ヒューマノイドロボットが世界的な研究分野として注目されるはるか以前から、早稲田大学ではその研究開発が行われていました。1973年に誕生したWABOT-1を起点に、その流れは現在のAI搭載ロボットへと受け継がれています。この長い歴史の礎を築いたのが、「日本ロボット研究の父」と称される故・加藤一郎教授です。同教授が1970年代初頭に開始したWABOTプロジェクトは、今日のロボティクス研究にも大きな影響を与え続けています。

本記事では、楽譜を読みエレクトーンを演奏するWABOT-2や、お笑いロボットKOBIANを含む、革新的な8体のロボットを紹介します。

WABOT-1（1973）— 世界初のヒューマノイドロボット

提供： 早稲田大学次世代ロボット研究機構

1973年に加藤教授のチームが完成させたWABOT-1は、世界初の本格的なヒューマノイドロボットとして広く評価されています。このロボットは二足歩行が可能で、手を使って物体をつかむことができ、さらに簡単な日本語によるコミュニケーションも実現していました。当時としては画期的な成果であり、ロボットが人間の基本的な動作や感覚を模倣できることを示した点に大きな意義があります。
その能力は1歳半程度の幼児に相当すると比較されることもあり、この成功はその後のヒューマノイドロボット研究の発展を大きく後押ししました。
なお、WABOT-1は現在、早稲田大学西早稲田キャンパス（63号館1階）で展示されています。

WABOT-2（1984）— 楽譜を読み演奏するロボット

提供： 早稲田大学次世代ロボット研究機構

1984年に発表されたWABOT-2は、音楽能力を備えたヒューマノイドロボットとして開発されました。前モデルのWABOT-1とは異なり、このロボットは楽譜を読み取り、手と足の両方を使って電子オルガン（エレクトーン）を演奏することができます。さらに、人間の歌手に合わせて演奏を調整することも可能でした。
このプロジェクトも加藤教授の指導のもとで進められ、知覚と運動の協調を統合した初期の成果を示しました。WABOT-2は1985年のつくば科学万博（Expo ’85）で公開され、ロボットが創造的かつ対話的な活動を行えることを示す事例として注目を集めました。

一部映像提供: National Communication Museum, Australia

WABOT-2は通常、早稲田大学西早稲田キャンパスの63号館でWABOT-1の隣に展示されていますが、現在はオーストラリア・メルボルンのNational Communication Museumに貸し出されています。同館では、人間と機械の関係性を探る「FRIEND」展の中心展示として紹介されており、まもなく展示期間を終え、2026年半ばから後半にかけて早稲田大学へ戻る予定です。

WABIANシリーズ（1990年代〜2000年代）— 人間らしい歩行の追求

提供：Atsuo TAKANISHI Lab., Waseda University

1990年代から2000年代にかけて開発されたWABIANシリーズは、ロボットの歩行をより人間らしくすることを目的とした研究プロジェクトです。これらのロボットは、安定した二足歩行だけでなく、自然な動きでの方向転換や、物体を持ちながらの移動といった複雑な動作にも対応できるよう設計されました。
高西淳夫教授（理工学術院）をはじめとする研究者たちによって進められたこのシリーズは、ヒューマノイドロボットにおけるバランス制御や運動の協調性の向上に大きく貢献しました。

Waseda Talkers（2000〜2008）— 人間の発話を再現するロボット

提供：Atsuo TAKANISHI Lab., Waseda University

2000年頃から、高西淳夫教授（理工学術院）をはじめとする研究者のもとで開発が始まったWaseda Talkers（WTシリーズ）は、人間がどのようにして音声を生成しているのかを解明することを目的としたロボットシリーズです。このプロジェクトでは、一般的なスピーカーを使用するのではなく、人工声帯や肺、口腔などの人間の発声器官を機械的に再現することによって音声を生成します。
このように人間の発話の仕組みそのものを模倣することで、より自然で現実的な音声の生成が可能となり、人間とロボットのコミュニケーションの理解と発展に寄与しました。

WF-4R（2003）— フルートを奏でるロボット

提供：Atsuo TAKANISHI Lab., Waseda University

WF-4Rは、高西淳夫教授のもとで開発されたフルート演奏ロボットで、「Waseda Flutist No.4 Refined」として知られています。このロボットは、人間のような演奏技術と表現力の再現を目指して設計されており、楽譜に基づいた演奏に加え、メロディを認識しながら人間の演奏者と相互にやり取りする機能も備えています。
同プロジェクトは、音楽演奏に必要とされる複雑な運動制御や感覚処理を理解・再現するための長期的な研究の一環であり、音楽教育や人間とロボットの相互作用研究への応用も視野に入れられています。トレードマークである黒いトップハット姿も印象的です。

TWENDY-ONE（2007）— 安全で実用的な生活支援ロボット

提供： 早稲田大学次世代ロボット研究機構

2007年に発表されたTWENDY-ONEは、研究用途にとどまらず、実生活での活用を視野に入れて開発されたヒューマノイドロボットです。このロボットは特に高齢者や介護を必要とする人々の支援を目的としており、日常生活の中で安全かつ確実に作業を行えるよう設計されています。
柔らかく感度の高い手や高度なセンサーを備えているため、壊れやすい物体も丁寧に取り扱うことが可能であり、人間と安全に接触することもできます。開発は、加藤教授の教え子でもある菅野重樹教授（理工学術院）の研究チームによって行われ、ロボットが実際の家庭環境で人々の生活を支える未来像を示しました。

KOBIAN（2009）— 全身で感情を表現するロボット

提供： Atsuo TAKANISHI Lab., Waseda University

KOBIANは、高西淳夫教授による別プロジェクトとして開発されたロボットで、歩行や作業能力ではなく「感情表現」に焦点を当てている点が特徴です。このロボットは、顔の表情だけでなく全身の動きを組み合わせることで、喜びや悲しみ、驚きといった感情を表現します。
この研究は、人間がロボットの感情をどのように読み取り、どのように関係性を築くのかを探るものであり、人とロボットのより円滑な相互作用の実現に向けた重要なステップとなっています。

AIREC（開発中）— 共に生きるための次世代ロボット

提供： 早稲田大学次世代ロボット研究機構

現在、早稲田大学で開発が進められているAIRECは、日常環境の中で人と共に生活し働くことを目指した次世代ヒューマノイドロボットです。名称は「AI-driven Robot for Embrace and Care」を意味し、家事支援や介護、医療支援などを通じて人を支えることを目的としています。
このプロジェクトは菅野重樹教授を中心に尾形哲也教授（理工学術院）らの協力のもと進められており、日本政府のムーンショット型研究開発制度の一環として位置づけられています。ロボットが自律的に複雑な作業を学習し、社会の中で長期的なパートナーとして共存する未来の実現が期待されています。

WABOT-1の誕生からAIRECに至るまで、早稲田大学におけるロボット研究は、人間により近い存在を目指して進化を続けてきました。それは単なる外見の模倣ではなく、機能や知能、さらには人間理解にまで及ぶものです。
この半世紀にわたる積み重ねに支えられ、早稲田大学のロボティクス研究はこれからも発展を続け、人とロボットの新たな関係性を切り開いていきます。

平面シートが「変身」して曲面に
―生物の「かたちづくり」をモノづくりに―

概要

京都大学大学院工学研究科 井上康博 教授、森川健太郎 同 助教、中村拓未 同 修士課程学生（研究当時）、松本嘉彦 同 博士後期課程学生、九州大学大学院医学研究院 松田佳祐 助教、富山大学学術研究部理学系 秋山正和 准教授、早稲田大学大学院情報生産システム研究科 山﨑慎太郎 教授、国立遺伝学研究所 近藤滋 所長らの研究グループは、植物や動物が用いる「偏差成長」の仕組みを、熱収縮フィルムと3Dプリンタで人工的に再現することに成功しました。

偏差成長は、組織の場所ごとに成長の速さを変えることで、平らな組織が立体に立ち上がる、生物の形態形成の根幹原理です。生物が「どこでどれだけ成長するのか」を定める設計図を、本研究では等角写像※1という数学的手法で作成し、「縮まない樹脂の小片」として熱収縮フィルム上にプリントすることで、生物と同じ仕組みを非生物材料に実装しました。さらに紫外線硬化樹脂を後から塗ると剛性は約166倍となり、昆虫が上皮にクチクラ※2を重ねて硬い殻を得る戦略まで再現します。

生物の形態形成原理を、モノづくりへ応用した本成果は、2026年6月10日午前0時5分（BST）に英国の国際学術誌「Journal of the Royal Society Interface」にオンライン掲載されます。

１．背景

花びらの優美なカーブ、脳のひだ、航空機の翼――身の回りにある「曲面」は、強度・機能・美しさのいずれの面でも欠かせない要素です。一方で、こうした自由な曲面を工業的に作るのは簡単ではありません。型を使って成形する従来法は型代がかさみ、切削加工や3Dプリンタなどの先端的な手法でも、削りカスや材料の無駄、成形に必要な大きなエネルギーといった課題が残ります。

生物に目を向けると、葉や花、昆虫の表皮など、複雑な曲面が当たり前のように作られています。その秘訣の一つが「偏差成長」と呼ばれる仕組みです。組織の場所ごとに成長の早さを変えることで、もともと平らだったシート状の組織が、自然に三次元の曲面へと立ち上がります。余分に作って削るのではなく、必要なところを必要なだけ伸ばす――「育てる」ようにかたちが現れる、エネルギー的にも材料的にも無駄の少ない作り方です。

本研究グループは、この自然の戦略をモノづくりにそのまま持ち込めないかと考えました。鍵は、「どこをどれだけ縮めれば、目的の立体形状になるのか」という収縮率の地図（分布）を、いかに正確に設計し、いかに正確に材料に書き込むかにあります。

２．研究手法・成果

本研究グループは、目的の曲面形状を平面に「広げ直す」数学（等角写像）を用いて、平面の各点で必要な収縮率を計算し、それを実材料に実装する手法を確立しました。実装には、市販の薄い熱収縮フィルム（厚さ12 µm）と、3Dプリンタで印刷した「縮まない樹脂（ポリプロピレン）の小片」を組み合わせます。フィルム上の各微小領域に置く小片の面積を変えることで、加熱したときに「どれだけ縮むか」を場所ごとに自在に制御できる仕組みです。

半球をベンチマークとして造形精度を評価したところ、目的形状に対し概ね数百µm程度の誤差で、滑らかな半球を再現できました。さらに、花、扁形動物（ヒラムシ）、エビ、自動車のボンネットといった、性質の異なる曲面を次々と造形することにも成功しました。注目すべきは、これら多様な形状を、いずれも「型」を一度も用いずに造形している点です。生物が葉や昆虫の角を型なしに作り上げるのと同じく、設計図さえあれば、3Dプリンタが平面シートに収縮地図を「印刷」し、ヒートガンで加熱するだけで、平面を立体曲面へ変身させます。

できあがった曲面は薄いフィルム製のため、それ自体は柔らかいことが弱点でした。そこで、生物が柔らかい組織の上に硬い殻（甲虫のクチクラなど）を後から重ねる戦略にならい、紫外線硬化樹脂を後からコーティングする工程を追加。これだけで、頂点を押し込むときの初期剛性が約166倍に跳ね上がりました。形を作る工程と、固める工程を分けるという生物的なアプローチが、人工物にもそのまま使えることを示した結果です。

３．波及効果、今後の予定

本手法は、生物が用いる立体形成原理（偏差成長）を、設計から造形までを一気通貫したモノづくりの手順に落とし込んだ点が最大の特徴です。任意の3D曲面形状を入力するだけで、その実現に必要な平面シート上の収縮率分布が自動的に算出され、3Dプリンタが書き込み、加熱で曲面形状へと変身させます。応用先として、体内に折りたたんだ状態で送り込み、目的の場所で展開する低侵襲手術用インプラント、軽量な航空・宇宙構造物、人体形状にぴったり沿うエルゴノミクス家具、ソフトロボットの「皮膚」などが考えられます。コップ、椅子、流線形の車体、ルアーといった日用品レベルの応用例も、本研究の中で実際に造形して示しました。

一方で、現状の手法には限界もあります。フィルムを縮めて造形するため変形は不可逆で、また半球の北半球と南半球のように「凹凸の向き」までは事前に決定できません。今後は、3Dプリンタの造形範囲を超える大きな曲面を作るための分割・組立法、海綿動物の骨格に学んだ補強構造の組み込みなど、生物のかたちづくりからさらにヒントを得ながら、手法の発展を進めていく予定です。

４．研究プロジェクトについて

本研究は、文部科学省 科学研究費補助金 学術変革領域研究（A）（課題番号：20H05947、20H05943、20H05949、20H05948）、日本学術振興会 科学研究費助成事業（課題番号：24K23206、25K21510、25K22078、25K07129）、公益財団法人 服部報公会 工学研究奨励助成金、ならびに積水化学工業株式会社「自然に学ぶものづくり」研究助成プログラムの支援を受けて行われました。

＜用語解説＞

※1 等角写像（Conformal mapping）
局所的な角度を保ったまま、ある面を別の面へ写し取る数学的な変換。本研究では、目的の曲面を平面に「歪まずに広げる」ためのレシピとして用い、各点でどれだけ縮めればよいかを算出した。

※2 クチクラ（Cuticle）
昆虫など節足動物の体の外側を覆う、キチン質を主成分とする硬い層。柔らかい上皮が形を作った後に分泌・硬化することで、形を保ったまま剛性を獲得する。本研究の樹脂コーティングによる補強は、この「形成と硬化を分ける」生物戦略にヒントを得ている。

＜研究者のコメント＞

生物の３次元形態は、成長率の偏りの分布で説明できるのではないかと考えたことが、本研究の出発点でした。数学を用いてこの発想を理論化する研究に取り組み、葉や昆虫の角など、生物の分類を超えて共通する原理を見出すことができました。今回は、さらに生物さえ超えて理論を適用することで、モノづくりの方法へと展開しました。このような対象を超えた普遍性が、数学の道具としての強みだと感じています。（森川健太郎）

考えれば考えるほど、細胞は不思議な存在です。立体になって初めて「正解だった」と分かる曲面形状を、目も脳も持たない細胞たちが、平面の段階で「ここをこれだけ大きく」と淡々と決め、結果として一発で完璧な形を作り上げる。なぜ設計図を見ずにそんな芸当ができるのか――この仕組みの一端が数学として分かっただけでなく、モノづくりに応用できた点が面白いです。（井上康博）

＜論文タイトルと著者＞
タイトル： Artificial morphogenesis of curved surface structures inspired by differential growth in biology(生物の偏差成長に着想を得た曲面構造の人工形態形成)
著　　者：Kentaro Morikawa, Takumi Nakamura, Yoshihiko Matsumoto, Keisuke Matsuda, Masakazu Akiyama, Shintaro Yamasaki, Shigeru Kondo, Yasuhiro Inoue（森川健太郎、中村拓未、松本嘉彦、松田佳祐、秋山正和、山﨑慎太郎、近藤滋、井上康博）
掲 載 誌：Journal of the Royal Society Interface
DOI：10.1098/rsif.2025.1094

テラヘルツバイオフォトニクスが拓く次世代バイオ計測
～テラへルツ技術の医療・生命科学応用に向けた課題と技術ロードマップを提示～

発表のポイント

• 生体組織や細胞、分子の状態を非侵襲・非破壊で調べることができる電磁波としてテラヘルツ波が注目されてきましたが、医療・生命科学への実利用は大きく進んでいませんでした。
• 本研究では、テラヘルツ波を生体計測に応用する研究分野である「テラヘルツバイオフォトニクス」の発展を妨げてきた本質的課題を整理し、その克服に向けた技術の進展を体系的にまとめました。
• 加えて、新しい顕微鏡技術や高感度センサー技術などの研究動向を整理し、医療・バイオ計測分野への応用に向けた現実的な技術ロードマップを示しました。
• 本成果により、テラヘルツバイオフォトニクスを次世代の医療・生体計測を支える候補技術として社会に広く示すとともに、産学連携や異分野融合の加速が期待されます。

生体の水和状態や分子間相互作用などを捉えられる新しい技術として、テラヘルツ波を用いた生体計測が注目されています。しかし、可視光などの光技術と比べると、医療や生命科学への実利用は大きく遅れていました。
早稲田大学大学院情報生産システム研究科 芹田和則（せりたかずのり）准教授、岡山大学学術研究院先鋭研究領域異分野基礎科学研究所 斗内政吉（とのうちまさよし）教授（特任）の研究グループは、テラヘルツバイオフォトニクス研究の歴史と最新技術を整理し、分野の発展を妨げてきた本質的課題を体系的に分析しました。さらに、顕微鏡技術や高感度センサーなどの新しい研究動向を整理し、医療・バイオ計測への応用に向けた技術ロードマップを提示しました。本成果は、テラヘルツバイオフォトニクスを次世代の医療・生体計測技術として発展させるための重要な指針となります。
本研究成果は2026年5月29日に「Journal of Physics Photonics」に掲載されました。

これまでの研究で分かっていたこと

テラヘルツ波^※1は、分子間相互作用や水素結合、水和状態など、生体の状態を反映する物理情報に敏感に応答する電磁波です。2000年代以降、医療や生命科学への応用を目指した研究が世界的に進められてきました。これまでの研究では、がん組織、創傷、血液、細胞、DNA、タンパク質など様々な対象で有望な結果が報告されてきました。しかし、可視光や近赤外光を用いた光学顕微鏡に比べると、テラヘルツ技術の実利用は以下の技術的課題が存在していたため、大きく遅れていました。

• 空間分解能^※2が低いこと
• 水による強い吸収によって感度が低下すること
• 計測速度が遅いこと
• 装置が大型で高コストになりやすいこと

また、先行研究では、テラヘルツ信号によって観測された信号の違いが病気特有の情報ではなく、単に水分量の違いを反映している可能性が指摘されるなど、テラヘルツ信号の観測解釈に懐疑的な見方も多く、「測定できた」という段階にとどまる研究も少なくありませんでした。そのため、テラヘルツ波が生体のどのような情報を実際に捉えているのかを検証する研究が求められていました。

新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

本研究では、テラヘルツバイオフォトニクス^※3分野の研究動向を体系的に整理し、この分野の発展を妨げてきた本質的課題と、それを克服するための技術進展を明らかにしました。
まず、テラヘルツバイオフォトニクス研究の歴史を俯瞰し、分野の停滞要因の本質的課題を以下の４つとして再定義しました。

（１）空間分解能の不足

（２）水への強い吸収による感度不足

（３）計測速度の遅さ

（４）装置の大型化

次に、これらの課題を克服するための技術進展を整理しました。特に、テラヘルツ時間領域分光法^※4による分光技術、テラヘルツ顕微鏡を使ったイメージング技術、テラへルツメタマテリアル^※5を使ったセンシング技術が、どのように進展し、どの課題の解決に寄与していくのかを体系的に整理しました。
例えば、テラヘルツ時間領域分光法による高精度な分光技術が進展することで、生体の水和状態などの変化を定量的に評価することが可能となり、テラヘルツ信号の解釈の信頼性向上に寄与します。また、テラヘルツ顕微鏡技術の進展により、従来課題であった空間分解能の向上が進み、現在では、細胞、分子、微細構造レベルでの観察が可能になりつつあります。さらに、テラヘルツメタマテリアルを用いたセンシング技術は、テラへルツ波の電場を局所的に強く集中させることで、微量な生体物質の検出感度を高め、小型・高感度なバイオ分析チップへの応用が期待されています。
特に、筆者らがテラヘルツバイオフォトニクス応用の要となる技術として開発を進めているテラヘルツ点光源顕微鏡^※6は、これまでのテラへルツ計測の主要課題であった上記４つ（空間分解能、感度、計測速度、装置サイズ）を同時に克服する技術として位置づけられ、細胞レベルでの生体計測や微量試料分析への応用可能性にも言及しています。
さらに、皮膚がん診断や創傷評価では、すでに臨床応用を見据えたテラへルツ診断装置も進みつつあることを示し、比較的早期の実用化が期待される応用分野として、医療分野での社会実装に向けた現実的なシナリオを提示しました。
本研究により、テラヘルツバイオフォトニクス研究は、単に「測れるかどうか」を示す段階から、テラヘルツ波が生体のどのような情報を捉えているのかを検証しながら実用化へと進む段階に入りつつあることが明らかになりました。

研究の波及効果や社会的影響

本研究は、テラヘルツバイオフォトニクスという新しい研究領域の可能性を社会に広く示すものです。テラヘルツ技術は、非侵襲・ラベルフリーで生体情報を取得できる可能性を持つため、将来的には皮膚がん診断、創傷評価、生体組織分析、微量バイオ分析などの医療分野への応用が期待されています。また、メタマテリアルセンサーやマイクロ流路技術との統合により、小型で高感度なバイオ分析チップの開発にもつながる可能性があります。こうした技術は医療だけでなく、創薬、食品、環境、半導体、バイオ産業など幅広い分野への応用が期待されます。
さらに、テラヘルツ技術は、大きなマーケットを担うバイオ産業の一翼を担うことが期待されています。本研究は、テラヘルツバイオフォトニクス技術がこのバイオ産業の開拓に貢献できる具体的な道筋を明らかにしたものです。
加えて、テラヘルツバイオフォトニクスは物理学、光工学、電子工学、生命科学、医学などが交差する学際分野であり、本成果の社会発信により、新しい研究コミュニティの形成や産学連携の加速が期待されます。

課題、今後の展望

テラヘルツバイオフォトニクスは大きな可能性を持つ一方で、依然としていくつかの課題が残されています。特に、生体内でのテラヘルツ信号の起源をより正確に理解すること、計測装置の小型化・高速化・低コスト化を進めることなどが重要です。今後は、顕微鏡技術やセンサー技術のさらなる発展に加え、AIによるデータ解析や医療機関との連携を進めることで、実際の医療現場への応用が期待されます。また、近年急速に発展しているナノフォトニクスやメタマテリアル技術との融合により、これまでにない高感度な生体計測技術が生まれる可能性があります。

研究者のコメント

テラヘルツ波は長年、医療や生命科学への応用が期待されながらも、実用化には多くの課題が残されていました。本研究では、これまでの研究を整理し、分野が直面している本質的課題とその解決に向けた技術の方向性を示しました。テラヘルツ技術が、将来の医療や生体計測を支える新しい技術として発展することを期待しています。また、「テラヘルツ波」をより身近に扱える未来社会の実現に向けた重要な指針となる論文になることを期待しています。

用語解説

※1　テラへルツ波
周波数が約1テラヘルツ（1兆ヘルツ）付近にある電磁波の総称で、光と電波の中間に位置する。波長は約0.3ミリメートルで、光のように直進しやすく、電波のように物質を透過する性質を併せ持つ。また、生体内の水や分子の動きに敏感に反応する特徴がある。1光子のエネルギーはX線の約100万分の1と小さく、生体にダメージを与えにくい非侵襲計測が可能とされる。医療・生命科学、半導体検査、食品品質管理、次世代通信など幅広い分野での応用が期待されている。

※2　空間分解能
どれだけ細かい構造を見分けられるかを示す指標。空間分解能が高い（良い）ほど、小さな対象（細胞や微細構造）をよりはっきりと観察することができる。

※3　テラヘルツバイオフォトニクス
テラヘルツ波を利用して、生体組織、細胞、分子などの状態を計測・分析する研究分野。テラヘルツ波は水和状態や分子間の相互作用などに敏感に反応するため、生体の状態を非侵襲・非破壊で調べられる可能性がある。医療診断、生体計測、バイオ分析などへの応用が期待されている学際的な研究領域である。

※4　テラへルツ時間領域分光法
テラヘルツパルスを発生させ、物質を透過・反射した波形を時間領域で測定することで、物質の吸収特性や屈折率などを調べる計測手法。テラヘルツ領域の代表的な計測技術であり、物質の構造や分子振動の情報を得ることができるため、生体分子や材料の分析に広く利用されている。

※5　メタマテリアル
自然界には存在しない特殊な電磁特性を人工的に実現するために設計された微細構造材料。電磁波の共鳴や電場増強などの効果を利用できるため、センサーや光学デバイスなどに応用されている。テラヘルツバイオセンサーでは、メタマテリアル構造によって電場を強く集中させることで、微量な生体物質を高感度に検出できる可能性がある。

※6　テラへルツ点光源顕微鏡
局所的にテラヘルツ波を発生させ、その微小なテラヘルツ光源を走査することで試料を観察する顕微鏡技術。従来のテラヘルツ計測よりも高い空間分解能で測定できるため、細胞や微小構造などの生体試料を詳細に観察できる可能性がある。

キーワード

テラへルツ波、テラへルツバイオフォトニクス、テラへルツ時間領域分光、テラへルツ点光源顕微鏡、メタマテリアル

論文情報

雑誌名：Journal of Physics Photonics
論文名：Recent advances and emerging directions in terahertz biophotonics
執筆者名（所属機関名）：Kazunori Serita (Waseda University), *Masayoshi Tonouchi (Okayama University)
掲載日時：2026年5月29日
DOI：https://doi.org/10.1088/2515-7647/ae7490
*：責任著者

研究助成

研究費名：JST創発的研究支援事業
課題番号：JPMJFR2029
研究課題名：近接場テラヘルツ励起プローブ顕微鏡による１細胞・１分子分光イメージング解析とその応用
研究代表者名（所属機関名）：芹田 和則（早稲田大学）

研究費名：JSPS科学研究費助成事業 基盤研究B
課題番号：JP25K01294
研究課題名：高分解能テラへルツ内視鏡の開発
研究代表者名（所属機関名）：芹田 和則（早稲田大学）

研究費名：JSPS科学研究費助成事業 基盤研究A
課題番号：JP23H00184
研究課題名：局所場における光テラヘルツ波変換モデルリングと半導体分析応用
研究代表者名（所属機関名）：斗内 政吉（岡山大学）

金属ガラスの電子顕微鏡像に現れた”明るい点”の正体に迫る
～高分解能像の解析から柱状原子配列の存在を示唆～

発表のポイント

•  Zr-Pt金属ガラス^※1に20面体原子クラスター^※2とそれに類似する構造を持つ歪んだ20面体原子クラスターが支配的に存在し、それぞれ異なる空間分布の特徴があることを見出しました。
•  20面体原子クラスターは互いに入り込むような形で中距離秩序構造^※3を形成し、比較的短い柱状原子配列^※4を作ることが知られています。本研究では、その中心軸に沿った原子列が高分解能透過型電子顕微鏡^※5像（高分解能像）に輝点として現れることを明らかにしました。
•  さらに、歪んだ20面体原子クラスターを含めた様々な種類の原子クラスターが一方向に結合し、想定されていた中距離秩序構造よりも大きな柱状原子配列を形成することを初めて示しました。この構造は高分解能像に特に強い輝点として現れることが明らかとなりました。
•  これにより、従来解釈が複雑とされてきたガラスの高分解能像を、柱状原子配列をもとにすることで、より直感的に解釈できる可能性が示されました。今後、金属ガラスや他のガラス物質の構造を理解するための新たな理論の確立につながることが期待されます。

合金のガラス形成過程において、異なる構造的特徴を持つ原子クラスターの挙動、または原子クラスターの接続によって形成される中距離秩序構造は、金属ガラスの機械的強度などの性質の起源を探る上で重要なため、多くの研究者の注目を集めています。しかし、ガラス構造には結晶構造のような周期性がないことから、実験で撮影した高分解能透過型電子顕微鏡^※5像（高分解能像）には明確な輝点の周期配列が現れないため、その解釈が困難であることが知られています。
早稲田大学の査思源（Zha Siyuan）助手と平田秋彦（ひらたあきひこ）教授の研究グループは、Zr-Pt合金のガラス構造に関して、分子動力学シミュレーションと透過型電子顕微鏡による観察を組み合わせ、20面体を含む種々の原子クラスターが一列に並ぶ柱状原子配列の特徴を調べ、それらの柱の中心軸が高分解能像中で中距離秩序構造に起因する明瞭な輝点として現れることを明らかにしました。
本研究は、金属ガラスの構造を理解するための新たな視点を提供するものであり、金属ガラスや他のガラス物質の構造を理解するための新たな理論の確立につながることが期待されます。
本成果は、2026年5月12日（火）に『Acta Materialia』で公開されました。

これまでの研究で分かっていたこと

1960年代、金属を液体から急冷することによって、金属ガラスが初めて作られました。金属ガラスはランダムな原子配列を示していますが、そのランダムな中に秩序が潜んでおり、金属ガラスの構造的特徴を解明するため、多くの研究がこれまで行われてきました。
原子クラスターは金属ガラスの基本構造単位として、それぞれ異なる構造的特徴を示しています。原子クラスター同士は、一部の原子を共有する形で互いに接続して、数ナノメートルの直径を持つ中距離秩序構造を形成していることが示唆されています。例えば、計算機シミュレーションによるモデル作成の手法を用いて、金属ガラスの中距離秩序構造の特徴がこれまで議論されてきました（S. Y. Wang et al., Phys. Rev. B 78, 184204 (2008)）。
一方で、そのような金属ガラスの中距離秩序構造を実験的に解明するのは容易ではありません。その理由は、金属ガラスの構造には結晶構造のような周期性が無いことから、全体から得られる構造情報は平均化されたものになってしまうためです。そこで、局所的な領域を観察できる透過型電子顕微鏡観察を用いて、中距離秩序構造に対応する局所秩序領域の存在がこれまで示唆されています（Y. Hirotsu et al., Microsc. Res. Tech. 40, 284-312 (1998)、J. Saida et al., J. Appl. Phys. 90, 4717–4724 (2001)）。しかし、ガラス構造から得られた高分解能像をどのように解釈するかに関しては、未だ不明な点が多く残されていました。

新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

これまで、結晶構造のような周期性を持たないガラス構造に対する高分解能像は、非常に複雑なことからその解釈が困難でした。今回、早稲田大学の査思源（Zha Siyuan）助手と平田秋彦（ひらたあきひこ）教授の研究グループは、実験で得られたガラス物質の高分解能像を観察する中で、著しく明るい輝点コントラストが至る所に含まれていることに気づきました。この輝点コントラストの起源を調べるため、代表的な金属ガラスの１つであるZr系合金を選び、高分解能像観察と計算機シミュレーションを組み合わせることで研究を進めました。
今回、研究対象としたZr₈₀Pt₂₀合金は、高いガラス形成能^※6を持つことが知られており、金属ガラスに関する多くの研究で扱われています。まず、分子動力学シミュレーションによって構造モデルを作成し、ボロノイ多面体解析^※7から、20面体原子クラスターと歪んだ20面体原子クラスターが支配的であることが分かりました。さらに、この二種類の原子クラスターの分布特徴を調べたところ、20面体原子クラスターは互いに入り込み、相互貫入型の中距離秩序構造をより多く形成し、密集する傾向があります。一方、歪んだ20面体原子クラスター同士は多面体の面または辺を共有する形でより長い距離で接続する傾向があり、広がりを持つ構造を形成していました。
さらに、本合金に対する高分解能像観察も行い、上述したような著しく明るい輝点コントラストが像中に見られることが分かりました。この輝点に対応する構造を見出すため、分子動力学シミュレーションによって作成した構造モデルを用い、高分解能像を計算することにより、実験結果との比較を行いました。計算像は、実験像に見られる輝点の位置や強度を一対一に再現するものではありませんが、電子線入射方向に沿って原子クラスターが柱状に連結した領域では、その中心軸に沿った原子の並びが局所的に高い輝度を与えることが分かりました。このことから、実験像に現れる明るい輝点の有力な起源として、20面体原子クラスターのみで構成されたものだけでなく、種々の原子クラスターが電子線入射方向に沿って接続することで形成された柱状原子配列の存在を示しました。
今回の研究によって、これまで不明な点が多かったガラス構造の高分解能像に新たな解釈を与えたため、今後、ガラス構造の研究自体に新たな視点をもたらすことが期待されます。

研究の波及効果や社会的影響

• 金属ガラス構造中に支配的に存在する二種類の原子クラスターが全く異なる分布特徴を示すことが見出され、金属ガラスの構造に対する理解が深まりました。このような構造不均一性は、金属ガラスのダイナミクスや物性に影響を与えると予想され、新たな発展が期待されます。
• 実験結果と計算結果の比較により、これまで不明な点が多かったガラス構造の高分解能像の解釈に新たな視点を与えました。これにより、これまでに気づかれていなかった大きいサイズの柱状原子配列が初めて見出され、金属ガラスの基礎研究に新たな視点を提供しました。今後、柱状原子配列の構造的特徴や3次元的配列などについて詳しく調べることで、新たな発見が期待されます。

課題、今後の展望

今回の研究で、Zr-Pt合金における20面体を含む様々な原子クラスターが連なった柱状原子配列が見出され、その柱の中心軸に沿った原子列が高分解能像の輝点の起源になっていることを示しました。しかし、柱状原子配列については、その構造的特徴の定量解析や構造中の多面体分布状況を、より詳細に調べる必要があります。さらに、柱状原子配列の形成が機械的性質などの物性に与える影響や、それがガラス物質全般について一般的なものであるか、という課題について、他のガラス物質を用いて検証する必要があります。

研究者のコメント

• 今回の研究で、高分解能像に多く含まれている輝点コントラストに着目し、実験結果と計算結果の比較により、その起源と考えられる柱状原子配列が見出されました。なかでも、20面体だけでなく複数種の原子クラスターからなるサイズの大きい柱状原子配列に関してはこれまでに注目されておりませんでしたが、今後、金属ガラスの基礎研究における一つの視点として、発展が期待されます。（査思源）
• ガラス物質から得られる高分解能像は複雑であり、その解釈は簡単ではありませんでした。我々は、これまで局所電子回折や計算機シミュレーションを用いて、アモルファス構造に潜む秩序の解明に取り組んできました。今回、改めて高分解能像中の特に明るい輝点に着目することで、これまで見出されていなかった特徴を持つ柱状原子配列を見出しました。他のガラス物質においても、同様のコントラストが見られることが多いことから、ガラス物質に普遍的な特徴であることが期待されます。（平田秋彦）

用語解説

※1 金属ガラス
規則正しい原子配列を持つ金属結晶とは異なり、原子が不規則に配列している固体金属材料です。

※2　原子クラスター
数個から十数個の原子からなる局所構造で、通常0.5nm以下の半径のものを示します。金属ガラスの基本構造単位として扱われることが多いです。

※3　中距離秩序構造
原子クラスターの接続によって形成される構造で、1～2ナノメートルのスケールを持つものです。

※4　柱状原子配列
中距離秩序構造のうち、特に原子クラスターが直線状に連なって接続しているものを指します。コラム状原子配列とも呼ばれます。

※5　透過型電子顕微鏡
加速された電子を薄膜試料に照射し、透過した電子を用いて回折や像を得る顕微鏡です。これにより、原子スケールの観察が可能となります。

※6　ガラス形成能
合金系を液体から冷却したときに、ガラス状態になる能力を指します。ガラス形成能が高いほど、ガラス状になりやすいです。

※7　ボロノイ多面体解析
原子クラスターの構造的特徴を幾何学的観点で分類するための数理的手法です。

キーワード

金属ガラス、原子クラスター、中距離秩序構造、透過型電子顕微鏡、分子動力学シミュレーション

論文情報

雑誌名：Acta Materialia
論文名：Columnar atomic arrangements in Zr-Pt metallic glasses and their appearance in high-resolution electron microscopy
執筆者名（所属機関名）：査思源（早稲田大学、筆頭）平田秋彦（早稲田大学）*
掲載日時（現地時間）：2026年5月12日
掲載日時（日本時間）：2026年5月12日
掲載URL：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645426004465
DOI：https://doi.org/ 10.1016/j.actamat.2026.122344
*：責任著者

研究助成

研究費名：科学研究費 挑戦的研究(萌芽) 課題番号：23K17837
研究課題名：ガラス構造における擬格子面と位相幾何的秩序
研究代表者名（所属機関名）：平田 秋彦（早稲田大学）

このたび、内閣府が統括する「ムーンショット型研究開発制度」における目標3に、本学から尾形哲也教授がプロジェクトマネージャーとして決定されました。

プロジェクトマネージャー

尾形哲也（理工学術院・教授）

研究開発プロジェクト

「一人に一台一生寄り添うスマートロボットAIREC 」

ムーンショット型研究開発制度

日本発の破壊的イノベーションの創出を目指し、従来技術の延長にない、より大胆な発想に基づく挑戦的な研究開発（ムーンショット）を推進する新たな制度で、内閣官房、内閣府、文部科学省、厚生労働省、農林水産省、経済産業省等が連携し、研究開発を推進します。総合科学技術・イノベーション会議で決定された10のムーンショット目標について、各目標における研究開発全体責任者であるプログラムディレクターの下、プロジェクトマネージャーは、ムーンショット目標達成および研究開発構想実現に至るシナリオの策定、研究開発プロジェクトの設計、研究開発体制の構築、研究開発プロジェクトの実施管理などを行います。

ムーンショット目標

１． 2050年までに、人が身体、脳、空間、時間の制約から解放された社会を実現

２．2050年までに、超早期に疾患の予測・予防をすることができる社会を実現

３．2050年までに、AIとロボットの共進化により、自ら学習・行動し人と共生するロボットを実現

４．2050年までに、地球環境再生に向けた持続可能な資源循環を実現

５．2050年までに、未利用の生物機能等のフル活用により、地球規模でムリ・ムダのない持続的な食料供給産業を創出

６．2050年までに、経済・産業・安全保障を飛躍的に発展させる誤り耐性型汎用量子コンピュータを実現

７．2040年までに、主要な疾患を予防・克服し100歳まで健康不安なく人生を楽しむためのサステイナブルな医療・介護システムを実現

８．2050年までに、激甚化しつつある台風や豪雨を制御し極端風水害の脅威から解放された安全安心な社会を実現

９．2050年までに、こころの安らぎや活力を増大することで、精神的に豊かで躍動的な社会を実現

１０．2050年までに、フュージョンエネルギーの多面的な活用により、地球環境と調和し、資源制約から解き放たれた活力ある社会を実現

総務省及び情報通信月間推進協議会は、令和8年度の「電波の日」（6月1日（月））及び「情報通信月間」（同年5月15日（金）から6月15日（月）まで）にあたり、電波利用又は情報通信の発展に貢献した個人及び団体を表彰しています。この度、理工学術院の森達哉教授が令和8年度の情報通信月間推進協議会会長表彰「情報通信功績賞」を受賞しました。

【受賞者】森 達哉　（理工学術院・教授）

【受賞理由】AI、IoT、Web等に関するサイバーセキュリティの研究に長年従事し、先進的な研究成果の創出と高度人材の育成を通じて我が国のサイバーセキュリティ分野の発展に寄与するとともに、政府におけるAIセキュリティ政策の推進にも尽力し、我が国の安全・安心なサイバー空間の実現に多大な貢献をした（総務省ホームページより抜粋）。

なお、令和8年度の「情報通信功績賞」は、個人4件、団体1件の計5件が受賞しました。

ニュートリノの「変⾝」が左右する星の最期と超新星爆発
～スパコン「富岳」を⽤いたマルチアングル輸送計算により解明～

発表のポイント

•  ニュートリノがその性質を「変⾝」させるニュートリノ振動^※1が、星の⼀⽣の最期に起きる超新星爆発へどう影響を及ぼすかを初めて明らかにしました。
• 超新星爆発内部で起きる特異な種類のニュートリノ集団振動、特に「⾼速フレーバー変換」を正確に取り扱うために、運動量空間を解くマルチアングル輸送シミュレーションをスーパーコンピュータ（スパコン）「富岳」^※2において実⾏し、フレーバー変換の効果を初めて考慮しました。
•  軽い星ではニュートリノ振動が爆発を促進し、重い星ではその逆となることがわかりました。
•  宇宙進化に重要な役割を果たす超新星爆発のメカニズムにはまだ謎が多いですが、その解明に⼀歩近づきました。

早稲田大学理工学術院総合研究所の赤穗 龍一郎（あかほ りゅういちろう）次席研究員、理工学術院の山田 章一（やまだ しょういち）教授、国立天文台の長倉 洋樹（ながくら ひろき）特任助教らの研究グループは、素粒⼦であるニュートリノがその性質を「変⾝」させるニュートリノ集団振動という現象が、宇宙最⼤の⼤爆発である超新星爆発にどう影響するかを、スパコン「富岳」によるシミュレーションで明らかにしました。超新星はニュートリノがエネルギーを運ぶことで爆発を引き起こすと考えられています。そして超新星内部では、ニュートリノ同⼠の相互作⽤によってニュートリノ集団振動という現象が起きると理論的に予想されていますが、その影響はわかっていませんでした。本研究では、集団振動の種類の中で最も卓越的である⾼速フレーバー変換の効果を、それを正しく取り扱うためのマルチアングル輸送シミュレーションに初めて組み込み、超新星爆発ダイナミクスに及ぼす影響を明らかにしました。

本研究成果は2026年5月 1 1日（月）にアメリカ物理学会の「Physical Review Letters」にて公開され、同誌のFeatured in Physics Viewpointとして選出されました。Physics Viewpointは、Physical Review の中から特に注目される論文が選出されます。

これまでの研究で分かっていたこと

重い星が⼀⽣の最期に起こす超新星爆発は宇宙最⼤規模の⼤爆発です。多彩な元素が超新星で合成され、宇宙に拡散されることで多様な物質が⽣まれ、我々のような⽣命が誕⽣したと考えられています。また、その後中⼼部にはブラックホールや中性⼦星などの天体が形成され、それらは他の⾼エネルギー突発天体現象を引き起こします。よって超新星爆発は宇宙の新陳代謝にとって中⼼的イベントであると⾔えます。

超新星爆発は、ニュートリノが内部の熱を外に運び周囲の物質に受け渡す、ニュートリノ加熱メカニズムによって爆発が引き起こされると考えられています。ニュートリノは特殊な素粒⼦で、⽇本のスーパーカミオカンデ^※3が発⾒したニュートリノ振動という現象によって、その性質を「変⾝」させます。近年の理論研究では、超新星内部のような超⾼密度環境において、ニュートリノ同⼠の相互作⽤による「集団振動」が起こることが指摘されるようになりました。ニュートリノ振動が発⽣すると、ニュートリノの3つあるフレーバー(電⼦型、ミュー型、タウ型)が⼊れ替わります。加熱メカニズムに貢献するのは主に電⼦型のみなので、集団振動によるフレーバー組成が変化するとニュートリノから周囲の物質へのエネルギーの受け渡され方が変化し、超新星のダイナミクスそのものを左右すると考えられています。現在、この集団振動が爆発に与える影響に、世界的な注⽬が集まっています。

ニュートリノ集団振動、そしてその中でも成⻑率の⾼い⾼速フレーバー変換が超新星にどう影響を及ぼすかを明らかにするには、位置に関するニュートリノ分布だけでなく、どの⽅向にどのくらいの量が⾶んでいるのか、運動量空間分布を解く「マルチアングル輸送」が必要です。しかし先⾏研究では運動量空間に近似が課されており、集団振動を原理的に取り扱えませんでした。結果、⾼速フレーバー変換の影響を調べた先⾏研究はその発⽣場所を⼿動のパラメータとして取り扱っていました。しかしそのパラメータによって⼤きく結果が変わるため、そのような先⾏研究からは決定的な結論が出されていませんでした。

今回の新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと、そのために新しく開発した⼿法

研究グループは世界で唯⼀、完全な運動量空間分布を解くマルチアングル輸送である、ボルツマン輸送シミュレーションを空間多次元にて推進してきました。本研究ではそのシミュレーションコードに⾼速フレーバー変換(FFC)の影響を実装することで、世界で初めて超新星爆発ダイナミクスへの影響を明らかにしました。特に、FFC が発⽣する数学的条件である ELN-XLN ⾓度クロッシング^※4を⾃⼰無撞着的に判定し、その後の分布も量⼦運動論的処⽅^※5によって与える⼿法を組み込みました。

その結果、軽くて爆発が成功する星では FFC によりさらに爆発が促進されること、そして重くて爆発が失敗する星では FFC がさらに爆発を抑制する、と影響が⼆極化することが発⾒されました(図2)。その理由は、軽い星と重い星での、電⼦型と重レプトン型(ミュー・タウ)ニュートリノの放射のされ⽅の違いにあります。軽い星は質量降着率^※6が低く、それによって駆動される電⼦型ニュートリノの放出が弱く(光度・平均エネルギーが低く)なります。このような状態で FFC が起きると、重レプトン型ニュートリノから電⼦型ニュートリノへの変換が卓越します。重レプトン型の⽅が電子型よりも平均エネルギーが⾼いため、FFC が起きると電⼦型の平均エネルギーがつられて上がり、ニュートリノ加熱率^※7が増加して爆発が促進されます(図1)。⼀⽅で重い星は質量降着率が⾼く、元々の電⼦型ニュートリノの放出が強い状態です。よって FFCが発⽣すると、電⼦型ニュートリノから重レプトン型ニュートリノへの変換が卓越します。その結果軽い星とは逆で、ニュートリノ加熱率が減少して爆発が抑制されるのです。

また、論⽂ではさらに、先⾏研究で⽤いられていた近似的取り扱いの妥当性の評価を⾏いました。その先⾏研究では、低次のモーメントから⼈為的に再現した運動量空間分布に基づき FFC の影響を調べていました。本研究ではその⼿法と、直接運動量空間分布から求めた結果を⽐較しました。その結果、先⾏研究の近似的⼿法では FFC が出現する場所の⼤部分を⾒逃してしまうこと、そして分布によっては FFCが本来発⽣しない場所で偽判定してしまうことがわかりました。よって FFC の影響を調べるには本研究のようなボルツマン輸送シミュレーションが必要であるということも⽰されました。

研究の波及効果や社会的影響

超新星爆発は宇宙がどう進化してきたか解明する鍵を握る重要な現象です。また、地球上で実現できない超⾼エネルギー現象であるため、現在の素粒⼦・原⼦核理論の検証を行うことができる重要な実験場でもあります。本研究では超新星爆発理論の中でも⼤きな不定性であるニュートリノ集団振動の影響を明らかにし、超新星爆発の解明に⼀歩近づきました。

課題、今後の展望

ニュートリノ集団振動の成⻑モードは複数種類あると考えられており、本研究では最も成⻑率が⾼く、卓越的である⾼速フレーバー変換の影響を調べました。今後は衝突フレーバー変換など他の成⻑モードについても調べていきたいと考えています。また、超新星理論にはニュートリノ集団振動以外にも他の不定性も残されており、⼀つ⼀つ解決していく必要があります。

近年、電磁波・ニュートリノ・重⼒波観測を組み合わせたマルチメッセンジャー観測の機運が⾼まっており、近傍で超新星爆発が起きれば全ての種類のシグナルが観測できると考えられています。特に今回の主題であるニュートリノの検出に関しては、建設中のハイパーカミオカンデをはじめとして複数の国際プロジェクトが始動中です。本研究のような精密なモデル作りは、将来の観測結果を解釈する上での重要な基盤となります。

研究者のコメント

本研究で⾏われたボルツマン輸送計算は他の研究グループの近似計算と⽐べて計算コストが⾼く、スパコン「富岳」をはじめとした世界最⼤規模の計算機によって初めて可能となるものです。本研究は⼤規模シミュレーション・計算科学を活⽤して基礎科学を解明する⼀例となります。

用語解説

※1　ニュートリノ振動：
ニュートリノは今のところ 3 種類あると考えられており、それぞれ周りの物質と異なる相互作⽤をする。ニュートリノ振動とは、ニュートリノが⾶んでいく間にその型が変化する現象である。これはスーパーカミオカンデ※3で確認されたもので、この発⾒によって梶⽥隆章⽒がノーベル賞を受賞した。そして超新星爆発のような、特にニュートリノ数密度が⾼い現象ではニュートリノ同⼠の前⽅散乱による「集団振動」が発⽣すると考えられている。

※2　スーパーコンピュータ「富岳」:
スーパーコンピュータ「京」の後継機として理化学研究所が設置し、2021年3月から共用を開始した計算機。 スーパーコンピュータの主要な世界ランキングの一つであるGraph500で11期（～2025年6月）連続1位を獲得し、以降も世界トップレベルの性能を有している。

※3　スーパーカミオカンデ：
岐阜県の神岡鉱山跡地に設置された、水チェレンコフ検出器と呼ばれる種類のニュートリノ観測装置。同種の検出器としては世界最大で、超新星から放出されたニュートリノを観測するには最適。前身のカミオカンデII検出器が超新星SN1987Aからのニュートリノを検出し、アップデート後のスーパーカミオカンデが太陽ニュートリノを使ってニュートリノ振動を発見したことで、２度のノーベル賞受賞に関わっている。

※4　ELN-XLN ⾓度クロッシング：
電⼦型ニュートリノレプトン数(ELN)と重レプトン型ニュートリノレプトン数(XLN)の差で定義される、ELN-XLN という物理量の運動量空間⾓度分布が、正と負両⽅の値をとる(0 の値をクロスする)こと。⾼速フレーバー変換発⽣の必要⼗分条件であることが数学的に証明されている。

※5　量⼦運動論的処⽅：
ニュートリノ集団振動を⾃⼰無撞着的に扱った量⼦運動論シミュレーションの知⾒を⽤い、⾼速フレーバー変換の影響を有効的に取り⼊れる⼿法。⾼速フレーバー変換が発⽣した後は、その発⽣条件である ELN-XLN ⾓度クロッシングを消すような分布に⾄るということが知られている。本研究では、分布から ELN-XLN ⾓度クロッシングが取り除かれた漸近分布を解析的表式で与え、その分布へ向けた時間緩和法によって有効的にフレーバー変換の影響を考慮した。

※6　質量降着率：
超新星爆発は、外へ伝播しようとする衝撃波と、降り積もってくる物質との競合であり、後者を特徴づける量が質量降着率である。質量降着は爆発の進行を妨げる一方、その重力エネルギーの解放を通じて原始中性子星表面を加熱し、（主に電子型の）ニュートリノ放出を増大させる効果も持つ。より重い星は一般に大きく膨らんでおり、高い質量降着率が維持される。

※7　ニュートリノ加熱率：
ニュートリノが単位時間に衝撃波後⽅物質に与えるエネルギー。ニュートリノ加熱率が上昇すると衝撃波の外側への伝播を促進する。ニュートリノ加熱は主に電⼦型ニュートリノが担う。

論文情報

雑誌名：Physical Review Letters
論文名：Bifurcated impact of neutrino fast flavor conversion on core-collapse supernovae informed by multiangle neutrino radiation hydrodynamics
執筆者名（所属機関名）︓⾚穗⿓⼀郎 (早稲⽥⼤: 筆頭著者)、⻑倉洋樹（国⽴天⽂台）、岩上わかな（早稲⽥⼤）、古澤峻（関東学院⼤）、原⽥了（茨城⾼専）、⼤川博督（⻘森⼤）、松古栄夫（⾼エネ研）、住吉光介（沼津⾼専）、⼭⽥章⼀（早稲⽥⼤*: 責任著者）
掲載日時：2026年5月1 1日（月）
DOI：https://doi.org/10.1103/fksy-1jtw
掲載URL：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/fksy-1jtw

研究助成

研究費名：科研費 若手研究
研究課題名：量子多体系として解明する重力崩壊型超新星爆発(JP26K17158)
研究代表者名（所属機関名）：赤穗龍一郎(早稲⽥⼤学)

研究費名：科研費 基盤(B)
研究課題名：古典的ボルツマンソルバーを⽤いたニュートリノ集団振動の超新星爆発への影響の研究 (JP25K01006)
研究代表者名（所属機関名）：⼭⽥章⼀(早稲⽥⼤学)

研究費名：科研費 基盤(C)
研究課題名：ニュートリノ輻射流体計算を⽤いた超新星爆発及び連星中性⼦合体の包括的研究 (JP24K00632)
研究代表者名（所属機関名）：⻑倉洋樹(国⽴天⽂台)

研究費名：科研費 基盤(B)
研究課題名：⼀般相対論的第⼀原理計算で探る星の最期と原⼦核物理 (JP23K03468)
研究代表者名（所属機関名）：住吉光介(沼津⾼専)

本研究は、以下の「富岳」を中核とする HPCI システム利⽤研究課題を通じて、スーパーコンピュータ「富岳」(理化学研究所 R-CCS)、及び Wisteria(東京⼤学)の計算資源の提供を受け、実施しました。課題番号： hp240041, hp240079, hp240264, hp250166, hp250006, hp250326, hp250191。

早稲田大学理工学術院環境資源工学科公募

はじめに

2026年4月10日、早稲田大学121号館コマツ100周年記念ホールにて「心の科学」をテーマとした学内研究交流イベントを開催しました。
学内の多様な研究領域をつなぎ、分野の垣根を越えた交流を促進することを目的とした本イベントには、様々なバックグラウンドを持つ研究者及び学生が各キャンパスから総勢100名以上集いました。
「心の科学」という広範なテーマを軸に、分野横断的な交流を深め、新たな研究テーマ発掘の可能性を示す機会となりました。

【第一部】　研究紹介

理工学、社会科学、人間科学、文学の枠を超えた10名の学内研究者が、互いの研究内容を「知る」ことに主眼を置いた研究紹介を行いました。臨床心理や社会心理学的な視点（社交不安障害、うつ、陰謀論、戦争報道への反応）、政治学的な分析（投票行動と感情）、さらには神経科学や工学的アプローチ（言語の脳内メカニズム、３D映像の影響、鳥の模倣行動）など、多様な知見が共有されました。各発表を通じ、「心」という対象がいかに多面的で、学際的な研究に開かれているかが示されました。質疑応答も活発に行われ、異なる分野の視点が交錯する中で、新たな気づきや関心の広がりが生まれる場となりました。
（司会/進行：研究戦略センター・城谷和代）

大須理英子教授（人間科学学術院）｜認知神経科学へのお誘い　—社交不安障害からASDまで

大須教授は認知神経科学を専門としており、数ある研究の中から、社交不安障害、ASD（自閉症スペクトラム障害）、半側空間無視（※）などの研究事例を紹介した。

（※）脳の損傷により、視覚には問題がないにもかかわらず、損傷部位と反対側の空間に注意が向けられなくなる症状

社交不安障害は、他者から注目されたり評価されたりする状況に対して、強い恐怖や不安を持続的に感じることで日常生活に支障をきたす疾患だ。その要因の一つとして、自分自身の内的なネガティブ状態へ過度に意識が向く「自己注目」が指摘されている。自己注目が高いと、「右前頭極」と呼ばれる脳領域の過剰な活動が観察される。

そこで、本当にこの脳領域が自己注目に関与しているかを明らかにするため、頭部の外側から静磁場刺激を与えることでこの領域の活動を抑制してみた。すると、社交不安傾向が高い被験者において、自己注目の程度が低下することが確認された。

続くASD、半側空間無視などに関する研究も参加者の認知神経科学の世界への興味関心をかき立てるに十分な内容であった。

尾野嘉邦教授（政治経済学術院）｜投票は何で決まるのか――印象と感情が動かす投票行動

尾野教授によると、近年の投票行動研究では、有権者が政策内容だけでなく、直観的な手がかりに依拠し、「ヒューリスティクス（※）」によって判断を下している可能性が示唆されている。

（※）経験や直感に基づく「思考のショートカット」で、複雑な問題を迅速に解決するための簡便な方法。

研究では、候補者の顔を「美しい」から「美しくない」までの5段階で評価してもらい、その結果と実際の選挙結果を比較したところ、顔の「魅力度」が高い候補者ほど得票率が高くなる傾向が確認された。これは、有権者の投票行動が、候補者の「見た目」という政策とは直接関係のない要素に影響されている可能性を示している。

また、有権者の判断に影響を与える要素として、選挙ポスターや政見放送における候補者の「表情」、SNSでの発言のトーンなども挙げた。

SNSなどの普及により、選挙において有権者が接する情報は多様化し、ヒューリスティクスの影響が高まっている可能性がある。直感的な印象や感情が投票判断に及ぼす影響は、今後さらに重要な研究課題になろう。尾野教授の研究は、有権者が投票時に何を手掛かりにしているのか、そして何に注目すべきかを問いかけるものである。

河合隆史教授（理工学術院）｜先進映像と人間工学——「安全な3D」から「宇宙酔い対策」へ

「先進映像と人間工学」をテーマとする河合教授は、1990年代から、3D映像が視覚機能などに及ぼす影響に関する研究に従事しており、数々の3D映像の制作に携わってきた。

北欧初の3D劇場映画「Moomins and the Comet Chase（邦題：ムーミン谷の彗星）（2010年）」、「映画 怪物くん（2011年）」、「STAND BY ME ドラえもん（2014年）」など、参加者もよく知る映画が紹介され、会場は驚きの声で包まれた。

前者2作品については、「安全な3D」「快適な3D」を目指し、視覚などに負担がかからないような工夫を施し、「STAND BY ME ドラえもん」では、ストーリー展開に対応した、感情の増幅を意図した立体感の設計を心掛けたと言う。まさに、「感動する3D」と言える。

現在の河合教授の興味関心は「宇宙」にある。2040年頃から、一般民間人が宇宙旅行をする時代が訪れる。そのため、宇宙酔いは事前に解決すべき課題であると言える。

河合教授は、宇宙酔い軽減の効果が得られる映像の開発に取り組んでいるという。近い将来、宇宙を旅行する際の必須アイテムとなることが期待される。

神前裕教授（文学学術院）｜ヒトの心・動物の心——「意図」と「目的性」を科学する

「ヒトの心・動物の心」をテーマとする神前裕教授の発表では、ラットを用いた実験を通じて、「意図」や「目的性」といった心の働きをどのように捉えることができるのかが紹介された。

ある実験では、餌を報酬としてラットにレバー押しを訓練したのちに、餌と塩化リチウム投与を組み合わせることで餌の価値を下げる操作が行われた。その結果、塩化リチウムを投与されたラットは対照群と比べて、実際には餌が出ないテスト場面におけるレバー押し頻度を低下させた。この結果は行動が単なる反応ではなく、「結果への具体的な予期」に基づくことを示す。

一方、同様の課題を長期間継続すると、価値低下後も行動が維持されるケースが確認された。これは行動が目的なものから習慣的反応へと移行した状態を意味する。

神前教授は、こうした目的行動から習慣への移行条件やそれを支える神経基盤の解明が、私たちの行動に伴う意図や目的といった心的過程の解明、さらに薬物依存症など疾患の理解にもつながる可能性に言及し、習慣の形成、またその消去・再発の機序は今後の重要な研究課題であるとした。さらに、行動に対する「行為主体感」様の再帰的知覚をマウスにて検出した最新の研究を紹介し、心の科学における動物研究の意義を強調して発表を締めくくった。

小林哲郎教授（政治経済学術院）｜「陰謀論」はなぜ政治現象となるのか――社会心理学の視点から考える

社会心理学をベースに政治現象を分析してきた小林教授は、本発表で「陰謀論」をテーマに取り上げた。

一般に、陰謀論を信じやすい人ほど投票行動に消極的になるとされる一方、近年は各国で陰謀論的主張を掲げる政党が一定の支持を得ており、既存の知見との齟齬が指摘されている。小林教授はこの点を説明する概念として、「Collective Efficacy（集合的有効性感覚）」に着目した。

Collective Efficacyは、「私一人では政治を変えることはできないが、みんなで力を合わせれば政治にインパクトを与えられる」という考えである。

2023年の調査では、陰謀論を信じやすい人ほど政府の応答性に対する評価は低い一方、Collective Efficacyを強く感じていることが見出された。すなわち、陰謀論を信じる人々は、集団的な力を信じて政治参加へと向かう可能性があるということである。

小林教授は、Collective Efficacy自体は参加型民主主義を支える重要な要素であるとしつつも、そのプロセスを通じて陰謀論的言説が政治的影響力を持ちうる点に注意を促した。最後に、この現象を民主主義の活性化と見るべきか、それとも歪みと捉えるべきかを会場に問いかける形で、発表を終えた。

酒井弘教授（理工学術院）｜「意味」は脳内のどこにあるのか——脳活動パターンから概念を推定する

酒井教授は、言語を処理する神経回路が脳内のどこにあるかという伝統的な理解を超えて、回路上で個々の単語の意味がどのように表現されているかの解明を目指している。

その実験手法は、被験者に複数の画像を提示し、その際の脳活動を磁気センサで計測。得られたデータをベクトルとして扱い、高次元空間上にマッピングしたうえで、機械学習手法の一つであるSupport Vector Machine（SVM）を用いて分類を行うというものである。

この手法により、脳活動のパターンのみから被験者が見ている対象をどの程度推定できるかが検証された。画像を「食べ物」と「道具」に分類した場合、ほぼ100％の精度で両者を区別できることが示されたという。

これらの結果は、脳内において「食べ物」と「道具」といった概念が神経活動のパターンとして表象されている可能性を示すものである。脳内における概念理解の新たなアプローチとして、会場からも注目が集まった。

杉森絵里子准教授（人間科学学術院）｜うつの「前段階」では何が起きているのか——不安や緊張は「表情」に現れる

杉森准教授は、外界からの情報がどのように知覚され、どのように表出されるのか、さらにその個人差に着目した研究を行っている。

発表では、近年取り組んでいる「閾値下うつ」に関する研究成果が紹介された。閾値下うつとは、医療機関を受診するほどではないものの、抑うつ傾向を有する状態を指す。

杉森准教授は、こうした人々における表情の知覚や表出、さらには他者に与える印象について分析を行った。

一般に、臨床的なうつ状態では、他者の表情をよりネガティブに知覚しやすく、自身の表情表出においても笑顔が減少することが知られている。一方で本研究では、閾値下うつの人はそうではない人と同様な形で他者の表情を知覚できていることが確認された。

しかし、自身の表情表出に関しては、ポジティブな表情が弱まり、不安や緊張の高い表情が現れやすい傾向が示唆された。これは、典型的な「笑顔の減少」とは異なる形で、抑うつ傾向が表情に影響を及ぼしている可能性を示すものである。

こうした知見は、うつの早期段階における心理・行動の変化を捉える手がかりとなる見込みがあり、今後の研究の進展に期待したい。

多湖淳教授（政治経済学術院）｜戦争をめぐる心の科学——戦争報道に人はどう反応するのか

多湖淳教授の発表では、戦争から距離のある一般市民が、報道などを通じて戦争を目にした際にどのような心理的反応を示すのか、という研究が紹介された。

近年、一般市民が戦争映像に触れる機会が増えている。その一方で、兵士や被害者に関する研究に比べ、遠隔地の一般人が悲惨な光景を目にした際の反応を扱った研究は限られているという。そこで多湖教授は、早稲田大学の学生を対象に、戦争に関する画像を用いた実験を実施した。

実験では、戦争に関連する画像を提示し、その間の心拍変化や戦争コストに対する認識を測定した。その結果、破壊や兵器、生存者が写る画像では大きな変化は見られなかった一方、死体が含まれる画像では、戦争のコストを高く評価する傾向とともに、心拍数が低下する反応が確認された。心拍低下は「嫌悪感（ディスガスト）」に起因するものであると考えられる。
本分野には未解明の点も多く、今後も研究を継続していく必要があると述べたが、戦争報道のあり方を考えるための有益な研究である。

田中雅史准教授（文学学術院）｜人と鳥の文化の科学——模倣学習はどのように生まれるのか

田中准教授は、人と歌鳥が共通して有する高い模倣能力と文化伝達能力について研究している。

鳥の研究では、幼鳥が成鳥の歌を対面で聴く際、脳の運動連合野においてドーパミンが放出されること、また、そのドーパミン伝達を遮断すると模倣ができなくなる一方、ドーパミンを人工的に放出させると、本来は模倣しにくいはずのスピーカーから再生した歌に対しても模倣が生じることが示された。

また、情動との関連が知られる扁桃体の機能について、正常な鳥では、特定の成鳥に近づいて歌を学ぶのに対し、扁桃体を損傷した鳥では、どの成鳥へも近づいて模倣対象が定まらなくなるという結果が示された。人を対象とした実験でも、情動の操作によって言葉や歌の模倣学習が促進されうることが報告された。

本研究は、文化伝達に重要な模倣能力と情動・社会性とをつなぐメカニズムが、文化を伝える珍しい動物である人と鳥に共通して存在することを示唆するもので、文化伝達の生物基盤の理解に寄与する成果として注目される。

渡邊克巳教授（理工学術院）｜心を研究するということ——多様な学問領域をつなぐ視点

渡邊教授は、第一部の各発表を振り返りながら、自身の研究と多くの接点があることを実感したと語った。

講演では、自身の研究テーマを複数紹介しつつ、その内容が、自分自身でも「色々やりすぎている」ように見える点についても率直に言及。そのうえで、むしろそうした多様性が心の科学の本質である点を楽しんでほしいと会場に呼びかけた。

また、文学部出身でありながら、現在は理工学術院で研究・教育に携わっているという自身の経歴にも触れ、「心を研究する」という立場を確立させ、方法論を貫けば、分野を越えて展開できるのが「心の研究」の魅力ではないかと述べた。さらに、「心の研究」は多様な分野と接続しうるものであり、結論を急がず探究を続ける姿勢が重要であると強調し、発表を締めくくった。

＊第一部総括＊

第一部の締めくくりに、研究戦略センター関根泰所長より「知的好奇心を強く刺激する多彩なテーマだった」との賛辞が贈られました。分野横断的な広がりを本学の大きな強みと捉え、今後の発展に期待を寄せています。最後に若手研究者へ向けて、積極的に多様な分野へ触れることで視野を広げ、「新たな時代を切り拓く存在に」と熱いエールが送られました。

【第二部】　ポスター発表及び交流会

学生を含む若手研究者計14名の研究発表が行われました。
会場には多くの来場者が集まり、各ポスターの前には人だかりができるなど、盛況な様子が見られました。また、第一部で登壇した研究者のもとにも多くの参加者が集まり、会場の各所で名刺交換や情報交換が行われるなど、分野を越えたネットワーク形成の様子もうかがわれました。総括として渡邊克巳教授より、分野の垣根を取り払った自由な探求こそが「心の科学」の真髄であり、今後もこうした連携を含めていく重要性が語られ、イベントは盛況のうちに閉幕しました。
（司会/進行：理工学術院総合研究所・荒勝俊）

ダイジェスト動画

参加者の状況

（本分析では、参加者のうち事前登録を行われた方を対象としています。また、キャンパスの属性については、各参加者が所属する箇所の本拠地を基準に集計しています。）

開催日：2026年4月10日（金）
会場：早稲田大学121号館
共催：早稲田大学 理工学術院総合研究所/ 研究戦略センター
イベントアドバイザー：理工学術院 渡邉克巳 教授
世話人：理工学術院総合研究所 荒勝俊、高橋大輔/ 研究戦略センター 城谷和代
運営：「心の科学」イベント運営事務局（理工総研事務所/ 研究戦略センター事務局内）
動画制作：広報課
記事作成協力：ライター 関瑶子 氏
（参考）開催案内：https://www.waseda.jp/fsci/wise/news/2026/02/03/11302/

卵子を育てる「細胞間のかけ橋」の機能に迫る、内部構造の解明
～卵子とその周辺細胞とのコミュニケーションを促す橋渡し構造の中に「微小管」を発見～

発表のポイント

•  卵巣内で、卵子とその周囲の細胞をつなぐ突起構造の中に、微小管^※1が広く存在することを発見しました。従来の顕微鏡とは異なる超解像顕微鏡による観察で、今回の発見に至りました。
• また、突起構造を形成するために必要な因子として、微小管結合タンパク質Camsap3^※2が重要な働きを担うことを発見しました。
•  Camsap3を欠損したマウスは、卵子の成熟異常、排卵障害、不妊を示すことを発見しました。
•  卵子と周囲の細胞との突起形成がCamsap3と微小管によって促進されることが分かり、卵子と周辺細胞とのコミュニケーション機構の実体が明らかになることで、卵子の成熟機構について理解が進み、生殖医療・不妊研究への応用が期待されます。

不妊の原因のひとつである卵子成熟の欠陥を治療することはできないのか？そのために欠かせないのは、卵子の成熟がどのように起きるのかというメカニズムを解明することです。
この課題に迫るため、京都大学大学院薬学研究科の戸谷美夏（とや　みか）助教（研究当時：早稲田大学理工学術院）および早稲田大学理工学術院の佐藤政充（さとう　まさみつ）教授は、早稲田大学大学院先進理工学研究科生命医科学専攻 博士後期課程の相川皓洋（あいかわ　あきひろ）、修士課程の鶴巻孝夫（つるまき　たかお）とともに、麻布大学獣医学部の伊藤潤哉（いとう　じゅんや）教授、京都大学大学院薬学研究科の倉永英里奈（くらなが　えりな）教授との共同研究チームで、卵子とその周囲の細胞とをつなぐ突起構造の内部に、微小管が高頻度で存在することを超解像顕微鏡技術により発見しました。さらに、その突起構造を形成するためにはCamsap3タンパク質が重要な役割を果たすことを明らかにしました。本研究成果は、卵子成熟を促す細胞間コミュニケーションの新たな仕組みを示すものであり、卵成熟の欠陥による不妊の原因解明や生殖医療の発展につながることが期待されます。
本成果は、2026年4月28日（火）に『iScience』(出版社：Elsevier／Cell Press)で公開されました。

これまでの研究で分かっていたこと

ヒトやマウスなど、ほ乳類の卵子は、卵巣内でたくさんの顆粒層細胞 ^※3に取り囲まれた状態で成熟します。卵子の成熟に異常があると不妊につながるため、そのメカニズムを解明することは生殖医療の観点から重要です。顆粒層細胞は卵子に様々な分子を届けることで卵子の成熟を促すと考えられていますが、具体的な分子メカニズムは分かっていません。卵子と顆粒層細胞の間には透明帯という領域が存在します。透明帯を超えて顆粒層細胞から卵子に直接分子を送り届けるために、顆粒層細胞はTranszonal projection（以降、「TZP」という）^※4と呼ばれる突起状の構造を伸ばします（図1、図2）。これが卵子まで到達することで、卵子の成熟に必要な物質を送り届けると考えられています。
これまで、TZP突起の内部には、アクチン^※5と呼ばれる細胞骨格の一種が内包されることが分かっていました。これに対して、異なる細胞骨格である微小管はTZP突起のうち5%程度にしか存在しなかったため、重要な機能を担うとは考えられていませんでした。

新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

本研究では、これまでの定説とは異なり、TZP突起構造の中に微小管が頻繁に存在することを発見し、これが卵子成熟に大きな役割を担うことを明らかにしました。
着想の経緯は、戸谷美夏博士（京都大学）が以前から研究していた微小管結合タンパク質Camsap3でした。一般的にCamsap3は細胞内の微小管を安定化させる機能を持ち、マウスの生体内では腎臓や卵管、気管、脳などの幅広い組織で重要な役割を担います。今回、Camsap3の遺伝子欠損（ノックアウト）マウスのメスは、排卵せず不妊を示すことを発見しました。不妊の原因に迫るために卵巣組織を解析したところ、Camsap3欠損マウスでは初期段階の卵子は正常に形成されていましたが、排卵が近づいた後期段階の卵子はほぼ消滅しており、卵子成熟の過程に異常がある様子が見えてきました。
Camsap3欠損マウスの卵子と顆粒層細胞を観察した結果、両者をつなぐTZP突起の本数が野生型マウスと比較して約60%に減少していました（図2）。従来の研究では、TZP突起は内部にアクチン細胞骨格を含むことが知られています。これに対して、別の細胞骨格である微小管はTZP突起全体のうち約5%にしか発見されていないことから、微小管結合タンパク質Camsap3の欠損マウスにおいて、なぜ、アクチンを主体とするはずのTZP突起が異常を示すのか疑問でした。
そこで、超解像顕微鏡技術を用いてTZP突起を高精細に観察しました。その結果、通説とは異なり、TZP突起の大多数（約80%）が内部に微小管を含むことを発見しました（図2）。つまり、微小管結合タンパク質Camsap3を欠損すると、TZP突起内部の微小管に異常が起き、これがTZP突起の形成不全を引き起こすことが分かりました。このように、微小管は従来想定されていたよりもはるかに重要な役割、つまり突起そのものを形成するために中心的な役割を果たすことが見えてきました。

さらに、TZP突起の内部で微小管とアクチンが示す形態にはいくつかのパターンが存在し、卵子成熟の段階に応じて、その形態が変化することが明らかになりました。初期段階では、微小管とアクチンが並走する直線的なTZP突起が多く見られましたが、卵子成熟が進むにつれて、枝分かれした複雑なTZP構造へと変化しました。Camsap3はTZP突起内の微小管上に局在していたことから、Camsap3は微小管の向きや安定性を制御していると考えられます。
これまで、卵子表層に到達したTZP突起は、ギャップ結合や接着結合といった結合様式で卵子に接続することがわかっています（図3）。このような結合箇所には、アミノ酸などの低分子化合物が通れるほどの小さな穴が存在します。一方、mRNA^※6やミトコンドリア^※7のような大きな分子はどのようにTZP突起から卵子に送られるのか不明のままです。本研究では一部のTZP突起において、微小管がTZP突起の先端からさらに伸長して卵子内部まで貫通する構造がみられました（図3）。このようなTZP突起では、TZP突起の先端が卵子の細胞膜と融合してトンネルのように貫通し、卵子の細胞質に直接つながっていると考えられます（図3）。つまり、ミトコンドリアやmRNAなどの巨大な物質を卵子内に送り届けることが容易だといえます。野生型において、このような卵子の細胞質に直接つながったTZP突起の内部にミトコンドリアが存在する様子が観察されました。これらの観察結果は、TZP突起内部の微小管は顆粒層細胞から卵子に向けてミトコンドリアなどの巨大な物質を輸送するために使われている可能性を示唆しています。
これらの成果は、TZP突起はアクチンを主体とする突起構造だとみなしてきた従来の理解を大きく更新するものです。本研究が微小管を内部に発見したことで、微小管がTZP突起の形成を促すこと、さらに微小管をレールとして卵子から顆粒層細胞への物質輸送が起きるという新しいメカニズムが見えてきました。

研究の波及効果や社会的影響

本研究は、卵子成熟の分子メカニズムの解明に大きく寄与する基盤研究と考えています。卵子は周囲の顆粒層細胞から分子を受け取ることで成熟し、排卵されます。卵子成熟の欠陥は排卵障害の原因となり、不妊症のひとつですが、成熟の欠陥が起きるメカニズムはよく分かっていません。
本研究では、Camsap3の欠損によってTZP突起の形成不全が起きること、また、これが排卵障害を引き起こすことが示されました。つまり、TZP突起の形成を司る重要分子としてCamsap3が同定できたといえます。これを足がかりとすることで、卵子成熟の欠陥による不妊の治療や予防に応用できると考えます。
また、近年、顆粒層細胞から卵子にmRNAやミトコンドリアが輸送される可能性が注目されています。本研究はTZP突起内に微小管の存在を示したことで、これを物質輸送のレールとして卵子に成熟因子を届けるという卵子成熟の新たな分子機構のベールがはがされました。将来的には、TZP突起を人工的に作製したり、成熟分子が分かればそれを人為的に卵子に届けたりすることで、卵子の成熟能力を高める新たな生殖医療技術の開発につなげていきたいと考えます。

課題、今後の展望

本研究では、超解像顕微鏡技術を用いて、従来考えられていたよりも多くのTZP突起が微小管を含んでいることが明らかになり、物質輸送の原理が見えてきました。しかし、顆粒層細胞から卵子に向けてどのような分子が輸送されているのかは、依然として明確な知見・証拠がありません。私たちは、その輸送される分子の同定を最重要課題と捉えています。この因子が決定できれば、未成熟の卵子にそれを人為的に投与することで人工的に卵子成熟を誘導して、不妊治療につなげられる可能性があるからです。

研究者のコメント

TZP突起はこれまでアクチンを主体とする細胞突起として理解されてきました。本研究では、超解像顕微鏡を用いることで従来検知できなかった微小管の存在を発見できました。本研究が卵子成熟や不妊の原因を解明する新たな基盤になるよう、研究を継続していきます。不妊の原因は男女含めて様々なものがあると考えられます。その原因を1つずつ追究していく基礎研究が、生殖医療のブレークスルーにつながると信じています。

用語解説

※1　微小管
細胞骨格の繊維状構造の一つであり、チューブリンタンパク質の重合により繊維状の形になります。細胞内での物質輸送、細胞形態の維持、染色体の分配など様々な場面で重要な役割を担います。物質輸送においては、微小管がレールのような働きをすることで、特定の場所や方向に物質を運ぶ際の重要な経路となることが知られています。

※2　Camsap3
微小管に結合し、微小管を安定化する機能を持つタンパク質。マウスの生体では腎臓や気管、脳などの幅広い組織で役割を担います。小腸上皮細胞では、細胞内の微小管を一定方向に整列させることで、上皮細胞の形態を形作ります。腎臓の尿細管では微小管の整列をおこない、Camsap3を欠失させると尿細管が肥大化して嚢胞腎に似た症状を示します。卵管では、排卵された卵子や受精卵を正しい方向に送り出して子宮に届けるためにCamsap3は重要な役割を担います。

※3　顆粒層細胞
卵巣内で卵子を取り囲む多数の細胞。卵子の成熟に必要な物質を卵子に供給し、卵子の成長や成熟を支える重要な役割を担います。卵子に向けて突起状の構造を形成して、これを介して直接的な物質伝達など、細胞間コミュニケーションを行います。

※4　Transzonal projection (TZP)
顆粒層細胞から伸び、卵子を包む「透明帯」を貫通して卵子表面近くまで到達する突起。卵子と顆粒細胞の間で、卵子の成熟に必要な物質を受け渡すための連絡路として働きます。従来は、突起の内部はアクチンを主体とするものと考えられていましたが、本研究でTZPの多くが内部に微小管も含むことが分かりました。

※5　アクチン
細胞骨格の一つであり、アクチンタンパク質の重合により繊維状の構造になります。細胞の形作りや移動などの機能を担います。これまでは、TZP突起の内部を構成する主要な構造物はアクチンであると考えられてきました。

※6　mRNA
DNAに記録された遺伝情報をもとに作られるRNAの一種。細胞内でタンパク質を合成する際の“設計図”として働きます。卵子の成熟では、顆粒層細胞から供給されるmRNAが重要な役割を果たします。

※7　ミトコンドリア
細胞内に存在する細胞小器官の一つで、酸素を利用してエネルギー（ATP）を産生する工場の役割を担います。卵子は成熟段階で顆粒層細胞からミトコンドリアが供給されると考えられています。

キーワード

不妊治療、生殖医療、卵子、卵子の成熟、排卵、微小管、細胞間コミュニケーション

論文情報

雑誌名：iScience
論文名：Camsap3-Mediated Microtubules Maintain Transzonal Projections Essential for Soma–Germ Communication during Ovarian Follicle Maturation in Mice
執筆者名（所属機関名）：相川皓洋1,鶴巻孝夫1,倉永英里奈2,伊藤潤哉3,4,戸谷美夏1,2,佐藤政充*1,5
1:早稲田大学 大学院先進理工学研究科 生命医科学専攻
2:京都大学 大学院薬学研究科 創発医薬科学専攻
3:麻布大学 獣医学部 動物繁殖学研究室
4:麻布大学 大学院獣医学研究科
5:早稲田大学 構造生物・創薬研究所
掲載日時：2026年4月28日
掲載URL：https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(26)01286-1
DOI：https://doi.org/10.1016/j.isci.2026.115911
*：責任著者

研究助成

研究費名：科研費　基盤研究 (C)　25K09635
研究課題名：卵胞成熟を支える微小管構造による体細胞―生殖細胞間コミュニケーションの分子機構
研究代表者名（所属機関名）：戸谷美夏（京都大学）

研究費名：公益財団法人　大隅基礎科学創成財団　研究助成
研究課題名：卵母細胞と母体のコミュニケーションを橋渡しする微小管の機能
研究代表者名（所属機関名）：戸谷美夏（早稲田大学/京都大学）

研究費名：公益財団法人　第一三共生命科学研究振興財団　研究助成
研究代表者名（所属機関名）：佐藤政充（早稲田大学）

研究費名：科研費　基盤研究 (B)　16H04787
研究課題名：微小管の機能発見および人工制御：細胞から組織まで
研究代表者名（所属機関名）：佐藤政充（早稲田大学）

研究費名：科研費　挑戦的研究（萌芽）　18K19347
研究課題名：高齢卵子における紡錘体の位置の異常と不妊の関連性
研究代表者名（所属機関名）：佐藤政充（早稲田大学）

研究費名：科研費　基盤研究（B）　23K27173
研究課題名：クロマチン変動・発現変動・エネルギー産生による細胞の目覚めの統合的理解
研究代表者名（所属機関名）：佐藤政充（早稲田大学）

研究費名：科研費　学術変革領域研究（A）　25H02582
研究課題名：休眠か目覚めかの運命を定めるエピコードとヌクレオソーム状態の変化
研究代表者名（所属機関名）：佐藤政充（早稲田大学）

光と原子つなぐ新量子ゲートを提案
～光1回の反射で完結、量子計算の誤り率を低減～

発表のポイント

•  重要な量子ゲートの１つである「制御変位ゲート」を、光と原子に対して実現する新たな手法を理論的に提案しました。
•  光を共振器に1回だけ反射させることで実現でき、複数回の反射が必要だった従来手法と比べて短時間に、かつ誤り率を低減した計算を実行できます。
• 光と原子、性質の異なる２つのシステムを繋げることで、ハイブリッド系を活用した新たな量子計算・量子通信の実現を加速することが期待されます。

早稲田大学先進理工学研究科の木倉清吾（きくらせいご）大学院生と理工学術院の青木隆朗（あおきたかお）教授（兼：理化学研究所量子コンピュータ研究センター・チームディレクター）、理化学研究所量子コンピュータ研究センターの後藤隼人（ごとうはやと）チームディレクター、シンガポール国立大学の花村文哉（はなむらふみや）博士研究員からなる研究グループは、原子と光、全く異なる性質を持つ２つの量子系に量子もつれ^※1を生じさせる量子ゲート^※2を効率的に実装する新たな手法を提案しました。
従来手法では、原子を閉じ込めた共振器^※3に光パルスを複数回反射させ、かつ光の干渉操作を組み合わせることで1つの量子ゲートを合成していました。しかし、この場合光の損失や量子誤りの蓄積の問題がありました。本提案手法では、光パルスを1回だけ共振器に反射させると同時に原子をレーザーで制御することで、２つの量子系を繋げる制御変位ゲート^※4を直接実装する手法を新たに提案しました。本手法により、ハイブリッド系を駆使する高性能な量子情報処理技術のさらなる発展を加速することが期待されます。
本成果は、2026年5月12日（火）に『Physical Review Letters』に公開されました。

これまでの研究で分かっていたこと

近年目覚ましい進展を遂げる量子情報処理では、人工的に作られたチップだけでなく、光や原子といった自然界に存在する量子系が情報の担い手として活躍します。
例えば、光は光通信に代表されるように高速・長距離伝送が可能であり、また「GKP符号」^※5と呼ばれる量子誤り訂正に有利な符号を扱える特徴を持ちます。一方で、光だけでは量子性が強い操作（非線形操作）が難しいという課題があり、その他の量子系についてもそれぞれ固有の長所短所を持ち合わせています。そこで、単一の量子系では克服が難しい短所を補いつつ長所を最大限活用するために、性質の異なる２つの量子系を繋げたハイブリッド系を活用することが盛んに研究されています。例えば、チップ内に2つの人工量子系を統合することで、単一の量子系ではそれまで困難だったGKP符号の作成・制御が実現されています。このようなハイブリッド系の能力を駆使するために、異なる量子系に量子もつれを生じさせる「制御変位ゲート」は欠かせない量子ゲートの１つです。
しかし、「静止する原子」と「高速に移動する光パルス」に対して、この量子ゲートを効率的に実装する方法はこれまで確立されていませんでした。従来は、制御変位ゲートを直接実行する手法が確立していなかったため、異なるゲート操作を組み合わせることで制御変位ゲートを合成していました。この場合には、原子を閉じ込めた共振器（共振器量子電気力学^※6系と呼ばれる）に光パルスを複数回反射させる必要があり、反射のたびに光のエネルギーが損失するため、ゲートの精度が低下するという課題がありました。

新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

本研究では、光パルスと原子の間の制御変位ゲートを、光を1回だけ反射させる「シングルショット方式」で実現する手法を提案しました。原子を共振器内に捕捉し、光パルスが共振器に入射するのと同時に、原子をレーザーで精密に制御します。これにより、原子の量子ビットの状態に応じて、反射してきた光パルスの量子状態が変化します。すなわち、複数回の反射を必要とせず1回の反射操作で、制御変位ゲートの実装が完結します。
さらに、共振器内部の光損失や原子の自然放出など、現実の実験で避けられない損失を取り込んだ解析モデルを導出しました。このモデルにより、提案手法の評価・最適化を簡潔に行えることを示しました。数値シミュレーションにより、導出されたモデルの有効性を確認し、またそのモデルを用いてパラメータの最適化を行うことで、提案手法が従来手法に比べてゲートエラー（理想の操作とのズレ）を大幅に改善できることを確認しました（図1）。

研究の波及効果や社会的影響

光と原子は、それぞれが有望な量子系として盛んに研究が行われており、その技術発展は凄まじい状況です。この技術潮流の中で、これらを結びつけるハイブリッド系は、それぞれの潜在能力を最大限引き出し、高性能な量子計算・量子通信を実現するために活発に研究されています。
今回、高速かつ誤り率の小さい量子ゲート手法を新たに提案したことで、国内外の実験・理論研究グループによる実験実証や応用研究を促進し、ハイブリッド量子系の技術発展を加速させることが期待されます。

課題、今後の展望

今回、新たな量子ゲート手法を提案しただけでなく、高い内部協同係数が誤り率の小さい量子操作の実現において重要であることを、共振器量子電気力学系における先行研究結果を踏まえて再確認しました。これにより高協同係数共振器系の研究開発がさらに促進されることが期待されます。また、原子と光からなるハイブリッド量子系の基本かつ重要な量子ゲートについて、高速かつ誤り率の小さい実装手法を提案したことで、原子をメモリ、光を通信媒体とした量子ネットワークをはじめとした量子情報処理技術の社会実装の加速にも貢献することが期待されます。

研究者のコメント

光と原子という性質の異なる物理系を量子的に結んだシステムを利用することで、現状より高速な情報処理、あるいはよりセキュアな光通信の実現が期待されています。今回提案した「シングルショット制御変位ゲート」は、その鍵となる操作を効率的に実現するものです。本成果が量子技術の社会実装に微力ながら貢献することを期待しています。

用語解説

※1　量子もつれ
複数の量子が互いに強く結びつき、一方の状態を測定すると距離に関係なく他方の状態も瞬時に決まるという量子力学特有の現象。

※2　量子ゲート
量子情報処理において、情報を担う量子の状態を変化させる基本操作。

※3　共振器
高反射率の鏡の間に光を閉じ込め、光と物質（原子など）の相互作用を増大させる装置。本研究では原子を閉じ込め、光パルスを反射させる中心的な装置として機能する。

※4　制御変位ゲート
量子ビット（原子など）の状態（0か1か）に応じて、光の量子状態を位相空間（位置と運動量を座標とする空間）上で移動（変位）させる量子ゲート。ハイブリッド量子系の基本的な操作のひとつ。

※5　GKP符号
光の連続的な量子状態を利用して量子誤りを訂正する符号の一種。光量子コンピュータにおける量子誤り訂正の有力な方式として注目されている。

※6　共振器量子電気力学
共振器内に閉じ込めた光と原子の相互作用を量子力学的に扱う物理学の分野。光と原子を強く結合させることで、精密な量子制御が可能になる。

※7　内部協同係数
共振器量子電気力学系において、光と原子の結合の強さを共振器内部の損失と原子の自然放出レートの積と比べた指標。値が大きいほど、量子操作を高性能に実行できる。

論文情報

雑誌名：Physical Review Letters
論文名：Single-shot conditional displacement gate between a trapped atom and traveling light
執筆者名（所属機関名）：
木倉 清吾（早稲田大学理工学術院）、後藤 隼人（理化学研究所量子コンピュータ研究センター）
花村 文哉（シンガポール国立大学量子技術センター）
青木 隆朗*（早稲田大学理工学術院／理化学研究所量子コンピュータ研究センター）
掲載日時：2026年５月12日
掲載URL：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/234l-q12q
DOI：https://doi.org/10.1103/234l-q12q
*：責任著者

キーワード

量子ゲート、量子計算、量子通信、制御変位ゲート、共振器

研究助成

研究費名：国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）ムーンショット型研究開発事業
研究課題番号：JPMJMS2268、JPMJMS256K
研究代表者名（所属機関名）：青木隆朗（早稲田大学）

大学院ってどんなところ？ 現在、早稲田大学には21の大学院があります。今回の「研究まっしぐら！」は、先進理工学研究科で研究に励む木村さんのキャンパスライフを紹介。大学院へ進学した理由をはじめ、学問の魅力だけでなく、一日の過ごし方も伝えます。

同級生や先生方との議論を通じて得られた生きる知識

大学院先進理工学研究科 修士課程 2年　木村 爽耶（きむら・さや）

私が所属している坂内研究室（坂内博子教授・理工学術院、生物物理学研究室）では、「見る」技術を使って、神経細胞やそれを構成するタンパク質に起こる変化を調べることで、脳神経疾患のメカニズムや神経細胞の生理的機能を明らかにする研究を行っています。

私が脳神経の研究に興味を持ったきっかけは、高校生の頃に見たALS（筋萎縮性側索硬化症）という神経難病を患っている方のドキュメンタリー番組です。ALSは全身の筋力が低下する病気で、体が自由に動かない状態でも毎日を懸命に生きる患者の方に心を動かされ、「治療法がない病気に立ち向かう方の力になりたい」と感じました。ALSを含め、アルツハイマー病やパーキンソン病などの神経変性疾患には、まだ根本的な治療法が確立されていない病気が多く、神経変性疾患の治療薬の開発につながるような研究がしたいと思うようになりました。

学部は、先進理工学部の電気・情報生命工学科でした。進学理由は、電気・情報・生命と広く学んでから研究したい専門分野を決められる点です。さらに、これまで治療法がなかった疾患の治療薬の開発も含め、今まで解決できなかった問題を学問横断的なアプローチで解決しようとしている点にも魅力を感じたからです。また、大学に入って生命科学を学ぶ中で 、情報が電気信号や化学物質の信号へと変わりながら神経細胞で伝達される現象を学んだ時の「神経って面白い！」というワクワク感から、脳神経の研究ができる坂内研究室を選びました。

その中で、私はアルツハイマー病のモデル細胞を作る研究を行っています。モデル細胞ができれば、アルツハイマー病の原因タンパク質がどのように相互作用して病気を進行させるのかを解明したり、どんな薬剤が病気の進行を抑制するのかを細胞レベルで調べたりすることができます。

アルツハイマー病では、原因タンパク質の一つである「タウ」 が結合して塊になった凝集体が見られます。これまでもタウの凝集体を再現するような動物モデルや細胞モデルは研究されてきましたが、タウ分子が複数結合した可溶性の「オリゴマー」など初期の凝集形成過程を再現したラットの神経細胞でのモデルはほとんど実現していません。そこで私は、細胞の内外でタウを増やしたり、二つの原因タンパク質（タウとアミロイドβ）を投与したりして、タウ凝集の初期過程を再現できないか研究しています。

研究の魅力を感じる瞬間は、普段見えないものを見ることができたときです。例えば、観察したいタンパク質に蛍光物質を結合させ、顕微鏡で観察すると、タンパク質を可視化することができます。肉眼では見えないタンパク質の量や形態、細胞の中での局在が分かることも面白いですし、観察した細胞の画像は星空のようにきれいに見えることもあります。また、先生や同期・先輩と研究内容について話す中で、自分では思いつかなかったアイデアを得られる楽しさがあります。

そんな研究の小さな一コマにもささやかな楽しみを見つけながら、アルツハイマー病の原因であるタウの初期病理を再現することを目指し、これからも研究に励んでいきたいです。

ある日のスケジュール

• 07:00　起床・朝食
• 09:00　研究室のセミナー（オンラインで論文紹介や進捗(しんちょく)報告を行います）
• 11:00　TWInsへ移動（早稲田大学の生命系の研究室が集まった施設です）
• 12:30　実験（生命科学系の実験では反応が出るまでの待ち時間も多く、その間に昼食をとったり論文調査をしたりしています）
• 19:00　帰宅・夕食
• 20:00　楽器練習（毎週末の市民オーケストラの合奏練習に向けて、空いた時間にビオラを弾いています）
• 23:00　就寝準備
• 24:00　就寝

糖尿病薬が「重篤アレルギー」を防ぐ？
～糖尿病治療薬アカルボースが腸内細菌の代謝を変え、アナフィラキシーを抑制する仕組みを解明～

北里大学、慶應義塾大学、早稲田大学を中心とする研究グループは、II型糖尿病治療薬の一つであるアカルボースが腸内細菌の糖代謝を変化させ、それによって産生される腸内細菌由来代謝物がアナフィラキシーを抑制する機構を明らかにしました。
本研究は、北里大学薬学部微生物学教室の金倫基教授、慶應義塾大学薬学部創薬研究センターの矢加部恭輔特任助教（研究当時）、慶應義塾大学薬学部医薬品情報学講座の堀里子教授、早稲田大学大学院先進理工学研究科生命医科学専攻の竹山春子教授、早稲田大学ナノ・ライフ創新研究機構の安藤正浩研究院准教授を中心とする研究グループの成果です。
アナフィラキシーは食物アレルギーの中でも最も重篤で、時に命に関わる急性反応として知られています。これまで、腸内細菌が免疫応答を調節し、アレルギー反応に影響を与える可能性が示唆されてきましたが、具体的な制御機構は十分に明らかではありませんでした。一方、糖尿病治療薬であるアカルボースは、食事に含まれるデンプンや砂糖などの糖質の分解・吸収を小腸で抑えることで食後の血糖値の上昇を抑制する薬剤として使用されています。
本研究では、アカルボースの「本来小腸で吸収されるはずの食事由来の糖質を大腸へ送り込む」という特性に着目し、腸内細菌叢^※1と免疫応答への影響をマウスによる実験で検証しました（図１）。その結果、アカルボースは腸内細菌の代謝を変化させ、特定の細菌であるParabacteroides distasonisの増加とともに、代謝物であるコハク酸の産生を高めることが明らかになりました。さらに、このコハク酸がアレルギー反応の鍵となる肥満細胞の活性化（脱顆粒）を抑えることで、アナフィラキシー症状の指標の一つである体温低下を改善することが示されました。
また、この現象は単に薬剤投与だけではなく、食事中の糖（スクロースやマルトデキストリンなど）が大腸へ届くことによって初めて成立することも明らかとなりました。つまり、アカルボースは「薬剤」としてだけでなく、「腸内細菌に届く栄養環境を変える因子」として機能し、腸内細菌の代謝を変化させることで、コハク酸などの有益な代謝物の産生を促進していたのです。
さらに、実際の診療データに基づく医療ビッグデータ（JMDC医療機関データベース）を用いた解析により、アカルボースを含むα-グルコシダーゼ阻害薬を継続的に服用している糖尿病患者では、非服用の糖尿病患者と比較してアナフィラキシーの発症頻度が有意に低いことが確認されました。この結果は、動物実験で明らかになった腸内細菌―代謝物―免疫制御というメカニズムが、ヒトにおいても実際に機能している可能性を示しています。
本研究は、既存の糖尿病治療薬が腸内細菌を介してアレルギー反応を抑制するという、従来の概念を超えた新しい作用機構を提示するものです。今後、アカルボースや類似薬がアナフィラキシーの予防・治療に応用される可能性が期待されるとともに、「腸内細菌の代謝を操作することで免疫を制御する」という新たな治療戦略の基盤となる成果といえます。
本研究成果は、2026年5月12日（英国標準時）に国際学術誌『Nature Microbiology』（電子版）に掲載されました。

研究成果のポイント

糖尿病治療薬アカルボースの投与により、以下、①～⑤の実験結果のもと肥満細胞の活性化（脱顆粒）を抑制し、アナフィラキシーに伴う体温低下の軽減をすることが示された。
① 腸内細菌叢が変化し、P. distasonisの増加が認められる。
② 腸内のコハク酸濃度が上昇し、コハク酸は肥満細胞の脱顆粒を抑制する。
③アカルボースの作用には、スクロースやマルトデキストリンなどの消化性多糖が大腸へ到達することが必要である。
④消化性多糖が存在する条件では、P. distasonisは嫌気呼吸^※2から発酵^※3型代謝へ移行し、増殖およびコハク酸産生が促進される。
⑤医療ビッグデータ解析により、α-グルコシダーゼ阻害薬を継続的に服用している糖尿病患者では、非服用の糖尿病患者と比較してアナフィラキシー発症頻度が低いことが示される。

研究の背景

はじめに、アカルボースが食物アレルギー反応に与える影響を検証するため、卵白アルブミン（ovalbumin: OVA）に対するアレルギー応答を誘導したマウスを作製しました。アカルボースを投与したマウスにOVAを反復経口投与して下痢を誘導し、さらに腹腔内投与によりアナフィラキシーを誘発しました。その結果、アカルボース投与群では、下痢の発症頻度およびアナフィラキシーに伴う体温低下がいずれも抑制されました（図2A、B）。アレルギー反応の中心的役割を担う肥満細胞の活性化（脱顆粒）についてフローサイトメトリーで解析した結果、アカルボース投与群では脱顆粒した肥満細胞の割合が有意に低下していました（図2C）。
以上の結果から、アカルボースは肥満細胞の脱顆粒を抑制することで、食物アレルギーに伴う下痢およびアナフィラキシー症状を軽減することが示されました。

次に、アカルボースによるアレルギー抑制機構を明らかにするため、既知の免疫調節因子について解析を行いました。アレルギー応答を促進する2型ヘルパーT細胞の割合は、複数の組織において対照群とアカルボース投与群で差は認められませんでした（図3A）。一方、アカルボース投与によりIgA産生B細胞の割合および血清中のOVA特異的IgAレベルが上昇しました（図3B）。IgAはIgEと抗原の結合を阻害することでアレルギー反応を抑制する可能性が示唆されているため、IgA欠損マウスを用いて検証を行いました。その結果、IgA欠損条件においてもアカルボースはアナフィラキシーに伴う体温低下を抑制しました（図3C）。
以上の結果から、アカルボースによるアナフィラキシー抑制効果は、従来想定されていた免疫因子に依存しない経路によって発揮される可能性が示されました。

次に、アカルボースによるアナフィラキシー抑制作用が腸内細菌叢に依存するかを検証するため、抗菌剤投与下で比較を行いました。抗菌剤投与条件では、アカルボースはアナフィラキシーに伴う体温低下を抑制しませんでした（図4A）。そこで、関与する腸内細菌を同定するため16S ribosomal RNA遺伝子解析^※4を実施しました。アカルボース投与群では Parabacteroides 属細菌が増加し、特に P. distasonis の増加が認められました（図4B、C）。さらに、無菌マウスに P. distasonis を定着させて検証した結果、体温低下が軽減されました（図4D）。
以上の結果から、アカルボースは P. distasonis の増加を介してアナフィラキシーを抑制する可能性が示されました。

次に、腸内細菌由来代謝物の関与を明らかにするため、メタボローム解析^※5を実施しました。その結果、アカルボース投与群ではコハク酸濃度が顕著に上昇していました（図5A）。コハク酸の増加は抗菌剤投与条件では認められなかったことから、腸内細菌由来であることが示唆されました（図5B）。次に、コハク酸の機能を検証するため、マウスにコハク酸を飲水投与してアナフィラキシーを誘導しました。コハク酸投与により体温低下の抑制および肥満細胞の脱顆粒抑制が認められました（図5C、D）。さらに、生体外培養系^※6においても、コハク酸は濃度依存的に肥満細胞の脱顆粒を抑制しました（図5E）。
以上の結果から、アカルボース投与は腸内におけるコハク酸産生を増加させ、コハク酸が肥満細胞の脱顆粒を抑制することでアナフィラキシーの緩和に寄与する可能性が示されました。

アカルボースは小腸におけるα-グルコシダーゼおよびα-アミラーゼを阻害し、未消化の糖質（スクロースやマルトデキストリンなど）を大腸へ到達させ、腸内細菌による利用を促進します（図6A）。そこで、大腸への糖供給の必要性を検証するため、飼料中の糖をグルコースに置換したグルコース飼料を用いました。グルコースは小腸で速やかに吸収されるため、大腸への糖供給はほとんど起こりません。この条件では、アカルボース投与はアナフィラキシーに伴う体温低下および肥満細胞の脱顆粒を抑制しませんでした（図6B、C）。さらに、通常飼料で認められた Parabacteroides 属細菌の増加も確認されませんでした（図6D）。次に、糖が細菌増殖に与える影響を検証した結果、スクロースおよびマルトデキストリンを添加した培地では、P. distasonis の増殖が促進されました（図6E）。さらに、細菌内の代謝状態を解析するためラマン分光法^※7を適用しました。スクロースおよびマルトデキストリン存在下では、嫌気呼吸に関与するb型シトクロームの量が低下していました（図6F）。b型シトクロームは外部電子受容体を用いる呼吸鎖の構成要素であることから、この低下は嫌気呼吸の活性が抑制されていることを示唆します。すなわち、代謝が外部電子受容体に依存する嫌気呼吸から、代謝中間体を用いて迅速にエネルギーを産生する発酵へとシフトしていると考えられます。
以上の結果から、アカルボースは食餌中の糖を大腸へ供給し、P. distasonis の代謝経路を変化させることで、コハク酸産生を促進する状態へと再構成する可能性が示されました。

最後に、マウスで観察されたアカルボースによるアナフィラキシー抑制作用がヒトでも認められるかを検証するため、医療ビッグデータ（JMDC医療機関データベース）に登録された糖尿病患者を対象に解析を行いました。アナフィラキシー発症頻度と薬剤投与歴との関連について多変量ロジスティック回帰分析を実施した結果、α-グルコシダーゼ阻害薬、消化系薬剤（整腸剤など）、プロトンポンプ阻害薬が有意に関連していました（図7左）。このうち、α-グルコシダーゼ阻害薬はアナフィラキシー発症リスクの低下（オッズ比＜1）と関連していました（図7左）。さらに、糖尿病患者をα-グルコシダーゼ阻害薬の服用群（18,026人）と非服用群（103,683人）に分けて比較したところ、アナフィラキシー既往は非服用群で63例、服用群で2例でした（図7右）。
以上の結果から、アカルボースを含むα-グルコシダーゼ阻害薬は、ヒトにおいてもアナフィラキシー発症を抑制する可能性が示されました。

今後の展開

本研究では、既存の糖尿病治療薬であるアカルボースが、腸内細菌の代謝を再プログラムし、アレルギー反応を抑制する新たな作用機序を明らかにしました。今後は、この知見を基盤として、腸内細菌代謝を標的とした新たなアレルギー予防・治療戦略の開発を目指します。
また、医療ビッグデータ解析においてもアナフィラキシー発症との関連が示されたことから、臨床研究を通じて因果関係の検証を進めるとともに、既存薬の新たな適応拡大やリポジショニングの可能性についても検討していきます。
さらに、腸内細菌の代謝シフトという概念は、アレルギーに限らず、代謝疾患や感染症など幅広い疾患に応用可能であると考えられ、本研究は「腸内細菌代謝を制御することで健康を維持・改善する」という新たな医療コンセプトの基盤となることが期待されます。

論文情報

掲載誌：Nature Microbiology (Springer Nature)　 [Impact Factor (2024): 19.4]
論文名：Acarbose redirects gut microbiome utilization of dietary carbohydrates to suppress anaphylaxis in mice
著　者：Kyosuke Yakabe, Yukinobu Inoue, Yuki Yanagisawa, Shungo Imai, Shunnosuke Suwa, Masahiro Ando, Yuqing Wu, Rina Kurokawa, Srirat Tanakorn, Takeshi Haneda, Tsuyoshi Miki, Masahiro Ito, Akiyoshi Hirayama, Yosuke Kurashima, Shinji Fukuda, Koji Hase, Wataru Suda, Haruko Takeyama, Satoko Hori, and Yun-Gi Kim*（*責任著者）
ＤＯＩ：10.1038/s41564-026-02350-2

本研究は、JSPS科研費（JP23K27409, JP23K18223, 22H03541）、AMED（19gm6010004h0004,  JP223fa627003, JP23gm1010009）、JST CREST（JPMJCR22N1）、FOREST Program（JPMJFR2354）、 JST ERATO（JPMJER1902）、セコム科学技術振興財団、公益財団法人小林財団、慶應義塾大学塾内研究費（潮田基金）の助成を受けたものです。

用語解説

※1   腸内細菌叢：ヒトの消化管内に存在する多様な細菌の集合体であり、互いに作用しあいながら複雑な生態系を形成している。特に大腸には数百種類、約30兆個の細菌が存在し、腸内細菌はこの部位に最も多く分布している。これらは消化、代謝、免疫などさまざまな生理機能に関与し、疾患との関連についても報告されている。
※2 嫌気呼吸：酸素の代わりに硝酸やフマル酸などの外部電子受容体を利用してエネルギーを産生する代謝様式。電子伝達系（呼吸鎖）を用いるため、比較的効率的にエネルギーを獲得できる。
※3 発酵：酸素や外部電子受容体を用いず、有機物を分解してエネルギーを得る代謝様式。代謝中間体を内部電子受容体として利用することで反応を完結させ、迅速かつ柔軟にエネルギーを産生できる。
※4   16S ribosomal RNA遺伝子解析：全ての細菌・古細菌（原核生物）に共通して存在する16SリボソームRNAをコードする遺伝子領域における特定の領域（可変領域）を解析することで、細菌種の同定が可能となる。
※5 メタボローム解析：細胞や組織、血液、糞便、尿などの生体試料に含まれる糖、アミノ酸、脂質などの代謝物質（メタボライト）の総体「メタボローム」を網羅的に同定・定量する手法。
※6 生体外培養系：マウスやヒトなどの生体から細胞を採取し、シャーレなどで培養を行い、試験する手法。
※7 ラマン分光法：物質に光を当てた際に生じる散乱光を解析し、分子の構成や化学状態を調べる手法。細胞や細菌の内部に含まれる分子の変化を、非破壊で評価できる。

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主体的な学びによる「成長」と「楽しさ」を両立
▼大学院法学研究科：亀井 雄太（法学部出身）
修士号と大学院生活で培ったスキルは、実社会での武器
▼大学院社会科学研究科：陳 雨児（社会科学部出身）
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