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人間の記憶はどのようにして作られるのか

記憶とは何か? 1904年、ドイツの生物学者リチャード・セモンは、記憶の痕跡は、離散的な脳細胞の集団の結合によって保持されているという考えを思いついた。 彼はその架空の物理回路をエングラムと名付けた。 エングラムはその後、SFやサイエントロジーの世界で確固たる地位を築きました。

しかし、脳内の存在を証明するには、光で作動するピンセットが開発され、細かい回路を切り離せるようになるまで待たねばなりませんでした。 2012年、MITの利根川進教授の研究室は、この「光遺伝学的」ピンセットを用いて、エングラムが実在することを初めて示しました。

そして今、同じグループが、昨年4月にサイエンス誌に発表した論文で、脳の一部、海馬で作られ、最外層の皮質にアップロードして保存する方法の詳細を明らかにしました。

記憶の保存に関するこれらの詳細を明らかにすることは、記憶が失敗したときや過活動になったときに、記憶を調整する新しい方法を見つけるための扉を開くことになります。

人間の記憶がどのように形成され、保存されるかについての最初の実験的証拠は、わずか1953年にさかのぼります。

「原理的にこの研究は、PTSDで過剰に活動するこれらの細胞を治療できるかもしれないということを示しています」と、クイーンズランド脳研究所所長Pankaj Sahは言います。 と、クイーンズランド州脳研究所所長のPankaj Sah氏は言います。「ある意味、非常に完全な記憶が、これほどまでにバラバラになるとは驚きです」

人間の記憶がいかに形成・保存されるのか、最初の実験的証拠は、わずか1953年にさかのぼります。 27 歳のアメリカ人、ヘンリー・モライソンが、発作を治すために海馬を切除したときのことです。 外科医にとって恐ろしいことに、この手術は彼の新しい記憶を作る能力をも破壊してしまったのである。 しかし、彼の古い記憶には問題がなかった。

この意図しない実験により、海馬は新しい記憶、特に今朝公園で犬を散歩させたときに見たものなど、毎日作られる文脈に富んだ「エピソード」記憶を紡ぐのに必要であることが明らかになったのです。 しかし、このような詳細な記憶は海馬に保存されるわけではなく、時間とともに脳の外殻である大脳皮質に移されるのです。 このことは、脳のこれらの部分を電気的に刺激したときに、特定の記憶を思い出す患者からわかっています。 {この記憶のアップロードには、一般に、コンピュータのファイルを圧縮して長期保存するのと同じように、情報の圧縮が必要です。

このような大まかな流れは、5年前まではほぼ決まっていた。 理研脳科学総合研究センターとMITの共同研究である利根川研究室は、光遺伝学と呼ばれる最先端技術を使って、神話に近いアイデアを実用化したのである。 そのひとつが、セモンのエングラムという考え方である。 記憶が脳に物理的な痕跡を残し、脳が刺激を受けると、その記憶が再生されるというものでした。 その後、研究者たちは、ニューロン間の電気信号の多くを解読し、学習や記憶が、個々のニューロン間の結合、すなわちシナプスの強化にどのように対応しているかを示しました。 1999年、ノーベル賞受賞者であり、脳の謎の解明に才能を発揮したフランシス・クリックは、進歩のために、生きている動物の個々のニューロンを活性化するために、パルス状の光を使用できないかと考えつきました。

「これはかなり突飛に思えるが、分子生物学者が特定の細胞タイプを光に反応するように設計できる可能性がある」と、彼は書いています。 それからわずか6年後、スタンフォード大学の神経科学者エドワード・ボイデン氏とカール・デイセロス氏が、自分たちでも驚くほど、光遺伝学の先駆的研究でそれを現実のものにしたのです。 彼らは、緑藻類が使っている光スイッチ、チャネルロドプシンタンパク質を利用したのだ。

青い光を当てると、このタンパク質は孔を開き、正電荷のイオンが細胞膜を通過するのを可能にします。 この電流の流れが、藻類細胞の反対側の端にある鞭毛に信号を送り、光に向かって藻類を推進させます。 また、記憶を作る細胞はc-fosというタンパク質を産生するため、c-fosを産生する細胞でのみ遺伝子が作られるように操作した。

2012年、利根川教授のグループはこの光遺伝学的手法を使って恐怖エングラムの存在を実証した。 特徴的な壁模様や床の質感を持つ箱にマウスを入れました。 その箱に入れるたびに、電気ショックを与えた。 その後、ショックボックスの中に入れるだけでギョッとするようになりました。

研究者たちは、海馬で活発に光のスイッチを作っている細胞群を特定し、その細胞が記憶の形成に関与していたことを示す決定的な証拠も得ました。

それが事実であることを証明するために、科学者たちは次に、これらの細胞をターゲットにするために、光ファイバーを脳から海馬に通した。 海馬にリズミカルな青い光を当てると、マウスはショックボックスに入れられた時の記憶がよみがえるかのように固まりました。 これは、エングラム(数百の細胞の集まりで、刺激を受けると記憶を再生する)の最初の証拠でした。

この新しい研究で研究者たちは、マウスの海馬のエングラムが時間とともにどうなるかを見たいと考えました。 他の研究では、恐怖の記憶が保存されているのは、大脳皮質の特定の小さな領域(前頭前野)であることが示唆されていた。 そこで研究者たちは、前頭前野の細胞に、ライトスイッチを含むウイルスを感染させたのです。 以前と同様、マウスがショックルームの恐怖を覚えると、海馬に閃光を当てるとその記憶が再生されるのである。 驚いたことに、前頭前野の細胞に光を当てると、その記憶も呼び起こされるのです。 つまり、エングラムは同時に前頭前野にアップロードされているようなのだ。 「これは驚くべきことでした。皮質の記憶は、これまで考えられてきたように徐々にではなく、まさに最初の日に作られた可能性が高いことを示していたからです」

しかし、マウスをショックルームに入れ、その記憶でオロオロすると、前頭前野の同じ細胞が沈黙しました(分離した脳組織の化学活動を確認すると、それは明らかです)。 マウスをショック室に入れると前頭前野の細胞が発火したのは、その体験から2週間後であった。 逆に、海馬のエングラムは消え始めたのです。

つまり、長期記憶の保存に関しては、まず前頭前野で無音のコピーが作られ、それが徐々に固まっていき、海馬のエングラムは消去されていくのです。 この論文の筆頭著者である北村隆史氏は、「長期的な固まりが何であるかは、まだ解明されていません」と述べています。

記憶を固めるもうひとつの鍵は、前頭前野が海馬と脳の情動中枢である扁桃体の両方から入力を受ける必要があることでした。 研究者たちは、海馬と扁桃体の両方からの神経細胞入力を遮断すると(これもライトスイッチを用いて)、大脳皮質の記憶を定着させることができませんでした。 光のスイッチを埋め込むことはできないが、微細な電極を埋め込んで、脳の特定の領域をオン・オフすることは可能である。 北村は、同様の手法で脳内エングラムを操作できるようになる日が来るだろうと想像している。 「しかし、まずはマウスでマッピングする必要があります」

この分野の進歩の速さを考えると、エングラムを操作する時代はそう遠くないかもしれません。