脳が何を記憶するかを決める仕組み

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

ジェルジ・ブジャキが電波に目覚めたのは高校生の頃だった。ハンガリーの実家で無線受信機を組み立て、様々な電磁波周波数に調整し、無線送信機を使ってフェロー諸島からヨルダンまで、見知らぬ人々と会話を交わしていた。

彼はアマチュア無線時代の会話を、他の会話よりもよく覚えている。それはまるで、過去の経験の一部しか覚えていないのと同じだ。現在、ニューヨーク大学の神経科学教授であるブザキは、無線波から脳波へと研究対象を移し、次のような問いを投げかけている。脳はどのようにして記憶すべき内容を決定するのだろうか？

ブザキ氏は脳内の電気パターンを研究することで、私たちの経験がどのように記憶として表現され、保存されるのかを解明しようとしています。彼の研究室や他の研究室による新たな研究では、脳は記憶に値する経験を、突発的で強力な高周波脳波を繰り返し発することでタグ付けしていることが示唆されています。「シャープウェーブリップル」として知られるこれらの脳波は、数千個のニューロンが数ミリ秒間隔で互いに発火することで発生し、「脳内の花火大会のようなものだ」と、3月にサイエンス誌に掲載されたこの新たな研究を主導したブザキ氏の研究室の博士課程学生、ワンナン・ヤン氏は述べています。これらの脳波は、哺乳類の脳が休息しているとき、つまり作業の合間の休憩中や睡眠中に発火します。

鋭い波紋が記憶の統合や保存に関与していることは既に知られていました。新たな研究では、この波紋が記憶の選択にも関与していることが示され、長期記憶の形成過程全体を通してこれらの波が重要であることが示唆されています。

また、休息と睡眠が情報の保持に重要である理由を神経学的に説明する。休息中の脳と覚醒中の脳は異なるプログラムを実行しているようだ。常に眠っていると記憶は形成されない。常に起きていると記憶も形成されない。「1つのアルゴリズムだけを実行しても、何も学習できません」とブザキ氏は言う。「中断が必要なのです」

それらの中断の間に花火が打ち上がります。

脳のリハーサル

ブザキは、鋭い波紋を初めて聞いた時のことを決して忘れないだろう。1981年、ウェスタンオンタリオ大学のポスドク研究員だった彼は、麻酔をかけた齧歯類の脳活動をスピーカーを通して聴いていた。約9年間の研究を経て、彼は目覚めた動物たちが周囲を探索する際に発せられる、リズミカルでメロディアスな振動音に慣れてしまっていた。齧歯類が眠っている時にスピーカーから突然鳴り響いた「ボン」という音には、全く予想外だった。

ブザキにとって、その音はベートーベンの交響曲第5番の劇的なリフレインと同じくらい深く響いた。「ダダダダ」と彼は衝撃を思い出しながら歌った。そしてもう一度「ダダダダ」と鳴らした。

一体何が起こっていたのでしょうか？ 覚醒時のげっ歯類の脳は、一定速度で振動する電気活動を発していました。しかし、麻酔をかけると、脳は不規則に、はるかに速いパターンを発しているように見えました。

他の研究者もこの高速波を観測していた。ブザキ博士のポスドク指導教官、コーネリアス・ヴァンダーウルフは1969年にこの不規則なパターンを記述し、ノーベル賞受賞神経科学者ジョン・オキーフは1970年代にこれを「リップル（波紋）」と名付けた。しかし、ブザキ自身がそれを実際に聞いて初めて、彼はこの現象にすっかり魅了された。

彼はその後10年間、研究室での多くの時間をこれらの電気バーストの特性解明に費やしました。1980年代後半、研究者たちは、ニューロンを人工的に刺激して急速なバースト発火を起こさせることで、学習と記憶に関連するより強固な相互接続を形成できることを発見しました。ブザキにとって、これらのバーストは彼が作り出した波動に非常によく似ていました。1989年、彼は鋭い波の波紋が、記憶の形成と定着のための脳のメカニズムの一部である可能性があるという仮説を初めて提唱しました。

「これは単なる騒々しい活動ではなく、脳に関係するものだという考えを彼は持っていました」と、2002年にブザキ研究室でポスドク研究員として働いたコレージュ・ド・フランスの神経科学者、ミカエル・ズガロ氏は述べた。「当時は実際にはほとんど何も分かっていなかったため、これは将来の発見への大きな期待でした。」

1990年代から2000年代初頭にかけて、研究者たちは計算能力の向上と、100個以上のニューロンの電気活動を一度に記録できる新しいツールを活用し、鋭波リップルの特徴をより深く解明しました。ブザキ氏をはじめとする科学者たちは、このリップルが迷路を駆け抜けるといった動物の経験から得た脳活動を再現しているように見えることを発見しました。ただし、再生されたリップルは元の信号よりも10～20倍速く振動していました。名古屋大学の神経科学教授である則本博明氏によると、2002年の論文は「鋭波リップルを非常に有名にした」もので、鋭波リップルが一連のニューロン活動を再活性化することを発見しました。

2009年と2010年には、ズガロ氏が主導した論文を含む2本の論文が、記憶を長期にわたって定着させるために、鋭い波紋が記憶を統合する過程に関与していることを示しました。研究者たちがこの波紋を抑制または遮断すると、ラットの記憶課題の成績は低下しました。「波紋を遮断すると、ラットはもはや記憶しなくなります」とズガロ氏は述べました。その後の研究では、波紋を長くしたり、より多くの波紋を発生させたりすると、ラットの記憶力が向上することが示されました。

記憶を定着させるために、波紋が繰り返し再生されていることが明らかになりました。「脳はリハーサルをしているのです」とコロンビア大学の心理学教授、リラ・ダヴァチ氏は言います。「目が覚めて休んでいる瞬間でさえ、脳は過去のリハーサルと再生を続けているのです。」

ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンの神経科学者、ダニエル・ベンドール氏は、ある経験を「ピアノのメロディー」と想像してみてほしいと語る。ピアニストが特定の鍵盤の順番に弾くように、特定のニューロンの順番が発火して経験を記録していく。そして睡眠中に、海馬がその順番を再生する。しかも、より速く、数百回、あるいは数千回も繰り返される可能性がある。この激しく鋭い波動は、特定の経験の「エピソード記憶」を中継する脳の中継地点である海馬から、長期記憶の保存に関与する大脳皮質へと伝わっていく。

しかし、動物が覚醒して休んでいる間になぜ波紋が伝播するのか、誰も説明できませんでした。「（波紋は）何か別の目的を持っているに違いない」とベンドールは考えていたと回想します。科学者たちは様々な考えを巡らせました。覚醒時の波紋が計画や意思決定に役立っているという説もあれば、何らかの形で記憶を修正したり再配分したりするのではないかと示唆する説もありました。

いくつかのグループが提唱した別の考えは、動物が起きている間の再生と睡眠中の再生は密接に結びついており、脳が記憶する経験を選択するメカニズムである可能性があるというものでした。

記憶力テスト

ニューヨーク大学では、休息中のマウスと睡眠中のマウスが入った箱が赤外線照明の部屋に置かれていました。隣の部屋には、プラスチックとテープで手作りされた迷路がありました。マウスは一匹ずつ迷路に入れられました。マウスは海馬ニューロン約500個の活動を記録する電極を装着して走り回り、特定のルートを通ると水が報酬として与えられることを学習しました。迷路を探索する間、マウスは休憩したり、身繕いをしたりするために短い休憩を取りました。そして、実験が終わると、マウスはホームケージに戻され、昼寝をしました。研究者たちは、マウスが眠っている間の脳活動も記録し続けました。

ヤン氏は、異なる試行中にどのニューロンが発火したかをマッピングすることでデータを分析した。彼女は多くのばらつきを観察した。あるニューロンは初期の試行で発火し、別のニューロンは後の試行で発火した。ニューロンの発火率は異なる場合もあった。これは、脳が動物の個々の試行の経験を異なる方法で記録していることを示唆していた。注目すべきは、ある試行の後には鋭い波紋のバーストが続くのに対し、他の試行の後には続かなかったことだ。

次に、マウスの迷路体験中に記録された脳活動と、その後に現れた関連する波紋を比較しました。マウスが休息しているときにより頻繁に再生された試行は、睡眠中に再生された試行と同じでした。また、マウスが起きているときに再生されなかった試行は、睡眠中にも再生されませんでした。

研究チームは、安静時のリップルは、脳が記憶すべき経験を優先するメカニズムである可能性があると結論付けました。「おそらく、覚醒時のリップルは、特定の経験を長期保存するために統合する記憶タグのようなものでしょう」とヤン氏は述べました。「逆に、タグ付けされていない経験は睡眠中に再生されず、忘れ去られてしまうのです。」

「重要なものを記憶し、それ以外を忘れるには、何らかのトリアージが必要です」とズガロ氏は述べた。「特定の記憶がどのように保存対象として選択されたのかを理解することはまだ不十分でした…今、私たちは確かな手がかりを得ました。」

昨年12月、ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンのベンドール率いる研究チームは、ヤン氏とブザキ氏の研究結果を先取りする関連研究結果をネイチャー・コミュニケーションズ誌に発表した。彼らも、ラットの覚醒時と睡眠時に発火する鋭い波紋が、記憶のための経験を標識しているように見えることを発見した。しかし、彼らの分析は複数の異なる試行を平均化したものであり、ヤン氏とブザキ氏の研究結果ほど正確性は高くなかった。

NYUチームの鍵となる革新は、類似した記憶同士を区別する時間という要素を分析に取り入れた点です。マウスは同じ迷路パターンの中を走り回っていましたが、研究者たちはニューロンレベルで試行ブロックを区別することができました。これはかつてない解像度です。

脳のパターンは「ある出来事に少し近く、一般的な知識というよりはむしろ何か」を記録していると、カリフォルニア大学サンフランシスコ校の神経科学者、ローレン・フランク氏は述べた。フランク氏は今回の研究には関わっていない。「これは本当に興味深い発見だと思います」

「脳が同じ場所で起こる異なる記憶を区別するために、ある種の時間的コードを作り出している可能性を示している」と、この研究には関わっていないラドバウド大学の神経科学者フレイヤ・オラフスドッティル氏は述べた。

ブランダイス大学の神経科学者、シャンタヌ・ジャダフ氏はこの研究を称賛し、「これは良いスタートだ」と述べた。しかし、行動試験を含む追跡実験が行われることを期待している。動物が特定の試行ブロックを忘れたり覚えたりしたことを実証できれば、「これがタグ付けメカニズムであることの真の証明となるだろう」とジャダフ氏は述べた。

この研究は、ある重要な疑問に答えを残さなかった。なぜある経験が他の経験よりも選ばれるのか？この新たな研究は、脳が特定の経験を記憶するためにどのようにタグ付けするかを示唆している。しかし、脳が記憶する価値のある経験をどのように判断するかについては、まだ解明されていない。

私たちが記憶している物事は、時にランダムであったり無関係であったり、選択肢を与えられたら私たちが選ぶであろうものとは明らかに異なっているように思えることがあります。「脳は『重要性』に基づいて優先順位を決めているという感覚があります」とフランク氏は言います。感情的な経験や新しい経験は記憶に残りやすいという研究結果があることから、覚醒度の内的変動や、ドーパミンやアドレナリンといった神経調節物質、その他ニューロンに影響を与える化学物質のレベルが、最終的に経験を選択する可能性があると彼は示唆しました。

ジャダブ氏もこの考えに同調し、「生物の内部状態は、経験をより効果的に符号化・記憶するように偏向させる可能性がある」と述べた。しかし、ある経験が他の経験よりも記憶されやすい理由はまだ分かっていないと、同氏は付け加えた。そして、ヤン氏とブザキ氏の研究の場合、マウスがなぜある試行を他の試行よりもよく記憶するのかは明らかではない。

ブザキ氏は、鋭波が海馬で果たす役割の探求に引き続き尽力しているが、彼とチームはこれらの観察から生まれる潜在的な応用にも関心を寄せている。例えば、特定の経験をあまりにも鮮明に記憶してしまう心的外傷後ストレス障害（PTSD）などの症状の治療の一環として、科学者がこれらの波紋を阻害できる可能性があると、ブザキ氏は述べた。「ここでの容易な解決策は、鋭波を消し去り、経験したことを忘れることです。」

しかし当分の間、ブザキ氏はこれらの強力な脳波に注目し続け、私たちが何を記憶しているのかという理由をさらに解明するつもりだ。

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。