決定、決定。私たちは皆、常に意識的および無意識的な選択に直面しています。何を着るか、何を食べるか、週末をどのように過ごすかだけでなく、鉛筆を手に取るときにどちらの手を使うか、椅子に座って体重を移動するかどうかについても。些細な決定を下すために、私たちの脳は「もしも」の山をふるいにかけ、仮説を検討します。たとえば、スピード違反の車の邪魔にならないように飛び出すなど、自動のように見える選択であっても、脳は過去の経験から非常に迅速に推定して、予測を行い、行動を導くことができます。
先月 Cell に掲載された論文で 、カリフォルニアの研究者チームは、決定を下しているラットの脳を覗き込み、ニューロンが利用可能な競合する選択肢を急速に実行するのを観察しました.彼らが説明したメカニズムは、意思決定だけでなく、想像力に似た、より抽象的な可能性を想像する動物の能力の根底にあるかもしれません.
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・フランクが率いるこのグループは、海馬の細胞の活動を調査した.彼らは場所細胞と呼ばれるニューロンに特別な注意を払いました。これは「脳の GPS」という愛称で呼ばれています。これは、空間を移動する動物の位置を精神的にマッピングするためです。
場所の細胞は、動物がその環境を移動する際に、特定のシーケンスで非常に急速に発火することが示されています。このアクティビティは、動物のすぐ後ろからすぐ前への位置のスイープに対応しています。 (研究により、これらの前進スイープには、目標や報酬の場所に関する情報も含まれていることが実証されています。)シータサイクルと呼ばれる神経活動のこれらのパターンは、ラットでは毎秒約 8 回繰り返され、動物の仮想軌跡が常に更新されます。
しかし、フランクと彼のチームが発見したように、動物が行動しようとしているとき、シータサイクルに関連する神経活動は、将来の可能性のあるさまざまな経路の間を行ったり来たりします。今後の行動方針のビュッフェから、高速で往復の味覚テストを行います。
脳波における交互のシナリオ
研究チームは、場所の細胞から電極を記録しながら、W 字型の迷路を交互に通るようにラットを訓練しました。動物は迷路の中央のアームを通り抜け、左または右に曲がりました。しかし、げっ歯類がどちらに曲がるかを決めなければならない段階に近づいたとき、科学者たちは彼らの場所細胞の挙動に奇妙な点があることに気付きました.
ラットは、左に曲がる直前 (および左に曲がるとき) に迷路の中央アームで発火する細胞と、右に曲がる直前 (および右に曲がるとき) に発火する場所細胞を持っていました。ラットが転換点に近づくと、両方の細胞セットが一緒に発火することがあるのは当然のことのように思えました。迷路のその領域では、細胞の共同活動が動物の現在の位置を反映します。しかし、それは実現しませんでした。
代わりに、セルは順番に発火しました。あたかも、動物がルートにコミットする前に、その海馬は、将来直面する場所の「左」と「右」の両方のオプションを交互に処理し、常にそれらを区別することによって処理したかのようでした.
「脳は、これらのものを分離しておくために懸命に働いていました」とフランクは言いました。 「問題はその理由でした。」
ミネソタ大学の神経科学者であるデビッド・レディッシュと故アダム・ジョンソンによる以前の研究は、迷路を進む動物の場所の細胞の潜在的な未来を通して、同様の種類の往復スイープを示しました。しかし、これらの変化はより慎重な行動に関連しているようであり、ペアは、「左」または「右」の表現がランダムに現れたのか、より体系的に現れたのかを調査しませんでした.
対照的に、UCSF チームが特定した交替は、シータリズムの 1 つおきのサイクルと正確に一致していました。海馬は、1 つのサイクルで左回転の選択を表現し、次のサイクルでは右回転の選択に切り替えました。シナリオは、実験全体を通して常に完全に交互になるとは限りませんでした — 時折、同じシナリオが数サイクル持続することもありました — しかし、信号の構造は否定できませんでした. 125 ミリ秒のシーケンスは、未来に関する脳のさまざまな仮説を、継続的で一貫性のある全体的なフレームワークに分離するように見えました.
「ここで驚くべきことは規則性です。まったく信じられないことです」と、ニューヨーク大学医学部の神経科学者で、新しい研究には参加していない György Buzsáki 氏は述べています。 「これは 1 対 1 の関係です。1 つのサイクルが左、1 つのサイクルが右、次に左、そして右です。」この高度に構造化された配置の利点は、それぞれの「もしも」のシナリオがバランスのとれた順序付けられた方法でテストされることであると彼は言いました.
フランクと彼の同僚がシータリズム中の神経活動をさらに詳しく調べたところ、各サイクルの最初の部分はラットが現在いる場所に対応し、2番目の部分は左または右の代替を示していることがわかりました.全体のパターンは次のようなものでした:現在地、左に行く可能性、現在地、右に行く可能性、繰り返し。
すべてのオプションを利用可能にしておく
他の興味深いパターンもデータから明らかになりました。たとえば、研究者らは、シータ サイクルが、迷路内のラットに直面している左右の可能性の間でフリップ フロップするだけでなく、個々のサイクルがルートを逆にする可能性を含む場合があることを発見しました。その発見は不可解でした。なぜなら、ネズミがその時点で検討する必要がある選択肢のようには見えなかったからです.
Cell の最初の著者であるコロンビア大学のポスドク研究員である Kenneth Kay によると、この事実は、海馬が動物が次に遭遇するものを単純に予測しているという考えに反するものです。 紙。 「サイクル構造は、海馬がエンコードできるさまざまなものを関連付ける潜在的に普遍的な方法であることを示唆しています。」
この場合、Frank は次のように述べています。
したがって、シータリズムは、仮説をコード化するという点で、より一般的な目的を持っているようです。各サイクルには「特定のコンテンツが含まれています」と、この研究には参加していないマギル大学の神経科学者であるマーク ブランドンは述べています。 「それは『左に曲がる』か『右に曲がる』かもしれません。しかし、より広い意味で言えば、特定の記憶、または起こった特定のイベントが、シータ振動によって提供されるこれらの 125 ミリ秒のチャンクにエンコードされている可能性があります。」
新しい研究には関与していない Redish 氏も同意した。 「それは単に空間を表しているのではなく、ある種のエピソード構造を表しているのです」と彼は言いました。 「それは本当にあなたの選択肢を検討することです。」
おそらく、シータサイクルは、海馬がそのような抽象的な選択を調査するために使用する基本的な計算単位であると研究者は述べています。ほとんどの場合、その内容は経験に基づいている可能性が高く、動物が環境の変化に迅速かつ柔軟に対応できるようになる可能性があります。たとえば、捕食者から逃れることができます。しかし、「私たちの研究は、将来、すぐに、または非常に明白な方法で必ずしも役立つ必要がないことも示しています」とケイは言いました. 「それは、創造性、生成的または想像的プロセスにおいて、より広い役割を果たしている可能性があります。」
その可能性は、海馬を、その記憶関連機能によって意思決定を支援するだけではない脳領域として位置付けます.むしろ、それは学習構造と見なされるべきであり、想像された未来を生成してサンプリングし、他の脳領域が評価して行動するためのオプションをシミュレートするものです.シータ サイクルは、その仕組みを解明するための明確な入り口のようです。
わずか 1 秒のウィンドウは、他の認知プロセスや神経学的状態を理解するためにも重要かもしれません。多くの場合、神経プロセスの研究では、試行期間中の平均的な細胞活動が行われます。 Frank と彼の同僚による研究は、パッケージ化された情報をはるかに速いタイムスケールで解析することの重要性を示しています。
研究者たちは現在、観察した交互パターンを生み出すメカニズムと、その活動が意思決定中に脳の他の部分にどのように影響するかを調べています。また、2 つ以上の代替シナリオを含む迷路実験も行っています。げっ歯類の脳のリズムは人間のリズムとは異なりますが、研究者たちは、この発見が他の種にも当てはまることを期待しています.
「私たちは認知と想像力の微細な時間スケール構造の理解の表面をなぞっただけです」とケイは言いました。 「考えるのは楽しいです。」
編集者注:ローレン フランク の作品は、この編集的に独立した雑誌にも資金を提供しているシモンズ財団によって部分的に資金提供されています。
