hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
WGA-GFP融合トランスジーンによる機能的神経回路の蛍光可視化技術の開発と応用

私たちは最近、WGA (wheat germ agglutinin:小麦胚芽レクチン)遺伝子をトランスジーンとして特定の神経回路を可視化する新技術を確立した。特異的プロモーターの制御下に特定のタイプのニューロンでWGA遺伝子を強制発現させると、産生されたWGA蛋白質はシナプスを介して2次ニューロンへ、さらには3次ニューロンまで輸送され、WGA発現細胞を起点とする神経回路が可視化された。本研究においては経シナプス性にニューロン間を輸送されるWGAをGFPなどの蛍光蛋白質と融合させることによって、機能的神経回路を蛍光で可視化するという新たな試みに挑戦し、WGAトランスジーン技術の飛躍的発展を目指した。平成13年度においては、前年度に作製したトランスジェニックマウス(L7-WGA/GFP、OMP-WGA/GFP、OMP-WGA/CFP)の詳細な解析を行ったが、in vivoではGFP蛍光は観察されなかった。またL7-WGA/DsRedトランスジェニックマウスを作製したところ、プルキンエ細胞で強いDsRedの蛍光が検出されたが、シナプスを越えての移動は観察されなかった。現在、より効率よく蛍光を発するGFP誘導体であるVenusを用いた融合遺伝子の作製ならびにin vitro(細胞培養系)においてのWGA/GFPの経シナプス性移行を解析中である。申請者らは最近、WGAトランスジーンによる経シナプス性選択的神経回路トレーシング技術を開発した。これは機能的に関連した神経細胞間の配線パターンを明確かつ再現性良く可視化できる新手法であり、神経科学研究におけるブレークスルーをもたらしつつある。しかしながら現在まで機能的神経回路を観察するために、抗WGA抗体を用いた免疫組織化学法によってWGA遺伝子産物(WGA蛋白質)の局在を検出しており、以下のような点が短所として挙げられる。(1)生きたままの動物あるいは生きたままのニューロンにおいての観察ができない。(2)抗WGA抗体を用いた免疫組織化学的染色法は非常に操作がが煩雑で、熟練した技術を要する。(3)異なったタイプの神経細胞を起点とする複数の神経回路を同一個体で分離して観察することは不可能である。このような問題点を克服するために、GFPなどの蛍光蛋白質をタグとしてWGAに融合させるという着想に至った。このような融合遺伝子産物が、GFPの蛍光を保ったまま経シナプス性も神経細胞間を輸送されれば上記(1)および(2)を解決できる。また異なった蛍光色の蛋白質(GFP、CFP、YFPなど)を用いることによって、複数の神経回路を違った色で可視化でき、(3)の問題点も克服できると期待される。平成12年度において申請者らはWGA-GFP遺伝子、WGA-CFP遺伝子、OMP-WGA-GFPトランスジェニックマウス、L7-WGA-GFPトランスジェニックマウス、OMP-CFP-WGAトランスジェニックマウスを作製し、融合遺伝子産物の神経細胞内および生体内での詳細な挙動を現在解析中である。私たちは最近、WGA(wheat germ agglutinin:小麦胚芽レクチン)遺伝子をトランスジーンとして特定の神経回路を可視化する新技術を確立した。またL7-WGA/DsRedトランスジェニックマウスを作製したところ、プルキンエ細胞で強いDsRedの蛍光が検出されたが、シナプスを越えての移動は観寮されなかった。

現在、より効率よく蛍光を発するGFP誘導体であるVenusを用いた融合遺伝子の作製ならびにin vitro(細胞培養系)においてのWGA/GFPの経シナプス性移行を解析中である。
脊髄小脳失調症新規モデルマウスを用いた病態解明と治療法開発

電位依存性カルシウムチャネル(Voltage-gated calcium channels: VGCCs)は、多彩なアイソフォームを持ち、各種VGCCs変異は精神疾患やてんかん症候群、家族性片麻痺性片頭痛などの発作性疾患、脊髄小脳失調症(SCA)などの変性疾患に至るまで、広範囲にわたる神経系疾患の発症と関連している。申請者らは研究対象としてきた常染色体優性SCA家系において、CACNA1G変異、R1715Hを同定した。CACNA1Gは低電位活性化型のT型VGCCsの一種であるCaV3.1をコードしており、様々な細胞機能に関与するが、変異によりどのようなメカニズムで神経変性をきたすのかは全く不明である。本研究ではCACNA1GのR1715H変異をゲノム編集により導入・作成したノックインマウス(Cacna1g_R1723H_KIマウス)を行動面、病理学的側面、電気生理学的側面から多面的に解析することで、CACNA1G変異SCAモデルマウスを確立すること、またT型VGCC修飾薬を用いた、新たなSCA治療法を開発することを目的としている。13については、「現在までの進捗状況」に示す通り、ほぼ終了しており、モデルマウスを確立した状況である。来年度以降、4に軸足を移した研究を継続している。1としてはSCA原因変異R1715Hを導入したノックインマウスの作成はすでに完了し、現在、Clasping test、Wire hang test、Rotarod test、Footprint testなど運動機能を中心に行動解析を終了した。1050週でヘテロ、ホモノックインマウスともにRotarod testにおいて野生型に比較し、軽度な運動機能の低下を認めた。2としては50週のヘテロ、ホモノックインマウス共にプルキンエ細胞の脱落が見られることを確認した。3としては、スライスカルチャーを用いたパッチクランプにおいて、13日齢において野生型とホモのノックインマウスで電流電圧曲線に差が見られる結果を得た。以上からモデルマウスとして確立したと考え、論文投稿中である。さらに、現在、変異がgain-of-toxic-functionであるとの立場からはT型VGCC阻害薬を野生型、ヘテロおよびホモノックインマウスに投与開始している。また、loss of functionの立場から、カルシウムチャネル活性化薬の効果を検討する予定である。上記のように、現状で新規脊髄小脳変性症マウスを確立できている。今後は本モデルを用いた、脊髄小脳変性症治療の確立に向けた研究を行っていく予定である。Cacna1gノックアウトマウスの解析では運動機能、生存には影響を与えないことが示されている。変異がgain-of-toxic-functionであるとの立場からはT型VGCC阻害薬投与によって治療効果が見られる可能性があるため、すでに阻害薬の投与を開始している。また、loss of functionの立場から、カルシウムチャネル活性化薬について投与を検討していく予定としている。

変異がgain-of-toxic-functionであるとの立場からはT型VGCC阻害薬投与によって治療効果が見られる可能性があるため、すでに阻害薬の投与を開始している。また、loss of functionの立場から、カルシウムチャネル活性化薬について投与を検討していく予定としている。研究計画はおおむね予定通りに遂行できているが、今後、マウスの治療研究を行っていくにあたって予想以上にマウスの維持費がかかるため、本年度予定していた備品購入しなかった。そのため次年度使用額が生じた。次年度はカルシウムチャネル阻害薬、促進薬、プラセボを野生型、ヘテロ、ホモノックインマウスに投与していくため、主にマウス維持費、および投薬後の電気生理学的実験、病理学的実験に予算を使用していく予定である。また、マウスのジェノタイピングに必須なサーマルサイクラーの増設を行う予定である。
南極に保存された古代試料のゲノム解析による氷期サイクルの生物相変遷

低温環境のためDNAが極めて高度に保存されている南極を対象とし,アイスコアや大型動物遺体などの古代試料由来のancient DNAを解析することで,過去の地球環境変動と生物相変遷のダイナミックスとの関連性を解明することを目的としている.南極古代試料中に含まれるDNA量はきわめて少なく,また著しく断片化していることが知られているため,最新の微量・短鎖DNA分析の先端的手法に関する知見・技量を習得した.断片化された損傷DNAを高収率で精製し,増幅させるために,損傷したDNAを修復させる反応や高収率な新たなDNA抽出手法およびライブラリー構築実験を実地した.得られた結果について,従来の短鎖ライブラリー手法と総合的に比較分析することによって,本手法を用いればより詳細な過去のDNA情報を取得することが可能であることが明らかとなった.構築した手法を南極のアイスコアに用いることで,手法の検証をおこない,実際に塩基配列の取得を進めた.また,南極域の動物の集団動態が最終氷期以降の環境変動にどのような影響を受けてきたのかを解明するために,南極域の海洋生態系における環境変動の影響を受けやすいと考えられる食物連鎖の頂点を占める大型肉食動物に着目した.国立極地研究所には約2000年前のウェッデルアザラシのミイラ化した標本が保管されており,本標本からDNA解析を実地した.標本庫では長年の燻蒸処理が施されており,DNAの断片化や損傷がみられたので,DNA抽出方法やゲノムライブラリー作成手法を改良した.2000年前のミイラアザラシ標本の骨,皮膚および筋組織からDNAを抽出し,ミトコンドリアの配列の取得に成功したので,次世代シークエンサーによるゲノム解読をおこなった.さらに,高精度な生物相変遷のダイナミックスを求めるために,南極で新たに8個体のミイラアザラシ試料の採取をおこなった.南極ドームふじ氷床アイスコア中の断片化された微量・損傷DNAからゲノム情報を取得するために,損傷したDNAを修復させる反応,高収率なDNA抽出方法およびゲノムライブラリーを構築する手法開発を行った.本研究で開発した微量・損傷DNAを高収率で精製し増幅させるDNA抽出手法およびライブラリー構築手法を従来の短鎖ライブラリー手法と総合的に比較分析したところ,本研究で開発した新たな手法を用いれば過去のDNA情報をより詳細に取得することが可能であった.こうして構築した手法をアイスコアに適用することで,塩基配列の取得に着手できたことは重要な成果である.シークエンスした古代メタゲノム配列データを,高速に配列類似性を検索し,古代DNA配列に近縁な系統及び遺伝子機能の推定を行い,当時の生物群集の系統組成と遺伝子機能組成を推定するためのパイプラインの構築を行った.また,今まで情報のなかった南極産大型哺乳類の古代試料から全ゲノム解読に着手した.約2000年前のミイラ化したウェッデルアザラシの標本試料からDNA抽出およびゲノムライブラリーを作成し,次世代シークエンサーで解読できたことは研究目的に沿った成果であるといえる.バイオインフォマティクスの解析も進めており,約2000年前の個体のゲノムワイドのヘテロ接合度の情報が得られつつある.さらに,南極で新たに8個体のミイラアザラシ試料の採取に成功し,ウェッデルアザラシの集団サイズの歴史的な変動を評価するための試料を得ることができた.このように実験手法の開発と併せて生物情報学的解析手法の改善により,古代メタゲノム配列の解析効率を大幅に向上させたことは本研究プロジェクトの大きな成果であり,これらを実際の南極古代試料に適用することで,これまでほとんど理解が進んでいなかった過去の南極域の生態系と環境変動の関連を解明できる基盤が整ったといえる。アイスコアなどの古代試料中の生物量はきわめて少なく,またDNAは断片化していることが知られているため,引き続き最新の微量・短鎖DNA分析の先端的手法に関する知見・技量を習得する.国立極地研究所の古代DNA専用のスーパークリーンルームにて,南極ドームふじアイスコアやミイラ化したアザラシなどの大型動物試料内部のみを無菌的に採取する.申請者らは試料の表面に付着したコンタミネーションの微生物を排除するために,アイスコア融解装置を独自に開発しており,本研究ではこの融解装置を用いる.無菌的に抽出したDNAをもとに,古代試料由来のDNAライブラリー構築に最適化された手法でゲノムライブラリーを作成し,イルミナ社の次世代シークエンサーを用いてゲノム配列の取得を行う.南極ドームふじアイスコアに関してはシークエンスした古代メタゲノム配列データを,高速に配列類似性を検索し,古代DNA配列に近縁な系統及び遺伝子機能の推定を行い,当時の生物群集の系統組成と遺伝子機能組成を推定する.さらに,研究分担者が開発した,約60万サンプルの様々な環境由来のメタゲノムデータと環境情報を統合したデータベースMicrobeDB.jpとそれら大量のメタゲノムデータを探索可能なWebアプリケーションLEAを用いて,類似した特徴を持つ現生の微生物群集を特定し,その環境情報を基に当時の環境を推定し,過去の気候イベントや氷期-間氷期サイクルにともなう生物相の変遷を解明する.さらにウェッデルアザラシの高精度な集団サイズの歴史的な変動解析を実地するために,南極で新たに採取した8個体のミイラアザラシ試料からゲノム解析を進め,ゲノム全体のヘテロ接合度スペクトラム解析から過去の集団サイズの変動や地域間での遺伝的交流を推定し,氷期-間氷期サイクルと集団構造の変遷の関連性を調べる.低温環境のためDNAが極めて高度に保存されている南極を対象とし,アイスコアや大型動物遺体などの古代試料由来のancient DNAを解析することで,過去の地球環境変動と生物相変遷のダイナミックスとの関連性を解明することを目的としている.南極

古代試料中に含まれるDNA量はきわめて少なく,また著しく断片化していることが知られているため,最新の微量・短鎖DNA分析の先端的手法に関する知見・技量を習得した.断片化された損傷DNAを高収率で精製し,増幅させるために,損傷したDNAを修復させる反応や高収率な新たなDNA抽出手法およびライブラリー構築実験を実地した.得られた結果について,従来の短鎖ライブラリー手法と総合的に比較分析することによって,本手法を用いればより詳細な過去のDNA情報を取得することが可能であることが明らかとなった.構築した手法を南極のアイスコアに用いることで,手法の検証をおこない,実際に塩基配列の取得を進めた.また,南極域の動物の集団動態が最終氷期以降の環境変動にどのような影響を受けてきたのかを解明するために,南極域の海洋生態系における環境変動の影響を受けやすいと考えられる食物連鎖の頂点を占める大型肉食動物に着目した.国立極地研究所には約2000年前のウェッデルアザラシのミイラ化した標本が保管されており,本標本からDNA解析を実地した.標本庫では長年の燻蒸処理が施されており,DNAの断片化や損傷がみられたので,DNA抽出方法やゲノムライブラリー作成手法を改良した.2000年前のミイラアザラシ標本の骨,皮膚および筋組織からDNAを抽出し,ミトコンドリアの配列の取得に成功したので,次世代シークエンサーによるゲノム解読をおこなった.さらに,高精度な生物相変遷のダイナミックスを求めるために,南極で新たに8個体のミイラアザラシ試料の採取をおこなった.南極ドームふじ氷床アイスコア中の断片化された微量・損傷DNAからゲノム情報を取得するために,損傷したDNAを修復させる反応,高収率なDNA抽出方法およびゲノムライブラリーを構築する手法開発を行った.本研究で開発した微量・損傷DNAを高収率で精製し増幅させるDNA抽出手法およびライブラリー構築手法を従来の短鎖ライブラリー手法と総合的に比較分析したところ,本研究で開発した新たな手法を用いれば過去のDNA情報をより詳細に取得することが可能であった.こうして構築した手法をアイスコアに適用することで,塩基配列の取得に着手できたことは重要な成果である.シークエンスした古代メタゲノム配列データを,高速に配列類似性を検索し,古代DNA配列に近縁な系統及び遺伝子機能の推定を行い,当時の生物群集の系統組成と遺伝子機能組成を推定するためのパイプラインの構築を行った.また,今まで情報のなかった南極産大型哺乳類の古代試料から全ゲノム解読に着手した.約2000年前のミイラ化したウェッデルアザラシの標本試料からDNA抽出およびゲノムライブラリーを作成し,次世代シークエンサーで解読できたことは研究目的に沿った成果であるといえる.バイオインフォマティクスの解析も進めており,約2000年前の個体のゲノムワイドのヘテロ接合度の情報が得られつつある.さらに,南極で新たに8個体のミイラアザラシ試料の採取に成功し,ウェッデルアザラシの集団サイズの歴史的な変動を評価するための試料を得ることができた.
百mメッシュの空間解像度を目標とした、北方林の広域炭素収支評価手法の確立

北海道北部の冷温帯林において,2004年と2014年の2回の航空機レーザ観測結果を利用して,10年間の森林炭素貯留量の変化を広域(225 km2)・高分解能(1 ha)で推定した。10年間の正味の森林炭素貯留変化量の平均値は4.18±6.64(SD) MgC/haであり,フラックス観測研究より得られた森林の正味CO2交換量と同等の範囲にあった。高標高,急傾斜,北向き斜面,大きな樹高のばらつき,針葉樹林の場合に有意に正味の炭素貯留変化量が少なくなり,南向き斜面,広葉樹林,二次林で有意に多くなった。森林の成長量と2つの植生指標(NDVI, GR)との間には線形の関係が見られた。2004年の航空機レーザー(LiDAR)観測によって得られた、天塩研究林全域(225km2)の樹冠高と、林内24プロットで観測した森林蓄積量および樹木炭素貯留量との関係を再評価し、論文化した。観測プロット平均の樹冠高と森林蓄積量および樹木炭素貯留量との間に得られた線形の関係式は、先行研究と比較して妥当な範囲にあることを確認した。2004および2014年に観測された、研究林全域のLiDARデータを利用して、両者の樹冠高度の差より10年間の樹高の変化を1mメッシュの空間解像度で評価した。得られた樹冠高変化から、特に原生の針葉樹林において樹冠高が減少していることや、若齢植林地において樹冠高が増加していることが明らかになった。上記10年間に森林を伐採した18箇所の樹冠高度差を抽出し、森林伐採量と樹冠高度差との関係を明らかにした。樹冠高度差と森林伐採量との間には線形の関係が認められた。森林生態系炭素収支の検証データとして、天塩研究林カラマツ若齢林と苫小牧落葉樹若齢林において、渦相関法により生態系炭素収支を明らかにした。また上記2サイトにおいて、土壌炭素の分解速度を多点連続自動観測チャンバーを用いて計測した。航空機レーザ測量より得られた2014年と2004年の樹冠標高の差として、1 m2メッシュの樹冠高変化を天塩研究林全域(225 km2)に渡って算出し、1 haメッシュで平均化した。平均化の際には、すべての樹冠高変化データを平均化した場合(I)に加えて、増加している箇所のみの平均化(II)と、減少している箇所のみの平均化(III)を行った。樹冠高から炭素貯留量を推定する式を応用して、1 haメッシュの樹冠高変化を森林炭素貯留変化量に変換した。(I)(III)によって得られた炭素貯留変化量はそれぞれ、正味貯留量変化、森林の成長量、樹木から土壌への炭素の移動量と定義した。研究林全域の10年間の正味の森林炭素貯留変化量は、+35ー52 MgC ha-1の範囲であり、大きな空間的ばらつきがあることが明らかになった。正味変化量の平均値は4.05±6.46 (SD) MgC ha-1、森林の成長量の平均値は11.7±4.79MgC ha-1となり、微気象観測研究より報告されている、北海道の森林の正味CO2交換量と同等の範囲にあった。樹木から土壌への炭素の移動量は8.99±5.43MgC ha-1となり、既存の研究例と同等であった。苫小牧落葉樹若齢林と天塩研究林カラマツ若齢林において、渦相関法とチャンバ-法を用いて生態系の炭素収支観測を継続した。落葉樹若齢林では、撹乱後11年経過してもCO2の年収支はソースのままであった。カラマツ若齢林では、土壌呼吸量を微生物呼吸量と根呼吸量に分離して評価した。無雪期積算の土壌呼吸量(1167±375 gC m-2)は、同期間の生態系呼吸量の89%であった。一方、無雪期積算の微生物呼吸量は520±252 gC m-2であり、同時期の土壌呼吸量の45%であり、根呼吸量は残りの55%を占めていた。申請段階においては、予算の制限のために、航空機レーザ測量は限定された面積(3050 km2)で行い、航空写真三角測量によって、対象範囲を拡大することを計画していたが、天塩研究林全域の航空機レーザ測量データを購入することができたので、対象範囲全域(225 km2)の炭素貯留量変化を高精度で評価することが可能となった。樹冠高変化を1 haメッシュで平均化する際には、すべての樹冠高変化データを平均化した場合(I)に加えて、増加している箇所のみの平均化(II)と、減少している箇所のみの平均化(III)を行うことによって、森林の正味炭素貯留量変化に加えて、森林の成長量や樹木から土壌への炭素の移動量を評価することができた。正味変化量、成長量、樹木から土壌への炭素移動量のそれぞれの値が、渦相関法やチャンバ法を用いた観測値と整合性があった。以上より年次計画の予定通り研究が進んでいる。

Lidar測量より得られた樹冠高変化から森林炭素貯留変化を推定する式の高精度化を試みた結果,森林炭素貯留量変化(y)は,その場所におけるLidar樹冠高変化の平均値(x)を用いて,y=8.42x (r2=0.89)より推定できることが明らかになった。この式を適用して,前年度と同様の方法を用いて,正味貯留量変化,森林の成長量,樹木から土壌への炭素の移動量を1 haメッシュで評価した。10年間の正味の森林炭素貯留量変化について,調査地全域の平均値は4.18 ±6.64 (SD) MgC/ha,森林の成長量の平均値は12.0 ±4.94 MgC/haであった。樹木から土壌への炭素の移動量は8.98 ±4.20MgC/haであり,北方林の枯死量の観測例(3.512 MgC/ha/10年)と同等であった。一方,苫小牧や天塩での観測から,森林土壌の分解による炭素放出量は,5.56.5 MgC/ha/年であり,樹木から土壌への炭素移動量の7倍の炭素が大気に放出されていることが明らかになった。従って,土壌炭素量が平衡になるためには,5 MgC/ha/年の地上部・地下部のリター量が必要である。MODISデータを利用して,調査地全域の植生指標(NDVI, EVI, GR)の10年平均値を500×500 m2メッシュで整備し,森林炭素貯留量変化の空間分布と比較した結果,森林の成長量と2つの植生指標(NDVI, GR)との間には線形の関係(それぞれ,r2=0.64と0.52)が認められた。調査地全域について,様々な地形・植生的特徴を1haメッシュで整備し,炭素貯留量変化の空間分布との関係を解析した結果,高標高,急傾斜,北向斜面,針葉樹林の場合に有意に正味の炭素貯留変化が少なくなり,南向斜面,広葉樹林,二次林で有意に多くなることが明らかになった。北海道北部の冷温帯林において,2004年と2014年の2回の航空機レーザ観測結果を利用して,10年間の森林炭素貯留量の変化を広域(225 km2)・高分解能(1 ha)で推定した。10年間の正味の森林炭素貯留変化量の平均値は4.18±6.64(SD) MgC/haであり,フラックス観測研究より得られた森林の正味CO2交換量と同等の範囲にあった。高標高,急傾斜,北向き斜面,大きな樹高のばらつき,針葉樹林の場合に有意に正味の炭素貯留変化量が少なくなり,南向き斜面,広葉樹林,二次林で有意に多くなった。森林の成長量と2つの植生指標(NDVI, GR)との間には線形の関係が見られた。天塩研究林全域の10年間の樹冠高度の差を100mの空間解像度で整備できたことに加えて、天塩研究林カラマツ若齢林と苫小牧落葉樹若齢林において、渦相関法による生態系炭素収支評価と多点連続自動観測チャンバーによる土壌炭素の分解速度の評価を行うことができたことから、年次計画の予定通り研究が進んでいる。天塩研究林カラマツ若齢林と苫小牧落葉樹若齢林において、渦相関法とチャンバ-法を用いて生態系の炭素収支観測を継続し、既存の研究成果を加えて、航空機レーザ測量によって得られた、正味炭素貯留量変化、森林の成長量、樹木から土壌への炭素の移動量の精度検証を引き続き行う。正味貯留量変化、森林の成長量、樹木から土壌への炭素の移動量それぞれについて、これらの値とMODIS植生指標(正規化植生指標(NDVI)、Green Ratio(GR)、Enhanced Vegetation Index(EVI))との関係を500 m ×500 mの空間解像度で明らかにすることにより、時空間スケールの拡大の可能性を示す。天塩研究林全域の23,502個の1 haセルを対象として、炭素貯留量変化の空間的なばらつきを標高、傾斜角、斜面方位、地質、植生タイプ、森林バイオマス量、樹冠構造等の環境要因を用いて説明する。地形要因や森林バイオマス量の評価精度を上げるために、観測点密度の高い2014年のLidar観測結果を利用して、地面標高を解析する予定である。数量要因については、そのすべてを説明変数とする線形モデルを作成し、カテゴリー要因については、多重比較検定を行うことによって、各要因が森林炭素貯留量変化に与える影響を明らかにする。
授業を活かす技能統合的スピーキング活動と評価尺度の開発研究

本研究の目標は,まとまった文章を読んで,その後,その文章を見ずに再話や口頭要約を行う活動を工夫して,中高大のニーズに合ったスピーキングテスト(Story Retelling Speaking Test:SRST)を完成させることを目標としている。今年度は,次の3つのことを行った。第1点目は、昨年度から継続していたピア評価の成果報告を行うことができた。文章の中に使えるようになってほしい文法事項(ターゲット文法)を入れ,その文法事項とそれ以外のさまざまなスピーキング観点を入れたルーブリックを作成し、学生のパフォーマンス評価能力を調査した。それを教師評価だけでなく、外部の妥当性および信頼性が担保されたTSST (Telephone Standard Speaking Test)の得点結果と比較した。その論文が全国英語教育学会誌(ARELE 30号)に掲載された。第2点目は,SRSTはネット上で受験する仕組みを作ることも可能な形式であるため、受験者の発話をどこまでAIが採点できるかということを検討した。特に学生同士のピア評価では、ターゲット文法項目の評価が難しく、ピア評価の信頼性も低かったため、自動採点で評価できるかの研究を継続して行った。自動採点プログラムで発話の書き起こしデータで数値化できる特徴(パラメータ)を絞り込み、教師評価と自動採点得点の相関が実用可能なレベルまで高めることができたため、その成果の執筆を開始した。第3点目は、第1点目が完了したので、さらなる応用研究として、SRSTのテストで、批判的思考力を測定することができないか検討に入ることにした。すでに何度か討議を重ね、準備段階ではあるが、その予備研究の学会発表を1件行った。昨年の北海度地震で研究成果を発表することができなかった。また、公務のために予定していた国際学会での発表も取りやめ、分析作業と論文執筆も予定通り進めることができなかった。上記の点を踏まえて、今後は以下の研究を行っていく予定である。まず、期間を開けた第1回目と第2回目のSRSTのパフォーマンスの向上から,ターゲット文法の練習効果と記憶定着に関して、分析協力者が確保できなかったため、今年度はその分析を急ぎ、研究成果をまとめていくこととする。続いて、SRSTの自動採点に関する研究において、日本人採点者、英語ネイティブスピーカー採点者、自動採点とそれぞれの特徴を分析し、その関係を調査した結果、ある程度高い相関が得られた。これで、自動採点に含めることができる指標を確定することができたため、この指標の計算手法とそれを使用した採点結果を公表するため、論文の執筆を始め、年内に投稿することとする。最後に、自動採点研究である程度の結果がでたため、再話というオリジナルのテキストと重なる部分の発話はAIに任せることが出来るため、次の段階として、人間にしか出来ない採点を目指すこととする。具体的には、SRSTのテスト形式に加えて、インタラクション能力を上げるタスク、および、高度な認知能力を必要とするタスクを加えていく予定である。近年では、アクティブラーニングを通して、インタラクション能力や批判的思考力の重要性が叫ばれており、SRSTに、そのような能力を引き出せるタスクを加える研究を開始する。第一段階としては、スピーキングタスクではなく、SRSTのリーディング部分に焦点を当てた発問について、共同研究者および研究協力者と検討していくこととする。また、パイロット実験に取り組み、その結果を発表していく予定である。中学・高校・大学では,それぞれ生徒・学生のレベルにあった教科書やテキストを使われている。本研究はそれを利用して,リテリング活動を工夫するすることで,英語を実際の場面で使用できる能力を鍛え,評価していくことを目指す。今年度の目標は使わせたい文法表現をリテリング活動(Story Retelling Speaking Test: SRST)のテキストに,(1)何項目入れるのが適当であるか,(2)どのような指示や手順で行えば効果的か,そして,(3)それを評価するにあたっての実用性を検討することであった。これまでの調査では,文法項目を2,3種類テキストに入れると多すぎて,リテリング中にどのタイミングで使えばよいかわからなくなること,評価もしづらくなることがわかっている。そこで、平成28年度は,SRSTに3つの改良を加えて実施した。1点目は,文法項目は1種類に減らし,最低4箇所に,同じ文法事項で異なった表現が含まれるようなテキストを用意した。2点目の改良点は,テキストを読んでリテリングさせる前に,ターゲット文法が入った4文を,日本語にしたものを英語で何と表現するかを考えさせてから実施することにした。そうすることで,自分が考えた文の答えを確認することになり,ターゲット文が定着しやすくなるという学習効果が生まれ,かつリテリング時にどのタイミングでターゲット表現を使うかがわかりやくなると考えた。3点目は,同じテキストでSRSTを2回行い,練習効果を見るだけではなく,2回目は別の内容のテキストで同じターゲット文法項目を入れたものを用意し,実施した。このことで,単なる暗記ではなく,別のコンテクストでもターゲット構文が使えるのかを確認することができる。以上の改良を踏まえて,これまで以上に参加者を増やし実施した。現在は,パフォーマンスの書き起こしを終えたところで,次に分析を行っていく。被験者の人数を増やしたため,すべてのスピーチデータの書き起こしに時間を要しているため。また、前回投稿した論文の書き直し作業が這いいてきたため、若干遅れている。本研究の目標は,中高大のスピーキング評価に使用できるテスト(Story Retelling Speaking Test:SRST)を完成させることを目標にしている。

今年度は,前年度に引き続き,文章の中に使えるようになってほしい文法事項(ターゲット文法)を入れ,その文法事項の提示方法・提示回数を工夫することで,再話時に使えるようになるか検討した。具体的には次の2つの研究を行った。第1点目は,昨年度からの課題であった,ターゲット文法入りのSRSTのパフォーマンスを,一人につき,時期をずらして2回行った。そして教師評価を行い,第1回目と第2回目のパフォーマンスに関して,正しくターゲット文法が使えている回数に変化があるかを分析した。その結果、2回目の方が伸びが見られるものの,より正確に伸びが測定できるようにルーブリックを修正する必要であることを突き止めた。さらに,指示に関しては,1つの文章あたりに測定できる文法項目数,および事前活動の必要性を特定した。現在,その研究成果を論文にまとめている。第2点目は,上記の分析で,教師評価はできるが,学生同士のピア評価では,ターゲット文法項目の評価が難しいという結果となったため,自動採点で評価をすることを検討した。特に,発話内で同じ表現が使われているかを測定する場合は,自動採点に適していると考えられる。音声認識分野の研究者に共同研究に加えてもらい,SRSTの中から,1つのテキストの発話に絞り,できるだけ多くの学生の発話をプログラムに認識させた。同時に,その発話を全て書き起こし,これもプログラムに読み込ませた。そして,教師評価と一致させることができる音声パフォーマンスの特徴(パラメータ)をいくつか特定した。教師評価と自動採点得点の相関がある程度高くすることができたため,自動採点による評価の可能性を高めることができた。共同研究者が少ないため,論文執筆や自動採点の準備に予定以上の時間を要しているのが遅れている最大の理由である。また,音声を扱う分析は,書き起こしにもかなりの時間を取られることも遅れの原因となっている。本研究の目標は,まとまった文章を読んで,その後,その文章を見ずに再話や口頭要約を行う活動を工夫して,中高大のニーズに合ったスピーキングテスト(Story Retelling Speaking Test:SRST)を完成させることを目標としている。今年度は,次の3つのことを行った。第1点目は、昨年度から継続していたピア評価の成果報告を行うことができた。文章の中に使えるようになってほしい文法事項(ターゲット文法)を入れ,その文法事項とそれ以外のさまざまなスピーキング観点を入れたルーブリックを作成し、学生のパフォーマンス評価能力を調査した。それを教師評価だけでなく、外部の妥当性および信頼性が担保されたTSST (Telephone Standard Speaking Test)の得点結果と比較した。その論文が全国英語教育学会誌(ARELE 30号)に掲載された。第2点目は,SRSTはネット上で受験する仕組みを作ることも可能な形式であるため、受験者の発話をどこまでAIが採点できるかということを検討した。
精子幹細胞の細胞周期の調節機構の解明

精子幹細胞は自己複製増殖をするとともに分化して、一生にわたり沢山の数の精子を作る。本研究では細胞周期調節因子のCyclin-dependent kinase inhibitor (CDKI)のp21とp27が精子幹細胞や前駆細胞の増殖・分化に関わっていることを明らかにした。p21やp27を培養精子幹細胞(Germline Stem ; GS細胞)に高発現させると増殖の抑制が起こること、またGS細胞は自己複製因子GDNFによりp21やp27遺伝子の発現レベルが低下することから、これらのシグナルが精子幹細胞や前駆細胞の増殖制御に関わっているのではないかと考えられた。そこで、精子幹細胞移植法によりp21KO、p27KOマウスの精巣における幹細胞の機能的活性を調べたところ、幹細胞活性と分化能は保たれており、幹細胞数も野生型と差が見られなかった。しかしながら、我々は通常の精子幹細胞移植法では検出できない差異があるのではないかと考え、更にCompetitve transplantarion assay(競合的移植アッセイ)を行った。この方法は野生型の幹細胞と1:1でミックスして移植を行うというもので、競合させた場合の幹細胞の優位性を判定できるものである。この方法で移植したレシピエントから生まれた仔のゲノタイプを長期にわたり調査したところ、野生型に比しp21KO由来の仔が優勢に生まれるのに対し、p27KO由来の仔は殆ど生まれなかった。さらに継代移植にて幹細胞の自己複製活性を調べたところ、p21KO由来の幹細胞では有意に低下していることが分かった。これらのことから、p21,p27などのCDKIは精子幹細胞からのGermline transmission効率に影響すること、p27遺伝子の発現が精子幹細胞の自己複製制御に関わっていることが分かった。研究代表者らは精子幹細胞の自己複製シグナルを解析し、精子幹細胞培養株(Germline Stem : GS細胞)を用いて2007年にAkt/PI3Kを介するシグナル経路が自己複製因子GDNF(Glialcell-line derivedneurotrophic factor)からの刺激を伝達していることを明らかにした。しかしGDNF単独ではGS細胞の自己複製増殖は維持されず、FGF2(Fibroblast Growth Factor 2)からの刺激を必要とすることから、Akt/P13K以外のシグナル経路も関与していることが示唆されていた。そこで本年度の研究ではGS細胞ヘレンチウイルスによる発現ベクターを導入し、他の自己複製シグナル分子のスクリーニングを行ったところ、Rasが関与していることを見出した。Rasのdominant negative体をGS細胞に導入したところ、GS細胞の自己複製増殖は著しく阻害された。「またRasの強制発現によりGS細胞はGDNF非依存性に長期にわたって増殖することが分かった。4ヶ月以上培養した細胞は野生型GS細胞と同様精子幹細胞マーカーの発現を維持し、精巣内に移植すると精子形成像が見られたことから、精子幹細胞としての活性を維持していることが示唆された。さらに、試験管内においては4ヶ月の培養期間中特にGS細胞の形態等に変化は見られなかったが、移植後の精巣においては精子形成像の他に、一部でseminomaの形成が認められた。これらのことから、Ras分子がAktと同様に精子幹細胞の自己複製制御に関わっていること、しかしAktのoverexpressionの場合とは異なり、Rasには精子幹細胞の腫瘍化を促す作用があることが明らかになった。しかしここで形成される腫瘍像はseminomaであり、奇形腫は認められなかった。この成果は現在論文投稿中である。
液相分散型超塑性材料の組織安定性に関する研究

一般に、固液2相組織は、液相が固相の結晶粒界をフィルム状に覆うため、著しく脆いことが知られている。最近、少量の液相Biを分散させたAl-Bi合金は、脆化しないばかりか、超塑性を示すことが小池らにより報告された。本合金系で脆化しない理由は、現在のところ明らかではないが、Al-Bi系が典型的な偏晶型状態図を示し粒界と液相Biとの濡れ性が極めて悪く、液相Biが粒界上に粒子状に存在することが大きく関与していると考えられる。本研究では、このような特徴的な液相分散組織を有する、Al-Bi合金の粒界移動と結晶粒成長の挙動を明らかにすることを目的とする。数vol%程度の液相Biを有する合金を高周波溶解した後、50%の冷間加工を行い、500°Cで再結晶及び粒成長処理を行った。適当な時間の熱処理後、氷水中焼き入れし、Biの分散状態についてはSEMで、また結晶粒界組織については電界腐食後、光学顕微鏡により観察した。組織観察の結果、以下の点が明かとなった。(1)結晶粒内のBi粒子については、熱処理時間が経過しても分布やサイズに殆ど明瞭な変化が見られない。(2)結晶粒界の移動により、Bi粒子は粒界に吸収され、粒界上での"オストワルド成長"により、粗大な粒界析出粒子を形成する。(3)粒界のBi粒子は、粒界と共に移動する。本研究では、今回の結果を説明するものとして、液相粒子中のAl原子の拡散を仮定した液相粒子の移動モデルを導いた。これより、液相粒子の移動速度vは、液相粒子中の溶質元素(Al)の拡散係数に比例し、液相粒子径に反比例する事が示された。
原発性胆汁性肝硬変の病因エピトープの同定と抗原特異的治療法の開発

本研究では,これまでの他の研究施設およびわれわれの研究実績を基に,PBCをヒトの臓器特異的自己免疫疾患のモデルとして取り上げ,PBCに特異的なTCRリガンドの同定,TCRリガンドの発現調節やTCRリガンドによる自己反応性Tリンパ球の活性化機構等その免疫異常の本態を分子レベルで明らかにする.また,MHC結合修飾ペプチドによるTリンパ球の免疫応答の制御,さらには,PBCモデル動物の開発を行い,それを利用して疾患特異的治療法の確立を試みることを目的とした.本研究の成果として,PBC患者の末梢血中にはHLA-DR53拘束性にヒトPDC-E2ペプチド163-176に反応するT細胞が存在し,EXDKがその認識に重要である,このようなT細胞は健常者に比しPBC患者に有意に多く存在する,またこれらのT細胞はCD4陽性でTh1様タイプであり,EXDK配列を有する他の抗原ペプチドの中にPDC-E2ペプチド特異的T細胞が反応する外来抗原ペプチドが6種類存在する,さらにmolecular mimicryペプチドに特異的なT細胞が自己反応性PDC-E2ペプチド特異的T細胞の活性化を抑制し,自己免疫反応を調節しているという結果を得た.これらの結果より,分子相同性がPBCの病態形成に何らかの関与をもち,エピトープ特異的な免疫制御療法の格好のターゲットになる可能性が考えられた.また,T細胞クローンのTCRを解析した結果,超可変領域CDR3はGXG,GXS,RGXGという限られたモチーフが使用されていることが明らかとなった(Ichiki et al).このことより,CDR3をターゲットとした免疫療法の可能性が得られた.本研究を通じて,PBCの発症に関与する病因エピトープと自己抗原認識機構の一端が分子レベルで明らかとなり,TCRリガンド特異的免疫制御法の開発の可能性が期待された.また,本研究で得られた知見は,他のヒト自己免疫疾患の病態解析や治療法の開発に有用な情報を提供できるものと思われた.本研究では,これまでの他の研究施設およびわれわれの研究実績を基に,PBCをヒトの臓器特異的自己免疫疾患のモデルとして取り上げ,PBCに特異的なTCRリガンドの同定,TCRリガンドの発現調節やTCRリガンドによる自己反応性Tリンパ球の活性化機構等その免疫異常の本態を分子レベルで明らかにする.また,MHC結合修飾ペプチドによるTリンパ球の免疫応答の制御,さらには,PBCモデル動物の開発を行い,それを利用して疾患特異的治療法の確立を試みることを目的とした.本研究の成果として,PBC患者の末梢血中にはHLA-DR53拘束性にヒトPDC-E2ペプチド163-176に反応するT細胞が存在し,EXDKがその認識に重要である,このようなT細胞は健常者に比しPBC患者に有意に多く存在する,またこれらのT細胞はCD4陽性でTh1様タイプであり,EXDK配列を有する他の抗原ペプチドの中にPDC-E2ペプチド特異的T細胞が反応する外来抗原ペプチドが6種類存在する,さらにmolecular mimicryペプチドに特異的なT細胞が自己反応性PDC-E2ペプチド特異的T細胞の活性化を抑制し,自己免疫反応を調節しているという結果を得た.これらの結果より,分子相同性がPBCの病態形成に何らかの関与をもち,エピトープ特異的な免疫制御療法の格好のターゲットになる可能性が考えられた.また,T細胞クローンのTCRを解析した結果,超可変領域CDR3はGXG,GXS,RGXGという限られたモチーフが使用されていることが明らかとなった(Ichiki et al).このことより,CDR3をターゲットとした免疫療法の可能性が得られた.本研究を通じて,PBCの発症に関与する病因エピトープと自己抗原認識機構の一端が分子レベルで明らかとなり,TCRリガンド特異的免疫制御法の開発の可能性が期待された.また,本研究で得られた知見は,他のヒト自己免疫疾患の病態解析や治療法の開発に有用な情報を提供できるものと思われた.
嫌気条件下でのチフス菌Vi抗原の発現調節機構の解析

チフス菌のVi抗原はこの菌の重要な病原因子として広く知られてきたが、その発現に影響を与える環境因子について殆ど知られていなかった。我々は種々の培養条件下でVi抗原産生について解析した結果、嫌気条件下でVi抗原の産生が促進されることを明かにした。この発現調節機構を解析するため相同性組み換えを利用してチフス菌の染色体上のVi多糖生合成遺伝子vipAにレポタ-遺伝子(CAT)を挿入した変異株を作製した。この変異株をもちい培養条件の違いによるVi遺伝子の転写量を比較した結果、好気培養に比べ嫌気培養では3倍以上Vi遺伝子の転写量が増加することがわかった。またVi多糖の産生に必要な10の遺伝子群はオペロン構造を持つことから、このオペロン上流の調節領域が培養条件による発現調節に重要な役割を果たしていると考えられた。このオペロンの先頭に位置するvipR遺伝子を破壊した株ではこのオペロン全体の転写が100倍以上低下したが、vipRの再導入により転写量が回復した。vipRの推定アミノ酸配列からこの遺伝子産物は21000の塩基性蛋白であり、C末端にヘリックス-ターン-ヘリックスの構造をもつ。vipRを大腸菌で大量に発現させ、粗抽出液を使いゲルシフトアッセイによるDNA結合実験をおこなった結果、vipR産物はオペロン上流の調節領域に結合することがわかった。vipRはこのオペロン内にコードされているが、vipR産物によりこのオペロンが正に発現制御されていることが明かとなった。vipR産物を大量に発現させたチフス菌では培養条件に拘わらずViを多量に産生したことから、vipR産物が嫌気条件でのVi抗原産生に関与している可能性が示唆された。
DNAブラシ界面間力の表層構造依存性に基づく「水和スイッチ」の創出

これまでに固液界面で二本鎖DNAがブラシ状に集積して形成する「DNAブラシ」において、表層構造の僅かな違いがその界面特性に明敏に反映される事例を報告してきた。本申請課題では、DNAブラシの表層構造と水和状態の関連性に着目し、これを制御するための「水和スイッチ」システムの創出を目指す。本年度(H30)は、以下の項目に関して重点的に検討を行った。(1)DNAマイクロビーズのブラシ密度の定量化:昨年度の検討において確立した調製法をもとに、粒径が2マイクロメートルのカルボン酸ビーズ上に形成されるDNAブラシの密度を、Cy3ラベル化DNAを用いて蛍光定量した。その結果、DNAブラシは末端配列に依らず、55 - 60 nm^2/strandの密度でビーズ上に形成されていることがわかった。(2)DNAマイクロビーズのレーザートラッピング:所定濃度のNaClおよび0.01 wt% Tween20を含むTris-HCl緩衝液(10 mM, pH 7.4)に分散させたDNAマイクロビーズのIRレーザーによるトラッピングを検討し、単一粒子操作に最適な濃度を決定した。また、レーザー出力1.5WにおけるDNAマイクロビーズのtrapping stiffness (k)を、パワースペクトル解析から求めたところ、溶液中の塩濃度や表層の配列に依らずk = 2.0 - 3.0 x 10^-4 N/mの範囲であることを確認した。(3)光ピンセット法によるDNAブラシ界面間力計測:レーザートラップした2つのDNAマイクロビーズを操作し、粒子間におけるForce-Displacement (F-D)曲線を測定した。表層構造がGCペア、およびCCミスマッチのものに関して測定を行った結果、我々が以前報告した液中コロイドプローブAFM法による力学計測と傾向が良く一致していることがわかった。様々な表層構造をもつDNAマイクロビーズを調製し、その基本的なキャラクタリゼーションが順調に進んでいる。また、当該粒子をレーザーで単一粒子トラップし、2つの粒子間で生じる相互作用を定量的に力学計測する手法を当初の計画以上のペースで確立することができ、関連データの蓄積も順調に進行している。DNAブラシの表層構造に加え、溶液中の塩濃度や種類がDNAマイクロビーズ間相互作用に及ぼす影響について、Hoffmeister系列などを参考にしながら系統的な検討を行う。確立できた評価法を、本課題の最終目標である「水和スイッチ」を導入したDNAブラシに適用する。アミノ化オリゴDNAをカルボン酸マイクロビーズ(直径:2マイクロメートル)分散液に添加し、アミド縮合剤の存在下で振とうを行い、オリゴDNA鎖が表面に化学固定されたDNAマイクロビーズを調製した。種々の反応条件を最適化し、オリゴDNA鎖でブラシ状に表面を覆われた単分散状態のDNAマイクロビーズの調製に成功した。今回検討したDNAマイクロビーズの直径は約2マイクロメートルであり、光学顕微鏡で水中に分散した状態のビーズを観察可能であった。一本鎖DNAが固定されたDNAマイクロビーズは、高濃度の塩化ナトリウム(1M)が共存する環境でも個々のビーズが独立して分散状態を保持したが、DNA二重鎖を固定したマイクロビーズは300mM以上の塩化ナトリウム共存下では徐々に会合体を形成する挙動が顕微鏡観察で確認された。興味深いことに、マイクロビーズ上に固定されたDNA二重鎖の最末端が非相補(TT、CCミスマッチ)配列である場合は、高濃度の塩化ナトリウム共存下においてもDNAマイクロビーズは会合体を形成せず分散状態を保持した。各DNAマイクロビーズのゼータ電位を計測したところ、表層に固定したオリゴDNAの構造に関係なく一定の値を示し、有意な差は認められなかった。以上の結果は、300mM以上の塩化ナトリウム環境下において、相補配列のDNA二重鎖間で引力的な相互作用が発生することを意味する。さらに光ピンセットを用い、DNAマイクロビーズを2個トラップして粒子間に発生する凝着力を直接計測することに成功した。ポリマーマイクロビーズ上にDNA鎖を密に固定化し、DNAブラシ層を形成させる手法を確立できた。また、このDNAマイクロビーズを光ピンセットでトラップし、粒子間で発生する相互作用を、力の値として定量的に評価する手法を当初の計画以上のペースで確立することができた。

また、レーザー出力1.5WにおけるDNAマイクロビーズのtrapping stiffness (k)を、パワースペクトル解析から求めたところ、溶液中の塩濃度や表層の配列に依らずk = 2.0 - 3.0 x 10^-4 N/mの範囲であることを確認した。(3)光ピンセット法によるDNAブラシ界面間力計測:レーザートラップした2つのDNAマイクロビーズを操作し、粒子間におけるForce-Displacement (F-D)曲線を測定した。表層構造がGCペア、およびCCミスマッチのものに関して測定を行った結果、我々が以前報告した液中コロイドプローブAFM法による力学計測と傾向が良く一致していることがわかった。様々な表層構造をもつDNAマイクロビーズを調製し、その基本的なキャラクタリゼーションが順調に進んでいる。また、当該粒子をレーザーで単一粒子トラップし、2つの粒子間で生じる相互作用を定量的に力学計測する手法を当初の計画以上のペースで確立することができ、関連データの蓄積も順調に進行している。マイクロビーズ上に固定化されたDNA鎖の定量法を確立する。DNAブラシの表層構造に加え、溶液中の塩濃度や種類がDNAマイクロビーズ間相互作用に及ぼす影響について、Hoffmeister系列を参考にしながら系統的な評価を行う。DNAブラシの表層構造に加え、溶液中の塩濃度や種類がDNAマイクロビーズ間相互作用に及ぼす影響について、Hoffmeister系列などを参考にしながら系統的な検討を行う。確立できた評価法を、本課題の最終目標である「水和スイッチ」を導入したDNAブラシに適用する。本研究で使用する計測装置の改造に関して最終的な仕様の決定および試作に要する時間が、計画当初に想定していた以上に長期化したため、初年度内に全てを完了することが出来なかった。仕様などに関しては検討が完了しており、次年度では計画どおり装置の機能拡張のために使用する予定である。本課題を遂行するための主要装置(光ピンセットシステム)の補修が、当該メーカーの統合の影響で年度内に完了できず予定していた補修費の執行に至らなかったことが主な理由である。早期に装置の補修が完了するよう、メーカー側に協力を要請し、計画どおり予算執行を行う計画である。
非結像フレネルレンズと光ファイバによる太陽エネルギーの高密度集光・輸送技術の開発

本研究は太陽光を集光し光ファイバを用いて加熱部まで伝送して熱変換する方式の有効性を実験的に明らかにすることを目的とする.H17年度は光ファイバの代わりにガラス製ロッド(直径1mm,長さ約500mm)を使用した.また,集光用レンズおよび加熱部もそれに合わせて製作した.非結像フレネルレンズは受光部直径1mmに対し光学的集光比390倍,許容入射半角0.58度,直径22mmの平板型を設計した.光学シミュレーションによる評価では光学的効率が78%と予測されたが,実際の日射による測定では57%の効率となった.集光分布が直径2mmまで広がっていたことから,これはプリズムでの色収差およびプリズム製作時の誤差に起因すると考えられる.加熱部は縦10mm×横10mm×長さ150mmの直方体形状のアルミ製外殻(外側を断熱)の中心軸上に縦3mm×横3mm×長さ150mmのアルミ製直方体の受光部を設置した.両方とも黒ペンキ塗装を施した.3つのレンズで集光された光はそれぞれガラスロッドを通して受光部直近まで伝送され,ロッド末端から受光部に照射される.3つのレンズを一セットとし,加熱部には5セットの集光部を設けた.外殻は密閉し,受光部裏側(照射していない面)と中の空気温度を計測し,伝熱量を求めた.晴天時(直逹日射量約800W/m^2)において集光・集熱実験を行ったところ,受光部および空気の温度は照射開始10分後に150-160°Cまで上昇し,一定となった.本結果は提案方式による高温集熱の基本的な有効性を示している.ただし,太陽日射から空気加熱までの総合的な効率は26%であった.入力の内45%はレンズ損失および集光損失となっており,レンズ性能の向上が重要な課題である.光ファイバを用いた集光光学系の基本的構造を整理した.ファイバには直径3mmのプラスチックファイバを選択し,フレネルレンズは集光面積を大きくとれる平板型とした.レンズの大きさは光ファイバ受光角で制約されるが,大きくするほど許容入射半角が小さくなるとともに光学的効率が低下するため,許容入射半角を0.7゚,レンズ半径を69mmに設定した.それに基づき,幾何学的集光比1800倍の6角形非結像フレネルレンズを設計し光学シミュレーションによって解析した結果,レンズの光学的効率が80%,光学的集光比1400倍となることを得た.実際に製造したレンズをレーザー光を用いて効率を測定した結果,ほぼシミュレーション値が得られることを確認した.また,集光による光強度をNDフィルタを複数はさんで弱め,光センサを用いて受光部における集光分布を測定した.その結果,受光部中心から離れるにしたがって急速に光強度が低下する一方,受光部の外側に集光光が漏れていることがわかった.そのため受光部で補足できるエネルギーは理論値の60%にとどまった.さらにレンズと光ファイバを組み合わせた系の伝送性能を調べた.レーザー光を平行ビーム状に広げてレンズに入射し,受光部位置に光ファイバを設置してファイバ終端から出る光強度を測定した.その結果,光ファイバ入射面での損失が10%ほどあるが,5mまでのファイバ伝送性能はシミュレーションとほぼ一致することがわかった.なお,入射面の形状が凸状あるいは凹状の場合について光学シミュレーションを行ったところ,伝送効率が低下することが示された.この結果は,今回の入射面での損失が大きい理由としてファイバ端面が十分平面になっていないことを示唆している.本研究は太陽光を集光し光ファイバを用いて加熱部まで伝送して熱変換する方式の有効性を実験的に明らかにすることを目的とする.H17年度は光ファイバの代わりにガラス製ロッド(直径1mm,長さ約500mm)を使用した.また,集光用レンズおよび加熱部もそれに合わせて製作した.非結像フレネルレンズは受光部直径1mmに対し光学的集光比390倍,許容入射半角0.58度,直径22mmの平板型を設計した.光学シミュレーションによる評価では光学的効率が78%と予測されたが,実際の日射による測定では57%の効率となった.集光分布が直径2mmまで広がっていたことから,これはプリズムでの色収差およびプリズム製作時の誤差に起因すると考えられる.加熱部は縦10mm×横10mm×長さ150mmの直方体形状のアルミ製外殻(外側を断熱)の中心軸上に縦3mm×横3mm×長さ150mmのアルミ製直方体の受光部を設置した.両方とも黒ペンキ塗装を施した.3つのレンズで集光された光はそれぞれガラスロッドを通して受光部直近まで伝送され,ロッド末端から受光部に照射される.3つのレンズを一セットとし,加熱部には5セットの集光部を設けた.外殻は密閉し,受光部裏側(照射していない面)と中の空気温度を計測し,伝熱量を求めた.晴天時(直逹日射量約800W/m^2)において集光・集熱実験を行ったところ,受光部および空気の温度は照射開始10分後に150-160°Cまで上昇し,一定となった.本結果は提案方式による高温集熱の基本的な有効性を示している.