九州大学などの研究チームは、物体の形を知覚する際に大脳一次視覚野で行われている画像細部の傾き検出に関する新たな構造の存在を、実験データを元にシミュレーション解析を行うことで予測。周囲の画像の複雑さに応じて検出特性を変える神経細胞と、周囲の画像の複雑さに関係なく一定の検出特性を保つ神経細胞が、ある規則に基づいて分離配置している可能性を示した。同成果は九大 大学院医学研究院の岡本剛准教授、大阪大学の藤田一郎教授、東京大学の合原一幸教授らによるもので、「Scientific Reports」に掲載された。

ヒトがなにかを見る際、網膜に映った画像は電気信号に変換され、後頭葉の一次視覚野から大脳に入る。具体的には、一次視覚野の各神経細胞は画像のごく一部を切り取り、その中にある「線の傾き」を検出し、その情報をより上位の視覚野の神経細胞に送る。どの傾きを検出するかは、神経細胞ごとに決まっており(傾き選択性)、検出する傾きにより特別な分布を示す。

図1 サルの一次視覚野の傾き選択性地図。異なった色の領域には、異なった傾きに反応する神経細胞が集まっている

最近の実験により、これらの神経細胞の中には、画像の一部を切り出して線の傾きを検出しているだけでなく、切り出した画像とその周囲にある画像との関連性(コンテクスト)によって傾き検出の仕方を変える神経細胞があることがわかってきているが、その機構や分布については、定性的な仮説が過去にいくつが提案されただけで、傾き選択性地図とどのような関係にあるのか、定量的な分析が行われたことはなかった。

今回、研究グループは、オプティカル・イメージング(光学計測法)を用いてサルの一次視覚野の神経活動を計測することで、傾き選択性に基づく機能地図を作成した。

また、その地図を用いて、各神経細胞が自分と近い神経細胞から受け取る入力と、自分から遠く離れた神経細胞が受け取る入力の違いを見積もり、その結果を用いてシミュレーションを行った結果、以下のことが示されたという。

  1. 神経脂肪の傾き選択性は、ピンウィール構造の中心に近づくにつれて感度が弱まるが、検出特性は変わらない
  2. 神経細胞の傾き選択性は、ピンウィール構造の中心から離れた場所ではコンテクストによって特性が変わるが、ピンウィール構造の中心では特性は変わらない

図2 コンテクストによって変わる傾き検出特性とその特性を示す細胞の分布。特性が変わる細胞はピンウィール構造の周辺部に、特性が変わらない細胞は中心部(図1の白点)に位置する

この結果が、「ピンウィール構造の中心では異なる傾きを統合し、ピンウィール周辺では同じ傾きを統合している」という従来の仮説とは異なる、「ピンウィール中心では局所的な傾きのみを検出し、ピンウィール周辺では傾きの差を検出している」という新たな仮説の提案に結びついたと研究チームは説明しており、この実験と理論を組み合わせた成果は、コンテクストによって傾き検出特性を変える神経細胞の機能構造を理解するための基盤となるため、将来的な一次視覚野の機能の理解の進展に結びつくものとの期待を示している。

なお、研究チームでは今後、他の特性を持つ一次視覚野神経細胞や、上位視覚野の神経細胞などに今回の手法を適用することで、物体の形を知覚する脳内情報処理の解明を進めていくとしている。