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脳を解明する次のステップはコンピュータモデルかもしれない

By Mary Brophy Marcus

2022年9月16日 - あなたの脳細胞は、一日中、電気信号や化学信号を通じてメッセージを送受信しています。これらのメッセージは、食べ物を味わったり、ストーブから出る熱を感じたり、このページの文字を読んだりする際に、筋肉を動かしたり、感覚を使ったりすることを助けてくれます。

もし、これらのメッセージがどのように送受信されているのかがわかれば、脳と身体のつながりに関する強力な洞察を得ることができ、アルツハイマー病やパーキンソン病などの脳の病気で、これらのつながりがうまく機能していない場合に何が起こっているのかを明らかにすることができます。

この目的のために、ロサンゼルスのシーダーズ・サイナイの神経科学者たちは、個々の脳細胞のコンピューターモデルを構築しました。このモデルは、高性能計算機と人工知能（AI）を用いて、ニューロンと呼ばれる脳細胞が発する電気信号の形状、タイミング、速度を捉えていることが、『Cell Reports』誌に報告されている。

この新しい研究は、認知面だけでなく、生物学的、遺伝学的、電気的な脳の内部構造を理解しようとする数十年にわたる科学者の追求の一部である。

初期の最も有名な研究者は、アラン・ロイド・ホジキン、アンドリュー・フィールディング・ハクスリー、ジョン・カリュー・エクルスの3人で、彼らは神経細胞膜に関する発見で1963年のノーベル医学賞を受賞している。

この研究の著者であるCostas Anastassiou博士(Cedars-Sinaiの神経外科の研究者)は、「現在、単一ニューロンの詳細なデータセットが大量かつ多くの細胞について利用できるユニークな瞬間です」と述べています。"今日のコンピューターのサイズとスピードによって、我々は、単細胞レベル、つまり全ての細胞について、(詳細な)メカニズムを探求することができるのです。"

コンピュータを使って、どのように脳細胞の活動をモデル化するのか？

神経細胞が通信するための電気パルスは、コンピュータコードで再現できることがわかりました。

アナスタシオウは、「私たちは、これらのパルスの明確な電圧波形と時間的軌跡を、数学的方程式を使って再現しました」と言う。次に、マウスを使った実験のデータセットを使って、コンピューターモデルを作りました。

これらの実験では、細胞の大きさ、形、構造、変化に対する反応など、特定の事柄を測定する。それぞれの細胞モデルは、これらすべての要素を組み合わせており、これらの要素がどのように関連しているかを明らかにするのに役立ちます。

コンピュータモデルは、細胞構成（脳細胞の構成要素）と脳活動中に観察されるパターンという、2つの重要な情報を調和させることができます。コンピュータの助けを借りて、データセット間のリンクが明らかになります。これは、脳を実際に変化させる原因究明への道を開くものであり、障害を調べる上で非常に重要なステップであると研究者は述べている。

コンピュータは人間の脳について何を語ることができるのか？

脳細胞モデルの興味深い利用法のひとつは、研究室での実験では困難または不可能な脳障害に関するあらゆる種類の理論を検証することであろう。さらに、この研究は脳に関する新しい洞察につながる可能性があります。脳細胞がどの程度似ているか、異なっているか、何がそれらを結びつけているか、また、それがどのような特性にわたっているのか、などです。

アナスタシオウは、コンピュータと数学が脳について語ることで、結果の単純さとその影響の豊かさに魅了されるという。

「私は、数式が生きた、計算する、生物学的な細胞をどのように表現するかという問題に常に魅了されてきました。特に、私たちを人間たらしめるものの中心である脳についてはそうです」と、彼は言う。