テキストメッセージをうまく送信するには、脳が文言を構成し、タイプミスをチェックしながら親指で巧みにタップする必要があります。単純な代数の問題を解くには、シンボルを処理する視覚野と、計算と短期記憶に使用される脳の部分が関係します。また、携帯電話を使わずに運転を行うには、視覚データ、触覚データ、空間データの組み合わせが必要です。これらのタスクを完了するために、脳のさまざまな領域がどのように通信し、それらの努力を調整するのでしょうか?神経科学者は長い間、感覚入力と認知プロセスの犬の朝食を合成する脳の能力を理解するのに苦労してきました.
しかし、高度に相互に関連した脳領域のネットワークが存在し、高次のタスクを促進する上で不可欠であることが証明される可能性があることを示唆する証拠が増えています。高度に接続されたハブのこのコレクションは、「リッチ クラブ」ネットワークと呼ばれています。これは、アイビー リーグの卒業生組織など、他の人が出会い、情報を交換するのに役立つ、接続の良好な個人のグループに似ているためです。
インディアナ大学ブルーミントン校の計算神経科学者であるオラフ・スポーンズ氏は、研究者は脳内で「豊かなクラブはグローバルなコミュニケーションを効率的にする上で重要な役割を果たしており、情報の統合をサポートする上でも重要であると考えています」と述べています。 Sporns は、オランダの脳センター Rudolf Magnus の神経科学者である共同研究者 Martijn van den Heuvel とともに、脳内の豊富なクラブについて最初に説明しました。
Sporns らは、金持ちのクラブを研究することが、神経科学における最大の課題の 1 つである、脳の構造とその機能を関連付けるという解決に役立つことを期待しています。それぞれは異なる技術を使用して測定できますが、構造情報と機能情報を調整する試みは、とらえどころのないものであることが証明されています.
「それは 機能を理解するために、基礎となる構造のトポロジーについてできる限り多くのことを知ることは、非常に重要です」と、スペインのバルセロナにあるポンペウ ファブラ大学の神経科学者 Gustavo Deco は述べています。
科学者がニューラル リッチ クラブ ネットワークに惹きつけられる理由の 1 つは、配線のコストを最小限に抑えるという脳の組織化原則の 1 つに違反しているように見えるからです。脳は、メッセージをすばやく転送し、脳の貴重な容量と配線材料をほとんど占有しない短い接続を好むようです。微視的なワーム C. elegans の配線図は、この規則に非常に厳密に従います。また、哺乳類の脳では、長い接続よりも短い接続の方がはるかに一般的です。しかし、ワームとヒトの両方において、豊富なクラブ ネットワークはまれで高価な例外であり、神経機能における重要な役割を示唆しています.
「これは脳の高価な構成要素であり、高レベルでより認知的に高度な形態の情報処理をサポートするのに役立つ可能性があります」と、イギリスのケンブリッジ大学の神経科学者で、金持ちのクラブも研究している Ed Bullmore は述べています。 「正当な理由がなければ、脳がそのような高度に接続されたネットワークを実装する可能性は低いです。」
形状と機能
脳内では、リッチ クラブはハイウェイ システムに似ています。ハイウェイ システムは、地上道路のわずかな割合を占めるにすぎませんが、すべての移動のはるかに大きな割合を占めています。神経の豊富なクラブは、「脳の配線長全体のごく一部ですが、大量の情報の流れを運んでいます」と van den Heuvel 氏は述べています。
リッチ クラブ ハブ間の接続は解剖学的には長いが、トポロジー的には短い。つまり、1 つのノードが 1 つまたは 2 つの中間ノードによって他のノードに接続されていることを意味します。 Van den Heuvel は、これによりニューロン間のより高速でノイズの少ない通信が可能になると述べました。
Sporns と van den Heuvel はもともと、脳の白質の画像から収集した解剖学的データを分析することで、リッチ クラブを定義しました。コンピューター上で、彼らは脳をさまざまな領域に分割し、ネットワークとして表現しました。各領域はノードであり、神経接続はそれらの間のリンクです。グラフ理論と呼ばれる数学的アプローチを使用してネットワークの特性を分析し、高度に相互接続された 12 のハブを特定し、これをリッチ クラブと名付けました。この中央ネットワークは、脳の残りの部分よりも相互接続されており、他のほとんどすべての脳領域にリンクされていました。コンピューター シミュレーションにより、金持ちのクラブへの被害は、他の地域への被害よりもネットワーク全体を混乱させることが明らかになりました。
この研究から生じた大きな疑問の 1 つは、解剖学的データに基づく豊富なクラブ ネットワークが脳機能にどのように対応しているかということです。科学者たちは、この豊かなクラブがいわゆる機能的ネットワークに対応しているかどうかを調べることに特に関心を持っていました。機能的ネットワークは、機能的脳画像からのデータを使用してマッピングされました。科学者は、個人が休んでいるとき、または特定の認知課題を行っているときの脳活動の相関パターンを探します。これらの機能ネットワークに関する無数の研究にもかかわらず、研究者はまだ基礎となる物理的構造を定義していません.
Sporns と van den Heuvel は、構造と機能の関連性を調査するために着手し、これまでで最大の研究の 1 つで、同じ個人からの構造と機能の両方の画像データを比較しました。 9 月に Journal of Neuroscience に掲載された結果は、人間の脳内の豊富なクラブ ネットワークが、これまでにマッピングされた多くの機能ネットワークと重複していることを示しています。
Van den Heuvel 氏は、この発見は、構造と機能の間に単純な線形関係がないことを示唆していると述べています。代わりに、「解剖学は、脳の機能的構成が発生する可能性のある境界を定義するだけです」と彼は言いました.たとえば、電子メールを読むことから電話に応答することなど、誰かがタスクを急速に変更すると、脳は機能状態を急速に切り替えますが、これは豊富なクラブ ネットワークによって制限される可能性があります。
この発見は、「本当に興味のある場所である可能性が高い脳の場所、何かが起こったときに脳機能に壊滅的な結果をもたらす可能性が高い場所を教えてくれる」という証拠を提供する可能性があるため、重要です.シアトルのアレン脳科学研究所のモデリング、分析、および理論グループのディレクターである Hawrylycz は、次のように述べています。たとえば、シカゴのオヘアのような主要な空港ハブを失うことは、ノースダコタ州ファーゴのヘクター国際空港の閉鎖よりも、航空交通システム全体に大きな影響を与えるでしょう.
ブルモアと共同研究者によって今年初めに発表された 2 つ目の研究では、裕福なクラブを機能的なネットワークに結び付けるという別の方法が取られました。研究者は、さまざまなタスクを実行している 1,200 人以上の人々の脳活動データをまとめました。ブルモア氏は、豊富なクラブノードは、行動や認知などの高次認知機能に関与する可能性が高いと述べました. 「リッチクラブは機能的に価値があるため、高価であるという一般的な議論を支持する別のデータを追加します」と彼は言いました.
ネコとミミズ
4月、ブルモアと共同研究者は、コネクトームと呼ばれるニューロン接続のセット全体がマッピングされた人気のあるモデル生物である微視的な回虫C. elegansの豊富なクラブの分析を発表しました. 「これは、これまでのところ、神経科学で確立されている標準的なゴールド スタンダード配線図に近いものです」と Bullmore 氏は述べています。
線虫の豊富なクラブに属する 11 のニューロンを特定した後、研究者は人間の脳の豊富なクラブに顕著な類似点を発見した、と Bullmore は述べた。 C. elegans の各ニューロンにはカタログ化された誕生時期と機能があり、研究者は豊かなクラブがどのように発達し、何をするのかを調べることができます。脳の他のネットワーク研究と同様に、ブルモアのチームはグラフ理論を使用して金持ちクラブをマッピングしました。 「この純粋に数学的分析によって特定されたニューロンは、神経系の協調運動において役割を果たすコマンド介在ニューロンとして知られていることが判明しました」とブルモアは言いました。金持ちの棍棒が完全に発達するまで、ワームは動けません。
C. elegans の図ほど完全ではありませんが、はるかに複雑な猫の皮質の配線図が 1995 年に作成されました。van den Heuvel 氏によると、猫の脳を研究する利点の 1 つは、科学者が生理学的実験から広範なデータを取得できることです。特定の脳領域の機能について。猫のコネクトーム データの新しい分析で、ヴァン デン ヒューベルと大学院生のマルセル デ ロイスは、豊富なクラブ ネットワークが、猫の脳で定義されていた主要な機能ネットワーク (視覚、聴覚、体性運動、前脳辺縁系) を結び付けるのに役立つことを発見しました。実際、これらの地域間でやり取りされるメッセージの 90% は、裕福なクラブを経由しているようです。彼らの結果は、8 月に Journal of Neuroscience に掲載されました。
猫では、科学者は、あるノードのニューロンが別のノードに情報を送信する方向も知っています。 「これにより、猫の皮質の領域間の理論的な情報の流れをマッピングできます」と van den Heuvel 氏は述べています。リッチ クラブには、他のネットワークよりも相互接続、つまり双方向に情報を送信するノードがあります。 「おそらく、分離されたモジュールのネットワークではなく、高度な柔軟性を備えたインフラストラクチャが作成されるでしょう」と van den Heuvel 氏は述べています。この構造が実際により柔軟であるかどうかを調査するには、さらなる調査が必要です。
科学者が人、猫、ミミズ、その他の種で豊富なクラブネットワークを特定したという事実は、それが脳の基本的な特徴であることを示唆しています. 「金持ちのクラブは、神経系がどのように成長するかの一般的な特徴かもしれません」と van den Heuvel は言いました。
豊富なクラブ ネットワークを持つ動物の多様性は、このネットワークが人間の脳の画像処理による人工物ではないことも示唆しています。科学者は脳画像データを使用して人間の脳の詳細な画像を作成できますが、これらの画像は間接的なものです。たとえば、リッチクラブを分析するために使用される構造マップは、神経配線の代用として水分子の拡散を使用します。実験バイアス。 (拡散マップは、ある種の配線の検出において、他の配線よりも優れている可能性があります。)人間の画像研究で実際にそこにあることがわかりますか?」ブルモアは言った。しかし、他の動物の研究におけるより直接的な解剖学的追跡技術の使用は、人間での発見と一致しています.
混乱した金持ちクラブ
リッチ クラブは、インターネット、ソーシャル ネットワーク、フライト パターンなど、相互接続された多くのシステムで発見されています。最近の研究によると、授業の最初の週に活発に交流し始め、学期を通じて情報交換を続けた大学生のグループは、クラスの他の学生よりも成績が良かった.これらの学生は、知らず知らずのうちに裕福なクラブを結成し、その恩恵を受けていました。
しかし、脳の豊かなクラブネットワークに欠陥があるとどうなるでしょうか?答えはまだ不明ですが、予備的な証拠は、リッチクラブの異常と統合失調症のような神経発達障害との関連を示唆しています。 「非常に壊滅的であるという事実にもかかわらず、統合失調症の人の脳の実際の違いは、はるかに微妙な問題です」と Sporns 氏は述べています。
裕福なクラブの欠陥を探し、接続の数や構造などの他のネットワーク測定値を調べることは、障害を解明する上で早期に有望であることを示しています. 8 月に JAMA Psychiatry に掲載された研究によると、Sporns と van den Heuvel は、統合失調症の人は、そうでない人よりもハブ領域間の接続が薄く、十分に発達していない傾向があることを発見しましたが、末梢ノードをつなぐそれらの接続は、欠陥が少なく、損なわれていません。 .別の研究では、比較すると、運動障害筋萎縮性側索硬化症を持つ人々は、 モーターネットワークの接続性の違いを示しました。研究者は現在、アルツハイマー病患者の豊富なクラブ ネットワークに注目しています。
「リッチ クラブは高コストで価値が高いため、特に病気にかかりやすい可能性があります」と、ブルモア氏のチームは現在、神経系におけるリッチ クラブの成長と、それが乱されたときの病理学的影響を研究しています.
ただし、リッチクラブへの損傷と病気との関連を理解するには、さらに研究が必要です.たとえば、より薄い接続が障害を引き起こしているのか、それとも統合失調症の産物なのかは明らかではありません.最終的に、科学者は、げっ歯類、ハエ、線虫などのモデル生物の豊富なクラブ ネットワークを破壊し、動物が統合失調症のような障害を患っているかどうかを測定できるようになるはずです。
Sporns と共同研究者は、病気における裕福なクラブの役割を研究するだけでなく、人々の間でネットワークがどのように異なるかをより明確に定義したいと考えています。彼らの取り組みの一部は、ヒューマン コネクトーム プロジェクトのデータに焦点を当てています。これは、1,000 人以上の人々の神経接続と活動をマッピングし、そのデータを公開する取り組みです。 Sporns 氏によると、研究者は、豊かなクラブの構造に遺伝的な違いがあるかどうか、およびこれらの構造が人の生涯にわたって変化するかどうかなどの質問に答えようとしている.
最終的に、金持ちのクラブは複雑なネットワークの一部にすぎないため、科学者は、金持ちのクラブがより広範な脳ネットワークにどのように適合するかを理解したいと考えています。これは、統合におけるその役割を理解するために不可欠です。 「私たちが本当に理解する必要があるのは、全体としての脳ネットワークの構造です」とブルモアは言いました。
