「バッテリー低下」アイコンが表示された人物の脳。”

食物が長い間不足していて、体重が臨界閾値を下回ったとき、脳は情報を処理する方法を変えることによってそのエネルギー消費を減らします。

私たちの電話やコンピューターの電力がなくなると、それらの光る画面は暗くなり、一種のデジタル死を迎えます。ただし、エネルギーを節約するために低電力モードに切り替えると、消耗品の操作を削減して、バッテリーを再充電できるようになるまで基本的なプロセスをスムーズに進めることができます。

私たちのエネルギーを大量に消費する脳も、その光を維持する必要があります。脳細胞は主に糖グルコースの安定した送達に依存しており、それをアデノシン三リン酸（ATP）に変換して情報処理を促進します。私たちが少しお腹が空いているとき、私たちの脳は通常、そのエネルギー消費量をあまり変えません。しかし、人間や他の動物が歴史的に長期間の飢餓の脅威に直面していることを考えると、時には季節的に、科学者は脳が緊急事態のために独自の種類の低電力モードを持っているのではないかと疑問に思いました。

現在、 1月にNeuronで発表された論文で、エジンバラ大学のナタリーロシュフォールの研究室の神経科学者は、マウスの視覚系におけるエネルギー節約戦略を明らかにしました。彼らは、マウスが一度に数週間十分な食物を奪われたとき-彼らが典型的な健康的な体重の15％-20％を失うのに十分な長さ-視覚野のニューロンがシナプスで使用されるATPの量をかなり減らすことを発見しました29％。

しかし、新しい処理モードには知覚のコストが伴いました。それは、マウスが世界の詳細を見る方法を損ないました。低電力モードのニューロンは視覚信号をあまり正確に処理しなかったため、食物制限のあるマウスは挑戦的な視覚課題でより悪いパフォーマンスを示しました。

新しい作品は、エネルギーの剥奪によって同様に変化する可能性のある視覚とは無関係の感覚および認知プロセスを研究しているものを含む神経科学者から幅広い関心と賞賛を受けています。それは、栄養失調やある種のダイエットでさえ、人々の世界の認識にどのように影響するかを理解する上で重要な意味を持つ可能性があります。また、神経科学研究で動物をやる気にさせるための食物制限の広範な使用、および知覚と行動の研究者の理解が次善の低電力状態のニューロンの研究によって歪められている可能性についての疑問を提起します。

食べ物が少なく、精度が低い

お腹が空いたときに仕事に集中できないと感じたことがある場合、または考えられるのは食べ物だけだと感じたことがある場合は、神経の証拠があなたを裏付けています。数年前の研究では、短期間の空腹が神経処理を変化させ、食べ物をより早く見つけるのに役立つ可能性のある方法で注意を偏らせる可能性があることが確認されました。

2016年、ミシガン大学の神経科学者であるクリスチャンバージェスと彼の同僚は、マウスが食物に関連する画像を見ると、空腹の場合、視覚野の領域がより多くの神経活動を示すことを発見しました。彼らが食べた後、その活動は減少しました。同様に、人間の画像研究では、食べ物の写真は、被験者が空腹の場合、食べた後と比較して、一部の脳領域でより強い反応を引き起こすことがわかっています。

空腹であろうとなかろうと、「網膜に当たる光子は同じです」とバージェス氏は語った。「しかし、あなたの体はあなたが必要としていることを知っているというこの目標を持っているので、あなたの脳の表現は非常に異なります、そしてそれはそれを満足させるのを助ける方法で注意を向けています。」

しかし、ほんの数時間以上の空腹の後はどうなるでしょうか。研究者たちは、脳が最もエネルギーを消費するプロセスを削減することでエネルギーを節約する方法があるかもしれないことに気づきました。

これが事実であるという最初の確固たる証拠は、2013年のハエの小さな頭脳から来ました。フランス国立科学研究センターとESPCIパリのPierre-YvesPlaçaisとThomas Preatは、ハエが飢えているとき、脳の経路を形成する必要があることを発見しましたエネルギー的にコストのかかるタイプの長期記憶がシャットダウンします。彼らが経路を活性化して記憶を形成するように強制したとき、飢えたハエははるかに速く死にました—これは、そのプロセスをオフにすることでエネルギーが節約され、彼らの命が守られたことを示唆しています。

しかし、哺乳類のはるかに大きく、認知的に進んだ脳が同様のことをしたかどうかは不明でした。また、ハエのように、動物が飢える前に省電力モードが開始されるかどうかも明確ではありませんでした。そうではないと考える理由がありました。神経処理に使用されるエネルギーがあまりにも早く削減された場合、食物を見つけて認識する動物の能力が損なわれる可能性があります。

新しい論文は、食物が不足しているが、長い間存在していなかった場合に、脳がエネルギーを節約するためにどのように適応するかについての最初の調査を提供します。

研究者たちは、3週間にわたって、体重の15％が減少するまで、マウスのグループが利用できる餌の量を制限しました。マウスは飢えていませんでした。実際、研究者たちは実験の直前にマウスに餌を与えて、バージェスや他の研究グループによって見られた短期間の空腹依存性の神経変化を防ぎました。しかし、マウスはまた、彼らが必要とするほど多くのエネルギーを得ていませんでした。

その後、研究者たちはマウスのニューロン間の会話を盗聴し始めました。彼らは、マウスがさまざまな角度に向けられた黒いバーの画像を見たときに、視覚野の少数のニューロンによって送信される電圧スパイク（ニューロンが通信するために使用する電気信号）の数を測定しました。一次視覚野のニューロンは、優先方向の線に反応します。たとえば、1つのニューロンの優先方向が90度の場合、視覚刺激に90度またはその近くの角度の要素があると、より頻繁にスパイクが送信されますが、角度が大きくなったり小さくなったりすると、速度は大幅に低下します。

ニューロンは、内部電圧が臨界しきい値に達したときにのみスパイクを送信できます。これは、正に帯電したナトリウムイオンをセルに送り込むことによって達成されます。しかし、スパイクの後、ニューロンはすべてのナトリウムイオンをポンプで戻す必要があります。これは、神経科学者が2001年に、脳で最もエ​​ネルギーを必要とするプロセスの1つであると発見したタスクです。

著者は、省エネのトリックの証拠のためにこの費用のかかるプロセスを研究しました、そしてそれは見るのに適切な場所であることがわかりました。食物を奪われたマウスのニューロンは、膜を流れる電流を減らし、ナトリウムイオンが入る数を減らしたので、スパイク後にナトリウムイオンを送り出すのにそれほど多くのエネルギーを費やす必要はありませんでした。ナトリウムを少なくするとスパイクが少なくなると予想されるかもしれませんが、どういうわけか、食物を奪われたマウスは、十分に餌を与えられたマウスと同様の割合のスパイクを視覚野ニューロンで維持しました。そこで、研究者たちはスパイク率を維持するための代償プロセスを探しに行きました。

彼らは2つの変更を発見しましたが、どちらもニューロンがスパイクを生成しやすくしました。まず、ニューロンは入力抵抗を増加させ、シナプスの電流を減少させました。彼らはまた、静止膜電位を上げたので、スパイクを送るのに必要な閾値にすでに近づいていました。

シアトルのアレン脳科学研究所の計算論的神経科学者であるアントン・アルヒーポフは、次のように述べています。「そしてそれは、これらの発火率を維持することがいかに重要であるかについての基本的なことを私たちに教えています。」結局のところ、脳はより少ないスパイクを発射することによって同じくらい簡単にエネルギーを節約したかもしれません。

しかし、スパイク率を同じに保つことは、何か他のものを犠牲にすることを意味します。マウスの視覚野ニューロンは、それらを発火させた線の向きについて選択的であることができなかったので、それらの応答はより正確ではなくなりました。

低解像度ビュー

視覚がニューロンの精度の低下によって影響を受けたかどうかを確認するために、研究者はマウスを2つの廊下のある水中チャンバーに入れ、それぞれが白い背景に斜めの黒いバーの異なる画像でマークされています。廊下の1つには、マウスが水から出るために使用できる隠されたプラットフォームがありました。マウスは、隠されたプラットフォームを特定の角度のバーの画像と関連付けることを学びましたが、研究者は、写真の角度をより類似させることによって、正しい廊下を選ぶのを難しくすることができました。

正しい画像と間違った画像の差が大きい場合、食物を奪われたマウスは簡単にプラットフォームを見つけました。しかし、写真の角度の差が10度未満の場合、突然、餌を与えられていないマウスは、十分に餌を与えられたマウスほど正確にそれらを区別できなくなりました。エネルギーを節約した結果、世界の解像度がわずかに低くなりました。

結果は、脳が生存に最も重要な機能を優先することを示唆しています。バーの向きに10度の違いが見られることは、近くの果物を見つけたり、近づいてくる捕食者を見つけたりするのにおそらく不可欠ではありません。

動物が実際の飢餓に入るずっと前にこれらの知覚障害が起こったという事実は予想外でした。デューク大学で視覚を研究している神経科学者のリンジー・グリックフェルドは、「それは私にとって絶対に驚くべきことでした」と述べています。「どういうわけか、[視覚]システムは、知覚タスクを実行する動物の能力のこの比較的微妙な変化だけで、エネルギーの使用を大幅に減らすこの方法を考え出しました。」

今のところ、この研究は、哺乳類が視覚野ニューロンの省電力メカニズムをオンにできることを確実に示しているだけです。「私たちが示したことが、たとえば嗅覚に当てはまらない可能性はまだあります」とロシュフォールは言いました。しかし、彼女と彼女の同僚は、他の皮質領域でもさまざまな程度で発生する可能性が高いと考えています。

他の研究者もそう思います。「全体として、ニューロンは皮質領域全体でほとんど同じように機能します」と、ペンシルベニア大学で聴覚処理を研究している神経科学者のマリア・ゲフェンは言いました。彼女は、知覚に対するエネルギー節約の影響がすべての感覚で同じであり、その瞬間に生物にとって最も有用な活動をダイヤルアップし、他のすべてをダイヤルダウンすることを期待しています。

「私たちはほとんどの場合、感覚を限界まで使用しません」とゲフェンは言いました。「行動の要求に応じて、脳は常に調整しています。」

幸いなことに、表示されるあいまいさは永続的ではありません。研究者がマウスにホルモンレプチンの投与量を与えたとき、それは体がそのエネルギーバランスと空腹レベルを調節するために使用します、彼らは低電力モードのオンとオフを切り替えるスイッチを見つけました。ニューロンは、好みの方向に高精度で応答するように戻り、そのように、知覚障害はなくなりました。すべて、マウスが一口の食物を摂取することはありませんでした。

「レプチンを供給すると、脳をだまして皮質機能を回復させることができます」とロシュフォール氏は述べています。

レプチンは脂肪細胞から放出されるため、血液中のレプチンの存在は、動物が食物が豊富でエネルギーを節約する必要がない環境にあることを脳に知らせる可能性が高いと科学者は信じています。新しい研究は、低レベルのレプチンが脳に栄養失調の状態を警告し、脳を低電力モードに切り替えることを示唆しています。

「これらの結果は非常に満足のいくものです」と、ロンドンのフランシスクリック研究所の神経科学者であるジュリアハリスは言いました。「既存の理解に非常に一致するような美しい発見を得るのはそれほど一般的ではありません」

神経科学を歪める？

新しい発見の重要な意味は、脳とニューロンがどのように機能するかについて私たちが知っていることの多くは、研究者が無意識のうちに低電力モードにした脳から学んだかもしれないということです。神経科学研究の前および最中の数週間、マウスおよび他の実験動物が利用できる食物の量を制限して、食物報酬と引き換えにタスクを実行するように動機付けることは非常に一般的です。（そうでなければ、動物はむしろただ座っているだけです。）

「本当に深刻な影響の1つは、食物制限が脳機能に影響を与えることを明確に示していることです」とRochefort氏は述べています。荷電イオンの流れの観察された変化は、シナプスで起こる特定の変化に依存しているため、学習および記憶プロセスにとって特に重要である可能性があると彼女は示唆しました。

「動物の知覚の感度やニューロンの感度について質問したい場合は、実験をどのように設計し、どのように実験を解釈するかについて、本当に慎重に考える必要があります」とGlickfeld氏は述べています。

結果はまた、他の生理学的状態とホルモン信号が脳にどのように影響するか、そして血流中のホルモンのレベルが異なると個人が世界をわずかに異なって見る可能性があるかどうかについてのまったく新しい質問を開きます。

コペンハーゲン大学の神経科学者であるRuneNguyenRasmussenは、レプチンと全体的な代謝プロファイルは人によって異なると述べました。「それでは、私たちの視覚でさえ、気づいていないかもしれませんが、実際には人間の間で異なっているということですか？」彼は言った。

ラスムッセンは、質問が挑発的であり、答えに対する確かなヒントがほとんどないことを警告しています。マウスの意識的な視覚は、それらの知覚のニューロン表現と動物の行動に変化があったため、食物欠乏の影響を受けたようです。しかし、私たちは確かに知ることはできません。「これには、動物が私たちに彼らの質的な視覚的経験を説明できることが必要であり、明らかに彼らはこれを行うことができないからです」と彼は言いました。

しかし、これまでのところ、マウスの視覚野ニューロンによって引き起こされる低出力モードと、それが知覚に与える影響は、人間と他の哺乳類で同じではないと考える理由はありません。

「これらはニューロンにとって本当に基本的なメカニズムだと私は思います」とGlickfeldは言いました。