時間と場所を司る脳の領域を特定

UTサウスウエスタンメディカルセンターの研究チームが、記憶における時間と場所についてを司る領域を特定しました。

これにより、外傷性脳損傷やアルツハイマー病などの状態による記憶喪失と戦うための新しい治療法の基礎を提供する可能性があります。

Located in the brain’s hippocampus, these cells show a characteristic activity pattern while the animals are encoding and recalling events, explains Bradley Lega, M.D., associate professor of neurological surgery at UTSW and senior author of the PNAS study. By firing in a reproducible sequence, they allow the brain to organize when events happen, Lega says. The timing of their firing is controlled by 5 Hz brain waves, called theta oscillations, in a process known as precession. 

参照元：https://www.utsouthwestern.edu/newsroom/articles/year-2020/how-the-brain-remembers-right-place-right-time.html
– UTサウスウエスタンメディカルセンター UT Southwestern Medical Center. December 08, 2020 –

UTサウスウエスタンの研究者が主導した2つの研究は、脳が時間と場所を記憶にエンコードする方法に新たな光を当てました。

2つの新しい研究は、脳が時間と場所をどのように記憶にエンコードするかについて新しい光を当てています。

調査結果は、記憶に関する基礎研究の本体に追加されるだけでなく、最終的には、外傷性脳損傷やアルツハイマー病などの状態による記憶喪失と戦うための新しい治療法の基礎を提供する可能性があります。

約10年前、「タイムセル」として知られるニューロンのグループがラットで発見されました。

これらの細胞は、イベントが発生したときの記録において独特の役割を果たしているように見え、脳がエピソード記憶で起こることの順序を正しくマークすることを可能にします。

脳の海馬に位置するこれらの細胞は、動物がイベントをエンコードして想起している間、特徴的な活動パターンを示します、とUTSWの神経外科の准教授でPNAS研究の上級著者であるBradley Lega、MDは説明します。

再現可能な順序で発火することにより、イベントが発生したときに脳が組織化することを可能にします、とレガ氏は言います。

それらの発火のタイミングは、歳差運動として知られているプロセスで、シータ振動と呼ばれる5Hzの脳波によって制御されます。

レガ氏は、時間関連の情報を強く要求する記憶タスクを使用して、人間にもタイムセルがあるかどうかを調査しました。

レガ氏と彼の同僚は、UTサウスウエスタンのPeter O’Donnell Jr. Brain Instituteのてんかんモニタリングユニットからボランティアを募集しました。

ここでは、てんかん患者が手術前に数日間滞在して、発作を引き起こす脳の損傷部分を取り除きます。

これらの患者の脳に埋め込まれた電極は、外科医が発作の病巣を正確に特定するのに役立ち、脳の内部の働きに関する貴重な情報も提供します、とレが氏は言います。

27人のボランティアの脳の海馬からの電気的活動を記録している間、研究者は彼らに12語のリストを30秒間読んだり、短い数学の問題をしてリストのリハーサルから気をそらしたりする「自由想起」タスクを行わせました。

次の30秒間、リストからできるだけ多くの単語を思い出します。

このタスクでは、各単語を時間のセグメント（それが含まれていたリスト）に関連付ける必要があります。

これにより、Legaと彼のチームは時間セルを探すことができました。

チームが見つけたのはエキサイティングでした。

時間セルの堅牢な集団を特定しただけでなく、これらのセルの発火により、個人が時間内に単語をどれだけうまくリンクできるかが予測されました（時間クラスタリングと呼ばれる現象）。

最後に、これらの細胞は、予測されたように、ヒトにおいて相進行を示すように思われます。

レガ氏は話します。

「何年もの間、科学者たちは、時間細胞は私たちの生活の中での出来事の記憶をまとめる接着剤のようなものだと提案してきました。この発見は、そのアイデアをエレガントな方法で具体的にサポートしています。」

科学の2番目の研究では、神経科学の助教授であるBrad Pfeiffer、Ph.Dが、場所細胞（イベントが発生した場所を記録する動物と人間の両方の海馬細胞の集団）を調査するチームを率いました。

研究者たちは、動物が以前の経路を移動すると、経路に沿ったさまざまな場所をエンコードするニューロンが、時間的なイベントの順序で細胞が発火するのと同じように順番に発火することを長い間知っていました、とファイファー氏は説明します。

さらに、ラットが積極的に環境を探索している間、場所細胞はさらに「ミニシーケンス」に編成され、ラットの前の場所の仮想スイープを表します。

これらのレーダーのようなスイープは、1秒間に約8〜10回発生し、すぐに発生するイベントや結果を予測するための脳のメカニズムであると考えられています。

この研究の前に、ラットが走るのをやめると、場所細胞はしばしば長いシーケンスで再活性化し、ラットの以前の経験を逆に再生するように見えることが知られていました。

これらの「逆再生」イベントは記憶形成に重要であることが知られていましたが、海馬がどのようにしてそのようなシーケンスを生成できるかは不明でした。

確かに、かなりの研究は、経験が前向きの「先読み」シーケンスを強化するが、逆再生イベントを弱める必要があることを示していました。

これらの後方と前方の記憶がどのように連携するかを判断するために、ファイファー氏と彼の同僚は、ラットの海馬に電極を配置し、正方形のアリーナと長くまっすぐなトラックの2つの異なる場所を探索できるようにしました。

彼らがこれらのスペースを移動することを奨励するために、彼らはさまざまな場所にチョコレートミルクの入った井戸を置きました。

次に、動物の場所細胞の活動を分析して、動物の場所にどのように対応しているかを確認しました。

ラットがこれらの空間をさまよったときに特定のニューロンが発火し、場所に関する情報をエンコードしました。

これらの同じニューロンは、ラットが経路をたどったのと同じ順序で発火し、旅のさまざまな区間を完了すると、定期的に逆に発火しました。

しかし、データを詳しく調べると、研究者たちは何か新しいことを発見しました。ラットがこれらの空間を移動すると、ニューロンは前方の予測ミニシーケンスだけでなく、後方の遡及ミニシーケンスも示しました。

順方向と逆方向のシーケンスは互いに交互になり、それぞれが完了するのに数十ミリ秒しかかかりません。

ファイファー氏は話します。

「これらの動物が前進している間、彼らの脳は、次に何が起こるかを予測することと、今起こったことを思い出すこととの間で絶えず切り替えていました。すべて、ほんの一瞬の時間枠内で。」

ファイファー氏と彼のチームは現在、これらの細胞が脳の他の部分からどのような入力を受け取り、これらの順方向または逆方向のパターンで作用するかを研究しています。

理論的には、このシステムを乗っ取って、イベントが発生した場所をより忠実に脳が思い出せるようにすることが可能かもしれないと彼は言います。

同様に、レガ氏は、刺激技術は最終的に時間セルの正確なパターンを模倣して、人々がイベントの時間的シーケンスをより正確に記憶できるようにする可能性があると付け加えています。

レガ氏は話します。

「過去数十年の間に、記憶に関する新しい発見が爆発的に増加した」と彼は付け加えた。「動物の基本的な発見と、それらが人々をどのように助けることができるかとの間の距離は、今でははるかに短くなっています。」