何十年もの間、神経科学者は脳をガイガー カウンターのように扱ってきました。ガイガー カウンターのクリック レートが放射の強さを示すのと同様に、ニューロンが発火するレートは活動の尺度として使用されます。しかし、新しい研究によると、脳は楽器に似ている可能性があります。ピアノを弾くときは、鍵盤を弾く頻度も重要ですが、音符の正確なタイミングもメロディーにとって不可欠です。
「[ニューロン活性化] が発生する回数だけでなく、正確にいつ発生するかが非常に重要です」と、先月 Cell .
ジェイコブスと 2 人の共著者は、発火の速度ではなくタイミングを通じて空間情報をエンコードする人間の脳のニューロンを初めて発見しました。この一時的な発火現象は、ラットの特定の脳領域で十分に記録されていますが、新しい研究や他の研究では、哺乳類の脳でははるかに広まっている可能性があることが示唆されています。 「探せば探すほど、見えてきます」とジェイコブスは言いました。
一部の研究者は、この発見が主要な謎の解決に役立つかもしれないと考えています。それは、脳がどのように素早く学習できるかということです。
この現象は位相歳差運動と呼ばれます。これは、脳波の連続的なリズム (脳の領域における電気信号の全体的な干満と流れ) と、その脳領域のニューロンが活性化する特定の瞬間との間の関係です。たとえば、シータ脳波は時間の経過とともに一貫したパターンで上下しますが、ニューロンは波の軌跡のさまざまなポイントで一貫性なく発火します。このように、脳波は時計のように機能していると、この研究の共著者の 1 人であるコロンビアの Salman Qasim 氏は述べています。他のニューロンの発火の範囲内に着地するように、ニューロンの発火のタイミングを正確に合わせます。これにより、ニューロン間の接続が形成されます。
研究者は、空間位置に関する情報をエンコードするラットの脳のニューロン間で、数十年前に位相の歳差運動に気付き始めました。人間の脳とラットの脳には、これらのいわゆる場所細胞が含まれており、それぞれが特定の領域または「場所フィールド」に調整されています。ミシガン大学の神経科学者であるカムラン・ディバ氏によると、私たちの脳は、何マイルにもわたる高速道路であれ、自宅の部屋であれ、現在の環境をカバーするためにこれらの場所のフィールドをスケーリングしているようです。プレイス フィールドの中心に近づくほど、対応するプレイス セルの発火が速くなります。ある場所のフィールドを離れて別の場所に入ると、最初の場所のセルの発火が徐々に減り、2 番目の場所の発火が増加します。
しかし、速度とともに、タイミングもあります。ラットが場所フィールドを通過すると、関連する場所セルがバックグラウンド シータ波のサイクルに対してますます早く発火します。ラットがある場所から別の場所に移動すると、最初の場所のセルの非常に早い発火が、次の場所のセルの遅い発火とほぼ同時に発生します。それらのほぼ同時の発火により、それらの間のシナプスまたは接続が強化され、この場所細胞の結合により、ラットの軌跡が脳に染み込みます。 (情報は、2 つのニューロンが互いに数十ミリ秒以内に発火した場合にのみ、シナプスの強化を通じてエンコードされるようです。)
位相の歳差運動はラットで明らかです。 「それはげっ歯類の脳で非常に顕著であり、一般化可能なメカニズムであると仮定したくなるほどです」とカシムは言いました.科学者たちは、コウモリやマーモセットの空間処理における位相歳差運動も特定しましたが、そのパターンは今まで人間ではとらえどころのないものでした.
個々のニューロンを監視することは、平均的な人間の研究参加者に対して行うには侵襲的すぎる.電極は、患者がジョイスティックを使用して仮想現実シミュレーションを操作している間、個々のニューロンの発火を記録しました。患者が動き回るにつれて、研究者は、モニターしていたニューロンの 12% でフェーズの歳差運動を特定しました。
人間はげっ歯類よりも複雑な脳波の重なりパターンを示し、ナビゲーションに専念する神経活動が少ないため、これらの信号を引き出すには高度な統計分析が必要でした。しかし、研究者たちは、位相の歳差運動が存在すると断言できます。
他の研究は、位相の歳差運動がナビゲーションを超えて重要である可能性があることを示唆しています.動物では、この現象は、音や匂いの処理を含む非空間的知覚と結びついています。また、Jacobs が昨年共同執筆した研究では、時間に敏感な脳細胞で位相の歳差運動が見られました。フランスとオランダの認知科学者によるまだ査読されていないプレプリントは、連続画像の処理にも位相の歳差運動が関与していることを示しました。最後に、ジェイコブスの新しい研究では、文字通りのナビゲーションだけでなく、人間がシミュレーションで抽象的な目標に向かって進んだときにも発見されました.
これらの研究は、位相歳差運動により、脳が空間的位置と同じように一連の時間、画像、およびイベントを関連付けることができることを示唆しています。 「最初の証拠が見つかったことで、それが脳内のある種の普遍的なコーディングメカニズムである可能性への扉が本当に開かれました。おそらく、哺乳類の種を超えて」とカシムは言いました。 「神経活動の相対的なタイミングを追跡していなければ、大量の情報コーディングを見逃している可能性があります。」
実際、神経科学者は、長年の疑問に答えるため、脳内の新しい種類のコーディングに目を光らせています。外部データのパターンは、シナプス接続の強化と弱体化を通じて、ネットワークの発火パターンに根付くことが理解されています。しかし、人工知能の研究者は通常、ネットワークがパターンを学習するのに十分なシナプス強度を調整する前に、数百または数千のパターンまたは概念の例で人工ニューラル ネットワークをトレーニングする必要があります。不思議なことに、人間は通常、1 つまたは少数の例から学ぶことができます。
位相の歳差運動は、その不均衡に役割を果たす可能性があります。このヒントの 1 つは、ジョンズ・ホプキンス大学の研究者による研究から得られたものです。この研究では、なじみのないトラックを学習しているラットに位相の歳差運動が見られました。最初のラップです。 「何かを学ぶとすぐに、学習シーケンスのこのパターンがすでに整っています」とカシムは付け加えました。 「これにより、シーケンスの非常に迅速な学習が促進される可能性があります。」
位相歳差運動は、学習が他の方法よりも頻繁に行われるようにタイミングを調整します。関連する情報によって活性化されたニューロンが、それらの間のシナプスを強化するのに十分な速さで連続して発火するように手配します。 「これは、脳が基本的にレートコーディングだけから想像するよりも速く計算していることを示しています」と Diba 氏は述べています。
私たちの急速な学習能力については、他にもいくつかの理論があります。また、研究者は、これまでの限られた研究から、脳における位相歳差運動の広範な役割について結論を出すのは難しいと強調しました.
それでも、この現象を徹底的に調査する必要があるかもしれません。テキサス大学サウスウェスタン医療センターの神経科医であるブラッドリー・レガは、「位相歳差運動で解決できる問題はたくさんあります」と述べています。
2021 年 7 月 13 日に追加された訂正:
この記事のサブタイトルは、最近の論文の誤解を修正するために変更されました Cell は、人間の脳における位相歳差運動の初めての報告でした。記事が述べているように、他の最近の研究では、空間ナビゲーション以外の文脈で人間の現象を特定しています.
