私たちの脳には、時間を監視する並外れた能力があります。ドライバーは、黄色信号を通過するのにどれくらいの時間が残っているかを判断できます。ダンサーはビートをミリ秒単位まで抑えることができます。しかし、脳が正確にどのように時間を追跡するのかはまだ謎のままです。研究者は、運動、記憶、色覚、その他の機能に関与する脳領域を定義しましたが、時間を監視する領域は定義していません。実際、私たちのニューラルタイムキーパーは非常にとらえどころのないものであることが証明されているため、ほとんどの科学者は、このメカニズムが脳全体に分散しており、さまざまな領域がさまざまなモニターを使用して、必要に応じて時間を追跡していると考えています.
ここ数年、一握りの研究者が、宇宙での個人の位置を監視しているのと同じ細胞が時間の経過も記録しているという証拠を集めてきました。これは、2 つの脳領域 (海馬と嗅内皮質) が記憶とナビゲーションの役割で有名であることを示唆しています。
11 月に発表された研究では、ボストン大学の神経科学者である Howard Eichenbaum と共同研究者は、グリッド細胞として知られる脳の内部 GPS システムを形成するラットの細胞が予想よりも柔軟であることを示しました。通常、これらの細胞は推測航法システムのように機能し、動物が特定の場所にいるときに特定のニューロンが発火します。 (これを発見した研究者は、2014 年にノーベル賞を受賞しました。) Eichenbaum は、動物がトレッドミルで走っているときなど、その場所に置かれているとき、細胞が距離と時間の両方を追跡していることを発見しました。この研究は、脳の空間感覚と時間感覚が絡み合っていることを示唆しています。
この発見は、脳の記憶とナビゲーションシステムがどのように機能するかについての理解を広げるのに役立ちます.おそらく、グリッド セルと他の GPS に似たセルの両方が、空間だけに合わせて調整されているのではなく、関連するあらゆるプロパティ (時間、匂い、さらには味) をエンコードすることができます。カリフォルニア大学サンフランシスコ校の神経科学者で、記憶と海馬を研究しているローレン・フランクは、「これはおそらく、海馬が行っている幅広いことを示しています。 「経験をコード化するための関連軸を見つけ出し、細胞を使用してそれらの経験をマッピングします。」
これらのマップは、記憶のフレームワークを構築し、終わりのない一連の過去の経験を整理するシステムを提供します。 「海馬は、空間と時間における記憶のグランドオーガナイザーです」とアイヘンバウムは言いました。 「他のイベントが適用される時空間フレームワークを提供します。」
時間タイル
海馬がどのように時間を監視しているかを研究するために、科学者はネズミを訓練して車輪や小さなトレッドミルで走らせます。この設定により、動物の位置と行動が一定に保たれるため、研究者は時間に関連する神経信号に集中できます。 (ラットはじっと座っているにはあまりにもそわそわするので、走ることは通常のぴくぴく動く行動を標準化するのに役立ちます。) 脳の奥深くに埋め込まれた電極が、さまざまな細胞の発火を記録します。
Eichenbaum の実験では、ラットは設定された期間 (たとえば 15 秒間) トレッドミルで走り、その後報酬を受け取ります。動物がこのサイクルを何度も繰り返すと、脳はその 15 秒間隔を追跡することを学習します。一部のニューロンは 1 秒で発火し、他のニューロンは 2 秒で発火し、15 秒が経過するまで続きます。 「各セルは、時間間隔全体を満たすまで、異なる瞬間に発火します」と Eichenbaum 氏は述べています。このコードは非常に正確であるため、研究者は、どの細胞が活動しているかを観察するだけで、動物がトレッドミルに乗っている時間を予測できます。 Eichenbaum のチームは、トレッドミルの速度を変えて実験を繰り返し、セルが単に距離をマークしていないことを確認しました。 (細胞の中には距離を追跡するものもあれば、時間のみに関連しているように見えるものもあります。)
「時間細胞」と呼ばれるこれらのニューロンは明らかに時間を記録することができますが、どのようにそれを行うのかはまだ明らかではありません.細胞はむしろストップウォッチのように振る舞います — 時計をスタートさせるたびに、神経活動の同じパターンが繰り返されます.しかし、ストップウォッチよりも順応性があります。研究者が実験の条件を変更すると、たとえば実行時間を 15 秒から 30 秒に延長すると、海馬の細胞は新しい間隔にまたがる新しい発火パターンを作成します。ストップウォッチをプログラミングして、まったく異なるタイム スケールに従うようなものです。
さらに、時間セルはコンテキストに依存します。それらは、動物が時間が最も重要な状況に置かれたときにのみ時間をマークします。他の変数が作用すると、同じセルが異なる動作をします。たとえば、ラットが新しい環境を探索できるようにすると、これらの同じ細胞が空間にマッピングされます。動物が特定の時間に発火するのではなく、特定の場所にいるたびに特定のセルが発火します。
脳の時空間マトリックス
Eichenbaum の研究は、海馬が科学者の予想よりも柔軟であることを示唆する神経科学研究の 15 年間の傾向と一致しています。研究者は伝統的に、それを地図作成者と考えていました — 場所をコードする細胞は 40 年前に発見されました — しかし、増え続ける証拠は、それが他の種類の情報もコード化できることを示唆しています。最新の写真によると、場所セルは空間だけでなく他の関連変数もマッピングできます。時間はその 1 つですが、他の可能性もあります。たとえば、「ワイン テイスターには、ワインの味と香りのスペースがあるかもしれません」とフランクは言いました。
しかし、多くの科学者はいまだに海馬を大部分が空間的な構造であると考えています。彼らの主張によると、神経回路は位置を追跡するように進化し、他のすべてはその上に記録されている. 「海馬は本質的に本質的に空間的なコードを提供します」と、カリフォルニア大学アーバイン校の神経科学者であるブルース・マクノートンは言いました。
Eichenbaum の調査結果は、この見解に異議を唱えていますが、それを埋めているわけではありません。ジョンズ・ホプキンス大学の神経科学者であるデビッド・フォスターは、「間違いなく明らかなことは、場所の細胞が場所を超えた情報を表すことができるということです。 「しかし、あまり明確でないのは、彼らが純粋な時間の経過をコード化できるかどうかです。」
時間を計ったトレッドミルの実験では、ラットは数を数えるのと非常によく似た動作をしているように見えます。しかし、これらの細胞は時間の経過そのものを示しているのでしょうか、それとも単に時間のように見える何かに反応しているのでしょうか?バージニア州アッシュバーンにあるハワード・ヒューズ医学研究所のジャネリア・リサーチ・キャンパスの神経科学者であるエヴァ・パスタルコワ氏は、「細胞に特定の時点で発火するように指示する駆動原理はわかっていませんが、その時ではないと思います」と述べています。十分に正確ではありません。それらは時を刻む時計のようではありません。」
ニューヨーク大学神経科学研究所の神経科学者 György Buzsáki は、海馬がどのように時間を追跡するかを調査する最初の実験のいくつかを行ったラボで、これらの細胞は時間自体を監視するのではなく、別のことを行っていると提案しています。動物の次の一手。記憶と将来の計画の両方が時間とともに展開されるため、時間細胞は単にこの精神活動を反映している可能性があります。
「それが私にとって一番の問題です。時間の追跡以外に何もしない脳内の専用ニューロンはありますか?」ブザキは言った。 「それともすべてのニューロンは、実験者が時間に変換できる、順番に発生する機能を持っているのでしょうか?」
Buzsáki は、海馬細胞を独立して空間や時間をコード化していると考えるのは理にかなっていないかもしれないと指摘しています。人間の脳は、時間と距離を同じ意味で考えることがよくあります。 「ニューヨークからロサンゼルスまでの距離を尋ねると、答えはさまざまです。3,000 マイル、飛行機で 6 時間です」と彼は言いました。 「古い言語では、距離は通常、時間 (ある谷から別の谷に移動するのにかかる日数) で表されていました。これは、距離ではなく、簡単に計算できる日没の回数だったからです。」
ブザキにとって、この問題は神経科学を超えて物理学にまで及びます。物理学者は、時空をまとまりのある 4 次元の実体、つまり宇宙のオブジェクトとイベントが埋め込まれたファブリックと見なしています。 「神経科学は、物理学の古い問題に立ち返らなければなりません:場所と時間の細胞はありますか?それとも、脳には単一の時空間連続表現しかないのでしょうか?」ブザキは言った。
メモリー マップ
アイヘンバウムは、これらの抽象的な問題にはあまり関心がありません。彼の目標は、記憶の形成において時間が果たす役割を明らかにすることです。 「今朝何をしたかを思い出すとき、出来事は起こった順序で覚えています」と彼は言いました。 「海馬はどのように記憶を整理していますか?」
海馬に損傷を受けた人は、しばしば新しい記憶を作ることができません。有名な患者である H.M. は、脳のその部分の多くを切除するためにロボトミー手術を受け、毎日何度も主治医に自己紹介をしました。しかし、これらの患者は、実験で提示された単語や物の順序を覚えるのにも苦労しています。 「海馬は、一連の出来事の時間的順序を記憶する能力をどのようにサポートしていますか?」アイヘンバウムは言った.
Eichenbaum は、一連のイベントが体験を表現するタイムラインを提供するものとしてタイム セルを想定しています。思い出が映画なら、時間セルは個々のフレームを整理するものだと彼は言いました。彼のチームは、イベントが発生した順序を記憶するために細胞がコードをどのように変更するかを確認するために、さまざまなイベントで時間遅延を散在させる実験を計画しています。 「海馬は時計ではないと思います」と彼は言いました。 「しかし、記憶の中で起こったことを整理するために時計を使用しています。」
