クラゲはこれまで考えられていたよりも進化していることが、新しい研究で明らかになりました。コペンハーゲン大学の研究は、カリブハコクラゲが、これまで想像もされなかった遥かに複雑なレベルで学習できることを示しています。これは、わずか千個の神経細胞で、中枢化された脳を持たないにもかかわらずです。この発見は、脳に対する私たちの基本的な理解を変え、私たち自身の脳の神秘についても教えてくれる可能性があります。クラゲは地球上で5億年以上の時間を経て進化に成功してきたにも関わらず、私たちは彼らを非常に限定的な学習能力を持つ単純な生物と考えてきました。
動物において、より進化した神経系がより進化した学習ポテンシャルと等しいというのが一般的な意見です。クラゲとその親戚たち、すなわち刺胞動物は、神経系を発達させた最も初期の生き物と見なされ、かなり単純な神経系を持ち、中枢化された脳を持っていません。
コペンハーゲン大学の神経生物学者、アンダース・ガーム博士（Anders Garm）は、10年以上にわたりハコクラゲを研究してきました。ハコクラゲは、世界で最も有毒な生物の中でも知られているクラゲの一群です。しかし、これらの致命的なクラゲは、別の理由でも興味深い存在です。それは、彼らが一度は単純だと信じられていたほど単純ではないことがわかったからです。そして、これは単純な神経系が何を達成できるかについての私たちの全体的な理解を揺るがします。
「クラゲは、慣れという最も単純な形の学習しかできないと一度は推定されていました。つまり、一定の音や一定の触感など、ある刺激に慣れる能力です。今、私たちはクラゲがはるかに洗練された学習能力を持っていることを見ています。実際、彼らは自分たちのミスから学び、その結果、行動を変えることができます」とガーム博士は述べています。彼はコペンハーゲン大学生物学部の准教授でもあります。
神経系の最も進化した属性の一つは、経験の結果として行動を変える能力、つまり記憶し学ぶ能力です。ドイツのキール大学のヤン・ビエレツキ氏（Jan Bielecki）とガーム博士が率いる研究チームは、ハコクラゲのこの能力をテストするためにこの研究を開始しました。その成果は、2023年9月22日に「Current Biology」誌に「Associative Learning in the Box Jellyfish Tripedalia cystophora（ハコクラゲTripedalia cystophoraにおける連合学習）」というタイトルで発表されました。
千個の神経細胞はこれまで考えられていたよりも能力を持っている
科学者たちは、カリブハコクラゲ、Tripedalia cystophora、を研究しました。これは、カリブのマングローブ沼地に生息する爪のサイズのメデューサです。ここでは、彼らはマングローブの根の間で小さなカイアシ類を狩るために、印象的な視覚システムを使用します。良い狩りの場所を作っている一方で、根の網は軟体のクラゲにとっても危険な場所でもあります。
したがって、小さなハコクラゲがマングローブの根に近づくと、彼らは回避して泳ぎ去ります。彼らが早すぎると、カイアシ類を捕まえるのに十分な時間がありません。しかし、彼らが遅すぎると、根にぶつかってゼラチン質の体を傷つけるリスクがあります。したがって、彼らにとって距離を評価することは極めて重要です。そして、ここでキーとなるのがコントラストです。
「私たちの実験は、コントラスト、つまり根が水に対してどれだけ暗いか、がクラゲによって根までの距離を評価するのに使われ、ちょうどいい瞬間に泳ぎ去ることを可能にしていることを示しています。さらに興味深いことに、雨水、藻類、波の作用によって、距離とコントラストの関係は日々変化します」とガーム博士。
「私たちは、新しい狩りの日が始まるごとに、ハコクラゲが現在のコントラストから学び、失敗した回避動作中の視覚的印象と感覚を組み合わせることで学ぶことができることを見ることができます。したがって、彼らはわずか千個の神経細胞を持っているだけなのに、彼らは様々な印象の時間的な収束を結びつけ、連合を学ぶことができます。そして、実際、彼らはショウジョウバエやマウスのような進化した動物と同じくらい迅速に学びます」と彼は言います。
新しい研究結果は、単純な神経系を持つ動物が何を達成できるかについての以前の科学的な認識を打破しています：
「基礎的な神経科学にとって、これはかなり大きなニュースです。単純な神経系で何ができるかについて新しい視点を提供します。これは、神経系の進化の利点の中で、高度な学習が最初から最も重要だったことを示唆しています」とガーム博士は言います。
記憶が住んでいる脳細胞を探求中
研究チームはまた、これらのハコクラゲで学習がどこで行われているかも示しています。これにより、彼らは今、どのようにして神経細胞が高度な学習に関与しているときに起こる正確な変化を調べる方法について、ユニークな機会を得ています。
「私たちは、これがあらゆる種類の動物の高度な学習における細胞過程を見るためのスーパーモデルシステムになることを望んでいます。私たちは今、学習と記憶形成に関与している細胞が正確にどれであるかを特定しようとしています。そうすれば、学習が行われる際に細胞で何が起こるかを見ることができるでしょう」とガーム博士は言います。
もし科学者たちがクラゲにおける学習に関与している正確なメカニズムを特定できるならば、次のステップは、それがクラゲに特有のものであるか、それともすべての動物で見つかるかを見つけることになります。
「最終的に、私たちは他の動物で同じメカニズムを探し、これが一般的に記憶がどのように機能するかを見るでしょう」と彼は言います。
ガーム博士によれば、この種の画期的な知識は、多くの目的に使用できると言います：
「脳という、謎めいており非常に複雑なものを理解すること自体が、絶対に素晴らしいことです。しかし、想像を絶する多くの有益な可能性があります。将来の一つの主要な問題は、間違いなく様々な形の認知症でしょう。私は私たちが認知症の治療法を見つけているとは主張しませんが、もし私たちが記憶とは何か、それが認知症の中心的な問題であることをよりよく理解することができれば、病気をよりよく理解し、おそらくそれに対抗するための基盤を築くことができるかもしれません」と結論づけています。
【Tripedalia cystophoraについて】
ハコクラゲは、世界で最も有毒な動物の中で知られているクラゲの一類です。彼らは魚と大きなエビを捕まえるためにその毒を使用します。Tripedalia cystophoraは、やや穏やかな毒を持ち、小さなカイアシ類を餌にしています。
ハコクラゲは、ほとんどの動物のような中枢化された脳を持っていません。代わりに、彼らは四つの平行した脳のような構造を持っており、それぞれにおおよそ千個の神経細胞を持っています。人間の脳はおおよそ1000億個の神経細胞を持っています。
ハコクラゲは、四つの脳のような構造の間で24の目を持っています。これらの目の一部は像を形成し、ハコクラゲに他の種類のクラゲよりも複雑な視覚を提供します。
彼らが濁ったマングローブを通り抜けるために、Tripedalia cystophoraの四つの目は水面を通して上を見て、マングローブの梢を使ってナビゲートします。
Tripedalia cystophoraは、ハコクラゲの中で最も小さな種の一つで、体の直径が約1センチメートルしかありません。カリブ海と中央インド太平洋に生息しています。
多くのクラゲの種とは異なり、Tripedalia cystophoraは実際に交尾します。雄は雌を触手で捕まえます。雌の卵はその後、腸管系で受精し、そこでまた幼生に発展します。
【研究者らはどのようにして研究を行ったのか？】
研究者らは、実験室でマングローブ沼地の条件を再現し、ハコクラゲを行動アリーナに置きました。ここで、研究者らはクラゲの行動を変えるためにコントラストの条件を変えて、それがハコクラゲの行動にどのような影響を与えるかを見ました。
彼らは、クラゲの学習が失敗した回避を通じて行われることを学びました。つまり、ハコクラゲはコントラストを誤解して根にぶつかることから学びます。ここでハコクラゲは、根にぶつかるたびに得た視覚的印象と機械的なショックを組み合わせました。そして、その結果、いつ避けるべきかを学びました。
「私たちの行動実験は、3～5回の失敗した回避動作がクラゲの行動を変えるのに十分であり、彼らがもはや根に当たらないようにすることを示しています。これがショウジョウバエやマウスが学ぶのに必要なのとおおよそ同じ反復率であるということは興味深いことです」とガーム博士は言います。
学習は、さらに電気生理学と古典的な条件付け実験を通じて、クラゲの神経系で学習が行われる場所も示して検証されました。
[News release] [Current Biology abstract]
