研究: ゼブラフィッシュは私たちが思っていたより賢い | MITニュース

マサチューセッツ工科大学 (MIT) とハーバード大学の新しい研究によると、一見単純に見えるゼブラフィッシュの脳は、これまで考えられていたよりも洗練されていることがわかりました。 研究者たちは、ゼブラフィッシュの幼生が視覚情報を使用して物理的環境の 3 次元マップを作成できることを発見しました。

新しい研究では、研究者は、ゼブラフィッシュが捕食者を逃れながら環境障壁を回避できることを発見しました。 この発見は、ゼブラフィッシュが「私たちが考えていたよりもはるかに賢い」ことを示唆しており、人間の視覚の多くの側面を調査するためのモデルとして使用できる可能性があると研究者は述べています.

「これらの結果は、動物が直面する最も基本的な計算問題の 1 つであるゼブラフィッシュの幼生で、環境の 3D モデルを認識できることを示しています」と、MIT の脳および認知科学部門の主任研究員であり、新しい研究の著者。

マサチューセッツ工科大学 (MIT) の研究科学者でハーバード大学の研究員であるアンドリュー・ボルトン (Andrew Bolton) は、本日発表された新しい研究の主任著者です。 現在の生物学. ハーバード大学のポスドクである Hanna Zwaka と、最近ハーバードを卒業し、現在はオックスフォード大学の大学院生である Olivia McGinnis が論文の筆頭著者です。

環境のマッピング

1970 年代以来、ゼブラフィッシュは、がん、心血管疾患、糖尿病など、さまざまな人間の病気の研究に使用されてきました。 ゼブラフィッシュ研究の初期のパイオニアの 1 人は、現在 MIT の生物学の名誉教授であるナンシー ホプキンスであり、ゼブラフィッシュの胚発生に関与する多くの遺伝子を発見しました。

最近では、科学者はゼブラフィッシュを感覚知覚を伴う行動のモデルとして使用する可能性を探り始めています。 3 年前、ボルトンは、ゼブラフィッシュが獲物の位置と速度に基づいて獲物の軌道を正確に予測できることを示す研究を主導しました。

その研究中に、ボルトンは誤って幼生のゼブラフィッシュが入った皿の 1 つを落とし、魚がすぐに四方八方に散らばっていることに気付きました。 そこで彼は疑問に思いました。彼らの脱出経路の選択は完全にランダムであり、途中に障害物があると影響を受けるのでしょうか?

障害物を検出するには、複数の種類の感覚入力を統合し、その情報を使用して空間内の自分の位置に対する障害物の位置を計算する機能が必要です。 人間や他の多くの動物はこれを行うことができますが、ゼブラフィッシュなどの単純な生物がそれを行うことができるとは考えられていませんでした.

代わりに、多くの神経科学者は、ゼブラフィッシュの視覚は単純な線虫 C. elegans などの生物の視覚に似ていると信じていました。 これらのワームでは、感光性細胞によって検出された光が、光に近づいたり離れたりするなどの反射反応を引き起こす可能性があります。

ボルトン氏は、ゼブラフィッシュが 3D 環境の心的表現を作成できるかどうかという問題を調査するために、魚が可能な脱出経路の 1 つをブロックする障害物を回避しようとする必要がある実験設定を作成しました。 実験は、研究の著者でもあるハーバード大学の分子および細胞生物学の教授であるフローリアン・エンゲルトの研究室で行われました。

それぞれの魚は、自由に泳ぐことができる直径約 12 cm の円形の皿に置かれました。 皿の上に金属棒を落として大きな音を立てると、魚はすぐに逃げ出しました。 研究者は最初に、障壁が存在しない場合、魚が脱出経路として左または右のいずれかをランダムに選択することを示しました。

次に、研究者は、脱出経路の 1 つをブロックする 12 ミリのプラスチック バリアを配置しました。 障壁が設置されている場合、研究者は、魚がそれを見るのに十分な光がある限り、ほとんどの場合、障壁のない方向に逃げることを選択したことを発見しました. さらに、魚は障害物が近づくと回避しようとする可能性が高く、障害物までの距離も計算できることが示唆されました。

ゼブラフィッシュの反応時間は約 10 ミリ秒と短いことから、ゼブラフィッシュは音を聞く前にバリアの位置のマップを「事前に計算」する必要があることが示唆されます。 ゼブラフィッシュでは、網膜から脳への視覚情報の伝達に約 60 ミリ秒かかるため、魚が大きな音を聞いた後に障害物をチェックする可能性は排除されます。

「タップに比べて脱出が速すぎるため、彼らはリアルタイムでマッピングを行うことができません」とボルトンは言います。 「捕食者または捕食者を模倣する何かが現れた場合に備えて、事前に環境をマッピングする必要があります。」

脳のモデリング

この種のマッピング前の行動は、げっ歯類や他の哺乳類で見られますが、単純な脊椎動物では見られません。 ハワード ヒューズ医学研究所ジャネリア リサーチ キャンパスの上級グループ リーダーである Misha Ahrens は、ゼブラフィッシュでの発見は、脳がどのように世界のモデルを作成するかという問題を探求する新しい方法を開くと述べています。

「この作品は、小さくて一見単純に見える動物が、驚くべき行動能力と計算能力を持っていることを美しく示しています。 それらは単なる入出力マシンではありません。 代わりに、彼らは自分たちの周りの世界のモデルを持っていますが、それは私たちが慎重に設計されたトリガーでそれらの内部モデルを慎重に調査するまで私たちには見えません.

ゼブラフィッシュの脳は哺乳類の脳よりも小さく単純であるため、個々のニューロンのレベルに至るまで、より簡単に画像化および操作することができます。 以前の研究者は、音に対するゼブラフィッシュの反応を仲介しているように見える、Mauthner ニューロンとして知られる 1 組のニューロンを特定しました。 今回の神経回路実験では、バリアからの視覚入力がマウスナーニューロンを興奮させ、バリアからの脱出を誘導することを発見しました。

研究者は現在、ゼブラフィッシュの脳のどの部分が奥行き知覚の表現をエンコードしているかを調査する予定です。 神経科学者は、哺乳動物の脳が二次元の場所 (視蓋と呼ばれるゼブラフィッシュの脳領域に類似した上丘) をどのように、どこにマッピングするかについて既に良い考えを持っていますが、深さの三次元がどのように追加されるかは、よくわかりません。

「たとえば、ゼブラフィッシュの幼虫の視蓋に 3D 表現が見つかれば、人間を含む哺乳動物の上丘や視覚経路のどこにあるのかを知る手がかりになります」と確率論研究を率いるマンシンカは言います。 MIT のコンピューター サイエンスおよび人工知能研究所のコンピューティング プロジェクト。

Mansinghka はまた、この新しい発見が、ゼブラフィッシュを単純すぎてその目的には役立たないと考えている一部の認知神経科学者やシステム神経科学者を納得させるのに役立つことを望んでいる。脳。

「歴史的に、細胞を研究する人々、脳回路を研究する人々、イメージングを研究する人々、行動を研究する人々、認知を研究する人々、計算を研究する人々の間には、多くの相違がありました」と彼は言います。 「これらすべてのレベルに同時に対処する統合的な研究を行うことは困難ですが、ここで、多くの異なるレベルで知覚計算を研究し、それを根底にあるニューロンに接続するために使用できる生物が存在することを示した可能性があります。」

この研究は、国立衛生研究所によって資金提供されました。

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