How do we safely study living brains? - John Borghi and Elizabeth Waters

翻訳: Kohgaku Eguchi 校正: Tomoyuki Suzuki

As far as we know,

私たちの知る限り

there’s only one thing in our solar system sophisticated enough to study itself:

太陽系で それ自身を研究するほどに 精巧にできているものはただ一つ

the human brain.

人間の脳です

But this self-investigation is incredibly challenging;

しかし この自己研究には 大変な困難が待ち構えています

a living brain is shielded by a thick skull,

生きた脳は厚い頭がい骨で守られて

swaddled in layers of protective tissue,

何層もの保護組織で包まれており

and made up of billions of tiny, connected cells.

しかも膨大な数のちっぽけな細胞が 連絡を取り合っています

That’s why it’s so difficult to isolate, observe, and understand diseases

そのため アルツハイマー病などの病気を 特定し 観察し 理解することは

like Alzheimer’s.

とても難しいのです

So how do we study living brains without harming their owners?

ではどうすれば その人を傷つけずに 生きた脳を調べることができるでしょうか

We can use a trio of techniques called EEG,

それには３つの技術を使うことができます EEG（脳波検査）

fMRI,

fMRI（機能的核磁気共鳴画像法）

and PET.

そしてPET（陽電子放出断層撮影）です

Each measures something different and has its own strengths and weaknesses,

それぞれ違うものを測定し 各々に長所と短所があります

and we’ll look at each in turn.

順番に見ていきましょう

First is EEG, or electroencephalography,

はじめにEEGについてです

which measures electrical activity in your brain.

EEGは脳の電気活動を測定します

As brain cells communicate, they produce waves of electricity.

脳細胞はお互いがコミュニケートする時 電気の波を作り出します

Electrodes placed on the skull pick up these waves,

その電気の波を 頭蓋骨の表面に 取り付けた電極で検出し

and differences in the signals detected between electrodes

複数の電極間で測定された信号の違いから

provide information about what’s happening.

脳で何が起きているのか分かります

This technique was invented almost 100 years ago,

この技術は約100年前に開発され

and it’s still used to diagnose conditions like epilepsy and sleep disorders.

今でもてんかんや睡眠障害などの診断に 使われています

It’s also used to investigate what areas of the brain are active

また学習中や注意を払っている時に 脳のどの部位が

during learning or paying attention.

活動しているかを調べることもできます

EEG is non-invasive,

EEGは非侵襲で

relatively inexpensive,

比較的安価で

and fast:

素早く検査できます

it can measure changes that occur in just milliseconds.

数ミリ秒で起こる変化も測定可能です

Unfortunately, it’s hard to determine

残念ながらEEGでは 特定の活動パターンが

exactly where any particular pattern originates.

どこで発生しているのかを 正確に調べることは困難です

Electrical signals are generated constantly all over the brain

電気信号は脳全体で絶えず発生しており

and they interact with each other to produce complex patterns.

それらがお互いに作用しあって 複雑なパターンを作ります

Using more electrodes or sophisticated data-processing algorithms can help.

より多くの電極や高度な解析アルゴリズムを 使うことで改善は可能ですが

But in the end, while EEG can tell you precisely when certain activity occurs,

やはりEEGでは いつ活動が起こったかを 正確に知ることはできても

it can’t tell you precisely where.

どこで起きたかを 正確に知ることはできません

To do that, you’d need another technique,

そのためには 別の技術が必要です

such as functional magnetic resonance imaging, or fMRI.

例えば fMRIです

fMRI measures how quickly oxygen is consumed by brain cells.

fMRIは脳細胞がどれだけ早く 酸素を消費したのかを調べます

Active areas of the brain use oxygen more quickly.

脳の活動部位は 酸素をより早く消費します

So watching an fMRI scan while a person completes cognitive or behavioral tasks

fMRIで認知的作業や行動的作業の 遂行の様子を観察することで

can provide information about which regions of the brain might be involved.

脳のどの部位が活動しているのかを 知ることができます

That allows us to study everything from how we see faces

どうやって顔を見るか どうやって感覚を理解するのか

to how we understand what we’re feeling.

fMRIを使えば すべてを調べることが可能です

fMRI can pinpoint differences in brain activity to within a few millimeters,

fMRIは脳内の数ミリメートルの範囲での 活動の違いを検出できますが

but it’s thousands of times slower than EEG.

EEGと比べて数千倍時間がかかります

Using the two techniques together

２つの技術を組み合わせれば

can help show when, and where, neural activity is occurring.

神経活動がいつどこで起きているのかを 調べることができます

The third, even more precise, technique is called positron emission tomography

３番目のさらに正確な技術は PETです

and it measures radioactive elements introduced into the brain.

これは脳に導入された放射性物質を 測定します

That sounds much scarier than it actually is;

恐ろしく聞こえるかもしれませんが

PET scans, like fMRI and EEG, are completely safe.

PETはfMRIやEEGと同じように まったく安全な技術です

During a PET scan, a small amount of radioactive material called a tracer

PETスキャン中 トレーサーと呼ばれる 放射性物質を

is injected into the bloodstream,

ごく少量 血流中に注射し

and doctors monitor its circulation through the brain.

トレーサーが脳の中を循環する様子を 医師が観察します

By modifying the tracer to bind to specific molecules,

研究者はトレーサーを 特定の分子に結びつくよう調製して

researchers can use PET to study the complex chemistry in our brains.

脳内の複雑な化学反応を PETで調べられます

It’s useful for studying how drugs affect the brain

この方法は 薬が脳におよぼす 影響の研究や

and detecting diseases like Alzheimer’s.

アルツハイマー病などの 発見に役立ちます

But this technique has the lowest time resolution of all

しかしPETの時間解像度は ３つの中でもっとも低いです

because it takes minutes for the tracer to circulate and changes to show up.

トレーサーが循環して 観察できるまでに 時間がかかるためです

These techniques collectively help doctors and scientists

これらの技術を併用することで 医者や研究者は

connect what happens in the brain with our behavior.

行動と脳の活動を 結びつけることができます

But they’re also limited by how much we still don't know.

しかしこれらの技術も まだ未知の部分があるため限界があります

For example, let's say researchers are interested in studying how memory works.

例えば研究者が記憶のしくみについて 調べたいとします

After asking 50 participants to memorize a series of images while in MRI scanners,

50人の被験者にMRIスキャナーの中で 一連の画像を記憶してもらい

the researchers might analyze the results

その結果を解析します

and discover a number of active brain regions.

研究者は脳の活動部位を 複数発見するでしょう

Making a link between memory and specific parts of the brain

記憶と脳の特定部位を結びつける作業は

is an important step forward.

研究を先に進めるのに重要です

But future research would be necessary

しかし より詳しい理解 ―

to better understand what’s happening in each region,

各領域で何が起きているのか

how they work together,

それらがどう協働しているのか

and whether the activity is because of their involvement in memory

活動が記憶に関与しているのか あるいは同時に起きている

or another process occurring simultaneously.

他の過程に関与しているのかを知るために さらなる研究が必要です

More advanced imaging and analysis technology

いつか より進歩した画像撮影法や 解析技術によって

might one day provide more accurate results

より確かな結果が得られ

and even distinguish

ついには

the activity of individual neurons.

個々のニューロンの活動も 区別できるかもしれません

Until then, our brains will keep measuring, analyzing, and innovating

それまでは 我々の脳は測定し 解析し 新技術を開発し続けるでしょう

in pursuit of that quest to understand

私たちが今までに出会った中で

one of the most remarkable things we’ve ever encountered.

もっとも驚くべきもののひとつ 脳自身を理解し探求するために