ヴァージニア工科大学（Virginia Tech）のリン・リー（Ling Li）博士率いる国際チームが、興味深い疑問を提起している。それは、ヒザラガイという水中生物が何千もの小さなアラゴナイトの目を持つことで、どんな世界観を持っているのかというものだ。
リー博士は、機械工学科の准教授であり、このユニークな生物の視覚能力に関する研究を率いるために、105万ドルの資金を3年間で授与された。彼のチームには、かつての共同研究者であるサウスカロライナ大学のダニエル・シュパイザー（Daniel Speiser）博士も含まれている。さらに、国際的に著名な応用数学者で画像処理に精通したズーゼ研究所（Zuse Institute Berlin）のダニエル・バウム（Daniel Baum）博士も専門知識を提供することになる。
石のような目は何を見、何を意味するのか
海洋生物であるヒザラガイの石のような目に注目した研究チームは、この生物の興味深い特性について探求しています。ヒザラガイは錠剤のような形状を持ち、硬い外殻と柔らかい内殻が重なり合って構成されています。この貝殻はアラゴナイトと呼ばれる炭酸カルシウムでできており、真珠の主成分の一つでもあります。ヒザラガイは周囲を観察するために、貝殻の装甲板に何千もの小さな石の目を埋め込んで使用しています。
ヒザラガイの視覚については、シュパイザー博士が早くから研究を進め、画像を見る能力についての考察を行ってきました。リー博士はマサチューセッツ工科大学（MIT）で博士号を取得後、ハーバード大学でのポスドク研究中にシュパイザー博士と共同研究者となり、彼の初期研究を発展させ、ヒザラガイの目がどのように機能するのかを追求しました。彼らはヒザラガイのアラゴナイトレンズを直接覗くことができる実験装置を開発し、ぼやけてはいるが認識可能な形を見ることができることを示しました。
アラゴナイトの目は硬いため、多くの生物の柔らかい目のようにピントや見る方向を調整することはできません。初期の研究では、単一の石のような目の動作原理とそれに対応する構造的基礎が明らかにされましたが、視覚情報を処理する能力は個々の目を超えています。これらの硬い光学エレメントは、光感受性細胞と神経組織を収容する複雑な微視的チャンネル・ネットワークを通じて相互に接続され、統合された神経ネットワークを形成しています。ヒザラガイは視覚的なフィードバックを受け取りますが、各目が処理するデータ量は限られています。単眼はわずかな幅しか持たないため、ヒザラガイの視覚は高精細とは程遠いものです。
それでも、ヒザラガイの殻には数百から数千もの目が存在します。研究者たちは、これらのすべての小さな画像がヒザラガイの神経系に集められるのか、そしてそれらの断片を取り込んで全体像を形成することができるのか、また個々の目から得られる視覚情報がより高精細な画像として再構成されるのかという点に関心を寄せています。これらの謎めいたアイディアは、ヒザラガイの驚くべき視覚能力に関する理解を深める上で重要な鍵となるでしょう。
新しいチームで新しい疑問に答える
リー博士とシュパイザー博士は、この新たな疑問に挑むため、資金提供の機会を求めました。そして、ヒューマン・フロンティア・サイエンス・プログラムからの助成金を獲得しました。このプログラムは、国際的なパートナーシップを持つ斬新で学際的なアプローチを持つプロジェクトを支援し、生物学的な基本問題に対する革新的な研究を後押しするために研究資金を提供しています。
リー博士のチームは、過去にウニやヒトデのマイクロラティスなど、自然界のユニークな材料設計戦略を探求してきました。一方、シュパイザー博士はサウスカロライナ大学で動物生物学と生理学の分野で強力なプロジェクト・ポートフォリオを築いてきました。両者の研究室で培われた経験が、ヒザラガイの疑問を深く理解するための貴重な知識源となりました。
さらに、リー博士とシュパイザー博士は同僚の紹介を通じてバウム博士と出会いました。バウム博士はドイツの研究者であり、生物学的構造の画像解析と視覚化のバックグラウンドを持ち、ニューラルネットワーク・データの解釈と報告において重要な役割を果たします。彼の参加により、研究チームはパズルの最後の重要なピースを手に入れました。
ヒューマン・フロンティア・サイエンス・プログラムの支援を受けて、研究チームは単純な海産軟体動物であるヒザラガイが何千もの目からの視覚的フィードバックをどのように処理するのか、またそれらのデータをどのように統合して動きや危険を察知し判断しているのかを解明したいと考えています。そのために、数種類のシタビラメが研究対象とされる予定です。これにより、研究者たちは結果を比較し、ヒザラガイのユニークな分散型感知システムの動作原理を理解する上での重要な手掛かりを得ることが期待されています。
リー博士は、生物学的材料と3D材料特性の専門知識を駆使して、ヒザラガイの感覚ネットワークの高解像度3Dデータを取得する計画です。その後、バウム博士のチームが、リー博士のデータセットを解析してデジタルモデルを構築し、ネットワーク機能に関する仮説を立てる予定です。そして、シュパイザー博士のチームはそこから発展し、動物行動実験を通じて同僚の仮説を検証します。また、リー博士もこのプロセスに再び参加し、硬い物質と柔らかい物質がどのように連携して機能するかについての洞察を提供します。さらに、チームは損傷後の甲羅や眼の再生が分散型センシング・ネットワークの回復力にどのような影響を与えるかについても調査する予定です。
シュパイザー博士とバウム博士は、このプロジェクトの開始を熱望しています。シュパイザー博士は、「ヒザラガイの視覚の根底にある神経処理についてさらに学ぶことは、ヒザラガイが目を装甲システムに組み込むことによってその装甲システムを損なうことをどのように回避しているのか、また、数百から数千のセンサーからなる高度に分散したネットワークによって生じる代謝コストをどのように軽減しているのかを探る機会と同様に、非常にエキサイティングなことです」と述べています。
バウム博士も同様に、「これは、生物材料と視覚的生物システムの専門家2人による素晴らしいプロジェクトです。ヒザラガイの魅力的な視覚システムに光を当てる手助けをするために、画像解析と視覚化における私自身の専門知識を加えて、このプロジェクトを開始することをとても楽しみにしています」と語っています。このように、両者の専門的な経験と興味がプロジェクトを豊かにし、ヒザラガイの視覚システムの解明に向けて大きな進展が期待されます。
