散歩に出かけて家に戻りたいときには、目的地との位置関係を把握しておく必要があります。そのためには、自分がどちらを向いているのか、そして家がどの方向にあるのかを知る必要があります。人間やほかの動物にとって、これはかなり直感的に思えます。では、私たちはどのようにしてそれを実現しているのでしょうか。
この意外にも難しい問いへの理解が、 新たな論文 によって一歩前進しました。Michael Chadwick氏らが執筆し、学術誌『Current Biology』に掲載されたこの論文は、目的地へ向かう方向についての私たちの直感的な感覚が脳のどこにあるのかを特定しています。
どこからでも目的地までうまく移動する方法の一つは、周囲に関する情報を学習して記憶し、それを使って自分の向きを把握することです。しかし、こうした空間情報を学ぶ過程からは、その情報を表す何らかのものが脳内のどこかに保存されているはずだと考えられます。これは、いわば神経細胞の地図、つまり周囲の情報を脳細胞に対応づけて空間を符号化する方法と捉えることができます。
方向感覚が役立つためには、進む向きを変えるたびに更新されなければなりません。 Chadwick/Jolly/Amos/Hassabis/Spiers/Current Biology、 CC BY
このような地図があれば、周囲を移動して道を見つけられます。これは、あらゆる動物の生存に不可欠な能力です。脳が空間情報をどのように蓄え、それによって効率よく道を見つけられるようになるのかを解明することは、ここ数十年にわたる集中的な研究の焦点となってきました。
脳内の地図を探る
1970年代後半、「認知地図の座」と呼ばれる領域が、ラットの脳の 海馬で発見されました。実験用のアリーナの特定の場所をラットが移動すると発火する、特定のニューロンが示されたのです。その後の研究で、これらのニューロンは空間と密接に結びついていることが分かり、 場所細胞と名付けられました。
次に問われたのは、具体的にどのような情報が学習され、記憶されるのかということでした。巧妙な一連の実験から、ラットは距離と方向の両方に関する情報を符号化し、蓄えていることが分かりました。距離に関する情報は、海馬の一部である 嗅内皮質にある、いわゆる 格子細胞に保存されます。
格子細胞は、動物が移動すると敷き詰められた格子のようなパターンで発火します。方眼紙のように働き、動物が移動した距離を感知できるようにしていると考えられます。方向に関する情報は 頭方向細胞に保存され、動物が特定の方向（たとえば北）を向くと発火します。
こうした情報はすべて場所細胞に送られ、そこで統合されます。だからこそ、海馬には私たち自身の内的な空間地図が含まれていると考えられるのです。脳の働きに関する理解にとって非常に重要な発見だったため、場所細胞を初めて特定したJohn O’Keefe氏と、格子細胞を発見したEdvard Moser氏およびMay-Britt Moser氏に、 2014年のノーベル生理学・医学賞 が授与されました。
つまり、動物が心的な地図をどのように符号化するのか、また自分がどちらを向いているかをどう知るのかは分かっています。しかし、この情報を利用し、方向感覚に従って移動するには、家がどの方向にあるのかも知る必要があります。論文の著者らは、この情報が脳のどこに保存されているのか、また人間や動物が自分の向きを把握するためにどう利用するのかを明らかにしました。
脳内のコンパス
実験では、被験者に探索して学習するための仮想現実環境を与え、その後、すべて記憶に頼って目的地がどの方向にあるかを判断するよう求めました。同時に、血流の変化を監視して脳活動を測定する fMRIを用いて、被験者の脳をスキャンしました。
周囲を移動して道を見つける課題に応じて、どのニューロンが発火するかのパターンを調べたところ、研究者らは活動が嗅内皮質を中心に起きていることを発見しました。これは、嗅内皮質が脳の「内的なコンパス」であり、方向感覚の源であることを示しています。
興味深いことに、目標の方向を向いているときのニューロンの発火パターンは、目標の方向を頭の中で想像しているだけのときにも、驚くほどよく似ています。研究者らは、脳はこのニューロンの特性を利用し、実際には動かずに意図した方向を脳内でシミュレーションできると示唆しています。頭方向細胞は、ある役割から別の役割へ切り替わると考えられます。まず現在向いている方向の表現に関与し、その後、目標の方向をシミュレーションする役割に切り替わります。こうしてニューロンは、家に帰る経路の計画を助けることができます。
この脳領域の活動の強さは、その人のナビゲーション能力と関連しています。活動が弱いほど、方向感覚の正確さも低くなります。また、ここはアルツハイマー病などの疾患によって最初期に損傷を受ける脳領域の一つです。そのため、道に迷い、混乱することが、患者に見られる一般的な初期症状である理由を説明できるかもしれません。
この記事は、 The Conversationとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：Theresa Burt de Perera氏はオックスフォード大学の動物学准教授です。Tim Guilford氏はオックスフォード大学の動物行動学教授です。
画像：脳のさまざまな部位を示した、頭部の骨相学模型。2012年3月27日、ロンドンのウェルカム・コレクションでの展示で撮影。REUTERS。