神経科学

神経科学は、神経系（脳、脊髄、末梢神経系）、その機能、およびその障害に関する科学的研究です。 ^{[1] [2] [3]}神経科学は、ニューロン、グリア、神経回路の基本的および新たな特性を理解するために、生理学、解剖学、分子生物学、発生生物学、細胞学、心理学、物理学、コンピューターサイエンス、化学、医学、統計学、および数学的モデリングを組み合わせた学際的な科学です。^{[4] [5] [6] [7] [8]}学習、記憶、行動、知覚、および意識の生物学的基礎を理解することは、エリック・カンデルによって生物科学の「壮大な挑戦」と表現されています。^[9]

神経科学の範囲は、時間の経過とともに広がり、さまざまな規模で神経系を研究するために使用されるさまざまなアプローチが含まれるようになりました。神経科学者が使用する技術は、個々のニューロンの分子および細胞の研究から、脳内の感覚、運動、認知タスクの画像化まで、大幅に拡大しました。

神経系の最も古い研究は古代エジプトに遡る。頭部損傷や精神障害の治療、あるいは頭蓋内圧の緩和を目的として頭蓋骨に穴を開ける外科手術である頭蓋穿孔術は、新石器時代に初めて記録された。紀元前1700年の写本によると、エジプト人は脳損傷の症状についてある程度の知識を持っていたことが示唆されている。^[10]

脳の機能に関する初期の見解では、脳は一種の「頭蓋骨詰め物」とみなされていた。エジプトでは、中王国時代後期以降、ミイラ化の準備として脳が定期的に摘出された。当時は、心臓が知性の座であると信じられていた。ヘロドトスによると、ミイラ化の最初の手順は「曲がった鉄片を取り、それを使って鼻孔から脳を引き出して一部を取り除き、頭蓋骨を薬で洗い流して残りの部分をきれいにする」ことだった。^[11]

心臓が意識の源であるという見解は、ギリシャの医師ヒポクラテスの時代まで異論が唱えられることはなかった。彼は、脳は感覚に関与しているだけでなく（ほとんどの特殊器官（目、耳、舌など）は脳の近くの頭の中にあるため）、知性の座でもあると信じていた。^[12] プラトンも、脳は魂の理性的な部分の座であると推測した。^{[13]しかし、} アリストテレスは、心臓が知性の中心であり、脳は心臓からの熱量を調節すると信じていた。^[14]この見解は、ヒポクラテスの信奉者でローマの剣闘士の医者でもあったローマの医師ガレノスが、患者が脳に損傷を受けると知的能力を失うことに気づくまで、一般的に受け入れられていた。^[15]

中世イスラム世界で活躍したアブルカシス、アヴェロエス、アヴィセンナ、アヴェンゾアル、マイモニデスは、脳に関連する多くの医学的問題について記述しました。ルネサンス期のヨーロッパでは、ヴェサリウス(1514–1564)、ルネ・デカルト(1596–1650)、トーマス・ウィリス(1621–1675)、ヤン・スワンメルダム(1637–1680) も神経科学にいくつかの貢献をしました。

1700年代後半のルイージ・ガルヴァーニの先駆的な研究は、筋肉とニューロンの電気的興奮性の研究の土台を築きました。1843年にエミール・デュ・ボア＝レーモンドは神経信号の電気的性質を実証し、^[16]ヘルマン・フォン・ヘルムホルツがその速度を測定し、^[17] 1875年にリチャード・ケイトンはウサギとサルの大脳半球で電気現象を発見しました。^[18] アドルフ・ベックは1890年にウサギとイヌの脳の自発的な電気活動に関する同様の観察結果を発表しました。^[19]脳の研究は、 1890年代後半に顕微鏡が発明され、カミロ・ゴルジが染色法を開発した後、より洗練されました。彼の手法はサンティアゴ・ラモン・イ・カハールによって使用され、脳の機能単位はニューロンであるという仮説であるニューロン説の形成につながった。 ^{[20]ゴルジ体とラモン・イ・カハールは、脳全体のニューロンの広範な観察、記述、分類により、1906年に}ノーベル生理学・医学賞を共同受賞した。

この研究と並行して、1815年にジャン・ピエール・フルーレンスは生きた動物の脳に局所的な損傷を誘発し、運動能力、感覚、行動への影響を観察した。1836年のマルク・ダックスと1865年のポール・ブローカによる脳損傷患者の研究では、脳の特定の領域が特定の機能を担っていることが示唆された。当時、これらの発見は、言語は局所化されており、特定の心理機能は大脳皮質の特定の領域に局在しているというフランツ・ヨーゼフ・ガルの理論を裏付けるものと見なされていた。^{[21] [22]}機能局在仮説は、ジョン・ヒューリングス・ジャクソンによるてんかん患者の観察によって裏付けられ、ジャクソンは、身体全体の発作の進行を観察することで運動皮質の構造を正しく推測した。カール・ウェルニッケはさらに、言語の理解と産出における特定の脳構造の特殊化の理論を発展させた。神経画像技術を用いた現代の研究では、この時代からのブロードマン大脳細胞構築図（細胞構造の研究を指す）の解剖学的定義が依然として使用されており、特定のタスクの実行時に皮質の異なる領域が活性化されることを示し続けています。^[23]

20世紀には、神経科学は他の学問分野の中の神経系の研究としてではなく、独立した学問分野として認識され始めました。エリック・カンデルと共同研究者は、この分野の確立に重要な役割を果たした人物として、デイビッド・リオック、フランシス・O・シュミット、スティーブン・クフラーを挙げています。 ^[24]リオックは、1950年代からウォルター・リード陸軍研究所で基礎的な解剖学的および生理学的研究と臨床精神医学の統合を開始しました。同じ時期に、シュミットはマサチューセッツ工科大学生物学部内に神経科学研究プログラムを設立し、生物学、化学、物理学、数学を統合しました。最初の独立した神経科学部門（当時は精神生物学と呼ばれていました）は、1964年にカリフォルニア大学アーバイン校にジェームズ・L・マクゴーによって設立されました。^[25]これに続いて、 1966年にスティーブン・クフラーによってハーバード大学医学部の神経生物学科が設立されました。^[26]

てんかんを治療する過程で、ワイルダー・ペンフィールドは脳内の様々な機能（運動、感覚、記憶、視覚）の位置を示す地図を作成した。^{[27] [28]彼は1950年に}『人間の大脳皮質』という本にその発見をまとめた。^{[29]ワイルダー・ペンフィールドと共同研究者のエドウィン・ボールドレー、セオドア・ラスムセンは}皮質ホムンクルスの創始者と考えられている。^[30]

20 世紀には、ニューロンと神経系の機能に関する理解がますます正確かつ分子レベルで進みました。たとえば、1952 年にアラン ロイド ホジキンとアンドリュー ハクスリーは、イカの巨大な軸索のニューロンにおける電気信号の伝達 (彼らはこれを「活動電位」と呼びました)と、それがどのように開始され伝播するかを示す数学モデルを発表しました。これはホジキン - ハクスリー モデルとして知られています。1961 年から 1962 年にかけて、リチャード フィッツヒューと J. ナグモはホジキン - ハクスリーを簡略化し、フィッツヒュー - ナグモ モデルと呼ばれるモデルを発表しました。1962 年、バーナード カッツはシナプスと呼ばれるニューロン間の空間を介した神経伝達をモデル化しました。1966 年から、エリック カンデルと共同研究者はアメフラシの学習と記憶の保存に関連するニューロンの生化学的変化を調べました。 1981年、キャサリン・モリスとハロルド・レカーはこれらのモデルをモリス・レカーモデルに統合しました。このような定量的な研究により、数多くの生物学的ニューロンモデルや神経計算モデルが生まれました。

神経系への関心が高まった結果、20世紀にはすべての神経科学者にフォーラムを提供するためにいくつかの著名な神経科学組織が設立されました。たとえば、国際脳研究機構は1961年に設立され、^[31]国際神経化学協会は1963年に、^[32]欧州脳行動学会は1968年に、^[33]神経科学協会は1969年に設立されました。 ^{[34]最近では、神経科学の研究成果の応用により、}神経経済学、^[35]神経教育、^[36]神経倫理学、^[37]神経法などの応用分野も生まれています。^[38]

時間の経過とともに、脳の研究は哲学的、実験的、理論的な段階を経て、神経インプラントと脳シミュレーションの研究が将来重要になると予測されています。^[39]

神経系の科学的研究は、主に分子生物学、電気生理学、計算神経科学の進歩により、20 世紀後半に大幅に増加しました。これにより、神経科学者は神経系のあらゆる側面、つまり神経系がどのように構造化され、どのように機能し、どのように発達し、どのように機能不全に陥り、どのように変化するかを研究できるようになりました。

たとえば、単一のニューロン内で発生する複雑なプロセスを非常に詳細に理解することが可能になりました。ニューロンは、通信に特化した細胞です。ニューロンは、シナプスと呼ばれる特殊な接合部を介してニューロンや他の細胞タイプと通信することができ、シナプスでは、電気信号または電気化学信号をある細胞から別の細胞に伝達できます。多くのニューロンは、軸索と呼ばれる細長い軸索質のフィラメントを押し出します。軸索は体の離れた部分まで伸び、電気信号を急速に伝え、その終端にある他のニューロン、筋肉、または腺の活動に影響を与えることができます。神経系は、神経回路やネットワークで互いに接続されたニューロンの集合体から生じます。

脊椎動物の神経系は、中枢神経系（脳と脊髄と定義）と末梢神経系の2つの部分に分けられます。すべての脊椎動物を含む多くの種において、神経系は体の中で最も複雑な器官系であり、その複雑さのほとんどは脳にあります。人間の脳だけでも、約1000億個のニューロンと100兆個のシナプスが含まれています。脳は数千の識別可能なサブ構造で構成されており、シナプスネットワークで互いに接続されていますが、その複雑さはまだ解明され始めたばかりです。ヒトゲノムに属する約20,000個の遺伝子のうち、少なくとも3分の1は主に脳で発現しています。^[40]

人間の脳は可塑性が非常に高いため、シナプスの構造とその機能は生涯を通じて変化します。^[41]

神経系の動的な複雑さを理解することは、研究上の困難な課題です。最終的に、神経科学者は、神経系のあらゆる側面、つまり神経系の機能、発達、機能不全、変化または修復の仕組みを理解したいと考えています。したがって、神経系の分析は、分子レベルや細胞レベルからシステムレベルや認知レベルまで、複数のレベルで行われます。研究の主な焦点となる特定のトピックは、知識基盤の拡大とますます洗練された技術的手法の利用可能性によって、時間とともに変化します。技術の向上が進歩の主な原動力となっています。電子顕微鏡、コンピューターサイエンス、エレクトロニクス、機能的神経画像、遺伝学およびゲノミクスの発展は、すべて進歩の主な原動力となっています。

脳細胞の分類の進歩は、電気生理学的記録、単一細胞遺伝子配列決定、および高品質の顕微鏡検査によって可能になりました。これらは、小型ツールを使用して3つの方法すべてを同時に適用するパッチシーケンシングと呼ばれる単一の方法パイプラインに統合されました。 ^[42]この方法の効率性と生成される大量のデータにより、研究者は細胞の種類についていくつかの一般的な結論を導き出すことができました。たとえば、ヒトとマウスの脳は基本的に同じ細胞タイプの異なるバージョンを持っているということです。^[43]

分子神経科学で扱われる基本的な問題には、ニューロンが分子シグナルを発現しそれに応答するメカニズムや、軸索が複雑な接続パターンを形成する仕組みなどがある。このレベルでは、分子生物学と遺伝学のツールを使って、ニューロンがどのように発達し、遺伝子の変化が生物学的機能にどのように影響するかを理解している。[44] ニューロンの形態、分子のアイデンティティ、生理学^的特性、そしてそれらがさまざまな行動にどのように関係しているかについても、かなりの関心が寄せられている。^[45]

細胞神経科学で扱われる問題には、ニューロンが生理的および電気化学的に信号を処理するメカニズムが含まれます。これらの問題には、信号が神経突起と細胞体によってどのように処理されるか、神経伝達物質と電気信号がニューロン内の情報処理にどのように使用されるかが含まれます。神経突起はニューロン細胞体からの細い延長であり、樹状突起（他のニューロンからのシナプス入力を受け取るために特化）と軸索（活動電位と呼ばれる神経インパルスを伝導するために特化）で構成されています。細胞体はニューロンの細胞体であり、核を含んでいます。^[46]

細胞神経科学のもう一つの主要分野は、神経系の発達の研究です。^[47]問題には、神経系のパターン形成と地域化、軸索と樹状突起の発達、栄養相互作用、シナプス形成と神経幹細胞におけるフラクトンの関与、^{[48] [49]}ニューロンとグリアの分化（神経発生とグリア形成）、およびニューロンの移動が含まれます。^[50]

計算神経遺伝学的モデリングは、細胞レベルで遺伝子と遺伝子間の動的相互作用に関する脳機能をモデル化するための動的神経モデルの開発に関係しています（CNGMは神経系のモデル化にも使用できます）。^[51]

システム神経科学の研究は、発達中の人間の脳の構造的および機能的アーキテクチャ、および大規模な脳ネットワーク、つまり脳内で機能的に接続されたシステムの機能に重点を置いています。脳の発達と並んで、システム神経科学は、脳の構造と機能が、学習した世界のメンタルモデルを使用して、感覚情報の処理を可能にしたり制限したりして、行動を動機付ける方法にも焦点を当てています。

システム神経科学における疑問には、神経回路が解剖学的、生理学的にどのように形成され、反射、多感覚統合、運動協調、概日リズム、感情反応、学習、記憶などの機能を生み出すかということが含まれます。^[52]言い換えれば、この研究分野では、脳内でどのように接続が形成され、変化するか、そしてそれが人間の感覚、運動、注意、抑制制御、意思決定、推論、記憶形成、報酬、感情調節にどのような影響を与えるかを研究しています。^[53]

この分野の具体的な関心領域としては、神経回路の構造がスキル獲得にどのように影響するか、脳の特殊な領域がどのように発達し変化するか（神経可塑性）、脳アトラス（発達中の個々の脳の配線図）の開発などが観察されています。^[54]

関連分野である神経行動学と神経心理学は、神経基質が特定の動物や人間の行動の根底にどのように影響するかという問題を扱っています。 ^[55] 神経内分泌学と精神神経免疫学は、それぞれ神経系と内分泌系および免疫系との相互作用を調べます。^[56]多くの進歩にもかかわらず、ニューロンのネットワークが複雑な認知プロセスと行動を実行する仕組みはまだ十分に理解されていません。^[57]

認知神経科学は、心理機能が神経回路によってどのように生み出されるかという疑問に取り組んでいます。神経画像診断（例：fMRI、PET、SPECT）、EEG、MEG、電気生理学、光遺伝学、ヒト遺伝子解析などの強力で新しい測定技術の出現と、認知心理学の洗練された実験技術の組み合わせにより、神経科学者や心理学者は、認知と感情が特定の神経基質にどのようにマッピングされるかなどの抽象的な疑問に取り組むことができます。多くの研究は依然として認知現象の神経生物学的根拠を求める還元主義的な立場をとっていますが、最近の研究では、神経科学的知見と概念的研究の間に興味深い相互作用があり、両方の視点を促し統合していることが示されています。たとえば、共感に関する神経科学の研究は、哲学、心理学、精神病理学を含む興味深い学際的な議論を引き起こしました。^[58]さらに、異なる脳領域に関連する複数の記憶システムを神経科学的に特定することで、記憶を文字通り過去の再現とする考え方に疑問が投げかけられ、記憶を生成的、構築的、動的なプロセスとみなす見方が支持されるようになった。^[59]

神経科学は社会科学や行動科学、さらには新生の学際分野とも連携している。連携の例としては、脳とその環境との相互作用に関する複雑な疑問に取り組む神経経済学、意思決定理論、社会神経科学、神経マーケティングなどがある。例えば消費者の反応に関する研究では、エネルギー効率に関する物語への物語の移入に関連する神経相関を調べるために脳波が使用されている。^[60]

計算神経科学における問題は、脳の発達、構造、認知機能など、従来の分析の幅広いレベルに及びます。この分野の研究では、数学モデル、理論的分析、コンピューターシミュレーションを利用して、生物学的に妥当なニューロンと神経系を記述および検証します。たとえば、生物学的ニューロンモデルは、スパイクニューロンの数学的記述であり、単一ニューロンの動作とニューラルネットワークのダイナミクスの両方を記述するために使用できます。計算神経科学は、理論神経科学と呼ばれることがよくあります。

神経学、精神医学、脳神経外科、精神外科、麻酔学および疼痛医学、神経病理学、神経放射線学、眼科学、耳鼻咽喉科学、臨床神経生理学、依存症医学、睡眠医学は、神経系の疾患に特化した医療専門分野の一部である。これらの用語は、これらの疾患の診断と治療に関わる臨床分野も指している。^[61]

神経学は、筋萎縮性側索硬化症（ALS）や脳卒中などの中枢神経系および末梢神経系の疾患とその治療を扱っています。精神医学は、情動、行動、認知、知覚の障害に焦点を当てています。麻酔学は、痛みの知覚と意識の薬理学的変化に焦点を当てています。神経病理学は、形態学的、顕微鏡的、化学的に観察可能な変化に重点を置き、中枢神経系、末梢神経系、および筋肉疾患の分類と根本的な発症メカニズムに焦点を当てています。脳神経外科と精神外科は、主に中枢神経系および末梢神経系の疾患の外科的治療に取り組んでいます。^[62]

最近では、神経科学の基礎研究の影響を受け、さまざまな専門分野の境界が曖昧になっています。例えば、脳画像診断により精神疾患に対する客観的な生物学的洞察が可能になり、診断の迅速化、予後の精度向上、患者の病状の長期にわたるモニタリングの改善につながります。^[63]

統合神経科学とは、複数のレベルの研究から得られたモデルと情報を組み合わせて、神経系の一貫したモデルを開発する取り組みを指します。たとえば、脳画像と生理学的数値モデル、および基本メカニズムの理論を組み合わせることで、精神疾患の解明につながる可能性があります。^[64]

トランスレーショナルリサーチのもう一つの重要な分野は、脳とコンピュータのインターフェース（BCI）、つまり脳と通信して影響を与えることができる機械です。これらは現在、神経系を修復し、特定の認知機能を回復させる可能性について研究されています。^[65]しかし、受け入れられる前にいくつかの倫理的考慮事項に対処する必要があります。^{[66] [67]}

現代の神経科学の教育と研究活動は、研究対象となるシステムの主題と規模、および明確な実験的アプローチやカリキュラムのアプローチに基づいて、大まかに次の主要分野に分類できます。ただし、個々の神経科学者は、複数の異なるサブフィールドにまたがる問題に取り組むことがよくあります。

最大の専門神経科学組織は神経科学協会（SFN）で、米国に拠点を置いていますが、他の国々の会員も多くいます。1969年の設立以来、SFNは着実に成長し、2010年時点で83か国から40,290人の会員が登録されています。^[95]毎年アメリカの異なる都市で開催される年次総会には、研究者、ポスドク、大学院生、学部生のほか、教育機関、資金提供機関、出版社、研究に使用される製品を供給する何百もの企業が参加します。

神経科学を専門とする他の主要組織には、毎年世界の異なる地域の国で会議を開催する国際脳研究機構（IBRO）と、2年ごとに異なるヨーロッパの都市で会議を開催する欧州神経科学協会連合（FENS）がある。 FENSは、英国神経科学協会、ドイツ神経科学協会（Neurowissenschaftliche Gesellschaft）、フランス神経科学協会など、32の国家レベルの組織で構成されています。^[96]神経科学における最初の全国優等生協会であるNu Rho Psiは、2006年に設立されました。 Simply Neuroscience ^[97]やProject Encephalon ^[98]など、学部生、大学院生、キャリア初期の研究者を支援する若者の神経科学協会も多数存在します。

2013年に米国でBRAINイニシアチブが発表されました。国際脳イニシアチブ^[99]は2017年に設立され^[100] 、現在は4大陸にまたがる7つ以上の国家レベルの脳研究イニシアチブ（米国、ヨーロッパ、アレン研究所、日本、中国、オーストラリア、^[101]カナダ、^[102]韓国、^[103]イスラエル^[104]）^[105]によって統合されています。

神経科学者は、実験室での伝統的な研究の実施に加えて、一般の人々や政府関係者の間で神経系に関する認識と知識を促進することにも関わってきました。このような促進は、個々の神経科学者と大規模な組織の両方によって行われてきました。たとえば、個々の神経科学者は、世界中の高校生または中学生を対象とした学術コンテストであるInternational Brain Beeを組織することにより、若い学生の間で神経科学教育を促進してきました。 ^[106]米国では、神経科学協会などの大規模な組織が、Brain Factsと呼ばれる入門書を開発し、^[107]公立学校の教師と協力してK-12の教師と生徒向けのNeuroscience Core Conceptsを開発し、^[108]脳研究の進歩と利点についての一般の認識を高めるためにDana Foundationと共同でBrain Awareness Weekと呼ばれるキャンペーンを後援することにより、神経科学教育を促進してきました。 ^[109]カナダでは、CIHR Canadian National Brain Beeが毎年マクマスター大学で開催されています。^[110]

神経科学の教育者は、ベストプラクティスを共有し、神経科学学会の会議で発表する学部生に旅行賞を提供するために、1992年に学部生神経科学学部（FUN）を設立しました。^[111]

神経科学者は他の教育専門家と協力して、学生の学習を最適化するための教育技術を研究・改良しており、これは教育神経科学と呼ばれる新興分野です。^[112]国立衛生研究所（NIH）^[113]や国立科学財団（NSF）^[114]などの米国の連邦政府機関も、神経科学の概念の教育と学習におけるベストプラクティスに関する研究に資金を提供しています。

ニューロモルフィックエンジニアリングは、有用な計算を目的としてニューロンの機能的な物理モデルを作成する神経科学の一分野です。ニューロモルフィックコンピュータの計算特性は、複雑なシステムであり、計算コンポーネントが中央プロセッサなしで相互に関連しているという点で、従来のコンピュータとは根本的に異なります。^[115]

そのようなコンピュータの一例としては、SpiNNakerスーパーコンピュータがある。^[116]

センサーもニューロモルフィック技術でスマート化できる。その一例が、ドイツのハイデルベルク大学にあるハイブリッドアナログニューロモルフィックスーパーコンピュータ、イベントカメラのBrainScaleS（ニューロモルフィックハイブリッドシステムにおける脳にヒントを得たマルチスケールコンピューティング）である。これは、ヒューマンブレインプロジェクトのニューロモルフィックコンピューティングプラットフォームの一部として開発され、デジタル技術に基づくSpiNNakerスーパーコンピュータを補完するものである。BrainScaleSで使用されているアーキテクチャは、物理的レベルで生物学的ニューロンとその接続を模倣している。さらに、コンポーネントはシリコンで作られているため、これらのモデルニューロンは、生物学的ニューロンの平均864倍（実際の24時間はマシンシミュレーションでは100秒）動作する。^[117]

ニューロモルフィックマイクロチップ技術の最近の進歩により、科学者グループは病気の実際のニューロンを置き換えることができる人工ニューロンを開発しました。^{[118] [119]}