The embodied brain: Bridging the brain, body, and behavior with biorealistic neuromechanical models
本論文は、神経制御を身体および環境シミュレーションと統合した生体現実的な神経力学的モデルの進展をレビューするものであり、それらが測定不可能な生物物理学的変数の推論、検証可能な仮説の生成、および神経科学、ロボット工学、ヘルスケアにわたる学際的な連携を促進する有用性を実証している。
原論文は CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 これは査読を受けていないプレプリントのAI生成解説です。医学的助言ではありません。この内容に基づいて健康上の判断をしないでください。 免責事項の全文を読む
車の運転手がハンドルに置いている手を見るだけで、その車がどのように走っているのかを理解しようとする場面を想像してみてください。ハンドルを切っていることは推測できるかもしれませんが、エンジンの唸りや、タイヤと路面の摩擦、そしてカーブで車の重心がどのように移動するかまでは見落としてしまうでしょう。長い間、動物の行動を研究してきた科学者たちは、同様の問題に直面してきました。彼らは動物の動きを観察したり、何らかの脳活動を記録したりすることはできましたが、体内の目に見えない力や、脳、筋肉、そして世界の間で交わされる複雑な信号のループを容易に目にすることはできなかったのです。神経科学として知られるこの分野は、脳がいかにして運動を制御しているかという謎を解明しようとしています。重要な考え方は、「ソフトウェア」（脳）を理解するためには、「ハードウェア」（身体）と「環境」（その生物が生きる世界）を理解しなければならないということです。なぜハエが壁に止まるのか、あるいはなぜ魚が影から逃げるように素早く動くのかを知りたいのであれば、脳だけを単独で見るのではなく、システム全体がどのように連携して機能しているのかを見なければなりません。
本論文は、「バイオリアリスティック・ニューロメカニカル・モデル（生体模倣的な神経機械モデル）」を用いて、このパズルを解くための強力な新しい手法を紹介しています。これらのモデルを、ビデオゲームの中で生きている動物の、驚くほど詳細な「デジタル・ツイン」だと考えてみてください。しかし、これらは単に見た目が素晴らしいだけでなく、現実と同じように機能する骨、筋肉、神経といった、実際の物理法則に基づいたデジタル動物なのです。著者らは、科学者がどのようにして仮想の動物を構築し、実物の動物が受け取るものと同じ感覚情報を与え、シミュレーションされた世界の中でその動きを観察できるのかを説明しています。魔法が起きるのは、実物の動物とは異なり、このデジタル・ツインであれば、動きを一時停止して、その「脳」の内部にあるすべてのニューロンの発火を確認したり、さらには身体の一部を即座に変更してどのような変化が起きるかを実験したりできるからです。
本論文は、これらのモデルが主に2つの理由からゲームチェンジャーになると示唆しています。第一に、これらは目に見えないデータのための「タイムマシン」として機能します。もし科学者が実物の動物の歩行を記録したものの、筋肉内部の微細な力を測定できなかった場合、デジタルモデルの中でその歩行を「再生」することができます。すると、コンピュータはその動きを実現するために、隠れた力がどのようなものであったはずかを計算し、実験の空白を事実上埋めてくれるのです。第二に、これらのモデルは「もしも」という問いに対する安全な遊び場となります。科学者は、「もし特定の神経が発火しなかったら？」とか「もし動物の足が2倍の重さだったら？」といった突飛なアイデアを、実物の生物を傷つけることなくテストすることができます。著者らは、これらのデジタルボディと人工知能を組み合わせることで、身体の反応が次の脳の働きを変えるという、クローズドループ（閉回路）において、脳がいかに運動を制御しているかという理論を、ついに検証できることを示しています。
しかし、論文ではこれらが依然としてシミュレーションであることを慎重に注記しています。これらはまだ現実の完璧なコピーではありません。むしろ、私たちの推測やテストを助けるためのツールなのです。著者らは、身体のあらゆる原子をシミュレートすることはまだ不可能だが、これらのモデルは「測定できること」と「知る必要があること」の間の溝を埋める上で進化していると論じています。彼らは、神経科学の未来は、実世界の実験とこれらのデジタル代用品を融合させることにあり、コンピュータを使ってラボでの次のステップを導くことにあると示唆しています。それは、実機のパイロットが嵐の中を航行するのを助けるために、シミュレーターで100万回のテスト飛行を行う副操縦士を持っているようなものです。脳、身体、そして環境を一つのつながったチームとして扱うことで、これらのモデルは、私たちがどのように動き、感じ、そして周囲の世界と相互作用しているのかというコードを解読するための新しい道筋を提示しています。
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