Whole-body 3D kinematics of freely behaving Drosophila

神経系がいかにして単純な電気信号を複雑で協調的な動きへと変換するのかを理解するためには、科学者はまず、その動きを絶対的な明晰さをもって捉えることができなければならない。数十年にわたり、研究者たちは運動制御の規則を解明するために、脳の構造が詳細に解明されている小さな昆虫であるショウジョウバエに頼ってきた。長年の課題は、これらのハエが小さく、目にも止まらぬ速さで動き、さらに回転したり他の個体と相互作用したりする際に、しばしば自身の体を視界から遮ってしまうことであった。従来の追跡手法では、彼らの動きを三次元的に完全に捉えることに苦慮しており、脳が送っている指令と、身体が実際にどのように反応しているかの間に隔たりが生じていた。ハエの空間における姿勢の完全な姿を描けない限り、脳がいかに筋肉に指令を出して行動を生み出すのかという正確なモデルを構築することは困難なままであった。

研究チームは、ハエに触れたり体にマーカーを取り付けたりすることなく、ハエの動きを完全な3Dで観察するシステムを開発することで、この隔たりを埋めた。彼らは7台の高速度カメラを設置し、それらを連携させて毎秒800フレームで昆虫を記録することで、あらゆる素早い痙攣や回転を捉えた。この膨大な視覚データを処理するために、彼らはコンピュータプログラムを訓練し、脚の先端から触角の端に至るまで、ハエの体の50箇所の特定のポイントを認識して追跡するようにした。コンピュータによる初期の推測は、脚が逆方向に曲がるなど、時として物理的に不可能な状態を示すことがあるため、研究者たちは二段階目の工程を追加した。彼らは、実際のハエの解剖学的モデルを用いてこれらのエラーを修正し、システムが記録するすべての動きが、現実のハエが物理的に可能なものであることを保証した。「リターゲティング」として知られるこのプロセスにより、生のビデオ映像は、精密で解剖学的に正しいハエの動きのマップへと変換される。

科学者たちが地上を走るハエの動きを分析したところ、昆虫の動き方に関する長年の仮説を覆す事実が判明した。長い間、動物は速度を上げたり下げたりする際に、異なる走行スタイル、すなわち「歩様（ゲイト）」の間を切り替えると信じられてきた。しかし、本研究のデータは、ハエがそうではないことを示している。彼らは、全速度域にわたって単一の、地に足のついた走行スタイルを維持しており、異なる歩様へと移行することはないのである。この発見は、彼らの運動制御メカニズムが、これまで考えられていたよりも連続的で流動的であることを示唆している。

また、このシステムは一度に複数のハエを追跡できるほど強力であり、研究者たちがかつてない詳細さで社会的な相互作用を観察することを可能にした。オスのハエがメスに求愛する様子を観察した際、研究では、オスが求愛歌を奏でるために両方の翅の動きを調整していることが明らかになった。同時に、オスは頭部や胴体を上下に傾け、メスが移動する際の垂直方向の位置に常に目を固定するように、自身の体の角度を絶えず調整していた。これらの観察は、以前は捉えることが不可能であった、行動の豊かな三次元的な記録を提供している。この大規模なデータセットと、それを作成するために使用されたソフトウェアを一般に公開することで、研究者たちは、脳と身体がいかに連携して運動を生み出すかという詳細なモデルを構築するための、新たな基盤を提供したのである。