何もしていない時の脳の働き

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

ジムでウェイトトレーニングをしたり、難しい試験を受けたりなど、何かを能動的に行っているときはいつでも、その作業に必要な脳の部分が「活性化」し、ニューロンの電気活動が活発になります。しかし、ソファでぼんやりしているときでさえ、脳は活動しているのでしょうか？

研究者たちは、その答えは「イエス」だと結論づけました。過去20年間にわたり、彼らはデフォルトモードネットワークと呼ばれるものを定義してきました。これは、何もしていないときに活性化する、一見無関係に見える脳領域の集合体です。この発見は、明確に定義されたタスク以外の脳機能に関する知見をもたらし、脳領域だけでなく脳ネットワークが私たちの内的経験を管理する上で果たす役割に関する研究を促しました。

20世紀後半、神経科学者たちは、スキャン装置で課題に取り組む人々の脳を撮影する新しい技術を用い始めました。予想通り、課題中に特定の脳領域の活動が増加しましたが、研究者を驚かせたのは、他の脳領域の活動が同時に低下したことです。神経科学者たちは、様々な課題において、まさに同じ脳領域の活動が一貫して低下していることに興味をそそられました。

あたかも、これらの領域は、その人が何もしていないときには活動していて、心が外部の何かに集中しなければならないときにはオフになっていたかのようでした。

研究者たちはこれらの領域を「タスクネガティブ」と名付けました。これらの領域が初めて特定されたとき、セントルイスのワシントン大学医学部の神経科医、マーカス・ライクルは、これらのタスクネガティブ領域が安静時の精神活動において重要な役割を果たしているのではないかと考えました。「このことから、『ベースラインの脳活動とは何か？』という疑問が浮かび上がりました」とライクルは振り返ります。ある実験で、彼は脳スキャナーに入った被験者に目を閉じ、ただぼんやりと思考を巡らせるように指示し、その間に脳活動を測定しました。

彼は、休息中に精神を内向きにすると、タスク否定的な領域が脳の他の部分よりも多くのエネルギーを消費することを発見しました。2001年の論文で、彼はこの活動を「脳機能のデフォルトモード」と名付けました。2年後、より高解像度のデータを得たスタンフォード大学医学部のチームは、このタスク否定的な活動が相互作用する脳領域の一貫したネットワークを規定することを発見し、これをデフォルトモードネットワークと名付けました。

デフォルトモードネットワークの発見は、外向きのタスクがない状態で脳が何をしているのかという神経科学者の好奇心を掻き立てました。一部の研究者は、このネットワークの主な機能は、心の散漫や空想といった経験を生み出すことだと考えていましたが、他にも多くの仮説がありました。意識の流れを制御したり、過去の経験の記憶を活性化させたりするのかもしれません。そして、デフォルトモードネットワークの機能不全は、うつ病、統合失調症、アルツハイマー病など、ほぼすべての精神疾患や神経疾患の潜在的な特徴として挙げられました。

それ以来、デフォルトモードに関する研究が急増し、当初の理解は複雑化しました。「過去20年間で、デフォルトモードネットワークに作用する様々なタスクやパラダイムの種類を観察するのは非常に興味深いことです」と、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の神経科学者、ルシナ・ウディン氏は述べています。

デフォルトモードは、科学的に特徴づけられた最初の脳ネットワークの一つです。これは少数の脳領域で構成されており、背側内側前頭前皮質と腹側内側前頭前皮質など脳の前部に位置する領域や、後部帯状皮質、楔前部、角回など脳全体に散在する領域が含まれます。これらの領域は、記憶、経験の再生、予測、行動の検討、報酬と罰、そして情報の統合と関連しています。（下図の色付き部分は、デフォルトネットワークが活性化すると活動が活発になる脳の外側の領域を示しています。）

この発見以来、神経科学者たちは、一見異なる脳領域を活性化する、いくつかの異なるネットワークを大まかに特定してきました。これらの活性化された領域は独立して機能するのではなく、互いに同期して調和しています。「交響楽団をバイオリンやオーボエだけで構成することはできません」とライクル氏は言います。同様に、脳ネットワークにおいても、個々のパートが相互作用し、それらが一体となって初めて生み出される効果を生み出します。

研究によると、デフォルトモードネットワークの効果には、マインドワンダリング、過去の経験の想起、他者の精神状態に関する思考、未来の構想、言語処理などが含まれます。これらは認知における無関係な側面の寄せ集めのように思えるかもしれませんが、スタンフォード大学認知・システム神経科学研究所の所長であるヴィノッド・メノン氏は最近、これらの機能すべてが内なる物語の構築に役立つ可能性があると理論化しました。彼の見解では、デフォルトモードネットワークは、他者との関係において自分が何者であるかを考え、過去の経験を思い出し、そしてそれらすべてを首尾一貫した自己物語にまとめ上げるのに役立つとのことです。

デフォルトモードは明らかに複雑な何かに関わっている。簡潔に説明できない多くの異なるプロセスに関わっているのだ。「『この脳の領域やネットワークは一つのことしかできない』と決めつけるのは、ちょっと馬鹿げている」とウディン氏は言う。「そういう仕組みではないと思う」

ウディン氏がデフォルトモードネットワークの研究を始めたのは、自己認識に興味があったからです。自分の顔や声を識別するといった多くの自己認識タスクは、このネットワークと関連しているように見えました。近年、彼女は脳ネットワーク間の相互作用に注目しています。異なる脳領域が相互作用してネットワークを形成するように、異なるネットワークも互いに意味のある形で相互作用しているとウディン氏は言います。「ネットワークの相互作用は、単独のネットワークを研究するよりも、ある意味でより理解しやすいものです。なぜなら、ネットワークは連携して機能し、その後分離し、時間の経過とともにその働きを変えるからです。」

彼女は特に、デフォルトモードネットワークがサリエンシーネットワークとどのように相互作用するかに興味を持っています。サリエンシーネットワークは、私たちが特定の時点で最も関連性の高い情報を識別するのに役立つと考えられています。彼女の研究は、サリエンシーネットワークが何か重要なことに注意を払う必要があることを検知し、デフォルトモードネットワークのオフスイッチとして機能することを示唆しています。

研究者たちは、うつ病などの精神疾患がデフォルトモードネットワークの問題と関連している可能性についても調査しています。しかし、これまでのところ、結論は出ていません。例えば、うつ病患者の場合、ネットワークのノードが過剰に接続されていると報告する研究者もいれば、逆にノードが接続されていないと報告する研究者もいます。また、デフォルトモードネットワーク自体は異常ではないものの、他のネットワークとの相互作用に異常があるとする研究もあります。これらの知見は一見矛盾しているように見えるかもしれませんが、うつ病は類似した症状を呈する複数の疾患の集合体である可能性があるという最近の知見と一致しています。

一方、メノン氏は「トリプルネットワーク理論」と呼ぶ理論を展開した。この理論は、デフォルトモードネットワーク、サリエンスネットワーク、そして前頭頭頂ネットワークと呼ばれる3つ目のネットワーク間の異常な相互作用が、統合失調症、うつ病、不安症、認知症、自閉症などの精神疾患に寄与する可能性があると提唱している。通常、人が外部刺激に注意を払っているとき、デフォルトモードネットワークの活動は低下し、他の2つのネットワークの活動は増加する。メノン氏は、このネットワーク間の押し引きは、精神疾患や発達障害のある人では同じようには機能しない可能性があると考えている。

セントルイスのワシントン大学で精神疾患の神経生物学を研究するディアナ・バーチ氏は、トリプルネットワーク理論に興味を抱いている。精神疾患を持つ人々のネットワークがどのように異なっているかを調べることは、研究者が根本的なメカニズムを解明し、治療法を開発するのに役立つ可能性があると彼女は述べた。しかし、ネットワークの相互作用だけでは精神疾患を完全に説明できるとは考えていない。「接続性の違いを理解することは出発点であり、最終目的地ではないと考えています」とバーチ氏は述べた。

デフォルトモードネットワークに関する現在の理解は、決して終着点ではありません。その発見以来、神経科学者たちは、個々の脳領域の働きを超えて、脳ネットワーク間の相互作用の影響について考えるようになりました。そして、多くの人々が心の内向きの活動、つまり空想にふけっている時や休息している時でさえ、脳はそれを実現するために懸命に働いているということを理解するよう促しました。

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。