2015 Fiscal Year Annual Research Report
昆虫脳情報処理に基づく状況依存的匂い源探索行動戦略の同定と再構成
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15J06227
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
志垣 俊介 東京工業大学, 大学院理工学研究科(工学系), 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2018-03-31
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| Keywords | 匂い源探索問題 / 昆虫脳活動―行動同時計測 / 生物模倣ロボット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
災害時の人命救助や有毒物質漏れ源探索等に活用が期待されている効率の良い匂い源探索問題解決手法の提案に向けた研究に従事した．本研究では，匂い原探索問題に対して生物が普遍的に備えている匂い源探索能力に注目し，その能力をモデル化することで問題を解決する．本研究のモデル生物には，刺激入力に対する行動出力の関係が明解であるカイコガ雄成虫個体を採用した．生物は，時々刻々と複雑に変化する環境下において同種のメスや餌場を確実に探索可能である．そこで，この生物脳がどのような状況下でどのようなフィードバックを行っているかを同定し，生物脳を人工物のように置き換えることで問題を解くことを目指す．したがって，平成27年度は脳活動と行動の関係性を明らかにするために，(i)実際の生物から行動と生体信号を非拘束状態で計測する電気生理計測システムの確立と，(ii)生物の身体の一部を固定した行動と脳活動の同時計測予備実験を実施した．
(i)で構築した計測システムは，非拘束状態で生物の行動が計測できるにも関わらず，生物の位置と姿勢を一意に固定することが可能である．このことは，行動を引き起こす刺激を高精度に生物に供給可能であるとともに任意の箇所に電極を挿入し，生物の生体信号を同時に計測することを可能とした．また，(ii)においては20μmの微小電極を行動指令を生成している脳内部位に侵入させ，行動と神経活動変化の対応関係を計測した．これらによって，モデル生物の行動出力のみならず内部状態の計測と推定が行えるようになり，サポートベクターマシンのような機械学習手法との併用によって状況依存的な行動判断が可能となった．これらの成果は工学だけでなく理学の国際会議講演に採用されたことで本研究の価値が認められている．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
匂い源探索問題は，人間社会の安全安心に大きく寄与する重要課題であるが，未だ実用的な解決手法が提案されていない工学的に価値の高い問題である．この問題に対して本研究では，自然界で効率よくこの問題を解決している生物に注目し，その能力を同定する．匂い原探索は，気流が複雑に変化する環境下で問題解決することが必要であり，生物は状況依存的に行動を選択していると考えられる．そこで，アルゴリズムを同定する際，生物の持つ状況依存性を含めることが重要である．これは，行動指令を生成する脳内活動変化を行動とともに計測することが必要である．現在までに計画通り，対象生物の脳活動－行動同時計測実験系を確立し，実験と解析を進めることができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度では，現在までに得られた脳活動－行動同時計測結果を元に解析を進める．どの脳内活動神経ユニットが匂い源探索行動を構成する直進と回転行動に関係するか神経発火頻度を指標として解明する．現在までの同時計測実験は，カイコガに対してある周期で設定したパルス刺激を与えていた．これでは状況依存的な行動選択過程を解析できない．そのため，実環境のカイコガと計算機をリンクさせ，実環境で行動するカイコガが計算機内に設計した匂い場で仮想的に探索を行える実験システムを構築する．その実験システムを用いることで，カイコガはあたかも匂い源探索を行うことが可能である．このシステムを用いて匂い源探索行動中の脳活動と行動の同時計測実験を実施する．この実験はカイコガに対して任意のタイミングで正確に刺激を供給することが必要であるため，光刺激で行動が励起する遺伝子改変カイコガを用いる． この実験によりカイコガの状況依存的行動選択過程の解明を行う．
逆モデル解析を行い計測結果の妥当性を検証をした後，シミュレーションや地上走行型ロボットにアルゴリズムを搭載し，構成論的に有効性を示す．
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Research Products
(4 results)
