どちら側ですか?: 脳は境界線をどのように認識するか

どちら側ですか?: 脳は境界線をどのように認識するか

ソークの科学者らは、脳皮質の深部にあるニューロンが、視覚的な境界線のどちら側が物体でどちら側が背景であるかを最初に計算していることを発見した。

ラホーヤ—古典的な「ルビンの花瓶」の錯視では、精巧な曲線を描いた花瓶か、鼻がほとんど触れ合いそうな XNUMX つの顔が見えます。 どの瞬間においても、どのシーンを知覚するかは、脳が中央の花瓶の形を絵の前景として見ているか、背景として見ているかによって決まります。

さて、教授 ジョン・レイノルズ と上級博士研究員トム・フランケンは、視覚的な境界線のどちら側が前景オブジェクトでどちらが背景であるかを脳がどのように決定するのかについての理解に前進しました。 この研究は、30 年 2021 月 XNUMX 日にジャーナルに掲載されました。 eLifeは、脳の各領域がどのように通信して感覚情報を解釈し、私たちの周囲の世界のイメージを構築するかを明らかにします。

「脳がどのようにして外界の表現を組織化し、生成するのかは、今日の神経科学において依然として最大の不明点の一つです」と、神経科学分野のフィオナ＆サンジェイ・ジャ委員長の保持者であるレイノルズ氏は言う。 「私たちの研究は、脳が境界線をどのように処理するかについて重要な洞察を提供し、統合失調症などの知覚が障害される精神医学的状態のより良い理解につながる可能性があります。」

目の前のシーンを見ると、大脳皮質の個々のニューロンがそれぞれ、シーンのごくわずかな領域に関する情報を受け取ります。 したがって、オブジェクトの境界から情報を受け取るニューロンは、どちらの側が前景であるかについての初期コンテキストをほとんど持ちません。 しかし、科学者たちは以前、境界線のどちら側が物体に属しているかを非常に迅速に通知する一連のセル (「境界線の所有権」) を発見しました。 結局のところ、奥行き知覚と目の前の物体を識別する能力は、生き残るために不可欠です。それは縁石なのか影なのか、岩なのか洞窟なのか？

脳内のこれらのニューロンが境界の所有権を正確にどのように計算するかは不明です。 一部の科学者は、目からの情報が脳を通過して、より下流（より深い）領域に次々と送られるにつれて、脳が視覚的なシーンのモデルを構築するまで、各領域で追加の計算が行われると仮説を立てました。 これは「フィードフォワード」経路と呼ばれます。 しかし、他の科学者は、脳の下流領域がまず情報を処理し、次にこれらの手がかりを上流領域のニューロンに送り返し、国境の所有権を把握するのに役立つ「フィードバック」経路の重要性を仮説を立てた。

レイノルズとフランケンは、どちらの仮説が正しいかを判断することにしました。 研究者らは、電極を使用して、動物が空白の背景にある正方形の物体の画像を観察したときの、脳皮質のさまざまな層のニューロンの活動を記録しました。 科学者らはまず、どの特定のニューロンが正方形と背景を区切る境界線の小さな部分からの情報を処理しているかを特定した。 次に、これらのニューロンの境界所有権信号のタイミングを測定し、これを異なる層のニューロンについて比較しました。

「私たちが発見したのは、境界線の所有権に関する最も初期の信号は、脳皮質の深層にあるニューロンで発生しているということです」と医師科学者であり、国立衛生研究所からK99独立への道賞の支援を受けているフランケン氏は言う。 「これは、フィードバック接続が深層のニューロンに到着し、そこから離れるため、境界を解読するためのフィードバック経路の重要性を裏付けています。」

研究者らはまた、皮質の異なる層に垂直に積み重ねられたニューロンが、境界所有権の同じ選好を共有する傾向があることも観察した。 たとえば、特定のニューロン列は境界線の左側がオブジェクトであるシーンを好み、他のニューロン列は境界線の右側がオブジェクトであるシーンを好みます。 これらの発見は、フィードバックが実際に体系的な方法で組織されている可能性を示唆しており、さらなる研究の有望な道であるとフランケン氏は説明する。

「脳の構造と、ニューロンの集団がどのように相互に通信して外界の内部表現を構築するのかを理解するにつれて、これらの内部表現が影響を受ける脳疾患の診断ツールや治療法を開発する立場がより良くなります。統合失調症のような歪んだものです」とフランケンは言う。 「統合失調症に伴う幻覚や妄想は、フィードフォワードとフィードバックのループの混乱に関連している可能性があります。」

次に、フランケン氏はこれらの結果を実験で追跡し、フィードバックによって伝えられた情報が国境の処理にどのように寄与するかを調査する予定です。

この研究は、ジョージ E. ヒューイット医学研究財団からの助成金、脳行動研究財団からの NARSAD 若手研究者助成金、および国立衛生研究所国立眼科研究所からの助成金によって支援されました。

DOI： https://doi.org/10.7554/eLife.72573