2019 Fiscal Year Annual Research Report
昆虫のゾンビ化から紐解く生物の多様な振る舞いの源泉
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17H06150
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
大須賀 公一 大阪大学, 工学研究科, 教授 (50191937)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石川 将人 大阪大学, 工学研究科, 教授 (20323826)
青沼 仁志 北海道大学, 電子科学研究所, 准教授 (20333643)
李 聖林 広島大学, 理学研究科, 准教授 (50620069)
小林 亮 広島大学, 理学研究科, 教授 (60153657)
佐倉 緑 神戸大学, 理学研究科, 准教授 (60421989)
杉本 靖博 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (70402972)
石黒 章夫 東北大学, 電気通信研究所, 教授 (90232280)
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| Project Period (FY) |
2017-05-31 – 2022-03-31
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| Keywords | ゾンビ化 / 運動制御 / 陰的陽的制御 / 制御構造 / 振る舞いの源泉 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の「要」は，昆虫の脳（中心体）に薬剤を注入することによって脳機能と下部神経系との情報のやり取りを遮断する「ゾンビ化」であるので，研究期間の前半は，１）昆虫のゾンビ化手法の確立，２）ゾンビ化昆虫のゾンビ化程度の検証法確立，に注力した．同時に，それらのゾンビ化手法が確立した後のために，３）昆虫の適応的運動能力の発現メカニズムの同定手法理論の検討，４）高度な脳機能を持たない運動制御原理の考察，を行なった．以下，進捗状況を説明する．
１）昆虫のゾンビ化手法の確立：コオロギの脳内の薬剤投与部位をより厳密に制御するため，頭部の3Dマップに埋め込むための「コオロギ標準脳の作成を進めており，約６０％程度進捗した．また，ゾンビ化システム」の構築を完了した．
２）ゾンビ化昆虫のゾンビ化程度の検証法確立：「ゾンビコオロギ」はどのような振る舞いがみられるのかを確認するために，二種類の運動解析装置を試作中であり，７０％程度完成した．さらに多様な環境を再現できるような球状トレッドミルシステムも開発した．また，頭部のないコオロギの振る舞いや，各部神経接続を外科的に切断したコオロギの振る舞いを確認している．
３）昆虫の適応的運動能力の発現メカニズムの同定手法理論の検討：ゾンビコオロギが完成するまでの基礎研究として，一般の昆虫が示す適応能力の中でも特に，a)歩行速度への適応，b)脚切断への適応，c)環境への適応という三つの適応的な振る舞いに着目し，これら能力を発現しうる制御メカニズムのミニマルモデルの構築を目的とした研究を行った．
４）高度な脳機能を用いない運動制御原理の考察：ゾンビ化された昆虫と同じく高度な脳機能をもたない脚機構が，環境／身体間および身体内の脚間で調和のとれた運動を生成する制御モデルを構築した．
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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
本研究の大きなテーマは，「主題１（ゾンビ化手法の確立：コオロギの上位脳神経系の機能阻害と各胸部神経節の部分的機能阻害を行うことでゾンビ化する．そのために投与する薬剤カクテルの最適配分，最適量，最適投与部位，最適投与方法を求める．）」「主題２（制御構造の同定：ゾンビコオロギに対して様々な場における歩行実験を行い，振る舞いを生み出す源泉「制御構造」を同定する．）」「主題３（源泉の検証：同定された制御構造の妥当性を示すために，「ゾンビコオロギロボット」を開発し，それによるモデル実験を行う．）」である．以下にそれぞれの主題の達成状況を記す．
主題１の達成度（８０％）：「ゾンビ化システム」が完成したことにより，薬剤投与方法と投与場所の特定はできるようになった．また，「運動解析装置」や，水槽実験との対比のために，砂槽の内部に微細空気流を噴出することで砂を水のよう振る舞わせる実験槽の試作をはじめている．さらに，薬理学的なゾンビ化と並行して，神経切断による外科手術的ゾンビ化についても検討し，基本結果が出てきている．
主題２の達成度（３０％）：コオロギの環境適応機能を観察し，そこからその中の制御構造を類推している．また，コオロギに限らず，クモヒトデやムカデなどに内在する制御構造のモデリングも並行して検討した．さらに，数理モデリングの基本手法を獲得するために，細胞レベルの行動に関する検討も行い，レンジの広い射程域を構成している．
主題３の達成度（２０％）：主題２で考察される制御則のモデルを検証するためのシミュレーションと実験を行うための実機モデルを構築した．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究における主題は３つである．
主題１：ゾンビ化手法の確立：コオロギの上位脳神経系の機能阻害と各胸部神経節の部分的機能阻害を行うことでゾンビ化する．そのために投与する薬剤カクテルの最適配分，最適量，最適投与部位，最適投与方法を求める．
主題２：制御構造の同定：ゾンビコオロギに対して様々な場における歩行実験を行い，振る舞いを生み出す源泉「制御構造」を同定する．
主題３：源泉の検証：同定された制御構造の妥当性を示すために，「ゾンビコオロギロボット」を開発し，それによるモデル実験を行う．
これからの最後の２年は，主題２を集中的に検討することからはじめる．同時に主題１の完成度を上げ，さらに主題３も少し時間遅れを伴って本格的に設計を開始する．
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