The effect of the excitatory feedback in anticipated synchronization and phase bistability regimes in neuronal populations

脳は固定された配線の静的な地図ではなく、同じ物理的な接続がその瞬間によって全く異なる活動パターンを生み出すことができる、生きたネットワークである。この柔軟性は、私たちが世界を認識し、意思決定を行う上で不可欠である。大脳皮質（脳の外層）において、異なる領域は双方向の通信ハイウェイによって結ばれている。しかし、こうした相互的なつながりがあるにもかかわらず、情報の流れはしばしば明確な方向性を持っているかのように振る舞い、ある領域が先行し、別の領域がそれに従う。時には、この「従う」という現象に遅延が生じ、二番目の領域が最初の領域に反応する。また別の時には、二番目の領域が最初の領域を予測しているかのように、信号が到着する前に動作することもある。受信者が送信者をリードするという、この直感に反する現象は、「予測同期（anticipated synchronization）」として知られている。長年、科学者たちは、この特殊なタイミングの仕掛けには、送信者が受信者の声を聞き返せないような一方通行のセットアップが必要であると考えてきた。この繊細なタイミングが、実際の脳回路という、複雑で双方向的な現実の中で生き残ることができるのかという疑問が残されていた。

ブラジル、スペイン、そして米国の研究チームは、実際の皮質領域の構造を模した2つのニューロン・グループのコンピュータモデルを用いて、この概念を検証することを試みた。各グループには500個の個々の細胞が含まれており、活動を促す興奮性ニューロンと、それを鎮める抑制性ニューロンが混在していた。彼らのシミュレーションでは、2つのグループは双方向に流れる興奮性信号によって接続されており、直線ではなくループを形成していた。科学者たちは、送信者が受信者へ信号を送り返している状況においても、受信者が依然として送信者をリードできるかどうかを確認したかった。その結果、答えは「イエス」であった。予測する能力や、システムがリーダーになるかフォロワーになるかの間で切り替わる不思議な状態は、フィードバックが強力であっても堅牢に維持された。このモデルは、これらの複雑なタイミングの関係には一方向の接続は必要なく、受信グループ内の内部抑制のバランスが適切であれば、双方向の回路の中で自然に発生し得ることを示した。

研究者たちは、システムがリードからフォローへと切り替わる際に辿る経路が、常に同じではないことを発見した。受信グループ内の内部抑制信号の強さに応じて、その遷移は2つの異なる方法のいずれかで行われる。あるケースでは、受信者から送信者へのフィードバックが増加するにつれて、システムはリーダーとフォロワーの間を突然行き来し、どちらかの状態に落ち着く前に両方の状態に時間を費やす。これは、回路が未決定であり、リーダーにもフォロワーにもなり得る「双安定性（bistability）」の状態である。また別のケースでは、切り替えは滑らかで連続的であった。システムは、両方のグループが全く同時に発火し、どちらの方向にも遅延がないという短い瞬間を経て、その後、受信者が送信者に遅れ始めるというプロセスを経る。この「ゼロラグ（無遅延）」状態は、両極端の間をつなぐ架け橋として機能した。システムが辿る特定のルートは、受信集団にどれだけの抑制が存在するかによって完全に決まっており、局所的な細胞の特性がネットワーク全体のタイミングを左右することを示した。

この研究はまた、外部ノイズ、すなわちランダムな電気活動がこれらのパターンにどのように影響を与えるかも明らかにした。受信グループに当たるランダムな入力レベルを調整したところ、ノイズが少ないほどそのグループはリードを取りやすくなり、ノイズが多いほどフォロワーの役割へと押しやられることが分かった。これは、脳が新しい配線を構築したり古い配線を撤去したりすることなく、背景活動の微細な変化を利用して、脳領域間の「会話」において誰が主導権を握るかを迅速に再構成できる可能性を示唆している。グループ間の接続が弱いシナリオでは、システムは時としてリズムを完全に失い、混沌とした形で同期から外れて漂流することがあった。この「位相ドリフト（phase drift）」、つまりタイミングの関係が絶えず彷徨う現象は、グループ間の信号がノイズに対抗してそれらを繋ぎ止めるにはあまりに微弱であったときに現れた。

これらの知見は、脳の固定された解剖学的構造が、多様で豊かな機能的関係を支え得ることを示唆している。同じ物理的回路が、フィードバックの強さや内部抑制のレベルを調整するだけで、遅延した反応、予測的な反応、あるいは完全な一致した状態を生み出すことができるのである。この柔軟性は、注意を払うことや音声処理といった認知タスクの最中に、脳がどのようにコミュニケーション・パターンを迅速に再編成できるかという説明への潜在的な手がかりとなる。これらのモード間を切り替える能力、あるいは両方の状態を併せ持つ能力は、脳がその瞬間の要求に合わせてタイミングを適応させるためのメカニズムを提供する。この研究は、実際の脳の記録で見られる複雑なタイミングが、簡略化された一方向モデルによる人工的な産物ではなく、生きている脳の相互的な双方向アーキテクチャの中で繁栄できる堅牢な特徴であることを裏付けている。