生命の情報を捉える光学顕微鏡


平岡 泰

 光−宇宙から細胞まで
 生命は光と深く関わっている。電磁波の中で、生 物か認識できる極めて限られた波長域が光である。 われわれが認識できるが故に、光は常にわれわれを 取り巻き、光の織りなす現象は、人間の感性を魅了 してきた。人類は電磁波を利用して多くの技術を開 発してきたが、光を操る技術は最も古くから活用さ れてきた。

 “Seeing is believing”。見えるということは説得力 がある。17世紀に望遠鏡と顕微鏡が発明され、人間 が見ることのできる世界を、広大無辺の宇宙から微 小な細胞にまで広げた。遥か遠方の天体を詳細に見 たいという願いが天体望遠鏡に込められているのと 同様に、光学顕微鏡には小さな細胞のなかの生命の 営みを見たいという先人の願いが込められている。 以来、より遠くまで、より深くまでという衝動が、 われわれを外へ内へと駆り立て、限界を越える努力 が、今日に至るまで続けられてきた。

 言うまでもなく、望遠鏡も顕微鏡も共に光学の原 理に基づいており、多くの共通の手法が用いられる。 われわれが光学顕微鏡に応用している手法のなかに は、天文学から学んだものが数多くある。それらは、 例えば、微弱な光をとらえる検出器であり、またフ ーリエ光学に基づく像の改良である。

 生命を探求する者たちの究極の問いは、われわれ は何者で、なぜ生きているのかに尽きる。自らの存 在を問うこの疑問は、宇宙へ向かう情熱に匹敵する 深い理念を含んでいる。宇宙へと向かって進んでき た光学技術を、われわれの内なる宇宙ミクロコスモ スヘと向けてみたい。

 情報−生命を担うもの
 生命がなぜ生命であり得るのか。細胞は生命の単 位であり、細胞は分子から成る。しかし、単に分子 が集合し、細胞が集合しただけでは、生命を形づく ることはできない。分子間の、あるいは細胞間の情 報のクロストークによって、生命は成り立っている。 生命は情報そのものと言ってもよい。情報を蓄積し、 情報を伝達し、情報の流れを制御することで、生命 というシステムは秩序を保っているのである。

 細胞の中では、遺伝子情報の指令のもとに、多く の分子が調和のとれた相互作用を営み、高度の秩序 を保っている。遺伝子情報はDNA分子に暗号化さ れ、マスターコピーとして細胞核の中に収納されて いる。ヒトの場合約1メ一トルのDNA分子が直径 わずか10マイクロメートルの細胞核に収納されてい る。この膨大な量の情報の中から、必要な情報を速 やかに見つけ出し、情報を読み出す。マスターコピ ーは細胞核から持ち出されることはなく、情報の読 取りは、マスターコピーの情報を伝令RNAに写し 取ることで為される。

 細胞の集合としての生物は、ひとつの社会であり、 個々の細胞がそれぞれの役割を担い、互いに連絡を 取りながら、全体として調和を保っている。調和が 崩れるとき、細胞の社会は破綻する。細胞の死と個 体の死は同義ではない。最も端的な例は癌である。 細胞が不死の生命を獲得し、無秩序に増殖を始めた 結果、個体は死に至る。細胞間および細胞内での情 報のやり取りが極めて重要なのである。

 生物における巧妙な情報の制御がどのように為さ れているのか、未知の部分があまりにも多い。細胞 内の分子を視覚化し、情報の流れを捉えることで、 生物がなぜ生物であり得るのかという根源的な疑問 に迫り得ると信じて研究を進めている。

 限界を越える光学顕微鏡
 細胞内での分子レベルの制御に関して、従来、多 くの“見てきたような”モデルが提唱されてきた。 筆者らは、細胞内の分子の動きを生きたままの状態 で実際に直接“見る”ということによって、実証す るための努力を重ねてきた。

 光学顕微鏡は、生命現象を探求する上で、多くの 優れた特性を備えている。第一に、最大の利点は、 細胞の生きたままの姿を観察できることである。第 二に、染色方法を工夫すれば、特定の分子だけを選 んで染色できることである。つまり、細胞の持つ複 雑な情報のなかで、見たいものだけを視ることがで きるのである。このような利点にもかかわらず、分 解能が低いことが問題であった。

 顕微鏡像は試料物体をそのまま拡大したものでは なく、顕微鏡の結像特性に依存した光学的な“にじ み”を含んでいる。試料物体中の個々の点から出た 光が、顕微鏡中で一点に結像せず、それぞれ三次元 的に広がり、この“にじみ”が重なりあって顕微鏡 像か形成される。この光学的な“にじみ”が顕微鏡 の分解能を著しく低下させる。この現象は、細胞全 体のような三次元的な大きさを持った試料では、特 に顕著である。見たい焦点面の上下の領域から“に しみ”が覆いかぶさってくるからである。

 この問題を回避し、光学顕微鏡の極限分解能を発 揮するために、筆者らは、コンピューター画像処理 を用いた三次元画像化技術の開発を進めてきた。こ のシステムは、蛍光顕微鏡・冷却CCD・コンピュー ターから成り、単一のワークステーションで三次元 画像化・画像処理・画像解析を実現するものである。 細胞情報の三次元ダイナミクスを非破壊で画像化・ 解析できる。その成果は、研究発表会において報告 したので、詳細については予稿集を参照されたい(平 岡・益子、第82回通信総合研究所研究発表会予稿集 p64、1992年)

 原理的には、一点から出た光が顕微鏡中でどのよ うに広がるか(点像分布関数)を知り、顕微鏡を通 って広がってしまった像を逆に辿ることができれ ば、真の物体像を回復できるはずである。実際のコ ンピューター演算は、光学的伝達関数(点像分布関 数のフーリエ変換)を用いて、周波数空間で行う。 天体望遠鏡における像の改良と類似の方法である (有賀、第82回通信総合研究所研究発表会予稿集 p49、1992年)。この画像処理により分解能の大幅な 改良が達成され、微細な構造の三次元解析が可能に なった。画像処理によって分解能が改善された例を 写真1に示す。このデータから、三次元モデルが構 築され、遺伝子情報か細胞核内に収納されている様 子が明らかになった(表紙写真)。

写真1:画像処理による分解能の改善
遺伝子情報の顕微鏡画像。ショウジョウバエ受精卵では1個の細胞核が2時間で約1万個に分裂する。一面に散在する輝点のそれぞれが一つの細胞核である。(A)。
この微少な細胞核1個に含まれる染色体(遺伝子情報)を三次元観察した。焦点面の異なる3枚の画像の処理前(B)と処理後(C)を示した。

 この顕微鏡システムを基盤として、細胞内分子の 非接触操作と非破壊三次元計測が可能な統合システ ムを構築することが、近い将来の課題である。光学 顕微鏡は見るための道具であるが、それだけではな い。見えるということは、光が被写体と何らかの相 互作用を持つことによって光の性質が変化し、検出 できるのである。集光点において光が物質と相互作 用しているのだから、光の物理的な力や光化学反応 によって、細胞内の分子を操作・改変することが可 能である。

 未来に向けて
 われわれの社会では、様々なレベルの通信技術・ 情報処理技術があるが、細胞の社会では生物に特有 のプロトコールが用いられている。生物は、情報を 維持する不変性と情報の多様性を生み出す可変性を 備え持っている。遺伝子情報も、マスターコピーを 保持する機構がある反面、免疫細胞など特殊化した 細胞では遺伝子の再編成を伴うことが知られてい る。免疫細胞が、異物の侵入に対応して、免疫の多 様性を獲得するプロトコールは、この一例である。 生物の環境適応も興味深い例である。

 生物情報は、多くの場合、化学物質あるいは化学 反応によって伝達され、また制御される。蛋白質か ら成る制御回路が人工の回路と異なる点は、回路が あらかじめ組まれていないことであろう。多数の蛋 白質が相互作用し、必要に応じて回路を組む。状況 が変わると、回路を組み替えるのである。

 このような変幻自在の情報ネットワークは、われ われの技術には例を見ない。生命現象を理解し、人 類の技術への新たな礎を築くためには、広範な研究 分野の連携が必要である。CRLは理想的な研究環境 を提供する。コンピューターサイエンスやレーザー 光学の強いバックグラウンドに支えられた学際的研 究環境の中で、筆者らの研究が推進されている。こ の蓄積を核とし、国内外のより多くの研究者を参集 し、生物の情報制御機構の学際的研究を推進すべき 時期にきている。

(関西支所 生物情報研究室 主任研究官)


記憶の計算理論について


メディ ヌリ シラジ

1.はじめに
 行動をコントロールするために、人間の脳はまわ りの環境やその履歴の内部モデルを作成できなけれ ばならない。全ての意思決定に関係するこの様な環 境モデルは記憶(メモリー)によって与えられる。 人間の記憶に関する基本構造や物理化学的特質につ いて多くの実験データが得られてきているが、記憶 の原理は依然として神秘に包まれたままである。

 人間の記憶はある計算原理にもとずいて動作して いるとすると、その原理の基本を明らかにすること はシステム理論や計算機科学の研究者にとって大き な挑戦課題であるにちがいない。人間の記憶の計算 理論によって、心の働きに対する科学的な説明がで きる可能性があると同時に、その理論は次世代の知 的システム構築の設計原理としても有益であると考 えられる。

 従来の実験心理学における記憶の研究の主目標 は、記憶性能を支配する法則を定量的に明らかにす ることであった。現在の記憶研究の目標は、情報の 符号化、記憶、及び想起のメカニズムを明らかにす ることに変化してきた。この記憶メカニズムの新し いパラダイムは、記憶の計算理論の第一ステップを 確立しつつある。

 人間の記憶は連想的に動作していると考えられ る。即ち、ある部分的な回想が関連する多くの記憶 を呼び起こすことができる。例えば、音楽の一部分 を聞いて、映像、音響、匂い等を含む完全な感覚体 験が呼び起こされる場合がある。これは、ある番地 のデータが返されるような番地指定のコンピュータ メモリーと全く異なる点である。

 以下で、形式ニューロン(神経素子)と、多数の 形式ニューロンからなるホップフィールド連想記憶 神経回路網について述べる。この連想記憶神経回路 網は、現在の理論的なメモリー研究で重要な役割を 果たしている。

2.マッカロ・ピッツ ニューロン
 マッカロ(McCulloch)とピッツ(Pitts)は、生 体のニューロンの特性を近似した形式ニューロンの モデルを提案した。図1に彼らの提案したモデルを 示す。ひと組の入力が与えられた場合、各入力はシ ナプス荷重に相当する重みを掛けて足し合わされた 合計がニューロンの活動状態を決定する。この活動 レベルがあるしきい値よりも大きければニューロン は発火し、そうでなければ発火しない。通常、ニュ ーロンの発火状態を十1で、発火していない状態 を-1、あるいは0で表す。

図1 マッカロ・ピッツによる形式ニューロンのモデル

3.ホップフィールド型連想記憶
 1970年代始めに、マッカロ・ピッツニューロンを 完全相互結合させた図2のような回路網は、−1、1 から構成されるベクトルで符号化されたパターンを 記憶したり、想起したりできることが示された。ホ ップフィールドはエネルギー関数を導入して連想記 憶回路のダイナミックスを解析する方法を提案し、 シナプス荷重行列が対称な場合、回路はエネルギー の極小点に収束することを示した。ホップフィール ドの提案は理論的なメモリー研究に新しいページを 開き、多くの理論的問題を提供した。これらの問題 点を掲げる前に、連想記憶に関する基本的な用語を 説明しておく。

 記憶容量(Capacity):記憶し、想起でき るパターン数の最大値

 引き込み領域(Region of Attraction): 回路網のダイナミックスによってある記憶 パターンに収束する、パターン空間におけ るパターンの集合

 疑似記憶(Extraneous Memory):記憶 されていないパターンであるが、回路網の エネルギー関数の極小値となるもの

 想起速度(Retrieval Speed):回路網が 記憶パターンに収束するまでに必要な繰り 返しの最大回数

図2 ホップフィールド型連想記事

4.理論的諸問題
 以下で、ホップフィールド型連想記憶回 路の理論的諸問題を具体的に掲げる。

・記憶容量は回路網の大きさや想起誤りの 許容量と共にどう変化するか

・どのようにして記憶パターンをエネルギ ー関数の極小値に埋め込むか

・疑似記憶の数をどの様に制御するか

・想起速度をどう制御するか

・記憶パターンの引き込み領域の大きさはどれくら いか

・符号化過程が記憶容量、疑似記憶の数、引き込み 領域の大きさ、想起速度にどう影響するか

・不良ニューロンの数によって性能がどう劣化する か

・シナプスの劣化や断線によって回路の性能はどう 劣化するか

・シナプス荷重行列が非対称な場合の回路網のダイ ナミックス

 以上のような問題のいくつかはすでに定式化さ れ、文献に一定の解答が与えらているものもある。 関西支所において我々も、いくつかの問題を定式化 し、解を得るべく努力している。このような問題は、 記憶の計算理論の確立に関心のある全ての研究者に とって挑戦に値する問題であると信じている。

(関西支所 知覚機構研究室 主任研究官)


≪研究支援シリーズ≫

財産管理


斉藤 政満

 組織は、「人」「金」「物」で成り立っている。いず れも、物事を進化、発展させるうえで、なくてはな らない財産である。また、これら三つはすべて「生 き物」として考えられており、一つでもおろそかに すれば、その相乗効果は失われ、企業では倒産する。 国の機関であろうと例外はないと考える。

 組織を活性化させ、採りたてのセロリのように活 き活きとさせることも、いつ枝から落ちても不思議 ではない、熱れすぎた柿のようにすることも、「財産 管理」の腕次第と言える。責任は重い。

 私たち研究支援者は、常日頃より、研究者の自由 な発想や創造性を、阻害してはならないと考えてい る。アイデアは入浴時や、食事をしている時にも涌 いてくる等は、周知の事実と認めているところであ る。

 「一日でも早く研究用物品が入手できないか。」「読 みたい文献、専門書は、すぐ手に入らないか。」「研 究発表のための旅費は、何とかならないか。」等の研 究者の要望には、支援部門の一部として、積極的な アプローチが、必要であると考えている。

 平成元年度にスタートした会計課の業務改善は、 国民への情報公開を柱とした研究者のこのような要 望に応えるため、研究成果の「より早く」「より多く」 をモットーに、研究環境の向上を目指しているもの である。

 いつでも自由に、研究者個人が払出し可能な「共 通物品のオープンマーケット」、事前連絡や夜間の鍵 の授受の煩わしさを無くした「庁舎自動ロック」「会 議室の自由利用」は、無制限な払出し、数量の不符 合、盗難や火災の恐れなどの論議のなか、研究者の 意見を集約した形で実現し、好評をいただいている。

 一方で、定員削減による一人当たりの事務量の増 加には、事務のOA化、省力化で対応する毎日であ る。

 4年度予算額52億円、これに国有財産210億円、重 要物品203億円を計上し、会計課人員で除すると、一 人当たり約14億円を分担することとなる。財産管理 は、これらに常に生命を与え、活性を保ち続けて行 かなければならない。

 同時に、国民の血税である予算の執行に当たって は、「合規性」「経済性」「効率性」「有効性」を忘れ ることはできない。

 所定の手続きはなされているか、不必要な経費を 支出していないか、数多くある機器は効率よく使用 されているか、また、どのような成果が発現してい るのか等、クリアしなければならないことは数多く ある。

 最近、外国と日本の企業間において、余りにも実 用本位主義に走りすぎた弊害とも思われる「基礎研 究ただのり論」が、特許問題において顕著化してい る。これは、安易に利益のみを追求した結果とも言 える。

 したがって、国立試験研究機関は国策として、高 い開発リスクの内在と、長期間を要し、莫大な資金 を投じなければならない、先端的、基礎的研究に、 牽引車としての役割を再認識しなければならない状 況にあるわけである。

 私たちは、研究支援にあたって、これらの状況を リーズナブルに捕え、常日頃の適切な財産管理と、 研究者への質の良いサービスの提供をすることによ り、必ずや研究は結実し、ひいては、社会の発展に も、間接的に貢献ができるものと確信している。

 「治にいて乱を忘れず」を肝に銘じ、更なる通信総 合研究所の発展に寄与したいと考える。

(総務部会計課)


短 信

第82回研究発表会が開催される

 平成4年春季研究発表会(第82回)が去る6月3日に 当所の大会議室で開催された。

 林次長の挨拶に続いて午前中の発表は、「新しい海難救 助システム(GMDSS)用無線機器の型式検定試験法の開 発」、「陸上移動用アダプティブアレーによる都市内伝送 実験結果」、「広帯域通信網におけるATMセル多重化特 性の解析結果」そして「陸上移動衛星通信実験(ETS-V/EMSS) (車載用アンテナシステムの開発と高速道電測実験結果)」 の発表を行った。昼の休憩の時間には発表に関連した実 験機器や車そして写真パネルなどか展示し説明された。

 午後からは、「極限分解光イメージング技術に関する研 究」、「光学顕微鏡による細胞情報の三次元解析につい て」、「ライダーによる成層圏ピナツボ火山雲緊急観測(速 報)」、「短波長ミリ波帯電磁波による地球環境計測技術の 開発計画と初期観測結果」そして「航空機搭載マルチパ ラメータ降雨レーダによる台風観測結果」についてそれ ぞれ発表した。

 外部から180名以上の方々が来聴され、発表について活 発なご意見を頂いた。これらの多くの貴重なご意見を参 考にして、今後の研究活動に生かしていきたい。

一般公開のお知らせ

 夏の恒例行事である研究施設、研究内容の一般公開を 7月31日(金)午前10時から午後4時にかけて本所、各 センター、観測所において実施致します。皆様ご多忙中 のこととは存しますが多数の御来場を心よりお待ちして います。

交 通 機 関

(通信総合研究所本所)         Tel 0423-27-7465
中央線武蔵小金井駅北口下車−バス《小平団地ゆき》
中央線国分寺駅北口下車−立川パス《昭和病院ゆき》
                 共に通信総合研究所下車

(関東支所鹿島宇宙通信センター)    Tel 0299-82-1211
JR鹿島神宮駅−バス《電波研ゆき》終点宇宙電波研下車

(関西支所関西先端研究センター)    Tel 078-967-4198
山陽本線大久保駅尺より神戸市営パス《上岩岡ゆき》
                上新地バス停下車徒歩10分

(関東支所平磯宇宙環境センター)    Tel 0292-65-7121
常磐線水戸駅下車−茨城交通バス《阿字ケ浦ゆき》
                無線下パス停下車 徒歩3分
(稚内電波観測所)           Tel 0162-23-3386
JR宗谷本線南稚内駅下車 徒歩15分

(犬吠電波観測所)           Tel 0479-22-0871
JR銚子駅下車−千葉交通バス 渡海神社前下車徒歩約10分

(山川電波観測所)           Tel 09933-4-0077
JR指宿枕崎線 山川駅−JRパス《山川港行き以外》
                  大成校前下車徒歩約7分
(沖縄電波観測所)           Tel 098-895-2045
普天間−東陽バス《中城公園ゆき》終点中城公園下車徒歩3分