科学者たちは「小さな脳」の秘密を解き明かしている

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

神経科学はここ数十年で驚異的な進歩を遂げてきましたが、脳の重要な部位の一つは依然として謎に包まれています。私が言及しているのは小脳です。ラテン語で「小さな脳」を意味する小脳は、脳の奥深くにパンのように位置しています。これは決して軽視すべきことではありません。小脳には脳全体のニューロンの4分の3が集中しており、他の部位に見られるニューロンの絡み合った密集とは対照的に、ほぼ結晶構造をしています。

百科事典や教科書では、小脳の機能は体の動きを制御することであると強調されています。小脳がこの機能を持つことは疑いの余地がありません。しかし、科学者たちは今、この長年の見解が近視眼的であるのではないかと疑っています。

11月にワシントンD.C.で開催された世界最大の神経科学者会議、米国神経科学会年次総会に出席した際に、そのことを知りました。そこで、二人の神経科学者が、運動制御とは無関係な小脳の新たな機能に関するシンポジウムを開催しました。新たな実験技術によって、小脳は運動制御に加えて、複雑な行動、社会的相互作用、攻撃性、ワーキングメモリ、学習、感情などを制御していることが示されています。

支配的な知恵の亀裂

小脳と運動のつながりは19世紀から知られていました。脳のこの領域に外傷を負った患者は、バランスと運動に明らかな障害を示しており、小脳が運動の調整に不可欠であることは疑いの余地がありません。数十年にわたり、神経科学者たちは小脳特有の神経回路が運動機能を制御する仕組みについて詳細な理解を深めてきました。小脳の働きに関する説明は、一見すると完璧と思われていました。

その後、1998年に神経科医らが、小脳損傷患者にみられる広範囲にわたる情緒障害および認知障害について、学術誌「ブレイン」で報告した。例えば、1991年には、22歳の女子大生がアイススケート中に転倒し、CTスキャンで小脳に腫瘍が見つかった。手術で腫瘍を摘出した後、彼女は別人のようになってしまった。聡明だった彼女は、流暢に書くことも、暗算することも、一般的な物の名前を言うことも、簡単な図を書き写すこともできなくなっていた。彼女の気分は沈み、布団の中に隠れたり、廊下で服を脱いだり、赤ちゃん言葉で話したりするなど、不適切な行動をとったりしていた。知り合いの顔を認識することを含め、社交性も損なわれていた。

この症例や類似の症例は、著者らを困惑させた。これらの高次の認知機能と感情機能は、大脳皮質と大脳辺縁系に存在すると考えられていた。「小脳の役割が正確に何であるか、そして小脳がそれをどのように果たすのかは、まだ解明されていない」と著​​者らは結論付けている。

臨床研究から従来の常識が間違っていることを示す手がかりが得られたにもかかわらず、権威ある専門家たちは依然として、小脳の機能は運動を制御することであり、それ以上のものではないと主張していた。「これらの症例が報告されてから20年も経っているので、少し悲しいですね」と、会議シンポジウムの共同主催者であるカリフォルニア大学デービス校の神経生理学者ディアシノ・フィオラヴァンテ氏は述べた。

他の神経科医は、患者の神経精神医学的欠陥にずっと前から気づいていたと、フィオラヴァンテ氏とシンポジウムを共同主催したアルベルト・アインシュタイン医科大学の神経科学者ステファニー・ルドルフ氏は述べた。しかし、小脳特有の神経回路が、報告されている心理的・感情的機能をどのように制御するのかを示す確固たる解剖学的証拠は存在しなかったため、臨床報告は見過ごされてきた。

現在、小脳の回路に対する理解が深まり、それらのケーススタディが正しく、従来の考え方が間違っていたことが証明されつつあります。

精密配線

小脳の配線パターンは精密に組織化され、脳のニューロンの4分の3を4インチ（約10cm）の葉に集中させています。小脳の主要なニューロンであるプルキンエ細胞は、扇状のサンゴのように広く枝分かれしながらも、平らでほぼ2次元的です。扇の羽根はニューロンの樹状突起で、入力信号を受け取ります。これらの平らなニューロンは、まるで何百万もの扇状のサンゴが密集して積み重なっているかのように、平行に並んでいます。何千もの小さなニューロンが、脳の電気インパルス伝送ケーブルである軸索を、織機の糸のように、樹状突起の積み重ねに垂直に走らせます。それぞれの軸索は、何万ものプルキンエ細胞の樹状突起と結合します。

このレベルの相互接続性により、小脳の500億個のニューロンは驚異的な統合能力を発揮します。この小脳特有の回路は、感覚器官から送られてくる膨大な量のデータを処理して、体の動きを制御します。舞台を跳躍するバレリーナの滑らかな動きには、小脳があらゆる感​​覚器官からの情報を迅速に処理すると同時に、手足の位置の変化を追跡し、バランスを維持し、体が移動する空間を把握することが求められます。小脳は、この動的な情報を用いて、感情やモチベーションに駆り立てられた適切な社会的状況下で、正確なタイミングで筋肉を制御します。

フィオラヴァンテとルドルフは、神経科学者たちは現在、身体動作に関する情報を統合する小脳の強力な神経回路が、複雑な精神プロセスや行動を処理する能力も備えていることに気づきつつある、と私に語った。

「例えば今」と、シンポジウムが始まる前に話していたルドルフは説明した。「あなたは質問をし、私たちは答えます。これは複雑な行動です。」彼女は私の話を理解し、返答を組み立て、そして筋肉を使って言葉を発する必要がありました。また、私のボディランゲージやその他の微妙なシグナルも捉えなければなりませんでした。「例えば、あなたは今うなずいていますね。そこから、あなたは私の話を聞いていて、興味を持っていると判断できます」と彼女は言いました。

これまで、発話に必要な運動制御の複雑さを十分に理解していませんでした。その身体性には、舌と唇の複雑な動き（音を出すだけでなく、音程や音量を調整する）だけでなく、身振りも含まれます。私たちの言葉は、相手の話を遮らないようにタイミングが計られ、社会的な文脈に合わせて調整されます。適切な感情が込められ、動機、思考、期待、そして気分によって動かされるのです。

こうした多様な機能を調整するには、脳の深部領域で行われる心拍数や血圧の調節から、大脳辺縁系で行われる感覚情報や感情情報の処理まで、脳のほぼすべての機能を活用する必要があります。さらに、前頭前皮質における理解、抑制、意思決定といった最高レベルの認知機能にも関与する必要があります。

小脳がこれを行うには、脳全体にわたる接続が必要です。これまでその証拠は不足していましたが、新たな技術によってこれらの経路が明らかになりつつあります。

感覚入力のハブ

ほんの数十年前、神経解剖学者が脳の地図を作成した際、小脳から大脳辺縁系や前頭前皮質といった感情や認知を制御する脳領域への直接的な接続は発見できませんでした。そのため、小脳はこれらの高次認知機能とは独立しており、関与していないと考えられていました。しかし、盗賊が乗り物を変えて追跡者を逃れるように、神経信号はニューロンからニューロンへと飛び移ることができます。この隠れた動きによって、神経解剖学者たちは小脳の追跡から迷い込んでしまったのです。

神経解剖学者たちは、新たな手法によって、小脳から中継点へと続く神経経路を脳全体に辿ることができるようになりました。例えば、研究者たちはニューロンに狂犬病ウイルスを植え付け、どのニューロンと接触するかを正確に観察することができます。また、神経インパルスの発火時に蛍光タンパク質を発光させる遺伝子操作によって、神経回路内の神経伝達経路の流れを観察することも可能です。さらに、ニューロンの伝達経路が残す足跡を追跡することも可能です。ニューロンの発火時に生成されるタンパク質の出現は、特定の行動が行われた際に神経ネットワーク内で通信を行っているすべての細胞を特定するのに役立ちます。

シンポジウムでは、研究者らが、小脳に対する理解の進歩を示す、これらの新しい方法によって明らかになった一連の興味深い新発見を共有しました。

アリゾナ州立大学のジェシカ・ヴェルピュート氏は、マウスが社会性を身につけたり迷路を抜ける方法を学んだりするときに脳全体で活性化される、複雑で広大な小脳接続ネットワークを説明するデータを報告した。

ルドルフ氏は、仔マウスの世話をする雌マウスの母性行動が、小脳に作用するホルモン、特に母性愛を促進するオキシトシンの影響を受けることを示す実験結果を紹介した。このメカニズムを実験的に破壊すると、母マウスは仔マウスの世話をしなくなった。

ミネソタ大学のイーメイ・ヤン氏は、特定の小脳ニューロンを阻害すると、マウスがケージ内に導入された見知らぬマウスとの関わりへの興味を失うことを示しました。しかし、マウスは新しい無生物との交流や記憶には何の問題もありませんでした。これは、自閉症の人々が経験する複雑な社会的認識記憶の欠陥を示唆しています。

実際、自閉症の人では小脳が小さいことが多く、ロッテルダムのエラスムス大学医療センターのアレクサンドラ・バドゥラ氏は、小脳が感覚入力、特に社会的状況に関連する信号の中枢であるため、自閉症に関係していることを示唆する新たなデータを発表しました。

この新たな研究はマウスを用いた研究の域を超えています。ドイツのエッセン大学病院のアンドレアス・ティーメ氏は、小脳損傷によって引き起こされる情緒障害および認知障害を正確に診断するための新たな臨床検査を発表しました。

これらの画期的な新研究は、小脳が運動の制御に加えて、複雑な社会的・感情的行動も制御していることを示しています。このような全体的な影響力を発揮するためには、小脳は脳全体と繋がるデータ処理のハブでなければなりません。小脳にこれほど多くのニューロンが存在するのも不思議ではありません。この高次の指令と制御を単独で行うには、小脳は事実上、小さな脳であるに違いありません。

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。