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CA2は小さな環境変化を認識

記憶中枢「海馬」の小領域CA2の機能が明らかに

まず、マウスをある環境に慣れさせ、その後、全く違う環境とほんの少しだけ違う環境に移動した際に活動する海馬の神経細胞を、細胞イメージング技術を用いて観察しました。神経細胞が活動すると発現する遺伝子(Arc遺伝子とH1a遺伝子)を蛍光染色により、検出した結果、CA1、CA2、CA3、それぞれの神経細胞の可視化に成功しました。これにより、マウスがほんの少しだけ違う環境(いくつかの新しい物を置いただけの環境)に移動したときに、活動する神経細胞のパターンがCA2だけ完全に変わってしまうことが分かりました。これは、海馬全体は大きな環境の変化は認識できるものの、小さな環境の変化は認識できず、小さな環境変化を認識する役割はCA2が担っていることを示しています。

また、CA2の神経細胞の活動を阻害した遺伝子改変マウスは、正常なマウスに比べ新しい環境に移動してもその環境を探索しないことも分かりました。

これらの結果から、CA2は記憶の形成とその更新に重要な役割を持つことが分かりました。



パターンセパレーションとパターンコンプリーション

 歯状回顆粒細胞は皮質性入力の微妙な差を広げる作用をし、入力の差がもともと大きければ何もしない。他方CA3細胞は皮質性入力の微妙な差にはパターンコンプリーションしたかのように反応せず、より大きな差のある入力には新たな場所細胞を動因するglobal remappingの手法でパターンセパレーションを起こした。すなわち歯状回とCA3のパターンセパレーションはそのメカニズムが異なることが提唱された。



と記したが、CA2にもパターンセパレーションの機能があり、歯状回やCA3のメカニズムとも異なるようである。

関連記事:
海馬CA2
パターンセパレーションとパターンコンプリーション

tag : CA2 パターンセパレーション

海馬CA2

100年ぶりに脳の主要な記憶神経回路の定説を書き換え
-海馬に新たな記憶神経回路を発見、記憶形成の謎解明へ大きく前進-


これまで何十年間も信じられていた「歯状回はCA2に入力しない」という定説を覆し、「歯状回が直接シナプスを介してCA2に入力している」ことを発見しました。また、CA2は、CA1の深い細胞層の興奮性細胞群に優先的に入力していることが明らかになりました。以上のことから、海馬において、従来型のトライシナプス性の記憶神経回路「嗅内皮質→DG→CA3→CA1」に加えて、新しいトライシナプス性の記憶神経回路「嗅内皮質→DG→CA2→CA1deep」を発見しました。従来型のトライシナプス性の記憶神経回路は海馬内で主にラメラ断面に沿って情報伝達しているのに対して、新しいトライシナプス性の記憶神経回路は複数のラメラ断面を縦断して情報伝達していることも明らかになりました。


CA2に関する生理学的発見の次は、記憶や学習にどのようなかかわりを持つかなどの機能的な発見を期待します。

関連記事:
回想性想起と親近性想起
エピソード記憶と意味記憶
海馬の宣言的記憶仮説
歯状回の顆粒細胞
海馬の作業記憶仮説
海馬の認知地図仮説
パターンセパレーションとパターンコンプリーション
海馬CA3と記憶の想起
海馬CA1と記憶の獲得
新生ニューロンと学習

tag : 海馬 CA2

視覚性対連合記憶

視覚性対連合記憶課題を用いて、下記の発見がなされた。

脳内の外界情報データベースが作られる仕組みを解明
—従来の定説を覆す発見—


まず視覚には、第一次視覚野から始まる結合連鎖が頭頂葉に至る背側視覚経路と、側頭葉下部に至る腹側視覚経路がある。

左右の頭頂連合野を破壊したサルは、一般に物体間の位置関係に関する空間課題が困難になり、左右の下側側頭葉皮質を破壊したサルは、物体視覚像の弁別または記憶を必要とする課題が困難になる。

腹側視覚経路は、第一次視覚野 → V2野 → V4野 → TEO野 → TE野である。TE野は腹側視覚経路の最終段階で、TE野からは嗅周野(35野、36野)、前頭前野、扁桃体、大脳基底核の線条体など、視覚系の外の多くの脳部位への線維投射がある。

嗅周野は様々な高次感覚連合野から知覚情報を受け取るが、サルではTE野からの視覚入力が多くを占める。嗅周野はTE野からの視覚入力以外に、海馬傍皮質内のTF野や上側頭溝背側部といった複数の感覚モダリティーを処理する領域からの入力も受け取る。嗅周野が受け取った感覚情報が嗅内野を介して海馬に供給される一方で、海馬や嗅内野からの信号が逆行性に嗅周野に伝達される。

TE野の細胞の多くは上記資料の図2のような中程度に複雑な図形特徴を抽出して反応する。

嗅周野は連合記憶に関係し、異なるオブジェクト間での関連付けや、オブジェクトと報酬情報の間の関連付けに寄与することが知られている。例えば2つの任意の視覚図形(仮に図形AとB)をペアとして学習を行うと、対符号化細胞と呼ばれる図形の組み合わせを表現する(図形Aと図形Bの両方に選択的な反応を示す)ニューロン群が嗅周野に多数出現する。

下部側頭葉は、隣接した2つの領野、低次側のTE野と高次側の36野から成りますが(図2A)、TE野の多くのニューロンがそれぞれ個々の図形を表象しているのに対して、36野には図形間対連合を表象するニューロンが数多く存在することが報告されてきました。


物体の視覚特徴の表象様式は大脳皮質の内部表現の中でも最もよく調べられていますが、個々のニューロンの活動計測に基づいた従来の見解では、ある領野における視覚特徴の神経表象は、その領野内で生成されてその領野における支配的な神経表象になると考えられてきました。


というこれまでの定説に対して、

まず低次領野において神経表象のプロトタイプ、すなわち「前駆コード」が少数生成され、それが高次領野に送られ、そこで多くのニューロンに広まる、すなわち「増殖」する、という「前駆コード生成→増殖仮説」も立てられます。この仮説では、大脳皮質の階層的に異なる複数領野にまたがった情報処理によって神経表象が形成される点で、従来の説とは異なった計算原理を提唱することになります。


低次側の領野であるTE野には、個々の図形を表象するニューロンから図形間対連合を表象するニューロンへと情報を送る神経回路が数多く存在することがわかりました(図5、図6左)。これは、対連合表象の「前駆コード生成」過程を表していると考えられます(図2C左上)。一方、高次側の領野である36野では、そのような神経回路は見られず(図6右)、代わりに、図形間対連合を表象するニューロン同士が結合し、情報を送る側のニューロンが先に対連合表象を示し、情報を受け取る側のニューロン集団がやや遅れて相互結合を強める過程と並行して対連合表象を示すようになることがわかりました(図7)。これは、対連合表象の「増殖」過程を表していると示唆されます(図2C右上)。以上の結果から、視覚特徴の表象は、従来の見解とは異なり、その表象が支配的である領野よりも低次の領野において少数の「前駆コード」が生成され、それが高次領野における「増殖」過程を経ることによって、支配的な神経表象となることが示されました。


という定説とは異なった説を裏付ける実験結果が得られたと上記の資料は説明している。
今後、低次の領野において少数の「前駆コード」の生成や、高次領野における「増殖」のメカニズムが判明すれば、記憶(特に意味記憶)の解明に一歩近づけるのではないだろうか。

tag : TE野 嗅周野 36野 視覚性対連合記憶課題

誤った記憶

理化学研究所の利根川進研究チームは、マウスを使い記憶の内容を光で操作することにより、過誤記憶が形成されることを初めて実証した。

記憶の曖昧さに光をあてる
-誤りの記憶を形成できることを、光と遺伝子操作を使って証明-


研究チームはこれまでに、マウス脳を用いて、記憶を保存する特定の脳細胞群を光感受性タンパク質で標識し、その細胞群に光をあてることで、脳に保存されている特定の記憶を思い出させることに成功しています。さらに研究チームは、最先端の光遺伝学(オプトジェネテイクス)[2]技術を用い「過誤記憶がどのように形成されるのか」という謎の解明に挑戦しました。

実験では、まず、安全な環境であるA箱の環境記憶痕跡(エングラム)をマウスの海馬[3]に形成させ、光感受性タンパク質で標識しました。次に、このマウスを異なった環境のB箱に入れ、A箱の環境記憶を思い出させるためにこの細胞群に光(ブルーライト)をあてると同時に、マウスが嫌がって恐怖反応(すくみ)を示す弱い電気刺激を足に与えました。すると、電気刺激とA箱のエングラムが結びついて、このマウスはその後安全なA箱に入れても恐怖反応(すくみ)を示しました。さらに、A箱のエングラムに対応した細胞群を光刺激しただけで、恐怖反応(すくみ)が生じることを発見しました。これにより、安全なA箱のエングラムは、恐怖と一緒になった別のエングラムへと再構成されたことが明らかになりました。



言い換えると以下のとおり。

1) A箱の環境記憶痕跡をマウスの海馬に形成させ、光感受性タンパク質で標識

2) このマウスをB箱に入れ、A箱の環境記憶の細胞群に光をあてると同時に、弱い電気刺激を足に与える

3) A箱に入れても恐怖反応(すくみ)を示した

4) A箱のエングラムに対応した細胞群を光刺激しただけで、恐怖反応が生じた

その後B箱に入れた場合、恐怖反応は示すのだろうか?

利根川先生はこれまでも記憶に関する数々の研究実績を残している(下記参照)。
海馬CA3と記憶の想起
海馬CA1と記憶の獲得

光遺伝学(オプトジェネテイクス)に関しては下記参照。
「人工記憶」とオプトジェネティクス

tag : 過誤記憶 海馬 光遺伝学 オプトジェネテイクス

海馬と記憶

以下は海馬に関するこれまで記事のまとめである。

 海馬損傷(または切除)患者が、ある種の新しいこと(例えば人の顔など)を記憶できないにもかかわらず、昔のことは覚えていることから、海馬に蓄えられた記憶は、時間の経過とともに海馬から大脳皮質に転送されると考えられている。この期間は、マウスやラットでは1ヵ月、ヒトでは数ヵ月から数年である。

 マウスを用いて海馬の神経新生を抑制(X線照射処置や遺伝子改変)すると、海馬から大脳皮質への記憶の転送は遅くなり、神経新生を促進(豊富環境)すると、その転送は早まったそうである。


--神経新生と記憶の転送--から

ここで言っている「海馬から大脳皮質への記憶の転送」は単純に記憶が移動するということではないらしい。

 多くの研究者は明示的記憶は刺激を最初に処理した皮質のシステムに貯えられ、海馬はその貯蔵システムに指示をを与えるのに必要なのだと考えている。たとえば、視覚的な場面の記憶がつくられるには、知覚情報が皮質視覚野から海馬周囲領域に送られ、それから海馬の回路に入ることが必要だ。処理された信号、つまり記憶はそのあと、海馬周囲領域を通って皮質視覚野にフードバックされるという。
・・・
記憶は当初は海馬に起きたシナプス変化によって貯蔵される。刺激となった状況のある側面がふたたび起きると、海馬が関与して、最初の刺激のときに起こった皮質の活性化パターンが再現される。再現のたびに皮質のシナプスが少しづつ変化する。再現は海馬に依存しているので、海馬が損傷されると最近の記憶が損なわれる。しかしすでに皮質に確立している旧い記憶は影響を受けない。


そして記憶の転送(定着)は、睡眠中に起こると考えている。

・・・などの研究者たちは、記憶の定着は眠っている間に起こる、とりわけ、情報がインターリーブされて皮質のネットワークに少しずつ入っていくのは、睡眠中の出来事だと考えている。近年の研究はこの考えを裏づけしている。たとえばウィンソンとマクノートンはラットの海馬でのニューロンの活動を記録した。技術的に洗練された手法により、彼らはラットが新しい環境を探索しているときの、海馬のニューロンの活動パターンを精密に確認することができた。やがて、ラットが眠りにつくと、その神経活動パターンが海馬で繰り返されているようだった。


--睡眠と記憶の定着--から

ところで海馬が関わっている記憶はどのような種類のものであろうか。

 スクワイアの「宣言的記憶仮説」によると海馬の主要機能は、

1) 長期記憶の形成
2) 事実(意味記憶)や出来事(エピソード記憶)に関する宣言的記憶を司る
3) 機能不可分な側頭葉内側部システムの一部として記憶の形成とその初期貯蔵に働く
4) さらに記憶を徐々に大脳皮質に転送固定させ古い記憶の想起にはもはや必要とされない

とされる。

 しかし最近ではこの仮説の詳細に疑問を呈するデータが多い。サルの海馬を破壊しても遅延非見本合わせ課題で障害されなかったとの報告や、有名なH.M.は以前の報告とは異なり意味記憶を十分獲得できるという報告が最近なされ、エピソード記憶が障害されているにもかかわらず意味記憶の獲得は正常だったという思春期健忘例の報告がある。

 つまり「意味記憶に関しては、海馬は関わっておらず、意味記憶とエピソード記憶は機能不可分ではない」のではないかという疑問である。


--海馬の宣言的記憶仮説--から

まだ結論は出ていないが、やはりエピソード記憶には海馬が関わっているが意味記憶は関わっていないというのが有力であろう。

 エピソード記憶と意味記憶はそれぞれ異なる神経基盤の持つかという問題には、タルビングが以下の2つの可能性を提示している。

1) 記憶情報は大脳一次感覚野から順次入力し、まず意味記憶として形成されて最終的に海馬でエピソード記憶としてまとめられるというもので、意味記憶の形成基盤は情報が海馬に到達する以前にある(自説SPIモデル)
2) 意味記憶は多くのエピソードから文脈要素が抜けて意味だけ抽出されて形成されるという可能性で、神経基盤としてはエピソード記憶と同様に意味記憶の符号化は海馬に依存する

 スクワイアは2)の可能性を強く支持したが、エピソード記憶が障害されているにも関わらず、意味記憶の獲得が正常である患者の報告や、ヒトの幼少時の意味記憶が海馬の完成する以前に獲得されることなどから、最近では、側頭葉内側部は機能的解剖学的に細分化されているという見解が有力になってきている。


--エピソード記憶と意味記憶--から

ではエピソード記憶と意味記憶の神経基盤はどのようなものであろうか。

 多くの研究者は以前から再認記憶には少なくとも2つ以上の異なる神経基盤があると考えてきた。

1) 回想性想起
 回想性は意識を伴い過去のエピソードを想起したりその時点にあったことを追体験するものである。

2) 親近性想起
 親近性は、いつそのエピソードがあったかを思い起こすことはできないが見覚えがある、それを見たのは初めてではない、ということを基にした判断で、意味記憶に近い。

 Yonelinasは、信号検出理論を用いて、海馬に選択的に障害のある患者では、回想性の想起に障害があり、海馬周辺領域に障害のある患者では、親近性が障害されることを示した。

 AggletonとBrownは側頭葉内側部と間脳の間に機能の異なる2つの日常記憶システム経路があるという仮説を提唱している。

 第1の周回経路は、

海馬->海馬至脚->脳弓->乳頭体->視床前核<->帯状回後部<->海馬周辺皮質<->海馬

脳弓を介してエピソード記憶、空間記憶、または再認記憶のうちの回想性想起に関与しているとする。

 第2の周回経路は海馬体や脳弓を含まずに

嗅周囲皮質->下視床脚->視床背内側核<->帯状回<->嗅周囲皮質

主に視覚認識や再認記憶のうち親近性想起に関与する。

 第1の経路のどこかの破壊で遅延非場所合わせ課題、T迷路、放射状迷路、水迷路では基本的に空間学習障害が見られ、オブジェクト再認課題と遅延非見本合わせ課題は正常であた。

 第2の経路での破壊では、全く逆の結果となった。すなわち海馬と嗅周囲皮質の間に二重乖離を確認した。


--回想性想起と親近性想起--から

ここでも回想性(エピソード)想起には海馬が関わっているが、親近性(意味)想起には海馬が関わっていない。

記憶にはその獲得という側面と想起という側面がある。

 海馬CA1野のシナプスの長期増強の特徴は、NMDA受容体の活性に非常に依存しているが、通常レベルのシナプス伝達には、NMDA受容体はほとんど働いておらず、AMPA受容体が働いている。

 そこでまずCA1野に特異的にNMDA受容体をノックアウトしたマウスを作る。しかしCA3野や歯状回にはNMDA受容体は普通にある。そのノックアウトマウスの海馬スライスに、テタヌス刺激でCA1野のシナプスのみ長期増強が起こらず、歯状回た嗅内野のシナプスでは起こることを確認する。さらにそのノックアウトマウスが、モリスの水迷路実験で空間記憶が獲得できないことを確認した。

 このことから海馬CA1野のNMDA受容体はニューロンの長期増強の誘導に必要であり、正常な場所ニューロンの生成と空間学習(記憶の獲得)に必要であると結論された。


--海馬CA1と記憶の獲得--から

海馬CA1野は、記憶の獲得に必要というこであるが、では記憶の想起は?

 海馬CA3野の特徴は、CA1や歯状回とは違って、反回性経路(RC=recurrent pathway)があることである。この反回性経路が記憶の再生や想起に重要な働きをしていると多くの理論家は考えている。

 CA3野のシナプスの長期増強は、歯状回からの苔状線維がインプットを提供するシナプスでは、NMDA受容体の機能に依存しないが、反回性経路がインプットを提供するシナプス(反回性シナプス)ではNMDA受容体に依存する。そこでCA3野に特異的なだけではなく、反回性経路にも特異的にNMDA受容体をノックアウトしたマウスを作る。

 そのマウスで、まずモリスの水迷路で空間記憶を獲得・想起できることを確認する。次に4つの主な目印を1つに減らして想起の実験を行うと、コントロールマウスとの比較で明らかに成績が悪かった。

 少しの手がかりから全体を思い出すことを、記憶のパターンコンプリーションというが、CA3野のNMDA受容体をノックアウトしたマウスは、この能力を喪失しているこのがわかった。


--海馬CA3と記憶の想起--から

記憶の獲得時にはパターンセパレーション、記憶の想起にはパターンコンプリーションが関わっている。

 パターンセパレーションとは、二つの入力の違いをより大きくすることにより、相互干渉を防ぎ、二つの情報を区別することで、パターンコンプリーションとは少しの手がかりから全体を思い出すことである。

 パターンセパレーションは、海馬の歯状回で起きるという予測が提起され、歯状回の顆粒細胞特異的にNMDA受容体遺伝子を欠損させたマウスをつくり、文脈恐怖条件付けで文脈の識別ができなかったり、CA3場所細胞の発火特性が差が小さいなどの結果が出てきた。

 パターンコンプリーションは、CA3錐体細胞特異的にNMDA受容体遺伝子を欠損させたマウスをつくり、水迷路で異変マウスは空間参照記憶をまったく正常に学習できるが、空間的視覚手がかりの多くを除いて一部の視覚手がかり刺激では、素早くたどりつくことができなかった。さらにCA1の場所細胞の発火特性も著しく減弱することが確かめられた。また一試行性の文脈恐怖条件付けでも障害されていることが確かめられ、CA3領域は記憶獲得時の際には状況に応じてパターンセパレーションを行うと思われる。

 歯状回顆粒細胞は皮質性入力の微妙な差を広げる作用をし、入力の差がもともと大きければ何もしない。他方CA3細胞は皮質性入力の微妙な差にはパターンコンプリーションしたかのように反応せず、より大きな差のある入力には新たな場所細胞を動因するglobal remappingの手法でパターンセパレーションを起こした。すなわち歯状回とCA3のパターンセパレーションはそのメカニズムが異なることが提唱された。


--パターンセパレーションとパターンコンプリーション--から

記憶の獲得時にはパターンセパレーションがかかわり、それは海馬の歯状回で起きるという予測が提起されている。そして歯状回は成体の脳で唯一新たなニューロン生まれる。神経新生がエピソード記憶の獲得に、欠かせないと予想する。

脳で新しいニューロンが作られるのは、胎児のときだけと思われていたが、1990年代に、成体の脳の海馬(とくに歯状回)で新たなニューロンが生まれることが確認された。ヒトでは現時点で、その数は不明であるが、ラットの海馬では毎日5000~1万個が新生しているそうである。ラットの研究では運動をするとその発生率が高まるらしい。しかしその多くは、発生から数週間もたたないうちに姿を消す。

新生したニューロンを死に至らせずに済むには、如何にすればよいのか。答えは「学習」。しかし、ただ単に学習すれば良いというのもでもなく、ある程度の負荷のある学習でないとニューロンは生き残れない。さらに飲み込みの早い個体よりも、学習成立まで時間のかかった個体のほうが、ニューロンの生存率が高いそうである。


--新生ニューロンと学習--から

様々な情報の位置関係を理解するということは、(意味記憶ではなく)エピソード記憶のひとつなのであろうか。

 オキーフらは、迷路課題でラットなどの動物が使用している方略を、以下の3つに分類した。

1) 場所方略
・迷路外の様々な情報の位置関係を理解して、認知的な地図を作成し、それ利用する。

2) 手がかり方略
・迷路内の特定の目印(床に敷かれたテープなど)を標識として利用する。

3) 反応方略
・自分の体を中心として、右や左、前や後ろといった特定の歩行に基づいて行動する。

 放射状迷路やモリス水迷路での実験から、オキーフらは、動物が場所方略を使用するときには海馬の働きが必須であるが、手がかり方略や反応方略を使用するときには、その働きはそれほど重要でないと主張した。

 この海馬の認知地図仮説は、今もなお海馬の機能を示す有力な仮説である。


--海馬の認知地図仮説--から

tag : 海馬 記憶 CA1 CA3 歯状回

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宮城県出身。寅年生まれ。おうし座。B型。左利き。赤緑色盲。たそがれのプログラマー。

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