ハエのバーチャルリアリティが人間の視覚について教えてくれること

視覚知覚科学の専門家であるデイモン・クラーク氏は、動物の脳が環境から得た情報をどのように処理し、再パッケージ化して、可能な限り有用な情報へと変換するのかを常に考えています。最近、彼はショウジョウバエ、発泡スチロールのボール、そして錯視を用いて、これらのプロセスを解明しようと試みています。これはすべて、ハエに動きを知覚させることで、人間の視覚の仕組みに関する貴重な手がかりが得られるかどうかを調べる実験の一環です。

「錯覚自体に奇妙なところは何もない、と私は言いたい。なぜなら、我々が知覚するものは何一つ現実ではないからだ」と、イェール大学で分子・細胞・発生生物学を教える准教授のクラーク氏は言う。氏はニューエイジ神学や水槽の中の脳の哲学を唱えているわけではない。長年の視覚システムの研究から、我々の知覚が実際に目の前にあるものとどれほどかけ離れているかをクラーク氏はよく知っている。例えば、ほとんどの人が木目や焦げたトースト、ポップコーンの天井に顔をどれほど頻繁に見ているかを考えてみよう。こうした表面自体に特別なところはないが、人間の脳は他の物体よりもはるかに迅速かつ容易に顔を認識できるように進化した。つまるところ、あの車のグリルを顔だと誤って思い込む脳は、どんな状況でも容易かつ迅速に人（敵味方問わず）を認識できる脳でもあるのだ。したがって、私たちが見ているものと実際に存在するものとの違いは、錯覚を見るときに最も明白かもしれませんが、脳が（時には間違った）結論に飛びつく能力は、視覚環境をうまくナビゲートする能力の基礎でもあります。

しかし、錯覚の奇妙さは、視覚の仕組みを理解するための強力なツールとなります。子供の頃にページをめくったことがあるかもしれない錯視――ヘルマングリッド、色彩残効、ミュラー・リヤー錯視など――は、科学者が私たちの視覚システムの謎を少しずつ解明するのに役立ってきました。これらの錯覚は、私たちの脳が文脈にいかに敏感であり、変化しない刺激にいかに容易に適応し、無視し始めるかを力強く示しています。

クラーク氏らは、周辺ドリフト錯視と呼ばれる錯視の一種を解明しようと試みました。これは、静止している模様を直接見ていないのに動いているように見える錯視です。具体的には、この錯視の比較的単純なバージョン、つまり、下の画像のように、リングの一部が白から黒へと滑らかに変化し、その後突然白に戻るという錯視に注目しました。錯視の横、つまり周辺視野に入る部分を見ると、リングが回転しているのが見えるはずです。素早く瞬きをすると、この効果はさらに高まります。

錯視を研究する多くの科学者とは異なり、クラーク氏はこの錯視をヒトや他の霊長類では研究しませんでした。代わりに、彼のチームはハエ、具体的にはキイロショウジョウバエ（Drosophila melanogaster ）を用いて研究しました。キイロショウジョウバエは、科学者の間では生物学実験での有用性で知られ、一般の人々の間では堆肥容器の周りに集まる習性で知られています。

人間の視覚錯覚を理解するためにハエを研究するのは奇妙なアプローチに思えるかもしれないが、クラーク氏にとっては非常に理にかなっている。「ハエと脊椎動物の視覚系、特に人間の視覚系には、動きを検知する方法に関して、非常に深い類似点が数多くあります」と彼は言う。どうやら人間とショウジョウバエは十分に類似しており、同じ錯覚を知覚しているようだ。今週、クラーク氏らは米国科学アカデミー紀要（Proceedings of the National Academy of Sciences）に論文を発表し、ショウジョウバエも周辺ドリフト錯覚の影響を受けやすいことを実証した。

ハエが白黒のリングを静止していると見ているのか、動いていると見ているのかを測定するために、研究者らはリングを空気のクッションの上に置かれた発泡スチロールのボールの上に置いた。ハエが動くとボールも動くので、ハエは実際に空間内を移動することなくどの方向にも走ることができた。「2Dのトレッドミルのようなものです」とクラーク研究室の大学院生で論文の主著者の一人である田中良介氏は言う。次に、ボール上のハエを270度のスクリーンで囲むことで、研究者らはハエに視覚刺激を見せて反応を観察できる「ハエVR」環境を作成した。特定の方向に回転する光景をハエに見せると、ハエは同じ方向に動いて補正しようとした。次に、ハエが周辺ドリフト錯視を見ることができるかどうかをテストするために、ハエを錯視で囲み、動きを補正しようとしているかのような行動をとるかどうかを観察した。そして彼らはそれを実行した。人間が時計回りに回転していると知覚する錯覚に反応して、ハエも発泡スチロールのボールの上で時計回りに回転しようとしたのだ。

クラーク研究室のポスドクで、論文のもう一人の筆頭著者であるマルガリーダ・アグロチャオ氏は当初、何か発見があるかどうか懐疑的だった。「実験を行い、コンピューターで分析を行うと、ハエは何も見ていないだろうという仮説が立てられるかもしれません。もしかしたら、ハエの行動は非常に微妙で、実験のノイズと区別できないかもしれません」と彼女は言う。しかし、実験は明確な結果を示した。「ハエが常に特定の方向にボールを回転させていること、そして刺激を逆にするとハエが反対方向に回転することを実際に示すデータを見ることができたのです」と彼女は続ける。「素晴らしいことでした。それは始まりでした」

「それ自体が本当に驚くべき発見です」と、この研究には関わっていないフリンダース大学の神経科学教授、カリン・ノルドストローム氏は語る。「様々な視覚錯覚をGoogleで検索すると、ほとんどの人が最初に目にする項目の一つです。そして、ハエで同じ錯覚を再現できたことに、本当に感銘を受けました。」

しかしクラークは、ハエがこの錯覚を経験することを実証するだけでは終わらなかった。彼と同僚たちは、ハエだけでなく、おそらく人間にもこの錯覚がどのように機能するかを詳細に分析した。特定の視覚的錯覚がどのように機能するかを明確に実証できた科学者はほとんどいない。ありふれた錯覚には必ず理論が存在するものの、証明するのは極めて困難だ。「どんな種類の錯覚であっても、その因果メカニズムがわかっているケースはごくわずかです」とクラークは言う。その理由の一つは、人間の脳の研究が非常に難しく、単一ニューロンレベルで研究することが不可能だからだ。

田中氏はこの課題をよく理解している。ハエの研究に移る前は、人間を研究していたのだ。神経科学者が人間の脳内でのプロセスの仕組みを解明しようとする際、機能的磁気共鳴画像法（fMRI）と呼ばれる手法を用いる。これは、脳の様々な領域への血流を追跡する。血液は脳が機能するために必要な資源を運ぶため、血流が多い領域は一般的に活動が活発だ。田中氏はこの手法を、コンピューターが動画を再生する仕組みを理解するために、どのコンポーネントが特に活発に働いているかを特定しようとする単純な方法に例える。「MRIは基本的に、コンピューターに手を入れて、様々な部品に触れるだけです」と彼は言う。「そして、『ああ、コンピューター内のこの特定の部分が熱くなっている。だから、動画の表示に関係があるかもしれない』とでも言うのでしょうか」。しかし、触覚がコンピューターの仕組みを理解するための特に正確な方法ではないのと同様に、fMRIも脳を理解するための限られた手法である。fMRIは局所的な情報を示すことしかできず、どの特定のニューロンが活動しているかを正確に特定することはできない。

田中氏は、ヒト研究における技術的な障壁に苛立ちを覚えるようになった。「ヒトの研究は、まるで堂々巡りをしているような気がしました」と彼は言う。彼にとって、ハエの研究は、興味深い視覚現象をより詳細なレベルで研究する方法なのだ。「ハエは、行動の複雑さ、あるいは興味深さと扱いやすさのバランスが取れた、ちょうど良い研究対象です」と彼は言う。「計算を理解する上で本当に重要な解像度にまで到達できるのです」

回転するリングの錯視に直面したハエがどのように行動するかを研究チームが解明すると、研究者たちは「何を」研究する段階から「どのように」研究する段階に移ることができました。そしてハエの場合は、人間とは異なり、さまざまなツールを自由に使えるのです。「ハエの場合は、ニューロンをオフにするという魔法のようなことが可能です」と、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のシニアグループリーダーで、この研究には関わっていないマイケル・ライザーは述べています。ハエの脳に作用するように設計された遺伝子操作を使用することで、非常に特定のニューロンのサブセットを選択的に不活性化することができます。あるニューロンセットをオフにすると特定の行動が変化するのであれば、それらのニューロンがその行動に何らかの役割を果たしていることはほぼ間違いないでしょう。

具体的には、クラーク氏らの研究チームは、ハエの脳にあるT4ニューロンとT5ニューロンと呼ばれる2つのニューロン集団に注目しました。どちらも動くエッジに敏感ですが、T4ニューロンはエッジの明るい側に、T5ニューロンは暗い側に敏感です。重要なのは、エッジが静止している場合でも、T4ニューロンとT5ニューロンは両方とも活性化しているものの、ほとんどの場合、互いに打ち消し合うことです。

研究者らがT5ニューロンを遺伝的に不活性化したハエにこの錯覚を提示したところ、ハエは以前と同じ方向の動きをより強く知覚し、発泡スチロールのボールの上でその方向にさらに熱心に動いた。しかし、T4ニューロンを不活性化したハエで実験したところ、ハエは反対方向に動いた。このことから、研究者らは何らかの理由でT4ニューロンがT5ニューロンを支配しているという結論に至った。

T4ニューロンとT5ニューロンは静止画像に対して通常、実質的な効果を示さないのに、なぜこのような結果になるのでしょうか。クラーク氏と彼のチームには、ある理論があります。ほとんどの自然風景では、エッジはどちらの方向を向いている可能性も同程度です。明るい領域が暗い領域の右側にある頻度も、暗い領域が明るい領域の右側にある頻度も同じです。そのため、これらのエッジのそれぞれに対してT4ニューロンがわずかに優位に立っているとしても、それらのT4ニューロンの一部は左への動きがあると示唆し、同数のT4ニューロンは実際には右への動きがあると主張しています。全体的な結果として、画像は静止しているように見えます。しかし、周辺ドリフト錯視では、リングの周りのすべての鋭いエッジが同じ方向を向いています。色は徐々に暗い色から明るい色へ、そして突然再び暗い色へと変化し、これを何度も繰り返します。そして、これらの明暗の鋭いエッジは、T4ニューロンがすべて同じ方向への動きを示していることを意味しています。つまり、すべてのT4ニューロンが協力して、ハエに自分が動いていることを伝えているのです。

しかし、人間の脳では何が起こっているのでしょうか？人間の脳にはT4ニューロンやT5ニューロンは存在しませんが、本質的に同じ役割を果たすニューロンは存在します。これらのニューロンを末梢ドリフト錯視と関連付けるのは困難です。人間のニューロン群をオフ状態にすることは不可能であり、そのような遺伝子改変は出生前に行われなければならないからです。しかし、少しの工夫で、同様のサイレンシング効果を可逆的かつ非侵襲的に得ることができます。特定の刺激を十分長く見続けると、脳はそれに反応しなくなります。このプロセスは適応と呼ばれます。クラーク氏は「これは貧乏人のサイレンシング実験のようなものだ」と言います。

そこで田中氏は、人間の神経科学のバックグラウンドを活かして、エッジの明るい側または暗い側が前進するのを人々に見てもらい（それぞれT4およびT5様ニューロンを「沈黙」させる）、その後の周辺ドリフト錯視で見た動きを報告するという実験をコード化した。

実験がうまくいくかどうかを見るのに、長く待つ必要はなかった。「人間の心理物理学実験の素晴ら​​しいところは、自分自身で試すだけで、1時間で結果が得られることです」と彼は言う。「週末にそれを急いで書いて、研究室で誰も使っていない隔離された部屋で試したんです。」田中氏は、スクリーンの周りを光の形が進むのを観察し、次に同じスクリーンで周辺ドリフト錯視を観察することで、自分のT4様ニューロンを「沈黙」させた。彼は、リングが通常とは逆方向に動いているように見えると知覚した。「基本的に、自分の脳がハエと同じことをしているのを見たんです。だから、それが本当に、このプロジェクトで最も興奮した瞬間でした」と彼は言う。田中氏がさらに11人で実験を試したところ、同じ結果が得られた。

田中氏らは、この実験がヒトとハエで全く同じように錯覚が働くことを証明しているとは断言していない。しかし、それでも彼らは、この結果は非常に示唆に富むと考えている。「ショウジョウバエで見られるものと同様のメカニズムが、私たちの実験に基づいてヒトでも起こっている可能性があると言えます」とアグロチャオ氏は言う。「それが起こっていると正確に証明できるでしょうか？いいえ。しかし、実験は、そのようなメカニズムがヒトでも機能する可能性があることを示唆しています。」

ノルドストローム氏は、研究者たちがハエと人間の視覚を結びつけたことに、必ずしも驚きはしなかったものの、感銘を受けた。「ハエが世界を視覚的に捉える方法と人間が捉える方法は、非常によく似ています。私たちの目は全く異なるため、これは本当に驚くべきことです」と彼女は語る。「ハエの目はカメラのような形をしています。何千ものレンズを持つ巨大な複眼で、光受容体も異なります。しかし、脳の仕組みを理解すると、ハエと人間は非常によく似ていることがわかります」。クラーク氏と彼のチームは、こうした類似点を利用して、人間の周辺ドリフト錯視の仕組みに関する有望な仮説と、示唆に富む証拠を提示することができたと彼女は語る。

話はそこで終わってもよかった。しかし、この研究にはもっと深い謎が隠されている。なぜ人間とハエの視覚は同じように機能するのだろうか？「動きを検知できる目のようなもの、ちゃんとした目を持った共通の祖先がいたとは考えられません」とライザー氏は言う。では、どういうわけかハエと人間はそれぞれ、動きを知覚するための似たようなシステムを進化させたのだ。なぜだろうか？おそらく、ハエと人間は同じ自然環境を見るように進化したからだろう。

「人間は同じような視覚環境に対処するように進化してきたため、脳内で似たような計算能力を発達させたのです」と田中氏は言う。まだ解明されていない何らかの理由で、光に敏感なニューロンと暗に敏感なニューロンの動きを検知する仕組みのわずかな違いが、進化する動物の生存に役立った。こうした非対称性は通常は検出不可能だが、錯視のような奇妙で不自然な刺激によって、その非対称性が引き出されることがある。

あらゆる生物学的問題を解決する方法は一つではありません。ハエと人間は周辺ドリフト錯視を全く異なる方法で認識する可能性があり、あるいは全く異なる理由で同じように認識する可能性もあります。しかし、クラーク氏と彼のチームは、少なくともこのケースにおいては、ハエと人間はほぼ同じであることを示す大きな一歩を踏み出したのかもしれません。

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