脳は、保持できるよりもはるかに多くの記憶を収集します。私たちは一日を通して新しい情報を吸収しますが、一晩中、そしてそれ以降に保持するのはほんの一部です.睡眠は、学習と忘却のバランス、脳の電気的シグナル伝達パターンを通じて一部の記憶を固定し、他の記憶を侵食するのに重要な役割を果たしているようですが、そのメカニズムは不明です。しかし、今月初めに報告された研究では、2 種類の脳波 (記憶を強化する脳波と記憶を弱める脳波) の相反する機能を分離することで、この謎を解き明かしました。
これらの脳波を互いに区別するだけで、研究者たちは、脳がどのように記憶を処理して一部を保持し、他の記憶を失うかについての競合する理論を調整する説明を形成し始めました.記憶と忘却の両方にとって睡眠がいかに重要であるかについて、私たちの理解にはギャップがあったと、カリフォルニア大学サンフランシスコ校の神経学准教授であり、この研究の上級著者である Karunesh Ganguly 氏は述べています。
記憶の定着に関する理論は、一般的に 2 つの陣営のいずれかに分類され、いくつかの証拠はそれぞれを支持しています。長期学習は、睡眠中に再現される脳活動のパターンに起因すると考えられています。これらの神経発火の集合は、元の学習に関与する信号を模倣し、その繰り返しがニューロン間のシナプス接続を強化して記憶を染み込ませます。再活性化がなければ、他のつながりは理論的には強化されず、それらの記憶は枯れてしまうはずです.
別の方法として、多くの研究者は「シナプス ダウンスケーリング」のアイデアを採用しています。これは、脳がより積極的にあまり役に立たない記憶を消去するというものです。学習には脳の接続を強化する神経活動が含まれるため、エネルギーの消耗になります。睡眠中は、接続に入るエネルギーが少なくなり、長期的に重要性の低い接続が弱まります.不要な記憶からこのバックグラウンド ノイズを取り除くことで、脳の信号が明確になり、脳の効率が維持されます。
新しい研究は、睡眠に関連するさまざまな脳波パターンの記憶保持における役割を調べることで、これらの理論の間の溝を埋めます。
記憶の強化と喪失に関する何十年にもわたる研究により、2 つの脳波パターン、すなわちゆっくりとした振動と「睡眠紡錘体」に注目が集まってきました。高いピークと低い周波数を特徴とするゆっくりとした振動が、脳の大部分を掃引します。これらは、ノンレム睡眠（急速な眼球運動がない一般的に夢を見ない状態）で数秒ごとに発生する高頻度活動のバーストである睡眠紡錘体と組み合わせると、記憶の統合に重要になります。対照的に、デルタ波は低速振動よりもわずかに小さく、脳内で局所的に現れる傾向があります。ゆっくりとした振動とデルタ波は一般的に睡眠中に一緒に現れ、お互いを区別するのが難しいため、しばしばゆっくりした波としてグループ化されます.
しかし、低速振動とデルタ波の違いを認識することが、新たに発表された研究で行われた発見の鍵でした.
UCSF の神経学のポスドク研究者であり、この研究の筆頭著者である Jaekyung Kim は、Cedars-Sinai Medical Center の生物医学科学および神経学の助教授である Tanuj Gulati と協力しました。報酬を与えて、彼らは運動皮質の特定の神経活動を含む新しいスキルでラットを訓練しました.夜、ラットが眠っている間、ラットは動物の脳で選択された波のパターンを抑制しました。翌日、異なる脳波の機能の手がかりとして、新しいスキルに対するラットの記憶が改善したか悪化したかをテストしました。
キムは、20年以上前の猫の研究で最初に観察された区別を利用して、ラットの脳の記録でデルタ波から遅い振動を分離するために正確な基準を使用しました。彼と彼の同僚が遅い振動をノックアウトしたとき、ラットの学習は悪化しました — 記憶を統合するための遅い振動の重要性が知られていることを考えると、予想通りです.
しかし、研究者が驚いたことに、デルタ波を中断すると、逆の効果が見られました。ラットの記憶が改善されました。
カリフォルニア大学ロサンゼルス校の統合生物学および生理学の教授であるジーナ・ポーは、次のように述べています。彼女は、これらの波の違いがそれほど重要であるとは予想していませんでしたが、研究の結果は他の多くの発見と一致していると述べました. 「パズルのピースが欠けているようなものです」と彼女は付け加えました。
これらの競合する機能は、メモリ統合の両方の中心的な理論のメカニズムを示唆しています。ガングリーのチームは以前、ゆっくりとした振動でネストされた紡錘体を、神経活動の集合体の再活性化と記憶の強化に関連付けていました。同時に、デルタ波は、おそらくシナプスのダウンスケーリングの形で脳の接続を弱めることによって、記憶を劣化させるようです.
ガングリー氏によると、デルタ波はこの文脈で広く研究されていませんでした。それらの影響を考慮に入れると、これら 2 種類の波のバランス、および学習と忘却のバランスが明らかになりました。 「それはプッシュプルシステムです」と彼は言いました。 「脳には、他の情報に基づいて物事のオンとオフを切り替えることができるダイナミクスがあります。」
実際には、ゆっくりとした振動とデルタ波は、紡錘体と時間的に一致するよう競合します。紡錘体がゆっくりとした振動と同期する速度は、ラットが新しいスキルをどれだけよく覚えているかに相関しますが、ゆっくりとした振動とデルタ波の両方の同期速度を考慮に入れると、はるかに優れた予測因子が生成されます。学習に影響を与えるのはゆっくりとした振動だけではありません。デルタ波も影響しているようです。カリフォルニア大学アーバイン校の精神医学および人間行動学の助教授であるブライス・マンダーは、「この 2 つは、単に記憶するだけでなく、適切なタイミングで適切な事柄を記憶するために非常に重要である可能性があります」と述べています。
しかし、このバランスはデリケートで、脳の外傷から睡眠不足まで、あらゆる要因で崩れてしまう可能性があります。脳波の変化はしばしば脳損傷に続くため、デルタ波の割合とゆっくりとした振動が長引く記憶障害に寄与している可能性がある、とガングリーは述べた.そして、これらの波の関係は、はるかに一般的な現象、つまり加齢に伴う認知機能の低下に関与している可能性があります.
ガングリーと彼のチームは、彼らの研究で、睡眠紡錘体が異なる波で異なる振る舞いをすることを観察しました。ゆっくりとした振動では、紡錘体は波の 1 つの位相と結合する傾向がありますが、デルタ波の別の位相にロックします。マンダー氏によると、紡錘体はゆっくりとした波の別の時点で巣を作り始めるため、脳の老化に同様の変化が見られます。老化した脳でデルタ波がより一般的である場合、この変化を説明するのに役立つ可能性があります.
デルタ波はまた、認知症とより直接的に結びついています。アルツハイマー病の特徴であるアミロイド斑の蓄積を示す脳では、デルタ波が増殖します。進行したアルツハイマー病では、睡眠時だけでなく、覚醒時にも見られます. 「デルタ波はどこにでも現れます」とマンダーは言いました。それらの存在は、記憶障害が脳内でどのように形成されるかを示唆しています.
これらの競合する脳波の研究を老化などの新しい分野に拡大することは、このメカニズムが他の種類の学習に適用されるかどうかにかかっています.たとえば、運動能力の学習は、他の種類の学習とはあまり関係のない脳領域に依存しているため、この競合する脳波メカニズムがすべての形式の記憶に存在するかどうかはまだ明らかではありません. /P>
デルタ波が低速振動とは異なる機能を持っている可能性があるという認識は、睡眠と記憶の研究におけるいくつかの問題への有望なアプローチも示唆しています。たとえば、睡眠を改善する薬の中には、学習と記憶を改善できないものがあります。それらの影響下で生成される徐波のバランスに関する将来の研究は、その理由を明らかにするかもしれません。睡眠中の徐波を追跡するデータは、徐波とデルタ波の別々の影響についてさらに新しい洞察を明らかにするかもしれません。また、最終的には、より遅い振動を促進することを目的とするのではなく、デルタ波を乱すことによって記憶を強化することが可能になるかもしれません.並外れた記憶を持つ人々の脳活動の研究は、学習に役立つ介入の概念を生み出す可能性もあります。 「この論文は、まったく新しい研究分野を切り開きます」とマンダーは言いました。
キムの研究の後にまだ残っている 1 つの疑問は、なぜ私たちや他の動物が私たちと同じように眠る必要があるのかということです。証拠によると、徐波と睡眠紡錘体の結合は、睡眠時間のうちほんの数秒しか占めていません。記憶の耐久性に長期的な変化をもたらすには、このカップリングのほんの数例が必要です。 「それは私たちの回路が再形成されるのに十分です」とポーは言いました.
