それは約 10 年前にシラキュース大学で始まり、一連の方程式が黒板に走り書きされました。現在ボストン大学の認知神経科学者であるマーク ハワードと、当時彼のポスドク学生の 1 人だったカーシック シャンカールは、時間処理の数学的モデルを理解したいと考えていました。脳は記憶と知覚を描くことができます。 「網膜があらゆる種類の視覚情報を提供するディスプレイとしてどのように機能するかを考えてみてください」とハワードは言いました。 「それが時間です、記憶のために。そして、私たちの理論でそのディスプレイがどのように機能するかを説明したいと考えています。」
しかし、光の強さや明るさなどの視覚情報の表を、波長などの特定の変数の関数として表現するのはかなり簡単です。これは、私たちの目の専用の受容体が、私たちが見ているものの性質を直接測定するためです。脳には時間に対するそのような受容体がありません。大阪大学の認知神経科学者である林正道は、「色や形の知覚の方がはるかに明白です。 「しかし、時間はとらえどころのない財産です。」それをコード化するために、脳はそれほど直接的ではないことをしなければなりません.
ニューロンのレベルでそれがどのように見えるかを特定することが、ハワードとシャンカーの目標になりました。ハワード氏によると、このプロジェクトに参加する彼らの唯一の予感は、彼の「少数のシンプルで美しいルールがあるべきだという美的感覚」でした。
彼らは、脳が理論的に時間を間接的にエンコードする方法を説明する方程式を考え出しました。彼らのスキームでは、感覚ニューロンが展開イベントに応答して発火すると、脳はその活動の時間的要素を経験の中間表現、つまりラプラス変換に数学的にマッピングします。その表現により、脳はイベントに関する情報を、時間の関数としてではなく、エンコードできる変数の関数として保存できます（エンコードできません）。次に脳は、中間表現を一時的な経験の別の活動 (逆ラプラス変換) にマッピングして、何がいつ起こったかの圧縮された記録を再構築できます。
ハワードとシャンカーが理論を具体化し始めてからわずか数か月後、他の科学者たちが独自に「時間細胞」と呼ばれるニューロンを発見した。これらの細胞はそれぞれ、ある期間内の特定のポイントに調整されました。たとえば、刺激の 1 秒後に発火したり、5 秒後に発火したりして、本質的に経験間の時間ギャップを埋めました。科学者は細胞の活動を観察し、どの細胞が発火したかに基づいて、いつ刺激が与えられたかを判断できます。これは、研究者のフレームワークの逆ラプラス変換部分であり、過去の時間の関数の近似でした。 「なんてことだ、黒板に書いてあるこれは本物かもしれないと思った」とハワードは言った.
「その時、脳が協力することを知りました」と彼は付け加えました。
彼と彼の同僚は、彼らの理論に対する経験的なサポートによって元気づけられ、脳の非常に異なるタイプの記憶を統合するために使用することを望んでいる、より広範なフレームワークに取り組んできました。時間のエンコードだけでなく、他の多くのプロパティについても説明します。
しかし、それは大きなifです。 2008年に時間セルが発見されて以来、研究者たちは詳細を見て、関連する数学の半分だけの証拠を確認しました.残りの半分 — 時間の中間表現 — は完全に理論的なままでした.
昨年の夏まで。
注文とタイムスタンプ
2007 年、Howard と Shankar がフレームワークのアイデアを検討し始める数年前、Albert Tsao (現在はスタンフォード大学のポスドク研究員) は学部生で、ノルウェーの Kavli Institute for Systems Neuroscience でインターンシップを行っていました。彼は夏の間、May-Britt Moser と Edvard Moser の研究室で過ごしました。彼らは最近、内側嗅内皮質と呼ばれる脳領域でグリッド細胞 (空間ナビゲーションを担うニューロン) を発見しました。 Tsao は、その姉妹構造である外側嗅内皮質が何をしているのか疑問に思いました。どちらの領域も、特定の時間に特定の場所で発生した経験の「エピソード」記憶を生成する海馬に主要な入力を提供します。内側嗅内皮質が後者を代表する役割を担っているのであれば、外側嗅内皮質が時間のシグナルを宿しているのかもしれない、と Tsao は推論した.
ツァオが考えたかった記憶と連動した時間は、心理学に深く根ざしています。私たちにとって、時間は一連の出来事であり、徐々に変化する内容の尺度です。これは、私たちが昔の出来事よりも最近の出来事をよく覚えている理由と、特定の記憶が頭に浮かんだとき、ほぼ同じ時期に起こった出来事を思い出す傾向がある理由を説明しています.しかし、それはどのようにして秩序だった一時的な歴史につながったのでしょうか?また、それを可能にした神経メカニズムは何でしょうか?
ツァオは最初何も見つけられませんでした。問題へのアプローチ方法を特定することさえ困難でした。技術的には、すべてに時間的な性質があるためです。彼は、ラットが囲いの中で餌を探しているときの外側内嗅皮質の神経活動を調べましたが、データが示したものの頭や尻尾を作ることはできませんでした。独特の時報は現れなかったようです.
Tsao はその仕事を保留し、学校に戻り、何年もデータを放っておいた。その後、Moser 研究室の大学院生として、彼はそれを再検討することにしました。今回は、人口レベルでの皮質ニューロンの統計分析を試みました。その時、彼はそれを見ました:彼にとって、時間のように見えた発射パターン.
彼、モーザー夫妻、およびその同僚は、この接続をさらにテストするための実験を設定しました。一連の試験では、ラットを箱に入れ、自由に歩き回って餌を探しました。研究者は、外側嗅内皮質とその近くの脳領域からの神経活動を記録しました。数分後、彼らはネズミを箱から取り出し、休ませてから、元に戻しました。これを約 1 時間半にわたって 12 回行い、壁の色 (黒または白) 試行の間。
時間に関連した神経行動のように見えるものは、主に外側嗅内皮質で発生しました。ラットが箱に入ると、これらのニューロンの発火率が急激に上昇しました。秒、次に分が経過するにつれて、ニューロンの活動はさまざまな割合で減少しました。ラットが箱に再び入ったとき、その活動は次の試行の開始時に再び増加しました。一方、一部の細胞では、各試行中だけでなく、実験全体を通して活性が低下しました。他のセルでは、全体で増加しました。
これらのパターンの組み合わせに基づいて、研究者 (そしておそらくラット) は、さまざまな試行を区別し (タイムスタンプであるかのように、ボックス内の特定のセッションまで信号を追跡します)、それらを順番に並べることができました。何百ものニューロンが協力して、試行の順序と各試行の長さを追跡しているように見えました.
「情報を保持するために単に遅延を埋めているだけでなく、経験のエピソード構造を解析している活動パターンが得られます」と、この研究には関与していないニューヨークのアルバニー医科大学の神経科学者であるマシュー・シャピロは述べています.
ラットは、これらの「イベント」（コンテキストの変化）を使用して、どれだけの時間が経過したかを把握しているように見えました。研究者は、経験が別々のエピソードに明確に分割されていない場合、信号が非常に異なって見える可能性があると考えました.そこで彼らは、一連の試行でラットを 8 の字のトラックの周りを走らせました。この反復作業中、外側嗅内皮質の時間信号が重なり合っており、ラットが試行を区別できなかったことを示している可能性があります。しかし、ニューロンは、ある瞬間から次の瞬間まで十分な変化が発生した 1 ラップ内で時間の経過を追跡しているように見えました.
ツァオと彼の同僚は、脳内の主観的な時間の背後にあるメカニズム、つまり記憶を明確にタグ付けできるメカニズムを解明し始めたので、興奮していた. 「これは、時間に対する私たちの認識が非常に柔軟であることを示しています」とシャピロは言いました。 「一秒は永遠に続くことがあります。日が消えることがあります。私にとって、私たちが時間を見る方法を非常にうまく説明しているのは、エピソードを解析することによるこのコーディングです。私たちは一連の出来事を処理しており、これらの一連の出来事によって、経過時間の主観的な見積もりが決まる可能性があります。」研究者たちは今、それがどのように起こるかを知りたがっています.
ハワードの数学はそれを助けることができます. 2017 年の会議で発表され、Nature に掲載された Tsao の結果について聞いたとき、 ツァオが神経活動で観察したさまざまな減衰率は、まさに彼の理論が脳の経験の中間表現で起こるはずだと予測したものでした。 「それは時間のラプラス変換のように見えました」とハワードは言いました — 彼とシャンカールのモデルの一部であり、経験的研究には欠けていました.
「それはちょっと奇妙でした」とハワードは言いました。 「人々が時間セルを発見したのとほぼ同時期に、ラプラス変換と逆変換のためにこれらの方程式をボードに作成しました。過去 10 年間、私たちはその逆を観察してきましたが、実際の変化は見ていませんでした。 …今、私たちはそれを手に入れました。私はとてもうれしく思います。」
メリーランド州の国立衛生研究所の神経外科医で研究者であるカリーム・ザグルールは、「彼らが示したデータは[ハワードの]考えと非常に一致していたので、刺激的でした」と語った. (先月発表された研究で、Zaghloul と彼のチームは、人間の側頭葉の神経状態の変化が、記憶課題における人々のパフォーマンスにどのように直接関連しているかを示しました。)
「同僚や学生、そして私が行ったすべての作業が単なる想像上のものである可能性はゼロではありませんでした。それは、脳や世界のどこにも存在しない一連の方程式に関するものでした」とハワードは付け加えました. 「他の誰かのラボからのデータでそれを見た — 良い日だった。」
過去と未来のタイムラインの構築
ハワードのモデルが正しいとすれば、それは私たちが過去のタイムラインをどのように作成し、維持しているかを教えてくれます。これは、私たちが生活を営むにつれて後ろに伸び、後退するにつれてぼやけて圧縮される「後続の彗星の尾」と彼が説明するものです。過去に。そのタイムラインは、海馬のエピソード記憶だけでなく、前頭前皮質の作業記憶や線条体の条件付け反応にも役立つ可能性があります。これらは「同じ形の時間的歴史に取り組んでいる異なる操作として理解することができます」とハワードは言いました。学校の初日のような出来事を思い出す神経メカニズムは、電話番号のような事実や自転車の乗り方のようなスキルを思い出す神経メカニズムとは異なりますが、この共通の基盤に依存している可能性があります。 .
これらの脳領域での時間細胞の発見 (ハワードによれば、「それらを探しに行くと、どこにでも見られます」) は、この考えを支持しているようです。ハワード、ワシントン大学のエリザベス・バッファロー、その他の共同研究者によって間もなく発表される最近の発見も同様で、一連の画像を見ているサルは、ツァオがラットで観察したのと同じ種類の嗅内皮質の時間的活動を示しています。 「それはまさにあなたが期待するものです:画像が提示されてからの時間です」とハワードは言いました.
彼は、記録が記憶だけでなく認知全体にも役立つのではないかと考えています。彼は、同じ数学が未来に対する私たちの感覚を理解するのにも役立つと提案しています。そして、これは今後の出来事の予測に関与しているため、計時の意味を理解するのに非常に役立つかもしれません (それ自体が過去の経験から得られた知識に基づいているものです)。
ハワードはまた、脳が時間を表すために使用できるのと同じ方程式が、空間、数性 (私たちの数の感覚)、および収集された証拠に基づく意思決定にも適用できることを示し始めました。これらの方程式の言語に。 「私にとって魅力的なのは、思考のための神経通貨を構築したことです」とハワードは言いました。 「脳の状態を書き出すことができれば…何千万ものニューロンが何をしているのか…方程式と方程式の変換として、それは思考です。」
彼と彼の同僚は、この理論を認知の他の領域に拡張することに取り組んできました。いつの日か、そのような認知モデルは、今日の深層学習手法とは異なる数学的基盤に基づいて構築された新しい種類の人工知能につながる可能性さえあります。つい先月、科学者たちは時間知覚の新しいニューラル ネットワーク モデルを構築しました。これは、視覚的なシーンの変化を測定して反応することにのみ基づいていました。 (しかし、このアプローチは画像の感覚入力部分に焦点を当てていました。ツァオとハワードが研究した記憶関連の脳領域の奥深くではなく、表面で起こっていたことです。)
しかし、AI への応用が可能になる前に、科学者は脳自体がどのようにこれを達成しているかを確認する必要があります。 Tsao は、外側内嗅皮質が行っていることを実行するように駆動するものや、具体的に何が記憶にタグを付けられるようにするのかなど、解明すべきことがまだたくさんあることを認めています。しかし、ハワードの理論は、研究者が答えに向けて新しい道を切り開くのに役立つ具体的な予測を提供します.
もちろん、脳がどのように時間を表すかというハワードのモデルは、そこにある唯一のアイデアではありません。たとえば、一部の研究者は、シナプスによって連結された一連のニューロンが順次発火すると仮定しています。または、ラプラス変換ではなく、別の種類の変換が行われていることが判明する可能性もあります。
これらの可能性は、ハワードの熱意を弱めません。 「これはまだすべて間違っている可能性があります」と彼は言いました。 「しかし、私たちは興奮して懸命に取り組んでいます。」
この記事はに転載されました Wired.com .
