数日間または一生の思い出を覚えて保存する能力は重要な機能です
脳がどのように情報を保存するかを理解し、どの記憶が長く残り、どの記憶が消えるかを調整し、加齢に伴う障害を発症するリスクのある人の記憶を強化する方法を開発し、損傷後に正常な脳機能を回復するのに役立ちます.
メモリはどのように機能しますか?
さまざまな種類のメモリが作成され、保存されます脳のさまざまな領域で異なります。神経科学者は、すべてのプロセスの複雑さをまだ完全には理解していません。詳細を改良し、新しい脳機能を発見し続けています。しかし、自伝的記憶 (個人的に経験した出来事の記憶) は、出来事の数時間後から数日後に、海馬と呼ばれる脳の一部で形成され始めることが知られています。
ニューロンは、互いに通信する神経系の細胞です。シナプスを介して別の。これらは、2 つの細胞が接続し、化学メッセージ (神経伝達物質) を使用して小さなギャップを介して「情報」を交換する領域です。各ニューロンは、シナプスを介して他の何千ものニューロンに接続できます。
顕微鏡下でのニューロンの相互作用。ビデオ: カリフォルニア大学バークレー校
ニューロンの重要な特性の 1 つはシナプスですプラスチック。これは、相互作用活動の増減に応じてシナプスが時間の経過とともに強化または弱体化する能力に付けられた名前です。 「使用」の頻度に応じたシナプスの効率の長期的な変化は、学習、記憶形成、神経細胞の発達にとって重要であると考えられています。
ニューロンは常に新しいタンパク質を生産しています特定の神経伝達物質の受容体など、シナプスの一部のリモデリング。これにより、神経細胞は選択的に相互の接続を強化することができます。その結果、記憶を暗号化するネットワークが形成されます。記憶が「活性化」される頻度が高いほど、そのニューラル ネットワークはより強力になります。このような構造は海馬を超えて、脳のさまざまな部分で長期記憶を形成します。
思い出が見える？
19 世紀の終わりに、科学者たちは最初の顕微鏡は、個々のニューロンを識別するのに十分強力です。次世紀半ばまでに、電子顕微鏡はわずか数十ナノメートル幅のシナプス構造を示し、その後、研究者は 2 光子顕微鏡を使用して、学習プロセス中にシナプス接続がどのように形成されるかをリアルタイムで観察しました。
神経科学者が使用するモデルの 1 つメモリを扱うためのエングラムです。これは、脳内の特定の記憶の物理的痕跡 (ニューラル ネットワーク) に与えられた名前です。エングラム細胞は、再活性化によって個々の記憶が呼び戻されるニューロンの集団です。
遺伝学の分野における数多くの研究そのようなエングラムを視覚化することを可能にしました。たとえば、科学者はウイルスを使用して、クラゲに含まれる緑色の蛍光タンパク質をマウスの脳に注入し、学習時にニューロンを発光させました。また、藻類の光感受性タンパク質であるカナルロドプシン (ChR2) を導入することで、特定のニューロンを人為的に活性化し、特定のエングラムを「オフ」または「開始」することができます。
たとえば、MIT の研究者は次のことを明らかにしました。恐怖を学習する過程でマウスの脳内に形成されるエングラム。青色光を使用してこのニューロンのネットワークを人為的に繰り返し活性化すると、動物は危険に対する特徴的な反応である「フリーズ」を引き起こしました。
記憶を視覚化するもう一つの方法は、機能的磁気共鳴画像法 (fMRI)。この技術は、ニューロンの活動と脳内の血流の変化との関係に基づいています。研究者は、血行動態 (血液の動き) がどのように変化するかを観察することで、脳のどの領域が時々活動しているかを判断します。
この技術を使えば、例えば、オレゴン大学の研究者は、人間の記憶に浮かぶ顔画像を認識して再構築できるように AI を訓練しました。トレーニング プロセス中、参加者にはさまざまな人々の顔の写真が見せられ、コンピューターが fMRI データを処理して、各写真に特徴的な脳活動のパターンを生成しました。
その後、参加者に新作を見せたところ、未知の AI 写真、脳の活動に基づいて、コンピューターは写真の顔を再構成しようとしました。完成した画像と完全に似ているわけではありませんが、人工ニューラル ネットワークはいくつかの特徴を正確に識別して再現し、肌の色など、特定の特徴に対する個人の主観的な認識も反映しました。
実験スキーム: トレーニング (上) と未知の画像の再構成 (下)。イラスト：Hongmi Lee、Brice A. Kuhl、Journal of Neuroscience
記憶は操作できる？
「false」を形成する方法の 1 つマウスの記憶」は、マサチューセッツ工科大学の研究者によってほぼ 10 年前に実証されました。科学者によって提案されたアプローチは、特定のイベントに関連するエングラムを識別し、光遺伝学 (光の助けを借りてニューロンを制御する) を使用してそれらを活性化することに基づいています。
false を作成する実験のスキーム思い出。科学者は環境 A に対応するパターンを読み取りました。彼らは動物を環境 B に移動し、電流をオンにし、並行して光の助けを借りて、環境 A に対応するエングラムのニューロンを活性化しました。それらが再びコンテキスト A に置かれたとき、彼らはAに対する恐怖の誤った記憶を示しました（凍結は波線で示されます）、感電死したことはありません。同時に、ニュートラル環境 C では行動に変化はありませんでした。画像: Steve Ramirez et al., Frontiers in Behavioral Neuroscience
科学者たちはマウスを遺伝子組み換えして、タンパク質カナルロドプシン (ChR2) をコードする遺伝子をニューロンに導入するため。単細胞緑藻の光受容体として機能する光感受性タンパク質です。この遺伝子は、ニューロンが活性化されたときに蛍光タンパク質の発現を引き起こすように改変されています。この変更により、科学者は、学習プロセス中にアクティブな (蛍光を発する) ニューロンを追跡し、光を使用してそれらを再アクティブ化することができました。
実験中、科学者たちは実験用マウスを最初の「部屋」に連れて行き、この環境の記憶に対応するエングラム（ニューラルネットワーク）を読み取ります。この後、動物を第二の環境に移すと、最初の「部屋」に関連するニューロンが活性化され、ショックを受けました。
さらなる分析により、動物では元のエリア（最初の「部屋」）に対する恐怖に関連して、誤った記憶が形成されました。ネズミたちはそこでショックを受けることはなかったが、この環境に置かれると恐怖で固まってしまった。
光の活性化前の「訓練された」マウスの通常の行動と、過去の恐怖に関連するエングラムの活性化後の恐怖。ビデオ: Liu, X. 他、Nature
この作品だけですが、原始的な実験であり、人間の脳はマウスよりもはるかに複雑ですが、この研究は、外部の影響下で記憶がいかに簡単に変化するかを示しています.人々の日常生活における誤った記憶の形成に関する数多くの研究が、この可塑性を裏付けています。
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