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システム神経科学は、神経科学とシステム生物学のサブ分野であり、生物の中枢神経系を構成するさまざまな神経回路とシステムの構造と機能を研究します。[ 1 ]システム神経科学は、神経細胞が接続されて神経経路、神経回路、およびより大きな脳ネットワークを形成するときにどのように振る舞うかに関係する多くの研究領域を包含しています。この分析レベルでは、神経科学者は、さまざまな神経回路がどのように連携して感覚情報を分析し、外界の知覚を形成し、感情を形成し、意思決定を行い、運動を実行するかを研究します。[ 2 ]システム神経科学の研究者は、脳の構造と機能を理解するための分子および細胞アプローチの関係、ならびに言語、記憶、自己認識などの高レベルの精神機能の研究（これらは行動神経科学および認知神経科学の領域です）に関心を持っています。これらの関係と理解を深めるために、システム神経科学者は通常、単一ユニット記録または多電極記録を使用した電気生理学、機能的磁気共鳴画像法（fMRI）、およびPETスキャンを介して、機能しているように見えるニューロンのネットワークを理解するための技術を使用します。[ 1 ]この用語は教育の枠組みでよく使用されます。大学院の神経科学コースの一般的な順序は、最初の学期に細胞/分子神経科学、次に2番目の学期にシステム神経科学で構成されています。また、大学の神経科学部門内の細分化を区別するためにも使用されることがあります。
システム神経科学は、脳の測定に関して、行動神経科学、計算モデリング、脳活動という3つの主要な分野に分かれています。これらの3つの分野を通して、システム神経科学の中核概念を解明し、生物の機能システムがどのように独立して、また相互に絡み合って相互作用するのかについての貴重な情報を提供します。
システム神経科学に関連する行動神経科学は、表現的不類似性行列（RDM）に焦点を当てています。これは、脳活動パターンを分類し、動物と無生物を比較した場合の脳活動レベルの相違など、さまざまな条件間でそれらを比較します。これらのモデルは、観察されたパターンの比較可能なモデルを提供しながら、行動を定量的に表現します。5 実験条件下では、脳活動パターン間の相関または逆相関を使用して、刺激が提示されたときに各脳領域の処理を区別します。
計算モデルは、脳活動レベルの基本形を提供し、これは通常、単一のニューロンの発火によって表されます。これは、生物の機能的変化中に発生する物理的変化を示すため、システム神経科学を理解する上で不可欠です。これらのモデルは脳活動を理解する上で重要ですが、ニューロンの発火の一対一対応はまだ完全には解明されていません。同じ活動の異なる測定結果は異なるパターンを示しますが、理論的にはパターンは同じか、少なくとも互いに類似しているはずです。しかし、脳の測定に関しては根本的な違いがあることが研究で示されており、科学はこの相違を解明しようと努めています。
脳活動と脳画像は、計算モデルや行動神経科学の理解と組み合わせることで、生物の機能システム間の違いを科学者が理解するのに役立ちます。システム神経科学の3つの主要分野は連携して、現在の神経画像技術で可能な限り正確な脳活動情報を提供します。脳活動測定には常に改善の余地がありますが、電気生理学による典型的な画像研究は、生物のシステムとその相互作用に関する膨大な量の情報を既に提供できます。例えば、システム神経科学の中核分野を用いることで、科学者は脳活動の差異を観察し、計算モデルを用いて正常な脳と片頭痛に罹患した脳の違いを比較することで、片頭痛が神経系に及ぼす影響を解明することができました。6
システム神経科学は、生体内の生物学的システムの電気的活動に焦点を当てた電気生理学を通して観察されます。電気生理学の研究を通して、体内のさまざまなシステムの活動レベルは、心拍リズム異常や脳卒中などの全身機能の異常を説明するのに役立ちます。電気生理学の主な研究対象は心臓ですが、他の身体機能との関連で脳活動を情報的にスキャンすることも可能であり、これはシステム間の神経活動の関連性を理解する上で有用です。
システム神経科学は一般的に人間の機能レベルとの関連で研究されるが、ショウジョウバエ（小型のショウジョウバエ）を用いた研究も数多く行われている。これは、ショウジョウバエの脳構造が単純で、実験的な観点から遺伝的要因や環境要因をより制御しやすいと考えられているためである。ショウジョウバエの機能能力は人間とは大きく異なるものの、これらの研究は人間の脳がどのように機能するのかについて貴重な知見を与えてくれる。
ショウジョウバエでは神経回路とニューロンの発火が機能的脳画像法によってより容易に観察できる。これは、神経経路が単純化されているため追跡が容易だからである。これらの経路は単純かもしれないが、ニューロンの発火の原理を理解することで、ヒトの神経経路に関する重要な研究につながり、最終的にはシステムが機能している際のニューロンの1対1対応関係の解明につながる可能性がある。7