昆虫をバーチャル旅行に連れて行く

January, 5, 2024, Würzburg--ハエやアリはどうやって道を見つけるか。神経科学者Hannah Haberkernは、新しいEmmy Noetherの独立したジュニア研究グループでこの疑問を調査している。そのために、同氏はアメリカからWürzburgに引っ越してきた。

採餌中のハエは、腐った果物に出くわすと、この食料源に満足するか、それとも探索を続けるかを判断しなければならない。飛行を続けることを決意しても、より良い代替案が見つからなければ、たとえ太陽のような目印が暗い雲の後ろに消えて久しいとしても、果物のかけらに戻る方法を見つけなければなならない。

ショウジョウバエやサバエアリなどの昆虫は、どのようにして環境の中で方向を定め、意図的に特定の場所に向かうのか。これは、神経科学者Dr Hannah Haberkernが、Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU)の新しい研究プロジェクトで研究していることである。

ドイツ研究財団(DFG)から約200万ユーロの資金提供を受け、同氏は現在、Emmy Noetherの独立したジュニア研究グループを立ち上げることができる。Haberkernは6年間で「ロバストナビゲーションのための行動戦略とニューロンメカニズム」の詳細な研究を行っている。

ハエの脳のロードマップ
「私は、これらの昆虫が、比較的小さな神経系にもかかわらず、変化する環境条件の下でどのように正確にナビゲートするかに興味がある」:これは、Haberkernが同氏の中心的な研究課題を説明する方法である。Haberkernの目的は、神経系のどの部分が行動を制御しているのか、これらの神経回路がどのように基礎となる計算を実行するのか、そして、光刺激が目に入るところからハエの脳の中枢部で処理されるまで、情報信号がどのようにフィルタリングされるのかを、個々の神経細胞まで解読することである。

Haberkernを助けているのは、ショウジョウバエの脳が非常に小さいという事実:それは約200,000のニューロンとそれらの間の数千万の接続で構成されている。これは非常に複雑なシステムであるが、マウスの脳とその7,000万個のニューロン、つまり800億～1,000億個の神経細胞で構成されている人間の脳と比べると、それほど多くはない。

Haberkernが以前所属していた研究センタ、ワシントンDC(米国)近郊のHHMI Janelia Research Campusで行った基礎研究成果も参考になる。ここ数年、同研究所の科学者チームはGoogleと共同で、ハエの脳の一部のニューロンとシナプスをマッピングし、コネクトームと呼ばれる包括的な回路図を作成した。

情報処理を詳しく見る
研究チームは、ナビゲーションに重要な役割を果たす脳領域である中枢複合体に着目した。チームは、多くの新しいニューロンの種類を特定し、ハエが世界中を歩き回るのに役立っていると思われるニューロン回路を特定した。

これがすべての質問に答えるかどうかと疑問に思っている人は間違っている。「コネクトームは、すべての道路、小道、交差点に印が付けられている一種のロードマップとして理解する必要がある」（同氏）。しかし、地図を手にしただけでは、比喩的に言えば、交通がどのようにそこを流れるのか、また、ハエの場合、情報がどのように処理され、行動が制御されるのかは、まだ明らかではない。

ハエやアリのためのビデオゲーム
Dr Hannah Haberkernが実験室でわずか数ミリの大きさのハエを扱う際には、器用さと安定した手が必要になる。同氏は、自身のアプローチについて「私は、仮想環境で自分自身を方向付ける能力を調査している」と説明している。
昆虫は顕微鏡下で固定され、空気の流れの中でほとんど抵抗なく回転する小さなボールの上を歩くことができる。このハエ用のトレッドミルにより、ハエがその場を歩き回っている間、Haberkernはハエの脳を観察することができる。

Haberkernが提示する仮想環境に応じて、ハエは飛ぶ方向を変え、ボールが足の下を移動する方向を変える。Haberkernは、ハエがどこを向いて、どのくらいの距離を移動しているかを、このことから読み取ることができる。同時に、同氏は特別な検査技術を使用して、ハエの脳内の神経細胞の活動を記録し、関与する神経細胞プロセスの正確な画像を取得する。

仮想環境はが、一見リアルに見える。「私は、自然環境の重要な側面を実験室に持ち込んで、準現実的な条件下での昆虫の行動と神経処理を研究しようとしている」（Haberkern）。太陽、雲、草、影の位置:科学者はこれらと他の多くの側面を考慮に入れる。アリを使った実験では、ヴュルツブルク大学の研究チームなどが実施した野外試験をベースにしている。

ヴュルツブルク大学に戻る
同氏は、2009年から2012年までスイスのETH-Zurichで計算生物学とバイオインフォマティクスの修士号を取得し、その後、ケンブリッジ大学(英国)と米国のHHMI Janelia Research Campusで神経科学分野の博士課程の学生およびポスドクとして、14年間海外に住み、研究を行った。同氏は、2006年から2009年にかけてWürzburgで生物医学の学士号を取得した。

その理由について同氏は「ヴュルツブルク大学では、研究に必要なものがすべて一つ屋根の下で手に入る」と話している。

砂漠アリやショウジョウバエの生理学・行動学研究の専門家から、昆虫に合わせた電子顕微鏡などの必要な技術、それに長年の飼育・飼育経験まで、JMUはまさに同氏が本格的に活動するために必要な環境を提供している。
（詳細は、https://www.uni-wuerzburg.de/）