マウスが人間のような想像力を持っていることを証明する論文をサイエンス誌に発表するまでに、8年かかりました。

ネズミの脳は人間の親指の先ほどの大きさしかないが、新たな研究により、ネズミにも人間と同じように想像力があることがわかった。彼らは想像力を駆使して、以前に探検した空間に自分自身を置いたり、遠くの物体を特定の場所に移動したりします。研究者たちは、この成果が将来、臨床研究と基礎研究の両方で大いに役立つだろうと信じている。

著者 |王翔

「想像力は人類社会にとって極めて重要です。ほとんどすべての発明は2度起こります。1度目は想像の中で、2度目は現実の中でです」と頼崇禧氏はファンプに語った。

ハワード・ヒューズ医学研究所（HHMI）の博士研究員であった彼は、この時点で非常に興奮していたはずだ。なぜなら、彼は11月2日にサイエンス誌に第一著者として論文を発表し、認知を覆す秘密を明らかにしたばかりだからだ。人間と同じように、マウスにも想像力があるのだ。彼らは想像力を駆使して、以前に探検した空間に自分自身を置いたり、遠くの物体を特定の場所に移動したりします。

論文掲載ページ

現在の場所から遠く離れた場所を想像するこの能力は、過去の出来事を思い出し、起こりうる将来のシナリオを想像するための基礎となります。

「動物がこれを行うことができることがわかり、それを研究する方法も見つかった」と、かつてHHMIのジャネリア研究キャンパスの主任研究員で、現在はベス・イスラエル・ディーコネス医療センターのHHMI研究員であるアルバート・K・リー氏は語った。

元英国首相ビジネス・エネルギー・産業戦略特別顧問のジェームズ・W・フィリップス氏はこの研究を高く評価し、「これは私が神経科学の分野でこれまでに見た中で最も印象的な研究の一つだ。この技術は驚くべき可能性を秘めており、メタサイエンスの組織的実験の焦点になり得ると思う」と述べた。彼は英国ケンブリッジ大学で博士号取得のために勉強していた頃の頼崇禧の同級生だった。

頼崇禧自身も少し落ち着いているように見えた。 「この研究には長い時間がかかり、合計で約8年かかりました。結果が出た今、それほど興奮はしません。」しかし、彼は「上司」の十分なサポートと忍耐にとても感謝しています。結局のところ、「待てない上司がいれば、研究は中止される可能性がある」のだ。 2 人の「ボス」は、この論文の責任著者でもあり、1 人は Albert Lee、もう 1 人は HHMI のプロジェクト リーダー兼上級研究員である Timothy D. Harris です。

ステレオタイプ：ネズミには想像力がない

マウスの脳は実際、人間の脳よりずっと小さく、親指の先ほどの大きさです。実際、前世紀には、多くの科学者がマウスの脳は単なる単純な刺激反応システムであると信じていました。

20 世紀初頭、行動主義は心理学と生物学の分野で注目を集めました。この理論の核となる考え方は、個々の生物の学習と行動は主に報酬と罰に対する反応によって駆動されるというものです。行動主義者は、個人が環境内の刺激に反応し、その刺激の結果（報酬または罰）に基づいて行動を調整すると信じています。言い換えれば、行動主義理論は、外部刺激と反応の関係を重視し、これが行動形成の主なメカニズムであると信じています。

カリフォルニア大学バークレー校の教授エドワード・トルマン氏はこれに反対する。 1948年、彼は『ネズミと人間』の中で認知マップを出版し、「認知マップ」と呼ばれる概念を提唱し、人間や動物が環境を探索する際、脳内に外界の精神的表現を形成し、これらの表現が行動を導くメンタルモデルを構築すると主張した。

言い換えれば、報酬や罰のメカニズムがなくても、生物の脳は環境に関する情報を保存し、それをモデル化します。

1971年、アメリカの科学者ジョン・オキーフは脳細胞の活動レベルでトールマンの理論の証拠を発見しました。彼はマウスの脳の海馬領域で、空間位置を表すために使用される特殊なタイプの神経細胞を発見しました。

実験のプロセスは次のとおりです。彼はマウスの脳の海馬に電極記録装置を埋め込み、マウスが見慣れない部屋の中で自由に動き回れるようにした。マウスが特定の場所まで歩くと、その場所をコード化する脳細胞の発火率が上昇しました。オキーフはこれらの細胞を「場所細胞」と名付けました。さまざまな場所細胞が特定の場所に対応し、脳内の環境の地図を形成します。この発見により、オキーフは2014年のノーベル生理学・医学賞を受賞した。

人間の海馬が重度の損傷を受けると、人体は過去を思い出したり未来を想像したりする能力を失い、同様の患者を対象とした多くの症例研究で同じ現象が確認されています。最も有名な論文の 1 つは、2007 年にデミス ハサビス氏と彼の指導者によって発表されました。その後、ハサビス氏は業界に転向し、人工知能企業DeepMindを設立し、現在のAI革命をリードしています。

言い換えれば、人間が心理的に自分自身を過去に投影して過去の出来事を再体験する能力、また自分自身を未来に投影して将来の出来事を事前に体験する能力には、「精神的なタイムトラベル」という特別な用語があります。これは、時間、場所、人、出来事の記憶と密接に結びついた特定の種類の想像力です。

では、ネズミは心理的な時間を旅することができるのでしょうか?

実際、顕微鏡で見ると、げっ歯類と霊長類の脳組織は非常によく似ているため、それらを区別するには訓練された目が必要です。

さらに、神経科学者たちはこれまでにげっ歯類の脳からの信号を解読し、それが単に感覚や動作の命令に対する反応ではないことを発見している。たとえば、マウスが特定の位置にある場合、対応する場所細胞がアクティブになります。科学者は場所細胞の活動を記録することで、場所細胞がどこにあるかを特定することができます。

しかし、ほとんどの人にとって、自分がどこにいるかを知るだけでは「想像力」の基準を満たしません。なぜなら、想像力が持つ意味合いは、目の前の状況を超えているからです。そしてつい最近の2010年になっても、霊長類研究者たちはマウスには「認知能力」が欠けていると主張していた。

誰も明確な答えを持っていません。

頼崇禧氏は、体系的な研究を行うために動物モデルを開発したいと考えていました。マウスが特定の場所に行くことなく、特定の場所に行ったと想像するだけで対応する場所細胞を活性化できるのであれば、この行動は人間の心理的なタイムトラベルに非常に近いものとなります。

「考える」を読む

2014年8月、ライ・チョンシーは神経科学の博士号を取得するためにケンブリッジ大学に入学しました。その時、彼はすでにこの実験を頭の中で構想し、設計し始めていました。

2015年のある日、クラスメートのフィリップスさんとライ・チョンシーさんが湖のほとりで雑談していたとき、彼はこのプロジェクトの初期のアイデアを初めて耳にしました。彼はすぐに、英国で出会った同世代の神経科学者の中で、頼崇禧が最も賢く、最も創造的な人物だと思った。数年後、彼はこう書いている。「彼が最初にそれを私に説明してくれたとき、それは遠い未来の話のように思えた。実現するには、技術的な進歩と発見、そして概念の深い理解を必要とする大きな概念的飛躍のように思えた。」

この実験の主な難しさは、ネズミに何を考え、何をすべきかを指示できないことです。特定の行動をしたら報酬を与えるなど、何らかの合図を与える必要があります。この種の行動訓練は科学であると同時に芸術でもあります。

同時に、マウスが何を考えているのかを知ることは困難です。頼崇禧氏は独創的な実験設計を考案した。マウスが本当に考えたり想像したりできるのであれば、マウスに特定の場所に行くことを考えさせると、対応する場所細胞が予測通りに活性化するのを記録できるはずだ、というものである。

マウスがこれを実行できるかどうかを調べるために、研究者らは脳コンピューターインターフェース（BMI）技術を使用し、マウスの脳に外科手術で電極を埋め込み、マウスが空間的想像力を通じてメタバースを旅できるようにした。この実験では、360度没入型仮想現実（VR）内の球形トレッドミルにマウスを置き、仮想世界にゴールを表示して、マウスにゴールに向かって走るように指示した。

マウスがトレッドミル上で走ると、その動きが 360 度スクリーン上で変換され、同時に VR 環境内での位置がスクリーン上で更新されます。まるでマウスが実際の環境で動いているかのようです。マウスが目標地点に到達すると、報酬（水）を受け取りました。その後、VR 環境で新しいターゲットが生成され、プロセスが繰り返されます。ネズミは1週間でその課題を学習した。 【動画をご覧になるには「ファンプ」へアクセスしてください】

初期段階では、研究チームは場所細胞の活動を記録しました。次に、研究者らは人工知能を使って生物学的神経ネットワークの活動を解読し、マウスが仮想現実課題の中で自分がどこにいると考えているかを計算した。

次に彼らは映画「ジャンパー」にちなんで名付けられたミッションに挑みました。研究チームはトレッドミルの接続を外したため、マウスは走っても目的地に到達できなくなった。これにより、脳の活動のみを使用して VR 環境内を移動することが強制されます。ネズミの脳活動が目標エリアにあると解読されると、ネズミはその場所に向かって移動し、目標場所に到達すると報酬を受け取ります。

映画「ジャンプ」におけるテレポーテーション

結果は、マウスが実際に脳の活動のみを使用して目的地まで移動できることを示しました。本質的に、マウスは、報酬を得るためにどこへ行く必要があるかを最初に考えながら、心を使って移動しました。この思考プロセスは人間が頻繁に経験するものです。たとえば、友人があなたをよく知っているレストランに誘った場合、出発する前に途中で訪れる場所を想像するかもしれません。

しかし、ジャンパー実験では、マウスを完全に静止させておくのが難しいという問題も明らかになりました。人間も同じ経験をしています。自分のいる環境が浮き始めると、無意識のうちにその環境に合わせて動きたくなるのですが、この衝動を止めるのは困難です。たとえブロックされたとしても、脳は依然として何らかの信号を生成し、ノイズを形成します。

この問題を解決するために、Chongxi は「Jedi」（映画「スターウォーズ」に敬意を表したジェダイの騎士を指す）と呼ばれる 2 番目のミッションを設計しました。実験では、マウス自体は静止していたが、脳の活動のみを使用して、画面上のオブジェクトを VR 環境内の特定のターゲットに「移動」させる必要があった。それは、オフィスに座っている人が、コーヒーマシンの横にあるカップを手に取ってコーヒーを入れることを想像するようなものです。その後、研究チームはターゲットの場所を変更し、動物たちに新しい場所に関連した活動パターンを生み出すように依頼した。ネズミは再びその課題を完了した。

研究チームは、マウスがおそらく人間と同様の方法で海馬の活動を正確かつ柔軟に制御できることを発見した。驚くべき発見は、動物たちが海馬の活動を維持し、特定の場所に心を数秒間固定し続けることができたということだ。これは、人間が過去の出来事を思い出したり、新しい状況を想像したりするのと同じような時間枠である。

科学的な観点から見ると、この論文はげっ歯類の認知能力をこれまでで最も説得力を持って実証しています。技術開発の観点から見ると、この研究は海馬などの脳深部組織の抽象的な信号を読み取るための脳コンピューターインターフェース法を提供します。脳コンピュータインターフェースは 1990 年代初頭から開発されてきましたが、大脳皮質 (特に運動皮質) に限定されていました。これは、動物の深部脳組織における認知マップの活動を読み取った、これまでで初めての研究です。

発見と発明のサイクル

頼崇禧さんは脳の機能、特に「想像力」に非常に興味を持っています。

彼の興味は主に『記憶を求めて』という本によって導かれた。神経科学者エリック・カンデルによって書かれたこの本は、彼の私生活と職業生活を紹介するだけでなく、神経科学の発展と重要な発見、そして記憶の性質と意味についても紹介しています。

人間における想像力の役割に関して、頼崇禧はイギリスの哲学者デイヴィッド・ヒュームの見解を主張している。すなわち、すべての人間は想像力によって支配される可能性があり、想像力がなければ社会的な取り決めは存在しない、というものである。

頼崇禧丨出典：私が提供

脳がどのように想像力を生み出すのかという好奇心が、頼崇禧氏を8年以上にわたってこの研究に駆り立ててきた。

頼崇禧氏のアイデアと設計は非常に独創的であったが、彼は海馬脳コンピューターインターフェースツールが既製品ではないことに悩んでいた。 「このような深部組織の脳とコンピューターのインターフェースは存在しないので、まったく新しいものを作らなければなりません。」侵襲的脳コンピューターインターフェースは 3 つの部分で構成されています。最初のステップは、神経細胞の電気信号を読み取るために使用される細胞サイズの微小電極のアレイです。 2 番目のステップは、元の電気信号をパルス信号に変換する、神経活動のオンライン分析ツールを使用することです。これらの神経パルス信号によって、外界と自分自身の思考が脳内で神経符号化されます。 3 番目のステップはデコーダーです。デコーダーは、多数のセルからのパルス信号を空間位置などの解釈可能な変数に変換します。頼崇禧氏は、神経パルス信号を出力するために、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）をベースにしたオンライン分析ツールをゼロから構築したが、このステップだけで4年かかったと語った。

場所細胞を発見したオキーフ氏はかつて、1990年代初頭にこのツールを作るために技術者を組織したいと頼崇禧氏に直接語ったことがある。しかし、実際に使えるツールが開発されたのは2016年以降になってからでした。

「私たちが完成させたのは、数少ないオンライン神経記録・分析ツールの中で最も先進的、最も正確、そして最も高速なものです。また、デコーダーが 1 ミリ秒以内に 1 つの神経細胞と 1 つの神経パルスに関する情報を取得できる唯一の FPGA チップでもあります。技術指標の飛躍的進歩により、科学研究に多くの可能性が開かれました。深部脳組織の脳コンピューター インターフェイスはその 1 つです。」頼崇禧氏はファンプにこう語った。

フィリップス氏の見解では、伝統的な研究ではエンジニアリングと発見を長期的に並行して進めることは難しいが、ライ・チョンシー氏と彼の同僚の研究は「発見と発明のサイクル」を実現する良い例となっている。ライ氏がプロジェクトを開始したとき、彼はまず技術に焦点を当て、当初よりも桁違いに多くのニューロンを一度に記録し、その意味を数時間ではなく1ミリ秒で解読できるようになることを期待していた。同時に処理できるニューロンの数と精度がデコード品質の鍵となります。神経信号の処理速度が速いほど、デコーダーに残される時間予算が増えます。

同様に重要なのはデコーダーとオンライン録画分析ツールです。従来のデコーダーは、想像力そのものや脳内の微小電極の位置のわずかな変化から生じるノイズに非常に敏感です。これらの困難を解決するために、Lai Chongxi 氏は最先端の AI アルゴリズムを使用してノイズ除去プロセスを完了しました。頼崇禧氏と彼のチームは、自社開発のFPGAチップを具体的な実験に適用した後、VR、VRプログラミング、動物行動訓練などとのマッピング関係を確立し、データを記録および分析し、その過程でAIデコーダーを継続的に最適化することに着手しました。この作業がすべて完了するまでにさらに 4 年かかりました。

ライス大学のカレブ・ケメレ教授は、サイエンス誌の論説欄で次のように書いている。「この発見は、脳・マシン・インターフェース（BMI）の応用範囲を感覚運動機能から認知領域へと拡大する刺激的なものであり、海馬の活動が意志によって制御されていることを示唆している。」

今後、頼崇禧氏はこの成果をもとに臨床研究を実施したいと考えています。彼は、これらすべてのツールチェーンが人間にも使用できると考えています。微小電極を脳組織の奥深くに埋め込み、オンラインで分析された神経活動を AI が解読して抽象的な思考を読み取り、ノイズを除去し、必要に応じて脳や環境を操作します。将来的には、このようなツールを通じて脳に読み書きすることが可能になるかもしれません。

Lai Chongxi 氏は、このツール チェーンが臨床研究と基礎研究の両方で大いに役立つと考えています。

参考文献

[1] https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh5206

[2] https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.04.07.536077v1

この記事は科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けています

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司

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