脳科学｜脳の仕組みから心と行動を探る学問

脳科学

脳科学は、脳と神経系の構造や機能を調べ、知覚・記憶・運動・感情といった精神活動がどのような物理化学的な過程から生まれるのかを明らかにする学問分野である。英語ではneuroscienceと呼ばれ、解剖学、生理学、分子生物学、心理学のほか、計測工学や情報科学にもまたがる。成人のヒトの脳は重さ約1,300〜1,400gで、体重の2%程度しかない。それでも安静時には全身のエネルギー消費の約20%を使う。内部には約860億個のニューロンがあり、互いに膨大な数の結合をつくって情報を処理している。

骨相学からニューロン説へ

脳の働きを場所ごとに割り当てる発想は、18世紀末にフランツ・ヨーゼフ・ガルが唱えた骨相学までさかのぼる。頭蓋骨の形から性格がわかるという主張には科学的な根拠がなかった。ただし「機能は脳の特定の部位に局在する」という考え方は、のちに正しいと確かめられる。1861年、ポール・ブローカは話すことができなくなった患者の脳を解剖し、左前頭葉に言語をつかさどる領域を見つけた。神経組織の細かな構造については、神経が網のようにつながっているとする網状説のカミロ・ゴルジと、一つひとつの細胞が独立した単位であるとするニューロン説のサンティアゴ・ラモン・イ・カハールが対立した。二人は1906年にノーベル生理学・医学賞をそろって受賞している。決着がついたのは1950年代で、電子顕微鏡によりシナプスの約20nmのすき間が観察され、カハールの説が裏付けられた。

電気と化学による信号伝達

ニューロンは、細胞膜の内と外のイオン濃度の差を使って情報を伝える。何もしていないときの膜の電位（静止膜電位）は約−70mVである。刺激を受けて約−55mVのしきい値を超えると、ナトリウムイオンが一気に流れ込み、電位は+30〜+40mVまで反転する。この1ミリ秒ほどの電気的な変化を活動電位という。1952年、アラン・ホジキンとアンドリュー・ハクスリーはヤリイカの太い軸索を使ってこの仕組みを数式で表し、1963年にノーベル賞を受けた。各イオンが釣り合う電位は、次のネルンストの式で求められる。Rは気体定数、Tは絶対温度、zはイオンの価数、Fはファラデー定数で、[X]_oと[X]_iは細胞の外と内のイオン濃度を表す。

E_X = (RT / zF) × ln ( [X]_o / [X]_i )

軸索を伝わる速さは髄鞘の有無で大きく変わる。髄鞘のある太い線維では最大約120m/sに達し、髄鞘のない細い線維では1m/s前後にとどまる。軸索の末端まで届いた信号は、シナプスでグルタミン酸やGABA、ドーパミンなどの神経伝達物質に置き換えられ、次の細胞へ渡される。

主な脳機能計測法の比較

生きたヒトの脳活動を外から測る方法はいくつもあり、どれも長所と短所がはっきりしている。時間の細かさを取るか、場所の正確さを取るかで選ぶ装置は変わり、導入費用にも数百倍の差がある。代表的な手法を下の表に整理した（価格は国内での一般的な目安）。

MEGは脳から出る10⁻¹³T程度という地磁気の1億分の1ほどの磁場を測るため、超伝導センサーを液体ヘリウム（約−269℃）で冷やし、磁気シールドルームの中で使う。陽電子放出断層撮影（PET）は薬剤の寿命が短く、院内にサイクロトロンを置く施設も多い。

fMRIとBOLD信号

機能的磁気共鳴画像法（fMRI）の基礎になったのは、1990年に小川誠二が報告したBOLD効果である。酸素を手放したヘモグロビンは磁気を帯びやすい性質があり、神経活動に伴って血流が増えると信号強度がわずかに変化する。この血流の反応は刺激から約5〜6秒遅れて最大になるため、fMRIは「どこが働いたか」には強いが、「いつ働いたか」を細かく追うのは得意ではない。

工学との接点

脳科学と工学の関係は、計測装置を作るだけにとどまらない。1943年にウォーレン・マカロックとウォルター・ピッツが発表した形式ニューロンのモデルは、1958年のパーセプトロンを経て、今日のニューラルネットワークや人工知能の土台になった。脳の仕組みを回路として真似る試みも進んでいる。2014年にIBMが発表したTrueNorthは、100万個のニューロンと2億5,600万個のシナプスに相当する回路を1枚の半導体チップに載せ、消費電力は約70mWに抑えられていた。逆方向の流れとしては、脳の信号を読み取って義手やパソコンを動かすブレイン・マシン・インターフェース（BMI）があり、頭蓋内に電極を埋め込む侵襲型と、頭皮から測る非侵襲型の研究が並行している。

製造現場で脳波を測るときの実務

作業者の疲れや集中度を数値で見たいという理由から、組立ラインや検査工程で脳波計を試す企業が増えている。心の負担の評価については人間工学の規格ISO 10075があり、医療用の脳波計にはIEC 60601-2-26という安全規格がある。現場向けの簡易ヘッドセット（1〜8ch、ドライ電極）は数万〜数十万円で買えるが、研究用の64chウェット電極システムになると数百万円を超える。工場ならではの悩みは雑音で、50Hz・60Hzの電源ノイズやインバータ機器からの干渉が微弱な脳波（数十μV）に重なりやすい。導入前には次の点を確認しておくと失敗が少ない。

• 電源ノイズを除くノッチフィルタが、使う地域の周波数（東日本50Hz、西日本60Hz）に合わせてあるか
• ウェット電極なら接触インピーダンスを10kΩ以下に保てるか
• 首振りやまばたきによる体動ノイズを除く解析手順が用意されているか
• 医療機器の承認がない簡易機の結果を、健康状態の判定に使っていないか

日本の研究体制と倫理の問題

国内では、1997年に理化学研究所が脳科学総合研究センターを設け、2018年に脳神経科学研究センターへと組織を改めた。2014年には国家プロジェクト「革新的技術による脳機能ネットワークの全容解明プロジェクト（Brain/MINDS）」が始まり、小型の霊長類であるマーモセットを使った脳の配線図づくりが進められた。研究が進むにつれ、脳の情報をどこまで読み取ってよいのか、誰がそのデータを持つのかという問いも生まれている。脳神経倫理学（ニューロエシックス）と呼ばれるこの分野は、2000年代初めに名前が定着し、企業が従業員の脳波を扱う場面でも、本人の同意やデータ管理のあり方が議論されている。