1世紀以上前、動物学者のリチャード・シーモンは、足跡のように、記憶が脳に残さなければならない物理的な痕跡を表す「エングラム」という用語を作り出しました。それ以来、神経科学者は、私たちの脳がどのように記憶を形成しているかを正確に解明する研究を進めてきました。彼らは、私たちが記憶を形成すると特定の脳細胞が活性化し、それを思い出すと再活性化し、関与するニューロン間の接続を強化することを学びました.その変化は記憶に染み込み、記憶をより頻繁に思い出すことができますが、他の記憶は薄れていきます。しかし、これらの変化をもたらすニューロン内の正確な物理的変化を特定することは、これまで困難でした.
先月発表された研究では、マサチューセッツ工科大学の研究者が、エングラム細胞の染色体の分子スケールで記憶形成プロセスの重要な部分を追跡しました。神経科学者は、記憶の形成が瞬間的ではないこと、記憶を脳に固定するためには記憶するという行為が重要であることをすでに知っていました.これらの研究者は、そのメカニズムの物理的な具体化のいくつかを発見しました.
MIT のグループは、遺伝子 Arc を発現するたびに細胞が発光するように、蛍光マーカーをゲノムにスプライシングしたマウスを使用しました。 、これは記憶形成に関連しています。科学者たちは、これらのマウスを新しい場所に置き、特定の騒音を恐れるように訓練し、数日後にこの場所に戻して記憶を再活性化させました.海馬と呼ばれる脳の領域では、この記憶を形成して想起するエングラム細胞が色で光り、死後の検査中に顕微鏡下でそれらを他の脳細胞から簡単に選別することができました.
これらのエングラム細胞の核を覗き込むと、研究者は、記憶が形成されるにつれて、染色体を構成するDNAと調節タンパク質の複合体であるクロマチンの構造の細かい変化を発見しました.クロマチンの一部は、記憶に関連する遺伝子がより容易に活動を開始して記憶を強化および保存できるように再編成されました。 「基本的に、記憶形成プロセス全体がプライミング イベントです」と、MIT の Picower Institute for Learning and Memory のディレクターであり、この研究の上級著者である Li-Huei Tsai 氏は述べています。
記憶のためのウォーミングアップ
この結論は、実験の最初から明確ではありませんでした。記憶が形成された直後は、エングラム細胞の遺伝子発現に大きな違いはありませんでした。しかし、研究者たちは、細胞のクロマチンにいくつかの構造変化があることに気付きました。DNA の特定の領域がアクセスしやすくなり、クロマチンタンパク質やその他の DNA ストレッチがそれらを覆わないように移動しました。これにより、その DNA 内の遺伝子がエンハンサー (遺伝子の活性化を高めることができる遺伝要素) にアクセスしやすくなりました。
数日後、研究者はさらに変化を発見しました。これらのエンハンサーの多くが、標的とする特定の遺伝子に近づくように、DNA 自体がさらに再編成されました。それでも、遺伝子の発現方法に劇的な変化はありませんでした。 「当時は本当に落ち込んでいた」と、MIT のポスドク アソシエートであり、研究の筆頭著者である Asaf Marco 氏は述べています。 「まったく意味がありませんでした。」
しかし、マウスが最初にこの記憶を形成した環境に戻されたとき、遺伝子発現の急増が続いた.エンハンサーの構造変化は、これらの活性化パターンと一致しており、関与するニューロン間の接続が強化されています。その時、マルコは、クロマチンの構造上の変化が、記憶が想起されたときに細胞が記憶を強化する準備をしていることに気付きました.
ボストン大学の心理学および脳科学の助教授であるスティーブ・ラミレスは、「それはまるでトレーニングのウォーミングアップのようなものです。記憶が形成されると、エングラム細胞は、それらの間のつながりを作成および強化する遺伝子を発現するように準備を整えます.しかし、細胞はこれらの潜在的な変化を最大限に活用できるのは、記憶が再び思い起こされたときだけです. 「彼らは実行する準備ができており、想起のプロセスを可能にします」と彼は言いました. 「そのアイデアはとても興味をそそられます。」
過去 10 年ほどの間に、エングラム研究を行っているいくつかのグループは、クロマチンの構造変化が細胞を刺激して記憶を作り、保存するのではないかと疑い始めています。トロント大学の心理学助教授である Iva Zovkic は、次のように述べています。さらに、MITグループの研究は、記憶形成と想起の段階を分離して、これらの構造変化がいつ役割を果たすかを確認する新しい種類の証拠で概念を固めました. 「それは、これまでに行われたどの方法よりもはるかに直接的にそれを示す方法です」と Zovkic 氏は述べています。
ラミレス氏によると、遺伝的および細胞の変化を非常に小規模に分析できる新しい技術は、ここ数年でエングラム神経科学にルネッサンスをもたらしました。脳システムの分子変化を行動に結びつけることが新たに可能になりました。 「この論文で最もエキサイティングなことの 1 つは、この前例のないレベルで実際にズームインしたことです」と彼は言いました。 「この種の解像度を見るのは本当に魔法のようです。」
アーキテクチャの研究
それでも、最先端のツールでさえ、生きている動物の記憶形成をこれほど詳細に追跡することはできないため、科学者は人間の記憶形成をこれほど詳細に観察することはできません。これらのプロセスはマウスで研究されており、人間の細胞は、より複雑で重複する記憶をエンコードする際に同じパターンをたどらない可能性があります。コロンビア大学の生理学および細胞生物物理学の助教授であるショーン・リューは、次のように述べています。
しかし、マウスと人間にはいくつかの共通の記憶回路があります。この研究では、海馬の細胞を追跡しました。海馬は、両種の脳の中心近くにある曲がった構造で、学習と記憶に不可欠です。海馬の人間とマウスの違いは、研究結果の適用性を和らげますが、この新しいサブフィールド内では、それらは説得力のあるデータ ポイントです。 「記憶形成を説明するモデルとしてのプライミングは非常に魅力的です」と Tsai 氏は述べています。
このような実験を重ねることで、どの脳細胞がこれらのパターンに従うかを絞り込むことができ、さまざまな種類の記憶でパターンが同じである場合、それらが感情的な瞬間、身体的スキル、または脳が保持している視覚情報であるかどうかにかかわらず、ラミレス氏は言いました.これにより、記憶がどのように形成されるかについてのより広範な原理が明らかになり、心的外傷後ストレス障害やアルツハイマー病など、記憶が持続しすぎたり持続しにくくなったりする疾患の治療法につながる可能性があります。分子レベルで脳がどのように記憶を固定し、他の記憶を失うかを理解することは、老化、学習、その他の重要なプロセスに影響を与える機会を生み出す可能性があります。
クロマチン構造のこれらの変化について学ぶべきことはまだたくさんあります。栄養やストレスなどの多くの種類の環境要因は、クロマチン内の DNA とタンパク質の配置を変化させる可能性があり、DNA が発現して細胞の挙動に影響を与える場合、下流に影響を及ぼします。さらなる研究により、タンパク質の生成を指示しない、または脳内で他の明らかな影響を及ぼさない DNA の豊富な領域を調べることもできます。
「私たちは現在、ゲノムの 95% を無視しています」と Marco 氏は言います。彼はそれをジャンク DNA と呼ぶように教えられました。しかし、記憶エンコーディングのこの側面を駆動するエンハンサーと同様に、これらの遺伝子の残りの部分も重要な役割を担っている可能性があります。 「私たちはゲノムをマッピングしましたが、まだそのほとんどを理解していません」と彼は言いました.
