脳は世界に合わせて柔軟な感覚を再形成する|生き物

目はカメラのようなものですが、視覚にはそれだけではありません。大きな違いの 1 つは、私たちの視覚は、他の感覚と同様に、経験によって順応性があり、修正可能であるということです。ある感覚を奪われた人は、他の感覚が代償的に増加する可能性があるというありふれた観察を考えてみましょう。懐疑的な人は、これは本当の意味での感覚の改善ではなく、単に注意、集中、練習の問題であると言うことができます.実際、実験によると、人の感覚の鋭敏さは練習によって大幅に改善されることが示されています。

しかし、現代の方法論により、神経科学者は、脳ニューロンの回路が物理的に変化することを決定的に証明しました。私たちの感覚は順応性があります。なぜなら、脳の感覚中枢は自分自身を再配線して、利用可能な神経資源の能力と、入ってくる感覚印象によってそれらに課せられる要求との間の有用なバランスをとるからです.この現象の研究は、一部の感覚野が特定の機能に対して生来の傾向を持っていることを明らかにしていますが、それらは発達中の脳の可塑性を同様に強力に示しています.

生まれてから視覚を奪われたラットを例に挙げてみましょう。たとえば、両方の網膜の損傷が原因です。ネズミが成長したら、そのネズミに迷路を走らせるように訓練します。次に、視覚野をわずかに損傷します。ネズミにもう一度迷路を走らせて、手術前後の時間を比較してもらいます。原則として、視覚野に損傷を与えても、盲目のネズミの迷路を走る能力には何の影響もありません。しかし、Yerkes Laboratories of Primate Biology の Karl Lashley などによって数十年前に行われた古典的な実験的発見は、ラットのパフォーマンスが悪化するというものであり、盲目のラットの視覚野が何らかの原因であることが示唆されていますが、それが何であったかはわかりません。 /P>

同じ時代に、人間の患者に取り組んでいた臨床医は、2 種類の発達誘発性失明を報告しました。最初の例では、白内障やまれなまぶたの問題などで生まれてから片方の目を塞いでいた患者が、解剖学的な問題を取り除いても片目が見えない、またはほとんど見えなくなった.初期の閉塞に関する何かが、その目とその中枢神経経路が適切に接続するのを妨げていました.

発達に起因する失明の 2 番目のタイプは、生まれつき斜視で、目が異なる方向を向いている子供に関係していました。子供たちが成長すると、片方の目が機能し、もう一方の目が機能しなくなったことがよくありました。これは口語的に「怠惰な目」と呼ばれます。専門用語は弱視です。目は本当に盲目ではありません — 網膜が機能していることを示すことはできます — しかし、人はそれを通して有用な視覚を持っていません. (現在、この状態にはさまざまな治療法がありますが、最も一般的なのは、幼児期に交互の目にパッチを当てて、片方の目が乗っ取られてもう一方の目を抑える機会がないようにすることです.)

損傷した感覚は自分自身を再配線します

視覚野の画像処理を発見した視覚のパイオニアである David Hubel と Torsten Wiesel は、動物でこれらの実験を繰り返し、怠惰な目の神経基盤を発見しました。幼少期の重要な時期に、網膜出力を中枢神経系に接続するシナプスは順応性があります。皮質ニューロンが片方の目から多くの会話を受け取り、もう一方の目からはまったく会話しない場合、最初の目を表す軸索が皮質ニューロンのすべてのシナプス空間をつかみます。これにより、第 2 の眼は機能しますが、対話する皮質ニューロンはなくなります。

交差した目の場合、科学者は、それがもう少し微妙であることを発見しました.通常の状況では、片方の目からの画像ともう一方の目からの画像はほぼ完全に一致しており、視覚シーンの同じ場所が皮質ニューロンの 1 つのグループを刺激します。しかし、ヒューベルとヴィーゼルが人工的に動物の目を交差させたとき、視覚イメージをシフトするプリズムを若い動物に装着させたところ、2 つの目からのイメージが同じ脳のターゲットに適切に収束しませんでした。その人は、文字通り二重に見えます。2 つの別々の相反するイメージです。脳はどちらか一方の目を選択する必要があります。片方の目からの接続が抑制されます — 最初は一時的ですが、しばらくすると永久に、その目は機能的に盲目になります。

巧妙な実験は、皮質反応の異なる種類の再編成を示しています。通常、視覚野には網膜の「地図」があります。確かに、大脳皮質の表面のうねりによって歪んでいますが、網膜上の隣接点が視覚野上の隣接点に投影され、その上に視覚シーンの組織化されたマップが作成されていることを非常に直接的に見ることができます。実験は、レーザーを使用してサルの網膜に非常に小さな穴を無痛で作ることでした.実験者であるロックフェラー大学のチャールズ・ギルバートは、視覚皮質から記録して、皮質地図がどのように反応したかを確認しました。最初は、網膜の穴に対応する視覚空間の皮質マップに穴がありました。しかし、しばらくすると、皮質の隣接領域が空いた皮質空間を占有するように移動しました。網膜の隣接領域は、損傷した領域に通常反応する皮質細胞と通信しました。

これは、網膜の損傷した領域の視力が回復したことを意味するものではありません。網膜に病変がある場合、破壊された領域には何も見えません。盲点があります。しかし、脳が網膜の穴を埋め合わせることができないとしても、網膜病変の周囲の領域は、以前よりも多くの皮質ニューロンを「所有」します。

これを考える 1 つの方法は、皮質の怠惰を防ぐための自然の方法です。皮質の領域が本来の場所からの入力を受信しなくなった場合、その領域が永久に非アクティブになるのは無駄です.代わりに、しばらくすると、その機能は損傷を受けていない入力に渡されます。より一般的なケースでは、このメカニズムが小さなストロークを処理する方法として容易に想像できます。（神経病理学者は、私たちは皆、人生の過程で脳組織のこれらの小さな損失を被っていると言っています。）非常に小さな血管に影響を与える小さな皮質脳卒中があり、それが栄養を与える脳の領域が死ぬと想像してみてください.脳卒中によって現在損傷を受けている領域からの入力を受け取っていた脳の領域が永遠に沈黙することは、貴重な皮質資源の浪費となる.代わりに、脳は、それらの脳領域を隣人に渡すことによって、悪い状況を最大限に活用します.

正常な知覚の再編成

感覚はさまざまな種類の神経損傷に適応しますが、これは大規模な神経生命にとっては非常に大雑把な出来事です。しかし、自然に発生し、私たち全員に起こる、より微妙な再編成もあります.

脳の可塑性を示す顕著な兆候の 1 つは、生まれつき盲目だった人々の脳活動をスキャンした結果です。盲目のボランティアがスキャナー内で指を使って点字を読むと、通常は視覚入力を処理する脳領域、つまり一次視覚野が活性化されました。どういうわけか、触覚情報の処理が未使用の視覚中枢を引き継いでしまった.

別の劇的な例は、バイオリニストの研究から生まれました。ヴァイオリンを演奏するには、弓が弦の上を上下にスイープするときに、片方の腕で比較的粗雑な大きな動きをします。もう一方の手で一連の非常に微妙な動きを行い、バイオリンの指板の上下のさまざまな、しっかりと定義された位置で弦を押し下げます。優れたバイオリニストであれば非常に速く、スターであれば驚くほど速くなります。これは、必要な速度と精度を考えれば驚くべき作業です。プロのバイオリニストは、これらの動きを毎日何時間も練習します。

指の動きは特定の脳領域によって制御されるため、これは脳内の接続の物理的配置に影響を与えます。プロのバイオリニストでは、領域が拡大し、隣接する脳組織から機能を押しのけることさえあります.しかし、これは弦を指で弾く手だけに起こります。一方の手を制御する脳の反対側の同じ領域は、その手の必要な動きが比較的粗雑であるため、拡張しません。

（ヴァイオリン奏者は極端な例ですが、他の場合もどうなるのでしょう。プロのスポーツ選手であれば、筋肉を制御する脳回路は他の人を犠牲にして拡張しますか?脳、鑑賞オペラ回路を犠牲にして、脳を心配する回路が拡張しますか?)

反対の状況 - 過剰使用ではなく剥奪 - が実験室で手配されました.暗闇で育てられた猫は、2 つの目からの画像を適切に融合する能力を失いました。他の猫は、パターン化された視覚が縦縞または横縞のみである条件下で飼育されました。縞模様で飼育された動物は、一次視覚野のニューロンの向きの選択性に偏りを持って成長しました。異常に多くの細胞が、猫の視覚経験が縦縞のみの場合は縦方向に、猫が見た場合は横方向に調整されました。横縞。

暗所飼育の巧妙なバリエーションは、初期の動物から動きを見る能力を奪うことでした。実験者は、非常に短いストロボフラッシュだけで照らされた環境で猫を飼育することによってこれを行いました。これにより猫は物を見ることができましたが、網膜を横切る物体の意味のある動きを起こすには閃光が短すぎました。どうしたの？これらの動物は、皮質に方向選択ニューロンを持たずに成長しました。

これらすべての調査結果やその他の調査結果は、感覚系の組織の順応性を示しています。しかし、これは自然な人間の条件下でどれほど重要なのでしょうか?人が視力を持たずに成長したらどうなりますか?

見ることを学ぶ

神経科学者のドナルド・ヘブは、視覚は大部分が学習によるものであると予測しました。世界のオブジェクトは個々の機能のクラスターで発生するため、複雑な知覚は経験を通じて、関連付けによって形成されます。彼は、脳が必要な新しいアセンブリを形成できなくなる前に、これが人生の早い段階で起こらなければならないと信じていました.彼の基本的な考えは正しかった:視覚の多くは視覚経験に依存している.しかし、これは若い頃に起こらなければならなかったという彼の結論は、部分的にしか真実ではないようです.

その証拠は、生まれつき盲目だった人が後で見えるようになったという実験から得られたものです。マサチューセッツ工科大学のパワンシンハ氏は、自宅を訪問した際に、インドの村々で先天性白内障の患者が 30 万人もいることに気付きました。これらの子供では、眼の水晶体が濁った線維組織に置き換わります。白内障は光と闇を可能にしますが、子供からすべての詳細な視力を奪います.人道主義と科学の見事な組み合わせで、シンハはこれらの子供たちを探してニューデリーに移送するプログラムを組織しました。そこでは、現代の病院の外科医がレンズを透明な合成レンズに交換しました。これは、多くの高齢者に行われているのと同じ白内障手術です。

Sinha 氏のチームは、手術前、手術直後、数か月または数年後に患者の視力をテストしました。白内障を取り除いても、子供たちの詳細な視力がすぐに回復したわけではありません。彼らにとって、世界は混乱したぼやけのように見えました。しかし、時が経つにつれ、彼らは見えるようになり、数ヶ月後には単なる光と闇を超えた詳細を見ることができるようになりました.多くの人は、白杖なしで歩くことができ、混雑した通りで自転車に乗り、友人や家族を認識し、学校に通い、目の見える人の他の活動を行うことができました.

しかし、彼らのビジョンは決して完璧にはならなかったようです。彼らの視力は、何ヶ月ものトレーニングの後でも、通常よりも低いままでした.ある患者は、新聞の見出しは読めるが、最高の活字は読めないとコメントした.互いに重なっている 2 つのフォームを分離するなど、特定の視覚的タスクに問題を抱えている人もいました。

したがって、多くの視力を回復できるように見えますが、視覚系の可塑性は無限ではありません.このさらなる証拠は、霊長類の下側頭葉の皮質領域の行動から得られます。この領域は、視覚刺激として顔にのみ反応するため、「フェイスパッチ」と呼ばれます。

第一に、顔パッチが異なる個々の人（またはサル）で再現可能な場所を持っているという事実は、脳がそれらに対してある程度の固有のパターンを持っていることを示しています.第二に、目が見えるようになったばかりのインドの子供たちが見ることを学ぶにつれて、彼らの脳のパターンが変化した.白内障の摘出直後、機能的磁気共鳴画像スキャン (fMRI) は、顔を含む視覚入力に対してまとまりのない広範な反応を示しましたが、すぐに一連のパッチに変化し、パッチは通常の位置にありました。これは、顔のパッチがあるべき場所を脳が事前に知っていたことを示しています。これは、視覚構造の少なくとも低レベルの事前決定の証拠です。視覚研究者のマーガレットリビングストンは、これらのあらかじめ決められた場所を「プロトフェイスパッチ」と呼んでいます。

最後に、感覚神経可塑性に関する強力で洗練された実験が、Livingstone と彼女の同僚によって 2017 年後半に発表されました。彼らは生まれた時から顔が見えない環境でサルを育ててきました。人間の顔でもない、猿の顔でもない、まったく顔がない。サルは愛情を込めて世話されましたが、サルの近くにいるときはいつでも、実験者は溶接マスクを着用していました.

それ以外の点では、サルは完全に正常な視覚世界で育ちました。ケージと周囲の部屋のすべてを見ることができました。彼らは実験者の胴体、腕、足を見ることができました。彼らは、彼らが食べていた哺乳瓶を見ることができました。彼らはサルのコロニーの通常の音を聞くことができました。彼らの唯一の剥奪は、顔を見たことがないということでした。これらのサルはほとんどの場合正常に発達し、実験終了後にサルのコロニーに導入されると、仲間と楽しく交流し、サルの社会にうまく統合されました。

実験者はこれらのサルを fMRI スキャナー内で静止するように訓練した後、顔を含むさまざまなものをサルに見せてテストしました。ご想像のとおり、彼らは脳に顔のパッチがなくても育ちました。しかし驚くべきことに、通常であれば側頭葉の顔認識領域が、代わりに手の画像に反応しました。通常の社会環境では、霊長類にとって最も重要な視覚オブジェクトは顔です。顔は、怒り、恐怖、敵意、愛、そして生存と繁栄に重要なすべての感情的な情報を示しています。どうやら、環境で 2 番目に重要な特徴は手です。サル自身の手と、サルを育てて餌を与えた実験者の手です。

通常はフェイスパッチだったものを「ハンドパッチ」に変更しましたが、この好みはまだやや可塑的でした。サルが実験者や他のサルの顔を見ることを許可されてから約 6 か月後、顔パッチの細胞は徐々に顔を感知する状態に戻りました。明らかに、顔は非常に多くの重要な情報を伝えているため、手によって引き継がれていた脳の領域を取り戻すことができます.

顔面パッチの存在は、好奇心旺盛で長い間認識されてきた臨床観察を説明しています。顔面失明 (prosopagnosia、ギリシャ語のprosopに由来) として知られる状態があります。、「顔」、失認、「無知」) では、人の視覚は、顔を認識するのが難しいことを除いて、まったく正常です。患者はよく見ることができ、他の人と同じように顔を区別することができますが、記憶から顔を認識するのは困難です.

相貌失認には、医師の診察を受けることになるほぼ完全なものから、非常に軽度のものまで、さまざまな段階があります。個人的に言えば、私は対症療法の側にいます。恥ずかしい問題です。私はあなたと楽しい夕食を共にすることができ、次の日、ホールであなたを通り過ぎて「私はその人を知っていますか？」と思います。しかし、それ以上先に進むことはできません。ですから、私があなたを冷たくしたことがあるとしたら、それはあなたへの関心の欠如ではなく、私が話すのが苦手だったことを理解してください.