頭を冷やして考えたら

議論が白熱したときに、頭冷やして考えろよ、なんて言ったりしますよね。実際に冷やすとどうなるのか、これが今回のテーマです。

1. なんで頭を冷やすの？
2. 冷却してみると
3. マニフォルドの観点から

1. なんで頭を冷やすの？

今回紹介する論文は10年以上前にNature で掲載された論文、"Using temperature to analyze temporal dynamics in the songbird motor pathway"（日本語では「鳴鳥の運動経路の時間動態の温度を用いた解析」）です。この論文は、ゼブラフィンチという鳥のうたのメカニズムについての研究なのですが、それを調べるためになんと鳥の脳を冷やしてみるというのです。

ゼブラフィンチ

そもそもゼブラフィンチのうたをなぜ研究するのでしょうか。それはこれが脳の運動制御の恰好のモデルだからです。フィンチのうたは非常に正確なタイミング管理がなされていて、種内のどの個体も同じうたを歌い、その細部のタイミングまですべて非常に似ています。人間でいうなら、みんなが正確にカラオケ採点通りに歌えるようなものです。タイミングの管理は動物の行動すべてにおいてとても重要であり、ここまで正確にうたを歌えるフィンチの脳を研究することは動物の運動制御のメカニズムの理解にもつながるというわけです。

ではもとの問いにもどって、なぜ頭を冷やすのか。それは脳の働きを遅くするため。脳を部分的に冷却するとその脳部位のはたらきが遅くなることがわかっています。では、もしうたのタイミングを制御している脳の部位を冷却したら鳥はゆっくり歌うようになるのでは？この論文を読んだときその発想にびっくりしたのですが、さらにびっくりしたのはそれが本当にうまくいったことです。

2. 冷却してみると

フィンチの脳とペルチエ素子（Long & Fee, 2008）

鳥のうたを司る脳の部位はいくつか見つかっていますが、その中でも特に重要とされているのは HVC（high vocal center）と RA（robust nucleus of the arcopallium）でした。HVCがRAに連絡し、RAが運動野に刺激をおくることで発声運動がおきます。ただ、このどちらがうたのタイミングをコントロールしているかまではわかっていませんでした。そこで行われたのが今回の実験。ペルチエ素子（Peltier device）という温度管理を行う器具を用いて各脳部位を冷やしてみて、鳥のうたがどう変わるのかを見たわけです。

その結果、HVC を冷やすとうたは遅くなるがRAを冷やしてもうたに変化は見られないことが分かり、HVC がタイミング制御を担っている重要な証拠となったのです。しかも目を見張るべきは HVC を冷やした時の結果です。なんと HVC を阻害した結果としてうたがめちゃくちゃになることはなく、うたの音声構造が保存されたまま時間だけ伸ばされたのです。これは HVC でのうたの管理メカニズムが連鎖構造をとっている、つまりうたの各要素が連続的に管理されていて、この要素を歌ったら次にこのフレーズを歌うというのが非常に細かいタイムスケールで管理されている、ということを示唆しています。

3. マニフォルドの観点から

この実験結果だけでもとても興味深いのですが、この実験はマニフォルドの観点からも重要な意味を持っています。マニフォルドは多様体とも呼ばれる数学の概念ですが、ニューロサイエンスにおいては、ある行動をしているときにそれに関わるn個のモジュール（ニューロンであったりアンサンブルであったり）の活動具合をもって形成されるn-次元空間上での局面を表します。ある行動をしているときの脳の状態をリストアップしたものといってもいいでしょう。このマニフォルドの理解の重要性は今注目されていますが（例えば "Navigating the Neural Space in Search of the Neural Code"）、鳥の脳の冷却実験はまさにこのマニフォルドの理解と密接なかかわりを持っています。

マニフォルド（Jazayeri & Afraz, 2017）

マニフォルドの概念を理解するためにシンプルなモデルで考えてみましょう。例えば人の食欲の管理には二つのニューロン A と B のみ関わっているとします。Aが活発だと食欲が増進し、B が活発だと食欲が減退します。では研究者がこれらのニューロンの働きを調べるためには A や B を抑制してみて食欲がどう変化するかをみれば十分でしょうか。ここで大事になってくるのが A と B が自然状態でどういう活動を示しているかです。実験でニューロンを抑制する際、自然状態でも起こりえる程度の抑制であれば問題はないのですが、その具合が自然で起こりえないほど強すぎる場合、解釈が非常に難しくなります。みられる変化が単に抑制に起因するのか、もしくは不自然な抑制を行ったことによる特殊な反応なのかが区別がつかないからです。だからこそ自然状況下でのニューロンの活動度の関係（マニフォルド）の理解は大事であり、何か脳に変化を加えるときはこのマニフォルド上での変化を起こさせるのが望ましいわけです（このようなマニフォルド上の変化をon-manifold perturbationというのに対して、あえてそこから外すoff-manifold perturbationもありますが、今回は割愛します）。

本実験では脳の冷却により自然では起こりえないような反応速度になっているためon-manifoldではありません。ただ、さっき説明したようなn-次元空間ではなく、時間軸をたしたn+1-次元空間で考えてみると、時間軸だけずれているものの、各時間においてはon-manifoldであることがわかります（各時間においての脳の状態は自然環境でも生じている状態です）。このようにoff-manifoldではあるものの、最大限マニフォルド上での変化を行わせているため、きれいな結果がえられたとも言えるのです。

引用

Jazayeri, M., & Afraz, A. (2017). Navigating the neural space in search of the neural code. Neuron, 93(5), 1003-1014.

Long, M. A., & Fee, M. S. (2008). Using temperature to analyse temporal dynamics in the songbird motor pathway. Nature, 456(7219), 189-194.