感覚マップ

感覚マップは、感覚刺激に反応する脳の領域であり、感覚刺激のいくつかの特徴に従って空間的に編成されています。感覚マップは、皮膚、蝸牛、網膜などの感覚表面の単なる地形的表現である場合があります。他の場合には、感覚マップはニューロンの計算から生じる他の刺激特性を表し、通常は末梢を反映する方法で整理されます。一例として、触覚の処理を整理する脳内の皮膚表面の投影である体性感覚マップがあります。このタイプの体性感覚マップは、おそらく、物理的に隣接する脳領域が末梢の物理的に同様の刺激に反応できるようにするため、またはより優れた運動制御を可能にするため、最も一般的です。

体性感覚皮質は、同様にマッピングされている一次運動皮質に隣接しています。感覚マップは、運動反応を促進する上で重要な役割を果たしている可能性があります。感覚マップの編成の他の例としては、脳の蝸牛マップのように、隣接する脳領域が、処理する受容体の近さを通じて関連していること、特徴検出器マップや網膜トピックマップのように同様の特徴が処理されていること、または、両耳間の時間差を介したフクロウの方向感覚マップのように、編成に時間コードが使用されていることが挙げられます。これらの例は、マッピングされていない、またはランダムに分散された処理パターンとは対照的です。マッピングされていない感覚処理システムの例としては、関連のない匂い物質が嗅球で並んで処理される嗅覚システムがあります。マッピングされていない処理とマッピングされた処理に加えて、刺激は、人間の視覚システムのように、複数のマップで処理される場合があります。

感覚マップは主に体性感覚皮質（感覚皮質とも呼ばれる）内で作成されます。^[1]中枢神経系は、この皮質と生物の体の他のすべての部分に付着しています。^[2]体性感覚皮質と中枢神経系はどちらもニューロンで構成されており、互いに関連を形成して体全体に電気インパルスを伝達します。^[3]

中枢神経系は、身体の外部からさまざまな刺激を認識すると、脳に信号を送ります。これらの信号は、聴覚系、触覚系、視覚系など、身体のさまざまな部分から送信されます。^[4]各システムは、生物の周囲をより徹底的に分析するために接続されたさまざまな感覚マップを生成します。^{[5] [2]} 1つの感覚システムには、刺激を分析する複数のマップがあります。これらのマップは連携して、周囲から空間、特性、および動作情報を収集します。^[4]生物は、受け取った情報とすでに持っている情報に基づいて行動します。^[1]科学者は、これらの神経接続は生物の生涯を通じてますます成長し、以前の世代から遺伝的に受け継がれてきたと推測しています。^[6]

マップ化された感覚処理領域は複雑な現象であり、したがって、複雑な現象が他の方法で現れる可能性は非常に低いため、適応上の利点として機能するはずです。感覚マップは、ほぼすべての動物種に遍在し、ほぼすべての感覚システムに見られるため、進化の歴史でも非常に古いものです。感覚情報を収集してこれらのマップを作成するニューロンの動的な性質により、さまざまな刺激が、過去に他の感覚ニューロンによって作成されたマップを変更することができます。^[5]また、1つの感覚システムに対して、刺激のさまざまな側面を分析するために連携して機能する複数の異なるマップが存在する場合があります。^[4]感覚マップのいくつかの利点は、科学的調査によって解明されています。

• 適応：マップは、元々作成されたもの以外の刺激によって調整されることがあります。たとえば、感覚マップが視覚刺激によって作成された場合、以前に見たものとは異なる情報を表現する聴覚刺激は、感覚マップを調整し、生物の周囲の理解をより正確にすることができます。^{[5] [1]}感覚マップには、多くの異なるニューロンに接続して生物の環境を理解できるようにする適応特性が含まれています。それでも、感覚マップは遺伝的に世代から世代へと受け継がれます。^[6]
• 補完：感覚刺激が脳内で何らかの地形パターンに組織化されている場合、動物は地図の隣接領域を使用して、欠落している情報を「補完」できる可能性があります。これは、すべての情報が存在する場合、通常、それらの領域が一緒に活性化されるためです。1つの領域からの信号損失は、それらの領域が末梢の物理的に関連する部分である場合、脳の隣接領域から補完できます。^[1]これは、動物実験で明らかであり、損傷した脳領域（手の触覚を処理するために使用されていた）に隣接するニューロンは、隣接する手の領域からの情報を処理するため、その感覚領域の処理を回復します。^[7]
• 側方抑制:側方抑制は組織化原理であり、視覚から体性感覚まで多くのシステムでコントラストを可能にします。つまり、隣接する領域が互いに抑制し合う場合、1 つの脳領域を活性化する刺激が同時に隣接する脳領域を抑制して、刺激間の解像度をより鮮明にすることができます。これは、人間の視覚系で明らかであり、単純な細胞が隣接する細胞を抑制するため、明るい領域と暗い領域の間に鮮明な線が検出できます。研究によると、2 つの異なるタイプの刺激が中枢神経系に信号を送信し、最新の刺激が他の刺激を変える可能性があります。感覚抑制による感覚マップの構築は、タイミングによって大きく左右されます。互いに関連付けられた 2 つの刺激の近さと繰り返しにより、感覚マップが調整され、人の環境を最も正確に理解できるようになります。^[8]側方抑制は、2 つの異なる刺激が組み合わされるときに、それらの刺激を区別するのにも役立ちます。たとえば、映画やビデオでは、音と画像が同期している必要があります。音と画面上の画像のタイミングが異なる場合、側方抑制は、音と画像が同期しているときと同期しているときを区別するのに役立ちます。^[8]
• 総和：組織化により、感覚情報の神経的評価において関連する刺激を総和することもできます。この例としては、神経的に触覚入力を総和したり、暗い場所での視覚入力を総和したりすることが挙げられます。^[9]科学や企業におけるデータ分析では、効率を生み出す階層的秩序を例示するため、組織化が重要です。^[6]
• 行動への影響：感覚マップは、感覚情報に反応する運動反射と関連しています。^{[1] [2]}言い換えれば、感覚システムと運動システムは感覚マップと絡み合っています。刺激に対する反応は、最も重要な刺激から最も重要でない刺激までを整理する階層システムに基づいています。運動システムは、重要度に基づいて反応したり反応しなかったりします。^[2]

これらの地図は、体の表面を脳の構造にマッピングしたものと考えることができます。言い換えると、トポグラフィック マップは、脳内の感覚表面を投影した形で神経系に編成されます。つまり、末梢の編成は脳の情報処理の順序を反映しています。この編成は、触覚の場合のように体部位^[10]や耳の場合のように音部位^[11]であり、網膜上の細胞が脳内に配置されているときに網膜部位マップが配置されます。体表面のニューロンは、私たちの日常生活で重要な役割を果たします。私たちの健康に関連してニューロンの役割が他のニューロンよりも重要である場合、体表面の部分にはより多くのニューロンが接続されます。^[3]

科学者によると、幻肢は感覚地図を活性化させるそうです。^[3]切断された手足と体の他の部分の間には実際の接続がないため、手足が体の他の部分から切り離されたとき、切断前に作られた感覚地図はまだアクティブで、実際の刺激がなくても活性化されていると想定されています。^[3]

• ワイルダー・ペンフィールド^{[12]は、内部体性感覚}ホムンクルスの形で最初の地形図を発見しました。彼の人間の神経系に関する研究は、触覚を処理する脳領域が体の配置と同じ方法でマッピングされていることを示しました。この感覚地図は、唇や手など多くの末梢感覚細胞​​を持つ特定の領域を誇張し、背中など受容体の少ない処理領域の相対的なスペースを減らします。
• 聴覚系の有毛細胞は音調的組織化を示す。^[13]この音調的配置は、細胞が低周波から高周波までの範囲に配置され、脳内で同じ組織で処理されることを意味します。

これらのマップは、完全に神経系で構成されている、または末梢には存在しない方法で構成されている。計算マップの感覚情報は、聴覚刺激と視覚刺激から得られる。したがって、神経計算によって構築される聴覚情報や視覚情報はすべて、脳が2つ以上の情報を関連付けてそこから新しい情報を取得するときに、既存の感覚マップを新しい情報を含むように変更するために組み合わせることができる。これらのマップには、多くの場合、異なる耳から入ってくる音情報などの2つの刺激を比較すること（時間遅延を得るために減算を実行するなど）が含まれ、それらの刺激に関する貴重な新しい情報（刺激の発生源など）が生成されます。今説明したプロセスは、フクロウの神経系で非常に迅速に発生します。^[5]

• ジェフリーズ マップは、脳が両耳間時間差 (ITD)、つまり両耳間の刺激到達時間の差を計算する方法に関する理論です。ジェフリーズは、タイミング情報から場所マップを作成する理論的メカニズムを生み出したことで有名で、これにより、一部の動物が音がどこから来たのかを示す「ルックアップ マップ」を持っているように見える理由が説明されました。フクロウ聴覚システムの神経系はこの ITD を計算し、実際の神経系はジェフリーズ マップ理論とほぼ正確に一致することがわかりました。^[14]ジェフリーズ マップは、フクロウが ITD 信号を使用して距離と方向を決定する方法を示しています。
• 視覚システムの特徴検出器は、計算マップのもう 1 つの例です。目の物理システムのどの部分も、脳内の単純な細胞のように実際に特徴を分析することはありません。このシステムはカエルでよく研究されています。カエルは環境内の特定の「虫のような」特徴を検出し、神経系によって完全に制御されて、基本的な虫を模倣した一連の白い四角形であっても、それらに飛びかかることが知られています。^[15]感覚マップ内に錯覚を作り出すことは、生物が周囲の未知の情報を補う方法です。^[3]
• エコーロケーションで使用されるコウモリの聴覚システムには、周波数変調対周波数変調比較もあります。このFM-FM比較は、ターゲットの振動を決定し、スガの研究で有名になりました。^[16]
• 魚を例に運動系と感覚系を研究したところ、科学者たちは両者の間に計算マップが作られる可能性があることを発見した。特定の付属器官の中枢神経系が不活性化された魚は、以前の自然な行動を調整した。科学者たちは、感覚情報は生物の行動や決定に先行することが多いと考えている。したがって、外部刺激によって追加情報が与えられたり、情報が不足したりすると、行動は新しい環境に適応するために変化する。^[2]

抽象地図は生物の外部からの刺激によっても作成される地図ですが、脳内に地図を作成する表面はありません。地形図や計算地図のように整列していますが、その特徴は抽象的です。これらのタイプの地図は色を見ることと関連しています。^[6]

• [1]