Neuropixels 1536 Channel Quad Base probe reveals brain-wide communication underlying flexible sensorimotor sequences

人間の脳を、宇宙で最も複雑な都市であると想像してみてください。それは、数十億もの小さなニューロンが市民となり、絶えずメッセージを送り合い、私たちを動かし、考えさせ、感じさせている広大な大都市です。長い間、この都市がどのように機能しているかを理解しようとする科学者たちは、混雑したスタジアムの中でたった一つの会話に耳を傾けるような、少し不完全なツールを使わざるを得ませんでした。彼らは数人の声をはっきりと聞き取ることはできましたが、群衆全体が同時に話している様子を聞くことも、異なる地区がどのように計画を調整しているかを見ることもできませんでした。脳がいかにして行動を制御しているかを真に理解するためには、研究者は、多くの異なる地区にわたる数千のニューロンによる高速なチャット（会話）を、全く同じ瞬間に捉え、都市全体を同時に盗み聞きする方法を必要としていました。これが「脳全域」の記録という課題です。つまり、断片的な一部のぼやけたスナップショットではなく、ネットワーク全体の動きを鮮明かつ同期された映像として捉えることです。

そこで登場したのが、脳のための超強力なマイクロフォン・アレイとして機能するハイテクツール、Neuropixels 2.0 Quad Baseです。この研究において、研究者たちはこの新しいデバイスを使用して、動くターゲットを舐めるという、トリッキーでテンポの速いゲームを行うマウスの様子を観察しました。マウスは舌で特定の経路を辿らなければなりませんが、時にはターゲットが突然後ろに動くことがあり、その場合、マウスは即座に計画を変更し、ターゲットを捕まえるために「バックトラック（後退）」しなければなりません。一度に1,500以上のチャンネルから記録することで（従来のツールの4倍）、科学者たちは、脳の異なる領域がこの問題を解決するためにどのように対話しているのかを正確に把握することができました。彼らは、方向転換の決定が一斉に起こるのではなく、運動野（脳の「運動制御センター」）から始まり、他の領域へと波及していくことを発見しました。最も重要なのは、マウスが素早い方向転換を迫られたとき、脳は単に局所的な回路を微調整するのではなく、脳全体が新しい課題に対処するために同期する「グローバル・モード」へと移行したということです。これは、柔軟な行動が、単なる少数のプレイヤーではなく、脳全体が一つのチームとして機能することに依存していることを示唆しています。

超・リスニング・ツール

脳を巨大なオーケストラだと考えてみてください。長年、科学者はオリジナルのNeuropixelsプローブのようなツールを使用して、オーケストラの小さなセクション、例えばバイオリンや金管楽器セクションだけを聴くことができてきました。これらは優れたものでしたが、一度に約384の「座席」しか記録できませんでした。もしバイオリンがドラムや木管楽器と同時にどのように対話しているかを知りたかったとしても、それは不可能でした。なぜなら、それらを一つずつ聴かなければならず、リアルタイムのハーモニーを聞き逃してしまうからです。

研究者たちは、新しい楽器であるNeuropixels 2.0 Quad Baseを導入しました。このプローブは大幅なアップグレードであり、1,536の記録チャンネルを同時に提供します。これは、標準的なツールの4倍の容量です。これを視覚化するために、古いプローブがスタジアムの4列分の座席を撮影できるカメラだったと想像してください。新しいQuad Baseは、最前列から天井近くの席まで、たった一回のショットでスタジアム全体を捉え、観客の歓声を一つも逃さないカメラなのです。チームはこの新ツールをテストするため、6匹のマウスの脳にこれらを2本挿入し、一度のセッションで1,000個以上のニューロンを記録することに成功しました。これにより、以前は不可能だった「グランドスケール」の脳の視界を手に入れたのです。

マウスの舌舐めチャレンジ

この新しいツールが実際に脳の思考や動きを明らかにできるかをテストするため、研究者たちはマウスに対して巧妙なゲームを用意しました。喉の渇いたマウスは、「シーケンス・リッキング（連続舐め）」タクションを行うよう訓練されました。7つの水飲み場が弧を描いて並んでいる様子を想像してください。音の合図があったとき、マウスは左から右へ（あるいは右から左へ）順番に舐めていかなければならず、シーケンス全体を終えた後にようやく一滴の水を得られます。

しかし、ここにひねりがあります。時々、ゲームのルールが変わります。マウスが真ん中の水飲み場を舐めた直後、水飲み場の列全体が突然後ろにスライドするのです。前進することを想定していたマウスは、ターゲットを逃してしまいます。賢いマウスは、間違いに気づき、前進しようとする勢いを止め、シーケンスを完了させるために正しい水飲み場へと素早く「バックトラック」しなければなりません。これには、突然の変化した世界に基づいて、運動指令を迅速に再プログラミングすることが求められます。

脳の意思決定を聴く

20以上の異なる脳領域から同時に記録できるQuad Baseプローブを用いて、チームは驚きに対する脳の反応をリアルタイムで観察することができました。彼らはコンピュータモデルを使用して神経活動をデコードし、ニューロンの電気的なスパイクを、マウスが何をしているかという予測へと実質的に翻訳しました。

脳の能力は驚異的でした。彼らは、ニューロンの活動を見るだけで、マウスの舌の動きや舐めるタイミングを予測することができました。しかし、本当の魔法は、脳がいつ方向転換を決定したのかを見たときに起こりました。

データをミリ秒単位で分析することで、彼らは意思決定の明確なタイムラインを発見しました。マウスがバックトラックする必要があると気づいたとき、計画変更の信号はあらゆるところで同時に現れるわけではありませんでした。代わりに、信号はまず一次運動野（具体的には舌と顎の領域）に現れ、続いて前外側運動野、そして最後に、かなり遅れて、反射に関連するとされる脳深部の構造である上丘に現れました。

この発見は、この特定のタスクにおいて、反射センターよりも「思考」を行う部分（皮質）が柔軟な変化の主な推進力であることを示唆しています。これは、ボールを避ける必要があるとき、脳の計画センターが反射が作動する前に筋肉へ命令を送ることに似ています。

隠れたネットワーク：なぜチャンネル数が多いことが重要なのか

この研究の最もエキサイティングな部分の一つは、なぜこれほど多くのチャンネルを持つことが重要なのかを証明したことです。研究者たちは、もし古い標準的なプローブを使用していたらどうなっていたかを検証するために「シミュレーション」を作成しました。彼らは、1,53каル（1,536）チャンネルの膨大なデータセットを取り出し、古いツールの384チャンネルの制限を模倣するようにデジタル的に「間引いて」みました。

これを行った結果、古いツールでは膨大な物語の大部分を見逃していたことが判明しました。

• 機能的サブネットワーク： 新しいツールは、異なる脳領域間のニューロン間に存在する数千の接続（「Granger因果関係」と呼ばれるもの）を明らかにしました。古いツールをシミュレートしたとき、これらの接続の多くが消失していました。これは、街の交通の流れを2本の通りだけでマッピングしようとしているようなものです。それでは、橋が二つの近隣地域を結んでいるという事実を見逃してしまいます。Quad Baseは、脳の機能的サブネットワークが、私たちが考えていたよりもはるかに大きく、相互に連結していることを示しました。
• 共有潜在ダイナミクス： チームはmDLAGと呼ばれる数学的手法を用い、異なる脳領域間に存在する「共有リズム」や共通の活動パターンを見つけ出しました。彼らは、新しいツールの方が古いツールよりも多くの共有パターンを特定できることを見出しました。それは、古いツールがソロ奏者しか聴けていない一方で、新しいツールは合唱団全体のハーモニーを聴けているようなものです。

脳の「グローバル・モード」

最も深い発見は、彼らが「バックトラック」の試行を見たときに起こりました。彼らは、脳の組織化が劇的に変化していることを見出したのです。

通常の試行では、脳は局所的な処理（特定のタスクに取り組む小さなニューロングループ）と、ある程度のグローバルな調整が混在した状態で動作していました。しかし、マウスが素早い修正を迫られたとき、脳はグローバルな処理状態へと移行しました。

• グローバル・レイテント（潜在変数）： これらは、記録されたすべての脳領域が協力して働く活動パターンです。バックトラック中、これらのグローバルなパターンは、通常の試行での60%に対し、脳活動の分散の**73%**を説明しました。
• サブネットワーク・レイテント： これらは、わずか数個の領域に関わるパターンです。これらは、修正が行われている間に31%から22%へと減少しました。

このことは、脳が突然の複雑な課題に直面したとき、単に局所的な回路を微調整するのではなく、「全脳」モードへと切り替わることを示唆しています。エラーに対処するために、ネットワーク全体が同期し、修正を迅速かつ協調的に行うようにしているのです。Quad Baseプローブは、全体的なパターンにおける変化を特定するために非常に多くの領域を同時に記録する必要があったため、このシフトを捉えることができた唯一のツールでした。

なぜこれが重要なのか

この論文は、単に新しいガジェットを紹介しているだけではありません。これは、私たちが脳をどのように研究できるかという根本的な方法を変えるものです。高密度な脳全域の記録が、隠れたネットワークやグローバルな状態を明らかにするということを証明することで、研究者たちは、一度にあまりにも少ないニューロンを見ているために、私たちのこれまでの脳機能に関する理解が不完全であった可能性があることを示唆しています。Neuropixels 2.0 Quad Baseは、脳への強力な新しい窓を提供し、数十億のニューロンが脳全体でどのように協力して柔軟で知的な行動を生み出しているのかを、科学者が観察することを可能にします。それは、私たちが即座に考えを変え、適応できる能力の秘密が、局所的なチャットからグローバルで同期された会話へと移行する脳の能力にあることを示唆しているのです。