高層階から聞こえる都市の轟音を想像してみてほしい。サイレン、交通、建設、話し声、風。脳は覚醒しているあらゆる瞬間に同様の情報の洪水に直面しているが、単に騒音を聞くよりもはるかに難しいことをしなければならない。信号を混同せずに保つことだ。光の閃光と自分の足が地面に当たる感覚が、同じ皮質領域に同時に届く。脳はどのようにして、見ているものと動いたという事実を区別しているのだろうか？
アルバート・アインシュタイン医科大学、マギル大学、アイカーン医科大学の神経科学者チームが、驚くほどエレガントな答えを見つけた。7月21日にNature Communicationsに発表された研究で、筆頭共著者のEliezyer Fermino de Oliveira氏とSoyoun Kim氏、上席著者のLucas Sjulson氏、Renata Batista-Brito氏、Adrien Peyrache氏が率いるグループは、一次視覚野（V1）が自身の回路に組み込まれた目に見えない幾何学を利用して、必要に応じて運動情報と視覚情報を混ぜ合わせたり分離したりしていることを示した。この隠れた構造を見る鍵は、予想外のものだった。マウスを眠らせることである。
神経活動の隠れた形状
神経科学者は長い間、脳が可能な活動パターンをすべて等しく使うわけではないことを知っている。ニューロン集団が発火できる天文学的に膨大な方法のうち、実際に発生するのはごく一部だけである。許容されるパターンは、内在的多様体と呼ばれる低次元空間を形成する。曲面を転がるビー玉を想像してみてほしい。重力と地形の形状がビー玉の行ける場所を制約する。ビー玉は理論的にはどの方向にも動けるが、多様体が神経活動にとってのその地形なのである。
チームが気づいたのは、マウスが見たり動いたりしていないノンレム睡眠中でも、脳は内在的ダイナミクスを生成し続けるということである。そのダイナミクスは、まるで地形学者が土地を歩くように、多様体を描き出す。NREM睡眠中にV1の深層から記録し、そのパターンを覚醒中の活動と比較することで、研究者は地形をマッピングし、異なる種類の情報がどこに位置するかを問うことができた。
彼らは活動内に3種類の空間を特定した。「オン多様体」部分空間には、睡眠中に脳が容易に生成するパターンが含まれる。「オフ多様体」部分空間は、内在的ダイナミクスが積極的に抑制するパターン、つまり睡眠中に脳が避ける状態から構成される。3つ目の「非構造化」部分空間には、内在的ダイナミクスに体系的に関連しない次元が含まれる。
この3つの分割が、謎の鍵であることが判明した。
運動と視覚が出会う場所、そして別れる場所
マウスが走ったり、ひげを動かしたり、環境を探索したりすると、結果として生じる神経活動は多様体上にしっかりと着地した。運動表現はオン多様体信号である。それらは脳の内在的ダイナミクスの流れに従う。視覚刺激、つまり頭部固定マウスに見せた自然画像も多様体上に着地し、そこで運動信号と単純な加算的な方法で混ざり合った。これが統合側の話である。多様体上では、視覚と運動は同じ空間に共存し、それらの信号は建設的に加算される。
しかし、それには問題があった。運動と視覚の両方が同じ低次元多様体上に存在するなら、脳はどのようにして運動ノイズが視覚知覚を乱すのを防いでいるのだろうか？同じ部屋で同じ周波数で行われている2つの会話を想像してみてほしい。それらは干渉するだろう。
答えはオフ多様体部分空間にある。チームは、刺激表現もオフ多様体、つまり内在的ダイナミクスが睡眠中に抑制する次元にまで及ぶことを発見した。重要なことに、運動信号はそうではない。これは、視覚情報には運動関連活動が追従できない第2の保護されたチャネルがあることを意味する。脳は統合と分離のどちらかを選ぶ必要はない。異なる目的のために異なる部分空間を使うことで、両方を達成しているのである。
コーリストニューロンとスパースコーディング
オフ多様体コーディングは、特定のクラスの細胞に依存していることが判明した。V1のニューロンは、「ソリスト」から「コーリスト」までのスペクトルに沿って分類できる。ソリストニューロンは集団の他の部分と比較的無相関なパターンで発火し、それぞれが独自のメロディーを歌う。対照的に、コーリストニューロンは低次元ダイナミクスによって強く変調され、その活動は多様体と同調して上下する。
コーリストニューロンこそが、オフ多様体刺激情報を運ぶのである。視覚刺激が現れると、これらのコーリスト細胞でスパースな集団全体の活動が駆動される。この発見は直感に反する。コーリストニューロンは運動に最も強く影響される細胞であるにもかかわらず、運動干渉を避ける方法で純粋な視覚情報をコードする細胞でもあるのだ。
このパラドックスは多様体の幾何学によって解決される。コーリストニューロンは内在的ダイナミクスによって非常に強く制約されているため、睡眠中の自発活動は状態空間の狭い領域内に留まる。これにより、脳がスパースな刺激駆動発火で到達できる広大な未使用領域、つまりオフ多様体次元が残される。対照的に、ソリストニューロンは状態空間をより自由に動き回るため、刺激情報が隠れる未使用の保護領域は存在しない。
結果として、運動に最も結合した細胞こそが、その厳しい制約ゆえに、視覚のための清潔で静かな空間を創り出すシステムが出来上がる。制限的に見える制約が、実際には可能性を広げているのである。
なぜ重要なのか
この研究は、システム神経科学における長年の緊張を解決する。一方で、脳全体の記録は、感覚野を含むあらゆる場所で神経活動を支配しているように見える運動と内部状態の低次元表現を明らかにしてきた。他方で、感覚皮質は世界についての高次元情報をコードすることが知られている。これらの事実は矛盾しているように見える。V1はどのようにして低次元と高次元を同時に兼ね備えることができるのだろうか？
答えは、異なるタスクに異なる部分空間を使うということである。低次元多様体は運動と統合された視覚-運動信号を運ぶ。休息中に積極的に抑制されるオフ多様体次元は、純粋な感覚コーディングのための高次元の保護された作業空間を提供する。脳は単一の表現モードに自らを平坦化しない。自身の内在的ダイナミクスの幾何学によって分離されたモードを互いに重ね合わせるのである。
この研究はまた、科学的ツールとしての睡眠の価値を示している。NREM中に記録することで、研究者は感覚入力や行動の交絡影響なしに脳の内在的ダイナミクスを分離することができた。睡眠が明らかにする多様体は、覚醒活動を組織化するのと同じ構造であるが、睡眠によって研究者はそれを初めて明確に見ることができるのである。
限界
この研究はマウスで行われたものであり、V1組織化の基本的原理は哺乳類全体で広く保存されているが、具体的な点は霊長類（ヒトを含む）では異なる可能性がある。記録はV1の深層を対象としており、表層が同じルールに従うかどうかは今後の課題である。オフ多様体コーディングは自然画像を用いて特定され、他の視覚特徴や認知的課題は異なる部分空間を動員する可能性がある。研究はまた部分的に相関的である。睡眠が多様体構造を明らかにする一方で、内在的ダイナミクスと感覚表現の組織化の間の因果関係は、摂動実験によって直接実証されていない。
結論
一次視覚野は、NREM睡眠中に見える低次元の内在的ダイナミクスを利用して、多様体上で運動と視覚を同時に統合し、オフ多様体で純粋な視覚コーディングを保護する機能的幾何学を彫り出す。このシステムはコーリストニューロンに依存しており、それらの多様体への強固な結合が逆説的に、スパースな刺激表現のための清潔で干渉のない部分空間を創り出している。睡眠中に垣間見える脳の隠れた幾何学は、経験の流れを混ぜ合わせたり分離したりする絶え間ない緊張を脳がどのように管理しているかを理解する鍵となるかもしれない。 雅子 訳
Source: de Oliveira, E.F., Kim, S., Qiu, T.S., et al. “Sleep reveals dynamics integrating and segregating movement and stimulus representations in V1.” Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-75347-4.