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匂いは様々な細胞が協同して伝達している「嗅覚系のモデル」

匂いを嗅ぐという行為を、脳はどのようにその情報を処理しているのでしょうか。
科学者たちは、嗅覚系をシミュレートするモデルを作り、嗅覚系の接続を明らかにしました。

“These findings reveal a core principle of the nervous system, flexibility in the kinds of calculations the brain makes to represent aspects of the sensory world,” said Krishnan Padmanabhan, Ph.D., an associate professor of Neuroscience and senior author of the study recently published in Cell Reports.

参照元：https://www.urmc.rochester.edu/news/publications/neuroscience/the-art-of-smell
– ロチェスター大学医療センター University of Rochester Medical Center. Apr. 4, 2022 –

バラの香りを嗅ぐとどうなるのだろう？その香りのエッセンスを、脳はどのように処理しているのでしょうか。

それはまるで絵画のようなもので、一瞬を切り取った細胞の活動のスナップショットなのでしょうか？

それとも交響曲のように、香りをとらえるためにさまざまな細胞が協働して進化するアンサンブルなのでしょうか？

新しい研究は、私たちの脳がその両方を行っていることを示唆しています。

神経科学の准教授で、最近『Cell Reports』に掲載されたこの研究の筆頭著者であるクリシュナン・パドマナバン博士は話します。

パドマナバン博士：今回の発見は、神経系の基本原理である、感覚世界の様相を表現するために脳が行う計算の種類の柔軟性を明らかにするものです。我々の研究は、科学者に、脳の活動パターンを定量化し解釈するための新しいツールを提供しています。

研究者達は、初期の嗅覚系（脳が匂いを嗅ぐために頼るネットワーク）の働きをシミュレートするためのモデルを開発しました。

コンピュータシミュレーションの結果、中枢神経系の他の部位から脳の初期感覚領域にインパルスを伝える遠心性線維と呼ばれる特定の接続が、重要な役割を担っていることが判明したのです。

この遠心性線維は、匂いを効率的に表現するために、異なる戦略を切り替えるスイッチのような役割を担っている。遠心性線維がある状態にあるとき、匂いの知覚を形成する梨状皮質の細胞は、ある瞬間における活動パターンを頼りにしていました。

遠心性繊維がもう一方の状態にあるとき、梨状皮質の細胞は、時間を越えた脳活動のパターンに依存することによって、においを感知して分類する正確さと速度の両方を向上させました。

これらの過程は、脳が匂いを表現するために複数の反応を持っていることを示唆しています。

1つは、絵画や写真のように、ある瞬間のスナップショットを用いて、匂いの本質的な特徴をとらえる方法です。

もうひとつは、脳が進化するパターンを追跡する方法です。

脳は、どの細胞がいつオン・オフするのか、まるでシンフォニーのように同調するのです。

研究チームが開発した数理モデルは、神経系の重要な特徴、すなわち、脳を構成する成分の多様性だけでなく、これらの成分がどのように連携して、脳が匂いの世界を体験するのに役立っているのかを浮き彫りにするものであった。

パドマナバン博士：これらの数学モデルは、脳の嗅覚系がどのように機能しうるかについての重要な側面を明らかにしており、脳に着想を得た人工計算システムの構築に役立つ可能性があります。
このような脳の回路にインスパイアされた計算アプローチは、自動運転車の安全性を向上させたり、コンピュータービジョンアルゴリズムが画像内の物体をより正確に識別・分類するのに役立つ可能性を持っています。

追加執筆者には、ロチェスター大学のZhen Chen氏も含まれています。

本研究は、米国国立衛生研究所、米国科学財団、シスチン症研究財団、ロチェスター大学デルモンテ神経科学研究所パイロットプログラムの助成を受けて行われました。

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