hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
トウガラシ属の種間雑種植物に認められる受精後交雑障壁の解明

本研究ではトウガラシの交雑による育種的改良を妨げている生殖隔離を理解し、メカニズムを解明することを目指している。生殖隔離の解明のために、(1)どのような表現型異常が現れるのか、(2)どのような遺伝子が関係しているのか、(3)原因遺伝子はどのような遺伝子をコードしているのか、といったことを中心に解析している。平成30年度は以下のような実験を行った。1)生殖隔離により生育異常を示す個体の表現型を解析した。正常個体に比べて、葉数および草丈の減少が認められ、茎頂に異常が観察された。また、生殖隔離が生じる環境条件の検証を行った。生育異常個体では病害応答やストレス応答に関連する遺伝子が発現していること、細胞死の一種であるプログラム細胞死が起きていること、活性酸素種が生成していることも明らかにした。今後は、遺伝子の網羅的な解析を行い、その結果をもとに解析を進めていくことを計画している。2)生殖隔離の遺伝解析を行った。両親のそれぞれがもつ単一の遺伝子が原因であることを確認した。現在、原因遺伝子の単離に向けて、分離集団の整備を進めている。3)トウガラシ属植物における生殖隔離遺伝子の分布状況を明らかにするために、順次交配を行っている。交配を進めるうちに、交配組合せによっては果実ができない、種子が採れないなどの問題が生じることが明らかになってきたが、今後も系統数を逐次増やして生殖隔離の分布を明らかにしていく予定である。また、SSRマーカーおよびITS配列を用いたトウガラシ系統の系統解析も順次進めている。この実験で得られた成果は、生殖隔離を回避するための情報源として、トウガラシの育種に活用されることが期待される。トウガラシの生殖隔離を解明するために、表現型解析や遺伝子発現解析を行っており、進捗は順調である。一方、遺伝解析については分離集団の整備中であり、準備が整い次第、解析を進める予定である。生殖隔離遺伝子の分布状況の調査やトウガラシの系統解析は、実験の性質上、逐次的に進めなければならない実験課題であるが、順調に進んでいると考えている。今後は、現在作成中の分離集団を用い、生殖隔離の原因遺伝子の同定を目指す。また、生殖隔離に関連する遺伝子の網羅的な解析を実施し、生理学的な解析もさらに進展させる。トウガラシの系統解析および生殖隔離遺伝子の分布状況についても調査する系統数を逐次増やし、トウガラシの育種に活用できるような情報を整備する予定である。トウガラシ属植物の種間交雑では生殖隔離が認められる。生殖隔離は遠縁交雑育種を行う際の大きな障害であり、これを克服することが求められている。本研究では、トウガラシ属で認められる生殖隔離現象のメカニズムを解明し、新しい生殖隔離モデルを提案することを目指している。本年度は、トウガラシにおける生殖隔離を解析するための基盤整備を中心に行った。解析に使用するための植物材料を交配によって作出し、どのような表現型異常が生じているかを明らかにした。また、組織学的な観察により、生育異常個体では正常個体には認められない特徴的な症状が存在することを示した。これらの結果をもとに、今後は関連する遺伝子の解析、生理学的な解析を実施する予定である。一方で、当初計画していた手法では植物体を得ることが難しく、遺伝解析のための交雑集団の育成が困難であった。現在は、同時に実施していた別の方法により交雑集団を育成中であり、30年度に遺伝解析を行う体制を整えている。また現在、多数の系統を用いて交配を行っているところであり、生殖隔離に関与する遺伝子がトウガラシ属植物においてどのように分布しているのかを調査している。SSRマーカーおよびITS配列を用いてトウガラシ系統の系統解析を行い、類縁関係を明らかにした。系統樹上では概ね種ごとにクレードを形成していた。今後はさらに系統数を増やして解析することで、詳細な系統関係を明らかにする必要がある。遺伝解析を行うための交雑集団の作成に遅れが生じている。当初計画していた手法を実施したが交雑集団の作成が困難であったため、現在は別の方法で交雑集団の作成を進めているところである。30年度には遺伝解析を実施できる見込みとなっている。また、多数行った交雑の中から本研究でモデルとして扱う生育異常個体を決定するのに時間を要したことから、本年度に計画していたメカニズム解明のための諸解析を実施できなかった。これらについては、30年度に実施する予定である。その他に実施した交配実験、表現型解析、系統解析については順調に進んでいる。

2)生殖隔離の遺伝解析を行った。両親のそれぞれがもつ単一の遺伝子が原因であることを確認した。現在、原因遺伝子の単離に向けて、分離集団の整備を進めている。3)トウガラシ属植物における生殖隔離遺伝子の分布状況を明らかにするために、順次交配を行っている。交配を進めるうちに、交配組合せによっては果実ができない、種子が採れないなどの問題が生じることが明らかになってきたが、今後も系統数を逐次増やして生殖隔離の分布を明らかにしていく予定である。また、SSRマーカーおよびITS配列を用いたトウガラシ系統の系統解析も順次進めている。この実験で得られた成果は、生殖隔離を回避するための情報源として、トウガラシの育種に活用されることが期待される。トウガラシの生殖隔離を解明するために、表現型解析や遺伝子発現解析を行っており、進捗は順調である。一方、遺伝解析については分離集団の整備中であり、準備が整い次第、解析を進める予定である。生殖隔離遺伝子の分布状況の調査やトウガラシの系統解析は、実験の性質上、逐次的に進めなければならない実験課題であるが、順調に進んでいると考えている。現在作成中の交雑集団を用い、生殖隔離の遺伝解析を行う。また、関連する遺伝子の解析、生理学的な解析を行い、メカニズムの解明を目指す。トウガラシの系統解析および生殖隔離遺伝子の分布状況についても調査する系統数をさらに増やしていき、生殖隔離の解明に適用できるように整備する予定である。今後は、現在作成中の分離集団を用い、生殖隔離の原因遺伝子の同定を目指す。また、生殖隔離に関連する遺伝子の網羅的な解析を実施し、生理学的な解析もさらに進展させる。トウガラシの系統解析および生殖隔離遺伝子の分布状況についても調査する系統数を逐次増やし、トウガラシの育種に活用できるような情報を整備する予定である。遺伝子発現の網羅的解析を次年度に繰り越したため。
流体力学における圧縮性/非圧縮性流れの統一数値解法の構築に関する研究

1.圧縮性/非圧縮性流れの統一解法に,計算を移流過程と非移流過程の2段階に分けて行う分離解法を採用し,解法の要である移流過程の計算方法,すなわち移流方程式の数値解法について検討を行った.計算時間が比較的短い,プログラミングが容易である,陽的解法である,という長所から,特性曲線法を採用することにした.過去の研究により,特性曲線法の中で行われる補間計算のための補間式に未知関数の節点値のみで構成される2次多項式を使った場合,かなりの人工粘性が混入し,衝撃波のような不連続部分を伴う計算では,不連続部分の解がだらけてしまうことがわかった.そこで,本研究では,未知関数の節点値に加えて,未知関数の空間変数に関する偏導関数値も含む3次多項式を補間式に採用することとし,その偏導関数値の求め方を検討した.二つの方法を検討し,以下の結果を得た.(1)最初に,関数値を計算するアルゴリズムを解読して偏導関数値を計算するプログラムを自動生成する,アルゴリズムの自動微分と呼ばれる手法を調べた.その結果,問題の境界条件がディリクレ型で,しかも指定される関数値が0の場合には良好な結果を与えるが,境界で指定される関数値が非零の場合やノイマン型境界条件が指定される場合には境界付近での偏導関数値の精度が著しく低下し,移流計算の精度も低下する結果となった.自動微分を移流方程式の数値解法に応用するためには,境界条件の存在を考慮した自動微分法が必要である.(2)次に,原方程式を空間変数で偏微分して,未知量の1階の空間偏導関数を未知量とする方程式を導き,それを解いて偏導関数値を求める方法を調べた.調査の対象として,CIVA法を取り上げた.その結果,2次元移流問題のベンチマーク問題の計算において,CIVA法は良好な結果を与えた.しかし,CIVA法による解はかなりの数値振動を伴っており,使用に当たってはリミッターの併用が避けられないことがわかった.2.移流過程の計算にCIVA法を応用し,非移流過程の計算にBercovier-Pironneau要素に基づくガラーキン有限要素法を用いる統一解法を構築した.圧縮性流れの例題として衝撃波管内の流れを,非圧縮性流れの例題として直管内のポアズイユ流れを解いた.理論値に近い数値解を得ることができ,圧縮性流れと非圧縮性流れの両方を計算できる方法を構築することができた.しかし,計算精度に関してはさらなる検討の余地が残る.衝撃波管内の流れの計算値は,補間関数に2次多項式を使った場合とほとんど同じであり,同程度の人工粘性が混入した.今回の計算結果を見る限りでは,3次多項式を使って補間計算を行った効果は現れなかった.1.圧縮性/非圧縮性流れの統一解法に,計算を移流過程と非移流過程の2段階に分けて行う分離解法を採用し,解法の要である移流過程の計算方法,すなわち移流方程式の数値解法について検討を行った.計算時間が比較的短い,プログラミングが容易である,陽的解法である,という長所から,特性曲線法を採用することにした.過去の研究により,特性曲線法の中で行われる補間計算のための補間式に未知関数の節点値のみで構成される2次多項式を使った場合,かなりの人工粘性が混入し,衝撃波のような不連続部分を伴う計算では,不連続部分の解がだらけてしまうことがわかった.そこで,本研究では,未知関数の節点値に加えて,未知関数の空間変数に関する偏導関数値も含む3次多項式を補間式に採用することとし,その偏導関数値の求め方を検討した.二つの方法を検討し,以下の結果を得た.(1)最初に,関数値を計算するアルゴリズムを解読して偏導関数値を計算するプログラムを自動生成する,アルゴリズムの自動微分と呼ばれる手法を調べた.その結果,問題の境界条件がディリクレ型で,しかも指定される関数値が0の場合には良好な結果を与えるが,境界で指定される関数値が非零の場合やノイマン型境界条件が指定される場合には境界付近での偏導関数値の精度が著しく低下し,移流計算の精度も低下する結果となった.自動微分を移流方程式の数値解法に応用するためには,境界条件の存在を考慮した自動微分法が必要である.(2)次に,原方程式を空間変数で偏微分して,未知量の1階の空間偏導関数を未知量とする方程式を導き,それを解いて偏導関数値を求める方法を調べた.調査の対象として,CIVA法を取り上げた.その結果,2次元移流問題のベンチマーク問題の計算において,CIVA法は良好な結果を与えた.しかし,CIVA法による解はかなりの数値振動を伴っており,使用に当たってはリミッターの併用が避けられないことがわかった.2.移流過程の計算にCIVA法を応用し,非移流過程の計算にBercovier-Pironneau要素に基づくガラーキン有限要素法を用いる統一解法を構築した.圧縮性流れの例題として衝撃波管内の流れを,非圧縮性流れの例題として直管内のポアズイユ流れを解いた.理論値に近い数値解を得ることができ,圧縮性流れと非圧縮性流れの両方を計算できる方法を構築することができた.

しかし,計算精度に関してはさらなる検討の余地が残る.衝撃波管内の流れの計算値は,補間関数に2次多項式を使った場合とほとんど同じであり,同程度の人工粘性が混入した.今回の計算結果を見る限りでは,3次多項式を使って補間計算を行った効果は現れなかった.本研究の統一解法で用いる流れの方程式に対する計算スキームは,方程式を非定常拡散方程式と移流方程式に分離し,個々に解くものである.このとき,移流方程式の計算精度が,人工粘性の大きさに影響し,全体の精度を決定する.本研究では,移流方程式の解法に特性曲線法を応用する.これは,ある時刻にある位置での関数値を,その位置から特性曲線に沿って前時刻にさかのぼった位置で前時刻の関数値の分布から補間によって計算するものである.この補間計算にどのような多項式を用いるかが精度向上の鍵になっている.従来は関数値のみを用いた2次のラグランジュ多項式を用いていたが,満足のいく計算精度が得られているとは言い難い.そこで,本年度は,関数の微係数を用いる3次のスプライン関数を補間式に用いることにし,その微係数の計算に"アルゴリズムの自動微分"を応用することを検討した.アルゴリズムの自動微分とは,関数値を計算する計算機プログラム(有限要素法による計算プログラム)のアルゴリズムを解読して,合成関数の微分の考え方に基づいて微係数の計算プログラムを自動生成する方法である.差分法を用いる数値微分に比べて精度の高い微係数を計算できると言われている.本年度の研究では微係数の計算プログラムを自動生成するソフトウェアとして,久保田光一教授(中央大学)が開発したPADRE2を使用した.1次元と2次元の移流現象のベンチマーク問題を用いて数値計算を行った結果,自動微分を用いる方法は人工拡散の影響が少なく良好な計算精度が得られることがわかった.しかし,自動微分という概念は,あらかじめ与えられた関数値から影響係数という意味での微係数を計算することを念頭に置いて構築されているため,計算領域の境界の位置や形状,境界条件などに対する対応が不十分である.そのため,境界付近では微係数の計算精度が著しく低下してしまうことが観察された.自動微分の手法を統一解法に組み込むためには,境界付近で微係数を算出する自動微分のアルゴリズムを再検討することが必要であることがわかった.庄縮性/非圧縮性流れの統一解法に,計算を移流過程と非移流過程の2段階に分けて行う分離解法を採用し,解法の要である移流過程の計算方法,すなわち移流方程式の数値解法について検討を行った.その方法として3次多項式を補間計算に用いる特性曲線法を採用することにした.前年度の研究で,3次多項式の構成要素である未知関数の偏導関数値を求めるためにアルゴリズムの自動微分を応用することを検討したが,満足のいく結果を得られなかった.それを受けて,今年度は,原方程式を空間変数で偏微分して,未知関数の1階の空間偏導関数を未知量とする方程式を導き,それを解いて偏導関数値を求める方法を調べた.調査の対象として,CIVA法を取り上げた.その結果,2次元移流問題のベンチマーク問題の計算において,CIVA法は良好な結果を与えた.しかし,CIVA法による解はかなりの数値振動を伴っており,使用に当たってはリミッターの併用は避けられないことがわかった.移流過程の計算にCIVA法を応用し,非移流過程の計算にBercovier-Pironneau要素に基づくガラーキン有限要素法を用いる統一解法を構築した.圧縮性流れの例題として衝撃波管内の流れを,非圧縮性流れの例題として直管内のポアズイユ流れを解いた.理論値に近い数値解を得ることができ,圧縮性流れと非圧縮性流れの両方を計算できる方法を構築することができた.しかし,計算精度に関してはさらなる検討の余地が残る.衝撃波管内の流れの計算値は,補間関数に2次多項式を使った場合とほとんど同じであり,人工粘性の度合いも同程度であった.今回の計算結果を見る限りでは,3次多項式を使って補間計算を行った効果は現れなかった.
免疫および炎症反応における末梢型ベンゾジアゼピン受容体の修飾的役割

本研究は中枢神経以外の末梢組織に分布している末梢型ベンゾジアゼピン受容体と免疫および炎症反応との関係を調べることを目的とした。ベンゾジアゼピン系薬剤であるミダゾラム、末梢型ベンゾジアゼピン受容体に特異的なアゴニストであるRO5-4864、中枢型ベンゾジアゼピン受容体に特異的なアゴニストであるクロナゼパム、さらに末梢型ベンゾジアゼピン受容体に特異的に拮抗するとされているアンタゴニストPK11195を用いて、ヒト末梢血単核球中のインターロイキン6の遺伝子(mRNA)発現への影響を評価した。その結果、所見が得られた。1.ミダゾラムは10^<-4>10μg/mlの濃度で、37°C2時間インキュベーションした時、濃度依存性に単核球中のインターロイキン6の遺伝子発現を経時的に抑制した。2.RO5-4864およびクロナゼパムを10μg/mlの濃度で、37°C2時間インキュベーションした時、ヒト末梢血単核球中のインターロイキン6の遺伝子発現は影響を受けなかった。3.PK11195 10μg/mlはミダゾラム10μg/mlによるインターロイキン6の遺伝子発現の抑制効果を拮抗しなかった。よって、ベンゾジアゼピン系薬剤であるミダゾラムはヒト末梢血単核球中のインターロイキン6の産生を抑制し、免疫および炎症反応を抑制する可能性が示唆された.末梢型ベンゾジアゼピン受容体には従来から考えられていた受容体以外の別の種類の受容体がある可能性があり、それが免疫および炎症反応に影響を及ぼしている可能性が示唆された。本研究は中枢神経以外の末梢組織に分布している末梢型ベンゾジアゼピン受容体と免疫および炎症反応との関係を調べることが目的である.本年度はベンゾジアゼピン受容体のアゴニストであるベンゾジアゼピン系薬剤を用い、ヒト末梢血単核球への作用をin vitroで調べた.ベンゾジアゼピン系薬剤として、一般臨床で頻用されているミダゾラムを使用し、免疫および炎症反応の指標として、単核球中のサイトカイン(インターロイキン6)の遺伝子(mRNA)発現量を評価した.その結果、ミダゾラム10μg/mlの溶液で37°C2時間インキュベーションした時、単核球中のインターロイキン6の遺伝子(mRNA)発現量は経時的に抑制された.さらにミダゾラム10^<-4>,10^<-3>,10^<-2>,10^<-1>,1,10μg/mlの各濃度の溶液中に37°C2時間インキュベーションした時のインターロイキン6の遺伝子(mRNA)発現量は、濃度依存性に抑制された.これらの結果から、in vitroにおいてベンゾジアゼピン系薬剤であるミダゾラムはヒト末梢血単核球中のインターロイキン6の産生を抑制し、免疫および炎症反応を抑制する可能性が示唆された.ミダゾラムは中枢型と末梢型の両方に結合する混合型のアゴニストと考えられているため、この作用が末梢型ベンゾジアゼピン受容体を介した作用であるかどうか調べるために、今後の研究では、末梢型ベンゾジアゼピン受容体に特異的なアゴニストおよび中枢型ベンゾジアゼピン受容体に特異的なアゴニストを用いて検討する.本研究は中枢神経以外の末梢組織に分布している末梢型ベンゾジアゼピン受容体と免疫および炎症反応との関係を調べることを目的とした。ベンゾジアゼピン受容体のアゴニストであるミダゾラムが、免疫および炎症反応の指標のひとつであるヒト

末梢血単核球中のインターロイキン6の遺伝子(mRNA)発現を抑制した、という前年度の結果をふまえて、本年度の研究では、末梢型ベンゾジアゼピン受容体に特異的なアゴニストであるRO5-4864および中枢型ベンゾジアゼピン受容体に特異的なアゴニストであるクロナゼパム、さらに末梢型ベンゾジアゼピン受容体に特異的に拮抗するとされているアンタゴニストPK11195を用いて、ヒト末梢血単核球中のインターロイキン6の遺伝子発現への影響を評価した。その結果、RO5-4864 10μg/ml、およびクロナゼパム10μg/mlで37°C2時間インキュベーションした時、ヒト末梢血単核球中のインターロイキン6の遺伝子発現は影響を受けなかった。また、アンタゴニストPK11195 10μg/mlはミダゾラム10μg/mlによるインターロイキン6遺伝子発現の抑制効果を拮抗しなかった。以上の結果より、末梢型べンゾジアゼピン受容体には従来から考えられていた受容体以外の別の種類の受容体がある可能性があり、それが免疫および炎症反応に影響を及ぼしている可能性が示唆された。今後、末梢型ベンゾジアゼピン受容体の免疫および炎症反応への作用機序についてさらに検討していく必要があると考えられた。
気候変動影響把握に資する森林分布モデルの開発

2018年度は、ディープニューラルネットワーク(以下、DNN)を用いた、日本における主要な森林植生タイプ(群落)ごとの森林分布図を作成した。グランドトゥルースの整備のため、北海道佐呂間町と宮崎県綾町の植物群落について現地調査を実施した。まず、複数の観測衛星による日本全域にわたるデータ(Landsat 8/OLI、Sentinel-1/C-SAR、Sentinel-2/MSI)を収集し、グラフィックスプロセッシングユニット(以下、GPU)を用いたソフトウェアを実装し、DNNによるデータの統合をした。DNNによる衛星データの統合では、異なる衛星データから、観測日が近いデータを用いることで、個別の衛星で観測が欠落している日のデータを補完することができ、高空間分解能でありながら、非常に高い時間分解能をもつ衛星データセットが生成できた。さらに、DNNによる解析の際、地形的・地質学的な特徴量を解析データに加えることで、植生分類およびモニタリングに向けた高空間分解能分布図が作成できた。複数の衛星データ、グランドトゥルースデータ、地形的・地質学的な特徴量を合わせると、非常に多量なデータ群となり、従来の手法では適切な解析が困難であった。一方、本研究でディープラーニング技術をGPUプログラミングにより実装し解析したことで、DNNは多量な特徴量の解析に適しており、さらには、群落レベルまでの植生分類に応用可能であることを示した。また、研究を通じ、Landsat 8/OLIとSentinel-1/C-SARデータを組み合わせて森林被覆の可視化と抽出のための新手法として、Enhanced Forest Cover Composite(EFCC)を開発した。さらに、双方向反射データは、広域を対象とした植生タイプの分類精度の改善に有効なデータであることを明らかにした。加えて、異なる気候変動シナリオにおける、森林群落分布の将来予測に関するモデル研究を進めた。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。気候変動に対する陸上生態系の反応に関しては、個別の種や群落の分布予測の研究に留まっており、それらを用いた単一群落の生態系ニッチモデルでは、群落消失後の侵入群落など重要な生態学的課題を提示することができていない。大陸スケールでの衛星リモートセンシングによる植生図作成では、各気候帯における優占種の群落レベルでの分布状況は得られておらず、生態系というスケールでの研究に欠かせない分布域の特定は困難である。一方、近年では、高度な機械学習や空間情報技術を用いることにより、現地観測データと複数の衛星データから、全国のシームレスな森林分布図を作成することが可能になっている。本研究は、高分解能衛星データによる森林生態系(群落)分布図と、その分布に対応する環境変数を統合することにより、気候変動の影響をより的確に把握するための総合的森林分布のシミュレーションモデルを開発することを目標として研究を実施した。初年度は、光学及びレーダー衛星データ(Landsat 8,Sentinel 1-2)から、スペクトル、テクスチャ、および地形のパラメータを抽出した。自然森林生態系は、特定の気候条件に適合した樹種によって構成され、特徴ある林冠の形態、テクスチャ、フェノロジーなどの属性をもっているが、この特性を用いて、森林分布図を、機械学習及び空間情報技術と現地データ(グランドトゥルース)を用いて作成した。既存の調査資料と新たに現地で取得する植生調査データをグランドトゥルースとして用いるために、2017年5月と6月に暖温帯の房総半島、冷温帯の東北地方を対象として、現地調査を実施した。高分解能の生態系(群落)分布図からは、森林生態系の構成や分布についての最新かつ詳細な情報を得る可能性が示唆された。研究の成果は、国内学会で発表するとともに国際雑誌Landに投稿し受理・掲載された。研究計画では、初年度は、光学及びレーダー衛星データ(Landsat 8,Sentinel 1-2,およびMODIS)から、スペクトル、テクスチャ、および地形のパラメータを抽出する。自然森林生態系は、特定の気候条件に適合した樹種によって構成され、特徴ある林冠の形態、テクスチャ、フェノロジーなどの属性をもっている。この特性を用いて、森林分布図を、機械学習及び空間情報技術と現地データを用いて作成する。既存の調査資料と新たに現地で取得する植生調査データをグランドトゥルースとして用いる。このために、気候帯を代表する北海道、東北地方と九州地方で現地調査を実施する。高分解能の生態系(群落)分布図からは、森林生態系の構成や分布についての最新かつ詳細な情報を得ることができる。研究の成果を、国内学会で発表するとともに国際雑誌に投稿する予定であった。この計画に沿って、昨年度は、グランドトゥルースとして、暖温帯に位置する千葉県房総半島と、冷温帯に位置する東北地方の山岳地で実施し、解析結果の検証に充てた。2013-17年の日本全域にわたるLandsat 8, Sentinel 1-2の衛星データを取得し、植生タイプの分類に用い、マルチ・フィーチャー(分光特性、偏光、テクスチャ、地形など)及び多時期のデータセットを用意し、機械学習とクロスバリデーションに供した。衛星データの解析のために、機械学習によるランダム・フォレストとニューラルネットワークによる分類と植生タイプの地図化のプログラムを作成し解析した。この結果得られた植生図は、既存の同様な分類に比べて良好な精度をもつものであった。これらの成果は、山口で開催された写真測量学会で口頭発表するとともに、国際誌であるLandに投稿し採択された。以上のとおり概ね順調に遂行している。

2018年度は、ディープニューラルネットワーク(以下、DNN)を用いた、日本における主要な森林植生タイプ(群落)ごとの森林分布図を作成した。グランドトゥルースの整備のため、北海道佐呂間町と宮崎県綾町の植物群落について現地調査を実施した。まず、複数の観測衛星による日本全域にわたるデータ(Landsat 8/OLI、Sentinel-1/C-SAR、Sentinel-2/MSI)を収集し、グラフィックスプロセッシングユニット(以下、GPU)を用いたソフトウェアを実装し、DNNによるデータの統合をした。DNNによる衛星データの統合では、異なる衛星データから、観測日が近いデータを用いることで、個別の衛星で観測が欠落している日のデータを補完することができ、高空間分解能でありながら、非常に高い時間分解能をもつ衛星データセットが生成できた。さらに、DNNによる解析の際、地形的・地質学的な特徴量を解析データに加えることで、植生分類およびモニタリングに向けた高空間分解能分布図が作成できた。複数の衛星データ、グランドトゥルースデータ、地形的・地質学的な特徴量を合わせると、非常に多量なデータ群となり、従来の手法では適切な解析が困難であった。一方、本研究でディープラーニング技術をGPUプログラミングにより実装し解析したことで、DNNは多量な特徴量の解析に適しており、さらには、群落レベルまでの植生分類に応用可能であることを示した。また、研究を通じ、Landsat 8/OLIとSentinel-1/C-SARデータを組み合わせて森林被覆の可視化と抽出のための新手法として、Enhanced Forest Cover Composite(EFCC)を開発した。さらに、双方向反射データは、広域を対象とした植生タイプの分類精度の改善に有効なデータであることを明らかにした。加えて、異なる気候変動シナリオにおける、森林群落分布の将来予測に関するモデル研究を進めた。本年度は、複数のディープニューラルネットワーク(以下、DNNs)を用いて、日本における主要な植生タイプ(群落)ごとの植生図を作成する。まず、日本全域が観測された複数の衛星データ(Landsat-8/OLI、Sentinel-1/C-SAR、Sentinel-2/MSI)を収集し、グラフィックスプロセッシングユニット(以下、GPU)を実装したDNNsによりデータを統合する。DNNsによる複数の衛星データの統合では、異なる衛星ごとのデータから、観測日が近いデータを用いることで、個別の衛星で観測が欠落している日のデータを予測することができる。この予測により、高空間分解能でありながら非常に高い時間分解能をもつスペクトル特徴量をもつデータセットが生成でき、さらに、地形的・地質学的な特徴量をグランドトゥルースデータと共に解析することで、植生分類およびモニタリングに向けた高解像度植生図の作成に利用できる。植生図の作成には、気候、植物群落の相観、地形、優占種による基準を組み合わせて開発された新しい分類システムを用いる。
眼球運動解析に基づく広告評価に対する視聴者の認知態度の分析

本研究では,消費者のテレビ広告に対する認知態度および認知処理プロセスを分析するための,眼球運動解析を利用した分析技法を開発した.ここで開発した分析技法は,次に述べる2種類である.1つは,テレビ広告のシナリオ進行と眼球運動の対応に基づき,消費者の認知態度を明らかにするというものである.この分析技法では,(1)テレビ広告のシナリオを表現するためのフレームワークの整備,(2)注目度,興味,テレビ広告の製作意図との対応等に関連する指標によるテレビ広告に対する認知態度の定量化,というステップを経ることにより,認知態度の分析を可能としている.2つめの分析技法では,シーンの意味的構造に着目し,これと眼球運動の対応をとることによって,消費者の認知処理プロセスを分析するというものである.このような分析を可能とするために本分析技法では,(1)テレビ広告のシーンの意味的構造を明らかとするためのシーン記述方法論の構築,(2)シーンに対する情報処理の傾向および個人差を示す指標による認知処理プロセスの定量化,という手順を踏む.テレビ広告を用いた視聴実験を行い,これらの分析技法の妥当性を検証した結果,ここで対象としている認知態度および認知処理プロセスを,実用に耐えうるレベルで分析できることがわかった.さらに,認知態度および認知処理プロセスに影響を与える要因の抽出することができ,効果的なテレビ広告の制作に向けた有用な示唆を得ることができた.本年度では,テレビ広告に対する認知態度分析技法の全体枠組の設定準備を含め既往の研究成果、ならびに現場でのニーズを広く調査した。広告制作に向け必要とされる視聴者の認知態度を絞り込み,この認知態度を分析するためのテレビ広告のシナリオと眼球運動解析を併用した分析技法を確立した.確立した分析法は,以下のようなものである.テレビ広告のシーンの進行、およびシーンを構成する要素が持つ情報量を、時系列に記述する。次にこの時系列記述とテレビ広告視聴時の眼球運動データとの対応に基づき、認知態度を定量化する指標、注目率とメッセージ認知率を定義する。注目率はテレビ広告に対する注意深さの度合を示し、メッセージ認知率は広告内で提示される商品情報に対する認知の度合を示す。実在するテレビ広告を用いた視聴実験を行ない、得られ足眼球運動データに基づき被験者の認知態度を分析した。その結果、被験者のテレビ広告の視聴経験、被験者のふだんのテレビ視聴時間、および広告されている商品に対する好意度といった被験者属性による、テレビ広告認知態度に与える影響について分析することができた。さらに、シーンの切り換え頻度あるいは有名人の登場といったテレビ広告設計変数と、認知態度間の関係について分析を行なった。この結果、適切なシーンの切り替え頻度、有名人の起用法、商品情報の提示強度といった点について、効果的な広告制作のための具体的な示唆を得ることができた。現在,提案する分析技法の適用結果に基づき,分析技法の問題点を抽出するとともに、改善や修整を行なっている.平成13年度以降,テレビ広告のシナリオのみならず,シーンの意味的構造を考慮に入れた分析技法へと拡充を図っていく予定である.本研究では,消費者のテレビ広告に対する認知態度および認知処理プロセスを分析するための,眼球運動解析を利用した分析技法を開発した.ここで開発した分析技法は,次に述べる2種類である.1つは,テレビ広告のシナリオ進行と眼球運動の対応に基づき,消費者の認知態度を明らかにするというものである.この分析技法では,(1)テレビ広告のシナリオを表現するためのフレームワークの整備,(2)注目度,興味,テレビ広告の製作意図との対応等に関連する指標によるテレビ広告に対する認知態度の定量化,というステップを経ることにより,認知態度の分析を可能としている.2つめの分析技法では,シーンの意味的構造に着目し,これと眼球運動の対応をとることによって,消費者の認知処理プロセスを分析するというものである.このような分析を可能とするために本分析技法では,(1)テレビ広告のシーンの意味的構造を明らかとするためのシーン記述方法論の構築,(2)シーンに対する情報処理の傾向および個人差を示す指標による認知処理プロセスの定量化,という手順を踏む.テレビ広告を用いた視聴実験を行い,これらの分析技法の妥当性を検証した結果,ここで対象としている認知態度および認知処理プロセスを,実用に耐えうるレベルで分析できることがわかった.さらに,認知態度および認知処理プロセスに影響を与える要因の抽出することができ,効果的なテレビ広告の制作に向けた有用な示唆を得ることができた.
低開発地域における社会的ネットワークを活用した効果的な情報伝播と行動変容

エチオピアのアルシーゾーン(Arsi Zone)のティオ地区(Tiyo Woreda)において、社会実験と社会調査を実施し、住民のコミュニケーションとソーシャル・ネットワーク、新技術の知識と採用状況を計測でき、イノベーション(情報に基づくイノベーションと行動に基づくイノベーション)の普及と伝搬の定量的モデルを作成して、結果を国際学実ジャーナルと学会で発表した。さらに、結果発表の為に、東京で国際的ワークショップを開いた。前年度は、エチオピアのアルシーゾーンのティオ地区、アセラ市(英語名:Asella City)調査地域に行き、特定された回答者に無事にアンケート調査を実施し、計画通り、求めていたオリジナルなデータを全て得ることができ、調査データデジタル化まで完成できた。しかし、データ整理とデータ分析(ストカスチック・アクターベース・ネットワークの解析)が未完成であった。引続き、データ整理とデータ分析を行いながら、カレル大学(チェコ共和国・プラハ)で経過報告を発表し、ヨセフ・シュレルカ博士(カレル大学)、デニサ・ケラ博士(シンガポール国立大学)等と議論・情報交換をし、今後の方向性を決定した。チェコ国内では、新聞等により、経過報告を一般社会に公開した。ネットワークの構造によって、情報と行動の伝播の普及パターンが異なることが明らかとなった。これにより、情報に基づくイノベーションと行動に基づくイノベーションの効果的な伝播促進方法も異なると予測される。これには、より多くの情報が必要となり、特に、最新のストカスチック・アクターベース・ネットワークの適用法の専門家(マンチェスター大学:ヨハン・コスキネン博士等)との議論が必要となった。エチオピアのアルシーゾーンのティオ地区(英語名:Arsi Zone, Tiyo Woreda)において、平成21年度、および、平成22年度に、調査、および、社会実験を実施するよていであった。研究の事前準備を行い、研究対象地域を確定し、平成24年1月に、約15人の調査員の研修を実施し、本大学の大学院生一人(石川達也、いしかわ・たつや、工学系研究科、社会基盤学専攻、修士一年)と一緒に、エチオピアのアルシーゾーンのティオ地区、アセラ市(英語名:Asella City)調査地域に行き、本アンケート調査を、特定された回答者に無事にアンケート調査を実施し、計画通り、求めていたオリジナルなデータを全て得ることができ、調査データデジタル化まで完成できた。これからの定量的モデル化の作戦について、米国、カナダの専門家と米国のアリゾナ州国立大学とカリフォルニア州のLA&UCバークレー,カナダのトロント及び東京大学にて、打ち合わせを行い、議論し、分析方法を決めた。仮説通り、情報伝播による行動変容は、情報に基づくイノベーションと行動に基づくイノベーションが存在するが、本社会実験では、これら双方のイノベーションが、当該地区において、実際どのように伝播するのか観察できた。これらのプロセスをあらわす定量的モデル形成し、結果を国外や国内の査読つきの学術ジャーナルで発表した。最後に、東京で国際的ネットワークワークショップを開催し、世界のトップのネットワーク化学者に結果を伝え、今後の研究の方向性を定めた。23年度内に、研究の事前準備を行い、研究対象地域を確定し、平成24年1月に、約15人の調査員の研修を実施し、本大学の大学院生一人(石川達也、いしかわ・たつや、工学系研究科、社会基盤学専攻、修士一年)と一緒に、エチオピアのアルシーゾーンのティオ地区、アセラ市(英語名:Asella City)調査地域に行き、本アンケート調査を、特定された回答者に無事にアンケート調査を実施し、計画通り、求めていたオリジナルなデータを全て得ることができ、調査データデジタル化まで完成できた。ただし、調査地域の研究協力者の事情によって生じた遅れのため、データ整理、はまだ未完成であって、調査結果の解説は今後の課題である。情報に基づくイノベーションと行動に基づくイノベーションの効果的な伝播促進方法もこれから探究する。本研究の24年度の計画では、再度エチオピアを訪れ、アンケート調査を実施し、調査結果を分析し、情報による普及方法と行動による普及方法政策を提案する予定であった。昨年度、調査地域の現地パートナーの都合による事前準備が長くなり、調査員の研修・調査にも遅れが生じたことにより、データ分析開始にも遅れが生じた。データ分析により新たに専門家との議論・情報交換が必要となったが、先方の日程により、年度内に打合せを実施することが困難になった。

本研究の23年度の計画では、事前準備,調査員の研修を実施,本アンケート調査を実施,データ整理、定量的モデル形成、ワークショップを実施を行う予定であったが、調査地域の現地パートナーの都合により、事前準備が長くなり、調査員の研修が遅くなり、本調査にも延長が生じました。よって、データ分析や結果を報告するワークショップの年度内に実施が困難になった。今まで得たデータの解析結果を国際学会で発表したうえで、外国研究者を日本に招き、解析結果の意義について、議論し、国際学術ジャーナルの投稿する共同学術論文を執筆する。引き続き、途上国地域にてインタビュー調査を行い、および、データの統計的なパワーを増加するため、サンプルを増やし、更にアンケート調査を実施する。得たデータを定量的モデル化、研究協力者及び研究対象の利害関係者とワークショップを実施、結果の意義について議論をする。研究の実績は、研究代表者と指導をしている大学院生が国際学会で報告し、国際学実ジャーナルで発表する予定である。学会参加のための旅費および学会参加費。論文編集および論文投稿費用。外国研究者との打合せ旅費に充てることとしたい。次年度の研究費の使用計画は、以上に書かれているタスクを果たす為に使用するつもりである。つまり、調査地域への旅費、データ整理の為の謝金、分析の為の機会やソフトウェア、ワークショップの為の旅費と開催費。国際学会で成果発表する為の旅費、発表論文の修正費の為に使用する計画である。
電場を用いた誘導自己組織化による動的パターン形成制御法の開発

本研究は,電子線により誘導されるナノ電場(バーチャル電極)を用いて分子間の静電相互作用などの分子間力を操作することにより,ソフトマターがつくる自己組織化構造を動的に誘導する制御インタフェースを構築することを目的としている.本年度は,人工脂質二重膜の流動性パターニングや相分離ドメイン構造の誘導への応用について研究を行った.DOPC(1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine),DPPC(1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine),コレステロールと蛍光標識された脂質を含む脂質二重膜を自発展開法によって厚さ100 nmの窒化ケイ素(SiN)膜上に形成し,SiN薄膜を介して加速電圧2.5 kVの電子線を間接的に照射したときの蛍光強度の変化を計測した.その結果,電子線の照射領域において蛍光強度の減少が見られ,電子線照射終了後には蛍光強度の急速な回復が見られた.これは,電子線による電場によってSiN薄膜の表面エネルギーが変化したことにより,脂質分子がSiN薄膜上から脱離したあと,照射領域外から脂質分子が再展開したためであると考えられる.さらに,蛍光強度の回復が見られたあとドメイン構造の成長が観察された.コレラ毒素Bサブユニットが特異的に吸着する糖脂質を混ぜて同様の実験をした結果,成長したドメイン構造においてコレラ毒素Bサブユニットの吸着量が多くなり,このドメイン構造が液体秩序相であることを示唆する結果が得られた.以上の結果から,人工脂質二重膜の流動性を電子線によるバーチャル電極により制御することで,人工脂質二重膜のドメイン構造を動的に誘導できることが実証された.開発された制御インタフェースは人工脂質二重膜を用いたデバイスのラピットプロトタイピングなどへ応用できると考えられる.29年度が最終年度であるため、記入しない。29年度が最終年度であるため、記入しない。本研究は,分子の相互作用に基づく自己組織化過程を高効率かつ多自由度にするための制御理論と電子線によるナノ電場制御法を開発し,自己組織化のダイナミクスを用いる生体材料製造や半導体プロセスのための新たな手法を与えることを目的としている.その目的の達成のために,本年度は主に下記の2つの研究について遂行した.(1)電子線を用いたナノ電場印加システムにおける界面動電現象のダイナミクスの同定厚さ100 nmの窒化ケイ素薄膜で真空と液体試料を隔て,電子線を間接的に照射することにより,局所的に電気浸透流が生じることを実験的に示した.さらに,電子線によって生じる電気浸透流を用いることでナノ粒子の濃度の2次元パターニングをすることに成功した.イオン遮蔽効果の高い電解質溶液に対して電子線を照射した場合においても,陽イオンの濃度を局所的に高めることができることを示した.また,電子線の照射領域において水や金イオンの陰極反応が起こることを示した.これらの成果により,電子線によるナノ電場印加システムによって,物質の濃度や化学反応を2次元的に制御できることを示した.さらに,それらのダイナミクスは数種の偏微分方程式を連成させることにより表現できることを示した.(2)水溶液中への電子線照射によって生じるナノ電場を用いた溶液中のソフトマターの誘導自己組織化の実現電子線によるナノ電場印加システムを用いることで,窒化ケイ素薄膜上に成膜されたMPCポリマーの剥離制御やイオン液体中の金ナノ粒子の凝集制御を実現することができた.また,ポリエチレングリコール水溶液中に存在するランダムコイル状のDNA分子に対して電子線を照射することで,DNA分子の構造を伸長させることに成功した.電子線を高速走査することにより,DNAの空間構造の時空間制御が可能になると考えられる.本年度は計画通り,電子線を用いたナノ電場印加システムにおける界面動電現象のダイナミクスを理論的,実験的に同定することができた.この同定結果を用いて,電子線を用いたソフトマターの自己組織化の制御則の開発ができると考えられる.また,電子線のナノ電場を用いることでDNAなどのソフトマターの自己組織化現象を誘導することができることを確認した.この結果により,本研究でターゲットとしている生体材料などの誘導自己組織化への有効性を示せたと考えられる.本年度は,誘導自己組織化の制御則の開発に必要な要素技術である電子線を用いたナノ電場印加システムの同定とソフトマターの誘導自己組織化への応用可能性を確認することができ,当初の計画をおおむね達成できたと考えられる.本年度は,事前に電子線の照射パターンが与えられたときのソフトマターの自己組織化の誘導法について研究した.特に窒化ケイ素(SiN)薄膜上に展開した脂質二重膜に対して電子線による局所電場を与えたときの自己組織化構造の誘導法について研究を行った.(1)電子線照射による脂質膜構造の変形DOPC(1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine)でできたベシクルやローブ状の脂質膜に対して電子線を照射することにより,脂質膜を可逆的に変形させることに成功した.また,イオン電流による電位降下を考慮し,電子線による応力印加の物理モデルを導出した.さらに,脂質の構成成分を変えた場合,電子線照射中に脂質膜の縁からチューブ状の構造が可逆的に成長する現象も観測された.これらのことから,電子線による局所的な電場提示によって脂質分子がつくる膜構造を可逆的に制御できると考えられる.

(2)脂質展開膜における膜流動性の2次元制御SiN薄膜上に蛍光標識された脂質を含むDOPCの脂質二重膜を展開し,電子線を2次元的に高速走査させたときの膜流動性を調べた.電子線の照射量が少ない場合は,電子線の照射領域における蛍光が退色した後,照射領域外からの膜分子の拡散によって蛍光強度が回復したことから,膜流動性は失われていないことが確認された.一方で,電子線の照射量を多くすると,電子線照射終了後も電子線照射領域における蛍光強度が回復せず,膜流動性が失われたことが確認された.流動性が失われた領域に対してさらに電子線を照射すると,脂質分子が側方から流入し,再び展開膜を形成することができた.これらの結果を用いて,流動性のある脂質二重膜を2次元的かつ可逆的にパターニングすることに成功した.本年度は,前年度得られた電子線を用いたナノ電場印加システムのシステム同定結果を用いて,脂質二重膜の膜構造や膜流動性などのソフトマターの誘導自己組織化を実現することができた.また,電子線のスキャンにより膜流動性などを2次元的にフィードフォワード制御することも達成された.さらに,脂質二重膜の膜構造と電子線システムにおける電場のダイナミクスを連成した物理モデルを導出することもできた.これらの結果は,本研究の目的である数値シミュレーションなどを活用した電場の制御則の開発へつながると考えられる.本研究は,電子線により誘導されるナノ電場(バーチャル電極)を用いて分子間の静電相互作用などの分子間力を操作することにより,ソフトマターがつくる自己組織化構造を動的に誘導する制御インタフェースを構築することを目的としている.本年度は,人工脂質二重膜の流動性パターニングや相分離ドメイン構造の誘導への応用について研究を行った.DOPC(1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine),DPPC(1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine),コレステロールと蛍光標識された脂質を含む脂質二重膜を自発展開法によって厚さ100 nmの窒化ケイ素(SiN)膜上に形成し,SiN薄膜を介して加速電圧2.5 kVの電子線を間接的に照射したときの蛍光強度の変化を計測した.その結果,電子線の照射領域において蛍光強度の減少が見られ,電子線照射終了後には蛍光強度の急速な回復が見られた.これは,電子線による電場によってSiN薄膜の表面エネルギーが変化したことにより,脂質分子がSiN薄膜上から脱離したあと,照射領域外から脂質分子が再展開したためであると考えられる.さらに,蛍光強度の回復が見られたあとドメイン構造の成長が観察された.コレラ毒素Bサブユニットが特異的に吸着する糖脂質を混ぜて同様の実験をした結果,成長したドメイン構造においてコレラ毒素Bサブユニットの吸着量が多くなり,このドメイン構造が液体秩序相であることを示唆する結果が得られた.以上の結果から,人工脂質二重膜の流動性を電子線によるバーチャル電極により制御することで,人工脂質二重膜のドメイン構造を動的に誘導できることが実証された.
麻酔発現における膜界面物性のダイナミクス

「膜溶液滴下法」により作成した水面上分子膜の形態について、表面張力測定および光学顕微鏡により調査するとともに、この分子膜への麻酔薬作用機構を水晶振動子法により調査した。その結果、滴下法により、伸縮性に富んだ生体膜類似の膨潤な分子膜が水面上に形成されること、またこの分子膜への麻酔薬作用(吸着)により、膜/水界面の粘性が変化(増加)することが分かった。麻酔薬作用の経時観測において、粘性変化が吸着よりも遅れて発生する、特異濃度の存在を見出した。これから、麻酔薬吸着による界面粘性変化が麻酔発現と関連のあること、またその発現には発現時間の考察が重要であることが示唆された。【DMPC分子膜への麻酔薬の作用効果】水面上DMPC分子膜への麻酔薬イソフルランの作用効果(濃度依存性)を、既存の振動数・抵抗値の独立計測装置(水平型QCM・QCI測定装置)により行なった。QCMでは、イソフルラン濃度の増加に伴い、振動数減少(吸着量増加)を観測した。イソフルラン濃度4mM近傍において、振動数変化量が一旦平衡値に達した後、不連続な変化を示した(2段階変化)。一方、QCIでは、全測定濃度領域において、抵抗値の変化を観測しなかった。イソフルランはDMPC分子膜に2段階的に吸着するものの、膜を含む界面粘性は変化させない(単純吸着)ことが分かった。前年度に得られたDPPC分子膜へのイソフルラン作用(吸着および粘性変化)とは異なる結果である。DPPCとDMPCとでは、水面上に形成された分子膜の形態が異なることから、水面上分子膜の形態の違いが、イソフルランの作用能力を制御しているものと考えられる。なお、本結果について、現在、論文を投稿中である。【新規化学計測装置の安定化と分子膜/麻酔薬相互作用検出の試み】新規化学計測装置について、麻酔薬作用における反応時間(<8時間)を考慮した長時間安定化を実現するために、周辺環境の精密な制御を含めた、さらなる高安定化を行なった。(1)検知部:水晶振動子固定用O-リングをバイトン製からシリコン製に変更するとともに、2重シールド線を断熱材で覆った。(2)測定槽:2重型恒温循環槽を防熱シートで覆った。(3)測定槽周辺:加湿器により湿度を50%±5%以内に収まるようにした。平成25年度末時点において、振動数:±0.2Hz(>5時間)、抵抗値:±0.02Ω(>5時間)の高安定化を実現した。この条件下において、DPPC分子膜にイソフルラン(6mM)を作用させたところ、振動数の減少および抵抗値の増加の同時検出に成功した。・DPPC(DP)・DMPC(DM)分子膜の観察:26°Cにおいて滴下法により作成したそれぞれの分子膜の形態観察を、表面張力法により行なった。DPでは表面圧力値の増加→停滞→再増加が観察され、DMでは緩やかな単調増加が観察された。極限分子占有面積について、DPは圧縮法に比べ3割程度大きかったが、DMは圧縮法と変わらなかった。DP・DMそれぞれの親水基-水分子結合状態や疎水アルキル鎖の構造状態が関連していると考えられる。溶液濃度を1.1mM、溶液滴下時間間隔を1μL/minにすることで、DP・DMどちらも再現性良く膜作成が行なえた。・計測装置立ち上げと検知部開発:振動数と抵抗値(粘性)の同時計測が可能な化学計測装置を導入し、微少変化を検出するための低ノイズ化・高感度化を試みた。(1)検知部:金メッキを施したバネ型導線と2重シールド線を使用した。(2)測定槽:2重型恒温循環槽により±0.01°Cの温度制御を行なった。(3)測定槽周辺:低熱伝導率のアクリルで覆い、温度制御センサ付伝熱ヒーターにより±0.1°Cの温度制御を行なった。平成24年度末時点において、振動数:±0.1Hz、抵抗値:±0.02Ω(計測時間間隔:1s)の低ノイズ化・高感度化(膜面上)を実現した。・DP分子膜への麻酔薬の作用効果:DP分子膜への麻酔薬イソフルラン(Iso)の作用効果(濃度依存性)を、既存の振動数・抵抗値の独立計測装置(水平型QCM・QCI測定装置(感度: ±0.5Hz(QCM)、±0.02Ω(QCI)))により行なった。Iso濃度の増加に伴い、QCMでは振動数減少(吸着量増加)を、QCIでは抵抗値増加(膜界面粘性増加)を観測した。Iso濃度5mM近傍において、どちらも一旦平衡値に達した後、不連続な変化を示した。

IsoはDP分子膜に吸着すると同時に界面粘性を変化させ、その作用は2段階を経ることが分かった。【新規化学計測装置による分子膜/麻酔薬相互作用検出の試み】新規化学計測装置について、引き続き、装置の長時間安定化(反応時間:<8時間)の実現に向け、周辺環境の更なる精密制御を行なった。具体的には次の3項目である。1.検知部:外部からの電磁波ノイズ軽減のため、検知部をアルミ製防護箱で覆った。2.麻酔薬添加・撹拌機構:撹拌による界面への揺動影響の軽減のため、撹拌子および添加容器を独自に作製した。3.測定槽周辺および実験室内:安定性と湿度の相関を精査し、加湿器により湿度を48%±3%以内に収まるようにした。これらの対策を行なった結果、平成26年度末時点において、振動数:±0.2Hz(>8時間)、抵抗値:±0.02Ω(>8時間)の高安定化を実現した。この条件下において、DPPC分子膜に種々の濃度のイソフルランを作用させたところ、振動数および抵抗値の変化を同時に検出することに成功するとともに、それぞれの物性値の変化開始時刻に違い(タイムラグ)が見られる特異濃度が存在することを見出した。【DMPE分子膜への麻酔薬の作用効果】DMPE分子膜への麻酔薬イソフルランの作用効果(濃度依存性)を、既存の振動数・抵抗値の独立計測装置(水平型QCM・QCI測定装置)により行なった。QCM・QCIどちらも、イソフルラン濃度の増加に伴い、振動数減少(吸着量増加)と抵抗値増加(粘性増加)を観測した。またイソフルラン濃度6mM近傍において、変化量が一旦平衡値に達した後、不連続な変化を示した(2段階変化)。前々年度に得られたDPPC分子膜へのイソフルラン作用(吸着および粘性変化)と比較すると、吸着量は2倍近い量であった一方、粘性変化は1/2倍程度であった。表面張力測定から、DPPC分子膜よりもDMPE分子膜の方が収縮性が強いことが分かっており、水面上分子膜の形態の違いが変化量の違いとなって現れたと考えている。表面界面物性既存の振動数・抵抗値の独立計測装置(水平型QCM・QCI測定装置)により、DMPC分子膜にイソフルランは物理吸着するものの、その吸着に伴うDMPC分子膜を含む界面の粘性変化は生じないことが分かった。前年度のDPPC分子膜へのイソフルラン作用では、膜への物理吸着と界面粘性の両方の変化を観測したことから、同じ親水基を有するDMPCとDPPCにもかかわらず、イソフルランの作用の仕方が異なることが分かった。DPPCの場合、伸縮性に富んだ分子膜が形成される一方、DMPCの場合、伸縮性に乏しい膨張性の分子膜が形成されることが分かっている。この膜の物性の違いが、イソフルランの作用効果の違いとなって現れているものと考えられる。麻酔薬には特定の作用部位はないと考えられるが、麻酔薬作用に伴う局所的な膜界面物性変化が麻酔現象と深く関係があるものと考えられる。前年度に引き続き、新規化学計測装置の高感度化・高安定化の取り組みを行なった。麻酔薬は水に溶解しにくいことから、膜への麻酔薬作用における反応時間を最大8時間程度と見込み、今年度は特に、高安定化に焦点を当て、周辺環境の精密な制御に力点を置いた。具体的には、(1)断熱材および防熱シートによる恒温化、(2)温湿度の厳密な制御、(3)実験室内対流防止、である。その結果、膜面上において、振動数:±0.2Hz(>5時間)、抵抗値:±0.02Ω(>5時間)の高安定化(同時計測)を実現した。この測定条件の下、DPPC分子膜にイソフルラン(6mM)を作用させたところ、振動数の減少と抵抗値の増加を観測することができた。