Neuronal avalanches in awake macaque V1 and V4
本研究は、覚醒状態のマカク猿の初期視覚野（V1およびV4）におけるニューロンのアバランチが、強力で構造化された求心性入力の存在にもかかわらず、以前に運動領域で観察されたものと同様の堅牢なべき乗則スケーリングと臨界力学を示すことを実証している。
原論文は CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 これは査読を受けていないプレプリントのAI生成解説です。医学的助言ではありません。この内容に基づいて健康上の判断をしないでください。 免責事項の全文を読む
脳は静的な機械ではなく、決して真に休息することのない、生きたネットワークである。私たちが特に何かを考えていない時でさえ、数十億ものニューロンが複雑で変化し続けるパターンの中で発火している。何十年もの間、科学者たちはこの背景ノイズがランダムな混沌なのか、それとも隠された秩序に従っているのかという疑問を抱いてきた。一つの説서는、脳が「臨界点」、すなわち情報が最も効率的に流れる、秩序と混沌の間の繊細なバランスの上に機能していることを示唆している。この状態では、小さな活動の火花は時に素早く消え去ることもあるが、他の時には、小さな雪の結晶が大規模な雪崩を引き起こすのと同様に、同期した発火の巨大な波へと連鎖することがある。これらのカスケード（連鎖）は「ニューロン・アバランチ（神経細胞の雪崩）」として知られており、小さなイベントの頻度は高いものの、大きなイベントは稀であるながらも予測可能な曲線に適合するほど頻繁に発生するという、特定の数学的パターンに従っているように見える。もし脳が本当にこの臨界点に生きているのであれば、それはネットワークが情報を処理するために完璧に調整されており、変化するには硬すぎず、思考を保持するには混沌としすぎていない状態であることを意味する。
最近まで、この現象は覚醒したサルの運動領域（動きを制御する領域）や、麻酔下にある動物の脳スライスにおいて明確に観察されていた。しかし、一つの重要な問いが未解決のまま残されていた。それは、覚醒した動物の視覚野においても、これと同じ臨界的な組織化が存在するのかという点である。視覚系は、目からの強く構造化された信号によって絶えず大量の刺激を受けているという点で独特である。科学者たちは、この強力な外部入力がアバランチの繊細なバランスを乱してしまうのか、あるいは脳の活動を組織化するための内部ルールが、動物が世界を見ている間でも維持されるほど強力なのかを知る必要があった。
この問いに答えるため、研究者たちは2頭の成体のアカゲザルから記録された膨大なデータセットを利用した。これらのサルには、視覚脳の2つの主要な領域、すなわち目からの最初の信号を受け取る一次視覚野と、より複雑な視覚の詳細を処理する高次の領域に広がる、1,000個以上の微小電極を含むアレイが埋め込まれていた。サルは暗い部屋の中で静かに座っており、特定のタスクを実行していなかったため、科学者たちは彼らの自発的な活動を観察することができた。研究者たちは、動物が覚醒している瞬間を特定し、睡眠や眠気のある期間を慎重に除外し、さらにサルの目が開いているか閉じているかにも細心の注意を払った。これらの電極からの電気信号を分析することで、彼らはアバランチの特徴である、小さく始まり大きく成長する活動のクラスター、すなわちシステムが臨界点にあることを示唆する特定の統計的パターンを探った。
結果は驚くべきものだった。両方のサルにおいて、自発的な電気活動は予測通りにこれらのカスケードを形成した。アバランチのサイズは、最小のイベントの10倍以上の範囲にわたって予想通りのパターンに従っており、視覚野が、たとえ目からの強い信号を受けている状態であっても、運動野と同じように組織化されていることを裏付けた。研究者たちは、分析のルールを変更することで、この発見の堅牢性をテストした。異なる時間窓を用いてデータを検討し、何がイベントとみなされるかの閾値を上げ、さらにはパターンの維持を確認するために多数の電極を取り除いてみた。どのケースにおいても、べき乗則の関係は維持されていた。信号のタイミングをシャッフルし、異なる電極上のイベントが同時に起こらないようにしたところ、パターンは消失した。これは、この組織化が実在するものであり、単なる統計的な偶然ではないことを証明している。また、最大のアバランチが停止するカットオフ点は、観察している電極の数と完璧にスケールしており、最大のイベントのサイズは脳の内部ダイナミクスではなく、どれだけの脳を見ることができるかによって制限されていることを示唆していた。
この研究の中で最も興味深い部分の一つは、サルの目の状態に関するものであった。研究者たちは、動物の目が開いている時と閉じている時の脳活動を比較した。直感的には、視覚入力の洪水が遮断されると、脳の振る舞いは大きく変わると予想されるかもしれない。しかし、研究によれば、アバランチの基本的な統計量は実質的に変化しないことが判明した。目が開いていても閉じていても、カスケードのサイズ、成長の速度、そしてネットワーク内の活動のバランスは同じであった。観察された差異は非常に小さく、同一脳内の異なる記録部位で見られる自然な変動よりもはるかに小さかった。このことは、脳の内部組織が極めて安定しており、外部の世界が劇的に変化しても、その臨界状態を維持できるほど強靭であることを示唆している。
研究者たちはまた、全体的なパターンは一貫しているものの、2頭のサルの間や、脳内の異なる記録場所の間には微妙な違いがあることにも注目した。これらの差異は、目を開閉することによって生じる変化よりも大きく、組織の特定の構造や技術的な記録の詳細が正確な数値に影響を与えている可能性を示唆している。本研究は、脳が完璧で不変の臨界状態で機能しているという証拠は見出さなかったが、むしろ、感覚入力の変化に対して弾力性を持つ、安定した臨界的な組織化を維持していることを示した。この研究は、神経細胞のアバランチという優雅でスケールフリーな組織化が、運動制御や静かな麻酔状態に限られたものではなく、覚醒した感覚処理脳における基本的な特徴であることを示し、私たちの脳の仕組みへの理解を広げるものである。
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