Jimena Berni の実験室にいるショウジョウバエの幼虫が、エサを求めて大きな寒天プレートの上を這うのは驚くことではありません。 「ショウジョウバエ 幼虫は食べているか食べていないかのどちらかであり、食べていない場合は食べたいと思っています」と彼女は言いました.驚いたことに、この幼虫はまったく食べ物を探すことができます。ベルニによって実行された一連の遺伝的トリックのおかげで、機能する脳がありません。実際、通常は触覚や筋肉からのフィードバックを中継するシステムもシャットダウンされています。
ショウジョウバエの神経系の研究で最近サセックス大学のグループリーダーの地位を獲得したアルゼンチンの神経科学者であるベルニは、幼虫の筋肉を直接制御するニューロンの小さなクラスターが、完全に入力なしで自由に動くことを許可されたときに何をするかを学んでいます。脳や感覚から。外界に関する情報が遮断されたとき、動物はどのように採餌しますか?
その答えは、ランダムな動きの非常に特殊なパターンに従って動くということです。この発見は、バーニと彼女の共同研究者であり、英国のプリマスにある海洋生物学協会の海洋生態学教授であるデイビッド・シムズを興奮させました。ウジは、シムズが 25 年以上研究してきた動物、つまりサメとまったく同じように振る舞います。
神経科学では、行動を考えるための通常のスキーマでは、脳が入力を受け取り、それらを保存された情報と組み合わせて、次に何をすべきかを決定します。これは私たち自身の直感と経験に対応しています。なぜなら、私たち人間はほとんどの場合、私たちが感じて覚えていることに反応しているからです.
しかし、多くの生物にとって、有用な情報が常に利用できるとは限らず、別のことが起こっている可能性もあります。サメやショウジョウバエの幼虫を含むさまざまな種が環境を探索するとき、レヴィ ウォークと呼ばれる特定の種類のランダムな動きである同じパターンの動きをデフォルトでとることがあります。この共通の特徴は、進化が神経系に基本的な運動パターンを自発的に生成する能力を備えさせた可能性があることを示唆しています。これは、盲目的な検索のための他のどの戦略よりもうまく機能する解決策です.
このアイデアは、20 年以上にわたって生態学と動物行動の分野で議論を巻き起こしてきました。 Berni と Sims の研究は、この現象を神経科学の領域にしっかりと持ち込み、その重要性を無視することを難しくしています.
ワイルドサイドを歩くレヴィ
スコットランドの植物学者ロバート・ブラウンが 1827 年に花粉粒が水中で揺らめくのを偶然観察したとき、彼の名前は最も有名なタイプのランダムな動きに永久に結び付けられました。ブラウン運動の物体は、ランダムな方向にランダムな距離を何度も何度も移動します。ランダムな距離の分布はガウス分布、つまり正規分布です。平均値を中心に対称的に分布し、重要なことに、ステップの長さが平均から大きく逸脱することはありません。ブラウン運動は、拡散を含む非常に多くの物理現象を説明します。
しかし、1937 年に、フランスの数学者ポール レヴィは、ランダムな動きの 2 番目のタイプを説明しました。この例では、ランダムな距離の分布はべき法則に従い、特徴的に長い右裾を持っています。これは、ほとんどの動きの長さが平均に近いことを意味しますが、一部の動きははるかに長くなります.フラクタルのパイオニア、レヴィの元学生であるブノワ・マンデルブローは、1982 年にこの歩幅の分布をレヴィ ウォーク (またはレヴィ フライト) と名付けました。
この頃、何人かの生物学者が、自然な行動を説明するためにこのパターンの潜在的な有用性を探り始めました。これは、レヴィ ウォークが、ある空間を徹底的に探索し、別の空間を探索するために飛び立つ動物の経路を非常に連想させるためです。しかし、1996 年に Gandhi Viswanathan とその同僚がアホウドリ飛行はレヴィ ウォークであると提案するまで、この考えは注目を集めることはありませんでした。
「私の最初の動機は、博士号を取得することでした。現在、ブラジルのリオグランデ・ド・ノルテ連邦大学の物理学教授であるヴィスワナサンは、「実際には、『自由意志』をよりよく理解するためのものでした」と述べています。不確定な行動をしていましたが、彼には調べるのに役立つ人間のデータがありませんでした。アホウドリ (餌を求めて外洋を自由に飛び回る鳥) の飛行データを分析する機会が訪れたとき、彼は喜んでそれを受け入れました。
Viswanathan には、鳥の足に取り付けられたウェット/ドライ センサーから得られた飛行時間の分布が与えられました。センサーが濡れているということは、鳥が海の上を飛んでいることを意味します。乾いたとき、鳥は飛んでいました。データは、飛行時間のレヴィ分布を明らかにしました。 Nature に掲載 1996 年、この発見は生態学者の関心を引き、Viswanathan はその潜在的な重要性を探求するようになりました。
パラナ連邦大学のマルコス・ダ・ルスとブラジルのペルナンブコ連邦大学のエルネスト・ラポソを含む物理学者のチームと協力して、ヴィスワナサンは 1999 年にレヴィ歩行と採餌との関連性を示す理論的研究を発表しました。食物がまばらなパッチに分布し、すぐに再生することができ、動物が食物がどこにあるかに対する感覚的なガイダンスを持たない場合、Lévy walks は盲目的に食事を発見するための数学的に最適な探索戦略です。
この論文は、Viswanathan をいまだに驚かせるレベルの論争を引き起こしました。数学的アイデアは、動物の行動に関心のある一部の生態学者や物理学者に受け入れられましたが、他の人はそれらをきっぱりと拒否しました。 「振り返ってみると、この考え方は一部の研究者にとって衝撃的すぎたように感じます。」
この分野は、熱狂的な議論に悩まされ、引き裂かれるという評判をすぐに獲得しました。レヴィ散歩の有用性は、ターゲットがまれで検索者よりも動きが遅い場合に最適なブラインド検索戦略であることを示した研究などの理論的研究によってさらに裏付けられました。パートナーを求める生き物。しかし、多くの種の動きがこの理論的枠組みに適合するという実証的な証明はなかなか得られませんでした。動物学者は野生動物の動きをより完全かつ詳細に観察する必要があり、数学者はそのようなデータを分析するためのより洗練された方法を必要としていました。
レヴィ ウォークのアイデアに触発されたエコロジストの 1 人が Sims でした。当時、彼は海洋保護の助けとして魚の動きをマッピングしようとしていました。彼は、「ウバザメでこれをテストしたい」と考えました。ウバザメは、油、肉、ひれを目的として長年にわたって狩猟され、絶滅の危機に瀕していた種です。
ウバザメは海の広大な範囲を歩き回り、プランクトンの斑点を食べます。魚の群れを求めて翼にいるアホウドリと同じです。サメの進路にレヴィ ウォークが見られる場合は、サメがプランクトンを食べているのではなく、探索していたことを意味している可能性があります。シムズは、その洞察がサメの動きをよりよく理解し、動物を漁業から保護する方法を考え出すのに役立つかもしれないと考えました.
彼が直面した問題は、十分なデータを取得することでした。レヴィウォークを検出するには、研究者は動物が行うすべての動きをかなりの時間追跡する必要があります。今日、GPS システムは、携帯電話などの無線対応オブジェクトの動きを正確に追跡できます。しかし 1990 年代後半、シムズはボートからウバザメが水面をかき乱すのを観察して監視していました。そして、彼が見ることができたサメは、ほぼ確実にプランクトン パッチの中で餌を食べていました。
そのため、シムズはサメにタグを付けることにしました。サメのひれに取り付けられたタグの圧力センサーは、サメが水柱を上下に移動する際に、動物の泳ぐ深さを 1 秒間隔で記録しました。プログラムされた時間になると、タグはサメから離れ、水面に浮き上がり、そのデータ記録を衛星に中継しました。
これらの垂直方向の動きのパターンは、古典的な切り捨てられたレヴィ ウォークでした。 (切り捨てられた、つまり純粋に数学的な意味で:完全なレヴィ ウォークでは、サメが時折火星まで泳ぐのと同等の一歩を踏み出す可能性はゼロではありません。) シムズは非常に感銘を受け、持っていた追跡データを調べました。ヨシキリザメとマンボウについても調査し、同僚に手紙を書き、オサガメ、ペンギン、マグロに関する比較可能なデータを入手しました。それらはすべて、多かれ少なかれレヴィウォークを示しました.
シムズと彼の同僚は、多くの動物が進化して、食べ物がどこにあるかを感知することも記憶することもできなかったときに、この検索パターンを使用するようになったと仮定しています。 「レヴィ運動は、動物がまったく手がかりを持たないときに発生します」と、シムズの研究室の計算生物学者でポスドク研究者であるニック・ハンフリーズは述べています。
その説明は、海の真ん中にいるサメに当てはまります。 「大西洋はほとんど砂漠です」とハンフリーズは言いました。 「食物パッチはありますが、まばらです。最後の食物パッチと次の食物パッチの間の距離は、感覚の範囲をはるかに超えています。」また、メモリが役に立たない変化し続ける環境でもあります。これはまさに、レヴィ ウォーク ベースの検索が進化した可能性が最も高いタイプの環境です。
Nature での発見の要約 2008 年、シムズ、ハンフリーズとその同僚は、サメやその他の海洋捕食者の動きが、エサを探しているとき (レヴィ ウォークを行ったとき) か、エサ場の真っ只中にいるとき (ブラウンのランダム性が優勢なとき) によって異なることを示しました。彼らの研究は、動きのタイプを定義することで、魚がエサを食べているのか、それともエサを探しているのかが明らかになるかもしれないというシムズの最初の予感を支持しました。
皮肉なことに、彼らの論文は、Viswanathan、da Luz、Raposo が共同執筆した研究で、Viswanathan の最初のアホウドリ研究で壊滅的な誤りが示されてからわずか数か月後に届きました。彼らが頼っていた乾湿センサーは、鳥が飛んでいるときだけ乾いていたのではなく、アホウドリが巣に座っているときも乾いていました。データセット内の最長の「飛行」のいくつかは、実際には鳥の巣への長時間の訪問であった可能性があります。この研究はまた、特定の分析手法を批判し、アホウドリは結局レビーウォークを行わず、多くの種がレビーウォークを行ったかどうかは不明であると主張しました.
シムズは、相反する論文が「人々を苛立たせる」ことを認めています。しかし、彼の研究では、より最新の数学的方法を使用して、海洋捕食者の動物園全体がレヴィ散歩をしていることを示しました。振り返ってみると、シムズの論文はこの分野の転換点でした。ラポソによれば、それは「この分野で働いている多くの科学者に、動物の動きの経験的データ分析のより強力で現代的な統計技術の使用への注意を喚起した」.これらの改善された方法は、動物がレヴィ散歩をするかどうかについての疑問を解消しました. 「データの量は圧倒的です」と da Luz 氏は言います。
Sims と Humphries は、その後の 2012 年の研究で、アホウドリを再検討しました。より高度な GPS 追跡デバイスを使用して作業を行ったところ、アホウドリは浅瀬で餌を探している間、レビーウォークを行わないことがわかりました。浅い水域では、アホウドリを導くためのより視覚的または嗅覚的な情報が得られる可能性があります。 .しかし、彼らがより深い水域に飛び出したとき、鳥は実際にレヴィ検索を採用しました.
レヴィウォークは、動物の最も有利な検索戦略である場合に、有用な感覚または記憶情報がない場合に神経系が生成できる運動パターンと見なされています。もちろん、多くの動物はレヴィ ウォークを採用しない可能性があります。ホッキョクグマがアザラシのにおいを嗅いだり、チーターがガゼルを見つけたりできる場合、その動物は無作為探索戦略を実行する可能性は低くなります。 「レヴィ散歩の適応は、実用的な利点をもたらす場合にのみ出現したと予想しています」と Viswanathan 氏は述べています。
ベルニ、シムズ、ハンフリーズにとって、状況はそれほど決定的なものではありません。レヴィ歩きはまだ多くの種で記録されていませんが、科学者たちは、レヴィ散歩がどれほど一般的であるかについての声明を正当化するには、適切に観察された種が少なすぎると考えています.
内的または外的ガイダンス
遺伝子組み換えショウジョウバエとのシムズとバーニの進行中の共同作業 ショウジョウバエ 幼虫は、この分野を巻き込んだ次の議論から出現しました。これは、レヴィの歩行が適応的で固有の形質であるかどうかに関するものでした。レヴィウォークは、動物が必要なものを見つけやすくなったために進化した行動戦略ですか?それとも、世界の資源と情報がその分布に従っているため、動物が探しに行ったときにレヴィの散歩が出現するのでしょうか?
たとえば、特定のサル種は、探索中にレヴィ歩きをしますが、感覚と記憶を使用して、そのように分配された食料資源の間を移動しているようです。したがって、サルはレヴィ ウォークを生成することも、ブラインド サーチに使用することもありません。
英国のロザムステッド研究所の理論物理学者であるアンディ・レイノルズは、レヴィ分布が、脳内の免疫 T 細胞の旅、細胞内分子の操作、種子の空中分散など、さまざまな生物学的および物理的現象で発見されていることに注目しています。そして胞子。 「すべての観察結果を 1 つのメカニズムで説明できるわけではないため、全体像はほぼ確実に多元的なものです」と Reynolds 氏は述べています。
たとえば、レイノルズは、アホウドリのレヴィ歩きは「鳥が鼻をたどって嗅覚に導かれたナビゲーションの偶発的な副産物のように見える」と考えています。彼は、空気中の香りの動きがレヴィ分布の真の源であると考えています。 （シムズは、多くの観察結果がこの仮説と相容れないと言います。特に、浅瀬と深海でのアホウドリの異なる検索の違いです。）問題を解決する方法は、いくつかの鳥の嗅覚を一時的に混乱させることです、レイノルズは言いますレヴィ パターンが消えるかどうかを確認します。要するに、実験科学は、この分野を支配してきた観察科学を追い越す必要があります。
これはまさにシムズとバーニがショウジョウバエでやろうとしていたことです。脳とあらゆる感覚チャネルをシャットダウンすることで、幼虫のメカニズムが世界に関する情報がない状態でレヴィ歩行を生成したかどうかを判断できました。
シムズは、レヴィ歩行の機械的基盤に取り組む方法を考え始めたとき、ショウジョウバエの脳を遺伝的に不活性化する方法を説明したベルニの 2012 年の論文を読んで幸運だったと言います。 幼虫は彼らが環境を探索するのを止めませんでした.幼虫の背中を走る神経索のニューロンの小さなクラスターは、脳からの誘導なしに動物の筋肉を有効に制御できました. 「彼女の方法は、内因性対外因性のこのアイデアのテストを開始するために必要なものであることに気付きました」と Sims 氏は述べています。
たまたま、ベルニは採餌とレヴィの散歩にも興味を持ち、この分野の誰かと協力したいと考えていました。 2013 年、シムズはケンブリッジ大学に行き、ベルニはそこで働きました。 「私たちは本当においしいランチに会いました」と彼は回想します。彼らは意気投合し、協力することに同意しました。
ベルニは新しいショウジョウバエを飼育し、はるかに長い追跡実験を実行するために、はるかに大きな寒天アリーナを構築しました。幼虫の動きに関する彼女の初期の研究は、ボートからサメを観察するシムズの方法に似ていました。今、彼女は動物がずっと遠くを歩き回るのを追う必要がありました.
Sims と Humphries が 2015 年に Berni の結果を分析したとき、餌を含まない寒天上に置かれた通常の幼虫は、時としてレヴィ ウォークに近い動きをすることがわかりました。しかし、動物の脳と感覚がオフになっていても、レヴィの歩行は検出可能でした。彼らは、神経中枢が本質的にパターンを生成すると結論付けました。 「うわー、私たちは圧倒されました！」シムズは言った.
結果として得られた論文は、昨年 11 月に eLife に掲載されました。 、レビュアーから暖かく受け入れられました。そのうちの 1 人はプリンストン大学の神経科学者 Adam Calhoun で、彼はこの研究を高く評価しています。彼は、採餌の生物学が神経科学者にとって深刻な懸念として浮上したのは、ここ 10 年間だけだと言います。彼の見解は、「感覚情報はなく、べき乗則を生成しています。それは本当にクールです。それらは、基本状態としてレヴィ ウォークを生成します。」
Viswanathan は、この作品を素晴らしいものだと説明しています。 「問題は、動物がレヴィの散歩を利用するかどうかではなく、いつ利用するかです。また、固有の世代は進化の起源しか持つことができません。」
ただし、レイノルズはまだ確信が持てません。 「結果は、レヴィのような運動パターンの本質的な生成について、これまでのところ最も強力な証拠を提供しています」と彼は言いましたが、「レヴィの歩行行動がこの動物の進化した特徴であるかどうかはまだ分からない」と警告した.
ベルニは今、まさにそれを実証しようとしています。 「私たちは、どのサーキットが直線とターンの間でこれらの変化を生み出しているかについて取り組んでいます」と彼女は言いました.そのために、彼女は幼虫の神経系を分離し、顕微鏡下に置きます。遺伝子組み換えされたニューロンが活性化すると発光するため、彼女はニューロン発火のちらつきパターンを見ることができます。 「彼らは、感覚入力がなくても自発的にリズムを生み出しています」と彼女は言いました。
ベルニと彼女のグループは、歩行距離のレヴィ分布を生成するものも調査しています。彼らは、フランクフルトのマックス プランク脳研究所の計算神経科学者 Julijana Gjorgjieva と数学者 Marina Wosniack と協力して、ニューラル ネットワークのコンピューター モデルを構築しています。彼らは、このようなモデルによって、外部の感覚信号や脳からの指示が、幼虫のベースライン行動を支配する固有の活動パターンをどのように変化させるかを探ることができるようになることを望んでいます.
ベルニの研究室では、幼虫がさまざまな配置の餌が点在する寒天プレートを移動するというさらなる行動実験も行っています。餌のパッチがあると、興味深い行動の変化が起こります。サメが海洋プランクトンの雲の中または上を移動するように、幼虫はレヴィ ウォークに出入りします。
科学を前進させる
神経科学者がレビーウォークの行動を監視できる実験動物は他にもあります。証拠は、線虫と特定のマッド カタツムリがこの検索戦略を使用していることを示唆しています。 Sims と Berni は、これらのアイデアがマウスやゼブラフィッシュのような脊椎動物でどのように探求されるのか疑問に思っています.ハンフリーズは、何人かの学部生に浜辺に隠された何かを探すように頼むだけで、特徴的なパターンが明らかになるかどうかを考えています.
種間でのレヴィ ウォーク行動の比較は興味深いものになる可能性があります。 Berni は、異なる動物が異なる方法で行動に到達するのではないかと考えています。最適なブラインド検索戦略の数学が神経系の構造そのものに埋め込まれている可能性があるという考えは、答えが必要な問題のように感じます.
しかし今のところ、シムズとハンフリーズは現象の基礎科学から離れて、保護活動に再び焦点を合わせようとしています。彼らは、サメの行動を分類するために、他のツールと一緒にレヴィウォークを使用します.しかし、Berni は、他の神経科学者が、脳の他のすべての活動の下にあるこれらの運動パターンの発生源を探すように促されることを望んでいます.
「この分野は、彼らが実際に取り組むことができる何かを発見しています」と彼女は神経科学者について語った. 「それから、彼らは別の何かを探す前に、しばらく滞在してこれを探索します。」彼女は笑顔で「少しレヴィ風に」と付け加えました。
