人間の脳の不思議！脳内学習の仕組み

・これまで、脳内の学習過程はシナプスによって駆動されているとされていました

・今回、研究者たちは、学習が樹状突起と呼ばれる様々な長い枝分かれしたアーム部分で起こることを実証しました

・樹状突起の学習は、従来のシナプスの学習よりもかなり速い速度で行われます

脳は人体の中で最も複雑な部分であり、860億以上の神経細胞と同数かそれ以下の数の他の細胞から構成されています。脳では神経細胞が相互接続しています。この回路は、神経伝達と呼ばれるプロセスによって運営されており、神経信号が引き金となって神経細胞が神経伝達物質を放出することで完結しています。

そのことは、1949年にカナダの心理学者ドナルド・オルディング・ヘブが、学習などの心理的プロセスにニューロンがどのように関わっているかを発表しています。脳の神経細胞は、シナプスと呼ばれるリンクを通じて、何千もの他の神経細胞と通信しています。

ヘブの研究は、神経細胞が計算モジュールとして働き、学習はシナプスの強さを変化させることによって起こるとしている。 しかし、バーリアン大学の科学者たちは、学習はシナプスだけでなく、樹状突起と呼ばれる様々な長く伸びたアーム部分で起こることを明らかにしました。これは、シナプスがゆっくりと学習していく過程に類似しています。

新たに発見された学習プロセス

今回の研究で、樹状突起の学習は従来のシナプス学習よりもかなり速い速度で行われることがわかりました。また、シナプス学習では数千のパラメータが必要とされるのに対し、樹状突起学習ではニューロンあたりの適応因子が少ないです。 科学者らは、ニューロンが他のニューロンの近くで受信信号を推定する方がはるかに効率的であると説明しています。

画像元: Wikimedia

長年、誰も他の方法を思いつきませんでした。 樹状突起とシナプスは一連の神経細胞でつながっているので、学習プロセスの正確な領域を特定することは重要でないように思われていたのです。

また、弱いシナプスが人間の脳のダイナミクスにおいて重要な役割を担っていることも明らかにしました。シナプス学習で提唱されているように、学習因子を無理に極限に押し上げるのではなく、弱いシナプスが学習因子の振動を生み出すとしました。

樹状突起樹状突起の学習は、振動を自己管理する手法を示しています。学習の成果として遅い振動と速い振動は、（大脳皮質の間で）一過性の結合活動や、高い認知機能に関連している可能性があります。

科学者たちは、これらの振動が強固で、ニューロンが異常な性質を持っていることを発見しました。この振動は、確率的なニューロン応答から生じる振動と区別する必要があり、シナプス学習の遅れに疑問を投げかけるものでありました。

シナプス (左) 樹状突起学習 (左) | 提供: Prof. Ido Kanter

画像を見ると分かりやすい:2本の樹状突起を持つニューロンが、何千ものシナプス（赤いバルブ）を通じて、入力データを収集します。仮にデータを集めるニューロンを人の指だとすると、人の手の長さは高層ビルに匹敵します。樹状突起学習では、この弁が神経細胞のすぐ近くに配置されます。

学習は脳のさまざまな領域で発生するため、これまでの脳機能の障害に対する治療法を真剣に見直す必要があります。

さらに、学習プロセスは、高度な機械学習/深層学習技術やその他のAI手法の基礎となるものです。この研究により、人間の脳の機能をマネしながら、より高機能で高速な処理速度を持つ、さまざまな形態の機械学習アルゴリズムやAIベースのアプリケーションの新しい可能性が開かれると期待されています。