動物の移動、あなたの飼い猫が一日の外出から家に戻ること、ミツバチが花粉を巣に運ぶこと、または仕事からの帰宅途中に無意識に家にたどり着くこと。これらのナビゲーション行動は、動物にとって基本的な行動であり、多くの場合、私たちはそれを意識せずに行っています。それでもなお、私たち（そして私たちの周りの動物たち）は、一日に何度も、暗闇の中でも、異なる方向からでも、目指す場所へ正確にたどり着くことができます。私たちはどうやってそれを実現しているのでしょうか？この問いに挑むのが、カリフォルニア大学サンタバーバラ校（UCSB）の神経生物学者、キム・ソン・スー博士（Sung Soo Kim, PhD）です。
彼の研究は、方向感覚に関わるニューロンのネットワークをマッピングすることに焦点を当てています。「最終的には、脳が視覚情報をどのように処理し、移動のためのナビゲーション指令を生成するのかを理解することが私の目標です」と彼は述べています。
キム博士は2024年のマッカイト財団（McKnight Foundation）奨学金を受賞し、この目標に一歩近づきました。彼はこの財団から選ばれた10人の神経科学者の一人であり、同財団の初期キャリア賞として3年間にわたり年間75,000ドルの支援を受けます。キム博士はUCSBの研究者として初めてこの賞を受賞しました。
「この賞を受賞できたことを光栄に思います」とキム博士は述べました。「この支援のおかげで、研究を確実に進めることができ、国内のトップ科学者たちとつながる機会を得ることができました。」
動物たちはさまざまな方法で位置情報を集め、それを解釈して移動先を決定します。ランドマークや匂い、地球の磁場などを頼りにする動物もいれば、他の入力情報を用いて脳内に周囲の世界のニューロン表現を形成し、目標に基づいてナビゲーションの決断を下すと考えられています。このことは、私たちが暗闇の中でも障害物を避けながら部屋を歩ける理由の一因かもしれません。
では、このプロセスは脳内でどのように行われるのでしょうか？この問いに答えるため、キム博士はショウジョウバエの仮想現実アリーナを構築しました。このモデル生物には、約50個の「コンパスニューロン」が脳内のドーナツ状の構造「楕円体」に沿って配置されています。このシンプルな構造は、ハエの方向感覚を符号化しており、アリーナの高度に制御された環境では、屋外のシーンや動き、風をシミュレートする視覚刺激を与え、仮想シーンをナビゲートするハエの脳を観察することができます。この研究は、マッカイト財団によると「知覚、認知、運動制御というシステム神経科学の3つのサブフィールドを一つの研究プログラムに結びつける、まれなアプローチ」だと評価されています。
特に今回のプロジェクトでキム博士が注目しているのは、私たちには見えないが、ショウジョウバエの世界には豊富に存在する手がかりです。
「人間は建物や標識のようなランドマークをナビゲーションの手がかりとして多く使いますが、ハエの場合は少し異なります」とキム博士は説明します。たとえば、ショウジョウバエは垂直に立つ物体、例えば木などに特に惹かれるということです。「しかし、より重要なのは空の光の偏光です。これは人間には見えませんが、昆虫はこれを認識できます」と彼は述べました。
偏光サングラスが水平な光波をフィルタリングして水や雪の反射による眩しさを軽減するように、大気も太陽光の一部をフィルタリングし、昆虫が特に敏感なパターンを作り出します。「偏光、光のパターン、刺激の色は、昆虫がナビゲーションに使用する要素です」とキム博士は付け加えました。「私はその情報が視覚系でどのように処理され、ナビゲーションのタスクが行われる中央脳にどのように伝達されるかを理解したいと考えています。」
キム博士の問いへの答えは、動物、そして最終的には人間のナビゲーションがどのように機能するのかを理解する上で大きな一歩となりますが、その結果は即時的な実用的応用をもたらす可能性もあります。例えば、GPSへのリンクを失った自律走行車やロボットが、周囲から収集した情報に基づいて移動先を決定する代替ナビゲーションモードに切り替わることが考えられます。さらに先を見据えると、この種の研究は、場所感覚に関連する脳の部分に影響を与えるアルツハイマー病などの神経学的疾患に関する洞察をもたらす可能性もあります。
「もちろん、ハエの脳は人間の脳とは大きく異なりますが、それでもナビゲーションシステムがどのように機能するかを理解することで、これらのケースにおいて脳がなぜ機能不全に陥るのかを理解する手がかりになるかもしれません」とキム博士は述べました。
