新たな神経科学研究は、脳が頭蓋骨を通して光を放っていることを示している

2025年7月27日　26日付のPsyPostによる話題　― iScienceに掲載された新しい研究は、人間の脳が極めて微弱な光信号を放っており、それは頭蓋骨を通過するだけでなく、精神状態に応じて変化しているように見えるという証拠を提供しています。

研究者たちは、これらの超微弱な発光が完全な暗闇で記録することができ、目を閉じたり、音を聞いたりするような単純な仕事に応じて変化するように見えることを発見しました。

この発見は、この微弱な脳の光が脳の活動に関する情報を運んでいるかもしれず、脳研究の新しい方法（光脳造影法）への扉を開く可能性があることを示唆しています。

すべての生体組織は、通常の代謝過程で超微弱光放出として知られている微量の光を放出しますが、これは、励起された分子がより低いエネルギー状態に戻る過程で光子を放つときに起こります。

私たちが見ることができるものより約100万倍弱く、目に見える近赤外範囲内に収まるその光は想像を絶するほど微弱で、それはホタルが利用するような特定の化学反応が関与する生物発光とは対照的に、超微弱な光子放出は特別な酵素や発光化合物なしで、すべての組織で絶えず起こっています。

脳は、そのエネルギー利用が高く、光活性分子の密度が濃厚なために、他のほとんどの臓器よりもこの微弱な光をより多く放出します

これらには、フラビン、セロトニン、および光を吸収して放出できるタンパク質などの化合物が含まれます。

光子放出率も酸化ストレスや老化過程で上昇するようであり、細胞の健康状態や情報伝達の変化を反映している可能性があります。

ヘイリー・ケーシー氏、ニロシャ・ムルガン氏、およびアルゴマ大学、タフツ大学、そしてウィルフリッド・ローリエ大学の同僚が率いる同研究班は、これらのかすかな光放出を使用して脳の活動を監視することができるかどうかを知りたいと考えました。

強い磁場や赤外線のような刺激を必要とする他の画像処理の手法とは異なり、脳に何も進入させないことを意味する超微弱光子放出測定は完全に受動的です。

研究者たちは、脳波計がエネルギーを与えることなく電気的脳波を追跡する方法であるのと同様に、その超微弱光子放出が、脳機能を安全かつ干渉することなく監視する新しい方法を提供する可能性があると提案しました。

彼らはまた、超微弱光子放出が目を閉じて休んでいる時や音に反応している時の精神状態を反映しているかどうか、およびこれらの信号が既知の電気的な脳の律動の変化と波形が一致するかどうかを試験したいと考えていました。

研究者たちは20人の健康な成人の参加者を募集し、参加者が暗い部屋に座っている間の超微弱光子放出と脳の電気的活動の両方を測定しました。

この設定には、視覚情報と聴覚情報を処理する頭の後頭部と側頭領域の近くに配置された光電子増倍管の取り付けが含まれ、3つ目の検出器が背景光を記録すると同時に、参加者は脳波検出器を備えた帽子を被り、電気的な脳の律動を記録しました。

参加者は、5つの条件を含む10分間を通した記録の座が設けられ、最初は目を開けて座り、それから目を閉じて座りました。次に、彼らは閉眼の間、そして最後に開眼の間に従って単純に繰り返される聴覚刺激を聞きました。

この狙いは、脳の超微弱光子放出が脳活動の既知の操作、特に人々がその目を閉じたときに起こるα波の変化に反応したかどうかを見ることでした。

光子放出は短い時間間隔で記録され、変動性、周波数含有量、そして経時的安定性について分析されました。

同研究班は、その結果を背景信号と比較し、同時に記録された電気的な脳波の律動との相関を調べ、脳から放出される光は、その変動性と複雑さに基づいて背景光と区別できることを発見しました。

同研究班は、その結果を背景信号と比較し、同時に記録された電気的な脳波の律動との相関を調べ、脳から放出される光は、その変動性と複雑さに基づいて背景光と区別できることを発見し、脳の超微弱光子放出は、背景記録よりもより大きな乱雑度とより動的な信号であることを示しました。

これらの放出は、1 Hz以下の特徴的な周波数の一面を持っていることを示しました。つまりこの光は、おおよそ1〜10秒ごとにゆっくりとした律動的な型で揺れ動き、この印形は背景光には現れず、特に後頭領域で顕著に現れました。

研究者たちはまた、各作業中特に2分間の記録部分が終わる頃には、脳の超微弱光子放出が定常状態に達しているように見えることを観察しました。

これらの安定した型は、参加者が開眼状態と閉眼状態との間を移行したときに、この放出が脳の内部状態の変化を反映していることを示唆しました。しかしながら、その変化の方向はすべての参加者の間で一貫していなかったため、おそらく根底にある代謝過程の個人差または複雑さを反映しているものと思われます。

研究者が超微弱光子放出を脳の電気的律動と比較したとき、彼らは控えめな相関を発見しました。

一例を挙げれば、α波は、しばしくつろいだ覚醒状態と関連付けられ、閉眼状態で増加し、後頭領域からの光子放出と相関していましたが、これは参加者の目が閉じていた時だけでした。

彼らはまた、聴覚を刺激中の超微弱光子放出の変動性と側頭葉の律動との間のいくつかの関連性も発見しました。

それでもこの関係は強くはなく、多くの予想された相関関係が現れなかったため、さらなる研究の必要性を強調しています。

この発見が有望視される中、著者らは、これがいくつかの制限を伴う予備的な研究であると注意を促しています。

試料の規模小さく、記録装置は頭部の数か所のみしか網羅していませんでしたし、検出装置が広範囲の波長を検出したため、より特定の光の型を覆い隠した可能性があります。

より正確な透過装置や検出装置は、さまざまな脳機能に関連する波長固有の印形を明らかにするのに役立ちます。

同研究者たちはまた、検出装置の配列を拡張すると空間分解能が向上し、脳内の超微弱光子放出の起源を特定するのに役立つ可能性があることも示唆しています。

これらの放出は代謝活動と結びついているため、神経細胞やグリア細胞を含むさまざまな細胞の型、および脳のさまざまな深さから来ている可能性があります。

これらの信号を特定の領域に限定する手法を開発することが、次の段階に進む上で重要です。

この研究には、身体の他の部位からの測定は含まれていませんでした。それは、非脳組織で同様の光放出が起きるかどうか、およびそれらがどのように異なるかを明確にするのに役立つ可能性があります。

より多くの参加者を含め、年齢、性別、または健康状態に基づいて変化量を探索することも、意味のある型を明らかにする可能性があります。

将来的には、機械学習と高度な画像処理技術により、研究者たちは超微弱光子放出の型を解読し、それらを使用して脳障害を検出したり、脳の健康を監視したりすることができます。

「私たちは現在の結果を、非常に低い相対信号強度にもかかわらず、ヒト脳由来の超微弱光子放出信号の型を暗くした設定による背景光信号から区別できることを示す概念証拠の実証と見なしています」と研究者たちは記しています。

「脳波図や脳磁図のように高い時間分解能を有する光脳波記録法は、最大限の非侵襲的（すなわち、受動的記録）なものになりますが、超微弱光子放出の測定は、他の場所で説明されているいくつかの臨床応用と共に酸化的代謝に関連付けられています。

将来の研究では、健康な脳や病気の脳からの超微弱光子放出信号の特徴をふるい分け、強化するのに、選択的な透過装置と増幅装置を使用することで成功する可能性があります。」

「脳活動の光学的標識としての超微弱光子放出の探求」というこの研究は、ヘイリー・ケーシー氏、イザベラ・ディベラルディーノ氏、マティア・ボンザンニ氏、ニコラス・ルーロー氏、そしてニロシャ・J・ムルガン氏によって執筆されていると記事は伝えています。