1932年の生理学・医学のノーベル賞 — シェリントンとエイドリアン
この記事で学ぶこと
この記事を読むと、2人のイギリスの生理学者が、数千もの反射が同時に起こっていても、私たちの体がどのようにして一体として動くことができるのか、そして個々のニューロンで信号を生成する基本的な単位が何であるかをどのように解明したのかを理解できます。
なぜ体は全体として動くのか？
膝を軽く叩くと、脚がピクッと跳ね上がります。熱いものに触れると、手はすぐに引っ込みます。何かが目に異物として入ると、まぶたが閉じます。これらの反射は、脳を経由せずに、自動的に脊髄で処理されます。
ここから、自然な疑問が生じます。私たちの体には、数百、あるいは数千ものこのような自動反射があります。それらがすべて同時に起こると、なぜ私たちの体が混乱状態に陥らないのでしょうか？ 膝の反射と、熱いものから手を引っ込める反射が同時に起こったとき、なぜ私たちはつまずいて転ばないのでしょうか？ 代わりに、私たちは協調された動きを示します。
この質問に対する答えは、20世紀初頭にシェリントンとエイドリアンによって明らかにされました。シェリントンは、これらの反射がどのように協調されるかを示し、エイドリアンは、この反射の基本的な単位、つまり個々のニューロンがどのように信号を生成するのかを実験的に解明しました。 この2つの発見の組み合わせが、現代の神経科学の基礎を築きました。
当時の時代精神 — 大恐慌の深みと政治的過激主義
1932年、世界は大恐慌の最悪期にありました。アメリカでは、**失業率が25％**に達しました。労働力人口の4分の1が失業していました。ニューヨークとシカゴのダウンタウンには、段ボールと波板鉄板で作られたスラム街 — 「フーバービル」 — が広範囲に現れ始めました。このニックネームは、フーバー大統領の名前から取られ、彼の無能さに対する嘲笑的な表現でした。
11月の大統領選挙では、フランクリン・D・ルーズベルトが圧倒的な支持を得て当選し、翌年、アメリカはニューディール政策へと移行しました。このニューディール政策は、最終的にアメリカの科学研究資金を大幅に増加させ、後にNIH（米国国立衛生研究所）となる機関の設立につながりました。
ドイツの状況はさらに不安定でした。その年の3月と4月には、ヒンデンブルクが2度の大統領選挙でヒトラーを破りましたが、ヒトラーの人気はすでに非常に高まっていました。7月の総選挙では、ナチ党がライヒシュターク（ドイツ議会）で最大政党となり、翌年の1月にヒトラーが首相となりました。この年は、ワイマール共和国が正常に機能していた最後の数ヶ月となりました。
シェリントンが研究していたオックスフォードと、エイドリアンが研究していたケンブリッジは、この激動のヨーロッパ大陸において、比較的安定した島のような存在でした。イギリスの学術界は、大恐慌の影響をそれほど受けず、この時期、ケンブリッジは世界有数の生理学の中心地の一つでした。
これを韓国の歴史と関連付けて見ると、1932年は日本の統治に対する韓国の独立運動が最も活発だった時期でした。1月にイ・ボンチャンが東京で裕仁天皇に爆弾を投げつけ、4月にユン・ボンギルが上海の虹口公園で爆弾事件を起こしました。ヨーロッパでは、「体の反射がどのように統合されるか」に関する研究がノーベル賞を受賞しましたが、韓国の独立運動家たちは、それぞれの立場で協調された抵抗の意志を示していました。これは、「個々の行動がどのように統合された意味を持つのか」が、異なる文脈で示された時代でした。
伝記 — オックスフォードの巨匠とケンブリッジの実験者
2人の受賞者は、異なる世代であり、異なる方法論を用いていました。
シェリントン — 統合理論の巨匠
チャールズ・シェリントンは、1857年にロンドンで生まれました。受賞時、彼は75歳で、すでに人生の半分を反射の研究に費やしていました。ケンブリッジと他のいくつかの大学で学び、その後、オックスフォード大学の生理学部に定着し、そこで30年以上にわたって研究を行いました。
彼の方法論は、行動観察と包括的な分析でした。彼は、脊髄を切断された動物でも反射を示すこと、そして、反射の論理的構造を綿密に分析しました。 どのような刺激がどのような反射を引き起こすのか？ 2つの反射が同時に起こった場合、どちらが優先されるのか？ どのような反射が他の反射を抑制するのか？
彼の最も重要な著作は、1906年の『神経系の統合的機能』です。この本は、20世紀の神経科学の基礎を築いたものの一つと見なされています。それは、個々の反射がどのように協調され、単一の生物の運動となるのかを初めて体系的に記述したものでした。
シェリントンが作った用語は、現代の神経科学の語彙の根幹をなしています。シナプス、反射弓、固有受容、相互抑制です。これらの言葉がなければ、現代の神経科学の講義は不可能でしょう。
エイドリアン — 測定の限界に挑戦
エドガー・エイドリアンは、1889年にロンドンで生まれました。彼はシェリントンより32歳若く、異なる世代に属していました。彼はケンブリッジで訓練を受け、そこで研究を続けました。彼の方法論は、シェリントンのものとは正反対でした。極めて正確な定量的な測定によって、微小な電気信号を測定することです。
エイドリアンが主要な観察を行うことを可能にしたのは、毛細管電気計と、その発展形である陰極線示振器という道具でした。これらの装置により、個々の神経線維や筋肉線維によって生成される極めて小さな電気活動をリアルタイムで視覚化することが可能になりました。
彼は、1920年代半ばに初めて個々の神経線維の電気活動を明確に記録しました。この実験で、驚くべき事実が明らかになりました。活動電位は、「全か無かの法則」に従うというのです。刺激が弱い場合、発火は全く起こらず、刺激が強くても、発火の大きさは増加しません。代わりに、強い刺激は、発火頻度（1秒あたりの回数）のみを増加させます。
この発見は非常に重要でした。神経系は、信号の大きさによって情報を伝達するのではなく、信号の頻度によって情報を伝達します。今日私たちが知っているニューロンの発火の基本的な原理は、この実験で確立されました。
主要な業績 — イベントバスのレンズを通して見た反射の統合
反射弓 = 最小の回路
シェリントンによって確立された反射弓は、以下のような回路です。
- 感覚ニューロンが刺激（例えば、膝の腱の伸張）を受け取ります。
- この信号は、脊髄のシナプスに伝達されます。
- 運動ニューロンが活性化されます。
- 筋肉が収縮します（脚がピクッと跳ね上がります）。
この回路は、脳を経由しないため、非常に高速です。50〜200ミリ秒で完了します。問題は、体には数千ものこのような回路が並行して機能していることです。
ここで、CS（コンピュータサイエンス）のアナロジーが自然に適用できます。これは、イベントバスと優先順位スケジューラの組み合わせに似ています。
ウェブブラウザを考えてみましょう。クリックイベント、スクロールイベント、キーボードイベント、マウス移動イベント — 1秒間に数十、あるいは数百ものイベントが発生します。これらのイベントが単純に並行して処理されると、画面はすぐに壊れてしまうでしょう。しかし、ブラウザが壊れないのは、イベントバスが優先順位と排除ルールを管理しているからです。あるイベントは他のイベントをキャンセルし、あるイベントは、他のイベントと重なると無視されます。
シェリントンが明らかにしたのは、まさにこれです。脊髄のシナプス層は、単なる信号伝達器ではなく、相互抑制を含むコーディネーターです。右腕の屈筋反射が活性化されると、反対側の伸筋反射が自動的に抑制されます。そうでなければ、2つの筋肉が互いに引っ張り合い、運動は起こりません。
エイドリアンの発見は、このコーディネーターが実際にどのように機能するかという実験データを提供しました。個々のニューロンは、「発火頻度」チャネルで情報を伝達します。 強い刺激は1秒間に100回発火し、弱い刺激は1秒間に10回発火します。この頻度パターンが、イベントバス上の優先順位信号として機能します。
ただし、このアナロジーには限界があります。イベントバスは、私たちが明示的に設計するデータ構造です。しかし、神経系の協調ルールは、進化によって作り上げられたものであり、特定の反射が特定の反射を抑制するように設計されている理由が、しばしば未解決の疑問です。さらに、脳のより上位のレベルは、意識的に脊髄の反射を上書きすることもできます。 例えば、熱いものに触れたときに手をすぐに引っ込める反射を、意識的に抑制することができます（例えば、調理中に鍋を落とさないようにするため）。この多層的な上書き構造は、純粋なイベントバスよりもはるかに複雑です。
全か無かの法則：予期せぬデジタル信号の存在
エイドリアンの発見の最も驚くべき点の1つは、神経信号は本質的にデジタルであるということです。これは、当時の人々の直感とは異なっていました。想定されていたのは、自然はアナログであるということでした。しかし、ニューロンの活動電位は、yes/no、発火/無発火という2進信号でした。
この発見は、30年後のコンピュータの時代に、予期せぬ影響を与えました。ノバート・ウィーナー、マカロック、ピッツなどの研究者は、このニューロンの2進特性を利用して、人工ニューラルネットワークの理論的基礎を築きました。 今日の深層学習のルーツは、このエイドリアンの観察の一部にあります。
なぜ重要なのか？
シェリントンとエイドリアンに授与されたノーベル賞は、今日でも次の3つのレベルで有効です。
神経科学のレベル： 20世紀のすべての神経科学は、2人が作り出した語彙と方法論に基づいて構築されました。シナプス、反射弓、活動電位、発火頻度 — これらの概念がなければ、現代の脳研究は不可能でしょう。
医学のレベル： **パーキンソン病、多発性硬化症、筋萎縮性側索硬化症（ALS）**などの神経疾患の診断と治療は、シェリントン-エイドリアンの枠組みに基づいています。各疾患は、この反射/電気信号システムの特定のレベルで発生する欠陥として理解されています。
人工知能のレベル： 深層学習におけるニューロンモデルは、エイドリアンの発火頻度の概念を幾何学的に拡張したものです。活性化関数、シグモイド関数、ReLU — これらは、「発火/無発火」という原理を数学的に定式化したものです。
彼らは私たちに、次のような教訓を残しました。「複雑なシステムの統合された行動を理解するためには、まず個々の構成要素の原理を実験的に決定し、次にそれらを論理的に相互作用の規則に統合しなければならない」 シェリントンは、統合から原理へと進み、エイドリアンは、原理から統合へと進みました。この2つの方向性が交差した点が、神経科学への入り口でした。
あなたがこれらの文章を読んでいる間、あなたの脳の中の数十億ものニューロンが、1秒間に数十回、あるいは数百回発火して、これらの文章を処理しています。これらの個々の発火の原理は、90年前にケンブリッジの示振器で明らかにされました。
神経系の統合の原理のまとめ： シェリントンは、反射弓の論理構造と相互抑制のルールを確立し、エイドリアンは、個々のニューロンが「発火/無発火」の頻度で情報を伝達することを実験的に明らかにしました。この2つの発見の組み合わせにより、神経系がどのようにして多数の個々のイベントを統合された行動に協調させるかを理解することが可能になりました。
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