石を埋め込んだディスクを用いて作成した.電磁駆動方式は、ハウジングに電磁石を12個設置して、ディスクの両面からバランスしてディスクを駆動できるように設計した.駆動制御回路は、磁気浮上駆動を実現させるためには詳細かつ精密な制御が必要となるため、各電磁石に1つずつPWM制御回路を設け、合計12個のPWM制御回路を用いて各電磁石を独立に制御できるように設計し、その12個のPWM制御回路を1つのCPUで統合的に制御し、かつシリアル回線を用いてその駆動制御CPUを外部コンピュータから制御できるように設計した.各PWM制御回路のプログラムおよび駆動制御CPUと外部コンピュータのプログラムの試作が終了し、完成した駆動制御回路を用いて、ポンプに内蔵した6個のホール素子によりタイミングを検出してポンプを電磁駆動することに成功した.この成果を基にして、ローターとハウジングに永久磁石を埋め込み、軸方向は永久磁石の反発力により磁気浮上を実現させ、中心に外側が部分球面状の12極ヨークを用いたステーターを設置して、その外側に、内面に部分球面形状永久磁石8個を埋め込んだ揺動回転ローターをなすドーナツ状ディスクを設置することにより、放射方向は電磁石による反発揺動回転により磁気浮上駆動を実現させる回転式波動ポンプを設計した.既に特殊形状永久磁石およびステーターヨークの製作が終了し、現在ポンプを製作中である.本研究は、永久使用を実現する理想的な人工心臓の研究開発を目的として、小型高性能な永久使用体内埋込型人工心臓の研究開発を行う.本年度は、回転式波動ポンプの電磁駆動方式の研究および波動型完全人工心臓の四次モデルの開発を行った.

回転式波動ポンプの電磁駆動方式の研究では、ネオジウム鉄による永久磁石を4個埋め込んだディスクと、電磁石を12個およびホールセンサーを6個設置したハウジングを用いて開発した回転式波動ポンプを、合計12個のPWM制御回路を組み込んで開発した駆動制御回路を用いて電磁駆動した.駆動方式としては、変則Y結線モード、デルタ結線モードおよび反発駆動モードをテストした.その結果、いずれのモードでもディスクを駆動できることを確認した.しかし、ハウジングに設置した電磁石の能力が足りないためにトルク不足となり、変則Y結線モードおよびデルタ結線モードでは、無負荷では毎分9L程度の流量が得られるも、100mmHgの圧負荷では流量が出なかった.また、変則Y結線モードおよびデルタ結線モードはほぼ同じ効率を示したが、反発駆動モードでは、変則Y結線モードおよびデルタ結線モードの半分程度の効率しか得られなかった.これらの結果から、当初期待していた反発駆動モードは採用できず、リング状ディスクによる新型回転式波動ポンプも設計変更を余儀なくされた.現在、新しいデザインでポンプを開発中である.また、平行して体内埋込型人工心臓の動物実験を遂行するために、従来の波動型完全人工心臓を永久使用タイプの体内埋込型人工心臓に改良することとし、完成度を上げるために新設計による四次モデルの開発を行った.完成した波動型完全人工心臓四次モデルは、現在、ヤギに埋め込んで評価検討改良中である.本研究は、永久使用を実現する理想的な人工心臓の研究開発を目的として、小型高性能な永久使用体内埋込型人工心臓の研究開発を行う.本年度は、リング状円板を用いた新しいタイプの回転式波動ポンプの開発とそれを用いた電磁駆動方式による磁気浮上技術の基礎研究および波動型完全人工心臓の四次モデルの改良を行った.リング状円板を用いた回転式波動ポンプは、円板をリング状にし、内側に球面の一部をなす形態の永久磁石を埋め込み、その永久磁石と対面するように中心部に球面の一部をなす形態の電磁石を設置するというデザインである.このデザインであれば、円板が揺動回転運動をしても、電磁駆動部分におけるギャップを一定にできる.また、磁気浮上駆動を実現する方法としては、永久磁石による運動域制限法を用い、電磁駆動部分におけるギャップを一定に保つ方法としては、散乱光によるギャップセンサーを用いることにした.このデザインを基にして、リング状円板の外径を70mm、内径を50mm、厚さは、中心から尾根までの高さを11.5mmとして、ポンプを試作した.このポンプの電磁石部分のヨーク間中心に、光ファイバーを1mmの間隔で2本ずつ計24本配置した.リング状円板は、センサーレスで駆動することとして駆動制御回路を開発し、試作したポンプの性能を試験した結果、100mmHgの圧負荷で、7L/minの連続流出力を得ることが出来た.また、散乱光によるギャップセンサーの基礎実験では、血液による散乱がかなり大きいことが分かったが、ギャップ間00.5mmの範囲でギャップ制御できる可能性が示唆された.波動型完全人工心臓の四次モデルは、3度の設計変更による改良を行った.これをヤギに埋め込んで動物実験を行った結果,11日間の生存を得ることが出来た.
微小領域の酸素同位体比情報による熱水鉱床の研究

熱水鉱床に伴われる鉱石鉱物や脈石鉱物の酸素同位体比および硫黄同位体比から熱水溶液の起源や鉱物の沈殿メカニズムを考察した。恐山地熱地帯の熱水の酸素同位体比は天水と高温火山ガスの中間にあり、時代とともに両者の割合は変動する。低硫化系鉱脈型金鉱床である菱刈鉱床の脈石石英の組織と酸素同位体比は密接に関連し、深部由来の流体の流入に伴う熱水の沸騰により性質の変化した流体と天水の混合によって沈殿が生じたことを示唆する。ベヨネーズ海丘白嶺海底熱水鉱床産硫化鉱物および硬石膏の硫黄同位体比は、硫黄の起源は海水中の硫酸イオンであったと解釈できる。熱水鉱床の生成に関与した水の起源は、鉱床がどのような過程を経て形成されたかを知る鍵となる。熱水鉱床で最も普遍的な脈石である石英は、鉱床形成の初期から末期まで出現し、熱水溶液の酸素同位体の変遷を記録している。本研究ではCO2レーザー加熱法によって石英から酸素を抽出し、その同位体比を求めることにより、鉱床が形成される過程で、熱水の性質がどのように変遷したかを議論する。酸素同位体比より熱水の起源の変遷、熱水ー岩石反応、熱水の沸騰など鉱床形成時のダイナミックな変化を解読することが目的である。現世の地熱系である下北半島恐山のシリカシンターの研究を行なった。本地熱地帯では高濃度の金を含む石英の沈殿が知られており、高硫化型金鉱床の現世のアナログであると解釈できる。シンターは総層厚1.5 mで、下位の厚いA層と上位の薄いB層からなり、それぞれシリカ鉱物の薄層互層からなり、色調は黄色から赤褐色へと変化する。特異なストロマトライト様組織を示す部分がA層のほぼ中央に認められる。シンターは鉱物学的にはオパールAおよびオパールCTからなる。CO2レーザー加熱五弗化臭素法により、シリカ鉱物から酸素を抽出し同位体比測定を行なった。A層の酸素同位対比はδ18O= 13-26‰、B層は19-33‰であった。酸素同位体比から推定されるシリカ鉱物の沈殿に関与した熱水の起源は主に天水であり、現在恐山で噴出している熱水にほぼ一致する。B層はA層よりも酸素同位体比が重い方にシフトしており、マグマ水の寄与が増加していると解釈できる。熱水鉱床で最も普遍的な脈石である石英は、鉱脈鉱床形成の初期から末期まで出現し、熱水溶液の酸素同位体の変遷を記録している。低硫化型金鉱床における熱水の沸騰と金の沈殿の関係を明らかにする目的で、鹿児島県菱刈鉱床の含金石英脈について現地調査を行い、熱水沸騰が生じていたと考えられる鉱床浅部レベル、具体的には山田鉱床、成泉および優泉脈、山神鉱床、祥泉脈において研究試料である含金石英脈を採集した。これらのうち、比較的従来の研究資料が乏しい祥泉脈について検討を進めてきた。研磨薄片を作成し、鉱物組み合わせや産状について記載的な研究を行い、熱水の沸騰によって生じたと考えられる放射状成長組織を有する石英や氷長石の出現から石英脈の縞状組織が生成する過程のどの部分で沸騰が起こっていたかについて検討した。CO2レーザー加熱-五フッ化臭素法による酸素抽出に使用する真空ラインの調整を行なった。ピラニ真空計、ライン加熱用の温度コントローラーなどを交換し、真空試験を実施して安定な状態で維持できることを確認した。CO2レーザー加熱五フッ化臭素法により石英から酸素を抽出し、その同位体比を求めることにより鉱床形成過程で生じたダイナミックな過程を議論する。典型的な浅熱水性鉱脈型金鉱床である鹿児島県菱刈

鉱床の祥泉5脈について、鉱石組織の観察と石英の酸素同位体比の分析を行なった。祥泉5脈は3期の裂罅の形成を経て最終的に形成された。石英は鉱化の進行に伴い、細粒(<50μm)から中粒(<100μm)、粗粒(1 mm)へと粒径を変化させる。石英の酸素同位体比はδ18O値で6.8-20.1 ‰を示し、鉱化の初期では重いδ値(12.5-13.5 ‰)、最末期では軽いδ値(6.8-8.8 ‰)を示し、鉱化の進行に従って低下する。晶洞内部の石英礫は非常に重いδ値(18.7-20.1 ‰)を有し、最末期の熱水溶液の関与が考えられる。鉱脈組織と石英の酸素同位体比は密接に関連し、深部由来の流体の流入に伴う熱水の沸騰で放射状あるいは細粒石英バンドが形成され、酸素同位体比は1-4 ‰の変動が生じる。深部流体の寄与が大きい場合には酸素同位体比は大きく上昇し、直後に多量の鉱石鉱物が沈殿する。鉱石鉱物の沈殿は酸素同位体比の上昇や沸騰を示す組織から僅かに遅れ、この間に細粒石英バンドが認められる。沸騰により性質の変化した流体と天水の混合によって沈殿が生じたことを示唆する。資源地質学初年度に整備したCO2レーザー加熱五弗化臭素法により珪酸塩鉱物から酸素を抽出し、その同位体比を求めるための真空ラインを使用して、地熱地帯に伴われるシンター中のシリカ鉱物の酸素同位体比を求めた。初年度に現地調査および試料採集を行なった菱刈金鉱床の試料の記載的研究を行ない、とくに祥泉脈について熱水の沸騰を示唆する放射状組織を示す石英など酸素同位体比の測定を実施する対象を絞り、一部はCO2レーザー加熱法による酸素の抽出実験に着手した。さらに世界最大の金鉱床地帯である南アフリカウィットウオータースランド地域の含金礫岩層の記載的研究を行い、石英の酸素同位体比分析の準備を進めている。本研究の初年度には脈石石英の試料を浅熱水性鉱床の現地調査によって採集し、光学顕微鏡を用いた試料の詳細な観察による鉱石組織の記載を行い、次年度以降の本格的な石英の酸素同位体比の分析に備える事が重要である。同時に、CO2レーザー加熱-五フッ化臭素法による酸素抽出に使用する真空ラインの調整も順調に進んだので、ほぼ当初の計画通りに推移している。菱刈鉱床の含金石英脈の石英の酸素同位体比の分析を行なう。熱水の沸騰を伴う石英縞には、氷長石・粘土鉱物など結晶構造に酸素を含む石英以外の鉱物が随伴するので、あらかじめ石英以外の鉱物を珪フッ化水素酸によって溶解除去し、その後石英の酸素同位対比を求める。鉱床の生成温度を見積もり、同位体分別を仮定し鉱脈の形成に関与した熱水の酸素同位体比の情報を得る。この情報から水の起源や沸騰・熱水混合など鉱床形成時のダイナミックな現象について議論する。南アフリカウィットウオータースランド地域の含金礫岩層の石英の酸素同位体比分析を行なう。熱水の沸騰を伴う石英縞には、氷長石・粘土鉱物など石英以外の鉱物が随伴するので、酸素の抽出に先立ちあらかじめ石英以外の鉱物を珪フッ化水素酸により溶解除去する。酸素同位体地質温度計あるいは流体包有物の均質化温度によって鉱物の生成温度を推定できれば、鉱脈を生成した熱水の同位体比が求められるので、水の起源を議論する。新たに世界最大の金鉱床である南アフリカ、ウィットウォータースランド地域の含金礫岩に含まれる石英礫の酸素同位体比の測定を計画している。当該鉱床については漂砂鉱床とする説と、礫岩形成後の熱水の影響によって金鉱化作用が生じたとの相対する成因論が知られている。石英の酸素同位体比、とくに礫本体と礫にオーバーグローすする石英の酸素同位体比を詳細に検討する事で、上記成因論の優劣を検討したい。実験に使用する消耗品を購入する。
骨関節を対象とした統計動態モデルに基づく自動３次元動態解析システム

人工関節を含めた関節の正確な3次元動態を把握することは、精密な関節機能や手術手技の評価、また新しい人工関節開発のための基礎データの取得等に非常に重要である。従来の方法として、X線透視画像と関節のCADモデルを用いた2次元/3次元画像位置合わせ技術による解析手法があったが、画像の輪郭抽出処理や、位置合わせの際の初期点推定に多くのマニュアル作業が介在し、解析者は多大な労力を必要とした。そこで本研究では、関節の統計動態モデルに基づく自動3次元動態解析システムの開発を行った。システムの評価を行ったところ、解析労力を大幅に削減し、精度と自動化において臨床でも十分に運用可能なことが明らかになった。本年度(平成24年度)は、前年度(平成23年度)で開発した骨関節統計動態モデルの表現法・正規化法の改良を行い、人工膝関節のデザインや動作(スクワット動作、椅子からの立ち座り動作、歩行動作)だけでなく、他の関節(人工股関節、人工肘関節、膝関節)にも応用可能な汎用的な関節統計動態モデルの構築法を開発した。具体的には、関節の相対的な動きをモデリングする手法、および時間で正規化した絶対な動きをモデリングする手法を開発した。本手法によって構築した関節統計動態モデルの記述精度を検証したところ、十分に自動解析が可能な精度を有していることが確認された。本手法によって構築された人工膝関節の統計動態モデルを、2次元/3次元画像位置合わせ技術に導入したシステム(前年度のプロトタイプを拡張・改良したシステム)を用いて、関節自動3次元動態解析の性能評価を行ったところ(25例のデータをleave-one-out交差検定により実施)、臨床要求精度(1mm、1°以内)を満たす範囲では、80%以上の自動化率(100枚の画像のうち80枚以上の画像)で動態解析が可能となり、当初目標としていた性能以上の成果が得られた。人工膝関節以外の関節(人工股関節、人工肘関節、膝関節)の中で、特に前年度(平成23年度)データ数が少なかった膝関節については、適切な被検者や解析協力者を少なからず集めることができ、現在まで14例の3次元動態解析を実施、引き続きデータ収集を含めデータベースの整備を進めている。また、他の関節を含めた関節自動3次元動態解析システムの拡張を一部試み、予備実験を行ったところ、さらに自動化率が向上する可能性があることが期待された。本年度(平成25年度)は、前年度(平成24年度)に引き続き、必要に応じて骨関節統計動態モデルを応用した関節自動3次元動態解析システムの拡張、改良、評価を行った。具体的には、骨関節統計動態モデルの表現法・正規化法の更なる改良を行い、人工膝関節のデザインや動作(スクワット動作、椅子からの立ち座り動作、歩行動作)だけでなく、他の関節(人工股関節、人工肘関節、膝関節)にも応用可能な汎用的な関節統計動態モデルの構築法を検討、開発した。改良手法によって構築された人工膝関節の統計動態モデルを、2次元/3次元画像位置合わせ技術に導入したシステムを用いて、関節自動3次元動態解析の性能評価を行ったところ、更に精度と安定性が向上することが確認された。人工膝関節以外の関節(人工股関節、人工肘関節、膝関節)データにおいては、目標とする20例以上のデータを収集、解析することができ、データベースの整備を含めて当初の目標を十分クリアすることができた。骨関節統計動態モデルに基づく関節の高精度かつ自動化を実現する3次元動態解析システムの開発を最終目標として、本年度(平成23年度)は骨関節統計動態モデルの構築を試み、そのモデルを従来の2次元/3次元画像位置合わせ技術に導入、プロトタイプシステムを開発した。骨関節統計動態モデルの構築は、第一ステップとして人工膝関節を対象とし、従来の関節3次元動態解析システムによって時間と労力をかけて得られた大量の精密な動態データを利用した。まず、同一デザイン機種(各機種について20例)、スクワット動作(荷重下屈曲動作)を対象として、大腿骨・脛骨コンポーネントの基準座標系における各6自由度のデータから、関節動態の多様性を効率よく記述する手法(平均動態とバラツキを推定するモデリング法)を開発した。本手法によって構築した統計動態モデルの記述精度を、2次元/3次元画像位置合わせの際の"適切な初期値"が得られているかという観点で検証したところ、十分に自動解析が可能な精度であることが確認された。また、人工膝関節の他のデザイン機種についても十分に応用が可能であった。動作については、スクワット動作の他、椅子からの立ち座り動作、歩行動作を対象に統計動態モデルの構築を一部試みた。構築した骨関節統計動態モデルを従来の2次元/3次元画像位置合わせ技術に導入したプロトタイプシステムを用いて、人工膝関節のスクワット動作を対象に、自動解析の評価実験を行った。

臨床要求精度(1mm、1°以内)を満たす範囲では、約70%の自動化率(100枚の画像のうち70枚の画像)で解析が可能であり、ほぼ当初の目標が達成された。人工膝関節以外の他の関節(人工股関節、人工肘関節、膝関節)については、データ収集を含めてデータベースの整備を着実に進め、人工股関節については20例以上のデータ収集および3次元動態解析を行った。本年度(平成26年度)は、前年度(平成25年度)に引き続き、必要に応じて骨関節統計動態モデルを応用した関節自動3次元動態解析システムの拡張、改良、評価を行った。拡張・改良手法によって構築された各種関節の統計動態モデルを、2次元/3次元画像位置合わせ技術に導入したシステムを用いて、関節の自動3次元動態解析の性能評価を行ったところ、精度と安定性において当初目標としていた性能以上の成果が得られた。特に人工膝関節については、条件により90%以上の自動化率(100枚の画像のうち90枚以上の画像)で動態解析が実行できる可能性を示した。画像解析人工膝関節のデザインや動作(スクワット動作、椅子からの立ち座り動作、歩行動作)だけでなく、他の関節(人工股関節、人工肘関節、膝関節)にも応用可能な汎用的な関節統計動態モデルの構築法を開発できたため。また、人工膝関節の動態解析を対象とした、プロトタイプを拡張・改良したシステムを用いた性能評価では、臨床要求精度(1mm、1°以内)を満たす範囲で80%以上の自動化率で動態解析が可能となり、当初目標としていた性能以上の成果が得られたため。人工膝関節以外の関節(人工股関節、人工肘関節、膝関節)データにおいては、目標とする20例以上のデータを収集、解析することができたため。また、改良手法による人工膝関節を対象とした、関節自動3次元動態解析システムの性能評価を行ったところ、精度と安定性において、当初目標としていた性能以上の成果が得られたため。人工膝関節について、各種デザイン別、動作別に統計動態モデルの構築を試み、同一デザイン機種、スクワット動作(荷重下屈曲動作)について、構築した統計動態モデルの記述精度を検証、十分に自動解析が可能であることを確認できたことは相当の進展と考える。また、開発したプロトタイプシステムを用いた自動解析(人工膝関節のスクワット動作を対象)の評価実験では、ほぼ当初の目標としていた自動化率に達することができた。データベースの整備等では、人工股関節について目標の20例以上のデータ収集および3次元動態解析を達成することができた。引き続き各種関節(人工膝関節、人工股関節、人工肘関節、膝関節)のデータ収集を含めデータベースの整備を進める。必要に応じて骨関節統計動態モデルを応用した関節自動3次元動態解析システムの拡張、改良、評価を行い、システムの性能(精度と自動化)を限界まで向上させる。また、本システムの開発・研究において得られた結果をまとめ、成果発表を行う。引き続き必要に応じて骨関節統計動態モデルを応用した関節自動3次元動態解析システムの拡張、改良、評価を行い、システムの性能(精度と自動化)を限界まで向上させる。特に、システムの性能評価に重点をおいて研究を進める。
引力系コロイドの原子系結晶モデルとしての有効性の検証

コロイド系は、一粒子のダイナミクスが光学顕微鏡によりその場観察でき、また粒子間相互作用の調節も容易であるため、タンパク質や低分子系など、原子・分子系(以下、原子系と略)全般の優れたモデル系として研究されている。粒径が数100nmのコロイド粒子/水分散系に高分子や第二成分の微粒子を添加したときに生じる枯渇引力による結晶化は、光学顕微鏡によって観察できる。当研究室ではこれまでに、高分子電解質を添加したコロイド系について、共晶構造や多面体結晶の生成など、原子系に類似した現象を多数見出している。本研究では、これらの様々な現象を原子系の結晶成長理論を用いて解析し、原子系との類似点・相違点を明確にすることで、枯渇引力コロイド系のモデルとしての妥当性を検証する。近年、枯渇引力による構造形成が生物細胞内でも見出されており、本研究の知見は広く自然界で観察される現象の理解に有用と期待される。今年度は、比重マッチングを行った沈降の影響を受けない試料を作成して実験を行った。中性子散乱実験(オーストラリア原子力科学技術機構ANSTO)、共焦点レーザー走査型顕微鏡や光学顕微鏡観察により、種々の過飽和度における結晶の体積および面積とその時間発展を計測することで、コロイド系における非古典的結晶成長の存在を明らかにした。また、結晶成長過程の動画を解析することで、拡散で接近してきた粒子粒同士が、枯渇引力により会合することを明らかにした。当初の予定のうち、1成分系における結晶成長に関して詳細なデータを得られたが、古典理論との比較など、今後注力すべき課題もあり、標記の評価とした。初年度は、結晶成長の過程を過飽和度により評価した。次年度以降は、より詳細に粒子間相互作用を検討したい。結晶化のために、高分子電解質をコロイド系に添加して、枯渇引力を発現させている。高分子電解質の慣性半径は、高分子自体の濃度や系のイオン濃度によって変化する。結晶成長に用いた種々の条件における慣性半径は、理論との比較など今後の解析に必要であるため、静的光散乱測定などによって決定したい。また、結晶成長の古典論では、結晶成長速度はBarton-Cabrera-Frank(BCF)則、結晶形態はJacksonモデルにより記述される。これらをコロイド系に適用する。相互作用の大きさは、成長速度(会合体・結晶サイズの時間発展により決定する)の大きさに相当する。結晶成長の古典論と比較して、結晶構造と成長速度の相関が、原子系の場合と同様であるかを検証する。1成分系において解析方法を確立した後、コロイド粒子成分を複数系に拡張する予定である。これまでに、複数成分のコロイド系における共晶構造を明らかにしたが、速度論など古典論との対応は未検討である。初年度で得られた情報と比較しながら、ダイナミクスと形態の相関を古典論と比較する。

これまでに、複数成分のコロイド系における共晶構造を明らかにしたが、速度論など古典論との対応は未検討である。初年度で得られた情報と比較しながら、ダイナミクスと形態の相関を古典論と比較する。当初、顕微鏡観察の効率化を目指して、自動ステージを導入する予定で、150万円を計上していた。しかし、導入予定だったニコン製の自動ステージが廃番になり、また代替品は価格的に導入が不可となった。また、研究を進めるうちに、自動ステージを用いるより、手動で観察領域を決定した方が効率的であることが明らかになった。今後は、本研究を一層効果的に進めるために、顕微鏡の備品の購入予定である。
薄肉軽量歯車箱をもつ歯車装置の振動評価に関する研究

(1)充分剛性の高い軸の両端をころがり軸受で支えた軸・軸受系振動試験装置を試作し,軸を軸方向および半径方向に加振して,軸および軸受からなる振動系の伝達関数を測定し,各方向に対する軸受の剛性および減衰係数を実験的に定めた.また,これらに及ぼす軸受の種別,予荷重の影響を明らかにした.軸受としては単列深みぞ玉軸受,アンギュラコンタクト形玉軸受,円錐ころ軸受を用いた.また,軸受からケ-スへの振動伝達に関して軸受けのモ-メント剛性が重要であることを確認し,これが円錐ころ軸受ではとくに大きいことを,定量的に明らかにした.さらに薄肉歯車箱を想定し,軸受ハウジングを両端固定の板材(側板)で支えた実験装置を用いて,軸をラジアル加振するときの軸から側板への伝達関数を測定し,側板の板厚,軸受けの種別による軸から側板への振動伝達を明らかにした.結果の詳細については発表論文(4,5)を参照.(2)すでに試作の完了している一段歯車装置全系に対する振動解析モデルを構成した.まず,装置を構成する各要素のモデル化を行いそれらの固有値解析の結果を実験値と比較,検討した.軸受のモデル化では(1)での研究結果が用いられた.この結果を用いて部分構造合成法(BBA)により歯車のかみあい点からみた歯車箱各部への伝達関数を求め,歯車対で生じる振動荷重を入力とした歯車箱の振動応答を計算して実測値と比較検討した結果,両者はおおむねよく一致し,モデル化が正しいことが確認された.その詳細については発表論文(1,2,3,6)を参照.(1)充分剛性の高い軸の両端をころがり軸受で支えた軸・軸受系振動試験装置を試作し,軸を軸方向および半径方向に加振して,軸および軸受からなる振動系の伝達関数を測定し,各方向に対する軸受の剛性および減衰係数を実験的に定めた.また,これらに及ぼす軸受の種別,予荷重の影響を明らかにした.軸受としては単列深みぞ玉軸受,アンギュラコンタクト形玉軸受,円錐ころ軸受を用いた.また,軸受からケ-スへの振動伝達に関して軸受けのモ-メント剛性が重要であることを確認し,これが円錐ころ軸受ではとくに大きいことを,定量的に明らかにした.さらに薄肉歯車箱を想定し,軸受ハウジングを両端固定の板材(側板)で支えた実験装置を用いて,軸をラジアル加振するときの軸から側板への伝達関数を測定し,側板の板厚,軸受けの種別による軸から側板への振動伝達を明らかにした.結果の詳細については発表論文(4,5)を参照.(2)すでに試作の完了している一段歯車装置全系に対する振動解析モデルを構成した.まず,装置を構成する各要素のモデル化を行いそれらの固有値解析の結果を実験値と比較,検討した.軸受のモデル化では(1)での研究結果が用いられた.この結果を用いて部分構造合成法(BBA)により歯車のかみあい点からみた歯車箱各部への伝達関数を求め,歯車対で生じる振動荷重を入力とした歯車箱の振動応答を計算して実測値と比較検討した結果,両者はおおむねよく一致し,モデル化が正しいことが確認された.その詳細については発表論文(1,2,3,6)を参照.
光レセプターの機能発現・制御機構の動的解析

視細胞の光情報変換における光レセプターの役割は、外界からの光を高感度に受容し、受容したシグナルを効率よくG蛋白質に伝えることである。この機能発現のために、光レセプターは発色団の異性化により捉えた光シグナルを、蛋白質表面まで分子内情報伝達し、最終的にG蛋白質に伝えるメカニズムを備えていると考えられる。本研究では、これらのメカニズムの特性を分子下のレベルで解析し、いかに巧妙に光レセプターの機能を発現するかを検討した。具体的には、光シグナルが効率よくトラップされるメカニズムを、レーザー技術を駆使した超高速分光法と吸収スペクトルのフーリエ変換法を利用して解析した。また、異なる光応答特性を示す視細胞(桿体と錐体)の光レセプターの性質を比較検討することにより、光情報の光レセプター内での伝達効率を制御する分子メカニズムを検討した。さらに、光レセプターがG蛋白質と相互作用する動的過程を分光学的に詳細に解析した。また、異なる光情報伝達経路を含んでいる視細胞の光レセプターとG蛋白質を同定することにより、光レセプター・G蛋白質間情報伝達の選択性や多様性についても検討した。その結果、光を受容したレセプターで起こる最初の反応(発色団のシス-トランス異性化反応)が60フェムト秒という超高速で起こることを見いだし、さらに光受容後のフェムト秒領域での反応ダイナミクスを明らかにした。また、G蛋白質を活性化する中間状態の寿命は、わずか1個のアミノ酸残基によって決定されていることを発見した。一方、光レセプターがG蛋白質と相互作用する際には、結合、活性化に対応する二つの中間体が存在することを明らかにした。さらに、これまで報告されていないGo型のG蛋白質を介する光情報伝達系の存在することを発見した。我々は、ロドプシンのN末端から122番目に位置するグルタミン酸残基を、緑および赤感受性錐体光受容蛋白質がもつ残基(グルタミン、イソロイシン)に置換すると、ロドプシンの性質がそれぞれの錐体光蛋白質の性質に変化することを発現した。そこで、今回、緑感受性錐体光受容蛋白質の122番目の残基をグルタミン酸に置換した変異蛋白質を新たに作成し、この変異体がロドプシンの性質を示すかどうかを検討した。その結果、確かにこの変異体はロドプシンの性質を示すことが確認された。また、この位置に存在するアミノ酸残基が、どのような機構で光受容蛋白質の性質を決定しているかを検討しているために、122番目をいろいろな残基に置換した変異ロドプシンを作成して検討した。その結果、ロドプシンの性質を示すにはこの位置の残かかカルボキシル素をもっていることが必須であることがわかった。さらに、光を吸収したロドプシンおよび錐体光受容蛋白質がG蛋白質を活性化する能力が122番目の残基の置換によって入れ替わるかどうかを検討したところ、確かに入れ替わることがわかった。以上の実験により、122番目の残基がロドプシンと錐体光受容蛋白質の分子的な性質およびG蛋白質を活性化する能力を決定していることが証明された。これらの実験と平行して、青感受性錐体光受容蛋白質の光反応過程を検討し、これまでに行った赤および緑感受性錐体光受容蛋白質と比較検討した。その結果、ルミ中間体までは元の蛋白質の吸収極大の違いに対応した吸収極大の違いを示すが、メタI中間体以降では同じ吸収極大を示すことがわかった。この結果から、メタI中間体の生成過程で蛋白質部分の大きな構造変化が起こり、発色団と相互作用しているアミノ酸残基が元の蛋白質と異なることがわかった。

脊椎動物の網膜には、薄明視を司る感度の高い桿体と、色覚を担い応答の速い錐体の二種類の視細胞が存在する。これらの細胞内光情報伝達の性質を検討するため、光レセプターの分子的な性質を検討した。また、光情報伝達に関与する光レセプター中間体の同定を試みた。その結果、以下のような成果が得られた。1.様々な種類の錐体光レセプターの活性中間体(メタII)の安定性を検討した結果、桿体の光レセプターであるロドプシンに比べて崩壊速度が2050倍速いことを発見した。メタIIはトランスデューシンを活性化する中間体なので、その崩壊速度は視細胞の光シグナルの増幅率に関係すると考えられる。そこで、実際にトランスデューシン活性化の時間経過を、活性化されたトランスデューシンの量を指標に検討した。その結果、メタIIの挙動に対応してロドプシンでは活性化量が持続するのに対して、錐体光レセプターでは、活性化量が急速に減少した。すなわち、メタIIの酵素的なトランスデューシン活性化による光シグナルの増幅過程において、錐体と桿体の光レセプターの効率は著しく異なることが分かった。また、光レセプターのN末満から122番目のアミノ酸残基を置換すると、ロドプシンが錐体光レセプター型のメタIIの崩壊速度とトランスデューシン活性化の時間経過を示すようになり、逆に錐体光レセプターがロドプシンの性質を示すようになった。2.これまでの研究から、トランスデューシンを活性化するのは、メタIIのみであると考えられてきた。ところが、時間分解低温分光法を用いて、蛋白質の構造変化過程でメタIIのみがトランスデューシンと相互作用するのかどうか検討したところ、メタIIの前駆体もトランスデューシンと相互作用することがわかった。さらに、この中間体はトランスデューシンと結合するだけであり、メタIIによってトランスデューシンが活性化されることが明らかになった。