Pupil size and pupil change correlate with distinct cortical neurochemical systems across the adult lifespan

人間の瞳孔は、単に部屋の明るさに調節するだけではありません。強い光の中で収縮し、暗闇で広がることで視覚を調節する一方で、心の内部状態にも反応します。人が驚いたり、集中したり、精神的に没頭したりすると、たとえ光が一定であっても、瞳孔はしばしば散大（拡大）します。数十年にわたり、科学者たちは、これらの自発的な変化が、脳の「青斑核（せいはんかく）」への窓口となっているのではないかと疑ってきました。青斑核は、警戒心や注意に不可欠な化学伝達物質であるノルアドレナリンの主要な供給源として機能する、脳の奥深くにある非常に小さな神経細胞の集まりです。この脳領域は直接画像化することが困難であるため、研究者たちは、瞳孔を測定することが、その活動の信頼できる非侵襲的なプロキシ（代理指標）となることを長年期待してきました。しかし、加齢に伴い脳の生物学的な性質は変化するため、このつながりの信頼性は不明なままでした。もし瞳孔と脳の警戒システムとの間のリンクが加齢とともに弱まったり、あるいは変化したりするのであれば、瞳孔の測定値を老化に関する研究に使用することは、誤った結論を導く可能性があるからです。

これを調査するため、コーネル大学の研究チームは、19歳から78歳までの89人の成人を集め、磁気共鳴画像装置（MRI）内での視覚タスクを実施しました。参加者は、さまざまな大きさや明るさの円がランダムな間隔で現れる画面を見つめました。ほとんどの円は標準的なものでしたが、時折、「オドボール」と呼ばれる大きな円が現れ、参加者はボタンを押すよう促されました。研究者たちは、参加者の瞳孔の大きさを非常に高い速度で連続的に記録し、同時に、神経活動のプロキシ（代理指標）となる血流を測定するために脳をスキャンしました。彼らは特に、瞳孔の大きさとその変化の速度が、脳のノルアドレナリン系における活動と関連しているかどうか、そしてこれらの関連性が成人の生涯を通じて維持されるかどうかに注目しました。

研究の結果、瞳孔の挙動は単一の統一された信号ではなく、異なるタイムラインで動作し、異なる脳部位に接続する2つの異なる種類の情報を持っていることが明らかになりました。研究者たちは、ある時点における瞳孔の純粋な「大きさ」は特定のパターンに従って脳活動と相関する一方で、瞳孔の大きさの急速な「変化」――つまり、どれほど速く拡大または収縮するか――は、全く異なるパターンの脳活動と相関することを発見しました。これら2つの信号は単に同時に起きているだけでなく、脳内の異なる化学系に結びついています。瞳孔の急速な変化は、脳の警戒物質であるノルアドレナリンを管理するタンパク質である、ノルアドレナリン輸送体が豊富な脳領域と強く関連していました。これは、瞳孔が突然広がったり細くなったりするとき、それが実際に脳の警戒システムの活動を追跡していることを裏付けています。対照的に、瞳なる瞳孔の安定した大きさは、オピオイドおよびカンナビノイド受容体が密集している脳領域に関連しており、これは瞳孔のベースラインの大きさが、即時的な警戒心ではなく、おそらく痛み調節や気分に関連する、より緩やかに作用する別の化学的状態を反映していることを示唆しています。

決定的なことに、本研究はこれらのつながりが加齢とともにどのように維持されるかを検証しました。研究者たちは、急速な瞳孔の変化と脳の警戒システムとの関係は生涯を通じて有意に維持されるものの、高齢者ではわずかに弱まることを発見しました。具体的には、瞳孔の変化と強い関連を示す脳領域の数は、最も高齢の参加者において減少しており、ノルアドレナリン系との結合の強さは、若年層と比較して高齢者において低くなっていました。しかし、安定した瞳孔の大きさとオピオイド関連の脳領域との間のリンクは、加齢によって全く変化せず、70歳でも20歳と同様に強く保たれていました。この区別は極めて重要です。なぜなら、脳の警戒システムは加齢とともに瞳孔の動きとの同期がわずかに低下する可能性がある一方で、瞳孔に反映される脳の他の化学的側面は安定していることを示唆しているからです。

研究者たちは、警戒を司る脳領域である青斑核を直接調査しましたが、標準的なスキャン技術を用いて個々の参加者においてその微小な信号を信頼性高く測定することは困難であることも判明しました。そこで諦める代わりに、彼らは瞳孔の影響を脳全体にわたってマッピングしました。その結果、瞳孔の急速な変化は、脳の後部から脳幹に至る、注意と感覚処理に関わる広大な脳領域のネットワークと最も強く関連していることが分かりました。瞳孔が追跡しているのは、単一のピンポイントの信号ではなく、このような広範なパターンなのです。また、研究者たちは、これらの脳と瞳孔の間のリンクが単に心拍数や呼吸の変化によって引き起こされているという考えについても検討し、データからそれらの要因を慎重に取り除いた後も、パターンが維持されていることを確認しました。

最終的に、この研究は、瞳孔が2つの異なる物語を伝える複雑な計器であることを明らかにしました。一つの物語は「変化の速度」に関するものであり、それは脳の警戒システムを追跡し、加齢とともにその協調性が緩やかに低下することを示しています。もう一つの物語は「定常状態」に関するものであり、それは異なる化学系を追跡し、生涯を通じて一貫しています。つまり、もし科学者が老化に関する脳を理解するために瞳孔の測定値を使用したいのであれば、瞳孔の「大きさ」と「変化の速さ」を明確に区別することに注意しなければなりません。これら2つの信号を分離することで、研究者は脳のどの部分が老化し、どの部分が維持されているのかをより正確に理解できるようになり、侵襲的な処置なしに脳の健康状態をモニターするためのより精密な方法を提供できるようになります。今回の知見は、脳の警戒メカニズムが加齢とともに瞳孔との協調を緩める可能性がある一方で、瞳孔を通じた微細で測定可能な変化を通じて、脳の根本的な化学的景観は依然としてアクセス可能であることを示唆しています。