Active gaze behavior organizes V1 activity in freely-moving marmosets

視覚は、世界が単に目に流れ込んでくる受動的な窓であるとしばしば考えられがちですが、ヒトを含む霊長類にとって、見ることは能動的なプロセスです。私たちはただ場面を凝視しているのではなく、細部を拾い上げるために絶えず目を動かし、一点から別の点へと、素早くリズムに乗ったパターンで焦点を移しています。「注視（ゲイズ）」として知られるこの行動こそが、私たちの周囲の鮮明なイメージを構築する方法なのです。数十年にわたり、科学者たちは脳がどのようにこれらの画像を処理するかを研究してきましたが、その研究のほとんどは、頭部を固定して静止している動物を対象に行われてきました。この手法は制御された視点を提供しますが、私たちが実際にどのように見ているかを定義づける、まさにその「動き」を剥ぎ取ってしまうのです。残された未解決の問いは、動物が自然に行うように自由に動き、探索し、周囲を見渡しているとき、脳の視覚中枢がどのように機能するかという点でした。

研究チームは、自然に活動的で好奇心旺盛な小型霊長類であるマーモセットを研究することで、この空白領域へと踏み込みました。現実世界の環境において脳がどのように機能するかを理解するために、彼らはこれらの動物に、高精度で眼球運動を追跡できる軽量の頭部装着型システムを装着させました。同時に、視覚情報が最初に受け取られ、処理される部位である一次視覚野における、個々の神経細胞群の電気活動を記録しました。マーモセットが自由に動き回る間、眼球運動と脳活動の両方をモニタリングすることで、科学者たちは、視覚が強制的に静的な人工状態に置かれていない状況下で、視覚がどのように機能するかを観察することができました。

結果は、これらの脳細胞の活動が、動物が見ているものと密接に関連している一方で、その活動のタイミングが動物自身の眼球運動によって組織されていることを示しています。マーモセットが目を動かしたとき、脳は視覚入力があるかどうかに完全に依存した形で反応しました。もし視覚入力が取り除かれれば、眼球運動に関連する特定の脳活動パターンは大部分消失しました。これは、脳が単に目を動かす行為そのものに反応しているのではなく、動きと、その動きによって明らかになる視覚的世界との組み合わせに対して反応していることを示しています。

また、この研究は、眼球運動の異なる局面が、脳に異なる反応を引き起こすことも明らかにしました。動物が新しい場所へと素早く視線を転換するとき、脳細胞は活動の減少、すなわち一種の抑制を示す独特のパターンを示します。この急速な転換の直後、動物が特定の物体を見るために注視を安定させると、活動は再び変化し、明確な増強またはブーストを示します。この安定した注視フェーズにおけるブーストは、目に入ってくる視覚情報と直接結びついています。脳は、直前の動きに基づいて感度を調整することにより、次の瞬間の「見る」ことに備えているようです。

さらに、動物が行う自然な眼球の移動の大きさが、次に注視している間に受け取る視覚情報の組織化に影響を与えます。研究者たちは、これらの自然な動きの大きさが、動物がようやく視線を固定した際の脳の反応の増強の仕方を形作っていることを見出しました。これは、周囲を見渡すという行為が、次に何を見るかという脳の処理能力を継続的に微調整しているという、ダイナミックなシステムを示唆しています。自由に動く霊長類の視覚系を研究する手法を確立したことにより、本研究は、実験室のケージという制限を超え、日常の複雑で変化し続ける現実の中での視覚がいかに機能しているかを理解するための、新たな窓を開いたのです。