科学者たちは、錯覚を見せる脳細胞にレーザー光を照射する
私たちの脳は、木々に隠れたライオンであれ、錯覚に隠された図形であれ、私たちが目にするものの知覚の空白を埋めるように配線されています。しかし、その配線はどのように機能するのでしょうか？神経科学者たちは、特殊な脳細胞がどのようにして実際には存在しないものを私たちが見るのを助けているのかを解明しようと研究しています。
シアトルのアレン脳科学研究所とカリフォルニア大学バークレー校の研究者らは、ICエンコーダーニューロンとして知られる細胞が果たす役割を追跡し、ネイチャーニューロサイエンス誌に本日発表した研究で明らかにした。
「このプロジェクトの目的は、パターン完成、つまり視覚に曖昧なデータや欠落データが与えられたときにそれを補うという神経基盤を理解することだ」と、バークレー校の神経科学者で本研究の主任著者であるヒレル・アデスニック氏は述べた。
このような研究は、私たちの脳が感覚から得たデータから周囲の世界の全体像をどのように構築するのかを科学者が理解するのに役立つ可能性があります。また、最終的には幻覚がどのように生じるのかを解明したり、より優れたコンピュータービジョンシステムへの道筋を示したりすることも期待されます。
新たに発表された研究の研究者たちは、マウスを用いて実験を行いました。マウスに一連の図を見せました。図の中には、パックマンのような円を使って錯覚的な黒いバーを作ったものもあれば、バーの輪郭が明確に描かれているものもありました。
アレン研究所の OpenScope Brain Observatory チームは、マウスの脳がさまざまな図にどのように反応するかをミリ秒ごとに記録し、そのデータをバークレー チームに送信しました。
「この観測装置は、錯覚が起こっている間に脳全体で何が起こっているかを知る機会を与えてくれました」と、アレン研究所の准研究員であるジェローム・ルコック氏はGeekWireへのメールで述べた。「これにより、バークレーのヒレル・アデスニク研究室で行われた実験では、錯覚を生み出す局所的なメカニズムをより深く掘り下げることができました。」
バークレーの研究者たちは、錯覚を示す図には反応するが、輪郭線で囲まれた図には反応しない少数のニューロン群を特定した。さらに、二光子カルシウムイメージングとホログラフィック・オプトジェネティクスと呼ばれるレーザー技術を用いて、これらのICエンコーダー（錯覚輪郭エンコーダー）と視覚皮質の他の領域との間の活動の流れを追跡した。
最後の一連の実験では、もう一つ工夫が加えられました。研究者たちはマウスに何も描かれていない灰色のスクリーンを見せましたが、その間、ICエンコーダーニューロンを活性化させました。そして、視覚皮質の他のニューロンの活動を観察しました。
「下流ニューロンを観察したところ、その活動パターンは、画面上に何もない時よりも、実際に錯覚的な輪郭がある時の方が似ていました。つまり、私たちはいわば制御された幻覚を作り出していたのです」とアデスニック氏は述べた。「マウスに知覚があると仮定すると、それが実際に知覚の最高レベルに到達したとは言えません。…しかし、神経レベルでは、神経パターンの完成を見ることができたと言えるでしょう。」
研究者らは、データの分析に基づき、IC エンコーダーニューロンが視覚知覚のギャップを埋めるプロセスの管理に役立っていると結論付けました。
「錯覚の表象はまず高次視覚野で生じ、次に一次視覚野にフィードバックされます。そして、その情報がフィードバックされると、一次視覚野のICエンコーダーによって受信されます」と、2023年にバークレーからソウル国立大学に移った本研究の筆頭共著者であるシン・ヘヨン氏はニュースリリースで述べた。
アデスニック氏は、今後の実験によって、新たに発表された研究で提起された多くの疑問の少なくとも一部は解明できるだろうと述べた。「マウスが知覚的にどのような経験をしているのかを本当に知りたいのであれば、マウスに訓練を施す必要があります。そして、マウス、サル、イヌ、ネコなど、あらゆる種で既にこの研究が行われています」と彼は述べた。「ですから、私たちにもそれができるのです」
こうした研究から得られる洞察は、最終的には人間の状態に応用される可能性があります。
「特定の疾患では、脳内に異常な活動パターンが現れます。統合失調症では、これらのパターンはランダムに現れる物体の表象と関連しています」とルコック氏は述べた。「これらの物体がどのように形成され、複数の細胞が協力してそれらの表象を出現させるかを理解しなければ、治療は不可能です。ですから、どの細胞で、どの層でこの活動が起こるのかを理解することが役に立つのです。」
ルコック氏は、アレン研究所の研究における役割は、2018年にオープンスコープ・ブレイン・オブザーバトリーを設立したビジョンと一致していると述べた。
「ここでの天文台の例えは、天文台が空の調査を行い、研究所が地元の関連する星座に焦点を当てて何が起こっているかを解明するというものです」と彼は語った。
「私たちは、将来的にブレイン・オブザーバトリーをどのように考えていますか？ 1つまたは複数の研究室が定義した、特定の重要な行動の脳全体の記録を提供します。そして、それらの研究室はそれらのデータセットを分析し、時には補完的な実験を行うことで、脳内の特定の計算メカニズムを解明します」とルコック氏は述べた。「今後、神経科学の研究がこのような方法でさらに進むことを期待しています。」
前回：OpenScopeチームがブレインストーミングを巻き起こす
Shin、Adesnik、Lecoq に加え、「Recurrent Pattern Completion Drives the Neocorical Representation of Sensory Inference」と題された Nature Neuroscience の研究論文の著者には、Mora Ogando、Lamiae Abdeladim、Uday Jagadisan、Severine Durand、Ben Hardcastle、Hannah Belski、Hannah Cabasco、Henry Loefler、Ahad Bawany、Josh Wilkes、Katrina Nguyen、Lucas Suarez、Tye Johnson、Warren Han、Ben Ouellette、Conor Grasso、Jackie Swapp、Vivian Ha、Ahrial Young、Shiella Caldejon、Ali Williford、Peter Groblewski、Shawn Olsen、Carly Kiselycznyk が含まれています。
Kanizsa Triangle グラフィックのクレジット: Fibonacci、CC BY-SA 3.0、Wikimedia Commons 経由。
