脳の空間認識能力は宇宙のように広がる

脳の空間認識能力は宇宙のように広がる

ソークの研究者らは、空間認識を担う神経ネットワークが非線形に変化し、アルツハイマー病などの神経変性疾患に影響を及ぼす可能性があることを発見した

【ラホーヤ】幼い子供たちは、月が自分を追ってくる、あるいは手を伸ばせば月に触れることができると信じていることがある。 実際の距離に比例するよりもはるかに近くにあるように見えます。 私たちは日常生活を送っているとき、空間を直線的に移動していると考える傾向があります。 しかし、ソークの科学者たちは、環境の探索に費やす時間が、神経表現を驚くべき方法で成長させることを発見しました。

に発表された調査結果、 ネイチャーニューロサイエンス 29 年 2022 月 XNUMX 日の博士らは、空間ナビゲーション、記憶、計画に不可欠な海馬のニューロンが、非線形双曲幾何学 (外側に向かって指数関数的に成長する XNUMX 次元の広がり) に従う形で空間を表現していることを示しました。 （言い換えれば、それは拡大する砂時計の内部のような形をしています。）研究者らはまた、その空間のサイズが、その場所で過ごす時間とともに増大することも発見しました。 そして、そのサイズは、脳によって処理される情報の最大可能増加に一致するように、対数的に増加しています。

この発見は、アルツハイマー病などの学習と記憶に関わる神経認知障害に関するデータを分析するための貴重な方法を提供します。

「私たちの研究は、脳が常に直線的に機能するとは限らないことを示しています。 代わりに、ニューラル ネットワークは拡大曲線に沿って機能し、双曲幾何学と情報理論を使用して分析および理解できます」とソーク教授は言います。 タチアナ・シャープー、研究を主導したエドウィン・K・ハンターチェアの保持者。 「脳のこの領域の神経反応が、特定の場所で費やした時間に基づいた経験に応じて拡大するマップを形成したことを見るのは興味深いことです。 この効果は、動物が環境内をよりゆっくりまたはより速く走った場合でも、時間のわずかなずれに対してさえ保持されました。」

シャーピーの研究室では、脳の仕組みをより深く理解するために高度な計算アプローチを使用しています。 彼らは最近、匂い分子や匂いの知覚などの生物学的信号をよりよく理解するために双曲幾何学の使用を開拓しました。

今回の研究で、科学者らは双曲幾何学が神経反応も導くことを発見した。 感覚分子とイベントの双曲線マップは、双曲線神経マップで認識されます。 空間表現は、ラットが各環境を探索するのに費やした時間に相関して動的に拡張されました。 そして、ラットが環境内をよりゆっくりと移動すると、その空間についてより多くの情報が得られ、それによって神経表現がさらに成長しました。

「今回の研究結果は、神経表現が経験に応じてどのように変化するかについて、新たな視点を提供するものです」と、シャープー研究室の大学院生、フアンチウ・チャン氏は言う。 「私たちの研究で特定された幾何学的原理は、さまざまな脳システムにおける神経活動を理解する将来の取り組みにも役立つ可能性があります。」

「双曲幾何学は宇宙規模でのみ適用されると思われるかもしれませんが、そうではありません」とシャープ氏は言います。 「私たちの脳は光の速度よりもはるかに遅く機能します。これが、双曲効果が天文学的な空間ではなく把握可能な空間で観察される理由である可能性があります。 次に、脳内のこれらの動的な双曲線表現がどのように成長し、相互作用し、相互に通信するのかをさらに学びたいと考えています。」

他の著者には、プリンストン大学の P. ディラン リッチ氏とハワード ヒューズ医学研究所ジャネリア リサーチ キャンパスのアルバート K. リー氏が含まれます。

この研究は、米国心臓協会とポール・G・アレン・フロンティアーズ・グループ（19PABH134610000）、ドーセット・ブラウン財団、メアリー・K・チャップマン財団、アギンスキー財団を通じて共同で行われた脳の健康と認知障害におけるAHA-アレン・イニシアチブ賞によって支援された。フェローシップ、米国科学財団 (IIS-1724421)、米国科学財団神経科学のための次世代ネットワーク プログラム (賞 2014217)、国立衛生研究所 (U19NS112959 および P30AG068635)、およびハワード ヒューズ医学研究所。

DOI： 10.1038/s41593-022-01212-4