神経科学者は数理モデルを用いて、脳が匂いを処理する様子を再現しています。
脳が匂いにどう反応するかを知ることは、病気と闘うことにつながるかもしれない
By Natalie Sabin
2022年5月11日 C 複雑な方程式によって、ニュースフィードにどんなストーリーが飛び出すか、次にどのTikTokビデオを見るかを予測できることはご存じだろう。しかし、数学が、私たちが何かの匂いを嗅いだときに脳内で何が起こるかを理解するのに役立つということは、ご存知ないかもしれません。
ロチェスター大学デルモンテ神経科学研究所の研究者たちは、まさにそれを実現する複雑な数理モデルを構築しています。この研究が進展すれば、アルツハイマー病やパーキンソン病といった神経系の病気と闘う助けになるかもしれません。
香りを解読する
あなたが接するすべての香りは、あなたの脳内に反応を引き起こす。その反応を数値化することができるのです。
視覚は、ビデオゲームやコンピュータの画面上で見る色に似ています。コンピュータープログラマーは、現実世界で目にする何百万色もの色を、機械が理解できる「1」と「0」に分解するために何十年も研究を重ねてきました。
8ビットのニンテンドーやアタリから、64ビットのプレイステーションやXbox、さらに複雑で詳細な今日のビジュアルディスプレイへとシステムが進歩するにつれ、長年にわたってゲームユーザーはこの展開を見守ってきました。各段階において、ビットサイズの拡大は、より良い精度とより詳細な情報を可能にしたのです。
スナップショットかシンフォニーか？
匂いの数学的モデルを構築するために必要なのは、非常に強力な計算能力、ホジキン-ハクスリー・モデル（神経科学における多くの方程式の骨格）の知識、匂いに関する膨大な研究のカタログ、そして本当に、本当に賢いことである。
ロチェスター大学神経科学准教授で、脳の嗅覚系に関する新しい研究の筆頭著者であるクリシュナン・パドマナバン博士は、「方程式は、他の方法では明らかにならない脳の部分を照らす数学的スポットライトのような役割を果たします」と説明する。
パドマナーバン教授によれば、嗅覚は脳の中でもあまり解明されていない部位の一つだという。
過去30年間、嗅覚がどのように処理されるかについては複数の説が唱えられてきたという。あるモデルでは、においに対する反応は、ある瞬間のスナップショットのように表されるという。また、交響曲のように、時間とともにパターンが進化していくというものもある。
パドマナーバン教授と彼のチームは、匂いに関する多くの理論が科学文献に存在する理由を理解し、どれが真実なのかをより深く理解することを目指した。
そこで、パドマナーバン教授と彼のチームは、方程式だけを用いて、嗅覚に関する脳のシステムに類似したコンピューターシミュレーションを構築しました。そして、方程式を変えて、においに遭遇したときに脳がどのように働くかについての理論を検証したのです。
研究成果（現時点では）
その結果、脳が匂いを処理する方法は、その瞬間に何を理解する必要があるかによって異なることが示唆されました。
今回の結果から、これらの異なるモデルは、実は同じコインの裏表であることが明らかになりました」と、パドマナーバン研究員は語る。脳は匂いを処理するためにある特定のアプローチを選ぶのではなく、環境中の匂いを解釈するために異なる戦略を使い分けているのかもしれないのだ。
つまり、脳は私たちの周りの世界で起こっていることに適応しているのです。脳の仕事は体のバランスを保ち、あらゆる状況に対応できるようにすることなので、柔軟性があれば、それに応じて反応することができるのです」。(研究者たちは特定の匂いをプログラムしたわけではないが、将来はそうなるかもしれない、とパドマナーバンは言う）。
この研究は、健康面でも意義がある。嗅覚の変化は、パーキンソン病やアルツハイマー病などの脳疾患と関連があるといわれています。やがて、このような変化をより深く理解することで、より良い発見や治療につながるかもしれません。
しかし、今のところ、パドマナバンのモデルは、脳の働きという大きなパズルを解読するための、小さいながらも重要なピースである。
8ビットグラフィックスが16ビットに、そして今日のような写実的なディスプレイにつながったように、パドマナバンのモデルは、今後のより高度で先進的な発展のための基礎作りに役立つかもしれないのです。
この研究は、数学という言語を使って脳を研究するものですが、脳についてわかっていることを使って、神経科学の分野で方程式を書いたりコンピューティングのためのシステムを構築する、よりよい方法をひらめくものでもあります」とパドマナーバン氏は言う。
