研究者たちは、脳が音を行動に変換する仕組みを発見し、感覚的意思決定を理解するための鍵を見つけました。彼らの研究によると、感覚および将来の行動に関連する信号が皮質に存在し、これらの領域が機能的に異なるという従来の信念に挑戦しています。
マウスを用いた独自の実験設定により、研究者たちは聴覚に関連する信号と意思決定に関連する信号を区別することができました。この洞察は、聴覚刺激に対する脳の複雑な反応とその行動への影響についての理解を深めます。
主要な事実
- 皮質は感覚情報を処理し、行動を管理しており、感覚領域にも行動に関連する信号が現れます。
- 研究では、音を識別し、決定を下すことをマウスに要求する新しい課題を使用し、感覚および意思決定に関連する脳信号を分離しました。
- 研究者たちは、聴覚皮質の運動関連信号が高次の脳中心によって影響を受け、直接行動を引き起こすのではなく、感覚認知と予想される行動を統合するのに役立つ可能性があることを発見しました。
出典：Champalimaud Centre for the Unknown
電話の鳴る音や犬の鳴き声が聞こえる。それは自分のものか、それとも他人のものか？夜中に足音が聞こえる──それは自分の子供か、それとも侵入者か？友人か敵か？あなたが下す決定は、次に取る行動を決定します。
Champalimaud Foundationの研究者たちは、このような瞬間に脳内で何が起こっているのかを解明し、脳が知覚を行動に変換する仕組みを解明する一歩前進を成し遂げました。
私たちは毎日、音に基づいて何気なく無数の決定を行います。しかし、こうした瞬間に脳内で具体的に何が起こっているのでしょうか？
Renart Labからの新しい研究がCurrent Biology誌に発表され、この謎に迫ります。
彼らの発見は、感覚情報と行動選択が皮質内でどのように絡み合っているかについての理解を深めました。皮質は私たちの意識的な世界観を形成する脳の外層です。
皮質は異なる機能を処理する領域に分かれており、感覚領域は環境からの情報を処理し、運動領域は私たちの行動を管理します。驚くべきことに、将来の行動に関連する信号が運動領域だけでなく、感覚領域にも現れることが分かりました。
では、運動関連の信号が感覚処理に特化した領域で何をしているのでしょうか？これらの信号はいつ、どこで現れるのでしょうか？これらの疑問を探ることは、これらの不可解な信号の起源と役割、そしてそれらがどのように意思決定を促進するか、あるいはしないかを明らかにする手助けとなるでしょう。
異なるアプローチ
研究者たちは、マウスのためにタスクを考案することでこれらの疑問に取り組みました。研究の主著者であるポスドクのラファエル・シュタインフェルドは次のように説明します。「将来の行動に関連する信号が感覚領域で何をしているのかを解明するために、マウスが行わなければならないタスクについて慎重に考えました。」
「これまでの研究では、動物が刺激の識別に応じて動作するかしないかを報告する“Go-NoGo”タスクに頼ることが多かったです。
「しかし、この設定では、特定の動作に関連する信号と、単に動作することに関連する信号が混同されてしまいます。特定の動作に関する信号を分離するために、マウスに2つの行動のどちらかを選択するように訓練しました。音が一定の閾値に対して高いか低いかを判断し、その判断を左か右の飲み口を舐めることで報告させました」。
しかし、これだけでは十分ではありませんでした。
「マウスはこのタスクをすぐに学び、音を聞くとすぐに反応してしまいます」とシュタインフェルドは続けます。
「音に関連する脳活動と反応に関連する脳活動を分離するために、重要な0.5秒の遅延を導入しました。この間、マウスは決定を保留しなければなりませんでした。
「この遅延によって、刺激に関連する脳活動と選択に関連する脳活動を時間的に分離し、初期の感覚入力から運動関連の神経信号がどのように展開されるかを追跡することができました」。
「刺激と選択の神経表現を解明するために、マウスがミスをする可能性のある挑戦的な実験を設計することも重要でした。100％の成功率では、刺激と選択の区別がぼやけてしまい、各刺激が常に同じ反応を引き起こしてしまいます。
「エラーの可能性を作り出すことで、音の神経エンコーディングと下された決定を区別することができました」。
例えば、同じ音を聞いても異なる決定（正しいまたは間違った）を下す場合、ニューロンの活動が2つの行動の間で異なるかどうかを調べました。もし異なれば、そのニューロンが選択に関する情報をエンコードしていることを示します。
深いつながり
6か月にわたる厳しい訓練の後、研究者たちはついにタスクを実行するマウスの神経活動を記録し始めることができました。彼らは、私たちが聞く音を処理する役割を持ち、このタスクに必要であることが既に示されている聴覚皮質に焦点を当てました。
「マウスと人間の皮質はそれぞれ特化した機能と他の脳領域への独自の接続を持つ6層で構成されています」と、本研究の主著者であるアルフォンソ・レナート博士は説明します。
「特定の層が通常は脳領域から感覚情報を受け取り、他の層が運動中枢に入力を送るため、我々は聴覚皮質の全層にわたって活動を同時に記録しました。これは、感覚と運動信号が明確に分離されたタスクで初めて行われました」。
「感覚および選択に関連する信号が異なる空間的および時間的パターンを示すことがわかりました」とレナートは続けます。
「音の検出に関連する信号は迅速に現れましたが、400ミリ秒後には消失し、皮質の全層に広く分布していました。
「対照的に、マウスが実行しようとしている動作を示す選択関連の信号は、意思決定が実行される直前に現れ、皮質の深層に集中していました」。
しかし、刺激と選択の活動の時間的な分離にもかかわらず、さらなる分析により興味深いつながりが明らかになりました。特定の音周波数に反応するニューロンは、その音に関連する動作でも活発化する傾向がありました。
シュタインフェルドは次のように説明します。「例えば、高周波数に反応するニューロンは、あるマウスでは右方向の舐め動作で、別のマウスでは左方向の舐め動作でより活発化することがあります。これは、各マウスがどのように訓練されたかによるもので、音と動作の連携が切り替えられたためです。
「異なる動物間のこの変動性は、活動が固定されたものではなく、経験を通じて適応することを示しています。これらのニューロンは、好ましい音周波数に基づいて適切な動作のために活動を増加させることを学びます」。
選択信号の起源と役割
では、これらの選択信号の起源はどこにあるのでしょうか？
「興味深いことに」とレナートは述べます。「聴覚皮質の初期の感覚信号は、マウスの最終的な選択を予測するようには見えず、選択信号はかなり後になって現れます。
「これは、聴覚皮質の感覚信号がマウスの行動を直接引き起こすのではなく、観察された選択信号は、おそらく動作の計画や実行に関与する高次の脳領域で計算され、それがフィードバックとして聴覚皮質に送られることを示唆しています」。
しかし、これらの運動信号が行動を直接指示しないとすれば、どのような役割を果たすのでしょうか？おそらく、これらの信号は情報を統合し伝達するための役割を担っている可能性があります。例えば、これらの信号は進行中の決定と一致するように脳の知覚を調整し、私たちの知覚の安定性を高めるかもしれません。
あるいは、行動の予期される感覚的な結果、例えば動作によって生じる音などに脳を準備させることで、感覚体験が動作と一致するようにするかもしれません。
しかし、これらの仮説はまだ検証されていません。
「聴覚皮質の感覚信号が選択を直接通知せず、そこに観察される選択信号も実際にはそれによって生成されていないとしたら、聴覚皮質の目的は一体何なのかと疑問に思うかもしれません」とレナートは考察します。
「聴覚皮質は感覚運動変換よりも音の意識的な体験の構築に関心があるのかもしれませんが、それはまた別の話です」。
それでも、特に聴覚皮質の深層が習慣や運動の制御センターである後部線条体に情報を伝達することを考えると、因果的な役割を完全には否定できません。
将来の研究では、これらの運動信号の正確な起源と、それらが本当に行動に因果的であるかどうかを特定することを目指します。
今のところ、感覚を行動に変換する脳のメカニズムと、夜に足音を聞いたときに働く内部メカニズムについてのパズルの一部を追加することができます。
この聴覚神経科学研究ニュースについて
著者: Hedi Young
出典: Champalimaud Centre for the Unknown
連絡先: Hedi Young – Champalimaud Centre for the Unknown
画像: Neuroscience News のクレジット
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