彼のオフィスにはさまざまな鳥の本が並んでいる。しかし、デューク大学の神経科学者エリック・ジャーヴィスが鳥類の系統樹の専門家になったのは、羽毛のある友だちに特別な関心があったからではない。人間の脳がどのように発話を理解し、再現するのかへの関心が、彼を鳥へと導いたのだ。
「鳥のさえずり行動が人間の発話に似ていることは、何年も前から知られていました。まったく同じではなく、似ているのです。そして脳の回路も似ています」と、デューク大学医学部神経生物学准教授で、ハワード・ヒューズ医学研究所の研究員でもあるジャーヴィスは語った。「しかし、そうした特徴が同じなのかどうかは、遺伝子も同じだからなのか、分かっていませんでした。」
今や科学者たちは答えを知っており、それは「はい」だ。鳥と人間は、発話に本質的に同じ遺伝子を使っている。
鳥類の系統樹の主要なすべての目を代表する48種について、全ゲノムの解読と比較を行う 大規模な国際的取り組み を経て、ジャーヴィスと同僚たちは、歌鳥、オウム、ハチドリの間で、発声学習が2回、あるいはおそらく3回進化したことを明らかにした。
さらに注目すべきなのは、それぞれのさえずりの革新に関わる遺伝子群が、人間の発話能力に関わる遺伝子と驚くほどよく似ていることだ。
この研究成果は、12月12日付の『サイエンス』特別号に掲載された8本の科学論文と、『Genome Biology』『GigaScience』などの学術誌にほぼ同時に掲載された21本の論文からなる一連の研究の一部である。 ジャーヴィスは20本の論文に名を連ね、 そのうち8本では責任著者を務めている。
ジャーヴィスは、中国のBGIにあるNational Genebankおよびコペンハーゲン大学のGuojie Zhang、デンマーク自然史博物館のM. Thomas P. Gilbertとともに、 鳥類系統ゲノム学コンソーシアム を共同で率いた。デューク大学の研究室は、サンプルの準備、ゲノムの解読と注釈付け、解析の実施、そしてプロジェクト全体の調整に貢献した。
ブライアン研究棟にあるジャーヴィス研究室 では、世界各地の博物館やその他の機関が過去30年間に収集した、凍結されたピンク色の鳥肉の小片からDNAを取り出し、多くの種のDNAを準備した。解読対象のDNAがGolden-collared manakinのものだと確認し、学部生の実験助手のものではないと確かめるため、研究室は隅々まで清潔に保たれ、多くの器具は後の汚染の可能性を避けるため一度しか使われない。
「手袋は頻繁に交換します」と、次段階でさらに多くの鳥の配列を解読するためのDNA分離工程を整え、デューク大学の学部生チームとEast Chapel Hill High Schoolの生徒1人とともにサンプル準備を監督した研究分析担当者、キャロル・ペアレントは語った。
こうした綿密で、いささか骨の折れる作業によって、ジャーヴィスと世界各地の数百人の同僚は、中国のBGIが生成した前例のない量のゲノムデータを分析できるようになった。48種の鳥の全ゲノム比較には、イリノイ大学とテキサス大学で作成された新しいアルゴリズムが必要で、それらは米国と欧州の3台のスーパーコンピューターで、CPU時間にして400年分に相当する計算を実行した。
ペンギンの進化から色覚までを扱う29本の論文のうち、8本は鳥のさえずりに充てられている。
「これは、歌や発話を担う脳領域の遺伝子について、発声学習をする鳥と人間のほうが、他の鳥や霊長類よりも互いに似ていることを意味します」とジャーヴィスは述べた。12月12日付『サイエンス』掲載論文の一つは、発声学習をする鳥と人間の脳で活性が高く、あるいは低くなる、わずか50個強の一貫した遺伝子群を見いだした。デューク大学のこの研究チームによれば、発声学習をしない鳥や、話さないヒト以外の霊長類の脳では、こうした変化は見られなかった。チームを率いたのはジャーヴィス、計算生物学・バイオインフォマティクス（CBB）博士課程修了者のアンドレアス・プフェニング、そしてコンピューター科学、統計科学、生物学の教授アレクサンダー・ハーテミンクである。
これらの遺伝子は、運動皮質のニューロンと、音を出す筋肉を制御するニューロンとの間に新たな結合を形成することに関わっている。
CBB博士課程の別の卒業生、Rui Wangによる関連研究では、歌と発話を制御する脳領域に関わる2つの遺伝子の特殊な活性を調べた。『Journal of Comparative Neurology』に掲載されたこの研究は、歌を学習する鳥の脳の一領域で、幼鳥期の発声学習期間にこれらの遺伝子の発現が低下・上昇し、その変化が成鳥期まで続くことを明らかにした。この研究とプフェニングの研究は、これらの遺伝子の変化が、鳥のさえずりと人間の発話の進化に不可欠だった可能性を仮説として提示している。
「同じ遺伝子はあらゆる種のゲノムに見つかりますが、発声学習をする鳥と人間では、歌や発話に特化した脳領域で、その活性がはるかに高かったり低かったりします」とジャーヴィスは語った。「私には、発声学習が進化するとき、脳回路が進化できる道筋は限られている可能性があることを示唆しているように思えます。」
デューク大学の別の『サイエンス』論文では、博士研究員のオセオラ・ホイットニー、プフェニング、ハーテミンク、神経生物学准教授のアン・ウェストが率いるチームが、歌っている間の脳の各領域における遺伝子活性化を調べた。このチームは、歌唱中に発現ゲノムの10％が活性化し、歌を学習する脳領域ごとに多様な活性化パターンがあることを見いだした。こうした多様な遺伝子パターンは、脳の各領域のゲノムにおけるエピジェネティックな違いで最もよく説明できる。つまり、鳥が歌うとき、異なる脳領域の個々の細胞は、即座に遺伝子を調節できるということだ。
発声学習をする鳥の主な3グループのうち、オウムは人間の発話をまねる能力が明らかに異なる。ジャーヴィス研究室の博士研究員ムクタ・チャクラボルティは、特化した遺伝子の一部の活性を利用した研究を率い、オウムの発話中枢がやや異なる構成であることを突き止めた。研究者たちが「歌のシステムの中にある歌のシステム」と呼ぶ構造を持ち、歌の産生に関わる遺伝子活性が異なる脳領域の外側を、遺伝子発現にさらに多くの違いがある外周領域が取り囲んでいる。
オウムは非常に社会性の高い動物だとチャクラボルティは述べる。オウムの発話の「方言」をすばやく身につける能力が、極めて発達した発話中枢の理由かもしれない。外側の「殻」に当たる領域は、発声、認知、社会性の能力が最も高いと考えられているオウムの種で、相対的に大きいことが分かった。これらの種には、Amazon parrots、African Grey、Blue and Gold Macawが含まれる。
ジャーヴィスは、オレゴン健康科学大学のクラウディオ・メロおよび博士課程学生モーガン・ワースリンとの研究チームにも参加した。同チームは、鳴禽類の歌の制御領域に固有の遺伝子をさらに10個発見した。この論文は『BMC Genomics』に掲載されている。
Zhang、Gilbert、ジャーヴィスが率いた『サイエンス』掲載論文は、発声学習をする鳥のゲノムは他の鳥類種と比べて進化が速く、染色体再編成も多いことを明らかにした。このゲノム比較では、異なる鳥の脳にある歌学習領域でも、同様の変化が独立して起きていたことも分かった。
ジャーヴィスは、鳥類で発話がどのように進化したかという歴史をより詳しく知ることで、発声学習をする鳥は、人間の発話について自分や他の研究者が取り組む問いに答えるためのモデル生物として、いっそう価値が高まると述べた。
「人間の脳で発話を研究するのは難しいのです」と彼は語った。「クジラやゾウは発話や歌を学習しますが、研究室で飼育するには大きすぎます。鳥のさえずりを担う脳領域が、遺伝子レベルで人間の発話領域とどれほど似ているかを、より深く理解できた今、鳥はこれまで以上に優れたモデルになると思います。」
ジャーヴィスがデューク大学で過ごした16年間に行った鳥の脳の幅広い探究からは、歌とは関係のない意外な発見もいくつか生まれた。
2005年、彼と同僚たちは渡り鳥の脳に、どうやら「夜間視覚」を通じて磁場を感知させる中枢があることを発見した。同年、彼は鳥の脳の構成と脊椎動物の脳の進化に関する理解の見直しも主導した。昨年は、8種の鳥の脳の23領域で活性を示す52個の遺伝子を解析し、鳥の脳の地図を描き直す研究を率いた。この新しい地図は、鳥の脳のニューロン群が、人間や他の哺乳類の脳と同じように柱状に構成されていることを示している。
また、少し分野を広げ、人間の可聴域を超える超音波域でマウスが「歌う」ことを可能にする脳構造についても研究した。
ジャーヴィスによれば、鳥類系統ゲノム学コンソーシアムによる今回の第一波の成果は、ゲノム解析の刺激的な新時代の始まりにすぎない。国際研究グループはすでに、さらに多くの鳥について全ゲノムレベルで解読を進めている。
「これはわくわくする時です」と語るジャーヴィスは、 デューク脳科学研究所のメンバーでもある。「より幅広いサンプルからゲノムデータが得られれば、今や多くの根本的な問いに答えられます。私は、人間の発声学習や発話産生を研究するモデルとしての鳥に関心があってこのプロジェクトに参加しましたが、脳の進化について驚くべき新たな展望が開けました。」
この記事は、 Duke Todayとの共同で公開されています。掲載は、世界経済フォーラムがその見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：Karl BatesはDuke Todayの記事を執筆している。
画像：異例の暖かさの中、池で涼むスズメ。REUTERS/Ognen Teofilovski