人間を含む霊長類は、どのように顔を見分けるのだろうか。科学者たちは長年、顔を含むさまざまな物体を識別する役割を担うと考えられてきた、いわゆる「顔検出（FD）ニューロン」にこの能力があるとしてきた。しかし、この主張を裏付ける直接的な証拠はなかった。
今回、光で神経活動を制御する技術である光遺伝学を用い、MITの研究者らは、FDニューロンが霊長類の顔の識別、具体的には男性と女性の顔の見分けに直接関与することを示す初の証拠を提示した。
男性または女性の顔の画像を正しく識別するよう訓練されたマカクザルを使い、研究者らは光感受性タンパク質によって、視覚情報の処理領域である下側頭（IT）皮質にあるFDニューロンの部分領域を抑制した。ニューロンを抑制すると、動物が性別を正しく識別する能力に、小さいながらも有意な低下が見られた。
「これらの顔検出ニューロンが顔を識別する行動、つまり顔の性別を見分けることに関与しているなら、それらの活動を弱めれば、行動にも影響が出るはずです」と、MITマクガバン脳研究所の研究員で、研究を説明する論文の筆頭著者であるアラシュ・アフラズは述べる。論文は 米国科学アカデミー紀要に掲載された。
アフラズによると、この実験は、特定のニューロンと霊長類の行動との関連を理解するうえで前進となる。「実際にそのニューロンの活動を変化させ、行動に影響を与えられるかを確かめなければなりません」と彼は言う。「それが起きれば、これらのニューロンがその特定の行動を生み出す因果連鎖の一部だということです。」
アフラズは、この研究は霊長類の物体認識をより詳しく理解する手がかりとなり、IT皮質に直接配線する必要があるかもしれない視覚補綴の開発にも役立つ可能性があると付け加える。さらに広く言えば、光遺伝学による神経活動の抑制に必要な光の強さを理解することは、側頭葉てんかん患者向けの埋め込み型治療法の開発にも役立つ可能性がある。「てんかん発作が始まると自動的に作動し、光で皮質を沈静化する装置を皮質に埋め込めるかもしれません」とアフラズは述べる。
共著者は、神経科学教授でMIT脳・認知科学科長のジェームズ・ディカルロと、生物工学および脳・認知科学の准教授で、研究に用いた光遺伝学ツールを開発した研究グループを率いるエド・ボイデンである。
ニューロンの活動を弱める
1980年代、顔の画像に反応する神経活動のスパイクを記録した研究を通じて、科学者たちはFDニューロンの存在を初めて仮説として提唱した。「しかし、これらのニューロンの活動と、顔の検出ではなく顔の識別との間に、明確なメカニズム上のつながりはありませんでした」とアフラズは言う。
この PNAS 論文に向け、MITの研究者らは2匹のサルを訓練し、性別の異なる顔の画像を約90％の正確さで識別できるようにした。そのために、特徴が少しずつ異なる男性と女性の顔の画像を、画面中央の注視点の左右に表示した。次に画面の上部と下部に2つの点を表示し、顔が女性なら上の点を、男性なら下の点を見るようにした。
続いて研究者らはサルのIT皮質の神経活動を測定し、FDニューロンが特に多く集まる領域と少ない領域を複数特定した。次に、ボイデンの研究グループが開発したArchTという、光が当たると神経活動を抑制するよう設計されたタンパク質を、ウイルスを使ってFDニューロンの多い領域と少ない領域に導入した。
1カ月後、研究者らがArchT処置領域に緑色光をランダムに照射するなか、サルは40回の別々のセッションで、男性と女性の顔のグレースケール画像1,600枚を見た。研究者らによると、FDニューロンの少ない領域ではなく、多い領域のうちわずか1ミリメートルを抑制したところ、動物が性別の異なる顔を正しく識別する能力は平均約2％低下した。
ニューロンの小さな集団を、性別を識別する知覚能力と結びつける結果は、それらのニューロンが性別の異なる顔の処理を担っていることを示唆するとアフラズは述べる。「脳内で信号がより明確に符号化されている場所ほど、その部分が行動に直接寄与するようです」と彼は説明する。「顔の性別に関する情報が皮質の小さな領域により明確に符号化されていると分かれば、その領域の活動を弱めることで、行動への影響も大きくなります。」
新たな発見への道
ディカルロは、研究室で20年間にわたり視覚処理を研究してきたが、「最先端のツールを開発しているボイデンとのこの共同研究が、この重要な進展と、まったく新しい発見の道を切り開きました」と述べる。
ボイデンによると、この研究は霊長類に行動変化を引き起こすために光遺伝学を用いた最初期の報告例の一つであり、霊長類の視覚や行動の研究に光遺伝学を活用する可能性も示している。たとえば従来の神経抑制法とは異なり、光遺伝学ツールはごく短い時間だけ、ニューロンの小集団に狙いを定められるため、行動を引き起こす特定のニューロンをより正確に特定できる。
「私たちは脳の実際の回路、そして顔を見分けることに関与する正確なニューロンを捉えようとしています」とボイデンは言う。「これらのツールは、ほかのどの神経摂動法よりも高い時間的・空間的分解能をもたらします。」
スタンフォード大学の神経生物学教授ウィリアム・ニューサムは、この研究について、光遺伝学と薬剤による抑制技術の両方を用いた「非常に難度の高い一連の実験で、システム神経科学における魅力的な問題に取り組んでいます」と述べる。
さらに彼は、「これは、顔を検出するニューロンが、顔を見分ける知覚能力を媒介することを示す力強い実証です。とても興味深い結果です」と付け加える。
この研究は米国国立衛生研究所の助成を受けた。
この記事は MIT News との共同制作である。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しない。
アジェンダの最新情報を受け取るには、 週刊ニュースレターに登録してください。
著者：ロブ・マスゼオンはMIT Technology Reviewの寄稿ライター。
画像：日本人のビジネスウーマン（C）が東京・丸の内地区を通勤している。REUTERS/Kiyoshi Ota。
