あなたの体内に隠された洗練された魔法の構造

制作：中国科学普及協会

制作者: 周英英 (中国科学院脳科学・知能技術研究センター)

制作者: 中国科学院コンピュータネットワーク情報センター

私たちはよく「あなたの心の中で何が起こっているのですか？」と尋ねられます。

もし人間の臓器が話すことができたら、この質問を聞いて心臓はおそらく「何だって？私には考える能力すらないのに！」と言うでしょう。

脳はさらに憤慨するかもしれません。「なぜ心が何を考えているのか聞くのか？明らかに私だ！ずっと『考え』続けていたのは私だ！」

画像出典: veer gallery

脳は実際に「考える」という思考を運びます。

人体の重さのわずか2％を占める臓器である脳は、「考える」ことで、体内の酸素消費量の20％、体内のATP（エネルギー）の17％を消費するため、人体の「CPU」とも呼ばれています。

最も複雑なニューラルネットワーク構造を持ち、世界で最も強力な計算能力を持つ「存在」でもあります。

2016年3月15日、有名な囲碁プレイヤーのイ・セドル氏がGoogle AlphaGoと対戦しました。最終的に彼は1対4でAlphaGoに負けたが、この対局には1,202個のCPU、176個のGPU、そして100人以上の科学者の計算能力が必要だったのに対し、イ・セドルに必要なのは脳と一杯のコーヒーだけだった。

脳がどのようにして高速コンピューティングと情報伝達を実現するのか、興味があるのではないでしょうか。

何がそんなに魔法なのですか?

この絡み合ったネットワークの中で、神経細胞は無限の「秘密」を語ります (画像提供: veer Gallery)

脳の「地図」はどのように見えるのでしょうか?

私たちの脳は 140 億個のニューロンで構成されており、それはまるでうねる海のように 1 日 24 時間私たちのために働いています。脳のさまざまな領域は高度に秩序化されており、それぞれが独自の機能を持ち、私たちの体を細かく制御しています。

人間の脳の構造において、大脳皮質は中枢神経系全体の最高中枢であり、大脳皮質の高度な進化は哺乳類の進化の兆候でもあります。

大脳皮質の主な構造と機能（画像出典：Wikipedia-大脳皮質、著者による改変）

脳について話すとき、私たちは通常、大脳皮質と、帯状回、基底核、大脳辺縁系、腹側被蓋野など、皮質の下にあるいくつかの重要な構造について言及します。

図に示すように、人間の脳には大脳のほかに、脳梁、間脳、橋、小脳、脊髄などの構造も含まれており、これらが一緒になって中枢神経系を構成しています。

人間の脳の主な構造と機能（画像出典：神経生物学の原理、著者による改変）

テレビドラマでよく描かれる「銃自殺」のシーンを覚えていますか？実は喉の銃口は脳幹の延髄部分に向いており、延髄は呼吸や心拍、消化を調節する重要な脳の領域です。延髄が破壊されると、その人は直ちに命を落とします。

そのため、危険に遭遇したときは、後頭部を守らなければなりません。

事故で脊髄が損傷すると、脳と身体をつなぐ経路が切断されます。脳は身体からの感覚情報を受け取ることも、身体に運動命令を送ることもできず、その結果、片麻痺が発生します。したがって、交通事故や転倒事故の現場では、脊髄損傷を悪化させて取り返しのつかない結果を引き起こさないように、負傷者を勝手にひっくり返さないように注意してください。

賢い脳はどのようにして身体に命令する信号を送信するのでしょうか?

ニューロンは脳活動の最も基本的な単位で、神経細胞の約 1/10 を占めます。ニューロンは、執行司令官のように、外界からの感覚信号を伝達し、運動命令を発することができます。

脳にはニューロンに加えて、ニューロンとそれを取り囲む他の組織を支えるグリア細胞もあります。グリア細胞は神経細胞の 9/10 を占め、警備員のように脳が秩序正しく効率的に機能することを保証する役割を担っています。

グリア細胞はニューロンを保護し、栄養を与え、サポートします（画像出典：www.visiblebody.com）

第二に、ニューロンの独特な形状と構造は、神経系が信号を素早く伝達するのに役立ちます。ニューロン細胞体には多くの樹状突起があり、それらは「アンテナ」のように機能します。信号を受信すると、ニューロンを興奮させ、軸索を通じて次のニューロンに信号を伝達します。

ニューロンの基本構造（画像出典：www.visiblebody.com）

その信号が運動信号であれば、脳の運動皮質に伝わると運動ニューロンが運動指令を出し、それが皮質-皮質下運動回路で制御されて脳幹に伝わり、身体のさまざまな部位に届き、私たちの行動を一つひとつ正確に制御します。

皮質-皮質下運動回路、皮質;大脳基底核：大脳基底核;脳幹/脊髄;小脳;視床（画像出典：Movement Disorders. 2019年8月;34(8):1130-1143）

操作された脳

SF映画では、スーパーパワーを持った人が他人の脳をコントロールする場面がよく出てきます。しかし、現実の生活において、脳を本当に操作できるのでしょうか?

2017年、イェール大学のイヴァン・E・デ・アラウジョ教授は、オプトジェネティクス（光を通してニューロンを活性化する）を利用して、マウスがコオロギを捕食するプロセスを操作しました。その中で、中心扁桃体 CeA と対応する標的である中脳水道周囲灰白質 PAG は、マウスの捕食行動において重要な役割を果たします。

動画に示されているように、青色レーザーがオフになっているとき、ネズミはコオロギを見ると「好奇心」と「恐怖」で反応し、その後ゆっくりと離れていきます。青色レーザーがオンになり、オプトジェネティクスによって CeA →PAG 神経回路が活性化されると、マウスはすぐにコオロギを捕食するために走って行きます。これは、実験ではマウスの脳を光信号で制御できることを示しています。

ビデオ: マウスは青色光に刺激されてコオロギを捕食する (ビデオ出典: Cell. 2017 年 1 月 12 日;168(1-2):311-324.e18)

人間の脳は地球上で最も強力な脳です。

人間の脳と動物の脳の違いは何でしょうか?なぜ人間は他の動物ではなく社会文明を築いたのでしょうか?

さまざまな哺乳類の脳は構造と比率が大きく異なり、人間の脳の特殊性が人類の文明創造の生理学的基礎を築いてきました。比較すると、人間、チンパンジー、イルカの脳はしわが寄っているのに対し、ネズミやウサギの大脳皮質はより滑らかです。

さまざまな哺乳類の脳の比較 (画像出典: Neuroscience: Exploring the Brain (2007) - Chapter 7)

しわの形成は、大脳皮質の成長速度と厚さという 2 つのパラメータによって決まります。大脳皮質の発達の過程では、神経細胞の数、大きさ、形、位置の変化により脳表面の皮質が拡大しますが、皮質下の白質はあまり変化しないため、大脳皮質は物理的な圧力を受けて機械的に不安定になり、最終的にしわのある構造を形成します。

チンパンジーとイルカはどちらもより「隆起した」大脳皮質を持っていますが、チンパンジーの大脳皮質面積はわずか 600 平方センチメートルであるのに対し、人間の大脳皮質面積は約 2,400 平方センチメートルです。人間の大脳皮質の面積と構造はゴリラのそれとは大きく異なり、特に人間の大脳皮質の前頭葉はゴリラよりもはるかに大きな割合を占めており、これも人間の知能の高さにつながっています。

イルカは比較的知能の高い動物です。彼らの大脳皮質の面積は2,600平方センチメートルに達し、ニューロンの数は人間よりも多い。しかし、イルカの脳の機能は人間の脳のそれには到底匹敵しません。何故ですか？

これは、人間とイルカの祖先が異なる進化の道を選んだためです。イルカは海で進化することを選択し、その手足はひれに進化しました。

複雑で広大な海洋環境に適応するため、イルカの大脳皮質はよく発達していますが、その大部分は音波測位システムの管理と制御に使用されています。さらに興味深いのは、24時間移動し、コミュニケーションを取り、狩りをする能力を維持するために、イルカの左脳と右脳は交代で眠ることさえできるということです。

イルカのエコーロケーションシステム（画像出典：https://dolphinquest.com/）

人類は陸地を選び、柔軟な指を進化させました。手の進化によって複雑な道具が生まれ、複雑な道具の学習と作成によって脳と手がさらに発達しました。このサイクルにより、私たちの祖先は徐々に原始人からホモサピエンスへと進化し、脳容量の急速な増加によりホモサピエンスはより多くの音素を区別して生成できるようになり、最終的に人間独自の言語と文字を発達させ、社会文明を創造しました。

脳の構造は、常に変化する複雑な環境に適応しながら、複雑性に向かって進化し続けています。同時に、環境の変化は脳構造の「アップグレード」を促し、私たちは絶え間ない変化の中で長い進化の旅に乗り出しました。

参考文献:

1. Han, W., et al., 扁桃体の中心核による捕食性狩猟の統合制御。セル、2017年168(1-2):p. 311-324 ページ18。

2. Parker, JG, et al., パーキンソン病およびジスキネジア状態における直径方向の神経集団ダイナミクス。ネイチャー、2018年557(7704):p. 177-182.

3. Wichmann, T.、「パーキンソン病の病態生理学に関する見解の変化」 Mov Disord, 2019. 34(8): p. 1130-1143年。

4. 脳の表面にはなぜこんなにたくさんのしわがあるのでしょうか?知湖

5. イルカが陸上に生息し続けるなら、イルカ文明が人類文明に取って代わるかもしれない 個人図書館