生物物理学者のマヌ・プラカシュは、12 年前のある夜遅く、同僚の研究室で顕微鏡をのぞき込み、新しい強迫観念に出会った瞬間を鮮明に覚えています。レンズの下にある動物はあまり目立たず、何よりもアメーバに似ていました。平らな多細胞塊で、厚さわずか 20 ミクロン、幅数ミリメートルで、頭も尾もありませんでした。それは、その下側を覆っている何千もの繊毛の上を移動して、そのラテン語の名前 Trichoplax adhaerens に影響を与えた「粘着性の毛むくじゃらの板」を形成しました。 .
プラコゾアンに分類されるこの奇妙な海洋生物は、生命の進化系統樹の枝全体を実質的に持っており、動物界で知られている最小のゲノムを持っています。しかし、Prakash が最も興味をそそられたのは、Trichoplax の数千から数百万の細胞がうまく調整された優美さ、敏捷性、効率性でした。 移動しました。
結局のところ、このような調整には通常、ニューロンと筋肉が必要です — そして Trichoplax
Prakash は後に、当時スタンフォード大学の大学院生であったマシュー ストーム ブルと協力して、この奇妙な生物を、神経筋システムがどのように進化したかを理解することを目的とした野心的なプロジェクトのスターにしました。ニューロンが存在する前に再生します。
「私はよく冗談めかして、これをニューロンのない神経科学と呼んでいます」と Prakash 氏は述べています。
昨年 arxiv.org サーバーに同時に投稿された合計 100 ページを超えるプレプリントのトリオで、彼と Bull は Trichoplax の挙動を示しました。 物理学と動的システムの言語で完全に記述できます。単一の繊毛のレベルで始まり、数百万以上の細胞を増殖させ、より高いレベルの構造に拡張した機械的相互作用は、動物全体の協調運動を完全に説明しました.生物は何をするかを「選択」しません。代わりに、個々の繊毛の大群が単純に動き、動物全体が神経系によって指示されているかのように機能します。研究者たちは、繊毛のダイナミクスが、ニューロンの特徴的な特徴として一般的に見られる特性を示すことさえ示しました.
この作品は、単純な機械的相互作用が信じられないほどの複雑さを生み出す方法を示すだけでなく、神経系の進化よりも前に何があったかについての説得力のあるストーリーを伝えています。
「これは生物物理学の傑作です」と、この研究には関与していないコロラド大学ボルダー校の Orit Peleg 氏は述べています。この発見はすでに、機械やロボットの設計に刺激を与え始めており、おそらく動物の行動における神経系の役割についての新しい考え方さえも引き起こしています.
シンプルと複雑の境界線
脳は過大評価されています。 「脳は、その体の非常に特定のコンテキストでのみ機能するものです」とブルは言いました. 「ソフト ロボティクス」および「アクティブ マター」として知られる分野では、中央制御なしで複雑なタスクを達成するために必要なのは、適切な機械的ダイナミクスだけであることが研究によって実証されています。実際、単一細胞だけでも驚くべき行動が可能であり、ニューロンや筋肉の助けを借りずに、さらに多くのことを達成できる集団システム (粘菌やゼノボットなど) に自己集合することができます。
しかし、それは多細胞動物全体の規模で可能でしょうか?
トリコプラックス 骨の折れる詳細を研究するのに十分単純であるだけでなく、研究者に何か新しいことを提供するのに十分複雑でもあります.それを観察すると、「あなたはただダンスを見るだけです」とプラカシュは言いました。 「それには信じられないほどの複雑さがあります。」それは回転し、表面を横切って移動します。それは、藻類のパッチの上に自分自身を固定して、それらを捕らえ、食物として消費します.自らを二つに引き裂くことで無性生殖します。
「このような生物は、脊椎動物のように実際に複雑なものと、単細胞真核生物のように複雑になりつつあるものとの間の素晴らしい中間体制に位置しています」と、イギリスのエクセター大学で繊毛を研究している研究者、Kirsty Wan は述べています。移動。
単細胞と、筋肉や神経系を持つ動物との中間点は、Prakash と Bull が質問をするのに最適な場所のように思えました。 「私にとって、生物はアイデアです」と Prakash 氏は言いました。これは仮説を検証するための遊び場であり、潜在的な洞察のゆりかごです。
Prakash は、Trichoplax を検査できる新しい顕微鏡を最初に構築しました 下からも横からも観察し、繊毛の高速な動きを追跡する方法を見つけました。 (これは彼にとって完全に新しい領域ではありませんでした。彼は Foldscope を開発した仕事ですでに有名でした.Foldscope は、構築するのに 1 ドル未満の費用がかかり、簡単に組み立てられる顕微鏡です.)その後、彼は何百万もの個々の繊毛を見て追跡することができました。顕微鏡の視野内で一瞬一瞬の小さな火花。 「地表に着地する足跡が見えているだけです」と Prakash 氏は言います。
彼と、後に 6 年前に彼の研究室に加わったブルは、これらの小さな足跡の方向のパターンを何時間も観察しました。これらの複雑なパターンが可能になるためには、科学者たちは、繊毛がある種の長距離通信に関与している必要があることを知っていました.しかし、彼らはその方法を知りませんでした.
そして、彼らは作品をまとめ始め、昨年、最終的に彼らの物語を作ることに決めました.
オートパイロットで歩く
Prakash と Bull は、繊毛が動物と基質を分離する液体の薄い層で表面を滑ると予想し始めました。結局のところ、繊毛は通常、流体の文脈で見られます。水を介してバクテリアや他の生物を推進したり、体内の粘液や脳脊髄液を動かしたりします.しかし、研究者が顕微鏡で観察したところ、繊毛は泳いでいるのではなく、歩いているように見えました。
一部の単細胞生物は繊毛を使って這うことが知られているが、この種の協調はこの規模で観察されたことはなかった. 「液体を推進するために繊毛を使用するのではなく、力学、摩擦、接着、およびあらゆる種類の興味深い固体力学がすべてです」と彼女は言いました.
そこで、プラカシュ、ブル、そして機械工学を専攻するスタンフォード大学院生のローレル・クルーは、繊毛の歩行の特徴を明らかにすることに着手しました。彼らは、個々の繊毛の先端の軌跡を経時的に追跡し、それが円を一掃し、表面に押し付けられるのを観察しました。彼らは、3 種類の相互作用を定義しました。歩いて、繊毛が飛び出す前に簡単に表面に付着したとき。繊毛が表面にくっついたときに失速します.
彼らのモデルでは、歩行活動は、繊毛の内部駆動力と表面への接着のエネルギーとの間の相互作用から自然に生じました。これら 2 つのパラメーター (繊毛の方向、高さ、拍動周波数の実験的測定値から計算) の適切なバランスにより、脚のように各繊毛がくっついて離れていく規則的な移動が行われました。間違ったバランスが、スリップまたは失速フェーズを生み出しました。
ジョージア研究所の生物物理学者であるサイモン・スポンバーグ氏は、「私たちは通常、そのようなことが起こっているとき、『オーケイ、ゴー、ストップ、ゴー、ストップ』という体内時計のような信号を持っていると考えています」と述べています。技術の。 「それはここで起こっていることではありません。繊毛は歩調を合わせていません。 「ゴー、ゴー、ゴー」という中心的なものはありません。ゴー、ゴー、ゴーという何かを設定しているのは、機械的な相互作用です。」
さらに、歩行は興奮性システムとしてモデル化できます。これは、特定の条件下で信号が徐々に減衰して停止するのではなく、拡散して増幅されるシステムです。ニューロンは興奮性システムの典型的な例です。小さな電圧摂動によってニューロンが突然発火し、あるしきい値を超えると、新しい刺激状態がシステムの残りの部分に伝播します。同じ現象が繊毛でも起こっているようでした。実験とシミュレーションでは、電圧ではなく高さのわずかな摂動が、近くの繊毛の活動に比較的大きな変化をもたらしました。繊毛は突然方向を変え、失速状態から歩行状態に切り替わることさえありました。 「信じられないほど非線形です」と Prakash 氏は言います。
実際、Prakash、Bull、および Kroo の繊毛モデルは、ニューロンの活動電位の確立されたモデルに非常によくマッピングされることが判明しました。 「この種のユニークな現象は、単一ニューロンの非線形ダイナミクスで見られるものとの非常に興味深い類似性を認めています」と Bull は言いました。
スポンバーグは同意した。 「実際には非常に似ています」と彼は言いました。 「あなたはいくらかのエネルギーを蓄積し、それからポップ、そしてポップ、そしてポップ。」
鳥のように群がる繊毛
この数学的記述を手に、Prakash と Bull は、それぞれの繊毛が表面と相互作用するときに隣接する繊毛をどのように押したり引っ張ったりするか、また、すべての独立した活動がどのように合体して、同期した一貫したものになるかを調べました。
彼らは、各繊毛の機械的歩行がどのように組織の高さの小さな局所的変動をもたらすかを測定しました。次に、これらの細胞の繊毛が独自の動きを循環している場合でも、これが近くの細胞を引っ張って行動に影響を与える方法の方程式を書き留めました — 小さな振動モーターを結び付けるバネのネットワークのように.
プラカシュ氏によると、研究者が「弾力性と活動の間のこのダンス」をモデル化したとき、繊毛が基質を押し、細胞が互いに引っ張り合うという機械的相互作用が、生物全体に情報を急速に伝達することがわかりました。 1 つの領域を刺激すると、同期した繊毛の向きの波が組織を移動しました。 「歩行する繊毛の物理学におけるこの弾力性と歪みは、現在、1 枚のシートに何百万もの数が掛け合わされており、実際に一貫した運動行動を引き起こしています」と Prakash 氏は述べています。
また、同期された配向パターンは複雑になる可能性があります。システムの活動によって渦が発生し、繊毛が一点を中心に配向されることもありました。他の場合では、繊毛は一瞬のうちに向きを変え、最初はある方向を指し、次に別の方向を指し、ムクドリの群れや魚の群れのように群がり、動物が時々方向を変えることを可能にする敏捷性をもたらしました。
「これらの繊毛が 2 番目のタイムスケールで方向転換するのを初めて見たとき、私たちはただびっくりしました」と Bull は言いました。
機敏な群れは特に興味をそそられました。群れは通常、流体のように機能するシステムで発生します。たとえば、個々の鳥や魚は仲間と自由に位置を交換できます。しかし、それは Trichoplax では起こりません。 、その繊毛は、位置が固定されている細胞の構成要素であるためです。ドイツのマックス・プランク複雑系物理学研究所の物理学者であるリカール・アラートは、繊毛は「固い群れ」として動くと述べた。
Prakash と Bull はシミュレーションで、情報伝達が選択的であることも発見しました。特定の刺激の後、繊毛によってシステムに注入されたエネルギーは、生物の行動を広げて変化させるのではなく、散逸しただけです。 「私たちは常に脳を使って、目で見て状況を認識し、『それを無視するか、それに対応する必要がある』と言っています」とスポンバーグ氏は言います。
最終的に、Prakash と Bull は、Trichoplax のメカニズムに関する一連の規則を書き留めることができることを発見しました。 まっすぐな道をたどったり、突然左に曲がったり、独自のメカニズムを使用して 2 つの別々の有機体に引き裂かれたりする場合もあります。
これらの単純な機械的特性には、「動物自身の軌跡が文字通りコード化されている」と Prakash 氏は述べています。
彼は、動物がその環境で食物や他の資源を見つけるための「走り回る」戦略の一部として、これらの回転とハイハイのダイナミクスを利用している可能性があると推測しています.繊毛が整列すると、有機体は「走る」ことができ、有益なものをもたらした方向に進みます。そのリソースが不足していると思われる場合、Trichoplax 毛様体渦の状態を利用して方向転換し、新しいコースを描くかもしれません。
バルセロナにあるポンペウ ファブラ大学のシステム生物学の教授であるジョルディ ガルシア オヤルボ氏は、さらなる研究でそれが真実であることが示されれば、「それは非常に興味深いことです」と述べています。このメカニズムは、分子構造から組織、有機体、さらには生態学まで、スケールを橋渡しすることになるでしょう.
実際、多くの研究者にとって、それがこの研究をユニークで魅力的なものにしている大きな要因です。通常、生物学的システムに対する物理学に基づくアプローチは、動物全体の行動レベルではなく、1 つか 2 つの複雑さのスケールで活動を説明する場合があります。 「それは成果です…それは本当にまれです」とアラートは言いました.
さらに満足できるのは、これらのスケールのそれぞれで、力学がニューロンのダイナミクスを反映した原則を利用していることです。 「このモデルは純粋に機械的なものです」とスポンバーグは言いました。 「それにもかかわらず、システム全体としては、神経機械システムに関連する多くの特性が依然として残っています」 — システムは興奮性に基づいて構築されており、常に感度と安定性のバランスを慎重に調整しており、複雑な集団行動が可能です。
「機械システムはどこまで行ける？」彼が追加した。 「彼らはあなたを本当に遠くまで連れて行ってくれます。」
これは、神経科学者が神経活動と行動の間の関係をより一般的にどのように考えるかに影響を与えます.スペインのカタロニア研究高等研究所 ICREA の生物物理学者である Ricard Solé は、次のように述べています。力学だけでいくつかの単純な行動を完全に説明できる場合、神経科学者は、神経系が動物の生物物理学を利用して、他の状況で複雑な行動を引き出す方法をより詳しく調べたいと思うかもしれません.
「神経系が行っていることは、私たちが思っていたものとは異なる可能性があります」と Sponberg 氏は述べています。
多細胞性への一歩
「[Trichoplax を見ています。 ] は、筋肉や神経系などのより複雑な制御メカニズムを実際に進化させるために何が必要だったかについて、多くの洞察を与えることができます」と Wan 氏は述べています。 「それを得る前に、次善の策は何ですか？これかもしれません。」
アラートは同意しました。 「神経系が発達する前に、進化を通じて早期に現れたのは、敏捷性などの生物的行動を持つための非常に単純な方法です」と彼は言いました. 「私たちが目にしているのは、当時の標準だったものの生きた化石にすぎないのかもしれません。」
ソレは Trichoplax を見ます 「トワイライトゾーン…複雑な多細胞性への大きな移行の真っ只中」を占めている.この動物は、「ニューロンが必要と思われる真の複雑さを実現するための前提条件」を整え始めているようです。
Prakash、Bull、およびその協力者は現在、Trichoplax かどうかを調べています。 他の種類の行動や学習さえできるかもしれません。さまざまな環境コンテキストで他に何が達成できるでしょうか?その力学に加えてその生化学を考慮すると、別のレベルの行動が開かれるでしょうか?
研究者はまた、発見した原理のいくつかを使用して、彼らが「知覚マシン」と呼ぶものを構築しています。これは、機械的特性を利用することにより、集中制御なしで特定のタスクを実行するロボットシステムとスマートマテリアルです。 「今、私たちはこのシステムから借用した青写真を手に入れました。私たちの想像力だけでそれに多くを追加することもできます」と Prakash 氏は言いました。
Prakash の研究室の学生は、すでにこれらのマシンの実際の例を作成し始めています。たとえば、Kroo は、アクティブ フォームと呼ばれる粘弾性材料によって駆動されるロボット水泳装置を構築しました。コーンスターチ懸濁液などの非ニュートン流体に配置すると、前進することができます。
「どれくらい壮大に行きたいですか？」ペレグは尋ねた。 「この種の機械的ネットワークだけで脳を構築できますか?」
Prakash 氏は、これはおそらく数十年にわたる物語の最初の章にすぎないと考えています。 「この動物を本当に理解しようとすることは、私にとって30年から40年の旅です」と彼は言いました. 「私たちは最初の 10 年間を終えました…それは 1 つの時代の終わりであり、別の時代の始まりです。」
