脳が見たもの

2011 年 3 月 30 日

脳が見たもの

2011 年 3 月 30 日

カリフォルニア州ラホヤ—目を開けた瞬間、私たちは世界を明らかに簡単に認識できます。 しかし、網膜のニューロンが私たちが「見る」ものをどのようにコード化するかという問題は、難しい問題でした。 私たちの脳の機能を理解する上での主な障害は、その構成要素であるニューロンが複雑な刺激に対して非常に非線形な方法で反応するため、刺激と反応の関係を識別することが非常に困難であることです。

今回、ソーク生物学研究所の物理学者チームは、限られた測定値を最適に活用する一般的な数学的枠組みを開発し、「脳の言語」の解読に一歩近づきました。 このアプローチは、最新号で説明されています。 公共科学図書館、計算生物学、時間的刺激パターンのペアに関する情報のみが脳に伝えられることを初めて明らかにしました。

XNUMX つの特徴に応答するニューロンのスパイク分布は、理解するのが難しい形状になる場合があります。

画像: ソーク生物学研究所のタチアナ・シャープ博士提供

「高次の刺激の組み合わせが暗号化されていないことを知って驚いたのは、それらが私たちの自然環境に広く普及しているからです」と研究リーダーは語る タチアナ・シャープー、Ph.D.、計算神経生物学研究室の助教授であり、神経生物学のヘレン・マクロレイン発達講座の保持者。 「人間は、空間パターンの高次の組み合わせの変化に非常に敏感です。 時間的パターンには当てはまらないことがわかりました。 これは、ビジュアルエンコーディングの空間的および時間的側面における根本的な違いを浮き彫りにしています。」

人間の顔は、空間パターンの高次の組み合わせの完璧な例です。 すべての構成要素 (目、鼻、口) は相互に非常に特殊な空間的関係を持っており、キュビスム時代のピカソでさえ、ルールを完全に覆すことはできませんでした。

私たちの目は視覚環境を取り入れ、色、位置、形状、動き、明るさなどの個々の要素に関する情報を脳に伝達します。 網膜の個々のニューロンは特定の特徴によって興奮し、電気信号またはスパイクで反応し、それが脳の視覚中枢に伝えられ、そこで異なる好みを持つニューロンによって送信された情報が組み立てられ、処理されます。

たとえば照明をつけるなどの単純な感覚イベントの場合、明るさは網膜の輝度感受性細胞のスパイク確率とよく相関します。 「しかし、ここ XNUMX 年ほどで、ニューロンが実際には複数の特徴に関する情報を同時にエンコードしていることが明らかになりました」と、大学院生で筆頭著者のジェフリー D. フィッツジェラルドは言います。

実験中に提示されたちらつき光刺激の例。

動画: ソーク生物学研究所のタチアナ・シャープ博士提供

「これまでの研究のほとんどは、細胞が反応する特徴を特定することに集中していました」と彼は言う。 「細胞がこれらの特徴についてどのような種類の情報をエンコードしているのかという問題は無視されていました。 刺激と反応の関係を直接測定すると、奇妙な形状が得られることが多く [たとえば図 1 を参照]、人々はそれを分析するための数学的枠組みを持っていませんでした。」

これらの制限を克服するために、Fitzgerald らは、ノイズ エントロピーと呼ばれる量を最大化することによって、情報処理システムの非線形関係のいわゆる最小モデルを開発しました。 後者は、刺激に反応してニューロンがスパイクする確率についての不確実性を表します。

フィッツジェラルドがこのアプローチを、共著者であるカリフォルニア大学サンフランシスコ校のローレンス・シンチッチとジョナサン・ホートンが作成した、ちらつきのある映画で調査された視覚ニューロンの記録に適用したところ、平均して一次相関が 78 パーセントを占めることを発見しました。エンコードされた情報のうち、二次相関が 92 パーセント以上を占めました。 したがって、脳は二次以上の相関関係についてほとんど情報を受け取りませんでした。

「分子から生態系に至るまで、あらゆるスケールの生物システムはすべて、環境内の重要な出来事を検出し、実用的な情報に変換する情報プロセッサーと考えることができます」とシャープ氏は言います。 「したがって、私たちは、最大限に有益で重要な刺激と反応の関係を特定することによってデータを『集中』させるこの方法が、システム生物学の他の分野でも役立つことを期待しています。」

この研究は、国立衛生研究所、サール奨学金プログラム、アルフレッド・P・スローン・フェローシップ、WMケック研究優秀賞、および生物医学科学におけるレイ・トーマス・エドワーズ・キャリア開発賞から一部資金提供を受けました。

ソーク生物学研究所について：
ソーク生物学研究所は世界有数の基礎研究機関の XNUMX つであり、国際的に有名な教員がユニークで協力的かつ創造的な環境で生命科学の基礎的な疑問を研究しています。 ソークの科学者は、発見と次世代の研究者の指導の両方に重点を置き、神経科学、遺伝学、細胞生物学、植物生物学、および関連分野を研究することで、がん、老化、アルツハイマー病、糖尿病、感染症の理解に画期的な貢献を行っています。

教員の功績は、ノーベル賞や全米科学アカデミーの会員など、数多くの栄誉によって認められています。 ポリオワクチンの先駆者であるジョナス・ソーク医学博士によって 1960 年に設立されたこの研究所は、独立した非営利団体であり、建築上のランドマークでもあります。