私たち人間と他の動物は、目覚めているすべての瞬間に、過去と現在の意識の境界でバランスを取らなければなりません。私たちは、以前の観察や出来事の短期記憶を保持しながら、私たちの周りの世界に関する新しい感覚情報を吸収しなければなりません.周囲を理解し、学習し、行動し、考える能力はすべて、知覚と記憶の間の絶え間ない機敏な相互作用に依存しています。
しかし、これを達成するために、脳はこの 2 つを区別しなければなりません。そうしないと、着信データ ストリームが以前の刺激の表現に干渉し、重要なコンテキスト情報を上書きしたり、誤って解釈したりする可能性があります。その課題を複雑にしているのは、一連の研究が、脳が短期記憶機能を前頭前野のような高次認知領域だけにきちんと分割していないことを示唆している.代わりに、経験を検出して表現する感覚領域やその他の下部皮質中枢も、それらの記憶をエンコードして保存する可能性があります。それでも、それらの記憶が現在の私たちの認識に介入したり、新しい経験によってランダムに書き換えられたりすることは許されません.
最近 Nature Neuroscience に掲載された論文 脳の保護バッファーがどのように機能するかを最終的に説明するかもしれません。 2 人の研究者は、現在と過去の刺激を相互に干渉することなく同時に表現するために、脳が本質的に感覚情報を「回転」させて記憶としてエンコードすることを示しました。 2 つの直交する表現は、互いに干渉することなく、重複する神経活動から引き出すことができます。このメカニズムの詳細は、メモリ処理に関する長年の議論を解決するのに役立つかもしれません.
プリンストン大学の神経科学者であるティモシー・ブッシュマンと彼の研究室の大学院生であるアレクサンドラ・リビーは、脳がどのようにして新しい情報と短期記憶がぼやけるのを防いでいるかを解明するために、マウスの聴覚に注目することにしました。彼らは、ブッシュマンが「史上最悪のコンサート」と呼んだもので、動物に 4 つのコードのシーケンスを受動的に何度も聴かせました。
これらのシーケンスにより、マウスは特定の和音間の関連付けを確立できるため、最初の和音と別の和音を聞いたときに、どの音が続くかを予測できました。一方、研究者は機械学習分類子をトレーニングして、これらのリスニング セッション中にげっ歯類の聴覚皮質から記録された神経活動を分析し、ニューロンがシーケンス内の各刺激を集合的にどのように表現しているかを判断しました。
ブッシュマンとリビーは、マウスが連想を構築するにつれて、これらのパターンがどのように変化するかを観察しました。彼らは、時間が経つにつれて、関連付けられたコードの神経表現が互いに類似し始めることを発見しました。しかし、彼らはまた、馴染みのない和音のシーケンスなどの新しい予期しない感覚入力が、マウスが聞いているものの表現を妨害する可能性があることも観察しました。実際には、以前の入力の表現を上書きすることによって.ニューロンは、動物が後の刺激に関連付けたものと一致するように、過去の刺激のエンコードをさかのぼって変更しました — それが間違っていたとしても.
研究者は、正確な記憶を維持するために、脳がこの遡及的干渉をどのように修正しなければならないかを判断したいと考えていました。そこで彼らは別の分類器をトレーニングして、シーケンス内のコードの記憶を表す神経パターンを識別および区別しました。たとえば、予期しないコードがより馴染みのあるシーケンスとの比較を引き起こしたときのニューロンの発火方法です。分類器は、実際に聞いたコードの記憶から無傷の活動パターンを見つけました — 古い連想を支持するためにさかのぼって書かれた誤った「修正」ではなく — しかし、それらの記憶の符号化は、感覚的な表現とは非常に異なっているように見えました.
記憶表現は、神経科学者が感覚表現に対して「直交する」次元として説明するもので編成され、すべて同じニューロン集団内にありました。ブッシュマンはそれを、一枚の紙に手書きのメモを取りながら部屋を使い果たすことに例えました。その場合、「紙を 90 度回転させて、余白に書き始めます」と彼は言いました。 「そして、それは基本的に脳が行っていることです。最初の感覚入力を取得し、それを紙に書き留め、その紙を 90 度回転させて、干渉したり、文字通り上書きしたりすることなく、新しい感覚入力を書き込むことができるようにします。」
言い換えれば、感覚データは、ニューロンの発火パターンのモーフィングを通じて記憶に変換されました。 「情報は、保護する必要があるために変化します」と、カリフォルニア大学サンディエゴ校の認知神経科学者アナスタシア・キヨナガ氏は述べていますが、この研究には関与していません。
脳内の情報を分離して保護するための直交コーディングのこの使用は、以前に見られました。たとえば、サルが動く準備をしているとき、運動皮質の神経活動は潜在的な動きを表しますが、筋肉への実際のコマンドを駆動する信号を妨害することを避けるために、直角に動きます。
それでも、神経活動がこのようにどのように変化するかは、しばしば明らかではありません.ブッシュマンとリビーは、マウスの聴覚皮質で観察していたことについて、その質問に答えたいと考えていました。 「私が最初に研究室で働き始めたとき、神経発火活動でそのようなことがどのように起こるか想像するのは困難でした」とリビーは言いました.彼女は、「この直交性を生み出すためにニューラル ネットワークが行っていることのブラック ボックスを開きたい」と考えていました。
可能性を実験的にふるいにかけ、聴覚皮質のニューロンの異なるサブセットが感覚と記憶の表現を独立して処理している可能性を除外しました。代わりに、彼らはニューロンの同じ一般的な集団が関与していること、およびニューロンの活動が2つのカテゴリーにきちんと分類できることを示しました.感覚表現と記憶表現の両方で行動が「安定」しているものもあれば、使用ごとに反応パターンを反転させた「スイッチング」ニューロンもありました。
研究者が驚いたことに、この安定ニューロンとスイッチング ニューロンの組み合わせは、感覚情報を回転させて記憶に変換するのに十分でした。 「それがすべての魔法です」とブッシュマンは言いました。
実際、彼と Libby は計算モデリング手法を使用して、このメカニズムが感覚と記憶の直交表現を構築する最も効率的な方法であることを示しました。他の方法よりも少ないニューロンと少ないエネルギーしか必要としませんでした。
ブッシュマンとリビーの発見は、神経科学の新たな傾向につながります。ニューロンの集団は、感覚の下位領域であっても、以前に考えられていたよりも豊富な動的コーディングに関与しています。サセックス大学の神経科学者ミゲル・マラバル氏は、「食物連鎖の下部にある皮質のこれらの部分は、おそらく今まであまり理解されていなかった、非常に興味深いダイナミクスを備えています」と述べています。新しい研究。
この研究は、短期記憶が一定の永続的な表現によって維持されるのか、それとも時間とともに変化する動的な神経コードによって維持されるのかについて、進行中の議論の 2 つの側面を調整するのに役立つ可能性があります。ブッシュマン氏は、安定したニューロンが前者を達成し、ニューロンを切り替えて後者を達成したことで、「私たちの結果は、基本的にどちらも正しかったことを示しています」と述べています。プロセスの組み合わせは、「干渉を防ぎ、この直交回転を行うのに実際に役立つ」ため、便利です。
ブッシュマンとリビーの研究は、感覚表現を超えた文脈で関連している可能性があります。彼らと他の研究者は、他のプロセスでこの直交回転のメカニズムを探したいと考えています。気晴らしに対処しながら、タスクにどのように関与するか。内部状態をどのように表すか。注意プロセスを含む認知を制御する方法において.
「私は本当に興奮しています」とブッシュマンは言いました。他の研究者の研究を見て、「見た覚えがあります。安定したニューロンがあり、スイッチング ニューロンがあります。今ではいたるところで見られます。」
Libby は、彼らの結果が人工知能研究に与える影響、特にマルチタスクが必要な AI ネットワークに役立つアーキテクチャの設計に関心を持っています。 「ニューラル ネットワークにニューロンを事前に割り当てて、単なるランダムなプロパティではなく、安定したスイッチング プロパティを持たせたことが、何らかの形でネットワークに役立つかどうかを確認したいと思います」と彼女は言いました。
全体として、「この種の情報のコーディングの結果は、非常に重要であり、理解するのが非常に興味深いものになるでしょう」と Maravall 氏は述べています。
