研究背景と問題の導入 プロテインO-GlcNAc糖基化は、細胞代謝の可塑性において重要な役割を果たす翻訳後修飾の一つです。O-GlcNAc糖基化レベルの異常な変化は、子宮内膜がん（Endometrial Cancer, EC）を含む多くの癌で観察されています。子宮内膜がんは女性に一般的な生殖器系の悪性腫瘍ですが、そのO-GlcNAc糖基化の不均衡の臨床的特徴や分子メカニズムの探究はまだ完全には完了していません。 子宮内膜がんの発症率は過去20年間で50%増加し、先進国では女性の最も一般的な生殖器系の癌の一つとなっています。中国では、2022年に約77,700件の新規診断された子宮内膜がんの症例と13,500件の推定死亡例がありました。肥満や糖尿病などの代謝シンドロームに関連する条件はそのリス...

人間の手の運動制御——機能的な物体操作と把持動作の動力学の違い 学術的背景 人間の手の機能は日常生活において非常に重要な役割を果たしており、特に手の柔軟性を通じて、私たちはさまざまな複雑なタスクをツールを使って実行することができます。しかし、毎年数百万人が脳卒中や切断などの疾病によって手の機能を失っており、これが手の動作に関する研究を深めるきっかけとなっています。過去の研究は主に、物体を把持したり手を伸ばす際の協調運動（「シナジー」または「synergies」と呼ばれる）に焦点を当ててきましたが、複雑な物体操作におけるシナジーに関する研究はまだ少ないのが現状です。これらの違いを理解することは、より高度な義肢やリハビリテーションデバイスの設計にとって重要です。なぜなら、これらのデバイスの目標は...

モジュール式ブレイン・マシン・インターフェース：神経記録、神経刺激、薬物送達の革新的な進展 学術的背景 ブレイン・マシン・インターフェース（Brain-Machine Interface, BMI）は、神経科学と臨床医学における重要なツールであり、脳と外部世界の間の電荷、物質、情報の相互作用を実現し、神経デコード、神経疾患の診断・治療、脳科学研究に広く応用されています。神経科学の発展に伴い、多機能ブレイン・マシン・インターフェース（multimodal BMI）が注目を集めており、神経記録、神経刺激、薬物送達などの複数の機能を同時にサポートします。しかし、既存の多機能ブレイン・マシン・インターフェースの多くは特定のシナリオ向けに設計されており、高度に統合された固定構成を持っているため、異なる...

リアルタイム呼吸モニタリング用超低消費電力二酸化炭素センサーの研究 学術的背景紹介 二酸化炭素（CO₂）は、人体の呼吸プロセスで生成される重要なガスであり、その濃度のリアルタイムモニタリングは、喘息、呼吸困難、睡眠時無呼吸症候群などの呼吸器疾患や代謝性疾患の診断と治療に不可欠です。従来のCO₂モニタリング方法である動脈血液ガス分析は侵襲性が高く、長期的な連続モニタリングには不向きです。非分散赤外線吸収（NDIR）センサーは広く使用されていますが、その体積の大きさと高消費電力が携帯機器での応用を制限しています。 近年、光化学センサーはその小型化と高感度から、非侵襲的なCO₂検出の有望な候補として注目されています。しかし、光化学センサーの短寿命と色素の光退色問題が、長期的な呼吸モニタリングへの応...

エアロゲル骨セメントと遠隔加熱による骨インプラント-セメント界面の低侵襲修復 背景紹介 世界中で、下肢骨折は最も一般的な骨折タイプであり、特に高齢者や骨粗鬆症患者において発生率が高い。整形外科手術では、骨セメント（bone cement）がインプラントを固定するために広く使用され、長管骨の骨折治療に活用されている。しかし、インプラントと骨セメントとの界面は繰り返し負荷を受けると緩みやすく、インプラントの安定性が低下し、インプラントの故障を引き起こす可能性がある。これにより、痛みを伴う再手術が必要となる。従来の骨セメントと修復方法は、修復手術に通常は開放手術が必要であるという重大な課題を抱えている。これは患者の苦痛を増し、回復期間を長引かせてしまう。この問題を解決するため、研究者らはエアロゲル...

ディープラーニング強化型金属有機構造体（MOF）電子皮膚の健康モニタリングへの応用 学術的背景 電子皮膚（e-skin）は、生理的および環境的刺激を感知し、人間の皮膚の機能を模倣する技術です。近年、電子皮膚はロボット工学、スポーツ科学、医療健康モニタリングなどの分野での応用が期待されています。しかし、現在の電子皮膚技術にはいくつかの課題があります。まず、一つのデバイスで複数の生理信号（バイオ分子、運動信号など）を同時に検出する多機能性の実現。次に、複数の刺激を同時に検出する際に、異なる信号を正確に区別し識別する方法です。 従来の多機能電子皮膚は、通常、複数のセンシング材料を統合する必要があり、製造の複雑さが増すだけでなく、デバイスの性能不安定を引き起こす可能性があります。さらに、既存の電子皮...

鋳型マイクロキャスティング3Dプリントによるマルチマテリアルバイオミメティック電子デバイスの研究 学術的背景 バイオミメティック電子技術の急速な発展に伴い、人間の感覚機能を模倣する電子皮膚（Electronic Skin, E-skin）や柔軟なセンサーがロボット、医療機器、ヒューマンインターフェースなどの分野で広く応用される可能性を秘めています。しかし、既存のバイオミメティック電子デバイスは、材料選択、構造の複雑さ、機能集約化の面で多くの課題に直面しています。特に、材料性能を損なうことなく、多種多様な難成形材料の自由な組み立てと多機能集約化を実現することが、現在の研究におけるボトルネックとなっています。 伝統的な製造方法、例えばエレクトロスピニング、フォトリソグラフィー、転写印刷などは、材...

多モーダル学習による遺伝子型と表現型の動的関係の解明 背景紹介 遺伝子型と表現型の複雑な関係は、生物学分野の核心的な問題の一つである。遺伝子型（genotype）は生物体の遺伝情報を指し、表現型（phenotype）はこれらの遺伝情報が特定の環境下でどのように表れるかを指す。1909年にWilhelm Johannsenがこれら二つの用語を提唱し、その関係を定量化しようと試みたが、一世紀以上経った現在でも、遺伝子型がどのように複雑な遺伝子発現パターンを通じて表現型を形作るかを正確に記述することはできていない。近年、単一細胞RNAシーケンシング（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）などの技術の発展により、細胞解像度で遺伝子発現の複雑なダイナミクスを観察す...

単細胞解像度での遺伝子空間マッピング：遺伝子シグナルパターン分析（GSPA）研究 学術的背景 単細胞RNAシークエンシング（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）技術は、近年の生物学研究において大きな進展を遂げており、特に細胞状態空間（cellular state space）の組織構造を明らかにする上で重要な役割を果たしています。しかし、細胞状態空間をマッピングするための多くの計算手法が開発されている一方で、遺伝子空間（gene space）のマッピングや埋め込み（embedding）に関する研究は比較的少ない状況です。遺伝子発現は高度に組織化されており、遺伝子間は複雑な生物学的プロセスや経路を通じて協調して機能しています。しかし、生物学的および技術的...

細胞シグナル応答と輸送の空間モデリングアルゴリズム研究 背景紹介 生物細胞は、複雑な生化学反応ネットワークを通じてその機能を実現しています。これらの反応ネットワークは顕著な時空間的動態を持ち、細胞の異なる領域やサブセル構造において顕著な空間的分断（spatial compartmentalization）が存在します。しかし、従来の細胞シグナル伝達モデルでは、細胞を均一に混合された系として扱い、反応や輸送プロセスにおける空間効果を無視することが多いです。この簡略化は特定の場合には有効ですが、多くの実際のシナリオではモデルの予測能力を低下させます。例えば、シグナル分子の拡散速度が遅い、細胞内環境が混雑している、細胞構造の複雑さなどが空間効果の顕著な影響をもたらします。そのため、細胞シグナル伝達...