ヒト脳に〝未知のシグナル〟ニューロン観測で判明した驚きの能力

人間の脳で見られる新たなシグナルが初めて検出されました。この発見は、脳が思っていたよりもさらに高性能なコンピュータユニットである可能性を示唆しています。

*Category:サイエンス Science *Source：sciencealert,AAAS,wikipedia

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ヒトの脳において未知のシグナルが発見される

2020年、ドイツとギリシャの研究機関が、独自の「グレード化された」信号を自己生成するメカニズムを報告しました。てんかん患者の手術中に摘出された組織の一部を用いて電気活動を計測し、蛍光顕微鏡でその構造を分析しました。すると大脳皮質の個々の細胞は、通常のナトリウムイオンだけでなく、カルシウムも使用していることを発見しました。この陽イオンの組み合わせにより、これまで見られなかった電圧の波が発生し、カルシウム媒介樹状突起活動電位（dCaAPs）と呼ばれるようになりました。

人間の脳はよくコンピュータに例えられます。この例えには限界がありますが、あるレベルでは同じような方法でタスクを実行します。コンピュータと脳は、どちらも電圧の力を利用してさまざまな操作を行います。コンピュータの場合は、トランジスタと呼ばれる交差点を通る電子の流れという比較的単純な形をしています。

一方ニューロンでは、ナトリウム、塩化物、カリウムなどの荷電粒子を交換するチャネルが開いたり閉じたりする波のような形で信号が送られます。このようにイオンが流れるパルスを活動電位と呼びます。ニューロンは、トランジスタの代わりに、樹状突起と呼ばれる枝の先で、これらのメッセージを化学的に管理します。

2020年1月、フンボルト大学の神経科学者マシュー・ラーカムは「樹状突起は、単一ニューロンの計算能力を決定する核心部分であるため、脳を理解する上で重要だ」と語っています。樹状突起は、私たちの神経系の信号機です。活動電位が十分な重要性を持つ場合、他の神経細胞に伝達され、メッセージをブロックしたり、伝えたりすることができます。ANDメッセージ（xとyがトリガーされるとメッセージが伝わる）、ORメッセージ（xかyがトリガーされるとメッセージが伝わる）の2つの形でまとめて伝えることができる電圧の波紋が、私たちの脳の論理基盤です。

大脳皮質は、人間の中枢神経系の外側にあり、密度が高く、しわの多い部分です。特に2層目、3層目は厚く、感覚、思考、運動制御といった高次の機能を担う枝が詰まっています。研究者たちは、これらの層から採取した組織を詳しく調べ、細胞体樹状突起パッチクランプと呼ばれる装置に細胞をつなぎ、各ニューロンに活動電位を送りその信号を記録しました。そして樹状突起の活動電位を初めて見た時、ラーカム氏は「発見したぞ！」と叫んだと言います。

この発見がてんかん患者だけのものでないことを確認するため、研究チームは脳腫瘍から採取した数種類のサンプルで結果を再確認しました。チームは以前にネズミで似たような実験を行っていましたが、人間の細胞を通る信号の種類は非常に異なっていました。

さらに重要なことは、テトロドトキシンと呼ばれるナトリウムチャネル遮断剤を細胞に投与しても、やはり信号が検出されたことです。カルシウムをブロックした時のみ信号は検出されませんでした。カルシウムを介した活動電位を発見したことは、非常に興味深いことです。しかし、この新しい種類の信号が大脳皮質でどのように働くかをモデリングしたところ、驚きの事実が判明しました。

論理的なAND、OR型の機能に加えて、これらの個々のニューロンは「排他的」なXORゲートとして働くことができたのです。つまり、別の信号が特定の方法で評価される場合にのみ信号を許可するのです。「従来、XORオペレーションにはネットワークの解決策が必要であると考えられてきました」と研究者は述べています。

dCaAPが神経細胞全体や生体システムでどのような挙動を示すかについては、さらに研究が必要です。それが人間のものなのか、それとも動物界で同じようなメカニズムが進化しているのかは、これから検証していく必要があるでしょう。

私たち自身の神経系にも、より優れたハードウェアを開発するためのヒントが隠されています。私たち自身の個々の細胞が、まだいくつかのトリックを持っていることを知ることは、トランジスタをネットワーク化する新しい方法につながるかもしれません。この新しい論理ツールがどのように単一の神経細胞に組み込まれ、より高次の機能に繋がるのかは今後の研究者の課題となるでしょう。