動物研究

この節の加筆が望まれています。 （2020年2月）

動物行動遺伝学の研究者は、環境要因を慎重に制御し、遺伝的変異を実験的に操作することができるため、ヒトの行動遺伝学（英語版）の研究では得られない程度の因果推論が可能である^[15]。動物研究では、選択実験がよく用いられる。例えば、実験室のハツカネズミは、オープンフィールド行動（英語版）^[16]、体温調節の巣作り本能（英語版）^[17]、自発的な回し車運動行動^[18]などについて選択交配されている。これらのデザインにおける一連の方法については、それぞれのページで説明されている。 モデル生物を用いる行動遺伝学者は、遺伝子を改変、挿入、または欠失させるために、様々な分子技術を用いる。これらの技術には、ノックアウト、フロキシング（英語版）、遺伝子ノックダウン、CRISPR-Cas9などの方法を用いたゲノム編集などがある^[19]。これらの技術により、行動遺伝学者は、モデル生物のゲノムにおいて異なるレベルの制御を可能にし、遺伝的変化の分子的、生理学的、または行動的な結果を評価することができる^[20]。行動遺伝学でモデル生物としてよく用いられる動物には、マウス^[21]、ゼブラフィッシュ^[22]、線形動物のカエノラブディティス・エレガンスなどがある^[23]。

機械学習と人工知能の発展により、研究者は複雑さと生成される大規模なデータセットを管理できる実験を設計できるようになり、ますます複雑な行動実験が可能になっている^[24]。

ヒト研究

行動遺伝学研究で使用される研究デザインの一部は、双生児研究（英語版）や養子研究（英語版）を含む、家系デザイン（系図デザインとしても知られる）のバリエーションである^[14]。遺伝関係が既知の個人（例えば、親子、兄弟、二卵性双生児、一卵性双生児）の量的遺伝学（英語版）モデリングでは、個人間の表現型の違いに、遺伝子と環境がどの程度寄与しているかを推定することができる^[25]。

双生児研究と家族研究

→詳細は「双生児法」を参照

双生児研究の基本的な直感は、一卵性双生児は100%のゲノムを共有し、二卵性双生児は平均して50%の分離ゲノムを共有するということである。したがって、一卵性双生児ペアの2人の間の違いは、環境の違いによってのみ生じる可能性があるのに対し、二卵性双生児は、環境だけでなく遺伝子によっても異なる。この単純化されたモデルでは、二卵性双生児の方が一卵性双生児よりも異なる場合、それは遺伝的影響にのみ帰することができる。双生児モデルの重要な仮定は、等しい環境の仮定（英語版）であり^[26]、一卵性双生児は二卵性双生児と同じ共有環境体験を持つというものである。例えば、一卵性双生児が二卵性双生児よりも似たような経験をする傾向があり、これらの経験自体が遺伝子-環境相関（英語版）メカニズムを介して遺伝的に媒介されていない場合、一卵性双生児は二卵性双生児よりも互いに似ている傾向があり、その理由は遺伝子とは関係がない^[27]。一卵性双生児と二卵性双生児の双生児研究では、双生児の類似性に影響を与える要因を記述し、遺伝率を推定するために、生物測定学的定式化を用いる^[25][28]。この定式化は、表現型の分散が遺伝子と環境の2つの要因によるものであるという基本的な観察に基づいている。より正式には、${\displaystyle Var(P)=g+(g\times \epsilon )+\epsilon }$であり、ここで${\displaystyle P}$は表現型、${\displaystyle g}$は遺伝子の影響、${\displaystyle \epsilon }$は環境の影響、${\displaystyle (g\times \epsilon )}$は遺伝子と環境の相互作用（英語版）である。${\displaystyle g}$項は、相加的（英語版）遺伝効果（${\displaystyle a^{2}}$）、優性効果（${\displaystyle d^{2}}$）、エピスタシス効果（${\displaystyle i^{2}}$）を含むように拡張できる。同様に、環境項${\displaystyle \epsilon }$は、共有環境（${\displaystyle c^{2}}$）と非共有環境（${\displaystyle e^{2}}$）を含むように拡張できる。非共有環境には、測定誤差が含まれる。簡単のために遺伝子と環境の相互作用を除外し（双生児研究では典型的）、${\displaystyle g}$項と${\displaystyle \epsilon }$項を完全に分解すると、${\displaystyle Var(P)=(a^{2}+d^{2}+i^{2})+(c^{2}+e^{2})}$となる。双生児研究では、この分解の単純化された形式を用いて、一卵性双生児と二卵性双生児の類似性をモデル化する（表参照）^[25]。

双生児の類似性への遺伝的および環境的寄与の分解^[25]

関係の種類	完全分解	ファルコナーの分解
きょうだい間の完全な類似性	${\displaystyle 1.0=a^{2}+d^{2}+i^{2}+c^{2}+e^{2}}$	${\displaystyle 1.0=a^{2}+c^{2}+e^{2}}$
一卵性双生児の相関 (${\displaystyle r_{MZ}}$)	${\displaystyle r_{MZ}=a^{2}+d^{2}+i^{2}+c^{2}}$	${\displaystyle r_{MZ}=a^{2}+c^{2}}$
二卵性双生児の相関 (${\displaystyle r_{DZ}}$)	${\displaystyle r_{DZ}={\frac {1}{2}}a^{2}+{\frac {1}{4}}d^{2}+(k)i^{2}+c^{2}}$	${\displaystyle r_{DZ}={\frac {1}{2}}a^{2}+c^{2}}$
ここで、${\displaystyle k}$は未知の（おそらく非常に小さい）量である。

次に、単純化されたファルコナーの定式化を用いて、${\displaystyle a^{2}}$、${\displaystyle c^{2}}$、${\displaystyle e^{2}}$の推定値を導出できる。${\displaystyle r_{MZ}}$方程式と${\displaystyle r_{DZ}}$方程式を並べ替えて代入することで、加算的遺伝分散、すなわち遺伝率の推定値 ${\displaystyle a^{2}=2(r_{MZ}-r_{DZ})}$、非共有環境効果 ${\displaystyle e^{2}=1-r_{MZ}}$、最後に共有環境効果 ${\displaystyle c^{2}=2r_{DZ}-r_{MZ}}$を得ることができる^[25]。ここでは、双生児モデルがどのように機能するかを説明するために、ファルコナーの定式化を示した。現代のアプローチでは、最尤法を用いて、遺伝的および環境的な分散成分を推定している^[29]。

ゲノムワイド関連解析

この節の加筆が望まれています。 （2022年11月）

→「脳の進化 § 最近の進化の遺伝的要因」、および「神経遺伝学」も参照

行動遺伝学は、ゲノム情報、神経学的情報（神経解剖学／神経イメージング（英語版）データなど）、行動情報（ライフスタイルや健康に関連する活動に関する調査データなど）を含むデータベースを使用・生成する。このようなデータベースは、ゲノムワイド関連解析（GWAS）に使用される。

測定された遺伝的変異

ヒトゲノム計画により、科学者はDNAヌクレオチドの配列を直接ジェノタイピングできるようになった^[32]。ジェノタイピングが行われると、遺伝的変異（英語版）と精神障害、認知能力、性格などの行動表現型との関連性（英語版）を検証できる^[33]。

• 候補遺伝子 一つの人気のあるアプローチは、行動表現型との関連性について候補遺伝子（英語版）を検証することであり、候補遺伝子は、行動形質や表現型の発現に関与する生物学的メカニズムに関する何らかの事前の（英語版）理論に基づいて選択される^[34]。一般に、このような研究は広く再現することが難しいことが証明されており^{[35][36][37][38]}、このタイプの研究では偽陽性率（英語版）が高いのではないかという懸念が示されている^[34][39]。
• ゲノムワイド関連解析 ゲノムワイド関連解析では、研究者はゲノム全体にわたる数百万の遺伝的多型と行動表現型との関係を検証する^[33]。この遺伝的関連解析へのアプローチは、表現型に関する特定の生物学的仮説に導かれることなく、大部分が理論に依存しない^[33]。行動形質や精神疾患に関する遺伝的関連の知見は、多くの小さな遺伝的効果を含む高度に多因子的であることが分かっている^{[40][41][42][43][44]}。

• SNP遺伝率と共遺伝率 最近、研究者は、一塩基多型（SNP）で測定された古典的に無関係な人々の間の類似性を用いて、ゲノムワイド複合形質解析（英語版）（GCTA）などのソフトウェアに実装された混合効果モデルを用いて、SNPでタグ付けされた遺伝的変異や共変異を推定し始めている^[45][46]。これを行うために、研究者は（通常は大きな）サンプル内のすべての個人間のすべてのSNPにおける平均的な遺伝的関連性を見出し、ヘイズマン-エルストン回帰（英語版）または制限付き最尤法（英語版）を用いて、SNPによって「タグ付け」または予測される遺伝的変異を推定する。表現型変異のうち、遺伝的関連性によって説明される割合は、「SNP遺伝率」と呼ばれている^[47]。直感的には、測定されたSNPにおける遺伝的類似性によって表現型の類似性が予測される程度に応じて、SNP遺伝率は増加し、測定されたSNPが（典型的には稀な）原因となるバリアントをタグ付けできない程度に応じて、真の狭義の遺伝率よりも低くなると予想される^[48]。この方法の価値は、双生児研究や家族研究と同じ仮定を必要としない遺伝率を推定する独立した方法であり、形質の変異の原因となるバリアントの対立遺伝子頻度スペクトル（英語版）に関する洞察を与えることである^[49]。

疑似実験デザイン

行動の遺伝的影響を理解するためではなく、行動に対する環境を介した影響を検証するために遺伝的影響を制御するために、いくつかの行動遺伝学的デザインは有用である^[50]。このような行動遺伝学的デザインは、自然実験のサブセットと見なすことができる^[51]。自然実験は、独立変数（英語版）に対してある程度の制御を提供することで、真の実験を模倣する自然発生的な状況を利用しようとする疑似実験（英語版）である。自然実験は、実際的または倫理的な制限から実験が実行不可能な場合に特に有用である^[51]。

観察研究（英語版）の一般的な限界は、遺伝子と環境の相対的影響が交絡していることである。この事実の単純な実証は、「環境」的影響の尺度が遺伝的であることである^[52]。したがって、環境的リスク要因と健康アウトカムとの間に相関が観察されたとしても、必ずしも環境が健康アウトカムに影響を与えていることの証拠にはならない。同様に、例えば親子間の行動伝達に関する観察研究（英語版）では、受動的な遺伝子-環境相関（英語版）の問題により、伝達が遺伝的影響によるものか環境的影響によるものかを知ることは不可能である^[51]。薬物を使用する親の子供が成人してから薬物を使用する可能性が高いという単純な観察では、子供が成長したときになぜ薬物を使用する可能性が高いのかを示すものではない。それは、子供が親の行動をモデリング（英語版）しているからかもしれない。同様に、子供が親から薬物使用を促進する遺伝子を受け継いだため、親の行動に関係なく、成人してから薬物を使用するリスクが高くなったのかもしれない。養育環境と遺伝的継承の相対的な影響を解明する養子研究では、養子における喫煙、アルコール、マリファナの使用に対する養育環境の影響は小さいか無視できる程度であると分かっているが^{[53][要非一次資料]}、ハードドラッグ（英語版）の使用に対する養育環境の影響はより大きいことが分かっている^{[54][要非一次資料]}。

他の行動遺伝学デザインには、不一致双生児研究^[50]、双生児の子供デザイン^[55]、メンデルランダム化（英語版）などがある^[56]。

行動に対する遺伝的影響は広範である

研究されたすべての行動形質と障害が遺伝子の影響を受けている、つまり遺伝的であることは、複数の証拠から明らかである。最大の証拠源は双生児研究（英語版）であり、一卵性（同一）双生児は同性の二卵性（二人の）双生児よりも互いに類似していることが常に観察されている^[11][12]。

遺伝的影響が広範に及んでいるという結論は、双生児法の仮定に依存しない研究デザインでも観察されている。養子研究（英語版）では、養子は様々な形質や障害について、養親よりも生物学的親族の方によく似ていることが常に示されている^[3]。離れて育てられた双子のミネソタ研究（英語版）では、生まれてすぐに離ればなれになった一卵性双生児が成人期に再会した^[58]。これらの養子に出され、離れて育てられた双生児は、一般的な認知能力、人格、宗教的態度（英語版）、職業的興味など、幅広い尺度で一緒に育てられた双生児と同じくらい似ていた^[58]。ゲノムワイド遺伝子型判定を用いたアプローチにより、研究者は個人間の遺伝的関連性を測定し、何百万もの遺伝的変異に基づいて遺伝率を推定することができるようになった。名目上無関係な個人（近親者でも遠縁者でもない個人）間の遺伝的類似性（別名、関連性）の程度が表現型の類似性と関連しているかどうかを検証する方法が存在する^[46]。このような方法は、双生児研究や養子研究と同じ仮定に依存しておらず、行動形質や障害の遺伝性の証拠を日常的に見出している^[42][44][59]。

環境的影響の性質

研究された全てのヒトの行動表現型が遺伝子の影響を受けている（すなわち、遺伝的である）のと同様に、そのような表現型はすべて環境の影響も受けている^[11][57]。一卵性双生児が遺伝的に同一でありながら、精神障害で完全に一致したり、行動形質で完全に相関したりすることは決してないという基本的な事実は、環境がヒトの行動を形作ることを示している^[57]。

しかし、この環境的影響の性質は、同じ家族の個人をより似通ったものにするのではなく、互いにより異なったものにする傾向がある^[3]。つまり、ヒトの研究における共有環境効果（${\displaystyle c^{2}}$）の推定値は、行動形質や精神障害の大多数で小さく、無視できるほど小さいか、ゼロであるのに対し、非共有環境効果（${\displaystyle e^{2}}$）の推定値は中程度から大きい^[11]。双生児研究では、一卵性双生児間の相関（${\displaystyle r_{MZ}}$）が二卵性双生児の相関（${\displaystyle r_{DZ}}$）の少なくとも2倍あるため、${\displaystyle c^{2}}$は通常0と推定される。ファルコナーの分散分解（英語版）（${\displaystyle 1.0=a^{2}+c^{2}+e^{2}}$）を使用すると、一卵性双生児と二卵性双生児の類似性のこの差は、${\displaystyle c^{2}=0}$と推定されることになる。ファルコナーの分解は単純化されている^[25]。優性効果とエピスタシス効果の影響を取り除いているが、これらの効果が存在する場合、一卵性双生児は二卵性双生児よりも似ている傾向があり、共有環境効果の影響を隠してしまう^[25]。これは、${\displaystyle c^{2}}$を推定するための双生児デザインの限界である。しかし、共有環境効果が無視できるという一般的な結論は、双生児研究だけに依存しているわけではない。養子研究（英語版）でも、大きな（${\displaystyle c^{2}}$）要素は見出されていない。つまり、養親とその養子は、養子とその養育していない生物学的親よりもお互いに似ていない傾向がある^[3]。少なくとも1人の実子と1人の養子がいる養子家族の研究では、研究されたほとんどの形質について、きょうだいの類似性もほぼゼロである傾向がある^[11][60]。

この図は、パーソナリティ研究の例であり、双生児研究と養子研究が、ポジティブ感情性、ネガティブ感情性、制約を含む多次元人格質問紙（英語版）によって測定された幅広いパーソナリティ特性に対する共有環境の影響がゼロから小さいという結論に収束していることを示している^[61]。

研究されたすべての行動形質と精神障害が遺伝的であるという結論が出ていることを考えると、生物学的きょうだいは、養子のきょうだいよりも常にお互いに似ている傾向があるだろう。しかし、特に思春期に測定されたいくつかの形質については、養子のきょうだいはお互いにある程度の有意な類似性（例えば、0.20の相関）を示す。共有環境の影響が有意であることが示されている形質には、内在化および外在化障害（英語版）^[62]、物質使用^{[63][要非一次資料]} および依存症（英語版）^{[54][要非一次資料]}、 知能が含まれる^{[63][要非一次資料]}。

遺伝的影響の性質

ヒトの行動結果に対する遺伝的影響は、複数の方法で記述できる^[25]。その効果を記述する1つの方法は、行動の分散のうち、対立遺伝子が遺伝的変異でどの程度説明できるかという観点から、言い換えれば、決定係数または${\displaystyle R^{2}}$としても知られている。${\displaystyle R^{2}}$について直感的に考える方法は、遺伝的変異が、異なる対立遺伝子を有する個人を、行動結果に関してどの程度互いに異なるようにさせるかを記述することである。個々の遺伝的変異の効果を記述する補完的な方法は、個人が有するリスク対立遺伝子の数の変化に対して、行動結果にどの程度の変化が期待されるかという点であり、多くの場合、ギリシャ文字の${\displaystyle \beta }$（回帰方程式の傾きを表す）で表されるか、二値の疾患結果の場合は、対立遺伝子の状態による疾患のオッズ比${\displaystyle OR}$で表される。違いに注意すること。${\displaystyle R^{2}}$は、遺伝的変異内の対立遺伝子の集団レベルの効果を表す。${\displaystyle \beta }$または${\displaystyle OR}$は、リスク対立遺伝子を有さない個人と比較して、リスク対立遺伝子を有する個人に対する効果を表す^[64]。

${\displaystyle R^{2}}$指標で記述された場合、複雑なヒトの行動形質や障害に対する個々の遺伝的変異の効果は極めて小さく、各変異は表現型の変動の${\displaystyle R^{2}<0.3\%}$を説明するに過ぎない^[3]。この事実は、主に、物質使用^[65][66]、人格^[67]、出生力^[68]、統合失調症^[41]、うつ病^[67][69]、脳の構造^[70]や機能^[71]などのエンドフェノタイプ（英語版）を含む複雑な行動表現型のゲノムワイド関連研究の結果を通して発見されてきた。この規則には、APOEのアルツハイマー病に対する効果^[72]、CHRNA5（英語版）の喫煙行動に対する効果^[65]、（東アジア系の（英語版）個人における）ALDH2のアルコール（英語版）使用に対する効果など、少数の再現性があり頑健に研究された例外がある^[73]。

一方、${\displaystyle \beta }$指標に基づいて効果を評価した場合、複雑な行動表現型に非常に大きな効果を持つ遺伝的変異が多数存在する。そのような変異内のリスク対立遺伝子は極めてまれであり、その大きな行動的効果は少数の個人にのみ影響を与える。したがって、${\displaystyle R^{2}}$指標を用いて集団レベルで評価した場合、集団内の個人間のリスクの差のうち、説明できるのはごくわずかである。例としては、APP内の変異があり、これは家族性の重度の早期発症型アルツハイマー病をもたらすが、比較的少数の個人にしか影響を与えない。これをAPOE内のリスク対立遺伝子と比較すると、APPと比べてリスクははるかに小さいが、はるかに一般的であるため、集団のより大きな割合に影響を与える^[74]。

最後に、ハンチントン病のように、その病因が遺伝的に単純な古典的な行動障害がある。ハンチントン病は、HTT遺伝子の単一の常染色体優性変異によって引き起こされ、この変異は、個人が十分に長生きすると仮定した場合、この病気を発症するリスクの個人差を説明する唯一の変異である^[75]。ハンチントン病のような遺伝的に単純でまれな疾患の場合、変異の${\displaystyle R^{2}}$と${\displaystyle OR}$は同時に大きくなる^[64]。

その他の一般的な知見

心理学研究の再現性に関する一般的な懸念に対応して、行動遺伝学者のロバート・プロミン（英語版）、ジョン・C・デフリーズ（英語版）、バレリー・クノピック、ジェナエ・ナイダーハイザー（英語版）は、行動遺伝学研究から得られた最も再現性の高い10の知見のレビュー（英語版）を発表した^[57]。その10の知見は以下の通りである。

1. すべての心理的形質は、有意かつ実質的な遺伝的影響を示す。
2. 100%遺伝する行動形質はない。
3. 遺伝率は、小さな効果を持つ多くの遺伝子によって引き起こされる。
4. 心理的形質間の表現型相関は、有意かつ実質的な遺伝的媒介を示す。
5. 知能の遺伝率は、発達を通して増加する。
6. 年齢間の安定性は、主に遺伝によるものである。
7. 「環境」の尺度のほとんどは、有意な遺伝的影響を示す。
8. 環境的尺度と心理的形質の間のほとんどの関連は、遺伝的に有意に媒介されている。
9. ほとんどの環境的効果は、同じ家族で育つ子供によって共有されない。
10. 異常は正常である。