研究関連ニュース脳と行動の複雑さを捉える適応モデルよりシンプルな構成要素への細分化により、経時変化する動的システムの詳細を研究者らが解明しました。動物の行動を研究する科学者にとって、最もシンプルな神経回路をもつ線虫であっても、その行動を理解するのは大変困難な作業です。這いまわる虫、群がる鳥、歩行する人間の動きは、刻一刻と変化し、全てを裸眼で捉えることは不可能です。(OIST)とアムステルダム自由大学の研究者らは、この動的なふるまいを、理解可能な動きの集合体ごとに解析する方法を開発しました。「単に前方、後方、旋回といったように動きを分類しても、見るだけでは確かなことは断定できません」と、グレッグ・スティーブンズ准教授率いるOIST理論生物物理学ユニットおよび丸山一郎教授率いる情報処理生物学ユニット所属の博士学生で、本論文共著者であるトシフ・アフメット氏は説明します。本研究では、観察に際し、適応モデルを用いることで、モデルなしでは見逃していたはずの微妙な差異を見い出したのです。「この方法を用いれば、動きの詳細部分を見逃さずに済むのです。」2019年1月17日、米国科学アカデミー紀要の電子版に発表された本研究は、複雑な動作がよりシンプルな線形パターンの動きの集合体で表せることを見出しました。研究者らは、これらのパターンが、時間の経過とともにどのように変化したかを元に、データを別々のタイムウィンドウに分けました。統計的に類似しているようなタイムウィンドウをクラスター化することにより、本モデルを用いて、変化する動物の脳の状態、および運動行動における異なるパターンを明らかにしました。「モデルをつくる上で、最初はできるだけ憶測をしないで取り組みます。データを見ることで、動物の行動がわかってくるのです。大学院生のアントニオ・コスタ氏は説明を加えます。複雑な動きをよりシンプルな構成要素に細分化する局所線形解析を行った。本モデルにより、運動の中でも最もシンプルな動きのひとつの基礎となる、複雑性を見出すことができました。それは、「クロール=這う」という動作です。研究者らは、線虫が這いながら前進したり、旋回したり、逆方向に進むために向きを反転させる様子を観察することができます。これらのふるまいは単純に見えますが、よく調べてみると、それぞれの運動は多様性と微妙な差異を含んでいるのです。這う動作のやり方は一つではありません。「線虫を観察することによって、大雑把な行動の種類はなんとなく、我々もわかっていました。それほど単純な動きではないのです。肉眼では認められない、より微妙な行動様式があるのです」と、アムステルダム自由大学の教授職も兼務するスティーブンズ准教授はコメントしています。データによると、線虫は静止してから、ふるまいを瞬間的に切り替えていることがわかります。それはまるで相手の次のパンチに反応して上下に体を動かしたり、かわしたりする機敏なボクサーのようで、線虫の動きは、1つのパターンから次のパターンの動きへと変遷するのです。これまでの研究では、ヒトなどのより複雑な生物も、このような適応性を持つことが示唆されています。今回開発されたモデリング方法により、これらのダイナミクスを、直接定量化できるようになりました。eleganceは、前進(左図)、後退(右図)、旋回(真ん中の図)の動きをしているように見える。動的システムをモデル化する新しい方法により、OIST理論生物物理学ユニットとアムステルダム自由大学の研究者らは、それぞれの動きにおける微妙な差異を明らかにした。Amsterdamさらなるアプリケーション研究者らは線虫のふるまいのモデリングの他に、線虫の脳全体、マウスの視覚野のニューロン、そしてサルの大脳皮質それぞれにおけるダイナミクスを定量化しました。私たちの方法は単純なものですが、様々な複雑系を解釈するのに非常に役立つことが証明されました」とスティーブンズ准教授は語ります。鳥の群れの集団行動でさえも、この新しい方法をもってすれば解読可能な動的システムの具体例となり得ます。この方法を機械学習法と組み合わせることで、依然として課題の残る動画の分類を、静止画同様に行うことができるようになるかもしれません。「原則に基づいてダイナミクスを解釈できるようになれば、この方法を多くのシステムに応用できると思います」と、同准教授は締めくくっています。ユニットの紹介:単純さの探求かつて理論物理学を専攻し、現在は生物界を理解するために研究を続けているグレッグ・スティーブンズ准教授は、OISTの学際的な環境は非常に居心地がよいと感じています。赤道から離れつつあるサンゴ礁サンゴ礁が赤道海域から離れ、より温暖な地域に生息する傾向にあることが研究で示されました。新研究ユニットの紹介:美しいウイルスマティアス・ウォルフ准教授は研究対象に乳頭腫ウイルスおよびポリオーマウイルスを用いて、ウイルスがどのように細胞を捕え、細胞膜に穴を開け、ウイルス自身の遺伝物質を宿主細胞に注入して感染させるのかを調べています。「流れ」を利用した新結晶化法OISTの研究チームが、温度制御下でせん断流を利用した新しい結晶化法を開発しました。細菌との戦いに役立つ装置OISTでの学際的研究によって、効率的なバイオフィルム試験の方法が開発されました。教育研究活動は学際的で、科学技術研究の先端的を目指しています。