Increased activity without changes in coupling between somata and apical dendrites during visual mismatches

脳は、単に世界を映し出す受動的なカメラではありません。むしろ、過去に学んだあらゆる事柄に基づき、「次に何が起こるか」という推測を絶えず生成する能動的な予測器なのです。コーヒーカップに手を伸ばすとき、あなたの脳は、手が動く前からその重さと位置をすでに予測しています。このように、入ってくる感覚データと内部の期待値を比較する能力は、脳の外層である皮質がどのように機能しているかという根本的な理論です。科学者たちは、現実がこれらの予測と一致しないとき、脳がエラーをフラグ立てするための特定の信号を生成しているのではないかと長年疑ってきました。しかし、脳がこれらの信号を非常に複雑な方法で処理しており、しばしば同じ神経細胞の異なる部分が同時に連携して働くことを伴うため、それが正確にどのように起こるのかを証明することは困難でした。

このプロセスを理解するために、研究者たちはピラミッド型の形をした一般的な脳細胞である「錐体ニューロン」に注目しました。これらの細胞には、指令センターとして機能する「ソマ（細胞体）」と呼ばれる主要な本体と、遠くまで伸びて情報をやり取りするための長い枝分かれした腕である「頂端樹状突起」があります。ある説では、樹状突起は脳の他の部分からの「トップダウン」の予測を受け取り、ソマは感覚からの「ボトムアップ」のデータを受け取るとされています。細胞がこれら2つの情報の流れを比較することで、不一致を検出するという考えです。もし予測が間違っていれば、細胞は異なる方法で発火したり、その各部の相互作用を変えたりする可能性があります。大きな疑問は、この比較が単一の細胞内で行われるのか、そしてもしそうなら、驚きが生じたときに細胞の本体とその長い腕が協調的な反応を示すのかどうかということでした。

研究チームは、マウスを用いてこのプロセスをリアルタイムで観察することに乗り出しました。彼らは、細胞が驚きを検知する瞬間を捉えられるか、具体的には、驚きによって細胞の本体と長い腕が同時に、あるいは別々に反応するかどうかを確認したいと考えました。これを行うために、彼らは覚醒し、動き回るマウスの脳の深部を覗き込むことができる高度な顕微鏡を使用しました。彼らは、視覚情報を処理する部分である視覚野に焦点を当てました。まず、マウスに特定の画像のシーケンスを見せ、動物がそれに慣れるまで（習慣化させるまで）訓練し、実質的にマウスに「何を期待すべきか」を教え込みました。その後、研究者たちはシーケンスに予期せぬ変化を導入し、脳がどのように反応するかを観察しました。

実験では、2つの非常に異なる種類の視覚刺激を用いました。第一に、マウスは、土の中を這い回る虫や屋外を走るマウスなど、自然なシーンの短いクリップを見せられました。これらのクリップは、マウスが慣れるまで順方向に再生され、その後、クリップの一部が予期せず逆再生されました。これにより、時間の流れと動きの自然な流れが壊れ、動物にとって真の驚きが生じました。第二に、マウスには「ガボール・パッチ」と呼ばれる単純で人工的な形状のシーケンスが見せられました。これらは、特定の角度を持つぼやけた光の棒のようなものです。これらのパッチは予測可能なパターンに従って変化しますが、その後、一つのパッチが予期せず異なる角度へと回転しました。研究者たちは、細胞体と遠く離れた樹状突起の先端の両方から活動を同時に記録するために、デュアルプレーン顕微鏡を使用しました。これにより、驚きが生じた際に、細胞の2つの部分が同期して反応するかどうかを確認することができました。

結果は、自然な映画クリップにおいて明確かつ衝撃的なものでした。ビデオが突然逆再生されると、視覚野のニューロンは、同じクリップが完全に逆再生された（驚きのない）順序で再生されたときよりも強く発火しました。この活動の増加は、脳が「期待していたもの」と「実際に見たもの」の間の不一致を検知したサインでした。決定的なことに、この反応は細胞体と頂端樹状突起の両方で見られました。細胞の2つの部分は共に活動の増加を示しましたが、研究者たちは、驚きの最中にそれらの間の関係性や「結合（カップリング）」が変化したという証拠は見出せませんでした。このパターンは、視覚野の異なる層や、脳の異なる領域においても一貫していました。また、この反応はマウスが最初に逆再生に遭遇したときに最も強く、数日間にわたって驚きに繰り返しさらされるにつれて徐々に減少したことから、脳が新しいパターンを自身の期待の中に組み込むことを学習していることが示唆されました。

しかし、研究者が人工的なガボール・パッチに切り替えると、物語は一変しました。実験を慎重に設計したにもかかわらず、単純な形状の向きが予期せず変わったとき、マウスは自然なシーンで見られたような明確な驚きの兆候を示しませんでした。ニューロンは、角度が不一致となったシーケンスに対して、コントロール用のシーケンスと比較して有意に高い発火を示しませんでした。研究者たちは、細胞が繰り返し見たことによる疲労や、新しい形状に対する反応といった、いくつかの代替的な説明を排除しました。このデータは、視覚システムが自然界の複雑で連続的な流れに対して高度にチューニングされている一方で、単純で人工的なパターンについては、それとは異なる扱いをしていることを示唆しています。脳は自然界の統計に基づいた期待を持っており、その期待が抽象的で人工的なパターンによって破られたとき、同種のエラー信号を生成することに苦戦するようです。

おそらく最も重要な発見は、ニューロンの異なる部分がどのように通信しているかに関するものでした。多くの理論では、不一致が生じた際、細胞体と樹状突起の間の接続が変化し、エラー信号を促進するために強まったり弱まったりすると予測されていました。研究者たちは、樹状突起の活動が細胞体の活動にどの程度密接に結びついているかを測定することで、この証拠を探りました。しかし、驚きの最中にこの結合が変化したという証拠は見つかりませんでした。通常の期待通りのシーケンスのときと同様に、細胞の2つの部分は互いに繋がったままであり、これは、脳がエラーを知らせるために、これら2つの区画の対話方法を急激に変化させることに依存していないことを意味します。むしろ、脳はより分散的で安定した通信形態を用いており、不一致を検知した際には、細胞全体が単に一斉に活性化するのです。

これらの知見は、脳が視覚的世界をどのように処理しているかについて、新たな視点を提供しています。視覚野が自然なパターンの逸脱に敏感であり、自然の流れが遮断されたときに堅牢な信号を生成することを、これらの結果は裏付けています。しかし同時に、この感受性はあらゆる驚きに対する普遍的な反応ではなく、脳が扱うために進化してきた複雑な入力に特有のものであることも示しています。さらに、本研究は、脳のエラー検出メカニズムが、単一のニューロンの各部の相互作用における劇的な再構成に依存しているという考えに異を唱えています。脳は、より分散的で安定した通信形態を用いており、自然界の何かがうまくいかなくなったことを知らせるために、細胞全体がただ「目覚める」という仕組みを持っているようです。この研究は、予測の背後にある生物学的な仕組みを明らかにしており、私たちの脳が自然のリズムには細かく調整されているものの、人工的な設計の硬直したパターンに対しては、それほどではない可能性を示しています。