うつ病・統合失調症進化生物学・進化医学

煙探知機の原理 | 自然淘汰と防衛反応の制御
The smoke detector principle. Natural selection and the regulation of defensive responses

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pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11411177/

The smoke detector principle. Natural selection and the regulation of defensive responses

ランドルフ・M・ネッセ(Randolph M. Nesse)

ミシガン大学精神医学部、ミシガン州アナーバー、48104、米国

概要

飛翔、咳、ストレス、不安などの防衛反応は、理論的には与えられた脅威から身を守るために必要な最適値に近い程度に発現されるはずだ。しかし、多くの防御は、過剰に発現したり、過剰に発現したりするようである。さらに、防御反応を弱めるために薬物を使用することによる弊害は、驚くほど少ない。

防御制御のシグナル検出解析は、この明らかなパラドックスの解決に役立つ。防御反応の発現にかかるコストが、それが防御する潜在的な害と比較して低い場合、最適なシステムは多くの誤情報を発現することになる。

段階的な防御は、限界費用と限界利益が等しいときに最適な程度に表現されるが、この点は直観的な最適値とはかなり異なる可能性がある。これらの原則に基づくモデルは、多くの防御の過剰反応が見かけだけであることを示すが、特定の場合には、適合性を損なうことなく防御を弱めることができる場合が多いことも示唆している。

煙探知機の原理は、苦痛を和らげたり防御をブロックしたりするために、いつ薬を安全に使うことができるかを決定するための重要な基礎となる。

 

キーワード 進化、自然淘汰、煙探知機、防御、不安、ストレス、シグナル検出、薬理学、ダーウィン医学、医学

はじめに

15年ほど前、夏の午後に不安神経症のクリニックで患者を診察していたとき、突然、患者に害を与えているのではないかと思い至ったことがある。不安は有用であり、それを調節するメカニズムは自然淘汰によって形作られたものであることは知っていた。不安障害の治療は、基本的に、行動療法、心理療法、薬物療法など、有効なあらゆる手段を使って、これらのメカニズムをダウンレギュレートする訓練である。しかし、もし自然淘汰が効率的であるならば、自然淘汰は調節機構を最適に近い状態に設定しているはずだ。私は、そのシステムに手を加えていたのである。しかし、私の患者には害はないようだ。むしろ、治療によって苦しみが和らぎ、ほとんどの人が完全に機能を取り戻したのである。もちろん簡単な答えは、これらの患者がクリニックに来たのは、まさに不安の調節機構に異常があったからだということである。しかし、私たちの多くは、常に多くの不安を感じている。それを解消するのが賢明なのだろうか?

私はすぐに他の医療に思いを馳せた。一般的な診療は、防御反応をブロックすることで苦痛を和らげることが主な仕事である。発熱、痛み、吐き気、嘔吐、下痢、咳、不安などはすべて潜在的な特性で、何らかの危険と関連した合図で呼び起こされたときに私たちを守ってくれるものである。痛みに対する能力を持たずに生まれた人は、成人初期までに死んでしまう。1 手術後に咳をしない人は、肺炎になる可能性が高い。発熱は、感染に対する防御の有用な要素である。2 下痢を止める薬を飲んだ赤痢患者は、合併症を起こしやすい3 では、なぜこのような有用な防御を日常的に、しかも見かけ上安全に遮断することができるのだろうか?まるで、自然淘汰が過ちを犯したかのように思える。1851年にショーペンハウアーが言ったように、「もし私たちの人生の直接的、直接的な目的が苦しみでないなら、私たちの存在はこの世で最もその目的に適合していない」4。ダーウィンは、その洞察力で、「いかなる種類の苦痛も、長く続けば、抑うつ状態を引き起こし、行動力を減退させるが、生き物に、大きな、あるいは突然の悪から身を守るようにするためには、よく適応している」5と述べている。

この防衛の調節に関する疑問は、苦しみの起源と効用という大きな問題と密接に関係している。ほとんどの種類の苦しみは、防衛反応の表出と関連している。咳や下痢、疲労を経験するのは嫌なことである。不安や痛みは、その本質において回避的なものである。防衛反応と否定的な感情との関連は、進化の観点から見ても非常に理にかなっている。体力に害を与えるような状況から逃れ、回避するための動機付けとして、これほど有用なシステムがあるだろうか。苦痛を感じる能力を持たない人たちが悲劇的に示したように、苦痛を感じる能力は有用である。エドワード・ウィルソンが『社会生物学』の中で述べているように、「愛は憎しみに、攻撃は恐怖に、拡張は引きこもり、といった具合に、個人の幸福を促進するのではなく、支配遺伝子の最大限の伝達を促すようなブレンドで設計されている」6のである。

すべての防御が誘導可能というわけではない。亀の甲羅のように常に発現しているものもあれば、飛行、発熱、嘔吐、刺され、死んだふりなどのように、誘導可能なものもある。ある防御が常に発現しているか、ある状況でのみ発現しているかは、そのコストと、すぐに誘導できるかどうかによる。亀の甲羅はそうではない。他の防御は永続的だが、危険が迫ったときにだけ発達する。例えば、ミジンコは、発達中に捕食者の化学物質が水中にある場合にのみ、捕食者を阻止するための尖った頭巾を生やす。8-10日焼けやカルス形成などの他の防御は、持続的であるが関連する合図に対する一時的な反応で、この場合、それぞれ日光への暴露や摩擦がこれにあたります。医学では、特定の課題に反応して一時的に活性化される生理的な防御機構に関心がある。恒常性(ホメオスタシス)とは、身体の内部環境を一定に保つ能力のことであるが、レオスタシスという言葉は、変化する状況に対して身体が行う多くの調整をより適切に表現している11)。誘導性防御機構は、自然淘汰によって形成され、調整されてきたものであり、ほとんどの自然条件下で、最適に近い防御機構が発現しているはずだ。

しかし、過剰に防御機能が発現していることが多いようだ。私の家の窓の外にある餌箱の鳥は、数分おきに突然驚いて逃げ出すが、これには理由がない。人間でいえば、ちょっとした感染症で倦怠感に襲われ餌をとれなくなったり、足首をひねって痛むと捕食者から逃げるのを邪魔されたりする。(ストレス反応のエンドルフィン成分は、まさにこのような状況に合わせて設計されているのかもしれない)。氷の上で転倒したときの恐怖は、夏でも続くかもしれない。多くの防御は、それを安全に抑制することができることを考えると、特に過剰反応に思える。叩いた指は、麻薬で痛みを和らげたとしても治る。上気道炎は、アスピリンで熱や倦怠感を抑えても治る。肺の感染症は咳を抑えても治る。腸の感染症は下痢止めを飲んでもたいていよくなる。疲労は、カフェインによって容易にかつ安全に解消されるまた、不安は、危険への露出を大幅に増やすことなく、大幅にブロックすることができる。このような経験は、防御は欠陥であるという「臨床医の錯覚」が蔓延していることを説明する。

医学の多くがこのような防衛とそれに伴う嫌悪感を抑制することに費やされていることを考えると、この抑制が賢明な場合とそうでない場合を決定するための一般に認められた方法がないことは驚くべきことである。その結果、著しく異なった意見が存在する。ある人は、自然の防御を妨げることは一般に賢明でないと考え、またある人は、不快感を和らげるためにすぐに薬物を使用する。驚くべきことに、多くの医師は、病気の症状が防御であることと欠陥であることを明確に区別していない12。以下に述べる防御の利益/コスト分析への一般的アプローチは、必ずしも特定の指針を与えるものではないが、関連する変数を明確にし、防御の有用性に関する意思決定にそれらをもたらすための定量的枠組みを提供することは可能である。これは、Cosmides and Toobyの「捕食者回避に特化したダーウィン的アルゴリズムで、捕食者検出では誤検出の側に立つ」というフレーズに触発されたものである(Cosmides and Tooby参照)。(CosmidesとTooby,13 p.296参照)。

「防御」という用語は、ほとんどすべての生物システムに適用できるかもしれないが、ここでは、ある比較的特定の潜在的な害から身を守る誘導可能な反応に限定することにする。このような防御のほとんどは、防御する害に比べれば比較的安価である傾向がある。例えば、嘔吐には数百キロカロリーと数分のコストがかかるが、嘔吐しない場合は5%の確率で死に至る可能性がある。一方、逃げなければ肉食動物に捕まる可能性がある。社会的脅威に対する防御は非常に複雑であるため、ここでは考察しない。簡単に説明するために、2種類の状況を別々に分析する。(1)脅威が存在するかしないかに対する全か無かの防御と、(2)段階的な脅威に対する段階的な反応である。

オール・オア・ナッシングの防御

嘔吐とパニックは、完全に発現するか全く発現しないかのどちらかの防衛の例である。このような防御を制御する装置は、入手可能なあらゆる情報に基づいて「行く/行かない」の決定を下さなければならない。この情報が確定的であることは少ない。例えば、ある動物が茂みの向こうで物音を聞いたとき、それが肉食動物かどうかはわからないが、逃げるかどうかは瞬時に判断しなければならない。(逃げることは、危害の予想コストに危害の予想確率をかけたものが、防御を表明するコストより大きければ、必ず報われる。生物はこのパラメータを計算しないが、防御を制御する何らかのメカニズムに何らかの見積もりが含まれているはずだ。捕食者に襲われるような壊滅的な被害を受ける可能性がわずかでもあれば、飛行のような比較的安価な防御を発現させるべきである。リマとディルが言うように、「捕食者の回避に失敗するほど容赦のない失敗はほとんどない」殺されることは将来のフィットネスを大きく低下させる」(LimaとDill,14 p.619を参照)。

図1 害のコストと防御のコストの関数としての最適な防御表現

原文参照

点AではC(H)はC(D)の2倍であるから、捕食者が実際に存在する確率が5%以上であればいつでも防御を発現させることが最適である。B)では、C(H)はC(D)の20倍であり、捕食者が実際に存在する確率が5%以上であれば、防御力を発現させることが最適であることがわかる。


これは図1に示されているように、防御のコスト[C(D)]に対する防御のコスト[C(H)]の比率の関数として、それ以上の確率で防御を行う価値があると考えられる確率[P (H)]を示している。例えば、点Aで示される状況では、C(H)はC(D)の2倍であるから、捕食者が実際に存在する確率が50%以上であれば、防御は最適に表現されるべきである。B地点では、C(H)はC(D)の20倍なので、捕食者が実際に存在する確率が5%以上であれば、防御は最適に表現されるべきなのである。したがって、孵化したばかりのヒナが、粗末な段ボール製のタカの模型からでも逃げ出すのは容易に理解できる。もちろん、多くの場合、C(H)はC(D)の1000倍であり、P(H)が1000分の1であれば、防御を発現させる価値がある。この場合、1000回の防衛表現のうち999回は不要となるが、それでも防衛が必要なときに確実に表現されるための正常かつ必要な代償である。

このアプローチはシグナル検出理論15,16に基づいているが、リスク評価理論,心理学における期待値理論,経済学における効用最大化など、最大化原理のいずれからも同様に導き出すことが可能である。シグナル(脅威からの刺激)とノイズ(非脅威からの刺激)のping分布が重なる場合、その分布の形と平均を、シグナル対ノイズの事前確率と正解・誤情報・見逃しの相対値に関する情報とともに用いて、反応を表すべき最適な刺激閾値を決定することが可能である。例えば、岩陰からの音に対して動物が逃げるべきかどうかは、音の大きさ、捕食者や他の音源からの刺激の相対的な周波数、誤情報(不必要な逃避)のコストと捕食者からの音だった場合に逃げなかった場合のコストに依存する。信号検出理論には、感度(信号と雑音を区別する能力)とバイアス(過剰な偽陽性または偽陰性を与える傾向)を別々に推定できるという長所があるが、その標準的な数学的記述は防衛規制の問題に直接適用するには厄介なので、ここではさらに検討しないことにする。

不必要な防衛表現のコストと実際の脅威に対応しないコストは、それぞれ防衛が表現される閾値を増加させ、減少させるように作用する、選択の反対勢力である。これらの力はまた、センサーと規制アルゴリズムを、さらなる改良の増分利益が増分費用より少なくなる程度に改良する傾向がある。仮定の例を挙げると、捕食者であるタカのいる環境に最近移動したある種の鳴禽類の視力は、タカと無害な鳥を識別する能力を向上させるはずだが、(a)さらなる改良のコストがメリットを上回り、(b)視力がもはや防御反応における制限因子ではなくなるか、(c)制約によりさらなる改良が望めない、という段階までしか到達しない。

これらの改良の後でも、タカの識別が不確実な距離が存在することになる。その距離では、鳥がタカである確率が防御コストをその距離からのタカの攻撃の期待コストで割ったものに等しくなるため、逃避反応は最適に発現することになる。その結果、多くの誤情報が発生する。私は当初これを「防衛過剰反応の原理」(Nesse,17 p.283参照)と呼んでいたが、George Williams18と仕事をしていたとき、彼は煙探知機とのアナロジーを提案した。しかし、ジョージ・ウィリアムズ(George Williams)18と共同研究をしていたとき、彼は煙探知機に例えることを提案した。この信頼性を得るためには、誤情報を許容する必要がある。もちろん、お湯を沸かすたびに警報が鳴るようでは、すぐに電池を取り出したくなるので、その場合は感度を低くすることが望ましい。

段階的な危険に対する段階的な防御

多くの防御機能、例えば発熱、疲労、恐怖などは、脅威の深刻さに応じて様々な程度に発現する。このような防御のモデルにはいくつかの変数が必要である。独立変数は防衛レベル[L(D)]であり、例えば発熱は1度、2度、3度のいずれかである。C(D)はL(D)と共に増加する。この増加は、時速1,2,3マイルの歩行のコストのように直線的な場合もあれば、1,2,3度の発熱のコストのように急激に上昇する場合もある2。また、防御とその調節システムの維持コスト、および任意の一定の低い発現レベルを含む防御の最小コストが存在する。主な従属変数はC(H)である。これには、病気による採食日数の損失や、怪我による交配競争の低下などの要因が含まれることがある。C(H)は無限に大きくなる可能性があるので(死亡)、利益/コストモデルよりもコスト/コストモデルの方がより適切である。また、例えば、ある種の病原体に十分にさらされた後に必ず起こる感染症のように、いくら防御しても回避できない最小限の被害コストが存在する場合もある。総費用はC(D) C(H)の和である。総費用を最小にする程度に防御を発現させたとき、適合度は最大となる。

ほとんどの資源と同様に、少量の防御は実質的な利益をもたらすが、量が増えるにつれて限界効用は減少する19。また、上述のように、多くの防御策は、それが防御する潜在的な害に比べれば安価である。これらの関係を表す曲線の要件は極めて一般的である。すなわち、予想される損害のコストは、比較的低いレベルの防御に反応して急速に減少し、高いレベルの防御に反応してより緩やかに減少する必要がある。

図2は、L(D)、C(H)、C(D)、および総費用の関係を説明するために、任意のコスト単位を使用している。C(H)は指数関数的に減少し、C(D)は直線的に増加するように描かれている。これらの描写は比較的任意であり、モデルおよびそこから導かれるいくつかの一般原則を説明することのみを意図している。図2Aでは、最小防衛コストと最小被害コストは共に0.5に設定されている。防衛コストが、1.0の場合,C(D)が、1.5 であれば、C(H) は 1.5になり、総コストは 3.0になる。このグラフは、見知らぬ場所での不安レベルの増加、または皮膚内の異物周囲の炎症の程度の違いによる利益を表すことができる。

図2Bは、防衛への漸増的な投資によって害が大きく減少する状況を示している。ここで、総費用は、C(D)がC(H)の2倍以上である場合に最小化される。直感的にはC(H) C(D)が最適と思われるかもしれないが、実際には、投資の増分がより大きな損害の減少をもたらす限り、防衛費は増加する。グラフでは、C(D) C(H)となる点の矢印が、総費用が最小となる点よりもずっと左側にあることに注目しよう。このように、実際には最適であっても、防衛コストが無意味に高く感じられる身体システムが多く存在する可能性がある。

さらに、防御が容易に発揮されるように見えるもう一つの理由は、不十分な防御の発現のエラーは、過剰な発現のエラーよりも深刻になる傾向があるからだ(Kim Hill, personal communication)。その理由は、図2Aによって説明される。この例では、最適より7単位低い防衛水準では、総費用が最小可能総費用より1.6単位大きくなるのに対し、最適より0.7単位高い防衛水準では、総費用が最小値より0.3だけ大きくなっている。このように、防衛への投資が小さくても大きな見返りがあり、防衛コストの上昇が緩やかであれば、自然淘汰は過剰な防衛表現に偏ったシステムを形成する傾向がある。高熱や発作の可能性のように、防御コストが急激に上昇する場合は、この原理は逆転し、防御反応が不十分な側に偏る傾向があることを説明することができる。

さらにもう一つの要因は、体力が最大となる形質の平均値が、体力を最大化する値の確率分布の中心的傾向と異なる場合に生じる。吉村とシールドは、環境の不確実性と相互作用する形質の観測値は、決定論的アプローチで予測される平均値を用いるのではなく、形質の統計的分布から期待される適応度を積分することでよりよく予測できることを示した21。防衛調節の場合、多くの環境では不要に思える防衛が、時として厳しい状況では非常に貴重で、防衛発現が他の予想よりはるかに大きくなる可能性がある。私たちの世界は以前よりずっと安全になったので、パニック発作のような極端な防御の有用性は見えにくい。

図2 段階的防衛の最適な表現

原文参照

(A)最小防衛コストと最小危害コストを0.5とする。(B)防衛への増額投資により、被害が大きく減少する。略号 C(H): 害のコスト; C(D): 防衛のコスト; C(Tot): 総コスト.

ストレスと不安

ストレス系は、その好例である。ストレスの代償は明らかだ(今、私たちはそれを研究している!)。感染に対する抵抗力が低下し、骨が薄くなり、癌が発生しやすくなり、動脈硬化の進行が速くなる22。ストレスシステムを抑制することは賢明であるように思われる。アジソン病患者は、日常的な感染症から生じるわずかなストレスでも死に至る可能性が非常に高い。コルチゾールの分泌やその他の変化は、エネルギーを容易に代謝できるモードに体を調整し、体が活動に備える23。コルチゾールのいくつかの異常な作用、たとえば炎症の阻止は、ストレス反応の他の部分から体を保護する方法だと解釈されている24。そうだとすると、ストレスによる他の作用は実に高価でなければならないことになる。副腎皮質がストレス反応の直接的な担い手なのか、それともストレス反応に対する防御なのか、その判断の難しさは、防御のコストと効果を定量化することの難しさを際立たせている25。実際、ストレス反応の構成要素は、強力ではあるが、コストが高いため、大きな効果が得られる状況に限って使わなければならず、さらにその場合は減衰させなければならない防御と考えることができるだろう。ストレス反応が組織にダメージを与える進化的な理由は、極めて単純なものである可能性がある。身体にダメージを与えない有用な変化は、いつでも発現させることができる。しかし、組織にダメージを与えるような有用な変化は、非常用持ち出し袋の中に入れておき、相当の代償を払ったときにだけ開けるようにするのがベストである。このため、ストレスに慢性的にさらされると、アロスタティック負荷が生じ、ゆっくりと、しかし必然的に身体にダメージを与えることになるのである26。

不安は、ストレス反応の一種だと思われがちであるが、実はまったく別のシステムである。ストレスは身体を行動に備えさせ、不安は危険に備える。27 行動への備えは、しばしば危険への備えとして適切であり、コルチゾールは不安によって喚起されることもあるが、強い不安にもかかわらずコルチゾールが増加しないことも非常に多い。28 逆に、ストレス反応を開始する信号、視床下部からのコルチコトロピン放出ホルモンの分泌は、確実に不安、さらにはパニックを喚起する29。

調節された防衛の観点からは、過剰な不安の障害があるように、不足した不安の障害も多くあるように思われる。しかし、「臨床家の錯覚」によって、過剰な不安の障害だけを認識し、治療している。公平に見て、低所恐怖症の患者が不安を増大させる最新の薬物を求めて不安神経症専門クリニックの門前に並ぶことはないことも事実である。快楽原則とはまさにそのことで、自分の健康にとって何がベストであるかとは無関係に、ポジティブな状態を好み、ネガティブな状態を避けようとする傾向のことである。私は、不安の少ない人が早期に死亡し、障害を負うという証拠を懸命に探したが、驚くほど少ない研究しか見つからなかった。その結果、これらの子供たちが高所恐怖症になる確率は、幼少期に激しい落下を経験しなかった子供たちの6分の1に過ぎないことが判明した。無謀な幼児は、恐れを知らない青年になったようだ。

ストレスも不安も、日常的な薬理学的遮断の良い候補であるように思われる。自然淘汰によって最適に近い防衛調節システムが形成されたことを証明するためにすべてが語られたとき、特に非常に安全な現代の環境では、私たちが経験する不安やストレスのごく一部しか恩恵を受けていないことが明らかになった。なぜ、残りをブロックして、苦しみを減らし、長生きできるようにしないのか?この一見理論的な疑問は、急速に現実的な重要性を帯びてきている。31 唯一の難点は、副作用と依存性、そして最終的には禁断症状である。31 唯一の難点は、副作用と依存性、そして最終的な離脱反応である。もしこれらが克服されれば、多くの普通の人々が適度なレベルの不安を軽減するための大きな誘惑に駆られ、彼らに薬を提供することで大きな利益がもたらされるであろう。これは賢明なことだろうか?費用と便益の体系的な評価のみが、この問いに答えるだろう。

結論

煙探知機の原理は、多くの防御の過剰反応性が錯覚であることを示している。防御が過剰に反応するように見えるのは、それらが防御する害と比較して「安価」だからであり、また、少なすぎる防御の誤りは、多すぎる防御の誤りよりもしばしばコストが高くつくからだ。情報の不確実性により、これらの防御は、実際には危険が存在しないにもかかわらず、正常に発現される。誤情報は予期されるものであり、受け入れられるものである。フィットネスは絶対的なものではなく、限界的なコストと利益によって決定されるため、段階的な防御の発現の程度は過剰に見えるかもしれない。

これらの結論は、いくつかの臨床的意味を持つ。第一は、一見過剰に見える防御も、実は正常で有用であるということである。医師は、咳の過剰な遮断が肺炎を引き起こす可能性があることをすでに知っている。また、発熱、痛み、吐き気、下痢、鼻漏、不安の遮断も有害である可能性に注意を払う必要がある18。母なる自然の過保護さは見かけだけであっても、私たちの不快感の多くを、さほど害を及ぼすことなく遮断することは可能かもしれない。これは、

  • (1)調節機構は過剰防衛の側に立つ傾向がある、
  • (2)脅威の特定の事例を避けるために完全な防衛反応はしばしば必要ない、
  • (3)私たちは複数の重複した防衛を持つ、
  • (4)私たちの環境が私たちが進化した当時よりはるかに安全である、

からだ。したがって、不安、ストレス、痛み、その他の苦痛を和らげたり、遮断したりするために薬を使用しても、個人の適応度を低下させることなく安全である状況が多く存在する。ファーマコトピアは可能かもしれない。

この論文の目的は、明らかに過剰な反応を説明することなので、私は安価な防御策を強調した。高熱や心的外傷後ストレス反応のような高価な防衛策にも、利益/コスト・アプローチを適用することができる。このような防御は反応が鈍いように見えるかもしれない。また、社会的優位な立場への挑戦のように、リスクも高く費用もかかるような状況にも、利益/費用分析を適用することができる。ただし、このような分析の複雑さは大変なものだろう。

しかし、このような分析は非常に複雑である。現実的には、防衛を強化した方が有利な状況、あるいは防衛を減らした方が有利な状況をどのように区別するのか、私たちはまだ分かっていない。薬理学的に防御をより具体的に、より安全にブロックする能力が急速に高まっている今、この知識が緊急に必要なのである。特に、向精神薬の使用に関する議論は、現在、医学的危険性と依存の可能性に大きく基づいているが、新しい薬剤にそのような問題が少なくなれば、そのような議論は、通常の防御をブロックする知恵に関する質問に取って代わられるであろう32。上記の原則は、このような疑問に対処するための枠組みを提供するものである。

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