hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
色素細胞幹細胞のニッシェ因子の解明

X線照射後のケラチノサイトで発現が低下する遺伝子をDNAアレーとプロテオーム解析の結果から探索し,MSCニッシェ因子の候補遺伝子として20種リストアップしている。これらの遺伝子産物がMSCのニッシェの不可欠な成分であることを,候補遺伝子の選択的破壊による白毛形成の促進やMSCの試験管内分化能の測定により検証した結果、HMBG2遺伝子を新規色素細胞幹細胞ニッシェ因子の候補とした。昨年度作成したHMGB2ノックアウトマウスは精子形成能力が低下しているが、飼育条件を工夫して十分な数を確保した。このマウスは通常の飼育環境下では長期間飼育しても野生型に比較しての白毛の増加は認められなかったが、5GyのX線照射により、同量を照射した野生型マウスよりも白毛化が促進されることを確認した。また、実際に放射線照射後のHMGB2ノックアウトマウスの表皮の免疫染色により、ケラチノサイトのDNA損傷のマーカーであるγH2Xが増加していること、マウスおよび人の表皮でHMGB2タンパクが発現していること、ヒトでは加齢とともに発現が増加すること等を確認した。培養ヒトケラチノサイトでHMGB2をノックダウンすると放射線照射後の細胞死が増加し、DNAダメージも蓄積すること、さらにミトコンドリアの活性により測定した抗酸化作用が減弱することなどを確認した。以上の結果からHMGB2は細胞の抗酸化作用を担うことがストレス環境下の色素細胞幹細胞の維持に重要で、おそらく毛包ケラチノサイトのニッシェ因子として毛包色素細胞幹細胞の維持を担う遺伝子であることが示唆された。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。我々は放射線照射によるマウの白毛化は表皮ケラチノサイトが提供する色素細胞幹細胞(MSC)のニッシェ機能の低下によることを発見したことから、X線照射後のケラチノサイトで発現が低下する遺伝子をDNAアレーとプロテオーム解析を行なって探索し,MSCニッシェ因子の候補遺伝子としてリストアップした。20の候補から、qRT-PCRによる実際のX線照射前後のマウスの表皮での発現の変動の程度、それぞれの候補遺伝子のこれまでに明らかにされている機能、pathway解析による相互関係の確認などにより、3種ほどをまず絞り込んだ。その中の一つHMGB2に関して、遺伝子編集CRISPR/Cas9システムを利用して受精卵からノックアウトマウスの樹立を試みた。9種類の独立したノックアウトの系統を確認し、確実に機能ドメインに変異が生じている2系統を選んだ。これらのマウスは、ホモ遺伝子ノックアウト個体で精子形成能が著しく低下していることから、白毛化を調査するために必要な十分なホモノックアウト個体を得にくかったが、飼育条件の改良等によりある程度の量産に成功した。これらのHMGB2ノックアウトホモ個体は、野生型と比較して加齢による自然な白毛の増加は観察されなかったが、放射線照射による白毛化は野生型に比べて促進されることが観察された。HMGB2はDNA傷害を修復する作用が報告されており、放射線によるニッシェ機能の喪失にはDNA傷害を適切に修復できないことが関与しているかもしれない。色素細胞幹細胞のニッシェ因子を同定するため、当初の実験計画に従って研究を進めてきた。最初に絞り込んだ候補遺伝子HMGB2は、ホモ遺伝子ノックアウト個体で精子形成能が著しく低下していることから、白毛化を調査するために必要な十分なホモノックアウト個体を得にくかったため、表現系の評価に手間取ったが、飼育条件の改良で量産に成功した。HMGB2ノックアウトホモマウスは、野生型と比較して加齢による自然な白毛の増加は観察されなかったが、放射線照射による白毛化は野生型に比べて促進されることが観察され、当初計画していたケラチノサイトに発現するニッシェ因子の定義に当てはまり、概ね目的が達成された。本年度作成したHMGB2ノックアウトマウスは精子形成能力が低下しているので、十分な数のノックアウトホモ個体を得るのが困難な状況ではあるが、飼育条件を工夫して十分な数を確保した。その結果、通常の飼育環境下では長期間飼育しても野生型に比較しての白毛の増加は認められなかったが、5GyのX線照射により、同量を照射した野生型マウスよりも白毛化が促進されることを確認した。また、実際に放射線照射後のHMGB2ノックアウトマウスの表皮の免疫染色により、ケラチノサイトのDNA損傷のマーカーであるγH2Xが増加していること等を確認した。HMGB2は類似遺伝子であるHMGB1の機能から、細胞の抗酸化作用を担うことが予想されるので、毛包ケラチノサイトの色素細胞幹細胞のニッシェ機能は放射線による細胞の酸化状態が破綻した結果であることが予想される。現在、様々な条件下で統計的に確実に白毛化が促進されることを確認し、HMGB2とニッシェ機能の因果関係を調べている。X線照射後のケラチノサイトで発現が低下する遺伝子のプロテーオム解析から、毛包ケラチノサイト幹細胞に発現する新規の毛包色素細胞幹細胞のニッシェ因子として、HMGB2を同定した。この遺伝子は細胞の抗酸化作用を担うことが予想され(類似遺伝子のHMGB

1は表皮ででの発現量は低いが同様の作用が確認されている)、放射線照射後のケラチノサイト幹細胞の、色素細胞幹細胞のニッシェとしての回復がHMGB2の抗酸化作用に依存していることが示されたことで、幹細胞のニッシェ機能の新たな面を研究する手がかりになると考えている。他のニッシェ因子に関しては、今の所表現系を確認できていない。X線照射後のケラチノサイトで発現が低下する遺伝子をDNAアレーとプロテオーム解析の結果から探索し,MSCニッシェ因子の候補遺伝子として20種リストアップしている。これらの遺伝子産物がMSCのニッシェの不可欠な成分であることを,候補遺伝子の選択的破壊による白毛形成の促進やMSCの試験管内分化能の測定により検証した結果、HMBG2遺伝子を新規色素細胞幹細胞ニッシェ因子の候補とした。昨年度作成したHMGB2ノックアウトマウスは精子形成能力が低下しているが、飼育条件を工夫して十分な数を確保した。このマウスは通常の飼育環境下では長期間飼育しても野生型に比較しての白毛の増加は認められなかったが、5GyのX線照射により、同量を照射した野生型マウスよりも白毛化が促進されることを確認した。また、実際に放射線照射後のHMGB2ノックアウトマウスの表皮の免疫染色により、ケラチノサイトのDNA損傷のマーカーであるγH2Xが増加していること、マウスおよび人の表皮でHMGB2タンパクが発現していること、ヒトでは加齢とともに発現が増加すること等を確認した。培養ヒトケラチノサイトでHMGB2をノックダウンすると放射線照射後の細胞死が増加し、DNAダメージも蓄積すること、さらにミトコンドリアの活性により測定した抗酸化作用が減弱することなどを確認した。以上の結果からHMGB2は細胞の抗酸化作用を担うことがストレス環境下の色素細胞幹細胞の維持に重要で、おそらく毛包ケラチノサイトのニッシェ因子として毛包色素細胞幹細胞の維持を担う遺伝子であることが示唆された。同様の方法で残りの遺伝子に関しても遺伝子編集CRISPR/Cas9システムを利用して受精卵からノックアウトマウスの樹立を試みる。HMGB2の類似遺伝子であるHMGB1は非ヒストン核内DNA結合タンパクとして,NF-κBやステロイドホルモン受容体など様々な転写因子の活性を調節している他、オートファジーに陥った細胞や特定の刺激を受けた細胞から放出され、周囲の細胞に警報として作用し(アラーミン)、炎症や様々な反応に関与していることがわかっている。とりわけ興味深いのは組織の再生・修復を誘導することである。HMGB2に関しては研究がほとんどなく、今回の発見を契機にして、組織の再生・修復と関連が深い幹細胞のニッシェ因子としての新機能を提唱したい。HMGB2遺伝子の白毛化抑制作用がHMGB2ノックアウトマウスを用いて確実に証明された場合、HMGB2遺伝子の機能を調べるために、培養細胞のHMGB2の合成をsiRNAを用いて阻害する。まず、HMGB2が様々なストレス反応に関与することが予想されているので、ミトコンドリア状態や細胞反応性酸素種の産生などのストレス反応の変化を測定する。
生物機能形態を範とする柔剛混在型スマート材料の数理設計

本研究課題では、力学的に柔軟な構造と剛性を有する構造を積層させた「柔剛混在型」複合材料について、植物模倣科学ならびにナノ構造物性科学の両観点からその数理設計と物性推算と行った。植物模倣科学のテーマにおいては、自然由来の柔剛混在型複合材料である「竹」を主な考察対象として、その機能美を模倣した傾斜機能型・強化シェル材料の最適デザイン理論を展開した。またナノ構造物性のテーマにおいては、sp2型のナノ炭素材料(炭素ナノコイル・炭素ナノチューブ等)について、弱い分子間力と強い共有結合の複合化に起因する特異な弾塑性変形モードの解明ならびにその変形過程が誘発する新規な形態由来量子機能の探索を行った。スマート材料とは、外部刺激や環境変化を自ら関知して、能動的な応答・機能を示す機能性材料を指す。中でも動植物生来の「カタチ」や「動き」を模倣したスマート材料は、材料力学・エネルギー・環境などの各分野において需要が極めて高い。こうした生体模倣の視点に基づく新規スマート材料の数理設計を目的として、初年度の研究では主に、各種の果実・野菜が自己組織する畝状隆起形状を模倣したナノデバイス設計を推進した。具体的には、曲面型ナノ炭素材料に外圧を加えた際の、弾性座屈と塑性変形プロセスを、理論・数値計算の両面から推算した。理論解析においては、連続体弾性シェル近似に基づく安定性評価を行い、多層グラフェン構造に内在する炭素原子間の「強い」共有結合と、隣接炭素シート間の「弱い」分子間力の競合が、炭素シートの畝状座屈を誘発する理論背景を明らかにした。また数値計算シミュレーションでは、外圧下におけるナノ炭素シートの原子配置と電子状態を、独自の分子動力学計算コードにより解析し、畝状座屈状態におけるシート内炭素原子の立体配置と電子状態を算出した。これらの内容に加えて、初年度の研究ではさらに、コイル形状の力学特性を活用した電磁遮蔽材料の設計を行った。コイル形状をもつ構造体は、ツル性植物・巻貝に始まり、生命体を構成するDNA分子・蛋白質に至るまで、私たちの周りに普遍的に存在する。そこで、導電性マイクロコイルの誘電損失と、コイル径ならびにコイルピッチとの相関関係を記述する基礎理論を整備し、同材料の電磁波吸収特性を評価する基礎方程式を得た。生体模倣の視点に基づく新規スマート材料の数理設計を目的として、平成26年度の研究では主に、竹が生来的に獲得する最適円筒構造の自己形成メカニズム解明を図った。竹が有する高い力学的強度と柔軟性は、横架材の役目を果たす「節」の存在と、竹稈内側に存在する維管束鞘の傾斜分布に起因すると予測される。こうした竹の厚さや節間隔を模倣することで、中空円筒構造の最適補剛理論を提案するとの着想から、観察・理論・実験を跨ぐ複合型研究を実施した。具体的には、長野県中野市で自生する孟宗竹の形態を実地調査し、根本から先端に至るまでの節間長・稈直径・肉厚の長手方向変化を調べた。さらに、胸高・根本における節間長と稈直径を延べ100本以上の竹に対して測定し、各量間の相関有無を調べた。データ解析段階では、構造力学理論から導出される特性指数に注目し、曲げ変形に対する補剛効果と断面扁平抑制効果の度合いを定量化した。その結果、竹の剛性の物理的起源は、地表からの高さに応じて合理的に変化していることがわかった。すなわち根本付近では節間隔を狭めて自重による座屈を防ぎ、中央部では節間隔を広くとって横風や雪の重みに対する変形を許し、先端付近では節から伸びる枝の重みを支える役割を節が果たすのみであるとわかった。さらに竹稈そのものの剛性が、稈内部を構成する繊維の傾斜分布に起因するという理論結果を得た。平成26年度の研究では上記の成果のほかにも、らせん状ナノカーボン繊維の伸張・圧縮過程をリアルタイムで実測し、その変形に基づく電磁応答変化を電磁波遮蔽素材に応用するという生体模倣ベースの理論解析を実施し、遮蔽効果の推算に必要な基礎理論を整備した。当該年度の主な研究実績は以下の三点である。1.植物が自然淘汰の過程で獲得した「機能形態」の科学的起源を探る「植物模倣科学/技術」において、一定の成果を挙げることができた。具体的には、野生の竹が示す特異な中空円筒構造に注目し、竹の節間板と竹稈内部を軸方向に貫く繊維(維管束鞘)がどのような機能をもつかを、構造力学・植物生理学の両視点から解明した。その結果、竹は横風等の外力による変形・座屈を防ぐべく、上下に隣り合う節同士の間隔を自律的に最適化していることを初めて定量的に検証することができた。さらに、竹断面で観測される竹繊維の傾斜分布が、竹稈全体の曲げ剛性を著しく高めることを理論的に示すことができた。2.らせん構造を示す特異なナノ材料である炭素ナノコイルについて、その力学特性と電気伝導特性を理論・実験の両面から精査し、らせん構造に由来する幾何物性相関の度合いを考察した。その結果、炭素ナノコイルの電気抵抗率が、コイルのらせんピッチ・コイル径などの幾何学的特徴量に依存して系統的に変化する点、およびその温度依存性が非晶質系で広く観測されるMott-Davis則によく従うことがわかった。3.多層カーボンナノチューブに高静水圧または軸圧縮力を加えた際の座屈挙動を、おもに分子動力学シミュレーションを用いて調べた。

その結果、マクロな円筒シェル模型とは異なる多数の不安定モードが内在し、その起源がナノスケール特有の離散的な分子構造に由来すること、およびその変形挙動が金属半導体転移を示す兆候を見出した。以上の成果はいずれも、海外の学術専門誌(査読付)に原著論文として公表済である。特に竹の構造に関する成果は、同誌における注目論文(Editor's Suggestion)として選出・紹介された。本研究課題は、自然界の様々な階層で観測される機能形態に注目して、新たな科学概念および先進的な材料設計を図ることが目的である。この目的に照らして現在までの進捗状況を判断すると、竹稈に代表される自然由来の機能性材料から、炭素ナノコイルという人工ナノ材料に至るまで、奇異な形態・構造を有する様々な材料に対してその機能構造の科学的起源と技術応用を洞察・提案することができた。それらの成果は、海外の学術専門誌に10本の原著論文を掲載することができたほか、国際会議ならびに全国規模の研究会において7回の招待講演を行うことができた。特に植物の機能形態に関する成果は、当初計画した研究課題を遂行する過程で発案した発展的なテーマであり、当該分野の一流学術に成果が掲載されたことから上記区分の評価が妥当と判断した。最終年度の研究では、力学的に柔軟な構造と剛性を有する構造を積層させた「柔剛混在型」複合材料について、植物模倣科学ならびにナノ構造物性科学の両観点からその数理設計と物性推算と行った。まず植物模倣科学のテーマにおいては、自然由来の柔剛混在型複合材料である「竹」を考察対象とした。特に竹の断面を貫く維管束鞘の不均一分布に注目し、これを模倣した超軽量・超高強度パイプ構造の最適設計指針を提案することができた。具体的には、国内に自生する様々な種類の竹について、その稈断面に分布する維管束鞘の傾斜分布を観察・解析し、この傾斜分布を模倣した傾斜機能型・強化シェル材料の最適デザイン理論を展開した。その成果は、複数の学術誌ならびに国内外の学術会合の招待講演で公開した。次にナノ構造物性のテーマにおいては、sp2型のナノ炭素材料について、その特異な形状物性相関の解明を図った。同材料は、グラフェン面内での非常に強固な原子結合と、隣接グラフェン面の間の比較的弱い分子間力が混在した、ナノスケールの柔剛混在型複合材料といえる。そこで本研究では、炭素ナノコイルの合成実験と原子構造解析を通して、コイル径・コイルピッチを制御した高品質ナノコイルの製造過程と必要条件を整理した。加えて、炭素ナノチューブの塑性変形に関する大規模数値シミュレーションを実施し、動径方向・軸方向からの圧縮力に対する非線形力学応答と座屈モードを詳細に調べた。その結果、同材料の変形モードと電子伝導率特性が強く相関することがわかった。これは同材料の形状変形を積極活用したナノデバイスの開発可能性を示唆するものである。以上の成果はいずれも、国内外の学術専門誌(査読付)に原著論文として公表済である。本研究課題では、力学的に柔軟な構造と剛性を有する構造を積層させた「柔剛混在型」複合材料について、植物模倣科学ならびにナノ構造物性科学の両観点からその数理設計と物性推算と行った。植物模倣科学のテーマにおいては、自然由来の柔剛混在型複合材料である「竹」を主な考察対象として、その機能美を模倣した傾斜機能型・強化シェル材料の最適デザイン理論を展開した。
ICTを活用した構成主義の授業モデルと教授方法の開発研究

本研究では、大学における構成主義の学習環境を実現させるための授業モデルとその教育方法を開発するために、(1)構成主義の授業設計の方法とICT活用による支援体制(2)ICTを活用した構成主義の学習における受講者への効果の2点を明らかにすることが目的とした。理論的研究として,わが国の学会誌を対象としてICTの研究動向について,「実態調査」「学習活動のデザイン」「システム開発」「技術導入に関する基礎研究」「運用と評価」から成立していることを明らかにした。その中でも,本研究では「学習活動のデザイン」に焦点を当てて研究していくことの必要性を指摘し,実践研究を行った。まず,インストラクショナルデザインの理論に関して,先行文献を分析しながら,自分のペースで確実な知識・技術を身につけていく個別形態による「知識・技術習得型学習」と学習者間の教えあいや学びあいを奨励することにより,経験的に知識や技能を身につけていくグループ形態による「経験型学習」を組み合わせた授業モデルを開発した。そして,大学のマルチメディアを制作する情報教育の実習において,実践と評価を行った。さらに同様の授業を映像制作コースに当てはめて実証したり,教材利用に関するログデータに着目し,学習者特性との関連を比較検討する中で,学習者個人に即した学習効果を分析した。構成主義の教授方法については,「教育方法・技術論」という教職科目において,学生が主体的に授業に取り組むことを意図して,コミュニケーションの場(対面の講義と講義外での掲示板等の利用),コミュニケーションの対象(教員-学生,学生-学生)を組み合わせた授業でのコミュニケーションを複合的にデザインし,実施した授業の評価を行った。自由記述、掲示板上の発言分析,ログ分析を行い,授業内外のコミュニケーションにおいて肯定的に評価された要素と課題を明らかにした。インストラクショナル・デザインの理論に関して,先行文献を分析しながら,自分のペースで確実な知識・技術を身につけていく個別形態による「知識・技術習得型学習」と学習者間の教えあいや学びあいを奨励することにより,経験的に知識や技能を身につけていくグループ形態による「経験型学習」を組み合わせた授業モデルを開発した。評価は開発したデザインについて全体的な効果や問題点を確かめ,修正したものに精緻な評価を取り入れることでより妥当性のあるデザインであることを実証しようとした。その結果,ソフトウェアの操作に関するスキル,マルチメディア制作に関する構成要素の重要性に関する認識,情意面のいずれにおいても,本デザインは効果の高いものであることが実証された。以上については,本年度,研究成果を発表し,論文を投稿中である。さらに教材利用に関するログデータに着目し,学習者特性との関連を比較検討する中で,学習者個人に即した学習効果を分析する枠組みを検討し評価・分析を行っている。評価の結果,授業実践全体の課題として,学生が掲示板にアクセスする必要を感じるための各コミュニケーションの連動性や具体的な資料の開発が挙げられた。
悪性胸膜中皮腫の新規分子標的の同定に基づく革新的診断・治療法の開発

新たな胸膜悪性中皮腫分子診断法の開発を目指して、標的分子を検出可能なELISAシステムの開発を進めた結果、悪性胸膜中皮腫症例と健常対照者との比較において感度・特異度がともに90%を超える診断精度を得ることに成功し、新規分子診断法開発基盤構築を完了する事が出来た。並行して進めた悪性胸膜中皮腫に対する治療標的候補分子の機能解析に関しては、共作用するキナーゼとフォスファターゼの同定に成功すると共に、下流の制御分子を同定し、その制御機構の詳細を明らかと出来た。この成果は、悪性胸膜中皮腫に対する新たな分子標的治療の基盤構築に繋がるものと期待される。我々が、悪性胸膜中皮腫組織試料を用いたプロテオミクス解析の結果から同定した新規診断マーカー候補分子に関して、候補分子を標的として作製された抗体群を応用したサンドイッチELISAシステム構築を進め、将来臨床応用可能な悪性胸膜中皮腫診断キットの作製を目指した。平成25年度は、血液診断法として有用性の高いキットの作製を目指した結果、十分な感度と特異性を持つプロトタイプの開発に成功した。このプロトタイプを用いて、血液268試料(悪性胸膜中皮腫23例、非小細胞肺癌118例、慢性閉塞性肺疾患19例、間質性肺炎34例、対照健常者74例)を対象に、標的分子の血液中濃度を測定し、その結果に基づいた診断精度の評価を進めた結果、感度75%以上、特異度90%以上を達成し、既存の診断マーカーと比較して高精度な診断が可能であることが確認された。さらに、既知の悪性胸膜中皮腫マーカーであるMPFと組み合わせて診断を進めることにより、感度が20%程度向上することが明らかとなった。以上の知見に基づいて、特許の出願を完了している(2014年3月)。また、我々が同定した悪性胸膜中皮腫組織で高発現し、中皮腫細胞の増殖に重要な働きを持つ小胞体存在分子に関しては、平成25年度の成果として、小胞体で活性化を受けるキナーゼと結合し、その活性化を阻害することに機能の不活化を惹起し、悪性胸膜中皮腫細胞の増殖促進へ寄与するという、新たな知見を得ることに成功している。現在、両研究に関する論文の作成を進めており、本研究課題の成果を広く社会還元出来るように努めている。難治性腫瘍である悪性胸膜中皮腫は、発症例の持続的な増加にもかかわらず、分子診断・治療法の開発が立ち遅れている。我々は、最先端のプロテオミクス技術を駆使した探索的研究により、これまでに中皮腫組織で過剰発現する2つの極めて有望な診断・治療への応用が期待される分子の同定に成功している。本研究課題では、これらに関連分子群を加えて包括的な機能解析を進めることにより、そのシグナル伝達経路の解明を目指すとともに、分子診断法としての有用性の検証を進め、革新的診断・治療法の開発へと道を拓くことを目的とする。前年度までに進めてきた悪性胸膜中皮腫を対象とする分子診断キットの開発研究に関して、本年度は、臨床への実用化を念頭においた開発を進めた。具体的には解析時間の短縮を目指したプロトコールの変更と、診断精度の向上を目指したELISAで用いる検出用標識抗体の新規開発である。プロトコールの変更は反応時間や発色時間の短縮が主たる内容であり、これにより解析時間を3分の2とすることが可能となり、さらに悪性胸膜中皮腫の診断精度は80%以上を達成できたことから、従来法に代わる有効な解析法であることが期待された。新たな標識抗体の作成に関しては、候補抗体を得ることができたため、次年度は、これらの抗体を用いた解析を進め、開発中の中皮腫分子診断法のさらなる実用性の向上を進める計画である。並行して進める悪性胸膜中皮腫に対する治療標的候補の機能解析に関しては、前年度までに、標的分子と共作用するキナーゼを同定していたが、その制御機構に関する新たな知見を得ることに成功している。この知見に基づくことにより、治療薬候補となる低分子化合物のスクリーニング系を確立することが可能となると期待され、次年度は、その検討を進めることを計画している。前年度は、すでに開発済みのELISAを用いたプロコール変更による解析時間の短縮を実現したが、本年度は、より強く臨床への実用化を念頭においた新システムの開発を進めた。具体的には解析手順の簡略化と診断精度の向上を目指した1-step ELISAで用いる検出用標識抗体の新規開発である。複数の候補標識抗体を得ることができたため、これらの抗体を用いた検討を進め、診断精度の確認解析を行った。その結果、2-step ELISA診断システムと比較して、診断精度の若干の低下が認められるものの、最適と期待される検出抗体を得る事が出来た。次年度は、さらにプロコールの最適化を進める事により、診断精度の向上に努めていく計画である。

また、アスベスト曝露非悪性胸膜中皮腫例を対照とした検討を進める事により、臨床有用性の検討をさらに深めていく計画である。並行して進める悪性胸膜中皮腫に対する治療標的候補の機能解析に関しては、前年度までに、標的分子と共作用するキナーゼを同定していたが、さらに、その制御機構に関するフォスファターゼを同定することに成功している。これらの知見を最大限に活用して、治療薬候補となる低分子化合物のスクリーニング系の構築を現在進めており、次年度は、システムの確立と、その応用による化合物スクリーニングの開始を計画している。実臨床への応用が期待される新規分子診断キットの作成並びに改変に成功するとともに、治療標的と期待される分子の機能に関して新たな知見を得ることが出来た。これらにより、当初研究に対して付加的な研究項目が得られたため、それらの完遂に時間を要する事となったため。難治性腫瘍である悪性胸膜中皮腫は、発症例の持続的な増加にもかかわらず、分子診断・治療法の開発が立ち遅れている。我々は、最先端のプロテオミクス技術を駆使した探索的研究により、これまでに中皮腫組織で過剰発現する2つの極めて有望な診断・治療への応用が期待される分子の同定に成功している。本研究課題では、これらに関連分子群を加えて包括的な機能解析を進めることにより、そのシグナル伝達経路の解明を目指すとともに、分子診断法としての有用性の検証を進め、革新的診断・治療法の開発へと道を拓くことを目的とする。新たな胸膜悪性中皮腫分子診断法の開発を目指して、前年度より、実用化を念頭においた新ELISAシステムの開発を進めた。前年度に解析手順の簡略化を目指して開発した検出用標識抗体を用いて、抗体・試薬・試料調整濃度あるいは反応時間などの最適化を進め、悪性胸膜中皮腫症例と健常対照者との比較において感度・特異度がともに90%を超え、ROC curveを用いた検討によりAUCが0.9を上回る診断精度を得ることに成功した。更なる検討として、アスベスト曝露歴を有する非腫瘍性胸膜疾患症例を対照とした解析を行い、悪性胸膜中皮腫症例血液中において当該分子の存在量が有意に増加していることを確認する事が出来た。以上の結果により、本研究課題で新規開発に成功した分子診断法の臨床的有用性が示唆された。並行して進める悪性胸膜中皮腫に対する治療標的候補の機能解析に関しては、前年度までに、標的分子と共作用するキナーゼとフォスファターゼの同定に成功したが、本年度はこれらの分子群による相互制御機構の解明を目指した。本年度は、これらの分子群が標的とする下流の制御分子を同定するとともに、その制御機構の詳細に関する知見を得る事が出来た事から、悪性胸膜中皮腫に対する新たな分子標的治療の基盤構築に繋がるものと期待される。新たな胸膜悪性中皮腫分子診断法の開発を目指して、標的分子を検出可能なELISAシステムの開発を進めた結果、悪性胸膜中皮腫症例と健常対照者との比較において感度・特異度がともに90%を超える診断精度を得ることに成功し、新規分子診断法開発基盤構築を完了する事が出来た。並行して進めた悪性胸膜中皮腫に対する治療標的候補分子の機能解析に関しては、共作用するキナーゼとフォスファターゼの同定に成功すると共に、下流の制御分子を同定し、その制御機構の詳細を明らかと出来た。この成果は、悪性胸膜中皮腫に対する新たな分子標的治療の基盤構築に繋がるものと期待される。実臨床に応用が可能と期待される診断キットの作成に成功するとともに、治療標的と期待される分子の機能に関して新たな知見を得ることが出来た。
破骨細胞培養系における非侵襲的細胞回収用装置の開発と応用

細胞凝集塊(スフェロイド)培養は、三次元的に細胞が増殖するため、通常行われる単層培養に比べ、より生体内環境に近い状態での培養が可能となる。肝細胞はスフェロイド培養により細胞活性の長期維持が可能になることが知られている。また、癌細胞をスフェロイド化することで単層培養よりも生体内環境に近い薬物代謝解析が可能になると言われている。細胞のスフェロイド培養は応用性が高く、今後、創薬や再生医療においてよりニーズが高くなると考えられるが、これまでスフェロイド培養には煩雑な操作や高度な技術が必要であった。そこで、我々は、再生医療や薬物代謝解析に応用可能なスフェロイド培養装置の開発を行っている。昨年度までに作製したスフェロイド培養装置は、ポリジメチルシロキサン(PDMS)薄膜、アクリル板、ガラス板を材料としてたもので、細胞をこの装置へ播種するだけで大きさが均一なスフェロイドを大量に形成させることに成功した。この成果は、海外雑誌に受理されている(Sensors and Actuators B 2010,147,376)。本年度はさらに簡便に量産化可能な培養装置を開発することに成功した。これはPDMSだけ材料としており、より安価で簡便なスフェロイド培養が可能となった。この成果は第10回再生医療学会総会で報告している。この培養器にマクロファージRAW264.7細胞を播種し、破骨細胞誘導因子であるRANKLを添加すると培養器内に破骨細胞が形成することを確かめている。培養器に播種する細胞数を変化させることで形成する破骨細胞の大きさが変わることを見出した。また、本培養器を用いるとこれまでには困難であった破骨細胞の非侵襲的回収が可能であることがわかった。そこで、我々は、これまでに再生医療や薬物代謝解析に応用可能なスフェロイド培養装置の開発を行ってきた。一方、破骨細胞は血液由来の細胞がいくつも融合してできる多核巨細胞である。破骨細胞は生体内で唯一骨を吸収することができる細胞であるが、細胞融合のメカニズムやなぜ多核になる必要があるのかなど不明な点も多い。そこで、本研究はスフェロイド培養装置を改良し、破骨細胞を大量に単離、回収するための装置を開発することが目的である。本年度は、スフェロイド培養装置の改良を行った。装置は、ポリジメチルシロキサン(PDMS)薄膜、アクリル板、ガラス板を材料として作製し、一つの装置内にスフェロイド形成部位を1500程度配置した。細胞をこの装置へ播種するだけで大きさが均一なスフェロイドを大量に形成させることに成功した。また、スフェロイドをプロテアーゼ処理などをすることなく非侵襲的に回収することができた。この成果は、Sensors and Actuators Bに投稿し、受理されている(印刷中)。この装置にマクロファージRAW264.7細胞を播種し、破骨細胞誘導因子を添加することで、培養装置中で破骨細胞が形成することを確かめている。現在、破骨細胞誘導における詳細な条件検討を行っている。
胃癌骨髄におけるmicroRNAアレイを用いた転移機構の解明

転移陽性および陰性胃癌患者の骨髄検体4例ずつを用いてmicroRNAマイクロアレイと遺伝子発現アレイを行った。転移陽性例骨髄ではhsa-mir-144が上昇し、その標的遺伝子であるfosbが低下していた。骨髄におけるfosb遺伝子の発現低下は、リンパ節転移や腹膜播種など、臨床病理学的因子と有意に相関していた。胃癌は発生頻度の高く、転移をきたせば予後不良となる重大な疾患である。近年、癌の転移には癌自体の挙動だけではなく、宿主側の反応も深く影響していることが知られるようになった。特に、転移巣形成に際しての骨髄細胞の動員や、骨髄でのniche形成など、転移における骨髄の役割は見逃すことができない。骨髄内においても様々な因子が転移に関与していることが推測されるが、この研究では特にmicroRNAに注目し、マイクロアレイと動物実験を中心とした解析により胃癌の転移機構の解明を目指すものである前年度までの研究で施行した胃癌骨髄のマイクロアレイにより、miR Xとその標的遺伝子Yが転移において重要な働きを担う因子として同定された。遺伝子Yは癌そのものとの関連については他癌種を含め現在まで報告が見られないが、宿主側の反応において重要な役割を果たしていることが証明されれば、転移機構の解明に新たな局面を開くものと期待される。宿主骨髄におけるmiR Xと遺伝子Yの機能解析については、実験系の性格上動物実験が必須である。本年度は、遺伝子Yのノックアウトマウスを九州大学生体防御医学研究所、中別府教授の教室より譲渡していただき、胃癌転移モデルを作製する予定である。先に述べたように、遺伝子Yと癌との関連については報告がなく、結果の予想は困難だがノックアウトマウスと野生型マウスにおいては転移の形成に差を生じる事が推測される。その差について更に詳しく検討するために1)骨髄を形成する細胞成分の特定分画をGFPラベルした上で、これを放射線照射ノックアウトマウスに移植、転移能の変動と目的の骨髄細胞の動態を観察2) miR Xのin vivo投与による転移能の変動の観察などの手法を用意している。【具体的内容】胃癌患者骨髄を用いて、microRNAマイクロアレイ及び遺伝子発現アレイを、無転移群4例と有転移群4例に対して試行した。これらの結果を解析し、転移を有する胃癌患者骨髄では、hsa-mir-144が有意に上昇していることが明らかにされた。更に、遺伝子発現アレイの結果から、hsa-mir-144の標的であるFOSB遺伝子は、逆相関する形で上昇していることが示された。FOSB遺伝子の発現を更に多くの症例(健常者15例、胃癌患者280例)の骨髄で確認したところ、stage Iからstage IVまで、有意に漸増していた。殊に、リンパ節転移の有無、腹膜播種の有無について、FOSBの発現は有意な予測因子となっていた。これらの結果を更に発展させ、胃癌転移におけるFOSBの重要性を明らかにするため、マウスにおける胃癌モデルを構築した。具体的には、FOSBノックアウトマウスと野生型マウスにおける腫瘍発育・転移の差を検証するものである。【意義と重要性】癌の転移に関しては、従来癌そのものの生物学的挙動が重要視されてきたが、転移の受け手となる「宿主側因子」も同様に注目すべきであるというのが近年の潮流である。ただ、宿主側因子の評価は、その困難さから、未だ確立した実験系はほとんどない。我々の試みは、こうした潮流の先端を行くものであり、研究の意義は非常に大きいものと考えている。尚、マウス胃癌モデルにおけるマウス胃癌の株化細胞は東京大学胃・食道外科(野村幸世准教授)より、又、FOSBノックアウトマウスは九州大学生体防御医学研究所脳機能制御学分野(中別府雄作教授)より譲渡していただいたものであり、両研究室との共同研究となる。
競争吸着法による食用海藻のヨウ素低減プロセスの開発

ヨウ素は必須ミネラルですが,過剰摂取によって甲状腺機能に障害が発生します。コンブには多量のヨウ素が含まれており,乾燥コンブを1日に1 g摂取すると,過剰摂取による健康被害がないとみなされる耐容上限量に達します。本研究では,食材としての品質を保ちつつ,コンブからヨウ素を除去する技術を開発しました。本技術により,歩留り90%以上で,乾燥コンブから約90%のヨウ素を除去することに成功しました。申請時に掲げた平成24年度の到達目標は「ヨウ素除去率90%以上を目標値とした競争吸着法によるヨウ素低減化プロセスのシミュレーションと実証試験による検証」であり,これに対して以下のような実績を挙げた。(1)H23年度の研究成果から,競争吸着過程において塩化カルシウムを添加することによってマコンブからのアルギン酸の溶出を抑制できることがわかったが,塩素イオンが陰イオン交換樹脂へのヨウ素イオンの吸着を妨害するため,これをイオン交換反応モデルに修正して実験結果の解析を行った。その結果,イオン交換反応の選択係数16.6とイオン交換容量2.1 mmol/gが得られ,これらのパラメータを用いて塩素イオン濃度が0から0.06Mの範囲の実験結果がモデルによるシミュレーション結果によく従うことを明らかにした。(2)H23年度の研究において予想以上の大きな課題として残されていた「競争吸着過程におけるマコンブ重量の約40%の損失」という問題に対して,スクロースまたはマンニトールを20%添加することにより,重量損失を5%以下に抑制できることを明らかにした。(3)マコンブ(養殖1年物)乾燥重量に対して50%の陰イオン交換樹脂,20倍量の0.25M塩化カルシウム+20%マンニトール溶液を用いて競争吸着処理(15分間)を行うことにより,ヨウ素除去率95%以上,重量損失率5%以下を達成できることを明らかにした。また,競争吸着に用いた溶液を繰り返し使用することが可能で,これによって風味の低下を抑制できる可能性があることを示した。平成25年度の研究目標は,(1)流通式ヨウ素低減装置を設計・製作し,段階的なスケールアップを図ること,および(2)処理時間を延長することにより,天然リシリコンブのヨウ素除去率の向上を図るの2点であった。目標(1)について,5kgの養殖マコンブと天然ミツイシコンブを,100Lの処理液(マンニトール15%,塩化カルシウム0.25%,塩化ナトリウム35%,水道水50%)と陰イオン交換樹脂カラム(20L)を用いて,循環流通式のヨウ素低減試験を各4回ずつ行った。その結果,いずれの場合も,90%以上のヨウ素除去率が得られ,重量損失率を10%以下に抑えることができることを実証した。目標(2)について,養殖マコンブの1年物と2年物は約30分のヨウ素低減処理で90%以上のヨウ素除去率が得られるが,天然リシリコンブの場合は約50分の処理で約90%となることを確認した。また,これらのコンブのヨウ素溶出速度過程が,「表面積/厚さ」をパラメータとした擬一次速度モデルに従うことを見出し,リシリコンブのヨウ素溶出速度はマコンブ1年物の55%であり,マコンブ2年物のヨウ素溶出速度はマコンブ1年物の95%であることをがわかった。また,これにより,所定のヨウ素除去率を得るために要する時間を予測できる可能性を示した。平成23年度の到達目標とした4項目に対して以下のような実績を挙げた。1.海藻のヨウ素脱着用溶媒の選定:純水,0.05M希塩酸,0.1M塩化カルシウム溶液および海水を溶媒として乾燥コンブのヨウ素溶出実験を行った。いずれの場合も乾燥コンブの約10倍量の溶媒に20分間浸すことにより7080%のヨウ素が溶出した。処理後に再乾燥したコンブの重量損失は純水(5060%)>希塩酸(4050%)>塩化カルシウム溶液=海水(2030%)であり,塩化カルシウム溶液または海水が溶媒に適していることを明らかにした。2.海藻および陰イオン交換樹脂のヨウ素吸・脱着実験:乾燥コンブ中のヨウ素は上記のいずれの溶媒においても洗浄のみで7080%が溶出したが,残りの2030%はコンブ中に強く吸着し洗浄だけでは溶出できないことを明らかにした。陰イオン交換樹脂については,ヨウ素吸着が平衡に達するまで約3時間を要すること,吸着量は塩素イオンの影響を強く受け海水と同濃度では吸着量が1/3以下に低下することを明らかにした。3.上記の吸・脱着反応のパラメータの決定:乾燥コンブから溶媒に溶出したヨウ素濃度C [mg/L]と溶媒量V [L]の間に「C = 1.14/V」の関係があることを明らかにした。陰イオン交換樹脂のヨウ素吸着がラングミュア吸着等温式に従い,飽和吸着量と吸着定数がそれぞれ0.002mol/gおよび36000であることを明らかにした。

4.競争吸着法による海藻のヨウ素除去実験:H23年度の目標値(ヨウ素除去率90%以上,ヨウ素含有量200 ppm以下)に対し,乾燥コンブの10倍量の0.1M塩化カルシウム溶液または海水を溶媒として乾燥コンブの10%の陰イオン交換樹脂を添加した競争吸着法により,除去率92%およびヨウ素含有量120 ppmを達成した。申請時に掲げたH24年度の到達目標は「ヨウ素除去率90%以上を目標値とした競争吸着法によるヨウ素低減化プロセスのシミュレーションと実証試験による検証」である。これに対して,マコンブ(養殖1年物)について95%以上のヨウ素除去率を達成した。また,陰イオン交換樹脂によるヨウ素イオンの競争吸着過程を塩素イオンとのイオン交換反応モデルを用いて解析することにより,シミュレーションに不可欠な選択係数とイオン交換容量を決定し,モデルによるシミュレーションが可能であることを示した。さらに,申請時の到達目標を超える以下の成果が得られた。(1)競争吸着過程において20%マンニトール溶液を使用することにより,マコンブの重量損失を無添加時の約40%から5%以下に低下させることに成功した。(2)競争吸着法に使用した溶液を繰り返し使用することが可能であり,これによってマコンブの風味の低下を抑制できる可能性を示した。H23年度の到達目標である乾燥コンブのヨウ素除去率(90%以上)とヨウ素残存量(200 ppm以下)を上回る成果(除去率92%,残存量120 ppm)を達成した。また,溶媒として塩化カルシウム溶液または海水が適していることが明らかになったことから,当初の実験計画にはなかった陰イオン交換樹脂のヨウ素吸着に及ぼす塩素イオンの影響についても実験とモデル解析による検討を行った。現時点までの研究が順調に進行していることから,H25年度は当初の研究計画の通り,H23年度と24年度の研究成果を基に以下の研究を推進する予定である。(1)H23年度と24年度の研究結果に基づいて流通式ヨウ素低減装置を設計・製作し,段階的なスケールアップを図る(25年度目標)。(2)マコンブ(養殖2年物),利尻コンブ(天然物),三石コンブ(天然物)等について競争吸着法によるヨウ素低減実験を行った結果,マコンブ(養殖1年物)に比べてヨウ素の溶出速度が遅く,ヨウ素除去率が7080%程度であったことから,処理時間を延長することによりヨウ素除去率の向上を図る。現時点までの研究が順調に進行していることから,H24年度は当初の研究計画の通り,H23年度の研究成果を基に以下の研究を推進する予定である。1.H23年度に決定した乾燥コンブと陰イオン交換樹脂のヨウ素吸・脱着パラメータを用いて競争吸着モデルを導出する(H24年度目標)。2.海藻重量,吸着剤重量および溶媒体積などの条件を変えた競争吸着実験を行い,上記の競争吸着モデルによるシミュレーション結果と実験結果を比較することによりモデルの正当性を検証する(H24年度目標)。3.上記のシミュレーション結果に基づいて流通式装置を設計・製作し,段階的なスケールアップを図る(H2425年度目標)。該当なし
一般教育におけるインターネット利用の可能性に関する研究

テレビ会議システムが教育利用可能になるならば、過疎地教育の補助的な利用や、生涯教育などの利用に可能性が広がると思われる。そこで、本研究ではインターネットを用いたテレビ会議システムによる遠隔教育を実施し、学生の意識調査を行い、遠隔教育の可能性があるか否かの検討を行う。実験1 : 1回目は、1997年11月7日の午前中、Y大学とH大学を接続して実施した。内容はネットワークの情報倫理としてネチケットについての講義で方法はカメラの前で資料を提示しながら実施した。2回目は1997年12月14日午前中、内容は1回目の実施で音声の聞こえにくかった部分の復習を実施した。方法としては、資料を提示しないで、カメラの前で講義を行った。実施の後、遠隔教育に関する感想や意識についてのアンケート調査を実施した。アンケートの結果から、遠隔講義に抵抗があるかについては48%がそう思わない。しかし、身近に教員が接する方が勉強になるについては86%がやや思うまたは思うと回答している。また、半期の講義のなかで数回なら遠隔講義が入ってもよいについては57%がやや思うまたは思うと回答している。以上のことから、学生は遠隔講義に興味をもち数回の講義を実施してもよいと考えているが、一方身近に教員が接することも望んでいることが認められた。実験2 : H大学1年生とK大学1年生を対象に、1回目はK大学の教員によるネチケットについての講義。2回目はH大学の米国からの客員教授による米国におけるインターネットを利用した教育についての講義であった。交換講義の形式をとり、両方の講義の後にアンケートを実施した。その結果、遠隔講義には興味の有る学生は50%以上であるが、やはり音声が聞こえにくいという結果となった。両実験の結果から、インターネットを用いた遠隔講義の実施については音声についての技術的な問題を克服可能であれば半期の講義の中で数回取り入れることは可能であることが認められた。目的:本年度の実験ではインターネットを用いたテレビ電話システムによる遠隔教育を実施し、学生の意識調査を行い利用の可能性があるか否かの検討を行った。方法:対象:広島電機大学2年生で情報処理応用演習を履修する情報工学科の学生52名を対象とした。手続き:前期講義では、HTML言語を学び課題として自分のホームページを作成した。さらに2番目の課題としてインターネットによる情報収集によるグループ発表をホームページで行った。後期講義の内容はHTML言語の応用である。遠隔講義の実施は後期講義の一部として実施した。1回目は、1997年11月7日の午前9時30分から10時までの30分に安田女子大学と接続して実施した。内容なネットワークの情報倫理としてネチケットについての講義を行った。講義方法はカメラの前で資料を提示しながら実施した。利用ソフトはNet Meeting(マイクロソフト社製)であった。広島電機大学の専用線接続速度は512Kであり、安田女子大学の速度は256Kであった。過去の本学のアクセス統計から、午前のインターネットの利用頻度は少なかったが、学内のみ実験を実施するとのアナウンスを行った。2回目1997年12月14日午前9時30分から10時までの30分に安田女子大学と接続して実施した。内容は1回目の実施で音声の聞こえにくかった部分の復習を実施した。

利用ソフトはCU-See Meであった。講義の後、1回目と同様のアンケート調査を実施した。結果:質問項目で遠隔講義に抵抗があるかについては48%がそう思わないと回答している。また遠隔講義に興味があると思うのも46%であった。半期の講義すべてを遠隔講義でよいことには思わないが46%という結果であった。さらに遠隔講義は無味乾燥であるの項目はやや思わないが46%であった。以上のことから、学生は遠隔講義には興味をもち、半期のうち数回であれば遠隔講義を実施してもよいという考えをもっていることが認められた。今後の課題は、講義に絶えられる画面と音声をいかにして確保するかと、実施する講義の方法を確立していくことであると思われた。テレビ会議システムが教育利用可能になるならば,過疎地教育の補助的な利用や,生涯教育などの利用に可能性が広がると思われる.そこで,本研究ではインターネットを用いたテレビ会議システムによる遠隔教育を実施し,学生の意識調査を行い,遠隔教育の可能性があるか否かの検討を行う.実験1: 1回目は,1997年11月7日の午前中,Y大学とH大学を接続して実施した.内容はネットワークの情報倫理としてネチケットについての講義で方法はカメラの前で資料を提示しながら実施した.2回目は1997年12月14日午前中,内容は1回目の実施で音声の聞こえにくかった部分の復習を実施した.方法としては,資料を提示しないで,カメラの前で講義を行った.実施の後,遠隔教育に関する感想や意識についてのアンケート調査を実施した。アンケートの結果から、遠隔講義に抵抗があるかについては48%がそう思わない.しかし,身近に教員が接する方が勉強になるについては86%がやや思うまたは思うと回答している.また,半期の講義のなかで数回なら遠隔講義が入ってもよいについては57%がやや思うまたは思うと回答している.以上のことから,学生は遠隔講義に興味をもち数回の講義を実施してもよいと考えているが,一方身近に教員が接することも望んでいることが認められた。実験2:H大学1年生とK大学1年生を対象に、1回目はK大学の教員によるネチケットについての講義。2回目はH大学の米国からの客員教授による米国におけるインターネットを利用した教育についての講義であった。交換講義の形式をとり、両方の講義の後にアンケートを実施した。その結果、遠隔講義には興味の有る学生は50%以上であるが、やはり音声が聞こえにくいという結果となった。両実験の結果から、インターネットを用いた遠隔講義の実施については音声についての技術的な問題を克服可能であれば半期の講義の中で数回取り入れることは可能であることが認められた。
自己組織化マップの一般化理論とその応用:理論の確立から実用化まで

Kohonenの自己組織化マップ(SOM)を一般化と拡張について,(1)基礎的研究(2)応用的研究(3)発展的研究の3点について研究を実施し,下記の成果を得た.1.基礎的研究(1)モジュラーネットワーク型自己組織化マップ(mnSOM)について,任意のモジュールを採用した場合の学習アルゴリズムについて確立した.また多層パーセプトロンをモジュールとした場合に生成されるマップを,関数空間における距離と正規直交展開を用いて理論的に証明した.このほか,非線形振動子や恒等写像モジュールを使ったmnSOMの開発と検証を行った.(2)高階型自己組織化マップ(SOMn)を考案し,その理論を確立した.特にファイバー束やホモトピーなどの幾何学との関連,テンソルによるアルゴリズム記述などを通して,過去に例を見ない学習理論の考案になった.2.応用的研究(1)mnSOMを利用した自己組織適応制御器を開発し,倒立振子等に応用した.制御対象のパラメータが突然変化しても対応可能で,また未知の状況でもロバストな手法を開発した.(2)SOMnを顔画像や手書き文字識別に応用した.人間のような注視機能に似た「ドット分布表現」を考案し,SOMnと組み合わせて新しいパターン認識手法を開発した.またSOMnを用いた顔画像識別では,顔の形と向きの違いを表現した多面的データ表現の獲得ができた.この他,手書きの落書き分類,テクスチャ分類などの感性情報処理に関する課題も行い,報告した.3.発展的研究(1)mnSOM,SOMnを自律ロボットに応用し,自己組織的に外界の内部モデルを獲得することに成功した.またmnSOM,SOMnを元に,モジュールが自己進化的に追加される自己進化型モジュラーネットを開発した.さらにSOMnをVLSI実装することに成功し,自律ロボット等のシステム組み込みをめざした.Kohonenの自己組織化マップ(SOM)を一般化と拡張について,(1)基礎的研究(2)応用的研究(3)発展的研究の3点について研究を実施し,下記の成果を得た.1.基礎的研究(1)モジュラーネットワーク型自己組織化マップ(mnSOM)について,任意のモジュールを採用した場合の学習アルゴリズムについて確立した.また多層パーセプトロンをモジュールとした場合に生成されるマップを,関数空間における距離と正規直交展開を用いて理論的に証明した.このほか,非線形振動子や恒等写像モジュールを使ったmnSOMの開発と検証を行った.(2)高階型自己組織化マップ(SOMn)を考案し,その理論を確立した.特にファイバー束やホモトピーなどの幾何学との関連,テンソルによるアルゴリズム記述などを通して,過去に例を見ない学習理論の考案になった.2.応用的研究(1)mnSOMを利用した自己組織適応制御器を開発し,倒立振子等に応用した.制御対象のパラメータが突然変化しても対応可能で,また未知の状況でもロバストな手法を開発した.(2)SOMnを顔画像や手書き文字識別に応用した.人間のような注視機能に似た「ドット分布表現」を考案し,SOMnと組み合わせて新しいパターン認識手法を開発した.またSOMnを用いた顔画像識別では,顔の形と向きの違いを表現した多面的データ表現の獲得ができた.この他,手書きの落書き分類,テクスチャ分類などの感性情報処理に関する課題も行い,報告した.3.発展的研究(1)mnSOM,SOMnを自律ロボットに応用し,自己組織的に外界の内部モデルを獲得することに成功した.またmnSOM,SOMnを元に,モジュールが自己進化的に追加される自己進化型モジュラーネットを開発した.さらにSOMnをVLSI実装することに成功し,自律ロボット等のシステム組み込みをめざした.Kohonenの自己組織化マップ(SOM)を一般化したモジュラーネットワーク型自己組織化マップ(mnSOM)について、(1)理論面の確立、(2)基本的なバリエーションの提案とシミュレーションによる評価、(3)適応制御等への応用、の3点について研究した。(1)SOMの一般化を理論的に確立する研究を行った。従来型のSOMがベクトルデータのみを取り扱うのに対し、一般化されたオブジェクトに対して任意の距離測度を定義した場合の学習アルゴリズムを得た。特に自己組織化マップ上へ射影するオブジェクトが未知の場合の同時学習問題について理論的な解決を得た。(2)mnSOMの基本的なバリエーションとして,多層パーセプトロンモジュール型mnSOM、自己想起ネットワークモジュール型mnSOM、リカレントネットモジュールmnSOM、SOMモジュールmnSOM等を提案し、それらの基本的な学習アルゴリズム、ベンチマークによる動作評価を行った。特に多層パーセプトロンモジュール型mnSOMではLegendre正規直交展開を用いて理論・シミュレーションの双方の見地から動作特性を評価した。またSOMモジュールmnSOMでは、多様体や微分幾何学を用いた理論化および人工的に生成した多様体を用いた動作特性評価を行った。(3)mnSOMの応用として、気象ダイナミクスに基づく自己組織化マップ、適応制御への応用、2次元投影像からの3次元物体のクラスタリング、顔画像識別への応用などを試みた。一般化自己組織化マップ(SOM)について,基礎的研究・応用的研究・発展的研究の3つの方向性で以下の研究を実施し,成果が得られた.1.基礎的研究基礎面では大きく2つの成果が得られた.ひとつは「SOM2」と呼ぶ高次SOMの理論的研究である.これはホモトピーやファイバー束などの数学概念を用いて理論的な枠組みを作るきっかけが得られた.