猿類の自由な活動中の視覚行動研究：革新的な眼動追跡システムの開発と応用

学術的背景

視覚システムは、特に大脳皮質内の視覚経路のメカニズムにおいて、霊長類の神経系の中で最も深く研究されている領域の一つです。しかし、現在までに霊長類が現実世界の環境で自由に活動し、探求する際の視覚機能に関する研究は非常に限られています。この研究の空白は、主に自由に活動する個体の目の動きを正確に、高速かつ高解像度で追跡できる技術の欠如によるものです。従来の研究方法では、通常動物を頭部固定して実験室内で観察するため、自然な行動における視覚システムの理解が制限されていました。したがって、動物の自由な活動を制限せずに目の動きを正確に記録できる技術を開発することは重要な研究方向となりました。

論文の出典

「Active vision in freely moving marmosets using head-mounted eye tracking」と題されたこの研究論文は、Vikram Pal Singh、Jingwen Li、Kana Dawson、Jude F. Mitchell、Cory T. Millerによって共同執筆されました。著者はUniversity of California San Diego（カリフォルニア大学サンディエゴ校）とUniversity of Rochester（ロチェスター大学）からそれぞれ所属しています。この研究は2025年2月3日に『PNAS』（Proceedings of the National Academy of Sciences）誌に掲載されました。

研究プロセス

革新的な眼動追跡システムの開発

霊長類が自由に活動する際の視覚行動を研究するために、研究チームは「Cerebro」と呼ばれる無線ヘッドマウント型眼動追跡システムを開発しました。このシステムは、ヘッドピースモジュールとバックパックモジュールの2つの主要なモジュールで構成されています。ヘッドピースモジュールには、動物の頭部に固定され、目の動きや前方のシーンを記録するカメラユニットが含まれています。バックパックモジュールには、カメラの同期化、画像の取得、データの保存を行う電子機器が含まれています。システム全体の重量は約60グラムで、動物の活動にほとんど影響を与えません。

自然環境での照明条件の変化による眼動追跡への干渉を解決するために、研究チームは人工ニューラルネットワーク（Artificial Neural Network, ANN）に基づく瞳孔検出アルゴリズムも開発しました。このアルゴリズムはU-Netと呼ばれるセマンティックセグメンテーションネットワークを使用し、異なる照明条件下でも動物の瞳孔位置を正確に検出することができます。

実験対象と方法

研究では、2匹の若い普通コツメザル（marmosets）を実験対象として使用し、頭部固定状態と自由活動状態という2つの異なる条件下で実験を行いました。頭部固定状態では、動物は椅子に固定され、画面に表示される視覚刺激（例えば、点滅する点や移動する光格子）を通じてその視覚ニューロンの調和特性を研究しました。自由活動状態では、動物は開放的な矩形フィールドに置かれ、自由に移動し、環境を探求しました。Cerebroシステムを使用して、動物の目の動き、頭部の動き、身体の動きを記録しました。

システムの精度を検証するために、研究チームは校正実験も行いました。頭部固定状態では、動物は画面上の異なる位置にあるコツメザルの顔の画像を見ることで眼動追跡システムを校正しました。自由活動状態では、研究者はレーザーを使用して画面上に幾何学的な形状を描き、動物が自然環境で視覚目標を見つけるのを模倣することで、システムの精度を評価しました。

データ分析

研究は、眼動軌跡、頭部の動き、身体の動きのデータを解析し、自由活動状態での動物の視覚行動特性を量化しました。特に、研究チームは動物が2つの行動状態（固定位置で環境をスキャンするstationaryとフィールド内で移動するlocomotion）での視覚の安定性に注目しました。眼動と頭部の動きの相関係数を計算することで、前庭眼動反射（vestibulo-ocular reflex, VOR）が視覚の安定性に果たす役割を評価しました。

主要な結果

1. 眼動追跡システムの性能 Cerebroシステムは、頭部固定状態での眼動追跡精度が0.05度に達し、伝統的な頭部固定眼動追跡システム（例：Arrington眼動計）と同等でした。自由活動状態では、システムの中央値の誤差も1度以内に保たれており、自然環境での応用可能性を示しました。

2. 視覚行動の特性 自由活動状態では、コツメザルの眼動範囲は頭部固定状態よりも有意に大きくなり、これは頭部固定状態での眼動範囲がより運動の好みであることを示唆しています。また、自由活動状態では動物の頭部と眼動の振幅が増加しましたが、視覚の安定性は低下せず、特に移動時には視覚の安定性が向上していました。この結果は、動物が移動中に前庭眼動反射の利得を増加させることで視覚の安定性を維持することを示しています。

3. 前庭眼動反射の役割 研究は、自由活動状態で前庭眼動反射が重要な役割を果たしていることを示しました。特に、動物が移動する際に眼動と頭部の動きが負の相関を持つことで、頭部の動きによる網膜の安定性への影響を打ち消すことが助けとなっています。このメカニズムは、霊長類の自然な視覚行動において重要な役割を果たしています。

結論

この研究は、革新的なヘッドマウント型眼動追跡システムを用いて、初めて自由に活動するコツメザルの視覚行動と神経活動を定量的に解析しました。研究結果は、霊長類が自然状態で頭部と眼動を調整して視覚の安定性を維持すること、特に移動時に視覚システムの予測性と安定性が有意に向上することを示しています。この発見は、霊長類の視覚システムの理解を深めるとともに、自然行動中の神経メカニズムを研究するための重要な技術と方法論的支援を提供します。

研究のハイライト

1. 技術革新：Cerebroシステムは、自由に活動する霊長類で高精度の眼動追跡を可能にする最初の装置であり、自然環境での従来の方法の制限を解決しました。
2. 科学的価値：研究は、霊長類が自由に活動する際の視覚行動の特性、特に視覚の安定性に前庭眼動反射が果たす重要な役割を明らかにしました。
3. 応用の展望：このシステムは、他の霊長類や人間が自然状態での視覚行動を研究するために広範な応用の可能性を持っています。

その他の有用な情報

研究チームはさらに、このシステムを利用してコツメザルの社会的知覚とその神経メカニズムを研究する計画があります。特に自然環境下で視覚システムが他の感覚システムとどのように協調して働くかを研究します。また、このシステムは、ネズミやラットなどの他の動物の自然な視覚行動を研究する新しい技術手段を提供します。

この研究を通じて、我々は霊長類の視覚システムをよりよく理解するだけでなく、今後の神経科学研究の新たな方向性を開拓します。