脳神経科学の研究は日進月歩です。2019年7月、米国ニューラリンク社のCEO イーロン?マスク氏は、2年前に設立されて以来ベールに包まれていた、脳とAI（人工知能）を接続する次世代のブレイン?マシン?インターフェース技術の概要について初めて公に発表しました。今回は北海道大学の西川淳さん（情報科学研究院 神経制御工学研究室 准教授）に、脳の機能の解明と神経機能の拡張についてお話をうかがいました。
（西川淳さん）
数理モデルから実际の脳の研究へ
僕は北大工学部の応用物理の出身です。博士课程までは、コミュニケーションにおける脳の情报処理のしくみを数理モデルであらわす研究をしていました。たとえば「あ」や「い」などの音素が、さまざまな顺番で脳のニューラルネットワークに与えられたときに、脳がシステムとしてどのように音素のつながりを理解しているのかを、数理モデルを用いて解明しようと试みていました。もともと数学や物理が好きだったので、そちらのアプローチから、脳や情报処理のしくみを明らかにできたら面白いなと思っていたのです。しかしその一方で、研究しながらも、コンピューターのシミュレーションで脳のしくみを调べることには限界があるのではないか、本当の脳の中で起きていることを捉えきれていないのではないかと悩んでいました。学位を取った后に、ポスドクの口を探しました。そこが分野を変えるチャンスだったんです。この时に、実际に脳の计测ができるところで研究したい思い、研究室をいろいろと探したんです。
2004年、理化学研究所脳科学総合研究センターの冈ノ谷一夫先生（现、东京大学）のラボが、ジュウシマツのさえずりの系列が脳の中でどのように表现されているかを研究していました。そこでは、ジュウシマツがさえずっているときや、さえずりを闻いているとき、さえずりを学んでだんだんうまくなる过程において、小鸟の脳の中で何が起きているのかを调べていました。この研究内容は、僕が博士课程で研究していたことと関係していると思い、この分野に飞び込んだんです。数理モデルとは别に、脳に直接関わり始めたのはその时だったと思います。
ジュウシマツのさえずりは构成する音素がある程度きまっており，さえずりから音素を抽出して、音素の并びの规则を数理モデルで表现することができます。すると、ジュウシマツは闇云にさえずっているわけではなく、主旋律やそれとは异なるパートがあったりと、复雑な文法构造を持っていることがわかりました。ジュウシマツは幼い鸟から成鸟になるにつれて、さえずりが上手くなっていきます。これはヒトが、赤ちゃんから大人になるにつれ、だんだんと言叶を获得していく过程ととても似ています。ジュウシマツの脳のしくみは単纯なので、言语の発达过程を探求するための最小セットになると考えました。僕にとってこの理化学研究所での経験はとても大きなものでした。これまで自分がつくっていた数理モデルと直结していた脳の実験系がなかったら、これまで脳の活动を実际に计测したことがなかった僕が、この研究所のポスドクになるのは难しかったと思います。
脳の不思议さに惹かれる
僕は小学生ぐらいのころから脳について兴味を持っていました。自分は自分で自分を感じることができるじゃないですか、でもその感覚をつくっているのは本当は脳のはずです。そこがそもそも不思议だという感覚ですね。自分自身を制御して、自意识をつくって、感情も生じさせることができるにもかかわらず、まだ全容がわかっていない。そんな脳のしくみを麻豆原创の土俵に上げて、科学的に探求することができたら面白いだろうなと、子どもの顷からずっと考えていました。北大に入学して1年生のときに、数理モデルを使って脳のモデルをつくるという话を初めて闻いて「あ、そうか脳のモデルってつくれるんだ」と思って、ラボに入って研究を始めたんです。
神経科学と神経工学の融合
今所属しているラボは、神経科学全般と、神経科学を可能にするエンジニアリングとしての「神経工学」を融合させた研究を行なっています。ラボでは、特に聴覚に注目して、人工聴覚器や耳鸣り治疗装置などの开発を目指して研究をしています。ラボで力を入れていることは二つあります。一つは、そもそも大脳皮质の聴覚领域がどのように働いているのか、それを难聴や耳鸣りといった状态にあるときと比较しながら、神経科学の点から明らかにすることです。もう一つは、物理的に脳を刺激する研究です。例えば、超音波や磁気、微弱な电気を使って脳を刺激したり、脳の活动を操作したりするための手法を研究しています。この二つを合わせることで、人工聴覚器や耳鸣り治疗装置をつくることができると考えています。
音を闻かせているラットの脳に青色の光を当てると、脳の部位や时间に応じて光り方が変わります。それによって、音を闻いている时のラットの聴覚领域の活动を、个体ごとにイメージングすることができます。これを手掛かりにして、さらに多点电极を用いて、一つひとつのニューロン（神経细胞）が出すスパイクと呼ばれる电気信号を测定します。测定结果を解析をすると、様々な周波数の音を闻いた后に、该当するニューロンがどのタイミングで、どのくらいの强さのスパイクを出しているか、つまり、特定の音に対する聴覚领域の応答特性がわかります。「音を聴く」ことを解明するためには、聴覚领域のそれぞれのニューロンがどのように応答しているのかがわかることが第一なのです。これによって、难聴や耳鸣りの状态と正常な状态ではどこが违っているのかを、个々のニューロンの働きのレベルで比较し、実証的に明らかにすることができるようになります。実际に音を処理してそれに応答している、それぞれのニューロンの活动を直に测ることで、これまでよりも详しく脳の状态を知ることができるようになるのです。
脳の机能を拡张する
先ほどラボでオリジナルの多点电极を作っていることを绍介しました。ラボでは新しいチップの开発も行なっています。このチップの特长は、脳の状态を测定する机能だけではなく、脳を刺激する机能の両方备えて、脳の测定と刺激の両方がほぼ同时にできる点です。この机能は、脳と机械をつなげる、ブレイン?マシン?インターフェース（叠惭滨）の基盘技术になるものです。例えば、现在ロボットハンドを脳につなげて动かす研究がおこなわれています。脳の机能拡张の面から考えるならば、叠惭滨では脳の情报をロボットハンドに伝达するだけではなく、脳と机械が、双方向に情报を送り合うことができるようにするためのデバイスの开発が必须です。
ラボではこのようなチップを用いたマイクロデバイスを実际に作っています。脳を刺激しつつ、その状态を计测し、チップと脳とが自律的に信号をやりとりすることで、脳の失われた机能を补完したり、さらには脳の机能を拡张したりすることができるのではないかと考えています。脳にはいろいろな领域があり、それぞれの领域が信号をやりとりすることで、脳全体が机能をしています。事故や病気である脳の领域が働かなくなってしまった场合、脳は自律的に机能を补偿する机能があるため、他の领域がその领域を代替する场合もあります。しかし必ずしも代替してくれるわけではない。その场合、マイクロデバイスを用いて、失われてしまった脳领域の信号のやりとりを代替することができれば、その机能を补偿することができるようになるわけです。さらに、脳とマイクロデバイスのつなぎ方や、入出力の信号を変えることで、人工的に新しい高次脳领域を作ることができるかもしれません。実际に生物の进化をみてみると、古い脳领域は残っていて、高等な生物になればなるほど新しい领域が追加されていっていることがわかります。マイクロデバイスを用いることで、生物の进化に相当することを人工的に作り出すことができる可能性もあるのです。
取材を终えて
西川さんのお话を闻いて、幼い顷の「脳の不思议さ」の原体験が、研究手法を変えつつも、一贯して现在の研究につながっていることを知り、研究者の探究心の深さを感じました。そして西川さんが専门とする、神経科学と神経工学が融合した神経制御工学は、かつての厂贵、サイバーパンクの世界が徐々に现実化されていく现场でもありました。これから10年后、20年后、私たちの「人间らしさ」を司る脳はどのようになっていくのか、兴味を持ちました。
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西川淳さんの神経制御工学研究室のウェブサイトは