Comparison of cortical auditory evoked potentials in anesthetized versus awake Jamaican fruit bats

あなたの脳を、音が交通量となる賑やかな都市だと想像してみてください。車がクラクションを鳴らしたり、サイレンが鳴り響いたり、鳥がさえずったりすると、その音は空中を伝わり、耳に当たり、電気信号へと変換されます。これらの信号はハイウェイを駆け抜け、脳の「音処理地区」である聴覚野へと向かいます。科学者たちは長い間、この地区に潜入して、どのようにノイズを処理しているのかを知りたいと考えてきました。通常、彼らは微小なマイク（電極）を脳の表面に直接突き刺しますが、それには手術が必要であり、多くの場合、動物を眠らせなければなりません。

しかし、睡眠はゲームの流れを変えてしまいます。それはまるで、人々が寝静まっている午前3時の様子だけを見て、ラッシュアワーの街がどう機能するかを理解しようとするようなものです。交通量はそこにありますが、エネルギーや注意力、そして複雑な相互作用が欠けているのです。人間の世界では、「皮質聴覚誘発電位（CAEP）」と呼ばれる、非侵襲的な方法でこの「交通量」を聞くことができます。CAEFとは、頭蓋を開けることなく、脳の「エコー（残響）」や音に対する反応を聞く方法だと考えてください。これは、キャニオンの壁に反射する叫び声を聞くことに似ています。そのエコーの形によって、キャニオンの形状を知ることができるのです。私たちは人間やマウスにおいてこれがどのように機能するかを知っていますが、コウモリにおいては、特に彼らが最も得意とする活動――つまり、飛び回ったりおしゃべりをしたりしている時――における明確なイメージを見落としていました。この研究が解決しようとしているパズルはこれです。

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バット・シティのサウンドチェック：起きている時と眠っている時

この研究の中で、研究チームはジャマイカフルーツコウモリの「音のエコー」（CAPF）を確認することに決めましたが、一つ仕掛けがありました。彼らは、麻酔下でうとうとしている状態と、完全に目が覚めてリラックスしている状態の両方を比較したかったのです。なぜフルーツコウモリなのか？ それは、彼らがコウモリ界の「大型SUV」のような存在だからです。体重は約45〜55グラムあり、厚い頭蓋を持っているため、頭蓋が紙のように薄い小型の食虫性コウモリよりも、微小な記録装置を取り付けるのがずっと簡単なのです。

研究者は、バットたちに対してさまざまな音を流せるサウンドラボを設置しました：激しいスタティック・ノイズ（雑音）、ピッチが上がったり下がったりするスウィープトーン（スライドホイッスルのようなもの）、そしてコウモリ同士の会話を模倣した特定の音です。彼らは二つのシナリオでコウモリの脳波を記録しました。第一に、ヒトの外科手術でも使われるイソフルランというガスを使用して、バットたちを眠らせました。第二に、特別な小さな埋め込み型マイクロフォンシステムを使用し、ケージの中で静かにぶら下がっている間の目覚めた状態のバットを記録しました。

最大の驚き：「ボリューム」のつまみ

最も衝撃的な発見は、バットが起きているときの方が、脳の「エコー」がいかに大きく聞こえたかということでした。バットが眠っているとき、脳波は確かに存在しましたが、それはごく小さな囁きのようでした。ところが、バットが起きているときは、同じ脳波がなんと17倍も大きくなったのです！ まるで、麻酔が脳のボリュームのつまみを最小限のハム音まで下げてしまい、起きてる状態ではそれをロックコンサート並みに跳ね上げているかのようです。

また、研究者たちは、眠っているバットが音を聞き取るためには、起きているバットと比較して約10デシベルほど大きな音が必要であることを発見しました。これは、眠っているバットは重いイヤーマフをしている一方で、起きているバットは耳を大きく開いているようなものです。

エコーの形

ここで、（麻酔を使用しなければならない）科学者にとっての朗報があります。たとえボリュームが大幅に下がっていたとしても、音のエコーの「形」はほとんど全く同じだったのです。バットが眠っていようが起きていようが、脳は音に対して同じピークと谷のパターンを作り出していました。つまり、たとえ眠っている動物が完全な「ロックコンサート」を聞けなかったとしても、どのような音楽が演奏されているかを判断することは可能です。騒音バースト、下降スウィープ、あるいは上昇スウィープに対する脳の基本的な反応は、両方の状態で定性的に類似していました。

しかし、一点だけ小さな違いがありました。バットが目を覚ますと、ノイズが始まってから約10〜12ミリ秒後に、小さな追加の隆起が現れました。研究者が「P0」と呼んでいるこの突起は、視床と呼ばれる脳の深い部分に由来すると考えられています。麻酔があまりにも効果的であったために、この小さな隆起を完全に隠してしまったようです。したがって、メインストーリーは同じでしたが、起きているバットは眠っているバットが隠していた小さな詳細を明らかにしたのです。

「交通渋滞」テスト

チームはまた、ターゲットに向かって飛んでいく際に連続してクリック音を発するバットのように、急速な一連の音をバットの脳がどのように扱うかもテストしました。単一のクリック音を再生した場合、脳は明瞭なエコーを作りました。しかし、非常に素早いペースで5回のクリック音を再生すると、脳は5つの別々のエコーを作るのではなく、それらをすべて一つの大きな複雑な波へと融合させました。これは、バットの脳が優れた「時間統合」を行っていることを示唆しています。つまり、個々のクリックごとに混乱するのではなく、より大きな全体像を理解するために、速い音を一つにまとめ合わせるのです。これは、バットが眠っていても起きていても起こった現象ですが、起きているときの反応の方がはるかに強力でした。

なぜこれが重要なのか

この研究は、麻酔が脳の反応を抑え、いくつかの細かなディテールを隠してしまう「重い毛布」のような役割を果たす一方で、主要な構図を歪めることはないということを裏付けています。もしあなたがバットの脳がどのように音を処理しているかを知りたいのであれば、眠っているバットを調べることで信頼できる、控えめながらも正確な地図を得ることができます。しかし、注目度やエネルギーにあふれた鮮やかな街の姿を見たいのであれば、バットが起きている瞬間に捕まえなければなりません。

研究者たちはまた、以前調査した昆虫食のメキシコ自由尾コウモリとも比較しました。驚いたことに、フルーツコウモリははるかに大きく食事の内容も異なりますが、彼らの脳の音のエコーはほぼ同一に見えました。これは、バットが虫を狩っていようと果実をつついていようと、音を処理する方法は非常に古く、共通した家族の特徴であることを示唆しています。

要するに、この論文は、私たちが聴覚の基本を理解するために眠っているバットのデータを利用しても問題はないこと、しかし、現実世界でバットの脳がどのように機能しているかという、もっとも大きく、うるさく、詳細な物語を聞きたいのであれば、彼らが起きている時に聞かねばならないということを教えてくれます。そして初めて、私たちはあの17倍も大きい、目覚めた状態の脳がどのような姿をしているのか、その明確なマップを手に入れたのです。