アップル ジュースだと思っていたグラスを手に取り、一口飲んでみると、それが実はジンジャー エールであることがわかりました。いつもはソーダが好きだけど、今回はひどい味。これは、コンテキストと内部状態 (期待を含む) が、すべての動物が感覚情報を認識して処理する方法に影響を与えるためだと、ニューヨークのストーニーブルック大学の神経生物学者 Alfredo Fontanini は説明しています。この場合、間違った刺激を予測すると、驚きと否定的な反応につながります。
しかし、この影響は知覚の質に限定されません。他の効果の中でも特に、感覚システムをプライミングして入力を期待することは、動物がそれを検出、識別、反応する速度を加速することにもなります。
数年前、フォンタニーニと彼のチームは、味覚を司る脳の一部である味覚皮質において、このスピードアップ効果の直接的な神経証拠を発見しました。それ以来、彼らは結果を可能にした皮質回路の構造を突き止めようとしてきました。今、彼らは持っています。先月、彼らはその発見を Nature Neuroscience に発表しました :特定の種類のアーキテクチャを備えたネットワークのモデルであり、期待がどのように機能するかについての新しい洞察を提供するだけでなく、科学者がより一般的に知覚についてどのように考えるべきかについてのより広範な問題を掘り下げます。さらに、これは、脳が実際に結論を出すのではなく、結論に飛びつくことを示唆する意思決定の理論と一致しています。
より速い感覚とアクティブな状態
感覚の中で最も研究されていない味覚は、始めるのに最適な場所でした.味が舌に届いてから、味覚皮質の活動が入力を反映し始めるまでに数百ミリ秒が経過します。マサチューセッツ州にあるブランダイス大学の神経科学者であるドン・カッツ氏は、「脳の観点から言えば、それは永遠のようなものです」と述べています（フォンタニーニ氏は博士研究員の研究室で研究を行っていました）。 「視覚野では、その時間のほんの一部しかかからない」ため、これらの研究者が研究したかった期待効果を識別することははるかに困難です.
2012 年、Fontanini と彼の同僚は、ラットが音 (「予期的合図」) を聞いた後、口のチューブを通して小さなフレーバーのバーストを受け取る実験を行いました。味自体は、甘い、塩辛い、酸っぱい、苦いなどの可能性があり、4 つのどれであるかについての情報は予測キューに含まれていませんでした。
それでも研究チームは、こうした一般的な期待によって、ラットが最初に音を聞かずに味覚を受け取った場合に比べて、味覚皮質のニューロンがほぼ 2 倍の速さで刺激を認識できることを発見しました。待ち時間は、約 200 ミリ秒からわずか約 120 ミリ秒に短縮されました。
フォンタニーニは、どのような種類のニューラル ネットワークが理論的にこのより高速なコーディングを可能にするかを知りたがっていました。そこで彼は、味覚野の外から誰かを仲間に引き入れました。ストーニー ブルックの神経生物学者仲間であるジャンカルロ ラ カメラです。彼は以前、刺激がなくても発生する自発的な脳活動のモデル化に取り組んでいました。
過去数十年で、感覚ネットワークの活動の多くが外部刺激によって駆動されるのではなく、本質的に生成されることがますます強調されてきました。完全な暗闇にいる動物の視覚野の活動と、周囲を見回している動物の視覚野の活動を比較すると、両者を区別するのは困難です。光がなくても、皮質内のニューロンのセットは、同時に、または予測可能な波で、一緒に発火し始めます。この相関発火は、数百ミリ秒から数秒の間、いわゆる準安定状態として持続し、その後、発火パターンは別の構成に移行します。準安定性、または過渡状態の間を行き来する傾向は、刺激が導入された後も続きますが、特定の刺激に対してより頻繁に発生する傾向があるいくつかの状態は、「コーディング状態」と考えられています。
La Camera とその他 (Katz を含む) は、クラスター化されたネットワークと呼ばれるものを構築することによって準安定性を以前にモデル化していました。その中で、興奮性ニューロンのグループは強い相互接続を持っていましたが、抑制性ニューロンも興奮性ニューロンにランダムに接続され、システムに幅広い減衰効果を追加しました. 「このクラスター化されたアーキテクチャは、準安定性を生み出すための基本です」と Fontanini 氏は述べています。
Fontanini、La Camera、および彼らのポスドク研究員である Luca Mazzucato (現在はオレゴン大学) は、同じネットワーク構造が期待の効果を再現するための基本でもあることを発見しました。クラスター化されたアーキテクチャを備えた準安定モデルで、研究者は一般的な予測キューとそれに続く特定の味覚刺激の到着をシミュレートしました。彼らがこれを行ったとき、フォンタニーニが 2012 年にラットで観察した加速コーディングのパターンを再現することに成功しました。1 つの準安定状態から次の状態への遷移が速くなり、システムがより速くコーディング状態に到達することも可能になりました。結果は、ネットワークを構築してこれらの準安定的な活動パターンを示すだけで、「味覚入力をシミュレートするときに、多くの神経学的反応も捉えることができる」ことを示しました.
研究者がクラスターのないネットワークで予測キューと刺激をモデル化しようとしたとき、2012 年の結果を生成できませんでした。そのため、「特定の種類のネットワークだけが、この [効果] の発生を可能にします」と Katz 氏は述べています。
負担の少ないハイキング
この発見は、まず、実際の味覚皮質、そしておそらく他の感覚皮質でどのような構造を探すべきかについての洞察を提供したことで注目に値します。現在、神経科学者は味覚がどのように処理されるかについて議論しています。特定のニューロンが「甘い」をエンコードし、他のニューロンが「塩辛い」をエンコードし、特定の味に対して非常に特殊な神経サインを作成する可能性があると主張する人もいます。他の人は、それをより広範な活動パターンに結び付けます。ほとんどのニューロンはほとんどの味に反応し、与えられたニューラル シグネチャは、ある味と別の味に大まかに相関しています。 Fontanini と彼の同僚が行った研究は、後者の理論を支持する一方で、その接続がどのように見えるべきかについての予測を提供しています。クラスターだけでも「味覚皮質の非常に多くの特徴を捉えている」とフォンタニーニ氏は述べた。「自発的な活動、味覚に対する反応のパターン、期待効果」。彼は、これらのクラスターがどのように形成されるか、およびそれらが影響を与える他の種類の神経活動を引き続き掘り下げたいと考えています.
この作品はまた、脳内の期待の根底にある神経基質の絵を描いています。予測キューが特定のニューロンを興奮させたり、刺激をエンコードする特定の状態セットを誘発したりするだけではありません。代わりに、期待がシステム全体のダイナミクス (つまりスイッチング速度) を変更したように見えることがより重要です。
フォンタニーニとラ カメラは、これらのダイナミクスを、谷に満ちた風景の中を移動するボールになぞらえています。これらのポケットまたは谷は反応状態を表しており、ボールが最初の谷に速く落ちるように、予測が風景を傾けます。また、ボールが谷間を通過する必要がある丘陵の経路を滑らかにし、スタックすることなく、ある状態から次の状態に簡単に移行できるようにします。
つまり、期待により、ネットワークの粘着性が少し低下します。これにより、実際の味をエンコードする状態に簡単に移行できますが、システムが単一の状態にとどまるほどの安定性は得られません。これは、この種のクラスター化されたネットワークをしばしば悩ませる問題です。このようなクラスター化では、一部の「トラフ」状態が深くなりすぎて、システムが間違った情報を増幅してしまいます。しかし、スイスのフリードリッヒ・ミーシャー生物医学研究所で視覚処理を研究している神経科学者ゲオルグ・ケラーは、これらの発見は、それを解決するために「精巧なシステムは必要ない」ことを示しています.
Fontanini と La Camera は、この種のメカニズムが、注意や学習など、予想を超えた他のコンテキスト設定プロセスの効果も説明できることを期待しています。しかし、おそらく「[私たちの研究の] 最も重要な意味は、物事をコーディングするニューロンの静的な発火反応から、ニューロンの動的な行動に焦点を移すことです」と La Camera 氏は述べています。
神経科学への動的システムのアプローチは決して新しいものではありませんが、テストとモデル化は困難でした。専門家が基本的な感覚知覚について考える方法は、階層的な傾向があります。皮質は機能を構築および統合して知覚を形成し、脳が最終的に決定または行動に到達するまでさらに多くの情報を統合するネットワークの他の層に信号を送信します。
この新しい作品ではそうではありません。代わりに、チームの結果は、「これらすべてが同時に発生し、…刺激が届く前に」別の種類の処理をサポートしていると、シカゴ大学の神経科学者で嗅覚を研究しているレスリー・ケイは述べています。 「大脳皮質領域内で何かを学習し、その学習を反映するために接続されたクラスターのシステムを形成します。次に、[期待を持って]それに影響を与え、それが知っていることが現れます。」
突然の転倒
このモデルは、意思決定が情報の蓄積によって引き起こされる段階的なプロセスではなく、一種の「あはは」の瞬間、つまり神経変動のジャンプであることを示唆しています。実際、カッツは、フォンタニーニやラ・カメラと同じ種類のモデリングを使用して、決定 (たとえば、食べ物を飲み込むか吐き出すか) に到達するという考えをサポートしています。 /P>
これらの「味覚野の非常に異なるコーナー」 (感覚知覚に関するフォンタニーニの研究とその後の処理に関する彼自身の研究) の間のつながりは、カッツを「非常に興奮させている」と感じさせます。
また、特定の手がかりに反応する単一のニューロンに焦点を当てるのではなく、感覚ネットワークの理解において内部状態とダイナミクスをより明確にする必要があることも強調しています。最も基本的な感覚刺激についても同様です。イスラエルのテルアビブ大学の神経生物学者であるアナン・モランは、次のように述べています。しかし、生物がどのように機能するかを理解するには、「刺激だけでなく、内部状態も説明できません」と彼は付け加えました。 「そしてこれは、脳が知覚や行動などを達成するために使用するメカニズムについての以前の[理解]を再評価する必要があることを意味します。」
「刺激が到着する前に味覚皮質で起こっていることは、刺激が到着したときにその刺激がどのように処理されるかの大部分です」とカッツは言いました.この場合、これらの内部状態が経験や合図によってどのように変更されるかを調べると、ネットワーク接続全体について何かが明らかになりました.
モラン氏によると、この種の文脈依存は、知覚と認知に関する他の研究への道を見つける必要があるという。 「最後のフロンティアは視覚システムです…この[種類の]作業は、視覚情報の処理方法について興味深いことを教えてくれるかもしれません。」
「このすべての活動を本当にカプセル化する優れた単一のモデルはまだありません」と彼は付け加えました。しかし、これは「良い出発点」です。
