脳のニューロンは混沌としていて無秩序だと思っているかもしれませんが、実際には静かに「集団行動」を行っています。

王林林 劉伝波

脳がどのように機能するかを理解することは、科学的探究において常に大きな課題でした。最近、Googleとハーバード大学の研究チームが共同で画期的な研究結果を国際誌「サイエンス」に発表した。この研究では、ナノメートルスケールの精度で人間の脳をモデル化することに成功し、これまでで最大の電子顕微鏡画像データセットと、人間の脳のシナプス接続の最高解像度のマップを構築しました。この画期的な成果は、人間の脳の複雑なつながりの微細構造を実証するだけでなく、将来的には脳機能の詳細な分析や関連する疾患の治療の可能性も提供します。

研究者らは、45歳のてんかん患者の側頭葉皮質から1立方ミリメートルの組織サンプルをナノメートルスケールで精密に切り出し、走査型電子顕微鏡で画像化し、合計約1.4PB（1兆4000億バイト）の画像データを取得しました。このデータの量はどれくらい大きいのでしょうか?世界中のコンピューターをすべてストレージに使用したとしても、人間の脳9個分程度の画像データしか保存できないといえます。

科学者たちは、これらの画像データに対して詳細なニューロン形態のセグメンテーションと細胞構造の再構築を実行することで、57,000 個以上の細胞核と 1 億 5,000 万個のシナプスを特定することに成功しました。これらのデータに基づくと、脳全体のシナプスの数は数十兆個に達する可能性があります。比較すると、世界最大の人工ニューラルネットワークのパラメータ数は 10 兆未満であり、これは脳の 1 立方センチメートルの領域の複雑さにしか相当しません。

科学者たちは、脳には860億個ものニューロンがあるものの、これらのニューロンは独立して機能するのではなく、集団で行動する傾向があることを発見しました。この現象は、校庭にいる生徒たちに例えることができます。自由時間中、生徒たちは自分のやりたいことをしていて、その光景は非常に混沌としています。生徒が 100 人いて、各生徒を表すのに 2 つの座標が必要であるとすると、合計 200 個の座標が必要となり、つまり 200 次元の空間が構築されます。しかし、体育の授業で生徒全員が一緒に走るとき、彼らは 200 よりはるかに少ない座標で記述できる整然とした列を形成します。両方のクラスの生徒がグループ活動を行っていると仮定すると、生徒全員の動きを近似的に記述するには 4 つの次元だけで十分です。

この状況は、脳内のニューロンの集団活動に例えることができ、つまり、脳の活動を低次元空間で表現できるということです。この低次元空間は脳の機能や行動に直接関係しており、この理論は「神経多様体モデル」とも呼ばれています。
では、脳の活動を表現するのに何次元の空間を使用できるのでしょうか?

最近、脳科学誌「ニューロン」が米国ロックフェラー大学の最新の研究結果をオンラインで公開した。科学者たちは、詳細な統計分析を通じて、ニューロンの数が増加するにつれて、大脳皮質におけるニューロンの集団運動行動の次元が無制限に成長することを発見しました。研究では、16 の次元がマウスの運動行動と密接に関連している一方で、その他の高レベルの次元は特定の運動行動に直接マッピングできない特定の内部活動に関連していることが判明しました。これらの隠れた次元は連続的な時間スケールの特性を示し、信号は大脳皮質全体に分散されます。この発見は、これらの隠れた次元が大脳皮質における情報伝達と処理に密接に関係しており、脳の神経ネットワーク内の計算と適応行動の鍵となる可能性があることを明らかにしています。

科学者たちは、脳の一見冗長な設計は、安定性、効率性、適応性の間で効果的なバランスを達成することを意図しているのではないかと推測している。

脳内のニューロンの接続ネットワークとその集合的な動作を研究することで、脳がどのように効率的に機能するかについてより深く理解することができます。この理解は、脳が情報を処理する複雑なメカニズムを明らかにするだけでなく、脳機能をシミュレートし、神経疾患を治療するための新たな可能性も提供します。脳の運動行動を深く理解することは、さまざまな神経疾患に対処するのに役立つだけでなく、より効率的なコンピューティングハードウェアの設計と高度な脳コンピューターインターフェースの開発を促進し、それによって人間と機械の間のよりスムーズなコミュニケーションチャネルを確立することにもつながります。ニューロンの働きをシミュレートすることで、科学者は新しいタイプのコンピューティング モデルを設計できます。これらのモデルは、処理速度と効率の点で既存の電子コンピュータを上回る可能性があります。

（著者の王林林は吉林省科学普及創造協会会員、吉林省科学技術労働者サービスセンター研究員補佐、劉伝波は吉林省科学普及創造協会会員、中国科学院長春応用化学研究所博士）