混合選択性の力：脳機能と認知の理解

私たちの脳は日々、トレードオフを最適化しようと努めています。周囲で起こる数多くの出来事と、同時に内なる衝動や記憶が渦巻く中で、私たちの思考は柔軟でありながら、必要な行動すべてを導くほどに集中していなければなりません。神経科学者チームは、ニューロン誌に掲載された新しい論文で、脳がどのようにして、重要でない情報に圧倒されることなく、関連するすべての情報を統合する認知能力を獲得するのかを説明しています。

著者らは、この柔軟性は多くのニューロンに見られる重要な特性、「混合選択性」に由来すると主張している。これまで多くの神経科学者は、各細胞は1つの特殊な機能しか持たないと考えていたが、最近の証拠は、多くのニューロンが並行して機能する異なる計算集団に参加できることを示している。言い換えれば、ウサギが庭のレタスをかじろうと考えているとき、1つのニューロンは空腹感を判断するだけでなく、頭上を飛ぶタカの音を聞いたり、木々にとまるコヨーテの匂いを嗅いでレタスまでの距離を判断したりすることにも関与している可能性がある。

脳はマルチタスクを実行しない、と論文共著者でMITピコワー学習記憶研究所の教授であり、混合選択性という概念の先駆者の一人であるアール・K・ミラー氏は述べている。しかし、多くの細胞は複数の計算（本質的には「思考」）を行う能力を持っている。新たな論文では、著者らは脳がニューロンを異なる計算に割り当て、それらのニューロンが複雑なタスクの適切な次元数を確実に表現するために用いる具体的なメカニズムについて説明している。

これらのニューロンは多くの機能を果たします。混合選択性によって、必要なだけ複雑な表象空間を構築できます。そこに認知機能の柔軟性が宿るのです。

アール・K・ミラー、マサチューセッツ工科大学ピコワー学習記憶研究所教授

論文の共著者で、ソーク研究所およびカリフォルニア大学サンディエゴ校の教授であるケイ・タイ氏は、ニューロン、特に内側前頭前皮質におけるニューロン間の混合選択性が、多くの精神的能力を可能にする鍵であると述べた。

「MPFCは、非常に柔軟で動的な集合体を通して膨大な情報を表現するささやき声のようなものです」とタイ氏は述べた。「混合選択性は、私たちに柔軟性、認知能力、そして創造性を与える特性です。これは、本質的に知性の基盤である計算能力を最大限に引き出す秘訣なのです。」

アイデアの起源

混合選択性という概念は、2000年にミラーと同僚のジョン・ダンカンが、ミラーの研究室で行われた認知機能研究から得られた驚くべき結果を擁護したことに端を発する。動物が画像をカテゴリーに分類する際、脳の前頭前皮質のニューロンの約30%が活性化されるようだった。各ニューロンに専用の機能があると信じていた懐疑論者たちは、脳がこれほど多くの細胞をたった一つのタスクに割り当てているという考えを嘲笑した。ミラーとダンカンの答えは、細胞には多くの計算に参加できる柔軟性があるのではないか、というものだった。ある脳グループで働く能力は、他の多くの脳グループで働く能力を妨げるものではない。

しかし、混合選択性はどのような利点をもたらすのでしょうか？2013年、ミラー氏はIBMリサーチのマティア・リゴッティ氏とコロンビア大学のステファノ・フージ氏という、新しい論文の共著者2名と共同研究を行い、混合選択性が脳に強力な計算柔軟性を与える仕組みを明らかにしました。本質的に、混合選択性を持つニューロン集団は、固定された機能を持つニューロン集団よりも、タスクに関するより多様な次元の情報を扱うことができます。

「最初の研究以来、私たちは古典的な機械学習の考え方を通して混合選択性の理論を理解する上で進歩を遂げてきました」とリゴッティ氏は述べた。「一方で、実験者にとって重要な、細胞レベルでこれを実現するメカニズムに関する疑問は、比較的十分に研究されてきませんでした。今回の共同研究と今回の論文は、そのギャップを埋めることを目指しています。」

新しい論文では、著者らはマウスがベリーを食べるかどうかを決める場面を想定しています。ベリーはおいしそうな香りがするかもしれません（これは一つの側面です）。毒があるかもしれません（これは別の側面です）。問題のもう一つ、あるいは二つの側面は、社会的手がかりの形で現れるかもしれません。あるマウスが他のマウスの息からベリーの香りを嗅いだ場合、そのベリーはおそらく食べられるでしょう（他のマウスの見かけの健康状態によって異なります）。混合選択性を持つ神経集団は、これらすべてを統合できる可能性があります。

ニューロンを引き付ける

混合選択性は豊富な証拠によって裏付けられており、大脳皮質全体だけでなく、海馬や扁桃体といった他の脳領域でも観察されているものの、未解明な疑問が残る。例えば、ニューロンはどのようにしてタスクに誘導されるのか、そして、これほどまでに広い視野を持つニューロンがどのようにして真に重要なタスクだけに焦点を合わせ続けるのか、といった疑問だ。

新しい研究では、カリフォルニア大学サンディエゴ校のマーカス・ベナ氏やソーク研究所のフェリックス・タシュバッハ氏を含む研究者らが、研究者らが観察した混合選択性の形態を特定し、振動（「脳波」としても知られる）と神経調節物質（神経機能に影響を与えるセロトニンやドーパミンなどの化学物質）がニューロンを計算集団に組み込む際に、その目的にとって何が重要かを「フィルタリング」するのにも役立つと主張している。

もちろん、特定の入力に特化するニューロンもありますが、著者らはそれが例外であり、一般的ではないと指摘しています。著者らによると、これらの細胞は「純粋選択性」を持ちます。つまり、ウサギがレタスを見ているかどうかだけを気にするのです。一部のニューロンは「線形混合選択性」を示します。これは、ウサギがレタスを見て空腹を感じるといった、複数の入力の合計に反応が予測可能に依存することを意味します。測定の柔軟性を最も高めるのは、「非線形混合選択性」を持つニューロンです。これは、複数の独立変数を全て合計することなく考慮できることを意味します。代わりに、独立した条件の集合全体（例えば、レタスがあり、空腹で、タカの鳴き声は聞こえず、コヨーテの匂いはしないが、レタスは遠くにあり、かなり頑丈なフェンスが見えるなど）を考慮することができます。

では、ニューロンがどれだけ多くの意味のある要因に集中するきっかけとなるのは一体何なのでしょうか？一つのメカニズムは振動です。これは、多くのニューロンが同じリズムで電気活動を維持しているときに脳内で発生します。この協調的な活動によって情報の共有が可能になり、本質的にはニューロン同士が調和します。まるで一群の車が同じラジオ局（例えば、頭上を旋回するタカの放送）を流しているようなものです。著者らが強調するもう一つのメカニズムは神経調節物質です。これらは細胞内の受容体に到達すると、その活動にも影響を与える化学物質です。例えば、アセチルコリンの急増は、適切な受容体を持つニューロンを特定の活動や情報（おそらく空腹感）に調和させます。

「これら2つのメカニズムは連携して機能ネットワークを動的に形成する可能性が高い」と著者らは書いている。

混合選択性を理解することは認知を理解する上で非常に重要であると彼らは続ける。

「混合選択性は普遍的である」と彼らは結論づけている。「それは種を超えて存在し、高次認知から物体認識のような『自動的な』感覚運動プロセスまで、幅広い機能を担っている。混合選択性の広範な発現は、複雑な思考や行動に必要なスケーラブルな処理能力を脳に提供するという、その根本的な役割を浮き彫りにしている。」

研究の詳細はCELLジャーナルのページでご覧いただけます。