米国の科学者らは、機械学習を利用して、小さなショウジョウバエに観察されるさまざまな行動に関与するニューロンのグループをマッピングするJAABAと呼ばれるコンピュータープログラムを開発した。
脳は神経細胞が絡み合った複雑な構造をしており、神経学者を悩ませ続けています。詳細な地図を作成することで、科学者は脳の解剖学を解明し、行動が神経学的にどのように現れるかを理解できるようになります。
キイロショウジョウバエ（Drosophila melanogaster）は、研究を始めるのに適した例です。この昆虫の脳はケシ粒ほどの大きさで、ニューロンの数は10万個です。一方、人間の脳は1000億個です。
ハエの生活における唯一の関心事は、熟した果物や野菜を探し出し、交尾することです。彼らの行動は単純ですが、それを理解するには依然として複雑な作業です。バージニア州アッシュバーンにある非営利の医学研究所、ハワード・ヒューズ医学研究所の研究者たちは、これは機械学習に適したタスクであると判断しました。詳細はCell誌に掲載されています。
これまでの研究で、ハエの脳の特定の領域と関連するニューロンが特定されていました。脳全体は異なるニューロン群に分割され、それらが活性化されることでハエは特定の行動をとることが示されました。
論文の共著者で、以前はハワード・ヒューズ医学研究所の研究員だったジョナサン・ヒロカワ氏は、「時には、ハエが一斉に円を描いて回ったり、まるでコンガ・ラインを組んでいるかのように互いに追従したりすることもある」と語る。
他のニューロンが発火すると、ハエは群がったり、互いに避け合ったり、追いかけたりしました。40万匹のハエの行動が撮影され、2万本の動画が作成されました。コンピュータープログラム「Janelia Automatic Animal Behavior Annotator（JAABA）」が、それぞれのハエの動きを追跡しました。
行動は手作業でラベル付けされました。500テラバイトを超えるビデオデータを用いて、特定の種類の動作を認識済みの行動に関連付ける分類アルゴリズムを学習しました。研究者たちは脳のどの領域が刺激されたかを把握しているため、詳細な脳マップを作成し、特定の行動に関与するニューロンを特定することができます。
脳地図がどのように作成されたか（画像提供：Robie et al）
研究者らは、メス同士の敵対的反応に関係する神経細胞を特定する新たな発見を報告した。
「メスの攻撃性についてはいくつか報告されているが、メスが他のハエを追いかけるという報告はない」と論文共著者のアリス・ロビー氏は述べた。
JAABA を使用することで、ジャンプ、歩行、羽ばたき、羽の手入れなど、一連の 14 の行動にどのニューロンが関連しているかを特定する何千もの結果が生成されました。
機械学習は、異なる変数間の関係性やパターンマッチングの学習に優れています。225日間のビデオ映像を人間が分析するには約3,800年かかると推定されていますが、JAABAなら数時間で分析できます。
「日中に収集したビデオを、夜間にマシンクラスターで処理しました。総計算時間はおそらく20年程度ですが、私のコンピューター上で自動的に並列処理することができました」と、論文共著者のクリスティン・ブランソン氏はThe Register紙に語った。
ブランソン氏は、現時点ではこの技術はショウジョウバエのような単純な動物にのみ適用可能であると説明した。
これらの手法は、ショウジョウバエのようなモデル生物でしか実際には実行できない遺伝子操作に基づいています。しかし、より単純な生物の研究によって発見される神経計算の一般原理が、人類にも共有されることを期待しています。
ロビー氏は、今回の新たな研究結果はAIと科学を融合させることの利点を示していると述べた。「生物学者とコンピュータ科学者を融合させると、まさにこのような成果が生まれるのです。」®
