単純な回路が複雑な振る舞いを生み出すことができる

スパークという小さな生き物を作ろう

世界は驚くべき振る舞いに満ちています： ダムを建設するビーバー、歌を歌う小鳥、巣を作るクモ、そしてこの記事を読んでいるあなた。

これらの振る舞いはすべて、脳内でニューロンが発火することによって調整されています。しかし、ニューロンの集まりは、どのようにしてこれらの複雑な振る舞いを生み出すのでしょうか？

これは非常に大きな問いであり、研究者たちはまだこのパズルに取り組んでいます。しかし、過去半世紀にわたり、神経科学者たちはこのパズルのいくつかを解明してきました。

この記事では、スパークと呼ばれる小さな生き物を作り、非常に単純な脳を与えます。ご覧のとおり、この小さな脳でさえ、豊かで予期せぬ振る舞いを生み出すことができます。

光を食べる生き物

このスパークは光を餌にすると仮定しましょう。その人生の目標は光に到達することです。

光を求めるスパークは、世界を感知する方法が必要です。そこで、原始的な目、つまり明るさを検出し、それを電気信号に変換する単一のニューロンを与えます。

また、移動する方法も必要です。そこで、フリッパーを動かす別のニューロンを与えます。

最初の感覚ニューロンを2番目の運動ニューロンに配線することで、最初のニューラル回路を組み立てました：

スパークの解剖学

この単純な回路により、スパークは光の量に比例してフリッパーを動かします。

光を見つけることはできるでしょうか？

スパークが偶然光の方を向いていれば、それに引き寄せられます。しかし、ほとんどの場合、見失います。

時間の経過とともに、その経路は次のようになります：

［図: スパークのランダムな移動経路］

わずかな経路だけが光を横切ります。明らかに、もっとうまくやれるはずです…

目を追加する

問題はこうです：スパークは加速できますが、方向転換はできません。目が1つとフリッパーが1つでは、一方向にしか進めません。しかし、方向転換が必要です。

もう1つ目とフリッパーを与えたらどうなるでしょうか？

2つの目があれば、スパークは光が左右どちらにあるかを感知できるようになります。さて、スパークは次のように動きます：

［図: 2つの目とフリッパーを持つスパークの移動経路］

うーん…うまくいきませんでした。光に向かうのではなく、光から離れる方向に進んでしまいました！

彼らの脳がどのように機能するかを知らなければ、彼らが光を恐れていると思うかもしれません。

なぜ光を避けるのでしょうか？ さて、もし光がスパークの左側にあれば、左目がより明るさを感知し、左フリッパーがより速く動くことになります。これにより、光から右に曲がることになります。逆に、光が右側にあれば、左に曲がります。

クロス接続

しかし、このスパークを光に向かって操縦させるための賢い方法があります。

接続をクロスさせるだけで済みます。つまり、左目を右フリッパーに、右目を左フリッパーに配線します。

すると、次のように動きます：

［図: クロス接続された2つの目とフリッパーを持つスパークの移動経路］

この単純な配線変更により、ついに光に向かって操縦できるようになりました。

しかし、これらのスパークをしばらく観察していると、問題があることに気づくでしょう。

光に到達することはできますが、近くで減速しません。代わりに、太陽に向かって突進する彗星のように、光に向かって突進します。

彼らの脳がどのように機能するかを知らなければ、今度は彼らが光を攻撃していると思うかもしれません。

抑制されるようになる

なぜ光を攻撃するのでしょうか？ 問題は、使用した接続の種類にあります。

その理由を見るために、元のスパークに戻りましょう。光が明るくなるにつれてフリッパーが速く動いたのを覚えていますか？ それは、目とフリッパーが興奮性接続で接続されていたからです。入力が多いほど出力が多くなる接続です。

もし光が食料源であれば、このスパークは光に向かって加速しますが、止まってランチを楽しむことはありません。

代わりに、光に近づくにつれてスパークが減速するようにしたいのです。つまり、その動きが光によって抑制されるようにしたいのです。

興奮性接続を抑制性接続に置き換えることで、これを解決できます。入力が多いほど出力が少なくなる接続です。

元の興奮性接続では、スパークは光を通り過ぎてしまいます。抑制性接続では、減速してゆっくりと停止します。

光を見つける

ここで、元の2つの目を持つスパークを、今度は目とフリッパーの間に抑制性接続を付けて戻しましょう。

これで、光に近い方のフリッパーは遅く動き、反対側のフリッパーは速く動くようになり、スパークは光に向かって曲がります。

［インタラクティブなデモ: 光を動かすとスパークが反応する］

光を動かすためにクリックしてください。

光をドラッグして動かしてください。

やった！ついに光に向かって操縦し、停止できるようになりました。上記の（または下の）グラフィックで光を動かして、スパークの反応を見ることができます。

［インタラクティブなデモ: 光を動かすとスパークが反応する］

光を動かすためにクリックしてください。

光をドラッグして動かしてください。

まるで磁石のように光に引き寄せられるように見えます。彼らの脳がどのように機能するかを知らなければ、今度は彼らが光を愛していると思うかもしれません。

これで、ニューラル回路の小さな変更を加えることで達成された、4つの非常に異なる振る舞いを見ました。

注：経路をより有機的に見せるために、シミュレーションにわずかなノイズを追加しました。

もし野生でこのような振る舞いをする生き物を見たら、彼らに原始的な知性があると考えるかもしれません。

しかし、私たちは今、この見かけ上の知性が、わずか4つのニューロンと2つの接続で、ボトムアップでどのように生じるかを示しました。ここには魔法はありません。この見方では、振る舞いはニューラル回路から創発します。

そして、ニューロンがわずか4つしかない脳がこれらすべてを達成できるなら、あなたの脳が約1000億個のニューロンで何を達成できるか想像してみてください。

バリエーションの追加

さらに一歩進めることができます。

これまでのすべてのシミュレーションでは、スパークはすべて同一の脳を持っていました。しかし、生物学にはバリエーションが満ちています：2つの脳は同じではありません。

ニューロン間の接続の強さを変化させることができるなら、各スパークは光への反応が異なります。

彼らは今、異なる好みを持ちます：黄色いスパークは光をより愛しているように見えますが、赤いスパークは慎重な距離を保ちます。

［インタラクティブなデモ: 光を動かすとスパークが反応する］

光を動かすためにクリックしてください。

光をドラッグして動かしてください。

このスパークの配線は、サーモスタットが設定温度を決定するように、光に対する好みを決定します。

もしあなたがこれを非常に注意深く見れば、私たちの脳が、スパイシーな食べ物への愛や臭いチーズへの嫌悪感のような好みをどのようにエンコードするか、その原型を見ることができるかもしれません。

もちろん、生物学はこれらの単純化されたスパークよりもはるかに複雑です。私たちは意図的に非常に単純な脳を与えたので、すべての部分がどのように機能するかを理解できます。

彼らの脳は時間とともに凍結されています。実際には、脳は学習できます：新しいスキル（歩く、自転車に乗る、ピアノを弾くなど）を習得するために配線を変更します。

次の記事では、この学習プロセスを実際に見て、これらのスパークが光を見つけるために脳をどのように再配線するかを見ていきます。