1723484198
2024-08-12 17:19:00
私たちの脳は、私たちが見たものとすでに知っていることとを組み合わせて視覚情報を解釈します。ジャーナルに掲載された研究 ニューロン シャンパリモー財団の研究者によって、そしてカイシャリサーチヘルスコールの支援を受けて 箱 ファウンデーションの研究では、世界に関する既存の知識を学習し、保存するメカニズムが明らかになった。ニューロンは、一見無関係な概念を結びつけるように配線されていることがわかった。この配線は、過去の経験に基づいて私たちが見ているものを予測する脳の能力を高めるために重要であり、精神疾患においてこのプロセスがどのように失敗するのか理解に一歩近づくことになるかもしれない。
私たちはどのようにして環境を理解することを学ぶのでしょうか。時間の経過とともに、私たちの脳は知識の階層を構築し、高次概念はそれを構成する低次特徴にリンクされます。たとえば、キャビネットには引き出しがあり、ダルメシアン犬には白黒の斑点があることを学びますが、その逆は当てはまりません。この相互接続されたフレームワークが私たちの世界に対する期待と認識を形作り、文脈と経験に基づいて私たちが見ているものを識別できるようにします。
「象を例に挙げましょう」と、 箱-資金提供を受けた研究。「象は、色、大きさ、重さなどの低次の属性だけでなく、ジャングルやサファリなどの高次のコンテキストとも関連付けられています。概念を結びつけることは、世界を理解し、曖昧な刺激を解釈するのに役立ちます。サファリにいる場合、茂みの後ろにいる象を見つける可能性が、通常よりも高くなります。同様に、それが象であるとわかっていると、夕暮れの薄暗い光の中でも灰色として認識する可能性が高くなります。しかし、この事前の知識は脳の構造のどこに保存され、どのように学習されるのでしょうか。」
脳の視覚システムは、連携して機能する領域のネットワークで構成されており、下位領域は単純な詳細 (たとえば、空間の小さな領域、色、エッジ) を処理し、上位領域はより複雑な概念 (たとえば、空間のより大きな領域、動物、顔) を表します。上位領域の細胞は下位領域に「フィードバック」接続を送信し、経験によって形成された現実世界の関係を学習して組み込むことができるようにします。たとえば、「象」をエンコードする細胞は、「灰色」、「大きい」、「重い」などの特徴を処理する細胞にフィードバックを送信する可能性があります。そのため、研究者は、機能的役割がほとんど不明であるこれらのフィードバック投影の組織化に視覚経験がどのように影響するかを調査し始めました。
私たちは、これらのフィードバック投影が世界に関する情報をどのように保存するのかを理解したかったのです。そのために、マウスの V1 と呼ばれる下視覚領域へのフィードバック投影に対する視覚経験の影響を調べました。マウスの 2 つのグループを異なる環境で育てました。1 つは通常の環境で定期的に光にさらされ、もう 1 つは暗闇の中で育てました。次に、フィードバック接続と、それが V1 でターゲットとする細胞が、視野のさまざまな領域にどのように反応するかを観察しました。
この研究の第一著者の一人であるロドリゴ・ディアス
暗闇で育ったマウスでは、フィードバック接続とその真下の V1 細胞は両方とも視覚空間の同じ領域を表していました。第一著者の Radhika Rajan 氏は、「暗闇で育ったマウスでは、高い領域と低い領域の空間表現がいかによく一致しているかを見るのは驚きでした。これは、視覚入力とは関係なく、脳がこれらの空間的に整列した接続を組織するための固有の遺伝的青写真を持っていることを示唆しています」と述べています。しかし、通常に育ったマウスでは、これらの接続はそれほど正確に一致しておらず、より多くのフィードバック入力が視野の周辺領域からの情報を伝達していました。
ラジャン氏はさらに、「視覚体験では、フィードバックによってより文脈的で新しい情報が提供され、V1 細胞が視覚シーンのより広い領域から情報をサンプリングする能力が強化されることが分かりました」と述べています。この効果は、高次の視覚領域内の起源に依存しており、深層からのフィードバック投影は、表層からのフィードバック投影と比較して、周囲の情報を伝達する可能性が高くなります。
さらに、研究チームは、通常の環境で育てられたマウスでは、V1 への深層フィードバック入力が、垂直線や水平線など、マウスが「好んで」見るパターンに応じて整理されることを発見しました。「たとえば」とディアス氏は言います。「垂直線を好む入力は、垂直方向に沿った領域に周囲の情報を送ることを避けます。対照的に、暗闇で育てられたマウスでは、接続性にそのような偏りは見られませんでした。」
「これは、視覚経験がフィードバック接続を微調整し、高位視覚領域から低位視覚領域に伝達される空間情報を形成する上で重要な役割を果たしていることを示唆しています」とペトレアヌ氏は指摘します。「私たちは、経験が選択プロセスにつながり、フィードバックと表現が重複しすぎる V1 細胞間の接続を減らす方法を示す計算モデルを開発しました。これにより冗長性が最小限に抑えられ、V1 細胞がより多様なフィードバックを統合できるようになります。」
おそらく直感に反するかもしれないが、脳は、無関係な概念を表す細胞を結び付けることで、学習した知識をコード化しているのかもしれない。これらの細胞は、現実世界のパターンに基づいて一緒に活性化される可能性が低い。これは、エネルギー効率の高い情報保存方法である可能性があり、ピンクの象のような新しい刺激に遭遇すると、脳の事前構成された配線が活性化を最大化し、世界についての検出と予測の更新を強化する。
事前知識が新しい感覚情報と結合するこの脳インターフェースを特定することは、この統合プロセスが機能不全に陥った場合の介入策を開発する上で有益となる可能性があります。ペトレアヌ氏は次のように結論付けています。「このような不均衡は、自閉症や統合失調症などの症状で発生すると考えられています。自閉症では、事前情報が知覚に影響を与えるほど強力ではないため、個人はすべてを新しいものとして知覚する可能性があります。逆に、統合失調症では、事前情報が過度に優勢になり、実際の感覚入力に基づくものではなく、内部で生成される知覚につながる可能性があります。感覚情報と事前知識がどのように統合されるかを理解することは、これらの不均衡に対処するのに役立ちます。」
ソース：
ジャーナル参照:
ディアス、RF、 他（2024）視覚経験は皮質フィードバック入力と一次視覚皮質ニューロン間の空間冗長性を低減する。 ニューロン。 doi.org/10.1016/j.neuron.2024.07.009。
#研究者らが脳内で視覚的知識を保存し利用するメカニズムを解明