Japanese Translation:

科学者は、ステアリングや停止といった複雑な振る舞いが生体における「トップダウン」プログラミングではなく、単純な神経回路（「ボトムアップ」）から発現することを実証した。研究では、「スパーク」という微小な仮想生物をモデルとして用い、特定のコネクティングが高度な動作を生み出すメカニズムを単離化した。当初は目とフリンジャーのみであり、光に対する反応としてスジグロし方向性にナビゲーションすることはできなかったが、第二の対を追加すると標準的な回路構成がそれを光から「遠ざける」ようにステアリングさせる。神経接続を交差させ（反対側を接続）、スパークは光源へ「近づく」ようにステアリングするようになる。これらの接続を抑制性接続に変更すると、コメットのようにオーバーシュートするのではなく、緩やかに減速・停止できるようになる。自然ノイズを追加することで有機的な動きを模倣し、接続強度を変化させることで異なる好みを備えたスパークを生み出すことができる：強い光好き（黄色）のあるものと距離を保つもの（赤）などであり、生物学が「好き嫌い」をどのようにエンコードするかを実効的に解読した。真の脳は常にその 1000 億個のニューロンに適応しながら学習するのに対し、このモデルでは即時の振る舞い結果がハードウェア構成のみによって生成されることを示すために、「凍結された」回路を使用している。

4 つのニューロンで複雑な行動を創り出す：「スパーク」という微小生物の世界

世界は驚くべき振る舞いでおおわれています。カバがダムを建設したり、鳥が歌ったり、クモが網を張ったりすることと同じように、あなたがこの記事を読み進めていることさえも、脳内のニューロンの発火によって指揮されています。

過去 50 年間、神経科学者はこの謎のいくつかのピースを解明してきました。本記事では、「スパーク」と呼ばれる微小な生物を構築し、極めてシンプルな脳を与えます。ご覧いただくのは、たとえそのような小さな脳であっても、豊かで予期せぬ行動を生み出すことができるということ证明です。

光を食べる者たち

仮にこのスパークは光を餌とするものとしましょう。その生命の目的は「光へと到達すること」です。

光を渇望するスパークには、世界を感知する手段が必要です。
- 単一の感覚ニューロン：明るさを検知し、それを電気パルスに変換します。
移動する手段も必要です。
- もう一つのニューロン：小柄な肢（フリップper）をうねらせるようにさせます。

最初の感覚ニューロンを第二の運動ニューロンに接続することで、最初の神経回路が組み上がります。

結果：スパークは光の量に比例してそのフリップper をうねらせます。しかし、これは失敗します。経路はこのようになります：

わずかな経路しか光を通過していません。

スパークは加速できますが、舵を切ることはできません。片方の目と片方の肢しかないため、単一の方向のみへしか動きません。

目を追加する

我々はスパークに向きを変らせたいです。どうすればよいでしょうか？もう一つの目とフリップper を与えることから始めます。

二つの目を持つと：
- スパークは、光が自らの左側にあるか右側にあるかを感知できるようになります。
結果：
- うーん……これはうまくいきませんでした！
- 光の方へ舵を切るはずだったのに、代わりにそれを避けました（左側の目が明るければ左の肢が速く動くため、逆に右に曲がってしまう）。

接続を交差させる

この問題を解決する賢い方法は、その接続を交差させることです。

左側の目 → 右側のフリップper に接続
右側の目 → 左側のフリップper に接続

結果：ついに光の方へと舵を切るようになりました。しかし新たな問題が発生しました。 - スパークは光に到達することはできますが、近づくときには減速しません。 - 太陽に向かってダイブする彗星のように、光へと急進してしまいます（まるで光を「攻撃」しているかのように見えます）。

抑制を受け入れるようになる

なぜ彼らは光を「攻撃」するのか？問題は接続の種類にあります。

元々の仕組み：
- 目とフリップper は「興奮性（excitatory）」な接続で結ばれていました。
- 入力が増加すると出力も増加するため、光が明るくなるほど動きが速くなりすぎてオーバーシュートしてしまいます。
解決策：
- 興奮性接続を抑制性（inhibitory）な接続と交換します。
- 原理：入力が増加すると出力が減少するタイプです。

結果： - 元の興奮性接続ではオーバーシュートしましたが、抑制性接続を持つ場合、それは減速し、穏やかに停止します。

光を発見する

今度は、元の二つの目を持つスパークに戻りますが、今回は目とフリップper の間に抑制性接続を持たせます。

動作原理：
- より光に近い側のフリップper はゆっくり動き、反対側のフリップper は速く動き、これによりスパークは光の方へと曲がります。
結果：
- ついに光の方へ舵を切り、そこで停止できるようになりました。
- 彼らの動きはまるで光に対して磁気的に引き寄せられているかのように見えます。
- 魔法ではありません。神経回路の構成をわずかに変更するだけで、四つ非常に異なる振る舞いが実現されます：
  1. 加速のみ
  2. 回避（舵きりなし）
  3. 急接近（攻撃的）
  4. 穏やかな接近（愛的）

考察：

この一見する知的振る舞いは、下から上へと、たった四個のニューロンと二つの接続のみによって発現します。

もしあなたが野生でこのような振る舞いをする生物を見たとしたら、それらにもある程度の原始的な知能を想定するかもしれません。

脳の規模の驚異：4 個のニューロンだけでこれができる脳なら、想像しなさい。あなた自身のほぼ 1000 億個のニューロンを持つ脳は何が可能になるでしょう。

変異を追加する

我々はこれをさらに一歩進めることができます。これまでのシミュレーションではすべてのスパークが同一の脳を持っていましたが、生物学には多様性があります。

接続の強さを変動させれば：各スパークは光に対して異なる反応を示します。
- 黄色がかったスパーク：光をより愛しています（強い引き寄せ）。
- 赤みがかったスパーク：警戒した距離を保ちます（弱い反応）。

恒温器の例え：彼らの脳の配線も現在、光に対する好みを決定しています。もしこれを非常に強く睨み込んでみると、我々の脳がどのようにして好みをエンコードしているかの基礎が見えるかもしれません（例えば、辛い食物への愛着や、においの強いチーズへの嫌悪など）。

今後の展望：

生物学はこれら簡素化されたスパークよりもはるかに複雑です。また、現実には脳は学習することができます（配線を変化させることで歩くことやピアノを弾くことを学ぶなど）。

次回の記事では：この学習プロセスが実際にどのように行われるかを観察し、これらのスパークが光を見つけるためにどのようにして脳の配線を変更するのかを見てみましょう。

単純な回路が複雑な振る舞いを創出できる