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東北大学電気通信研究所

Japanese

東北大学電気通信研究所研究活動報告 第31号(2024年度)

Tohoku University博士（経済学）thesi

TIAN, JINGYI

English

From Innovation to Instability? The Impact of Artificial Intelligence on Financial Systemic Risk

Tohoku University博士（生命科学）thesi

呉, 宏揚

Synapse Profiling in Identified Neurons in the Drosophila brain

山尾, 啓熙

アストロサイトによる記憶形成と恐怖応答の決定機構

Tohoku University博士（生命科学）要約のみthesi

卯, 博源

博士論文（要約） 
 
 
Diversity of Root Hydrotropism in 
Arabidopsis Natural Variants 
(シロイヌナズナの自然変異体の根の水分
屈性の多様性に関する研究） 
 
 
 
 
 
 
 
 
令和 7 年度 
東北大学大学院生命科学研究科 
生態発生適応科学専攻 
卯 博源 
 
  
Roots are central for absorbing water and nutrients from the soil. To adapt to their 
environment, plants have evolutionally developed tropism, a directional growth response. 
Hydrotropism is the directional growth of roots toward areas of higher moisture. Different 
plant species have been studied to understand hydrotropism. Under stationary conditions, 
pea and cucumber roots do not show hydrotropism because of gravitropism interference, 
but Arabidopsis, Lotus, and rice roots can express hydrotropism. Recent research has also 
found differences in hydrotropic responses among Arabidopsis natural variants. Namely, 
root hydrotropism of C24 exhibits weaker than that of Col-0, while that of Wassilewskija 
(WS) exhibits stronger than that of Col-0 bending. These findings imply that natural 
variants of Arabidopsis also differ in hydrotropism, though previous studies have 
examined only a few natural variants. 
1. Hydrotropism Diversity of Arabidopsis Natural Variants 
This study aims to characterize root hydrotropism among natural variants of 
Arabidopsis, to investigate molecular 
mechanisms underlying differences 
in root hydrotropism among the 
natural variants and to explore the 
biological significance of the 
mechanisms in environmental 
adaptation and evolution. 
Hydrotropism experiments were 
conducted in a split-agar assay 
system. Plain agar was combined with 
sorbitol agar to form hydrostimulation. A high concentration of sorbitol can form high 
hydrostimulation. Firstly, hydrotropism in 217 Arabidopsis natural variants under 
stationary conditions was analyzed. The results showed a wide range of hydrotropic 
curvature. Some variants bent more than Col-0 and WS, while others bent less than C24 
(Fig. 1A), indicating that root hydrotropism exhibits significant diversity among 
Figure 1. Diversity of root hydrotropism natural variants of 
Arabidopsis. A) Hydrotropic curvature of 217 natural variants under 
stationary conditions. B) Manhattan plot of GWAS results of root 
hydrotropism. The arrow indicates the position of a gene that contains 
significant nonsynonymous polymorphisms and that was examined in 
this study. 
B 
 
A 
 
Arabidopsis natural variants. To explore the genetic basis, I conducted a GWAS, which 
identified several significant nonsynonymous single-nucleotide polymorphisms (non-
SNPs) (Fig. 1B). Two candidate genes containing the non-SNPs were selected for detailed 
analysis: MYB52 on chromosome 1 and another gene on chromosome 3, which is named 
the RKR gene. 
If these non-SNPs influence root 
hydrotropism, T-DNA knockout 
mutants of the genes are also 
expected to show altered 
hydrotropic responses. The results 
show that under stationary 
conditions, root hydrotropism in 
myb52 and rkr mutants was similar to 
that of Col-0 (Wild type). However, under clinorotation, which reduces gravitropic 
interference, both mutants showed significantly greater bending than Col-0 (Fig. 2), 
suggesting that MYB52 and RKR reduce hydrotropic responses. These results also 
suggested that these non-SNPs may reduce the activity of the corresponding gene 
products because natural variants carrying these non-SNPs in MYB52 or RKR also 
exhibited enhanced root hydrotropism. 
2. Mutation of MYB52 Gene Promotes Hydrotropic Curvature by Increasing Root 
Extensibility 
MYB52 is known to induce the expression of several pectin methylesterase inhibitor 
(PMEI) genes. Since pectin is a major component of the cell wall, changes may affect 
root mechanical properties. To test this hypothesis, we assessed the mechanical properties 
of roots during hydrotropism using a tensile testing system. This device can pull apart the 
root and obtain the deformation length and breaking load of root. The load at the moment 
of tensile fracture of a material is called the breaking load. Extensibility is obtained from 
dividing the root deformation length by the breaking load. Generally, materials with 
Figure 2. Root hydrotropic curvatures of Col-0, myb52 and rkr 
mutant seedlings were measured after exposure to hydrosimulation 
in stationary conditions or under clinorotation for 24 h. 
stronger extensibility are softer, such as rubber bands, Easy to be stretched and bent. 
Results showed myb52 mutants consistently had higher root extensibility, especially after 
hydrostimulation under clinorotation. Applying the chemical PMEI epigallocatechin 
gallate decreased both extensibility and hydrotropic bending in myb52 roots, supporting 
the idea that root mechanical properties affect hydrotropism. Since brassinosteroid (BR) 
signaling is known to be activated by PME inhibition and has been possibly implicated 
in hydrotropism, its role was also examined. BR treatment increased root extensibility 
and hydrotropic curvature in both Col-0 and myb52, while brassinazole, a BR 
biosynthesis inhibitor, had the opposite effect. Similarly, BAK1 (bri1-associated receptor 
kinase 1), as a co-receptor for BR signaling, its mutant also showed a decrease in both 
root hydrotropism and extensibility. Additionally, miz1 and miz2 mutants (known to be 
defective in hydrotropism) did not show increased root extensibility after 
hydrostimulation. These results suggest that MYB52 and BR signaling regulate 
hydrotropism by affecting root extensibility. 
3. Inhibition of Hydrotropism by Peptide Hormone-like Gene RKR 
The second GWAS candidate gene RKR encodes a short 55-amino-acid peptide, 
suggesting it may be a peptide-like hormone. Genetic knockdown and knockout lines of 
RKR (via T-DNA and CRISPR/Cas9, respectively) consistently showed enhanced root 
hydrotropism, while RKR overexpression lines exhibited the opposite phenotype. 
Applying a synthetic peptide beginning with the amino acid sequence RKR and 
comprising 13 hydrophilic amino acids (RKR peptide) suppressed hydrotropic bending 
in rkr mutants. GWAS identified a significant non-SNP (R41S) in RKR peptide. In 
addition, another non-SNP (P50Q) was found in the RKR peptide among Arabidopsis 
natural variants. To investigate their effects, RKRWT, RKRP50Q and RKRR41S_P50Q peptides 
were synthesized. Their inhibitory activity on hydrotropism followed this order: RKRWT 
> RKRP50Q > RKRR41S_P50Q, suggesting that the non-SNPs influence the peptide activities. 
GUS staining of RKR promoter:GUS transgenic plants revealed RKR promoter is 
expressed in aerial tissues but not in roots. Its expression decreases under 
hydrostimulation and drought conditions, indicating that drought stress reduces RKR 
expression. These results suggest the possibility that under normal conditions, the RKR 
expressed in the aerial parts is transported from the aerial parts to the roots to reduce root 
hydrotropism, while under water stress conditions, the suppression of the RKR expression 
facilitates root hydrotropism.  
4. Biological Significance and Environmental Adaptation of MYB52 and RKR Genes 
The ecological importance of MYB52 and RKR was examined. Comparison of vapor 
pressure deficit (VPD), an indicator of atmospheric dryness where higher values 
correspond to drier conditions, revealed that summer VPD was lower in the habitats of 
natural variants carrying non-SNP alleles of the MYB52 and RKR genes than in those 
carrying wild-type (Col-0) alleles. This suggests that wild-type alleles may contribute to 
adaptation to high-VPD environments. To confirm this conclusion, the effects of the 
drought treatment on mature myb52 and rkr plants (30-day-old plants) were examined. 
However, the result was contrary to the prediction: myb25 and rkr plants exhibited greater 
drought tolerance than the wild type. In contrast, the inhibitory effects of osmotic stress 
treatment on germination rates of wild-type seeds were less than those of myb52 and rkr 
mutant seeds, suggesting that both wild-type genes promote germination under drought 
conditions. These results suggested that wild-type alleles of MYB52 and RKR gene 
evolutionarily contribute to adaptation to high-VPD environments by promoting 
germination under drought conditions. 
 


Diversity of Root Hydrotropism in Arabidopsis Nartural Variants

Unur, Emre

Religion, Secularism, and Gendered Discourse: A Comparative Study of Political Engagement by the National Outlook Movement and Soka Gakkai

山本, 創

  
氏 名 
学 位 の 種 類 
学 位 記 番 号 
学位授与年月日 
学位授与の要件 
研 究 科 ， 専 攻 
 
 
 
論 文 題 目 
 
 
博士論文審査委員 
 やまもと はじめ 
山本 創 
博士（生命科学） 
生博第 515 号 
２０２５年９月２５日 
学位規則第４条第１項該当 
東北大学大学院生命科学研究科 
（博士課程）脳生命統御科学専攻 
 
 
転写因子に着目したうつ病からの回復を担う分子メカニズ
ムの解明とその制御 
 
（主査）安部 健太郎  
牧野 能士 
竹内 秀明 
 
 
 
 
  
論文内容の要旨 
 
【背景】 
大うつ病性障害は抑うつ気分、慢性疲労、興味喪失、意欲低下、睡眠障害、食欲異常、希死念慮など多様な症
状を引き起こす精神疾患であり、その罹患者は世界中で 2 億人以上いると推定されている。抗うつ薬を用いた
治療が一般的であるが、既存の抗うつ薬には、効果が現れるまでに数週間かかることや一部の患者しか治療効
果を得られないことなど、いくつかの課題が残されている。そのため、より有効な治療薬を開発するためのうつ病
病理のさらなる理解が求められている。 
近年のシーケンシング技術の発展により、うつ病患者やモデル動物の脳内において数百種類を超える遺伝子
群の発現が変化していることが明らかになってきた。しかし、ゲノムワイド関連解析ではうつ病の発症に関連する
特定の遺伝子は見つかっていない。これらのことから、様々な遺伝子の発現が変化したことで神経細胞の性質や
特徴が変容し、その結果としてうつ病症状を引き起こすような脳機能変化が生じていると考えられている。個々
の遺伝子それぞれを制御することは難しいため、うつ病脳内で発現変化を示す遺伝子群を制御するメカニズム
を同定し、その機構の調節によってうつ病病態に介入できるのかを検証することで、新たな治療標的の発見につ
ながると考えられる。 
転写因子は遺伝子発現を直接制御する分子群であり、うつ病脳内の遺伝子発現変化を制御している可能性
がある。しかし、生体脳内における転写因子の転写活性状態を測定する技術がなかったため、その詳細は不明
である。本研究室では生体内における複数の転写因子の転写活性の強度を定量評価できる「転写因子活性レポ
ーター」を開発しており、動物脳内における転写因子の転写活性を評価するプラットフォームを確立している。転
写因子活性レポーターには、ホスホグリセリン酸キナーゼ (PGK) プロモーター依存的に発現する reference 遺伝
子と、標的となる転写因子の活性依存的に発現する reporter遺伝子をコードする領域があり、それぞれのmRNA
の発現量比によって標的となる転写因子の転写活性を評価する。RNA サンプルから転写活性を測定するため
RNA シークエンシングとの互換性があり、転写因子活性を評価したサンプルにおける遺伝子発現パターンも評
価することができる。これにより、うつ病モデル動物脳内で発現変動を示す遺伝子群と、それを制御している可
能性がある転写因子群を同定することができる。そのため、本研究はうつ病のメカニズムの一端を解明し、新た
な治療戦略の確立に繋がる知見を提供する。 
 
【方法と結果】 
1. うつ病モデルマウスの作成とその脳内転写因子活性および遺伝子発現の評価 
胎児期 15 日齢の子宮内胎児にウイルスベクターを導入し、神経細胞特異的に転写因子活性レポーターを発
現する遺伝子改変マウスを作成した。このマウスに社会的敗北ストレスを 10日間与えると一部の個体においてう
つ病様行動が誘導され、約 2 週間社会性行動の低下が続いた。うつ病様症状を示したマウスからうつ病患者に
おいて機能障害が生じている脳領域の前頭前野 (Prefrontal cortex; PFC) を含む前部前頭皮質を採取し、その
転写因子活性および遺伝子発現を評価した。社会敗北ストレスを与えていない対照群との比較において、転写
因子 TCF/LEF (T cell factor/lymphoid enhancer factor family) および REST (RE1 silencing transcription factor) は
活性上昇を示し、これら転写因子の下流遺伝子群は他の遺伝子群よりも発現変動が大きいことが明らかになっ
た。さらに、公開されているヒトうつ病患者死後脳のトランスクリプトームデータにおいても、一部の脳領域でこれ
ら転写因子の下流遺伝子群の発現が変動していた。これらの結果から、TCF/LEF や REST の転写制御メカニズ
ムの変化がうつ病病態と関連していることが示された。 
 
2. うつ病モデルマウス脳内における TCF/LEF および REST の機能解析 
GSK3 の機能阻害を介して TCF/LEF の転写活性を亢進させる薬剤リチウムを使用し、マウスの行動変化を評
価した。リチウムを慢性的に投与したマウスでは行動変容が見られなかったが、慢性社会的敗北ストレスを負荷
したマウスにリチウムを投与するとうつ病様行動が早く改善した。また、Lef1 を標的とした CRISPR/Cas9 により
PFC 領域における TCF/LEF の機能を阻害すると、リチウムの回復効果が抑制された。これらの観察結果は PFC
領域における TCF/LEF の活性上昇はうつ病様症状からの回復過程に関与していることを示している。 
ショートヘアピン RNA を用いて脳内の REST の発現を抑制すると、ストレスを負荷していないマウスでは行動
変容が生じなかったが、社会敗北ストレスを負荷したマウスでは抑うつ的な行動が増強された。またセロトニン再
取り込み阻害薬の 1 つであるセルトラリンは、セロトニン神経を含まない培養神経細胞において REST の活性を
亢進させ、細胞シグナル伝達や神経可塑性に関連する遺伝子群の発現を上昇させた。これはセルトラリンがセロ
トニン経路非依存的に REST 活性を亢進することを示している。また、セルトラリン投与したうつ病モデルマウス
脳内においても REST 下流遺伝子の発現は変動していたことから、セルトラリンの治療効果の 1 つに REST を介
した遺伝子発現制御が関与する可能性が示唆された。これらの結果は、REST がストレスへの耐性や抑うつ状態
から回復するメカニズムに寄与していることを示している。 
 
3. TCF/LEF と REST の協調的機能の検討 
慢性ストレスを負荷した各マウスにおける社会性行動を評価する行動試験のスコアと、同一個体脳内の
TCF/LEF または REST 活性の相関解析を実施すると、いずれの転写因子の活性も社会性行動と負の相関を示
していた。興味深いことに、TCF/LEF と REST の活性を統合すると、社会性行動との相関係数の絶対値が大きく
なった。また、社会敗北ストレスを負荷マウスの PFC 領域におけるシングル核 RNA-seq 解析によって、ストレス経
験に伴う TCF/LEF および REST の活性上昇が細胞レベルで不均一に生じることが示された。これらの観察結果
から、ストレスを負荷した個体脳内または細胞内において、TCF/LEF および REST の活性亢進が一貫して生じて
いないことが示唆された。 
リチウムとセルトラリンを投与したマウスの前部皮質の遺伝子発現パターンは異なっていたことから、これら転
写因子に起因する回復メカニズムは独立して機能している可能性がある。これを検証するために、リチウムおよ
びセルトラリンを複合的に投与したマウスにおける行動表現型を、これら薬剤を単体で投与したマウスと比較した。
その結果、単剤投与に比べ、薬剤の併用使用は慢性ストレスに伴う抑うつ的な行動を軽減できることが分かった。
これらの観察結果は、TCF/LEF および REST の活性亢進に起因するうつ病様症状からの回復は異なるメカニズ
ムで機能しており、これら複数の転写因子を標的とすることが新規治療戦略になることを示唆している。 
 
【考察と展望】 
本研究は、うつ病モデルマウス脳内で TCF/LEF および REST の転写活性およびその下流遺伝子群の発現が
変化していることを明らかにし、これら転写因子の機能を制御することによってうつ病病態に介入できることを示
した。これら転写因子の活性を亢進したマウスではうつ病様状態からの回復が促進されたため、本研究で得られ
た知見は新たな治療戦略や予防法の確立に貢献すると考えられる。 
うつ病は高い異質性を示す疾患であるため、異なるコホートから得られたオミクスデータを統合的に解析する
ことは難しい。本研究で使用した転写因子活性レポーターとそれを用いた手法は同一サンプル中の遺伝子発現
パターンおよび転写因子活性の評価を可能にするため、今後、活性を評価する転写因子を拡張したり、他の脳
領域を対象として解析したりすることで、うつ病病理のさらなる理解に繋がると考えられる。 
 
  
論文審査結果の要旨 
 
 
山本創氏提出の博士論文「転写因子に着目したうつ病からの回復を担う分子メカニズムの解明とそ
の制御」では、マウス脳内における転写因子活性測定とトランスクリプトーム解析を組み合わせたマ
ルチオミクス解析、ならびに同定された分子機構に対する介入実験を通じて、抑うつ症状からの回復
に寄与する分子機構を明らかにし、うつ病に対する新たな治療戦略を提唱した。 
本論文において山本氏は、うつ病の発症および治療効果に関与する分子機構の理解を深め、より効果
的な治療法の確立に資することを目的とした研究を遂行した。うつ病に関連する分子基盤を新たな
視座から解明するために、生体脳内に内在的に発現する複数の転写因子の遺伝子転写活性を直接測
定可能な技術「転写因子活性プロファイル法」を用い、マウスうつ病モデルにおける脳内の転写因子
活性変化とトランスクリプトーム変化を解析した。その結果、行動指標に基づく抑うつ症状と、脳内
神経細胞の Tcf/Lef1 転写因子の活性との間に相関があることを明らかにし、薬理学的および遺伝学
的手法を用いた人為的活性制御により、慢性的ストレス後の前頭皮質における Tcf/Lef1 の活性化が
抑うつ症状からの回復を促進することを実験的に示した。また、現在臨床で用いられる抗うつ薬が、
実験で使用したうつ病モデルマウスの抑うつ様行動を改善する際に、脳内のトランスクリプトーム
変化を伴うこと、またその過程で神経細胞の REST 転写因子の活性に影響を及ぼすことも明らかにし
た。さらに、マウスうつ病モデルにおいて、抗うつ薬と Tcf/Lef 活性制御の２つを組み合わせること
で、抗うつ薬の単独投与に比べて治療成績が向上することを示した。 
うつ病の病態や抗うつ薬の作用機序には依然として未解明な部分が多く残されている中で、山本氏
の研究は、新規分子生物学手法を駆使し、マウスにおいて抑うつ症状からの回復に寄与する新たな分
子機構を明らかにするとともに、現在用いられている抗うつ薬の作用機序に新たな視点を提示した
点において、高い学術的意義を有する。 
以上の成果が得られたことは、自立して研究活動を行うに必要な高度の研究能力と学識を有するこ
とを示している。したがって、山本創氏提出の論文は、博士（生命科学）の博士論文として合格と認
める。   


転写因子に着目したうつ病からの回復を担う分子メカニズムの解明とその制御

井上, 理哲人

 
 1 
 
氏 名  井上
いのうえ
 理哲人
ま あ き と
 
学 位 の 種 類  博 士（情報科学） 
学 位 記 番 号  情 博 第  ８５２  号 
学位授与年月日  令和７年 ３月２５日 
学位授与の要件  学位規則第４条第１項該当 
研究科、専攻  東北大学大学院情報科学研究科（博士課程）システム情報科学専攻 
学位論文題目  ドローン遠隔操縦における視覚・聴覚情報を用いた周囲状況の理解支援に
関する研究 
論文審査委員  （主査）東北大学教 授 北村 喜文 
             東北大学教 授 堀尾 喜彦  東北大学教 授 坂本 修一 
             東北大学准教授 藤田 和之 芝浦工業大学教授 高嶋 和毅 
 
論 文 内 容 の 要 旨 
 
第１章 序論 
近年ドローンは様々な場面で用いられてきている．配達など，ドローンの自律飛行を用いたアプリ
ケーションも開発されつつあるが，空撮や検査など，人間の感性やリアルタイムな判断が必要な場面
では，依然としてドローンの手動操縦の需要は高い．しかしながら，ドローンの目視外手動操縦にお
いて，パイロットが遠隔地を飛行するドローンの周囲状況を理解することが難しいという周囲状況理
解の課題が存在する．この課題のため，ドローンを用いたタスク全般において正確，あるいは適切な
判断を困難にし，ドローンの活用場面を狭めている． 
 ここで，ドローンパイロットの周囲状況理解が阻害される要因として 2つ挙げられる．１つ目は死
角の課題である．ドローン遠隔操縦において，パイロットはドローンに搭載されたカメラからの映像
のみを用いて操縦を行うが，そのカメラの視野に映らない広範な死角のため，パイロットはドローン
の周囲状況を確認できない．２つ目の要因は聴覚フィードバックの欠落である．ドローン自身が発す 
る羽音ノイズのため機体にマイクを搭載しても周囲環境の音をパイロットに提示することが出来ず，
そのため，パイロットの臨場感の低下を引き起こし，視覚情報のみでは困難な高次元な情報の伝達を
妨げる．このような，視覚及び聴覚情報の大幅な欠落がパイロットの周囲状況理解を阻害し，ドロー
ンを用いたタスク全般において正確，あるいは適切な判断を困難にする． 
 そこで本論文では死角及び羽音ノイズの課題を解決する手法についてそれぞれ提案した．死角の課
題に関しては，拡張三人称視点を用いたドローン遠隔操縦インタフェース BirdViewARを提案した．羽
音ノイズの課題に関しては Echo State Network(ESN)と機体のモータ回転数を用いて羽音ノイズの周
波数を推定し，適応的に羽音ノイズを除去するアルゴリズム，D-ESNoiserを提案した． 
 
第 2章 拡張三人称視点を用いた周囲状況理解支援手法の提案 
 これまで，ドローン遠隔操縦における死角の課題を解決する手法として，ドローンが飛行する部屋
の天井にカメラを設置，あるいはパイロットが操縦するドローンの上空にもう一台副ドローンを飛行
 
 2 
させ，上空からの映像(三人称視点)をパイロットに提示する操縦インタフェースが提案されてきた．
しかしながら，浮遊物の空間的な位置関係の正確な理解は難しいため，ただ三人称視点を提示するの
みではドローンパイロットの空間理解には寄与しない．また，既存の三人称視点ドローン操縦インタ
フェースでは視点の位置が固定，或いは手動で調整されていたため，主ドローンの動きに合わせた視
点配置は難しい，或いは，非常に負荷の掛かるものであった． 
 そこで，拡張三人称視点を用いてパイロットの周囲状況理解を支援するドローン遠隔操縦インタフ
ェース BirdViewARを提案した．本手法ではパイロットが操縦するドローンの上空にもう一台副ドロー
ンを飛行させ，上空からの映像(三人称視点)をパイロットに提示することで死角の課題を解決した．
また，その三人称視点に対して ARで主ドローンの空間情報を重畳表示することで位置関係理解の課題
を解決した．さらに，視野範囲と視認性のトレードオフを自動的に調整する主ドローンの速度に着目
した副ドローン最適配置手法を提案することで，視点配置の課題を解決した．また，BirdViewARを実
機ドローンで実現するための，ドローンセンサ情報を用いた三人称視点ピクセル座標 – 実距離変換ア
ルゴリズムを提案した． 
 また，BirdViewARがパイロットの周囲状況理解を支援可能か確認するためのユーザスタディを，実
機を用いて行った．実験では Nose-in-circleタスク(ポールから一定の距離を保ったままその周りを
飛行するタスク)及び Fast-positioning タスク(フィールド上に配置されたポール間をなるべく早く
移動するタスク)を被験者に課した．実験の結果，Nose-in-circle タスクにおいて，提案手法が一人
称視点及び AR 無しの三人称視点操縦インタフェースに比べて有意に距離誤差を改善することが分か
った．これにより，AR重畳表示がドローンパイロットの位置関係理解を支援することを示した．また，
Fast-positioningタスクにおいては，提案手法が一人称視点及び固定三人称視点操縦インタフェース
に比べて有意に総飛行距離(オーバーシュート)を減少させることが分かった．これにより，副ドロー
ンの最適配置がドローンパイロットの空間予測を支援することを示した．以上の結果により，
BirdViewARがドローン遠隔操縦における視覚情報の欠落に関する課題を可能であることを示した． 
 
第 3章 Echo State Networkを用いた羽音ノイズ除去アルゴリズムの提案 
 これまで，ドローンで取得した音声から羽音ノイズを除去しターゲット音を抽出する手法として，深
層学習を用いた手法が提案されてきた．しかしながら，深層学習を用いた手法では大量のターゲット
音の学習データが必要になるため，応用先が限定される．また，学習データの収音環境と運用場所の
音響特性が異なる場合は学習をし直す必要があるが，深層学習を用いた手法は膨大な学習時間が掛か
るため，アドホックな運用は難しい． 
 そこで、本研究では省データで学習可能かつ簡素な学習則を持つ学習モデルである Echo State 
Network(ESN)を用いてドローンの羽音ノイズを推定し除去する手法，D-ESNoiser を提案した．
D-ESNoiserではドローン羽音ノイズの高調波構造に着目し，各高調波のピーク周波数，ピーク強度及
び背景ノイズ強度(以下，これらのデータを羽音ノイズパラメータとする)の時系列情報をドローンモ
ータの回転数を基に推定，得られた周波数スペクトルを用いて判定指向法と Wiener filterにより羽
音ノイズを除去する．ここで，ESN を訓練するためには羽音データから羽音ノイズパラメータを抽出
する必要があるが，複数のモータが回転する状態では各モータの高調波成分を抽出しラベリングする
ことは難しい．そこで，本研究では二段階の羽音ノイズパラメータ抽出手法を提案した．また，推定
したピーク周波数のビン番号が本来のものよりも 1つずれた場合，適切にノイズを除去することが出
来ない．そこで，Dynamic Time Warpingを推定した周波数スペクトルとドローンにより取得した音声
 
 3 
データの周波数スペクトルに適用することで，ピークマッチングを行い，推定周波数を調整する手法
を提案した． 
 また，D-ESNoiserのノイズ除去性能を人間音声コーパス及び野鳥鳴き声データセットを用いて評価
した．人間音声コーパスでの実験に関しては，SI-SDR(歪み比)，PESQ(音質)，ESTOI(明瞭度)を用いて
ノイズ除去性能を評価し，そのすべての指標で，D-ESNoiserが既存手法よりも高いパフォーマンスを
発揮することを示した．野鳥鳴き声データセットでは SI-SDR(歪み比)を用いてノイズ除去性能を評価
し，D-ESNoiser が既存手法よりも高いパフォーマンスを発揮することを示した．以上の結果より，
D-ESNoiserは幅広い範囲で応用可能な羽音ノイズ除去手法であり，ドローン遠隔操縦における音情報
の欠如に関する課題を解決可能であることを示した． 
 
第 4章 総合議論 
 本章では BirdViewAR及び D-ESNoiserがドローンパイロットの周囲状況理解に貢献したかについて
それぞれ議論した．BirdViewARに関しては Spatial awareness(SA)の 3 Levelに基づいて議論した．
ここで SAの 3 Levelとはパイロットの空間理解の度合いを 3つのレベル(Lv. 1:知覚，Lv.2:理解，Lv. 
3:予測)に分類したものであり，レベルが高いほどより高い状況理解が得られていることを示す．ここ
で，BirdViewARのユーザスタディ(Fast-positioningタスク)の結果において，提案手法が空間予測を
支援可能であることが示されたため，BirdViewAR によりパイロットの SAを Lv. 3 まで到達できたと
結論付けた．また，D-ESNoiser に関しては，低 SN 比における人間の単語理解度の実験結果に基づい
て議論した．D-ESNoiserは SN比-15 dBにおいてその SN比を約 10 dB改善することが実験で示されて
おり，SN比が 10 dB改善された場合において，単語理解度が 60 %向上することが過去の文献より示さ
れていた．この結果から，D-ESNoiserを用いることでパイロットの状況理解を支援可能と結論付けた． 
 また，提案手法の応用例や二つの提案手法を組み合わせる際の制約，さらなる状況理解に向けた提
案手法の応用に関しても議論した． 
 
第 5章 結論 
 本論文では，死角の課題の解決手法として BirdViewAR を，羽音ノイズの課題の解決手法として
D-ESNoiserを提案し，それぞれの手法がドローンパイロットの周囲状況理解を支援することを示した．
今後は二つの手法を統合し，より高度な周囲状況理解を支援する遠隔ドローン操縦システムを構築す
る予定である． 
論 文 審 査 結 果 の 要 旨 
 
近年，ドローンは空撮や建築物の検査等，様々な領域で用いられているが，目視外でのドローンの
手動操縦は依然として非常に困難で，安全性を確保しつつ操縦を容易にするためのユーザインタフェ
ースの実現に対する期待は大きい．ドローンの目視外での遠隔操縦においての最大の課題は，パイロ
ットが遠隔地のドローンの周囲状況を視覚及び聴覚情報を用いて理解することが難しいことにある．
ドローンパイロットの周囲状況理解を阻害する要因として，死角と羽音ノイズの存在が挙げられる．
目視外飛行においてパイロットはドローンに搭載されたカメラからの映像を基に操縦するが，そのカ
メラで捉えられない死角が存在するため，周囲を十分に確認することができない．また聴覚情報に関
しても，回転するプロペラの羽音ノイズが大きいため，ドローンの周囲の音を確認することができな
い．そこで本研究では，死角及び羽音ノイズの課題をそれぞれ解決するための方法を確立し，視覚情
報と聴覚情報を用いてドローン遠隔操縦を支援する研究に取り組んだ．本論文はその成果をまとめた
もので，全編 5 章から成る． 
第 1 章は序章で，未来の高度なドローン利活用社会を展望するとともに，本論文で取り組む二つの
課題を設定している． 
第 2 章では，拡張三人称視点を用いて死角の課題を解決するドローン操縦システムを提案してい
る．本手法では，パイロットが操縦する主ドローンの上空にもう一台副ドローンを飛行させることで
三人称視点を獲得し，それをパイロットに提示することで死角の課題を解決している．また，その三
人称視点に空間情報を重畳表示し，そのために副ドローンを最適配置することで視覚情報によるパイ
ロットの空間理解を支援している．これはドローンに標準搭載されている機能のみを用いて，視覚情
報によりパイロットの空間理解と状況変化の予測を有意に向上させるシステムを提案したものとして
高く評価できる． 
 第 3 章では，Echo State Network (ESN)を用いた機械学習によって羽音ノイズの課題を解決する，
単一チャネルでのノイズ除去アルゴリズムを提案している．本手法では，羽音ノイズが有する高調波
構造に着目し，モータ回転数から ESN を用いて高調波音の周波数，振幅及び背景ノイズの強度を推論
して，羽音ノイズを除去している．これは，高速な学習が可能で，かつ，ターゲット音の事前知識を
必要としない新規のドローン羽音ノイズ除去アルゴリズムとして高く評価できる． 
 第 4 章では，本研究での提案法に対する被験者を用いた実験結果と従来研究の文献の結果から，第
2 章の拡張三人称視点を用いて死角の課題を解決するドローン操縦システムによって提供される視覚
情報と，第 3 章のドローン羽音ノイズ除去アルゴリズムによって提供される聴覚情報によって，パイ
ロットの周囲状況理解がどの程度向上したかについて議論している．  
 第 5 章は結論である． 
 以上要するに本論文は，ドローンの遠隔操縦に関し，Human-Computer Interaction, 画像処理，信
号処理，機械学習等の手法を活用して，パイロットの周囲状況理解を支援するシステムを構築したも
ので，システム情報科学ならびに関連分野の発展に寄与するところが少なくない． 
 よって，本論文は，博士（情報科学）の学位論文として合格と認める． 


ドローン遠隔操縦における視聴覚情報を用いた周囲状況の理解支援に関する研究

紀要類（bulletin）departmental bulletin pape

早坂, 昌英

中条唯七郎著/中村芙美子訳/青木美智男校註『善光
寺大地震を生き抜く現代語訳『弘化四年・善光寺地
震大変録』』
著者 早坂 昌英
雑誌名 国史談話会雑誌
巻 53
ページ 127-129
発行年 2012-12-21
URL http://hdl.handle.net/10097/00127078
紹
介
v 
中
条
唯
七
郎
著
/
中
村
英
美
子
訳
/
青
木
美
智
男
校
註
『
善
光
寺
大
地
震
を
生
き
抜
く
現
代
語
訳
『
弘
化
四
年
善
光
寺
地
震
大
変
録
』
』
早
英
坂
目
127 
木
市
沿
は
、
信
州
埴
科
郡
森
村
(
現
裂
の
長
野
県
千
曲
市
森
)
の
中
条
唯
七
郎
が
普
光
寺
大
地
震
に
つ
い
て
の
経
験
を
記
録
し
た
「
徒
然
日
記
附
地
災
大
変
録
」
を
翻
刻
し
、
現
代
語
訳
を
付
し
た
も
の
で
あ
る
。
善
光
寺
大
地
震
は
弘
化
的
(
一
八
四
七
)
年
三
月
二
四
日
午
後
一
O
時
ご
ろ
に
信
州
善
光
寺
平
(
現
復
の
長
野
県
長
野
市
)
を
災
源
に
起
こ
っ
た
マ
グ
ニ
チ
ュ
i
ド
七
回
の
直
下
型
地
震
で
あ
る
。
多
数
の
家
屋
崩
壊
や
火
災
、
山
崩
れ
に
よ
る
土
砂
ダ
ム
の
決
機
な
ど
「
正
真
正
銘
の
地
獄
で
さ
え
こ
れ
に
及
ぶ
だ
ろ
う
か
」
(
閏
月
一
四
日
)
と
思
わ
れ
る
ほ
ど
の
被
害
を
も
た
ら
し
、
地
後
発
生
か
ら
終
息
ま
で
七
年
の
歳
月
を
嬰
し
た
。
そ
の
規
模
は
、
江
戸
時
代
の
大
火
地
後
洪
水
、
そ
し
て
津
波
に
つ
い
て
の
喬
付
で
あ
る
「
聖
代
要
廼
磐
寿
世
仰
い
に
お
い
て
「
関
脇
弘
化
問
信
州
大
地
震
」
と
記
さ
れ
、
近
世
に
お
い
て
二
番
目
に
巨
大
な
地
震
と
み
な
さ
れ
て
い
た
(
現
在
の
地
後
規
模
測
定
の
基
準
で
あ
る
マ
グ
ニ
チ
ュ
ー
ド
で
順
位
を
考
え
る
と
四
番
目
)
。
領
主
の
松
代
務
主
真
田
幸
貫
を
は
じ
め
多
く
の
人
々
が
記
録
に
残
し
て
い
る
。
記
録
者
で
あ
る
唯
七
郎
は
安
、
氷
ニ
(
一
七
七
一
一
一
)
年
に
中
条
家
の
長
男
と
し
て
生
ま
れ
た
。
幼
く
し
て
両
親
と
死
別
し
、
祖
父
母
と
叔
父
に
当
た
る
本
家
中
条
八
郎
左
衛
門
の
養
育
を
受
け
た
ロ
少
年
期
に
村
内
の
医
師
か
ら
手
習
い
を
受
け
、
寛
政
一
二
(
一
八
O
O
)
年
に
分
家
独
立
し
て
股
業
に
専
心
し
た
。
し
か
し
、
本
家
が
経
営
破
綻
に
見
舞
わ
れ
る
と
、
唯
七
郎
は
本
家
を
相
続
し
、
そ
の
再
興
に
奮
闘
努
力
し
た
。
本
家
再
興
に
光
が
見
え
だ
し
た
文
政
九
(
一
八
二
六
)
年
か
ら
の
一
一
一
年
間
、
森
村
の
名
主
に
選
ば
れ
、
村
政
に
も
大
き
な
力
を
発
揮
し
た
。
そ
の
後
、
普
光
寺
大
地
震
を
七
五
歳
で
経
験
し
、
務
永
二
(
一
八
郎
九
)
年
八
月
五
日
に
七
七
歳
で
没
し
た
。
唯
七
郎
は
記
録
に
熱
心
で
も
あ
っ
た
。
お
き
残
し
た
「
本
家
日
記
」
と
題
す
る
日
記
は
九
一
一
一
間
存
在
し
、
そ
れ
を
も
と
に
村
内
外
で
の
見
聞
を
「
見
聞
集
録
」
と
し
て
ま
と
め
て
い
る
。
「
見
聞
州
集
録
」
は
柄
木
間
文
明
氏
に
よ
り
全
『
又
籾
刻
さ
れ
(
『
成
師
陣
論
議
』
一
一
一
三
(
一
九
九
四
年
発
行
)
)
、
法
政
大
学
の
学
生
に
よ
り
全
文
現
代
語
訳
さ
れ
て
い
る
(
『
近
世
信
州
庶
民
生
活
誌
|
|
信
州
杏
の
盟
名
主
の
見
た
こ
と
聞
い
た
こ
と
』
(
ゆ
ま
に
怒
一
房
、
二
O
O八
年
)
)
。
「
徒
然
日
記
附
地
震
大
変
録
」
は
、
「
見
防
集
録
」
の
編
集
中
に
地
震
に
巡
遊
し
た
唯
七
郎
が
記
し
た
地
震
を
中
心
と
し
た
日
記
で
あ
る
。
唯
七
郎
が
住
ん
だ
森
村
は
、
松
代
務
其
悶
家
の
支
配
下
に
あ
り
、
防
相
128 
科
郡
一
一
一
ニ
ヶ
村
の
中
で
は
村
高
約
一
一
一
一
O
O石
を
有
し
、
燐
村
の
雨
宮
村
や
矢
代
村
(
と
も
に
千
曲
市
内
)
に
次
ぐ
大
き
な
村
だ
っ
た
。
森
村
は
、
千
曲
川
と
浮
川
を
隔
て
た
南
方
に
位
校
す
る
。
住
民
は
地
震
発
生
の
前
年
弘
化
三
年
に
は
、
戸
数
三
一
一
軒
、
人
口
一
問
問
O
人
(
男
七
O
一
人
、
女
七
三
九
人
)
と
い
う
構
成
で
、
村
民
の
大
半
が
本
百
姓
で
淡
業
中
心
の
村
で
あ
っ
た
。
唯
七
郎
が
生
き
た
文
化
・
文
政
期
こ
ろ
か
ら
後
蚕
梁
が
さ
か
ん
に
な
り
、
村
人
の
多
く
は
そ
れ
を
副
業
と
し
、
養
蚕
業
は
村
人
の
大
き
な
収
入
源
と
な
っ
て
い
た
。
以
上
を
踏
ま
え
た
う
え
で
本
滋
の
内
容
に
つ
い
て
説
明
す
る
こ
と
に
し
た
い
。
本
惑
の
構
成
は
以
下
の
通
り
で
あ
る
。
東口
M
本
大
食
災
復
興
へ
の
一
つ
の
提
言
(
脊
木
美
智
男
)
明
弘
化
沼
年
譜
光
寺
地
震
大
変
録
』
を
読
ま
れ
る
前
に
絶
え
間
な
き
余
災
を
生
き
抜
く
民
の
記
録
(
背
木
奨
智
男
)
弘
化
四
年
・
議
光
寺
池
袋
大
変
録
(
現
代
垣
間
中
村
英
美
子
訳
)
大
地
後
の
発
生
・
前
代
米
側
の
大
災
容
(
一
一
一
月
二
十
四
日
1
陥
日
)
絶
え
間
な
く
続
く
大
地
震
(
四
月
一
日
1
十
二
日
)
日
仲
川
市
鴨
止
め
湖
の
決
時
制
(
四
月
十
三
日
1
二
十
九
日
H
)
余
震
を
耐
え
抜
く
毎
日
(
五
月
一
日
1
二
十
九
日
)
豊
作
が
唯
一
の
救
い
(
六
月
一
日
i
七
月
晦
日
)
地
開
泌
が
水
脈
を
変
化
さ
せ
た
(
八
万
一
日
1
九
月
続
日
)
余
後
は
漸
減
(
十
月
一
日
i
十
一
月
二
十
九
日
)
地
震
を
生
き
抜
い
た
こ
の
年
(
十
二
月
一
日
1
十
五
日
)
徒
然
日
記
附
地
媛
大
変
録
(
原
文
)
本
怒
刊
行
の
経
総
と
協
力
者
の
方
々
(
背
木
美
J
宮力)
「
来
日
本
大
震
災
復
興
へ
の
一
つ
の
提
言
」
で
は
、
ま
ず
本
復
の
校
註
者
で
あ
る
背
木
美
智
男
氏
自
身
の
東
日
本
大
震
災
の
体
験
が
諮
ら
れ
て
い
る
。
そ
し
て
現
在
ま
で
の
隆
史
学
研
究
に
は
、
過
去
の
地
問
叫
に
遡
り
、
そ
の
発
生
か
ら
終
息
に
至
る
余
後
を
含
め
た
長
い
ス
パ
ン
の
分
析
が
不
足
し
て
い
た
と
い
う
問
題
点
を
指
摘
す
る
。
本
容
で
紹
介
す
る
『
大
変
細
部
』
に
は
、
地
震
発
生
時
の
み
で
は
な
く
、
余
震
も
含
め
た
そ
の
後
の
生
活
に
つ
い
て
も
詳
細
な
記
録
が
記
し
て
あ
る
。
そ
れ
を
分
析
活
用
す
る
こ
と
で
先
に
挙
げ
た
問
題
点
を
克
服
し
、
今
後
の
地
震
研
究
や
被
災
者
の
メ
ン
タ
ル
ケ
ア
の
参
考
に
す
る
こ
と
が
で
き
る
は
ず
だ
と
、
青
木
氏
は
一
評
価
す
る
。
議
光
寺
大
地
震
は
明
長
野
県
史
』
通
史
編
(
一
九
八
九
年
発
行
)
に
も
取
り
上
げ
ら
れ
て
き
た
。
し
か
し
、
そ
こ
で
綴
介
さ
れ
て
い
る
史
料
は
松
代
務
家
者
河
原
綱
徳
の
吋
む
し
く
ら
沼
記
』
が
主
で
あ
り
、
務
側
の
地
震
認
識
の
聞
が
強
い
。
一
方
、
明
大
変
録
』
は
肌
脱
出
向
の
側
か
ら
の
義
光
寺
大
地
後
を
描
い
て
い
る
。
そ
の
た
め
、
家
康
崩
壊
や
火
災
・
土
砂
ダ
ム
の
決
壊
な
ど
大
き
な
被
認
の
ほ
か
に
、
肌
脱
繁
期
に
行
わ
れ
た
復
興
の
た
め
の
人
足
要
訪
に
対
す
る
mu
い
や
、
水
脈
の
変
化
に
よ
る
淡
栄
へ
の
影
響
な
ど
、
淡
毘
ぬ
な
ら
で
は
の
記
述
が
見
ら
れ
、
生
活
記
録
と
し
て
と
て
も
興
味
深
い
。
本
没
は
東
日
本
大
震
災
を
経
験
し
て
地
震
に
対
す
る
関
心
を
強
め
て
い
る
人
々
に
対
し
て
も
、
江
戸
符
代
人
の
地
終
に
対
す
る
心
性
に
迫
る
上
で
殺
適
な
設
で
あ
ろ
う
。
今
後
、
災
山
首
史
研
究
が
進
め
ら
れ
て
い
く
上
で
、
広
く
読
ま
れ
る
こ
と
を
期
待
し
た
い
。
(
日
本
経
淡
評
論
社
、
一
一
O
一
一
年
一
一
月
刊
行
、
一
ニ
六
六
頁
、
本
体
問
八
O
O
+税
内
)
129 


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東北大学電気通信研究所研究活動報告第31号(2024年度)

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