自然の生息地を飛び跳ねたり、走り回ったり、飛んだり、泳いだりして、動物は周囲の世界の心の地図を作成します。これを使用して、家に帰り、食べ物を見つけ、重要な関心のある他のポイントを見つけます.神経科学者は、動物が何十年にもわたってこれをどのように行うかという問題を解決してきました。ソリューションの重要な部分は、研究者が実験室でラットの脳を監視することによって明らかにしたエレガントな神経コードです。この画期的な発見は 2014 年にノーベル賞を受賞しました。多くの科学者は、このコードが脳が他の抽象的な形式の情報を処理する方法の重要な要素である可能性があると考えています。
しかし、床が平らな箱の中の実験動物は、2 次元を移動するだけで済みます。研究者は、その状況の教訓を現実の世界に拡張することは、課題と落とし穴に満ちていることに気付きました。最近 Nature に掲載された 2 つの研究で および Nature Neuroscience 、コウモリとネズミを扱っている科学者は、驚いたことに、脳が3D空間を2D空間とは非常に異なってエンコードし、彼らがまだ説明して理解するのに苦労しているメカニズムを採用していることを示しました.
イスラエルのワイツマン科学研究所の神経生物学者で、Nature の研究を率いた Nachum Ulanovsky 氏は、次のように述べています。 3D 空間のニューラル表現を 10 年以上研究してきました。 「私たちは考えを再構築する必要がありました。」
この発見は、脳が自然環境をどのようにコード化し、動物がそれらの空間をどのように移動するかについて、神経科学者が知っていると考えていたことを再考する必要があるかもしれないことを示唆しています。この研究はまた、記憶を含む他の認知プロセスが、研究者が信じるようになったものとは非常に異なる働きをする可能性を示唆しています.
グリッド セルが 3D になるとき
何十年にもわたる研究により、脳のナビゲーションシステムが数種類のニューロンで構成されていることが立証されました。動物がその環境内の既知の場所を通過するときに、海馬の火に細胞を配置します。頭の方向セルは、動物の頭が北や南などの特定の方向を向いているときに発火します。境界セルは、境界から特定の距離で発火します。
しかし、最も興味深いのは、空間ナビゲーションと記憶の両方で重要な役割を果たしている嗅内皮質と呼ばれる海馬近くの脳領域に見られるグリッド細胞です。動物が 2 次元空間 (平らな部屋や迷路など) を移動している場合、動物がさまざまな場所を移動するときにこれらのニューロンが発火します。任意の 1 つのグリッド セルを発火させる場所は、床を並べる周期的な六角形の格子の頂点のように配置されます。異なるグリッド セルには、異なる空間スケールとオフセットを持つ六角形の発射パターンがあり、2D 平面全体をカバーできます。
その活動の顕著な対称性、規則性、および一貫性のために、グリッド セルは、動物が移動中に正確な距離と方向を追跡できるようにする、洗練された、固定された一見無限の座標系と見なされることがよくあります。近年、研究者は、細胞がその六角形のコードを使用して、物理的な空間だけでなく、抽象的な認知空間も表現している可能性があるという証拠を報告しています.
しかし、すべての実験は 2D 環境で行われたため、グリッド セルが 3 次元 (または認知空間の場合はそれ以上) の環境をどのように表すかは明らかではありませんでした。
ユニバーシティ カレッジ ロンドンの行動神経科学者であるケイト ジェフリーは、ウラノフスキーと同様に、10 年以上にわたってこの疑問に答えようとしてきました。ラットに垂直方向の次元を探索させ、神経表現を測定させるために、彼女と彼女の同僚は、傾斜路やらせん階段、クライミングウォール、ジャングルジムを徐々に追加して、真の遊び場を構築しました。動物がそれらの仕掛けの中を歩き回るのを見て、Jeffery は、グリッド セルが規則的なパターンを 3D 空間に拡張する方法の手がかりを探しました。
理論的には、システムが 2D 最適パッキングを単純に 3 次元に一般化した場合、研究者はグリッド セルが球形のパッチで発火し、食料品店のオレンジの積み重ねのように、六角形の 3D 格子構造にきれいに配置されることを期待するでしょう。しかし、もっと複雑なことが起こっているというヒントがすでにありました — グリッドパターンは常に完全に組織化されていて、2 次元だけでも対称的であるとは限りませんでした.たとえば、研究者は、部屋の形状を変更すると、六角形のグリッドを押したり引いたりして、その活動と厳密な周期性を歪める可能性があることを確認していました。グリッドは、ラットにとって重要な場所、または報酬が存在する場所でも歪んでいるように見えました.
それでも、これらの観察結果は、同じ六角形のフレームワーク内の単なる逸脱である可能性があるように思われました。しかし、研究者が最終的に 3D 空間を移動する動物のグリッド セルから記録できるようになったとき、調査結果は「はるかに劇的」になり、フレームワークからの逸脱だけでなく、フレームワークからの逸脱も示しているように思われる、とウラノフスキー氏は述べています。
何年にもわたって技術と実験のセットアップを正しく行うのに費やした後、ラット用の格子状のクライミングフレームの構築や、ワイヤレス記録と3次元追跡システムのセットアップが含まれていました.Jefferyと彼女の同僚は、ついに3D ナビゲーション中の動物の内嗅皮質。
驚いたことに、2D で細胞の挙動を定義していた六角形のパターンは完全に失われていました。代わりに、グリッド セルの活動の塊は、3 次元空間全体にランダムに分布しているように見えました。 「一部のプロパティは保存されていましたが、最も視覚的に印象的なグリッド セルのプロパティは保存されていませんでした」と Jeffery 氏は述べています。
一方、ウラノフスキーは、大きな部屋を飛び回るエジプトオオコウモリに似たようなものを見つけていました。実際、彼と彼のチームが約 10 年前にグリッド セルからの記録を開始したとき、彼らが見ているものを理解することは困難でした。 「実際に正しい軌道に沿って考え始めたこの時点に到達するまでに、2、3 年かかりました」とウラノフスキーは言いました。
ジェフリーのラットのように、コウモリのグリッド セルは 3 次元の六角形の配列で発火しているようには見えませんでした。実際、徹底的な分析により、細胞活動には規則的なグローバル構造がまったく存在しないことが示されました.
しかし、グリッド セルの発火も完全にランダムではありませんでした。代わりに、局所的な秩序がありました。グリッド セルごとに、それが発射された場所は完全な周期的な格子に配置されていませんでしたが、それらの間の距離は規則的すぎて単なる偶然の問題ではありませんでした。研究者たちは、きちんと積み上げられたオレンジではなく、似たような、しかし整然としたものではなく、ビー玉が箱を埋めているようなものを見ていました。ウラノフスキー氏は、「格子が存在しないように、それらは常に何らかの極小値にとどまっている」と述べた。 「一方で、すべてのビー玉が隣接するビー玉に接触しているため、局所的な距離は固定されています。」
「誰もが見るのが大好きで、数多くの理論的検証を生み出してきたこのパターンは、そこにはありませんでした」とジェフリーは言いました. 「パターンの規則性は、グリッド セルにとって重要なことではないかもしれませんが、それが私たちにとって最も興味深いことなのです。」
エレガンスに魅了
2 次元のグリッド セルの六角形の周期性は、「探索するのに非常に美しいものでした」と、カリフォルニア大学サンフランシスコ校の神経科学者で、どちらの研究にも関与していない Loren Frank は述べています。 「これは通常、科学で起こります。何か美しいものがあると、人々はそれが非常に重要で中心的であると考えます。」
しかし、3 次元で発火するグリッド セルの結晶構造が欠如しているため、「少し後退して、この特定のネットワークに過剰な機能を吹き込んでしまったのではないかと考えざるを得ません」。彼は言った.
1つには、結果は、脳の固有の空間マップが、一部のモデルが持つほど正確な測定基準ではないことを示唆しています.少なくとも、障害物、ランドマーク、その他の複雑さが景観に影響を与える自然環境ではそうではありません.リファレンス ポイント間の正確な幾何学的関係をプロットするのではなく、メンタル マップはより広範な接続を作成する可能性があります。「世界に課される緩やかな種類の測定基準」と Jeffery 氏は述べています。そこから、「トポロジー関係や隣接関係などを構築できます」。 Frank はそれを、実際の GPS ではなく、都市の地下鉄網の地図を持っているようなものだと例えています。これは、実際の GPS を持っているのではなく、接続の感覚と、完全に正確ではない相対的な距離のアイデアを与えてくれます.
これは、科学者が経路統合についてどのように考えるかに影響を与えることは間違いありません.経路統合とは、外部の手がかりの助けを借りずに、開始位置に対して空間内のどこにいるのかを正確に知る動物の能力です。この能力は、グリッドセルに起因することがよくあります.経路の統合は、動物が斬新な近道を計算したり、長距離を移動して家に帰る道を見つけたりすることを可能にするとも考えられています。しかし、これらの仮説はすべて、グリッド セルが完全な周期性で風景をマッピングすることを前提としている、と Ulanovsky 氏は述べています。 「もしそれが完璧でなければ、このアイデア全体が崩れてしまいます…そして、グリッドセルの現在のモデルを使用して、自分の位置をロバストにエンコードすることはできなくなります」と彼は言いました.
少なくとも、新しい結果は、提案されている距離推定と経路統合のグリッドベースのメカニズムについて疑問を投げかけています。 「これが厳密な六角形の周期性なしでどのように機能するかを検討するか、グリッドセルが全体としてどのような機能を果たすかを再考する必要があります」と、ジェフリーの研究室で以前働いていたダートマス大学のポスドク研究者であり、最近の論文の筆頭著者であるロディ・グリーブスは述べた。 /P>
動物が目標に向かってどのように移動し、長距離を移動するかを示す一部のモデルも、更新が必要になる場合があります。マサチューセッツ工科大学のマクガバン脳研究所の神経生物学者で、グリッド コードの理論モデリング作業を行っている Ila Fiete は、3 次元グリッド セル活動におけるグローバル構造の欠如は、脳がより高い次元を表していることを意味する可能性があると推測しています。平らな面とは大きく異なります。 「3D 以上の次元にいる場合、空間全体の連続的でシームレスな表現を作成しない可能性があります」と彼女は言いました。 「たぶん、脳はまったく別の戦略を使っているだけでしょう。」
グリッドを超えて移動
グリッドセルの活動とそれに関連する機能に関する仮説には、一般に、各グリッドセルが隣接するセルを抑制しながら活性化しようとする「連続アトラクタ」モデルが含まれます。 2D では、抑制の円盤に囲まれた局所励起のパッチの観察された六角形パターンにつながります。しかし、これらのモデルは、3 次元での周期性の内訳を予測していません。彼らは「グリッドセルがどのようにネットワーク化されているか、そして彼らの射撃場がどのような配置を取ることができるかについて非常に厳格です」とグリーブスは言いました. 「私たちの 3D データと飛行コウモリのデータを組み合わせると、これらのモデルに大きな疑問が投げかけられます。」
ほとんどの科学者は、モデルはまだ機能すると考えていますが、新しい 3 次元観測に適合するようにモデルを適応させる必要があると考えています。ウラノフスキーのチームは、その適応を導くためにいくつかの追加のダイナミクスを提案しており、現在、理論家と協力して、3D ではなく 2D で世界的な六角形の秩序が現れるという新しいモデルに取り組んでいます。
一方、2D アトラクタ フレームワークを救うために、Fiete と彼女のポスドクの Mirko Klukas とその同僚は、新しいモデルを提案しました。Fiete は、Ulanovsky と Jeffery の発見のいくつかに証拠を見ています。新しい結果が発表される前でさえ、Fiete は 2D アトラクタ状態を 3 次元に一般化するモデルには懐疑的でした。なぜなら、それらは生物学的に非常にコストがかかるからです。彼女の計算によると、3D で適切なパターンを得るには、嗅内皮質が持つよりもはるかに多くのグリッド セルが必要になるでしょう。 .さらに、3D グリッドの構築には、2D グリッドとは非常に異なる接続が必要になります。
彼女とクルカスは、さまざまな視点から撮影した大量の写真から 3D 像を再構築することに似た別のアイデアを思いつきました。グリッド セルの特定のセットは、3D 空間の 2 次元スライスとして機能します。他のグリッド セルのセットも同じことを行いますが、角度が異なります。それらは一緒になって嗅内野皮質内でグリッド活動の交差する列を形成し、他の細胞がそれらの応答を結合します — ウラノフスキーのグループが発見したように、局所的構造を生成しますが、全体構造は生成しません.
このモデルには、アトラクタ ネットワークや経路統合などの古典的な理論を引き続き構築できるという利点があります。 「まったく同じネットワーク、同じ接続性、同じものを再利用するだけです」と Fiete 氏は言います。 「あなたは何もやり直さない。オーバーヘッド コストはなく、3D を表現することもできます。モデルによっては、4D または 5D またはそれ以上の表現も可能です。
他の科学者は、まったく別のことが起こっていると考えています。とにかく、「これから生まれる次世代のモデルを見るのが楽しみです」とグリーブスは言いました.
「自然界では、ほとんどの場合、パターンがきれいに結晶化することはないでしょう」と Jeffery 氏は言います。 「これはグリッド セルの自然な状態ではないと思います。」
「私たちは、グリッド セルに見られる空間的な規則性に少し魅了されてきましたが、それは単なる副次的な問題です」と彼女は付け加えました。 「それは彼らにとって最も興味深いことではありません。」
完璧な規則性が重要
しかし、地球規模の規則性が、さまざまな状況におけるグリッド セルの共通の特徴ではない場合、科学者は規則性について幅広い意見を持っています。たとえば、ウラノフスキーは、彼のチームが観察した細胞の発火場間の特徴的な距離だと考えています。 Jeffery は、それが細胞が発火する個別の方法であると考えています。完全に周期的でなくても、脳は空間的 (そしておそらくより抽象的な) 表現を分離しておくことができます。 Fiete は、動きと速度に関する情報を統合するグリッド セルの能力を強調しています。
ノルウェー科学技術大学の神経科学者であり、ノーベル賞受賞者であるグリッド セルの発見者の 1 人である Edvard Moser は、グリッド セルの世界的な秩序と周期性が依然としてそれらを定義していると考えています。彼と彼の同僚は最近、2D では歪んだ非周期的なパターンで発火しているように見えるグリッド セルでさえ、さまざまな環境や脳の状態にわたって他のグリッド セルと同じ相関関係を維持し、固有のグリッドを保持していることを示しました。
「内部構造の活動は常に正確だと思います」とモーザーは言いました。 「それは、環境へのマッピングに関するもので、それほど正確ではありません。」
同様に、スタンフォード大学の神経科学者であるリサ・ジョコモは、グリッド細胞の活動における長距離構造の崩壊は、細胞が視覚的な合図や動物の目の位置など、空間位置以外の変数をコード化している可能性があることを示唆していると考えています。それは環境を調査します。 「その潜在変数が何であるかを知っていれば、より多くの構造が見えるかもしれません」と彼女は言いました.
実際、この結果は、グリッド セルが追加の非空間変数をエンコードしている可能性があるだけでなく、非空間プロセス、特に記憶においてより大きな役割を果たしている可能性も示唆しています。通常、記憶は海馬の範囲であり、さまざまな脳領域からの情報の流れをまとめて、過去の経験や一般的な知識の表現を構築します。これらの情報の流れの 1 つは、おそらく記憶の空間的要素を提供するもので、嗅内皮質とそのグリッド セルから来ています。 「分業があります」と、オランダのドンダース脳・認知・行動研究所の神経科学者、フェデリコ・ステラは言いました。
しかし、「もしこれらの格子セルが完璧でなければ…水を濁らせていることになります」と彼は付け加えた。そのため、ステラはウラノフスキーとジェフリーの発見について別の解釈を支持しています。つまり、記憶の形成、処理、および統合において、グリッド セルは通常考えられているよりも重要な役割を果たしている可能性があるということです。 「内側嗅内皮質は、それ自体の記憶システムと考えることができます」と彼は言いました。
これにより、脳の他の領域も並行して記憶を処理している可能性が開かれます。このような情報の流れは複雑であり、グリッド細胞ほど注目されていない他のタイプのニューロンが関与している可能性があります。また、海馬での再生や再活性化を含む他の記憶プロセスも、嗅内皮質とグリッド細胞の文脈で理解する必要があるかもしれないことを意味します.
グリッドセルの周期的な六角形について考えることから離れることで、より多くの重要な洞察につながる可能性があります。しかし、「完全な規則性を求めることへの執着が、確かにいくつかのことを見逃していた可能性があることは事実です」とFiete氏は言いました。これにより、研究者はモデルを制約し、潜在的なメカニズムと機能の探索を導くことができました。
そして、「それは、2D が非常に特殊であることを示唆しているように思えますよね?」フィーテが追加されました。 「それはある意味特権です。」これは、動物が 3 次元空間を移動する場合でも、ほとんどが 2 次元平面に近いものに固執していることが原因である可能性があります。コウモリや魚でさえ、移動する高さや深さを好みます。 2D の調査結果は、グリッド システムの起源を垣間見ることもできます。つまり、どの部分が最初に進化したか、その後、同じシステムがどのように変更されて他の表現を形成するために採用されたかについてです。
「これらの細胞が非常に完璧になる可能性があることを最初に知ることが非常に重要でした」とステラは言いました.ここで重要なのは、「このレベルの対称性がなくても、これらの細胞は一体何ができるのか?」ということです。
3D での新しい作品は、「確かに概念的に生活を楽にするものではありませんでした」と Fiete は言いましたが、彼女にとってはそこが楽しみなのです。 「脳は私たちにとって非常に多くの驚きを持っています。これは、あなたがある程度理解しているこのシステムです。それは整然としたものであり、脳は変化球を投げるだけです。」
編集者注: Ila Fiete , ローレン・フランク と リサ・ジョコモ シモンズ財団から資金提供を受けており、この財団も資金を提供しています 編集が独立した科学雑誌としての Quanta。資金提供の決定は、編集報道には影響しません。
