ショウジョウバエの脳はケシの実ほどの大きさしかない。約10万個のニューロンを含むが、これは小さなスタジアムの収容人数よりも少ない。そのわずかな生物学的ハードウェアで、ハエは餌を探し、捕食者から逃れ、乱気流の中を航行し、匂いを見失った後も行き先を記憶しなければならない。神経科学におけるこれまでの通説では、ワーキングメモリや証拠統合などの複雑な認知処理には、哺乳類の大脳皮質の精巧な層状回路が必要とされてきた。7月25日にNature Communicationsに掲載された研究は、その前提に根本から疑問を投げかける。
NYU医学部の研究者らは、ショウジョウバエの脳のナビゲーション中枢にある極めて小さなニューロン集団が、匂い誘導飛行中にワーキングメモリと証拠統合の両方を同時に実行することを発見した。この発見は、これらの基本的な認知処理が皮質構造にまったく依存しないことを示唆する。これらは進化が早期に発見し、種を超えて洗練させてきたナビゲーション問題への一般的な解決策であり、ニューロモルフィック人工知能システムを構築するエンジニアが研究する価値のある解決策である可能性がある。
単一の神経バンプにおけるワーキングメモリ
Nicholas D. Kathman、Aaron J. Lanz、Jacob D. Freed、Katherine I. Nagelが率いるチームは、ハエの中央複合体の中でナビゲーション中枢として機能する構造である扇状体内の局所ニューロン群に注目した。VT062617-Gal4と呼ばれる遺伝子系統を用いて、これらのニューロンの小さな集団を標識し、ハエが仮想的な匂い環境を航行する間、二光子カルシウムイメージングを実施した。
実験装置では、ハエは空気で支えられたボールの上を歩き、カメラシステム（FicTrac）がその回転を追跡して仮想世界での動きに変換した。風向きはハエ自身が閉ループで制御し、匂いパルスは一定のスケジュールで送達された。これにより研究者らは、ハエが自然界の匂いプルームを飛行するのと同等の体験をしている間の神経活動を観察できた。
彼らが見たものは顕著だった。扇状体の1列または2列にわたる局所的な神経活動のバンプが、ハエが匂いに遭遇したときに活性化した。匂いが止んだ後も、バンプはすぐには消えなかった。それは持続し、場合によっては数秒間、他の場合はほんの一瞬であった。持続時間は指数分布に従い、特性時定数は5.59秒だった。
これはワーキングメモリの最も純粋な形態である。すなわち、それを確立した感覚的手がかりが消えた後の目標方向の保存である。バンプはハエが風に対して移動すべき方向をコードしており、これは外界の固定された目標を表す分配心フレームであり、ハエ自身の進行方向ではない。ハエが向きを変えても、バンプの位置は安定していた。動物は内部コンパスを搭載し、行くべき方向を指し示していた。
忘却の行動的帰結
このような持続的活動の存在自体が注目に値するが、チームはさらに踏み込み、それを行動と結びつけた。神経バンプが持続しているとき、ハエはより直線的な軌道を維持し、目標方向からの逸脱が少なかった。方位の標準偏差は有意に減少した（p = 5.0 x 10^-6）。バンプが崩壊すると、目標方向からの逸脱は急激に増加した（p = 0.0002）。ハエは事実上、どこへ行こうとしていたかを忘れ、さまよい始めた。
この行動相関は、持続的な神経活動と動物の針路維持能力との間に直接的な関連を確立する。バンプは随伴現象ではなく、記憶された進行方向の神経基盤なのである。
同じ回路における証拠統合
2番目の主要な発見は、同じニューロン集団が時間経過に伴う証拠統合も実行することである。自然界では、乱気流中の匂いプルームは連続的な流れではない。それらは、きれいな空気の隙間によって断続的に断ち切られた、断片的な香りのフィラメントである。嗅覚によって航行する動物は、時間をかけて遭遇を統合し、正しい軌道に乗っているかどうかを判断しなければならない。
研究者らは、同じ扇状体ニューロンをイメージングしながら、ハエに乱流プルーム構造を送達することで、この自然条件をシミュレートした。神経活動は各パルスに応じて単純にオンとオフを切り替えるわけではなかった。それは連続する匂いとの遭遇とともに徐々に上昇した。無相関化分析により、このシステムは過去約10秒間の情報を統合する匂いフィルターとして機能することが明らかになった。
これは教科書的な証拠統合であり、脊椎動物では頭頂皮質および前頭前皮質回路と関連し、ドリフト拡散過程としてモデル化されるのと同じプロセスである。ハエの場合、それはわずか数百のニューロンで、塩粒ほどの大きさの脳領域内で起こる。
因果的証明と最適タイミング
この持続的活動が風上方位の維持に因果的に関与しているかどうかを判断するため、チームは光遺伝学的サイレンシングを用いた。彼らは光活性化塩素チャネルであるGtACR1を同じVT062617集団で発現させた。研究者らが匂いオフセット直後にこれらの細胞をサイレンシングすると、ハエはより早く、より急激に風上方向から離れた。持続的な神経活動がなければ、針路を維持できなかった。
対照実験により、この発見の特異性が強化された。52G12系統によって標識された異なる扇状体ニューロン集団は、回転運動と相関する一過性の活動のみを示した。これらのニューロンは持続的活動を示さなかった。ワーキングメモリ機能はナビゲーション中枢の一般的な特性ではない。それはVT062617集団に特異的に属する。
チームはまた、持続時間の時定数がなぜ5.59秒なのかという問題にも取り組んだ。プルーム物理学を専門とするJohn Crimaldiの研究室と協力し、乱流境界層プルームからの実データを用いて計算シミュレーションを実行した。シミュレーションはメモリの時定数を変化させ、ナビゲーション性能を測定した。約5.5秒という実際の値は、自然主義的に構造化されたプルームを航行するための最適点に近かった。より短いメモリでは、匂い信号のギャップ中にハエが早急に諦めてしまう。より長いメモリでは、プルームが移動した後も誤った方位に固執してしまう。進化は環境の統計に合わせて回路を調整したようだ。
知能への示唆、自然と人工
この研究の広範な意義はハエをはるかに超えている。ワーキングメモリと証拠統合は、大規模で複雑なニューラルネットワークの創発的特性ではないことを示唆する。これらは非常に小さな回路で実装可能な解決策であり、おそらくナビゲーションを実行できる最も単純な回路でさえ可能である。
この認識は進化神経科学に示唆を与える。昆虫と脊椎動物が独立してワーキングメモリ回路を進化させたのであれば、収斂進化が一つの説明になる。しかし、より挑発的な別の可能性もある。5億年以上前に生息した左右相称動物の共通祖先が、すでにこれらの計算能力を持つナビゲーション回路を備えていたのかもしれない。その場合、ハエの脳は哺乳類の脳の縮小近似ではない。それは5億年にわたって機能してきた保存された原型なのである。
人工知能とニューロモルフィックコンピューティングへの示唆も同様に重要である。ワーキングメモリと証拠統合を実行する現在のAIシステムは、通常、数百万から数十億のパラメータを持つ大規模なリカレントニューラルネットワークまたはトランスフォーマーアーキテクチャを必要とする。ハエは同じ計算が極めて効率的に達成できることを示している。ニューロモルフィックチップの数列にまたがる局所ニューロン集団が、原理的にはその機能を再現できる。
ワーキングメモリと証拠統合の両方が同じニューロン集団に共存していることは特に顕著である。脊椎動物の脳では、これらのプロセスは異なる領域と細胞タイプに分散している。ハエはそれらを単一のコンパクトなモジュールに圧縮する。そのモジュールが回路レベルでどのように機能するかを理解することは、ノイズの多く断続的な感覚データを持つ実世界の環境を航行しなければならない身体化AIシステムの新しいアーキテクチャを刺激するかもしれない。
NINDS Brain Initiative、NIDCD、およびNational Science Foundationから支援を受けたNature Communicationsの論文は、昆虫と哺乳類の認知のギャップが考えられているよりも狭いかもしれないことを示している。ハエは私たちが認識するような意味で考えることはない。しかし、どこへ行こうとしているかを記憶している。証拠を蓄積している。航行的な決定を下している。そして、この文の終わりのピリオドの中に収まるほどの小さな脳でこれらすべてを行っている。おそらく問題は、認知にどれだけの脳が必要かではなく、どれだけ少なくて済むかということなのである。
雅子 訳
参考文献
Kathman, N.D., Lanz, A.J., Freed, J.D., & Nagel, K.I. (2026). Neural dynamics for working memory and evidence integration in the Drosophila navigation center. Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-026-75945-2