あなたの犬の鼻はどうしてそんなに多くのことを知っているのでしょうか？

この資料は Josh Cassidy によって準備されました。記事の翻訳: 犬の鼻はどのようにして多くのことを知っているのか。

カリフォルニア州マルティネス近郊の晴れた日、ジンカという名前のフレンドリーなジャーマンシェパードが、センサー、バッテリー、ワイヤーを備えたハーネスを装着してブリオネス地域公園の小道を走っています。彼女の後ろにはトレーナーのシェイ・クックが長いリードを手に持っています。

チームは、数時間または数日前に険しい地形を通過した人々を追跡するための訓練を行っています。彼らの捜索救助訓練により、森や田園地帯、さらには学生でいっぱいの賑やかな大学のキャンパスでも、たった一人の人を見つけることができるようになります。また、火災や地震などの自然災害で亡くなった行方不明者の捜索も行っています。

しかし、今日の彼らの任務は異なります。科学実験で科学者を支援し、匂いが時間の経過とともにどのように消散するのか、そして私たちを取り囲む目に見えない匂いの世界に関する情報を脳がどのように解読するのかを解明することです。

犬の飼い主なら誰でも、犬は人間には嗅ぎ分けられない匂いを嗅ぎ分けることができることを知っています。ある研究では、犬は人間よりも100万倍も匂いを嗅ぎ分ける能力が高いことが分かりました。

カリフォルニア大学バークレー校、ルシア・ジェイコブス博士の研究室の大学院生、ジュディ・ギンさんは、「外に出て、捜索救助犬が道を歩き、最終的に人を見つけるのを見るのが満足だ」と語った。 「これまで見たことがないなら、それは非常に素晴らしい光景です。」

ジン氏は、人間が気づかない微量の匂いを使って犬がどのようにして標的を追跡するのかという驚くほど複雑な問題を解明することを目的とした研究を完了させている。

「実のところ、この分野はこれまであまりよく研究されていませんでした」と彼女は言う。 「しかし今はその勢いが増している。」

この実験は、国立科学財団のブレイン・イニシアチブの資金提供を受けて、国内の6つの大学間の共同研究の一環として行われた。その名も「匂いナビプロジェクト」。動物行動学、遺伝学、生理学、流体力学など、さまざまな研究分野の参加者が集まり、動物が環境を理解するために匂いをどのように利用するかを研究しています。

この国家プロジェクトには遠大な目標があります。それは、より効率的な装置の開発を支援することです。おそらく、空港、地下鉄、工場などにある爆発物、麻薬、その他の危険な化学物質など、特定の匂いを検索できる新世代ロボットの開発も支援することです。

ジンは、「先駆者」が公園内の荒れた地形を事前に決められたルートをたどる実験を設定しました。その後、彼女は捜索犬のリードに取り付けられた GPS やその他のセンサーを使用して、ジンカがエキストラの進路をどれだけ正確に追跡しているかを記録しました。

実験では、トレイルセッターは 1 時間の利点を得ましたが、Zinka は数日経っても人々を追跡できます。雨が降っても彼女は止まらない。

ポータブル気象観測所を使った捜索隊の後、ジンさんは、犬が湿度の高い条件下でエキストラの足跡をより正確に追跡したことを発見した。彼女は、湿度が地面や植生上の芳香粒子を捕捉し、風によって運ばれるのを防ぐことができると考えていると述べた。ジンさんは今年中にその結果を発表したいと考えています。

犬が正確に何を聞いているのかについては、研究者たちの意見がまだ一致していません。ジン氏は、犬は人間が歩くときに失われる角質、髪の毛、汗などの小さな細胞から放出される蒸気の跡を感知すると考えている。

コロラド大学ボルダー校で流体力学を研究しているジョン・クリマルディ氏は、匂いそのものの構造を研究しています。彼はこのプロジェクトの主任研究者です。クリマルディと彼の研究室は、特別な技術を使用して、匂いが空気や水を通ってどのように伝わるのかという物理学を研究しています。

目に見えない匂いが私たちの周囲にどのように広がるかを示す例が日常的に存在することがわかりました。

「パイプから出る煙や、コーヒーにミルクを注ぐときにミルクが泡立つ様子を見ると、非常に複雑な構造をしていることがわかります」とクリマルディ氏は言う。 「実際、それらはすべて同じ物理学を使用しています。」

Crimaldi 氏の研究の 1 つは、レーザーを使用して蛍光染料が大きな水槽内でどのように広がるかを測定することです。研究者は染料がどのように不均一であるかに関するデータを使用しています
時間の経過とともに消散して、化学物質の動きを再現するコンピューター モデルを作成します。

その後、研究者たちはさまざまなコンピューター プログラムを実行して、情報源を計算する能力をテストします。 Crimaldi 氏は、どのアルゴリズムがモデル内の匂いの原因をより適切に特定できるかを調べたいと考えています。

「最終的には、匂いの原因を探すときに脳がどのように機能するかを実際に理解できるように、メカニズムのモデルを構築したいと考えています」と彼は述べた。 「私たちは、捜索や救助などの同様のタスクを実行するようにロボットをプログラムするために使用できる最適な戦略を見つけたいと考えています。」

クリマルディが匂いの構造を研究している一方で、匂いナビゲーション プロジェクトに参加している他の研究室は、「犬の鼻のリバース エンジニアリング」によって動物が匂いを検出するために使用するツールに焦点を当てています。

ペンシルバニア州立大学で働くブレント・クレイブンと彼の同僚は、犬の鼻の解剖学と空気がどのように通過するかを研究しました。

クレイブンと彼の同僚は、MRI などのスキャン技術を使用して、さまざまな哺乳類の頭蓋骨の内部を調べています。彼らは、犬など、嗅覚が強いと考えられている動物の多くが、鼻の奥に同様の構造を持つ傾向があることを発見しました。

「それは嗅覚領域と呼ばれています」とクレイブン氏は言う。 「鼻の奥の行き止まりエリアです。ここは感覚細胞がある場所です。」

貝殻と呼ばれる薄い骨がたくさんあり、粘膜で覆われています。犬の頭蓋骨の中で骨は迷路のようにねじれています。殻には嗅覚ニューロンと呼ばれる感覚細胞が並んでおり、脳に情報を伝達します。

犬には約60000万個の嗅覚ニューロンがあります。これは人間の15倍です。

人間は、鼻の内側の上部の小さな領域に嗅覚ニューロンを持っています。設置場所に特別な設計がないため、人々が嗅ぐ空気は私たちが吸う空気の残りの部分と混合されます。私たちのすべての感覚細胞は同じ領域にあるため、匂いにさらされる可能性があり、個々の匂いを認識することが困難になります。

しかしクレイブン氏によると、犬の嗅覚は特別なものではないという。

科学者が MRI スキャンで発見した構造に基づくと、多くの動物は犬と比較できる嗅覚を持っています。

「それらはすべて同じ嗅覚領域を持っています」とクレイブン氏は言う。 「しかし、人間や他の霊長類はそれほど優れたものではありません。」

ペンシルバニア州立大学の研究者は、スキャンデータを使用して、犬の鼻の内部と外部の解剖学的構造を模倣するコンピューターモデルを作成しました。

彼らは、空気が薄い構造をどのように通過するかを調べるためのコンピューターモデルでテストを実行し、臭気検出器の新しい設計につながる可能性のある手がかりを見つけました。

犬が人間よりも優れている点の 1 つは、鼻の穴の形状です。より正確に言えば、鼻の穴の側面にあるスリットです。

Matthew Steimates は、メリーランド州ゲイサーズバーグにある連邦政府の研究所である国立標準技術研究所の機械エンジニアです。彼は爆発物、薬物、有毒な工業用化学物質の検出器を改良する方法を研究しています。このため、ステイメイツ氏は、犬の鼻孔の形状がどのようにして犬が匂いを正確に識別するのに役立つかに興味を持っています。

匂いナビゲーション プロジェクトとは別に資金提供を受けているステイメイツ氏は、ペンシルベニア州で開発された犬の鼻のコンピューター モデルを 3D プリンターで XNUMXD プリントして、鼻甲介と嗅覚領域を備えた解剖学的に正しい人工の犬の鼻を作成しました。

彼は、犬の自然な匂いを嗅ぐ速度をシミュレートするために、犬の鼻のモデルに空気ホースを追加しました。犬は1秒間に約5回匂いを嗅ぎます。

「彼は本物の犬のように匂いを嗅ぎます」とステイメイツさんは言う。

シュリーレン法と呼ばれる特別なビデオ撮影技術を使用して鼻を観察することで、シュライレン法により、犬の鼻孔の形状がどのようにして犬が前方から息を吸い、吐き出した空気を後方や横に排出できるのかを確認することができました。これにより、犬の鼻の前に瞬間的に低圧の領域が形成されます。

人工鼻が同じ量を吸うときと吐き出すときでも、空気は前方に押し出され、この低圧領域を満たすことになります。これにより、犬は呼吸するたびに目の前の領域の新鮮なサンプルを取得できるようになります。

ステイメイツ氏は、鼻孔の形状を模倣することで、新しい検出器は装置に直接隣接する領域をサンプリングできるだけでなく、より離れた場所から空気を取り込み、範囲を拡大できる可能性があると示唆しています。

「今日の薬物、化学物質、生物学的脅威探知機のほとんどは、基本的に穴から空気を吸い込んで分析するだけです」とステイメイツ氏は言う。 「しかし、犬は非常にユニークな方法で環境と相互作用する能動的なサンプリングシステムを持っています。」

FAQ: 犬の鼻はどのようにして多くのことを知っているのでしょうか?