ニューロンはあらゆる瞬間に囁き、叫び、飛び散り、歌い、目まいがするほどの声の不協和音で脳を満たします。しかし、それらの声の多くは、意味のあることを何も言っていないようです。それらは、シグナルではなく、習慣的なノイズのエコーとして記録されます。談話ではなく、静的なものとして。
科学者が 60 年前に最初に単一のニューロンから記録できるようになって以来、脳の活動は、明確な理由がなくても、非常に変化しやすいことを知っていました。繰り返される刺激に対する動物の神経反応は、試行ごとに大きく変化し、ほぼランダムに変動します。刺激がまったくない場合でも、「自発的な活動を記録するだけで、それが独自の心を持っているように見えることがわかります」と、オレゴン大学の神経科学者である David McCormick 氏は述べています。
「これは、脳がどういうわけか非常に [騒々しい] か、この騒ぎを克服するためにある種の高レベルの統計を使用しているという見方を引き起こしました」と彼は言いました。
しかし、過去 10 年間で、その見方は変わりました。この無作為性と変動性は、脳の神経機構の乱雑さだけでなく、覚醒やストレスなどの行動状態にも関連していることが明らかになりました。科学者たちは、すべてのノイズには想定以上のものがあることに気づきました。
現在、神経活動とマウスの行動の両方を前例のないほど詳細に分析することにより、研究者はその変動性の多くについて驚くべき説明を明らかにしました:すぐに関連するタスク以上のもの。彼らはまた、動物がたまたま行っている他の行動についても、ささいなことでさえ、口ひげのひきつり、後ろ足のフリックなどについてつぶやきます。
これらの単純なジェスチャーは、神経活動だけに存在するわけではありません。彼らはそれを支配します.
この調査結果は、科学者が脳活動を解釈する方法と、それを研究するための実験を設計する方法を変えています。
エレガントだが時代遅れのストーリー
約 10 年前まで、ほとんどの神経科学者は麻酔をかけた動物を実験に使用していました。カリフォルニア大学サンディエゴ校の神経物理学者であるデビッド・クラインフェルドは、この実践により、彼らは脳のより良い理解に向けて驚くべき進歩を遂げることができましたが、「神経細胞処理の非常に歪んだ見方にもつながりました」.これは視覚研究では特に欠点でした。麻酔のレベルが高すぎて、ぼんやりした (または無意識の) 動物が主観的に何かを見ているという確信が失われることが多かったからです。少なくとも、麻酔は、視覚プロセスに影響を与える可能性のある実際のフレームワークやコンテキストをすべて取り除きました.
その結果、視覚がどのように機能するかについての特定の図が浮かび上がりました。その図では、目からの信号が神経学的フィルターの受動的なセットを通過し、環境のますます専門化された複雑な表現が作成されました。その視覚的表現が他の感覚や他の脳領域からの情報と統合されたのは、プロセスの後半になってからです。ニューヨークのコールド スプリング ハーバー研究所の神経科学者であるアン チャーチランドは、次のように述べています。の証拠は、それが単純すぎることを証明しています.
脳の膨大な相互接続性は、高次の皮質領域が低次の皮質領域と対話できるようにするフィードバック ループで脳を満たします。何十年にもわたる研究の結果、研究者たちは、脳の各領域がラベルが示唆するほど専門化されていないことを徐々に発見してきました。たとえば、視覚障害者や視覚障害者の視覚野は、聴覚情報と触覚情報を処理できます。運動皮質ではなく体性感覚皮質が、運動ベースのスキルの学習において重要な役割を果たすことが最近発見されました。また、注意、期待、動機などの幅広い力が、人々の知覚に影響を与える可能性があります。
暗闇の中でも、視覚野のニューロンはおしゃべりを続けています。
しかし、2010 年には事態はさらに奇妙になりました。わずか数年前に開発された新しい実験方法により、トレッドミルまたはボールで走っているマウスのニューロンから記録することが可能になりました。当時カリフォルニア大学サンフランシスコ校にいた神経科学者の Michael Stryker と Cris Niell は、最初にこれらの手法を使用して、麻酔をかけた睡眠中のマウスの視覚活動を、走っているか静止しているマウスの視覚活動と比較することを決定しました。 (ニールはその後、オレゴン大学に移りました。)
しかし、彼らはすぐにもっと興味深い比較があることに気付きました。 Niell 氏は次のように述べています。彼らは、マウスが走ると、視覚刺激に対する反応が大きくなることを発見しました。ニューロンの発火率が 2 倍になりました。これは驚くべきことでした。以前の研究では、タスクを完了するために必要な人間やサルでさえ、発火率はそれほど上昇していなかったからです。それは強烈な視覚的注意を必要としました。これらの効果は、マウスの動きが止まるとすぐに減少しました。
「人々は一次視覚野を純粋な感覚領域と考えていたため、これはかなり驚くべきことでした」とチャーチランド氏は述べています。
当時、ストライカーとニールは、注意と動機に関する以前の研究から導き出された結論に沿って、結果はマウスの一般的な行動の変化、動物が動き始めると非アクティブなモードからアクティブなモードに移行することを反映している可能性があると考えていました。 .今後数年間の他の研究室での研究により、一般的な覚醒が神経反応を大幅に変化させることが確認されました。たとえば、2015 年に McCormick と彼の同僚は、マウスのタスクへの関与が、そのタスクのパフォーマンスを予測することを報告しました。その同じ年、イェール大学の神経科学者ジェシカ・カーディンと彼女のチームは、視覚野の活動に対するランニングと覚醒の両方の影響を解明し始めました.
しかし、これらの実験はすべて、一度に記録できるニューロンの数と、説明できる行動変数の数の両方に制限がありました。マウスが走っているか静止しているか、または覚醒の代用として瞳孔が拡張しているかどうかのみに基づいて脳活動の変化を調査した実験では、神経変動のほんの一部しか説明できませんでした。より完全な説明がまだ必要でした.
現在、動物の行動と脳の活動の両方に対してよりグローバルなアプローチを採用することで、一握りの研究グループがまさにそれを提供しています.
渦巻く万華鏡に意味を見出す
ユニバーシティ カレッジ ロンドンの神経科学者である Kenneth Harris と Matteo Carandini は、別の目標から始めました。それは、げっ歯類が視覚刺激を受けていない場合でも発生する視覚皮質の自発活動の構造を特徴付けるというものです。彼らと大学の Cortexlab の共同チームの他のメンバーは、自由に行動したマウスの 10,000 個のニューロンから一度に記録しました。 — 暗闇の中で。
研究者たちは、動物は何も見えませんでしたが、視覚野の活動は広範かつ驚くほど多次元的であり、大量の情報をエンコードしていることを発見しました。バージニア州にあるハワード ヒューズ医学研究所ジャネリア リサーチ キャンパスの神経科学者であり、Cortexlab の元ポスドク研究員であるマリウス パチタリウは、ニューロンがチャットしているだけでなく、「同時に多くの会話が行われていた」と書いています。
最初、科学者たちはそれをどう判断したらよいかわかりませんでした。そこで彼らは、脳の活動をマウスがそれぞれの瞬間に行っていたことに正確に関連付けることによって、「会話」を説明しようとしました。彼らは各マウスの顔のビデオを撮り、その動きをフレームごとに分析して、走る速度や瞳孔の直径などの行動の単一の側面だけでなく、神経の変動性を説明する可能性のあるあらゆるものについて、最小のチックやけいれんに至るまで分析しました。
これらのマイナーな行動は、マウスの視覚野で進行中の活動の少なくとも 3 分の 1 の原因であることが判明しました。これまで、これらの活動はすべて単なるノイズであると考えられていました。これは、実際の視覚入力が通常引き起こす活動にほぼ匹敵するものでした。 「視覚野と呼ばれる脳のこの部分があり、それが何をしているのかは視覚だと思うでしょう」とHarris氏は言いました. 「そして、それはそうします。しかし、少なくともその活動の多くは視覚とは何の関係もありません。」
マコーミック氏は、「マウスを全体として見ると、突然、その一般的な活動、脳内の渦巻く万華鏡のような活動が意味をなすようになりました」と述べています。 (彼と彼の研究室は、最近のプレプリントで同様の発見を報告しました。) この活動は、マウスの覚醒や覚醒の一般的な状態、または動物が動いているという事実だけを反映したものではありませんでした。視覚野は、個々の動きの詳細に至るまで、動物が何をしているかを正確に認識していました。
実際、これは視覚野に限ったことではありません。 「脳のどこでも、それは同じ話です。運動信号は紛れもないものです」と、オレゴン大学のシステム神経科学者である Matt Smear 氏は述べていますが、この研究には参加していません。これは、「脳に関する特定の直感的な概念はおそらく間違っている」という考えを確固たるものにします。
さらに驚くべきことに、感覚やその他の機能情報をコード化した同じニューロンが、これらの運動信号を明示的にコード化していた。 「突然、『待ってください — 脳はうるさくないのかもしれません。おそらく、実際には私たちが思っていたよりもはるかに正確です」と McCormick 氏は述べています。
Science に掲載された Cortexlab の調査結果 は 4 月に、神経科学者が動物の神経反応をどのように解釈するかを再考する必要があることを示しました。 (Niell は、人間の機能的 MRI 研究で観察されたかなりの量の変動は、ノイズや調査中のタスクに関連するものではなく、ランダムなそわそわによっても説明できると指摘しました。)この信号は、マウスが動き出す直前にニューロンに送られます」と、Cortexlab で博士号を取得した Janelia のポスドク研究員である Carsen Stringer は述べています。 「そして私たちは、『それはネズミが走ることを考えているだけなのかもしれない』と考えました。しかし実際には、ネズミが走る直前に[ひげをリズミカルに前後に動かしている]のです。」
しかし、これらの信号は何をしていて、なぜ重要なのでしょうか?
行動としての認識
各ニューロンが一度に複数の活動に関する情報を伝達するシステムは、複雑に機能しないように見えるかもしれませんが、Cortexlab チームは、脳が私たちが思っているよりも簡単にすべてのデータに対処できることを発見しました。彼らの分析によると、刺激が示されると、入ってくる情報は、すでに存在していた運動関連の信号の上に単純に追加されます。単一のニューロンでは、これらの信号はごちゃ混ぜに見え、区別することは不可能です。しかし、異なるニューロンは同じ刺激を伝える可能性がありますが、バックグラウンドでの行動は異なる可能性があるため、十分な数のニューロンが一緒に記録されれば、視覚と動きを区別することが可能になります.
したがって、動きの信号は、外界に関する感覚情報を処理する動物の能力を損なうことはありません。しかし、科学者は、これらの信号が脳の働きを改善するのにどのように役立つかを正確に調査する必要があります.この発見の核心は、基本的に、脳は行動のために進化したという事実を反映しています。つまり、動物は動き回るための脳を持っており、「知覚は単なる外部入力ではない」とストリンガー氏は述べています。 「いつでも何をしているのかによって、少なくともある程度変調されます。」
感覚情報は、環境を真に知覚するために必要なもののごく一部にすぎません。 「そこに実際に何があるかを理解するために、世界に対するあなたの体の動きを考慮する必要があります」と Niell 氏は言います。
「私たちは、脳がこれらすべてのものを別々に分析し、何らかの形でそれらを結び付けていると考えていました」とマコーミックは言いました. 「ええと、私たちは、以前に想像していたよりも早く、脳が多感覚と運動結合の混合を行っていることを学び始めています。」
入ってくる感覚情報を文脈化して解釈するには、体がどのように動いているかを知る必要があります。走っていると、視覚世界が飛んでいきます。視覚野は、これがあなたの動きによって駆動されていることを認識する必要があります。記念碑の周りを回っている場合、視覚野は、20 の異なる彫像を見たのではなく、同じ彫像を 20 の異なる角度から見たことを知る必要があります。 「この変動の嵐の中で、安定はどこにあるのでしょうか?」マコーミックは言った。 「だからこそ、この最近の研究は非常に興味深く、非常に重要だと思います。安定性がどこにあるのかが見え始めているからです。」
「私たちの脳は頭の中で考えているだけではありません。私たちの脳は、私たちの体や世界を移動する方法と相互作用しています」とニールは言いました. 「あなたは、『ああ、私はただ考えているだけだ』または『私はただ見ているだけだ』と考えています。あなたは、自分の体がその役割を果たしているという事実について考えていません。」したがって、マウスが早い段階で動きの信号を統合する必要があるかもしれないことは理にかなっています (ただし、たとえば、ひげの動きが視覚にどのように役立つかはまだ不明です)。
実際には、それを超える可能性があります。この統合は、アクティブ センシングと呼ばれるものを促進するのに役立つ可能性があります。これにより、動物は自分の動きを、感知して見つけたい情報と積極的に調整します。 Smear は現在、これを嗅覚で研究しています:彼と彼の同僚は、マウスがその動きの多くを嗅覚リズム (匂い情報を受け取る主要な手段) に驚くほど正確に同期させることを発見しました.
さらに興味深いことに、このような調整は学習に役立つ可能性があります。
より大きな目的
ハリス、ストリンガーと彼らの同僚は、この感覚と運動情報の統合が、強化学習が発生する可能性のある心の足場を作り出すと仮定しています:特定の行動と刺激の組み合わせが、注目に値する結果と相関している場合 - たとえば、報酬を受け取ったり、自分自身を見つけたりする危険 — この種のデュアル ニューラル コーディングは、動物が次回の結果を予測し、それに応じて行動するのに役立つ可能性があります。
チャーチランドは、動きの信号が動物の学習をさらに具体的な方法で助ける可能性があることを示唆しています。 9 月、Churchland と彼女の研究室のポスドク研究員である Simon Musall とその同僚たちは、タスクを実行しているマウスの脳活動をモニターした実験の結果を発表しました。決定を報告するために何らかの方法でなめます。彼らは目標に集中していたにもかかわらず、彼らの神経活動は、目の前の課題とは一見無関係な些細な動きに捧げられた声の合唱へと爆発し続けました. 「脳で発見された活動のほとんどは、決定とは何の関係もありませんでした」とチャーチランドは言いました。 「動物の動きを反映していました。」
研究に関与していなかったニールによると、「本当に印象的だったのは、動物がその種の作業を行っていたときでさえ、純粋に視覚と考えられていたにもかかわらず、これらの[無関係な]動きのすべてが...信号を支配します。」
チャーチランドと彼女のチームはまた、各マウスが訓練されるにつれて、その動きがよりタスクに固定されることも発見しました.たとえば、最初はマウスはひげをランダムに動かしていましたが、学習するにつれて、刺激が与えられたときや報酬が与えられたときなど、特定の時間にひげを振るようになりました。タスクに関連する報酬またはトレーニングで。
チャーチランド氏は、動物が意思決定を助けるためにこれらの種類の信号を使用している可能性があると推測しています。「おそらく、動物にとってこれは意思決定プロセスの一部です」 「おそらく動物にとっても、人間にとっても、考えて決断を下すことの意味の一部は動くことです。」彼女はそれを、野球選手が打席に立つ前に行う儀式になぞらえた。 「これらのそわそわは…もっと大きな目的に役立つのではないかと思います。」
「人々は動きを認知とは別のもの、さらには認知を妨害するものと考える傾向があります」とチャーチランドは言いました。 「この研究を考えると、少なくとも一部の被験者にとっては、動きは実際には認知の一部であるという別の視点を検討する時期かもしれないと考えています。」
確かに、この時点で「一部の被験者」とは主にげっ歯類を意味します。科学者たちは現在、この種の統合が霊長類 (人間を含む) でも同様に広く行われているかどうかをテストするために、他の実験を行っています.
それにもかかわらず、研究者たちは、この研究が知覚に関する実験の実施方法の変化を告げるものであることに同意しています。つまり、行動にももっと注意を払い始める必要があることを示しています.
コントロールの放棄
これまで、神経科学者はより還元主義的な道を歩んできました。神経活動について私たちが知っていることの多くは、最初は麻酔をかけた動物の記録から得られ、その後、収縮した方法で動き回る動物から得られました.実験自体も制限されています。ニールはそれを「目の検査」モデルと呼んでいます。 「検眼医に行くと、そこに座って、水平、垂直、より良い、より悪い、E、A、T と言うでしょう」と彼は言いました。しかし、そのような抽象的な演習は、私たちが日常生活で通常行っていることを表していない可能性があります. 「私たちの脳は、ただそこに座って何もせずに何かを受動的に見るように進化したわけではありません。」
ハリスとチャーチランドのチームによる新しい研究でさえ、脳からの読み取りを可能にするためにマウスの頭を動かさないようにすることが含まれていました。 「動物が（頭を）動かせないときに脳が運動信号に支配されているとしたら、動物が動くことができるとき、脳はどのように見えるでしょうか?」スミアは言った。
科学者たちは現在、自然な行動、つまり訓練なしで直感的に行動する動物の研究に近づく、追加のアプローチを提唱しています。もちろん、それには別の課題も伴います。たとえば、制御されていない設定では、原因と結果を特定するのがより困難になります。
それでもニールは、視力を使ってコオロギを捕まえて食べるネズミの研究を始めました。 「それはマウスの脳が行うように配線されていることです」と彼は言いました。彼と彼の同僚は、すでに発見されている特定の種類のニューロンが、獲物の捕獲において正確な行動的役割を果たしていることを発見しました.
Niell 氏は次のように述べています。「私たちが奇妙で異常な信号と考えていることは、マウスを小さな人間のように訓練するのではなく、実際に動物に通常の行動をさせたときに意味をなすようになるかもしれません。」
マコーミックは同意した。 「私たちは脳に対して非常に貧弱な見方をしていました」と彼は言いました。 「今は完璧なビューを持っているとは言えませんが、成長する必要のあるより豊かなビューを持っています。」
編集者注（2019 年 11 月 8 日追加）: Cortexlab と Churchland のグループによって行われた記述された作業は、この編集的に独立した雑誌にも資金を提供している Simons Foundation から資金提供を受けています。
