果実の熟した匂いを捉えたミバエは、単に風上に向かって鼻先を追うだけではない。Nature に発表された新たな研究は、ショウジョウバエ (Drosophila) が高度な2状態ナビゲーション戦略を採用し、匂いプルームの中心ではなくその端を追跡し、プルームを出るたびに方向記憶を使って戻ることを明らかにした。
この発見は、ベクトル航法（目標への方向を記憶し想起する能力）には昆虫が持つより大きな脳が必要であるという長年の仮定に異議を唱えるものである。ハエのニューロンは総数約20万個で、人間の脳の860億個と比較される。しかし、その中央複合体（わずか数百ミクロン幅の構造）は、研究者らがこれまで哺乳類や鳥類と関連づけていた計算戦略を実装している。
中心追跡ではなく端追跡
ハワード・ヒューズ医学研究所ジャネリア研究キャンパスとカリフォルニア工科大学の研究者らが率いるチームは、空気浮揚ボールの上を歩く頭部固定ハエ用の閉ループ仮想現実システムを開発した。ノズルが風向きをハエの進行方向に連動させ、リンゴ酢の匂いを仮想回廊内のハエの仮想位置に基づいて気流に注入した。
結果は予想外だった。ハエは一度匂いプルームを見つけてもその中に留まらなかった。代わりに、平均4.9秒内部に留まった後に繰り返し退出し、その後プルーム境界へ向かう指示的かつ効率的な帰還を実行した。全体軌道は迷走ではなく、「退出」と「帰還」という2状態間の系統的な交替であり、ハエは50 mm幅の匂い回廊の単一の端を追跡していた。
風上への進行の大部分は内部滞在の短い間に生じた。匂いを失うと、ハエはランダムに彷徨うのではなく、プルームの端の方向に対応するベクトルに沿って戻った。研究者らは進入角と退出角を分析することでこれを定量化した。45度プルームに出入りするハエは非ランダムな角度分布を示し、帰還軌道はしばしば端に対して垂直であった。
位置記憶ではなく方向記憶
ハエが位置記憶（プルームがどこにあったか）を保存しているのか、方向記憶（どの方向に戻るか）を保存しているのかを検証するため、研究者らは2つの主要実験を行った。第一実験では、ハエが45度のプルームを10分間追跡した後、匂い源を完全に停止した。ハエは、プルームがもはや存在しないにもかかわらず、以前の帰還に使われたのと同じ方向、プルームがあった場所に向かって進み続けた。第二実験では、ハエが退出するたびにプルームを横方向に20 mmずらした。ハエは次の帰還時に軌道を調整し、位置的手がかりではなく方向的手がかりを使っていることを確認した。
方向記憶は迅速に更新される。ハエが特定の帰還方向に向かった場合にのみ匂いが与えられる単一のオペラント訓練セッションにより、反対方向に配向されたプルームの追跡が大幅に改善された。データに最も適合した行動モデルは2状態切替システムであった。すなわち、境界を横切るたびに、ハエは以前の記憶と現在の進行方向の加重合成として記憶ベクトルを更新する。
神経ハードウェア
ハエの中央複合体（ナビゲーションハブとして機能する正中線構造群）において、研究者らは戦略の各構成要素を担当する特定のニューロンを同定した。楕円体のEPGニューロンは風に対するハエの進行方向の安定した表現を維持していた。光遺伝学的阻害でサイレンシングされると、ハエは方向付けられた帰還能力を失い、代わりに風上へ無目的に彷徨った。
扇状体のFC2ニューロンは目標方向、すなわちプルーム境界へのベクトルをコードしていた。これらのニューロンは帰還軌道中に特異的に活性化し、その活動パターンは境界への各旋回前にEPG進行方向信号から乖離した。FC2ニューロンのサイレンシングは、EPGニューロンのサイレンシングと同じナビゲーション欠損を生じさせた。
提案された回路モデルは、匂い応答性タンジェンシャルニューロン（プルームに関する感覚情報を伝達する）とコラムナーニューロン（方向記憶をコードする）の間の可塑性シナプスを伴う。進入角記憶は、ハエがプルーム境界を横切るたびにこれらのシナプスに保存・更新される。
昆虫の知能にとっての意味
この発見は、昆虫の脳が単純な反射系ではないという認識の高まりに加わる。中央複合体は、方向定位をコードし、移動するアリやハチの経路統合を支えることが既に知られているが、嗅覚探索のためのベクトルベース目標記憶も支えることが新たに示された。同じ保存された神経ツールキット（進行方向、目標方向、状態切替）が、異なる昆虫種において異なるナビゲーションタスクに機能している。
研究者らは、自然環境ではこの戦略は、鋭い境界が存在する発生源近くのコヒーレントな匂いプルームに最も効果的に機能すると指摘する。不連続なフィラメントからなる風下の乱流プルームでは、境界情報の信頼性が低く、記憶の利点は減少する。ハエは、遭遇するプルームの構造に応じて、反射的な風上走性（風に反応して風上へ移動する）とベクトルベースの端追跡を切り替えている可能性が高い。
ロボティクスと人工嗅覚にとって、この戦略は計算効率の高いテンプレートを提供する。方向記憶を持つ2状態システムは、濃度勾配マップを必要とせずに化学物質源を特定できる。これは乱流環境ではしばしば利用不可能である。プルーム追跡問題に対するハエの解決策は、予想より単純なものではなく、より洗練されたものであることが判明した。
参考文献: Siliciano, A.F., Minni, S., Morton, C. et al. Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10827-7
雅子 訳