脳の働きは、いくつかの断片が揃っただけのパズルのままである。 このうち、大きなピースの1つは、脳の物理的構造とその機能性との間に関係があるという、実は推測に過ぎないものです。

脳の仕事には、触覚、視覚、聴覚の入力の解釈のほか、発話、推論、感情、学習、運動の細かい制御など、さまざまなものがあります。 神経科学者は、脳の解剖学的構造、すなわち何千億本もの神経線維が、これらの機能すべてを可能にしていると推定しています。 脳の「生きた電線」は精巧な神経ネットワークで結ばれており、それが人間の驚くべき能力を生み出しているのです。 研究者たちは、3Dモデリングを使って神経線維のルートを視覚的に表現する技術であるトラクトグラフィーを使って、脳のマッピングを行う技術を向上させています。 また、血流を測定する機能的磁気共鳴画像法を強化することで、脳内の情報の動きを記録する能力も向上しています。

この欠点に対処するため、私のチームの生体工学研究では、脳の構造と機能の関係に焦点を合わせています。 全体的な目標は、認知タスクの際に異なる脳領域を活性化する、解剖学的および無線的なすべての接続を科学的に説明することです。 最終的には、構造と機能をより明確に把握することで、脳の手術で構造を修正する方法や、逆に薬で機能を修正する方法を微調整できるかもしれません。 PM Images/Stone via Getty Images

Wireless hot spots in your head

推論や学習などの認知機能は、多くの異なる脳領域を時系列に使用しています。 神経細胞や神経線維といった解剖学的構造だけでは、これらの領域が同時に、あるいは並行して興奮することを説明することはできません。

いくつかの接続は、実際には「ワイヤレス」です。 これらは電気的な近接場接続であり、トラクトグラフで捉えられる物理的接続ではありません。

私の研究チームは、これらの無線接続の起源を詳細に調べ、その場の強度を測定することに数年間取り組んできました。 脳で何が起こっているかを非常に簡単に例えるなら、無線ルーターがどのように機能するかということです。 インターネットは有線接続でルーターに届きます。 その後、ルーターは無線接続を使ってノートパソコンに情報を送ります。 有線接続と無線接続の両方があるからこそ、全体の情報伝達の仕組みが機能するのです。

脳の場合、神経細胞が細胞体から他の神経細胞に電気インパルスを伝達するのに、軸索という長い糸状の腕を通ります。 その途中、神経細胞の絶縁されていない部分から、無線信号が自然に放出されます。 軸索の残りの部分を包む保護絶縁体がないこの部分は、ランビエの節と呼ばれます。

ランビエの節では、帯電したイオンがニューロン内外に拡散し、電気信号を軸索に伝搬させます。 イオンが出入りすると、電場が発生する。 この電界の強さや構造は、神経細胞の活動状態によって異なります。

ここ神経回路網グローバルセンターでは、このような無線信号が脳内でどのように働いて情報を伝達しているかに着目しています。

脳の非線形世界

脳領域の興奮と認知機能の一致に関する研究では、単純すぎるモデルにつながる仮定に依存すると、もうひとつの間違いを犯します。 これは、最初の補聴器の設計の背後にある論理です。人の声が2倍大きくなれば、耳は2倍反応するはずです。

しかし、研究者が、耳は線形システムではなく、発生する音をリスナーの能力に合わせるために非線形圧縮の形式が必要であることをよりよく理解するようになったため、補聴器は長年にわたって大幅に改善されています。 実際、ほとんどの生物は、刺激に対して線形で 1 対 1 で応答する感知システムを持っていません。

線形モデルは、システムへの入力が 2 倍になれば、そのシステムの出力も 2 倍になると仮定しています。 これは非線形モデルには当てはまらず、1つの入力値に対して多くの出力値が存在する可能性がある。 脳と行動の関係を理解する上で重要なのは、競合する選択肢の中から最適な行動を脳がどのように決定しているかということです。 例えば、脳の前頭葉は、潜在的な報酬、成功の確率、時間や労力といったコストを計算し、多くの量、すなわち変数を計算することによって最適な選択を行います。

線形モデルは、脳機能、特に解剖学的構造が示唆する以上のものにおいて起こりうる豊富な可能性を見逃してしまうのです。 これは、私たちの周りの世界の2Dと3D表現の違いのようなものです。

現在の線形モデルは、脳領域における興奮の平均レベル、または脳表面を横切る流れを記述するだけです。 これは、私たちが機能的磁気共鳴画像と電気的近接場バイオイメージングのデータから非線形モデルを構築する際に使用する情報よりもはるかに少ないものです。

Normal anatomy, physiological dysfunction

私の研究チームは、まったく正常に見える脳構造を持つ人々が、それでも大きな機能的問題を抱えているという事実に興味をそそられています。 愛する人を失った人々が、アルツハイマー病と診断された患者と同じような症状を示すことがあることに、私たちは常に驚かされるのです。

悲嘆とは、死やその他の種類の喪失に対する一連の感情的、認知的、機能的、行動的な反応である。

生理的悲嘆に苦しむ人々の健康そうな脳には、アルツハイマー病の人々の脳に見られるような解剖学的問題（脳の領域の縮小や神経細胞のネットワーク間の接続の乱れなど）はありません。

これは、脳のホットスポット（物理的ではないつながり）と脳の豊かな非線形動作が、脳スキャンでは予測できない結果をもたらすことの一例に過ぎないと私たちは考えています。

これらのアイデアは、非侵襲的な手段による深刻な神経学的状態の緩和への道を指し示すかもしれません。 死別療法と非侵襲的な電気的近接場神経調節装置は、愛する人の喪失に伴う症状を軽減することができる。 おそらくこれらのプロトコルや処置は、画像診断で解剖学的変化が明らかになった神経機能障害に苦しむ患者に、より広く提供されるべきものであろう。 電気的近接場マッピングの最近の進歩を利用して、脳の非物理的リンクをすべて図にし、生物学的に現実的な多変数非線形モデルを採用すれば、私たちが行きたいところに一歩近づけるでしょう。 脳をよりよく理解することは、機能を修正するための侵襲的な手術の必要性を減らすだけでなく、脳が得意とする計算、記憶、ネットワーキング、情報流通のモデルをよりよくすることにつながるだろう

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