Propagation electrodynamics differential conduction of action potentials in geometrically branched squid giant axons

脳の内部では、思考、感情、そして運動という最も根本的な行為が、一本のワイヤーを伝わる電気的な火花という、単純ながらも深遠な出来事に依存しています。これらのワイヤーは銅やシリコンではなく、神経細胞の長く細い突起である「軸索」と呼ばれるものです。数十年もの間、科学者たちは「ケーブル理論」として知られる一連の規則を用いて、これらの信号がどのように移動するかを理解してきました。この理論は、軸索を、中心を電気が流れ、側面から漏れ出す「長い、漏れのあるホース」のように扱います。これは、信号が直線的で均一な管の中をどのように進むかを説明するには十分機能します。しかし、実際の脳は直線の管の集まりではありません。それは枝分かれした森のような複雑な構造であり、単一の神経繊維が二つ、四つ、そしてさらに多くへと分かれ、複雑な幾รรม学的なパズルを作り出しています。信号が道の分岐点に達したとき、そのエネルギーをどのように分割するかを決定しなければなりません。従来の規則では、もし枝の太さが同じであれば信号は均等に分割され、もし異なっていれば、純粋にその幅に基づいた予測可能なパターンに従うものとされてきました。

しかし、もし古い規則にパズルの欠けたピースがあるとしたらどうでしょうか。もし、これらの微細なワイヤーの中を電気の動きが独自の目に見えない磁場を生み出し、その磁場が、逆に電気に対して押し返す力となるとしたらどうでしょうか。これが、ある研究チームが答えを出そうとした問いです。彼らは、単に電流を見るだけでなく、電流が動く際に生じる磁気的な力をも考慮した、より完全な神経信号の移動モデルを構築しました。コンピュータ上でこれらの相互作用をシミュレーションすることで、彼らは、磁気的な効果が単に無視できるほど小さな詳細ではなく、信号の速度や、分岐点での振る舞い、さらには分岐を通過できるかどうかにさえ影響を与えるほど強力であることを発見しました。

研究者たちは、まず標準的な神経細胞のモデルを取り上げ、そこに電磁気学の完全な法則を加えました。伝統的な見方では、神経信号は単なる円柱に沿った電圧の波です。この新しい見方では、その動いている電圧の波が磁場を発生させ、その磁場が細胞内の動いているイオンに対して力を及ぼします。これは電気と磁気の双方向の対話なのです。これを検証するために、チームは、木の幹が枝へと分かれる様子に似た、分岐構造の中を信号が伝わる様子を観察できる仮想環境を作成しました。彼らは何千回ものシミュレーションを実行し、親となる枝と子となる枝の太さを変えながら、信号が分岐点に当たったときに何が起こるかを観察しました。

結果は驚くべきものでした。旧モデルでは、もし子となる枝の一つを非常に太くすれば、信号はその中へ容易に流れ込み、もう一方の細い枝では少し速度が落ちる程度でした。しかし、新モデルでは、磁気的な力が結果を全く変えてしまいました。研究者たちは、磁気的な効果によって、信号が分岐を通過することがはるかに困難になることを発見しました。実際、信号が子となる枝へと通過できなくなるサイズは、旧理論が予測していたよりもずっと大きな段階で訪れていました。まるで磁場が目に見えない壁となり、旧理論が停止すると予測した地点に達する前に、信号をブロックしてしまうかのようでした。これは、実際の脳において、信号が分岐点で停滞してしまう閾値は、私たちが考えていたよりも低いことを意味します。つまり、信号はこれらの分岐において、以前考えられていたよりも脆弱なのです。

また、研究は二つの枝が全く同じサイズである場合に何が起こるかについても調査しました。旧来の規則によれば、信号が両方の経路が同一である分岐に到達した場合、信号は完璧に均等に分割され、両方の枝を同じ速度で進むはずです。しかし、新しいシミュレーションは、外部磁場によってこの完璧な対称性が崩れることを示しました。側方から磁場をかけると、たとえ枝が物理的に同一であっても、信号は一方の枝では加速し、もう一方では減速します。磁気的な力が、電流の動く方向に応じて、電気的な電荷を異なる方向に押し出すためです。これは、脳の配線が、私たちがこれまで考えてもみなかった方法で磁気環境に敏感である可能性を示唆しており、外部磁場が単一のニューロン内での情報のルーティングを微妙に変化させることを可能にしているかもしれません。

おそらく最も衝撃的な発見は、信号の速度そのものに関するものでした。長い間、科学者たちは神経信号の速度は軸索の太さの平方根に比例して増加すると信じてきました。ワイヤーが太ければ抵抗が少なくなるため、信号はより速く進みます。この規則は、新しいシミュレーションにおける細い、あるいは中程度の太さのワイヤーでは成立していました。しかし、研究者が親となる枝を非常に太くしたところ、信号はどんどん速くなることはありませんでした。代わりに、信号は壁に突き当たりました。磁気的なフィードバックが非常に強力になり、大きなケーブル径において、信号を減速させ、場合によっては出発点から出る前に完全に停止させてしまったのです。旧理論は、非常に太いワイヤーは常に信号の高速道路になると予測していましたが、新モデルはそこに限界があることを示しています。もしワイヤーが太すぎれば、大量の電流の流れによって生成される磁気的な力がフィードバックループを生み出し、信号を遮断してしまうのです。

これらの知見は、電気回路の方程式と磁場の方程式を組み合わせた高度なコンピュータ・シミュレーションから得られたものです。研究者たちは単に推測したのではなく、電圧、電流、そして磁場が時間の経過とともにどのように変化するかをステップごとに追跡し、これらの方程式を解くシステムを構築しました。彼らは、流入する電流の総量が流出する総量と常に一致するという、物理学の基本法則を確認することで、自分たちの作業の正確性を検証しました。磁気項を加えたとき、彼らは、信号がどのように分割されるべきかを計算するには、新たな方法が必要であることを発見しました。彼らは、これらの磁気的な効果を含む新しい公式を提案しており、それが神経の枝分かれの幾何学的な捉え方を変えることになります。

この研究の意義は、脳の理解において極めて重要です。もし磁気的な効果が実在し、測定可能であるならば、ニューロンの複雑な枝分かれ構造の中を信号が伝わる仕組みは、単純な電気モデルが示唆するものよりもはるかに複雑であるということになります。脳は私たちが考えていた以上に磁場に対して敏感である可能性があり、信号が分岐点で成功するか失敗するかというルールは、書き換えられる必要があるかもしれません。研究者たちは、将来の研究において、高解像度の測定を用いて、信号がシミュレーションの予測通りに振る舞うかどうかを確認するなど、実際の生体組織におけるこれらの効果を探るべきだと提言しています。現時点では、この研究は、神経細胞という小さく混み合った世界においてさえ、電気と磁気の力が密接に結びついており、旧来の単純なモデルでは見ることのできなかった方法で、思考や感覚の流れを形作っているという事実を思い出させるものです。