仮想現実の通路に埋め込まれたトレッドミルの上をマウスが走っています。マウスは頭の中で、前方に特徴的な光のパターンがあるトンネルを猛スピードで駆け下りる自分の姿を思い描いています。訓練によって、マウスは光のパターンで止まり、1.5秒間その姿勢を保つと、報酬として少量の水がもらえることを学習しました。そして、別の光のパターンに向かって走り、また報酬を受け取ることができます。
この仕組みは、マサチューセッツ工科大学の神経科学者、エリー・アダム、テイラー・ジョンズ、ムリガンカ・サーが7月にCell Reports誌に発表した研究の基盤となっている。この研究は、マウス、ヒト、その他の哺乳類の脳が、どのようにして私たちを瞬時に停止させるほど迅速に機能するのか、というシンプルな疑問を探求している。今回の研究では、脳は「停止」という明確な命令を最も直接的かつ直感的な方法で伝えるようにはできていないことが明らかになった。その代わりに、脳は微積分の原理に基づいた、より複雑なシグナル伝達システムを用いている。この仕組みは過度に複雑に聞こえるかもしれないが、脳からの命令よりも高い精度が求められる行動を制御するための、驚くほど巧妙な方法なのだ。
歩行や走行という単純な動作の制御は、比較的簡単に説明できます。脳の中脳運動野（MLR）から脊髄のニューロンに信号が送られ、脊髄のニューロンは脚の筋肉を制御する運動ニューロンに抑制性または興奮性のインパルスを送ります。「止まれ。進め。止まれ。進め。」それぞれの信号は、ニューロン群の発火によって生成される電気活動のスパイクです。
しかし、テニス選手がコートの特定の場所まで走りたい時や、喉の渇いたネズミが遠くにあるおいしい獲物に目を向ける時のように、目標が加わると話はより複雑になります。生物学者は長年にわたり、目標は脳の大脳皮質で形成されることを理解してきました。脳はどのようにして目標（そこで走るのをやめれば報酬がもらえる）を、MLRにブレーキをかけるよう指示する正確なタイミングの信号に変換するのでしょうか？
「人間や哺乳類は、感覚運動制御に関して並外れた能力を持っています」と、ジョンズ・ホプキンス大学の神経科学者、スリデヴィ・サルマ氏は述べた。「何十年もの間、私たちの脳の何が私たちをこれほど機敏で素早い、そして強靭なものにしているのかを研究してきました。」
ワイルド・スピード
その答えを解明するため、研究者たちはマウスの脳内の神経活動をモニタリングし、最高速度から完全に停止するまでの時間を計測した。彼らは、MLRに抑制信号が急増し、電気スイッチが電球を消すように、脚がほぼ瞬時に停止するのを観察できると予想した。
神経科学者のムリガンカ・スール氏とその同僚は、マウスの脳内で、2つの神経信号のスパイク間の間隔に、正確な物理的命令が符号化されていることを発見した。「スパイクの高さには情報がありません」と彼は述べた。
写真：ウェッブ・チャペルしかし、データの矛盾により、その理論はすぐに覆されました。マウスが減速する間、MLRに「停止」信号が流れ込むのが観察されましたが、その信号はマウスが停止するまでの速さを説明できるほど急激に増加していませんでした。
「停止信号をMLRに入力するだけでは、動物は停止しますが、数学的に考えると停止速度が十分ではないことがわかります」とアダム氏は語った。
「皮質はスイッチのような役割を果たしません」とサー氏は言う。「皮質は高速信号で0から1に切り替える役割を担っていると考えていました。しかし、実際にはそうではありません。そこが謎なのです。」
そのため研究者たちは、追加のシグナル伝達システムが働いているはずだと認識した。
それを見つけるために、研究者たちはマウスの脳の解剖学を再び調べました。目標の起源となる大脳皮質と運動を制御するMLRの間には、視床下核（STN）という別の領域が存在します。STNは2つの経路でMLRに接続しており、1つは興奮性シグナル、もう1つは抑制性シグナルを送ることが既に知られていました。研究者たちは、MLRがどちらか一方のシグナルの強さに依存するのではなく、2つのシグナルの相互作用に反応していることに気付きました。
走っているマウスが停止の準備をする時、MLRはSTNから抑制性信号を受け取ります。そのほぼ直後に、興奮性信号も受け取ります。それぞれの信号はゆっくりと発生しますが、それらの切り替えは高速です。MLRはこの点に注目し、2つの信号の差を認識します。差が大きいほど、抑制性信号の変化は速くなり、MLRはより迅速に脚に停止を指示します。
「スパイクの高さには情報がありません」とサー氏は言う。「すべてはスパイクとスパイクの間の間隔にあります。スパイクは鋭いので、その間隔に情報があるのです。」
MITの研究者たちは、運動を制御する脳領域に送られる抑制性の「停止」信号だけでは、実験中のマウスが走るのをどれだけ速く止めたかを説明できないことに気づいた。「数学的に言えば、停止は十分な速さではないでしょう」と、チームメンバーのエリー・アダム氏は述べた。エリー・アダム提供
急カーブが迫る
研究者たちは、この停止メカニズムを、曲線の下の面積を測定する積分と、曲線上の点における傾きを計算する微分という、微積分の 2 つの基本機能の観点から考察した。
MLRが受信した停止信号の量のみで停止が決まるのであれば、それは積分の一種と考えることができます。つまり、重要なのは信号の量です。しかし、実際にはそうではありません。なぜなら、積分だけでは迅速な制御には不十分だからです。MLRは、タイミングの良い2つの信号の差を積分します。これは、微分を計算する方法と似ています。つまり、2つの極小値の差から、ある点における曲線の傾きを計算します。微分による高速なダイナミクスが積分の低速なダイナミクスを打ち消し、高速停止を可能にします。
「興奮性信号と抑制性信号があり、この2つが瞬時に比較されます」とサー氏は述べた。「その値が一定値に達すると、スイッチが入り、動物の動きが止まります。」
この微分ベースの制御システムは間接的に聞こえるかもしれませんが、戦略的には理にかなっています。仮想現実をマウスで操作したり、コートを駆け抜けるテニス選手が停止点に近づいたりするとき、自分がどれだけの速度で動いているかを知ることは有益でしょう。しかし、次に何をすべきかを計画するには、自分がどれだけの速さで加速または減速しているか、つまり動きの微分関数を知ることの方がより有用です。
「予測と予想が可能になります。微分、つまり速度の変化率がわかれば、次のステップで自分の速度がどうなるかを予測できます」とサルマ氏は語った。「止まらなければならないとわかっていれば、そのための計画を立て、それを実行することができます。」
オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。
