Parallel visual processing in the suprachiasmatic region of a diurnal mammal.

光は単に私たちが世界を見ることを可能にするだけではありません。それは、睡眠、代謝、気分などのタイミングを設定する、身体の内部時計のマスターレギュレーター（主制御因子）として機能します。哺乳類においては、脳の奥深くに位置する視交叉上核と呼ばれる小さな神経細胞の集まりが、このプロセスの中心的なハブとして機能しています。この構造は目から直接信号を受け取り、それを利用して身体の日周期リズムを日の出と日の入りに同期させます。数十年もの間、科学者たちはマウスやラットのような夜行性の動物において、このシステムがどのように機能するかを理解してきました。これらの夜行性の生物において、この核は主に光計（ライトメーター）として機能し、環境の明るさをカウントすることで、身体に休息すべき時と目覚めるべき時を伝えます。しかし、日中に活動する動物の日常生活は大きく異なります。彼らは、影や動き、変化するコントラストによって急速に変化する視覚的世界に直面しながら、何時間も明るく複雑な光にさらされています。日中の活動を行う動物における脳の光感知センターが、夜行性の親戚たちと同じように単純な方法で機能しているのか、あるいは、より豊かでダイナミックな視覚情報を扱うために進化してきたのかについては、これまで不明なままでした。

この疑問に答えるため、研究者たちは、一般的な実験用マウスと近い血縁関係にあり、日中に活動する小型の齧歯類である、シマリスマウス（four-striped African mouse）に着目しました。チームは、これらの動物の脳が光にどのように影響を受けるかをマッピングするために、いくつかの手法を組み合わせました。まず、目から脳への物理的な接続を追跡したところ、主要な経路は中央の核へと続く一方で、一部の繊維は周囲の組織にも広がっていることが明らかになりました。次に、一定の光線や明滅するパターンを含むさまざまな種類の光に動物をさらした上で、どのニューロンが活性化されているかを示す脳内の化学的マーカーを調べました。最後に、微小な電極を挿入し、さまざまな明るさの光（薄暗い輝きから明るいフラッシュ、そして変化する明るさの複雑なパターンまで）に動物をさらしている間の、個々の神経細胞の電気活動を記録しました。

結果は、日中活動型のマウスの脳が、これまで考えられていたよりもはるかに広範かつ多様な方法で光を処理していることを示しました。中央の核は、夜行性の動物で見られるのと同様に、発火率を高めることで光に反応しましたが、この活動は単一の場所に限定されていませんでした。むしろ、核のすぐ周囲の組織には、多数の光感受性細胞が見つかりました。これらの隣接する細胞は、核内部の細胞とは異なる挙動を示しました。中央の細胞が環境全体の明るさを追跡する安定した計器として機能したのに対し、周囲の細胞は変化に対して非常に敏感でした。これらの細胞は、光の出現や消失に反応して発火し、明滅や移動するパターンに対して強く反応しました。このことは、日中活動型の種において、日周期時計を司る脳領域が単なる単純な光カウンターではなく、視覚世界のダイナミックな特徴をも分析する、より広範なネットワークの一部であることを示唆しています。

記録された細胞を、複雑で変化する光のパターンに対する反応に基づいてグループ分けすることにより、研究者たちは5つの明確な視覚処理タイプを特定しました。全体の光レベルを検出するように調整された細胞もあれば、急速な変化や特定の種類の動きを捉えることに特化した細胞もありました。決定的なことに、これら異なるタイプの細胞は無作為に混ざり合っているのではなく、特定のゾーンに組織化されていました。一定の明るさを追跡する細胞は主に中央の核の中に存在し、急速な変化に反応する細胞は、そのすぐ外側の領域に集中していました。この配置は、脳が「時間を伝える」というタスクと「視覚の詳細を分析する」というタスクを分離しつつも、それらを連携させるために物理的に近くに保持していることを示しています。

この研究はまた、日中活動型の動物が根本的なレベルで光を異なって処理しているかどうかという、長年の疑問にも取り組みました。一部の初期の小規模な研究では、光は日中活動型の動物の脳内時計において、刺激剤ではなく抑制因子として作用し、活動を抑制する可能性があることが示唆されていました。しかし、今回の新しい大規模な調査では、その考えを支持する証拠は見つかりませんでした。シマリスマウスにおいては、光は夜行性のマウスと同様に、一般的に中央の時計細胞の活動を高めました。相違点は、光が細胞をオンにするかオフにするかではなく、日中活動型の動物が、視覚世界を処理するために、より広大な領域を動員しているという点にあります。この拡張されたネットワークにより、彼らは内部時計を設定するためだけでなく、周囲の詳細な情報を収集するためにも光を利用することが可能となり、それは明るく活動的な一日を航行するために不可欠な能力である可能性があります。これらの知見は、日中活動型の哺乳類において、脳の光感知システムがはるかに多才であり、時間の単純な測定と視覚環境の複雑な分析を統合していることを明らかにしています。