映画を観るマウスは脳科学者にとって謎だ。これらのニューロンは一体何をしているのだろうか？

神経科学者たちは長年にわたり、マウスに様々な画像（フィルム・ノワールの名作『悪魔の触手』を含む）を見せたときの脳活動を観察することで、視覚システムの仕組みに関する深い洞察を得ようとしてきました。そして今、彼らはオーソン・ウェルズ監督自身にも匹敵する、どんでん返しに遭遇しました。

シアトルのアレン脳科学研究所とワシントン大学の研究者らが本日、ネイチャー・ニューロサイエンス誌に報告した最新の研究結果によると、視覚皮質のニューロンの90％以上が科学者の考えていた通りには機能していないことが示唆されている。

「これらのニューロンが視覚情報を処理するには単純な原理があり、その原理はすべて教科書に載っていると考えていました」と、脳研究所の主任科学者兼所長であるクリストフ・コッホ氏はニュースリリースで述べた。「しかし、今では数万個の細胞を一度に観察できるようになり、より繊細で、はるかに複雑な全体像が見えてきました。」

別にそれが悪いというわけではない。

「私にとって、それがビジネスです。ある意味、それが一番エキサイティングなことです」と、アレン研究所の准研究員であり、この研究の筆頭著者の一人であるマイケル・ブイス氏はGeekWireに語った。「私たちは、考えていた以上に興味深い状況にいます。」

神経科学者たちは半世紀以上にわたり、異なるニューロン群が特定のパターン（例えば、明暗の交互のバーや、左から右へ移動する物体など）に反応し、脳がそれらの入力をすべてつなぎ合わせて世界の心象を作り出すと仮定してきました。ハーバード大学の2人の研究者は、ネコを用いた研究に基づいてこのプロセスを解明したことで、1981年にノーベル賞を受賞しました。

ここ数年、アレン研究所のマウス実験では、このプロセスも記録されてきました。研究者たちはマウスの前にスクリーンを設置し、抽象的な模様や自然風景の写真、そして映画を見せました。ウェルズ監督の1958年の映画『悪魔の住む場所』の最初の3分間は、マウスを混乱させるようなカットがなく、ひとつのシーンが途切れることなく続いているため、研究チームのお気に入りの一つでした。

2016年以降、同研究所はマウス視覚皮質の活動に関するデータベースを、1万8000個のニューロンから6万個近くまで増強しました。その結果、同研究所の研究者たちは、マウスが視覚情報を処理している間、視覚皮質の細胞がどのような活動をしているのかをより包括的に理解できるようになりました。

その結果、圧倒的多数の細胞が、猫やサルに見られるような教科書的なモデルとあまり一致しないことがわかった。「『非常によく』機能する細胞の数は…測定方法にもよりますが、データセットの2～10%、つまり2%に近い値です」とBuice氏は述べた。

ニューロンの約60%は特定の刺激と関連付けられる信頼性の高い反応を示したが、その反応は教科書的なモデルが予測するよりも特化していた。残りの約30%はある程度の活動を示したものの、実験ではどの刺激に対しても信頼性の高い反応を示さなかった。

この研究のもう一人の筆頭著者であるアレン研究所のサスキア・デ・フリース氏は、これほど多くのニューロンが不可解な方法で働いているという事実は、これまでの脳細胞研究が間違っていたことを意味するわけではないと述べた。「ただ、それらの細胞は皮質の全ニューロンのごく一部であることが判明しただけです」と彼女は述べた。

マウスのデータが猫やサルのデータと一致しない理由を解明し、教科書のモデルを大幅に改訂する必要があるかどうかを判断するには、さらなる実験が必要になるだろう。

ブイス氏は、この違いの理由の一部は、異なる種の目の構造に関係しているのではないかと推測している。サル、ヒト、その他の霊長類の目には、細かい焦点を合わせる視力を担う中心窩と呼ばれる網膜中心部がある。ネコの網膜にも、同様の機能を果たすと思われる視覚条線がある。しかし、マウスの網膜はそこまで特化されておらず、つまりマウスの視力は基本的に20/2000であり、ヒトの標準的な20/20よりもはるかに悪い。

マウスの脳は処理能力にも限界があり、視覚系が著しく異なる方法で機能する必要がある可能性があります。「進化の過程で、マウスの視覚系は人間の視覚系とは全く異なる働きをするようにプログラムされていると言えるでしょう」とブイス氏は言います。

ブイス氏は、こうした違いが、完全に謎に包まれている30%のニューロンに何が起こっているのかを説明できるかもしれないと述べた。おそらく、これらのニューロンは、反応するようにプログラムされている種類の画像によって活性化されていないのかもしれない。「この問題を解決するために私たちが試みているのは、できるだけ多くの特徴を示す一連の実験を行うことです」と彼は述べた。

この研究結果は、血肉でできていない脳にも影響を与える可能性があります。生物学的視覚システムの基礎、そしてそれがマウスとヒトでどのように異なるのかを解明することは、科学者がより優れた機械ベースの視覚システムを構築する上でも役立つ可能性があります。「普遍的な神経計算という意味で共通するものと、タスク固有のものとを区別することができます」とBuice氏は説明しました。

未来のAIエージェントは世界をネズミのように、人間のように、あるいは全く異質なもののように見るのだろうか？もしオーソン・ウェルズがその映画を監督していたら…。

サスキア・デ・フリース、ジェローム・ルコック、マイケル・ブイスは、Nature Neuroscience誌に掲載された論文「大規模標準化生理学的調査によりマウス視覚皮質の機能的構成が明らかに」の筆頭著者です。クリストフ・コッホとR・クレイ・リードが筆頭著者です。その他67名の研究者が共著者として名を連ねています。本論文のプレプリント版はBioRxivで無料で入手できます。