- 人間の 初期脳発達段階では、感覚経験以前から構造化された電気活動パターン が存在することが確認された
- UC Santa Cruzの研究チームは 脳オルガノイド（brain organoid） を用いて、この初期神経活動を観察
- 細胞は外部刺激がなくても 自律的に回路を形成し、相互作用する構造 を示した
- このパターンは、人間の脳の 「デフォルトモード（default mode）」に類似した時間ベースの信号シーケンス で構成される
- この発見は 神経発達障害の診断と治療、有害物質の影響評価 に新たな可能性を示す
初期脳の自己構成活動
- 研究チームは人間の思考がいつ、どのように始まるのかを探究し、感覚経験以前の脳の電気活動 を観察
- UC Santa Cruzの研究チームは、人間の幹細胞から作製した 3次元脳オルガノイド を使用
- このオルガノイドは外部の感覚入力がなくても 自ら回路を形成し、電気信号を発する
- Tal Sharf教授は「細胞は外界の経験以前から、すでに相互に作用しながら回路を形成している」と説明
- 彼はこれを 「原始状態のオペレーティングシステム（operating system）」 にたとえ、脳が感覚経験によって形作られる前の構造を研究している
研究手法と技術
- 研究チームは CMOSベースのマイクロ電極アレイチップ を使用し、オルガノイド内の単一ニューロンの電気活動を測定
- このチップは数千個の微細増幅器を含み、あらかじめ形成された神経回路の信号を精密に捉える
- オルガノイドは ヒト胚性幹細胞に由来する3D組織モデル であり、脳発達研究において倫理的・技術的な利点を提供
- UC Santa Cruzの Braingeneersグループ は、UC San Francisco、UC Santa Barbaraと協力してこのモデルを開発
- Sharf研究室は 物理学・材料科学・電気工学 を組み合わせた新しい神経インターフェース技術を開発中
パターン生成と脳のデフォルトモード
- 研究チームは、オルガノイドが 感覚入力を受ける前の数か月のうちに自発的な電気信号パターン を生成することを観察
- これらの信号は、視覚・聴覚などの複雑な感覚情報を処理する前の段階ですでに現れる
- ニューロンの発火はランダムではなく、「デフォルトモード（default mode）」と呼ばれる構造化パターン に従う
- このデフォルトモードは、脳が将来の感覚刺激を処理できる 可能な反応範囲の枠組み を提供する
- オルガノイドで観察された初期パターンは、実際の人間の脳のデフォルトモードと 類似した時間ベースのシーケンス を示した
- これは 遺伝的にコード化された神経の設計図（blueprint） の存在を示唆する
進化的・医学的意義
- 研究チームは、このような 自己組織化システムが世界認識の基礎構造 を形成しうると説明
- 進化の過程で中枢神経系が 世界を探索し相互作用するための地図（map） をあらかじめ構築していた可能性を提示
- オルガノイドが実際の脳の基本構造を再現することで、神経発達疾患の研究や有害物質の影響分析 に活用可能
- Sharfは、このような複雑な神経ダイナミクスが 病理的兆候の早期検出および治療薬開発 に寄与しうると言及
- 今後 薬剤、遺伝子編集、高速スクリーニング技術 の開発へとつながる潜在性がある
研究協力および参加機関
- 今回の研究には UC Santa Barbara, Washington University in St. Louis, Johns Hopkins University, University Medical Center Hamburg-Eppendorf, ETH Zurich が参加
- 研究チームはオルガノイドモデルを通じて、人間の脳発達の初期段階と神経回路形成メカニズム を精密に探究している
1件のコメント
Hacker Newsの意見
生まれてすぐに動ける準備ができている動物もいる
こうした動物は precocial動物 と呼ばれ、生まれた瞬間から歩き方を知っている
たとえば子馬は生後1時間以内に立ち上がり、1日たてば群れと一緒に走れる
ただし横になる方法は本能的にプログラムされていないため、最初はぎこちなく倒れ込むように寝る様子が見られる
馬やビーバーのようなげっ歯類はこのタイプで、ブタもそうだがサルはそうではない。進化系統とはあまり関係がない
彼らは St Johns Water Dog に由来し、水に適応した特徴（ラッコのような尾、脂分の多い被毛、水かき）を持つ
一部の系統では生まれつき泳ぎが得意だが、自分が泳げることを 認識していない
そのため水辺でためらうが、偶然落ちるとすぐに泳ぎ、楽しそうにする
ただしすべてのLabがそうというわけではなく、特に 狩猟用Lab は水への順応訓練が必要なので、専門家の指導が重要だ
3日齢の馬は歩き、3歳のトラはすでに母親になっている
しかし人間は6歳ごろになると、ほかのどんな動物にもできない 精神的能力 を示す
脚の力が足りないため実際には歩けないが、持ち上げると歩く動作をする
この本能は生後3か月ごろに消え、1年ほどたって再び「再学習」する
もし重力がはるかに弱い惑星なら、人間も生まれてすぐ歩けるのではないかと思う
だから生まれつき備わっているという概念も、実際には「機能的な準備」より 学習の開始時点 の違いなのかもしれない
人間の赤ちゃんにも生まれた直後から水泳反射(reflex)があるので、precocialとnon-precocialの区別は曖昧かもしれない
幼体も生まれて数日もしないうちに、捕食者を避けるため壁の隙間に体を滑り込ませる方法をすでに知っていた
年齢に関係なくみな同じ行動をするのを見ると、これは明らかに 本能的な行動パターン だ
人体の 不随意筋 と神経は、すでに『事前構成(preconfigured)』されている
心臓は学ばなくても鼓動し、ほとんどの生理機能がこのように動作する
関連論文は Nature Neuroscience 2025 に掲載された
"Preconfigured neuronal firing sequences in human brain organoids" である
記事のタイトルには誤解を招く余地がある
実際の研究は organoid細胞の発火パターンが脳のデフォルトモードネットワークに似ている という内容だ
これは「ファームウェア」や「事前命令」の証拠ではなく、ニューロンが相互作用しながら 自然なパターンを形成する という意味である
つまり、organoidが脳研究のモデルとして使える可能性を示してはいるが、実際の応用可能性はまだ未知数だ
この研究は「知覚は制御された幻覚である」という理論を支持しているように見える
感覚入力は、進化的に形成された 予測処理(predictive processing) を補正する役割にすぎない
人間のDNAは約1.5GBの情報だけで脳と身体全体を構成する
この小さな情報量から 複雑な神経網と行動 が作られるというのは信じがたい
単純なビット数だけでは説明できない神秘がある
DNAは条件分岐の塊のように働き、自らプログラムを生成して相互作用する
人間はこうした自己構成型プログラムを直感的に理解するのが難しい
細胞間の波として拡散し、自己維持的なリズム を形成するために起こる
つまり、複雑な「ソフトウェア」がなくても 自己組織化された特性 として機能する
いくつかのルールとシード(seed)だけで 複雑な結果を生成 する仕組みなのかもしれない
宇宙もこうした単純なルールから生じた 創発現象 なのかもしれない
養育、言語、社会的相互作用のような 外部刺激 が不可欠だ
人間を隔離して育てれば、DNAだけでは人間らしい思考は形成されない
ごく少ないコードでも複雑な音楽やグラフィックを作る例がある
たとえば 64KBデモ や 64k-sceneギャラリー のように
人間の発達もこうした 圧縮された生成規則 の結果なのかもしれない
新生児だけがいる島で社会が形成されるとしたらどうなるか、という 思考実験 が興味深い
もちろん人間の赤ちゃんは大人なしでは生存できないが、ヒヨコはそうではない
ヒヨコは生まれた瞬間から 完全な行動パターン を示す
もし人類が「ハードリブート」されたらどんな姿になるのか想像してしまう
（冗談だが、赤ちゃんたちを火星に送り、生態実験を中継すれば答えが出るかもしれない）
ニワトリと一緒に育った子どもが、ニワトリのように振る舞い鳴いたという。
人間の行動形成に 環境の影響 がどれほど大きいかを示す事例だ
Geoffrey HintonがJon Stewartとの対話で、
ニューロンを パターンを検知して「ピン」と反応する存在 にたとえたのが印象的だった
ニューロン同士が互いに「この信号を受け取った」といった形でやり取りし、役割を分担しているように見える
こうした 事前の通信構造 は感覚入力の前から存在しうる
記事では単なる「ピン」ではなく 時間ベースの複雑な発火パターン だとしており、そのぶん説得力がある
こうした概念は古くから no-free-lunch定理 によって証明されている
学習が可能であるためには、世界についての 有用な事前知識(prior) が必要だ
脳はこの前提を生物学的に実装したものだ
つまり、人間は生まれた時点で学習可能な構造として「事前構成」されている
しかし人間の脳がどのような仮定を内在させているのかはまだ研究途上であり、
それをAIに応用するにはまだ道のりが長い
「この概念は カント がすでに述べていた」という意見があった
Kant on Reason – Stanford Encyclopedia of Philosophy
「プラトン にあるのでは？」と答えておくのが無難だと聞いたことがある
Innateness in Philosophy – Plato to Aristotle
実験はそれ自体の前提によって限界が定められる
脳は経験的対象である以上、純粋直観とカテゴリーは 経験以前のアプリオリな構造 である
したがって脳の観察から確実な結論を得ることはできず、
経験に先立つ認識条件についてのみ論じることができる