「意外性を感じる程固定観念にとらわれる」学習の鍵となる脳の領域

結果が意外なものであればあるほど、より多くのノルエピネフリン(NE)が生成され、より大きな学習をするようです。

Understanding the true nature of how the LC works could be useful for improving treatments for certain disorders, Sur said.

参照元：https://picower.mit.edu/news/grant-help-scientists-test-whether-brain-region-key-locus-learning
– マサチューセッツ工科大学 ピカワー研究所 Picower Institute at MIT. July 23, 2021 –

脳の青斑核は、小さくて一見特殊に見えますが、興奮を促す神経調節物質であるノルエピネフリンを大量に放出することで固定観念にとらわれています。

しかし、MITの神経科学研究室は、米国国立衛生研究所からの助成金を得て、新しい論文を発表しました。

この論文では、黄斑部は単なるアラームボタンではなく、これまで評価されてきた以上に、学習、行動、精神的健康に微妙かつ多面的な影響を与えていることが示されています。

マサチューセッツ工科大学（MIT）のピカウワー学習・記憶研究所および脳・認知科学部門のニュートン教授であるムリガンカ・サー氏は話します。

「心筋梗塞は、他の100以上の脳領域からの入力と、ノルエピネフリン（NE）を送り出す場所とタイミングを高度に制御することで、驚くほど多様な細胞が集まった小さな集団であり、報酬や罰から学習し、その経験を生かして行動を最適化するための重要な調整装置である可能性があります。」

サー教授、ポスドクのヴィンセント・ブレトン・プロベンチャー、大学院生のガブリエル・ドラモンド氏は、2021年6月発行されたFrontiers in Neural Circuits誌に掲載された総説の中で、「以前は、多様な標的領域にグローバルで均一な影響を及ぼす均質な核と考えられていたが、現在では、NE放出細胞の不均質な集団であり、その機能を支配する空間的および時間的なモジュール性を示している可能性がある。」と述べています。

この論文では、サー氏の研究グループをはじめとする多くの研究者から得られた新たな証拠が紹介されています。

それによると、心筋梗塞は、脳全体からの感覚入力と内部の認知状態を統合し、NEを媒介とした影響力を正確に発揮して、行動に影響を与えているのではないかということです。

つまり、NEを運動皮質にスロットルすることにより、また、その結果得られる報酬や罰のフィードバックを処理しているのではないか、ということが示唆されています。

この仮説を検証するために、研究チームは2021年4月に授与された210万ドル、5年間のNIH助成金による研究を開始しました。

今回の研究では、音の高さや大きさが異なる音を手がかりにして、マウスに学習課題を行わせています。

マウスは訓練の過程で、音が高いときにレバーを押すと報酬が得られ、音が低いときには、不快な空気の吹き出しを経験しないように押さないことが正しい反応であると学習します。

実験者は、音の大きさを変えることで、マウスが合図を正しく聞いたと感じられる確実性を変えます。

仮説（予備的なデータによって裏付けられた）では、NEが複数の重要な点で重要な役割を果たすと予測されている、とサー氏は言います。

マウスが合図の音を聞いたとき、音の高さが低ければ、LCはニューロン群を介して運動野に送られるNEの量が少なくなり、「報酬が得られないからレバーを押してはいけない」という思いを反映します。

一方、音量が小さければ小さいほど、動物は自分の判断に確信を持てなくなります。

逆に、音量の大きい高音は、レバーを押せば報酬が得られるという動物の確信を反映して、より多くのNEを送ることになります。

マウスが行動を起こした後、そのフィードバックが意外なものであればあるほど、より多くのNEが生成され、別のグループを経由して前頭前野に送られ、より大きな学習を促します。

例えば、マウスがかすかな高音を聞いて、そっとレバーを押した場合、報酬が得られるという驚きは、期待値がそれほど高くなかったため、NEの強い出力を刺激して前頭前野を指示します。

また、マウスが間違った推測をして空気の吹き出しを感じると、それが前頭前野への最も強いNEの放出を刺激することになります。

サー研究員のチームは、このような動態を経て、次の試行で一貫したパフォーマンスの変化を観察している。

サー氏は話します。

「これは、ノルエピネフリンが覚醒シグナルと考えられる方法ですが、重要なのは、継続的な機能という意味では、学習シグナルでもあるということです。実行信号であると同時に学習信号でもあり、その両方について、実際の定量的な関係を説明することができます。」

研究チームは、LC-NEニューロンの活動を測定するだけでなく、光遺伝学（ニューロンを光で制御する方法）を用いて、LC-NEの出力を抑制したり増幅したりして、それぞれが行動や学習にどのような影響を与えるかを明らかにします。

LCの働きの本質がわかれば、ある種の疾患の治療法を改善するのに役立つだろう、とサー氏は言います。

サー氏は続けます。

「例えば、PTSDの治療法として、NEの受容性を低下させる方法が考えられますが、これは眠気を誘うものでもあります。より原理的で正確な治療法があれば、効果を高め、副作用を減らすことができるでしょう。」

「ターゲットと理論を理解すれば、不安には影響するが、眠くはならないという希望があります。これこそが、障害を治療するための基礎科学の希望であり、物事をより具体的にし、あるシステムが関与する回路や機能の特異性を定義することなのです。」

さらに、アルツハイマー病では、初期の段階でLCが影響を受けるそうです。

その損失に適切な方法で対処すれば、学習や認知の形態を維持することができるかもしれません。