研究から生まれた生理学的方程式:普遍的な生理学の法則

研究から生まれた生理学的方程式:普遍的な生理学の法則 健康
©Willy Wong

画像:このグラフは、理想的な感覚適応反応を示しています。新しい刺激を受けると、生物の初期状態(自発速度)はピークまで上昇し、最終的には定常状態まで下降します。感覚適応反応曲線において、すべての感覚モダリティ、すべての生物に当てはまる数学的関係を発見しました。その式は、「SS=√PR×SR」。

トロント大学のWilly Wong教授(電気・コンピューター工学)の感覚適応に関する研究は、これまで見過ごされてきた生理学の組織的な原理を明らかにしたかもしれない。

生物学者は以前から、生物は一定の刺激に対して同じように適応することを知っていました、とWong氏は言います。

「例えば、誰かがペンキを塗ったばかりの部屋に入ったとしましょう。あなたはきっと『嫌な臭いがする』と思うでしょう。しかし、その部屋にいるうちに、その感覚は弱まっていきます。その間に匂いの分子が消えてしまうわけではありません。慣れてしまったんですね。」

生物の反応活動は、初期状態から上昇して反応がピークに達した後、下降して新たな最終的な定常状態に至ります。

Wong氏は、この適応曲線上の3つの固定点が、すべての感覚モダリティ1感覚モダリティとは、それぞれの感覚器で感知する固有の経験の種類(現象的性質)のこと。心理学用語集と生物の間で従う数学的関係を形成していることを発見しました。

「感覚生理学のさまざまな分野で行われている250の適応測定を比較したところ、すべての測定結果が単一の単純な方程式に合致することがわかりました。」とWong氏は言います。

この研究成果は、適応反応を初めて定量的に比較したもので、Frontiers of Human Neuroscience誌に掲載されています。

Wong氏は、長年にわたり、ニューロンがどのように情報を処理するかという神経コードに関心を寄せてきましたが、最近では、盲目の患者の視力を回復させるための網膜インプラントなど、ブレイン・マシン・インターフェイスに関する研究を行っています。

神経コードの理解はまだ完全ではありませんが、脳がどのように信号を知覚に変換しているかを研究者が理解すればするほど、失われた機能を代替したり、既存の機能を強化する技術を設計することが可能になります。

感覚の反応が時間とともに低下するという考え方は、直感に反するものかもしれません。

強い感覚があれば、常に強い反応が返ってくるはずではないでしょうか。

しかし、1920年代には、エドガー・エイドリアン2イギリスの電気生理学者をはじめとする生理学者たちが、その理由を実証していました。

1932年にノーベル医学・生理学賞を受賞したエイドリアンは、カエルの標本を使って、適応現象を単一の神経細胞のレベルまで追跡しました。

そして、神経細胞がコミュニケーションの基本単位である活動電位と呼ばれる神経インパルスを使っていることを発見しました。

「活動電位が発生した場合、ニューロンは次の活動電位を発生させる前に充電する必要があります。適応では、活動電位の発生率は、ゼロではないある定常状態まで徐々に低下します。」

適応反応は、哺乳類のような脊椎動物から昆虫のような無脊椎動物まで、すべての動物で、すべての感覚モダリティで発生します。

これには、視覚、聴覚、触覚、味覚、嗅覚といった伝統的な5つの感覚に加え、体を意識する「自己受容性感覚(固有感覚)」やウナギに見られる「電気受容」といった体性感覚も含まれています。

Wong氏が最も驚いたのは、この方程式が、クラゲのような最も古い多細胞生物にも当てはまるということでした。

「光を当てると、クラゲは光に向かったり、光から遠ざかったりしますが、それは光受容器が運動出力に接続されているからです。この方程式は世界共通なのでしょうか?この方程式は普遍的なものなのでしょうか?将来、地球上に存在しない生物学的外見を持つ宇宙人を発見した場合、彼らも同じ制限や原理に縛られる可能性があるのでしょうか?」

物理科学では、いつ、どこで、どのような方法で得られたかに関わらず、結果が再現されることで普遍性が決まります。

しかし、生物学的な実験では、測定を繰り返すことに大きな障害があるため、常にこれが可能とは限りません。

しかし、期間、研究者、方法などが異なる、無関係な独立した研究から得られたデータが証拠として収束すると、その結論の根拠が強まります。

この原理は「コンシリエンス」と呼ばれ、科学が統一されていることを前提としており、進化論やビッグバン理論などでもコンセンサス(意見の一致)が得られていると言われています。

「すべてのデータがそこにありました」とWong氏は言います。

「私は、ここで曲線を描き、あそこで曲線を描き、それらを比較しました。すべてが同じ幾何平均の関係に合致しました。それは、研究者にも、使用した機器にも、生物にも依存しない。そういう意味では、普遍的なものだと思います。」

電気・コンピューター工学のチェアマンであるDeepa Kundur教授は、「Wong教授のこの研究は示唆に富んでいます。電気・コンピュータ工学がいかに浸透しているか、研究者がいかに広範囲に見える多くの研究分野に貢献できるかを思い起こさせてくれます。」と述べています。

新しい生理学的方程式の発見は日常的に起こるものではありませんし、それがエンジニアからもたらされることはさらにありません。

Wong氏はこのようなアイデアを何年も前から考えていましたが、パンデミックのおかげで集中力を取り戻すことができ、研究を進める上で実りある期間となったと考えています。

楕円形の椅子に座っていたとき、『ある瞬間』があったと言います。

「ニュースを読むか、自分の仕事について考えるか。それがその瞬間だったと思います。」

Published by University of Toronto. Willy Wong, Consilience in the Peripheral Sensory Adaptation Response, Frontiers in Human Neuroscience (2021). DOI: 10.3389/fnhum.2021.727551