神経科学者たちは、マウスの複数の脳領域で感覚入力が運動行動に変換される仕組みを明らかにした。ロンドン大学ロンドン校のセインズベリー・ウェルカム・センターで行われたこの研究は、意思決定が学習によって調整される脳全体のプロセスであることを示す。この発見は、より分散化されたニューラルネットワークの設計方法に関する洞察を提供することで、人工知能研究に役立つ可能性がある。
「この研究は、これまで個々の脳領域について説明されてきた概念を、脳全体の神経ダイナミクスにマッピングする一貫した見解に統合するものです。感覚入力が意思決定プロセスを経て行動に変換されるときに、脳内で何が起きているのか、私たちは今や完全に把握しています」と、ロンドン大学ロンドン校のセインズベリー・ウェルカム・センター所長で、この論文の責任著者であるトム・ムルシック・フロゲル教授は説明した。
本日発表された研究は、 自然研究者らが、複数の脳領域にある数百のニューロンを同時に記録できる最先端の技術であるニューロピクセルプローブを使用して、意思決定タスクに参加するマウスを研究した方法を概説しています。SWCのイヴァナ・オルソリ博士が開発したこのタスクにより、チームは感覚処理と運動制御を区別することができました。研究者らはまた、タスクの訓練を受けた動物を研究し、それらを未経験の動物と比較することで、学習の貢献を明らかにしました。
私たちはしばしば、あいまいな証拠に基づいて決断を下します。たとえば、雨が降り始めたら、傘を開く前に雨粒がどのくらいの頻度で降る必要があるかを判断する必要があります。私たちは、脳が知覚決定をどのように処理するかを理解するために、マウスでこの同じあいまいな証拠の統合を研究しました。」
マイケル・ローゼ博士、SWCのヘンリー・ウェルカム博士研究員、本論文の共同筆頭著者
マウスは、画面上で動く視覚パターンを見ながらじっと立っているように訓練されました。報酬を受け取るには、マウスは視覚パターンの動きの速度が持続的に増加しているのを感知したときに噴出口をなめなければなりませんでした。この課題は、動きの速度が一定ではなく、常に変動するように設計されていました。平均速度の増加のタイミングも試行ごとに変化したため、マウスは持続的な増加がいつ発生したかを単純に思い出すことはできませんでした。したがって、マウスは刺激に常に注意を払い、情報を統合して速度の増加が起こったかどうかを判断する必要がありました。
「マウスをじっと立たせるように訓練することで、よりクリーンなデータ分析が可能になり、マウスが行動を起こす前にニューロンが速度のランダムな変動を追跡する方法を観察することができました。訓練されたマウスでは、感覚的証拠を統合したり、プロセスを調整したりする単一の脳領域がないことがわかりました。代わりに、脳全体にまばらに、しかし広く分布しているニューロンが、感覚的証拠と行動開始を結び付けていることを発見しました」と、Mrsic-Flogel研究室の上級研究員で、この論文の共同筆頭著者であるAndrei Khilkevich博士は説明しています。
研究者らは各マウスから複数回記録し、訓練を受けたマウス15匹の脳の52の領域にわたる15,000個以上の細胞からデータを収集した。学習を観察するため、研究チームは結果を未訓練のマウスの記録とも比較した。
「マウスが視覚刺激の意味を知らない場合、マウスは視覚システムの情報を脳と中脳の一部の領域にのみ表すことが分かりました。マウスが課題を学習した後、細胞は脳全体で証拠を統合します」とローゼ博士は説明した。
この研究では、研究チームは、未経験の動物と課題を完全に学習した動物のみを調べたが、今後の研究では、マウスが課題を理解し始めるとニューロンがどのように変化するかを経時的に追跡し、学習プロセスがどのように起こるのかを明らかにしたいと考えている。研究者らはまた、感覚と行動のつながりを確立する上で、脳の特定の領域が因果関係の中心として機能するかどうかも調査しようとしている。
この研究によって提起されたいくつかの追加の疑問には、視覚パターンの速度がいつ増加するかという予想を脳がどのように取り入れ、動物が情報に関連性がある場合にのみ刺激に反応するかなどが含まれます。研究チームは、収集したデータセットを使用してこれらの疑問をさらに研究する予定です。
この研究は、ウェルカム賞 (217211/Z/19/Z および 224121/Z/21/Z) およびギャツビー慈善財団 (GAT3755) とウェルカム (219627/Z/19/Z) からのセインズベリー ウェルカム センターのコア助成金によって資金提供を受けました。
ソース：
ジャーナル参照:
キルケビッチ、A.、 等 （2024）。意思決定中の感覚と行動を結び付ける脳全体のダイナミクス。 自然。 doi.org/10.1038/s41586-024-07908-w。
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#神経科学者がマウスの脳全体の意思決定プロセスをマッピング
2024-09-12 17:04:00