シドニー大学と復旦大学の科学者たちは、自然に螺旋を描くように配置された神経組織の外層を通過する人間の脳信号を発見した。これは、休息状態と認知状態の両方で皮質上に観察されるこれらの普遍的な脳信号の螺旋が、脳活動と認知処理を整理するのに役立つことを示している可能性があると言う。この研究は、『Nature Human Behaviour』誌に掲載された。
主著者であるシドニー大学の物理学部のPulin Gong准教授によれば、この発見は、脳の働きを理解する新たな道を開き、人間の脳の基本的な機能についての貴重な洞察を提供するものだという。さらに、人間の脳の複雑な仕組みに触発された強力なコンピュータの進歩に可能性をもたらす可能性や、脳疾患、例えば認知症の影響を理解するための医学研究に役立つ可能性があるという。
この研究の結果は、100人の若者の機能的磁気共鳴画像（fMRI）脳スキャンから得られ、乱流における複雑な波形パターンを理解するために使用される方法を適応させて分析された。信号は、休息中と作業中の両方に現れたという。
「渦が乱流で作用するように、螺旋は複雑な相互作用を行い、脳の複雑な活動を組織化する上で重要な役割を果たしています。共存する複数の螺旋の複雑な相互作用により、神経計算を分散・並列的に行うことができ、顕著な計算効率につながる可能性があります」と、Gong氏は説明する。
渦巻きの正確な機能は謎に包まれているが、乱れたパターンを分析した結果、渦巻きは脳内のコミュニケーションの橋渡し役として、異なる領域をネットワークで結び、時には大脳皮質を横断しているのではないかと考えられている。また、被験者に数学の問題を解く、物語を聞くなどの課題を与えてスキャンしたところ、脳内のさまざまな領域で渦巻きの向きが時計回りから反時計回りに変わる様子が観察された。これは、渦巻きがダイナミックな回転の変化を通じて脳の活動を調整している可能性を示唆している。
筆頭著者であるシドニー大学物理学博士候補のYiben Xu氏は、「これらの脳内スパイラルの重要な特徴の1つは、脳内の異なる機能ネットワークを分離する境界で出現することが多いということです。我々の研究では、これらの相互作用する脳スパイラルが、自然言語処理とワーキングメモリを含む様々なタスク中に、脳活動の柔軟な再構成を可能にすることを観察しました。それは、その回転方向を変えることで実現します」と、説明する。
研究者達は、今回の研究が、脳内のより大規模な現象に向けた神経科学研究のシフトを促すはずだと述べている。最終的には、複数のスケールの脳プロセスをつなぎ合わせて、心の機能の全体像を把握することができるだろう。
神経科学は、従来、脳の機能を理解するために、ニューロン間の相互作用に焦点を当ててきた。先日も、我々人間の意識を形作っているのは、神経細胞のネットワークの数ではなく、脳のシワなどの形状にあるのではないかとの研究結果が示されたように、近年では、脳内のより大きなプロセスに注目し、その謎の解明に役立てようとする研究分野も増えている。
論文
- Nature Human Behaviour: Interacting spiral wave patterns underlie complex brain dynamics and are related to cognitive processing
参考文献
- University of Sydney: Scientists discover spiral-shaped signals that organise brain activity
- bbb
研究の要旨
ヒトの脳の大規模な活動は、豊かで複雑なパターンを示すが、これらのパターンの時空間ダイナミクスや認知における機能的役割は不明なままである。本研究では、ヒトの大脳皮質機能的磁気共鳴画像信号の瞬間的なゆらぎを特徴づけることで、安静時と認知課題時の両方で、螺旋状の回転波パターン（ブレインスパイラル）が広がっていることを明らかにした。これらの脳内スパイラルは、位相特異点中心を回転しながら大脳皮質を伝播し、非定常的な特徴を持つ時空間的な活動ダイナミクスを生じさせる。これらの脳内スパイラルの回転方向や位置などの特性は、タスクに関連しており、異なる認知タスクを分類するために使用することができる。また、複数の相互作用するブレインスパイラルが、分散した機能領域の相関的な活性化と非活性化の調整に関与していることを示し、このメカニズムにより、認知処理中にボトムアップとトップダウンの間でタスク主導の活動の流れを柔軟に再構成することができる。このメカニズムにより、認知処理中に課題駆動型の活動フローをボトムアップとトップダウンの間で柔軟に再構成することができる。この結果は、ブレインスパイラルがヒトの脳の複雑な時空間ダイナミクスを組織し、認知処理に機能的相関があることを示唆している。
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