hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
複雑乱流場における巨視的ダイナミクスの発現の研究

さらに,希薄ガス流(分担者:尾形)について,中クヌッセン数(Kn0(1))流れに対し、希薄効果に伴う壁面での「速度2階滑り境界条件」をナビエストークス方程式に組み込み、その有効性の検証を行ったが、マイクロボアズイユ流れ等で剛体球モデルのボルツマン方程式の解・実験値と良く一致する結果を得た。研究目的である複雑乱流場における巨視的ダイナミクスの出現について解析を行った。乱流境界層については,壁面条件が断熱境界条件と低温度境界条件であり,また入り口撹乱条件の複数の場合に,ヘアピン渦パケット構造,低速ストリーク形成・崩壊およびそれに伴う二次的・三次的ヘアピン構造の形成に重要な役割を果たす渦ダイナミクスがどのように出現するか解析した。壁面低速ストリークは常に上昇傾向をもち,谷に対応する低速ストリークのまわりにヘアピン渦およびそれに類する構造が多く見られ,それに伴い急激に渦構造が豊富かつ複雑に発達することによって低速ストリークであった低速塊が乱流境界層の外層付近で崩壊していることが明らかになった。崩壊に伴い,ストリーク間隔の数倍のスパンにわたる馬蹄渦形状が外層に形成され、境界層の一つの特徴が形成される。重要な一連の崩壊過程において、壁面近傍は次世代のヘアピン随伴渦の覆われ、これらは次世代の低速ストリークを形成することに重要な役割をはたしていることが明らかになった。なお、分担者出川はコンパクトスキームを用いる本計算法の高速化を主に研究した。乱流境界層などにおける壁面近傍から境界層内せん断層内に出現する渦運動の大規模ダイナミクスを研究することによって,研究目的である複雑乱流場における巨視的ダイナミクスの出現について解析を行った。流れは乱流遷移構造を含み下流に乱流境界層が発達する空間発展型計算によるデータ・ベースを構築して様々な無次元パラメーター(マッハ数、レイノルズ数、上流かく乱条件、壁面境界温度条件)における直接計算結果のデータ・ベースを構築し解析を行った。多くのストリークが発達する上流条件を用いた場合は、かく乱の変動が比較的大きな領域のスポット構造が発展してヘアピン渦パケット構造を起点として低速ストリークに関連した大規模なLift-Upメカニズムが発生する。これまでに発見した分水嶺の谷の構造にストリークが発達して,谷の構造が合流するより大きなストリーク構造が低速塊が上昇する基本的なダイナミクスを形成し、その階層の上層には馬蹄形渦の形成に見られる新たなダイナミクスが観察された。豊富な渦構造群は一連の構造形成とともに2次や3次渦構造として発達して,大規模な渦構造群として観察されることになることが明らかになった。低速ストリークに関連した低速塊のLift-Up機能が働くことによって階層ごとの不安定性と渦構造に起因する新旧世代間階層型の巨視的ダイナミクスが発現されることが解明できた。
単結合窒素と重遷移金属から成る窒化物のメガバール領域相安定性と電子構造の解明

超高圧下で温度制御可能な合成・その場測定システムを開発し確立した.窒素ー窒素間結合が単結合となる窒化物が十分に形成可能となるメガバール領域を対象として,相図の作成に耐えうる合成・その場測定システムを開発し確立した.超高圧高温超臨界窒素流体と金属の直接窒化反応という単一合成法を適用して,重遷移金属窒化物の系統的な合成に成功し,全く新しい重遷移金属窒化物を発見した.その場測定によって相を同定し,これを基にした相安定性を決定した.極微小な超高圧合成試料でも高精度の電子構造スペクトルが得られる測定技術を開発し確立した.重遷移金属窒化物の結合状態・結晶構造・電子構造の系統性と相安定性機構を解明した.単結合窒素と重遷移金属(4d,5d遷移金属)から成る遷移金属窒化物は,近年,ダイアモンドアンビルセル超高圧発生装置と赤外レーザー加熱を組み合わせた超高圧合成によって見出された新しい物質群であり,将来薄膜化することにより電子材料や超硬材料としても期待されている.しかしながら,合成技術上の制約から未だ系統的な実験研究はなく,相安定性や電子構造の理解は進んでいない.そこで本研究では,従来のレーザー加熱型超高圧合成システムとは根本的に異なり,メガバールという超高圧領域においても,系統的な合成実験とその場測定が可能なシステムを開発する.これにより,本物質群の相図を決定し,結合状態・結晶構造・電子構造の系統性を実験と理論の両面から明らかにするとともに,単結合窒素重遷移金属窒物の相安定性機構を解明する.25年度の主たる計画内容は,超高圧高温研究に関する様々な高度な要素技術を組み合わせて,超高圧合成・その場測定システムの開発・確立であった.そこで,超高圧地球科学が専門の協力者を得て,代表者らが,現有のシステムをベースにして,メガバール領域での超高圧合成システムの開発・確立に成功した.さらに,分担者らが,現有のラマン測定装置をこのシステムに組み込み,超高圧高温その場ラマン測定による相変化の調査も可能なシステムとした.また,別の分担者らが,極微小な超高圧合成試料でも高精度の電子構造スペクトルが得られる測定技術を開発・確立した.このシステムを用いて,遷移金属窒化物の合成を試み,Ruの多窒化物などの新規遷移金属窒化物の合成に成功した.超高圧下でのラマン分光測定や放射光X線回折測定や回収試料の光電子分光測定などによって,新規遷移金属窒化物の結晶構造,圧縮挙動,相安定性,結合状態,電子構造などを明らかにした.単結合窒素と重遷移金属(4d,5d遷移金属)から成る遷移金属窒化物は,近年ダイアモンドアンビルセル超高圧発生装置と赤外レーザー加熱を組み合わせた超高圧合成によって見出されつつある新しい物質群であり,将来薄膜化することにより電子材料や超硬材料としても期待されている.しかしながら,合成技術上の制約から未だ系統的な実験研究はなく,相安定性や電子構造の理解は進んでいない.26年度では,従来のレーザー加熱型超高圧合成システムとは根本的に異なり,メガバールという超高圧領域においても,系統的な合成実験とその場測定が可能なオリジナルなシステム:「LASER-DACシステム」の改良・確立に成功した.これよって,遷移金属窒化物,特に重遷移金属から成る遷移金属窒化物の新物質を創製することに成功した.また,温度・圧力に対する新物質群の安定性・相関係を決定した.さらに,TEM-EELSや放射光を用いたXRDやXPSさらにはラマン分光などの最先端分析手法によって,これらの金属窒化物内の結合状態・結晶構造・電子構造・力学物性の系統性を明らかにした.加えて,第1原理計算による理論からも結合状態や電子構造を考察し,実験結果に解釈を与えた.これらの実験・理論の両面からの結果より,単結合窒素重遷移金属窒物の相安定性機構と物性の解明が進んだ.単結合窒素と重遷移金属(4d,5d遷移金属)から成る遷移金属窒化物は,近年ダイアモンドアンビルセル超高圧発生装置と赤外レーザー加熱を組み合わせた超高圧合成によって見出された新しい物質群であり,将来薄膜化することにより電子材料や超硬材料としても期待されている.本研究では,昨年度までに従来のレーザー加熱型超高圧合成システムとは根本的に異なり,超高圧領域においても系統的な合成実験とその場測定が可能なシステムを開発してきた.最終年度では,これまで開発した合成装置と試料評価装置を用いて,新規重遷移金属窒化物を合成しさらに第一原理電子構造計算による理論的な解析も同時に行い,これら物質群の結合状態・結晶構造・電子構造を系統的に解明した.例えば,白金族窒化物MN2 (M = Ru, Ir, Pt)について硬X線光電子分光及び軟X線分光によって電子構造と化学状態を評価した.試料は約0.1 mm以下と小さく.SPring-8の硬X線および軟X線マイクロビームを用いて光電子スペクトルおよび窒素K吸収端スペクトルを取得した.結晶構造パラメタを用いて計算した状態密度分布と価電子帯硬X線光電子スペクトルを比較したところ,計算予測と実験結果はよく対応した.このように,実験・計算ともに,RuN2は金属,IrN2およびPtN2は半導体的電子構造を示した.

一方,PtN2やIrN2では内殻準位に大きな化学シフトが見られたが,RuN2では見られなかった.これらの結果から,窒素K吸収端X線分光の結果も含め化学状態と電子構造について議論し,窒素の単結合と大きな体積弾性率の相関を明らかにした.また,本研究で得られた知見の他物質への展開も試みた.さらに,マルチアンビル型大型プレス装置を用いた研究への展開を念頭に置いて初期実験を試みた.その結果,本研究の成果を応用した様々な展開の可能性が見いだされた.超高圧下で温度制御可能な合成・その場測定システムを開発し確立した.窒素ー窒素間結合が単結合となる窒化物が十分に形成可能となるメガバール領域を対象として,相図の作成に耐えうる合成・その場測定システムを開発し確立した.超高圧高温超臨界窒素流体と金属の直接窒化反応という単一合成法を適用して,重遷移金属窒化物の系統的な合成に成功し,全く新しい重遷移金属窒化物を発見した.その場測定によって相を同定し,これを基にした相安定性を決定した.極微小な超高圧合成試料でも高精度の電子構造スペクトルが得られる測定技術を開発し確立した.重遷移金属窒化物の結合状態・結晶構造・電子構造の系統性と相安定性機構を解明した.本研究の最も重要な目的は2つである.1つ目は,研究対象物質である遷移金属窒化物,特に,単結合窒素と重遷移金属から成る遷移金属窒化物の新物質を創製することである.2つ目は,これらの物質群の結合状態・結晶構造・電子構造の系統性を実験と理論の両面から明らかにし,単結合窒素重遷移金属窒物(4d,5d遷移金属窒化物)の相安定性機構を解明することである.本年度では,1つ目の目的である新物質を創製するために,従来の合成システムとは根本的に異なりメガバールという超高圧領域においても系統的な合成実験が可能なシステムとその場測定が可能なオリジナルなシステム:「LASER-DACシステム」の改良・確立に成功した.これは当初の計画通りの成果である.次に,この独自のシステムを用いて,当初の重要な目的の1つである単結合窒素と重遷移金属(4d,5d遷移金属)から成る新規な遷移金属窒化物の創製に成功した.また,これら新規物質の結合状態・結晶構造・電子構造・力学物性の系統性を,当初の目的とおり精密に明らかにし,第2の重要な最終目的の達成に大きく前進した.さらに,これらの成果をもとに,重遷移金属窒物である4d,5d遷移金属窒化物のみならず,3d遷移金属窒化物にも同様の手法を適用したところ,新物質の創製に成功しつつあり,当初の計画以上に研究が進展し,27年度の研究の進展がおおいに期待される.27年度が最終年度であるため、記入しない。超高圧物質科学26年度の成果と問題を整理し,最終目的を達成するために,合成・評価・解析・考察をこれまでと同様に推進する.各担当分野の担当者が常に有機的に連携して,実験研究に理論計算解析研究を加えて,系統的かつ包括的に研究を進める.合成に関しては,26年度までに手法をほぼ確立したため,これを用いて,次から次へと遷移金属窒化物の合成を試みて,新物質の創製を目指す.ただし,もしも,技術的な壁にぶつかった場合は,固体窒素単体のメガバール領域の研究などで顕著な業績があり,代表者らと現在すでに共同研究を進めているドイツのグループに技術的なサポートを要請して問題を克服する.さらに,実際にDACを製作してもらう会社と綿密に連絡をとり,あらゆるノウハウを駆使して問題を克服する.合成時に,高圧高温その場ラマン測定を行い,相変化や結合の変化を調査する.また,超高圧下での相安定性と結晶構造を解析する.放射光施設を利用したXPS・UPS等の測定実験を行い,常圧回収試料の結合状態(特に窒素間結合)と電子構造を解析する.
部分観測マルコフ決定過程理論に基づく発達尺度の言語関連タスクの包括的実現

本研究では、発達尺度のタスクのうちで言語に関連するものを多数行うことのできるエージェントを開発することを目的とし、「円がいくつか描かれた絵を見て円の個数を答える(3歳9ヶ月レベル)」などを行うロボットを開発することができた。さらに、各タスクの遂行に必要な情報処理を機能要素モジュールの組み合わせによって実現し、それらのモジュールの組み合わせ方はエージェント自身が自動的に最適化するようにしたことで、多くのタスクを行うエージェントを効率的に開発できるようにした。本研究は、発達尺度のタスクのうちで言語に関連するものを多数行うことのできるエージェントを開発することを目的としている。その際、部分観測マルコフ決定過程(POMDP)理論を用いることによって、どのタスクを行うべきかの指示をエージェントが理解できるようにするとともに、各タスクの遂行においてどのような情報処理を行えばよいかを、エージェント自身が自動的に最適化できるようにすることを目指している。昨年度は、発達尺度のタスクのうちで言語に関連するものを複数個行うことのできるエージェントを作製する計画としており、「言葉を聞いて対応する絵を指さす(1歳7ヶ月レベル)」、「絵を見てその名称を答える(2歳0ヶ月レベル)」、「円がいくつか描かれた絵を見て円の個数を答える(3歳9ヶ月レベル)」などについては行えるようになった。今年度は、それに加えて「2本の棒を見てどちらが長いかを答える(2歳9ヶ月レベル)」などについて研究を進め、まだ完成には至っていないが、行える目処がついた。また、昨年度は、各タスクの遂行においてどのような情報処理を行えばよいかについて、モデル有り型強化学習を用いて自動的に最適化することに成功していたが、今年度は、モデル有り型強化学習に汎化能力を持たせ、最適化に要する時間を短縮させることに成功した。また、強化学習ではなく、階層的な確率モデルを用いた最適化手法を用いるアプローチについても研究し、実装までは行うことができた(現在、性能評価を行っている)。本年度は、発達尺度のタスクのうちで言語に関連するものを複数個行うことのできるエージェントを作製する計画としており、例えば、「言葉を聞いて対応する絵を指さす(1歳7ヶ月レベル)」、「絵を見てその名称を答える(2歳0ヶ月レベル)」、「2本の棒を見てどちらが長いかを答える(2歳9ヶ月レベル)」、「円がいくつか描かれた絵を見て円の個数を答える(3歳9ヶ月レベル)」などから少なくとも2個以上のタスクを行えるようにする予定としていたが、上記のうち「2本の棒を見てどちらが長いかを答える(2歳9ヶ月レベル)」を除く3個のタスクについては概ね行えるようになった。さらに、個々のタスクをOpenRTM-aistを用いて複数のモジュールの組み合わせで実現するようにし、各タスクに対して、その実現に必要なモジュールの組合せを、モデル有り型強化学習を用いて自動的に最適化することにも成功した。また、物体の名称を聞いてその形状を推定するなどの、上記以外のタスクについても研究を進めることができた。今年度は、タスクの数が増えた場合の検討を行った。特に、各タスクの遂行においてどのような情報処理を行えばよいかをエージェント自身が自動的に最適化する部分について、主に学習の側面から研究を進めることができた。この最適化は、画像認識や音声認識など個別の情報処理を行うモジュールをあらかじめいくつか用意しておき、それらをタスクごとに適切な順序で組み合わせて用いることで、それぞれのタスクに必要な情報処理を実現するというものであるが、昨年度までは、その最適化のために必要な各モジュールの動作モデルを設計者が手で与える必要があり、非常に手間がかかっていた。そこで今年度は、エージェントが自らの経験に基づいて各モジュールの動作モデルを自動的に学習できるようにした。さらに、帰納論理プログラミングを用いて汎化学習を可能にしたことで、タスクの数が増えても少数の経験から学習できるようにし、例えばタスクの数が12個の場合に、100試行程度で学習可能であることなどを示した。本研究では、発達尺度のタスクのうちで言語に関連するものを多数行うことのできるエージェントを開発することを目的とした。その際、部分観測マルコフ決定過程(POMDP)理論を用いることによって、どのタスクを行うべきかの指示をエージェントが理解できるようにするとともに、各タスクの遂行においてどのような情報処理を行えばよいかを、エージェント自身が自動的に最適化できるようにすることを目指した。前年度までで、「言葉を聞いて対応する絵を指さす(1歳7ヶ月レベル)」、「絵を見てその名称を答える(2歳0ヶ月レベル)」、「2本の棒を見てどちらが長いかを答える(2歳9ヶ月レベル)」、「円がいくつか描かれた絵を見て円の個数を答える(3歳9ヶ月レベル)」などのタスクを行えるようにした。

また、タスクの遂行を細かな処理モジュールの組み合わせで実現するようにし、どのように各モジュールを組み合わせれば求められたタスクを遂行できるかをエージェント自身がモデル有り型強化学習により自動的に最適化できるようにした。その際に必要となる各モジュールの動作モデルはエージェントが経験から自動的に学習できるようにし、その学習には帰納論理プログラミングを用いて汎化能力をもたせたことで、タスクの数が増えても少数の経験から学習できるようにした。本年度はさらに、強化学習ではなく階層的な確率モデルを用いた最適化手法を用いるアプローチに関して研究を進めた。特に、階層的な確率モデルの学習に関して論文を発表することができた。本研究では、発達尺度のタスクのうちで言語に関連するものを多数行うことのできるエージェントを開発することを目的とし、「円がいくつか描かれた絵を見て円の個数を答える(3歳9ヶ月レベル)」などを行うロボットを開発することができた。さらに、各タスクの遂行に必要な情報処理を機能要素モジュールの組み合わせによって実現し、それらのモジュールの組み合わせ方はエージェント自身が自動的に最適化するようにしたことで、多くのタスクを行うエージェントを効率的に開発できるようにした。発達尺度の言語関連タスクを多数実現することと、どのような情報処理をすればよいかを最適化することに関しては、ある程度研究を進めることができた。しかし、指示の理解についてまだあまり研究を進めることができていない。また、情報処理の最適化に関して階層的な確率モデルを用いた最適化手法を検討したが、性能評価に想定以上に時間がかかり論文発表が遅れてしまったため、次年度の課題としたい。人工知能研究期間を一年延長していただいたため、未達成の部分の研究を着実に行う。前述の通り進展はしたが、まだ完成していない部分が多い。特に、指示をエージェントが理解する部分に、POMDP理論に基づく手法を十分効果的に使用できていない。また、本年度は、発達尺度に詳しい心理学の専門家に判定してもらう予定であったが、それもできなかった。遅れている理由は、今年度は研究以外の業務が多く研究を行える時間が少なかったためであり、研究上で特に問題が発生しているわけではない。各種タスクの実現については、前述の通り計画以上に進めることができた。しかし、未達成の事項として、指示をエージェントが理解する部分や、情報処理の最適化の部分に、POMDP理論に基づく手法を十分効果的に使用できていないことが挙げられる。このように、計画以上に進んだ部分と、計画通りには進まなかった部分とがあるが、平均しておおむね順調に進展しているものと考える。進まなかった部分は次年度に取り返したい。ロボットが故障したことや、性能評価のために想定以上に時間がかかったことにより、論文投稿が遅れてしまった。そのため、投稿用に残していた額(英文校正費を含む)が未使用となってしまった。今後は、未達成の部分について研究を進める。特に、「指示をエージェントが理解したり、情報処理を最適化したりする際に、POMDP理論に基づく手法を使用する」という部分について研究を進める。
脳動脈瘤形成メカニズムに関する生化学的および免疫組織学的検討

【方法】千葉大学脳神経外科および関連病院の受診した、頸部内頸動脈狭窄の評価が行われた脳梗塞患者を対象に、インフォームド・コンセントを得て採血を行った。ヒト微小血管内皮細胞由来cDNAライブラリーを組み込んだλZAPIIファージを、大腸菌に感染させ内皮細胞由来タンパク質を発現させた。タンパク質をニトロセルロース膜に転写後、上述の脳梗塞患者血清に反応する陽性プラークを同定した。塩基配列を決定し抗原タンパク質を同定した。同定したタンパク質を組み換えタンパク質として精製し、ELISA法による血中抗体価の測定を行った。【結果】10例の頸動脈狭窄病変患者血清のスクリーニングで、39種のクローンを抗原タンパク質候補として同定した。6種類のタンパク質の精製を行い、ELISA法により128人の血中抗体価を測定した。6種のタンパク質のうち、Replication protein A2に対する抗体価が高度動脈硬化患者血清で高価を示した。多変量解析の結果、Replication protein A2に対する抗体価は高血圧、糖尿病、高脂血症などの古典的動脈硬化のリスクファクターなどと独立して高度動脈硬化と関連していた。【結語】今後、脳動脈瘤患者を対象にした前向き研究により、脳動脈瘤破裂の予測マーカーとしての有用性を検討してゆく予定である。【基礎的研究】先に行った疫学的調査において,くも膜下出血の危険因子であることが明らかとなった,喫煙の血清酵素活性に及ぼす影響を動物実験により検討した。タバコの主流煙抽出液をラットの腹腔内に投与し,投与後経時的に動脈採血をした。プロテアーゼ活性の経時的変化を,ザイモグラフィーにより検出した。結果:ザイモグラフィーでは経時的に変化するプロテアーゼ活性を認めた。インヒビターを用いた検討により,matrix metalloproteinase (MMP)と考えられた。MMP markerとの比較よりMMP 9と考えている。結論:メタロプロテアーゼをはじめとする細胞外マトリックス代謝に関与する複数の酵素が,タバコ主流煙の腹腔内投与により経時的に活性変化を示すことが明らかとなった。酵素活性変化と動脈瘤形成の関係に関しては,今後の検討が必要である。【臨床的研究】作業仮説:破裂前脳動脈瘤壁において,動脈壁修復などのダイナミックな生化学的病態が存在し,血管壁の未熟なタンパクや分解産物などが産生されている。方法:インフォームド・コンセントを得たくも膜下出血および未破裂脳動脈瘤患者の血清を用いて,SEREX法による一次スクリーニングを行った。続いて,一次スクリーニングで得られたマーカー候補に対してWestern blotting法による二次スクリーニングを行った。結果:現在20例の患者の一次スクリーニングが終了し,約100クローンが単離された。単離されたタンパクの性質をインターネット上で検索するとともに,動脈瘤形成および破裂のマーカーとなりうるか検討を行っている。【方法】千葉大学脳神経外科および関連病院の受診した、くも膜下出血または未破裂脳動脈瘤患者、頸部内頸動脈狭窄による脳梗塞患者を対象に、インフォームド・コンセントを得て採血を行った。ヒト臍帯静脈内皮細胞由来cDNAライブラリーを組み込んだλZAPIIファージを、大腸菌に感染させ内皮細胞由来タンパク質を発現させた。タンパク質をニトロセルロース膜に転写後、上述の脳動脈瘤および脳梗塞患者血清に反応する陽性プラークを同定した。【結果】20例の脳動脈瘤患者血清のスクリーニングで107種、4例の頸動脈狭窄病変患者血清のスクリーニングで24種のクローンを抗原タンパク質候補として同定した。同定されたタンパク質の機能分類の内訳は、脳動脈瘤患者血清では細胞接着関連13%、転写・翻訳関連7%、細胞骨格、酵素、小胞輸送、、細胞外マトリックス関連がそれぞれ4%だった。一方頸部内頸動脈狭窄患者血清と反応したクローンは増殖因子、核酸修飾がそれぞれ8%、酵素4%であり、動脈瘤患者より得られたクローンと傾向の違いを認めた。また脳動脈瘤患者より得られたクローンのうちSPARC(Secreted protein, acidic, cysteine-rich),LGALS9(lectin, galactoside-binding, soluble,9)はSAGE法によって脳動脈瘤壁で発現が上昇している遺伝子として同定されたものと同一であった。
ストキャスティックモデルを用いたガラス転移の研究

本研究の主たるテ-マは、過冷却液体中の原子にみられるストキャスティックな運動をトラッピング拡散模型を用いて表し、ガラス転移点近傍の過冷却液体の動的性質を理解するとともに、ガラス転移に対する知見を得ることである。ノンガウシアンパラメ-タ-が極大となる時間からガラス転移を有限時間のシミュレ-ションから決定する方法を開発した。これを用いてソフトスフェア-系のガラス転移点がΓ=1.58と決定された。次に、モデルと実在系との対応づけを行うとともにモデルの妥当性を検討するために、原子のジャンプ運動の待ち時間分布を比較した。ソフトコア系の原子のジャンプ運動を解析し、待ち時間分布関数が巾関数のテイルを持つことが示された。これは、ジャンプ率が巾関数分布をするトラッピング拡散模型から期待されるものと一致しており、モデルの妥当性が確立された。さらに、待ち時間分布の比較から、トラッピング模型のパラメ-タ-(巾関数分布の巾)とソフトコア系の熱力学変数(カップリング定数)との具体的な関係式を得た。また、ある物理量を与えられた精度内で求めるために必要な時間は、ガラス転移点で急激に増加すること、従って準異常拡散がガラス転移点より上で起ることによって見掛上の転移が見られることを示した。さらに有限時間での振舞の解析を詳しく行うために、トラッピング拡散模型の中間散乱関数および動的構造因子を解析した。準異常拡散によって、中間散乱関数が引伸ばされた指数関数型の減衰をする或いは動的構造因子に巾関数型の減少をする振動数領域が有るといういわゆるαー緩和の特徴が現れることを示した。ジャンプ率の分布と自由体積、配置エントロピ-との関連についても考察を深めた。トラッピング拡散模型を用いたガラス転移の詳細な研究が行われた。まず、ガウシアン・ノンガウシアン転移点を有限時間のシミュレ-ションによっても容易に決定できる方法の開発を試みた。原子の微小振動を考慮に入れると、振動による平均二乗変位とジャンプ運動によるそれとが同程度になる時にノンガウシアンパラメ-タ-が極大となることに着目した。この時刻は、ガラス転移点に近づくと急速に大きくなり、従ってその振舞いから転移点を決定できることを示した。次にモデルの妥当性を検討するためにレジデンスタイム分布の比較を行った。トラッピング拡散模型のレジデンスタイム分布は巾関数のテイルを持ち、ガラス転移点に近づくとテイルが長くなる。分子動力学によっても同様の振舞いが見られモデルの妥当性が示されるとともに、トラッピング拡散模型のパラメ-タ-とソフトスフェア-系のパラメ-タ-の定量的な関係が求められた。また、分子動力学によって観測されているΓ=1.45付近のダイナミックスにおける転移を説明するためにアパレントグラスという概念を導入した。アパレントグラスは準異常拡散の出現(平均2乗変位にtの1次式以外にも発散する項が現われる)によって、時間のスケ-ルによっては異常拡散が観測される領域として定義される。現在定量的な解析を行なっており、トラッピング拡散模型によってガラス転移点近傍のダイナミックスを統一的に説明することを試みている。まず、モデルと実在系との対応づけを行うとともにモデルの妥当性を検討するために、原子のジャンプ運動の待ち時間分布を比較した。

さらに、待ち時間分布の比較から、トラッピング模型のパラメ-タ-(巾関数分布の巾)とソフトコア系の熱力学変数(カップリング定数)との具体的な関係式を得た。つぎに、アパラントガラス転移の本質にせまるため、有限時間のシミュレ-ションによって求められる物理量の観測時間依存性を、トラッピング拡散模型によって解析した。ある物理量を与えられた精度内で求めるために必要な時間は、ガラス転移点で急激に増加すること、従って計算機シュミレ-ションに必要な時間が飛躍的に大きくなること、また準異常拡散がガラス転移点より上で起ることによって見掛上の転移が見られることを示した。さらに有限時間での振舞の解析を詳しく行うために、トラッピング拡散模型の中間散乱関数および動的構造因子を解析した。準異常拡散によって、中間散乱関数が引伸ばされた指数関数型の減衰をする或いは動的構造因子に巾関数型の減少をする振動数領域が有るといういわゆるαー緩和の特徴が現れることを示した。ジャンプ率の分布と自由体積、配置エントロピ-との関連についても考察を深めた。
無人電池推進船による浅岸域海洋試料採取に関する研究

本研究の目的は、世界最高性能の無人電池推進船を開発し、海洋探査機器として、我が国の喫緊の課題である原子力発電所の海水モニタリング及び浅岸域海洋試料採取を行うことである。平成29年度は、引き続き、1)急速充電対応型電池推進船の完全無人化・サンプリング採取装置の自動化、2)母船・陸上施設とのデータ通信・充電設備設置として、a)船体・資料採取機器改造設計→b)船体無人化改造→c)海洋試料採取機器自動化→d)陸上試験を既存の電池推進船について行い、電池推進船に試料採取機器・GPSなどを取り付けるなどの改造を行った。11月、10月に行った海上無人航行試験及びその解析をもとに、「無人電池推進船を用いた世界最高性能(出力、安定性)の海洋探査機器の開発」の達成について課題を整理した。その結果当初の予測に反し、主として対波浪性の観点から推進・無線操縦システム等船舶構造が安全航行するには不十分であると判明したため、既存の電池推進船のさらなる改造を行った。また1年を通しての外洋域の海象気象に対応した海水モニタリングのためには、電池推進船の対波浪性・位置保持性能の抜本的な向上が必要であることも判明したため、全く新しい船舶の減揺システムを考案し予備実験を行った結果、これまでにない6成分の減揺が可能になることが明らかになっている。並行して電池推進船の推進効率および操作性向上のためのモータ制御に関する予備実験を平成28年度に継続して行い、これまでのモータ推進船のプロペラ推進に比較して新しいプロペラ作動検知を提唱することができたため、2件の特許(プロペラ近傍のキャビテーション気泡及び巻き込み気泡の検出方法及びプロペラ負荷検出方法)を出願した。また以上の結果を専門学会誌に3件の論文として投稿した。平成29年度は、1)急速充電対応型電池推進船の完全無人化・サンプリング採取装置の自動化、2)母船・陸上施設とのデータ通信・充電設備設置として、a)船体・資料採取機器改造設計→b)船体無人化改造→c)海洋試料採取機器自動化→d)陸上試験を既存の電池推進船について行い、電池推進船に試料採取機器・GPSなどを取り付けるなどの改造を行った。3ヶ年目となる平成30年度は、これまでの成果を踏まえて平成29年度以降に予定していた海上試験を踏まえた船体・試料採取機器改造設計を前倒して、早期に海上遠隔操縦の安定化を実施し、本研究目的である「無人電池推進船を用いた世界最高性能(出力、安定性)の海洋探査機器の開発」をさらに加速する。具体には、東京海洋大学繋船場及び富山高等専門学校近傍での海上試験を行った後に、福島第一原子力発電所もしくはその他の原子力発電所港内での海水モニタリング試験を実施し、「無人電池推進船を用いた世界最高性能(出力、安定性)の海洋探査機器の開発」の達成のための課題点の抽出と解決を行う。これまで用いてきた既存の電池推進船は、船体疲労による劣化が激しいこと、及び平水使用のため外洋の使用に適さないことから、新しい船体建造の検討も行う予定である。また1年を通しての海象気象に対応した海水モニタリングのためには、対波浪性・位置保持性能のさらなる向上が必要であることから、平成29年度に考案し、予備実験を行った、新しい船減揺・位置保持システムについて開発を継続し、特許出願を行う。本研究の目的は、無人電池推進船を用いた世界最高性能(出力、安定性)の海洋探査機器を研究開発し、これらを用いて喫緊の課題である原子炉事故汚染水の解明及び海底火山島噴火・生物再生メカニズムを解明することである。研究初年度である平成28年度は、1)急速充電対応型電池推進船2隻の完全無人化・サンプリング採取装置の自動化、2)母船・陸上施設とのデータ通信・充電設備設置として、a)船体・資料採取機器改造設計→b)船体無人化改造→c)海洋試料採取機器自動化→d)陸上試験を「らいちょうI」について行った。「らいちょうI」については、試料採取機器・GPSなどを取り付けた場合の重心・メタセンタ(浮力中心)の予備試算と保有している採取機器の取り付けを行っている。その結果、本年度実施計画の船体無人化改造について著しい進展があり(上記a)→d)の実施が順調であった)、平成29年度に予定していた海上遠隔操縦試験を既に2回実施した。その海上遠隔操縦試験及びその解析結果をもとに、これも平成29年度に実施予定であった海上試験を踏まえたらいちょうIの改造も経費(部品、消耗品等)を前倒使用して行った。この結果、本研究の目的である「無人電池推進船を用いた世界最高性能(出力、安定性)の海洋探査機器の開発」の達成について、早期に問題点を洗い出すことができ、平成29年度以降にこの問題点を十分に対処できる時間を設けることができている。

また当初の計画以外に、無人電池推進船のプロペラ推進効率向上のためのモータ制御に関する予備実験を並行して行い、これまでのプロペラ制御に比較して新しいプロペラ作動検知を提唱することができたため、2件の特許を出願準備中であり、学会発表予定他、学会誌(Journal of the Japan Institute of Marine Engineering)に論文として投稿査読中である。初年度である平成28年度は、実施計画の船体無人化改造について著しい進展があり、平成29年度に予定していた海上遠隔操縦試験を既に2回実施した。その海上遠隔操縦試験及びその解析結果をもとに、これも当初は平成29年度に実施予定であった海上試験を踏まえたらいちょうIの改造も経費(部品、消耗品等)を前倒使用して行った。この結果、本研究の目的である「無人電池推進船を用いた世界最高性能(出力、安定性)の海洋探査機器の開発」の達成について、早期に操縦プログラムなどの問題点を洗い出すことができ、平成29年度以降にこの問題点を十分に対処できる時間を設けることができている。また当初の計画以外に、無人電池推進船のプロペラ推進効率向上のためのモータ制御に関する予備実験を並行して行い、これまでのプロペラ制御に比較して新しいプロペラ作動検知を提唱することができたため、2件の特許を出願準備中であり、学会発表他、学会誌(Journal of the Japan Institute of Marine Engineering)に論文として投稿査読中である。本研究の目的は、世界最高性能の無人電池推進船を開発し、海洋探査機器として、我が国の喫緊の課題である原子力発電所の海水モニタリング及び浅岸域海洋試料採取を行うことである。平成29年度は、引き続き、1)急速充電対応型電池推進船の完全無人化・サンプリング採取装置の自動化、2)母船・陸上施設とのデータ通信・充電設備設置として、a)船体・資料採取機器改造設計→b)船体無人化改造→c)海洋試料採取機器自動化→d)陸上試験を既存の電池推進船について行い、電池推進船に試料採取機器・GPSなどを取り付けるなどの改造を行った。11月、10月に行った海上無人航行試験及びその解析をもとに、「無人電池推進船を用いた世界最高性能(出力、安定性)の海洋探査機器の開発」の達成について課題を整理した。その結果当初の予測に反し、主として対波浪性の観点から推進・無線操縦システム等船舶構造が安全航行するには不十分であると判明したため、既存の電池推進船のさらなる改造を行った。また1年を通しての外洋域の海象気象に対応した海水モニタリングのためには、電池推進船の対波浪性・位置保持性能の抜本的な向上が必要であることも判明したため、全く新しい船舶の減揺システムを考案し予備実験を行った結果、これまでにない6成分の減揺が可能になることが明らかになっている。並行して電池推進船の推進効率および操作性向上のためのモータ制御に関する予備実験を平成28年度に継続して行い、これまでのモータ推進船のプロペラ推進に比較して新しいプロペラ作動検知を提唱することができたため、2件の特許(プロペラ近傍のキャビテーション気泡及び巻き込み気泡の検出方法及びプロペラ負荷検出方法)を出願した。また以上の結果を専門学会誌に3件の論文として投稿した。平成29年度は、1)急速充電対応型電池推進船の完全無人化・サンプリング採取装置の自動化、2)母船・陸上施設とのデータ通信
運動前野と前頭前野の冷却による小脳外側核ニューロンの発射活動の変化

サルの小脳外側核尾部のニューロンは前頭前野および吻側運動前野からの入力を受け、視床運動核内側部に投射することから主に運動前野に出力すると考えられる。これらは遅延条件付きGO/NO-GO課題の遂行中、視覚刺激に対し、短潜時(50-110ms)の応答とそれに続くやや長潜時の応答を示すが、より吻側に位置する運動野と尾側運動前野のみから入力を受け、運動野に出力する外側核ニューロンは、視覚応答としては後者のみを示す。以上のことが先行研究からわかっていた。本研究で、前頭前野主溝腹側部、および吻側運動前野を冷却すると、各々の領野から入力を受ける外側核ニューロンの短潜時視覚応答が減弱することから、この応答の一部は前頭前野の活動に依存することが明らかとなった。また本研究とこれまでのデータから、やや長潜時の視覚応答の半数以上がGO試行とNO-GO試行で異なる発射変化を示すことが分かった。この課題ではGO/NO-GOの区別を知らせる二度目の光刺激は、どちらの試行でも同じ赤か緑のLEDであるため、視覚応答の違いは刺激の持つ意味の違いを反映している可能性が高く、GO/NO-GOの判断に関与する活動と思われる。このような長潜時の応答は、短潜時視覚応答が運動前野に出力されて同野の視覚関連活動を増強し、その結果が小脳に再入力されて生じるとも考えられる。前頭前野入力は外側核尾部のニューロンに短潜時視覚応答を生じさせることにより、次のGO/NO-GOの判断に関与する認知的活動を始動させると思われる。9年度の実験により、サルの前頭前野(PF)と運動前野(PM)の両方の電気刺激に応答を示す単一小脳核ニューロンは、光刺激を手がかりとする認知運動課題において、短潜時の視覚性応答を示すことが判ってきた。視覚性応答がどちらの皮質領野からの入力に依存するかを調べるために各皮質領野の冷却による同応答の変化を観察する計画に基づき、10年度は、冷却実験用サルの課題訓練を開始した。これと併行して上記の記録実験を継続し、組織学的検索を行った結果、以下の知見が得られた。1.外側核の最後尾1/4に位置するニューロンはPFとPMのみから、その前の1/4区分に位置するものは両野に加えて運動野からも、外側核前1/2のニューロンはPMと運動野のみから入力を受ける。2.短潜時視覚性応答を示すニューロンは小脳外側核の後1/2に局在し、視床VL核の吻背内側部により多く投射する(同部の刺激に低閾値逆行性応答を示すものが多い)。VL核吻背内側部は、PMにも投射すること、PMには視覚性応答を示すニューロンが多数存在することが知られているので、PF、あるいはPMから小脳へ送られた視覚情報は、外側核尾部から視床を経て、PMに送り返される可能性が高い。この回路は、随意運動の実行よりも、外界の状況に合った運動パターンを選択することに関与するのではないかと想像される。冷却実験については、一頭目のサルが昨年末に死亡したため、二頭目のサルを訓練しほぼ完了したところである。冷却槽、冷温水の配管切り替え装置などの準備は完了しており、今後、MRI撮影、電極刺入点の決定を行い、約二カ月後には電極、冷却槽の取り付け手術を行う予定である。サルの前頭前野(PF)と運動前野(PM)の両方の電気刺激に応答を示す単一小脳核ニューロンは、光刺激を手がかりとする認知運動課題において、短潜時の視覚性応答を示す。視覚性応答がどちらの皮質領野からの入力に依存するかを調べるために各皮質領野の冷却による小脳核ニューロン発射活動の変化を観察している。

現在、実験記録中のサルは、11年8月に、刺激電極(大脳皮質、視床)および、大脳皮質冷却槽の取り付け手術を行い、9月より認知運動課題の再訓練、11月より、皮質冷却が同課題の遂行に及ぼす影響を観察した。12年1月中旬よりニューロン活動の記録を開始し、冷却ポンプ、熱電対温度計など計画どおり作動し、ユニット記録に支障がないことが確認された。現在までに8個の小脳核ニューロンについて冷却の効果を観察し得たが、短潜時の視覚性応答を示すニューロンについては、まだその効果を調べられていない。(サルが、2-3時間大きな体動なく課題を遂行することに十分慣れていないので、視覚性応答を示すニューロンが集中している部分の調査はもう少し慣れてから行う予定)なお、研究の主目的からずれるが、前頭前野主溝腹側部(PSv)を17-18°C以下で約15分間冷却すると痙攣発作が高頻度に生ずることが観察された。(現在は20°C以上で観察)大脳皮質から外部への出力は興奮性とされているので、冷却で皮質ニューロン活動を抑えることが痙攣発作を誘発することは意外であり注目すべきことと思われる。前頭前野PF(PSv、PSd)、吻側運動前野PMr、尾側運動前野PMc(PMd、PMv)および運動野(Mot)に刺激電極を、また前3者には冷却槽を設置し、遅延条件付きGO/NO-GO課題を訓練した1頭のサルを用い、45個の小脳核ニューロンについて、大脳皮質電気刺激に対する応答PSTHにより前頭葉皮質各部からの入力を調べ、かつ、それらの課題遂行時の発射活動を観察できた。PFあるいはPMrから入力を受けるニューロンの大多数は、課題に用いた光刺激(LED)に対して短潜時(110ms以下)の応答を示すことが確認された。これらのほとんど(43)が視床電気刺激に対し逆行性応答を示し視床への投射が確認された。26個のニューロンで大脳皮質の1カ所または23カ所の冷却の効果を調べた。PFの主溝腹側部PSvの冷却をテストした9個のニューロンのうち7個で、またPMrの冷却では15個中5個で、短潜時視覚応答の減弱が見られた。PMdの冷却による短潜時視覚応答の減弱は7個中2個で見られたが、2例とも同じニューロンに対するPSv,PMr冷却の効果に比べ減弱の程度は弱かった。以上の結果から小脳外側核ニューロンの短潜時視覚応答の一部は前頭前野の活動に依存することが明らかになった。この種の小脳核ニューロンは、短潜時の応答に続いて、やや潜時の長い(110180ms)視覚応答を示す。本実験および以前のデータからその半数以上はGO試行とNO-GO試行で異なった応答を示すことが明確になった。この課題GO/NO-GOの区別を知らせる二度目の光刺激は、どちらの試行でも同じ赤か緑のLEDであるため、視覚応答の違いは刺激の持つ意味の違いを代表している可能性が高く、GO/NO-GOの判断に関与し得る。短潜時視覚応答はその後に続く認知的活動のきっかけになるように思われる。
磁気浮上技術を用いた低溶血・無血栓ディスポーザブル血液ポンプの研究

本研究では,インペラを磁気軸受によって浮上する磁気浮上遠心血液ポンプを提案している.平成22年度は,1.使い捨てインペラに永久磁石を内蔵した1次試作機の2ヵ月の長期動物実験,および2.使い捨てインペラに永久磁石を内蔵しない磁気浮上遠心血液ポンプの評価,3.血液ポンプ用磁気軸受のコントロールシステムの小型化を実施した.1.1次試作機の長期動物実験生体適合性評価のため,東京医科歯科大学と連携して,仔牛を用いた長期動物実験を実施し,2ヵ月の連続運転に成功した.本実験を通して,市販血液ポンプよりも血栓形成の発生が少なかったことから,インペラを磁気浮上することによる生体適合性向上を確認している.2.使い捨てポンプヘッドに永久磁石を用いない磁気浮上遠心血液ポンプ使い捨てポンプヘッドの低コスト化,安定供給のため,インペラ内部にレアアース磁石を内蔵しない磁気浮上血液ポンプを提案している.本年度はその評価を実施した。具体的には,Hinfinity制御を磁気軸受に適用することで安定した磁気浮上を実現し,臨床使用範囲をカバーする0-4000rpmの回転数において非接触回転を実現している.ポンプ性能は最大で流量5L/min,揚程600mmHgを実現し,臨床時に要求される性能の3倍を実現した.3.磁気軸受コントロールシステムの小型化本血液ポンプは体外設置型であるが,コントローラや電源系を小型化し,患者が持ち運び可能なポータブルシステムとすることを目標としている.その第一段階として,埋め込みシステムを導入することで,磁気軸受用コントロールシステムをA5用紙程度のボードに集約することに成功した.従来の使い捨て遠心血液ポンプでは,血液吐出用の羽根車(インペラ)を接触式軸受で支持することによる,低耐久性,血球破壊,血栓形成が問題になっている.そこで,本研究では,インペラを磁気軸受によって浮上する,磁気浮上遠心血液ポンプを提案している.平成20年度は,(1)インペラの形状が血球破壊に及ぼす影響,(2)動物実験に向けたポンプ性能の評価と向上,および(3)動物実験を行った.(1)インペラ形状が血球に及ぼす影響では,血液吐出用のインペラが羽を有するベーン型インペラと,羽根を有さないコーン型インペラを設計・試作し,血球破壊量の比較を行った.その結果,ベーン型インペラの方が血球破壊量が少ないことが明らかとなった.なお,ベーン型インペラは,血球破壊量が臨床使用されている血液ポンプの半分程度であり,磁気浮上の有効性を確認している.(2)動物実験に向けたポンプ性能の評価と向上では,実用レベルの流量5L/min,揚程800mmHgの性能が達成できるように,インペラにモータトルクを伝達する機構の改良と試作を行った.その結果,5L/min,810mmHgの性能を達成している.また,救急車内の振動を模擬した基盤加振・衝撃試験を実施し,ポンプの安定動作を確認した.これらの実験を通し,試作ポンプの高信頼性を実証している.(3)動物実験では,ポンプ内の血栓特性を評価するため,人間の成人に近い体重60kg程度の仔牛に試作血液ポンプを接続した.8頭実施したところ,12週間の生存に成功し,実験後にポンプヘッドを分解・観察したところ,血栓形成は一切見られず,従来の血液ポンプで問題となっている血栓形成に関しても,解決の兆しが見られた.(1)(3)の研究成果を通し,提案する血液ポンプが従来の血液ポンプよりも血球破壊,血栓形成の点で優れている可能性が示唆された.また,高信頼性を有することが実証された.本研究では,インペラを磁気軸受によって浮上する磁気浮上遠心血液ポンプを提案している.平成21年度は,1.使い捨てポンプヘッドにインペラ磁気浮上・回転用の永久磁石を用いた1次試作機の動物実験,および2.使い捨てポンプヘッドに永久磁石を用いない磁気浮上遠心血液ポンプの提案・設計を実施した.1.1次試作機の動物実験血栓特性を評価するため,東京医科歯科大学の協力のもと,仔牛を用いた2週間程度の動物実験を実施した.その際,心臓の左心室と大動脈に試作血液ポンプを接続し,左心室脱血・下行大動脈送血とした.その結果,これまでに3頭の子牛が2週間の生存に成功し,インペラを磁気浮上することの有効性を確認している.また,長期運用時の生体への影響や,ポンプシステムの耐久性等を確認するため,約一カ月の動物実験も1例実施し,仔牛の生存に成功している.2.使い捨てポンプヘッドに永久磁石を用いない磁気浮上遠心血液ポンプ1次試作機ではインペラ内部に浮上・回転用のネオジム磁石を使用していたが,ネオジム磁石の個々のばらつきが比較的大きく,量産時に高精度回転の維持が困難となることが懸念される.また,レアメタルへの依存の観点からも望ましくない.そこで,使い捨て部に永久磁石を使用しない磁気軸受を提案した.本磁気軸受は,インペラ内部に埋め込んだロータの径方向を電磁石で能動的に制御し,軸・傾き方向を再利用部に用いた永久磁石のバイアス磁束で受動的に支持する2自由度制御型磁気軸受である.設計の際,十分な耐衝撃性を確保するため,磁気軸受の支持剛性が1次試作機と同等となるように磁気回路を工夫した.提案する磁気軸受を適用した2次試作機を用いてインペラの磁気浮上を試みたところ,液体中にてインペラの磁気浮上・非接触回転を実現し,磁気軸受の動作を確認した.

今後は,2次試作機を動物実験に適用する予定である.本研究では,インペラを磁気軸受によって浮上する磁気浮上遠心血液ポンプを提案している.平成22年度は,1.使い捨てインペラに永久磁石を内蔵した1次試作機の2ヵ月の長期動物実験,および2.使い捨てインペラに永久磁石を内蔵しない磁気浮上遠心血液ポンプの評価,3.血液ポンプ用磁気軸受のコントロールシステムの小型化を実施した.1.1次試作機の長期動物実験生体適合性評価のため,東京医科歯科大学と連携して,仔牛を用いた長期動物実験を実施し,2ヵ月の連続運転に成功した.本実験を通して,市販血液ポンプよりも血栓形成の発生が少なかったことから,インペラを磁気浮上することによる生体適合性向上を確認している.2.使い捨てポンプヘッドに永久磁石を用いない磁気浮上遠心血液ポンプ使い捨てポンプヘッドの低コスト化,安定供給のため,インペラ内部にレアアース磁石を内蔵しない磁気浮上血液ポンプを提案している.本年度はその評価を実施した。具体的には,Hinfinity制御を磁気軸受に適用することで安定した磁気浮上を実現し,臨床使用範囲をカバーする0-4000rpmの回転数において非接触回転を実現している.ポンプ性能は最大で流量5L/min,揚程600mmHgを実現し,臨床時に要求される性能の3倍を実現した.3.磁気軸受コントロールシステムの小型化本血液ポンプは体外設置型であるが,コントローラや電源系を小型化し,患者が持ち運び可能なポータブルシステムとすることを目標としている.その第一段階として,埋め込みシステムを導入することで,磁気軸受用コントロールシステムをA5用紙程度のボードに集約することに成功した.
睡眠・覚醒時のヒスタミンニューロンが示す活動変化の制御メカニズムの解明

睡眠・覚醒中のマウスの脳内から、睡眠・覚醒の各状態の発現に重要な役割を果たすとされている種々のニューロン群の活動を記録した。状態の移行期においてそれらの活動がどのような順序で変化するかを調べた結果、覚醒時に活動するニューロンの活動変化が睡眠時に活動するニューロンの活動変化よりも早く起きていることが明らかになった。睡眠の開始においては、睡眠中枢から覚醒系ニューロン群への抑制ではなく、覚醒系ニューロン群の脱促通の連鎖が最初の重要なステップであると考えられた。本研究は、睡眠開始時のヒスータミン(HA)ニューロンの活動停止は視索前野(POA)の睡眠ニューロンの活動開始よりも先に起こるというこれまでの解析結果を、HAニューロンとPOAニューロンを同時に記録することで、脳波変化を基準とせず直接比較し、証明することを目指している。本年度はまずPOAの領域内にどのような睡眠ニューロンが存在し、睡眠ニューロン以外のニューロンにはどのようなものがあるかを網羅的に探索し、把握することから開始した。その結果、POAの睡眠ニューロンはこれまで示唆されていたよりも広範囲に分布し、覚醒時に特異的に発火するニューロン群も多数混在していることがあきらかになった。また、外側部のアセチルコリンニューロンの分布域では、覚醒及び逆説睡眠時にのみ低頻度で持続的な発火を示すニューロン群が見つかった。(現在アセチルコリンニューロンであることを証明する実験を行っている。)単に睡眠中枢として考えられているPOAにおいて、多数の覚醒ニューロンが示されたことは、脳内の睡眠・覚醒調節機を考える上で重要な知見となった。これらの発火パターンを詳細に解析した結果、POAの内部で覚醒ニューロンと睡眠ニューロンの両者が相互抑制し、この系が脳幹などからの修飾を受けて睡眠・覚醒を調節するモデルを提案した(Neuroscience 2009 (in press))。2箇所同時記録については、予備的な実験により方法論を確立しつつある。マルチユニット記録については、本研究課題グループ内での連携により、実際め記録を始める体制になりつつある。前年度より引き続き、ヒスタミン(HA)ニューロンを含めた覚醒系ニューロン群のふるまいを明らかにするため、青斑核(LC)のノルアドレナリン(NA)ニューロンの単一ニューロン活動記録を行った。その結果、LC-NAニューロンは覚醒の開始時に、これまでに記録したHAニューロン、オレキシンニューロン、視索前野(POA)覚醒ニューロン等のどの覚醒ニューロン群よりも早く活動を開始することがわかった。睡眠の開始(覚醒の終了)時にも、LC-NAニューロンはHAと共にPOA睡眠ニューロンの活動開始に先行して活動を低下させていた。これらの結果は睡眠・覚醒の切り替えにおいて、POA睡眠ニューロンではなく覚醒ニューロン群の活動変化が重要であるという我々の仮説を支持している。HAニューロンに対してNAは、間接的に興奮性作用を持つことが示されており、覚醒ニューロン群の連鎖的な活動変化のメカニズムが考えられる。POA睡眠ニューロンとの同時記録についても実験装置の工夫などにより可能であることがわかったが、長時間安定させるのが難しく、現在も記録実験を続けているところである。また、連携研究者の小山、辛島らとともに、多点記録用電極の開発、テストを行っており、脳幹において数個のニューロンを同時に記録できるようになった。今後はこの方法の利点を生かして、安定したニューロン活動記録を行い、脳幹やPOAを含む視床下部での2か所同時記録の質を高める。目的.我々は最近マウスの視索前野(POA)及び前脳基底部(BFB)において睡眠時あるいは覚醒時に特異的に活動するニューロン(睡眠ニューロン/覚醒ニューロン)を見出し、睡眠・覚醒状態の移行期おけるPOA/BFB睡眠ニューロンの活動の変化は、POA/BFB覚醒ニューロン及び視床下部後部(PH)のヒスタミンニューロンやオレキシンニューロン等の覚醒ニューロンの活動変化に遅れることを示した。この睡眠・覚醒の切替機構をさらに明らかにするため、POA/BFBの睡眠/覚醒ニューロン活動を調節しているとされる青斑核(LC)ノルアドレナリン(NA)ニューロンの単一ユニット活動をマウスの睡眠・覚醒サイクルで記録した。結果.LC-NAニューロンは覚醒時に不規則な持続的活動を示し、徐波睡眠開始の指標である脳波の同期化に先行して活動を完全に停止した。この移行期において、LC-NAニューロンの活動は徐波睡眠およびPOA/BFB睡眠ニューロンの活動開始に1秒程度先行して有意に低下していた。音による覚醒刺激に対しては、単発又は2-3発のスパイクによる応答を示し、その潜時は11.2±1.9ms(平均±標準偏差、n=48)と短かった。自発的な徐波睡眠から覚醒への移行期では、覚醒の指標となる脳波の脱同期化の前にスパイク発火を開始した。

その先行時間は、移行期に頸筋電図の大きな変動を伴う場合には361.1±129.2ms(平均±標準偏差、n=105)、変動を伴わない場合には986.4±549.1ms(n=208)であり、POA/BFBやPHの覚醒ニューロンのそれよりも有意に長かった。結論。以上の結果は、LC-NAニューロンの活動が持続的かつ相同的な覚醒の維持に関与し、その活動の変化が覚醒と睡眠の切替機構においてきわめて重要な役割を果たしていることを示唆している。