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イントロダクション―エンジニア のための脳科学とは？
第1編 イントロダクション―エンジニアのための脳科学とは？ 第１編 第1講 イントロダクション―エンジニア のための脳科学とは？ 脳の構造から機能を探る エンジニア視点の脳科学 筆者がかつて機械系学科で学んでいたころ，生物学や脳科学1）をしっかりと教 わった記憶はない。しかし，卒論や修論の研究のために研究室に配属されると， 当時のバイオ・ブーム，脳ブーム，そして理不尽な指導教員の扇動に煽られ，学 生たちは，落下傘部隊のごとく，生物分野の研究テーマに果敢に挑戦し，そして， しばしば憤死した。筆者の場合，医学部の先生との共同研究に携わり，脳活動計 測用の微小電極アレイを設計・製作し，動物実験では生まれて初めてネズミと格 闘した。そうした青春時代を過ごした後，筆者は道具作りより脳研究そのものの おもしろさに目覚め，業界では珍しい機械工学出身の脳研究者になってしまった。 それから時は流れ，今や生物学は理系の必修科目になった。しかし，機械系の 学生にとって，暗記科目の生物学の教科書は興味をそそるものではない。そう思 いながらも，筆者は，ここ 10 年にわたり，機械系の学生を相手にして「バイオ エンジニアリング」や「脳科学入門」といった講義，また卒論や修論での研究指 導で奮闘しながら，機械系エンジニアの卵がどのように生物学や脳科学を学ぶべ きかを模索してきた。 とうの昔に生物や脳の勉強をあきらめたエンジニアも少なくないだろう。しか し，時代の流れは産業界にも押し寄せている。たとえば，最近では，「応用脳科 学コンソーシアム」なる一般企業の集まりができ，脳科学の産業応用を推進する 1）脳科学（brain science）は日本の造語で，世界の専門家は「神経科学（neuroscience）」という。た だし，素人には親しみやすいので，本書ではこの用語を用いる。 1 機運が高まっている。これからでも脳科学を勉強して損はしない。卑近な例を挙 げれば，ものの嗜好を決める脳内メカニズムは商品企画に生かせるかもしれない。 また，38 億年のもの進化の過程を経て創られた我々の構造には機械設計のヒン トが隠されているかもしれない。本書では，そのようなエンジニアの視点から， 最新の脳科学を解説していきたい。 脳科学の教科書は間違っているかもしれない！？ 生物学や脳科学で著名な先生方に「機械系の学生に脳科学を教えなければなら ない。力学のように体系化した講義をするために良い方法はないか？ 脳科学の 教科書は電話帳のように分厚いので，教える内容が，どうしても属人的になって しまう」と尋ねると，必ず同じアドバイスが返ってくる。「そもそも生物学は各 論の集まり。現象の多様性こそが生物学の本質。講義は属人的でよいではないか。 高橋君の好きなようにやりなさい」と，あまり参考にはならないが，どうやらそ れが真実のようである。 さらに，脳科学の教科書の 1 ページ目には，エンジニアの我々には驚くべき記 述がある。 「本書に登場する医薬品の適応，用法，副作用については，執筆時の最新情報 を元に記述しています。しかし医学は日進月歩で進んでおり，情報は常に更新さ れています。…（中略）…著者および出版社は，本書中の内容について何ら保証 致しません。また，本書の情報を用いることで生じたいかなる不都合に対しても 責任を負いません」 つまり，教科書の内容が正しくないかもしれないことが堂々と宣言されている。 生物学は発見至上主義で，理屈は後付け。したがって，新発見が理屈を変えて しまうのはやむを得ない。むしろ，そのようなドラマチックなパラダイム・シフ トが生物学の醍醐味だ。だからといって，電話帳のように分厚く，正しくないか もしれない教科書を隅々まで暗記せよというのは，エンジニアの卵にとって酷だ ろう。それではエンジニアは，ますます脳科学に萎えてしまう。 脳を“設計論的”に考える それでは逆に，エンジニアは，どういうときに脳に感動を覚えるだろうか？ 筆者の個人的な経験からすると， 「へぇー，脳は良くできているなぁ」と納得 2 第1編 イントロダクション―エンジニアのための脳科学とは？ （a）有毛細胞の構造 （b）ばね仕掛けでイオンチャネルが開閉する イオンチャネル閉 nm 500 支持細胞 数10μm K ＋ ＋ ＋K K＋ K ＋ K K＋ K K＋ ＋ K K K＋ K ＋ K＋ K＋ K＋ ＋ K ＋ 毛状組織を つなぐ線維 φ3nm φ10μm イオンチャネル開 核 毛が倒れると イオンチャネルが閉まる 神経伝達物質 を含む小胞 神経伝達物質の放出 有毛細胞外のK＋は， 細胞内のK＋より濃い （c）イオンチャネルの開閉による電位の変化 有毛細胞の応答 （mV） 3 出力先となる細胞の 神経突起 −20 （nm） 毛部先端の変位 20 −1 イオンチャネル閉 イオンチャネル開 図 1.1 有毛細胞によるセンサ機能 した瞬間である。チャールズ・ダーウィン（C. R. Darwin; 1809 1882）による進 化論の考え方によれば，身体や脳のしくみは，神による創造物ではなく，進化の プロセスで得られた設計解である。その設計思想を解き明かそうとするプロセス ならば，エンジニアの知的好奇心をくすぐれるだろう。 その一例として，聴覚系や前庭（バランス感覚）系のセンサ部である内耳を紹 介したい。内耳は，有毛細胞という特殊な細胞を巧みに利用している。有毛細胞 は，図 1.1（a）に示す毛のようなパーツを用いて機械的な振動を検出する。細胞 体は円柱形をしており，その直径は約 10 μm，長さは数 10 μm，毛状組織の直 径は 500 nm 程度である。機械屋ならば，振動検出メカニズムとして，毛部の根 元に歪ゲージのようなものが貼り付けてあると考えるだろう。それでは，実際の 生物の進化において，どのような原理が採用され，それがどのように利用されて きたかを解説しよう。 ばね仕掛けで音や振動を検知する「有毛細胞」 有毛細胞を電子顕微鏡で拡大してみると，各毛状組織は，互いに細い線維でつ 3 ながっている（図 1.1 （a） ） 。この線維の直径は約 3 nm である。さらに拡大すると， 図 1.1 （b） のように，この線維はイオンチャネルというタンパク質に直結している。 このような構造により，毛が倒れると，イオンチャネルの蓋が引っ張られてチャ ネルが開き，毛が立つとイオンチャネルは閉じる。つまり，機械的なばね仕掛け でイオンチャネルを開閉しているのだ！ このイオンチャネルの開閉に伴い，細 胞内外でイオンを交換できるようになる。有毛細胞の外側は K＋（カリウムイオ ン）の濃度が高いので，イオンチャネルが開くと濃度勾配により K＋ が細胞内に 移動してくる。その結果，図 1.1 （c）のように細胞膜間の電位が変化する。ちなみ に，毛部が 0.3 nm 程度も動けば，有毛細胞の反応が得られる。また，毛部の変 位が 20 nm になると反応は飽和する。 一般的に，細胞に外部情報を伝えるためには，細胞膜に埋め込まれているイオ ンチャネルをこじ開ければよい。神経細胞は，化学物質を用いて，他の神経細胞 のイオンチャネルを開くことが多い（第 6 講） 。このようなイオンチャネルでは， それ自体が化学センサになっており，特殊な化学物質に接すると，そのタンパク 質の構造を変化させる。その結果，イオンが通れるにようになる。しかし，化学 反応を用いる限り，原理的にその検出時間を短くできず，振動検出センサとして （a）内耳のしくみ （b）三半規管の根本 （ケプラ） の内部構造 内耳 三半規管 根本 （ケプラ） 蝸牛 静止状態 内リンパの 流れ 有毛細胞 前庭神経線維 （c）頭を傾けると毛細細胞が傾く 耳石 ゼラチン状被膜 支持細胞 有毛細胞 前庭神経線維 図 1.2 三半規管が振動を促えるメカニズム 4 慣性力でリンパ 液が動き，有毛 細胞が傾く 膨大部 ケプラ 線毛 慣性力でゼラチ ン物質が変形， 有毛細胞が傾く 第1編 イントロダクション―エンジニアのための脳科学とは？ 適切ではない。検出時間を短くするためには，どうしても機械的な仕掛けが必要 になる。その設計解が有毛細胞である。 次に，有毛細胞の利用方法を考えてみよう。まず，耳の奥には，図 1.2（a）の ように，内耳という不思議な構造物がある。内耳の上半分は三半規管，下半分は か ぎゅう 蝸 牛 と呼ばれている。 三半規管によるバランス情報の生成 三半規管には 3 つの中空の輪があり，その中にはリンパ液が満たされている。 この輪の内部の根元部（ケプラ）では，図 1.2 （b）のように，有毛細胞の毛部が束 ねられている。身体を動かしたり，首を振ったりすると，慣性力によりリンパ液 が三半規管の内部を回転し，有毛細胞の毛部を揺らす。このような有毛細胞の出 力は，角加速度情報に他ならない。さらに，三半規管の中心部には耳石器という 器官がある。耳石器では，図 1.2 （c）のように，有毛細胞の毛部がゼラチン状の物 質に覆われ，さらにその上に耳石という重りが載っている。耳石は文字通り石で ある。頭を傾けたり，頭に加速度を加えたりすると，耳石に加わる慣性力がゼラ チン物質を変形させ，さらに有毛細胞の毛部を倒す。このような有毛細胞からの 出力は，頭の加速度や姿勢情報として用いられる。 蝸牛による音情報の生成 蝸牛は，音を振動情報として周波数ごとに分解したうえで，神経信号に変換す る器官である。蝸牛は，文字通りカタツムリの殻のような骨でできたらせん構造 をしている。このらせん構造は，ヒトの場合，2 回転半しており，その全長は約 30 mm，直径は 2 mm である。説明のため，図 1.3（a）のように，蝸牛を真っ直 ぐに延ばして断面図を見てみよう（A A’ ） 。同図に示したように，蝸牛は，前 庭階，中心階，鼓室階という 3 つの階からなっており，各階はリンパ液で満たさ れている。中心階には，図 1.3 （b）に示すコルチ器と呼ばれる聴覚受容器がある。 コルチ器では，同図に示したように，基底膜の変形が有毛細胞により検出される。 蝸牛の全体構造を見てみよう。図 1.3 （c）に示すように，前庭階と鼓室階の基部 （手前部）には，それぞれ卵円窓と正円窓と呼ばれる穴が開いており，前庭階と 鼓室階は，蝸牛先端部の蝸牛孔という穴でつながっている。音情報である振動は， あぶみ骨を介して卵円窓から蝸牛内のリンパ液に伝わる。 先に基底膜の変形を有毛細胞が検出すると述べたが，この基底膜には驚くべき 機械的な特性がある。基底膜の構造は均一ではなく，基底膜の基部は狭くて固く， 5