脳の設計図が、大まかにできました。
▼ 文献情報 と 抄録和訳
神経回路の構造の共通モチーフと設計図
Luo, Liqun. "Architectures of neuronal circuits." Science373.6559 (2021): eabg7285.
[ハイパーリンク] DOI, PubMed, Google Scholar
✅ 神経細胞のコミュニケーションの一般原理
ここ数年の現代技術の爆発的な発展により、個々の神経細胞の分子的、解剖学的、生理学的特性に関する膨大な知識が生み出された。しかし、個々の神経細胞は単独で機能しているわけではなく、回路内で相互に作用しながら情報を処理している。羅さんは、さまざまな種類の研究を総合して、神経細胞がシナプス結合の特定のパターンを通じて相互にコミュニケーションする仕組みの一般的な原理を抽出しようと試みた。これまでは、投影モチーフと建築計画の異なる要素が別々に議論されてきたが、これらのモチーフと建築計画は、同じ知的枠組みの中でまとめることができる。-PRS
✅ 背景
人間の脳には約1,000億個のニューロンがあり、それぞれのニューロンが何千ものシナプス結合を形成している。個々のニューロンはそれ自体が高度な情報処理ユニットであるが、ニューロンが特定の機能に特化した回路を形成することを可能にするのは、そのシナプス結合パターンであり、脳を強力な計算装置にしている。解剖学的追跡、生理学的記録、機能的摂動、および計算モデルを用いた多様な生物の数十年にわたる研究により、数個のニューロンからなるマイクロサーキットから数百万個のニューロンからなるグローバルな組織までのスケールで、ニューロンの接続パターンとその機能が詳細に解明されてきた。ここでは、これらの知見を回路アーキテクチャの観点から整理し、これらのアーキテクチャが発生・進化の過程でどのように出現するかについて考察する。
✅ アドバンス
脳にとって、個々のニューロンは、論文にとっての文字のようなものだとします。そして、微小回路のモチーフを「言葉」、大規模な建築計画を「文章」と考えることができる。単語や微小回路のレベルでは、興奮性ニューロンと抑制性ニューロンの特定の接続パターンが、基本的な情報処理機能を与える。例えば、フィードフォワード興奮は、情報を神経領域間で伝播させ、収束興奮と発散興奮は、それぞれ複数の上流ソースからの信号を統合し、多様な下流ターゲットに信号を拡散させる。フィードフォワード抑制とフィードバック抑制は、入力される興奮性信号の持続時間と大きさを調節し、しばしば連携して入力信号のゲインとダイナミックレンジを制御し、同期発火や振動発火を促進する。横方向の抑制は、並行する経路間の活動の違いを増幅することで、下流の回路に伝達される情報を選択する。相互抑制は、リズミカルな出力を生み出し、脳の状態を制御する。これらの中核となる回路モチーフは、ほとんどの場合、協調して使用され、複雑な信号処理ユニットを構築する。
次のレベルの組織であるセンテンスは、規模や構成がより不均一である。隣接する入力ニューロンが、整然とした軸索投射によって隣接するターゲットニューロンに接続する連続的なトポグラフィーマッピングは、処理の連続的な段階で情報を整理する方法を提供し、配線の長さを最小限に抑え、横方向の抑制によって局所的なコントラストの抽出を容易にすることができる。離散並列処理では、信号の表現と処理を並列に行うことで、計算量を減らし、処理速度を上げることができます。次元拡張により、出力ニューロンが異なる入力の組み合わせを表現できるようになり、下流のニューロンによるパターン分離が容易になります。偏った入力と分離された出力は、広い範囲に投影された神経調節系をサブシステムに分割し、それぞれが異なる行動機能を果たし、異なる刺激によって異なる制御を受ける。再帰ループは神経系に多く存在し、豊かな神経活動のダイナミクスを支えている。このレベルの多くの神経回路の構造は、まだ解明されていない。
ニューロンと脳の間
ここで描かれている横方向の抑制のような中核的な回路モチーフは、初歩的な信号処理を可能にする。また、ここに描かれているような連続的なトポグラフィーマッピングのような大規模なアーキテクチャプランは、特殊な機能を可能にする。神経回路の構造と機能を解明することは、神経科学の中心的な目標であるが、その進化と発達を調べることも、重要な知見をもたらす。
トップダウンで設計されたコンピュータ回路とは異なり、神経回路は何億年もの進化の産物である。回路モチーフの中には、はるか昔に誕生し、その後、さまざまなクラッドで保存され、最近進化した神経領域に引き継がれたものもあるだろう。また、異なるクラッドで独自に進化した回路構造もある。脳の進化においては、ニューロンの種類や脳領域の重複と分岐が重要な役割を果たしており、その結果、脳の接続がモジュール化されているのかもしれない。
また、神経回路は、個人の生涯にわたる発達の産物でもある。進化の過程で選択された遺伝的な命令を用いて、分子的な手掛かりが神経系をハードワイヤリングし、神経細胞の活動や経験によって結合が微調整される。また、連続的な地形図は分子勾配によって作られるが、離散的な並列処理には細胞表面タンパク質のコンビナトリアルコードが必要になることが多い。これらの戦略により、少数のタンパク質で、はるかに多くの接続を指定することができる。
✅ 今後の展望
連続電子顕微鏡法やシナプス経路追跡法などの回路マッピングツールを様々な生物種の多様な神経領域に適用することで、ニューロン回路構造の共通原理を抽出できる豊富なデータが得られる。また、回路内の主要な要素の活動を記録したり、刺激を与えたりすることで、情報処理や動物の行動における機能を確立することができる。重要な課題は、異なるモチーフやアーキテクチャがスケールを超えてどのように機能するかを調べることである。種を超えた主要な回路構造において、文字や単語がどのように組み合わされて文章になるのかを意図的に調べることで、貴重な知見を得ることができる。神経回路の構造、機能、発達、進化の研究を統合すれば、個々のニューロンのレベルを超えて、神経系の組織をより深く理解することができる。また、神経回路の構造を解明することは、人工知能の発展にもつながると考えられる。
▼ So What?：何が面白いと感じたか？
正直に申し上げる、詳細な内容に関しては、ほとんど理解できていない。
ここで重要なこと、共有したかったことは、脳の設計図を作ってやろうという令和の神がいて、その仕事が結構進んできているよ、ということだ。
設計図ができる、ということはどういうことか？
設計図が書けるって事はつまり、実現出来るって事だ！
竹原ピストル〜ぼくのイマジンより〜
たとえば、3Dプリンター技術が極限まで洗練されたとする。
そこに、デジタルデータとして「脳の設計図」をインプットして
・・・、3分たったものがこちらです。
で、人工脳のできあがり。という世の中。
手塚治虫先生、あなたがその脳の中に思い描いた、『あの世界』の足音が、聞こえます。
フェニックスきいてくれ
ぼくはもうふつうの人間じゃないんだ
人工的につくられたつくりものの生命なんだ!
これが復活ならぼくはもうごめんだっ!!
もんだいは、永遠の生命を手にいれて….なぜ生きるのかということですよ
【手塚治虫】火の鳥（5）
どうやって生きるかじゃなく、なぜ生きるか。
その答えを、持っているか？
○●━━━━━━━━━━━・・・‥ ‥ ‥ ‥
良質なリハ医学関連・英論文抄読『アリ：ARI』
こちらから♪
↓↓↓
#理学療法 #臨床研究 #研究 #リハビリテーション #論文 #英論文 #文献抄読 #英文抄読
‥ ‥ ‥ ‥・・・━━━━━━━━━━━●○