By Niall Firth
Stefan Siebert and Charles David
ある動物の体のすべてのニューロンの発火を、ライブ記録することができたのだそうです。 ヒドラ（クラゲに似た小さな透明な生物）の神経系を、痙攣したり動いたりするときにイメージングするという画期的な方法により、このような単純な動物がどのようにして行動を制御しているのかについての洞察が得られました。 「これは、人間の脳だけでなく、神経科学全般にとって重要かもしれません」と、ニューヨークのコロンビア大学のラファエル・ユステ氏は言います。
脳の代わりに、ヒドラには、神経細胞が体全体に広がる神経網という、自然界で最も基本的な神経系が備わっています。 それでも研究者は、ヒドラの数千のニューロンがどのように相互作用して行動を生み出しているのか、まだほとんど何も分かっていません。
それを知るために、ユーステと同僚のクリストフ・デュプレは、ヒドラを遺伝子操作して、カルシウムの存在下でニューロンが発光するように改造したのです。 例えば、ヒドラの胃のような空洞の消化に関与していると思われる回路は、ヒドラが餌を食べるために口を開けると活性化しました。 この回路は、私たちの腸の神経系の祖先かもしれないと、2人は示唆しています。
ニューラル コード
2番目の回路は、ヒドラが捕食者から身を隠すために体を丸くするときに発火します。 ヒドラは目が見えないにもかかわらず、狩りをするために光を必要とし、午前中に多くのことを行うのです。 これは、この動物が反射ごとに異なるネットワークを進化させたことを示唆しています。原始的な配置であり、私たちの相互接続された神経系よりもはるかに複雑ではありません。
にもかかわらず、ヒドラが神経コード（神経活動が行動を決定する方法）を破る第一歩になったと、ユーステ氏は言います。 ヒドラは地球史上最も単純な「脳」を持っているので、まずそれを理解し、その教訓をより複雑な脳に応用することができるかもしれません」と彼は言います。
ユステは、回路がリアルタイムでどう働くかを見ることによって、人間の脳に対する新しい洞察につながり、たとえば統合失調症などの精神疾患についてもっとわかるのではないかと期待しています。 システムがどのように機能するかを知るまでは、患者を治療することはできません」と彼は言います。
ユーステは、ハーバード大学のジョージ・チャーチを含む、2012年に「脳活動マッププロジェクト」を立ち上げた複数の神経科学者の一人です。 これは、神経科学者たちに、人間の脳のすべてのニューロンの活動を記録するよう呼びかけるものだった。
Aha moment
ヒドラが、このマップを体全体で作成した最初の動物になりました（ゼブラフィッシュの脳全体の活動も同様の方法でマッピングされています）。 この研究は、「祝うに値する素晴らしいマイルストーン」であるとチャーチは言う。
ノースカロライナ州デューク脳科学研究所の神経科学者Dale Purvesは、この動物が私たち自身を理解するのに役立つかどうか疑っています。 「この動物は、神経系をよりよく理解するために見るべきモデル生物として、ミバエ、ミミズ、マウスに加わることになるのか、と問う必要があります。 「しかし、ユーステは現在、他の7つのチームと共同で、ヒドラの神経コードを解読しています。 彼らは、神経細胞の発火方法を完全に理解し、計算モデルを使用して、神経活動からヒドラの行動を予測できるようにしたいと考えています。
「我々の夢の1つは、遺伝学がDNA二重らせんを解明したときのようなポイントを、神経科学で達成することです」とYuste氏は言います。 脳は複雑すぎて無理だという意見もありますが、ユーステ氏は楽観的です。 「私たちが生きている間にそれが実現し、ジグソーパズルが組み合わさったときのアハの瞬間になることを願っています」と彼は言います。
ジャーナル参照。 Current Biology, DOI: 10.1016/j.cub.2017.02.049
Read more: “A brief history of the brain”
私たちの脳は、私たちよりずっと前に地球を泳ぎ、這い、歩いた生き物たちを通じて、曲がりくねった発達の道をたどった。 ここでは、これらの動物のいくつかと、彼らがどのように私たちを作ったかを紹介します。
Hydra
単細胞の祖先は、環境を感知して対応する高度な機械を持っていました。 最初の多細胞動物が発生すると、この機械は細胞間のコミュニケーションに適応されました。 電気信号や化学信号を使ってメッセージを伝えることのできる特殊な細胞、つまり最初の神経細胞は、非常に早い時期に生まれました。
最初の神経細胞は、おそらくこのヒドラのような生物の体全体に拡散したネットワークで接続されていたと思われます。 神経網として知られるこの種の構造は、現在でもクラゲやイソギンチャクの体を震わせて見ることができます。
Urbilaterian
ニューロンのグループが集まり始めると、情報を単に中継するのではなく、処理できるようになって、動物はこれまで以上に高度に動き、環境に対応できるようになりました。 多くの生物学者によると、これは、脊椎動物、軟体動物、昆虫など、生きているほとんどの動物の祖先である、urbilaterian として知られるミミズ状の生物で起こったことだそうです。
Lamprey brain
初期の魚でより特殊な脳領域が生まれ、そのいくつかは生きているヤツメウナギに似ている。 目で動くものを追跡する視蓋、恐怖を感じる状況に対応する扁桃体、報酬の感情を与え、記憶を定着させる大脳辺縁系の一部、運動のパターンを制御する基底核など、これらの中核構造の多くは今でも私たちの脳で見ることができます。
両生類の脳
最初の両生類が乾いた土地に移動してから哺乳類が進化するまでのある時点で、新皮質（脳の表面にある神経組織の層）が発生しました。 大脳新皮質がいつ、どのように進化したのかは、まだ謎のままです。 両生類や爬虫類の脳は頭蓋腔全体を満たしていないため、これらの動物の遺骨からは脳の形についてほとんど何もわかりません。
原始哺乳類の脳
哺乳類の脳は、恐竜が支配する世界で生き残ろうと努力するうちに、体に対してますます大きくなりました。
ヒネズミに似た化石哺乳類のCTスキャンから、最初にパワーアップした部位が嗅球であることがわかり、哺乳類がその嗅覚を大きく頼りにしていることが示唆されています。 また、大脳新皮質の触覚（特に毛の揺れなど）をつかさどる領域も大きくパワーアップしており、触覚も重要であったことを示唆しています。 これらの発見は、最初の哺乳類が恐竜をかわすために夜行性の生活を採用したという考えと見事に合致します。
チンパンジーの脳
恐竜が滅びた後、霊長類の祖先は木に登るようになりました。 木の周りで昆虫を追いかけるには優れた視力が必要で、そのために大脳新皮質の視覚部分が拡大したのです。 しかし、霊長類にとって最大の精神的課題は、社会生活を把握することであったかもしれない。このことが、霊長類の新皮質の前頭部が大きく拡大したことの説明になるかもしれない。 これにより、霊長類はより多くの情報を処理し、それに基づいて行動するためのより賢い方法を考え出すことができるようになったのである。
Human brain
研究者はかつて、2 本足になったことが、人間の脳の大きさを、オランウータン、ゴリラ、チンパンジーといった霊長類のいとこに比べて大きくした原因だと考えたことがありました。 しかし、化石の発見は、初期のヒト科動物が二足歩行になってから数百万年経っても、彼らの脳はまだ小さかったことを示している
脳が大きくなり始めたのは、250万年前頃だった。 その理由はまだわかっていませんが、突然変異によって先祖の顎の筋肉が弱くなり、頭蓋骨が拡大した可能性があります。
道具を開発し、より豊かな食事を見つけられるほど賢くなると、プラスのフィードバック効果が働き、さらに脳が拡大した可能性があります。 大きな脳にはたくさんの栄養素が必要であり、賢い動物はそれを見つけるチャンスがあります。
全体像は、食事、文化、テクノロジー、言語、遺伝子の相互作用により、脳が拡大し続けるというものです。 その結果、約20万年前までにアフリカで現代人の脳が誕生した。しかし、過去1万5000年の間に、体に対する人間の脳の平均サイズは3～4％縮小した。
その理由を知り、脳の進化の旅についてもっと読むには、「A brief history of the brain」を読む。
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