昆虫の動きモデルを通じた固有受容感覚の理解
この研究は、コンピュータモデルを使って、昆虫の運動における固有受容器の役割を明らかにしているよ。
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目次
体性感覚って、自分の体のパーツがどこにあるか、どう動いてるかを感じる能力のことだよ。これって、体の「第六感」って呼ばれることもあるんだ。この感覚があるから、歩いたり物を取ったり、ただ立ってるだけでもできるんだ。目を使わなくても、自分の手足がどういう位置にいるかがわかるんだよ。
私たちの体には、体性感覚を助ける特別な細胞、プロプリオセプターっていうのがあって、これが筋肉や関節の情報を脳に送ってくれる。どれぐらいの力が使われているか、関節の角度、どれくらいの速さで動いているかを教えてくれるんだよ。昆虫には、これらのプロプリオセプターが体中にあって、外殻にくっついてることが多いんだ。
プロプリオセプターの種類
いろんな種類のプロプリオセプターがあって、さまざまな物理的変化を感じ取るようになってる。関節にかかる力を検知するものもあれば、関節の角度や動いている速さを特定するものもある。これらのセンサーが脳に情報を送ると、それが組み合わさって体の動きや位置の全体像ができるんだ。
昆虫の体には、いろんなところにプロプリオセプターがあるよ。例えば、毛の生えてるところや、関節の角度や動きを感じるためのコルドトナル器官にもある。各プロプリオセプターは、自分の特別な設定を持っていて、手足や他の体の部分の位置や動きの変化にすごく敏感なんだ。
動きにおけるプロプリオセプションの役割
プロプリオセプションはスムーズな動きに欠かせない。反射をコントロールするのにも役立って、動きのタイミングを正しくするんだ。例えば、昆虫が歩くとき、プロプリオセプションが脚や触角の動きを調整して、バランスのとれた効率的な移動を実現するんだ。脳はプロプリオセプターからの情報を使って、各手足の位置や他の部分との関係でどう動くべきかを追跡してる。
このプロセスの重要な部分は、脳が手足の位置や動きを表現する能力だよ。昆虫の中では、特定の神経細胞、インターニューロンがプロプリオセプターからの信号を処理する役割を担ってる。このインターニューロンがセンサーからの情報を脳が動きを調整するために使えるように変換してくれるんだ。
プロプリオセプションのモデルを作る
プロプリオセプションがどう機能するかを研究するために、研究者たちは神経が情報を処理する様子を模倣したコンピュータモデルを作ってる。1つのアプローチは、スパイキングニューラルネットワーク(SNN)というタイプの人工ニューラルネットワークを使うこと。これは、生物の神経が感覚入力に反応する方法を再現するために設計されてるんだ。
SNNの目的は、プロプリオセプターからの情報を処理して、昆虫がどう動くかを理解するために役立つ形で手足の動きを表現することだよ。研究者たちは、プロプリオセプションの感覚信号がどう処理されるか、そしてその情報がどう行動に繋がるかに焦点を当ててる。
SNNの動作方法
SNNは層になってる。最初の層は、昆虫の関節が動くときにプロプリオセプターからの信号を処理する。この層では、多くのセンサーから情報が集められて、関節の角度の変化やかかる力をキャッチするんだ。次に、SNNはこの情報を手足の動きを表す電気信号に変える。
SNNの2層目は、最初の層から受け取った情報に基づいて、手足の位置と速さをエンコードする役割をしてる。この層は、最初の層から学んだことを使って、各関節の位置が時間と共にどう変わるか、どれくらいの速さで変わるかを決定するんだ。
プロプリオセプションのエンコーディングの課題
研究者たちはこのモデルを設計するにあたって2つの主な課題に直面したよ。1つ目の課題は、プロプリオセプターが刺激の急な変化にどう反応するかだ。昆虫では、プロプリオセプターは変化が速いか遅いかによって異なる反応を示すことがある。だから、脳に送られる信号は、単に手足の位置だけでなく、その位置がどれくらい速く変わっているかも表すことがあるんだ。
2つ目の課題は、プロプリオセプターが通常、自分の特定のエリア内のローカルな変化だけを信号化することから生じるよ。このローカルな性質のために、複数のプロプリオセプターからの情報を組み合わせて、手足の動き全体を把握する必要がある。研究者たちは、さまざまなセンサーから受け取った混合信号の中から、位置または速さを正確に記録できるようにモデルを調整する方法を見つける必要があったんだ。
データ収集とモデル評価
SNNを開発してテストするために、研究者たちは実際のシタツグリの動きから集めたデータを使ったよ。彼らは、昆虫が歩いたり登ったりしている間に、複数の関節の動きを追跡して、間の角度を記録したんだ。このデータは、SNNの正確さと効果を評価するための指標を提供してくれた。
研究者たちは、シタツグリの脚の関節にある毛の中に特定のセンサーを見つけた。関節の角度が変わると、毛の偏向が正確な測定を提供してくれて、モデルが手足の位置や動きを判断するのに役立つんだ。
SNNの構造
SNNは、昆虫の足の毛の反応をキャッチする最初の層から成り立ってる。このフィールドの毛は、関節の角度の変化に反応して、それを電気信号に変えるんだ。これらの信号は処理されて、昆虫の手足の位置を反映する反応が得られるよ。
SNNの2層目は、これらの信号を処理して、関節の位置や速さに関するさらなる情報を引き出す。ここでは、位置ニューロンと速さニューロンの2種類の神経が、どんな手足の動きでも、最初の感覚入力が複数のソースからのものであっても、全体像を提供できるっていう考えに基づいているんだ。
モデルから得られた結果
研究者たちは、SNNが手足の動きに関する情報をエンコードするのに効果的だったとわかったよ。位置ニューロンは、時間に伴う関節の角度を正確に反映し、速さニューロンは、それらの角度がどれくらい速く変化するかを効果的に記録していた。モデルは、昆虫のリアルな動きのパターンをシミュレートできて、実験で観察された自然な行動を再現するのに良い精度を示したんだ。
動きの理解への影響
この研究から得られた結果は、昆虫だけでなく他の生物、例えば人間にもおけるプロプリオセプションがどう機能しているかについて貴重な洞察を提供してくれるよ。プロプリオセプターが情報を送ったり処理したりする仕組みを理解することで、自然な動きを模倣するロボティクスの設計や、運動障害のある人たちのためのリハビリ技術の開発に役立つかもしれない。
このSNNがさまざまなタイプの感覚入力の相互作用をキャッチする様子は、プロプリオセプションシステムの複雑さを浮き彫りにするね。昆虫に見られるようなシンプルなシステムであっても、動きを評価して反応するための洗練されたメカニズムを持っている可能性があることを示唆しているんだ。
今後の方向性
今後の研究では、これらの発見を基に、さまざまなタイプのプロプリオセプターをテストしたり、追加の感覚入力を取り入れたりすることができるかもしれない。例えば、圧力や張力の変化を検知する他のセンサーが、プロプリオセプションの信号とどう相互作用するかを探ることも考えられるよ。
研究者たちは、より複雑な動きや行動のためにSNNを洗練する方法を検討するかもしれない。ネットワークのパラメータや構造を調整することで、異なる種の動きの微妙なニュアンスをより正確に捉えられる包括的なモデルを開発できる可能性があるんだ。
要するに、SNNのようなモデルを通じてプロプリオセプションを研究することは、生物が環境とどう相互作用するか、動きをどう調整するかを理解するための新しい道を開いてくれる。この知識は、最終的には技術や医学、そして生物システム全体への理解の進歩に寄与するかもしれないね。
タイトル: A spiking neural network model for proprioception of limb kinematics in insect locomotion
概要: Proprioception plays a key role in all behaviours that involve the control of force, posture or movement. Computationally, many proprioceptive afferents share three common features: First, their strictly local encoding of stimulus magnitudes leads to range fractionation in sensory arrays. As a result, encoding of large joint angle ranges requires integration of convergent afferent information by first-order interneurons. Second, their phasic-tonic response properties lead to fractional encoding of the fundamental sensory magnitude and its derivatives (e.g., joint angle and angular velocity). Third, the distribution of disjunct sensory arrays across the body accounts for distributed encoding of complex movements, e.g., at multiple joints or by multiple limbs. The present study models the distributed encoding of limb kinematics, proposing a multi-layer spiking neural network for distributed computation of whole-body posture and movement. Spiking neuron models are biologically plausible because they link the sub-threshold state of neurons to the timing of spike events. The encoding properties of each network layer are evaluated with experimental data on whole-body kinematics of unrestrained walking and climbing stick insects, comprising concurrent joint angle time courses of 6 x 3 leg joints. The first part of the study models strictly local, phasic-tonic encoding of joint angle by proprioceptive hair field afferents by use of Adaptive Exponential Integrate-and-Fire neurons. Convergent afferent information is then integrated by two types of first-order interneurons, modelled as Leaky Integrate-and-Fire neurons, tuned to encode either joint position or velocity across the entire working range with high accuracy. As in known velocity-encoding antennal mechanosensory interneurons, spike rate increases linearly with angular velocity. Building on distributed position/velocity encoding, the second part of the study introduces second- and third-order interneurons. We demonstrate that simple combinations of two or three position/velocity inputs from disjunct arrays can encode high-order movement information about step cycle phases and converge to encode overall body posture. Author summaryWhen stick insects climb through a bramble bush at night, they successfully navigate through highly complex terrain with little more sensory information than touch and proprioception of their own body posture and movement. To achieve this, their central nervous system needs to monitor the position and motion of all limbs, and infer information about whole-body movement from integration in a multi-layer neural network. Although the encoding properties of some proprioceptive inputs to this network are known, the integration and processing of distributed proprioceptive information is poorly understood. Here, we use a computational model of a spiking neural network to simulate peripheral encoding of 6 x 3 joint angles and angular velocities. The second part of the study explores how higher-order information can be integrated across multiple joints and limbs. For evaluation, we use experimental data from unrestrained walking and climbing stick insects. Spiking neurons model the key response properties known from their real biological counterparts. In particular, we show that the first integration layer of the model is able to encode joint angle and velocity both linearly and accurately from an array of phasic-tonic input elements. The model is simple, accurate and based, where possible, on biological evidence.
著者: Thomas van der Veen, Yonathan Cohen, Elisabetta Chicca, Volker Dürr
最終更新: 2024-09-29 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.09.27.615365
ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.09.27.615365.full.pdf
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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