ジョー・Z・ツィエン

ジョー・Z・ツィエン（钱卓）^[1]は、1990年代半ばにCre/lox神経遺伝学^[2]を開拓した神経科学者です。これは、神経科学者が遺伝子、神経回路、行動の複雑な関係を研究するための多目的ツールボックスです。^[3]彼は、プリンストン大学の教員であった1990年代後半にスマートマウスDoogieを作成した人物としても知られています。 ^{[4] [5]}

最近、彼は知能の起源、つまり脳の計算と知能の根底にある基本的な設計原理を説明するために、接続理論を開発した。 ^{[6] [7]}この理論によれば、脳の計算は、神経回路の基本的な構成要素である細胞集合体を構築する際に、2の累乗に基づく順列論理によって構成されている。^[8]この理論は、複数の実験から一連の検証を受けている。脳のこの基本的な計算論理の発見は、人工汎用知能の開発に重要な意味を持つ可能性がある。

さらに、ツィエンは、脳が瞬間瞬間の知覚、記憶、空間ナビゲーション、意思決定、意識的な行動実行をどのようにコード化するかを説明する神経自己情報理論も提唱している。 ^{[9] [10]} 神経自己情報理論と接続性理論は、脳の仕組みを理解するだけでなく、脳にヒントを得たニューロモルフィックコンピューティングの開発にも役立つ2つの基本的な枠組みを提供する可能性がある。

ツィエンは上海の華東師範大学で生物学/生理学の学士号を取得しました (1984 年)。ツィエンは 1990 年にミネソタ大学で分子生物学の博士号を取得しました。

1990年代前半から中頃にかけて、チエンは2人のノーベル賞受賞者、エリック・カンデルと利根川進とともに研究を行った。1997年、チエンはプリンストン大学分子生物学部の教員となり、遺伝子操作によって賢いマウスのドギーを開発した。2007年、チエンは脳解読プロジェクトを立ち上げ、神経科学者、コンピューター科学者、数学者からなるチームを率いて、ジョージア研究同盟の資金援助を受けて、マウスの脳内の神経コードを体系的に記録・解読した。チエンの脳解読プロジェクトは、ヨーロッパやアメリカの他の神経科学者にとって貴重なテストケースとなり、2013年にはBRAINイニシアチブやヒューマンBRAINプロジェクトなどの大規模プロジェクトを開始するきっかけとなった。

ツィエン氏は現在中国で活動しており、国際脳解読プロジェクトコンソーシアムのディレクターを務め続けています。

Tsienは1996年にCre-loxPを介した脳サブ領域および細胞タイプ特異的な遺伝学的手法を開発し、^[3]研究者が特定の脳領域または特定のタイプのニューロン内の任意の遺伝子を操作または導入できるようにしました。^[2]この革新的な手法により、NIH神経科学研究ブループリントはいくつかのCreドライバーマウスリソースプロジェクトを立ち上げました。過去20年間で、Cre-lox組換えを介した神経遺伝学は、細胞特異的遺伝子ノックアウト、トランスジェニック過剰発現、神経回路トレーシング、Brainbow、オプトジェネティクス、CLARITY、電圧イメージング、化学遺伝学のための最も強力で多用途な技術プラットフォームの1つとして浮上しました。^{[2] [11] [12]}

ツィエンは賢いマウス「ドギー」の生みの親としても広く知られている。^[13]プリンストン大学の教授として、ツィエンはNMDA受容体のサブユニットの1つが若年期の優れた学習能力と記憶力の鍵を握っているのではないかと推測した。そのため、彼の研究室では、マウスの皮質と海馬でNMDA受容体のNR2Bサブユニットを過剰発現させた遺伝子組み換えマウスを遺伝子操作で作製した。1999年、彼のチームは、ドギーと名付けられたこの遺伝子組み換えマウスは、確かにシナプス可塑性が向上し、学習力と記憶力が向上し、新しいパターンを学習する際の柔軟性が向上したと報告した。^[4] NR2Bが記憶力向上の重要な遺伝因子であることが発見されたことをきっかけに、他の研究者らは記憶力向上のための20以上の遺伝子を発見したが、その多くはNR2B経路を制御している。^[14] NR2Bをベースとした記憶力向上戦略の1つは、脳に浸透するマグネシウムイオンであるL-トレオン酸マグネシウムのサプリメントを摂取することであり、現在、記憶力改善のための臨床試験が行われています。^{[15] [16]}

ツィエンは、エピソード記憶と意味記憶が記憶回路でどのように生成されるかを説明する統一された細胞集合メカニズムを含む、いくつかの他の重要な発見も行いました。^{[17] [18] [19]}彼の研究室はまた、マウスの脳内の巣細胞を発見し、動物が実際に巣や家という抽象的な概念をコード化する方法を明らかにしました。^{[20] [21]}

ツィエン氏はまた、欠陥のあるアルツハイマー遺伝子（例えばプレセニリン-1）が海馬歯状回における成人神経新生を阻害することを初めて示し、 ^[22]成人神経新生が記憶消去に果たす役割を明らかにした。^{[23] [24]}

さらに、ツィエンはマウスの脳内の特定の恐怖記憶を選択的に消去し、他の記憶はそのまま残すことができる方法を開発した。^{[25] [26]}

ツィエンはまた、ドーパミン回路内のNMDA受容体が習慣形成に重要な役割を果たしていることを実証した。^{[27] [28] [29]}

ツィエンは現在、神経科学者、コンピュータ科学者、数学者からなるチームを率いて、大規模な脳活動マッピングの取り組みであるブレイン・デコーディング・プロジェクト^[30]に取り組んでいます。このプロジェクトは、2007年からジョージア研究同盟（GRA）の支援を受けて、ツィエンと彼の同僚が開始したものです。^[31]

2015年、ツィエンは、進化と発達によって知能を生み出せるように脳を構築する設計原理を説明するため、接続理論を開発した。 ^{[6] [7]}この理論は6つの予測を立てており、最近のマウスの脳とハムスターの脳での一連の実験によって裏付けとなる証拠が得られている。^[8]本質的に、接続理論は、脳内の細胞集合はランダムではなく、むしろ2の累乗に基づく方程式N = 2 ⁱ - 1に従って、機能的接続モチーフ（FCM）と呼ばれる事前構成された構成要素を形成すると予測している。一部の極めて単純な脳で単一のニューロンを計算単位として使用する代わりに、この理論は、ほとんどの脳では、神経クリークと呼ばれる同様の調整特性を示すニューロンのグループが基本的な計算処理ユニット（CPU）として機能するべきであると示唆している。 2 の累乗に基づく方程式 N = 2 ⁱ - 1 で定義される各 FCM は、特定の情報入力 (i) を受信する特定のクリークから、さまざまな組み合わせ収束入力を受信する一般的なクリークおよび準一般的なクリークまで、主投影ニューロン クリーク (N) で構成されます。

進化的に保存されたロジックとして、接続理論の検証には、次の基本特性の実験的実証が必要です。1) 解剖学的普及 - FCM は、解剖学的大まかな形状に関係なく、神経回路全体に普及しています。2) 種の保全 - FCM はさまざまな動物種にわたって保存されています。3) 認知の普遍性 - FCM は、さまざまな認知体験と柔軟な行動を処理するための細胞アセンブリ レベルでの普遍的な計算ロジックとして機能します。4) さらに重要なことに、この接続理論では、FCM 内の特定の組み合わせから一般的な組み合わせへの接続パターンは進化によって事前に構成され、脳の計算プリミティブとして発達から本質的に出現するはずであるとさらに予測しています。5) この接続理論は、大脳新皮質の一般的な目的と計算アルゴリズムも説明しています。この提案された知能の設計原理は、さまざまな実験を通じて検証でき、ニューロモルフィック エンジニアやコンピューター サイエンティストによってモデル化することもできます。同じ2の累乗に基づく順列論理が最近、人間の語彙検索プロセスにも適用されていると説明されており、これは量子コンピュータの計算基盤との類似点を示している。^{[32] [33]}しかし、ジョー・ツィエン博士は、脳の原理に基づく人工汎用知能には大きな利点があるが、潜在的にはそれ以上のリスクもあると警告している。^[34]

さらに、Tsien 研究室は、リアルタイムの神経コードの解読に注力してきました。リアルタイムの神経コードとは、車を見たり、記憶を思い出したり、時間や場所を意識したりするなど、瞬間瞬間の認知を生み出すために情報が伝えられるルールです。従来、発火の変動を克服するために複数の試行にわたって発火スパイク ラスターを平均化するレート コードは、科学者が特定のニューロンの調整特性を分析する方法として提案されました。しかし、瞬間ごとの発火の変動が非常に大きいため、レート コードは脳がリアルタイムの認知を表すために実際に使用する方法ではないことは明らかです。この基本的な問題を解決するために、Tsien は、スパイク間隔 (ISI)、つまり 2 つの隣接するスパイク間の沈黙期間が、その変動確率に反比例する自己情報を伝えるという神経自己情報理論を提唱しました。具体的には、高確率のISIは基底状態を反映するため最小限の情報しか伝達しないが、低確率のISIは、基底状態からの興奮性または抑制性の変化をそれぞれ示す「正の」または「負の」驚きの形でより多くの情報を伝達する。これらの驚きは、リアルタイムの認知を表す時間的に調整された細胞集合体の3値コードを構築するための情報量子として機能する。^[35]

そこで、ツィエンは一般的なデコード方法を考案し、さまざまな睡眠サイクル、恐怖記憶体験、空間ナビゲーション、および 5 択連続反応時間 (5CSRT) 視覚弁別行動の基盤となる 15 個の細胞集合を偏りなく発見しました。彼のチームは、歪んだ ISI ガンマ分布の裾の約 20% で構成される ISI サプライズによって堅牢な細胞集合コードが生成されることを明らかにしました。これは、コミュニケーションを含む多くのイベントで、出力または結果の約 80% が入力または原因の 20% から生じるという「パレートの法則」に準拠しています。これらの結果は、リアルタイムの神経コードが、ISI 変動に基づく自己情報原理を介して神経クリーク メンバーの時間的集合から発生することを示しています。^[36]

Tsien 氏は、研究への貢献により、次のような賞を受賞しています。

• 2012年国際行動神経遺伝学会優秀科学者賞
• ケック優秀若手学者賞
• バロウズ・ウェルカム若手研究者賞
• 中国系アメリカ人協会より科学功績賞
• ベックマン若手研究者賞

スマートマウスの開発に関するツィエン氏の研究は、1999 年の TIME 誌の表紙記事や、ニューヨーク タイムズの Scientist At Work セクションの記事にも選ばれました。

脳のメカニズムの発見における画期的な成果により、ツィエンは記憶強化と記憶解読の神経科学の分野でサイエンティフィック・アメリカン誌の表紙記事2本を寄稿するよう依頼された。^{[5] [37]}彼はいくつかの人気教科書に学習と記憶に関する章を執筆している。

宋代の書物『同志』によれば、銭姓（ Tsien；钱）は、伝説上の五帝（古代中国商王朝の神話上の皇帝、中国語：商朝）の一人、钱始皇帝（中国語：顓頊、簡体字：颛顼、ピンイン：Zhuānxū）の子孫である。黄帝として知られる中国最初の皇帝の孫である钱始皇帝（中国語：顓頊、簡体字：颛顼、ピンイン：Zhuānxū）は、紀元前2514年から紀元前2436年（初期青銅器時代）の紀元前2千年紀に、中国の起源である黄河流域を統治した。五代十国時代（907-960年）、劉銭王とその子孫は中国南東部の独立した呉越王国を統治し、上海、江蘇省、浙江省、福建省とその地域を支配しました。ジョー・チェンは1962年10月に無錫市で生まれ、劉銭王の子孫の36代目です。

• ジョージア研究同盟
• オーガスタ大学