ロボット工学者が、ゼブラフィッシュのナビゲーションをリバースエンジニア

December, 5, 2025, Lausanne--EPFLとデューク大学(Duke University)の科学者たちは、シミュレーション、ロボット、生きた魚を用いて、ゼブラフィッシュが視覚刺激に反応し、流れる水域での位置を維持する神経回路を再現した。これは、脳回路、身体力学、環境がどのように連携して行動を制御しているかの全体像を提供する。

神経科学の逆説は、脳は特定の感覚的・物理的環境の中で進化する一方で、神経回路は通常、制御された実験室条件下で孤立して研究されるという点である。しかし、環境要因が脳の機能をどのように形作るかを完全に理解するには、その脳が進化した身体を考慮しなければならない。

EPFL工学部のバイオロボティクスラボは、感覚運動協調に関わる脳と身体の相互作用を解明するバイオインスパイアロボットの開発を専門としている。現在、研究チームはScience Robotics誌に研究を発表した。ここでは、ゼブラフィッシュのよう性における身体化、つまり身体が知覚にどのように影響するかについて詳細な洞察を提供している。

「われわれの模擬幼生ゼブラフィッシュは仮想的な具現化を提供し、その反応をシミュレートされた流体力学や視覚的シーンに観察することができた。さらに、物理的なロボットを使って現実世界でのこれらの相互作用を観察した。「これらの環境とのつながりは、実験室の孤立した脳では研究できない」とBioRobotics Labの責任者Auke Ijspeertはまとめている。

魚眼視覚

半透明の体を持つ小さな幼生ゼブラフィッシュは、すべてのニューロンに光学的にアクセスできるため、生物医学研究におけるよく研究された動物モデルとなっている。この研究では、デューク大学の神経生物学者Eva Naumannと同氏のチームが、生きたゼブラフィッシュの脳から得られたリアルタイム画像データから導き出されたニューラルネットワークアーキテクチャを提供した。また、小さな魚の視覚的な行動を追跡し、流れる水で遭遇するような視覚刺激に反応を記録した。

その後、バイオロボティクス研究所はNaumannとそのチームと協力し、網膜から脊髄までゼブラフィッシュの視覚処理、身体力学、神経回路を忠実に再現するシミュレーションを開発した。魚が水流を補正する反射的な泳ぎである光運動反応を標的とした実験では、仮想動物は実際の幼生ゼブラフィッシュの行動をほぼ再現した。

「エヴァと彼女のチームが生きた魚で観察した様々な挙動をすべて再現できたことはとても刺激的だった。これは回路の逆解析に成功したことを示唆している」(Ijspeert)。

その過程で、ゼブラフィッシュの行動を駆動する神経信号の多くは網膜の比較的小さな部分から来ていることが明らかになった。彼らのシミュレーションは、生きた魚の異常刺激への反応を説明する、これまで未確認の2種類のニューロンタイプを予測した。

さらなる検証のため、EPFLの博士研究員Xiangxiao Liuは、目用の2台のカメラ、尾部を動かすモーター、それにシミュレートされたゼブラフィッシュと同じ神経回路を備えた80cmのロボットゼブラフィッシュ幼虫を製作した。ローザンヌのChamberonne Riverでの実験では、自然環境の無秩序の中でもロボットが下流に流されるのを防ぐことができた。

「われわれの神経回路からの光運動反応の出現は重要である。なぜなら、動物の刺激に対する反応の一部はランダムだからだ。このランダム性にもかかわらず、神経回路はロボットの向きを変え、位置を維持した」(Liu)。

動物行動を研究するためのオープンソースプラットフォーム

バイオロボティクス研究所はすでにこの研究を拡大し、ゼブラフィッシュの泳ぐパターンの研究に移している。彼らのシミュレーションとロボット設計は、研究者がゼブラフィッシュや他の動物の視覚運動協調を研究するためのオープンソースツールとしても利用可能である。実際、Ijspeertは、この研究がモデルやシミュレーションが特定の生物学的機能に十分な感覚運動機構を理解する上でいかに重要かを示していると強調している。

「動物実験では、機能に必要な感覚運動機構を示すことしかできず、十分かどうかは分からない。なぜなら、動物では一つの機構を除いてすべての機構を取り除くことはできないからだ。ここでは、視界だけでゼブラフィッシュがその位置を維持するのに原則として十分であることを示した。これは非常に困難で簡単な結果である。」