アリストテレスの時の本質に関する研究から、アルベルト・アインシュタインの相対性理論の到達まで、人類は長い間「時間の捉え方と理解」に思索を傾けてきました。相対性理論は時間の伸縮性を前提としており、宇宙が時間をねじるように、私たちの神経回路も主観的な時間体験を歪ませる可能性があります。アインシュタインの言葉によれば、「熱いストーブの上で1分待つと、1時間のように感じられる。しかし愛らしい少女と1時間過ごすと、1分のように思われる」。2023年7月13日付の『ネイチャー・ニューロサイエンス』誌に掲載されたシャンパリモー研究所のラーニング・ラボの新研究は、ラットの神経活動パターンを意図的に加速または遅延させることで、時間の長さの認識が変わり、脳内の時計メカニズムが行動に影響を及ぼすメカニズムを明確にした画期的な証拠を提示しています。
「Using Temperature To Analyze the Neural Basis of a Time-Based Decision（温度を用いた時間ベースの判断の神経基盤分析）」と題されたこの論文が、その成果を示しています。
私たちの生体リズムを支配し、睡眠から代謝に至るまで、日常生活を形作る24時間の循環リズムとは対照的に、体内は秒から分という短時間スケールで時間を計測している方法については、あまり知られていない部分があります。この研究は、交差点で信号待ちをする瞬間やテニスボールをサーブする瞬間など、私たちの行動の多くが数秒から数分の時間スケールで進行していることに焦点を当てています。
人口時計仮説
私たちの脳は、コンピュータの精密な時計とは異なり、分散的で柔軟な時間感覚を保持しています。この「集団時計」仮説によれば、私たちの脳は、行動中にニューロンのグループが示す一貫した活動パターンに頼って時間を認識しているとされています。
研究の主筆者であるジョー・パトン（Joe Paton）博士は、この仮説を池に石を投げる行為にたとえています。「石が水面に落ちるたびに波紋が広がり、その波紋は反復可能なパターンを形成して広がっていきます。この波紋のパターンとその位置を解析することで、石がいつどこに落とされたかを推測できます」と述べています。
さらに、神経の集団においても、波紋が動く速さが変わるように、これらの活動パターンが進行するペースも変化しうるとされています。この研究のチームは、この神経の「波紋」の進行速度と時間に依存した意思決定との間に密接な関連があることを示す初めての証拠を提供しています。
研究者たちは、ラットに異なる時間間隔を区別するトレーニングを行いました。その結果、脳の深層部である線条体の活動が、予測可能なパターンに従って異なる速度で変化することが判明しました。動物が長い時間を報告する場合、活動は速く進行し、逆に短い時間を報告する場合、活動はゆっくり進行することが観察されました。
しかしながら、相関関係が因果関係を意味するわけではありません。「線条体集団ダイナミクスの速度変動が、単にタイミング行動と関連しているのか、それともタイミング行動を直接制御しているのか」を検証する必要がありました。このためには、動物がタイミングを報告する際に、これらのダイナミクスを実験的に操作する方法が必要でした。
温度による解凍時間
「古い道具は捨てずに大切に保つべきです」と、この研究の主執筆者の一人、ティアゴ・モンテイロ（Tiago Monteiro）博士は微笑みながら語りました。因果関係を明らかにするため、研究チームは神経科学者のツールボックスにある古典的な手法である温度に着目しました。「温度は、例えば鳥の鳴き声のような行動の時間的ダイナミクスを操作するために過去に使用されてきました。特定の脳部位を冷やすと鳴き声が遅くなり、温めると速くなるということが分かっています。これは、楽曲のテンポを変えるが音符自体には影響を与えない、というようなものです。温度は、神経ダイナミクスのパターンを変えずに速度を操作するための理想的なツールと考えました」と述べました。
このツールをラットでテストするため、研究者たちは線条体を局所的に冷やすまたは温めるカスタムサーモエレクトリックデバイスを開発し、同時に神経活動を記録しました。ラットは麻酔下にあったため、研究者たちは光遺伝学の技術であるオプトジェネティクスを用いて、休眠状態の線条体に活動の波を起こすことで、水面に石を投げるような操作を行いました。共同著者のマルガリーダ・ペキシラ（Margarida Pexirra）博士は、「この領域を冷やし過ぎると活動が停止し、逆に温め過ぎると不可逆的な損傷を与える可能性があるため、注意が必要でした」と述べています。研究者たちは、冷やすことで活動パターンが広がり、温めることで収縮する傾向があることを発見しました。
「そして、この操作を行動に適用しました」と、研究のもう一人の主執筆者であるフィリペ・ロドリゲス（Filipe Rodrigues）博士は述べます。「動物を2つの音の間隔が1.5秒よりも短いか長いかを報告するように訓練しました。線条体を冷やすと、短い間隔を報告する傾向が強まりました。一方で、線条体を温めると、長い間隔を報告する傾向が強くなりました」。具体的には、線条体を温めると線条体の活動パターンが速くなり、時計の針の動きが速くなるのと同じように、ラットは与えられた時間間隔を実際よりも長く感じるようになるのです。
運動制御のための2つの脳システム
「驚くべきことに、線条体は運動制御を司る一方、その活動パターンを変化させても、動物の課題における動作速度に大きな影響を及ぼすことはないという事実があります」と、パトンは言葉を続けました。この事実は、一般的な行動制御の性質について更なる深層の理解を刺激するものです。最も単純な生物でさえ、運動を制御する際には2つの基本的な課題に取り組まなければなりません。第一に、潜在的な行動の中から何を選ぶかを決定すること。第二に、一度選択した行動を効果的に実行するための調整と制御を行うことです。これらの基本的な課題は、ミミズから人間まで、あらゆる種類の生物に適用されます。
研究チームの発見によると、線条体は最初の課題である「何を」「いつ」行うかを決定する際に重要な役割を果たしていますが、2番目の課題である「どのように」継続的な動作を制御するかは、他の脳の構造に委ねられているということです。現在、研究チームは別の研究で、脳の神経細胞の半数以上を占める、私たちの行動の継続的で瞬間的な実行に関与する小脳を調査しています。「興味深いことに、小脳に温度の操作を行うと、線条体とは異なり、連続的な運動制御に影響を及ぼすことが、予備データからわかっています」と述べました。
パトン博士は、「パーキンソン病や小脳失調症などの運動障害では、このような2つの脳のシステム間で分業が見られることがあります」と指摘しています。パーキンソン病では線条体が影響を受け、歩行などの運動計画を自分で立てる能力が低下することがあります。しかし、地面に描かれたラインのような感覚的な合図を提供すると、歩行が容易になることがあります。これらの合図は、小脳や大脳皮質などの他の脳の領域が関与しており、これらの領域が影響を受けていないため、連続的な運動を効果的に制御することができる可能性があります。一方、小脳に障害のある患者は、スムーズで協調的な運動を行うのに苦労することがありますが、動作を開始または切り替えることには苦労しないことがあります。
意味合いと今後の方向性
神経活動とタイミング機能の因果関係に関する新たな洞察を提供することにより、この研究の成果は、パーキンソン病やハンチントン病などの、時間に関連した症状と線条体の障害を伴う神経変性疾患に対する新しい治療アプローチの開発を進める可能性を秘めています。さらに、連続的な運動制御とは対照的な離散的な運動制御における線条体の特異的な役割を明らかにすることにより、この研究の成果はロボット工学や学習アルゴリズムの枠組みにも影響を及ぼす可能性があります。
「皮肉なことに、時間に関する論文としては、この研究は何年も前から進行中でした」とモンテイロ博士は微笑みながら述べました。「しかし、未だに多くの謎が残っています。具体的には、このような活動の波紋を生み出すための脳回路はどのようなものなのでしょうか？この波紋が時を刻む以外にどのような計算を行っているのか？これらの波紋は私たちが環境に適応し知的に対応する際にどのように役立っているのか？これらの疑問に答えるためには、私たちがこれまでに行ってきた研究以上に時間が必要でしょう」と述べました。
画像：科学者たちは、ラットの神経活動のパターンを人為的に遅くしたり速くしたりして、時間の長さの判断をゆがめた。(出典：ヘディ・ヤング作成、Stable Diffusion協力）
