Shared symmetry detection with divergent temporal dynamics in marmosets and humans

対称性は視覚世界の基本的な言語であり、私たちの脳が瞬時に認識するようにプログラムされているパターンです。それは顔の鏡像であったり、蝶のバランスの取れた羽であったり、あるいは床に敷き詰められた繰り返しのタイルであったりします。数十年にわたり、科学者たちは人間の脳にはこれらのパターンを特定するための専用ネットワークが存在し、パターンを目にした際に後頭部の特定の領域が活性化することを知っていました。しかし、思考の生物学における中心的な問いが未解決のまま残されていました。それは、この能力が人間特有の発明なのか、それとも遠い霊長類の祖先から受け継いだ共通の特性なのかという点です。これを知るために、研究者たちは他の霊長類の脳を観察する必要がありましたが、侵襲的な手術なしで行うことは大きな障壁となっていました。従来のサルを用いた研究では、血流を示す脳スキャンに依存していましたが、脳がパターンを処理する際の、一瞬の電気的なタイミングを捉えることはできませんでした。

研究チームは、人間とコモンマーモセット（小型の新世界ザル）が視覚的な対称性にどのように反応するかを比較することで、この溝を埋めることに成功しました。彼らは、鏡像のような「反射（リフレクション）」と、形が回転しながら繰り返される「回転（ローテーション）」という、2つの異なるタイプのパターンに焦点を当てました。頭皮から電気信号を記録する非侵襲的な手法を用いることで、両種が鏡像対称を検知する迅速かつ自動的な能力を共有していることを発見しました。しかし、回転に関しては、両種の間で相違が見られました。人間は回転するパターンに対して安定した持続的な電気的反応を維持しましたが、マーモセットの脳は、回転パターンに対しては短時間のみ反応し、その後落ち着いてしまいました。この発見は、対称性を察知するための基本的な高速メカニズムは古くからあり、霊長類間で共有されているものであるものの、人間がこれらのパターンを完全に精緻化するために用いる、より複雑で持続的な処理は、後発の発展である可能性を示唆しています。

この比較を行うために、科学者たちは重大な技術的課題を克服しなければなりませんでした。それは、脳を損傷したり、毎日電極を配置したりすることなく、サルの明確な脳信号を記録することでした。彼らは、32個の微小なセンサーを備えたカスタム設計の柔軟なグリッドを考案し、それを3匹の成体オスマーモセットの頭蓋骨に直接外科的に取り付けました。わずか6グラムの重さしかないこの装置は、脳の電気活動への恒久的な窓として機能し、動物たちが何度も繰り返しテストを受けることを可能にしました。マーモセットは、画面を見ながら静かに椅子に座るよう訓練され、じっとしている間はジュースを数滴与えられる報酬を受け取りました。同時に、13人の人間のボランティアも、標準的なセンサーキャップを着用して、全く同じ画像を画面で視聴しました。

両グループに提示された画像は、対称性の数学的規則に基づいた、注意深く作成されたテクスチャでした。あるパターンは、線に対して鏡のように自分自身を反射させる「二重反射」によって繰り返されます。また別のパターンは、中心点を軸に回転することによって繰り返される「4回回転」です。脳が単なる画像のランダムな変化ではなく、対称性そのものに反応していることを確実にするため、研究者たちは、これらの対称的な画像と、見た目は似ているもののパターンを持たない「スクランブル（かき混ぜられた）」バージョンを交互に提示しました。彼らは、画像が明滅する速度に一致するリズム的な電気パルスを探すことで、脳の反応を測定しました。脳は、画像の単純な変化に対してではなく、対称性の部分に対して異なる反応を示すため、研究者たちはこれら2つの信号を分離することができました。これを可能にしました。

結果は、2つの種が鏡像対称をどのように扱うかにおいて、驚くべき類似性を明らかにしました。マーモセットと人間の両方において、脳は鏡像パターンが表示されている間、強く安定した電気信号を生み出しました。この信号は後頭部、すなわち視覚処理領域で最も強く、そのタイミングと強度は種を超えてほぼ同一でした。このことは、反射を検知する能力が保存された特性であり、霊長類が環境内の顔や体、その他の生物を認識するのを助けるために、数億年前に進化した可能性が高いことを示唆しています。

しかし、研究者が回転パターンを見たとき、物語は変わりました。人間の脳は、回転パターンが見えている間、安定した電気的リズムとともに脈動し続けましたが、マーモセットの脳は異なる反応を示しました。サルの脳は、回転パターンが現れた瞬間に素早く鋭い信号を発しましたが、この信号はすぐに減衰し、画像が表示されている残りの時間は脳は静まり返りました。この違いは回転パターンに特有のものであり、鏡像パターンについては、サルにおいても長く安定した反応が生成されました。研究者たちは、これがサルの注意力の欠如や眼球運動によるものではないことを排除しました。なぜなら、パターンは大きく、眼球運動は追跡・制御されていたからです。

この研究は、霊長類の脳が視覚情報を処理する方法における、特定の分岐点を指摘しています。対称性の初期の高速な検知は、両種で同様に機能する、共有された「フィードフォワード（順方向）」メカニズムであると考えられます。しかし、より複雑な回転に対して、その対称性の持続的な表現を維持する能力は、人間には顕著であるがマーモセットでは弱い、異なる種類の脳活動に依存しているようです。この持続的な活動には、脳の異なる部位間を信号が往復するループ処理が含まれている可能性があり、このプロセスは、マーモセットやその近縁種であるマカクよりも、人間においてより発達している可能性があります。

マーモセットが人間と同じ精度でこれらの複雑な視覚プロセスを研究できることを確立したことで、この研究は神経科学に新たな扉を開きました。マカクの脳は、視覚領域が深部に埋もれている複雑な「折れ曲がった」構造を持っていますが、マーモセットの脳は滑らかでアクセスしやすいものです。これは将来、科学者が表面からの記録と、脳内部からの直接的で深い測定を組み合わせることで、これらの回路が正確にどのように機能するかを理解できることを意味します。今回の知見は、私たちが対称性を捉えるための共通の古代の基盤を共有している一方で、人間の脳は、他の霊道類とは異なる方法で、これらのパターンを保持し、精緻化することを可能にする「持続的な処理」という層を付け加えていることを裏付けています。