Multiscale understanding of navigation in wild animals using bio-logging techniques

• Project Area: Hierarchical Bio-Navigation Integrating Cyber-Physical Space
• Project/Area Number: 21H05294
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (IV)
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 依田 憲 名古屋大学, 環境学研究科, 教授 (10378606)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山本 誉士 麻布大学, 獣医学部, 准教授 (70637933)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥119,990,000 (Direct Cost: ¥92,300,000、Indirect Cost: ¥27,690,000); Fiscal Year 2025: ¥22,880,000 (Direct Cost: ¥17,600,000、Indirect Cost: ¥5,280,000); Fiscal Year 2024: ¥22,880,000 (Direct Cost: ¥17,600,000、Indirect Cost: ¥5,280,000); Fiscal Year 2023: ¥22,620,000 (Direct Cost: ¥17,400,000、Indirect Cost: ¥5,220,000); Fiscal Year 2022: ¥22,490,000 (Direct Cost: ¥17,300,000、Indirect Cost: ¥5,190,000); Fiscal Year 2021: ¥29,120,000 (Direct Cost: ¥22,400,000、Indirect Cost: ¥6,720,000)
• Keywords: バイオロギング / ナビゲーション / 階層 / 鳥類 / 哺乳類 / 移動

Outline of Research at the Start

複雑に変化する自然環境下において、野生動物はどのように外的・内的情報を抽出・処理して階層ナビゲーションを行うのか？本研究では、この学術的問いに対して、野生動物の中でも特に機動力に優れた大型の鳥類と哺乳類を対象として、行動や情報処理にかかるコストや、行動による利益を実測して、階層ナビゲーションを支える行動ダイアグラムを解明する。

Outline of Annual Research Achievements

本計画研究では、野生動物の中でも特に機動力に優れた大型の鳥類と哺乳類を対象として、行動や情報処理にかかるコストや、行動による利益をバイオロギングにより実測して、階層ナビゲーションを支える行動ダイアグラムを解明する。本年度は、夏から秋にかけて海鳥類の野外調査を行い、新潟県粟島で繁殖するオオミズナギドリの成鳥79羽にGPSや加速度などを記録するロガーを装着した。さらに、青森県蕪島に生息するウミネコの成鳥44羽と巣立ち幼鳥23羽にGPS等を記録するロガーを装着し、成鳥36羽と幼鳥23羽からは年間を通した長期データを得ている。また、海鳥類の陸上・海上での活動をドローンから映像記録することによって、個体数の推定や群れ移動についてのデータを得た。バイオロギングデータの解析に関しては、ドローンにより定点観測している領域から移出入する個体をバイオロギングデータから推定し、状態空間モデルを用いて統合することによって総個体数を推定する手法を開発した。また、海鳥類から得られたGPSデータから、ミクロスケールに働く力学的な飛翔制約が、数100kmのマクロスケールで表出する移動経路をつくりだすことを明らかにした。研究領域内の融合研究の代表的な成果としては、A01班と行った磁力制御環境下での海鳥の神経活動計測、A02班と行ったχ(カイ)ログボット(AIロガー)による自由活動下の海鳥への行動介入、異常値検出ログボットを用いた鳥類の新奇行動の発見などが挙げられる。成果の一部をまとめ、学会発表及びトップ国際誌での論文発表(PNAS、Nat Comm、Anim Behav等)を行った。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

鳥類に関しては、当初の計画以上に行動データを得ることができた。特に海鳥類に関しては、100羽以上から行動データを取得することができ、既に開始しているビッグデータ解析に用いていく。また、これまでは別個に用いられてきた、ドローンによる映像データと、バイオロギングデータを、状態空間モデルで繋ぐ新手法の開発に成功した。先端的な計測・解析手法を組み合わせることにより、生態学における新しい技術的展開が期待できる。さらに、A02班と行ったχ(カイ)ログボットは予想以上の進展を遂げており、異常検出機能や介入機能などの新機能を搭載することに成功し、フィールドでの実証実験を行うことができた。また、当初目標の一つであった、ミクロスケールの力学的制約が、マクロの移動経路を表出させることを示すことができた。さらに、成果の一部をトップ誌(Proceedings of the National Academy of Sciences)に発表することができた。これらを鑑みて、おおむね順調に進んでいると判断した。

Strategy for Future Research Activity

野外行動データの取得に関してはおおむね順調に進んでいるため、引き続き野外実験を行っていく。また、既に開始している、新型ロガー(χログボット）の開発とフィールドでの稼働、および得られたデータの解析(A02班との共同)をさらに進めていく。
(1) バイオロギングシステム開発:A02班と共同して、AI搭載ロガーの開発を進める。R6年度は、野生動物が何をトリガーにして行動を変化させるのか、環境と行動の間の因果関係を明らかにするため、R5に続き介入機能を搭載したχログボットの開発を進める。具体的には、任意のタイミングで捕食者の音声を再生し、鳥の行動変化(GPS、加速度)と映像を記録する機能を実装する。(2) バイオロギングシステム稼働:鳥類や哺乳類に対して、χログボットと加速度GPSロガーの装着を行い、階層ナビゲーションに関わる外的・内的要因とその因果関係について明らかにする。また、R5に完成した、加速度を常時作動させておき、異常値を検出した際に映像記録を開始するログボットを使い、新奇行動の記録を行う。さらに、鳥類集団をドローンで撮影し、そこにバイオロギングデータを組み合わせることで、個体群構造や集団ナビゲーションを推定する。(3) 階層ナビゲーション解析:(2)で得られたデータに加え、これまでに得られている移動データをA02班と共同して解析する。ストレスや性格などの内的要因と、海洋環境などの外的要因、そして生物ナビゲーションとの関係を明らかにする。また、要因間の関係をパス図や数理モデルとして記述し、強化学習や逆強化学習の枠組みを当てはめることで、動物がどの程度周囲の環境を把握しているのか等を推定する。さらに、個体や群れの離散集合過程や資源の獲得過程を対象として、個体間インタラクションのモデル化を行う。群れの形態・状態変化における条件や予測を行うモデルを構築し、階層構造としての個体と群れの理解を目指す。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Swansea University(英国)
• [Int'l Joint Research] CNRS(フランス)
• [Int'l Joint Research] Swansea University(英国)
• [Int'l Joint Research] CONICET(アルゼンチン)
• [Int'l Joint Research] CNRS(フランス)
• [Int'l Joint Research] Swansea University(英国)
• [Int'l Joint Research] CONICET(アルゼンチン)
• [Int'l Joint Research] CNRS(フランス)
• [Journal Article] Automatic recording of rare behaviors of wild animals using video bio-loggers with on-board light-weight outlier detector, (2024)
  • Author(s): Kei Tanigaki, Ryoma Otsuka, Aiyi Li, Yota Hatano, Yuanzhou Wei, Shiho Koyama, Ken Yoda, and Takuya Maekawa
  • Journal Title: PNAS Nexus Volume: 3 Issue: 1
  • DOI: 10.1093/pnasnexus/pgad447
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Exploring deep learning techniques for wild animal behaviour classification using animal‐borne accelerometers (2024)
  • Author(s): Otsuka Ryoma、Yoshimura Naoya、Tanigaki Kei、Koyama Shiho、Mizutani Yuichi、Yoda Ken、Maekawa Takuya
  • Journal Title: Methods in Ecology and Evolution Volume: 15 Issue: 4 Pages: 716-731
  • DOI: 10.1111/2041-210x.14294
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Interannual linkages between oceanographic condition, seabird behaviour and chick growth from a decadal biologging study (2024)
  • Author(s): Koyama Shiho、Mizutani Yuichi、Matsumoto Sakiko、Yoda Ken
  • Journal Title: Animal Behaviour Volume: 209 Pages: 63-81
  • DOI: 10.1016/j.anbehav.2023.12.012
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Quantifying annual spatial consistency in chick-rearing seabirds to inform important site identification (2023)
  • Author(s): Beal Martin...Katsufumi Sato...Akinori Takahashi... et al.
  • Journal Title: Biological Conservation Volume: 281 Pages: 109994-109994
  • DOI: 10.1016/j.biocon.2023.109994
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Global assessment of marine plastic exposure risk for oceanic birds (2023)
  • Author(s): Clark Bethany L. et al.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Issue: 1 Pages: 3665-3665
  • DOI: 10.1038/s41467-023-38900-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Developments of theories of avian movement strategies in wind and their validation with bio-logging data (2023)
  • Author(s): Y. Goto, K. Yoda
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 92 Issue: 12 Pages: 121006-121006
  • DOI: 10.7566/jpsj.92.121006
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pelagic seabirds reduce risk by flying into the eye of the storm (2022)
  • Author(s): E. Lempidakis, E. L. C. Shepard, A. N. Ross, S. Matsumoto, S. Koyama, I. Takeuchi, K. Yoda
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Volume: 119 Issue: 41 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1073/pnas.2212925119
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Head direction cells in a migratory bird prefer north (2022)
  • Author(s): Susumu Takahashi, Takumi Hombe, Sakiko Matsumoto, Kaoru Ide, Ken Yoda
  • Journal Title: Science Advances Volume: 8 Issue: 5
  • DOI: 10.1126/sciadv.abl6848
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] How did extinct giant birds and pterosaurs fly? A comprehensive modeling approach to evaluate soaring performance (2022)
  • Author(s): Goto Yusuke、Yoda Ken、Weimerskirch Henri、Sato Katsufumi
  • Journal Title: PNAS Nexus Volume: 1 Issue: 1
  • DOI: 10.1093/pnasnexus/pgac023
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Age-driven foraging habitat diversification in black-tailed gulls. (2023)
  • Author(s): Hibiki Sugiyama, Yuichi Mizutani, Yusuke Goto, Ken Yoda
  • Organizer: 8th International Bio-Logging Science Symposium (BLS8)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pair coordination of seabirds during chick-rearing season: Do streaked shearwater pairs coordinate their foraging trip durations? (2023)
  • Author(s): Chisaki Yashiki, Shiho Koyama, Yusuke Goto, Ken Yoda
  • Organizer: 8th International Bio-Logging Science Symposium (BLS8)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Factors that cause similarity of animal personality linked to foraging behavior within mating pairs and their impact on reproductive success in seabirds. (2023)
  • Author(s): Wataru Takeda, Yusuke Goto, Ken Yoda
  • Organizer: 8th International Bio-Logging Science Symposium (BLS8)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Interspecific associations of marine top predators at local and large spatiotemporal scales: insights from video and decadal GPS data of seabirds and fishery data (2023)
  • Author(s): Shiho Koyama, Yusuke Goto, Seishiro Furukawa, Takuya Maekawa, Ken Yoda
  • Organizer: 8th International Bio-Logging Science Symposium (BLS8)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Bridging bio-logging and physics: unveiling the next frontier in movement ecology (2023)
  • Author(s): Yusuke Goto
  • Organizer: 8th International Bio-Logging Science Symposium (BLS8)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Peaks and Pelagics: shearwaters risk their lives to fly over high mountains (2023)
  • Author(s): Ken Yoda, Chisaki Yashiki, Wataru Takeda, Shiho Koyama, Yusuke Goto
  • Organizer: 8th International Bio-Logging Science Symposium (BLS8)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高解像度で描く青森県蕪島のウミネコの成鳥と幼鳥の渡り (2023)
  • Author(s): 杉山響己、水谷友一、依田憲
  • Organizer: 日本鳥学会2023年度大会
• [Presentation] 野生動物xドローンxAI (2023)
  • Author(s): 井上漱太
  • Organizer: 動物の行動と管理学会2023年度大会
  • Invited
• [Presentation] マルチスケールトラッキングで明らかにする視線を通したコミュニケーション (2023)
  • Author(s): 井上漱太, Varun Kumar, 鈴村崇史, 狩野文浩
  • Organizer: 日本動物行動学会第42回大会
• [Presentation] Gaze in the wild: Aerial filmings reveals social attention network in a wild priamte troop (2023)
  • Author(s): Sota Inoue, Varun Kumar, Takafumi Suzumura, Fumihiro Kano
  • Organizer: Behavior 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Factors driving assortative mating based on seabird personality: Insights from behavioral syndrome between the personality and foraging behavior (2023)
  • Author(s): Wataru Takeda, Yusuke Goto, Ken Yoda
  • Organizer: 51ST ANNUAL MEETING OF THE PACIFIC SEABIRD GROUP
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 育雛期の海鳥はつがいで採餌トリップ長を調節するのか (2023)
  • Author(s): 屋敷智咲、依田憲
  • Organizer: 第70回日本生態学会大会(ESJ70)
• [Presentation] オオミズナギドリにおける動物の個性：採餌・繁殖行動とどのように関係しているのか (2023)
  • Author(s): 武田 航、依田憲
  • Organizer: 第70回日本生態学会大会(ESJ70)
• [Presentation] 海鳥の移動経路・繁殖成績の長期観測および周辺環境との関係解明 (2023)
  • Author(s): 小山偲歩、依田憲
  • Organizer: 第70回生態学会
• [Presentation] つがいで育雛する海鳥の採餌移動時間の決定要因の解明 (2022)
  • Author(s): 屋敷智咲、依田憲
  • Organizer: 日本動物行動学会第41会大会
• [Presentation] 粟島のオオミズナギドリにおける個性と採餌行動・繁殖の関係 (2022)
  • Author(s): 武田 航、依田憲
  • Organizer: 日本動物行動学会第41会大会
• [Presentation] A 11-years bio-logging study of streaked shearwaters provides a linkage among their foraging behavior, reproductive performance, and oceanographic conditions (2022)
  • Author(s): 小山偲歩、水谷友一、松本祥子、依田憲
  • Organizer: International ornithological congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 直進遊泳時における小型鯨類のヒレがもたらす姿勢安定性 (2022)
  • Author(s): 岡村太路、阿久根雄一郎、森朋子、森阪匡通、大友航、若林郁夫、渡邊峻、依田憲
  • Organizer: 日本動物行動学会第41回大会
• [Presentation] ウミネコの雛が育つ環境が生理状態に与える影響 (2022)
  • Author(s): 野田はるな、水谷友一、依田憲
  • Organizer: 日本動物行動学会第41会大会
• [Presentation] Exhausted with foraging: foraging behavior is related to oxidative stress in chick-rearing seabirds (2021)
  • Author(s): 小山偲歩、水谷友一、依田憲
  • Organizer: The 7th International Bio-Logging Science Sympsium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Learning interaction rules from multi-animal trajectories via augmented behavioral models (2021)
  • Author(s): Keisuke Fujii, Naoya Takeishi, Kazushi Tsutsui, Emyo Fujioka, Nozomi Nishiumi, Ryoya Tanaka, Mika Fukushiro, Kaoru Ide, Hiroyoshi Kohno, Ken Yoda, Susumu Takahashi, Shizuko Hiryu, Yoshinobu Kawahara
  • Organizer: Neural Information Processing Systems 2021（NeurIPS 2021）
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 生態学講座HP
  • URL: https://biologging.sakuraweb.com
• [Remarks] 依田研究室HP
  • URL: https://yoda-ken.sakura.ne.jp
• [Remarks] 階層的生物ナビ学
  • URL: https://bio-navigation.jp/
• [Remarks] 依田研究室HP
  • URL: http://yoda-ken.sakura.ne.jp