コウモリ(哺乳類)には未来の位置を表す神経表現がある

飛行中のエジプトオオコウモリの脳活動を無線で追跡したところ、コウモリの海馬の神経活動が現在の場所よりも未来の場所をより強く表していることが明らかになりました。

“We wanted to find out: Does the neural activity at the present moment do a better job at representing a past or future position than it does the actual present position?

参照元；https://news.berkeley.edu/2021/07/08/a-peek-inside-a-flying-bats-brain-uncovers-clues-to-mammalian-navigation/
– カリフォルニア大学バークレー校 University of California – Berkeley. JULY 8, 2021 –

車で交通量の多い交差点に差し掛かったとき、あなたはその瞬間の自分の位置よりも、近い将来の自分の位置に注意を払うでしょう。

交差点にいつ到着するのか、また、通過する車や歩行者、自転車との衝突を避けるために停止するか減速するかを知ることは、通常、現在の位置を知ることよりもはるかに重要なことです。

このように、現在の位置ではなく、近い将来の位置に注目する能力は、哺乳類の脳に組み込まれたナビゲーションシステムの重要な特徴である可能性が示唆されています。

カリフォルニア大学バークレー校の神経科学者たちは、エジプトオオコウモリが特注の飛行室で飛行しているときの脳活動を無線で追跡しました。

その結果、コウモリの飛行経路と脳内の情報を比較したところ、コウモリの「場所細胞」（動物の空間的な位置を記録する特殊なニューロン）の活動は、コウモリが現在いる場所ではなく、近い将来にいる場所と密接に関連していることが分かりました。

カリフォルニア大学バークレー校のポスドクとして本研究を行った筆頭著者のニコラス・ドットソン氏は話します。

「私たちが知りたかったのは 現在の神経活動は、過去や未来の位置を表現するのに適しているのか、実際の現在の位置を表現するのに適しているのかです。一部の神経細胞では、未来の位置を表す神経活動の方がはるかに優れていることがわかりました。この発見は、この領域の神経活動が、コウモリの現在の位置以上のものを表していることを示しています。」

海馬と呼ばれる脳の領域にある場所細胞は、人間を含むさまざまな陸上動物の生得的な「GPSシステム」を形成しています。

動物が新しい環境を探索すると、異なる位置で異なる場所細胞が活性化し、保存可能な領域の内部地図が作成されます。

ドットソン氏は話します。

「もし、私が部屋の中を歩き回っている間の海馬の神経活動にアクセスできたら、この神経活動に基づいて、私が部屋のどこにいるかを解読できるでしょう。」

げっ歯類における場所細胞の発見は、2014年のノーベル医学・生理学賞を受賞しており、基礎となる実験の多くは1970年代から80年代に行われました。

しかし、脳のこの領域が急速な動きの中でどのように動作するのか、また「非局所的」な位置を表すためにどのように働くのかについては、まだ多くの疑問が残っています。

海馬がナビゲーションに関与していることから、この脳領域のコーディングに注目した研究がいくつか行われています。

カリフォルニア大学バークレー校の神経生物学および生物工学の助教授であるMichael Yartsev氏は話します。

「この脳領域は、今いる場所を表すのではなく、実際には遠く離れた位置を表す活動をすることができるのでしょうか？」

これまでの実験では、この疑問に決定的に答えることはできなかったとYartsev氏は言います。

これは、ラットのような比較的動きの遅い動物を使って行われたためです。

ラットは、実験用の囲いの中では、1秒間に1～2インチ程度しか動かないし、個々のニューロンの活動と動物の位置を時間的に比較する場合、数分の1インチのずれでは大きな違いはないからです。

しかし、コウモリは非常にスピーディーに飛行します。

Yartsev氏は話します。

「コウモリの動きは非常に速いです。実験室では時速30〜50キロで飛びますが、これは非常に有利なことです。同じ数分の1秒の間に、ネズミは数センチ、コウモリは数メートル動くことになります。」

実験では、ワイヤレス神経記録装置を使って、コウモリの脳活動をモニターしました。

コウモリが自由に飛び回る部屋にはカメラが設置されており、コウモリの正確な飛行経路を追跡することができました。

ある実験では、人間がコウモリに室内の3次元空間を探索するよう促しながら、コウモリの位置と脳活動を記録しました。

また、別の実験では、コウモリを一人にして、部屋のさまざまな場所に自動給餌器を設置し、コウモリが飛び回るように仕向けまし。

Yartsev氏とDotson氏は、神経活動のタイミングとコウモリの飛行経路を比較したところ、コウモリの位置を時間的に前進させると、つまり、数百ミリ秒後、あるいは1秒後にコウモリがいる位置と神経活動を比較すると、突然、神経活動と空間的な位置の相関が強くなることを発見しました。

Yartsev氏は話します。

「このデータに基づけば、あるニューロンは空間情報をまったくエンコードしていないと考えられるかもしれません。なぜなら、ゼロの時間や現在の瞬間の位置との相関がないからです。彼らの活動を1秒先の位置と比較すると、突然、信じられないほどシャープな相関が見られるのです。」

今回の発見は、場所細胞の活動が、単に現在の単一の位置を表すだけでなく、実際には近未来や過去にまで及ぶ軌跡を表していることを示唆しています。

ドットソン氏は話します。

「私たちは、廊下を歩いているときに、今どこにいて、まもなくどこに行くのかを想像することができます。その時、脳の中ではどのような活動が行われているのでしょうか。今回の発見は、コウモリが飛んでいるときに、自分がどこにいるかだけでなく、道に沿ってどこにいるかを頭の中で表現していることを示唆しています。」

場所細胞とこのナビゲーションシステムの基本的な構成要素は、さまざまな哺乳類で確認されていますが、1秒先までの経路を投影する能力が、コウモリとその急速な飛行パターンに特有のものなのか、それとももっと多様な動物に共通するものなのかは、まだ明らかになっていません。

しかし、今回の発見は、人間が時間と空間の中での移動をどのように処理しているのかについて、さまざまな興味深い疑問を投げかけているとYartsev氏は言います。

また、海馬は、アルツハイマー病など、場所の感覚や記憶が損なわれる多くの病気の原因にもなっているため、これらの基本的な神経計算を明らかにすることで、病気による障害についての理解が深まり、より効果的な治療法の考案につながる可能性もあります。

Yartsev氏は話します。

「地球上の生物は、コウモリのように遠くの未来を予測する必要はないかもしれませんが、人間の場合でも、状況によって異なる可能性があります。歩いているときは、自分のすぐ前で何が起こるかがわかれば満足でしょう。しかし、車を運転しているときは、非常に速いスピードで移動しているため、3メートル以上先に何が起こるかを知りたいと思うでしょう。コウモリには未来の位置を表す神経表現があることがわかったので、次は、異なる動物間で共有される要素は何かを考えてみましょう。そして、人間はどのような方法で、どの程度、この能力を発揮するのでしょうか？」