過去数十年にわたり、研究者は脳がどのように記憶を整理するかの詳細を解明するために取り組んできました。多くの謎が残されていますが、科学者たちは重要なイベントを特定しました。それは、「シャープ ウェーブ リップル」(SWR) と呼ばれる強烈な脳波の形成です。このプロセスは、瞬間的なリプレイの脳版であり、最近の経験で発生した神経活動のスピードアップ版です。これらの波紋は、わずか 100 ミリ秒の間に発火する数万の細胞の産物である、驚くほど同期した神経交響曲です。それ以上の活動は、発作を引き起こす可能性があります.
現在、研究者たちは、SWR が記憶形成以外にも関与している可能性があることに気付き始めています。最近、多くの有名なげっ歯類研究が、脳が SWR を使用して将来の出来事を予測していることを示唆しています。たとえば、最近の実験では、SWR が前頭前皮質の活動に関連していることがわかりました。これは、将来の計画に関与する脳の前部にある領域です。
このような研究は、記憶と意思決定プロセスの間の複雑な関係を明らかにし始めています.数年前まで、SWRに関するほとんどの研究は、記憶の作成と統合におけるSWRの役割のみに焦点を当てていたと、カリフォルニア大学サンフランシスコ校の神経科学者ローレン・フランクは述べています。 「動物はどのようにして実際に [記憶] を取り戻すのか?何をすべきかを理解するために、実際にこれをどのように使用しますか?」
新しい結果はまた、各耳の後ろにある C 字型の脳組織のこぶである海馬に関する私たちの理解に大きな変化をもたらしています。 1950 年代後半、この領域が H.M. として知られる患者の記憶喪失に関連していたことで有名になって以来、研究者は記憶の作成と保存におけるその役割に注目してきました。しかし、新しい研究によると、人々が将来のタスクを実行することを想像すると、海馬が活性化されることが示されています.同様に、海馬に損傷を受けた人は、新しい経験を想像することができません。海馬は、瞬間的なリプレイを可能にするだけでなく、過去への一種の精神的な時間旅行を可能にします。また、私たちが精神的に飛躍するのにも役立ちます.
実際、複雑な計画は海馬の真の利点かもしれません。 「それが記憶を持つポイントですよね？」フランクは言った。 「これまでの経験に戻り、そこから一般原則を抽出し、それらの原則を使用して次に何をすべきかを判断します。」
思い出のシンフォニー
ニューヨーク大学の神経科学者 György (Yuri) Buzsáki は、1982 年のどこかで、脳の瞬間的なリプレイの独特の音を初めて聞いた日のことを今でも覚えています。彼は当時、カナダのウェスタン オンタリオ大学の博士研究員であり、単一ニューロンのソフト ping を記録する方法を学ぼうとしていた若い研究者でした。
彼がラットの脳組織の何層にもわたって電極を挿入すると、接続されたスピーカーが神経ノイズの断続的な音を発しました。突然、ワイヤーが海馬の底にぶつかったとき、スピーカーはクラッシュchhhhhで生き返りました. 音。一瞬のうちに消えてしまいましたが、ブザキは唖然としました。 「どうすればいいのかわからなかった」と彼は思い出した。それはまるでオーケストラの演奏家たちが楽器をぼんやりとチューニングしているのを聞いていたかのようで、次の瞬間、彼らはベートーベンの交響曲第 5 番のスリリングなハーモニーの中で突然団結しました。 「今まで見た中で最も同期的なパターンでした」と彼は言いました。
1989 年、Buzsáki は、海馬の SWR 脳波の目的は、記憶の整理と統合を助けることであると提案する重要な論文を発表しました。彼は、記憶の 2 段階モデルを概説しました。能動学習と呼ばれる第 1 段階では、皮質のさまざまな部分 (脳の外層) の細胞が、カモメの鳴き声や波の匂いなどの感覚情報を表す信号を送信します。
Buzsáki の記憶の第 2 段階である統合段階では、海馬がこれらの異なる発火パターンを受け取り、単一の SWR に合成します。 SWR は記憶をエンコードし、後で検索できるように脳の他の部分に保存します。本の索引のエントリが特定の単語に言及しているすべてのページを一覧表示するように、SWR は特定の過去の出来事を残りの脳に思い出させる明確なコードを提供するようです。カリフォルニア大学アーバイン校とカナダのレスブリッジ大学の神経生物学者であるブルース・マクノートンは、「私たちはそれをインデックスコードと呼んでいます。 SWR は、固有のコードにより、さまざまな感覚入力から組み立てられた首尾一貫した記憶を保存することを可能にします。
1994 年、McNaughton と彼の同僚で現在マサチューセッツ工科大学の神経科学者である Matthew Wilson は、Science に論文を発表し、記憶固定理論の最初の直接的な証拠を提供しました。科学者たちは、SWR が動物が眠っているとき、麻酔下、または不動の期間にのみ発生することをすでに知っていました。彼らはまた、動物が単純な迷路を駆け抜けるとき、ニューロンが特定のパターンで発火することも知っていました。 McNaughton と Wilson は、ラットの脳に多数の電極アレイを挿入し、これらのパターンを監視しました。彼らは、ラットが迷路を走っているときに生成する特定の神経パターンが、後で SWR として繰り返されることを発見しました。この睡眠中の経験の再生は、脳が記憶を海馬から大脳皮質の長期保存に転送する方法の一部であると研究者は仮説を立てました。
次の 20 年間で、研究者は SWR が睡眠中だけでなく、記憶の統合の重要な要素であることを確立しました。 2006年、ウィルソンと彼のポスドク研究員であるデビッド・フォスターは、ラットがまっすぐな道をたどっているときに発火した一連の脳活動が、その直後の休息期間にも正確な順序で再生されることを Nature に報告しました。興味深いことに、研究者は、このパターンが逆に発火することを発見しました — ラットは、おそらく、現在の状態の動物にとってこれらの記憶が最も有用であったため、最近の経験を最初に見直しました.
ディシジョン ツリー
過去数年間、多くの研究グループが、動物がこれらのインスタント リプレイを使用して行動を誘導する方法を調査してきました。ローレン・フランクのチームは、E のような形をした金属製のトラックをネズミに走らせることで、この問題を掘り下げました。 90度回転しました。動物は、特定のパターンに従うと報酬が与えられます。つまり、中央の腕から左の腕に移動し、次に中央に戻り、次に右の腕に移動して中央に戻るなどです。これを成功させるには、2 つのルールを学ばなければなりません。 1 つ目は簡単です。外側の腕にいる場合は、中央に移動します。 2 番目のルールはさらに考えなければなりません:もし私が中腕にいるなら、私が来たばかりではない外側腕に行きます.
ラットが中腕で一時停止すると、海馬が SWR を吐き出し、これらのコードは動物が迷路でたどったばかりの経路を表します。まるで動物が考えるのをやめているかのようです:私はどこから来たのですか?次はどこに行けばいいですか?
2012 年に Science に掲載された研究で、Frank と彼の同僚は、これらの SWR がタスクの学習に不可欠であることが判明したことを示しました。研究者が電気刺激で SWR を一掃すると、ラットは交互の迷路パターンを学習できなくなりました。彼らは最初のステップ、つまり外に出て戻ってくることを学びましたが、2番目のステップは学びませんでした。 Frank は、SWR がラットの直近の過去の情報 (今何をしたか) と次に何をする必要があるかを統合すると理論付けています。
しかし、一部の神経科学者は、SWR が計画、意思決定、および多くの脳領域の調整された活動に依存するその他の複雑な行動に密接に関与していると言う準備ができていません.驚いたことに、Buzsáki は懐疑論者の 1 人であり、SWR はメモリの統合に限定されていると信じています。 「私は鋭い波が大好きで、これらの[研究]を可能な限り促進しようとしています」と彼は言いました. 「しかし、私は少し慎重です。」
彼は、SWR が約 100 ミリ秒という短い時間しか持続しないことを指摘しています。 「それは脳全体を興奮させるには短すぎる」と彼は言い、意識的な決定を下す行為には少なくとも500ミリ秒かかることを示す研究を引用した.さらに、意思決定が行われていないときに SWR が発生することがよくあります。 「それらが意思決定に関連している場合、半分眠っているときではなく、完全に覚醒しているときに発生すると予想されます」と彼は言いました.
長距離接続
SWRが本当に計画と意思決定に関与している場合、海馬の外側の脳領域と何らかの方法で通信する必要があります. 「最初の質問は、脳の残りの部分は気にするかということです。」フランクは尋ねた。彼の最新の研究によると、そうです。 「脳の残りの部分は気にかけていますし、かなり気にかけています。」
この研究では、フランクのチームは再び 3 アーム トラックを使用しましたが、今回研究者はラットの前頭前皮質のニューロンからの反応を記録しました。 SWR。 Frank は、SWR コードが前頭前皮質の発火パターンと強く同期していることを発見しました。
SWR の間、前頭前皮質のニューロンの約 3 分の 1 が発火活動を変化させることを彼は発見しました。 Frank が 6 月にギリシャのサントリーニ島で開催された Areadne 会議で発表したこの研究は、動物が起きている間、SWR と前頭前皮質との間の緊密で協調的な関係を発見した最初の研究である、と Frank は述べた。 「海馬と、かなり離れたこの前頭前野脳領域との間には、非常に強力な通信モードがあるようです。」
Buzsáki は、海馬と脳の他の部分との間の相互作用の証拠に興奮しています。彼は、研究者が麻酔下のサルの脳をスキャンした 2012 年の Nature の研究を引用し、SWR が大脳皮質のほとんどを活性化すると同時に非皮質領域を沈黙させるようであることを示しました。
「彼らが観察したことは非常に驚くべきものです」とブザキは言いました。 「海馬は皮質の広い領域に到達することができます。」
Buzsáki は、SWR が記憶の統合に関与しているという彼の理論を初めて発表したとき、これらの相互作用は、学習中に皮質が海馬にメッセージを送信し、記憶の統合中に海馬が大脳皮質にメッセージを送信する、やや一方向であると考えました。しかし今、彼は大脳皮質と海馬の間のコミュニケーションが多層構造になっているのではないかと考えています。 「物事はよりトリッキーになり、より美しくなりました」と彼は言いました。
