ニコラス・ストラウスフェルドにとって、小さな脳は美しいものである。 アリゾナ大学ツーソン校の神経生物学者である彼は、35年のキャリアを通じて、ゴキブリ、ミジンコ、ビロードワーム、ブラインシュリンプなど数多くの無脊椎動物の微細な脳構造を探ってきた。 顕微鏡、ピンセット、手作りの電子機器を使って、塩数粒ほどの大きさの脳構造を、院生たちと一緒に細胞単位でやさしく分解していくのである。 この退屈な分析から、ストラウスフェルドは昆虫が「この地球上で最も洗練された脳」を持っていると結論付けています。 サンディエゴの神経科学研究所 (NSI) の研究者であるブルーノ・ヴァン・スウィンデレン氏は、昆虫に高度な認知機能のヒント、つまりある科学誌が「意識の遠いルーツ」と呼ぶものへの手がかりを見いだしています。 「しかし、脳をどのように組み立てるかの根底にある原理を考える必要があり、その原理は普遍的である可能性が高いのです」

この発見には賛否両論があります。 「私がこれまで見てきた証拠は、私を納得させるものではありませんでした」と、カリフォルニア工科大学の神経科学者ジル・ローランは言います。 しかし、一部の研究者は、ほとんどの素人観察者にショックを与えるような可能性を考えています。 カリフォルニア工科大学の神経科学者であるクリストフ・コッホは言う、「我々は文字通り、脳の複雑さがどのレベルで意識を停止させるかを知らないのです」。 ほとんどの人は、『頼むから、虫には意識がないんだ』と言います。 しかし、どうしてわかるのでしょうか？ もう分からないのです。 私はもう虫を無駄に殺したりしない」

スイスのバーゼル大学のハインリッヒ・ライヒェルトは、「すべての脳の関連性」にますます興味を持つようになりました。 ライヒェルト自身の脳の起源に関する研究は、ほとんど知られていない祖先、約10億年前に蠢いて泳いでいたウルビラテリアと呼ばれる地味な生き物に行き着く。 両側対称の動物の祖父であるウルビラテリアは、クモ、カタツムリ、昆虫、両生類、魚、ミミズ、鳥、爬虫類、哺乳類、カニ、貝、そして人間の祖先です。

もちろん、少なくとも定量的には、昆虫の脳を原始的だと見なす十分な理由があります。 人間は100,000,000,000個の脳細胞を持っています。 ゴキブリの脳細胞は100万個近く、ミバエは25万個に過ぎない。 それでも、昆虫の情報管理能力には目を見張るものがある。 哺乳類に比べ、10倍以上の密度で神経細胞を脳に詰め込んでいるのだ。 また、それぞれの脳細胞を哺乳類よりも柔軟に使っている。 1つの神経細胞から遠く離れた複数の神経細胞がそれぞれ独立して活動できるため、細胞の数を増やさずに計算能力を高めることができるのだ。 かろうじて100万個のニューロンを搭載したミツバチが、この回路によって、巣から6マイルも離れたところで蛇行し、食べ物を見つけて、そのまま家に帰ることができるのである。 地図とコンパスを使っても、同じことができる人間はほとんどいません。

表面的には、昆虫と哺乳類の脳はまったく似ていません。 細胞間の結合を研究することで、初めて驚くべき類似性が浮かび上がってくるのです。 ある日の午後、ストラウスフェルドの博士課程の学生であるクリストファー・テオールが、ゴキブリの脳のキノコ体と呼ばれる部分を利用するための独自の実験装置を見せてくれた。 このキノコ型の脳構造は、哺乳類の海馬に類似していると考えられており、場所の記憶の形成に関与する脳成分である。

「私たちがやろうとしていることは、ラットや霊長類の脳で使われてきた技術を、1000分の1の大きさの脳にスケールダウンすることです」と、狭い実験室に入りながらテオール氏は言います。 外の廊下で荷車がガタガタと動くだけでも、実験に支障をきたしかねない。 1/10,0000ボルトの神経パルスを記録する必要があるため、部屋の照明からの電磁波を遮断するためのケージでテーブルを囲っている。 顕微鏡の下で、ピンセットと安定した手と息を止めながら、テオールは赤血球の2倍の直径しかない銅線を電極に加工し、ゴキブリの脳に挿入します

「彼らは壊れやすいんです」と彼は言います。 「ドアが開いて風が吹いただけでも、数時間の作業が台無しになります」

ゴキブリの脳内にあるキノコ体と呼ばれる対の構造は、ナビゲーションに重要な役割を果たします。

20時間の準備期間を経て、Theallは実験を行う準備が整いました。 顕微鏡を覗きながらつまみをひねり、電極をゴキブリの脳の中に沈め、キノコ体のひとつに電極が収まるようにする。 実験中、テオールはこのゴキブリを訓練し、報酬を得るようにする。 アンテナを特定の場所に向けると、ピーナツバターのにおいで興奮するのだ。

実験の最終段階であるキノコの体の解剖で、Theallはモニターした2～3個の細胞を見ることができる。 その細胞は電極から放出された銅を吸収しているので、キノコ体にある他の20万個の脳細胞と見分けることができるのである。 そして、テオールは、ペン、紙、ライトボックスを使って、それぞれの細胞の構造をなぞる。 まるで、ニョキニョキと生えた樫の木の小枝の1本1本まで描くように、1つの細胞を再構築するのに2日かかることもあるという。 ストラウスフェルドの研究室の典型的な学生であるテオールは、博士号取得までにこのような実験を何百回も行うことになります。

テオールとストラウスフェルドは、ゴキブリのキノコ体を叩いたときに、何万もの細胞のうちどれに当たるのか、決して知ることはありません。 しかし、この実験を何度も繰り返すことで、どのような種類の細胞が存在し、それらの細胞が場所記憶の作業中にどのように機能し、他の細胞とどのような結合を形成しているのかについての図式ができつつあります。

オフィスでのチャットで、ストラウスフェルドはキノコの体をスケッチし、哺乳類の記憶と場所の特定を行う脳中枢である海馬との類似点をいくつか指摘しました。 海馬は、哺乳類の記憶と場所の特定をつかさどる脳の中枢である。その基底部は、何千本もの神経線維が平行に走り、まるで木目のように並んでいる。 この形から、脳のこの部分は「キノコ体」と呼ばれている。 この形から、この部分は “キノコ体 “と呼ばれるようになった。 ストラウスフェルドは、これらのループ状の経路が、ゴキブリが家を行き来するときに次々と遭遇する様々な名所の景色や匂いのように、関連する情報の断片をまとめているのだと推測しています。 ストラウスフェルドと他の研究者たちは、その類似性が、深い古代の親族関係から生じたのか、それとも単に生存を助けるために独立して進化した類似の解決策から生じたのかについて、手がかりを探しているところです。 この装置は、ハエの脳における注意の焦点をモニターするために設計されています。 LEDスクリーンがハエを取り囲み、目の前に点滅する物体を一度に2つずつ表示する。 今は、Xと正方形です。 Xは1秒間に12回、四角は15回点滅している。

Van Swinderenはハエの脳に電極を挿入し、その神経活動をモニターしている。 電極を通過するギザギザの脳波がコンピュータの画面をスクロールしていく。 1秒間に12回上下する波と15回上下する波である。 この2つの波は、点滅する2つの物体に反応する何千もの脳細胞から発せられている。 ある物体に反応して一斉に発火する細胞の数が多ければ多いほど、対応する波動は高くなる。 ヴァン・スウィンデレン氏は、どちらの波が高いかを調べることで、ハエがどちらのターゲットにより注意を向けているかを知ることができる

彼はこれを「注意」ではなく「顕著性」と呼びたいのです。 しかし、その知覚の焦点が何と呼ばれるものであれ、それをハエで発見することは、人間の意識の根源を理解する上で大きな意味を持つのです。 私たちは毎秒、目、耳、鼻、そして皮膚の隅々から感覚情報があふれている。 ヴァン・スウィンデレン氏は、内側原脳と呼ばれる昆虫の大きな脳領域で、3か所から同時に脳波を記録することがよくあります。 一見したところ、これらの領域からのごちゃごちゃした波は、モーツァルト、セックス・ピストルズ、トゥバンの喉歌の音のように多様に見えるかもしれません。 しかし、ハエが警戒し、何かに注意を払っている限り、そのごちゃごちゃの中には、3つの領域すべてで同じ波形を合奏する神経細胞の合唱が存在するのだ。 その波動パターンは、ハエが注目しているものを表しており、ハエがあるものから別のものに注意を移すと、波動パターンも変化する。 ヴァン・スウィンデレン氏は、ハエが何に注意を向けるかを決定するために、小さなIMAXシアターを備えた実験を慎重に設計したため、このコーラスを検出することができた。 すべてのニューロンが同じ歌、つまり四角の歌を歌うのです。

「注意は脳全体の現象です。 あるものが純粋に視覚的なものでもなければ、嗅覚的なものでもない。 それは、私たちにとって1つのことを意味するさまざまな部分が結合したものなのです。 なぜ、ハエのメカニズムが、その記憶の継承に向けられないのか」と彼は問いかける。 “それは、私にとって、意識から少し離れたところにあるものなのです”。 ハエと人間の記憶の違いは、程度の問題かもしれません。 人間はより多くの記憶を保存することができるので、自分の過去と現在について、より洗練された個人的な物語を維持することができるのです。 しかし、ヴァン・スウィンデレン氏は、”ハエも人間も全く同じメカニズムである可能性がある “と考えている。 どちらか一方に決定する証拠はまだありませんが、結果は意識かもしれません。

「おそらく意識が必要とするものは、大規模なフィードバックを持つ十分に複雑なシステムです」とカリフォルニア工科大学のコッホは言います。 昆虫にはそれがあります。 キノコの体を見ると、超並列でフィードバックがあります」

化学的な手がかりから、少なくともいくつかの基本的な脳のプロセスは、人間と昆虫で同じであることが確認されています。 ヴァン・スウィンデレンとNSIの神経科学者ロジ・アンドレティックは、神経伝達物質であるドーパミンの生産が少なすぎる突然変異体のハエは、感覚反応に障害があることを発見しました。 この突然変異体のハエにメタンフェタミン（注意欠陥・多動性障害の治療に使われる薬に関連する化学物質）を与えると、ドーパミンの不足が解消され、ハエの注意力が正常化される。 しかし、正常なハエにメスを与えると、同じように注意することができなくなるのです。 「脊椎動物にもハエにも似たようなメカニズムがあります」とアンドレティックは教えてくれた。 “最適な濃度のドーパミンが必要で、少なすぎたり多すぎたりすると、障害が発生するのです。” ヒトとハエの両方において、ドーパミン放出細胞は、注意という現象に関与する、離れた脳領域の調整を助けるかもしれません。 「脊椎動物にも無脊椎動物にも同じ基本的な構成要素があり、これらの構成要素を組み合わせることができる特定の方法があるのです」と、ストラウスフェルドは言っています。 だから、海馬のように、場所を認識できる脳の中心を構築することになったとき、その仕事をするために、風変わりなニューロンを一緒に配線する方法が1つだけあったかもしれません。 ゴキブリと人間という遠い親戚が、共通の祖先から基本的な青写真を受け継いだ可能性があるのです。 この生物の化石は現存していないが、DNA配列がハエとネズミの間で分岐するのに要した時間を推定することにより、遺伝学者らはウルビラテリアが6億年から10億年前に生きていたと推定している。

今日の海洋無脊椎動物との類似性から、一部の科学者は、ウルビラテリアは成虫として海底に潜り、幼虫として泳ぎ、生きている多くの海洋幼虫にあるような単純な目を持っていたと考えています。 ドイツ・ハイデルベルグの欧州分子生物学研究所の進化生物学者デトレフ・アレントは、マウスとミバエの胚の両方で、脳と神経索の形成に関与する細胞が3列に分かれていることを発見した。 この細胞列の形成を支配する遺伝子の少なくとも一部は、ハエとマウスで同じものである。 「このパターンは非常に特異的であり、最後の共通祖先は明らかにこの3つの柱を持っていたに違いない」とアレントは言う。

バーゼル大学のハインリッヒ・ライヒェルトは、もう一つ驚くべき類似性を発見した。 胚の成長の過程で、ハエとマウス（そして暗にヒトも）の両方に類似した遺伝子が、脳を前部、中部、後部に分割する引き金となるのです。 この遺伝子を欠いたマウスは、脳に深刻な異常をきたす。 しかし、この遺伝子とハエの遺伝子を交換すると、これらの異常のほとんどが修正されるのである。 「ライヒェルトは、「これは、ハエや魚やマウスや人間の脳が、表面的な解剖学的構造を見ただけでは確かに予想できなかった、深い関連性を持っていることを明らかにするものです」と述べています。 ですから、ウルビラテリアはこれらの遺伝子を持っていても、脳をほとんど持っていなかったかもしれません。 最終的な答えは、さらに何十もの昆虫や哺乳類の遺伝子を特定し、比較することから得られるでしょう。 特に興味深いのは、キノコ体や海馬のような、似たような役割を果たす複雑な構造の形成に関与する遺伝子です。

ストラウスフェルドは、「100万ドルの質問ですが、これらの構造の発生に関与する遺伝子をマウスとハエで共有しているかどうかでしょう」と言います。 もちろん、それはスリリングなことでしょう」

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