Automatic orofacial behaviors remap within cortical substrates for voluntary motor control in freely moving primates
本研究は、自由に動くマカクにおいて、通常は随意的な運動制御に関連付けられる皮質回路が、あくびのような自動的な口顔面行動を調節し形成するために能動的に動員されていることを示しており、これは、異なる集団力学が自動的および随意的両方の顔面動作を支配するという共通の神経基盤が存在することを明らかにしている。
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
何世紀もの間、科学者たちは二種類の動きの間に明確な線を引いてきました。一方には、突然のあくびや、顎を固くさせるような突発的な怒りのように、思考なしに起こると思われる自動的で本能的な動作があります。これらは、意識的な意志とは無関係に機能する古代の回路として、脳の奥深くにハードワイヤリング（組み込まれて）されていると考えられてきました。もう一方には、水を一口飲んだり、リンゴを噛んだりすることを選択するように、脳の外層を用いて正確な指令を計画・実行する、随意的な動作があります。長年の見解では、これら二つのシステムは別々のトラックを走っている、つまり、脳の深部は反射を扱い、表面の皮質は選択を扱うというものでした。しかし、この分離は一つの謎を残しています。もし猿が自動的にあくびができるのであれば、なぜあくびをしながら歯を隠したり、あくびに特定の音を組み合わせたりすることができるのでしょうか。これは、意識的な脳が、これらの自動的なパターンに手を加え、微調整することができる可能性を示唆していますが、その接続がどのように、どこで行われているのかは誰にも分かりませんでした。
研究チームは、猿が自由に動いている間の脳の動きを観察することで、このパズルを解こうとしました。彼らは、脳の表面にある運動制御を司る腹側運動野および前運動野に焦点を当てました。実験室の椅子に拘束して自然な行動を制限する代わりに、科学者たちは2匹のマカクザルにワイヤレス記録装置を取り付けました。これらの装置により、猿がケージ内や特別な観察室を動き回っている間、脳内の640もの異なる地点の電気活動を監視することが可能になりました。研究者たちは、主に自動的なものである「あくび」と「威嚇表示」、そして随意的なものである「噛む動作」と「飲む動作」という、4つの特定の行動を注視しました。彼らは、猿がジュースを飲むのを助けるのと同じ脳細胞が、あくびをする際にも活動するのか、もしそうであれば、どのように行動を変化させるのかを知りたいと考えたのです。
結果は、驚くべきレベルの重複を明らかにしました。猿があくびをしたとき、研究者たちは、ある周波数帯域の減衰に続いて別の帯域の急増が見られるという、独特な電気活動のパターンを示す169の特定の地点を発見しました。さらに重要なことに、彼らは401個の個別の神経細胞を特定し、そのうち95個がよくびの際に発火していることを見出しました。これらはランダムな細胞ではなく、主に筋肉に信号を送ることで知られる中型の錐体細胞でした。決定的なことに、これらの細胞は、猿が自発的に噛んだり飲んだりするときにも活動していました。これは、脳が、あくびのために専用の別個の細胞チームを使用していないことを意味します。その代わりに、脳は随意的な動作に使用するのと全く同じ細胞を動員していたのです。
しかし、細胞の振る舞いは、動作に応じて変化しました。猿が噛む動作を行う際に口を閉じるために発火するはずの細胞が、あくびの際には口を開けるために発火し、自動的なパターンに抗うように働くことがありました。また、自動的な動きと同期して発火し、それを強化する細胞もありました。これは、脳が単に自動的なあくびが起こるのを観察しているだけでなく、随意的な信号を用いて、自動的な動きを加速させたり、減速させたり、あるいはその形状を変えたりすることで、能動的に形作っていることを示唆しています。研究者たちは、特定の脳部位に微弱な電流で刺激を与えることで、この因果関係を裏付けました。あくびの際に発火する場所を刺激すると、猿の口や顔が動いたため、これらの細胞が筋肉を直接制御する力を持っていることが証明されました。
対照的に、威嚇表示に対する脳の反応は異なっていました。威嚇の際にも活動する細胞はありましたが、あくびに関与するものに比べるとその数ははるかに少なかったのです。さらに、これらの細胞は本来の役割を維持していました。例えば、自発的な噛み動作において口を開けるために発火する細胞は、威嚇の際にも口を開けるために発火しました。彼らは役割を切り替えたり、動きを妨げたりすることはありませんでした。これは、脳がよおくびを柔軟に作り変えることができる一方で、急速で自動的な威嚇表示については、おそらく意識的な思考によって修正するには速すぎるため、ほとんど手を付けずにいることを示しています。
研究はまた、これらの脳細胞がグループとしてどのように連携しているかという大きな視点についても調査しました。全細胞の活動を一度にマッピングすることで、研究者たちは、噛む動作や飲む動作といった随意的な動作が、脳の活動空間において長く明確な経路を辿ることを確認しました。あくびや威嚇表示のような自動的な動作は、より短く、互いに近いものの、随意的なものとは明確に区別された経路を辿りました。自動的な行動は、より小さく共有された細胞グループを使用しているにもかかわらず、脳はそれらを他の行動や随意的な動作から識別することができました。これは、脳が異なるものを作り上げるために、同じ道具を道具箱から取り出して使える、柔軟なシステムを持っていることを意味します。脳は、自動的なあくびを優しく操るために随意的な制御センターを利用し、各行動の明確なアイデンティティを保ったまま、動物が現在の社会的状況に合わせて深い本能を適応させることを可能にしているのです。
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