人間の視覚が暗闇で驚異的な感度を持つ仕組みを解明
フィンランドのヘルシンキ大学を中心とする研究チームが、人間の視覚が暗闇で極めて高い感度を発揮する神経メカニズムを解明しました。本研究により、人間は微細な光の強度の違いを知覚する能力を持つ一方で、個々の光子（フォトン）を検出する能力を犠牲にしていることが明らかになりました。約100年にわたり議論されてきた問い——「人間の目は光の最小単位である光子を識別できるのか？」について、本研究は新たな答えを提示します。これまで、極限の暗闇での視覚知覚と網膜の神経活動を正確に関連付けることが困難だったため、この問題に対する明確な解答は得られていませんでした。しかし、今回の研究により、人間の視覚システムは単一光子の検出を犠牲にすることで、暗闇でのコントラスト認識を向上させる仕組みを持つことが実証されました。
本研究は、2024年5月27日にオープンアクセスジャーナル『Nature Communications』に掲載されました。論文タイトルは「Primate Retina Trades Single-Photon Detection for High-Fidelity Contrast Encoding（霊長類の網膜は単一光子検出を犠牲にして高精度なコントラスト認識を実現する）」です。
人間の視覚は物理学の限界に迫る性能を持つ
本研究を主導したペトリ・アラ=ラウリラ教授（Petri Ala-Laurila）は次のように述べています。
「本研究は、視覚神経科学において重要な前進です。人間の視覚システムは、物理学の根本的な限界に近い感度を持ち、暗闇における視覚機能の絶対的な閾値で動作していることが示されました。」
アラ=ラウリラ教授は、ヘルシンキ大学 生物・環境科学部およびアールト大学 神経科学・生体医工学部の2つの研究室を運営しています。
また、本論文の筆頭著者であるマルック・キルペライネン博士（Dr. Markku Kilpeläinen, ヘルシンキ大学 心理学部）は以下のように説明しています。
「本研究は、人間の視覚システムが、微弱なコントラストを極めて高い精度で検出する能力に進化してきたことを示しています。これは、単一の光子を検出する能力よりも優先されてきたことを意味します。」
暗闇における視覚の仕組み：視覚ノイズを排除する能力が鍵
本研究では、人間が暗闇の閾値で極めて小さな光の強度の変化を知覚できる理由を明らかにしました。この精度は、視覚システムが持つ神経ノイズの除去能力によって実現されます。
しかし、この能力の代償として、人間の視覚は個々の光子を検出する能力を犠牲にしていることが判明しました。
研究チームは、網膜の電気生理学的測定と心理学的視覚テストを組み合わせ、視覚システムが機能する最も暗い環境下での神経活動を測定しました。この方法により、視覚の意識的な知覚と網膜の特定のニューロンの活動を直接関連付けることに成功しました。
視覚情報の処理における網膜の役割
研究では、視覚信号処理において特に重要な役割を果たす網膜の特定のニューロンを特定しました。
アラ=ラウリラ教授は以下のように説明しています。
「本研究では、網膜のON型神経節細胞（ON ganglion cells）が、微弱な光の増加を符号化する役割を担っていることを明らかにしました。この発見は、視覚システムが1つの視覚タスクを処理する際の網膜内の正確な機能分担を示しています。」
この発見により、網膜が暗闇での視覚認識をどのように最適化しているのかが初めて詳細に解明されました。
網膜プロテーゼ（人工網膜）開発への応用
視覚障害を引き起こす眼疾患は、多くの場合、網膜の神経回路や機能の変化によるものです。本研究の成果は、網膜内の特定の細胞タイプが視覚情報の符号化にどのように関与するかを理解するための重要な知見を提供し、視覚障害の診断や治療の向上に貢献する可能性があります。
特に、網膜プロテーゼ（人工網膜）の開発において、本研究で得られた知見は極めて有用です。網膜の特定の神経細胞がどのように視覚情報を処理しているのかを理解することで、より効果的な視覚補助デバイスの設計が可能になると期待されています。
今後の展望
本研究の成果は、視覚科学の長年の疑問に対する重要な一歩となるものであり、今後の研究ではさらに以下のような課題が探求されるでしょう。
・視覚ノイズの除去メカニズムの詳細な解明
・網膜のON型神経節細胞と他の神経細胞との相互作用の解析
・人工網膜技術のさらなる改良と視覚補助デバイスへの応用
視覚システムの理解が深まることで、将来的にはより効果的な視覚障害治療が可能になると期待されます。
