新しい経験は、主要な脳回路をリセットし、新学習を強化します

国立精神衛生研究所の研究チームは、新規性が新学習を容易にする神経メカニズムをトリガーする方法を調査しました。
新しい経験が、主要な脳回路をリセットし、その後の学習を強化するプロセスなどを明らかにしました。

A study of spatial learning in mice shows that exposure to new experiences dampens established representations in the brain’s hippocampus and prefrontal cortex, allowing the mice to learn new navigation strategies. The study, published in Nature, was supported by the National Institutes of Health.

参照元：https://www.nimh.nih.gov/news/science-news/2021/new-experiences-enhance-learning-by-resetting-key-brain-circuit.shtml
– 国立精神衛生研究所 National Institute of Mental Health. February 24, 2021 –

マウスの空間学習の研究は、新しい経験への暴露が脳の海馬と前頭前野の確立された表現を弱め、マウスが新しいナビゲーション戦略を学ぶことを可能にすることを示しています。

Natureに掲載されたこの研究は、国立衛生研究所の支援を受けました。

国立精神衛生研究所の研究の上級著者であり所長であるジョシュアA.ゴードン医学博士は話します。

「新しい状況で柔軟に学習する能力により、絶えず変化する世界に適応することが可能になります。動物におけるこの柔軟な学習の神経基盤を理解することで、このタイプの学習が人間においてどのように混乱するかについての洞察が得られます。」

ゴードン博士は、ニューヨーク市のコロンビア大学のジョセフA.ゴゴス医学博士およびアレクサンダーZハリス医学博士と共同で研究プロジェクトを監督しました。

新しい情報に遭遇したときはいつでも、後で思い出せるように、その情報を安定した永続的なメモリに統合する必要があります。

この記憶統合プロセスの重要なメカニズムは長期増強であり、これは最近の活動パターンに基づいた神経接続の持続的な強化です。

この神経接続の強化は永続的かもしれませんが、永続的ではないか、新しい情報に対応するためにメモリ表現を更新することはできません。

言い換えれば、新しい経験を思い出し、それらから学ぶ能力は、永続的で柔軟な情報エンコーディングに依存しています。

この可塑性を可能にする特定の神経メカニズムを理解するために、コロンビアのAlan J. Park博士が率いる研究チームは、マウスの空間学習を調べました。

空間学習は、腹側海馬（脳の中央に位置する構造）と内側前頭前野（額のすぐ後ろに位置する）の間の重要な回路に依存しています。

これらの脳構造間の接続性は、空間学習の過程で強化されます。

ただし、接続性が最大の強度のままであると、新しいタスクやルールへのその後の適応が損なわれます。

研究者たちは、新しい経験への曝露が、確立された海馬と前頭前野の接続性を弱め、柔軟な空間学習を可能にする環境トリガーとして役立つ可能性があると仮説を立てました。

最初のタスクでは、研究者は報酬を受け取るために特定の方法で迷路をナビゲートするようにマウスを訓練しました。

その後、一部のマウスは、これまで見たことのない空間を探索することを許可されましたが、他のマウスは、なじみのある空間を探索しました。次に、マウスは2番目の空間タスクに従事しました。

これには、報酬を得るために新しいナビゲーション戦略に切り替える必要がありました。

予想通り、最初はすべてのマウスが元のナビゲーション戦略を支持していました。

しかし、新しい空間を探索したマウスは徐々にこのバイアスを克服し、40回の試行トレーニングセッションの約半分で新しいナビゲーション戦略をうまく学習しました。

研究者が最初のタスクでマウスのサブセットを再度テストしたところ、ノベルティにさらされたマウスは元の戦略に戻ることができ、タスクの要求に応じて戦略を更新して選択したことがわかりました。

追加の調査結果は、新規性の効果が新しいスペースを超えて拡大したことを示しました。

2番目のタスクの前に新しいマウスに遭遇すると、新しい報酬戦略の学習も強化されました。

トレーニング中の脳活動の変化は、この目新しさを高めた学習を推進する神経メカニズムを明らかにしました。

げっ歯類では、シータ波として知られる海馬に明確な発火パターンがあり、学習と記憶の中心的な役割を果たすと考えられています。

パーク氏と共著者が腹側海馬からの記録を調べたとき、彼らはシータ波が新しいアリーナの探索とその後の時間の間に強くなることを発見しました。

次の2日間でマウスがアリーナに慣れてくると、シータ波は減少しました。

研究者らは、ノベルティ曝露が元のナビゲーション戦略のエンコードも妨害し、腹側海馬の個々のニューロンの発火パターンを再編成して、シータ波と同期させることを発見しました。

同時に、内側前頭前野のニューロンは、シータ波の同期性の低下を示し、海馬の活動と前頭前野の活動との相関関係が弱まりました。

これらおよび他の発見は、新規性曝露が腹側海馬と内側前頭前野との間のシナプス接続を弱め、回路をリセットして、学習に関連する接続性のその後の強化を可能にすることを示唆しています。

このリセットをトリガーすることにより、新規性は、タスクの特定の報酬構造に応じて戦略の更新を容易にするように見えます。

機械学習分析は、新規性の暴露に続いて、腹側海馬ニューロンがエンコーディングを最初のタスクで報酬を予測する戦略から2番目のタスクで報酬を予測する戦略に切り替えたことを示しました。

次に、タスク固有の情報が内側前頭前野ニューロンに中継され、それに応じてエンコーディングが更新されました。

化学レベルでは、神経伝達物質ドーパミンはこの可塑性の重要なメディエーターとして機能します。

いくつかの実験では、腹側海馬でドーパミンD1受容体を活性化すると、海馬と前頭前野の接続性の低下や学習の強化など、目新しさのような効果がもたらされることが示されました。

D1受容体を遮断すると、これらの新規性による影響が防止されました。

一緒に、これらの調査結果は、柔軟な情報エンコーディングで役割を果たす脳のメカニズムのいくつかに光を当てます。

パーク氏は話します。

「私たちの研究は、マウスの空間学習を容易にする回路リセットをトリガーする1つの方法として新規性を指摘しています。次のステップは、これらの発見に基づいて、目新しさが人間の記憶と学習において同様の役割を果たすかどうかを調査することです。」