[会員へのお知らせ] 神経科学トピックス

記憶の獲得によって脳領域横断的に情報を統合する
ネットワークが形成される

大阪公立大学大学院医学研究科
助教
宮脇 寛行
1つの経験の記憶は様々な脳領域で並列的に処理されますが、それらの情報がどのように統合されるのかは不明でした。本研究では各領域に経験前から存在している神経活動パターンの「つながり」が経験により変化することを発見しました。これは異なる領域で処理された情報の統合のされ方の変化が記憶の形成に重要な役割を担うことを示唆しています。
脳は莫大な数の神経細胞から構成されていますが、それぞれの細胞はランダムに活動しているわけではなく、同時に活動しやすい特定の組み合わせが存在することが分かっています。この「特定の組み合わせ」の細胞が協調して活動することが、脳における記憶情報表現の基本単位になっていると考えられています。神経細胞集団のこの性質を様々な楽器が協調して1つのハーモニーを奏でる小楽団になぞらえ、「同時に活動する神経細胞集団」は神経の「アンサンブル」と呼ばれています。近年、脳には多数のアンサンブルが存在しており、異なる情報は異なるアンサンブルの活動と結びついていることが明らかにされてきました。
 脳は解剖学的あるいは機能的に多数の領域に分けることができますが、ある経験の記憶を担うアンサンブルが様々な脳領域に存在しています。このことは、1つの経験の記憶が脳の様々な領域で並列的に処理されていることを意味していますが、これらの脳全体に分散した情報がどのように統合されているのかは不明でした。この点を明らかにするため、本研究ではラットにおける音と嫌悪刺激の連合記憶をモデルとして用い、この記憶に関与する海馬、扁桃体、大脳皮質前頭前野の3つの脳領域から同時に多数の神経細胞の活動を記録しました。
 まず、音とともに嫌悪刺激が提示されるという経験をしているときに活動するアンサンブルを特定し、それらがその経験前後の睡眠中や、経験時の記憶を想起する際にどのくらい活性化されているかを経時的に観察しました。その結果、これらのアンサンブルの多くが記憶の想起によって活性化あるいは抑制されていました。これは、経験時に同定されたアンサンブルが記憶に関与していることを示唆しています。
 次に、経験前のアンサンブル活動を解析しました。その結果、扁桃体や前頭前野では経験時に見られるアンサンブルの活動が経験前の睡眠中にすでに存在していることが明らかになりました(図A)。これは、アンサンブルの活動そのものは経験する前から存在しているものの、その意味が経験を通して変化する可能性を示唆しています。
 それでは、アンサンブル活動の持つ「意味の変化」とは具体的に何を指すのでしょうか。私達は、ある脳領域に存在するアンサンブルの活動が他の脳領域のアンサンブル活動に与える影響が変化することがその実体ではないかと考えました。この点を明らかにするため、各脳領域のアンサンブルが領域をまたいでどのように相互作用するかを解析しました。すると、解剖学的には海馬・扁桃体・大脳皮質の間には情報を伝達するためのコネクションがあるにも関わらず、経験前にはそれぞれの脳領域のアンサンブルはほぼ独立に活動していました(図A)。音と嫌悪刺激の組み合わせ提示を経験しているときには、扁桃体と前頭前野のアンサンブルは同期して活動しましたが(図B)、海馬と前頭前野のアンサンブルの活動はほぼ独立していました。経験後の睡眠中には、扁桃体と前頭前野、海馬と前頭前野の間の両方の組み合わせでアンサンブルの強い同期活動が見られました(図C)。さらに、記憶を想起する際には、これらの脳領域横断的なアンサンブルの同期活動が再び生じていました(図D)。これらの結果は、経験を記憶することや記憶を定着させることによってアンサンブル活動の脳領域横断的な相互作用が変化してゆくことを示唆しています。
 神経細胞は活動する際に微弱な電気信号を発します。微小な電極を用い、その電極周辺に存在する神経細胞の電気活動の総和を記録したものが脳波です。脳波には「オシレーション」と総称される特徴的な波形が知られており、それぞれが神経細胞集団の様々な活動パターンを反映しています。特に脳波の高い周波数帯に生じる100ミリ秒程度の一過的なオシレーションは多数の神経細胞の同期した活動を反映しており、「睡眠による記憶の定着」「覚醒時の記憶の想起」などに必要であることが知られています。興味深いことに、経験後の睡眠中や経験の記憶を想起している際に見られるアンサンブルの脳領域横断的な同期活動は、脳波の高周波数オシレーションの際に特に強く見られました(図C、D)。これらの結果は、脳領域横断的なアンサンブルの相互作用は脳波の高周波数オシレーションによって担われていることを示唆しています。
 本研究の結果は、新たな経験の情報が既に存在しているアンサンブルに紐付けられて保持され、それらのアンサンブル同士が高周波数オシレーションを介して脳領域横断的に繋がることが記憶の形成に重要な役割を果たしている可能性を示唆しています。これは脳がもつ記憶システムの動作原理の解明へとつながる成果であり、認知症や心的外傷後ストレス障害などの病態解明にも貢献すると期待されます。
De novo inter-regional coactivations of preconfigured local ensembles support memory.
Hiroyuki Miyawaki* and Kenji Mizuseki* (*は責任著者)
Nature Communications 13, 1272, doi: 10.1038/s41467-022-28929-x
<図の説明>
  • 扁桃体や前頭前野では将来、経験の記憶を表現するアンサンブルがその経験をする前に既に形成されていましたが、脳領域間ネットワークにはごく弱い結合しか見られませんでした。
  • 音と嫌悪刺激の組み合わせ提示という新規の経験しているときには、扁桃体―前頭前野のアンサンブルの間に強い同期活動が生じる一方、海馬―前頭前野のアンサンブル・ペアの間にはごく弱い同期活動しかありませんでした。
  • 新規経験の後の睡眠中には、扁桃体―前頭前野に加え海馬―前頭前野の間にも強い同期活動が生じるようになりました。また、これらの同期活動は脳波の一過的な高周波数オシレーションの際に特に強く生じていました。
  • 経験の記憶を想起する際には、睡眠中に見られた脳領域横断的なアンサンブルの同期活動が再び生じていました。想起時の同期活動も脳波の一過的な高周波数オシレーションをともなって現れました。
<研究者の声>
「脳は多数の領域から構成されているのだから、1つの脳領域の活動だけを精緻に調べ上げても全体像は見えてこないのではないか」「1つの脳領域の中にも多様な発火特性を持つ神経細胞が混在しているのだから、それを十把一絡げに扱っては大事な要素を見落とすのではないか」と考え、「ならば多細胞記録を複数の脳領域で同時にやれば良いのでは」と始めたのが今回の研究です。その結果、私の両手では余るほどの量のデータに圧倒されることとなり、様々なグラフで埋め尽くされた数百ページにのぼるPDFの間に溺れる日々を送ることとなりましたが、それはとても刺激的で楽しい日々でした。こうして何とか個々の細胞の活動を睨みつつ脳領域間ネットワークの動態を解明するところまでたどり着いたのは、決して成果を急かすこと無く、自由な環境でのびのびと研究させてくださった大阪市立大学の水関健司教授のおかげです。この場を借りてお礼を申し上げます。
<略歴>
2005年 京都大学理学部卒業、2011年同大学大学院理学研究科生物科学専攻博士課程終了。博士(理学)。米国ウィスコンシン大学ミルウォーキー校博士研究員、大阪市立大学大学院医学研究科特任講師、同助教を経て2022 年より現職。
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