FlyBox: 果実バエの行動を研究するためのツール

近年、科学者たちは果物バエのような小さな生物の行動を研究するためのツールを開発してきた。その中の一つがFlyBoxっていうやつ。これは研究者が単独の果物バエの活動を監視するのを助けるために作られたシンプルなシステムなんだ。基本的なアイデアは、これらのバエを小さな容器に入れて、ビデオカメラで観察すること。目的は、これらの小さな生き物がさまざまな条件下でどう行動するのかをよりよく理解することだよ。

#FlyBoxの起源

FlyBoxのコンセプトは、あるラボで生まれた。Fang Guoというポスドク研究者が、ゼブラフィッシュの幼虫が似たような機器で研究されているのに気づいたんだ。その仕事にインスパイアされて、彼は果物バエ専用のデバイスを作った。このFlyBoxの設計は、さまざまなタイプの研究を可能にした。研究者たちは、バエがどう動くか、光にどう反応するか、さらには脳細胞がさまざまなタイプの刺激にどう反応するかを研究できるようになった。

FlyBoxが注目されるようになると、ラボのチームはこのツールをより多くの人々と共有したいと考え、特にドロソフィラ研究コミュニティと繋がろうとした。彼らはいくつかの試みを重ね、一度に多くのFlyBoxを作れる生産ラインを作ろうとした。最初の試みにはFangとJaeという学生が参加したんだけど、彼らのアイデアを形にするためにエンジニアのサポートも受けた。Jaeはビジネスを始めてFlyBoxを売ることに意欲的だったけど、他のメンバーは学校での教育に役立つかどうかを見たかったんだ。

#直面した課題

熱意があったものの、生産の試みは幾つかの課題に直面した。主な問題の一つは、チームの焦点が定まらず、メンバーが主要な研究タスクに忙殺されていたこと。彼らは数個のFlyBoxを作っただけで、進行を妨げる障害にぶつかってしまった。これは関係者全員にとって落胆の原因となり、FlyBoxの開発は一時中断された。

その後、新しいグループで再挑戦した。AlbertとMaxという二人の学生が多くのFlyBoxを作ることを担当したが、彼らもまた組み立てラインを管理するための時間とスキルを見つけるのに苦労した。さらに、経験を積むうちに、デザインに修正が必要な欠陥があることにも気付いた。例えば、箱が適切に密閉されていなくて、オーバーヒートしてしまうことがあった。これでは高価な機器なしで効果的に動作するデバイスを作るという目標を達成できなかった。

#新しいアプローチ

2021年末、同僚との会話から新たな戦略が生まれた。彼はエンジニアリングプロジェクトで学生が働く特別なプログラムを持つ大学に連絡を取ることを提案した。これにより、FlyBoxの再設計に向けた新たなスタートを切ることができた。チームは資金を確保し、プロジェクトを引き受けるエンジニアリング学生のグループを組織した。

新しいグループは、教授と異なるスキルを持つ数人の学生で構成されていた。彼らは学年を通じて協力して、新しい改善されたFlyBoxを作り上げた。この協力の終わりには、以前の多くの問題が解決され、わずかに小さな問題だけが残った。

翌年、ラボは新しいFlyBoxの製作を始めた。数人がこの努力に参加し、約1ダースのユニットを生産することができた。それぞれのFlyBoxは1、2日で組み立てられ、部品のコストは約750ドルだった。いくつかの課題は残っていたものの、新しいFlyBoxは果物バエの活動を監視するのにうまく機能した。

#FlyBoxの特徴

FlyBoxはシンプルな設置だ。果物バエを置くための標準的な多孔プレートを使用している。全体のシステムはカメラがバエの動きを追跡する閉じたチャンバーを持っている。カメラは特別なソフトウェアを動かすコンピュータに接続されていて、データを記録するのを助ける。この設置は柔軟で、研究者が様々な数のバエを観察できるようになっていて、蚊のような大きな昆虫も観察できるんだ。

長時間の実験の場合、バエを生かしておくことが重要だ。プレートの孔には水と砂糖を混ぜたゲルを流し込んで、バエに食べ物と水分を提供することができる。このゲルによってカメラはバエを正確に記録できるようになっていて、干渉がないんだ。

#オープンソースデザイン

FlyBoxの目標の一つは、誰でも使えるようにすることだった。デザインはオープンソースだから、誰でも計画を見たり、自分のFlyBoxを作ったりできるんだ。構造は三つの主要なセクションから成り立っている。上のセクションにはカメラとライトがあり、中間のセクションにはプレートが置かれる。下のセクションには赤外線ライトがあり、暗闇でバエを記録することができる。

FlyBoxのライトは昼夜を模倣できるから、バエが光の変化にどう反応するかを研究するのに重要なんだ。さらに、特定の色の光を使ってバエの神経活動を制御することもできる。この意味は、研究者が異なる光設定を使ってバエがどう行動するかを調べることができるということだ。

#データ収集を簡単にする新しいソフトウェア

物理的なデザインとともに、データ収集を簡単にするためにFlyBoxScannerという新しいソフトウェアが開発された。このソフトウェアは、バエを追跡してデータを集めるために複数のステップが必要だったより複雑なプロセスを置き換えるものだ。FlyBoxScannerは追跡を自動化し、バエの活動を簡単に記録することができる。

このソフトウェアはチャンバーをセクションに分けて、特別なアルゴリズムを使って各バエの位置を検出する。新しい画像がキャッチされるたびに、リアルタイムでバエの動きや行動を追跡する。この新しいアプローチは時間を節約し、研究者にとってプロセスを簡素化している。

#バエの行動を理解する

FlyBoxは果物バエの自然な活動パターンを研究するのに使えるんだ。果物バエは夜明けと夕暮れに最も活発になることで知られている。これらのパターンを観察することで、研究者たちはバエが光がない状態でも活動リズムを維持していることを学んだ。研究によれば、バエを常に明るい状態や暗い状態に置くことで、彼らは一貫した行動を示すことができる。

研究者がFlyBoxを使って明暗のサイクルを模擬した時、バエは予想される時間により高い活動レベルを示した。これは、光の設定がバエの自然な行動をうまく促したことを示している。

さらに、FlyBoxは睡眠不足を模倣する実験も可能にしている。例えば、バエを夜間に光の中で保持すると、彼らはより活発になり、眠る時間が減る。これは光が果物バエの睡眠習慣にどのように影響するかを示していて、人間にも同様の影響があることがわかる。

#FlyBoxにおけるオプトジェネティクス

FlyBoxはまた、バエの神経活動を制御できる特別なLEDを備えている。研究者たちはバエの中で光感受性のタンパク質二種類をテストした。赤い光にさらされたとき、特定の神経がより活発になり、バエの行動に影響を与えた。一方、緑の光はその神経を抑制し、バエがより多く眠ることにつながった。

実験中、赤い光感受性タンパク質を持つバエは、他の条件に比べて赤い光の下で活動レベルが低下した。しかし、緑の光感受性タンパク質を持つバエは、緑の光が照射されると活動が減少した。これらの結果は、FlyBoxが光が神経活動や果物バエの行動にどのように影響するかを研究するための貴重なツールになる可能性を示している。

#結論

FlyBoxは果物バエの行動研究において重要な進歩だ。これにより、これらの小さな生物の動きや活動を監視・分析するプロセスが簡素化される。オープンソースのデザインによって、より多くの研究者や教育者がこのツールにアクセスして使用できるようになるんだ。

FlyBoxを使った実験を通じて、研究者は果物バエの自然な行動、睡眠パターン、光が活動に与える影響についての洞察を得ることができる。ハードウェアと新しいソフトウェアの組み合わせは、データ収集を楽にし、これらの生物がさまざまな刺激にどう反応するかを理解するのを促進する。

全体的に、FlyBoxは生物学の分野で活動監視をよりアクセスしやすく、効果的にするための重要なステップを表している。