コウモリはエコーで視覚とは異なる空間を認識している、同志社大などが発見

同志社大学と広島大学は3月14日、コウモリが周囲からの反射音であるエコーから把握する障害物空間が、視覚によって把握している実空間とは異なり、飛行に重要な場所を効率よく把握していることを発見したと発表した。

同成果は、同志社大大学院 生命医科学研究科の手嶋優風大学院生、同・飛龍志津子教授、同志社大 理工学部の土屋隆生教授、広島大大学院 統合生命科学研究科の山田恭史助教らの共同研究チームによるもの。詳細は、生物学全般を扱うオープンアクセスジャーナル「BMC Biology」に掲載された。

コウモリは、自ら発した超音波音声(パルス)に対する反響音(エコー)を聴取・分析して周囲の環境を把握するエコーロケーションにより飛行することが知られており、その空間把握能力は、暗闇の中、障害物にぶつかることなく微小な昆虫を高速かつ連続で捕食できるほど、高度に発達している。

その一方、コウモリがエコーから把握する空間は、滑らかで大きな壁にぶつかる行動が観察されるなど、視覚での認識空間とは異なることが予想される行動も報告されており、エコーからの情報をもとに、ヒトが視覚で見ている実際の空間とは異なる独自の認識空間を構築している可能性が考えられてきた。しかし、コウモリの把握している空間を推定するためには、コウモリの左右の耳に届く周囲からのエコーをすべて取得する必要があり、技術的に難しいことから、実際のエコーの計測は困難とされていた。

そこで研究チームは今回、障害物を配置した実空間での行動計測と音響シミュレーションを組み合わせることで、エコーの復元に成功。コウモリが放射したパルスが反射した場所(エコー源)を算出することで、すべてのエコー源から構成される空間(エコー空間)を可視化し、コウモリがエコーから把握する障害物空間の検討を行ったという。

実験では、障害物として3枚のアクリル板が左右交互に設置された空間が用意され、コウモリを実際に飛行させたところ、コウモリは板を避けるようにS字の経路で飛行することを確認。この際のエコー空間の可視化を行ったところ、障害物を回避するために重要な場所、板状の障害物のエッジ部分から、主に構成されていることが判明したという。

• コウモリが実際に飛行した空間と、エコーから推定された空間の比較。それぞれ実験空間を上から見た図になっている。実際の空間には、コウモリがS字に飛行するように、左右交互に障害物であるアクリル板が配置されている。対してエコーから推定された空間では、アクリル板のエッジ付近のエコー源で主に構成されている。エコー源の大きさはエコーの音圧に比例している (出所:広島大プレスリリースPDF)

また、コウモリが障害物空間を初めて飛行した際に比べ、空間を十分に学習したと考えられる12回目の飛行では、エコー源がよりエッジ部分に集まっており、少ないパルス放射で効率的に回避行動に重要となる障害物のエッジ付近に関する情報を取得していることも確認されたとするほか、エコー源の方向がコウモリの飛行方向の制御(旋回角速度)に影響を与えている可能性も示されたとする。

• 障害物空間を最初に飛行した際と、複数回飛行し空間を学習した後に飛行した際のエコー源と障害物の内側のエッジ間の距離の比較。コウモリは空間を学習すると、エコー源が障害物の内側のエッジにより集中するようになる。エコー源の大きさはエコーの音圧に比例している (出所:広島大プレスリリースPDF)

研究チームでは、今回の研究で可能となった、飛行中にコウモリに届くエコーの復元を活用することで、コウモリへの入力情報となる「エコー」と、コウモリからの行動出力である「飛行・パルス」の双方が取得でき、コウモリをシステムととらえた場合の入出力情報の関係より、その行動ルールの解明が期待できるとしているほか、そのシンプルな機構で空間を把握するコウモリのソナー機構をモデル化することで、生物由来の新たなセンシング手法の確立やその工学的応用につながることも期待されるとしている。

• コウモリが障害物空間を飛行した際の、飛行の旋回角速度とパルス放射方向、エコー到来方向の時間変化。パルス放射方向が旋回角速度に先行して変化していることは知られていたが、今回初めて、エコー到来方向が旋回角度速度に時間的に先行して、変化していることが明らかにされた(エコー到来方向のプロットは、エコー源が定位した障害物ごとに色を分けている) (出所:広島大プレスリリースPDF)