Rebecca Saxe の長男である Arthur は、脳をスキャンするために初めて MRI 装置の穴に入ったとき、生後わずか 1 か月でした。マサチューセッツ工科大学の認知科学者であるサックスは、真っ先に彼と一緒に行きました.3テスラの磁石が彼らの周りでぐるぐる回っていたので、彼女は不快に胃に横たわり、おむつの近くに顔を置き、彼を撫でてなだめました。アーサーは動じず、すぐに眠りに落ちました。
すべての親は、赤ちゃんの心の中で何が起こっているのか疑問に思っています。見つける手段を持っている人はほとんどいません。 Saxe が妊娠したとき、彼女はすでに何年もの間、赤ちゃんの脳活動を画像化するためのセットアップを考案するために同僚と協力していました。しかし、出産予定日が 2013 年 9 月であることは、すべての準備を整えることに弾みをつけました。
過去数十年にわたり、Saxe のような研究者は機能的 MRI を使用して成人と子供の脳活動を研究してきました。しかし、fMRI は、19 世紀のダゲレオタイプのように、画像がどうしようもなくぼやけてしまわないように、被験者が完全に静止している必要があります。赤ちゃんは、眠っているときは動きの束を震わせており、甘やかしたり、静かにさせたりすることはできません。これまでに赤ちゃんに対して行われたいくつかの fMRI 研究は、主に赤ちゃんが眠っている間に音を鳴らすことに焦点を当てていました。
しかし、Saxe は、赤ちゃんが起きているときに世界をどのように見ているかを理解したいと考えていました。彼女はアーサーがビデオ クリップを見ているときの脳をイメージしたかったのです。赤ちゃんの脳は大人の脳の縮小版のように機能するのか、それとも完全に異なるのか? 「私は脳がどのように発達するかについてこの根本的な疑問を持っていました.そして私は発達中の脳を持つ赤ちゃんを持っていました」と彼女は言いました. 「私にとって人生で最も重要だった 2 つのことは、一時的に MRI 装置内で非常に集中的に収束しました。」
サクセは産休をアーサーと機械の中で過ごした。 「その頃の何日か、彼は気分が乗らなかったり、寝てしまったり、うるさくしていたり、うんちをしたりしていました」と彼女は言いました。 「赤ちゃんの脳から良いデータを取得することは、非常にまれなことです。」セッションの合間に、Saxe と彼女の同僚はデータを調べ、実験を微調整し、アーサーの脳活動のパターンを探しました。彼が生後 4 か月のときに、最初に使用可能な結果が得られたとき、彼女は「私は屋根を通り抜けました」と言いました。
今日 Nature Communications に掲載された論文 アーサーと他の 8 人の赤ちゃんの脳活動を画像化するための 2 年以上の作業の集大成です。その中で、彼女のチームは、赤ちゃんと大人の脳が視覚情報にどのように反応するかについて、いくつかの驚くべき類似点と、いくつかの興味深い違いを発見しました。この研究は、心の初期の始まりを理解するためのより広範な取り組みになることをサックスが望んでいることの第一歩です。
生まれてから組織化されていますか?
ファンクショナル MRI は、科学者が頭蓋骨を開く以外の脳活動を研究するために必要な、おそらく最も強力なツールです。これは、MRI 装置で検出可能な信号を生成する、他の領域よりも活発な脳領域の血流の変化に依存しています。この手法は脳の活動を間接的に測定するものであり、生成されるシンプルで印象的な画像は舞台裏の統計操作に依存しているため、いくつかの批判が寄せられています。それにもかかわらず、fMRI は科学者に、ザクセンが「人間の脳の動く地図」と呼ぶものを提供することによって、まったく新しい研究の道を切り開いてきました。人が何をしているか、何を認識しているか、何を考えているかに応じて、脳のさまざまな部分がどのように活動を振り付けているかが、信じられないほど詳細に明らかになりました.
皮質の一部の領域も、目的に特化しているようです。 MIT の神経科学者であり、Saxe の元顧問である Nancy Kanwisher は、紡錘形顔領域と呼ばれる領域を発見したことで知られています。この領域は、他のどの視覚入力よりも顔の画像に反応します。彼女の研究室はまた、場所を描いたシーンに優先的に反応する海馬傍の場所領域の発見を主導しました。彼女がカンウィッシャーの研究室で大学院生だったとき、サクセは「心の理論」、つまり他の人が考えていることを考えることに専念している脳の領域を発見しました。それ以来、いくつかの研究所による研究により、社会的判断と意思決定に関与する脳の領域が特定されました。
早口で知的な力強さを放つサクセは、脳に関する哲学的で根源的な疑問に最も興味をそそられます。彼女にとって次の明白な疑問は、脳の組織がどのようにしてできたのかということです。 「大人の脳のこれらの信じられないほど豊かで抽象的な機能、つまり道徳、心の理論などを見ると、どうやってそこにたどり着くのかという疑問が生じます。」彼女は言った。
私たちの脳は、私たちの生存にとって最も重要なことに専念する特別な領域を持つように進化しましたか?それとも、「発見するように与えられた世界の組織を学習できる、驚くべき多目的学習機械を私たちが持って生まれたということですか?」たとえば、脳の一部を顔に捧げるための生来の青写真を持って世界に入りますか、それとも、私たちの周りの非常に多くの人々に何ヶ月または何年も会った後、特殊な顔領域を発達させますか? 「世界は人によって似ているため、人間の脳の基本的な構造組織は人によって似ている可能性があります」と彼女は言いました。または、その輪郭は誕生から存在する可能性があります。
顔の見える場所
ライリー・ルブランはおしゃぶりを吐き出し、泣き出します。サックスの研究室マネージャーであるヘザー・コサコウスキーが、MITの脳と認知科学の建物の最下階にある巨大なMRI装置のそばに立って、ライリーをバウンドさせている間、サックスのラボマネージャーであるヘザー・コサコウスキーが立っている間、彼女はおくるみで騒いでいます。上下。スキャン ベッドに座っているライリーの母親であるロリ フォーチは、後ろのポケットから別のおしゃぶりを取り出して、子供に差し出します。
ここにあるものはすべて、ライリーを落ち着かせるように設計されています.部屋は柔らかく照らされ、スピーカーはポップソングのおもちゃのピアノバージョンを子守唄として鳴らします（現在：ガンズ・アンド・ローゼズの「スウィート・チャイルド・オ・マイン」）。スキャン ベッドには、特別に設計された無線周波数コイル (斜めのラウンジャーと赤ちゃんサイズのヘルメット) があり、スキャン中に無線信号のアンテナとして機能します。 MRI 装置は、赤ちゃんの繊細な聴力を損なわないように、通常よりもノイズの少ない特別なプロトコルでプログラムされています。
ライリーが大騒ぎせずに喜んでコイルに横たわるまでには、いくつかの誤ったスタートが必要です。彼女の母親は、顔と手をライリーの近くに置いて腹を立て、彼女をなだめます。コサコウスキーは母親と子供をスキャナーに滑り込ませ、窓のある控え室に移動します。一方、別の研究室メンバーであるリネ・エレーラは MRI 室に留まり、コサコウスキーに手の合図を出して、ライリーが目を開けて頭上の鏡を見ていることを知らせます。 、マシンの背面から投影された画像を反映します。
チームの目標は、赤ちゃんが動かずにビデオを見ている間に、それぞれの赤ちゃんから約 10 分間のデータを収集することです。それを達成するために、研究者は多くの場合、複数の 2 時間のセッションからのデータを一緒に平均化する必要があります。 「赤ちゃんが来る回数が多ければ多いほど、10分間を完全に過ごすことができる可能性が高くなります」とコサコウスキーは言いました.これはライリーの 8 回目の訪問です。
ライリーが昼寝をやめたことをエレーラが合図すると、コサコウスキーはスキャナーを起動し、一連のビデオ クリップの合図を出します。しばらくすると、エレーラは手を閉じ、ライリーの目が再び閉じられたことを知らせます。 「赤ちゃんはここで最高の昼寝をしているにちがいないと思うことがあります」と Kosakowski は笑いながら言いました。
乳児の研究には、常に創造的な技術が必要でした。ハーバード大学医学部とボストン小児病院の認知神経科学者で、子どもの発達を研究しているチャールズ・ネルソン氏は、「これは興味深い問題でした。彼らの頭の中で起こっています。同様の技術は、赤ちゃんやヒト以外の霊長類、または言葉を話せない障害のある子供を研究するためによく使用されます。 「私たちは、サル、赤ちゃん、障害のある子供の中を覗くことができる秘密の手段を持っています」とネルソンは言いました.
最も簡単な方法は、行動を観察するか、視線追跡技術を使用して、行動を観察し、どこを見ているかに注目することです。もう1つは、脳の活動を測定することです。たとえば、脳波検査 (EEG) では、赤ちゃんの頭に電極とワイヤーでできたかわいらしいスカルキャップを取り付けるだけで、変動する脳波を検出できます。また、近赤外分光法 (NIRS) と呼ばれる新しい技術は、赤ちゃんの薄くて柔らかい頭蓋骨に光を送り、脳内の血流の変化を検出します。
どちらの方法でも、脳の活動が刻々と変化する様子が明らかになりますが、NIRS は脳の外層にしか到達せず、EEG はどの脳領域が活動しているかを正確に示すことはできません。 「詳細な空間構成を研究し、より深い脳領域に到達するには、fMRI に行かなければなりません」と、Nature Communications の筆頭著者である Ben Deen は述べています。 彼は現在、ロックフェラー大学の研究者です。
他の方法を使用して、研究者は赤ちゃんがさまざまなカテゴリの視覚入力、特に顔に対して異なる反応を示すというヒントを発見しました。ユニバーシティ カレッジ ロンドンの発達神経科学者であるミシェル デ ハーンは、「顔は環境の非常に顕著な部分です」と述べています。生後数週間の乳児の目は、授乳中の母親の顔の近くにある物体に最もよく焦点を合わせます。一部の研究者は、赤ちゃんは脳の奥深くに生来のメカニズムを持っている可能性があると考えています。これは、顔を見るように目を向けます.
幼い乳児は、他のものよりも長く顔を見るという証拠があります。顔に対する赤ちゃんの反応も、時間の経過と経験とともに、より専門的になります。たとえば、大人は逆さまの 2 つの顔を区別するのに苦労しますが、生後 4 か月未満の赤ちゃんにはこの偏見はありません。アップのもの。しかし、約 4 か月後、彼らは右向きの顔に対する偏見を獲得します。生後 6 か月頃、顔を見た乳児は、顔を見た大人と同様の活動の EEG サインを生成します。
しかし、この研究は、赤ちゃんの脳が顔などの特定のカテゴリに特化している可能性があることを示唆していますが、ディーン氏は、「これらの信号がどこから来ているかについての詳細はほとんどわかっていませんでした」と述べています。
現在の論文のために、Saxe と彼女の同僚は、スキャンした 17 人の赤ちゃんのうち 9 人からデータを取得しました。研究室は、研究に採用された外部の家族にますます依存していますが、アーサーを含む一連の「研究室の赤ちゃん」が最初にいたことは助けになりました。サックスの次男、パーシー。彼女の妹の息子。そしてポスドクの息子。彼らは赤ちゃんに、顔、自然の風景、人体、物体 (この場合はおもちゃ) の動画と、画像の一部がごちゃ混ぜになっているごちゃごちゃしたシーンを見せました。 Saxe 氏は、2 つの刺激が成人の脳に大きな違いをもたらし、非常に異なる領域での活動を引き起こすため、顔とシーンに注目したと述べています。
驚いたことに、彼らは赤ちゃんにも同様のパターンを発見しました。 「私たちが知っている大人の顔やシーンの好みの領域はすべて、生後 4 ～ 6 か月の赤ちゃんにも同じ好みがあります」と Saxe 氏は述べています。これは、大脳皮質が完全に未分化というよりも、「その機能にすでに偏りが生じ始めている」ことを示している.
赤ちゃんはこの能力を持って生まれますか？ 「何事も先天的であると厳密に言うことはできません」とディーンは言いました。 「非常に早期に発症すると言えます。」そしてサクセは、反応が視覚皮質 (視覚入力を直接処理する脳の構造) を超えて広がっていることを指摘しています。研究者らは、感情、価値観、自己表現に関与する脳の領域である前頭皮質にも違いがあることを発見しました。 「赤ちゃんの前頭皮質の関与を見るのは本当にエキサイティングです」と彼女は言いました. 「完全に開発される最後のスポットの 1 つと考えられています。」
しかし、サクセのチームは、脳の同様の領域が乳児と成人で活発であることを発見しましたが、乳児が顔やシーンなどの特定の入力に特化した領域を他のすべてよりも持っているという証拠は見つかりませんでした.この研究には関与していないネルソン氏は、乳児の脳が「より多目的」であることを示唆していると述べた.彼は次のように付け加えました:「これは、幼児の脳と大人の脳の根本的な違いを示しています。」
柔軟な脳
見た目の違いを考えれば、赤ちゃんの脳が大人の脳とまったく同じように振る舞うのは驚くべきことです。 MIT の MRI 室の外にあるコンピューターの画面に、ライリーが昼寝中に撮影した脳の解剖学的画像が表示されます。大人の脳の MRI スキャンでは、さまざまな脳の構造がはっきりと見えますが、ライリーの脳は不気味なほど暗いようです。
「これは本当に悪いイメージに見えますよね？」コサコウスキーは言った。彼女は、この段階の赤ちゃんは、脳の白質を構成するミエリンと呼ばれる神経線維の周りの脂肪絶縁体をまだ完全に発達させていないと説明しています.脳梁は、脳の 2 つの半球を接続する神経線維のくびきであり、ぼんやりとしか見えません。
この年齢の赤ちゃんの脳は拡大しており、大脳皮質は生後 1 年で 88% 膨張します。その細胞はまた、自分自身を再編成し、互いに新しいつながりを急速に形成しています.この段階では、脳は驚くほど柔軟です。赤ちゃんが脳卒中や発作を起こし、脳の半球全体を外科的に切除する必要がある場合でも、驚くほどよく回復します。しかし、この柔軟性にも限界があります。剥奪や虐待を経験した赤ちゃんは、生涯にわたる学習障害を抱えている可能性があります。
健康な人間の脳がどのように発達するかを研究することは、科学者がこのプロセスが時々うまくいかない理由を理解するのに役立ちます.たとえば、自閉症の子供や大人の多くは、顔の解釈などの社会的認知課題に困難を抱えていることが知られています。これらの違いは、脳の発達の初期段階に存在するのでしょうか?それとも、顔や社会的合図への注意の欠如によって引き起こされた、子供の経験から現れるのでしょうか?
赤ちゃんの脳がどのように組織化されているかを理解し始めたばかりです。より多くの赤ちゃんの脳の働きを完全に把握するには、さらに多くの時間をかけてデータを収集する必要があります。しかし、Saxe と彼女の同僚は、そのような研究が可能であることを示しており、新しい研究分野が開かれています。 「非常に忍耐強くさえすれば、覚醒している赤ちゃんのfMRIデータを取得することは可能です」とSaxe氏は述べた。 「では、そこから何を学べるか考えてみましょう。」
