科学者が生きた脳内で記憶が形成される様子を観察

朝のシリアルボウルを美味しくいただいている時に、天井からクモが落ちてきてミルクの中にポトリと落ちたと想像してみてください。何年も経った今でも、シリアルボウルに近づくと嫌悪感でいっぱいになります。

研究者たちは今、そのような感情的な反応を学習する脳内で何が起きているのかを直接観察することに成功した。1月に米国科学アカデミー紀要（Proceedings of the National Academy of Sciences）に掲載された新たな研究で、南カリフォルニア大学の研究チームは、実験用魚の脳内で形成される記憶を可視化することに成功した。顕微鏡下で、記憶が美しい蛍光緑色に開花する様子を撮影したのだ。以前の研究から、彼らは脳が神経構造をわずかに調整することで記憶を符号化すると予想していた。しかし、実際には、神経回路に大きな変化が見られ、研究者たちは驚いた。

彼らの観察結果は、記憶が様々な符号化経路の寄せ集めを伴う複雑な現象であるという見解を裏付けるものである。しかし、これはさらに、記憶の種類が脳がそれをどのように符号化するかを決定する上で決定的に重要である可能性を示唆している。この結論は、ある種の深く条件付けられたトラウマ反応がなぜそれほど持続的で、学習し直すのがそれほど難しいのかを示唆するかもしれない。

「私たちが見ているのは、脳内のソリッドステートドライブに相当するものなのかもしれません」と、南カリフォルニア大学の定量生物学者で共著者のスコット・フレイザー氏は述べた。脳はある種の記憶を揮発性で簡単に消去できる形で記録する一方、恐怖を伴う記憶はより強固に保存される可能性があり、これが、何年も経ってから、まるで追体験しているかのように記憶を思い出せる人がいる理由を説明するのに役立つかもしれない、とフレイザー氏は述べた。

記憶は、哺乳類の脳の上部を覆う大脳皮質と、その下部にある海馬において頻繁に研究されてきました。しかし、脳の恐怖制御中枢である扁桃体などの深層構造に関する研究は、あまり行われてきませんでした。扁桃体は特に連想記憶を担っています。連想記憶は、シリアルに入っているクモのように、異なる物事を結びつける、感情的に充実した重要な記憶です。このタイプの記憶は非常に一般的ですが、脳の比較的アクセスしにくい領域で起こるため、その形成過程は十分に解明されていません。

フレイザー氏と同僚たちは、ゼブラフィッシュを用いることで、この解剖学的制約を回避し、連想記憶の形成についてより深く理解できる可能性を見出しました。魚類には哺乳類のような扁桃体はありませんが、連想記憶が形成される外套と呼ばれる類似の領域があります。外套は研究にとってはるかにアクセスしやすいとフレイザー氏は説明します。哺乳類の脳は発達途上の段階では単に大きくなって成長し、「風船のように膨らむ」のに対し、ゼブラフィッシュの脳は「ポップコーンの粒のように」ほぼ裏返しになるため、深部の中心核は表面近くにあり、そこで画像化することができます。さらに、ゼブラフィッシュの幼生は透明なので、研究者たちは脳の中を直接観察することができました。

神経科学者は概ね、脳がシナプス（ニューロンが出会う小さな接合部）を変化させることで記憶を形成すると考えている。しかし、フレイザー氏によると、脳は主にシナプスの結合の強さ、つまりあるニューロンが次のニューロンをどれだけ強く刺激するかを微調整することで記憶を形成すると考えている人がほとんどだという。

そこで、そのプロセスを可視化するために、フレイザー氏と彼のチームは、ゼブラフィッシュの遺伝子操作を行い、シナプスに蛍光タンパク質マーカーを結合させたニューロンを作製しました。USCの生物科学および生物工学教授であるドン・アーノルド氏の研究室で作製されたこのマーカータンパク質は、特注の顕微鏡の薄暗いレーザー光の下で蛍光を発しました。フレイザー氏によると、課題は「何かが起こっている瞬間を盗み聞きできるようにする」ことでありながら、生物を焦がさないようにできるだけ少ない光を使うことでした。これにより、研究者たちは個々のシナプスの位置だけでなく、その強度も確認できるようになりました。光が明るいほど、接続が強いということです。

記憶を誘発するために、フレイザーと彼のチームは、ゼブラフィッシュの幼生に光を不快な熱さと関連付けるように条件付けました。これは、19世紀のロシアの生理学者イワン・パブロフが、ベルの音を聞くとご褒美を期待して唾液を分泌するように犬を条件付けしたのと似ています。ゼブラフィッシュの幼生は、光を見ると逃げようと泳ぎ回ることを学びました。（実験では、幼生の頭部は固定されていましたが、学習した行動の指標として尾は自由に振ることができました。）研究者たちは、魚が学習する前と後の外套膜を画像化し、シナプスの強度と位置の変化を分析しました。

予想に反して、魚が何かを学習したかどうかに関わらず、外套膜のシナプス強度はほぼ同じままでした。ところが、学習した魚では、外套膜の一部の領域からシナプスが刈り込まれ（「盆栽を切るような」効果があったとフレイザー氏は言います）、他の領域に再植毛されました。

これまでの研究では、記憶はシナプスの追加と削除によって形成される可能性が示唆されることもあったが、今回のリアルタイムかつ大規模な脳の可視化は、この記憶形成方法が研究者の認識よりもはるかに重要である可能性を示唆している。決定的な証拠ではないものの、「これが脳が記憶を形成する主要な方法である可能性を示す説得力のある証拠だ」と、ダブリン大学トリニティ・カレッジの神経科学者トマス・ライアン氏は述べた。ライアン氏は今回の研究には関与していない。

新たな研究結果と記憶形成に関する当初の予想を一致させるため、フレイザー、アーノルド、そして彼らのチームは、記憶の種類が脳がそれをどのように符号化するかを決定づける可能性があるという仮説を立てた。「私たちが研究してきたこれらの連想イベントは、最も強い種類の記憶である可能性があります」とフレイザーは述べた。魚にとって、これらは生死を分ける重要な出来事であるため、「これらの強い記憶が非常に強い形で符号化される可能性はそれほど驚くべきことではありません」。

しかし、恐怖に満ちた記憶を固定するのに適した方法が、より日常的な記憶には最適とは限らない。誰かの名前の発音を学ぶとき、「脳からシナプスを引き抜いて新しいものを追加するようなことはしたくないだろう」とフレイザー氏は述べた。

フレイザー氏と彼のチームは、このモデルが最終的には心的外傷後ストレス障害を引き起こす記憶に関係するメカニズムの調査に役立つ可能性があり、さらにはこの症状を緩和するための潜在的な戦略につながる可能性があることを期待しています。

しかし、今回の研究には参加していないニュージーランドのオタゴ大学心理学教授クリフ・アブラハム氏は、今回の発見は記憶の種類よりもゼブラフィッシュの年齢に関係している可能性があると指摘する。「脳の様々な部位で、発達過程における経験の結果として、多くの刈り込みとシナプスの再編成が起きていることは分かっています」とアブラハム氏は述べた。もし成体のゼブラフィッシュを調べれば（成体は透明度が低く脳が大きいため、調査は難しい）、異なる結果が得られるかもしれない。

この論文は「技術的な傑作」だが、記憶がどのように形成されるかというパズルのほんの一片に過ぎず、ゼブラフィッシュにおける記憶やシナプスの変化がどのくらい持続するかなど、まだ多くの未解明の疑問が残っていると彼は付け加えた。

研究者たちは、この発見がより大きな脳を持つ動物や哺乳類にも当てはまるかどうかを確認し、ゼブラフィッシュや他の動物が感情的負担やトラウマの少ない記憶をどのように形成するかを調べたいと考えている。

「脳が記憶を保存する方法は実に多岐にわたると、誰もが考えてきたと思います」とフレイザー氏は述べた。「素晴らしいのは、それらのすべてが正しいということです。そして、問題は、これらがどのように連携して機能するのか、ということです。」

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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