【プレスリリース】脳自身が生み出す活動と外界からの入力による活動を大脳神経回路が分離する新しいメカニズムを解明 [Press Release] Elucidating the Mechanism by which Neural Circuits in the Cerebral Cortex Separate Spontaneous Brain Activity from Sensory-Evoked Activity
東京大学大学院医学系研究科の大木研一教授（兼：東京大学国際高等研究所ニューロインテリジェンス国際研究機構（WPI-IRCN）副機構長、兼：Beyond AI 研究推進機構 教授）、同志社大学大学院脳科学研究科の松井鉄平教授（研究当時：東京大学大学院医学系研究科講師）、東京大学大学院医学系研究科の橋本昂之助教、村上知成助教、関西医科大学医学部の上村允人助教（研究当時：東京大学大学院医学系研究科特任助教）らの研究グループは、大脳視覚野が視覚情報と自発活動を分離する新しいメカニズムを発見しました。
ヒトをはじめとする生物の脳は外界からの感覚入力が無い場合（例えば何もしていない安静時）でも活発に脳自身が生み出す自発活動を示すことが知られています。自発活動は様々な動物で観察されており、生物の脳の重要な特徴だと考えられています。自発活動が外界からの感覚入力に対する活動と区別できない場合、誤った認識や幻覚につながる可能性もありますが、実際には生物の脳は感覚情報を正確に処理することが出来ます。このメカニズムが何なのかは多くの点で未解明であります。特に多数の領野が階層的なネットワークを作る哺乳類の大脳皮質視覚野において自発活動がどのように処理されているかは不明でありました。そこで本研究では、マウスよりもヒトに近い視覚系を持ち、なおかつ先端技術による神経活動計測が可能な小型霊長類であるマーモセットを用いて、大脳皮質の多数の視覚関連領野で自発活動と視覚応答との関係を詳細に分析しました。その結果、大脳皮質視覚野の階層的ネットワークの中で、低次の階層では自発活動と視覚応答のパターンが似ていますが、低次の階層から高次の階層にいくほど自発活動のパターンと視覚応答のパターンが徐々に分離していくことが発見されました。階層にそって徐々に分離されることから、ネットワークの階層性が自発活動と視覚応答の分離に重要な役割を果たしていることが示唆されます。本研究は大脳皮質の新しい情報処理メカニズムを提案するだけでなく、生物の脳が持つ利点を取り込んだ人工知能の開発に寄与する可能性が考えられます。
本研究は、東京大学・ソフトバンクBeyond AI連携事業、東京大学ニューロインテリジェンス国際研究機構（WPI-IRCN）、日本医療研究開発機構（AMED）、科学技術振興機構(JST)による戦略的創造研究推進事業(CREST)、日本学術振興会（JSPS）による科学研究費助成事業などによる支援を受けて行われました。
本研究成果は、2024 年 12 月 4 日（英国時間）に英国科学誌「Nature Communications」のオンライン版に掲載されました。
プレスリリース全文（PDF）:
https://www.u-tokyo.ac.jp/content/400252827.pdf
<関連リンク>
・nature com.
https://www.nature.com/articles/s41467-024-54322-x
・東京大学ホームページ（UTokyo Focus）
https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/ja/press/
A research group consisting of Professor Kenichi Ohki (affiliated with Institute for AI and Beyond (Beyond AI), Graduate School of Medicine, and International Research Center for Neurointelligence (WPI-IRCN), The University of Tokyo), Professor Teppei Matsui (Graduate School of Brain Science, Doshisha University (at the time of this research: Lecturer, Graduate School of Medicine, University of Tokyo)), Assistant Professor Takayuki Hashimoto, and Assistant Professor Tomonari Murakami (Graduate School of Medicine, The University of Tokyo), and Assistant Professor Masato Uemura (Faculty of Medicine, Kansai Medical University (at the time of this research: Project Assistant Professor, Graduate School of Medicine, The University of Tokyo)) have discovered a new mechanism by which the cerebral visual cortex separates visual information from spontaneous activity.
It is known that the brains of organisms, including humans, exhibit spontaneous activity generated by the brain itself even in the absence of sensory input (e.g., during rest). Spontaneous activity has been observed in various animals and is considered one of the most characteristic features of the biological brain. If spontaneous activity cannot be distinguished from activity in response to sensory input, it could lead to incorrect perceptions or hallucinations. However, in reality, the brain of living organisms can accurately process sensory information. The mechanism behind this has remained largely unexplained. Particularly, it was unclear how spontaneous activity is processed in the visual cortex of mammals, which forms a hierarchical network of multiple areas. Therefore, this study used marmosets, small primates with a visual system closer to that of humans and capable of advanced neural activity measurements, to analyze in detail the relationship between spontaneous activity and visual responses in multiple visual-related areas of the cerebral cortex. The research group discovered that within the hierarchical network of the cerebral visual cortex, the patterns of spontaneous activity and visual responses are similar in lower hierarchical levels, but gradually separate as one moves from lower to higher hierarchical levels. This gradual separation along the hierarchy suggests that the hierarchical nature of the network plays an important role in the separation of spontaneous activity and visual responses. This study not only proposes a new information processing mechanism of the cerebral cortex but also has the potential to contribute to the development of artificial intelligence that incorporates the advantages of the biological brain.
This research was supported by the Beyond AI Joint Project which is a collaborative initiative launched by the University of Tokyo and SoftBank, Japan Agency for Medical Research and Development (AMED), Japan Science and Technology Agency (JST), and Grants-in-Aid for Scientific Research (JSPS）.
The findings of this research was published in the British scientific journal "Nature Communications" on December 4 2024 (UK time).
・The full press release (in Japanese only) in PDF.
https://www.t.u-tokyo.ac.jp/hubfs/press-release/2024/0207/003/text.pdf
＜RELATED LINKS＞
・nature com.
https://www.nature.com/articles/s41467-024-54322-x
・UTokyo Focus
https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/ja/press/
