I grew up watching Star Trek. I love Star Trek.

好きが高じて、エイリアンに会いたいと思うようになった

Star Trek made me want to see alien creatures,

遠い世界から来た生物にね

creatures from a far-distant world.

まあ 自分が出会えるのはせいぜい

But basically, I figured out that I could find

地球上の変な生物くらいだろうと 分かってたけどね

those alien creatures right on Earth.

大人になって　僕は昆虫の研究者になった

And what I do is I study insects.

僕は昆虫に夢中で、 特にその飛び方に興味を持ってる

I'm obsessed with insects, particularly insect flight.

昆虫の飛行という進化は、おそらく

I think the evolution of insect flight is perhaps

生命の歴史において最も重要な 出来事のひとつだろう

one of the most important events in the history of life.

昆虫がいなければ　被子植物も出現せず

Without insects, there'd be no flowering plants.

被子植物が存在しなければ　賢いサルたちが

Without flowering plants, there would be no

TED で話をすることもなかっただろうからね

clever, fruit-eating primates giving TED Talks.

（笑い声）

(Laughter)

さて 先ほどの

Now,

デヴィッドとヒデヒコとケタキの3人が

David and Hidehiko and Ketaki

とても興味深い話をした

gave a very compelling story about

ミバエと人間の類似点について

the similarities between fruit flies and humans,

確かに、類似点がたくさんあるから

and there are many similarities,

ミバエと人間が似ているのかと 思う人がいるかもしれない

and so you might think that if humans are similar to fruit flies,

たとえば　ミバエの好きな行動はこれだとか --

the favorite behavior of a fruit fly might be this, for example --

（笑い声）

(Laughter)

でも、今日は、人間とミバエの類似点ではなく

but in my talk, I don't want to emphasize on the similarities

両者の違いについて、

between humans and fruit flies, but rather the differences,

そして、ミバエの長所について紹介しようと思う

and focus on the behaviors that I think fruit flies excel at doing.

まずは、高速カメラで撮影したものをお見せしましょう

And so I want to show you a high-speed video sequence

毎秒7000コマの赤外線映像だ

of a fly shot at 7,000 frames per second in infrared lighting,

画面から外れた右の方に 捕食者が迫っていて

and to the right, off-screen, is an electronic looming predator

ハエを狙っている

that is going to go at the fly.

ハエが捕食者を察知している

The fly is going to sense this predator.

脚を伸ばして

It is going to extend its legs out.

スッと逃げる

It's going to sashay away

命拾いしたね

to live to fly another day.

この映像は人間の瞬きと

Now I have carefully cropped this sequence

同じ時間にカットしてある

to be exactly the duration of a human eye blink,

人間が一回瞬きをする間に

so in the time that it would take you to blink your eye,

ミバエが捕食者を発見して

the fly has seen this looming predator,

位置を確認して 飛び去るための筋肉運動を開始した

estimated its position, initiated a motor pattern to fly it away,

毎秒220回も羽ばたきながら

beating its wings at 220 times a second as it does so.

これはハエの脳がいかに高速に

I think this is a fascinating behavior

情報を処理しているかを示す 興味深い動きだ

that shows how fast the fly's brain can process information.

では飛行だけど -- 飛ぶには何が必要かな？

Now, flight -- what does it take to fly?

飛ぶためには飛行機と同じように

Well, in order to fly, just as in a human aircraft,

十分な空気力を生み出す翼が必要だ

you need wings that can generate sufficient aerodynamic forces,

飛行するための力を生み出す十分なエンジンと

you need an engine sufficient to generate the power required for flight,

制御装置も必要だ

and you need a controller,

人類初の飛行機の制御装置は、基本的に

and in the first human aircraft, the controller was basically

コクピットのライト兄弟の脳みそだった

the brain of Orville and Wilbur sitting in the cockpit.

これをハエと比べるとどうだろう

Now, how does this compare to a fly?

研究者になりたての頃 僕は

Well, I spent a lot of my early career trying to figure out

ハエの羽がどのようにして十分な浮力を 生み出しているか、との謎を解き明かそうと必死で研究していた

how insect wings generate enough force to keep the flies in the air.

聞いたことないかな？ 航空力学の計算によると

And you might have heard how engineers proved

マルハナバチは飛べないことになるって

that bumblebees couldn't fly.

昆虫の羽の働きを飛行機と同じように

Well, the problem was in thinking that the insect wings

考えていたのが間違いだったんだ

function in the way that aircraft wings work. But they don't.

この問題を解くため　動力学的に拡大した

And we tackle this problem by building giant,

巨大な昆虫のロボットを作って 実験を行った

dynamically scaled model robot insects

ロボットを大きな鉱物油の中で羽ばたかせ

that would flap in giant pools of mineral oil

空気力学の力を観察した

where we could study the aerodynamic forces.

そこで分かったんだけど

And it turns out that the insects flap their wings

昆虫の羽ばたき方は とても賢くて

in a very clever way, at a very high angle of attack

大きな迎角によって羽の先端に

that creates a structure at the leading edge of the wing,

前縁渦と呼ばれる 竜巻状の流れを生み出す

a little tornado-like structure called a leading edge vortex,

この渦によって昆虫の羽は

and it's that vortex that actually enables the wings

十分な浮力を生み出すことができるんだ

to make enough force for the animal to stay in the air.

しかしながら、一番興味深いのは

But the thing that's actually most -- so, what's fascinating

羽の形ではなくて羽の形状組織だ。

is not so much that the wing has some interesting morphology.

なんて賢い羽の動かし方をしているんだろう！

What's clever is the way the fly flaps it,

羽の動きは、結局のところ、神経で制御されていて

which of course ultimately is controlled by the nervous system,

そのおかげで ハエは自在に飛び回れる

and this is what enables flies to perform

注目すべきは、飛行の巧みさ

these remarkable aerial maneuvers.

じゃあ　エンジンはどうだろう？

Now, what about the engine?

ハエのエンジンはとても面白い

The engine of the fly is absolutely fascinating.

ハエには2種類の飛行筋があるんだ

They have two types of flight muscle:

力筋と呼ばれるものは　伸展活性型なんだけど

so-called power muscle, which is stretch-activated,

それ自体が活性型なので、

which means that it activates itself and does not need to be controlled

伸縮の度に神経による制御を必要としない

on a contraction-by-contraction basis by the nervous system.

飛ぶための大きな力を生み出す 目的に特化した筋肉で

It's specialized to generate the enormous power required for flight,

ハエの胸部を占めている

and it fills the middle portion of the fly,

それ故、フロントガラスにハエが衝突した時

so when a fly hits your windshield,

見えるのは ほとんどこの力筋なんだ

it's basically the power muscle that you're looking at.

でもその他に 羽の付け根には

But attached to the base of the wing

力は弱いけど 反応が非常に速い 小さな制御筋があって

is a set of little, tiny control muscles

力は弱いけど 反応が非常に速い 小さな制御筋があって

that are not very powerful at all, but they're very fast,

羽ばたきごとに 羽の蝶番を

and they're able to reconfigure the hinge of the wing

調整することができる

on a stroke-by-stroke basis,

これによって ハエは羽ばたきを調整して

and this is what enables the fly to change its wing

空気を操って

and generate the changes in aerodynamic forces

違う方向に飛ぶことができる

which change its flight trajectory.

これを全て制御しているのが 神経系統だ

And of course, the role of the nervous system is to control all this.

では制御装置を見てみよう

So let's look at the controller.

ハエは優れたセンサーの持ち主だが

Now flies excel in the sorts of sensors

それがいいことばかりとは限らない

that they carry to this problem.

彼らは、匂いと風向きを感知するアンテナの持ち主だ

They have antennae that sense odors and detect wind detection.

彼らは高度な眼を持っている

They have a sophisticated eye which is

それは、地上最速の視覚システムなんだ

the fastest visual system on the planet.

さらに 頭頂部にも一対の眼がある

They have another set of eyes on the top of their head.

その眼はどんな役割りをはたすのか、 私達がさっぱり分からない。

We have no idea what they do.

それらが、羽にセンサーがある。

They have sensors on their wing.

羽がセンサーで覆われていて、

Their wing is covered with sensors, including sensors

そのセンサーの中で、 形状の変形を感知するセンサーもある。

that sense deformation of the wing.

羽で味覚まで備えている

They can even taste with their wings.

ハエのセンサーの中でも優れているのが

One of the most sophisticated sensors a fly has

平均棍と呼ばれる器官だ

is a structure called the halteres.

平均棍はジャイロスコープのような器官で

The halteres are actually gyroscopes.

飛行中は200ヘルツで振り子運動する

These devices beat back and forth about 200 hertz during flight,

ハエはこれを使って 体の回転を感知し

and the animal can use them to sense its body rotation

素早く 飛行姿勢を修正することができる

and initiate very, very fast corrective maneuvers.

しかし センサーからの情報は、すべて 脳で処理しなければならない

But all of this sensory information has to be processed

そうだよ　ハエにも脳があるんだ

by a brain, and yes, indeed, flies have a brain,

10万個の神経細胞からなる脳がね

a brain of about 100,000 neurons.

このコンファレンスの出席者の中にも

Now several people at this conference

ミバエの脳機能は単純だから

have already suggested that fruit flies could serve neuroscience

神経科学の研究に適している なんて言う人がいるようだね

because they're a simple model of brain function.

でも、侮るなかれ！

And the basic punchline of my talk is,

僕に言わせれば、それは全くの勘違いだよ

I'd like to turn that over on its head.

ハエの脳は単純なんかじゃないと思うんだ

I don't think they're a simple model of anything.

素晴らしいモデルだ

And I think that flies are a great model.

ハエにしてみればね

They're a great model for flies.

（笑い声）

(Laughter)

では なぜ単純だと思われてしまうのだろうか？

And let's explore this notion of simplicity.

残念ながら、神経科学者はね、

So I think, unfortunately, a lot of neuroscientists,

僕たちは自己中に考えがちだと思う

we're all somewhat narcissistic.

「脳」というと 自分たちの脳を基準に考える

When we think of brain, we of course imagine our own brain.

でも、思い出してみて。こんな脳だよ。

But remember that this kind of brain,

こんなとても小さい脳が

which is much, much smaller

-- 1000億個ではなく 10万個の細胞しかない --

— instead of 100 billion neurons, it has 100,000 neurons —

地球上で最も一般的な形態であって

but this is the most common form of brain on the planet

それは4億年前から続いている

and has been for 400 million years.

これを単純だと言い切って良いのかな？

And is it fair to say that it's simple?

神経細胞の数は確かに少ない

Well, it's simple in the sense that it has fewer neurons,

でもその基準で大丈夫なのか？

but is that a fair metric?

僕は違うと思う

And I would propose it's not a fair metric.

ちょっとこれについて考えてみよう まずこの比較から見てもらおう --

So let's sort of think about this. I think we have to compare --

（笑い声）

(Laughter) —

脳の大きさとでその脳が何ができるか

we have to compare the size of the brain

比較しなくちゃならない

with what the brain can do.

トランプ数という指数があるとしよう

So I propose we have a Trump number,

トランプ数の行動パターンの数を

and the Trump number is the ratio of this man's

神経細胞の数で割った値だ

behavioral repertoire to the number of neurons in his brain.

同様にハエについても計算してみる

We'll calculate the Trump number for the fruit fly.

どうだろう！　ハエのトランプ数の方が高い

Now, how many people here think the Trump number

と思う人いますか？

is higher for the fruit fly?

（拍手）

(Applause)

今日お越しの皆さんは頭がいいね

It's a very smart, smart audience.

そうなんだ、大きさと機能は必ずしも比例しない

Yes, the inequality goes in this direction, or I would posit it.

ハエと人間の行動パターンの数を比べるのは

Now I realize that it is a little bit absurd

あまり合理的じゃないかも知れない

to compare the behavioral repertoire of a human to a fly.

じゃあ 他の動物はどうだろう？ たとえばネズミ

But let's take another animal just as an example. Here's a mouse.

ネズミはハエの1000倍の神経細胞をもっている

A mouse has about 1,000 times as many neurons as a fly.

昔 ネズミを研究していた。その当時は

I used to study mice. When I studied mice,

僕だって ゆっくり喋っていた

I used to talk really slowly.

でもハエの研究を始めてから 何かが変わったんだ

And then something happened when I started to work on flies.

（笑い声）

(Laughter)

ハエとネズミは 博物学的に見て共通点がある

And I think if you compare the natural history of flies and mice,

食べ物を漁ったり

it's really comparable. They have to forage for food.

求愛行動をしたり

They have to engage in courtship.

交尾をしたり 捕食者から隠れたりする

They have sex. They hide from predators.

共通点はたくさんあるけど

They do a lot of the similar things.

ハエの方が行動パターンが多いと 僕は思う

But I would argue that flies do more.

たとえば これから見せる映像

So for example, I'm going to show you a sequence,

ああ、ちょっと言っておかなくちゃ。 実を言うと、僕は、軍から一部、資金援助を受けているんだ。

and I have to say, some of my funding comes from the military,

だから、この極秘映像を見たことは内緒だよ

so I'm showing this classified sequence

決して誰にも口外しないでね！　OK?

and you cannot discuss it outside of this room. Okay?

ハエのお尻にぶら下がっている

So I want you to look at the payload

爆弾に注意しながら見てほしい

at the tail of the fruit fly.

近くに来て、よく見てごらん。

Watch it very closely,

うちの6歳の息子が 神経科学者になると

and you'll see why my six-year-old son

言い出した理由が分かるから

now wants to be a neuroscientist.

タイミングを計って

Wait for it.

ドーン

Pshhew.

少なくとも、ハエがネズミほど賢くない、という事はお分かりでしょう。

So at least you'll admit that if fruit flies are not as clever as mice,

少なくとも、ハト並の知能を持っている。 （笑い声）

they're at least as clever as pigeons. (Laughter)

まずはね、それは、神経細胞の数だけじゃなく、

Now, I want to get across that it's not just a matter of numbers

ハエはあんなに小さな神経細胞で

but also the challenge for a fly to compute

全ての情報を処理しているんだ、という事をお伝えしたい。

everything its brain has to compute with such tiny neurons.

これはジェフ・リックマンから借りてきた

So this is a beautiful image of a visual interneuron from a mouse

ネズミの神経細胞の美しい写真だ

that came from Jeff Lichtman's lab,

その脳の美しい画像を見られるよ

and you can see the wonderful images of brains

彼は、講演で画像を見せたんだ。

that he showed in his talk.

右端の上にあるのは 同じ縮尺で示された

But up in the corner, in the right corner, you'll see,

ハエの神経細胞だ

at the same scale, a visual interneuron from a fly.

拡大してみよう

And I'll expand this up.

素晴らしく細かな神経細胞だよね。

And it's a beautifully complex neuron.

生物物理学的には こんな小さな神経細胞で

It's just very, very tiny, and there's lots of biophysical challenges

大量の情報を処理しようとするんだ。

with trying to compute information with tiny, tiny neurons.

神経細胞はどこまで小さくなれるのか？ ここに面白い虫がいる

How small can neurons get? Well, look at this interesting insect.

見た目はハエに似ているね

It looks sort of like a fly. It has wings, it has eyes,

羽・眼・アンテナ・脚があり ライフサイクルも複雑

it has antennae, its legs, complicated life history,

実は毛虫に寄生する寄生虫なんだ

it's a parasite, it has to fly around and find caterpillars

実は毛虫に寄生する寄生虫なんだ

to parasatize,

そして、それは、塩粒と同じ大きさの脳というだけでなく、

but not only is its brain the size of a salt grain,

ﾐﾊﾞｴと比べると

which is comparable for a fruit fly,

体全体が塩粒くらいの大きさしかない

it is the size of a salt grain.

他の生命体と大きさを比べてみよう

So here's some other organisms at the similar scale.

ゾウリムシやアメーバと同じくらいの大きさだけど

This animal is the size of a paramecium and an amoeba,

非常に小さな7000個の神経細胞からなる脳を持っている

and it has a brain of 7,000 neurons that's so small --

君達、聞いた事があるかな？これらの細胞体と呼ばれるもので

you know these things called cell bodies you've been hearing about,

神経細胞の核は細胞体に入っているんだ。

where the nucleus of the neuron is?

これは、この大きさでさえ、あまりに場所を取りすぎるから 取り除かれている

This animal gets rid of them because they take up too much space.

今回のテーマは神経科学の最前線なんだ

So this is a session on frontiers in neuroscience.

ある神経科学の最前線では、脳が機能する仕組みを解き明かすことができる、と仮定してみよう 含まれているだろう

I would posit that one frontier in neuroscience is to figure out how the brain of that thing works.

一緒に考えみよう。少数の神経細胞でたくさんの処理を行うには どうすればいいのか？

But let's think about this. How can you make a small number of neurons do a lot?

工学的観点から見ると

And I think, from an engineering perspective,

君たちは、多重化と考えるかもしれないね。

you think of multiplexing.

ある機器を用いて、その装置に

You can take a hardware and have that hardware

違う時間にに違う処理をさせる

do different things at different times,

又は、その装置の他の部分で違う処理をさせるんだ。

or have different parts of the hardware doing different things.

僕が調べてみたいのは２つある

And these are the two concepts I'd like to explore.

これらの概念は僕が思いついたものではなく

And they're not concepts that I've come up with,

他の人たちが過去に提唱していたものだ

but concepts that have been proposed by others in the past.

その一つは カニの噛み方からヒントを得ている

And one idea comes from lessons from chewing crabs.

僕らがカニを噛むんじゃないよ

And I don't mean chewing the crabs.

僕はボルチモア育ちだから カニを噛むのは超得意だけどね

I grew up in Baltimore, and I chew crabs very, very well.

いま話してるのは カニ自身の咀嚼行動についてだ

But I'm talking about the crabs actually doing the chewing.

カニの咀嚼行動は実に興味深い

Crab chewing is actually really fascinating.

カニの甲羅の下には 複雑な器官があって

Crabs have this complicated structure under their carapace

咀嚼器と呼ばれる

called the gastric mill

いろんな風に食べ物をかみ砕くことができる

that grinds their food in a variety of different ways.

これは咀嚼器の内視鏡映像

And here's an endoscopic movie of this structure.

咀嚼器の何がすごいかというと

The amazing thing about this is that it's controlled

わずか20個程度の神経細胞で

by a really tiny set of neurons, about two dozen neurons

多様な筋肉運動のパターンを 作り出している点だ

that can produce a vast variety of different motor patterns,

これが可能なのは カニの小さな神経節が

and the reason it can do this is that this little tiny ganglion

多種の神経調節物質に浸されているからだ

in the crab is actually inundated by many, many neuromodulators.

神経調整物質については、さっきのスピーチにも登場したね

You heard about neuromodulators earlier.

神経細胞よりも多くの 神経調節物質があって

There are more neuromodulators

それを変化させたり、実際に、その器官の神経細胞の数よりも多くを刺激したりしている

that alter, that innervate this structure than actually neurons in the structure,

そして、その事が 複雑な運動パターンを生み出す事を可能にしている

and they're able to generate a complicated set of patterns.

ここにイブ・マーダーと仲間たちの長年の研究成果がある

And this is the work by Eve Marder and her many colleagues

彼らは素晴らしい組織の研究していて

who've been studying this fascinating system

それは、どんな少数の神経細胞の集まりでも

that show how a smaller cluster of neurons

いろんなことができる という事を明らかにしているんだ

can do many, many, many things

というのも、根本的に、神経調節は刻々と発生するからね

because of neuromodulation that can take place on a moment-by-moment basis.

すなわち、これは基本的には、時間的多重化という事だ

So this is basically multiplexing in time.

１つの神経調節物質に、１つの神経細胞網があると想像してごらん。

Imagine a network of neurons with one neuromodulator.

ある神経調整物質といくつかの細胞に ある行動を割り当てて

You select one set of cells to perform one sort of behavior,

別の神経調節物質と細胞に 別の行動を割り当てていくと

another neuromodulator, another set of cells,

非常に複雑な運動パターンが可能になることが

a different pattern, and you can imagine

これで想像できるだろう

you could extrapolate to a very, very complicated system.

ハエも同じだろうか？

Is there any evidence that flies do this?

長年に渡り 私の研究所でも、世界中の研究所でも

Well, for many years in my laboratory and other laboratories around the world,

小さな飛行シミュレーターを使って ハエの行動を研究してきた