ラボ訪問企画　玉川大学武井智彦先生ラボ訪問

2022年8月19日に、MotorControl研究会のアウトリーチ活動として、玉川大学武井智彦先生のラボを訪問しました。訪問の様子はこちらからご覧ください。

Motor Control 研究会アウトリーチ委員会

2023年2月19日執筆
武田美咲（東京工業高等専門学校電気工学科助教）
小澤勇介（東京工業大学工学院情報通信系吉村研究室）

記念すべき第1回目は玉川大学脳科学研究所准教授武井智彦先生の研究室への訪問です。

2022年8月19日（金）武井先生を訪ねて小田急線の玉川学園前駅までやってきました。

玉川学園正門。「全人教育」を教育理念に掲げる玉川学園。幼稚部から大学院、研究施設までが同一キャンパス内に集っています。※写真撮影の瞬間のみマスクを外しております。

玉川大学到着後、武井先生より研究室の紹介をしていただき、実験の様子を見学させていただきました。その後、武井先生のこれまでの研究人生について伺いました。

武井先生が神経科学の道に進んだきっかけを教えてください。

元々高校生の頃から「なぜ物がそこにあると感じるのか」ということに興味がありました。どちらかというとそういったことは哲学なのかな、と思っていましたが、頭の中で思考実験を行うだけではなく生理学的に実証したいと思うようになったのが脳科学に興味を持った最初のきっかけです。

その後、僕が明確に神経科学に興味を持つようになったのがこの本、ポール・M・チャーチランドが書いた「認知哲学―脳科学から心の哲学へ」です。たしか僕が大学２回生のときに読んだ本です。やはり哲学なんですね。

ポール・M・チャーチランド著「認知哲学―脳科学から心の哲学へ」産業図書, 1997

哲学と書いてありながら、まさにニューラルネットワークというものがどう視覚の認知機能としてはたらくかということが書かれていていたんです。手書き文字の認識や立体視、顔画像から性別を認識することもちゃんとニューラルネットワークでできます、というのが説明されていました。そうするとノイズがのったり隠されたりしても再現できます、と。

これは、すごい！と思いました。ニューロンという0か1を出力する非常に単純な素子を組み合わせることによってここまで複雑なことができるのかと。脳をこういったネットワークで説明できるようになりたいと思いました。

当時、大学2回生でバックプロパゲーションなども理解しないままでしたが、自分なりにfor文を回してアルファベットを認識させるコードを書いて勉強会で発表したことを覚えています。

「この本を書いた哲学者のポール・M・チャーチランドは、神経科学者のマーク・M・チャーチランドやアン・K・チャーチランドのお父さんなんですよ。」と聞いて驚く筆者。

ポール・M・チャーチランドの本が神経科学への興味の入り口となり現在の運動研究に導いてくれた

すでにこの本では、運動は視覚のように3層のフィードフォワード型のニューラルネットワークでは説明がつかないことも書かれていました。時間的なパターンを作り出すものが運動の本質であります、と。運動を状態空間のサイクルとして表現するためには、回帰ネットワーク（リカレントニューラルネットワーク）というものが必要である、と。

当時は「運動はちょっと難しそうだな」と思いながらも、どのようなネットワークで表現できるだろうか、ということに興味がありました。

運動を研究するようになって改めてその頃読んだこの本に戻ってきたら、まさに運動をリカレントネットワークモデルで表現することが書かれてあって、当時の僕はこれを知っていたはずなんだなとびっくりしました。

この本を書いたポール・M・チャーチランドは哲学者ですが、ニューラルネットワークで心の機能を記述している。息子がマーク・M・チャーチランドという方で、M1の多チャンネル神経活動を記録してどういったダイナミクスを持っているかということを研究している。歴史を感じます。この本を読んで哲学から神経科学に興味がシフトしました。

3層のニューラルネットワークのうちの第２層、いわゆる中間層というのは人の顔などの特徴をぼんやりと捉える特徴空間です。こういった中間層表現が脊髄にもあるのではないか、というのがシナジーの発想の始まりです。運動を作る基本となる中間層があって、脊髄がその中間層にあたるのではないか。こういった3層ニューラルネットワークで皮質―脊髄―筋の関係を記述したいと思いながら記録をしていました。ようやく最近になってこういったネットワークモデルで表現するというのを研究して、2022年に論文を出しました（Song, Hirashima and Takei, Frontiers in Systems Neuroscience, 2022）。ですが、ニューラルネットワークで表現したいという思いはもう大学2回生の頃からありました。

武井先生が運動の研究を行うようになったきっかけとなるもう一冊の本

あともう一つ、本で影響を受けたのは川人光男先生の「脳の計算理論」です。

川人光男著「脳の計算理論」産業図書, 1996

高校生の時に、こたつに寝っ転がって目の前のゴミ箱に手を伸ばした時のこと。「僕は今手を伸ばして、ここにゴミ箱があると100%自信があるけれど、果たして本当だろうか？」と疑問に思ったんです。これは本当はよくできたVRで、本当は無いのかもしれない。だけどなんで物があると思うのか。それは何回か手が触れてぶつかった経験が何回もあるからなんだろうなと。物を認識するというのは行動に影響があるからである、と自分の中では思っていました。ただ、このことをどうやったら証明できるのかな、本当にそうだと言えるのかな、とも思っていました。

まさに高校生の時にぼんやりと思っていたことを言語化していただいたのが、「脳の計算理論」の76ページに書いてある一節。ぜひ読んでいただきたいんですが、脳や人工知能がどうやって機能を持っているかを調べるための方法論について語っているイントロ部分です。

伝統的な人工知能では知覚に基づく行動を理解しようとすると、脳がその行動を入力から出力に向けてモジュールに分割してそれぞれの階層的な処理を研究するというのが主流であった。例えば、視覚処理、意思決定、行動選択、運動出力のようにモジュールに分けて、各モジュールがどういった機能を持っているかというのを研究するというのが主流であった。このようなモジュールの機能を研究するためには、そのモジュールの前後がどんな形式で入出力をしているのかを把握しなければならない。しかし残念ながらこのような要求は普通満たされない。例えば中間段階でどんな入力が入ってどんな出力を出しいるかは基本的には分からない。この難点を克服するためには脳や知的情報処理の入力から出力まで一貫させて行動全体・システム全体を理解する立場をとらなければならない。

「このような立場を計算論的神経科学で展開するのは主に運動の研究者の責任であるといえる。」

という風に書いてあって、運動の研究者の「責任」っていう結構重い言葉が書かれている。つまり、運動を研究するということは運動出力の部分を研究していれば良いわけではないということです。入力から出力までのシステム全体が機能してはじめて運動が表れるから、その最終結果として表れる運動を研究するということは、つまりシステム全体を研究するということであって、システム全体を研究するということは運動研究者の責任である、と。

「あぁ、なるほど」と思いました。最初、僕は物をどう認識するのかということに興味があったけど、それを理解するためには運動や行動などの出力から辿っていかなければ、何のために物を認識するか、その意義というのは分からないんじゃないかな、と思ったんです。だから今、こうやって運動を研究しています。

武井先生のこれまでの研究人生に大きな影響を与えた人は誰ですか？

たくさんいますが、やはり直接指導いただいた内藤栄一先生、関和彦先生、スティーブ・H・スコット先生、伊佐正先生からは大きな影響をいただきました。

武井先生のオンとオフの過ごし方についてそれぞれ教えてください。

―ではまずオン（平日）の過ごし方から。

最近は朝起きて仕事をするようにしています。子どもが7歳で、今はだいぶ落ち着きましたがもうちょっと小さかったときはお風呂に入れたり一緒にご飯を食べたりしていました。そうすると疲れ切って子どもを寝かしつけるために一緒に寝たりしていました。最近は寝るのが早くて21時や22時くらいに寝ます。朝は5時くらいに起きて論文を書く。…のが理想です。起きれない日もありますが (笑)。

―朝型なんですね。

昔は夜型だったんですけど、子どもが生まれてから朝型になりました。子どもを頑張って寝かし付けた後に自分の時間を持つタイプの方もいるのかもしれないですが、僕の場合は仕事をしているのか眠気と戦っているのか分からなくなってくるので(笑)。椅子に座ったものの眠くて頭がぼーっとして、ネットとか見て、いつの間にか1時になって。「今日はもう諦めて寝よう」となり不毛な時間が多いから。だったらもう寝ちゃって、朝の頭がすっきりした状態でやるようにしてます。

論文を書くなどのデスクワークなどはできるだけ朝して、出勤後は朝一番に動物（サル）の実験をします。サルの実験はなるべくコンスタントに行います。実験をやったりやらなかったり、というのがサルにとって一番良くないので。ルーティーン化するというのが大事です。実験が終わると昼過ぎくらいになるので、解析などのデスクワークをします。ただ、色々な会議が入ることもあるので落ち着いてまとまった時間とれないのが実際のところです。それもあり、朝は集中するための時間にしています。

夕飯どきの19時ごろには帰って、子どもと過ごします。子どもとご飯を食べたり、お風呂に入ったりして、21時か22時くらいに一緒に寝落ちする…というのが平日の過ごし方です。

実験は止めない、常にやる、というのを心がけています。同じことが延々とやれる、というのはサルの研究者の特徴でもあると思います。サボるのはいくらでもサボれますが、そうすると結局データが全然取れなくなるので。

―体調が悪い時でもサルの実験をするんですか？

体調が悪い時は…やめておいた方がいいですね(笑)。コロナの時とか。できるだけ実験をやるようにしていますが、無理な時はしないようにしてます。サルの研究はいつ突然実験できなくなるか分からないんです。突然電極やチャンバーが外れてしまったり。脊髄の記録なんて、1か月くらい経ったらチャンバーがポロっと取れてしまうことがあります。外れてしまうと、もう一度つけようとしても二度とつかないですから、実験ができる間はできるだけ休みなく実施します。

―つぎにオフ（休日）の過ごし方について聞かせてください。

休日は基本家族と過ごします。子どもがサッカーやっているのでそれに行ったりとか。一緒に公園で遊んだりとか。

―先生もサッカーされるんですか？

やっています。中高は一応サッカー部、大学はラクロス部、でしたね。

―ずっとスポーツされていたんですか？

そうですね。やっていました。それでよく「運動やってたから運動の研究をしているのか？」と聞かれますが、僕としてはそういうわけではないです(笑)。

サルの中でもなぜマカクザルを使っているのですか？

（霊長目についての本を見せてもらいながら）マカクザルは狭鼻猿類という分類でヒトと近い存在です。認知機能がよく発達し、難しいタスクを行うことができるという点でヒトと近い機能を持っています。また、神経構造的にもヒトと近いことも特徴です。マーモセットが使われることもありますが、マーモセットは脳がつるつるとしており、繁殖のサイクルが早く、遺伝子組み換えマーモセットを作ることなどに向いています。一方でマカクザルは成熟するのに数年かかりますが、ヒトとマカクザルは皮質運動ニューロンの直接投射が見られるというのが特徴があります。ヒトとマーモセットは分類的に離れていて脳の構造も異なっており、運動系だと皮質運動ニューロンの直接投射が見られないのです。また、マーモセットはマカクザルに比べると認知的な課題を行うことがトレーニングを行っても難しいところがあります。

また、国際情勢に影響を受けることなくサル研究を安定的に行うという意味では自国生産を行うことが重要であり、ナショナルバイオリソースプロジェクトと呼ばれるプロジェクトにより、国策として研究用のサルを繁殖し、研究者に提供するということを行っています。安定的に供給を受けることができるという意味でもメリットがあるので、マカクザルを使っています。

玉川大学のお気に入りのところはどこですか？

玉川大学は霊長類の研究施設に恵まれていて、実験施設や実験室が多く、手術室、飼育室などもあります。玉川大学では研究室ではなくセンターで研究を行っており、ランニングコストも負担してもらえるため研究環境としては恵まれています。また、元々は工学部であったことから理論的な方法や工学的な手法などのバックグラウンドを持った、生理学や工学など多くの分野の研究者がいてそれぞれの知識や技術などを組み合わせて研究を行うことができます。私大の中で脳科学研究所をもっているのは同志社大学と玉川大学のみで、研究所の中に脳科学全般広い分野の人が集まっているのもお気に入りの点です。

最後に、武井先生の研究室に興味のある学生も多いと思いますので、ぜひ研究室のアピールと、こういう学生に来てもらいたいというのがあればお願いします。

僕の研究室の特徴としては、計算論（機能）と生理学的な基盤、つまり理論と実証を両方やります、というのが一番のウリですね。理論と実証を両方したいという人がいたらぜひ来ていただきたいです。

―例えば、学生さん側からすると「自分は実験しか経験ないな」とか、逆に「理論的なところしかやってきてないな」といった場合もあるかと思うのですが、それでもアプライしていいですか？

それでもウェルカムですね。あとは、もう一つのウリといえるのか分からないですが、僕自身が元々文系で、分からないことだらけで勉強してきました。ですが、今くらいのところまでは出来るようになってきました。分からない人の気持ちはとてもよく分かるんです。はじめから体系立てて学んできたわけではなく、実践を通じて一個一個解決してきました。どんな分野もすべて初心者であったという自負が自分にはあります。だから「自分の専門はコレ、と決めないで」と言いたいです。

それこそ運動制御って多分野なんです。一つの階層にとどまってしまっている人が結構多いのではないかと思います。複数の階層をつないでいく人が出てきた方がもっと面白い融合が出てくるのではないかと思っています。

よく学際研究や共同研究の良さの話が出ますが、違う分野の人が集まって共同研究をやっても、互いが互いのことをやっていて、互いが何言っているのか分からないまま「それは良いですね」で終わるパターンは多いと思うんです。互いのことを理解する下地がないから。真の学際研究や融合というのは個人の中にしか起きないと僕は思っています。それぞれの専門家同士が集まって研究することはもちろん大事ですが、それだけではなかなか融合は起きない。両方ともを学んだ個人の中にしか融合というのは起きないと思っています。だからこそ、自分自身も色々なことを学びたいし、色々なことに手を出してしまいます。それによって、僕は常に人よりも倍時間がかかるタイプではあると思います。だけど、そういう通訳みたいな人もいないと融合は出来ないと思いますし、意外とそういう人が求められているのではないかと思います。”どっちもちゃんとできる人”。いろんな分野を融合する人が出てきて欲しいし、その気概がある方はぜひ来てほしいと思っています。

武井智彦先生（左）。インタビュワーの小澤（中央）と武田（右）。

ラボ訪問の感想

実際にサルの手術を行う手術室の設備の見学を行い、どのような流れで電極の埋め込みの手術を行うのかの説明をしていただきました。その後、実際にサルによるKINARMを使った実験風景を見せていただき、普段はできないような経験をすることができ、今回の研究室見学に参加してよかったと思います。

研究室見学の後には武井先生が行っている研究に関して詳しく説明をお聞きすることができ、大変興味深く勉強になる時間を過ごすことができました。

最後の武井先生へのインタビューの時間では先生が神経科学の道に進んだ理由や運動の研究を行うようになったきっかけなどの先生の研究者キャリアに関わることから、オンとオフの過ごし方など研究とプライベートの時間のバランスのとり方や他にも先生の研究に関することで勉強になることを教えていただくなど大変有意義なインタビュー時間になりました。

小澤勇介（東京工業大学工学院情報通信系吉村研究室博士課程2年）

私が初めて武井智彦先生とお会いしたのは2018年のNCMでした。当時、武井先生は局所冷却法（cooling）という技術を使ってサルの神経活動を一時的に不活性化させることで素早い到達運動の速度と正確性に関連する脳領域を調べる研究をされていました（Takei et al., Current Biology, 2021）。私はこれまでヒトを対象とした研究に携わってきましたが、動物を扱った研究はしたことがなかったためサルのcooling実験には衝撃を受けたと同時に大変興味がありました。

今回のラボ訪問企画で武井先生と再びお会いする機会をいただき、武井先生に聞きたかったことを聞くことができました。サルの cooling実験については、普段関係者しか見ることのできない施設や装置を特別に見せて頂きました。また、サルの到達運動中の神経活動を計測する実験の様子も間近で見学させて頂きました。武井先生へのインタビューでは、武井先生の最新の研究成果やこれまでの研究人生について根掘り葉掘り聞かせていただきました。どの質問にも丁寧に答えて下さいました。大変貴重な経験をさせていただきありがとうございました。この経験を今後の高専での教育研究活動に活かしていきたいと思います。

武田美咲（東京工業高等専門学校電気工学科助教）

記念すべき第1回目は玉川大学 脳科学研究所 准教授 武井智彦先生の研究室への訪問です。