時間を把握することは、ピアノを弾く、テニスのラケットを振る、会話を続けるなど、多くの作業にとって極めて重要である。MITとコロンビア大学の神経科学者らは、脳の一部の神経細胞が時間間隔をどのように測定し、正確に再現するかを解明した。
研究者らは、感覚運動機能に関わる lateral intraparietal cortex（LIP）が、動物が時間間隔を測定して再現する際の経過時間を表現していることを発見した。また、LIP内のニューロン集団の発火パターンが、タイミングの感覚的側面と運動的側面をどのように調整しうるかも示した。
LIPは、時間を測定する回路の中の一つの要素にすぎない可能性が高いと、この研究内容を解説した論文の筆頭著者であるMehrdad Jazayeri氏は述べている。論文は10月8日号の Current Biologyに掲載されている。
「私は、頭頂葉が時計の役割を果たしていると結論づけることはしないだろう」と、MITの脳・認知科学の助教であり、McGovern Institute for Brain Researchのメンバーでもある Jazayeri氏は述べている。「私たちが行っているのは、神経細胞の発火率が時間とともにどのように変化するかを説明する計算原理を発見することであり、それが単一試行における動物の行動とどのように関係するかを示すことだ。数学的に、何が起きているのかを説明できる。」
論文の上級著者（シニアオーサー）は、コロンビア大学の神経科学教授であり、同大学のMortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior InstituteのメンバーでもあるMichael Shadlen氏である。
時が経つにつれて
Jazayeri氏は、2013年にMITの教員となったが、数年前にワシントン大学でポスドクだった時期に、脳内での時間の把握に関する研究を始めた。彼は「ready, set, go」と呼ばれる課題を用いて、人間が時間を測定し再現する能力を調べることから始めた。この実験では、被験者は2回の閃光（「ready」と「set」）の間の時間を測定し、その後、「ready」と「set」を隔てたのと同じ時間が経過した適切なタイミングでボタン（「go」）を押す。
これらの研究から、人は単に間隔を測定してそれを再現するのではないことが明らかになった。むしろ、間隔を測定した後、その不正確な測定結果を、その間隔がどれほどだったかについての事前知識と組み合わせる。この事前知識は、課題を何度も繰り返すにつれて蓄積され、人がより正確に間隔を再現することを可能にする。
「人が時間を再現するとき、タイマーを使っているようには見えない」とJazayeri氏は言う。「それは、確率的推論という能動的な行為が続いているのだ。」
この過程で脳内で何が起きているかを明らかにするため、Jazayeri氏は、同じ課題を訓練されたサルのLIPにおける神経活動を記録した。これらの記録では、測定段階（「ready」と「set」の間の間隔）と生成段階（「set」と「go」の間の間隔）に特徴的なパターンが見られた。
測定段階では、神経活動は増加するが、直線的ではない。代わりに、活動の傾きは、時間の経過とともに徐々に平坦になる急峻な曲線として始まり、「set」の信号が与えられるまで続く。これは重要である。測定間隔の終わりにおける傾きが、生成段階における活動の傾きを予測するからだ。
間隔が短い場合、2段階目の傾きは急峻になる。これにより活動は素早く増加し、動物は短い間隔を生成できる。間隔が長い場合は、傾きがゆるやかになり、反応の時点に到達するまでにより時間がかかる。
「測定の途中で時間が経過するにつれて、動物は生成すべき間隔が長いことを知り、そのためより浅い傾きを必要とする」とJazayeri氏は言う。
このデータを用いて研究者らは、測定段階の終わりにおける傾きに基づき、動物がいつ「go」の信号を生成するかを正確に予測することができた。
「以前の研究では、一部の神経細胞が、タイミングを計った運動反応の開始とともに頂点に達する発火率の上昇を示すことが示されてきた。この研究は、この『神経の上昇』の傾きを何が制御するかについての最初の手がかりを提供しているため刺激的である。具体的には、上昇の傾きは、タイミングを計った間隔の開始時点の発火率によって決まる可能性があるという点だ」と、この研究には関与していなかったカリフォルニア大学ロサンゼルス校の行動神経科学教授であるDean Buonomano氏は述べている。
「非常に分散した問題」
すべての認知機能と運動機能は、ある程度時間に依存している。LIPは間隔の再現中の時間を表現するが、Jazayeri氏は、時間の把握は、視床、大脳基底核、小脳などの皮質下構造を大脳皮質に接続する脳回路全体で起こると考えている。
「脳にとってタイミングは非常に分散した問題になるだろう。タイミングを担う単一の場所が脳にあるということはないだろう」と彼は言う。
彼の研究室は現在、この研究によって提起されたいくつかの問題を追究している。ある追加の実験では、研究者らは、最初の間隔がどれくらい続くかについての期待に基づいて、動物の行動と脳活動がどのように変化するかを調べている。
別の実験では、2回測定される間隔を再現するよう動物を訓練している。予備的な結果によると、2回目の間隔の間に、動物は最初の間隔で行った測定を洗練させ、測定を1回だけ行う場合よりも良い成果を出せることが示唆されている。
本記事は MIT Newsと協力して掲載されたものである。掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではない。
Agendaの最新情報を入手するには 週刊ニュースレターにご登録ください。
執筆者：Anne Traftonは MIT Newsで、生命科学、物理科学、生物・化学工学を担当するライターである。
画像：UCLのNanomedicine Labで、げっ歯類のパーキンソン病脳切片を染色する大学院生。REUTERS/Suzanne Plunkett
