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 これほど科学技術が発達した現在に至っても、まだまだ人間の脳の仕組みは完全には解明されていない。

 人間の脳でこれまで見たことのないユニークなシグナルが見つかった。人間の脳がこれまで考えられていた以上に強力な演算装置である可能性を示す発見だという。

 ドイツとギリシャの研究グループによって明らかにされたのは、大脳皮質の細胞が発火する際に、通常のナトリウムイオンだけでなく、カルシウムも利用されていたということだ。
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人間の脳とコンピューターの類似点


 人間の脳はコンピューターとよく比較される。もちろん完全に同じものではないが、あるレベルでは似たような仕組みで作業を行なっている。

 たとえば、どちらも電圧を利用してさまざまな演算をこなしている。コンピューターの場合、これはトランジスタという、いわば信号機のある交差点を通したかなりシンプルな電子の流れとして行われている。

 一方、神経細胞においてその流れは、開閉することでナトリウム、塩化物、カリウムといった電荷粒子を交換するチャネルの波である。この流れるイオンのパルスのことを「活動電位」という。

 研究グループが「カルシウム媒介性樹状活動電位(calcium-mediated dendritic action potential)」と呼ぶ、プラスに帯電したイオンのコンビネーションは、個々の神経細胞がもうひとつの論理演算を行う手段になるとのことだ。

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樹状突起――神経細胞の演算能力を決めるコア


 フンボルト大学のマシュー・ラーカム氏に言わせれば、個々の神経細胞の演算能力を決めるコアの部分は、シグナルの送信を化学的に行う「樹状突起」という枝の末端部分だ。

 樹状突起は神経の信号機のような役割を果たしており、流れてきたシグナルをそこで停止させたり、先に進めたりしている。シグナルがその先の神経細胞への伝達を許されるのは、活動電位が十分に高いときだ。

 これが脳の論理演算の基盤となる。それらは集合的に伝えられる電圧の波紋で、「AND演算」(xかつyを満たしたときに伝えられるシグナル)と「OR演算」(xまたはyを満たしたときに伝えられるシグナル)の2種類がある。

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これまで観察されたことのない電圧の波形


 まだ議論の余地はあるだろうが、人間の中央神経系のシワのよった外側の部位、つまり「大脳皮質」ほど複雑な場所はないだろう。

 より深いところにある第2層、第3層は特に分厚く、感覚、思考、運動制御といった高次機能に関連していると考えられている枝が密集している。

 今回詳しく研究されたのは、これらの層の組織で、てんかん患者から外科手術で切除されたものが利用された。

 実験では、細胞体樹状突起パッチクランプという装置で各神経細胞の活動電位を上下させ、そのときのシグナルが記録された。その結果、これまで観察されたことのない電圧の波形が生じたのだ。

 脳腫瘍から採取したサンプルでも同様の結果が得られているので、この現象はてんかん患者特有のものではないようだ。

 ラットでも同じような実験が行われたが、人間の細胞で観察されたものとはかなり異なっていたという。

 だが、より重要なのは、細胞にナトリウム・チャネル阻害薬を投与してもなおシグナルが観察されたことだ。それを止めるにはカルシウムを阻害する必要があった。つまりカルシウムがこのシグナルを媒介しているということだ。

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solvod/iStock

カルシウムが媒介する活動電位が示す可能性


 カルシウムが媒介する活動電位が発見されただけでも興味深いことだが、その仕組みのモデルからは驚きの事実が明らかになっている。
 
 AND演算とOR演算にくわえて、神経細胞はXOR演算(排他的論理和)を行うこともできそうだということだ。なんと脳はこれまで知られていなかった処理を行なっているのかもしれないのだ。

 カルシウム媒介性樹状活動電位が神経細胞全体や生体の中でどのように機能しているのか理解するには、まだまだ研究が必要だという。

 また人間だけでなく、他の動物にもこのような仕組みがあるのかどうかも今のところ不明だ。

 これまで私たちの神経系がテクノロジー開発のヒントになってきたことを考えれば、今回明らかになった神経細胞のメカニズムは、新しいネットワーク・トランジスタ開発にもつながるかもしれないとのことだ。

 この研究は『Science』(1月3日付)に掲載された。

References:Dendrite Activity May Boost Brain Processing Power | American Association for the Advancement of Science/ written by hiroching / edited by parumo
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コメント

1

1.

  • 2020年01月13日 09:03
  • ID:nv8SZXkj0 #
2

2. 匿名処理班

  • 2020年01月13日 09:57
  • ID:rWL0jkhp0 #

こういうのがどんどん明らかになれば
外部から電気信号を与えて演算機能を向上、っていう風な道具も作れるようになるかも
それこそメガネや補聴器感覚で使うのが一般的になるのかな
下手したら認知の特効薬なんかにも発展しそう

3

3. 匿名処理班

  • 2020年01月13日 10:10
  • ID:EyZ4hN6i0 #

脳で記憶してる方式も最小単位まで落とせばコンピュータと同じような0/1に相当する集合体だったりするんだろうか

4

4. 匿名処理班

  • 2020年01月13日 10:13
  • ID:d1LNtIQv0 #

NTRという刺激を脳に与えると
脳が粉々になるというデータが
明らかになったんだよね…。

5

5. 匿名処理班

  • 2020年01月13日 10:21
  • ID:YrU.gLAC0 #

怒りっぽいのはカルシウム不足だと昔から言われていたこと
つまり牛乳が売れた
俺は豆類からカルシウム取るがね

6

6. 匿名処理班

  • 2020年01月13日 11:08
  • ID:dI.p5Uii0 #

脳の記憶,記録,判断は電気の0/1であるが,その前の0/1を作り出す”記憶物質”はイノシトールリン酸というやつで,これがいくつか形(リン酸が載った数と位置)があって,潜在的には0,1ではないってところが脳の深さである。

7

7. 匿名処理班

  • 2020年01月13日 11:09
  • ID:m.Ch7inr0 #

※3
腎臓や肝臓などの臓器から始まり血小板や赤血球など血液成分
まで記憶している可能性高く、それらを見てみると人間が作る
0と1のような単純な記憶だと思えない
俺はただの素人なので詳しくはわからないが、そこまで単純だと
あるゆる妙な細菌が誕生したり、逆にぶっ潰す細菌も誕生せず
数千万年生き残れなかったかもね

8

8. 匿名処理班

  • 2020年01月13日 11:20
  • ID:8IbXw4oF0 #

てんかん患者だけってことはないのかな?

9

9. 匿名処理班

  • 2020年01月13日 11:29
  • ID:moHHK.LO0 #

脳量子波かサイコミュか

10

10. 匿名処理班

  • 2020年01月13日 16:57
  • ID:o58XUFWY0 #

こうやってコメントを打ってる時にも、手に持つスマホのように電気信号が脳を巡っているのだろうか。

11

11. 匿名処理班

  • 2020年01月13日 18:10
  • ID:wyt1lQjz0 #

>>4
個体によっては活発化すると言うデータもあるよ

12

12. 匿名処理班

  • 2020年01月13日 18:20
  • ID:wAYL72vD0 #

Scienceのサイト行ってみたけどアブストラクトしか読めなかった
この記事だと「脳はカルシウムイオンを使ってないと思われてた」ように見えるけど、ナトリウムイオンと同様にカルシウムイオンによる電位変化も昔から存在は知られてたよ
一度に複数の脳神経細胞の電位変化を測定するのにカルシウム感受性色素とか良く使われてるし
今回は既存のチャネルとは違う新しいタイプのチャネルが見つかったってことじゃないかな

13

13. 匿名処理班

  • 2020年01月13日 20:22
  • ID:lT1.Es.V0 #

ぼぅ〜としてるときと、フル回転してるときとは違うだろうから違うシグナルが出ていてもおかしくない

14

14.

  • 2020年01月13日 21:08
  • ID:YoDF6Tl40 #
15

15. 匿名処理班

  • 2020年01月14日 07:55
  • ID:aPQIg8nT0 #

AND回路、OR回路とかマイクラで知ったな・・どういう仕組みかと言われると、説明できないけど

16

16. 匿名処理班

  • 2020年01月16日 13:33
  • ID:RUdcpo.j0 #

※3
おそらくその認識で正しいですが、脳細胞が一個で一つとかいう単位ではないようで、神経細胞は最大で数百の神経細胞と互いに接続していますから、まだどうやって記憶しているかとかはよくわかっていません。

※15
AND 回路とか OR 回路はこんな風に考えるとわかりやすいかな。
AND のほうは、たとえばお友達を考えて、 A 君と(AND) B 君が両方元気な時に C 君が元気というパターンです。 もし、 A 君、 B 君のいずれかが元気ないときに C 君は元気がないというこういうパターンで、論理積といいます。
OR のほうは、 A 君と B 君のどちらか(OR)さえ元気であれば C 君 も元気ということで、 A 君と B 君の両方が元気ないときにだけ C 君は元気ないというパターンで、論理和といいます。
今回は脳細胞は新しいパターンもできるようで、 XOR (排他的論理和)が見つかったという話。 上記の例にのると、 A 君と B 君の両方が元気な時に、 C 君は元気がありません。また A 君と B 君のいずれか一方だけ元気があって、反対は元気がないときに C 君は元気があります。 でもって、 A 君と B 君の両方が元気ないときに C 君も元気がないという AND とも OR とも違うパターンです。
参考になれば幸いです。

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