hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
炭素ナノチューブを用いた水素吸蔵技術の開発

自動車用あるいはモバイル用燃料電池などの実用化に向けての最重要問題の一つである水素貯蔵に関して,単層カーボンナノチューブによる極めて優れた水素吸蔵を示す実験結果が報告された.そこで,本研究では分子動力学法シミュレーションと水素吸蔵の実験とを比較して,その可能性を探ることを計画した.ところが,本研究開始後に,極めて優れた特性を示す実験的な報告の多くが,実は,金属などの不純物を含みかつ極めて微量なサンプルを用いたことに由来するとの観測が強まってきた.そこで,本研究では分子動力学法によるシミュレーションを続けるとともに,実験的な議論に決着がつけられように,高純度な単層カーボンナノチューブの大量合成方法の開発に重点をおいて進めた.大量かつ高純度の単層カーボンナノチューブの生成については,レーザー・オーブンカーボンナノチューブ生成装置から触媒CVD法に合成方法を変更して,試行錯誤をするうちにアルコールを炭素源とする触媒CVD法(ACCVD法)の開発に至った.従来は,単層カーボンナノチューブのCVD合成の炭素源分子としては炭化水素か一酸化炭素が用いられているが,本研究では炭素源としてアルコールを用いることによって,極めて高純度かつ高収率で単層カーボンナノチューブの合成が可能であることを明らかとした.また,Fe/Co微粒子をゼオライトに担持して触媒とする方法に加えて,シリコン基板や石英基板に極めて簡単なデップコート法で触媒金属を直接担持して,やはり高純度の単層カーボンナノチューブが合成可能であることを示した.この方法によって,金属触媒あたりの単層カーボンナノチューブの収率は最も高くできる.また,このようなCVD反応のメカニズム解明を目指して,金属クラスターとアルコールとの化学反応をFT-ICR質量分析装置にて検討するとともに,分子動力学法シミュレーションによって,金属クラスターと炭素源が反応し,単層カーボンナノチューブの前駆体となるキャップ構造が形成する過程についても検討した.一方,ナノチューブによる水素吸蔵特性に関しては,単層カーボンナノチューブのバンドル(7本)などの様々な幾何学形状のナノチューブと水素分子を含む系での分子動力学法シミュレーションを行い,常温においては米国エネルギー省(DOE)が自動車用燃料電池の水素吸蔵材料の目標として掲げる重量密度6.5wt%程度には遙かに及ばない重量密度しか実現できないとの結論を得た.自動車用あるいはモバイル用燃料電池などの実用化に向けての最重要問題の一つである水素貯蔵に関して,単層カーボンナノチューブによる極めて優れた水素吸蔵を示す実験結果が報告された.そこで,本研究では分子動力学法シミュレーションと水素吸蔵の実験とを比較して,その可能性を探ることを計画した.ところが,本研究開始後に,極めて優れた特性を示す実験的な報告の多くが,実は,金属などの不純物を含みかつ極めて微量なサンプルを用いたことに由来するとの観測が強まってきた.そこで,本研究では分子動力学法によるシミュレーションを続けるとともに,実験的な議論に決着がつけられように,高純度な単層カーボンナノチューブの大量合成方法の開発に重点をおいて進めた.大量かつ高純度の単層カーボンナノチューブの生成については,レーザー・オーブンカーボンナノチューブ生成装置から触媒CVD法に合成方法を変更して,試行錯誤をするうちにアルコールを炭素源とする触媒CVD法(ACCVD法)の開発に至った.従来は,単層カーボンナノチューブのCVD合成の炭素源分子としては炭化水素か一酸化炭素が用いられているが,本研究では炭素源としてアルコールを用いることによって,極めて高純度かつ高収率で単層カーボンナノチューブの合成が可能であることを明らかとした.また,Fe/Co微粒子をゼオライトに担持して触媒とする方法に加えて,シリコン基板や石英基板に極めて簡単なデップコート法で触媒金属を直接担持して,やはり高純度の単層カーボンナノチューブが合成可能であることを示した.この方法によって,金属触媒あたりの単層カーボンナノチューブの収率は最も高くできる.また,このようなCVD反応のメカニズム解明を目指して,金属クラスターとアルコールとの化学反応をFT-ICR質量分析装置にて検討するとともに,分子動力学法シミュレーションによって,金属クラスターと炭素源が反応し,単層カーボンナノチューブの前駆体となるキャップ構造が形成する過程についても検討した.一方,ナノチューブによる水素吸蔵特性に関しては,単層カーボンナノチューブのバンドル(7本)などの様々な幾何学形状のナノチューブと水素分子を含む系での分子動力学法シミュレーションを行い,常温においては米国エネルギー省(DOE)が自動車用燃料電池の水素吸蔵材料の目標として掲げる重量密度6.5wt%程度には遙かに及ばない重量密度しか実現できないとの結論を得た.オーブン-レーザー蒸発炭素ナノチューブ生成装置を試作し,電気炉で1200°C程度に加熱した500Torr程度のアルゴンガス雰囲気化での金属添加炭素棒(Ni/Coそれぞれ0.6at%)のレーザー蒸発(Nd : YAGレーザー)による単層炭素ナノチューブの生成を試みた.生成された試料について,ラマン散乱分光、走査型電子顕微鏡,工学部附属総合試験所の透過型電子顕微鏡を用いて検討し,おおよそ30%程度の割合で単層炭素ナノチューブを含むことを明らかとした.また,アモルファス炭素やフラーレンなどを除去するために過酸化水素水溶液を用いた精製実験を行い,量は極めて少ないが比較的高純度な単層炭素ナノチューブの精製にも成功した.さらに,単層ナノチューブ生成の中間生成物を現有のFT-ICR質量分析装置にて解析し,オーブンレーザー法による生成と全く同じNiやCoを含んだ炭素材料の試料をレーザー蒸発させることによって,炭素が3060原子と金属原子数個を含む正イオン及び負イオンのクラスターが観察された.

負イオンクラスターの一酸化窒素との反応実験により,金属原子はクラスターの外側に付着したような幾何学形状であることが示唆された.また,単層炭素ナノチューブによる水素吸蔵特性に関しては,単層炭素ナノチューブのバンドル(7本)と水素分子を含む系での分子動力学法シュミレーションによって,物理吸着によって可能な水素吸着量の見積もりを試みた.この結果,単層炭素ナノチューブによる水素吸蔵量は液体窒素温度77Kにおいては,米国エネルギー省(DOE)が自動車用燃料電池の水素吸蔵材料の目標として掲げる重度密度6.5wt%程度の値となるが、常温においては,1wt%以下と極めて低くなってしまうことが明らかとなった.従来報告されている単層カーボンナノチューブによる水素吸蔵量の実験データは極めて大きくばらつくが,その最大の原因は,高純度かつ多量な単層カーボンナノチューブの入手が容易でない点にある.そこで,昨年度までのレーザー・オーブンカーボンナノチューブ生成装置を改良し,より大量かつ高純度の単層カーボンナノチューブの生成が期待される触媒CVD法による単層炭素ナノチューブの生成を試みた.生成された試料に対して,ラマン散乱分光,走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、熱重量分析によって検討した.この結果,Fe/Co微粒子をゼオライトに担持し,電気炉の高温雰囲気化で炭素源となるアルコールと反応させて,従来にない高純度かつ低温での単層カーボンナノチューブの合成に成功した.また,このような反応のメカニズム解明を目指して,金属クラスターとアルコールとの化学反応をFT-ICR質量分析装置にて検討した.さらに,分子動力学法シミュレーションによって,金属クラスターと炭素源が反応し,単層カーボンナノチューブの前駆体となるキャップ構造が形成する過程を検討した.一方,単層炭素ナノチューブによる水素吸蔵特性に関しては,単層炭素ナノチューブのバンドル(7本)などの様々な幾何学形状のナノチューブと水素分子を含む系での分子動力学法シミュレーションによって,物理吸着によって可能な水素吸着量の見積もりを試みた.この結果,単層炭素ナノチューブ,多層カーボンナノチューブ,ナノホーンによる水素吸蔵量は液体窒素温度77Kにおいては,米国エネルギー省(DOE)が自動車用燃料電池の水素吸蔵材料の目標として掲げる重量密度6.5wt%程度の値を達成できるが,常温においては,1wt%以下と極めて低くなってしまうことが明らかとなった.従来報告されている単層カーボンナノチューブによる水素吸蔵量の実験データのうちで極めて優れた特性を示すデータが,実は,金属などの不純物を含みかつ極めて微量なサンプルを用いたことに由来するとの観測が強まってきた.そこで,これまでのレーザー・オーブンカーボンナノチューブ生成装置から触媒CVD法に合成方法を変更して,より大量かつ高純度の単層カーボンナノチューブの生成を試みた.
視覚・触覚・運動による運動主体感の感覚統合に関する研究

自己と他者の違いについて運動主体間を用いることで焦点を当てる.動作を行っている主体が自分であるという運動主体感が視覚と触覚と運動の感覚の統合においてどのように形成されているのかを明らかにすることを目的とし,他者にくすぐられるとくすぐったいが,自分で自分をくすぐることはできないことを利用する.結果として視覚刺激を操作することで自分でくすぐっているにも関わらず,くすぐったくなることを示し,運動主体感の生起について明らかにした.自己と他者の違いについて運動主体間を用いることで焦点を当てる.動作を行っている主体が自分であるという運動主体感が視覚と触覚と運動の感覚の統合においてどのように形成されているのかを明らかにすることを目的とし,他者にくすぐられるとくすぐったいが,自分で自分をくすぐることはできないことを利用する.結果として視覚刺激を操作することで自分でくすぐっているにも関わらず,くすぐったくなることを示し,運動主体感の生起について明らかにした.本年度は,身体を自分で動かしていると感じる運動主体感(エージェンシー)が,自分で動かしているにも関わらずどのような条件でその感覚が失われるのかを,視覚の時間遅れを中心に実験を行うことにより研究を行った.実験では,当初の計画通り自分で自分をくすぐる運動を頭部装着型ディスプレイ(HMD)を通して観察する.通常条件では機器の制限からくる最小限度の時間遅れで自分の運動を観察する.時間遅れ条件では,Pseudo Hapticsの一連の研究にならい,提示映像を減速加速提示させた.この条件で,身体の運動と触覚には整合性は成立しているが,視覚刺激のみ不整合を起こす.このときの被験者のくすぐったさを10段階で応えるもらう主観応答の記録と,客観的指標としての身体応答を計測するために皮膚抵抗(GSR)の計測を行った.また,提示映像の時間遅れ単体の影響でくすぐったさやGSRの反応がでていないかんどうかを調べるために,自分に触れることなくくすぐる運動をしてその提示映像を加減速させる条件もコントロールとして,条件に加えた.実験の結果,主観応答のくすぐったさにおいて自分でくすぐっているにもかかわらず,視覚映像を時間遅れさせることでくすぐったさが大きく変化し,増強することがわかった.これは,くすぐったさに関わる運動主体感の議論において,自己運動とそのときの触覚のずれがくすぐったさの感覚を生じるとする従来研究に対して,自己運動とそのときの触覚にずれが生じなくても,視覚の整合性が崩れるだけでくすぐったくなることを新たに示す結果となる.つまり,身体を自分で動かしているという運動主体感は視覚,触覚,体性感覚(運動)の統合が関係する現象であるいえる.本年度は,初年度に行った実験をもとに,より精緻な実験を行い,身体を自分で動かしていると感じる運動主体(エージェンシー)が自分で動かしているにも関わらずどのような条件でその感覚が失われるのかを明らかにする実験を行った.初年度には,頭部装着型ディスプレイ(HMD)を通して自分の運動を観察する実験を主にHMDの使用に慣れている被験者を用いて行ったが,本年度にはデータをより正確なものにするために,HMDの使用に慣れていない被験者を用いて実験を行ったところ,前回と異なる結果を得た.これはHMDの使用に慣れている被験者は機器に対する信頼感があるが,使用に慣れていない被験者は,時間遅れの映像を機器が故障したと解釈してしまっていることに起因していることがわかった.本来,これは本質とは異なる問題ではあるが,研究としてはこの問題を解決することは必要不可欠であり,この問題を解消して一般性のある結果を得られることが重要な課題となり,これを行った.そのため,HMDの使用に慣れていない被験者にも対応できるようディスプレイ型実験環境の構築を行った。その実験の結果,主観応答のくすぐったさにおいて自分でくすぐっているにもかかわらず,視覚映像を時間遅れさせることでくすぐったさが大きく変化し,増強することがわかった.これは,自己運動とそのときの触覚にずれが生じなくても,視覚の整合性が崩れるだけでくすぐったくなることを新たに示す結果となる.つまり,身体を自分で動かしているという運動主体感は視覚,触覚,体性感覚(運動)の統合によって生じていることを明らかにした.
受精卵における外来ミトコンドリア絶滅の原因究明に関する研究

受精卵におけるミトコンドリアタンパク質の消長を調べる目的で、まずそれをコードする遺伝子の発現について調べた。ミトコンドリアを構成するタンパク質の大部分は核にコードされた遺伝子から発現しており、細胞質で合成されたタンパク質がミトコンドリア内にインポートされることによりミトコンドリアの構成タンパク質となる。そこで、その消長を調べるために、まず、インポートに重要な役割を演じていると考えられているTim23の発現を調べることにした。マウスにおいては、Tim23は未だクローニングされていなかったため、まずそのクローニングを試みた。乳腺細胞は泌乳期に著しくミトコンドリアの数が増えるため、ここから得たmRNAを材料にして、ヒト、酵母などのTim23の塩基配列を参考にPCRプライマーを作成し、Tim23 cDNA断片を得、さらに3'および5'-RACEで全長のcDNAを得た。このcDNAを用いて、乳腺細胞についてin siteハイブリダイザイションを行った結果、増殖期に比べて、ミトコンドリアの数が増える泌乳期で著しくTim23の発現量が増えていることが確認できた。また、RT-PCRによっても泌乳期での著しい発現増加が確認できた。さらに増殖期の乳腺をホルモン処理により泌乳状態に変えることにより、Tim23の発現増加が誘導できた。これらの結果は、Tim23遺伝子の発現とミトコンドリア数の増加が密接に関連しており、この発現量の変化がミトコンドリアの消長の良い指標になることを示している。そこで、次に初期胚におけるTim23の発現をRT-PCRによって調べたところ、受精後にTim23遺伝子の発現が確認できた。本研究の目的は、受精卵細胞質には特異的な性質があり外来のミトコンドリアを消滅させる機構が備わっているが、その機構を明らかにするものである。そして、本研究の実施開始直前にこの機構について重要な示唆を与える結果が公表されため、研究戦略に若干の修正を加えた。すなわち、受精後の精子ミトコンドリアの消滅は、ミトコンドリアを構成する蛋白質がユビキチン化されることが主な原因であるという仮説である。そこで、本研究ではこの仮説の上に立ち、実際に受精後の胚の細胞質にどのような変化が起こってこの様な機構が働き出すのか、そして、ミトコンドリアのどの蛋白質が変化するのかを分子レベルで明らかにすることを当初の目的とした。まず、実際にユビキチン化され、それがミトコンドリアの崩壊に繋がるのであれば、その最も可能性の高い候補はミトコンドリアの膜を構成する蛋白質である。ミトコンドリア膜は様々な蛋白質で構成されているが、その中で膜を通した物質輸送に重要な役割を演じており、酵母から人までよく保存されているTim23に着目することにした。しかし、本研究で実験動物として用いるマウスにおいてTim23は未だクローニングされていないため、そのクローニングを試みた。泌乳期の乳腺では、ミトコンドリアが急激に増えるため、Tim23の多量発現が期待できるため、この時期の乳腺からmRNAを採取しcDNAのクローニングを試みた。その結果、人ときわめてホモロジーの高いクローンが得られ、その塩基配列を決定した。その配列を元に、プライマーを作製し、初期胚を調べたところ、Tim23の発現が確認できた。次年度は、初期胚における実際の蛋白修飾を調べる予定である。
薄膜付着強度の向上策への分子動力学アプローチ

ダイヤモンド薄膜においては,基板と薄膜は蒸着の初期に核が発生した点でのみ接していることが従来から確認されている。このため薄膜生成にあたっては,薄膜の核すなわち悪発生密度を増加させることが重要となる。ここでは薄膜付着強度の向上策への分子動力学アプローチとして,原子レベルからの核成長モデルを開発し,ダイヤモンド薄膜形成過程における核成長の三次元微視的メカニズムの解明を目的としたコンピュータシミュレーションを実施をした。得られた実績を要約して以下に示す。1.薄膜形成に及ぼす基板傷つけ処理の影響を解明することを目的として,傷つけ処理を施したシリコン基板と反応ガスからなる核成長三次元モデルを考案し,シリコン基板上に発生および成長するダイヤモンド核を対象とした数値シミュレーションを行った。同モデルにおいては,原子間相互作用を表すものとして経験的な2体間ポテンシャルであるMorseポテンシャルを用いた。その結果,核成長過程を数値的に明らかにした。2.薄膜-基板間の付着強度を数値的に求める場合等においては,上記のような経験的な原子間ポテンシャルではなく,より正確に現実の物理体系を記述したポテンシャルを用いることが求められる。そこで量子力学に基づく原子間ポテンシャルを用いる分子動力学法(第一原理分子動力学法)のダイヤモンド薄膜への適用を念頭に,多数の文献を調査・検討することにより同分子動力学法への理解を深めた。その結果,密度汎関数法に基づくCar-Parrinello法が特に有効であることがわかった。
遷移金属酸化物の電界誘起相変化

本研究は酸化物デバイスの学理構築、および電界誘起物性の開拓を目指した。SrTiO3トランジスタを構築し、界面二次元電子系での絶縁体-超伝導転移を実現した。二元系遷移金属酸化物の抵抗スイッチング現象について、母体酸化物の還元で生じる伝導フィラメントの可視化に成功した。電界効果とスピン軌道相互作用をキーワードとして重い5d遷移金属酸化物に着目し、イリジウム酸化物の新奇スピン軌道誘起電子相を開拓した。遷移金属酸化物中に出現する多彩な電子相は微妙なバランスで競合し、外的刺激、例えば電界により劇的な電子相変化を起こす。これを用いた電界効果トランジスタや抵抗変化メモリなどのデバイスは、次世代エレクトロニクスの要素技術として期待されている。本研究はこれらのデバイスの学理を構築すると同時に物理的に興味深い電界誘起物性の開拓を目指す。本研究では,近年急速に開発が進んでいる酸化物電界誘起相変化デバイス-酸化物トランジスタや不揮発性抵抗変化メモリー-の背景にある基礎学理の解明および酸化物デバイスの特長を体現する新規物性の開拓を目的とする。初年度は,酸化物トランジスタ,電界誘起抵抗変化デバイスの作製,評価システムの構築およびその特性評価を行った。以下に具体的な研究成果を記す。1.酸化物トランジスタの構築,極低温物性評価酸化物トランジスタ作製に必要なシステムを導入し,デバイスの歩留まり向上に努めた。作製したSrTio_3トランジスタデバイスのうち,高いキャリア移動度を示すものは極低温実験に持ち込み,酸化物界面上に誘起された二次元電子系の電界誘起金属一絶縁体転移の実現に成功した。さらに極低温において超伝導転移の兆候が見られることを確認した。2.の属/遷移金属酸化物/金属プレーナ型デバイス構造の作製,評価これまでの研究から遷移金属酸化物の抵抗スイッチング現象において,その起源が酸化物中に形成される導電性フィラメントパスであることが実験的に示唆されてきた。本研究では,プレーナ型のCuO抵抗変化デバイスを作製し,その上に微細加工により電界集中型の電極パターンを構築することで導電性パスの位置制御に成功した。それに伴い,微細加工によって抵抗スイッチングの電圧,電流が大幅に低減できることを示した。また,光電子顕微鏡,局所X線分析を行うことでデバイス上に形成された導電性パスが強く還元されたCuOから成る事を明らかにした。本研究では、近年急速に開発が進んでいる酸化物電界誘起相変化デバイス-酸化物トランジスタや不揮発性抵抗変化メモリー-の背景にある基礎学理の解明および酸化物デバイスの特長を体現する新規物性の開拓を目的とする。H21年度の研究成果は以下の通りである。1.遷移金属酸化物・カルコゲナイドFETの構築パリレンをゲート絶縁膜とした酸化物トランジスタを作製し、極低温物性の開拓を進めた。SrTiO_3トランジスタでは極低温で電界誘起絶縁体・超伝導転移を実現した。このトランジスタ技術を層状遷移金属カルコゲナイドに展開することで、MoS_2やWSe_2トランジスタの金属-絶縁体転移を観測した。2.抵抗変化メモリのスケールダウン・省電力化これまでの研究から遷移金属酸化物の抵抗スイッチング現象は、その起源が酸化物中に形成される導電性フィラメントパスであることがわかってきた。そこで電極構造を工夫することによって伝導フィラメントの位置を制御し、デバイスのスケールダウンに成功した。同時に省電力化が実現されることを確認した。3.新規イリジウム酸化物Ir_2O_4の合成スピン軌道相互作用は電界(磁界)によるスピン(電流)制御を可能とする、次世代デバイス開発の重要なファクターである。界面、電界下での強いスピン軌道相互作用に着目し、重い5d遷移金属酸化物のデバイス開発・新物質探索を行った。H21年度は新規イリジウム酸化物Ir_2O_4の合成に成功した。この物質はAサイトが完全に欠損したスピネル構造を形成する。ルチル型IrO_2とは異なり、絶縁体的挙動を示した。電界トランジスタ構造を用いた電界誘起物性ではパリレンを絶縁膜とするMoS_2トランジスタを構築し、約1Kの低温で量子抵抗h/e^2以下の抵抗値と金属的な温度依存性を観測し、電界誘起絶縁体-金属転移が実現したと結論した。過去に二次元絶縁体-金属転移が観測されていたSiなどと比べるとはるかに低い移動度(10^3V/cm^2sec)で絶縁体金属転移が起きている。その物理的起源を重い4d元素であるMoの強いスピン軌道相互作用にあると考察した。抵抗スイッチング素子関係では、SPring-8の放射光ナノビームを用いた伝導フィラメントの実空間直接観測を行った。スピン軌道相互作用(と電界効果)の視点から新たに展開している5dIr酸化物の物性では、磁気X線回折の偏光依存性を用いて、スピン軌道モット絶縁体Sr_2IrO_4の磁気モーメントのスピン成分と軌道成分の分離を行った。

大きな軌道成分の存在が確認され、スピン成分と軌道成分のモーメントの比は1:5-1:6と強スピン軌道相互作用の極限(J_<eff>=1/2)の場合に予測される1:4に極めて近い値を得た。値の小さなずれは構造変形によるJ_<eff>=1/2の混成として理解できる。J_<eff>=1/2に極めて近い状態にいることが証明された。磁性体ではスピン軌道相互作用は磁気的異方性の起源であることは良く知られている。単純に考えるとSr_2IrO_4は極めて異方性の強い磁性体になると思われるが、最近Jackeliらによって理論的、スピン軌道相互作用の強いJ_<eff>=1/2の極限では系は二次元S=1/2ハイゼンベルグ系として振る舞うと指摘された。IrL端の共鳴X線回折の実験において、スピンゆらぎに伴う散漫散乱を見出し、その解析から確かに二次元S=1/2ハイゼンベルグ系として振る舞うことを確認した。電界トランジスタ構造を用いた電界誘起物性ではイオン液体を用いたMoS_2トランジスタを構築し、パリレン絶縁膜を用いたトランジスタで観測されていた電界誘起絶縁体-金属転移を確認すると同時に、T_c=9.4Kで超伝導転移を観測した。バルクではインターかレーションによって約6Kの易の超伝導が報告されているが、観測された転移温度はこれよりはるかに高い。超伝導転移の磁場方向依存性から二次元性が強いことを確認した。スピン軌道相互作用(と電界効果)の視点から新たに展開している5dIr酸化物の物性では、電界効果への展開を念頭に置きつつ、SrIrO_3薄膜試料の作製を行い、これに成功した。作製した薄膜はバルクと同様半金属性を示すが、SrTiO_3と超格子を形成し、多層膜化すると、SrIrO_3層数の減少と共に、半金属から絶縁体へと移行していくことが観測された。金属-絶縁体転移に伴い弱強磁性を観測した。スピン軌道モット絶縁体Sr_2IrO_4の研究では重いIrの特徴を活かしたX線共鳴非弾性散乱(RIXS)の実験を行い、運動量依存のスピンと電荷の励起を捉えることに成功した。スピンの励起のエネルギースケールは0.1eVと、磁気散漫散乱から求めたスピン相関の温度依存性からの推測と一致している。Ir^<4+>のJ_<eff>=1/2波動関数に伴う量子位相効果の発現を期待して、90°結合ハニカム型のLi_2IrO_3を合成した。強磁性的相互作用の存在が確認され量子位相を体現するキタエフ型の相互作用が顕在化していることを確認した。
細菌の新規体腔依存高分子物質取り込み系ポンプの構造と機能

平成12年度より継続して、細菌Sphingomonas sp. A1株の高分子物質取り込み系ポンプにおけるペリプラズム局在性のアルギン酸結合タンパク質AlgQ1、AlgQ2の機能と構造の解析を行った。BIAcore、並びに紫外吸収差スペクトルの測定により、AlgQ1、AlgQ2の機能解析を行った結果、両タンパク質がアルギン酸をはじめとするゲラン、ペクチンなどのウロン酸含有多糖と特異的に結合することが明らかになった。AlgQ1、AlgQ2各々のapo型、ならびにholo型(アルギン酸分解物:4糖との複合体)の高次構造をX線結晶構造解析により決定した。本タンパク質は、基質結合タンパク質としては2例目となるカルシウムイオン含有タンパク質であった。Apo型のAlgQ1、AlgQ2は、2つのドメインが開いた構造(open form)であり、基質であるアルギン酸が結合するとドメインが接近し、閉じた構造(closed form)となる。Closed formはopen formに比べ、ドメイン間の角度が約37°(AlgQ1)、あるいは30°(AlgQ2)閉じており、ドメイン間の開閉によりアルギン酸を結合・解離させていると考えられる。AlgQ1、AlgQ2の立体構造は非常によく似ていたが、apo型のAlgQ1がAlgQ2に対し約7°ドメイン間が開いており、アルギン酸結合に関与するアミノ酸1残基が異なっていた。ドメインの開閉はドメイン間を繋ぐループの構造変化に依存する。ループの構造変化は、水1分子の出入によって制御されることを明らかにした。本タンパク質は酸性糖であるアルギン酸を基質とするため、結合には塩基性の残基が特に重要な役割を担っており、この点において既知の糖質結合タンパク質と異なっている。
視細胞変性保護を目的としたReplacement Gene Therapy

本研究では、遺伝子異常を修正する「Replacement Therapy」について検討した。視細胞に特異的にタンパク質を発現させる為、ロドプシンプロモーターを用いて遺伝子導入を行ったが、プロモーター活性が極めて低かった。これに対し、IRBPプロモーターとPDEプロモーターの組み合わせを用いる事で、網膜視細胞に特異的に遺伝子導入を行える事が分かったが、その発現は投与部に限られていた。網膜色素変性症に起因する遺伝子は、40以上も報告されている。本研究では、網膜色素変性症の遺伝子変異に関わらず、遺伝子異常を修正する「Replacement Therapy」について、検討を行う事を目的とした。H23年度及びH24年度の研究を通して、以下の結果が得られた。(H23年度)視細胞に特異的に発現させる為、ロドプシンプロモーターを用いて遺伝子導入を行ったが、プロモーター活性が極めて低かった。これに対し、Interphotoreceptor Retinoid-Binding Protein(IRBP)プロモーターとphosphodiesterase(PDE)プロモーターの組み合わせを用いる事で、網膜視細胞に特異的に遺伝子導入を行える事が分かった。実験では、IRBP-PDEをプロモーターとしたアデノ随伴ウイルス(AAV-Type5)を作製し、網膜下から投与した。この結果、視細胞特異的に遺伝子発現を起せたが、網膜の一部のみに発現が限られた。そこで、細胞へのウイルス親和性、安定性を高めるため、ウイルスキャプシドタンパク質のアミノ酸を改変した。(H24年度)ウイルスキャプシドタンパク質のアミノ酸を改変したウイルスを用い、網膜下より投与した。その結果、投与範囲を中心に遺伝子導入範囲の拡大が見られた。このベクターを用い、視細胞でのall-trans retinalから11-cis retinalの合成をもたらす光異性化酵素opn5遺伝子をゼブラフィッシュから得て、S334Terラットへ遺伝子導入を行った。しかし、顕著な保護効果を確認できなかった。視細胞保護効果を示すには、さらに広範囲の遺伝子導入を行う必要があると考えられる。今後は、網膜下への投与ではなく、硝子体側から投与し広範囲に視細胞へ遺伝子導入を行うベクターを作製したい。本研究では、網膜色素変性症の遺伝子変異に関わらず、遺伝子異常を修正する「Replacement Therapy」について、検討を行う事を目的とする。本年度は、視細胞に選択的に遺伝子導入を行う為のベクターの作製をおこなった。当初、ロドプシンプロモーターを使用する予定であったが、プロモーター活性が極めて低かった。この結果、視細胞特異的に遺伝子発現を起せたが、網膜の一部にのみにしか発現が見られなかった。そこで、投与ニードルを研究室で新たに作製し、硝子体側からの網膜下投与を試みた。このニードルを用いれば、網膜下投与を行った場合より広範囲に遺伝子導入がされた。しかし、我々が遺伝子導入を行う予定である生後20日前後のラットに用いるには、規格的に無理である事が分かった。そこで、細胞膜への親和性を上げる為、ウイルス構成タンパクの内、膜輸送シグナルの遺伝子の改変を行った。この結果、細胞への透過性を亢進できると予想される。このウイルスを用いて硝子体側から投与して、広範囲に視細胞に導入したいと考えている。本年度は、改変までを終える事ができた。本年度は、視細胞に特異的に遺伝子導入を行う為のベクターを構築し、確認ができた(ウイルス作製時、感染価の確認をTali TM・イメージベース、サイトメーターにて確認)。また、実験の結果、一部の視細胞にしか導入されないという問題点が明らかとなった。そこで、広範囲に遺伝子を導入できるウイルスを構築、作製することができた。現在、このウイルスの遺伝子導入範囲を確認中である。本年度は、東日本大震災により研究にやや遅れが生じた。震災では、多くの機器が被害を受けた。また、震災後の停電により、サンプル等の損失や、ウイルス産生細胞株等、様々な細胞株も失った。研究室を復元し研究をスタートさせる為に時間を要したが、本年度中途である実験は、次年度の研究と共に進める予定である。本年度投与済みの広範囲に広がる改変型アデノ随伴ウイルスについて、遺伝子導入範囲の確認を行う。また、視細胞変性の促進を抑制させる遺伝子をIRBP-PDEプロモーター下に組み込み、その変性の遅延もしくは、阻止について組織標本を作製し調べる(ドラフトチャンバー使用予定)。さらに、変異の多様性に関わらずロドプシン(RHO)変異を抑制する配列を選択し、この遺伝子をRNAi活性の高いShRNAに組み込んだベクター(a)の作製を行う。このベクターを用いて、生来のラットロドプシン遺伝子を安定的に発現するHela

細胞株(b)に遺伝子導入を行い、細胞の形態観察を行う。(b)はロドプシンを発現している為に突起を伸展させ、神経細胞様を呈する。この神経突起をよく抑制する(a)を数個作製した中から選ぶ。本年度、予定より遅延した部分について、次年度の研究と共に進める予定であり、予算の多くは、動物購入及び飼育費と網膜組織の評価実験に使用する予定である(ドラフトチャンバー購入予定)。
ヘテロコア光ファイバ水素センサの長寿命化に関する実験的研究

本研究では、無機化合物の水素感応物質である酸化タングステン(WO3)が水素吸蔵合金特有の相転移を持たないことに着目し、長期的に運用可能な光ファイバ水素センサを構築する。機械的強度に優れ、容易にエバネッセント波を生じさせることができるヘテロコア光ファイバセンサを用いて、WO3ナノ粒子(NP)と金ナノ粒子(AuNP)を組み合わせた、局在型表面プラズモン共鳴(LSPR)による水素センサを確立する。WO3NPを用いることで、従来のWO3薄膜よりも高感度で応答性能が速い水素センサの実現が期待できる。
悪性脳腫瘍および結核治療のための新規ナノ粒子製剤の設計

悪性脳腫瘍治療のためのナノ粒子設計に関しては、葉酸7分岐修飾・シクロデキストリンに抗がん剤を結合し、抗がん剤をがん細胞に特異的に送達できるナノキャリアを調製できた。結核治療のためのナノ粒子設計に関しては、水溶性の高い新規抗結核薬OCT313を疎水性界面活性剤で被覆した肺内においても粒子として存在できるナノ粒子化することに成功した。また、このナノ粒子を内包した経肺投与マイクロ粒子を設計し、結核菌が潜伏する肺胞マクロファージへ効率よく薬物を送達可能とした。悪性脳腫瘍治療のためのナノ粒子の設計に関しては、DNA修飾タンパク活性ペプチドであり、がん抑制ペプチドのp53pと細胞膜を貫通する作用を有するAntennapedia(Ant)を融合させたp53p-Antを封入したPLGAマイクロスフェア(MS)と抗がん剤のCisplatinを封入したMSを調製し温度感受性ポリマーに分散させて腫瘍内に併用投与した。p53p-AntとCisplatinとを併用することによりC6細胞に対する殺細胞効果が上昇した。これは、p53p-Ant、CisplatinはC6細胞に対してアポトーシスを誘導することが判明した。また、p53p-Ant封入MSとCisplatin封入MSを脳腫瘍モデルラットの腫瘍内に併用局所投与することにより、平均生存日数が顕著に延長することが明らかとなった。がん細胞リガンドである葉酸で修飾したシクロデキストリンと抗がん剤のドキソルビシン(DOX)との結合体ナノ超分子の合成を開始した。結核治療のためのナノ粒子の設計に関しては、マンノース脂質誘導体を用いてPLGAナノ粒子の表面修飾を行うことにより、より特異的な肺胞マクロファージ標的化が可能であることが示唆され、このリファンピシン吸入剤では直接患部に投与できることから、低投与量で副作用を軽減できることが予測され、より合理的な肺結核治療薬剤としての応用が期待できる。また、新規抗結核候補薬として期待されるが水溶性がきわめて高く製剤化が困難なOCT313のナノ粒子化検討を開始した。ダブルエマルション法によりS/O/W型のミセル様ナノ粒子の設計を試みている。悪性脳腫瘍治療のためのナノ粒子の設計に関しては、腫瘍細胞に高発現する葉酸レセプター(FR)結合サイトとの強力な会合能を有する葉酸7分岐修飾βシクロデキストリン(per-FOL-β-CD)の2級水酸基にジスルフィド結合を有するスペーサーアームを導入し、その末端に抗がん剤であるドキソルビシン(DOX)を結合させた葉酸7分岐修飾βシクロデキストリン/ドキソルビシン結合体(per-FOL-β-CD-ss.DOX)を合成し、悪性脳腫瘍細胞に対するターゲティング能の評価を行った。per-fol-β-CDを出発物質とし、2級水酸基をトシル化し、エポキシ基の生成とそこへのシスタミンモノコハク酸アミドの付加反応を行った。さらに縮合剤DMT-MMを用いて、末端にDOXを結合させ、per-FOL-β-CD-ss-DOXを調製した。ラットグリオーマC6(FR高発現(FR(+)))細胞におけるper-FOL-β-CD-ss-DOXの細胞内取り込みを、共焦点レーザー顕微鏡、フローサイトメトリーで検討した結果、per-FOL-β-CD-ss-DOXはFRを介して、DOX単体よりも有意にC6(FR(+))細胞に取り込まれることが示唆された。結核治療のためのナノ粒子の設計に関しては、新規抗結核候補薬として期待されるが水溶性がきわめて高く製剤化が困難なOCT313のナノ粒子化を検し、ダブルエマルション法によりS/O/W型のミセル様ナノ粒子の設計を試みた。薬剤水溶液のモデルとしてエリスリトール(50mg/mL)と疎水性界面活性剤であるER-290を溶解させたシクロヘキサン溶液を1:11:1の重量比で混合し、ホモジナイズ(25,000rpm)を行うことでW/Oエマルションを調製後、凍結乾燥にかけた。得られたものを大豆油中に分散させ、水溶性界面活性剤であるPoloxamer 188溶液を薬物に対して1:11:50の重量比で混合し、ホモジナイズを行うことでS/O/Wエマルションを調製した。In vitro条件下でマウス由来マクロファージ細胞株(RAW264.7細胞)において取り込みが観察されており、S/O/Wエマルションは経肺製剤として期待できる。

悪性脳腫瘍治療のためのナノ粒子の設計に関しては、腫瘍細胞に高発現する葉酸レセプター(FR)結合サイトとの強力な会合能を有する葉酸7分岐修飾βシクロデキストリン(per-FOL-β-CD)の2級水酸基にジスルフィド結合を有するスペーサーアームを導入し、その末端に抗がん剤であるドキソルビシン(DOX)を結合させたper-FOL-β-CD/DOX結合体(per-FOL-β-CD-ss-DOX)を合成し、脳腫瘍細胞に対するターゲティング能の評価を行った。per-FOL-β-CD-ss-DOXはエンドサイトーシスによって細胞に取り込まれることを明らかとし、これによりDOX耐性がん対する治療効果が期待できた。また、葉酸受容体をほとんど発現していないA549に対しては弱毒性しか示さなかった。これにより、正常細胞への毒性も低いと考えられた。結核治療のためのナノ粒子の設計に関しては、新規抗結核候補薬として期待されるが水溶性がきわめて高く製剤化が困難なOCT313のナノ粒子化を検討した。OCT313は貴重なため水溶性モデル薬物として蛍光物質のカルセインを用いた。ダブルエマルション法によりS/O型のミセル様ナノ固体粒子の設計を試みた(Solid)。特殊なノズルを搭載したスプレードライヤーを用い、マンニトール(MAN)のマイクロ粒子中にSolidナノ粒子が分散した経肺投与粒子の設計に成功した。このSolid/MAN粒子をラットに経気管投与後、肺胞マクロファージ(Mc)を単離・回収し、Mcの薬物取り込みを検討したところ、Solid/MAN粒子の場合、薬物(肺内では溶液となる)と比較して顕著に多く取り込まれることが明らかとなった。これは、疎水性界面活性剤に被覆されたカルセインが粒子として認識され、貪食されることで高濃度でMcへ送達されたためと考えられる。悪性脳腫瘍治療のための粒子設計については、がん抑制ペプチドと細胞透過性ペプチドを融合したペプチドの腫瘍内長期徐放による治療効果の向上についてはおおむね目的を達成し、現在は腫瘍細胞へのターゲティング分子の設計を行っている。結核治療のための粒子設計については、新たな治療宅のOCT313のナノ粒子設計成功し、その最適化検討を行っている。この粒子のマウス由来マクロファージ細胞株への効率的な取り込みを確認している。24年度が最終年度であるため、記入しない。葉酸7分岐修飾βシクロデキストリン(per-FOL-β-CD)を用いた悪性脳腫瘍細胞ターゲティング分子の設計については、細胞取り込みを向上させる検討を行う予定である。ポリペプチドミセルの設計については脂質ナノ粒子あるいはゲルの応用に置き換える必要がある。結核治療の検討においては、粒子の経肺投与製剤としての有用性の検討とそのための処方検討を行う。また、弱毒化結核菌株のBCGを感染させたマクロファージを用いた殺細胞効果の検討や、in vivoにおける肺への送達性、肺胞マクロファージへの取り込みの評価を試みる。
Mfsd2遺伝子KOマウスを用いた、脳内ＤＨＡによるエネルギー代謝調節機構の解明

脳はグルコース代謝だけでなく、脂肪酸代謝を活発に行っている臓器でもある。脳内の脂質はグルコースからも供給されるが、多くは血液脳関門を介して末梢から供給される。したがって、脳はグルコース代謝を中心としながらも脂肪酸代謝においても末梢組織と同様の調節機能を備えている。中でもDHAはエネルギー源であるとともに、正常な脳の成熟や機能に中心的な役割を果たす主要な多価不飽和脂肪酸である。しかし脳内にDHAの合成酵素はなく、末梢から供給される必要がある。Mfsd2はDHAのトランスポーターとして末梢のDHAを脳内に供給する役割を果たすことが2014年に明らかとなった。本研究は、末梢のDHAが十分であるにもかかわらず、普通食摂餌下飼育でも脳内のDHAが欠如するMfsd2ノックアウト(KO)マウスの解析を通じて、脳内DHAが個体の成長過程において中枢神経発達にどのような影響を及ぼしているのか、エネルギー代謝調節機構、および食物選択行動調節機構にどのような影響を及ぼしているかを解明する。Mfsd2 KOマウスの自由行動および8方向放射状迷路試験における行動解析で、様々な行動異常がみられた。これら行動異常をきたす原因として、注意欠陥、認知機能低下、記憶力低下、集中力低下、不安障害、が考えられた。この結果は、脳内DHAの欠如がマウスの発達遅滞、発達障害をきたしていると考えられ、ヒトの乳幼児期小児期におけるDHAの神経発達上の重要性を示唆するものと思われる。運動機能で平衡感覚の低下がみられたことから小脳機能障害が疑われるとともに、運動機能の観点からも脳内DHAが重要であるとことが示唆された。組織学的にはKOマウスの脳は萎縮(低形成)していた。また、嗅覚異常を伴なっている可能性があり、現在、評価中である。また、Mfsd2 KOマウスの出生後72時間以内の死亡率が高く、現在原因を精査中である。1KOマウスの繁殖が悪いため28方向放射状迷路における行動実験においては実験中のマウスの行動に確認すべき事項が追加されたため3コストを節約する目的で、血液検体や臓器についてはすべて採取を完了した後に、一斉にすることを予定しているため1出生後72時間以内死亡の原因検索2嗅覚異常の精査4論文発表作成脳はグルコース代謝だけでなく、脂肪酸代謝を活発に行っている臓器でもある。しかし、脳内にDHAの合成酵素はなく、末梢から供給される必要がある。本研究は、末梢のDHAが十分であるにもかかわらず、脳内のDHAが欠如するMfsd2 KOマウスの解析を通じて、脳内DHAがエネルギー代謝調節機構および食物選択行動調節機構にどのような影響を及ぼしているかを解明する。Mfsd2ノックアウト(KO)マウスの自由行動を解析した結果、1細い橋(約4.5cm)を渡る行動において、しばしば前方から、あるいは後ずさりして後方から落下し、KOマウスは、注意力、集中力が低下しているか、平行感覚が低下している、2野生型(WT)マウスを後から同居させたとき、WTマウスが近寄るとフリーズし易いことから、恐怖心、不安を強く感じる、特性であることが判明した。これらの特性、およびKOマウスの脳重量が体格差を考慮してもWTマウスよりも小さいことから、脳に構造的な違いがあることが示唆された。これらを明らかにするために、8方向放射状迷路試験を行った。その結果、記憶、認知機能が低下していた。、現在、脳の組織学的評価を行っている。1. KOマウスの繁殖が悪いため2.コストを節約する目的で血液検体や臓器についてはすべて採取した後に、一斉に評価することを予定しているため。

この結果は、脳内DHAの欠如がマウスの発達遅滞、発達障害をきたしていると考えられ、ヒトの乳幼児期小児期におけるDHAの神経発達上の重要性を示唆するものと思われる。また、運動機能で平衡感覚の低下がみられたことから小脳機能障害が疑われるとともに、運動機能の観点からも脳内DHAが重要であるとことが示唆された。またKOマウスの脳は萎縮(低形成)していた。1KOマウスの繁殖が悪いため2コストを節約する目的で、血液検体や臓器についてはすべて採取を完了した後に、一斉にすることを予定しているため。脳はグルコース代謝だけでなく、脂肪酸代謝を活発に行っている臓器でもある。脳内の脂質はグルコースからも供給されるが、多くは血液脳関門を介して末梢から供給される。したがって、脳はグルコース代謝を中心としながらも脂肪酸代謝においても末梢組織と同様の調節機能を備えている。中でもDHAはエネルギー源であるとともに、正常な脳の成熟や機能に中心的な役割を果たす主要な多価不飽和脂肪酸である。しかし脳内にDHAの合成酵素はなく、末梢から供給される必要がある。Mfsd2はDHAのトランスポーターとして末梢のDHAを脳内に供給する役割を果たすことが2014年に明らかとなった。本研究は、末梢のDHAが十分であるにもかかわらず、普通食摂餌下飼育でも脳内のDHAが欠如するMfsd2ノックアウト(KO)マウスの解析を通じて、脳内DHAが個体の成長過程において中枢神経発達にどのような影響を及ぼしているのか、エネルギー代謝調節機構、および食物選択行動調節機構にどのような影響を及ぼしているかを解明する。Mfsd2 KOマウスの自由行動および8方向放射状迷路試験における行動解析で、様々な行動異常がみられた。これら行動異常をきたす原因として、注意欠陥、認知機能低下、記憶力低下、集中力低下、不安障害、が考えられた。運動機能で平衡感覚の低下がみられたことから小脳機能障害が疑われるとともに、運動機能の観点からも脳内DHAが重要であるとことが示唆された。組織学的にはKOマウスの脳は萎縮(低形成)していた。また、嗅覚異常を伴なっている可能性があり、現在、評価中である。また、Mfsd2 KOマウスの出生後72時間以内の死亡率が高く、現在原因を精査中である。1KOマウスの繁殖が悪いため28方向放射状迷路における行動実験においては実験中のマウスの行動に確認すべき事項が追加されたため3コストを節約する目的で、血液検体や臓器についてはすべて採取を完了した後に、一斉にすることを予定しているためKOマウスの脳の組織学的評価と、摂食行動およびエネルギー代謝特性、代謝関連遺伝子発現を評価する。KOマウスの脳の組織学的評価と、摂食行動およびエネルギー代謝特性、代謝関連遺伝子発現を評価する。1出生後72時間以内死亡の原因検索2嗅覚異常の精査4論文発表作成
音声対話における音声の認識と合成に関する研究

今年度は、対話音声の分析、認識、合成、対話制御のモデル化の4点から研究を行った。主な成果は次の通りである。(1)雑音に強い分析法として、帯域分割分割自己相関分析法を提案し、種々の雑音に有効であることを確かめた。また、この方法をダミ-ヘッドを用いた2入力信号に拡張すると、ロバスト性が向上することを確認した。(板倉)(2)音声の振幅包絡を周波数分析して発話速度を抽出する方法を考案し、日本語と英語の発話速度の変化を定量的に示した。また、日本語のbimoraic foot現象、英語の強勢間の音節の等時性などを明らかにした。(北沢)(3)識別学習と入力音声への適応機能の導入により高精度な音素認識アルゴリズムを確立した。また離散型HMnetを用いた強力な言語モデルの獲得法を提案してその有効性を示した。(牧野)(4)強い言語的制約に頼っていた従来の連続音声認識システムに、文法の学習、未知語処理、認識誤りを含んだ文の意味解釈などの機能を導入して、比較的自由な発話を許すことに成功した。(中川)(5)韻律、分節特徴、音質の柔軟な制御が可能なホルマントテンプレート接続型音声合成方式を提案し、新しく開発したARX音声分析法を用いて抽出した音道及び音源パラメタを用いて、良好な合成音声を得た。(粕谷)(6)対話音声と朗読音声の特徴を比較し、対話音声を合成するための韻律規則を作成した。また、特定のタスクを用いて、対話履歴による省略、焦点の付与の制御を行い、ユーザに分かりやすい応答音声が生成する手法を開発した。(広瀬)(7)音声認識の誤りを考慮し、認識や聞き直しを行う対話制御方式の数学的なモデル化を行い、このような制御方式を採る対話システムの総合的な性能と音声認識システムの性能との間の定量的な関係を導いた。(新美)本研究では、人間と機械の間の音声対話システムを実現するための基盤技術確立を目的として、対話音声の分析・認識の手法および対話として自然に感じられる音声の合成法とその心理的評価について検討する。本年度は以下の実績をあげた。1.対話音声の音響的分析-(1)音声対話における情報伝達に重要な働きをもつ非言語情報の処理技術と非言語事象の記述方式について考察し、ツール作成とラベリングを行った(北澤)。(2)人間の聴覚末梢系の機能を参考にして、耐雑音性に優れた音響分析法を提案し理論的に考察するとともに、認識実験を行って有効性を示した(板倉)。2.対話音声の認識-(1)対話音声認識で問題となる未知語・間投詞の処理方式を開発して、シミュレーションや認識実験で有効性を確認した。また、音声認識精度を高めるための教師なし話者適応化方式を提案し、教師あり方式に遜色のない効果を得た(中川)。(2)頑健で高精度な音声認識を目標に、修正学習ベクトル量子化法に時間的順序関係の制約を加える方法および入力音声に適応化する方式について検討した。また、対話音声のための文法構築の基礎的検討を行った(牧野)。3.音声対話システムのための音声合成手法と心理的評価-(1)柔軟な韻律制御に耐える高品質音声合成のため、各種方式の得失を比較検討し、ホルマント素片合成方式・鼻音合成方式を開発するとともに、分析・合成ツールを整備した(粕谷)。(2)対話音声の韻律的特徴を調査し、対話音声用の韻律制御規則を作成した。また、発話の意図や感情と韻律的特徴の関係について検討した。今後、規則をさらに精密化する必要がある(広瀬)。4.音声対話システムの情報理論的モデル化と作成-目的指向の対話において伝達される情報量の定量化法と対話制御の階層化について考察し、基礎実験のための音声対話システムの設計・製作を行った。また、連続音声中の不要語検出方式を開発した(新美、小林)。対話システムを実際に使用する際には、雑音や音声の歪みが大きな問題となる。板倉は、音響分析部において頑健な特徴量を抽出するため、帯域分割-自己相関分析法と呼ぶ方法を提案し、零交差歪みのような極端に歪んだ音声や種々の雑音を付加した音声にそれを適用し、その頑健性を示した。また対話音声では、発声速度や強度の変動が大きく、文末などで発声が不明瞭になることが多い。文法的には、書き言葉に比べて制約がかなり緩くなり、間投詞の挿入や言い直しなどの現象も多くなる。牧野は、このように曖昧さの増した音声から高精度で音素を認識する方法を検討した。中川は、緩い文法的制約のもとで、正確に音声を認識し意味の理解を行う手法を検討した。新美は音声認識の信頼度が低い場合、再入力を促したり、確認を行ったりする対話制御方式の数学的なモデル化を行った。北澤は、対話音声に含まれる非言語情報の重要性に着目し、そのためのデータベースの構築を進めているが、その際問題となるラベリングの精度について検討し、ラベリングの精度を高めるための支援システムを開発した。一方、音声対話システムの出力としては、対話の流れに沿った適切な応答文章を生成し、それを聞き手にとってわかりやすくかつ自然な韻律的特徴を有する高品質の合成音声として出力することが重要である。

粕谷は、ホルマント合成方式で、重要な役割を果たす、有声音源と声道のパラメタを同時に推定するために、カルマン・フィルタ同定法とシミュレイテッド・アニーリングを用いる方法を提案した。広瀬は、対話の履歴を利用して既知の語句を省略したり、新しい情報を強調する対話らしい文の生成方式を検討した。また、対話音声の韻律的特徴を調べ、対話音声用の韻律規則を構築し、対話音声の合成を行った。今年度は、対話音声の分析、認識、合成、対話制御のモデル化の4点から研究を行った。主な成果は次の通りである。(1)雑音に強い分析法として、帯域分割分割自己相関分析法を提案し、種々の雑音に有効であることを確かめた。また、この方法をダミ-ヘッドを用いた2入力信号に拡張すると、ロバスト性が向上することを確認した。(板倉)(2)音声の振幅包絡を周波数分析して発話速度を抽出する方法を考案し、日本語と英語の発話速度の変化を定量的に示した。また、日本語のbimoraic foot現象、英語の強勢間の音節の等時性などを明らかにした。(北沢)(3)識別学習と入力音声への適応機能の導入により高精度な音素認識アルゴリズムを確立した。また離散型HMnetを用いた強力な言語モデルの獲得法を提案してその有効性を示した。(牧野)(4)強い言語的制約に頼っていた従来の連続音声認識システムに、文法の学習、未知語処理、認識誤りを含んだ文の意味解釈などの機能を導入して、比較的自由な発話を許すことに成功した。(中川)(5)韻律、分節特徴、音質の柔軟な制御が可能なホルマントテンプレート接続型音声合成方式を提案し、新しく開発したARX音声分析法を用いて抽出した音道及び音源パラメタを用いて、良好な合成音声を得た。(粕谷)(6)対話音声と朗読音声の特徴を比較し、対話音声を合成するための韻律規則を作成した。また、特定のタスクを用いて、対話履歴による省略、焦点の付与の制御を行い、ユーザに分かりやすい応答音声が生成する手法を開発した。(広瀬)(7)音声認識の誤りを考慮し、認識や聞き直しを行う対話制御方式の数学的なモデル化を行い、このような制御方式を採る対話システムの総合的な性能と音声認識システムの性能との間の定量的な関係を導いた。(新美)