Higher rewards lead to more accurate flower detection and increased contrast sensitivity in the bumblebee Bombus terrestris

動物たちは、絶え間なく押し寄せる感覚情報の奔流にさらされています。ある一瞬の間にも、葉の擦れる音、雨の匂い、捕食者の閃光、そして遠くの花の色が含まれています。生き残るためには、あらゆる詳細を一度に処理することはできず、ノイズをフィルタリングして、何が重要かに集中しなければなりません。動物界において、このフィルタリングのプロセスは「注意（アテンション）」として知られています。科学者たちは一般的に、注意を2つのタイプに分類しています。1つ目は、光のフラッシュが瞬時に目を引くように、突然の出来事や明るいものに対する反射的な反応です。2つ目は、より意図的で内的なプロセスであり、動物が学習によって価値があると判断したものに基づいて感覚を研ぎ澄ませるものです。例えば、ある鳥が特定の種類のベリーが最も甘いと知っていれば、たとえ影の中に隠れていても、そのベリーを見つけやすいように視覚を調整することができます。過去の報酬を利用して現在の知覚を鋭敏にするこの能力は、人間や他の脊椎動物ではよく記録されていますが、小さな脳を持つ昆虫にも同様の認知ツールが備わっているのかどうかは、これまで謎のままでした。

研究チームは、マルハナバチの一種であるBombus terrestrisを研究することで、この問いに答えるべく調査を開始しました。彼らは、これらの昆虫が「良い食事」の記憶を利用して視覚を研ぎ澄ませ、最高の花を見つけるために、周囲の世界の「コントラスト」を上げるようなことができるのかどうかを確かめたいと考えました。これをテストするために、彼らはマルハナバチが隠された糖報酬を見つけるための、制御された採餌アリーナを構築しました。実験装置には、花を表す緑色の円が表示されるコンピュータ画面が用いられました。画面の下には、ハチが蜜を飲むために着陸できる小さなプラットフォームが配置されました。実験は、シンプルながらも強力な変数に基づいています。それは、報酬の「質」です。一方のグループのハチには、高濃度の豊かな糖溶液を提示するターゲットを見つけるよう訓練し、もう一方のグループには、はるかに弱く満足度の低い糖液を提示するターゲットを見つけるよう訓練しました。研究者たちは、より豊かな報酬を期待しているハチの方がモチベーションが高くなるはずであり、もし彼らが「トップダウン的な注意」という性質を持っていれば、このモチベーションによって視覚がより鋭くなり、たとえ画像がかすかであったりコントラストが低かったりしても、ターゲットを識別できるようになると考えました。

結果は、ハチの期待が実際に彼らの世界の捉え方を変えていることを裏付けました。ターゲットが画面上に非常に低いコントラストで提示されたとき（つまり、暗い背景から区別するのが困難なとき）、高報酬の糖溶液で訓練されたハチは、有意に優れた発見能力を示しました。彼らは、弱い糖液で訓練されたハチよりも頻繁に、かつ速く正しい場所を選択しました。研究者たちは、ハチがターゲットを認識できなくなる正確な地点、すなわち「コントラスト閾値」を測定しました。その結果、高報酬グループは、低報酬グループよりもはるかに低い可視レベルにおいてもターゲットを検知できることが分かりました。これは、ハチが単に一生懸懸命に働いているだけでなく、カメラが低照度下で感度を上げるように、脳が能動的に視覚感受性を調整し、価値のあるターゲットをより鮮明に浮かび上がらせていることを示唆しています。

また、この研究は、環境的なストレス要因がいかにしてこの繊細な認知プロセスを妨害するかについても調査しました。研究者たちは実験を繰り返しましたが、今回は一般的な農薬であるイミダクロプリドを糖溶液に溶かし込みました。この化学物質は昆虫の神経系に影響を与えることが知られています。結果として、農薬にさらされたハチは、高報酬グループであっても低報酬グループであっても、ターゲットを見つける精度が低下していることが示されました。しかし、モチベーションの効果とは異なり、農薬は反応速度を遅らせるような影響は与えないようでした。研究者たちは、農薬がハチの注意を調整させる特定の神経経路を阻害しているか、あるいは単に採餌への全体的な意欲を低下させているのではないかと示唆しています。この化学物質が、学習した報酬を利用して視覚を研ぎ澄ますというハチの能力を損なうという事実は、彼らの認知システムにおける脆弱性を浮き彫りにしています。

結局のところ、この研究は、マルハナバチが人間や他の脊椎動物に見られるようなトップダウン的な注意と同様の認知メカニメントを備えているという強力な証拠を提供しています。それは単に明るい色に対する反射ではなく、報酬の価値を利用して感覚知覚を高めるという、学習された戦略なのです。ハチがその努力に見合う価値がある花を知っているとき、その脳は、その花をより鮮明に見えるように助けてくれます。この研究はまた、人間が作った化学物質がこの洗練された能力を劣化させ、ハチが生きていくために必要な食物を見つけることを困難にする可能性があるという警告でもあります。小さな昆虫が記憶を用いて世界の捉え方を変えられることを示すことで、この研究は、昆虫の精神に対する理解を深めると同時に、それを支えるシステムの脆弱性を明らかにしているのです。