思い出は過去の影であると同時に、未来への懐中電灯でもあります。
記憶は私たちを導き、注意を研ぎ澄まし、人生の後半で学ぶ内容を形作ります。人間と動物の研究は、記憶が未来の出来事に対する私たちの認識や、それに対する注意の向け方を変える可能性があることを示唆しています。「過去の経験が物事を変化させることはわかっています」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・フランク氏は述べています。「それがどのように起こるのかは、必ずしも明らかではありません。」
Science Advances誌に掲載された新たな研究が、その答えの一部を提示しました。研究者たちはカタツムリを用いて、確立された記憶が、カタツムリがそうでなければ無視していたかもしれない関連する将来の出来事に関する新たな長期記憶を形成する可能性を高める仕組みを検証しました。彼らが発見した単純なメカニズムは、カタツムリがそれらの出来事を認識する方法を変化させることで、この現象を引き起こしました。
研究者たちは、過去の学習が将来の学習にどのように影響するかという現象を「たった一つの細胞」にまで落とし込んだと、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の細胞生物学者デビッド・グランツマン氏は述べた。グランツマン氏はこの研究には関与していない。グランツマン氏はこの研究を、「単純な生物を用いて、かなり複雑な行動現象を理解しようとする」魅力的な例と評した。
カタツムリは非常に単純な生き物だが、この新たな発見により、科学者は人間のような高等動物の長期記憶の神経基盤の理解に一歩近づくことになる。
長期記憶の形成は、その難しさに気づかれないことが多いものの、「信じられないほどエネルギーを必要とするプロセス」だと、サセックス大学の上級研究員で今回の研究の筆頭著者であるマイケル・クロスリー氏は述べています。こうした記憶は、ニューロン間のより強固なシナプス結合の構築に依存しており、脳細胞はそのために多くの分子を動員する必要があります。したがって、脳はリソースを節約するために、記憶を形成するコストに見合う場合とそうでない場合を区別できなければなりません。これは、人間の脳であれ、「エネルギー予算が限られている小さなカタツムリ」の脳であれ、同じことだとクロスリー氏は言います。
最近のビデオ通話で、クロスリー氏はそうしたカタツムリを一匹見せてくれた。親指ほどの大きさのモノアラガイで、その脳は「美しい」と評された。人間の脳には860億個のニューロンがあるのに対し、カタツムリの脳にはわずか2万個しかない。しかし、カタツムリのニューロンは一つ一つが人間の10倍の大きさで、研究対象としてはるかに扱いやすい。こうした巨大なニューロンと、その脳回路が詳細に解明されていることから、カタツムリは神経生物学研究の格好の標的となっている。
サセックス大学の研究者らは、モノアラガイの学習行動を、その脳内のわずか4つのニューロンの回路にまで遡って追跡した。
写真：マイケル・クロスリー、ケビン・スタラス/クアンタ・マガジンクロスリー氏によると、この小さな採餌動物は「驚くべき学習者」でもあり、一度触れただけで何かを記憶できるという。今回の研究では、研究者たちはカタツムリの脳の奥深くまで観察し、記憶を獲得する際に神経レベルで何が起こっているのかを解明した。
思い出を呼び起こす
実験では、研究者たちはカタツムリに強い訓練と弱い訓練の2種類の訓練を与えました。強い訓練では、まずバナナ風味の水をカタツムリに吹きかけました。カタツムリはバナナ風味の水を中立的に受け止め、飲み込んだ後、吐き出しました。次に砂糖を与えると、カタツムリはそれを貪るように食べました。
1日後にカタツムリをテストしたところ、カタツムリはたった1回の経験でバナナの風味と砂糖を関連付けるようになったことが分かりました。カタツムリは砂糖の風味をより好ましいと認識したようで、水を飲み込む意欲が大幅に高まりました。
対照的に、カタツムリは、ココナッツ風味のお風呂に続いて、はるかに薄めた砂糖のおやつを与えるという弱い訓練セッションでは、この肯定的な関連性を学習しませんでした。カタツムリは水を飲み込み、吐き出し続けました。
これまでの実験は、犬がベルの音を聞くとよだれを垂らすように学習するという、パブロフの有名な条件付け実験のカタツムリ版と言えるでしょう。しかし、科学者たちは、カタツムリにバナナ風味の強い訓練を与え、数時間後にココナッツ風味の弱い訓練を与えた場合に何が起こるかを調べました。すると突然、カタツムリは弱い訓練からも学習するようになったのです。
研究者らが順序を入れ替え、弱い訓練を先に行わせたところ、やはり記憶は付与されませんでした。カタツムリは強い訓練の記憶を依然として形成していましたが、以前の経験を強化する効果は遡及的に得られませんでした。強い訓練と弱い訓練で使用したフレーバーを入れ替えても、効果はありませんでした。
科学者たちは、強い訓練によってカタツムリは「学習が豊富な」時期に入り、記憶形成の閾値が低下し、そうでなければ学習できなかったであろうこと（例えば、弱い訓練では味と薄い砂糖との関連）を学習できるようになったと結論付けました。このようなメカニズムは、脳が適切なタイミングで学習にリソースを振り向けるのに役立つ可能性があります。餌はカタツムリに近くの潜在的な食料源への警戒心を高め、危険との遭遇は脅威に対する感受性を研ぎ澄ます可能性があります。
風味水と砂糖を関連付けたモノアラガイは、砂糖を飲み込むために素早く口を開けたり閉じたりする（右）。その関連付けを学習していないモノアラガイは口を閉じたままである（左）。動画：マイケル・クロスリー、ケビン・スターラス／Quanta Magazine
しかし、カタツムリへの効果は一時的なものでした。学習が豊富な期間は、強い訓練の後、わずか30分から4時間しか続きませんでした。その後、カタツムリは弱い訓練セッション中に長期記憶の形成を停止しました。これは、強い訓練を忘れたからではなく、強い訓練の記憶が数ヶ月間持続したためです。
強化学習のための重要な時期を設けるのは理にかなっている。なぜなら、もしそのプロセスが停止しなければ、「動物にとって有害となる可能性がある」とクロスリー氏は述べた。そうなると、動物は学習に過剰なリソースを投入するだけでなく、生存に有害な連想を学習してしまう可能性があるからだ。
認識の変化
研究者たちは電極を用いた探査により、カタツムリが訓練から長期記憶を形成する際に脳内で何が起こるかを解明した。脳活動には2つの同時進行する変化が起こっている。1つ目は記憶そのものを符号化する。2つ目は「純粋に他の出来事に対する動物の認識を変えることに関わっている」とクロスリー氏は述べた。「過去の経験に基づいて、世界を見る方法を変える」のだ。
彼らはまた、吐き出す行動を活性化するニューロンから分泌される脳内化学物質であるドーパミンの効果を遮断することで、カタツムリの知覚に同様の変化を誘発できることを発見した。これは実質的に、吐き出すニューロンをオフにし、飲み込むニューロンを常にオンにした状態だった。この経験は、以前の実験で強い訓練がもたらしたのと同じ持ち越し効果をもたらした。数時間後、カタツムリは弱い訓練の長期記憶を形成したのだ。
研究者たちは、「過去の記憶と新しい記憶の相互作用における行動から電気生理学的基盤に至るまで」のプロセスを、徹底的かつ巧みに解明したと、オックスフォード大学のポスドク研究員でこの研究には関与していないペドロ・ジェイコブ氏は述べた。「これがどのようにメカニズム的に起こるのかを知ることは興味深い。おそらく種を超えて保存されているはずだからだ。」
しかしフランク氏は、弱い訓練の後、カタツムリが風味水を飲めなかったからといって、その記憶が残っていないという結論には完全には納得していない。記憶があっても行動に移さない場合もあるため、その区別をつけるには追加実験が必要になるかもしれないと彼は述べた。
学習と記憶の背後にあるメカニズムは、軟体動物とヒトなどの哺乳類で驚くほど類似しているとグランツマン氏は述べた。著者らの知る限り、このメカニズムはヒトではこれまで示されていなかったとクロスリー氏は述べた。「これは広く保存されている特徴である可能性があり、さらなる注目に値する」と彼は述べた。
グランツマン氏は、知覚の変化をより永続的に維持できるかどうかを研究するのは興味深いだろうと述べた。彼は、カタツムリに好意的な刺激ではなく、嫌悪刺激、つまり病気を引き起こす刺激を与えれば、それが可能になるのではないかと考えている。
クロスリー氏と研究チームは今のところ、これらのカタツムリが口を開けたり閉じたりするだけでなく、複数の行動をとる際に脳内で何が起きているのかを研究している。「これらは実に興味深い生き物です」とクロスリー氏は言う。「これらの動物がこのような複雑な行動を取れるとは、あまり期待できませんからね。」
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。
編集者注：ローレン・フランクは、シモンズ財団自閉症研究イニシアチブ（SFARI）の研究員です。シモンズ財団は、編集上独立した雑誌であるQuantaにも資金を提供しています。資金提供の決定は、同誌の報道内容に影響を与えるものではありません。
