脳は記憶を「回転」させて新たな感覚から守る

人間をはじめとする動物は、目覚めている間ずっと、過去と現在の意識の狭間でバランスを保たなければなりません。周囲の世界に関する新たな感覚情報を吸収すると同時に、過去の観察や出来事に関する短期記憶を保持しなければなりません。周囲の状況を理解し、学び、行動し、思考する能力はすべて、知覚と記憶の絶え間ない機敏な相互作用に依存しています。

しかし、これを実現するには、脳はこれら2つを区別しておかなければなりません。そうでなければ、入ってくるデータの流れが以前の刺激の表象に干渉し、重要な文脈情報を上書きしたり誤解したりする可能性があります。この課題をさらに複雑にしているのは、脳が短期記憶機能を前頭前皮質のような高次認知領域にのみ明確に分割しているわけではないことを示唆する一連の研究です。むしろ、経験を検知し表象する感覚領域やその他の低次皮質中枢も、それらの記憶を符号化し、保存している可能性があります。しかし、それらの記憶が私たちの現在の認識に侵入したり、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。

Nature Neuroscienceに最近掲載された論文は、脳の保護バッファーがどのように機能するかをついに解明するかもしれない。2人の研究者は、現在と過去の刺激を相互干渉なく同時に表象するために、脳は感覚情報を本質的に「回転」させて記憶として符号化することを示した。2つの直交する表象は、互いに干渉することなく、重なり合う神経活動から情報を引き出すことができる。このメカニズムの詳細は、記憶処理に関する長年の議論のいくつかを解決するのに役立つかもしれない。

脳がどのようにして新しい情報と短期記憶の混同を防ぐのかを解明するため、プリンストン大学の神経科学者ティモシー・ブッシュマン氏と、同研究室の大学院生アレクサンドラ・リビー氏は、マウスの聴覚知覚に焦点を当てることにしました。彼らはマウスに4つの和音の連続を受動的に何度も聞かせました。ブッシュマン氏はこれを「史上最悪のコンサート」と呼んでいます。

これらのシーケンスにより、マウスは特定のコード間の関連付けを確立することができ、ある最初のコードと別のコードを聴いたときに、次に続く音を予測できるようになりました。一方、研究者たちは、これらの聴取セッション中にマウスの聴覚皮質から記録された神経活動を分析する機械学習分類器を訓練し、ニューロンがシーケンス内の各刺激をどのように集合的に表現しているかを解明しました。

ブッシュマンとリビーは、マウスが連想を構築していくにつれて、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、時間の経過とともに、関連する和音の神経表現が互いに似てくることを発見しました。しかし同時に、馴染みのない和音の連続など、予期せぬ新しい感覚入力が、マウスが聞いている音の表現を妨害する可能性があることも観察しました。これは、事実上、以前の入力の表現を上書きすることを意味します。ニューロンは、マウスが後の刺激と関連付けた内容と一致するように、過去の刺激の符号化を遡及的に変更しました。たとえそれが間違っていたとしてもです。

研究者たちは、脳が正確な記憶を維持するために、この遡及的な干渉をどのように補正しているのかを解明しようとした。そこで彼らは、別の分類器を訓練し、シーケンス内のコードの記憶を表す神経パターン（例えば、予期せぬコードが、より馴染みのあるシーケンスとの比較を想起させたときのニューロンの発火パターン）を識別・区別できるようにした。分類器は、過去の連想を維持するために遡及的に書き込まれた誤った「補正」ではなく、実際に聞いたコードの記憶から得られた完全な活動パターンを発見した。しかし、これらの記憶の符号化は、感覚的表現とは大きく異なっていた。

記憶表現は、神経科学者が感覚表現に対して「直交」次元と呼ぶ次元に組織化されており、すべて同じニューロン集団内に存在する。ブッシュマン氏はこれを、紙に手書きでメモを取っているときにスペースがなくなることに例えた。そうなると、「紙を90度回転させて余白に書き始めるでしょう」と彼は述べた。「そして、脳が基本的に行っているのはまさにそれです。脳は最初の感覚入力を受け取り、それを紙に書き留め、次にその紙を90度回転させて、新しい感覚入力を干渉したり文字通り上書きしたりすることなく書き込むことができるのです。」

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変化を通じて記憶へと変換されたのだ。「情報は保護される必要があるため変化するのです」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で、この研究には関与していないアナスタシア・キヨナガ氏は述べた。

脳内の情報を分離・保護するために直交符号化を用いる手法は、これまでにも観察されている。例えば、サルが運動の準備をしているとき、運動皮質の神経活動は潜在的な運動を表現するが、筋肉への実際の指令を駆動する信号に干渉しないように、直交的に行われる。

それでも、神経活動がこのようにどのように変化するのかは、しばしば明らかになっていません。ブッシュマンとリビーは、マウスの聴覚皮質で観察した現象を通して、この疑問に答えたいと考えました。「研究室で働き始めた頃は、神経発火活動でこのようなことが起こるなんて想像もつきませんでした」とリビーは言います。彼女は「神経ネットワークがどのようにしてこの直交性を生み出しているのか、そのブラックボックスを解き明かしたいと思ったのです」

実験的に可能性を精査した結果、聴覚皮質の異なるニューロンサブセットが感覚表現と記憶表現を独立して処理している可能性は排除された。代わりに、同じニューロン集団が関与しており、ニューロンの活動は2つのカテゴリーに明確に分類できることが示された。感覚表現と記憶表現の両方において「安定」した行動をとるニューロンもあれば、それぞれの使用状況に応じて応答パターンを反転させる「スイッチング」ニューロンもあった。

研究者たちは驚いたことに、この安定したニューロンとスイッチングニューロンの組み合わせだけで、感覚情報を回転させて記憶に変換するのに十分だった。「まさに魔法の力です」とブッシュマン氏は語った。

実際、彼とリビー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。他の方法よりも必要なニューロンとエネルギーが少なくて済みました。

ブッシュマン氏とリビー氏の研究結果は、神経科学における新たなトレンドに繋がるものである。それは、低位感覚領域におけるニューロン集団でさえ、これまで考えられていたよりも豊かな動的符号化を行っているというものだ。「食物連鎖の下位に位置する皮質のこれらの領域にも、おそらくこれまで私たちが十分に理解していなかった、非常に興味深いダイナミクスが備わっています」と、今回の研究には関与していないサセックス大学の神経科学者、ミゲル・マラヴァル氏は述べた。

この研究は、短期記憶が一定で持続的な表象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という、現在進行中の議論の二つの側面を調和させるのに役立つ可能性がある。どちらか一方に固執するのではなく、「私たちの研究結果は、基本的にどちらも正しかったことを示しています」とブッシュマン氏は述べ、安定したニューロンは前者を達成し、スイッチングニューロンは後者を達成したと説明した。この二つの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」ため有用である。

ブッシュマンとリビーの研究は、感覚表現以外の文脈にも関連している可能性があります。彼らと他の研究者たちは、この直交回転のメカニズムを他のプロセスにも応用したいと考えています。例えば、脳が複数の思考や目標を同時に把握する方法、注意散漫に対処しながら課題に取り組む方法、内部状態を表現する方法、注意プロセスを含む認知を制御する方法などです。

「本当に興奮しています」とブッシュマン氏は語った。他の研究者の研究を見て、「安定したニューロンとスイッチングニューロンがあるのを覚えています！今では至る所で見かけますからね」

リビー氏は、この研究結果が人工知能研究、特にマルチタスクを必要とするAIネットワークに有用なアーキテクチャの設計にどのような影響を与えるかに関心を寄せています。「ニューラルネットワーク内のニューロンを、ランダムな特性ではなく、安定的でスイッチングする特性を持つように事前に割り当てることで、ネットワークに何らかの効果があるかどうかを調べたいのです」と彼女は言います。

全体として、「この種の情報コード化の結果は、非常に重要であり、解明するのが非常に興味深いものになるだろう」とマラヴァル氏は述べた。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。

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