家庭教師ファースト教育コラム理科・科学の雑学
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皆さんは、人間の体がどれくらい解明されているか知っていますか？これほど現代科学や医療が発達した世の中ではほとんど人体については知られていると考えてもおかしくないでしょう。しかし、実際のところそのほとんどが解明されていません。
特に、人間の最も重要な器官である「脳」については長きにわたってほとんど解明されていません。今回はそんな未知の領域であり、また神秘的でもある脳の不思議についてご紹介します。
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この記事の目次
さて、人間の脳の不思議についてご紹介する前に、まずは今わかっている人間の脳の仕組みについてご紹介します。脳の部位からの説明になってしまい、もしかすると難しく感じるかもしれませんが、この後の脳がいかに不思議なのかをより理解するのに大切なことなのでご容赦ください。
人間の脳は脳脊髄液とともに頭蓋骨の中に入っており、大きく分けて、大脳、小脳、脳幹から構成されています。また、脳の重さは成人で体重の約2％で1.5kg前後ほどです。人の体はどれも特有の細胞からできていますが、脳は主に「神経細胞」と「グリア細胞」の2つからできています。ほとんどの場合、人間の体は細胞分裂を繰り返して増殖します。神経砂防の場合は生まれた瞬間の数が最も多くその後3歳くらいから急激に減少していきます。神経細胞の数は減少していきますが、生成された神経細胞同士の繋がりは年齢とともに増えていきます。
ここで、「神経細胞」と「グリア細胞」について説明します。
まずは「神経細胞」です。神経細胞は別名「ニューロン」と呼ばれています。もしかすると、この別名であるニューロンという名前の方が聞いたことのある人が多いかもしれません。また、これに関連して「シナプス」という名前を聞いたことがある人も多いかと思います。これは神経細胞(ニューロン)同士を繋げる軸索という神経細胞から伸びている腕のようなもの同士の隙間のことです。決して、シナプスという物質があるわけではないのです。あくまで、軸索(腕)同士の隙間の名称です。脳が体の各組織に指示を出すときは電気信号を、神経細胞を通じて出していてシナプスをその時に介しています。
次に「グリア細胞」についてご紹介します。こちらのグリア細胞はあまり聞いたことがある人はいないのではないでしょうか？「グリア細胞」は脳を構成する細胞のうち、「ニューロン」以外を「グリア細胞」と呼びます。この「グリア細胞」には主に「アストロサイト」、「オリゴデンドロサイト」、「ミクログリア」という細胞がありそれぞれ特有の役割を持っています。それぞれについて、簡単にご紹介します。
「アストロサイト」はグリア細胞の中で最も多い細胞であり血管の壁から吸収した栄養分を神経細胞(ニューロン)に供給する役割や細胞の外の過剰なイオンを除去してニューロンの保護に努めています。
「オリゴデンドロサイト」はニューロンの腕である軸索を覆い、「ミエリン鞘」というものをつくる役割を持っています。ミエリン鞘は膜状で電気を通しにくい性質を持っており、このミエリン鞘が軸索を覆うことで脳の電気信号がより早く各組織に送られることになり、情報伝達速度が向上します。
「ミクログリア」はニューロンを検診し、ニューロンが損傷しているときには修復を行う役割を持っています。まとめると、「アストロサイト」はニューロンが損傷しないように守り、「オリゴデンドロサイト」はニューロンによる情報伝達速度を向上させ、「ミクログリア」は傷ついたニューロンを修復するという3つとも特有の役割を担っていることが分かったかと思います。
大脳は脳全体を覆うように存在しており、脳の部位の中で最も大きいものになります。総脳量の85％を占め、思考や感情など人間らしい部分を司っています。大脳は大脳皮質とその内部にある髄質で構成されています。
小脳は大脳に次いで大きい部分で、総脳量の10％を占めます。身体全体の平衡を保持し知覚と運動機能を司っている。小脳は大脳に囲まれるようにして脳の後部に入り込んでおり、ニューロンの数は1000億ほどです。大脳皮質の140億と比べると、7倍ほど多く小脳の溝は2～3mmで規則的に入っているため、表面積では小脳は大脳の75％となっています。
大脳皮質と小脳の間には、極めて密な連絡があり、小脳は身体の精密な動きに必要不可欠な役割を果たしています。身体の動きに対する指令は前頭葉後部から出されますが、その指令に従い個々の筋肉の動きの調整や順序、タイミングを調整するのは小脳です。また、こうした身体の動きの調整を記憶しているのも小脳です。動作の慣れやスポーツ、楽器使い方などを覚えていられるのはこの小脳の記憶機能のおかげです。
脳幹は中脳、橋(きょう)、延髄で構成されています。脳の中央下部に位置しており、生命の維持に関わる機能を司っています。脳幹は人間の生命活動についてとても重要で、ここを損傷すると即死してしまいます。プロのスナイパーはこの脳幹をよく狙って打ちます。
先ほどまでに脳の大まかな部位を知ってもらいましたが、ここからは、脳の不思議な能力・機能・未だ分かっていない様々なことをご紹介したいと思います。
脳の機能のメインとしてはやはり記憶能力や学習能力などの知能関係だと思いますが、「頭の良し悪し」はどこで決まっているのでしょうか？これは、勉強ができるということではなく、生物本来の能力の比較なので、IQの比較に近いと言えるでしょう。つまり、人間や動物の知能の差が何によって生じているか、を考えていきます。
少し前までは、動物の知能はその動物が持つ脳の大きさに比例すると考えられてきました。しかし、かの天才アインシュタインの脳は、平均よりやや小さかったと言われています。また、成人男性の脳の重さは約1350g、成人女性の脳の重さは約1200gと差があるにも関わらず、その双方の処理能力に目立った差はありません。つまり、脳の大きさ、重さでは頭の良し悪しを比較することができないとされました。
そこで、研究者たちは脳のシワの数に注目しました。彼らは脳のシワが多いほうが、知能レベルが高いのではないかと考えました。この仮定も全く根拠がないものではなく、ダチョウなどのあまり知能が高くないと感じられる生物の脳はシワが少なくツルツルで、イルカやシャチなどの知能が高いと感じられる生物の脳はシワが多かった、という事実に基づいたものでした。
では、これで頭の良し悪しの謎が晴れて解明されたかというと、そうではありません。実はシワの数だけならば、人間よりもイルカのほうが多いのです。先ほどの仮説通りに話を進めると、人間よりもイルカの方が賢いということになります。また、そもそも脳のシワというものは大脳皮質を脳内に効率よく収めるために存在するもので、折り畳みで生じた折り線でしかありません。
しかしながら、音楽家や画家などにおいて「天才」と呼ばれる人達の脳のシワは、普通の人たちには見られないパターンがあるため、人間の脳の能力とシワとの間に全く関係を見いだせないかというとそうでもないのです。ただ、シワの数が頭の良し悪しに直結しているか、と言えばそれは断言できないというだけです。
現在では、賢さに影響している因子として有力視されているのは、大脳皮質に存在するニューロンの数の多さとそのつながり方です。脳内ではニューロンとグリア細胞がつながりあって、脳内に巨大ネットワークを形成しています。そして、頭の良し悪しはそのニューロンが関係し、脳の処理速度が決めていると考えられています。ニューロンのつながり方や数は先述したように3歳までに決まってしまうため、3歳までに多くの刺激を脳に与えることが重要であると考えられています。
しかし、この仮定に基づくと賢さは後天的であり先天的な要因がないように感じられますが、実際は先天的な要因によるものである事例も存在するので、明確な答えは出ていないのが現実です。
大きな事件や事故に巻き込まれると、人間はその恐怖体験を脳に焼き付け忘れられなくなることがあります。これがいわゆる「トラウマ」と呼ばれるものです。これは、人間が今後そのような危険な体験を避けるために存在する機能です。
しかし、その体験があまりにも鮮明に脳に焼き付いてしまうと、日常生活に支障が出てきてしまいます。そこで、人間の脳には恐怖体験の記憶を呼び起こすのに対してブレーキをかける物質が存在するのではないか、と研究者たちは考えました。そして、近年群馬大学の研究チームによってその物質が発見されました。群馬大学研究チームはこれをPTSDの治療に応用しようと考えました。その物質は「ICER」と呼ばれるものです。
群馬大学では、マウスを使って次のような実験を行われました。まず、遺伝子操作でICERを作らないマウスと過剰に作るマウスを誕生させ、双方に電気ショックを与えて同時にブザーを鳴らしました。すると、ICERを作れないマウスは通常の2倍ほど身をすくめていましたが、ICERを倍作れるマウスは恐怖を感じる時間が半分程度になっていました。この実験から、ICERには恐怖心を抑制する作用があると考えられました。
また2009年には、「恐怖記憶を長い時間思い出すと、逆に思い浮かべた記憶が消滅する」という研究結果が東京農業大学により発表されました。実験内容の概要としては、マウスをケージに入れて電気ショックを与えると、次にケージに入れたときも電気ショックのことを思い出して、恐怖により身をすくませていたのですが、30分ほど経つと何事もなかったように動き出しました。この際、マウスの脳内を調べてみると遺伝子が活性化して「Arc」というタンパク質が生成されていることが分かりました。このタンパク質は、恐怖の記憶を消去する役割があると考えられました。今までは、CREBというタンパク質が恐怖記憶を形成し脳内に固定するということは知られていましたが、このCREBを除去する存在は発見されていませんでした。この物質がより解明されていけば、PTSDを抱えた患者さんの治療に役立つだろうと考えられています。
人間の大脳は右脳と左脳に分かれており、その間は橋のような形で繋がっています。そして、基本的に右脳は左半身を左脳は右半身を司ると言われています。この原因は脳から伸びている神経の束が延髄で交差しているためであり、右脳に損傷を受けると左半身が麻痺し、左脳が損傷を受けると右半身が麻痺するという実例もあります。
またその他にも、脳には言語活動を司る言語野が存在し、この部分が損傷すると言語能力に関する障害が生じます。言語野は基本的に利き手と反対側の脳に存在していることが多いです。例えば、右利きの人であれば、左脳によって言語能力を制御しているということになります。俗にいう、「左脳派」・「右脳派」というのはこの言語野が左脳にある人が多いということのみが根拠となっているため、あまり科学的根拠はありません。
これは多くの方が驚かれるかもしれませんが、実は人間の脳が集中する時間は8秒、金魚は9秒と金魚の方が集中する時間が長いということが科学的実験によって証明されています。
ただし、これは人間の脳が金魚に劣っているというわけではありません。金魚は集中する時間こそ長いかもしれませんが、人間には多数のことを同時に処理するという大変優れた機能を持っているからです。
皆さんは、学校などで多くの文章や文字を書いてきたと思います。その中で、１度も「誤字脱字」を経験せずにここまで生きてこられた人は相当少ないかと思います。実際、誤字脱字を指摘されると自分の注意力不足を理由にしがちですが、実はそれは人間の脳の便利機能が障害となっているからかもしれません。まずは、普段の文章を読む速度で次の文章を簡単に読みしてみてください。
「この ぶんょしう は いりぎす の ケブンッリジ だがいく の けゅきんう の けっか にんんげ は もじ を にしんき する とき その さしいょ と さいご の もさじえ あいてっれば じばんゅん は めくちちゃゃ でも ちんゃと よめる という けゅきんう に もづいとて わざと もじの じんばゅん を いかれえて あまりす。」
どうでしたでしょうか？ちゃんと読めましたでしょうか？実際、スラスラと読むことができた人が多いかと思いますが、上の文章はよくよく見ると単語の中身がめちゃくちゃになっています。それでも問題なく読むことができたのは、「人間は文字の最初の文字と最後の文字さえ合っていれば問題なく読むことができる」という機能を持っているからです。このような脳の機能が自動的に機能するため、誤字脱字が発生しそれに気づくことも難しいということです。
皆さんは「サヴァン症候群」という病気を知っているでしょうか？
これは、自閉症などの症状がある人にごくまれに見られるものです。内容としては様々ですが、一度見たものを決して忘れない写真記憶や、ありえないぐらいの計算能力や思考力があり、小学生のうちに大学の問題を解けてしまったり、多数の数字を同時に計算したり、年月日を指定すると即座にその日の曜日を当ててみたりと超人的な能力をもたらすものです。これは、脳に損傷を受けることによって後天的に発生することもあれば、先天的に脳梁が無いということでも引き起こされます。
サヴァン症候群には、「有能サヴァン」と「驚異的サヴァン」の2種類が存在します。「有能サヴァン」は知的障害があり、音楽や美術その他の分野で本人の知的能力に比べると突出した能力があることを意味しています。一方「驚異的サヴァン」は知的能力にかかわらず、目を見張るような極めて特別な能力があることを意味しています。つまり、有能サヴァンは本人の知的能力と比較したうえで優秀とされるレベルであるのに対して、驚異的サヴァンは文字通り驚異的な能力であることが特徴で、世界でも100人に満たない数しかいないとされています。サヴァン症候群の様々な能力は「記憶」・「音楽」・「美術」・「数学」・「驚異的な知覚」に分類されます。
先ほど紹介した写真記憶や何冊もの本の内容を一読しただけで覚えられる能力、記憶した記述を暗唱したり逆から読み上げたりすることもできるのが「記憶」のサヴァン症候群です。
また「音楽」のサヴァン症候群では、音楽教育を一度も受けたことがないのに、一度聞いただけでその曲をそのまま弾くことができたり何千曲もの曲を暗記したりすることもできます。これに加えて即興演奏や作曲もできたりします。
「美術」のサヴァン症候群は一度見ただけの写真を寸分の狂いもなく描くことができます。また、動いている動物を見て筋肉の動きをデッサンすることもできます。
「数学」のサヴァン症候群は先ほどのカレンダー計算や多数桁の暗算が含まれており、人間の計算スピードをはるかに上回る能力です。
「知覚」のサヴァン症候群は別名「共感覚」ともいわれる能力で、数字や文字に特別な色や形が伴って見えるというものです。
さて、ここまで読んだ方の多くはサヴァン症候群がうらやましく思えてしまうかもしれませんが、サヴァン症候群はれっきとした障害の一つです。そのため、先ほどのような分野に特化して能力が発達しているため、そのほかの能力が平均よりも下回ります。コミュニケーション能力や柔軟性、即応性が主に低下している事例が多いです。
例えば、映画「レインマン」のモデルとなったキム・ピーク氏も、障害で9000冊以上の本の内容を暗記したり、アメリカの地図を暗記して案内をしたりと驚くべき能力がありましたが、日常生活では重度の知的障害のために自分のシャツのボタンも留められないほどでした。また、日本の学校教育では障害へのサポートが先に立ち持っている能力を伸ばす機会がなかなかないため、就職などには有利に働きにくいことが挙げられます。このような事実があることを知ってしまうと、サヴァン症候群は決してうらやましいものとは言えないのではないでしょうか。
私たちに自由意志が存在すると思いますか？
確かに、自分の行動は自分が選択して決めていると思いますよね。しかし、これまで行われてきた数々の研究では人間には「自由意志」などは存在せず、脳が決定を下したのちにそれが「自分の意志」として意識にのぼるというものでした。
平均的に私たちが「動作」を始める約0.2秒前には「意識的な決定」を表すシグナルが現れます。しかし、脳内では「意識的な決定」を示す電気信号の約0.35秒前には、それを促す無意識的な「準備電位」が現れています。つまり、私たちが「こうしよう」と意識的な決定をする約0.35秒前には、すでに脳により決断が下されていることになっています。この結果から「自由意志」は幻想であるという結論が出されました。
しかし、本当に私たちの感覚が与える「自由な選択」とは、無意識下で形成された脳の化学プロセスに過ぎないのでしょうか？実は、リベットの実験において「準備電位」と「意識的決定」のわずかな間に、動作を「拒否」する選択をすることができたという結果が分かっています。その内容とは、ボタンを用いた実験でボタンを押す約0.2秒前までならば、動作を中断、または拒否することは可能であるという結果が得られたものでした。しかし、0.2秒を下回るとボタンを押す動作を止められなかった、というのです。つまりこの実験から、「生体的な脳の決断後には私たちの自由意志が入り込む隙がある」ということです。以上のことから、私たちが「自分で決めたと思い込んでいる選択は、実は過去の事例を参考にした脳の決定を自分の意志だと思い込んでいるが、行動を起こす0.2秒前までならその決定を拒否できる」という理解しがたい結果が得られました。
どうでしたでしょうか？ここでご紹介できた脳の不思議はほんの一部でしかないので、もっと詳しく知りたいと思った方は是非調べてみてください。脳は宇宙や深海よりももっと身近に存在するものであるので、意外と他の人体の事のようにとっくに解明されていると思われていた方々も多いかもしれませんね。
しかし、脳のことは人間の体の中で最も解明されていない分野のため、今後にもっと解明されて思いもよらない事実が発見されることが十分あり得ます。また、自分たちの体のことをよく知らないままその生涯を終える人が多いのが、とても惜しい感じがする人も少なくないのでしょうか？自由意志の事実など、自分たちが「当然」と思い込んでいることが、実は自分が思いもよらないことが原因であったなど、調べてみると意外な事実が判明することが「脳」の面白いところだと思います。今後、医療関係や人体の研究に携わる方々には。ぜひとも多くが解明されていない今のうちから調べてみることをおすすめします。
また、人間の脳は100％使用することは生涯でないということや脳のメモリーが圧倒的に多いことなど興味深いことが多く、この謎を解明することができれば医療だけでなく教育関係も大きく躍進することができるしょう。脳に最適な勉強方法も確立されるかもしれませんね。それは、10年、20年、何年後になるかわかりませんが、現在のそして未来の研究者たちがその熱意ある探求心によって、いつの日か解明させてくれることを期待しながら、自分たちでも新たな発見を見つけてみることもまた面白いかもしれません。この記事を読んでくれた方々の中からも、そうした偉大な人たちが出てくれることを期待しています。
現役薬学部ライターH
家庭教師ファーストの登録家庭教師。長崎大学薬学部在学。高校理系の5教科は全て教えられます。
家庭教師ファースト/株式会社エムズグラント
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