hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
自然災害予防システムと都市計画法における国家賠償責任の日仏比較

昨年度の研究報告において触れたように、フランスにおいては、森林火災、雪崩、地震、地滑りなどの自然災害防止のために、都市計画法とリンクし自然災害危険地域を明示し国民に情報を与えることによって自然災害による被害を防止するための制度が作られている。これにはかってのPERや1995年法によって改正を受けたPPRと呼ばれる制度があり、現在、既に制度が作られた当時目標とされていた「西暦2000年までの2000のPPR」が達成されフランスの自然災害防止に役立てられている。これらのPPRに代表されるような都市計画に関する訴訟はフランスにおいては近年めざましく増加している。たとえば、これら都市計画文書の作成遅滞や不作為、または内容的に問題がある都市計画、あるいはそれに基づく具体的な行政処分についての訴訟である。これらの訴訟には、もちろん越権訴訟(わが国での取消訴訟に当たる)の事例も見られるが、本研究では国家賠償請求がその主要な対象となる。フランスでの都市計画に関する国家賠償請求は数的にも金額的にも増大の一途をたどっている。その原因はいくつかあるが地方分権改革による都市計画権限のコミューン段階への委譲がその大きな理由であることは論を待たない。このため、都市計画などの行政計画に固有の国家賠償法の理論を確立することが重要となってきている。具体的には損害の算定などが例として拳げられるし、自然災害が問題になるケースであれば不可抗力の認定が主要な論点となっている。行政計画に対する抗告訴訟による統制がほとんど機能していないわが国においても今後国家賠償請求による行政計画の統制という問題は重要であり、フランスの判例理論を参考とする必要があると考えられる。フランスの都市計画法を利用した自然災害予防制度は歴史が古く、水害を対象としたPSSなどは戦前からの歴史を有しているし、現在では都市計画法典の全国都市計画規制(RNU)に含まれる諸制度は第二次大戦直後に制定されている。また、森林火災、雪崩、地震、地滑りなどの災害に対応する、都市計画法とリンクする自然災害による被害を防止するための制度が作られた。これらとは異なり1982年法により成立したPERは、特定の災害を対象とするものではなく、一般的に自然災害による被害発生の防止を目指し、都市計画法とリンクした制度である。元々1982年法は自然災害被害者を救済する制度を構築するものであったが、被害者救済のみを対象とするのでは行政に対しても国民に対しても予防のインセンティブを与えることがないことが問題とされ、議会での議論により災害予防制度が付け加えられた。当初、PERは、自然災害にさらされたコミューンなど地方自治体よって防災に役立つとして期待された。しかし、PERは策定手続やその効果といった点で多くの問題を抱え、その策定は遅々として進まなかった。その一方で被害者救済制度はかなり利用されることとなった。その結果、当初危惧されていたように、予防のインセンティブが働かず、自然災害予防制度としては「失敗」と評されることとなった。1987年法により、自然災害予防システムは一定の改正を受け、更に1995年法によりPERは全面的に改正を受けPPRとなった。PPRは、これまで多数あった個別の制度を統一するだけではなく、PERの問題点を解決するため策定手続や暫定的な効力を定め、また1995年法は自然災害危険地域での土地収用制度を策定するなどより効果的な予防事業が行えることとなった。しかし、PPRにも問題点がないわけではなく、国が中心となって策定するPPRとコミューンが策定するPOSとの関係をどうするかについてなどまだ不明確な点が残る。
大脳皮質ニューロンの後天的な軸索投射シフトの制御機構

脳損傷後に新たな神経回路が形成され機能回復に寄与することが知られている。大脳皮質運動野から中脳赤核への投射系はその可塑的特性がよく記述され、分子メカニズムを明らかにする上で有用な系である。1980年代、塚原らは一側性の運動野除去に伴い、対側大脳運動野より中脳赤核へ新たな軸索投射が出現することを見出した(Tsukahara, 1981)。この発見に基づいて、除去後の脱神経支配により、赤核細胞から誘引性因子の発現が生じ、健常側を走行する大脳皮質ニューロンの軸索から側枝発芽(collateral sprouting)が誘発されるとの仮説が提唱された。しかしながら、その仮説の妥当性ならびに分子機構についてはほとんどわかっていない。まず、発達期ラットにおいて一側性の大脳半球除去後、残された対側運動野から中脳への投射パターンを様々な時間経過で調べたところ、手術後2-7日の時期に損傷側中脳への異所的投射が出現することが明らかになった(昨年まで)。加えて、RNA-seqを用いた解析により、その期間に損傷側中脳で発現を増大する遺伝子が多数存在することが分かってきた。本年度、このRNA-seqによる解析を進展させた結果、発現上昇した遺伝子のほとんどはアストロサイトやミクログリア由来であることが明らかになった。次に、一側性大脳除去後にこれらグリア細胞の分布や形態を抗体染色によって調べると、中脳におけるミクログリアの活性化ならびに活性化アストロサイト(GFAP陽性)の数の増大が見出された。特に、活性化アストロサイトは損傷後に中脳で健常側から損傷側へ帯状に分布する状況が見出された。これらの結果から、脳損傷に伴う大脳から対側中脳への新たな投射形成に、グリア細胞が重要な役割を果たすことが示唆された。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。脳の神経回路は発達期の神経活動によって再編されるが、一方脳損傷などの後天的な事象によっても新たな神経回路が作り出されることが知られている。しかし、その分子機構は十分に理解されていない。この問題に取組むために、大脳運動野-中脳(赤核)への投射系に着目した。この系では、一側性の運動野損傷により本来ほとんど存在しない対側性の運動野-中脳投射が出現し、機能回復に寄与することが報告されている(Tsukahara, 1981)。本研究では、この新たな投射形成を制御する細胞分子機構を明らかにすることを目指した。まず、その形成過程を明らかにするために、対側運動野からの出力線維(5層由来)の投射パターンを運動野除去後の様々な時間経過で調べた。具体的には、生後1週後に一側性に大脳半球を除去し、除去後2、4、7日後で蛍光色素または子宮内電気穿孔法による軸索標識法を用いて、大脳5層細胞由来の軸索の投射様式を調べた。その結果、大脳除去後2日で既に対側の滞納皮質由来の軸索が正中線を越え始めていること、除去手術後4日から7日にかけて、さらにその対側性投射が密になり標的の赤核などへの投射が生ずることが明らかになった。この時間経過を踏まえて、対側投射を生じさせる誘引性因子の存在を想定し、手術後2日、4日の時期で損傷側と健常側中脳組織に対してRNAseqにより遺伝子発現解析を行った。その結果、軸索動態と関連性のある複数の遺伝子発現が損傷側中脳で増大することが示された。一側性の大脳半球除去後に新たな対側性投射が生ずる時間経過が明らかになり、その時間経過に基づいて遺伝子発現解析を行い軸索成長を担う候補分子を挙げることができるに至った。

特に、活性化アストロサイトは損傷後に中脳で健常側から損傷側へ帯状に分布する状況が見出された。これらの結果から、脳損傷に伴う大脳から対側中脳への新たな投射形成に、グリア細胞が重要な役割を果たすことが示唆された。挙げられた候補分子の機能を明らかにするために、それらを発現する細胞種の特定を行うと共に、候補分子の作用をin vitroの実験系を用いて調べる。また、次のステップとしてin vivoで機能解析を行う準備として、遺伝子改変動物の解析のための準備を行う。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
転写伸長過程の数理モデルとベイズ統計に基づく逆問題解法

Total RNA-seqと呼ばれるRNAシーケンスの技術とデータ科学の解析技術を組み合わせ,観測データからRNAポリメラーゼと呼ばれる転写活性酵素がゲノム上を移動するプロセス(転写伸長速度)を再構成する問題に取り組んだ.これまで転写伸長速度の包括的測定を目的にいくつかの実験技術が開発されてきたが,実験の難しさ・精度・コストの問題があり,広く普及するに至っていない.本研究により,汎用的な実験手法であるTotal RNA-seqとデータ科学の解析手法を組み合わせることで転写伸長のプロセスを再構成できることが実証された.これにより転写伸長研究における新しい可能性が切り拓かれることが期待される.Total RNA-seq(without poly(A) selection)を活用することで、新生RNAを含む細胞中のRNA分子の量を網羅的に計測することができる。本研究では、Total RNA-seqのリード分布を解析することでRNAポリメラーゼII(Pol II)の転写伸長過程を再構成できることを実証する。Pol IIは、遺伝子上を5'から3'方向に移動しながら段階的にmRNAを合成する。転写伸長とスプライシングが共役することで、RNA-seqリードの分布には転写伸長速度を反映した鋸状のパターンが出現する。分布特性を決める主な因子は、配列上のPol IIの存在確率(転写伸長の相対速度の逆数)とスプライスパターンである。したがって、リード分布には転写伸長速度とスプライシングの情報が含まれており、逆問題を解けば、これらを復元できる可能性がある。当該年度は、解析手法のアウトラインを設計し、要素技術のパイプライニングを行った。転写伸長及びスプライス反応の数理モデルを構築し、Pol IIの存在確率とリード分布の変換式をモデリングした。このもとでベイズ推定を行い、Pol IIの存在確率とスプライスパターンの同時推定を行った。人工データや実データに解析手法を適用し、Pol IIの存在確率とスプライス部位の推定精度を検証した。SN比が一定以上の遺伝子に対しては、現行手法は十分な推定性能を達成することが確認された。しかしながら、Total RNA-seqのある特性により、短いイントロンを含む遺伝子ではSN比が極端に低くなることが判明した。したがって、現行手法では全遺伝子規模の解析は難しいと言える。しかしながら、実験面の障壁を乗り越えることができれば、大きな科学的成果に繋がる可能性は大いにある。次年度はこの点について新たな協力者を募り、問題解決の方策を検討する。数理モデル及び転写伸長速度の推定手法については、解析基盤はおおむね完成し、プログラムの実装も完了している。人工データと実データを対象に数値実験を行い、SN比が一定水準以上のリード分布を持つ(長い)遺伝子に対しては、現行手法で十分な推定精度を達成することが確認された。ここまではおおむね順調である。また、プロジェクト開始後に関連分野の動向に注目すべき展開があった。現在、転写伸長速度の網羅的観測を目的にTotal RNA-seq以外の実験技術(GRO-seq、NET-seqなど)が開発されているが、精度やコスト、カバー率の問題があり、依然として広く普及するには至っていない。特に実験コスト及び技術的容易性の観点において、依然としてTotal RNA-seqは転写伸長解析の最も有効な手法である。さらに近年、Total RNA-seqに基づく重要な研究成果が発表されている。これまでイントロンの除去はイントロン終末点における一回の切断で完了すると考えられてきたが、一部のイントロン(特に長いイントロン)は複数回のスプライシングで分割して除去されることが明らかにされた(RS: recursive splicing)。本研究によってTotal RNA-seqのデータにRSのシグナルが含まれていることが確認され、現行手法を用いることでRSの部位を自動検出できる可能性が示された。開発手法の適用対象が広がり、新たな可能性が浮上してきた。Total RNA-seqを用いることで,新生転写産物を含む細胞中のRNA分子の総量を網羅的に測定する.本研究では,Total RNA-seqのリードパターンからRNAポリメラーゼII(以下,Pol II)の転写伸長プロセスを統計的に予測する.Pol IIは,転写を触媒する酵素であり,遺伝子上を5'から3'方向に移動しながら段階的にmRNAを合成する.この生体プロセスのことを転写伸長という.転写伸長とスプライシングは共役するため,Total RNA-seqのリード分布には転写伸長速度を反映した鋸状のパターンが出現する.リード分布の特性を支配する主な因子は,ゲノム上のPol IIの存在確率(転写伸長の相対速度の逆数)とスプライシングのパターンである.したがって,逆問題を解き転写伸長速度とスプライスパターンを推定すれば,転写伸長プロセスの予測が可能になる.本研究では,状態空間モデルに基づくベイズ推論による解法を示した.転写伸長とスプライシングの数理モデルを構築し,Pol IIの存在確率とリード分布の変換式を用いて状態空間表現を導く.このもとでベイズ推定を行い,Pol IIの存在確率とスプライスパターンを同時に推定する.マウスES細胞等,複数のデータに開発手法を適用し,推定された転写伸長の速度分布の妥当性を検証した. ChIP-seq計測から導いたヌクレオソーム占有率やヒストン修飾の状態に速度分布を対応付け,両者の相関性が確認された.現在,論文発表の準備を進めている.これまで転写伸長速度の包括的測定を目的に様々な技術(GRO-seq,NET-seqなど)が開発されてきたが,実験の難しさ・精度・コストの問題があり,広く普及するに至っていない.本研究により,Total RNA-seqという汎用技術とデータ科学を組み合わせることで転写伸長プロセスを再構成できることが実証された.

これにより転写伸長研究の新しい可能性が切り拓かれることが期待される.Total RNA-seqと呼ばれるRNAシーケンスの技術とデータ科学の解析技術を組み合わせ,観測データからRNAポリメラーゼと呼ばれる転写活性酵素がゲノム上を移動するプロセス(転写伸長速度)を再構成する問題に取り組んだ.これまで転写伸長速度の包括的測定を目的にいくつかの実験技術が開発されてきたが,実験の難しさ・精度・コストの問題があり,広く普及するに至っていない.本研究により,汎用的な実験手法であるTotal RNA-seqとデータ科学の解析手法を組み合わせることで転写伸長のプロセスを再構成できることが実証された.これにより転写伸長研究における新しい可能性が切り拓かれることが期待される.基盤技術の更なる高精度化・高度化を推進すると共に、以下に挙げられた生物学的課題に重点的に取り組む。(1)転写伸長速度とスプライシングの制御関係:本研究の解析手法は、データのパターンを選択的スプライシングとPolII由来の二つのシグナルに分離する。推定結果を元に、転写伸長速度とRSを含むスプライスパターンの関係性を明らかにする。(2)異なる細胞種のデータを解析して、細胞に特異的な転写伸長速度の違いを特徴付ける。例えば、胎生組織では成体組織に比べて鋸状のパターンがクリアに見える傾向があると報告されている。(3)転写伸長速度の分布をヌクレオソームの密度やヒストン化学修飾の状態に対応付け、両者の関係性を明らかにする。実験面のいくつかの技術的困難を乗り越える必要があるが、引き続き、全遺伝子規模の転写伸長速度分布のパターンが明らかにすることを目指す。全遺伝子規模の転写伸長速度の推定は、いまだ未達成の課題である。最終的には、推定された速度分布を用いて、転写伸長速度とヒストン修飾、クロマチンの状態(エピジェネティクス)、スプライシング異常との関係を調べ、また細胞種による転写伸長過程の違い等を明らかにする。統計科学平成27年度前半の研究進捗が遅れたため、国際会議を初めとする学会発表を行う機会が想定よりも少なくなった。さらにプログラムの並列化対応が遅れたため、Xeon Phi計算機の購入時期を次年度に移行することにした。国際会議を初めとする学会発表及びXeon PhiあるいはGPUの購入費用に充てる。
アポプラスト液とシンプラスト液の分別分析による果実の収穫後生理に関する研究

最初に,果実の果肉組織のアポプラスト液とシンプラスト液を分別する方法を検討した結果,遠心機を用いることによって,2つの液をおおまかに分別することができた。この方法を用いて,リンゴ果実のみつ症状の発生機構について検討を行った。`ふじ'果実では,適期30日前にみつ症状の発生が認められ,その後,成熟が進むにつれて症状が拡大した。アポプラスト液のスクロース,フルクトースおよびグルコース濃度の変化がわずかであったのに対して,ソルビトール濃度は成熟に伴い著しく増加した。シンプラスト液では,糖濃度の変化は少なかった。これに対して,みつ症状の発生しない`陽光'と`王林'では,アポプラスト液のソルビトール濃度が成熟中に増加したものの,`ふじ'と比較すると,収穫適期時の含量は,1/4から1/5程度であった。次に,`ふじ'果実の離層近傍部の環状剥皮処理がみつ症状の発達と糖の蓄積におよぼす影響を検討した。その結果,無処理区では,果実の成熟に伴いみつ症状が発達したのに対して,環状剥皮処理区では発達しなかった。糖濃度について無処理区では,アポプラスト液とシンプラスト液ともに,果実の成熟に伴ってソルビトール濃度が急激に増加した。この増加は,とりわけアポプラスト液で顕著であった。これに対して環状剥皮区では,アポプラスト液とシンプラスト液ともに,ソルビトール濃度は実験期間中,常に低いレベルで推移した。以上の結果より,リンゴ果実のみつ症状の発達には,アポプラストへのソルビトールの蓄積が関与していると考えられた。最後にカキを用いた実験では,可溶性タンニン含量はシンプラスト液よりアポプラスト液の方で高いことが確認された。さらに,炭酸ガス脱渋区では1日目に急激に蓄積したアセトアルデヒドによってアポプラスト液に含まれる可溶性タンニンが不溶化し,脱渋が速やかに進行することが示された。リンゴ果実には,成熟中にみつ症状が発生する晶種がある。本研究では,みつ症状発生のメカニズムを解明するために,みつ症状の発達と糖蓄積との関係について検討した。実験には,果実の成熟中にみつ症状が発生する'ふじ'ならびに発生しない'陽光'と'王林'を供試した。3品種ともに果実は,収穫適期1か月前から適期まで10日ごとにサンプリングを行い,果実に含まれる水分をシンプラスト液とアポプラスト液に分別したのち,各液の糖組成を分析した。また,'ふじ'については,みつの発生部位と非発生部位における糖組成の分析もあわせて行った。その結果,'ふじ'においては,アポプラスト液のスクロース,フルクトースおよびグルコース含量の変化がわずかであったのに対してソルビトール濃度は成熟に伴い著しく増加した。また,アポプラスト液のソルビトール濃度は,シンプラスト液に比べて終始高い値で推移した。シンプラスト液では,ソルビトール濃度が収穫適期30日前から10日前にかけてわずかに増加したことを除き,糖濃度はほとんど変化しなかった。みつ症状の発生しない'陽光'と'王林'では,アポプラスト液のソルビトール濃度が成熟中に増加したものめ,'ふじ'と比較すると,、収穫適期時の含量は,1/4から1/5程度であった。さらに,シンプラスト液とアポプラスト液におけるソルビトール濃度の差もわずかであった。

'ふじ'のみつ発生部位から採取したシンプラスト液とアポプラスト液は,非発生部位から採取した液と比較して量が多く,全糖濃度が低いことが判明した。糖組成については,ソルビトール濃度だけがみつ発生部位で高かった。以上の結果より,'ふじ'においては,果実の成熟に伴い,ソルビトールがアポプラストに著しく蓄積することが判明し,このことがみつ症状の発達に関係していると考えられた。リンゴ果実では,"みつ"として知られる水浸症状が品種によって発生する。昨年度の研究で,水浸症状が発生したリンゴ果実では,アポプラストへのソルビトールの蓄積が顕著であることが示された。本年度は,リンゴ果実の離層上部に環状剥皮処理を施すことで,成熟に伴う果実への糖の転流を阻害し,このことが水浸症状の発達や糖蓄積にどのような影響をおよぼすか検討した。実験には,'ふじ'の早生系統を供試した。予想される収穫適期の20日前(9月16日)に,環状剥皮処理を行った。その後10日ごとに,果実からアポプラスト液とシンプラスト液を遠心分離法により分別採取し,それぞれの液の糖組成をHPLCで分析した。その結果,対照区の果実では収穫適期から水浸症状が認められ,その後,成熟が進むにつれて症状が拡大したアポプラスト液の量は,水浸症状が認められた適期以降増加する傾向がみられた。これに対して,環状剥皮区では,実験期間を通して水浸症状の発達は認められなかった。対照区では,アポプラスト液とシンプラスト液ともに,スクロースとソルビトールの濃度が著しく上昇した。ソルビトール濃度の上昇は特にアポプラスト液で顕著であった。グルコースとフルクトースの濃度は,実験期間を通して大きな変化は認められなかった。環状剥皮区では,アポプラスト液とシンプラスト液ともに,成熟が進むにつれてスクロース濃度は徐々に減少し,逆にグルコース濃度が増加した。ソルビトール濃度は実験期間中低いレベルで推移した。以上の結果より,リンゴ果実における水浸症状の発達には,アポプラストへのソルビトールの蓄積が関与していると考えられた。これまで渋ガキの可溶性タンニンは細胞のシンプラストに多く存在すると考えられてきた.本研究ではこのことを確認するために,アポプラスト液とシンプラスト液における可溶性タンニン含量を測定するとともに,両液におけるアセトアルデヒドおよびエタノール含量の測定もあわせて行った.実験には収穫適期に採取した渋ガキ`平核無'果実を供試し,収穫後直ちにアルコール(エタノール)と炭酸ガスで脱渋処理した.処理後14日目まで経時的にアポプラスト液,シンプラスト液および果肉の可溶性タンニン含量ならびにアセトアルデヒドとエタノール含量を測定した.なお,果実の果肉切片を遠心して得られた液をアポプラスト液とし,アポプラスト液採取後の果肉切片を凍結させ再度遠心して得られた液をシンプラスト液とした.その結果,収穫時の可溶性タンニン含量はシンプラスト液よりもアポプラスト液で約4倍高いことが判明した.その後,可溶性タンニン含量は炭酸ガス脱渋区では1日目に急激に低下したのに対して,アルコール脱渋区では6日目まで徐々に低下した.アポプラスト液のアセトアルデヒド含量は,炭酸ガス脱渋区で1目目に増加し,2目目以降は大きな変化は見られなかった.
繰り返し荷重下で観察された骨梁構造の疲労骨折の解析-離断性骨軟骨炎発症について-

関節の接触において、関節面とこれに加わる荷重の方向に傾斜がつくことで、関節面には接線方向の要素が含まれた荷重が加わる。特に膝蓋大腿関節は、関節構造や運動の特殊性のため、膝蓋骨の外方傾斜や外方偏位などを生じ、この時関節面は非生理的荷重であるせん断力を受ける場合が多い。そのため膝蓋大腿関節傷害は、骨軟骨骨折、離断性骨軟骨炎そして軟骨軟化症など多種多様に及ぶと予想され、しかもこれらが思春期を中心に多く見られる傾向にあることは臨床上よく知られている。本研究では、骨端線の存在する生後約6ヶ月のブタ膝蓋大腿関節の輪郭を用いて作成した2次元有限要素モデルを用い、関節面に加わるせん断荷重が、関節端近傍組織の応力分布に与える影響を、昨年実施した同様な条件下での実験結果と対比しながら検討した。正常な関節接触状態において、関節部近傍組織のミーゼスの相当応力分布は、関節面の応力をほぼ均等に関節深部に伝達していた。これに対し関節面に非生理的荷重であるせん断荷重要素を増加させた場合、骨軟骨移行部近傍において極端な応力の集中および不連続が認められた。したがって、離断性骨軟骨炎にみられるような、幼若関節の骨軟骨移行部における損傷は、関節面が受けるせん断力に起因した、軟骨下骨板での破壊であることが示唆された。先に行った、ブタ膝蓋大腿関節の繰り返し接触実験における関節端損傷と比較すると、生じた軟骨下骨基底層からの損傷は、本解析における応力集中部位とほぼ一致していた。離断性骨軟骨炎の発生原因には、遺伝因子、ホルモン異常などさまざまな内因性要素が指摘されている。一方、免荷により高率に完治する場合もあり、力学的な因子も関与していることは明らかである。しかし、本疾患の症状は比較的軽く重傷感がないため見逃されやすく、骨片が遊離体となって初めて来院する場合も少なくない。そのため、初発の病像、発生部位およびその進展様相は明らかでない。本研究の目的は、繰り返し荷重下の軟骨下骨海綿骨の骨梁構造の、疲労骨折挙動の時間的変化を観察し、離断性骨軟骨炎の発生機序について、力学的観点から検討することにある。本年度は、関節端に圧縮荷重とせん断荷重の異なった2つの荷重が作用する場合の、繰り返し荷重試験を実施し、このときの軟骨下骨海綿骨骨梁構造の疲労骨折を、組織学的に観察し、初発損傷部位、破壊の進展状況を明らかにした。幼若ブタ膝蓋大腿関節大腿骨関節面より、6mm幅の骨軟骨複合体のスライスを採取し、取り付け用のカップにアクリルレジンを用いて固定した。先端が直径15mmのステンレス製円筒圧子により、生理食塩水の湿潤下で関節面に負荷を行なった。試験設定は、荷重方向と軟骨面に傾斜角θを付けることで、関節面に沿って働くせん断力を発生させた。今回は、圧縮荷重のθ=0°とせん断荷重の影響を見るためのθ=45°の2種類とした。荷重の条件は、サイン波で1Hzとし、最大繰り返し回数を最大3万回とし、最大荷重値は関節面の損傷に応じて種々変化させた。繰り返し実験中の亀裂の観察は、実験後、光顕標本により骨組織観察および1mmスライス標本を作製し、軟X線により骨折型を確認した。以上の結果より、繰り返しせん断力は圧縮荷重に比較し、骨軟骨障害発生に破壊的かつ加速的に働くことがわかった。幼若関節では成熟関節とは破壊形態が異なり、軟骨下骨板直下でせん断損傷が進行していた。またレントゲン像において圧迫骨折を認めた標本において、光顕観察から疲労骨折に類似した骨折が確認された。
材料工学的アプローチによる人工生体膜ラフト構造の再現

本研究では、近年注目されている生体膜中のラフト構造の形成を一種の材料の相分離構造と見なして、材料工学的アプローチにより固体基板上の平面人工生体膜に再現し、ラフト構造形成における物理的メカニズムの役割を明らかにすることを目的とした。さらに、人工生体膜に膜タンパク質を導入することで、再現したラフト構造と膜タンパク質の凝集・輸送との相関解明を試みた。昨年度までの研究において、局所的な熱刺激や電界印加によって物理的に相分離構造が形成されることを示してきた。本年度は、さらに以下のことを行った。(1)膜タンパク質入り平面脂質二重膜の成膜技術の確立:これまでの研究から、脂質組成、イオン強度、成膜温度などが、脂質分子間相互作用に影響を与えて、脂質膜形成に大きな影響を及ぼすことがわかっている。本研究ではその経験を生かして、特にイオン強度と膜組成の調整により、固体基板上へABCトランスポーターを含む膜形成を実現した。(2)膜タンパク質入り平面脂質二重膜におけるラフト構造の観察と制御:前述の方法で作成した膜に関して、AFMにより相分離構造と膜タンパク質の観察に成功した。(3)ラフト構造と膜タンパク質の位置関係の観察:いまだ限定的ではあるが、相分離構造と膜タンパク質の位置が同じである場所が観察された。しかし、データ量が不十分であり、今後さらに検討する必要がある。しかしながら、本結果は当初目標を実現できる可能性を十分示すものであると考えられる。本研究で注目しているラフト構造は、生体膜中に液晶-液晶相分離により形成される相分離構造であり、最近の研究から、膜タンパク質の凝集場所として機能していることが示唆されている。生物学的な観点では、ラフト構造の形成はタンパク質の機能により理解されるが、一方、物理学的な観点では、このような相分離構造は自己組織的に形成されると考える。本研究では、ラフト構造を、物理に基づく材料工学的アプローチにより固体基板上の平面人工生体膜に再現し、ラフト構造形成における物理的メカニズムの役割を明らかにすることを目的とする。さらに、人工生体膜に膜タンパク質を導入することで、再現したラフト構造と膜タンパク質の凝集・輸送との相関を調べ、物理的メカニズムによる膜タンパク質複合体形成の可能性を探る。本年度の研究においては、以下のことを行った。1.脂質膜全体の温度制御と、局所的な光照射を組み合わせることで、任意の位置に相分離構造を形成、移動させることに成功した。このことは、実際の生体膜における位置選択的な相分離構造形成を模倣した結果であると考えている。2.実際の生体膜においては、ラフト構造と呼ばれるコレステロールを含む相分離ドメインが重要であり、本研究においても、人工的にラフト構造を再現し、それに光照射を行ったところ、ゲル相ドメインと同様に位置選択的な形成に成功した。3.膜タンパク質を導入した脂質膜を形成し、これらの現象を膜タンパク質の制御に応用する準備を整えた。4.さらに、電気的刺激による相分離構造の凝集制御にも成功した。このことは、電荷が相分離構造の局所形成に寄与していることを示す結果である。
新規脂質ナノチューブ構築法の確立と細胞機能制御

近年、脂質から形成されるナノチューブが遠距離の細胞間を連結することで細胞間コミュニケーションを制御していることが明らかになっていが、この脂質ナノチューブを人工系で容易かつ大量に作製する手法は見出されていない。本研究では、脂質ナノチューブを用いた細胞膜の連結手法を確立し細胞内機能の制御とその解明を実現することを研究全体の目的とした。その中で、人工細胞間の脂質ナノチューブによる連結およびその手法の最適化を行い、区画化された微小流路中へのリポソームの固定化手法を確立し、これらの脂質ナノチューブによる連結を実現した。また、リポソーム-細胞間の脂質ナノチューブによる連結が可能であることを明らかにした。近年、脂質から形成されるナノチューブ(脂質ナノチューブ)が遠距離の細胞間を連結することで細胞間コミュニケーションを制御していることが明らかになっている。脂質ナノチューブは細胞間コミュニケーションを理解するための新しい機構として基礎生物学的、医学・薬学的に極めて重要である。しかしながら、膜タンパク質を解析する場合に用いられる人工細胞(リポソーム)のように、脂質ナノチューブを人工系で容易かつ大量に作製する手法は未だ見出されていない。このような背景のもと、本研究では、脂質ナノチューブを用いた全く新しい概念の細胞膜の連結手法を確立し、細胞から人工細胞、人工細胞から細胞、さらに細胞から細胞の物質、情報輸送による細胞内機能の制御とその解明を実現することを研究全体の目的とした。その中で当該年度においては、荷電ナノ粒子の泳動によるリポソームからの脂質ナノチューブの作製手法の確立に重点をおいて研究を行った。これまでの研究において、10-100nmのナノ微粒子と脂質供給源としての球状リポソームを用い、脂質ナノチューブが作製できることを予備的に見いだしてきた。この結果をふまえ、この手法を用いた脂質ナノチューブ作製法について、脂質の種類、電圧の印加方法、温度、ナノ微粒子の表面物性などの諸因子と、脂質ナノチューブの生成速度、脂質ナノチューブの長さ、内径、膜物性との相関について、定量的な解析を行った。その結果、比較的広範な種類の脂質からナノチューブが作製できること、電圧強度に依存した脂質ナノチューブの作製が可能であること等を明らかにした。また、副次的な結果として、電圧印可のみならず、固定化したリポソームに対して、せん断流を与えることによっても、極めて効率的にナノチューブを作製しうることを明らかにした。本研究課題におけるこれまでの研究において、脂質二分子膜からなるリポソームに電荷微粒子を内包させ、このリポソームに電圧を印加することで、微粒子の電気泳動現象を利用した脂質ナノチューブの作製が可能であることを見いだしてきた。この方法では配向が制御された脂質ナノチューブを容易かつ大量に作製することが可能であり、脂質ナノチューブをモデル系として用いた細胞間コミュニケーション機構の解明やこのナノチューブを用いた細胞への直接的な薬物の導入による新規ドラッグデリバリーシステムの開発などの応用展開が可能である。当該年度においては、この原理を元にヒドロゲル界面において荷電微粒子を内包したリポソームに電圧を印加することでゲル内部に心太(ところてん)式にチューブが作製できることを明らかにした。このようにしてゲル中に固定化されたナノチューブは極めて安定であり、一ヶ月以上そのチューブ形態を保持していることが示された。またこの系において、ゲル濃度、印加電圧、微粒子の濃度や粒径、などがチューブ形成に与える効果について系統的に検討を行ったところ、これらのパラメーターを変化させることで、作製されるチューブの本数や長さをある程度制御できることが明らかになった。さらに、微粒子をリポソームの外部に固定化し、微粒子の電気泳動を行うことでより効率的にナノチューブが作製できることも明らかにした。これらに加え、現在用いているチャンバーでは電極間距離が大きいことに起因する天然細胞への侵襲が重篤であることが明らかになった。この点を解決するために低い電流を印可可能な微細加工電極とマイクロ流路からなる新規チャンバーの設計と作製を行った。

このような背景をふまえ、本研究では、脂質ナノチューブを用いた全く新しい概念の細胞膜の連結手法を確立し、細胞から人工細胞、人工細胞から細胞、さらに細胞から細胞の物質、情報輸送による細胞内機能の制御とその解明を実現することを研究全体の目的とした。当該年度においては、天然細胞間での脂質ナノチューブを介した物質、情報輸送システムの実現に重点をおいて研究を推進してきた。その中で、まずモデルとしての人工細胞間の脂質ナノチューブによる連結およびその手法の最適化を行い、区画化された微小流路中へのリポソームの固定化手法を確立し、これらの脂質ナノチューブによる連結を実現した。また、リポソーム-細胞間の脂質ナノチューブによる連結が可能であることを予備的に明らかにした。具体的には、Hela細胞と人工細胞膜を基板上に固定化し、本研究で開発した手法により、脂質ナノチューブが天然細胞に連結されうることを、蛍光顕微鏡測定などから明らかにした。これまでの研究において、脂質二分子膜からなるリポソームに電荷微粒子を内包させ、このリポソームに電圧を印加することにより、微粒子の電気泳動現象を利用した脂質ナノチューブの作製が可能であることを見いだしてきた。また、ゲル濃度、印加電圧、微粒子の濃度や粒径を変化させることで、作製されるチューブの本数や長さをある程度制御できることも明らかにしてきた。当該年度においては、フリーズフラクチャーレプリカ法による透過型電子顕微鏡観察結果からナノチューブの直径が50150 nmであることを示した。また、光褪色後蛍光回復測定により、蛍光消光後にナノチューブ由来の蛍光の回復が見られたことから、このナノチューブが確かに流動性のある脂質二分子膜によって形成されていることを明らかにした。さらに、Hela細胞と荷電微微粒子を内包したリポソームを同一基板上に固定化して電圧を印可することで、リポソームから伸長した脂質ナノチューブによる細胞間の連結を試みた。Hela細胞を37度でインキュベートして基板に固定化した後、アビジンービオチン相互作用を用いてこの基板にさらにジャイアントリポソームを固定化した。このように細胞とジャイアントリポソームが固定化された基板に対して、電圧を印加すると、リポソームから伸長したナノチューブがHeLa細胞に接続することが確認された。この結果は、細胞のviabilityや内水相の物質輸送の有無など、検討すべき点はあるが、脂質ナノチューブにより天然の細胞を連結できる手法を予備的に確立した点で興味深い。26年度が最終年度であるため、記入しない。生体関連高分子化学26年度が最終年度であるため、記入しない。研究計画時に、初年度においてはナノ粒子の泳動によるリポソームからの脂質ナノチューブの作製手法を確立することを目的とし研究を開始したが、リポソームからの脂質ナノチューブ形成を定量的に評価することで、脂質ナノチューブの形成を制御する手法を確立できたこと、さらに当初計画していなかったが、せん断応力を用いる脂質ナノチューブ形成手法を見いだした点で、当該年度の当初の研究目的を概ね達成できたものと考えている。研究計画時においては、平成25年度は前年度に予備的に明らかにした脂質ナノチューブによる細胞間連結の結果を踏まえ、これをさらに推進することを主たる目的として研究を計画した。しかしながら、水溶液中の脂質ナノチューブの安定性、印可する電圧強度による細胞機能の低下に大きな問題があることが明らかとなった。そこでこの結果を踏まえ、以下の二つの観点から研究を行った。
凝縮における逆温度こう配現象の分子動力学法による検証

低温の凝縮面に近づくにつれて蒸気温度が高くなり,気液界面で大きな温度ジャンプを伴って液面温度に至るという"逆温度こう配現象"を,気液界面における分子境界条件の妥当性を調べることにより,実際の物理現象として正しいものであるかどうかの検証を行った。まず,分子動力学法を用いてアルゴン分子からなる気液界面を形成し,界面方向に入射する分子の凝縮確率と界面を離れる蒸発分子と反射分子の速度分布を計測した。これにより,凝縮確率は入射分子の界面鉛直方向の運動エネルギーの関数であり,平衡系の蒸発係数も分子の界面鉛直方向の運動エネルギーの関数となり,蒸発分子と反射分子の速度分布が,蒸発係数を重み関数としてMaxwell分布を修正することによって表現できることが示された。次に,得られた情報を気液界面における凝縮と反射,ならびに蒸発分子に関する分子境界条件として利用し,直接シミュレーションモンテカルロ法を用いた凝縮流れの解析を行った。逆温度こう配に関する従来の研究では,凝縮係数を全ての速度領域に対して1とした研究が中心であり,この場合に顕著な逆温度こう配となることが本研究でも観察されている。しかし,新しい境界条件を適用すると逆温度こう配とはならず,凝縮面に向かって緩やかに温度が低下することが確認された。また,この理由として,凝縮係数の速度依存性を考慮すると反射分子が界面近傍での速度分布の定速側に寄与するが,凝縮係数を1とした完全凝縮の場合には反射分子がないため定速の分子が減り,逆にエネルギーの高い高速の分子が多くなって逆温度こう配となることがわかった。実際の物質の凝縮係数は全ての速度領域において1であるとは考えにくいため,逆温度こう配現象は仮説に基づいた現象であるものと判定される。
非正準Hamilton力学理論に基づく3次元MHD平衡コード開発とその物理応用

磁化プラズマの巨視的運動を記述する磁気流体力学的(MHD)モデルについて,これまで計算不可能だった定常状態の計算を可能にする新しい計算法(疑似アニーリング)を開発した.本研究課題では,低ベータ簡約化MHDに疑似アニーリングを適用し,円柱プラズマの内部に磁気島があったりヘリカル変形した定常状態が,系のエネルギー極小状態として求められることをシミュレーションで実証した.さらに,高ベータ簡約化MHDに拡張し,トロイダルプラズマの定常状態計算にも成功した.また本研究を通じ,ハミルトン系の先進的な数値計算法が必要となり,荷電粒子の運動も含め支配方程式のハミルトン構造を保持した数値計算法の開発も行った.トカマク型に代表される軸対称トーラスプラズマは,現実には完全に軸対称ではない.近年,この非軸対称性がもたらす磁場構造の変化(例えば磁力線のカオス化)の閉じ込め性能への影響評価が重要課題となっている.この定量的分析には3次元的なプラズマ平衡が必須だが,その計算には難点がある.本研究課題では,非正準ハミルトン力学理論を応用した新解法による3次元磁気流体力学(MHD)平衡計算コードを開発すること,また非正準性が生むカシミール不変量によって平衡を系統的に整理できる特長を活かし,カシミール不変量を制御パラメータとした磁場構造変化の分岐図・相図を作成し,その物理を明らかにすることを目的としている.これまでに開発してきた2次元配位のコードを3次元に拡張することが平成27年度の計画であり,作業を行ったが,完成には至っていない.したがって,平成27年度は2次元コードのシミュレーション結果を使って,研究発表を行った.また,本研究では非正準ハミルトン系に内在するカシミール不変量のシミュレーションにおける保存性が重要な意味をもつので,ハミルトン系を主とする一般の力学系のシミュレーション手法について調査し,演算子分割と漸化式を用いた高次精度化の方法を荷電粒子の軌道計算や磁力線追跡に適用し研究発表を行った.平成27年度に完了する予定だったコード開発が終わっていないため.トカマク型に代表される軸対称トーラスプラズマは,現実には完全に軸対称ではない.近年,この非軸対称性がもたらす磁場構造の変化(例えば磁力線のカオス化)の閉じ込め性能への影響評価が重要課題となっている.この定量的分析には3次元的なプラズマ平衡が必須だが,その計算には難点がある.本研究課題では,非正準ハミルトン力学理論を応用した新解法による3次元磁気流体力学(MHD)平衡計算コードを開発すること,また非正準性が生むカシミール不変量によって平衡を系統的に整理できる特長を活かし,カシミール不変量を制御パラメータとした磁場構造変化の分岐図・相図を作成し,その物理を明らかにすることを目的としている.平成28年度には,これまでに開発した2次元簡約化MHDのコードを3次元に拡張した.物理的な発展方程式を基に構成する人工的な運動により,カシミール不変量を保持したままエネルギーを減少させ,定常状態に至らせるものであり,その時間発展にはシンプレクティックかつ時間反転対称な陰的ルンゲ-クッタ法を用いて数値安定性を向上させている.この数値積分法の実装には,MHDよりはずっと単純だが同じくハミルトン系である荷電粒子運動や磁力線追跡における数値積分法の研究が役立った.開発したコードを用い,円柱対称な平衡がテアリングモード不安定な場合には,人工的な運動の結果エネルギーがより低い状態として磁気島のある平衡が得られることを示した.この成果は,ヴァレンナ-ローザンヌ核融合プラズマ理論国際ワークショップにて招待講演で発表し,Plasma and Controlled Fusion誌にも論文発表した.また,エネルギーを減少させていく過程について,いくつかのシミュレーション結果から分析し,日本物理学会等で成果発表した.3次元コードを用いて,カシミール不変量を系統的に変化させてシミュレーションし,その結果を物理的に解釈する予定であるが,コードの数値安定性の向上に時間を要し,平成28年度内には多くのシミュレーションをできなかったため.トカマク型に代表される軸対称トーラスプラズマは,現実には完全に軸対称ではない.近年,この非軸対称性がもたらす磁場構造の変化(例えば磁力線のカオス化)の閉じ込め性能への影響評価が重要課題となっている.この定量的分析には3次元的なプラズマ平衡が必須だが,その計算には難点がある.本研究では,非正準ハミルトン力学理論を応用した新解法(疑似アニーリング)による3次元磁気流体力学(MHD)平衡計算コードを開発すること,また非正準性が生むカシミール不変量によって平衡を系統的に整理できる特長を活かし,カシミール不変量を制御パラメータとした磁場構造変化の分岐図・相図を作成し,その物理を明らかにすることを目的とした.進展は,これまで2次元矩形領域に対して低ベータ簡約化MHDモデルに対して開発してきたコードを円柱プラズマに拡張し,プラズマ内部での磁気島生成やヘリカル変形を扱えるコードに拡張したこと,また特に最終年度は高ベータ簡約化MHDに拡張しトロイダルプラズマの平衡計算を成功させたことである.この研究により,円柱プラズマがテアリングモードあるいは内部キンクモードに対して線形不安定な場合に疑似アニーリングを行うと,プラズマ内部に磁気島がある,あるいはヘリカル変形した平衡がエネルギー極小状態として得られることを明らかにした.さらに,トロイダルプラズマの平衡計算では先行研究と良い一致を得た.未発表だがヘリカル系プラズマや流れのあるトカマクプラズマへの適用も引き続き進めている.

一方,カシミール不変量を制御パラメータとした定常状態の分岐図・相図の作成の点では,解いている方程式系の性質のため数値不安定性が当初予想よりも厳しく,多数のパラメータランを行うには至らなかった.系の数学的構造を反映し,時間反転対称でシンプレクティックな数値積分法を実装し,数値不安定性を軽減させることには成功した.磁化プラズマの巨視的運動を記述する磁気流体力学的(MHD)モデルについて,これまで計算不可能だった定常状態の計算を可能にする新しい計算法(疑似アニーリング)を開発した.本研究課題では,低ベータ簡約化MHDに疑似アニーリングを適用し,円柱プラズマの内部に磁気島があったりヘリカル変形した定常状態が,系のエネルギー極小状態として求められることをシミュレーションで実証した.さらに,高ベータ簡約化MHDに拡張し,トロイダルプラズマの定常状態計算にも成功した.また本研究を通じ,ハミルトン系の先進的な数値計算法が必要となり,荷電粒子の運動も含め支配方程式のハミルトン構造を保持した数値計算法の開発も行った.これまでに開発した2次元版コードの3次元化を早急に進める.時間発展アルゴリズムの検討を行い,シミュレーションの高速化を図る.パラメータサーベイを進める.特に,円柱対称な平衡が安定な場合と不安定な場合の比較,およびプラズマ回転の効果について調べる.並行して,フルMHDコードの開発を進める.これには,微分形式に基づいた有限要素法を活用する予定である.プラズマ物理学本研究課題は平成27年10月に追加内定通知を受けたものである.平成27年度内の学会の多くは既に講演申込期限を過ぎていたり,他の研究内容で既に講演申込を行った後の状態であり,特に旅費については平成27年4月から課題に取り掛かるつもりで予定していた額よりは少ない使用額となっていた.平成28年度には,この平成27年度分からの繰越分も含め,学会発表を積極的に行ったが,まだ若干の未使用分が残った.平成27年4ー9月の半年分の遅れを取り戻すべく研究を進め,発表等を積極的に行っていく.平成29年度は,まず,平成29年3月から4月に掛けてシミュレーションを行った結果を日本流体力学会中四国・九州支部講演会にて発表する.また,アジア・環太平洋物理学会のプラズマ物理部門会議が9月に成都(中国)にて行われるので,そこで研究成果発表を行う.毎回参加している日本物理学会は,秋の分科会は他学会と合同でPlasma Conference 2017として開催されるので,そこでも研究成果発表を行う予定である.これらの研究成果は,査読付き論文誌に発表する予定である.
発声データ解析によるｅラーニング学習者の心理状態推定と個別適応支援

本研究は、eラーニングシステムによって学習を行っている学習者の心理状態を簡便かつリアルタイムに推定する手法を開発することである。先行研究では特殊な装置を用いるものが多いが、本研究ではヘッドセット付属のマイクから得られる発声データを用いた。PCを利用した作業時や学習時の発声データを収集し、ため息、吐息、咳払いといった特徴を用いて、学習者が行き詰まりを感じている、疲れているといった心理状態の推定を試みたが、明確な成果を得るに至らなかった。平成24年度は,前年度に引き続き,eラーニングシステムを利用した学習を行っている状況で発した発声データから,ため息や吐息を検出するシステムの検討・開発を行った.1.まず,自身の日常作業時における発声データを収集し,検討・開発の対象とした.収集したリニアPCM形式のデータから,ため息,吐息を検出するモジュールの開発を試みた.手順として,(1)データからのノイズを除去,(2)一定レベル値以上の発生が確認できる箇所の切り出し,(3)周波数スペクトルや特徴量による発生タイプの特定,といったシステムの枠組みを作成した.しかし,(3)については認識アルゴリズムの検討のみに終わり,システムへの実装は未完成といった状況である.2.学習者の心理状態推定に関しては,次のようなデータを元にしたモデルを検討した.(1)発声の種類(ため息,吐息,咳払い),(2)発声の長さ,(3)発声回数の増減,(4)発声時間間隔,これらの組み合わせから“行き詰まり"や“疲労"といったモデル構築を行ったが,収集したデータとの照合やそれを実行するモジュールの開発には至っていない.以上より,具体的な研究実績の発表には至っていないのが現状である.平成25年度ではこれまでに引き続き,学習者がeラーニングシステムを利用して学習を行っている状況下で発した発声データを解析するシステムの検討・開発を行った.加えて,それらのデータから学習者の心理状態を推定するモデルの検討を行った.1.研究代表者自身や協力者の日常作業時ならびにeラーニング学習時の発声データを収集し,ため息,吐息,咳払いといった特徴を持つ部分を検出,カウントするシステムの開発を行った.収集したデータはリニアPCM形式で,そこから以下の手順で特徴を抽出した.(1)データからのノイズ除去,(2)一定レベル値以上の発生が確認できる箇所の切り出し,(3)周波数スペクトルや特徴量による発生タイプの特定,といったシステムの枠組みを作成した.しかし,(3)については認識アルゴリズムの検討のみに終わり,システムへの実装は未完成といった状況である.2.学習者の心理状態推定に関しては,次のようなデータを元にしたモデルを検討した.(1)発声の種類(ため息,吐息,咳払い),(2)発声の長さ,(3)発声回数の増減,(4)発声時間間隔,これらの組み合わせから“行き詰まり"や“疲労"といったモデル構築を行ったが,収集したデータとの照合やそれを実行するモジュールの開発には至っていない.以上より,具体的な研究実績の発表には至っていないのが現状である.本研究は、eラーニングシステムによって学習を行っている学習者の心理状態を簡便かつリアルタイムに推定する手法を開発することである。平成23年度は,学習者がeラーニングシステムによって学習している状況で発した発声データから,ため息や吐息を検出するシステムの検討・開発を中心に行ったがまとまった成果には至らなかった.1.まず,本研究実施の基盤となる実験環境の構築を行った.本研究費にて購入したLinuxサーバによってeラーニングシステムのサーバを構築し,PC2台を学習者が使用するクライアント機とした.このPCにはUSB接続によるヘッドセットを装着し,発声データの収集を行った.本年度は予備実験として研究代表者が被験者となり,収集したデータはリニアPCMとして保存している.2.収集したデータから,ため息,吐息を検出するモジュールの開発は遅れており完成に至っていない.収集したデータに対してまずホワイトノイズの除去を行い,その後,発声データの存在する箇所のみを切り出し,タイムスタンプとともに保存する.その後に発声のタイプを周波数スペクトルや特徴量を定義するなどして特定する計画であったが,モジュールの完成には至らなかった.実験は原則として静寂な環境での実施なので,すべての発声データをため息,吐息,咳払いと仮定した上で研究を進めた.3.学習者の心理状態推定に関しては,次のようなデータを元にしたモデルを検討した.(1)発声の種類(ため息,吐息,咳払い).(2)発声の長さ.(3)発声回数の増減.(4)発声時間間隔.これらの組み合わせから"行き詰まり"や"疲労"といったモデル構築を行ったが,収集したデータとの照合やそれを実行するモジュールの開発には至っていない.本研究は,eラーニングシステムによって学習を行っている学習者の心理状態を簡便かつリアルタイムに推定する手法を開発することである。先行研究においては,アイカメラによる視線方向の検知,体表面電位の計測といった手法があるが,いずれも特殊な装置を用いるものである。近年ではWebカメラによる顔画像やマウスの移動軌跡といった簡便な手法が提案されているが,本研究では,ヘッドセット付属のマイクから得られる発声データを用いた推定を目指した。

まず,日常のPCを利用した作業時やeラーニング学習時の発声データを収集し,ため息,吐息,咳払いといった特徴についての検討を行った。それを基にして発声データを解析するシステムの構築を行ったが未完成である。解析手順は,(1)データからのノイズ除去,(2)一定レベル値以上の発声が確認できる箇所の切り出し,(3)周波数スペクトルや特徴量による発声タイプの特定,であるが,具体的には(3)が未完成のままとなった。併せて学習者の心理状態推定についてモデル構築を行った。学習者の“行き詰まり"や“疲労"といった心理状態を推定するため,以下のデータを基にしたモデルを検討した。(1)発声の種類(ため息,吐息,咳払い),(2)発声の長さ,(3)発声回数の増減,(4)発声時間間隔,これらの組み合わせからモデル構築を行ったが,実際に収集したデータとの照合やそれを実行するモジュールの開発には至らなかった。教育工学研究代表者が音声認識(信号処理)を専門としないため,理論の習得や開発に時間を要している.また同様の理由で,プログラム作成についても問題発生時の解決に時間を要している.研究代表者が音声認識(信号処理)を専門としないため,理論の習得や開発に時間を要している.また同様の理由で,プログラム作成についても問題発生時の解決に時間を要している.平成23年度は計画の半分程度の達成度であった.ひとつは研究代表者が音声認識を専門としないため,その基礎理論の習得から取りかかったためである.年度後半に行った予備実験についても所属機関の学生による実施を予定していたが,実験環境の構築が遅れたことと,代表者が体調を崩したことが重なり,実施ができなかった.次年度前半までに,発声データ処理システムの完成を目指す.現在利用可能なデータから周波数特性の解析等を試み,ため息,吐息,咳払いといった発声の特徴量抽出や音響モデル構築を行う.次いで,それらを連続した長時間の発声データから検出するシステムモジュールの開発を行う.その後,学習者の心理状態推定システムの完成を目指す.後半では,研究代表者所属機関の学生による実験を行い,データを収集する.実験においては,学習中のマイク入力をすべて録音し,すべての学習が終了した後に,発声データ処理モジュールでため息,吐息等の検出を試みる.学習中の様子はすべてビデオ撮影・記録しておき,それを被験者と共に確認しつつインタビューを行う.内容は,(1)システムがため息を検出した箇所の確認,(2)そのときにシステムが推定した心理状態,(3)実際にはどのような心理状態であったかを被験者に確認,といった3項目であり,ここから各モデルの妥当性を検証していく.次年度前半までに,発声データ処理システムの完成を目指す.現在利用可能なデータから周波数特性の解析等を試み,ため息,吐息,咳払いといった発声の特徴量抽出や音響モデル構築を行う.次いで,それらを連続した長時間の発声データから検出するシステムモジュールの開発を行う.
細胞増殖と形態形成の協調的制御機構の解析

ショウジョウバエの視覚認識行動に異常を示す突然変異体の原因遺伝子としてクローニングしたdefective proventriculus(dve)遺伝子は、翅を形成する領域(wing pouch)においても発現し、発現誘導には、Wingless(Wg),Decapentaplegicの両シグナルが必要であった。その後、背腹境界においてdve遺伝子の発現はNotchシグナルによって抑制されることが明らかとなった。背腹境界において抑制されたDveの発現はwgと相補的な発現パターンを示し、この過程において、背腹境界にまたがるdve変異モザイクを作成すると、wg発現領域がdve変異クローン内に拡がることから、Dveはwg発現領域を背腹境界の狭い領域に限定する働きがあることがわかった。GAL4/UASシステムを用いて、背腹境界にdve遺伝子を強制発現させ、Notchシグナルによる発現抑制を阻害したところ、翅がまったく形成されなくなったり、翅の辺縁部が欠けるといった表現型を示した。つまり、Notchシグナルによるdve遺伝子の発現抑制は翅原基の細胞増殖、パターン形成のいずれにおいても重要であることがわかった。また、活性化型Notchを異所発現させると、Wgの活性化、Dveの発現抑制に伴って、細胞増殖の促進が誘導された。しかし、Wgの活性化、Dveの発現抑制を起こすことができなかった細胞クローンでは細胞増殖の誘導は観察されなかった。つまり、Dveの発現を抑制できるNotchシグナルの閾値が細胞増殖の促進に重要であるものと考えられる。