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コンピューティングから意識に至るまで、脳を説明することは 21 世紀の科学の大きな課題であり続けます。正確に言えば、脳は、少なくともスペインの国民医療制度においては、その病気に対して最も多種多様な薬が使用されている臓器であり、その機能と病気について私たちがまだほとんど知識を持っていないことが浮き彫りになっています。

自分のタスクを理解しましょう。脳の使命は、生物とその環境の相互関係です。これを行うために、この器官は、感情、言語、意識など、動きから記憶までの行動や特性のレパートリーを表示します。どうやって手に入れるのですか？それが大きな疑問なのです。それに答えるために、大きな問題を小さな質問に分割してみましょう。

何十億ものニューロンがどのように連携して行動を生成するのでしょうか?脳の変化はどのように病気を引き起こすのでしょうか?人間の脳は何が違うのでしょうか？神経科学者のカーラ・アルティマス氏らは、過去50年間の神経科学の進歩と今後の予想されるマイルストーンをまとめた論文を2020年にジャーナル・オブ・ニューロサイエンス誌に発表したが、これらは神経科学が答えなければならない大きな疑問の一部だという。今後数年間。

この問題を分析し続ければ、人間の脳の征服が達成されたと主張するために、現在および将来の神経科学が説明しなければならない 5 つの大きな課題を概説できるでしょう。

課題 1: 脳の基本的な構成要素

人間の脳の構造と構成を理解しない限り、人間の脳を理解することはできません。過去 150 年間、サンティアゴ ラモン イ カハルのおかげで、その一般的な組織原理の記述は大きく前進しました。カハルは 19 世紀末にすでにニューロンが神経系の主要な構成要素であることを認識していました。この巨人の肩の上では、その後数十年間に数多くの発見がもたらされましたが、神経系の構造や基本的な構成要素については、まだ知るべき重要な詳細がたくさんあります。

まず、脳の分子を詳しく理解する必要があります。細胞は、それを取り囲む脂質（脂肪）の層に囲まれた分子（本質的にはタンパク質、核酸、糖）の集合体です。今日に至るまで、ニューロンに含まれるタンパク質の完全なセットはまだわかっていません。タンパク質は、細胞が何を実行できるかを定義する生化学的プロセスの主な実行者であるため、脳内の各ニューロンが個別に何を実行できるのかはまだ正確にはわかっていません。

第二に、脳内に存在する多数のニューロンのグループと構造内の細胞構成と相互接続の理解において、多くの進歩が必要です。私たちは、神経科学者たちが勇敢な船乗りのように数十年にわたって地図を作成し、大陸、国、地域の大まかな地図を確立してきた何百もの脳領域を知っていますが、それらが誰なのか、そして各地域の住民にどのような多様性があるのか​​はわかっていません。すべてのニューロンが同じではないことはわかっています。実際、ニューロンには大きな多様性があり、これが脳の機能に決定的に寄与していることはわかっていますが、合計で何種類の種類があるのか​​ (細胞アトラス)、またなぜそれらが異なるのかはわかっていません。

1 つのニューロンは、その正確な分子構成と他のニューロンとの接続パターンで他のニューロンと区別できます。ニューロンはシナプスを介して接続され、シナプスを通じて化学信号、神経伝達物質の小さなパケットが送信され、暗号化されたメッセージが伝達されます。脳内の異なる場所間の接続では、同じパッケージが同じを意味するわけではありません。したがって、神経系の各ニューロンの接続 (コネクトーム) の正確な配置を見つけることは、人間の脳の物質構造を理解するという課題の基本的な部分でもあります。

課題 2: 脳を構築する

複数の詳細な複雑さのレベルで組織化された数十億の細胞で生物がどのように構築されるかを説明することは、生物学一般、そしてもちろん神経科学にとっても大きな冒険の 1 つです。脳の胚発生を説明することは、大部分において、「遺伝子と環境」のジレンマに対する答えになります。なぜなら、両方が脳の形成に絡み合っているからです。彫刻の最終的な形態が彫刻家の仕事（環境の影響）と使用された材料の特性（遺伝子の影響）を反映するのと同じです。

人間の脳と他の哺乳類の脳は、出生時にすでにかなり多様なニューロンを持っていることがわかっています。すぐに生じる疑問は、このような多様性は胚発生においてどのようにして生成されるのかということです。誕生直後のニューロンは、ニューロン移動と呼ばれるプロセスで脳内を移動し、その距離は最大数ミリメートルであることがわかっています。最終的な位置に着地した若いニューロンは、他のニューロンとの接続を確立するためにプロセスを拡張し始めます。樹状枝と軸索は再び対応する標的までマラソン距離を移動し、最終的に複数の接触を確立します（多くは後に除去されます）。これは、ニューロン間の接続を洗練し、最もよく機能するものだけを残すシナプス刈り込みのプロセスです。

脳内の各種類のニューロンの移動とシナプス接続の確立の正確なプロセスを完全に分子詳細に理解すること、そしてそれらの異常がどのようにして統合失調症、自閉症、知的障害などの精神神経疾患を引き起こすのかを理解するという課題は依然として残っている。これらのプロセスに変更が加えられているということです。

移動とシナプス接続の確立は非常に重要なプロセスですが、それらは脳の構築に関わる現象のすべてではありません。基本的なプロセスは大脳皮質の折り畳みであり、これは人類の進化に大きく関係しています。同様に、特に成人の脳におけるニューロンの起源そのものが、今日でも議論の的となっています。 1980年代までは、成人の脳のすべてのニューロンは出生前に形成されると考えられていました。しかし、スペインの神経科学者マリア・ジョレンス・マルティンの研究などの最近の研究は、成人の脳内で実際に新しいニューロンが形成されることを示唆しています。もしそうなら、今後の課題は、成人の脳における新しいニューロンの生成が、神経変性またはニューロン死を特徴とする病状の治療の可能性があるかどうかを判断することである。

課題 3: 神経系におけるコンピューティング

課題 1 と 2 が脳の構造と構造を説明することである場合、これにはその基本的なコンポーネントの基本的な機能を理解することが含まれ、神経系における計算と情報コーディングという基本的な問題につながります。

確かに、ニューロンは信号プロセッサです。彼らは入力メッセージ (他のニューロンから来る神経伝達物質) を受け取り、それが統合/処理されて、特定の応答を与える出力メッセージ (他のニューロンに放出される神経伝達物質) を発します。コンピューティングを説明するために、脳とコンピューターの並列性がよく使われますが、これは便利ですが、限界もあります。コンピューター内のシリカ質トランジスタは、基本的にニューロンと同様にスイッチまたは信号増幅器として機能することがわかっています。しかし、他のニューロンがどのような計算活動を行っているのかはわかっていません。私たちはニューラル コンピューティング ツールボックスが何であるかをまだ理解していません。

一方で、神経系における情報の暗号化についてはまだ完全には理解されていません。ニューロンが放出する神経インパルスには、どのような意味があり、どのような情報が含まれているのでしょうか?感覚器官の感覚ニューロンが環境からの情報（光、コントラスト、音の周波数など）をエンコードしたり、運動ニューロンが体の筋肉を動かす命令をエンコードしたりするのと同じように、体の深部のニューロンの活動に含まれる情報は、脳はより抽象的で謎めいています。

多くの場合、さまざまな種類のニューロンは、コンテキストや前の状況に応じて動的に変化する独特の発火パターンを示します。孤立した活動電位を放電するニューロン、バーストを放電するニューロン、多かれ少なかれ頻繁に放電するニューロンがあります。これらすべてのレパートリーは、解読する必要がある「神経言語」を示唆しています。課題は、各瞬間、状況、行動におけるこれらの神経インパルスと放電パターンのそれぞれの情報内容が何であるかを正確に理解することです。

課題 4: ニューロンから行動まで

神経系細胞の本質的な構造と機能を単独で理解するだけでは、脳を説明するには十分ではありません。ニューロンは単独で行動するのではなく、行動の実行において協調します。動物が動くと、数千または数万のニューロンが同期して活性化し、その動きを生成します。したがって、課題は、それらが何であるかを知り、これらのニューロンがどのように調整されるかを理解することです。

最近まで、動物が行動を示している間に分析できるのは 1 つまたはいくつかのニューロンだけであり、それらのニューロンの正確な正体を知ることはできませんでしたが、光遺伝学などの新技術の出現により、状況は急速に変化しています。前例のない精度でニューロンの活動を調節します。この技術により、過去 15 年間に、複数の行動に関与する神経回路が解剖されてきました。さらに、最近、初めて人間に使用され、先天性失明に苦しむ人が視力を回復し、脳に視覚信号を送信する網膜の能力を回復することができました。

ニューロンの活動を混乱させるこの能力と、複数のニューロンの活動を監視する新しい技術を組み合わせることで、特定の行動を媒介する正確な回路の確立が始まりました。次の課題は、視覚やその他の感覚機能や運動機能を超えて、脳の深部を調査することです。人間の心の親密さ、特に私たちを他の動物と最も区別する側面を担う機構を説明することはまだ残っています。

人間の脳を理解するには、人間の言語とその学習を仲介する正確な回路を発見する必要があります。この情報があれば、神経変性疾患によって完全に動けなくなった人々がより効果的にコミュニケーションできるようにするブレイン・コンピューター・インターフェースの設計など、これらのメカニズムを強化し、言語機能障害を矯正することがおそらく可能になるでしょう。実際、筋萎縮性側索硬化症によって動けなくなった人々でも、感覚運動野や前頭前野の脳活動を読み取る装置を介して基本的なコミュニケーションをとることがすでに可能になっています。

また、人間のエピソード記憶の特徴的な特性の 1 つである、精神的にタイムトラベルする能力など、人間の行動の他の特殊性も明らかにする必要があります。初めてのキス、子供の誕生、大学の卒業などを思い出すとき、人間はそれらの出来事が起こった場所や瞬間を主観的に呼び起こすことができます。この精神的にタイムトラベルする能力は、海馬を含む内側側頭葉と呼ばれる脳の領域に依存することが知られており、海馬は人間や他の動物の記憶のさまざまな側面において重要な構造です。しかし、他の脳のプロセスと同様に、関与する細胞および分子のアクターについては、多くの詳細がまだ解明されていません。それをよく理解することは、記憶力が低下する病気へのアプローチにおいて臨床的な結果をもたらす可能性がある将来の目標です。

しかし、おそらく最大の課題は、人間の意識がどのように生じるのか、そして意識の難しい問題と呼ばれるものを説明することです。有形具体的な物質（神経組織）から、一見無形に見える心や意識という物質はどのようにして現れるのでしょうか？大きな議論は、意識がその構成要素の総和なのか、それとも創発的な性質なのかということである。一部の著者にとって、意識を説明することは、関係するすべての精神的現象（注意のプロセス、意思決定、エピソード記憶など）のメカニズムを説明することです。他の著者にとって、意識のこれらの部分を説明することは「簡単な」問題を表します。この見解によれば、簡単な問題が解決されたとしても、意識はまだ説明されていない。なぜなら、意識経験はその部分の合計以上のものであり、したがって還元できないからである。

課題 5: ニューロンを超えて

ここまではニューロンについてのみ説明してきましたが、神経系はニューロンだけで構成されているわけではありません。 2 番目に主要な細胞成分は、実際に同様に豊富にあり、グリア細胞です。それらはニューロンが点在しており、伝統的に二次的な機能（ニューロンの構造的、栄養的サポートおよび保護）を実行すると考えられていましたが、最近の研究により、それらが感染症に対する免疫反応や細胞の成熟において重要な役割を果たしていることが明らかになりつつあります。ニューロン回路（接続の改良に寄与するシナプス刈り込みの過程）、およびニューロン間のシナプス伝達を直接調節します。したがって、これらの細胞も神経系の主役であると考えられるべきですが、その正確な役割はニューロンよりもさらに知られていません。

一方で、脳に存在していなくても、また人間の細胞でなくても、この器官に重要な影響を与える可能性のある細胞もあります。これらは腸内に生息する細菌、いわゆる腸内細菌叢であり、いわゆる腸脳軸を通じて、さまざまな神経疾患の原因に重要な役割を果たす可能性があります。中でも、パーキンソン病への関与は近年ますます高まっています。この病気では、腸内細菌叢の変化が運動症状の発症に先行することが発見されており、腸内細菌によって放出される代謝産物が何らかの形で脳に影響を与え、神経変性プロセスを開始する可能性があることが示唆されています。しかし、正確な関係はほとんど知られておらず、説明すべき保留中の課題が残されています。

その他の課題

脳の日常生活を説明することは必要なステップです。私たちは彼らの病気のことを忘れることはできません。ほとんどの場合、その起源と原因を理解し、その危険因子を理解し、効果的で安全な治療と予防プログラムを達成することが大きな懸案となっています。また、今日多大な害をもたらす過剰治療や過小診断を避けるために、正常と病的を区別する閾値を理解し、正常の範疇内に存在する多様性を認識することも重要である。研究の利益が人類全体に及ぶためには、白人男性、女性、その他のグループに加えて、研究対象者の包括性と代表性を高めることが重要です。方法論的には、研究結果の再現性を高めて、堅固な前提に基づいて学問を発展させる必要があります。

脳活動の介入と監視のための装置が民主化されるにつれ、神経科学者のラファエル・ユステ氏が提案しているように、脳データの悪用を防ぐために規制や神経権が必要になるだろう。社会的に非難されるべき行動の脳の起源を理解することは、犯罪行為における有罪または無罪の法的概念に影響を与えるでしょう。刑事問題だけでなく、司法や法律の他の領域においても、神経科学の発見を規制の枠組みに組み込むことは困難となるだろう。

社会の他の次元では、神経科学が経済学の概念と実践に革命を起こすことが期待されています。いわゆる神経経済学から神経マーケティングまで、脳を理解することで、企業が製品を販売する方法を洗練し、商業的成功を収めることができるようになります。

私たちは脳を理解できるでしょうか？

人間の脳を完全に理解できるかどうかを先験的に知ることは不可能です。私たちが断言できるのは、人間の好奇心は止められず、人間を苦しめる壊滅的な病気への対処が緊急の必要性であるため、それを説明しようとする試みは正当であるということです。

数週間前、ハーバード大学の神経科学者がツイッターで、有名な大統領が大統領自身の顔である別の人物にメダルをぶら下げている様子をミームで冗談を飛ばした。本文には「人間の脳の重要性について語る私」と書かれていた。結局のところ、神経科学者は人間の脳そのものについて、自分自身の複雑さについて語っているのです。これは神経ナルシシズムの逆説であり、人間の脳の重要性と偏見の両方を認識するよう教えています。人間の脳を理解できるでしょうか？確かに、肯定的な答えを得るよりも重要なのは、その過程で発見される可能性が高い多くの興味深い発見であるでしょう。

ホセ・ヴィオスカ・ロスは神経科学の医師であり生化学者です。 Xpeer Medical Education の科学ディレクター。 『The Brain』、『Prodigious Minds』、『Creating the World』の著者。