昆虫科学が拓く新しい科学と技術

電気通信大学 脳科学ライフサポート研究センター セミナー

科学（脳の分析）処理装置（脳の再現）

昆虫
センサ・脳

昆虫とロボットの融合で探る脳科学～センサ・脳を創り，理解し，活用する～

京コンピュータ
脳

ニューロン

神経回路

「京」スーパコンピュータに脳を創ることによって，脳のしくみを理解し，活用する．

自然が進化を通して創りあげた
生物の脳を昆虫を対象に研究．
1mm

センサ（感覚機能再現）

ロボット（センサ/脳機能再現）神崎 亮平

脳の信号で動くロボット

東京大学 先端科学技術研究センター

生物のように“賢こく振る舞う”ロボットやクルマ，匂い源探索
ロボット，脳とロボットの融合システム（サイボーグ）を創る．

Research Center for Advanced Science and Technology

匂い源探索

センサ細胞

衝突回避

人工細胞センサ

遺伝子工学技術により，昆虫のセンサを再現することで，新しいセンサ技術を拓く．

地球に生きるさまざまな動物

地球に生きるさまざまな動物

地球に生きる
生物の種類の50％以上が昆虫

昆虫のセンサ・脳は
地球環境標準型

出典：放送大学，移動知，nerve，神崎研究室

出典：放送大学，移動知，nerve，神崎研究室

時々刻々と変化する環境に適応する能力は動物のもっとも重要な機能

時々刻々と変化する環境に適応する能力は動物のもっとも重要な機能

時 々 刻 々 と 変 化 する 環境 下で 瞬 時に行動 する

昆虫の脳（環境情報処理/行動制御装置）

触角

複眼

鼓膜

匂い・機械・温度湿度情報の検知

視覚による障害物や対象物検知

聴覚による音源定位

PC（前大脳）

環境情報

音

口・脚

VNC
（腹髄神経索）AL（触角葉）SOG（食道下神経節）

1mm

視床

味 光

味覚情報の検知AN（触角神経）

CE

環境
適応行動

匂
風

大脳皮質

中脳

翅・脚
飛翔・歩行・遊泳・ジャンプなどの運動能力

体毛
触覚（機械）情報の検知

生物の50％以上の種を占める昆虫は，自然環境下でおこるさまざまな問題を解決する手立て（センサ・脳処理・行動）を進化を通して獲得してきた．

小脳

橋
延髄
脊髄

ヒト

昆虫

（1011 神経細胞）（105神経細胞）

脳をつくる神経細胞（ニューロン）の形やはたらきは昆虫・哺乳類をとおして共通．

1

昆虫のセンサ・脳の基本的な特徴

昆虫の適応行動のしくみ

少数ニューロンにより構成される

感覚器

１．センサによる特徴抽出（ 脳神経細胞数：センサ数＝１：１ ）（ヒト：センサの数は脳神経細胞の0.1%以下）
行動修飾

２．脳による処理ステップ（階層）が少数

学習・記憶

３．記憶系は必要最小限

神経
修飾
物質

異種感覚統合（運動プログラムの修飾，微調整）

随伴
情報

脳

概日リズム

反

補

正

ネガティブ
フィードバック

射

プログラム
行 動

４．行動パターンの変容や切り替えは，運動プログラムの修飾やプログラム間の切り替え

行動指令

単純，速い，経済的

身 体

環 境

(行

(相互作用)

動)

Basic Network

エコな環境適応システム

Modification of the Network
Compensatory Network

モデル：カイコガの匂い源探索行動

Topics
1. 行動モデルとしてのカイコガの匂い源探索行動
・昆虫操縦型ロボットによる適応性の評価

2. 匂い源探索行動の神経機構とその活用
・サイボーグ昆虫と匂い源探索ロボットによる神経機構の検証
・神経回路の京コンピュータでの再現
・行動を解発する神経回路の制御

ボンビコール (Bombykol)
フェロモン腺3. 匂いセンサの構築と活用
・嗅覚受容体を用いた匂いセンサ構築

ボンビカール (Bombykal)♀
♂

カイコガ(Bombyx mori)

カイコガは，文科省「ナショナルバイオリソースプロジェクト(NBRP)」のバイオリソースの１つで，ライフサイエンス研究の基礎・基盤のモデル生物．

Advantages of the Silkmoth as a Model System
１．Access to Whole Brain Network from Sensory Input to Motor Output

昆虫脳研究アプローチ：脳を創り，理解し，活用する
in vivo 脳 （昆虫）

ニューロンデータベース

in silico 脳

Brain

行動

♀

♂

Sensory Input

Processing

分析

2． Analyses at Various Levels (Multiscale Analyses)

GFPmarked
NeuronGene

Networks

Behavior

評
価
・
検
証

昆虫-操縦型ロボット
昆虫脳-操縦型ロボット

昆虫脳モデル-操縦型ロボット

評
価
・
検
証

比較
Membrane potential(mV)

3． Synthesis (Integration)

Modeling

神経回路モデルシミュレーション脳

Ca Imaging

Neuron

統合

Motor Output

Premotor center

Simulation

Robot

生物-機械融合アプローチ

分析-統合アプローチ2

匂い源定位の行動戦略

匂い源探索は難問｢ファーブル昆虫記｣以来のなぞ匂いの空間分布匂い源探索の行動戦略
１．匂いによって起動するプログラム化された行動
２．プログラムは匂いを受けるたびにリセットされる
反射プログラム行動10 cm

直進 ジグザク歩行 ターン

回転
歩行

プルーム：匂いがある空間

生存者の捜索を行う災害救助犬(ウィキペディア）

昆虫の匂い源探索機能を搭載したロボットの能力
Opticalsensor高校生物教科書

環境下で時々刻々と変化する匂いの分布状態に依存して，プログラム化された
歩行パターンのセットとリセットを繰り返すことにより，匂い源を探索する．

匂い源からでた匂いは，絶え間なく複雑に分布する．
匂いを探すようなロボットはない．匂いセンサもないのが現状．

昆虫-操縦型ロボット

NHK教育高校生物，

Kanzaki, Sugi, Shibuya (1992) Zool Sci 9: 515
Kanzaki (1998) J Comp Physiol A 182: 267
Takasaki et al. (2012) J Comp Physiol A 198:295

FlashMemory

昆虫の匂い源探索機能を搭載したロボットの能力
昆虫-操縦型ロボット

カイコガ（パイロット）

昆虫-操縦型ロボット

MicroControllers

AirDC
motors風 (70cm/s)(Modified: Wyatt TD. Nature (1994) 369:98)

PWM (1kHz)

フェロモンの匂い源に定位する
カイコガ（左）と昆虫-操縦型ロボット(右）Emoto et al. (2007) Journal of Robotics and Mechatronics 19: 436
Ando et al. (2013) Bioinspiration & Biomimetics 8: 016008 (14pp)

Emoto et al. (2007) Journal of Robotics and Mechatronics 19: 436
Ando et al. (2013) Bioinspiration & Biomimetics 8: 016008 (14pp)

昆虫-操縦型ロボットは，光学センサが検出した信号に対して９３％以上の精度で移動できる．

昆虫-操縦型ロボットは，匂い源探索を適切に再現できる．

非対称ゲイン操作に対するカイコガとロボットの応答時間変化

応答遅れの匂い源探索行動への影響
匂い源定位の移動軌跡
start

応答遅れ：600 msec

匂い源への定位の成功率

goal

定位成功率(%)

応答遅れ：なし

90%
ゲイン 1 : 1

応答遅れ (ms)Gain
Manipulation

Recoverturn angular ratioof the moth (%)

応答遅れ：800 msec

100

100

50

50

0

0
Time (s)*P < 0.05(n=10)

Time (s)カイコガは視覚情報により，瞬時に（<１秒）で匂い源探索行動を補正する．

500msecの応答遅れ操作をしたロボット

600msec以下の応答遅れではカイコガの匂い源定位成功率は90％以上．
プログラム化された匂い源探索行動は時間遅れに対して頑強．

3

フェロモンを受容する嗅覚受容細胞

TopicsSchematic of long Sensillum trichodeum

1. 行動モデルとしてのカイコガの匂い源探索行動

Bombykal

・昆虫操縦型ロボットによる適応性の評価
Bombykol
dendrite

2. 匂い源探索行動の神経機構とその活用
・サイボーグ昆虫と匂い源探索ロボットによる神経機構の検証
・神経回路の京コンピュータでの再現
・行動を解発する神経回路の制御

3. 匂いセンサの構築と活用

Bombykal
receptor cell
BmOR3

Bombykol
receptor cell
BmOR1

・嗅覚受容体を用いた匂いセンサ構築

accessory cellAxon
(to antennal lobe)

Each long sensillum trichodeum contains two pheromone receptor cells;
one for bombykol and the other for bombykal.

Olfactory Information is Transmitted to
the First Olfactory Center, the Antennal Lobe

昆虫の行動をおこす脳神経系
触角神経

Antennal
nerve
-DF/F
(%)

頭

部

胸

部

腹

部

脳
（頭部神経節）

胸部神経節

0.8

Antennal
lobe

1 mm

0

-0.8

Propagation of Voltage-Sensitive Dye Responses toElectrical Stimulation of the Antennal Nerve
Ai and Kanzaki (2004) J Exp Biol 207: 633
Hill , Okada and Kanzaki (2003) J Exp Biol 206: 345
Okada and Kanzaki (2001) Neurosci Lett 316: 133

昆虫脳：分散脳システム
脳
（頭部）

行動の生成

腹部神経節

神経節
たくさんの神経細胞（ニューロン）が集まり，神経回路を構築して，神経信号を処理するところ．

脳をつくる神経回路の調べ方

感覚情報の統合
行動指令信号

胸部
神経節
（胸部）

行動の選択

脳

1 mm

行動指令情報の生成
神経細胞（ニューロン）

頭部有

腹部
神経節
（腹部）

連続画像

頭部無

触角葉（匂い識別）
胸部神経節のはたらきを示す実験

羽ばたき時の左右の翅の対称性
1 mm
Kanzaki (1998) J Comp Physiol A 182: 267

キノコ体（記憶学習）

神経叢（ニューロピル）
主要神経叢の三次元再構築

4

脳をつくる神経回路の調べ方

カイコガ脳構成ニューロンの網羅的データベース化
ニューロンデータベース

無脊椎動物脳プラットフォーム
http://invbrain.neuroinf.jp/
神経応答
ぜひ，ご覧ください！

1 mm

昆虫脳

近赤外微分干渉顕微鏡ビデオ映像
IR-CCD（C2741）

電気生理学

神経形態

イメージングHiSCA＆EMCCD（C9100)

37 %

DF/F

コンテンツ

10 %

100mm

単一ニューロンの分析

100mm

複数ニューロンの分析

100mm

局所領域の分析・形態学: 単一神経細胞，細胞体群・生理学: 嗅覚，視覚，機械感覚応答など
・イメージング : 膜電位感受性色素，Ca感受性色素
・免疫組織化学 ： GABA, 5HT, FMRF, tyramine,histamine 他

Ikeno et al. (2007) Neurocomputing 70: 2122
Kazawa et al. (2008) Neural Networks 21( 8): 1047

匂い源探索を指令する神経信号

脳内のフェロモン情報経路
Antennal
Nerve

Invertebrate Brain Platform

脳から胸部運動系に下降するフリップフロップ (Flip-Flop) 信号

Brain

脳

触角神経

Flip-Flop 応答
左縦連合

Neck Motor
System右縦連合
RightConnective
(RC)

VNC
右縦連合

頸運動系
Left
Connective(LC)

Premotor
CenterL

右縦連合

フェロモン刺激

左縦連合

5 sec

Flip-Flop タイミングチャート
胸部運動系

Thoracic
Motor System

Q

Namiki et al. (2014) Nature Communications 5:5919

Antenna
Odor
SensorAntennal
Lobe（MGC)
Discrimination

Protocerebrum(DILPC, SMP, etc)

Multimodal
Integration

Premotor
Center(LAL/VPC)
Commands

Low
High

縦連合

1 mm

Odor

High
Q

Low

1mm
トリガー

Behavior

フェロモン源の探索を指令するニューロンの信号（行動指令信号）
Kanzaki , Ikeda, Shibuya (1994) J Comp Physiol A 175:1
50mm
Mishima and Kanzaki (1999) J Comp Physiol A 184: 143
Wada and Kanzaki (2005) J Comp Neurol 484:168(Olbergでロボットを動かせば，ロボットは匂い源を探索する？
(1983) J Comp Physiol A 152: 297)

昆虫脳-操縦型ロボットの匂い源定位

匂い源探索行動を指令するニューロン

アンプ
マニピュレータ

脳（頭部）

脳

行動指令信号
胸部
神経節
（胸部）

電極

行動指令信号を運ぶニューロン

電池

50mm

DCモータ

20mm

電極
(RNMNs)

神経活動-行動変換ルール
・
腹部
神経節
（腹部）

・
・

脳から胸部神経節に匂い源探索の指令を伝えるニューロン
1mm
Namiki et al. (2014) Nature Commu. 5:5919
Wada and Kanzaki (2005) J Comp Neurol 484:168
Mishima and Kanzaki (1999) J Comp Physiol A 184: 143
Kanzaki , Ikeda, Shibuya (1994) J Comp Physiol A 175:1

電極(LNMNs)
運動系へ

頸運動神経から計測された行動指令信号: 0.1秒ごとの神経活動数: 前進速度・ : 角速度

右頸
運動神経
左頸
運動神経
刺激

Minegishi et al. (2012) Robotics and Autonomous Systems 60(5):692

前進速度 vo は nspikes_right + nspikes_left に比例する．
・
角速度 θ は， nspikes_right - nspikes_left に比例する．

5

昆虫脳-操縦型ロボットの匂い源定位

フリップフロップ応答を形成する神経回路

アンプ

マニピュレータ

銀染色像（背側像）

両側性神経 Bilateral Neuron （正面像）

前運動中枢

介在神経 Local Interneuron （正面像）

電極

電池

50mm

DCモータ

x4

20mm

スパイクの発火数/0.1秒

左右NMNsの活動(LAL/VPC)
AN

MB

SMP
CB

MGC
Oe

OG

赤: 左NMNｓの0.1秒間の発火数 (nl)
白: 右NMNｓの0.1秒間の発火数 (nr)

LAL LAL
SOG

D
Minegishi et al. (2012) Robotics and Autonomous Systems 60(5):692

匂い源探索の行動指令信号であるフリップフロップ様の応答を形成する神経回路
脳から胸部神経節に下降するフリップフロップ信号は，匂い源探索の指令情報を再現し，ロボットを制御すれば匂い源探索ロボットが作製できる．
を担っていると考えられる．

前運動中枢を構成するニューロンの網羅的分析

V

前運動中枢を構成するニューロンの網羅的分析

Local Interneurons
LAL
MB
CB
OACT

Namiki et al. (2014) Nature Communications 5:5919
Wada and Kanzaki (2005) J Comp Neurol 484:168
Iwano et al. (2010) J Comp Neurol 518 366

脳内の神経叢の配置（前面像）

両側性神経

介在神経

Bilateral Neuron

Local Interneuron

OutputInput

OutputInput

Bilateral Neurons

100mm
100mm
uLAL

ulLAL
lLAL

uLAL
lLAL

lLAL

oVPC

oVPC
iVPC

oVPC

iVPC

iVPC

uLAL

vmLAL
lLAL

vmLAL
lLAL

uLAL

oVPC

mVPC
iVPC

iVPC

oVPC

input
outputNamiki et al. (2014) Nature Communications 5:5919
Iwano et al. (2010) J Comp Neurol 518：366

フリップフロップ応答を形成する神経回路の構築
両側性神経

介在神経

Bilateral Neuron
Code Responses Morphology

Local Interneuron

Code Responses Morphology

dlLAL
lLAL

uLAL

mVPC
iVPC

oVPC

Namiki et al. (2014) Nature Communications 5:5919
Iwano et al. (2010) J Comp Neurol 518：366

匂い源定位を指令する「フリップフロップ応答」を形成する前運動中枢の神経回路の推定
神経回路のリアリスティックな再構築推定される機能的神経回路

Code Responses Morphology
フェロモン刺激

uLAL

oVPC

lLAL

iVPC

lLAL

uLAL

oVPC

iVPC

Local
Interneuronによるフィードバック回路

Bilateral neurons
1) serotonergic2) GABAergic

プログラム化された歩行パターン
1) 相反抑制 (Reciprocal inhibition)（抑制性bilateral neuronの作用）

2) 長期興奮 (Long-lasting excitation)（Local Interneuronのフィードバック回路
または神経修飾物質セロトニンの効果）

output

直進
歩行

input
Iwano et al. (2010) J Comp Neurol 518：366

ジグザ
グターン

回転
歩行

1)と2）の特徴的な性質からプログラム化された歩行パターンが発生するように神経回路モデルを構築した．

Kanzaki R et al. (2008) Advanced Robotics 22: 1605
Iwano et al. (2010) J Comp Neurol 518：366

6触角を嗅覚センサとする

昆虫脳モデル-操縦型ロボット
フェロモンの匂い源に定位する移動ロボット

空気
フェロモン

80 ng
160 ng
アンプへ
アンプへ

240 ng
1 mV

320 ng1 sec

400 ng
金属電極

2.5 mm(φ25 - 40μm)

触角

匂い(フェロモン)刺激

触角電図(EAG:Electro-Antennogram)

触角

Kanzaki R et al. (2008) Advanced Robotics 22: 1605
Kanzaki, Nagasawa, Shimoyama (2004) In “Bio-mechanisms of Animals in Swimming and Flying”

フェロモンの感度や行動パターンは時々刻々と変化する

Topics
1. 行動モデルとしてのカイコガの匂い源探索行動
・昆虫操縦型ロボットによる適応性の評価

昼夜のリズム2. 匂い源探索行動の神経機構とその活用
経験・学習（慣れ）他の感覚（視覚など）

・サイボーグ昆虫と匂い源探索ロボットによる神経機構の検証
・神経回路の京コンピュータでの再現
・行動を解発する神経回路の制御

3. 匂いセンサの構築と活用
・嗅覚受容体を用いた匂いセンサ構築

Pansopha et al. (2014) J Exp Biol 217: 1811
Gatellier, Nagao and Kanzaki (2004) J Exp Biol 207: 2487
Hill, Okada and Kanzaki (2003) J Exp Biol 206: 34
Hill, Iwano, Gatellier and Kanzaki (2002) Chemical Senses 27: 475

基本的な回路
基本的な回路の修飾や補正

昆虫はいつも決まった行動をしているわけではない！
環境の刺激に対する感度や行動パターンが時々刻々と変化する！

｢京コンピュータ」に昆虫の脳をつくる

脳のシミュレーションに必要な計算量
項目
細胞数
必要計算量
（FLOPS)

ヒトの全脳
（理論値）

カイコガ全脳（理論値）

カイコガ嗅覚・運動系
（実測値）

1011

106

104

21

16

1015

10

10

計算科学研究ロードマップ白書
http://open-supercomputer.org/wp-content/uploads/2012/03/science-roadmap.pdf
ゼ
ッ
タ

エ
ク
サ

ペ
タ

テ
ラ

ギ
ガ

メ
ガ

キ
ロ

1021 = 1,000,000,000,000,000,000,000
1016 = 1,0000,0000,0000,0000
京

兆

億

万

一

FLOPS（フロップス，Floating-point Operations Per Second）
コンピュータの性能をあらわす．1秒間に浮動小数点数演算が何回できるかを表す値．

7

｢京コンピュータ」に昆虫の脳をつくる

ニューロン形状の抽出プログラムの開発

昆虫嗅覚系全脳シミュレーター（Insect Olfactory System SIMulator）
神経細胞データベースの構築と整備BoND / IVBPF

Extraction of 3-D Structure of Neuron

細胞形態抽出

標準脳・マッピング

KNEWRiTE

Brain
Composer

Extracted
NeuronStack Images

Auto, Semi-Auto and Manual Extraction（Ray Burst Sampling Algorithm (Rodriguez et al., 2006.) is used forautomatic extraction)

Precise and speedy extraction using semi-auto modeAutoextraction bylimiting area

Auto
extraction

大規模シミュレータ

Extraction
Time[h]細胞膜情報推定・結合強度推定

620NEURON_K+

Shorting ofextraction time4

manualsemi-auto

公開サイト：SIGEN: https://invbrain.neuroinf.jp/modules/newdb2/detail.php?id=68
KNEWRiTE： https://github.com/sc4brain/knewrite

次世代生命体統合シミュレーションソフトウェア研究開発

Ikeno et al. (2012) Computational Intelligence and Neuroscience

カイコガの脳のシミュレーション

ニューロンのシミュレーションモデル
1. Cable equation

2. Hodgkin-Huxley type equation

Voltage propagation of a neuron as a equivalent circuit

Na+ and K+ channel models in each compartment.

行動指令中枢の神経活動の「京」によるシミュレーション

Position Diam

Extracted
NeuronCylinder approximation

3. Synapses
Cell A

行動指令ニューロン

V : Membrane potential, Cm : Membrane capacitancegNa, gK, gL : Na, K, leak conductance
ENa, EK, EL : Na, K, leak equilibrium potential
m, h : activation/inactivation gate probability of Na channeln : activation gate probability of K channel, α, β : transition speed of gate

行動指令中枢を構成するニューロン

Simulation of a single cell activity
Cell B

PreSynPostSyn

When a compartment including pre-synapse detects voltage
exceeding threshold, it transmits a spike information using MPI.

No. of Mapped Neurons
12ニューロンx2を
2 Group I DNs
192ニューロンに拡張
6 Group
II DNs
1step=0.05ms
第２回HPCI（京）利用研究課題優秀成果賞(2015)
20 Bilateral Neurons
Simulation time:
神経細胞シミュレータ「NEURON」 （www.neuron.yale.edu）をベースに，SIMD化やMPI/OpenMP
10 Local Interneurons
1000setp(50msec)
Total: Hybrid化対応など京向けの高速化を施した「NEURON_K+」を構築した.
40 neurons
86nodesで実行

神経回路モデル「京」シミュレーション

カイコガ嗅覚系の光による制御

TopicsChannelrhodopsin-2(ChR2) Expression

1. 行動モデルとしてのカイコガの匂い源探索行動
・昆虫操縦型ロボットによる適応性の評価

Cell Activated by Light Pulses

Light(470nm)Ca++, Na+
activation of the target cells

out
50 μm

2. 匂い源探索行動の神経機構とその活用
・サイボーグ昆虫と匂い源探索ロボットによる神経機構の検証
・神経回路の京コンピュータでの再現
・行動を解発する神経回路の制御

inlight-activated non-specificcation channel

Manipulation of Pheromone Receptor
Neurondendrite

3. 匂いセンサの構築と活用

Expression of ChR2 in theantennae of male moths
bearing both BmOR1-GAL4
and UAS-ChR2

MGC
toroid・嗅覚受容体を用いた匂いセンサ構築
Bombykol
Receptor
NeuronBombykal
Receptor Neuron

Switching on and off the activity of thepheromone receptor cell with high time
resolution, at the level of individual spikes
Tabuchi et al. (2013) PNAS 110(38):15455

Gs

to Brain

100 μmAxon terminal of ChR2 expressing
bombykol receptor neurons in theantennal lobe8

カイコガ嗅覚系の光による制御
電流

チャネルロドプシンを発現させたフェロモン受容細胞の応答

Light stimulation triggers pheromone
orientation behavior in ChR2
expressing transgenic silkmoths

フェロモン

光刺激 (1.19 mW/mm2 , 100 ms)

フェロモン
受容体

光

遺伝子操作

Transgenic Silkmoth

スパイクの数脳 行動

フェロモンに反応する
嗅覚センサ(470nm)

行動する個体の割合（％）

Control

電流チャネル
ロドプシン２

光刺激の強度(mW/mm2)

脳 行動
フェロモンに反応する
嗅覚センサ

光刺激の強度に応じて行動する個体の割合が増加する (n=20)

Single Pulse of Light stimulation:
470nm, 1.19 mW/mm2, duration: 5msec
Sakurai et al. (2011) PLoS Genetics 7(6):1
Tabuchi et al. (2013) PNAS 110(38):15455

Tabuchi et al. (2013) PNAS 110(38):15455-60

光により，嗅覚受容細胞の活動をスパイクレベルで正確にコントロールできる（嗅覚研究のパラダイムシフト）

昆虫脳研究アプローチ：脳を創り，理解し，活用する
in vivo 脳 （昆虫）

光刺激の強度 (mW/mm2)

光刺激の強度に応じてスパイクの数が増加する (n=18)

ニューロンデータベース

Topicsin silico 脳

1. 行動モデルとしてのカイコガの匂い源探索行動

行動

・昆虫操縦型ロボットによる適応性の評価
分析

統合神経回路モデルシミュレーション脳

オプトジェネティクスによる
昆虫-操縦型ロボット
センサや神経回路の操作

精緻な神経回路の再構築
評
評
昆虫脳モデル-操縦型ロボット
価価
昆虫脳-操縦型ロボット
・
・
検
検
証
証 動物の感覚から行動発現の機構解明には，分子生物学，神経生理学，情報科学，ロボティクスなどさまざまな階層
比較に渡るアプローチが重要だが，昆虫（カイコガ）はその対象として重要なモデル生物である．
生物-機械融合アプローチ

2. 匂い源探索行動の神経機構とその活用
・サイボーグ昆虫と匂い源探索ロボットによる神経機構の検証
・神経回路の京コンピュータでの再現
・行動を解発する神経回路の制御

3. 匂いセンサの構築と活用
・嗅覚受容体を用いた匂いセンサ構築

分析-統合アプローチ

犬に並ぶ昆虫の嗅覚能力

匂いを切り口とした安全・安心・快適社会の構築
ハマダラカ

生存者の捜索ヒトの汗，糞臭等
インドール，2-メチルフェノール，3-メチルフェノール(Photo by Joseph LaForest, University ofGeorgia, Bugwood.org)(Photo by Wikipedia)

ショウジョウバエ
災害救助犬(ウィキペディア） 地雷探知犬 爆発物探知犬
 麻薬探知犬 銃器探知犬 検疫探知犬 DVD探知犬
 がん探知犬 シロアリ探知犬
 トコジラミ探知犬
 災害救助犬
 警察犬
 警備犬

オオタバコガコマユバ
チ

腐敗臭，爆発物，麻薬，カビ臭等

ミツバチ(Photo from Wikipedia)(Photo by Andre Karwath CC-BY-SA, Wikipedia)

モンシデムシ

腐敗臭等

タバコスズメガ

メタンチオール, メチルチ
オアセテート, ジメチルス
ルフィド, ジメチルトリスル
フィド（癌の匂い）

腐敗臭，糞臭等

ナガヒラタタマムシ

アンモニア，インドール，
ジメチルトリスルフィド（癌の匂い）(Photo by Jiri Humpolicek CC-BY-SA, Wikipedia)

爆発物等
シクロヘキサノン，
2-ヘキサノン(Photo by Shawn Hanrahan CC-BY-SA,
Wikipedia)(Photo by E van Herk CC-BY-SA, Wikipedia)

トコジラミ

爆発物等
2,4-ジニトロトルエン（50-80ppt）

アンモニア，アミン，
シクロヘキサノン，
無水酢酸

麻薬探知犬

爆発物等
2,4-ジニトロトルエン,
3,4-ジニトロトルエン，
シクロヘキサノン，
メチルベンゾエート，
プトレッシン

火災等
2-メトキシフェノール（サブppb）(Photo by Stephen Luk;
http://bugguide.net/node/view/457912/bgpage)9

背景：昆虫の匂い受容の分子メカニズム
昆虫の匂い検出の分子メカニズム

嗅感覚子

異なる匂いに応答する多種類の匂いセンサ
嗅感覚子

嗅覚受容体の種類と応答特性においの受容体（センサ）の種類においの種類

昆虫の嗅覚受容体の特徴
１．匂いの選択性が高い（スペシャリスト）２．高感度(<ppb)
３．リアルタイム応答性(＜１０ミリ秒）

嗅覚受容体

４．種内，種間で匂い応答特性の異なる

比較的単純なメカニズムによる匂い検出
哺乳類

多種類の嗅覚受容体

昆虫

複雑

単純
(Wang et al., 2010 PNAS)

昆虫嗅覚受容体を利用した匂いセンサ「センサ昆虫」（警察昆虫）「センサ細胞」

昆虫の触角の嗅覚センサを目的とする匂いに反応するように遺伝子
改変することで，昆虫自体をセンサ（センサ昆虫）にする

昆虫の培養細胞（Sf21)や人工細胞に目的の匂いに反応する嗅覚受容体
遺伝子を導入することで細胞をセンサ（センサ細胞）にする．

(Wang et al., 2010 PNAS)
ショウジョウバエ，ハマダラカ，カイコガで100種類以上の嗅覚受容体が同定されている．

センサ昆虫：特定の匂いを検出する警察昆虫
ボンビコール
ボンビカール

嗅孔

フェロモン腺樹状突起♀
♂
カイコガ(Bombyx mori)

フェロモン腺ボンビカール
受容際病

BmOR１

BmOR３

脳へ

♀

重要な特徴

♂

フェロモン受容細胞（BmOR１)は，カイコガのフェロモン（ボンビコール）にしか反応せず，この受容細胞が反応するとカイコガはその匂いを探索する．

50µm

カイコガ(Bombyx mori)

昆虫培養細胞（Sf21細胞）

センサ昆虫：特定の匂いを検出する警察昆虫
ボンビコール刺激

ボンビコール
受容細胞

コナガフェロモン受容体PxOR1

匂いA刺激
電流

Z11-16Ac
OAc
Z11-16Ald
CHO

ボンビコール受容体

ボンビコール受容細胞

ボンビコール 匂いA
受容体
受容体

Z11-16OH

OH

コナガ (Plutella xylostella)

ボンビコール
受容細胞(http://www.pherobase.com/)

PxOR1はZ11-16Aldに対する特異的応答
脳による信号処理

特定の匂いを検出し，探索する｢センサ昆虫｣（“警察昆虫”）
行動発現

行動発現

bombykol
Buffer Z11-16Ac
Z11-16Ald

Z11-16OH

PxOR1 + PxOrco
1μA
30 s

(Mitsuno et al., Eur. J. Neurosci. 2008)10

センサ昆虫：特定の匂いを検出する警察昆虫

PxOR1発現ボンビコール受容細胞のZ11-16:Aldに対する電気的反応
発現系
単一感覚子記録

transgenic
silkmoth ♂
ボンビコール受容体

BmOR1-GAL4/
UAS-PxOR1

1本の感覚子に含まれる
匂い受容細胞の神経活動を計測する方法

Z11-16:Ald 受容体

controlsilkmoth ♂
コナガ
Diamondback moth
(Plutella xylostella)silkmoth ♀

フェロモン主成分(Z11-16:Ald)diamondback
moth ♀

刺激

刺激(de Bruyne, 1999)

10mg/filter paper

Sakurai et al (2011) PLoS Genet (2011) 7(6):1-10

Sakurai et al (2011) PLoS Genet (2011) 7(6):1-10昆虫の嗅覚受容体を用いた高感度・高選択性・実時間応答性をもつ匂いセンサの開発

センサ昆虫の利用法

ショウジョウバエ一般臭受容体Or82aを用いた選択性の改変
geranyl acetate

100%
90%

80%

反応率

70%

センサカイコガの使用イメージ
BmOR1-GAL4/UAS-Or82a

BmOR1-GAL4UAS-Or82a
BmOR1-GAL4/UAS-Or43b

60%
50%

40%
30%
20%

Or82a:
geranyl acetate
に対する高選択的な一般臭嗅覚受容体

10%
0%
0.1

1

10

100

1000

Geranyl acetate (mg/filter paper)(Hallem and Carlson., Cell, 2006)

一般臭の嗅覚受容体を用いて行動発現の選択性を改変できる！
→現在，他の匂い物質の受容体発現カイコを作出中

昆虫嗅覚受容体を利用した匂いセンサ「センサ昆虫」（警察昆虫）
昆虫の触角の嗅覚センサを目的とする匂いに反応するように遺伝子
改変することで，昆虫自体をセンサ（センサ昆虫）にする「センサ細胞」
昆虫の培養細胞（Sf21)や人工細胞に目的の匂いに反応する嗅覚受容体
遺伝子を導入することで細胞をセン
ヨトウガ蛹卵巣由来の培養細胞
サ（センサ細胞）にする．

匂いに応答し蛍光強度が変化するSf21細胞の構築
①
非結合状態

②
結合

③
イオン透過

匂い分子

④
解離

⑤
非結合状態

蛍光

匂いに応答し蛍光を上昇する培養細胞の構築• Spodoptera frugiperda細胞• １９－２８℃（室温）で培養可能

③

結合
①

匂い分子

解離

Ca2+

②

④

Orco

• CO2が不必要

フェロモン腺• 分裂回数に制限がない• 凍結保存による長期利用が可能

嗅覚受容体
Orco + OrX

カイコガ(Bombyx mori)

OrX

ゲノムに導入Ca2+ 細胞内Ca2+濃度の上昇

GCaMP3♀
♂

嗅覚受容体の遺伝子群の導入⑤

ゲノムに導入Ca2+50µm

カルシウム感受性
蛍光タンパク質

蛍光

昆虫培養細胞（Sf21細胞）

Sf21培養細胞：ヨトウガ蛹卵巣由来の培養細胞

Ca2+により蛍光強度が変化する
タンパクGCaMP3遺伝子の導入

Mistuno et al. (2015) Biosensors and Bioelectronics 65: 287-29411センサ細胞：匂いに応答し蛍光強度が変化
匂いに対する選択性

濃度依存応答人工膜を利用した匂いセンサ開発
昆虫フェロモン受容体を袋状脂質二分子膜（ベシクル，人工膜）に導入し，脂質膜の存在下で，受容体を合成する．
合成の条件
無細胞タンパク質合成反応の成分（リボソーム，ミクロソーム膜など）を全て十分量内包できるジャイアントベシクル（粒径1 mm以上; GV）の利用

bombykolbombykal
ボンビカールを30nMから10mMまで濃度を増やしたときの応答

ボンビカール受容体を発現したSf21細胞は高感度（10ppb)で匂いを検出する．

(Kahya et al., Biophysic. J., 2001)

Mistuno et al. (2015) Biosensors and Bioelectronics 65: 287-294

昆虫フェロモン受容体が機能発現する人工細胞センサ

展望：昆虫機能を再現した匂いセンサ・探索ロボット
2014

2016

センサ昆虫

センサ細胞

2020（ｵﾘﾝﾋﾟｯｸ開催）

2018

人工細胞

バイオスニファbufferNAD+

匂い源探索ロボット

ISFET
化学センサ

NADHc

enzyme reaction
formaldehyde

用途に合わせ，順次スピンオフし実用化
人工細胞センサの概要図
センサ昆虫利用

2016

簡易型
検出キット
この粉
は何？

2018

2020

探索ロボット

特定匂い検出

マイクロ流路10 mm

要救助者を探索性フェロモンの添加によって変わる
人工細胞センサの電気的な反応

EGFP-BmOrco/BmOR1が人工細胞の膜に発現している（矢印）豊田太郎准教授（東大院総合文化研究科）との共同研究

識別・探索（脳機能）ISFET化学センサ

Hamada et al (2014) Chem. Commun., 2014, 50, 2958

昆虫科学が拓く生物機能再現の世界
受容（嗅覚センサ）

特定物質の探索！

継続的に成果を安全・安心・快適な社会構築に還元，実用化し，定着を図る
HFSP共同研究：倉林教授（東工大）

第2刷 好評発売中！

応用（匂い識別・匂い探索）

https://www.iwanami.co.jp/
1mm

嗅覚処理をおこなう昆虫脳
嗅覚受容体（センサ）のデータベース化

特定の匂いを探索する｢センサ昆虫｣

神経回路モデル｢センサ細胞｣用チップの開発
嗅覚受容体をもつ｢センサ細胞｣構築

人工細胞センサ

匂いの識別・匂い源探索をおこなう昆虫の脳機能を単一神経細胞からスーパーコンピュータ｢京｣に構築

昆虫の匂い源探索アルゴリズムを搭載した匂い源探索ロボットの構築

12共同研究者

カイコガの行動：高校生物に登場！
生
物
学

情
報
学

工
学

東京書籍

■ 神経生理学並木重宏，ハウプトSS，藤原輝史，田渕理史
岩渕智，福島亮太，和田賢，関洋一，Hill E■ 遺伝子工学
櫻井健志，光野秀文，岩松琢磨，田渕理史
田村俊樹，瀬筒秀樹 （生物研）■ ニューロンデータベース
加沢知毅，ハウプトSS，並木重宏，蘇克敬，高嶋聰
池野英利（兵庫県立大学）■ 神経回路モデリング，Kコンピュータシミュレーション
加沢知毅，ハウプトSS，宮本大輔，佐藤陽平，
岩野正晃
西川郁子（立命館大学）
池野英利（兵庫県立大学）■ 昆虫-操縦型ロボット
安藤規泰，江本周平■ 昆虫脳-操縦型ロボット
峯岸諒
高嶋淳，倉林大輔（東工大）

謝辞:
Development of the Next-Generation Supercomputer Project
Grant-in-Aid for Scientific Research
Neuroinformatics Japan Center (NIJC)
Human Frontier Science Program(HFSP)
セコム科学技術振興財団
農水食品産業科学技術推進事業etc.

13