【研究分野】知能機械学・機械システム

【研究領域課題番号】18656075 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

昆虫 / ロボット / マルチモダリティ / 適応性 / 嗅覚 / 視覚 / フェロモン / カイコガ / 知能機械 / 知能ロボティクス / 生物・生体工学 / 適応行動 / 微小脳 / 本能行動

【研究成果の概要】

生体-機械融合システムの一つの形として,昆虫が移動ロボットを操縦する「昆虫操縦型ロボット」を開発し,操縦者である昆虫の環境適応性を評価した.昆虫操縦型ロボットは二輪式のロボットで,ロボット上の雄カイコガ(Bombyx mori)の歩行運動に基づいた運動を行うが,移動ロボットのモータ回転を操作することで,操縦者の意図と反する運動を引き起こし,それに対する操縦者の反応を見ることができる.実験では雌の性フェロモン源へ定位するというタスクをロボットに与え,モータ回転を人為的に操作しても操縦者(昆虫)の適応性により,ロボットがタスクを達成できるかどうか評価した.左右のモータ回転を非対称に設定し,昆虫が直進しても一方向へ旋回しやすくなるように設定したところ,ロボットはフェロモン源へ定位することができ,その際のロボットの左右の旋回量に有意差は見られなかった。しかし,昆虫の視野を白紙で覆ったところ定位成功率は低下し,左右の旋回量は,人為的に設定した左右の回転の偏りに有意に従う結果を得た.通常雄カイコガは,視覚情報なしでフェロモン源へ到達することが知られているが,昆虫操縦型ロボットを用いた実験結果から,身体性や環境の変化に対しては,視覚情報を統合することで定位能力を維持していることが示された.この人為的な操作に対する昆虫の補償行動の経時的変化を観察したところ,操作後1秒以内で直ちに行動変化が現れ,徐々に変化することはなかった.このことから,補償に必要な視覚情報は,反射のような速い感覚-運動系で行われていることが示唆された.

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2006 - 2007

【配分額】3,500千円 (直接経費: 3,500千円)

【研究分野】蚕糸・昆虫利用学

【研究領域課題番号】12306003 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

カイコ / ESTデータベース / 平均化ライブラリー / 神経ホルモン / ジーンターゲッティング / フェロモン / バキュロウイルス / 遺伝子導入 / GFP

【研究成果の概要】

神経ホルモンPBANにより制御されるカイコガ性フェロモン産生系をモデルとして、ホルモンによる昆虫機能発現の分子機構解析を試みた。まず、カイコ純系系統p50フェロモン腺の平均化cDNAライブラリーより構築したフェロモン腺ESTデータベースから浮き彫りにしたフェロモン腺特異的遺伝子の解析を行った。その結果、フェロモン生合成酵素であり、かつ、フェロモン成分の種特異性を規定するキー酵素でもある不飽和化酵素(Desat1)およびアシル基還元酵素(pgFAR)の性質を明らかとし、これら酵素の基質特異性がフェロモン成分の厳密な成分割合の決定に重要な役割を担っていることを示した。これらの成果の一部は米国科学アカデミー紀要(PNAS,2003年8月5日号)に掲載され、その表紙を飾った。また、PBAN受容体遺伝子のクローニングに成功し、これがロドプシン受容体ファミリータイプのGPCRであることを示すとともに、昆虫培養細胞での機能発現を行い、その基本的性質を明らかにした。さらに、メス成虫の血リンパより、フェロモン腺特異的遺伝子pgACBPの転写を活性化する因子を単離し、その構造をβ-グルコシル-O-チロシンであることを明らかにした。
一方、機能発現に関わる昆虫遺伝子の機能を包括的に解析するツールとして、カイコでのジーンターゲッティング法の開発に向けた方法論の確立を試み、Golicらによって開発された相同組み換えによるジーンターゲティング法のカイコへの適用を行った。現在、この手法の実施に必要なFLP部位特異的リコンビナーゼとI-SceIエンドヌクレアーゼ遺伝子を導入したトランスジェニックカイコの作成と、標的配列に相同なDNAから成るドナーコンストラクトの構築を進めているが、この最新の形質転換技術をカイコでの系に応用することはノックアウトカイコの作製を可能とするものである。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2000 - 2003

【配分額】47,600千円 (直接経費: 40,100千円、間接経費: 7,500千円)

【研究分野】計測・制御工学

【研究領域課題番号】07650475 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

におい源探知 / カルマンフィルタ / においコンパス / カイコガ / 半導体ガスセンサ / EAG / フェロモン / 能動サンプリング方式

【研究成果の概要】

場の風向及び濃度勾配を検出してにおい源の探知を行う方法を用いて、以前の実験により風洞及びクリーンルームにおいてその探知実験に成功している。平成7年度は、探知時間の高速化を図った。今まで用いていた半導体ガスセンサは応答速度、応答回復速度が遅いといために、移動台車の速度を上げると追従できないという問題点があった。応答速度の速いセンサは、風が少し強くなると応答が不安定になる。そこで、センサは従来のものを用いてカルマンフィルタ理論を用い速い半導体センサの応答を推定することを行い、センサの動作速度を向上させた。その結果、台車速度を従来の3倍に上げて探知を行うことに成功した。
上記のシステムは自動測定システムであるが、人間が持ち歩いて探索するツールとして、能動サンプリング方式によるにおいコンパスを試作した。このコンパスは常ににおい源の方位を指し示すもので、2次元、3次元のコンパスの試作に成功した。さらに、適応制御理論を組み合わせることにより、高速ににおい源の方向に向きを変えることができる2次元コンパスを実現できることがわかった。
センサとして理想的な感度、応答速度をもつのは、生体感覚器であろう。そこで、カイコガの触角の電位(EAG)を測定し、それと能動サンプリング方式を組み合わせてフェロモン源の方向を推定する基礎的研究を行い、方向探知能力があることを確かめた。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1995 - 1996

【配分額】1,600千円 (直接経費: 1,600千円)

【研究分野】知能機械学・機械システム

【研究領域課題番号】06302041 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

昆虫 / 行動発現 / フェロモン / 移動ロボット / 神経回路網 / カイコガ / 定位行動 / 行動発現メカニズム / フリップ・フロップ

【研究成果の概要】

昆虫の行動の定量的解析やその動きを作り出す外骨格の詳細な構造については観察・計測方法の進歩によって次第に明らかになってきた.一方,行動の発現やその制御機構に関する中枢神経系の単一神経レベルでの研究も活発に行われている.
本研究では,サンプルとして入手しやすく,かつ中枢神経系を構成する神経細胞数が少なく,個体間でその同定が可能な昆虫(蚕蛾)をモデルシステムとして用い,その行動発現の神経メカニズムを,学習を用いて,移動ロボットの制御システムの中に作り上げることに成功した.
神崎は,行動発現およびその制御の中枢神経機構の研究を神経生理学,組織学,さらに行動学的に総合的に行ってきた.とくに,昆虫が匂い源に定位する際に示す定型的(本能的)なジクザグ行動の発現,制御に関連する中枢神経系の機能的経路や情報処理機構の枠組みを明らかにした.
三浦,下山は,雄の蚕蛾の触角を5ミリほど切り取り,両端からワイヤを差し込んでおくと,雌のフェロモンに非常に鋭敏に反応して,電気信号が取り出せることを見い出し,このようなセンサを2個,車輪付の移動ロボットに取り付け,雌の蛾のフェロモンを追跡させることに成功した.この移動ロボットに,上記の神崎が得たジグザグ行動を遺伝的アルゴリズムなどを用いて習得させたのである.神経回路としてはリカレントネットワークを用いた.最小8個の細胞数でジグザグ運動が習得できたのである.

【研究種目】総合研究(A)

【研究期間】1994 - 1995

【配分額】11,100千円 (直接経費: 11,100千円)

【研究分野】動物生理・代謝

【研究領域課題番号】05640761 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

昆虫 / 本能行動 / 下行性介在神経 / 匂い / フェロモン / 脳 / フリップ・フロップ / 定位行動 / カイコガ / ジグザグ歩行 / 嗅覚 / 配偶行動

【研究成果の概要】

ある種の昆虫は、同種の雌パートナーに定位するとき雌が放出する性フェロモンの匂いを鍵刺激としてジグザグ歩行や飛翔を示す。この行動は、中枢神経系にプログラムされており、嗅覚刺激によって発現する本能的行動と考えられる。鱗翅目昆虫のカイコガでは、このジグザグ行動は脳と胸部運動系を結ぶ2種類の下行性介在神経がフェロモン刺激に対して示すフリップフロップ(FF)的な神経インパルスパターンによって制御されていることが示唆された。FFとは元来、電子回路を構成する記憶機能を持つ基本的な素子の動作を示すが、これと類似の動作特性がカイコガの中枢神経系で形成され、その活動がジグザグ行動を誘発する本能行動の制御と関連することが予想される。
本研究では、カイコガのFF神経情報の機能と形成メカニズムを神経生理学、形態学、行動学的手法によって解析し、本能行動の発現および制御機構の解明を行った。
1.行動:(1)風洞装置によるカイコガの歩行軌跡の解析、(2)胸部を拘束してジグザグ歩行を行わせる行動装置を考案し、行動を高速度撮影し、その画像を解析することによってジグザグ歩行やそれに伴うはばたき運動を解析した結果、このプログラムは歩行ばかりでなくはばたき運動も同時に制御する可能性が示唆された。
2.神経形態の同定:カイコガのFFや他の応答パターンは、下行性介在神経は腹髄神経索によって胸部運動系(細部神経節)に伝達される。コバルトなどの色素をVNCの断端から逆行性に取り込ませることにより、これらの下行性介在神経の脳内分布が明かになった。さらに、複数の鱗翅目昆虫においても類似の下行性介在神経が存在したことから、カイコガと類似の神経回路の存在が広く鱗翅目昆虫に存在することが示唆される。
3.生理学的特性:吸引電極により、FF応答と頸神経の応答を同時記録した結果、両者で活動パターンが同期することが判明した。これは、FF応答がジグザグ行動を制御することを示唆する一つの証拠である。また、これらの下行性介在神経は脳内のLALという特殊な領域間での相互抑制的な機構によりFF応答が形成される可能性がある。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1993 - 1994

【配分額】2,000千円 (直接経費: 2,000千円)