私たちの携帯電話やコンピューターの電源が切れると、光る画面が暗くなり、デジタルの死のように死んでしまいます。しかし、それらを低電力モードに切り替えてエネルギーを節約し、バッテリーが再充電されるまで基本的なプロセスを維持するために消耗する操作をカットします。
エネルギーを大量に消費する私たちの脳も、常に光を放っておく必要があります。脳細胞は、主に糖グルコースの安定した供給に依存しており、これをアデノシン三リン酸 (ATP) に変換して情報処理を促進します。少しお腹が空いているときは、通常、脳のエネルギー消費量はあまり変化しません。しかし、人間や他の動物は、歴史的に長期間の飢餓の脅威に直面しており、時には季節的に、脳が緊急時に備えて独自の低電力モードを持っているのではないかと科学者たちは疑問に思っています.
さて、Neuron に掲載された論文で 1 月には、エジンバラ大学のナタリー ロシュフォール研究室の神経科学者が、マウスの視覚系におけるエネルギー節約戦略を明らかにしました。彼らは、マウスが一度に何週間も十分な食物を奪われた場合 (典型的な健康体重の 15% から 20% を失うのに十分な長さ)、視覚野のニューロンがシナプスで使用される ATP の量をかなり減少させたことを発見しました。 29%.
しかし、処理の新しいモードは知覚に代償を伴うものでした。それは、マウスが世界の詳細をどのように見るかを損なうものでした.低出力モードのニューロンは視覚信号をあまり正確に処理しなかったため、食物を制限されたマウスは困難な視覚課題のパフォーマンスが低下しました。
「この低電力モードで得られるのは、より低解像度の世界の画像です」と、新しい研究の最初の著者である Zahid Padamsey は述べています。
新しい研究は、エネルギー欠乏によって同様に変化する可能性のある視覚とは無関係の感覚および認知プロセスを研究している神経科学者を含む、神経科学者から幅広い関心と賞賛を受けています.栄養失調や何らかの形のダイエットが人々の世界観にどのように影響するかを理解する上で、重要な意味を持つ可能性があります。また、神経科学研究で動物を動機付けるために食物制限が広範に使用されていることや、知覚と行動に関する研究者の理解が、次善の低出力状態にあるニューロンの研究によって歪められている可能性についても疑問を投げかけています.
食べ物が少なく、精度が低い
お腹が空いていると仕事に集中できない、または食べ物のことしか考えられないと感じたことがあるなら、神経の証拠があなたを後押しします。数年前の研究で、短期間の空腹が神経処理を変化させ、食物をより速く見つけるのに役立つような方法で私たちの注意を偏らせる可能性があることが確認されました.
2016 年、ミシガン大学の神経科学者である Christian Burgess と彼の同僚は、マウスが食べ物に関連する画像を見たとき、空腹の場合に視覚野の領域がより多くのニューロン活動を示すことを発見しました。彼らが食べた後、その活動は減少しました。同様に、人間を対象とした画像研究では、食べ物の写真は、被験者が空腹のときに、食べた後よりも脳の一部の領域でより強い反応を引き起こすことがわかっています.
空腹であろうとなかろうと、「網膜に当たる光子は同じです」とバージェスは言いました。 「しかし、脳内の表現は非常に異なります。なぜなら、あなたの体があなたが必要としていることを知っているこの目標があり、それを満たすのに役立つ方法で注意を向けているからです。」
しかし、空腹が数時間以上続くとどうなるでしょうか?研究者は、脳が最もエネルギー集約的なプロセスを削減することでエネルギーを節約する方法を持っている可能性があることに気付きました.
これが事実であるという最初の確固たる証拠は、2013 年にハエの小さな脳からもたらされました。エネルギー的にコストのかかるタイプの長期記憶は停止します。経路を強制的に活性化して記憶を形成させると、飢えたハエははるかに早く死にました。これは、そのプロセスをオフにすることでエネルギーが節約され、命が保たれたことを示唆しています。
しかし、哺乳類のはるかに大きく、認知的に進歩した脳が同様のことをしたかどうかは不明でした.また、ハエのように動物が飢える前に節電モードが開始されるかどうかも不明でした。そうではないかもしれないと考える理由がありました:神経処理に使用されるエネルギーがあまりにも早く削減された場合、動物の食物を見つけて認識する能力が損なわれる可能性があります.
この新しい論文は、食物が不足しているが存在しない状態がしばらく続くと、エネルギーを節約するために脳がどのように適応するかについての最初の調査を提供します.
3 週間にわたって、研究者はマウスのグループが体重の 15% を失うまで、利用可能な食物の量を制限しました。マウスは空腹ではありませんでした。実際、研究者は実験の直前にマウスに餌を与え、バージェスや他の研究グループによって見られた短期間の飢餓に依存する神経の変化を防ぎました.しかし、マウスも必要なエネルギーを十分に得ていませんでした。
その後、研究者はマウスのニューロン間の会話を盗聴し始めました。彼らは、マウスがさまざまな角度に向けられた黒いバーの画像を見たときに、視覚野の少数のニューロンによって送信される電圧スパイク (ニューロンが通信に使用する電気信号) の数を測定しました。一次視覚野のニューロンは、優先方向の線に反応します。たとえば、1 つのニューロンの優先方向が 90 度である場合、視覚刺激に 90 度またはそれに近い角度の要素が含まれていると、より頻繁にスパイクが送信されますが、角度が大きくなったり小さくなったりすると、速度が大幅に低下します。
ニューロンは、内部電圧が臨界しきい値に達した場合にのみスパイクを送信できます。これは、正に荷電したナトリウム イオンを細胞内に送り込むことによって達成されます。しかし、スパイクの後、ニューロンはすべてのナトリウム イオンを送り出す必要があります。これは、神経科学者が 2001 年に脳内で最もエネルギーを必要とするプロセスの 1 つであることを発見したものです。
著者らは、エネルギー節約のトリックの証拠を得るために、この費用のかかるプロセスを研究しました。食物を奪われたマウスのニューロンは、膜を通過する電流を減少させ、ナトリウムイオンの流入量を減少させたので、スパイク後にナトリウムイオンを送り出すために多くのエネルギーを費やす必要がありませんでした.ナトリウムを少なくするとスパイクが少なくなると予想されるかもしれませんが、どういうわけか、食物を奪われたマウスは、十分に栄養を与えられたマウスと同様の割合で視覚皮質ニューロンのスパイクを維持しました.そこで研究者は、スパイク率を維持する代償プロセスを探しに行きました。
彼らは、ニューロンがスパイクを生成しやすくする 2 つの変化を発見しました。最初に、ニューロンは入力抵抗を増加させ、シナプスでの電流を減少させました。また、静止膜電位も上昇したため、スパイクを送るのに必要な閾値にすでに近づいていました。
シアトルにあるアレン脳科学研究所の計算神経科学者であるアントン・アルヒーポフは、「脳は発火率を維持するために多大な努力を払っているようです。 「そして、それは、これらの発火率を維持することがいかに重要であるかについて、基本的なことを教えてくれます。」結局のところ、脳はスパイクの数を減らすことで簡単にエネルギーを節約できたのかもしれません.
しかし、スパイク レートを同じに保つことは、何か他のものを犠牲にすることを意味します。マウスの視覚皮質ニューロンは、発火させる線の方向を選択することができなかったため、応答の精度が低下しました。
低解像度ビュー
視覚がニューロンの精度の低下によって影響を受けるかどうかを確認するために、研究者はマウスを 2 つの通路のある水中チャンバーに入れました。それぞれの通路は、白い背景に角度の付いた黒いバーの異なる画像でマークされています。廊下の 1 つには、ネズミが水から出るために使用できる隠しプラットフォームがありました。マウスは、隠されたプラットフォームを特定の角度のバーの画像と関連付けることを学習しましたが、研究者は、写真の角度をより類似させることで、正しい廊下を選択するのを難しくすることができました.
食物を奪われたマウスは、正しい画像と間違った画像の差が大きい場合、プラットフォームを簡単に見つけました。しかし、写真の角度の差が 10 度未満になると、突然、餌を与えられなかったマウスは、十分に栄養を与えられたマウスほど正確にそれらを区別できなくなりました。エネルギーを節約した結果、世界観の解像度がわずかに低くなりました。
この結果は、脳が生存に最も重要な機能を優先することを示唆しています。バーの向きの 10 度の違いを確認できることは、近くの果物を見つけたり、近づいてくる捕食者を見つけたりするのに、おそらく不可欠ではありません。
動物が実際の飢餓に入るずっと前に、これらの知覚障害が発生したという事実は予想外でした。デューク大学で視覚を研究している神経科学者のリンジー・グリックフェルド氏は、これは「私にとってまったく驚くべきことでした」と述べています。 「どういうわけか、[視覚] システムは、知覚タスクを実行する動物の能力を比較的わずかに変更するだけで、エネルギーの使用を大幅に削減する方法を見つけ出しました。」
今のところ、この研究は、哺乳類が視覚皮質ニューロンの省電力メカニズムのスイッチを入れることができることを確実に示しているだけです. 「私たちが示したことが、たとえば嗅覚には当てはまらない可能性はまだあります」と Rochefort 氏は述べています。しかし、彼女と彼女の同僚は、他の皮質領域でもさまざまな程度で発生する可能性が高いと考えています.
他の研究者もそう考えています。ペンシルバニア大学で聴覚処理を研究している神経科学者のマリア・ゲフィンは、「全体として、ニューロンは皮質領域全体で非常に同じように機能します。彼女は、知覚に対するエネルギー節約の影響がすべての感覚にわたって同じであり、その瞬間に有機体にとって最も役立つ活動をダイヤルアップし、他のすべてをダイヤルダウンすることを期待しています.
「ほとんどの場合、私たちは感覚を限界まで使っていません」と Geffen 氏は言います。 「行動上の要求に応じて、脳は常に調整しています。」
幸いなことに、表示されるぼやけは永続的ではありません。研究者がマウスに、体がエネルギーバランスと空腹レベルを調節するために使用するホルモンであるレプチンを投与すると、低電力モードのオンとオフを切り替えるスイッチが見つかりました。ニューロンは、好みの向きに高精度で応答するように戻り、そのように、知覚障害はなくなりました — マウスが一口の食物を摂取することはありませんでした.
「レプチンを供給すると、脳をだまして皮質機能を回復させることができます」と Rochefort 氏は述べています。
レプチンは脂肪細胞から放出されるため、科学者たちは、血液中にレプチンが存在することで、動物が十分な食物があり、エネルギーを節約する必要がない環境にいることを脳に知らせる可能性が高いと考えています.新しい研究は、低レベルのレプチンが脳に体の栄養失調状態を警告し、脳を低電力モードに切り替えることを示唆しています.
「これらの結果は非常に満足のいくものです」と、ロンドンのフランシス・クリック研究所の神経科学者であるジュリア・ハリスは言いました。 「既存の理解と非常に一致するような美しい発見を得ることは、それほど一般的ではありません」
神経科学を歪めている?
新しい発見の重要な意味は、脳とニューロンがどのように機能するかについて私たちが知っていることの多くは、研究者が無意識のうちに低電力モードにした脳から学んだ可能性があるということです.マウスやその他の実験動物が神経科学研究の数週間前および研究中に利用できる食物の量を制限して、食物報酬と引き換えにタスクを実行するように動機づけることは非常に一般的です. (そうしないと、動物はただじっとしていることがよくあります。)
「非常に大きな影響の1つは、食物制限が脳機能に影響を与えることを明確に示していることです.荷電イオンの流れで観察された変化は、シナプスで起こる特定の変化に依存しているため、学習と記憶のプロセスにとって特に重要である可能性があると彼女は示唆した.
「動物の知覚の感度やニューロンの感度について質問したい場合は、実験をどのように設計し、実験をどのように解釈するかについて、非常に慎重に考える必要があります」と Glickfeld 氏は述べています。
この結果はまた、他の生理学的状態やホルモン信号が脳にどのように影響するか、また血流中のホルモンのレベルが異なると、個人の世界の見方がわずかに異なる可能性があるかどうかについて、まったく新しい疑問を投げかけます.
コペンハーゲン大学の神経科学者 Rune Nguyen Rasmussen は、人によってレプチンと全体的な代謝プロファイルが異なることに注目しました。 「それでは、私たちの視覚でさえ、認識していないかもしれませんが、実際には人間によって異なるということですか?」彼は言った.
Rasmussen は、この質問は挑発的であり、答えへの確実なヒントがほとんどないと警告しています。マウスの意識的な視覚的知覚は、それらの知覚のニューロン表現と動物の行動に変化があったため、食物剥奪によって影響を受けたようです.しかし、「これには、動物が定性的な視覚体験を私たちに説明できることが必要であり、明らかにこれを行うことができないため、確実に知ることはできません」と彼は言いました.
しかし、これまでのところ、マウスの視覚皮質ニューロンによって実行される低電力モードとその知覚への影響が、人間と他の哺乳類で同じではないと考える理由もありません.
「これらは、ニューロンにとって本当に基本的なメカニズムだと思います」と Glickfeld 氏は述べています。
編集者注:Nathalie Rochefort は、 編集が独立したこの雑誌 . Maria Geffen は、 の諮問委員会のメンバーです。 Quanta。
