心へのもう一つの道：魚と人間の脳をつなぐ共通のルール
人間と小さな魚。進化の過程で数億年前に枝分かれしたこの2つの生き物が、実はまったく同じ論理で「感覚を処理する脳」を構築しているとしたら、驚きませんか？ 私たちが世界を見て、聞いて、感じる仕組みのルーツは、驚くほど遠い昔から共通のルールに従っているのかもしれません。 ノルウェー科学技術大学（NTNU）の最新の研究が、脊椎動物の脳に隠された驚くべき共通点に迫ります。魚類、鳥類、そして哺乳類の脳を並べて比較すると、予想外の事実が浮かび上がってきます。 それは、私たちが世界を理解するためのアプローチが「3つの異なる答え」に分かれているのではなく、「1つの答えを3つの異なる方向に傾けたもの」に過ぎないということです。
トロンハイムにあるカブリ・システム神経科学研究所のエムレ・ヤクシ（Emre Yaksi）博士は、「それはまるで連続体のように見えます」と語ります。 長年にわたる解剖学の研究によれば、これらの動物の前脳に外界の情報を運ぶのは、古くから存在する2つの同じ経路です。 異なるのは、どちらの経路がより多くの役割を担っているかという点だけなのです。
進化は、数億年前に袂を分かった生物たちの中で、異なるパーツを使って脳を構築してきました。 にもかかわらず、結局は同じ答えにたどり着き続けてきたのです。 これこそが、エムレ・ヤクシ博士の研究所が解明に挑んだ謎でした。 生命の樹においてこれほど離れた位置にいる動物たちが、何度も同じ構造に行き着くのであれば、それは偶然ではないのかもしれません。 魚と人間の間にあるすべての違いを越えて、両者を結びつける深い組織的なルールが存在する可能性があります。
アイン・トゥアン・チン（Anh-Tuan Trinh）博士を筆頭著者として『Science』誌に発表されたこの新しい研究は、最も意外な動物の脳を通して、そのルールの1つを捉えようとする画期的な試みです。 （※研究画像提供：ステファニー・フォア（Stephanie Fore）博士）
すべての脳が解決すべき課題
まずは、脳が直面している課題から紐解いてみましょう。 私たちの世界の認識は、最初から完全な「1つのまとまった形」で届くわけではありません。 目からの光、別の器官からの音や振動など、別々の感覚として入ってきます。 それぞれが独自の経路を通って脳に流れ込みますが、私たちが「チャンネルの寄せ集め」を感じることは決してありません。 私たちは、シームレスな1つの世界を体験しています。 脳は奥深くで、別々のストリームを受け取り、再び1つのシーンへと統合しているのです。 脳はこれをどのように管理しているのでしょうか？
家を想像してみてください。 感覚が玄関に到着すると、誰かが出迎えて、それぞれをどこへ行くべきか案内しなければなりません。 哺乳類の場合、この受付係の役割は「視床」と呼ばれる構造が担っています。 視床は入ってくる感覚を受け取り、視覚は特定の部屋へ、聴覚は別の部屋へというように、最初はそれらを分けて送ります。 そして、家のもっと奥、つまり私たちが「大脳皮質」と呼ぶ部屋に入って初めて感覚は再び出会い、混ざり合い、比較され、最も奥の部屋のどこかで思考や認識、決断へと変わっていくのです。
入り口で感覚を分類し、奥深くで様々な方法で組み合わせるというこの配置は、脊椎動物の脳の進化において最も信頼できる設計の1つです。 アイン・トゥアン・チン博士とエムレ・ヤクシ博士らの研究チームが知りたかったのは、系統樹の全く異なる枝にいる生物が、これと似たような「家」を建てるかどうかということでした。
透明な魚の脳を覗き込む
脳がこれを実行する様子を観察するには、まず魚をじっとさせてリラックスさせる必要があります。 孵化からまだ3週間未満、体長1センチにも満たないゼブラフィッシュの幼魚を、顕微鏡の下にある透明なジェルのベッドに寝かせます。 口の近くのジェルに小さな穴を開け、新鮮な水が流れて呼吸しやすいようにします。 これは、人がMRI検査の前に安心するように、小さな閉鎖空間に魚を慣れさせるためのプロセスです。
顕微鏡の周りには多くの計器が並んでいます。 博士は「たくさんのスイッチを操作します。まるで飛行機のコックピットや宇宙船のようです」と語ります。 「ピアノを弾くようなもので、最初はとても難しいですが、時間が経つにつれて上達します」とも述べています。
これによって得られる光景は、博士が学生時代から驚嘆し続けているものです。 「あちこちでニューロンが光るのを見て、まるで脳の中で花火が上がっているようでした。本当に素晴らしい光景でした」 魚は哺乳類にはない利点を提供してくれます。 脳の小さな一部ではなく、生きて感覚を働かせている動物の前脳全体を端から端まで一度に見ることができ、どのニューロンが発火した瞬間でもリアルタイムで観察できるのです。
世界を分類する仕組み
実験自体はシンプルでした。 アイン・トゥアン・チン博士は魚に赤い光のフラッシュを見せ、水中に微かな振動を送りました。 ある時は光だけ、ある時は振動だけ、そして時には両方を同時に与え、脳のどこが反応するかを観察しました。
それぞれの信号には意味があります。 光のフラッシュは、通り過ぎる影のような、気づくべき周囲の変化かもしれません。 振動はより明確です。 「捕食者が魚に向かってくると、多くの水の動きが生じます」とアイン・トゥアン・チン博士は言います。 今回の微かな振動はそれよりは控えめで、「誰かがこっそり近づいて背中をポンと叩くような、驚きの信号」だといいます。
これらの信号がどこへ到達するかを追跡したところ、魚には私たちとは異なる「受付係」がいることが分かりました。 入り口で感覚を迎えるのは視床ではなく、中脳の感覚中枢から情報を得る全く別の構造でした。 研究チームはこれを視床前糸球体複合体（PG: preglomerular complex）と呼んでいます。 PGは同じように整理整頓の仕事をします。 世界を取り込み、分類して先へと渡します。 光は前脳の一つの領域へ、振動は別の領域へと、それぞれのストリームはきれいに分かれたまま送られます。 つまり、異なる家の中に、同じような「最初の部屋」があるのです。
感覚の「同時性」を待つ細胞たち
しかし、魚の前脳は単に感覚を受け渡すだけではありません。 情報を処理しており、アイン・トゥアン・チン博士が深く観察すればするほど、細胞はさらに奇妙な働きを見せました。
単一の感覚に反応する単純なニューロンから、光と振動の両方に反応する細胞へと変化し、2つのストリームが融合し始めていました。 さらに奥へ進むと、光だけ、あるいは振動だけでは沈黙を保つタイプのニューロンを発見したのです。 この細胞は、光と振動が全く同じ瞬間に同時に起こったときにのみ目覚め、しかもどちらか単独の出来事からは説明できないほど強く発火しました。
嵐の中で外に立ったことがある人なら、これらの細胞がどのような現象のために作られているか分かるでしょう。 稲妻は雷鳴より一瞬早く目に届きますが、私たちは両方が「同じ出来事」に属していることを知っています。 私たちの頭の中の何かが、その遅れにもかかわらず、閃光と轟音を結びつけているのです。 魚の脳内でも、研究者たちはまさにそれを実行している細胞を捉えました。 フラッシュでも轟音でもなく、2つが同時に到着したという「偶然の一致」を記録しているのです。
アイン・トゥアン・チン博士は、顕微鏡を覗いている時ではなく、その後のコンピュータでの深い解析中にこれらを発見しました。 「最初は信じられず、圧倒されました。これが現実なのかどうかと疑いました」 パターンを崩そうと数時間かけてあらゆる方法で解析をやり直しましたが、結果は変わりませんでした。 最終的にそれを受け入れた時、博士は「ただ10分間、この美しいプロットを眺めて座っていた」と言います。
博士が見ていたのは、脳内に作られた梯子のような階層構造でした。 後ろの方には単一の感覚を処理する単純な細胞があり、前の方には情報を組み合わせて比較する細胞があります。 この「入り口の単純な答えから、奥へ行くほど予測が難しい複雑な答えへの変化」は、私たち自身の大脳皮質を貫く感覚から知覚への階段と同じです。 これらの前方にある細胞が最終的に何のためにあるのかは、まだ誰にも分かりません。 今のところ、これらは「2つの物事が一緒に属している」ことに気づくために作られたニューロンであるように見えます。 これこそ、ある出来事が別の出来事を引き起こすことを学ぶ前に、脳が管理しなければならない重要な機能なのです。
なぜ魚の脳が人間に似ているのか？
しかし、なぜ小さなゼブラフィッシュの脳が私たちの脳に似ているのでしょうか？
哺乳類を生かし続ける活動のほとんどは、大脳皮質では起こりません。 大脳皮質は噛んだり、動いたり、繁殖したりするためのものではなく、目の前の障害物を避けるためにも必要ありません。 前脳は、世界が期待通りに振る舞わなくなった時、つまり事前に準備されたものがない状況で新しい道を見つけなければならない瞬間のためにあります。 適応するための機械であるこのような脳構造を構築しようとする圧力が、全く異なる動物たちを似たような解決策へと押し進めているようです。
エムレ・ヤクシ博士はこれを「スープ作り」に例えます。 「スープをとろみ付けたい時、ジャガイモを入れてでんぷんに頼ることもできれば、小麦粉を入れることもできます。機能が似ていれば、必ずしも同じ材料に頼る必要はありません」 2人の料理人、異なる材料、しかし結果は1つ。 2つの脊椎動物の系統、2つの異なる脳のパーツ群であっても、設計は1つなのです。 感覚を分類し、部屋ごとに統合し、同時に起きる出来事に反応する細胞を加え、そこから上へと構築していくという仕組みです。
魚がこの仕組みを共通の祖先から受け継いだのか、それとも独自にたどり着いたのかは、研究室が現在分子レベルで追究している疑問です。 哺乳類の大脳皮質や視床と、魚の回路を構築する細胞タイプを比較しています。 結局のところ、同じ原材料から組み立てられたと判明するかもしれませんし、独自の材料で同じ場所にたどり着いたのかもしれません。 いずれにせよ、魚の「受付係」は私たちの視床の変装した姿ではなく、古代の親族関係を共有しているかどうかはこれからの研究課題です。 魚が明確に示しているのは、どのような道を辿ったかよりも、それが「どこへ行き着くのか」の方が重要だということです。
魚に見る普遍的なルール
トロンハイムの研究の背後には、脳には発見可能なレシピや組織原理があるという考えがあります。 霊長類でもマウスでもなく、小さく透明な魚の前脳に、そのレシピの1つを見出したのです。
エムレ・ヤクシ博士は、「魚に哺乳類の大脳皮質に相当するものがあるとは主張しません。しかし、魚には外套背側部（pallium）があり、それは人間の大脳皮質が進化したのと同じ脊椎動物の祖先から進化しました」と述べています。 その働きの大半はまだ謎に包まれていますが、今回の研究は「世界がどこから入ってくるのか、つまりすべてがどのように始まるのか」という入り口を見つけたに過ぎないと博士は主張します。
しかし、その入り口は大きな世界へと繋がっています。 数億年の時を隔てた魚と人間が、別々の経路で世界を取り込み、同じ論理でそれを縫い合わせているとすれば、それはもはや「哺乳類特有の偶然」ではなく、共通のルールのように見えてきます。 世界を理解するという課題が他の選択肢をほとんど残さないため、脳が何度も同じ答えにたどり着くのでしょう。
心への道は1つではないかもしれませんが、どの道も同じ場所に行き着くのです。
参考論文 タイトル： 「Hierarchical sensory processing in zebrafish thalamocortical-like circuits（ゼブラフィッシュの視床皮質様回路における階層的感覚処理）」
